專(zhuān)利名稱(chēng)：電池堆關(guān)閉清除方法
電池堆關(guān)閉清除方法技術(shù)領(lǐng)域[OOOI]本申請(qǐng)大體上涉及燃料電池關(guān)閉后從燃料電池堆中淸除氣氣的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池技術(shù)是汽車(chē)工業(yè)中相對(duì)較新的進(jìn)展。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料電池發(fā) 電廠育灘達(dá)至鵬過(guò)55%的效率。并且，燃料電池發(fā)電廠排放的副產(chǎn)品只有熱和水。
燃料電池包括三個(gè)部分陰極，陽(yáng)極以及被夾在陰極和陽(yáng)極之間的 允許質(zhì)子從陽(yáng)極傳遞到陰極的電解質(zhì)。每個(gè)電極包括催化劑。在操作中，陽(yáng)極 上的催化劑把氫氣解離成電子和質(zhì)子。電子從陽(yáng)極流出形成電流，通過(guò)外部的 一些工作設(shè)刷WOTk-related device),比如驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，然后到達(dá)陰極。從陽(yáng)極 遷移的質(zhì)子，皿電解質(zhì)到達(dá)陰極。陰極上的催化劑把質(zhì)子和從工作設(shè)備回來(lái) 的電子以及空氣中的氧氣結(jié)合形成水。燃料電池堆是由單個(gè)的燃料電池串聯(lián)的 堆疊在一起形成的組合。
在燃料電池堆的操作中，平穩(wěn)的氫氣流被弓l入到燃料電池堆的陽(yáng)極 側(cè)，平穩(wěn)的空氣流被引入到燃料電池堆的陰極惻。當(dāng)燃料電池堆關(guān)閉時(shí)，流入 至l燃料電池堆陽(yáng)極側(cè)的氫氣流被停止。如果燃料電池堆關(guān)閉后氫氣仍然停留在 其中，滲漏到陽(yáng)極的空氣就會(huì)導(dǎo)致局部的腐蝕電池的形成。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極, 陰極的電勢(shì)可達(dá)到1.2-1.5V。隨著時(shí)間的推移，高電壓會(huì)導(dǎo)致陰極上承載催化 劑的碳基材的損失?；暮痛呋瘎┟娣e的損失會(huì)降低操作電壓，最終限制電池 堆的壽命。這個(gè)問(wèn)題在專(zhuān)利US2004/0081866A1 (Bekkedahl等)中有所敘丞。發(fā)明內(nèi)容
圖5示出了一種實(shí)施方式中使用的典型吸附齊附料的吸氧容量，可 以用來(lái)估計(jì)給定氧氣出口濃度下的氧氣儲(chǔ)存容量。吸附器16中需要的吸附劑 材料17的量取決于陽(yáng)極子系統(tǒng)所需要的體積、空氣流12a的流速，以及^ffi 的具體吸附齊訴才料17。例如，對(duì)于標(biāo)淋100kW的燃料電池堆，具有如圖5所 /琉氣吸收性能的吸附齊附料17需要4L (2.8kg)懶只來(lái)鄉(xiāng)兩個(gè)陽(yáng)極子系統(tǒng) 術(shù)只的含氧量低于1%的氮?dú)獾?1只交換。如果含^fi為5%的氮?dú)饬?4可以 被接受，那么只需要2.5L (l.汰g)的吸附劑材料17。
在空氣流12a被分SSffiii吸附器16之前，吸附齊附料17可以被維 持在相對(duì)低的鵬(例如室溫)下，這取決于鵬的吸附劑材料17。對(duì)于很多 吸附劑材料17來(lái)說(shuō)，將其維持在相對(duì)低的、驗(yàn)下育,高吸附齊附料17的氧 氣吸附容量。在隨后的吸附劑再生步驟中，如tt^m述，氫氣流14a被轉(zhuǎn)移通 過(guò)吸附器16，吸附齊咖繊30經(jīng)操作為吸附劑材料17提供熱量31。通常將 吸附劑材料17加熱到大約80-100攝氏忠就能顯著提髙氧，吸速率。具體選 擇的溫度取決于吸附劑材料17的熱性能和吸附性能，以及吸附劑加熱器30可 用的 。
參見(jiàn)圖2,本發(fā)明的一種實(shí)施方式可以包括附圖標(biāo)記10a ^的燃 料電池氫氣清除系統(tǒng)。系統(tǒng)10a適用于燃料電池糊或一^力的場(chǎng)合。系統(tǒng)10a 類(lèi)似于前文描述的如

圖1所示的系統(tǒng)10,區(qū)別在于氯氣分流管線(xiàn)26和氫氣分 流閥門(mén)28可以被省略。并且，陰，湖^管線(xiàn)38以與HM閥56的入口流體連 通方式設(shè)置。從HS閥56的一個(gè)出口延伸出^^排放管線(xiàn)54, ^H通閥56的 另一個(gè)出口延伸出陰極掃愾分配管線(xiàn)50。陰豐翻,氣分配管線(xiàn)50的排氣端以與 吸附器16流體3SI方式設(shè)置。管線(xiàn)22a連接吸附器16的出口和出口閥門(mén)41 。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，系統(tǒng)10a運(yùn)行期間，燃料電池堆34通 常如敝參照?qǐng)D2所述運(yùn)行。在燃料電池堆34的運(yùn)行過(guò)程中，吸附器入口閥ii
門(mén)20和吸附器出口閥門(mén)24關(guān)閉。從而，陰極擁^ 52 Mm電池堆34的陰極 側(cè)36流出，依次通過(guò)陰極抖^管線(xiàn)38和三通閥56,經(jīng)排氣排放管線(xiàn)54排出。
再次參見(jiàn)圖1,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，可以按照如下步驟 運(yùn)行系統(tǒng)10。根據(jù)本方法，吸附劑材料17是化學(xué)吸附材料，比如氧化鈰(CeO)。 il313Iil打開(kāi)吸附器入口閥門(mén)20和吸附器出口閥門(mén)24來(lái)MM料電池堆34清 除殘留的氫氣。這允許從空氣流管線(xiàn)12流出的空氣流12a通過(guò)吸附器16，使 空氣流12a中的氧氣和固體CeO吸附齊附料17反應(yīng)并形成固體Ce02。得到的 氮?dú)饬?4流出吸附器16,將7:^ii吸附器出口管線(xiàn)22、氫氣流管線(xiàn)14以 及燃料電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40，從燃料電池堆34清除殘留的氫氣，并從陽(yáng)極排 氣管線(xiàn)42中排出。由于從CeO到Ce02的轉(zhuǎn)換是放熱反應(yīng)，吸附器16必須合 適地設(shè)計(jì)以便不會(huì)突然將產(chǎn)生的熱量傳^^料電池堆34。
皿關(guān)閉吸附劑入口閥門(mén)20和氫氣流閥門(mén)15,并打開(kāi)氨氣分流閥 門(mén)28和吸附器出口闊門(mén)24，促^il氣流14a依次,氨氣分流管線(xiàn)26、吸附 劑入口管線(xiàn)18和吸附器16，從而使吸附齊訴才料17再生。在吸附器16中，氫 氣流14a中的氨氣將CeC^還原回CeO,形成水蒸汽。,向吸附劑CeO床引 入如Pt的催化劑，該反應(yīng)可以被加速。吸附齊咖繊30可以為該吸熱腿提 供熱量31。如果在吸附劑再生的步驟期間，燃料電池堆34還在運(yùn)行中，水蒸 汽從吸附器16中排出，被分iat過(guò)吸附器出口管線(xiàn)22、氫氣流管線(xiàn)14和燃料電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40，并艦陽(yáng)極排氣管線(xiàn)42排出。另一方面，如果在吸附 劑再生步驟期間燃料電池堆34沒(méi)有運(yùn)行，那么水蒸汽繞31^料電池堆34通過(guò) 其他的出口排出，比如圖2中的出口閥門(mén)41。
燃料電池堆34啟動(dòng)以后，ilil打開(kāi)氨氣分流閥門(mén)28和吸附器出口 閥門(mén)24，關(guān)閉氣氣流閥門(mén)15,從而使吸附器16再生。這樣，氯氣流14a從氫 氣流管線(xiàn)14流出，依次通過(guò)氫氣分流管線(xiàn)26和吸附齊U入口管線(xiàn)18,并進(jìn)入吸 附器16，在這里氧氣從吸附齊訴才料17解吸到氯氣流14a中。混^tn/氧氣流 44流出吸附器16，依次i!31吸附器出口管線(xiàn)22和氨氣流管線(xiàn)14， itA燃料電 池堆34的陽(yáng)極側(cè)40。在混錄 氧氣流中的低濃度氧氣條在陽(yáng)極催化劑上 被基本消耗掉。任何排氣都通過(guò)陽(yáng)極排氣管線(xiàn)42皿料電池堆34排出。如果 在關(guān)閉期間進(jìn)行再生，就需要如圖2中所示的出口管線(xiàn)22a和閥門(mén)41。出口管 線(xiàn)22a將氫氣ilil閥門(mén)41排入大氣中。在這種情況下，需要考慮氣氣凈化策 略。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式實(shí)施的氫氣清除系統(tǒng)被 標(biāo)記為附圖標(biāo)記10b。系統(tǒng)10b適用于燃料電池，或非動(dòng)力的場(chǎng)合。系統(tǒng)10b 的設(shè)計(jì)和前文參照?qǐng)D1描述的系統(tǒng)10類(lèi)似，區(qū)別在于系統(tǒng)10b增加了從空氣 流管線(xiàn)12延伸出的帶有吸附器入口閥門(mén)74的吸附器入口管線(xiàn)72。除了第一吸 附器16夕卜，還^fi了包含吸附劑材料70的第二吸附器68， ，二吸附器68 與吸附器入口管線(xiàn)72流體連通。帶有吸附器出口閥門(mén)78的吸附器出口管線(xiàn)76 以與吸附器68流體,方式設(shè)置。吸附器出口管線(xiàn)76的排氣端流體,,
接到氣氣流管線(xiàn)14上。氮?dú)夥至鞴芫€(xiàn)80 M氣分流入口閥門(mén)28延伸出，并 流體3iMiM接到吸附器入口管線(xiàn)72。如果該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)需要，可以在管線(xiàn) 26兩端設(shè)置兩個(gè)氣氣分流閥門(mén)以代替單個(gè)的氨氣分流閥門(mén)28。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，系統(tǒng)10b運(yùn)行期間，燃料電池堆34 通常如前文參照?qǐng)D1所^§行。 料電池堆34運(yùn)行期間,吸附器入口閥門(mén)20、 吸附器出口閥門(mén)24、吸附器入口閥門(mén)74、吸附器出口閥門(mén)78和氮?dú)夥至鏖y門(mén) 18是關(guān)閉的，而氯氣流閥門(mén)15是打開(kāi)的。這使得空氣流12a流過(guò)空氣流管線(xiàn) 12進(jìn)入燃料電池堆34的陰極側(cè)36，氣氣流14a流過(guò)氫氣流管線(xiàn)14 i^A燃料 電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40。
燃料電池堆34關(guān)閉以后，吸附器入口閥門(mén)20和吸附器出口閥門(mén)24 打開(kāi)，氫氣流閥門(mén)15關(guān)閉，使得空氣流12a從空氣流管線(xiàn)12流出并流經(jīng)第一 吸附器16。這樣制備出氮?dú)饬?4,其從吸附器16流出，依次ffi31吸附器出口 管線(xiàn)22和氫氣流管線(xiàn)14， Ji2A燃料電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40。氮?dú)饬?4將燃料 電池堆34陽(yáng)極側(cè)40中殘留的氣氣清除，并經(jīng)陽(yáng)鵬一氣管線(xiàn)42中排出。
在隨后的燃料電池堆34啟動(dòng)初期的很短時(shí)間(通常幾秒鐘)內(nèi)， 吸附器入口閥門(mén)20和出口閥門(mén)24被關(guān)閉，阻止了皿第一吸附器16的空氣 流12a。吸附器入口閥門(mén)74和吸附器出口閥門(mén)78被打開(kāi)，閥門(mén)15被關(guān)閉，使 得空氣流12a從空氣流管線(xiàn)12流出，并流經(jīng)第二吸附器68，然后產(chǎn)生的氮?dú)?流44從吸附器68中流出，進(jìn)入氫氣流管線(xiàn)14，進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)40，并經(jīng)陽(yáng)極排 氣管線(xiàn)42排出。當(dāng)陽(yáng)極40中的氧氣被基本置換后，閥門(mén)74和閥門(mén)78被關(guān)閉， 停止ilil吸附器68的氣流。氫氣流閥門(mén)15被打開(kāi)，允許氣氣^IA電池堆。
第一吸附器16和第二吸附器68通常在隨后的燃料電池堆34的運(yùn) 行期間被再生。相應(yīng)的，吸附器入口閥門(mén)20、吸附器入口閥門(mén)74,以及氣氣 流閥門(mén)15被關(guān)閉，而吸附器出口閥門(mén)24、氫氣分流閥門(mén)28和吸附器出口閥門(mén) 78被打開(kāi)。這使得氫氣流14a皿氣流管線(xiàn)14流出，并通過(guò)氨氣分流管線(xiàn)26。 氫氣流的第一部分14b流入第一吸附器16,而氫氣流的第二部分14c依次ffl31 氫氣分流管線(xiàn)80和吸附器入口管線(xiàn)72 ^LA第二吸附器68。在第一吸附器16 中，氧氣從吸附劑材料17中解吸出來(lái)，和氫氣流14b —起依次 吸附器出 口管線(xiàn)22和氣氣流管線(xiàn)14， iSA燃料電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40。氧^/氣氣流混 合物艦陽(yáng)極排氣管線(xiàn)42 Mi^料電池堆34排出。同樣的，在第二吸附器68說(shuō)明書(shū)第10/10頁(yè)中，氧氣從吸附劑材料70解吸出，和氫氣流14c —起依次皿吸附器出口管 線(xiàn)76和氣氣流管線(xiàn)14, iSA燃料電池堆34的陽(yáng)極側(cè)40,氧^/氫氣流混， 通過(guò)陽(yáng)極排氣管線(xiàn)42從其中排出。再生期間，可以對(duì)吸附齊i抽才料17和吸附劑 材料70施加熱量31以有助于氧，吸MI呈。[0043本發(fā)明示例性的實(shí)施方式如上所述，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以進(jìn)行各 種變形；所附的權(quán)利要求意在覆蓋可能落入本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有變形。
權(quán)利要求
1、一種降低燃料電池堆陰極劣化的方法，包括為車(chē)輛提供包括其中限定有陽(yáng)極反應(yīng)氣流通路和陰極反應(yīng)氣流通路的燃料電池堆，陽(yáng)極反應(yīng)氣流通路中存在反應(yīng)物；為車(chē)輛提供車(chē)載系統(tǒng)，以提供富氮?dú)饬?；清除?yáng)極反應(yīng)氣流通路中的反應(yīng)物，包括讓富氮?dú)饬髁鬟^(guò)陽(yáng)極反應(yīng)氣流通路。
2、 權(quán)利要求1所述的方法，其中富EI4流基本上不含氧氣。
3、 權(quán)利要求l所述的方法，其中富娜流含有低于2w^的氧氣。
4、 權(quán)利要求1所述的方法，其中富 流的制備包括使空氣流《:氧氣吸附材料，以去除空氣中至少大部分的氧氣，增力腐氣濃度。
5、 一種纖料電池堆中清除殘留氫氣的方法，包括 提供空氣流M/萬(wàn)述空氣流中除去氧氣以制備出氮?dú)饬?讓所述氮?dú)饬髁鲯烊f(wàn)述燃料電池堆的陽(yáng)極。
6、 權(quán)利要求5所述的方法，其中所^A^述空氣流中除去氧氣包括，提 供吸附劑材料，M讓所述空氣流流過(guò)所述吸附劑材料將所述氧氣吸附到所述 吸附齊訴才料上。
7、 權(quán)利要求6所述的方法，其迸一步包括通鵬供氮?dú)饬?，讓?xiě)? ^氣iMl所述吸附齊附料來(lái)再生所述吸附齊附料。
8、 權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的讓所述氮?dú)?^11^述燃料電池 堆的陽(yáng)極包括在所，料電池堆關(guān)閉后讓所述氮?dú)饬鱏31^W料電池堆的陽(yáng) 極。
9、 權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的讓所述氫氣^U1M所述吸附劑材料包括在所,料電池堆關(guān)閉后讓所3^iL氣M33t^述吸附齊i井才料。
10、 權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括讓離開(kāi)吸附齊訴才料的氣M3i所述燃料電池堆。
11、 權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述的讓所述氫氣流ili3^ 述吸附劑材料期間，加熱所述吸附劑材料。
12、 權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的讓所述空氣^M3^f述吸附齊附 料包括在所,料電池堆啟動(dòng)期間讓所述空氣 31所述吸附齊訴才料。
13、 權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的再生所述吸附齊訴才料包括在所 M料電池堆啟動(dòng)后再生所述吸附劑材料。
14、 權(quán)利要求7所述的方法，其中所述吸附齊附料包括碳結(jié)構(gòu)、碳好篩、 沸石、CeO或氧氣吸附材料中的至少一種。
15、 權(quán)利要求7所述的方法，其中所述吸附劑材料包括可以被可逆氧化的 氧化物材料。
16、 權(quán)利要求15所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述的讓所述氫氣流通過(guò) 所述吸附齊iJt才料期間，加熱所述吸附齊附料。
17、 權(quán)利要求7所述的方法，其中所述吸附劑材料包括CeO和催化劑。
18、 皿料電池堆陽(yáng)極中清除殘留氫氣的方法，包括 提供空氣流；皿吸附劑材料；ilil讓所述空氣MM所述吸附齊訴才料來(lái)提供氮?dú)饬鳎?讓所述氮?dú)?過(guò)所述燃料電池堆；以及皿提供來(lái)自所^料電池堆的陰極排氣，在陰纟湖一氣排出前讓所述陰極 排氣M所述吸附齊附料，從而再生所述吸附齊附料。
19、 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述吸附齊附料包括碳結(jié)構(gòu)、碳分子 篩、沸石、CeO或氧氣吸附材料中的至少一種。
20、 權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括^^f述的讓所述陰極排氣流 過(guò)所述吸附劑材料期間，力口熱所述吸附齊附料。
21、 一種^M料電池堆陽(yáng)極中清除殘留氫氣的方法，包括 提供空氣流；提供第一 吸附劑材料和第二吸附齊附料；^^ M料電池堆關(guān)閉期間，讓所述空氣流流a^述第一吸附劑材料以提供第一氮?dú)饬鳎屗龅谝坏獨(dú)鈄M^fi^料電池堆；在所 料電池堆啟動(dòng)期間，讓所述空氣流流過(guò)所述第二吸附齊附料以提 供第二氮?dú)饬?，讓所述第二氮?dú)饬髁鲯?f鵬料電池堆；M提供氫氣流，并讓所述氫氣流分別通^^述第一吸附劑材料和所述第 二吸附劑材料來(lái)再4M述第一吸附劑材料和所g二吸附齊附料。
22、 權(quán)利要求21所述的方法，其中戶(hù); i^氣流漸鄉(xiāng)一吸附齊附料和第二吸附齊附料中穿過(guò)所 料電池堆流出。
23、 權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第一吸附齊訴才料和所述第二吸附 齊附料的每一個(gè)包括碳結(jié)構(gòu)、碳針篩、沸石、CeO魏氣吸附材料中的至少—種。
24、 權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包括i^f述的讓所述氣氣流流過(guò) 所述第一吸附劑材料和所述第二吸附劑材料期間，加熱所述第一吸附齊訴才料和 所述第二吸附劑材料。
25、 一種M^料電池堆中清除殘留氫氣的清除系統(tǒng)，包括-分別用來(lái)輸送空氣流和氫氣流到燃料電池堆中的空氣流管線(xiàn)和氫氣流管線(xiàn)；以及包含吸附劑材料的吸附器，以與所述空氣流管線(xiàn)流體^1方式設(shè)置，用于 從空氣流中選擇性的接收和去織氣，并將氮?dú)饬鬏敵i料電池堆中。
26、 權(quán)利要求25所述的清除系統(tǒng)，其中所述氣氣流管線(xiàn)和所述吸附器流 體,，從而選擇性地^l氨氣流到所述吸附器中以再^^f述吸附齊附料。
27、 權(quán)利要求26所述的清除系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括和所述吸附器 觸的 吸附劑加,，用于加熱所述吸附劑材料。
28、 權(quán)利要求25所述的清除系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括陰極排氣分配管線(xiàn)，該 陰極排氣分配管線(xiàn)以與所述吸附器流體連通方式設(shè)置，以通過(guò)將陰極排氣皿 料電池堆輸:itlij所述吸附器中5l^擇性再^^述吸附齊附料。
29、 權(quán)利要求25所述的清除系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括含有第二吸附齊附料的 第二吸附器，該第二吸附器以與所述空氣流管線(xiàn)流體g方式設(shè)置，用于從空 氣流中選擇性接收和去,氣，并將氮?dú)饬鬏擽鵬料電池堆的陽(yáng)極。
30、 纖料電池堆中清除殘留氫氣的清除系統(tǒng)，包括 分另,來(lái)繊空氣流和氫氣流至鵬料電池堆的空氣流管線(xiàn)和氮?dú)饬鞴芫€(xiàn)； 包含吸附齊附料的吸附器，該吸附器以與所述空氣流管線(xiàn)和所體氣流管線(xiàn)流體連通方式設(shè)置，用于從空氣流中選擇性接收和去總氣，并將氮?dú)饬鬏?送到燃料電池堆中；以及氫氣分流管線(xiàn)，其以與所皿氣流管線(xiàn)和所述吸附器流體,方式設(shè)置， 用于選擇性地將所,氣流從所^氣流管線(xiàn)輸送至U所述吸附器并再^^述吸 附劑材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了從燃料電池堆清除殘留氫氣的方法。該方法包括提供空氣流，通過(guò)用吸附床除去空氣流中的氧氣來(lái)提供暫時(shí)性的氮?dú)饬?，以及讓該氮?dú)饬髁鬟^(guò)燃料電池堆。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101162785SQ200710167649
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者C·S·吉特爾曼, G·E·弗克斯, J·P·薩爾瓦多爾 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司