專利名稱：燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的輔助堆陽極凈化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，且特另lj涉及，啟動(dòng)系統(tǒng)和用于在啟動(dòng)時(shí)凈化燃 料電池堆的陽極的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池被推薦為一種用于電動(dòng)車輛和各種其他應(yīng)用的清潔、高效且對(duì)環(huán) 境有益的能源。特別是，燃料電池被認(rèn)為是現(xiàn)代，中所用的內(nèi)燃機(jī)的潛在替
公知的一種燃料電池為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池通常包 括三個(gè)基本組件陰極、陽極和電解質(zhì)膜。陰極和陽t鵬常包括磨碎的催化劑， 如鉑，催化劑以 粒為載體并與離聚物混合。電解質(zhì)膜夾在陰極、陽極之間， 形成膜電極組fKMEA)。 MEA通常置于多？L擴(kuò)散介質(zhì)(DM)之間，該擴(kuò)散介質(zhì)有
禾盱電化學(xué)燃料電池反應(yīng)的氣體反應(yīng)物的輸送，典型氣體反應(yīng)物為氫氣和氧氣。 單4^燃料電池可串聯(lián)堆疊以形 料電池堆。在燃料電池堆的啟動(dòng)過程中， 通常使用氫氣凈化陽極，該陽極具有在電池堆停止工作的過程中擴(kuò)散進(jìn)入陽極 并累積起來的空氣。在停止工作一段時(shí)間后，進(jìn)入陽極的氫氣流動(dòng)形成了穿過 陽極的"氫氣-空氣峰面(hydrogen-air front)"。希望該凈化快艦行，以使公知 的碳降解最小化，該碳(^在陰極存在氧氣的情況下當(dāng)氫氣-氧氣峰面運(yùn)動(dòng)穿過 陽極時(shí)發(fā)生。傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)在凈化中主要利用氫氣壓力來移除累積的空 氣。但是，填充的速度受燃料電池堆的壓力限制和穿過燃料電池系統(tǒng)的流動(dòng)阻 力限制。
為了減輕碳,，有時(shí)在凈化過程中使燃料電池堆短路。但是，不同步地 向燃料電池傳輸氫氣也可能引起碳腐蝕。例如，最靠近氫氣源的燃料電池首先 接收氫氣，而短路直到大部分^燃料電池都接收到氫氣才有效。這樣，首先接收 氫氣的燃料電池可能由于氫氣-空氣峰面的影響而經(jīng)歷未得到減輕的腐蝕。另外， 當(dāng)許多燃料電池開始接收氫氣時(shí)，短路開始起作用。但是，未接收氫氣的燃料 電池可能在被稱為"電池反極"的現(xiàn)象中經(jīng)歷負(fù)電壓。電池反極還導(dǎo)致燃料電池堆發(fā)生不期望的碳腐蝕。
空氣在啟動(dòng)過程中旁路至燃料電池堆的排氣裝置，從而稀釋排出的凈化氫 氣。 排放標(biāo)7頓常要求排出的氫氣濃度低于4%的體積百分比。但是，由于
燃料電池系統(tǒng)在停止工作一段時(shí)間之后的狀態(tài)不一致，例如累積在陽極上的空 氣量變化，已知的燃料電池系統(tǒng)在啟動(dòng)階段優(yōu)化氫氣排放物方面并不特別有效。 仍然需要一種燃料電池系統(tǒng)和方法，以在滿足所希望的氫氣尾氣排放標(biāo)準(zhǔn) 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效啟動(dòng)。較理想的是，該燃料電池系統(tǒng)和方法通過優(yōu)化啟動(dòng)過程 中的氫氣-空氣峰面時(shí)間實(shí)現(xiàn)具有最小電池堆性能衰減的快速系統(tǒng)啟動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，公開了一種燃料電池系統(tǒng)和方法，提供滿足氫氣尾氣排放標(biāo) 準(zhǔn)并^趨氣-空氣峰面時(shí)間和電池堆衰減最小化的高效啟動(dòng)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)包括有多個(gè)具有陰極和陽極的燃料電池 的燃料電池堆。該燃料電池堆具有與陽極流體M的陽極供氣總管和陽極排氣 總管。抽吸裝置至少與陽極供氣總管和陽極排氣總管中的至少一個(gè)流體,。 該抽吸裝置用于在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中在燃料電池堆上選擇性地造成部 分真空。
在另一實(shí)施方式中，用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的第一方法包括下述步驟，提
供燃料電池堆，該燃料電池堆具有與第一凈化閥和陽極進(jìn)氣閥流體3^1的陽極 供氣總管，所述陽極進(jìn)氣閥用于向所述陽極供氣總管選擇性輸送氫氣。陽極排 氣總管與陽極排氣閥流體連通。還提供與第一凈化閥和陽極排氣閥流體連通的
抽吸裝置。該第一方法還包括下列步驟通過打開第一凈化閥和陽極排氣閥中
的至少一個(gè)，在燃料電池堆上造成部分真空；關(guān)閉陽極排氣閥；通過打開陽極
進(jìn)氣閥，利用氫氣凈化陽極供氣總管；當(dāng)陽極供氣總管基本上被氫氣充滿時(shí)，
關(guān)閉第一凈化閥；通過打開陽極排氣閥，向陽極和陽極排氣總管供應(yīng)氫氣；以
及向陰極供應(yīng)空氣。由此，使燃料電池堆處于運(yùn)行模式。
在另一實(shí)施方式中，用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的第二方法包括下述步驟，提
供燃料電池堆，該燃料電池堆具有與第一凈化閥和陽極進(jìn)氣閥流體 的陽極
供氣總管，所述陽極進(jìn)氣閥用于向陽極供氣總管選捧性輸送氫氣。陽極排氣總 管與第二凈化閥和陽極排氣閥流體連通。還提供與第一凈化閥和第二凈化閥流體M的抽吸裝置。該第二方法還包括下列步驟通過打開第一凈化閥，在陽 極供氣總管上造成部分真空；通過打開陽極進(jìn)氣閥，利用氫氣凈化陽極供氣總 管；當(dāng)陽極供氣總管基本上被氫氣充滿時(shí)，關(guān)閉第一凈化閥；通過打開第二凈 化閥和陽極排氣閥，在陽極排氣總管上造成部分真空，其中氫氣被供應(yīng)給陽極 和陽極排氣總管；當(dāng)陽極基本上被氫氣充滿時(shí)關(guān)閉第二凈化閥；以及向燃料電 池堆的陰極供應(yīng)空氣。由此，使燃料電池系統(tǒng)處于運(yùn)行模式。


通過后面的詳細(xì)說明，尤其是在結(jié)合下面所述附圖的情況下，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以清楚理解本發(fā)明的上述以及其他優(yōu)點(diǎn)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的PEM燃料電池堆的示意性，透視圖，圖中僅示 出了兩個(gè)電池。
圖2是圖1所示燃料電池堆的示意性剖視圖，示出了與進(jìn)氣閥、排氣閥和 凈化閥流體連通的多4^燃料電池。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的流程示意圖，虛線表示可選 擇的連接。
圖4是圖3所示燃料電池系統(tǒng)的流程示意圖，該系統(tǒng)具有用于輔助燃料電 池系統(tǒng)陽極凈化的噴射器，虛線表示可選擇的連接。
圖5是圖3所示^燃料電池系統(tǒng)的流程示意圖,該系統(tǒng)具有用于輔助燃料電池 系統(tǒng)陽極凈化的空氣壓縮器和限流器。
具體實(shí)施例方式
以下僅為示例性描述，且不做為對(duì)本發(fā)明范圍、應(yīng)用或?qū)嵤┑南薅?。?yīng)理 解的是，在^ 有附圖中，相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相同或相應(yīng)的部分或特征。對(duì)于 所公開的方法，給出的步驟實(shí)際上僅為示例性的，而并不是必要和決定性的。
圖1描述了燃料電池堆2，其具有一對(duì)被導(dǎo)電性雙極板8分隔開的膜電極組 件MEA4和6。為簡{媳見，圖l中僅示出一個(gè)雙電池銜即，一個(gè)雙極板)，應(yīng)
明白典型的燃料電池堆可具有很多個(gè)這樣的電池和雙極板。
膜電極組件MEA4、 6和雙極板8堆疊在一起，介于一對(duì)夾板IO、 12和一 對(duì)單極端板14、 16之間。夾板IO、 12與端板14、 16通過墊圈或絕緣涂層(未示 出)而電絕緣。單極端板14、雙極板8的兩工作面和單極端板16包括流場(chǎng)18、 20、 22、 24。流場(chǎng)18、 20、 22、 24使氫氣和空氣分別在膜電極組件MEA4和6的陽極和陰^h分布。
非導(dǎo)電的墊圈26、 28、 30、 32在燃料電池堆2的若干組件之間提供密封和 電絕緣。透氣的擴(kuò)散介質(zhì)34、 36、 38、 40與膜電極組件MEA4和6的陽極鄰接。 端板14、 16分別置于擴(kuò)散介質(zhì)34、 40附近，而雙極板8置于與MEA4的陽極 面上的擴(kuò)散介質(zhì)36鄰近。雙極板8進(jìn)一步置于與MEA6的陰極面上的擴(kuò)散介質(zhì) 38鄰近。
雙極板8，單極端板14、 16，和墊圈26、 28、 30、 32均包括陽極進(jìn)氣孔72 和陽極排氣孔74，陰t腿氣孔76和陰極排氣孔78，和y轉(zhuǎn)卩劑iSA孔80和^4卩 劑排出孔82。 M3S使雙極板8，單極端板14、 16以及墊圈26、 28、 30、 32中 的相應(yīng)開孔72、 74、 76、 78、 80、 82對(duì)齊構(gòu)^M料電池堆2的供氣總管、排氣 總管和冷卻劑總管。
陽豐腿氣孔72和陽極祠^孔74分別與陽，腿氣管84和陽極排氣管86流 體連通。陰極進(jìn)氣管88和陰極排氣管90分別與陰極進(jìn)氣孔76和陰極排氣孔78 流體連通?！冻皠﹊aA孔80和冷卻劑排出孔82分別與冷卻劑aA管92和y辨卩 齊鵬一出管94流體翻。應(yīng)理解圖l中的^ia口84、 88、 92和出口86、 90、 94的構(gòu)造是為了說明的目的，也可以根據(jù)需要選擇其它構(gòu)造。
如圖2所示，燃料電池堆2可包括多個(gè)燃料電池200。組裝好的燃料電池堆 2具有陽極供氣總管202和陽極排氣總管204。陽極供氣總管202用于通過陽極 進(jìn)氣管84接收氫氣流，并將氫氣輸送到多個(gè)燃料電池200的陽極中。陽極排氣 總管204用于接收來自多個(gè)燃料電池200陽極的氫氣流，并將氫氣輸送到陽極 排氣管86。燃料電池堆2還可包括與陽極供氣總管202流體M的供氣總管凈 化管206和與陽極排氣總管204流體，的排氣總管凈化管208中的至少一個(gè)。
在特定的實(shí)施方式中，陽極供氣管84與陽極進(jìn)氣閥210流體連通。陽極排 氣閥212與陽極排氣管86流體iSl。第一凈化閥214與供氣總管凈化管206流 體連通。第一凈化閥214在打開位置時(shí)，促進(jìn)對(duì)來自陽極供氣總管202的氫氣 的凈化作用。第二凈化閥216可與陽極排氣總管204流體連通。第二凈化閥216 在打開位置時(shí)， 對(duì)來自陽極排氣總管的氣體的凈化作用。應(yīng)明白，在燃料 電池堆2陽極的凈化中，可根據(jù)需要與蟲地或以任意組合的方式使用陽極排氣 閥212、第一凈化閥214和第二凈化閥216。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)300。燃料電池系統(tǒng)300包括燃料電池堆2。燃料電池堆2包括陽極進(jìn)氣管84和陽極排氣管86，以及陰極進(jìn) 氣管88和陰極排氣管90。進(jìn)氣管84、 88和排氣管86、 90中每一個(gè)均與多個(gè)ji 料電池200的相應(yīng)陽極和陰極流體iiil。在特定實(shí)施例中，燃料電池堆2連接 到電負(fù)載，如電動(dòng) 中的電驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖中未示出)。
燃料電池系統(tǒng)300包括空氣壓縮器302，該空氣壓縮器與陰極進(jìn)氣管88流 體M?？諝鈮嚎s器302用于接收例如來自環(huán)境大氣的空氣，然后將空氣供給 燃料電池堆2的陰極。M料電池系統(tǒng)300還包括為燃料電池堆2的陽極提供氫 氣的氫氣源304。作為非限制性實(shí)施例，氫氣源304可為具有壓縮氫氣的高壓於 存罐。應(yīng)理解，可以根據(jù)需要采用其他適當(dāng)?shù)臍錃庠?04。
陽禾腿氣閥210置于氫氣源304和燃料電池堆2的陽t腿氣管84之間。陽 禾M氣閥210用于從氫氣源304向燃料電池堆2的陽極選擇性供應(yīng)氫氣。
燃料電池系統(tǒng)300還包括旁路閥306，其位于空氣壓縮器302和燃料電池 堆2之間。旁路閥306用于選擇性地引導(dǎo)來自空氣壓縮器302的空氣流圍繞燃 料電池堆2。在一個(gè)實(shí)施方式中，旁路閥306將來自空氣壓縮器302的空氣流引 導(dǎo)至排氣裝置。該空氣與乘除的氫氣以及由燃料電池堆2陽極排出的產(chǎn)物混合 并進(jìn)滿釋。
空氣供氣閥308可設(shè)置成與空氣壓縮器302和燃料電池堆2流體連通。除 旁路閥306之外，還可采用空氣供氣閥308來控制至燃料電池堆2的空氣流。 例如，旁路閥306和空氣供氣閥308可轉(zhuǎn)換為阻止過分的氫氣排出物。應(yīng)明白， 當(dāng)燃料電池堆2被填充時(shí)，氫氣可穿過聚合物電解質(zhì)膜移動(dòng)到陰極，例如M3！ 擴(kuò)散和電化學(xué)泵送作用(electrochemical pumping)。當(dāng)空氣流向燃料電池堆2 時(shí)，陰極中的氫氣被強(qiáng)制排出至排氣裝置中。fflil使旁路閥306和空氣供氣閥 308的打開和關(guān)閉交迭，在用空氣填充陰極的過程中，提供至燃料電池堆2的排 氣裝置的空氣量足以稀釋離開陰極的氫氣。
在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)300包括抽吸裝置310。抽吸 裝置310與燃料電池堆2的陽極供氣總管202和陽極排氣總管204中的至少一 個(gè)流體M。抽吸裝置310在燃料電池系統(tǒng)300的啟動(dòng)操作中，用于選擇性地 tt料電池堆2上造成至少部分真空。抽吸裝置310形成低于環(huán)境壓力的真空， 這有助于用氫氣充滿燃料電池堆2。例如，抽吸裝置310可提供比環(huán)境壓力至少 低約5KPa的真空。在另一非限制性實(shí)施例中，抽吸裝置310提供比環(huán)境壓力低高達(dá)約40KPa的真空。應(yīng)明白，也可根據(jù)需要采用其他合適的真空。
例如，抽吸裝置310可用于選擇性地在陽極供氣總管202和陽極排氣總管 204中的至少一個(gè)±^成部分真空。抽吸裝置310也可用于選擇性地在燃料電池 堆2整體上造成部分真空，即，在陽極以及陽極供氣總管202和陽極排氣總管 204兩者上同時(shí)造成部分真空。抽吸裝置310尤其用于在啟動(dòng)過程中，輔助利用 氫氣實(shí)現(xiàn)所述總管的凈化和燃料電池堆2陽極的填充。
抽吸裝置310與陽極排氣閥212、第一凈化閥214和第二凈化閥216中的 至少一個(gè)流體M。應(yīng)理解，當(dāng)陽極排氣閥212、第一凈化閥214和第二凈化閥 216中的一個(gè)處于打開位置時(shí)，抽吸裝置310可在燃料電池堆2上造成部分真空。 同樣，當(dāng)與抽吸體310流體艦的陽極排氣閥212、第一凈化閥214和第二凈 化閥216全部處于關(guān)閉位置時(shí)，抽吸裝置310不能在燃料電池堆2 Jlit成部分 真空。因此，閥門212、 214和216的致動(dòng)用于在燃料電池堆2上選擇性鵬成 真空。
作為非限制性實(shí)施例，當(dāng)iiil陽極進(jìn)氣閥210供應(yīng)氫氣時(shí)，第一凈化閥214 處于打開位置，而其它閥門212、 216(如果有的話)關(guān)閉，所述部分真空基本上 只在陽極供氣總管202上形成。作為另一非限制性實(shí)施例，當(dāng)?shù)谝粌艋y214 和陽極排氣閥212處于打開位置時(shí)，可在燃料電池堆2整體上形成部分真空， 包括陽極供氣總管202、陽極排氣總管204和多個(gè)燃料電池200的陽極。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)300還可包括與燃料電池堆2電通信的至少一個(gè)堆 短路裝置(未示出)。在特定實(shí)施例中，該堆短路裝置為電阻。堆短路裝置用于在 啟動(dòng)戰(zhàn)呈中對(duì)燃料電池堆2作用阻性負(fù)載，以防止由碳腐蝕弓胞的燃料電池衰 減。合適的堆短路裝置在序列號(hào)為11/684302的、受讓人的共同未決的美國申請(qǐng) 中己有描述，這里通過引用的方式結(jié)合其全文。也可以根據(jù)需要采用其它合適 的堆短路裝置。
燃料電池300中還可以采用陽極再循環(huán)泵(未示出)。 一個(gè)合適的陽極再循 環(huán)泵餅列號(hào)為11/671017的、受讓人的共同未決的美國申請(qǐng)中已有描述，這里 通過弓間的方式結(jié)合其全文。陽極再循環(huán)泵可與陽極供氣總管202和陽極排氣 總管204流體連通。陽極再循環(huán)泵用于在運(yùn)行中使燃料電池堆2排出的殘留氫 氣兩盾環(huán)。陽極再循環(huán)泵a躬戔留氫氣送回陽極供氣總管202，該殘留氫氣在陽極 供氣總管處可被用于燃料電池堆2電化學(xué)反應(yīng)。燃料電池系統(tǒng)300也可具有陽極放氣閥(未示出)，用于排出燃料電池堆2 中累積的氮?dú)?。例如，由于聚合物電解質(zhì)膜被陰極空氣穿透以及帶有殘留氫氣 的陽極排氣M陽極再循環(huán)泵而再循環(huán)至陽極供氣主管202，導(dǎo)致氮?dú)饫鄯e。在 特定的實(shí)施方式中，陽極排氣閥212、第一凈化閥214和第二凈化閥216中的至 少一個(gè)可用作陽極放氣閥。
燃料電池系統(tǒng)300可采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他燃料電池系統(tǒng)部件。例如， 燃料電池系統(tǒng)可能包括下述部件中的至少一個(gè)例如，濕度傳感器、電壓傳感 器、壓力傳感器、水蒸汽傳輸錢、控制器、背壓閥、中冷器。在特定實(shí)施方 式中，燃料電池系統(tǒng)300包括多個(gè)相同構(gòu)造的燃料電池堆2。
圖4和圖5示出了燃料電池系統(tǒng)300的其他實(shí)施方式。與圖1至圖3相同 殿目關(guān)聯(lián)的重復(fù)結(jié)構(gòu)用帶有單弓l號(hào)(')或雙弓l號(hào)(")的附圖標(biāo)號(hào)，。
在圖4所示的實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)300'的抽吸裝置310'為噴射器， 例如噴射泵、文丘里噴射嘴或吸氣器。抽吸裝置310'包括原動(dòng)端口 (motive port)、 排出端口和抽吸端口。抽吸裝置310'用于接收ffiil原動(dòng)端口和排出端口的流體 原動(dòng)流(如，空氣流)并在抽吸端口處形成抽吸。該抽吸能根據(jù)需要在燃料電 池堆2上造成部分真空。
抽吸裝置310'的原動(dòng)端口與原動(dòng)流發(fā)生器流體連通，該原動(dòng)流發(fā)生器諸如 為在運(yùn)行過程中用于為燃料電池堆2提供空氣的空氣壓縮器302。但是，原動(dòng)流 發(fā)生器也可以是第二空氣壓縮器。應(yīng)明白，也可以根據(jù)需要釆用其它合適的原 動(dòng)流發(fā)生器。
在一個(gè)侍定的實(shí)施例中，抽吸裝置310'的原動(dòng)端口與旁路閥306和空氣壓 縮器302流體M。當(dāng)旁路閥306設(shè)計(jì)為例如在啟動(dòng)過程中使空氣流繞31M料 電池堆2時(shí)，該空氣流被引導(dǎo)il31W吸裝置310'的原動(dòng)端口。該空氣流提供原 動(dòng)力，從而能在抽吸端口,行抽吸。然后該空氣流連同在抽吸端口處被吸入 的氣體一起被導(dǎo)出排出端口至燃料電池系統(tǒng)300'的排出裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解抽吸裝置310'可用于設(shè)置抽吸氫氣流和原動(dòng)空氣流 的比例，以使從抽吸裝置310'排出的氫氣濃度低于氫氣在空氣中的可燃下限 (LFL)。在特定實(shí)施方式中，抽吸裝置310，設(shè)置氫氣流和原動(dòng)空氣流的比例，以 使排出的氫氣濃度低于約四個(gè)體積百分比(4%)。
如圖5所示，燃料電池系統(tǒng)300"的抽吸裝置310"包括空氣壓縮器302和限流器500，如用于抑制被空氣壓縮器302吸引通過的空氣流的空氣過濾器。也可 根據(jù)需要{頓其它合適柳艮流器500，如限流閥?？諝鈮嚎s器302與限流器500 流體 。在啟動(dòng)階段，在空氣壓縮器302的運(yùn)行過程中，限流器500和空氣 壓縮器302之間形成減壓區(qū)502。應(yīng)明白，由于限流器500阻止空氣流向空氣壓 縮器302，從而產(chǎn)生足以在燃料電池堆2上形成部分真空的壓降。例如，燃料電 池系統(tǒng)300"包括旁路閥306，用于選擇性地從空氣壓縮器302引導(dǎo)空氣流繞過 燃料電池堆2并itA排氣裝置。
本發(fā)明包括啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)300的第一方法。該方法包括提供燃料電池 系統(tǒng)300的步驟。例如，燃料電池系統(tǒng)300可具有燃料電池堆2， i^M料電池堆 具有與陽極流體連通的陽極供氣總管202和陽極排氣總管204。燃料電池堆2 的陽極供氣總管202與陽極進(jìn)氣閥流體連通，該閥用于將來自氫氣源304的氫 氣選擇性地輸送到陽極供氣總管。陽極供氣總管202還與第一凈化閥214流體 M。陽極排氣總管204與陽極排氣閥212流體艦。所提供的燃料電池系統(tǒng) 300還包括抽吸裝置310，該抽吸裝置與第一凈化閥214和陽豐湖一氣閥212流體 。抽吸裝置310用于根據(jù)需要在燃料電池堆2上造成部分真空。
根據(jù)第一方法，陽極排氣閥212和第一凈化閥214中的至少一個(gè)打開。在 特定實(shí)施方式中，陽極排氣閥212和第一凈化閥214同時(shí)打開。打開與抽吸裝 置流體M的陽，及排氣閥212和第一凈化閥214中的至少一個(gè)，在燃料電池堆2 整體上產(chǎn)生部分真空。應(yīng)明白，同時(shí)打開陽極排氣閥212和第一凈化閥214防 止將氣體從陽極供氣總管202和陽極排氣管204中的一個(gè)吸引至燃料電池200 的陽極。這樣，ffiil最初在燃料電池堆2的陽極供氣總管202和陽極排氣總管 204這兩側(cè)造成部分真空，防止氫氣-空氣鋒面穿過陽極。
接下來，該方飽括關(guān)閉陽極排氣閥212的步驟。然后打幵陽極進(jìn)氣閥210， 從而在陽極供氣總管202中進(jìn)行凈化。在該凈化步驟中，應(yīng)明白氫氣可以一定 的 3通過陽極進(jìn)氣閥210被供應(yīng)，銜皿防止氫氣i^4A燃料電池200的陽 極。例如，以足以保持燃料電池堆2的內(nèi)部真空的速率供應(yīng)氫氣。燃料電池堆 的內(nèi)部真空可基本上等于在通過陽極進(jìn)氣閥210引入氫氣之前造成的真空。氫 氣M陽極供氣總管202和與抽吸裝置310流體連通的第一凈化閥214被弓|入， 進(jìn)而防止氫氣進(jìn)入燃料電池堆2陽極的任何明顯移動(dòng)。凈化步驟持續(xù)足夠用氫 氣基本上填滿供氣總管202的時(shí)間。陽極供氣總管202凈化后，第一凈化閥214關(guān)閉且陽極排氣閥212打開。 燃料電池200的陽極和陽極排氣總管204然后在"堆充氣"步驟中艦氫氣被 凈化。當(dāng)打開陽極排氣閥212時(shí)，氫氣的^3I增大，以利于快速填充陽極和陽 極排氣總管204。應(yīng)理解，在這個(gè)步驟中，通過在陽極排氣閥212造成部分真空， 有助于陽極和陽極排氣總管204的填充。堆充氣步驟搟賣足夠用氫氣基本上填 滿燃料電池200陽極的時(shí)間。
為了完成燃料電池系統(tǒng)300的啟動(dòng)，將空氣通入燃料電池200的陰極。例 如，由空氣壓縮器302提供空氣。在向陰極供應(yīng)空氣的步驟中，旁路閥306和 空氣供氣閥308中的至少一個(gè)用于將空氣引向燃料電池堆2的陰極進(jìn)氣管88。
再次參見圖4，第一方法可j頓抽吸體310'，例如具有原動(dòng)端口、排出 端口和抽吸端口的噴射器。抽吸端口可與陽極排氣閥212和第一凈化閥214中 的至少一個(gè)流體連通?？諝鈮嚎s器302也可設(shè)置成與抽吸裝置310'的原動(dòng)端口 流體5 1。因此在運(yùn)行中，該方法包括啟動(dòng)空氣壓縮器302以向抽吸裝置310' 提供原動(dòng)空氣流的步驟?？諝鈮嚎s器302在燃料電池堆2上產(chǎn)生真空之前啟動(dòng)， 以{挪吸裝置310'能產(chǎn)戰(zhàn)夠的吸力造成真空。
該方法還包括提供與燃料電池堆2電通信的堆短路驢的步驟。堆短路裝 置在陽極充i線氣之前工作。因此，將電負(fù),加于燃料電池堆2，以防止在陽 極充滿氫氣的同時(shí)，燃料電池堆2發(fā)生碳腐蝕。陽極基本上充滿了氫氣后，堆 短路裝置不工作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在常規(guī)停止過程中，通常在燃料電池堆2的陽極 內(nèi)形成部分真空。由于氫氣被消耗而沒有得到補(bǔ)充，陽極氣體冷卻和水蒸汽凝 結(jié)，導(dǎo)致陽極、陽極供氣總管202和陽極排氣總管204的壓力低于環(huán)境壓力。 這樣，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，打開陽極排氣閥212會(huì)導(dǎo)致空氣從周圍環(huán) 入壓力 低于環(huán)境壓力的陽極的回流。該回流產(chǎn)生了不希望的氫氣-空氣鋒面，這會(huì)導(dǎo)致 碳腐蝕和性能衰減。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)300、 30(T和第一方法JS31在陽極中
填充氫氣防止空氣回流進(jìn)入燃料電池堆2 。
本發(fā)明還包括用于啟動(dòng):^料電池系統(tǒng)300的第二方法。第二方法也包括提 供燃料電池系統(tǒng)300的步驟。例如，燃料電池堆2包括與陽豐腿氣閥210和第 一凈化閥214流體 的陽極供氣總管202。但與第一方法不同，陽極排氣總管 204與陽極排氣閥212和第二凈化閥216流體M。抽吸裝置310也設(shè)置成與第一凈化閥214和第二凈化閥216流體 ，并用于根據(jù)需要在燃料電池堆2上 造成真空。
根據(jù)第二方法，當(dāng)?shù)谝粌艋y214打開時(shí)，抽吸裝置310基本上只在陽極 供氣總管202 J^擇性:btkit成真空。在運(yùn)行中，在陽極供氣總管202上造成部 分真空之后進(jìn)行凈化步驟。在凈化步驟中，陽，腿氣閥210打開，且陽極供氣 總管202基本上充滿氫氣。在陽極供氣總管202中基本上充滿了氫氣之后，第 一凈化閥214關(guān)閉。
接下來，該方法包括通過打開陽極排氣閥212和第二凈化閥216在陽極排 氣總管204上造成部分真空的步驟?？纱笾略诖蜷_閥212和216同時(shí)關(guān)閉第一 凈化閥214。由于陽極進(jìn)氣閥210己經(jīng)打開，打開閥門212和216，從而在堆充 氣步驟中，允許氫氣凈化陽極和陽極排氣總管204。打開均與抽吸，310流體 M的陽極排氣閥212和第二凈化閥216，便于陽極和陽極排氣總管204快速充 氣。特別是，打開閥門212和216使氫氣流動(dòng)通過陽極和陽極排氣總管204 的阻力最小化。例如，當(dāng)陽極基本上充;線氣時(shí)，第二凈化閥216關(guān)閉。
與本文描述的第一方法相同，根據(jù)第二方法，當(dāng)空氣被供應(yīng)給"燃料電池堆 2的陰極時(shí)，完^t料電池系統(tǒng)300的啟動(dòng)。隨著氫氣流向陽極而空氣流向陰極， 燃料電池系統(tǒng)300處于運(yùn)行狀態(tài)。
再次參見圖5，第二方法可采用具有抽吸裝置310"的燃料電池系統(tǒng)300"， 如與限流器500流體,的空氣壓縮器302，且在該空氣壓縮器與限流器之間具 有減壓區(qū)502。在該結(jié)構(gòu)中，第一凈化閥214和第二凈化閥216與減壓區(qū)502 流體 。當(dāng)?shù)诙椒ㄊ褂贸槲b置310"時(shí)，該方法包括在陽極供氣總管202 產(chǎn)生部分真空之前啟動(dòng)空氣壓縮器的步驟。由此在減壓區(qū)502中產(chǎn)生足以在燃 料電池堆2上產(chǎn)生部分真空的真空。
應(yīng)理解，本文所述的燃料電池系統(tǒng)300、 300'、 300"以及方法通iM擇性 地產(chǎn)生部分真空，從燃料電池堆2的陽極排出 料電池系統(tǒng)停止工作期間累 積的空氣。這樣，fflil在燃料電池堆2上產(chǎn)生部分真空，促進(jìn)了氫氣對(duì)陽極的 凈化和填充。特別是，因?yàn)橥ㄟ^MM料電池堆2中排出了累積的空氣，降低了 移除空氣所需的氫氣壓力。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)300、 300'、 300"以及方 法防止氫氣流在陽極供氣總管202的凈化中進(jìn)入多^f凝斗電池200的陽極。例如，在氫氣凈化步驟之前，在陽極供氣總管202上形成的部分真空允許快速填
充，而不^iM趨氣fflA燃料電池對(duì)2陽極的壓力限值。
M在陽極供氣總管202和陽極排氣總管204中的至少一個(gè)上造成部分真 空，促進(jìn)了禾,氫氣實(shí)現(xiàn)的燃料電池堆2的凈化和填充，這也有利于快速穩(wěn)定 的啟動(dòng)。燃料電池系統(tǒng)300、 300'、 300"以及方法使氫氣在燃料電池堆2陽極中 大致均勻分布。當(dāng)氫氣-空氣鋒面響應(yīng)于在燃料電池堆2上形成的氫氣壓力和部 分真空而以"快速鋒面(fast front)"的方式快速移動(dòng)時(shí)，防止發(fā)生電池反極、 負(fù)電池電壓和碳腐蝕。因此，優(yōu)化了燃料電池堆2的耐用性。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)300、 300'、 300"以及方法還使氫氣排放最小化。 例如，由于ffiil在燃料電池堆2上造成部分真空而促進(jìn)了 料電池堆的陽極 凈化和充氣過程，供應(yīng)^^燃料電池堆2的氫氣壓力可得以減小。傳統(tǒng)的燃料電 池系統(tǒng)依靠氫氣壓力來移除累積的空氣與未知化合物的殘留氫氣的混合物。燃 料電池堆2上形成的部分真空使得可利用更少的氫氣來移除停止工作后存在的 氣體。通過本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)300、 300'、 300"以及方法，有利于為燃料電 池堆2運(yùn)行提供足夠量的氫氣，同時(shí)保證排出排出的氫氣濃度不皿體積百分 比的百分之四。
以上為說明本發(fā)明的目的示出了一些有代表性的實(shí)施例和細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員顯然可在不背離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下作出 不同的,。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括包括多個(gè)具有陽極和陰極的燃料電池的燃料電池堆，該燃料電池堆具有與所述陽極流體連通的陽極供氣總管和陽極排氣總管；和與所述陽極供氣總管和陽極排氣總管中的至少一個(gè)流體連通的抽吸裝置，該抽吸裝置用于在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)階段在所述燃料電池堆上選擇性地抽吸出部分真空。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽極供氣總管流體連 通的第一凈化閥、與所述陽極排氣總管流體頓的第二凈化閥和與所述陽極排 氣總管流體翻的陽極排氣閥中的至少一個(gè)。
3、 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述抽吸裝置與第一凈化閥、第二凈化閥和陽極排氣閥中的至少一個(gè)流體魏。
4、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中所述抽吸裝置為具有原動(dòng)端口、排出端口和抽吸端口的噴射器。
5、 如權(quán)禾腰求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述陽極供氣總管和陽極排氣 總管中的至少一個(gè)與所述噴射器的抽吸端口流體M。
6、 如權(quán)禾腰求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述噴射器的原動(dòng)端口與原動(dòng) 流發(fā)生^I流體^M。
7、 如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述原動(dòng)流發(fā)生器為空氣壓縮器。
8、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述抽吸裝置包括與限流器流 體艦的空氣壓縮器。
9、 如權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述空氣壓縮器工作時(shí)，在 所述空氣壓縮器和限流器之間形成減壓區(qū)。
10、 如權(quán)禾腰求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述限流器為過濾器。
11.一種用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟.-提供包括具有陰極和陽極的多個(gè)^燃料電池的燃料電池堆，該燃料電池堆具有與陽極流體M的陽極供氣總管和陽極排氣總管，所述陽極供氣總管與第一 凈化閥和陽極進(jìn)氣閥流體 ,該陽極進(jìn)氣閥用于向所述陽極供氣總管選擇性地輸送氫氣，所述陽極排氣總管與陽極排氣閥流體M;提供與第一凈化閥和陽極排氣閥流體iiii的抽吸裝置；M打開第一凈化閥和陽極排氣閥中的至少一個(gè)，在所述燃料電池堆上抽吸出部分真空；關(guān)閉所述陽極排氣閥；M打開所述陽IIiS氣閥，用氫氣凈化所述陽極供氣總管； 當(dāng)所述陽極供氣總管基本上充織氣時(shí)關(guān)閉第一凈化閥； 鵬打開所述陽極排氣閥，向所述陽極和陽極排氣總管輸送氫氣；禾口 向所述陰極提供空氣，其中所^M料電池堆處于運(yùn)行模式。
12、 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述抽吸裝置是包括原動(dòng)端口、排出 端口和抽吸端口的噴射器，所述抽吸端口與第一凈化閥和陽極排氣閥中的至少 一個(gè)流體iSl。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟提供與所述噴射器的原動(dòng)端口流體^il的空氣壓縮器；禾口 在所述燃料電池堆上抽吸出部分真空的步驟之前啟動(dòng)所述空氣壓縮器，其 中向所述噴射器提供原動(dòng)空氣流。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中在所述陽極供氣總管的凈化步驟中， 所述陽極進(jìn)氣閥以防止氫氣流進(jìn)入陽極的流速輸送氫氣。
15、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中氫氣流與原動(dòng)空氣流的比例使得排出的氫氣濃度小于約百分之四的體積百分比。
16、 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括以下步驟提供與所述燃料電池堆電連通的堆短路裝置；在陽極充滿氫氣之前使所述堆短路裝置工作，其中將電負(fù)載施加于所述燃 料電池堆；和在所述陽極基本上充滿了氫氣后，使所述堆短路裝置不工作。
17、 如權(quán)利要求ll所述的方法，還包括以下步驟提供與所述陽極供氣總管和陽極排氣總管流體魏的陽極幫盾環(huán)泵，該陽 極再循環(huán)泵用于使A^述燃料電池堆排出的殘留氫氣再循環(huán)；在陽極充滿氫氣前，i複氣/A^述陽極排氣總管繞所述陽極兩盾環(huán)泵流動(dòng)； 1妙萬述陽極幫盾環(huán)泵充滿氫氣；禾口在所述陽極和陽極排氣總管基本上充i線氣后，將氫氣從所述陽極排氣總 ，至所述再循環(huán)泵。
18、 一種用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟 提供包括具有陰極和陽極的多個(gè)燃料電池的燃料電池堆， 料電池堆具有與陽極流體M的陽極供氣總管和陽極排氣總管，所述陽極供氣總管與第一 凈化閥和陽極進(jìn)氣閥流體,，所述陽極進(jìn)氣閥用于向所述陽極供氣總管選擇性地輸送氫氣，所述陽極排氣總管與第二凈化閥和陽極排氣閥流體3a; 提供與第一凈化閥和第二凈化閥流體 的抽吸裝置；ffi31打開第一凈化閥在所述陽極供氣總管上抽吸出部分真空； M打開所述陽t腿氣閥，用氫氣凈化所述陽極供氣總管； 當(dāng)所述陽極供氣總管基本上充 氣時(shí)，關(guān)閉第一凈化閥； M打開第二凈化閥和陽極排氣閥，在所述陽極排氣總管上抽吸出部分真 空，其中氫氣被送往所述陽極和陽極排氣總管；當(dāng)所述陽極基本上充滿氫氣時(shí)，關(guān)閉第二凈化閥；禾口 向所述陰極提供空氣，其中所述燃料電池系統(tǒng)處于運(yùn)行模式。
19、 如權(quán)禾腰求18所述的方法，其中所翻吸裝置為與限流器流體^3I的 空氣壓縮器，在所述限流器和空氣壓縮器之間有減壓區(qū)，該減壓區(qū)與第一凈化閥和第二凈化閥流體iiii。
20、 如權(quán)利要求19所述的方法，還包括在所述陽極供氣總管上抽吸出部分 真空的步驟之前啟動(dòng)所述空氣壓縮器的步驟，其中在所述減壓區(qū)中產(chǎn)生抽吸作
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的輔助堆陽極凈化。提供一種在啟動(dòng)時(shí)可輔助陽極凈化的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，該燃料電池堆包括具有陰極和陽極的多個(gè)燃料電池。該燃料電池堆具有與陽極流體連通的陽極供氣總管和陽極排氣總管。燃料電池系統(tǒng)還包括與陽極供氣總管和陽極排氣總管中至少之一流體連通的抽吸裝置。抽吸裝置用于在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)階段在燃料電池堆上選擇性地造成部分真空。還提供一種用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101431162SQ20081017993
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月18日
發(fā)明者C·麥金托什, G·M·羅布, J·C·馬楚卡, S·G·格貝爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司