專利名稱：燃料池系統(tǒng)的工作以及為防止腐蝕而停止工作的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有離子交換膜的電化學能量轉(zhuǎn)換器，例如燃料電池 或電解槽或者這些池的堆組，以及更特別地，涉及用于與電化學能量 轉(zhuǎn)換器一起使用以防止腐蝕的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
包含像質(zhì)子交換膜(PEM)那樣的離子交換膜的電化學燃料池 可以如同燃料電池那樣工作，在該燃料電池中燃料和氧化劑在燃料電 池電極處進行電化學轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生電能，或者如同電解槽那樣工作，在 該電解槽中外部電流典型地通過水于燃料池電極之間流過，導致在各 自的電極產(chǎn)生氫氣和氧氣。圖1-4共同說明了常規(guī)膜電極組件5、包 含PEM 2的電化學燃料池10、這些燃料池的堆組100,以及燃料池 系統(tǒng)400的典型圖案。
每個燃料池10包含例如在圖1的分解圖中所示出的膜電極組件 ("MEA，，)5。 MEA5包含介于第一和第二電極層1、 3之間的PEM 2，該PEM 2典型是多孔且導電的，并且每個MEA 5在與PEM 2的 接觸面上都包含用于促進所期望的電化學反應的電催化劑。電催化劑 一般地規(guī)定了燃料池的電化學活動區(qū)域。MEA5典型地被合并為砌合層積的組件。
在圖2的分解圖內(nèi)所示出的單個燃料池IO中，MEA5被放置于 第一和第二隔板ll、 12之間，該MEA5典型是流體不能滲透的且導 電的。隔板11、 12用例如石墨的非金屬、例如某些級別的鋼鐵或表 面處理過的金屬這樣的金屬，或者導電性塑料復合材料來制造。
流體流動空間，例如通道或腔室，提供于隔板ll、 12與鄰接的 電極層1、 3之間，以使反應物容易到達電極層以及容易移除產(chǎn)物。 例如，這樣的空間可以依靠在隔板11、 12與相應的電極層1、 3之間 的間隔層，或者通過在隔板ll、 12與對應的電極層1、 3之間設(shè)置網(wǎng) 孔或多孔流體流動層來提供。更普通地，通道或流場形成于對應著電 極層1、 3的隔板11、 12的表面上。包含這種通道的隔板ll、 12通 常被稱為流體流場板。在常規(guī)的燃料池10中，彈性襯塾或封墊典型 地提供于MEA5與每個隔板11、 12的表面之間的流場的周界上，以 防止流體反應物和產(chǎn)物流的泄漏。
具有像PEM2那樣的離子交換膜的電化學燃料池10，有時被稱
為PEM燃料池，被方便地堆疊以形成包含多個布置于第一和第二端 面板17、 18之間的燃料池的堆組100 (見圖3)。典型地采用了壓縮 機制以保持燃料池10緊緊聚攏，維持組件間的良好電接觸，并且壓 縮封墊。如圖2所示出的，每個燃料池10在每個MEA5兩個隔板的 配置中包括一對隔板ll、 12。冷卻空間或?qū)涌梢蕴峁┯诙呀M100中的 一些或所有鄰接對的隔板11、 12之間?？商娲呐渲?沒有顯示) 具有單隔板或"雙極板"，該隔板被放置于與一個燃料池的陰極和相鄰 燃料池的陽極接觸的一對MEA 5之間，從而導致在堆組100中每個 MEA 5只有一個隔板(除末端池以外)。這種堆組100可以包含放置 于堆組的每隔幾個燃料池10之間的，而不是在燃料池的每個鄰接對 之間的冷卻層。
所示出的燃料池元件具有在其中形成的孔口 30，該孔口 30在堆 疊組件中對齊以形成分別用于供應反應物及排出產(chǎn)物的，以及，如果 提供了冷卻空間，則還會形成用于冷卻介質(zhì)的流體歧管。此外，彈性襯墊或封墊典型地提供于MEA5與每個隔板11、 12的表面之間，這 些流體歧管孔口 30的周界上，以防止工作堆組100中的流體流的泄 漏及混合。
包括電化學燃料池5以及/或者堆組100的電化學系統(tǒng)或裝置的 商業(yè)可行性在某些實例中可能受到在啟動或關(guān)機或兩者期間的堆組 腐蝕的妨礙。圖4說明了包括燃料池堆組100的燃料池系統(tǒng)400。在 啟動的時候，空氣可以存在于堆組100的陽極通道402中。氬氣在啟 動時被供應到堆組入口并且當空氣存在于陽極通道402的下游部分以 及氫氣存在于上游部分的時候可能發(fā)生腐蝕。通過使氫氣鋒面以更快 的速率穿過堆組100,能夠使該腐蝕作用時間最小化或減少。因此， 已經(jīng)開發(fā)了方法以減小堆組中的腐蝕。
在一種通?？蓱糜谄囅到y(tǒng)的減小啟動腐蝕的方法中，使用了 陽極循環(huán)鼓風機以加速從陽極出口清除多余燃料以及/或者惰性流體 并且使它們返回到入口，其中該惰性流體從陰極室擴散到陽極室，例 如氮氣。在另一個方法中，大清除閥允許清除陽極室中的多余燃料以 及/或者惰性流體。但是，這些方法受到阻礙。例如，陽極循環(huán)鼓風機 是昂貴的并且一般是不可靠的，使得它們的使用費用高并且它們的結(jié) 果不可預測。大清除閥體積大且費用也高，引入了在有限空間內(nèi)使用 的另外的問題，例如在汽車中。另外，大清除閥能夠排出燃料以及惰 性流體，例如氮氣。
在堆組100中引起腐蝕的另外的機會存在于堆組100的關(guān)機期 間。在關(guān)機之后，燃料，例如氫氣，通過穿過隔膜406的擴散從每個 燃料池的陽極室逸出并且在相同燃料池的陰極室內(nèi)被消耗。然后，陽 極壓力下降并且可以通過MEA 5內(nèi)的孔口或通道或者通過漏隙吸入 空氣。該空氣能夠在堆組100啟動時腐蝕燃料池10的元件或堆組100 的組件或兩者。以前提議的減小在關(guān)機期間以及之后的腐蝕的解決方 案包括將更多的氫氣引入陽極通道402或者設(shè)法避免空氣滲漏到堆組 100內(nèi)。但是，使用多余的燃料導致昂責的燃料浪費，例如氫氣，氫 氣沒有被使用于電化學系統(tǒng)或裝置的工作中。同樣，盡管努力防止泄漏，但在所有應用中完全避免所有的泄漏是不可能的。燃料池的商業(yè)可行性同樣日益取決于燃料效率以及氫氣排出?，F(xiàn) 有的解決方案包括單螺線管清除閥，該清除閥典型地顯出了不精確的 流動控制，以及小水滴和微粒污垢問題。而多重清除閥陣列又比較貴 并且具有復雜的布局。其他解決方案包括類似于燃料噴射器那樣工作的控制閥；但是，這些閥需要更多的電能并且通?？刂茝碗s。同樣使 用了測量設(shè)備；但是，這些設(shè)備容易出現(xiàn)泄漏，并且通常是昂貴的。 其他解決方案還包括后面是具有小孔口的限流器的大閥孔，該小孔口 對小水滴或微粒污垢敏感。節(jié)省成本的、緊湊且可靠的系統(tǒng)以及/或者方法是需要的，以防 止在電化學燃料池和燃料池堆組內(nèi)于啟動、關(guān)機及負載瞬變期間形成 腐蝕，以及提供在燃料池堆組的流體清除上的改進的控制。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)一個實施方案，電化學系統(tǒng)包括形成燃料池堆組的多個燃料 池，每個燃料池包含具有被放置于陽極電極層和陰極電極層之間的離 子交換膜的膜電極組件(MEA)，鄰接于MEA的第一側(cè)面的陽極流 場板，該陽極流場板適合于將含氫燃料引導到MEA的第一側(cè)面的至 少一部分，以及鄰接于MEA的第二側(cè)面的陰極流場板，該陰極流場 板適合于將氧化劑引導到MEA的第二側(cè)面的至少一部分，至少一個 被布置于燃料池堆組的下游并且與燃料池堆組流體連通的積蓄設(shè)備， 該積蓄設(shè)備可用于積蓄以及分發(fā)流體，被布置于燃料池堆組下游的氧 化劑出口，以及備被布置于積蓄設(shè)備下游的第一清除控制設(shè)，該第一 清除控制設(shè)備可工作于第 一狀態(tài)下以允許在至少 一部分的陽極流場 板和至少一部分的陰極流場板之間流體連通，以及可工作于第二狀態(tài)下以使氧化劑出口與積蓄設(shè)備隔離。根據(jù)以上實施方案的一個方面，電化學系統(tǒng)還可以包括與至少一 部分的燃料池堆組流體連通的再循環(huán)線路以及可使至少一種流體進 行再循環(huán)。根據(jù)另 一個實施方案，使具有形成燃料池堆組的多個燃料池的電 化學系統(tǒng)停止工作的方法，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置于陽極電極 層的鄰接處的陽極流場板，該陽極流場板適合于將來自燃料供給源的 含氬燃料引導到至少一部分的陽極電極層，被布置于陰極電極層的鄰 接處的陰極流場板，該陰極流場板適合于將來自氧化劑供給源的氧化 劑引導到至少一部分的陰極電極層，以及至少一個與陽極和陰極電極 層中的至少一個的至少一部分流體連通的積蓄設(shè)備，包括將主負載從 燃料池堆組上斷開，終止所斷開的燃料池堆組的燃料供給，在終止燃 料供給之后，基本上消耗所斷開的燃料池堆組內(nèi)的空氣中的氧氣以在 其中形成氧氣枯竭的空氣，以及給至少一個陽極電極層的至少一部分提供來自積蓄設(shè)備的氫氣和氮氣中的至少一種。根據(jù)又一個實施方案，具有形成燃料池堆組的多個燃料池的電化 學系統(tǒng)的工作方法，每個燃料池包括具有被放置于陽極和陰極電極層 之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置于陽極電極層的相 鄰處并且適合于將含氫燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置 于陰極電極層的相鄰處并且適合于將氧化劑引導到陰極電極層的陰 極流場板，至少一個被布置于燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布置于 燃料池堆組上游的陰極入口 ，被布置于燃料池堆組下游的氧化劑出 口，被布置于積蓄設(shè)備下游的第一清除控制設(shè)備并且該第一清除控制 設(shè)備可工作于第 一 狀態(tài)下以允許陽極流場板和陰極流場板之間的流 體連通以及在第二狀態(tài)下工作以使氧化劑出口與積蓄設(shè)備隔離，以及 被布置于燃料池堆組和積蓄設(shè)備之間的第二清除控制設(shè)備，并且該第 二清除控制設(shè)備可在第一狀態(tài)下工作以允許陽極流場板和積蓄設(shè)備 之間的流體連通以及在第二狀態(tài)下工作以停止陽極流場板和積蓄設(shè) 備之間的流體連通，包括第一次打開第二清除控制設(shè)備以在第一狀態(tài) 下工作，以便當檢測到燃料池堆組清除條件時將來自陽極流場板的流 體清除到積蓄設(shè)備，關(guān)閉第二清除控制設(shè)備以在第二狀態(tài)下工作，以 及在第一次打開之后第二次打開第一清除控制設(shè)備以將來自積蓄設(shè)備的流體清除到周圍環(huán)境和陰極入口中的至少 一個，以在檢測到積蓄 設(shè)備清除條件時進行積蓄設(shè)備清除。根據(jù)再一個實施方案，具有形成燃料池堆組的多個燃料池的電化 學系統(tǒng)的工作方法，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置于陽極電極層的鄰 接處并且適合于將含氫燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置極流場板，至少一個被布置于燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布置于 燃料池堆組和積蓄設(shè)備之間的清除控制設(shè)備，并且該清除控制設(shè)備可 工作于第 一狀態(tài)下以允許陽極流場板和積蓄設(shè)備之間的流體連通以 及工作于第二狀態(tài)下以停止陽極流場板和積蓄設(shè)備之間的流體連通， 包括步驟檢測應用于燃料池堆組的負載的增加以及燃料池堆組中的 氧化劑的壓力和濃度中的至少一個的幅值增加，以及為了工作于第二 狀態(tài)下而關(guān)閉清除控制設(shè)備以增加燃料池堆組內(nèi)的含氫燃料的壓力 和濃度中的至少一個以及平衡燃料池堆組的壓力差異。根據(jù)另 一個實施方案，具有形成燃料池堆組的多個燃料池的電化 學系統(tǒng)的工作方法，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層 之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置于陽極電極層的鄰 接處并且適合于將含氫燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置極流場板，至少一個被布置于燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布置于 燃料池堆組和積蓄設(shè)備之間的清除控制設(shè)備，并且該清除控制設(shè)備可 工作于第 一狀態(tài)下以允許陽極流場板和積蓄設(shè)備之間的流體連通以及工作于第二狀態(tài)下以停止陽極流場板和積蓄設(shè)備之間的流體連通， 包括步驟檢測應用于燃料池堆組的負載的減小以及燃料池堆組中的 氧化劑的壓力和濃度中的至少一個的幅值減小，以及為了工作于第一 狀態(tài)下而打開清除控制設(shè)備以減小燃料池堆組內(nèi)的含氫燃料的壓力 和濃度中的至少一個以及平衡燃料池堆組的壓力差異。


圖l是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的膜電極組件的分解等距視圖。圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電化學燃料池的分解等距視圖。 圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電化學燃料池堆組的等距視圖。 圖4是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖7A是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖7B是根據(jù)本發(fā)明的再一個實施方案的電化學系統(tǒng)在第一狀態(tài) 下工作的框圖。圖7C是圖7B中的電化學系統(tǒng)在第二狀態(tài)下工作的框圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明又一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。 圖IO是根據(jù)本發(fā)明的再一個實施方案的電化學系統(tǒng)的框圖。
具體實施方式
本說明書通篇所提到的"一個實施方案"或"實施方案"意思是在 至少一個實施方案中包括連同該實施方案所描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或 特性。因而，在整篇說明書的不同地方出現(xiàn)的短語"在一個實施方案中，，或"在實施方案中"并不一定所有都是指相同的實施方案。而且， 具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以用任意適合的方式結(jié)合于一個或多個實 施方案中。在以下描述中，某些具體細節(jié)得到了闡明以便全面理解多個公開 的實施方案。但是，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到實施方案可以在缺 少一個或多個這些具體細節(jié)的情況下，或者以其他方法、組件、材料 等實施。在其他實例中，與積蓄器和隔膜相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)，以及那些 與電化學燃料池系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)，例如，但不限于，流場板、端面板、 電催化劑、外部電路，以及/或者再循環(huán)設(shè)備沒有被顯示或者詳細描述 以避免使實施方案的描述無謂地變得含糊。本說明書通篇所提到的"電化學系統(tǒng)"、"燃料池，，、"燃料池堆 組"、"堆組"，以及/或者"電解槽"并非是指在限制的意義下，而是指 涉及任何設(shè)備、裝置，或系統(tǒng)，其中燃料和氧化劑進行電化學轉(zhuǎn)換以 產(chǎn)生電能，或者使外部電流典型地通過水在燃料池電極之間流通，導 致在各自的電極產(chǎn)生氫氣和氧氣。本說明書通篇所提到的"燃料，，以及/或者"氫氣，，并非是指在限制 的意義下，而是指涉及在給出的化學反應中可分離成質(zhì)子和電子的任 何反應物或氣體以維持電化學轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生電能。本說明書通篇所提到的"氧化劑"、"空氣"，以及/或者"氧氣，，并 非是指在限制的意義下，而是指涉及任何能夠使例如，但不限于，氧 氣、水、水蒸氣，或空氣氧化的流體或氣體。本說明書通篇所提到的"離子交換膜，，、"質(zhì)子交換膜"以及/或者"PEM，，并非是指在限制的意義下，而是指涉及任何隔膜、結(jié)構(gòu)或材 料能夠允許第一電荷或極性的離子沿著第一方向橫穿隔膜，而阻擋與 第一電荷或極性相反的第二電荷或極性的離子沿著第一方向通過。本說明書通篇所提及的"積蓄設(shè)備"、"積聚元件"、"積聚容積" 以及/或者"積蓄器，，并非是指在限制的意義下，而是指涉及任何設(shè)備、 裝置、容器、至少部分限界的容積，或結(jié)構(gòu)可用于接收及分發(fā)氣體或 者積蓄或存儲壓縮氣體的栽荷。本說明書通篇所提到的"流量控制設(shè)備"、"清除閥"、"清除控制 設(shè)備，，以及/或者"閥"并非是指在限制的意義下，而是指涉及任何裝置、 閥、儀表、計算機控制器，或泵或者能夠用于控制流體從第一容積或 如燃料供給源那樣的場所移動到第二容積或如電極層那樣的場所的 任何設(shè)備。在如圖5所示的一個實施方案中，提供了電化學系統(tǒng)500，該電 化學系統(tǒng)500包括含有多個燃料池的燃料池堆組501、每個燃料池具 有陽極通道502、陰極通道504，以及放置于其間的離子交換膜506, 例如PEM。第一流量控制設(shè)備508控制燃料從燃料供給源510到陰 極通道502的流入流率(flow rate)，例如氫氣。第二流量控制i殳備512控制氧化劑從空氣供給源514到陰極通道504的流入流率，例如 氧氣或空氣。典型地，陽極(或燃料)壓力在工作期間大于陰極(或 氧化劑)壓力。在將燃料從燃料供給源510引入系統(tǒng)500時，至少部分鄰近于陽 極的第一電催化劑層使氫分子分離成質(zhì)子和電子，質(zhì)子沿著第一方向 穿過隔膜506,而電子被發(fā)送到外部電路，產(chǎn)生電能。質(zhì)子穿過隔膜 506以及通過陰極通道504以與從外部電路返回的電子結(jié)合以及與來 自空氣供給源514的供應給陰極的氧氣結(jié)合以產(chǎn)生水、熱能以及/或者 其他副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品被當作廢氣或廢液或兩者而從系統(tǒng)500清除。參考圖4，在現(xiàn)有的燃料池系統(tǒng)400啟動的時候，空氣可以存在 于陽極通道402中。在將氬氣引入到陽極通道402內(nèi)時，如果空氣余 留于燃料池的下游部分則可能發(fā)生腐蝕。在圖5所示的本發(fā)明的一個實施方案中，燃料池系統(tǒng)500包括具 有容積518以及布置于堆組501的下游的積蓄設(shè)備516。積蓄設(shè)備516 與陽極和陰極通道502、 504中的至少一個是流體連通的，以及可以 是如圖5示出的實施方案所顯示的積蓄器或者能夠接收、存儲，以及 分發(fā)至少一種流體的，例如氫氣、氧氣及氮氣中的至少一種，以及/ 或者積蓄以及/或者壓縮該流體的任何設(shè)備。當?shù)谝涣髁靠刂圃O(shè)備508處于打開位置的時候，含氫燃料從燃料 供給源510流到堆組501?？赡艽嬖谟诙呀M501內(nèi)，特別是陽極通道 502內(nèi)的一些空氣由于含氫燃料的流入而被擠出去；以及至少一部分 的空氣#:動地流入積蓄設(shè)備516。系統(tǒng)500還可以包括用于釋放燃料池堆組501的反應物、產(chǎn)物以 及/或者副產(chǎn)品的第一清除控制設(shè)備520,例如具有螺線管或者旋轉(zhuǎn)的 圓盤、球體，或插頭的清除閥，或者任何其他適合的流量控制設(shè)備。 例如，當系統(tǒng)500停止工作的時候，空氣滲透到陽極通道502內(nèi)，并蝕。為了防止腐蝕， 一些現(xiàn)有的燃料池系統(tǒng)，例如圖4中所示出的系 統(tǒng)400，使用了大清除閥420使得在引入燃料的時候陽極通道402內(nèi)的空氣能夠被迅速地排出。清除閥，例如系統(tǒng)400的大清除閥420， 典型地包含大孔口 ，因為系統(tǒng)400的燃料池堆組的陽極通道內(nèi)的空氣 排放量與通過清除閥420的空氣釋放量是相同的。但是，大清除閥可 能約束燃料池系統(tǒng)的如車輛應用那樣的多種應用的可行性，例如在汽 車中。另外，大清除閥排出包括空氣和燃料的大量廢產(chǎn)物，該產(chǎn)物可 能是浪費的并且導致高氫氣排出。相反，在圖5所示出的實施方案中，第一清除控制設(shè)備520不需 要具有用于在啟動時以加速的方式清除如來自陽極通道502的空氣那 樣的流體的大孔口。這是因為被擠出去的空氣將流入積蓄設(shè)備516的 容積518內(nèi)。因此，積蓄設(shè)備516用于來自堆組501的流體，例如空氣以及/ 或者其他反應物、產(chǎn)物，以及例如氮氣的惰性氣體的有效排出，而防 止空氣、反應物以及/或者產(chǎn)物大量排出到周圍環(huán)境。減小系統(tǒng)500 的廢產(chǎn)物的排出量和體積同樣使第一清除控制設(shè)備520的尺寸最小化 或者減小，增加在空間有限的應用中使用系統(tǒng)500的可行性。積蓄設(shè)備516能夠調(diào)整尺寸以維持從第一清除控制設(shè)備520排出 的流體的期望體積。從第 一清除控制設(shè)備520排出的最優(yōu)流體水平可 以基于給定的應用以及/或者其尺寸需要而確定。在圖5所示出的實施 方案中，從第一清除控制設(shè)備520延伸出的清除線路521連接到陰極 通道504的輸出流517，但是此外或作為選擇，還可以連接到空氣出 口 540。而且，在一些實施方案中，積蓄設(shè)備516的截面面積可以大于線 路、管道或連通到以及/或者連通自積蓄設(shè)備516的流體流的任何其他 組件的截面面積。而且，在一些實施方案中，積蓄設(shè)備516的容積518 可以近乎基本上等同于燃料池堆組501的陽極通道502的總?cè)莘e。發(fā)生腐蝕的另外機會是在圖4中所示的現(xiàn)有系統(tǒng)400的關(guān)機過程 中。在關(guān)機之后，控制燃料流率的第一流量控制設(shè)備408被關(guān)閉以使 燃料消耗最小化，而且如氫氣那樣的燃料在陽極處由于穿過隔膜406 擴散到陰極以及由于與余留其中的氧氣反應而浪費掉。然后，陽極通道402的壓力驟降，導致陽極通過隔膜406的孔口或通道或者通過漏 隙吸收陰極的空氣。該空氣能夠?qū)е赂g燃料池系統(tǒng)400的元件以及 /或者燃料池堆組100的組件。但是，在本發(fā)明的實施方案的系統(tǒng)500中，當?shù)谝涣髁靠刂圃O(shè)備 508關(guān)閉時，陽極通道502中的壓力由于氬氣通過隔膜506從陽極通 道502擴散到陰極通道504以及與陰極通道504中余留的氧氣反應而 下降。而且，陽極將吸入堆組501下游的積蓄設(shè)備516的一些流體， 該堆組501包含含氫燃料和惰性氣體，例如氮氣，直到陰極中的氧氣 基本上被耗盡。當氫氣從積蓄設(shè)備516被吸入到陽極通道502時，空 氣可以從空氣出口 540吸入以及/或者氣體，例如氧氣耗盡的空氣，可 以從陰極吸入以替代所抽出的氬氣。同時，當陰極中的氧氣的濃度減 小的時候，第一清除控制設(shè)備520可以被打開使得陽極和陰極通道 502、 504處于相同的壓力，從而防止空氣穿越隔膜506從陰極通道 504進到陽極通道502。圖6說明了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的電化學系統(tǒng)600,在 該電化學系統(tǒng)600中使用了噴射泵622以使陽極氣體通過再循環(huán)線路 623再循環(huán)以幫助防止分別如氮氣或水那樣的氣體或流體阻塞陽極通 道602。電化學系統(tǒng)600還包括分別用于控制來自燃料供給源610和 氧化劑供給源614的燃料和氧化劑的流率的第一和第二流量控制設(shè)備 608、 612。電化學系統(tǒng)600還可以包括第一清除控制i殳備620。在圖 6所示出的實施方案中，從第 一清除控制設(shè)備620延伸出的清除線路 621連接到陰極通道604的輸出流617，但是此外或作為選擇，還可 以連接到空氣出口 640。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到由積蓄設(shè)備616產(chǎn)生的在陽極 回路中的額外容積可以通過吸入以及排出陽極中的流體而減小陽極 通道602上的壓力波動(例如，由于在工作于死端(dead-ended)工 作模式的情況下陽極的周期性清除)。在如圖7A所示出的又一個實施方案中，電化學系統(tǒng)700包括具 有其中含有隔板724的容積718的積蓄設(shè)備716。可以應用隔板724以在正常工作、負栽瞬變、啟動以及/或者關(guān)閉期間維持堆組701的期 望的橫跨壓力( cross-pressure)(例如，在陽極和陰極之間的壓力差 異)。維持堆組701的期望橫跨壓力防止了不想要的壓力波動以及/ 或者真空，該壓力波動以及/或者真空可能導致氫氣通過隔膜706或空 氣入口滲透到系統(tǒng)700內(nèi)，這能夠引起在此所描述的腐蝕。此外或作 為選擇，隔板724的位置還可以控制流入燃料流率，因為它能夠給出 橫跨壓力的指示。該信息可以反饋給燃料供給源710以增加或減小燃 料的流率，從而控制燃料流量以及由此而調(diào)節(jié)控制壓力。電化學系統(tǒng)700還包括用于控制分別來自燃料供給源710和空氣 供給源714的燃料和空氣的流率的第一和第二流量控制設(shè)備708、712。 電化學系統(tǒng)700還可以包括第一清除控制設(shè)備720。在圖7A所示出 的實施方案中，從第一清除控制設(shè)備720延伸出的清除線路721連接 到陰極通道704的輸出流717，但是此外或作為選擇，還可以連接到 陰極入口 (例如，陰極通道的上流)或空氣出口 740。如圖7B所說明，在一些實施方案中，積蓄設(shè)備716以及/或者隔 板724可以是或者包括偏壓設(shè)備727。偏壓設(shè)備727可以包括任何偏 壓元件，例如彈簧或制動器729，該偏壓元件能夠保持活塞731正對 著陽極側(cè)，使陽極體積最小化?；钊?31可以包括在其外圍上的封墊 733以防止泄漏。不限制于理論地解釋，如果發(fā)生向下的瞬變(即負 載減小)，陰極壓力將下降，允許活塞731向著陰極側(cè)推進，如所圖 7C示。這增加了配置成與陽極通道702流體連通的積蓄器716的容 積735。因此，陽極通道702的壓力減小，減小了陽極和陰極層之間 的橫跨壓力。當向下的瞬變由于氫氣被消耗以及/或者被清除而完成 時，活塞731至少基本上恢復到其在圖7B中所示出的初始位置。在如圖8所示出的再一個實施方案中，電化學系統(tǒng)800能夠裝備 替代積蓄設(shè)備816的或除積蓄設(shè)備816以外另加入的栓塞流設(shè)似plug flow device ) 826。栓塞流i殳備826可以與從陰極通道804排出的氣體 流流體連通，使得堆組801的橫跨壓力被動地調(diào)整。栓塞流設(shè)備826 通常是橫截面狹窄的，有著長度與直徑的高比值的，并且通常在一端含有清除氣體而在另一端含有空氣或陰極氣體或兩者。這兩種氣體之 間的鋒面可以在啟動、關(guān)機，以及/或者負載瞬變期間移動，從而調(diào)整堆組801的橫跨壓力。此外，能夠使氣體在其中混合的容體，例如積蓄設(shè)備816的容積 818，可以布置于栓塞流設(shè)備826的下游以防止燃料意外釋放到陰極 通道804或空氣出口 840內(nèi)。此外或作為選擇，傳感器828、 830，例如氧氣或氫氣傳感器或 兩者，還可以布置于與栓塞流設(shè)備826，或者根據(jù)上述或此后的任何 實施方案的積蓄設(shè)備連接的至少一個線路上，以檢測氣體的流體成分 (例如，氧氣和氫氣濃度)。這些傳感器828、 830可以選擇性地布 置于通向栓塞流設(shè)備826的或從栓塞流設(shè)備826延伸出的線路中的不 同點，以及可以電連接到流量控制設(shè)備808、 812，該流量控制設(shè)備控 制燃料的流入流率，例如到陽極通道802的氫氣，以及/或者氧化劑的 流入流率，例如到陰極通道804的空氣。傳感器828、 830可以將流 體成分信息傳達到流量控制設(shè)備808、 812以控制分別到陽極通道802 和陰極通道804的流入燃料流率或者流入空氣流率或兩者。此外或作 為選擇，來自傳感器828、 830的信息還可以被使用以控制第一清除 控制設(shè)備820,例如，在關(guān)機完成之后關(guān)閉第一清除控制設(shè)備820。發(fā)明人預想了本發(fā)明的可以包括或可以不必包括所有的所述組 件的實施方案。例如，包括栓塞流設(shè)備826的系統(tǒng)800可以不必要包 括第一清除控制設(shè)備820。已經(jīng)流覽了本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員 將會意識到這個以及其他能夠在沒有偏離本發(fā)明的范圍的情況下對 系統(tǒng)800作出的變更。應當理解根據(jù)本發(fā)明的其他實施方案的電化學系統(tǒng)可以包括另 外的組件或者可以除去某些在此所描述的組件。例如，在圖9所示出 的另一個實施方案中，電化學系統(tǒng)900包括具有容積918以及幫助將 例如氧氣或氫氣或兩者的氣體吸入到容積918內(nèi)的吸氣材料或者促使 氣體反應的催化劑材料925的積蓄設(shè)備916。例如，材料925可以與 空氣中的氧氣反應，該空氣在關(guān)機期間被吸回到積蓄設(shè)備916內(nèi)以防止氧氣進入陽極或陰極。而且，電化學系統(tǒng)900可以包括與結(jié)合圖6所示出的實施方案討 論的陽極再循環(huán)線路623相似的陰極再循環(huán)線路923。根據(jù)一個實施 方案，再循環(huán)設(shè)備922，例如噴射泵或鼓風機，能夠被使用以使陰極 氣體通過再循環(huán)線路923再循環(huán)并且?guī)椭乐箽怏w或流體阻塞陰極通 道904。此外或作為選擇，氧化劑同樣能夠通過陰極再循環(huán)線路923 再循環(huán)，而當燃料池堆組901被斷開時，氧氣消耗基本上來自于燃料 池堆組901內(nèi)的空氣。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到陽極和陰極再循環(huán)線 路能夠結(jié)合于在此所描述的任何實施方案中。而且，根據(jù)另一個實施方案的電化學系統(tǒng)1000由圖10所說明。 電化學系統(tǒng)1000可以包括布置于積蓄設(shè)備1016的下游的第一清除控 制設(shè)備1020以及布置于陽極通道1002的下游及積蓄設(shè)備1016的上 游的第二清除控制設(shè)備1052。第二清除控制設(shè)備1052能夠被關(guān)閉或 打開以及/或者在這之間調(diào)整以保持或改變?nèi)剂铣囟呀M1001的壓力， 例如陽極通道1002的壓力。而且，第二清除控制i殳備1052 ^J己置以 控制以及/或者停止流體在陽極通道1002和積蓄設(shè)備1016之間的流 動。在一個實施方案中，電化學系統(tǒng)1000的工作方法包括在燃料池 堆組1001的正常工作期間將第一和第二清除控制設(shè)備1020、 1052維 持于關(guān)閉的狀態(tài)下。當想要清除燃料池堆組1001的時候，第一清除 控制設(shè)備1020保持關(guān)閉，而第二清除控制設(shè)備1052打開以使積蓄器 1016增壓。然后，第一清除控制設(shè)備1020打開，而第二清除控制設(shè) 備1052關(guān)閉以清除積蓄器1016。在一些實施方案中，布置于積蓄設(shè) 備1016之內(nèi)或者緊挨著積蓄設(shè)備1016的傳感器1054可以引發(fā)燃料 池堆組1001的清除。例如，傳感器1054能夠監(jiān)控以及/或者測量積蓄 設(shè)備1016內(nèi)的壓力幅值以及在檢測到閾值以及/或者預定的壓力幅值 時引發(fā)該清除。此外或作為選擇，清除還能夠基于預定的時間間隔而引發(fā)，例如 每分鐘或者每半分鐘或者任何其他合適的期限。在引入基于壓力的以及/或者基于時間的清除方法的實施方案中，第一和第二清除控制設(shè)備1020、 1052不需要擁有具備精確公差的特定尺寸或特定尺度的孔口 ， 因為特定體積的流體(例如含氫燃料)在每個清除條件期間從燃料池堆組1001內(nèi)清除。在一些實施方案中，當燃料清除條件出現(xiàn)的時候，燃料池堆組 1001的重復清除可以在沒有打開第一清除控制設(shè)備1020的情況下發(fā) 生。例如，在正常工作期間，當?shù)诙宄刂圃O(shè)備1052關(guān)閉的時候， 壓力差異產(chǎn)生于陽極通道1002和積蓄設(shè)備1016之間。當需要清除燃 料時，第二清除控制設(shè)備1052能夠被打開，將例如含氫燃料的流體 清除到積聚設(shè)備1016內(nèi)。此后，當積蓄設(shè)備的清除條件出現(xiàn)時，例 如當積蓄設(shè)備1016被流體基本上注滿時以及/或者在系統(tǒng)1000關(guān)才幾 時，第一清除控制設(shè)備1020能夠打開以將來自積蓄設(shè)備1016的積蓄 的流體清除到周圍環(huán)境，例如大氣。在又一個實施方案中，從積蓄設(shè)備1016中釋放出的含氫燃料可 以被清除到陰極入口內(nèi)，從而減少同時釋放到大氣中的氫氣的濃度。在又一個實施方案中，清除控制設(shè)備1020和1052可以合并成具 有連在積蓄器1016上的共同端口以及連到積蓄器1023和l(MO(沒有 顯示)的其他兩個端口的單3路閥。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到與上文所討論的清除控制設(shè)備相似的 第二清除控制設(shè)備能夠結(jié)合于在此所描述的任何實施方案中以及傳 感器1054可以被配置以在引發(fā)燃料池堆組以及/或者積蓄設(shè)備的清除 之前檢測積蓄設(shè)備中的替代流體壓力或除流體壓力之外的其他參數(shù)， 例如溫度以及/或者流體濃度。此外或作為選擇，第二清除控制設(shè)備1052還能夠作為壓力調(diào)整 設(shè)備在一些實施方案中使用。例如，在向上的瞬變或者負載增加期間， 空氣壓力典型地增加了。因此，為了與空氣壓力的增加相匹配，最好 是以加速的方式增加氫氣的壓力。因此，第二清除控制設(shè)備1052關(guān) 閉一段時間，在此期間向上的負栽瞬變繼續(xù)進行以減少陽極回路的容 積，從而增加陽極壓力上升的速率。相反地，在向下的瞬變或者負載減小期間，空氣壓力被減少以使 與用于給空氣增壓的空氣壓縮機有關(guān)的附加電能損失最小化，而這也 可能是產(chǎn)生更少的水的結(jié)果。為了與空氣壓力的減少量相匹配，最好是以加速的方式減小氫氣的壓力以避免在燃料池堆組1001中高得不 能接受的橫跨壓力。因此，第二清除控制設(shè)備1052打開一段時間， 在此期間向下的負載瞬變繼續(xù)進行，從而釋放陽極通道1002中的壓 力，同時由于在陽極通道1002和積蓄設(shè)備1016之間壓力差而對含氫 燃料施加從陽極通道1002到積蓄設(shè)備1016的偏壓。為了進一步減小 壓力，第一清除控制設(shè)備1020可以與第二清除控制設(shè)備1052同時打 開，或者在1020和1052之間來回轉(zhuǎn)換。在其他實施方案中，傳感器可以被配置以檢測氧化劑的壓力變化 并且使第二清除控制設(shè)備1052能夠以如上所述的相似方式工作，以 調(diào)整在燃料池堆組1001中產(chǎn)生的壓力差。此外或作為選擇，陽極通 道1002中的壓力能夠受到同樣的監(jiān)控以及當達到燃料或氧化劑的閾 值壓力以及/或者陽極和陰極層之間的期望橫跨壓力的時候，第二清除 控制設(shè)備1052可以恢復到其正常狀態(tài)，該正常狀態(tài)取決于與如上所 述的異常狀態(tài)相對應的是關(guān)閉還是打開。在以上任何實施方案中，壓力傳感器(沒有顯示)可以布置于燃 料池堆組501、 601、 701、 801、 901、 1001的入口以及/或者出口 ，例 如，在陰極入口、陰極出口、陽極入口，以及/或者陽極出口。壓力傳 感器可以用于監(jiān)控氣體壓力，并且來自壓力傳感器的信息可以用于控 制，例如，空氣流入流率、燃料流入流率，或者第一清除控制設(shè)備的 狀態(tài)。此外或作為選擇，在以上任何實施方案中，積蓄設(shè)備516、 616、 716、 816、 916、 1016還可以包含于燃料池堆組501、 601、 701、 801、 901、 1001的末端硬件中，而不是成為單獨的設(shè)備。已經(jīng)流覽了本公 開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到這些及其他能夠在沒有偏離本發(fā) 明的精神的情況下對系統(tǒng)作出的變更。使例如圖5所示的燃料池系統(tǒng)停止工作的方法在下文進行描述。笫一，主負載542從燃料池堆組501上斷開。然后，燃料供給514通 過關(guān)閉第一流量控制設(shè)備508 (該第一流量控制設(shè)備508同樣使燃料 供給514從堆組501隔離開來)終止。由于氫氣通過離子交換膜506 從陽極通道502擴散到陰極通道504，消耗了存在于陰極通道504內(nèi) 的空氣中的氧氣。陽極通道502、陰極通道504以及積蓄設(shè)備516的 總?cè)莘e應該適當調(diào)整尺寸，使得與陰極通道內(nèi)所留存的空氣中的氧氣 的化學當量相比，陽極通道502和積蓄設(shè)備516內(nèi)所留存的燃料中的 氫氣的化學當量足以在燃料池系統(tǒng)500關(guān)機時基本上消耗陰極通道 504內(nèi)的所有氧氣，以及更優(yōu)地，在氧氣基本耗盡后于陽極通道502 中還有至少稍微過量的氫氣。在燃料池堆組501在正常工作期間工作 于陽極過度壓力下(例如，陽極壓力大于陰極壓力)的時候，第一清 除控制設(shè)備520可以在陽極壓力由于陽極通道502的氫氣耗盡而達到 或減小到陰極壓力以下時(例如，由在燃料池堆組501的上游以及/ 或者下游的陽極和陰極壓力傳感器所確定)被打開。在工作期間，任何累積于陽極的多余燃料以及/或者其他惰性流 體積蓄在積蓄設(shè)備516中。因而，在燃料池系統(tǒng)500關(guān)機期間，由于 氫氣在氧氣消耗期間從陽極通道502擴散出并且與陰極通道504內(nèi)的 余留氧氣反應，燃料輸出線路515以及/或者積蓄設(shè)備516內(nèi)的多余燃 料以及/或者其他惰性流體將被拉回到陽極通道502內(nèi)以替代所擴散 的氫氣。因為第一清除控制設(shè)備520在氧氣消耗期間起初是關(guān)閉的， 所以陽極壓力下降。當陽極壓力下降到陰極壓力以及/或者陰極壓力以 下的時候，第一清除控制設(shè)備520打開以使得來自空氣出口 540以及 /或者空氣供給源514的空氣可以被吸回到積蓄設(shè)備516內(nèi)以替代原留 存于積蓄設(shè)備516內(nèi)的多余燃料以及/或者其他惰性流體，從而防止在 陽極通道502內(nèi)產(chǎn)生基本上的真空。另外，因為來自陰極通道504的氧氣在氧氣消耗期間被消耗了 ， 空氣可以同樣被吸回到輸出線路517以及/或者陰極通道504內(nèi)以替代 所消耗的氧氣。該過程持續(xù)下去直到來自陰極通道504的氧氣基本耗 盡。結(jié)果，在關(guān)機完成后，氫氣、氮氣，或它們的混合物保留于陽極通道502內(nèi)，從而防止空氣(和氧氣)被引入到陽極通道502內(nèi)。在 燃料池堆組501內(nèi)的氧氣基本耗盡后，燃料池系統(tǒng)500的關(guān)機完成。如上文結(jié)合圖9所描述的實施方案所提及的，當空氣在關(guān)機期間 的氫氣擴散過程中被吸入到積蓄設(shè)備916內(nèi)時，積蓄設(shè)備916還可以 包含與氧氣反應的材料925。因而，空氣中的任何氧氣或者吸回到積 蓄設(shè)備916以及/或者陰極通道904內(nèi)的陰極流體將會起反應，從而防 止氧氣留存于積蓄設(shè)備916內(nèi)，以及，此外還防止氧氣進入到陽極通 道卯2內(nèi)。另外，可以使積蓄設(shè)備916的尺寸最小化。另外，圖5中所示出的輔助負載544可以連接到燃料池堆組501 以增加留存于陰極中的氧氣的氧氣消耗速率。電能可以使用于給任何 系統(tǒng)組件或媒介設(shè)備供以電力，例如散熱器風扇或鼓風機，或者可以 存儲于能量存儲設(shè)備內(nèi)，例如電池(沒有顯示)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 認識到其他系統(tǒng)組件同樣可以被使用以消耗電能，并且將不會再舉例 說明。在含有布置于通向或從積蓄設(shè)備延伸出的線路中的不同點的氧 氣以及/或者氫氣傳感器的燃料池系統(tǒng)的另一個實施方案中，例如如圖 8所示的燃料池系統(tǒng)800，來自氧氣以及/或者氫氣傳感器828、 830 的信息可以被使用以控制第一清除控制設(shè)備820。例如，當氧氣以及/ 或者氫氣的濃度在關(guān)機完成期間以及/或者之后達到以及/或者超過預 定值的時候，第一清除控制設(shè)備820可以關(guān)閉。在此處所討論的任何實施方案中，系統(tǒng)500、 600、 700、 800、900、 1000可以包括在第一清除控制設(shè)備520、 620、 720、 820、 920、1020下游的燃燒室或稀釋器(沒有顯示)，該燃燒室或稀釋器被配置以在系統(tǒng)500、 600、 700、 800、 900、 1000清除期間或之后消耗或稀釋流出積蓄設(shè)備516、 616、 716、 816、 916、 1016的流體流。以這種方式，任何余留濃度的氫氣將會被消耗，使得該實施方案更適合于要 求嚴格排放標準的應用。此外或作為選擇，流出各自積蓄設(shè)備516、 616、 716、 816、 916、 1016的流體還可以通過積蓄i殳備516、 616、 716、 816、 916、 1016以及/或者第一清除控制設(shè)備520、 620、 720、 820、 920、 1020下游的清 除線路被清除到在第二流量控制設(shè)備512、 612、 712、 812、 912、 1012 下游的各自氧化劑入口。在這些實施方案中，清除線路能夠連接到陰 極通道504、 604、 704、 804、 904、 1004的線路上游。這種布局在不 需要使用燃燒室或稀釋器的情況下同樣防止了在系統(tǒng)500、 600、 700、 800、 900、 1000的清除期間氫氣從積蓄器大量釋放到大氣中。在任何上述實施方案中，第二流量控制設(shè)備512、 612、 712、 812、 912、 1012可以在關(guān)才幾過程中打開或關(guān)閉。本說明書中所參考的以及/或者申請資料表中所列出的以上所有 美國專利、美國專利申請出版物、美國專利申請、外國專利、外國專 利申請以及非專利出版物在此以提及方式全文引入。從上文，應當意識到，盡管本發(fā)明的特實施方案出于說明的目的 而已在此作了討論，但是在沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可 以作出不同的修改。因此，除了附上的權(quán)利要求書及其等價物以外， 本發(fā)明沒有受到限制。
權(quán)利要求
1.一種電化學系統(tǒng)，包括形成燃料池堆組的多個燃料池，每個燃料池包括具有被放置于陽極電極層和陰極電極層之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)；鄰接于該MEA的第一側(cè)面的陽極流場板，該陽極流場板適合于將含氫燃料引導到該MEA的第一側(cè)面的至少一部分；以及鄰接于該MEA的第二側(cè)面的陰極流場板，該陰極流場板適合于將氧化劑引導到該MEA的第二側(cè)面的至少一部分；至少一個被布置于該燃料池堆組下游的以及與之流體連通的積蓄設(shè)備，該積蓄設(shè)備可用于積蓄及分發(fā)流體；被布置于燃料池堆組下游的氧化劑出口；以及被布置于積蓄設(shè)備下游的第一清除控制設(shè)備，該第一清除控制設(shè)備可工作于第一狀態(tài)下以允許陽極流場板的至少一部分和陰極流場板的至少一部分之間的流體連通，并且可工作于第二狀態(tài)下以使氧化劑出口與該積蓄設(shè)備隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，還包括被布置于該燃料池堆組上游的以及被配置以選擇性控制來自燃 料供給源的含氬燃料到燃料池的陽極層的流率的第一流量控制設(shè)備； 以及被布置于該燃料池堆組上游的以及被配置以選擇性控制來自氧 化劑供給源的氧化劑到燃料池的陰極層的流率的第二流量控制設(shè)備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的電化學系統(tǒng)，還包括被布置為緊鄰該積蓄 設(shè)備的以及與第一和第二流量控制設(shè)備中的至少一個電連通的至少 一個傳感器，該至少一個傳感器可用于測量燃料池堆組下游的氫氣和 氧氣中的至少一種的濃度以及用于將氫氣濃度和氧氣濃度中的至少 一個的指示電傳送到該第一和第二流量控制設(shè)備以控制含氫燃料和 氧化劑中的至少 一種的流率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，其中該至少一個積蓄設(shè)備包 括可用于維持該燃料池堆組的橫跨壓力以及含氫燃料和氧化劑中的 至少一個的流入流率中的至少一個的隔板，該隔板包括被配置以響應 陰極通道的壓力減小而增加與陽極電極層流體連通的積蓄設(shè)備的容 積的偏壓設(shè)備。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，其中該至少一個積蓄設(shè)備還 包括一種吸氣材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，其中該至少一個積蓄設(shè)備還 包括一種在與氧化劑反應時能夠進行氧化反應和還原反應中的至少 一種反應的材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，其中還包括 至少一個再循環(huán)線路，在該清除控制設(shè)備上游并且可用于使一部分的燃料流和一部分的氧化劑流中的至少之一再循環(huán)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的電化學系統(tǒng)，還包括 可用于加速該部分燃料流和該部分氧化劑流中的至少一種的再循環(huán)的設(shè)備。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的電化學系統(tǒng)，其中該積蓄設(shè)備包括用于使 至少兩種氣體反應的至少 一種催化劑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，其中該至少一個積蓄設(shè)備包 括栓塞流設(shè)備以及含有彈簧和制動器中的至少一個的偏壓元件中的 至少一種。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的電化學系統(tǒng)，還包括 布置于該陽極通道下游以及該積蓄設(shè)備上游的第二清除控制設(shè)備，該第二清除控制設(shè)備被配置以控制在該陽極通道和該積蓄設(shè)備之間的流體流動。
12. —種使具有形成燃料池堆組的多個燃料池的電化學系統(tǒng)停止 工作的方法，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層之間的 離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置為鄰近陽極電極層的陽極 流場板，該陽極流場板適合于將來自燃料供給源的含氫燃料引導到陽極電極層的至少一部分，被布置為鄰近陰極電極層的陰極流場板，該 陰極流場板適合于將來自氧化劑供給源的氧化劑引導到陰極電極層 的至少一部分，以及至少一個與陽極和陰極電極層中的至少一個的至少一部分流體連通的積蓄設(shè)備，該方法包括步驟 將主負載從燃料池堆組上斷開； 終止該斷開的燃料池堆組的燃料供給；在終止燃料供給之后，基本上消耗該斷開的燃料池堆組內(nèi)的空氣 中的氧氣以在其中形成氧氣耗盡的空氣；以及給至少一個陽極電極層的至少一部分提供來自該積蓄設(shè)備的氫 氣和氮氣中的至少一種。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該積蓄設(shè)備是一種栓塞流設(shè) 備并且該方法還包括分別被動地在該松塞流設(shè)備中積蓄和從該栓塞 流設(shè)備中分發(fā)氫氣、氧氣及氮氣中的至少一種的步驟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該積蓄設(shè)備包括一種在與氧 氣反應時能夠氧化或還原的材料并且該方法還包括使該材料與被吸 入該積蓄設(shè)備的氧氣反應的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該積蓄設(shè)備包含一個隔板， 該隔板包括被配置以響應陰極通道的壓力減小而增加與陽極通道流 體連通的積蓄設(shè)備的容積的偏壓設(shè)備，并且該方法還包括步驟響應該偏壓設(shè)備的位置而調(diào)整該積蓄設(shè)備的容積以維持該燃料 池堆組的橫跨壓力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該電化學系統(tǒng)還包括在該燃 料池堆組下游的以及與該燃料池堆組和該積蓄設(shè)備流體連通的至少 一個流量控制設(shè)備，并且該方法還包括步驟先于或者在基本上消耗該燃料池堆組內(nèi)的空氣中的氧氣期間，在 陽極壓力等于或小于該燃料池堆組的陰極壓力時打開該至少一個流 量控制設(shè)備。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟將輔助負栽連接到該斷開的燃料池堆組以消耗其中的空氣里的氧氣。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該電化學系統(tǒng)還包括再循環(huán) 線路，該再循環(huán)線路在該積蓄設(shè)備上游并且可用于使一部分的燃料流 和一部分的氧化劑流中的至少之一再循環(huán)，并且該方法還包括步驟使該部分的燃料流和該部分的氧化劑流中的至少一種再循環(huán)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括步驟 檢測氫氣和氧氣的至少一種的濃度以及將氫氣濃度和氧氣濃度的該至少一個的指示傳送到該至少一個流量控制設(shè)備。
20. —種電化學系統(tǒng)的工作方法，該電化學系統(tǒng)具有形成燃料池 堆組的多個燃料池，每個燃料池包括具有被放置于陽極和陰極電極層 之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置于陽極電極層的相 鄰處并且適合于將含氫燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置極流場板，至少一個被布置于燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布置于 燃料池堆組上游的陰極入口 ，被布置于燃料池堆組下游的氧化劑出 口 ，被布置于積蓄設(shè)備下游的第一清除控制設(shè)備并且該第一清除控制 設(shè)備可工作于第 一狀態(tài)下以允許陽極流場板和陰極流場板之間的流 體連通以及在第二狀態(tài)下工作以使氧化劑出口與積蓄設(shè)備隔離，以及 被布置于燃料池堆組和積蓄設(shè)備之間的第二清除控制設(shè)備，并且該第 二清除控制設(shè)備可在第一狀態(tài)下工作以允許陽極流場板和積蓄設(shè)備 之間的流體連通以及在第二狀態(tài)下工作以停止陽極流場板和積蓄設(shè) 備之間的流體連通，該方法包括步驟第一次打開該第二清除控制設(shè)備以在第一狀態(tài)下工作，以便當檢 測到燃料池堆組清除條件時將來自該陽極流場板的流體清除到積蓄 設(shè)備；關(guān)閉該第二清除控制設(shè)備以在第二狀態(tài)下工作；以及 在第一次打開之后第二次打開該第一清除控制設(shè)備以將來自積蓄設(shè)備的流體清除到周圍環(huán)境和陰極入口中的至少一個，以在檢測到積蓄設(shè)備清除條件時進行積蓄設(shè)備清除。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括 檢測該燃料池堆組的至少一個工作參數(shù)的幅值； 將該燃料池堆組的該至少一個工作參數(shù)的幅值與其第一闊值幅值比較以判定該燃料池堆組清除條件是否存在；以及在該燃料池堆組的該至少一個工作參數(shù)的幅值基本上等同于或 者超過該第一閾值幅值時，使燃料池堆組開始清除。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該至少一個工作參數(shù)包括濃 度、壓力、以及氫氣、氧氣及氮氣中的至少一種氣體的溫度中的至少 一個。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中該至少一個工作參數(shù)的幅值 緊鄰于該陽極流場板、陽極再循環(huán)線路、布置于燃料源和該燃料池堆 組之間的陽極燃料入口 、以及布置于該燃料池堆組和該積蓄設(shè)備之間 的陽極燃料出口中的至少一個來檢測。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括緊鄰于該積蓄設(shè)備、該第一清除控制設(shè)備、以及該第二排除控制設(shè)備中的一個來檢測該積蓄設(shè)備的至少一個工作參數(shù)的幅值；將該積蓄設(shè)備的該至少一個工作參數(shù)的幅值與第二閾值幅值比較以判定該積蓄設(shè)備清除條件是否存在；以及在積蓄設(shè)備的該至少一個工作參數(shù)的幅值基本上等同于或者超過該第二閾值幅值時，使該積蓄設(shè)備開始清除。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中該至少一個工作參數(shù)包括濃度、壓力、以及氫氣、氧氣及氮氣中的至少一種氣體的溫度中的至少一個。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括在檢測到第 一閾值持續(xù)時間消逝時使該燃料池堆組開始清除；以及在檢測到第二閾值持續(xù)時間消逝時使該燃料池堆組開始清除。
27. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括 將主負栽從該燃料池堆組抽出。
28. —種電化學系統(tǒng)的工作方法，該電化學系統(tǒng)具有形成燃料池 堆組的多個燃料池，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層 之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置為鄰近陽極電極層 的并且適合于將含氬燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置為場板，至少一個被布置于燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布置于燃料 池堆組和積蓄設(shè)備之間的清除控制設(shè)備，并且該清除控制設(shè)備可工作 于第 一狀態(tài)下以允許該陽極流場板和該積蓄i殳備之間的流體連通以 及工作于第二狀態(tài)下以停止該陽極流場板和該積蓄設(shè)備之間的流體連通，該方法包括步驟檢測應用于該燃料池堆組的負載的增加以及該燃料池堆組中的 氧化劑的壓力和濃度中的至少一個的幅值增加；以及關(guān)閉該清除控制設(shè)備，用于工作于該第二狀態(tài)下以增加該燃料池 堆組內(nèi)的含氫燃料的壓力和濃度中的至少一個以及平衡該燃料池堆 組的壓力差異。
29. —種電化學系統(tǒng)的工作方法，該電化學系統(tǒng)具有形成燃料池 堆組的多個燃料池，每個燃料池包含具有被放置于陽極和陰極電極層 之間的離子交換膜的膜電極組件(MEA)，被布置為鄰近該陽極電極 層的并且適合于將含氬燃料引導到陽極電極層的陽極流場板，被布置 為鄰近該陰極電極層的并且適合于將氧化劑引導到該陰極電極層的 陰極流場板，至少一個被布置于該燃料池堆組下游的積蓄設(shè)備，被布 置于該燃料池堆組和該積蓄設(shè)備之間的清除控制設(shè)備，并且該清除控 制設(shè)備可工作于第 一 狀態(tài)下以允許該陽極流場板和該積蓄設(shè)備之間 的流體連通以及工作于第二狀態(tài)下以停止該陽極流場板和該積蓄設(shè) 備之間的流體連通，該方法包括步驟檢測應用于該燃料池堆組的負栽的減小以及該燃料池堆組中的 氧化劑的壓力和濃度中的至少一個的幅值減?。灰约按蜷_該清除控制設(shè)備，用于工作于該第一狀態(tài)下以減小該燃料池 堆組內(nèi)的含氫燃料的壓力和濃度中的至少一個以及平衡該燃料池堆 組的壓力差異。
全文摘要
提供一種燃料池堆組，具有多個燃料池，每個燃料池包括被放置于分別形成陽極和陰極通道的陽極和陰極流場板之間的膜電極組件。積蓄設(shè)備被布置于燃料池堆組的下游。清除控制設(shè)備被布置于積蓄設(shè)備的下游，可工作于第一狀態(tài)下以允許陽極和陰極通道之間的流體連通、以及可工作于第二狀態(tài)下以使氧化劑出口與積蓄設(shè)備隔離。一些實施方案包括在陽極通道和積蓄設(shè)備之間的清除控制設(shè)備。燃料池堆組的工作方法包括第一次選擇性地將來自燃料池堆組的流體清除到積蓄設(shè)備內(nèi)，以及在第一次之后，第二次選擇性地清除來自積蓄設(shè)備的流體。
文檔編號H01M8/04GK101405905SQ200780009591
公開日2009年4月8日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者A·J·亨德森, E·R·加拉格, J·巴拉斯?jié)煽? R·G·費洛斯 申請人:Bdf Ip控股有限公司