專利名稱：密封的陽極燃料電池系統(tǒng)的停機操作的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，更特別
地涉及用于控制燃料電池系統(tǒng)停機操作的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
燃料電池是將燃料中的化學能直接轉變成電能的電化學 裝置。在典型操作的電池中，將燃料連續(xù)供給陽極(負電極)，將氧 化劑連續(xù)供給陰極(正電極)。在電極(即陽極和陰極)處發(fā)生電化 學反應，產生通過將電極分隔開的電解質的離子流，同時驅動互補電 流通過負載做功(例如驅動電動機或為光源提供能量)。盡管燃料電 池在原理上可以使用許多燃料和氧化劑，但目前開發(fā)中的大多數燃料 電池都使用氣態(tài)氫作為陽極反應物(也稱為燃料)，使用以空氣形式 的氣態(tài)氧作為陰極反應物(也稱為氧化劑)。為了得到應用所需的必需的電壓和電流，可以將單獨的燃 料電池電連接以形成"組"，其中該組用作為負載提供能量的單一元 件。短語"其余裝置"是指那些提供供入流供給和調節(jié)、熱管理、電 源調節(jié)和其他輔助和界面功能的組件。燃料電池組和其余裝置一起構 成了燃料電池系統(tǒng)。參照圖1A,燃料電池100 (以從上到下的視角示出)經配 置以包括陽極入口 105、陽極出口 110、陰極入口 115、陰極出口 120、 冷卻劑入口 125和冷卻劑出口 130。參照圖1B,如上所述燃并+電池(例 如燃料電池100)可以堆積以產生燃料電池組135,其中將各電池的 陽極、陰極和冷卻劑通道都匹配。燃料電池系統(tǒng)獨有的 一 個操作問題涉及系統(tǒng)啟動和停機 操作。與內燃發(fā)電裝置不同，燃料電池電極如果暴露于不適當的氣體 和/或氣體混合物，可能會受到損壞。例如，如果不正確操作，陽極暴 露于空氣中可能會嚴重損壞電池。類似地，產生氣體混合物(例如氫 氣-空氣溶液)的停機操作可能在隨后的啟動操作中對燃料電池系統(tǒng)產 生不利影響。

發(fā)明內容
總的來講，本發(fā)明提供了燃料電池系統(tǒng)的停機方法。根據 一種實施方式的方法包括停止(halting)燃料(H2)和氧化劑(空氣) 流動到該系統(tǒng)的燃料電池組，然后密封該電池組的陽極區(qū)。然后在該 電池組兩端接合(engage)負載，以耗盡該電池組的燃料電池的陽極處 的許多(muchof)燃料和陰極處的基本上所有氧氣。 一旦該燃料電池基 本上耗盡燃料，則打開該電池組的陽極和陰極區(qū)之間的流體相通。因 為該電池組的陽極區(qū)是密封的，因此其中燃料的消耗產生真空。該真 空將吸取(pull)富N2的氣體從陰極區(qū)進入陽極區(qū)。該行為(action)還將 吸取額外的空氣(氧化劑)進入該陰極區(qū)。為使引入陽極區(qū)的富02 氣體(空氣)最小化，已經發(fā)現允許氣體從陰極在遠離允許空氣流入 陰極區(qū)位置的區(qū)域流入陽極是有益的。當陽極區(qū)中消耗掉基本上所有 的H2時，終止燃沖牛電池系統(tǒng)的陽才及和陰才及區(qū)之間的流體相通。在一種實施方式中，在放電操作期間(即當負載接合時) 可以監(jiān)控一些或所有該電池組的燃料電池兩端的電壓，以確定何時解 除(disengage)負載?？梢允褂萌魏沃甘痉烹姞顟B(tài)的燃料電池操作參數。 例如可以使用電池電壓(絕對值和/或改變速率)和電流(絕對值和/ 或改變速率)。根據本發(fā)明的方法可以通過執(zhí)行編制(organize)到 一個或 多個程序模塊中的指令的可編程控制裝置或控制單元實施?？删幊炭?制裝置包括專用硬件控制裝置以及一般用途的處理系統(tǒng)。用于實施根 據本發(fā)明的任何方法的指令可以切實地體現于(tangibly embodied in) 任何適合的存儲裝置。


圖1顯示了根據傳統(tǒng)現有燃料電池技術的單一燃料電池 (1A)和燃料電池組(IB)的結構(layout)。圖2顯示了根據本發(fā)明的一種實施方式的燃料電池系統(tǒng)。
圖3以示意圖方式顯示了根據本發(fā)明的一種實施方式的燃 泮牛電池的配置。圖4以流程圖方式顯示了根據本發(fā)明的一種實施方式 停 機操作。
具體實施例方式以下描述用于使任何本領域技術人員能夠制造和使用要
求保護且在下面討論的特定實例的內容中提供的本發(fā)明，所述特定實 例的變化對本領域技術人員將是容易顯而易見的。更特別地，本發(fā)明
的示例性實施方式是就使用氣態(tài)氫(H2)作為燃料、空氣(02和氮氣 N2的混合物)形式的氣態(tài)氧(02)作為氧化劑和質子交換或聚合物電 解質膜("PEM")電極組件的燃料電池進行描述的。然而，后附的 權利要求并不意于由所公開的實施方式所限定，而是給予了它們的與 此處公開的原理和特征相一致的最寬的范圍。總的來講，根據本發(fā)明的停機操作使用外部負載和在密封 的陽極燃料電池系統(tǒng)中的陽極-陰極轉換閥(cross-over valve)用于消耗 殘余燃料并在燃料和氧化劑氣流終止(termination)之后將貧氧空氣可 控引入陽極。此處所用的術語"密封的"是指指定元件(例如陽極) 以其可以抽真空(或部分真空)的方式與環(huán)境隔離。本領域的普通技 術人員將認識到甚至在密封的陽極(陰極)系統(tǒng)中，在停機之后隨著 時間過去，陽極(陰極)壓力可以變?yōu)榄h(huán)境壓力。參照圖2，在本發(fā)明的一種實施方式中，燃料電池系統(tǒng)200 包括燃料電池組205、其余裝置210、負載215、開關220和轉換閥 225。燃料電池組205包括多個如圖1B中所示排列以使其陽極和陰極 重合的(coincident)燃料電池。其余裝置210尤其包括隔離閥、測定 一些或所有的燃料電池的操作特征的傳感器和用于指導燃料電池系 統(tǒng)200根據本發(fā)明操作的控制單元。示例性的燃料電池操作特征包括 但不局限于電壓和電流。負載215和開關220被提供用于可控耗盡燃 料電池陽極的燃料。轉換閥225被提供用于將貧氧氣體從該燃料電池 的陰極體積中可控引入該燃料電池的陽極區(qū)(參見下面的討論)。參照圖3，示例性的燃料電池300 (來自燃料電池組205 ) 包括由膜電^l組件("MEA" )315分隔開的陽才及區(qū)305和陰4及區(qū)310。 燃料電池300 (和燃料電池組210中的每個電池)連接燃料入口隔離 閥320、燃料出口隔離閥325、陰極出口止回閥(check valve) 330和 轉換閥225。隔離閥320和325允許燃料(H2氣)流過陽極區(qū)305。 這些閥也可以用于對陽極區(qū)305的基本上密封。陰極止回閥330防止氧化劑(02氣/空氣)流回到陰極區(qū)310。如下面詳細描述的那樣，轉 換閥225提供用于在根據本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)停機操作期間將富 N2 (貧02 )氣體吸取到陽極區(qū)305內的機制。在以下描述中，將參考其中示出單一燃料電池的圖3的組 件。然而，應當認識到燃料電池組205中的各電池都擁有共用的陽極 和陰極區(qū)或體積。進一步將認識到陽極隔離閥320和325和陰才及止回 閥330經配置以為燃料電池組205內的所有電池^是供隔離和防止回 流。最后，轉換閥225允許燃料電池組205內的所有電池的陽極和陰 極區(qū)之間的流體相通。參照圖4，在本發(fā)明的一種實施方式中，通過使用隔離閥 320和325密封陽極區(qū)305 (塊405 )開始停才幾4乘作400。然后，停止 氧化劑流到陰極區(qū)310 (塊410),使用開關220接合負載215 (塊 415),停止燃料流(塊420)。接合負載215總的目的是提供完整電 路以將陽極存在的所有/大多數H2 (燃料)和陰極存在的所有/大多數 氧氣消耗掉。當所有或大多數氧化劑在陰極消耗時(塊425的"是" 分支)，打開轉換閥225 (塊430)。如圖所示，轉換閥225保持關 閉直到在陰極存在的所有/大多數02(氧化劑)被消耗(塊425的"否" 分支)。因為陽極區(qū)305通過閥320和325隔離，隨著112的消耗， 陽極區(qū)305內的壓力與陰極區(qū)310 (其為環(huán)境壓力)相比下降，造成 在陽極區(qū)305內形成真空。在實際中，已經發(fā)現保持陽極區(qū)305和陰 極區(qū)310之間的壓力差低于預設值是有利的。當然精確值將取決于燃 泮牛電池組205選擇的組成和結構。使用傳感器(如上所述)監(jiān)控燃料電池組205中的各、大 多數或一些燃料電池(即燃料電池300)的活性(activity)。這些傳 感器可以根據本發(fā)明用于確定電池組的陽極處和其中存在的大多數 H2 (燃料)(或電池組的陰極處或其中存在的大多數氧氣)何時已經 被消耗掉。對于那些監(jiān)控燃料電池電壓的實施方式，當測定的電壓維 持在特定第一閾值以上時(塊435的"否"分支)，負載215保持接 合，并且轉換閥225保持開啟以允許連續(xù)的H2和02消耗。當測定的 電壓降到該特定第一閾值時(塊435的"是"分支)，關閉轉換閥225 (塊440)并使用開關220解除負載215 (塊445 )。在一種實施方式 中，該特定第一閾值為約0~ 200毫伏("mv")——下限經選擇以防止電池電極的碳腐蝕，上限經選擇以確保消耗掉電極的陽極(陰極) 一側處和其中存在的大多數H2(02)。盡管已經提供示例性的下限和 上限，但本領域的普通技術人員將認識到其他現象可能影響任何特定 實施方式中所用的閾值電壓。進一步將認識到使用目前可以得到的材 料，保持燃料電池電壓高于0以使燃料電池電極的碳腐蝕最小化是適 宜的。隨著可以得到不同的材料，這種考慮可能變得較不重要。因此， 可以使燃料電池電壓降低到接近O或甚至為"負數"，然后確定根據
塊445解除負載的時間。在另一種實施方式中，測定和4吏用總電池組電壓來確定何 時終止112/02消耗。在另一種實施方式中，使用電池兩端電壓的降低 速率作為閾值。在另一種實施方式中，監(jiān)控各電池或電池的組合產生 的電流，并用于選擇第一閾值。在另一實施方式中，監(jiān)控電流產生降 低速率。盡管此處僅描述了電壓和電流，但應當認識到實際上根據塊 435的行動(act)可以監(jiān)控和使用燃料電池的任何可測量的操作特征。當根據塊430的行動將轉換閥225開啟時，由于陽極區(qū)的 真空，富N2 (貧02)的空氣從陰極區(qū)310被抽吸到陽極區(qū)305內。 這樣又造成空氣被吸入陰極區(qū)310。為了確保基本上僅富N2氣體被抽 吸到陽極區(qū)305內，已經發(fā)現在遠離陰極區(qū)的空氣入口的位置設置轉 換閥225是有利的。再次參照圖3,將指出氧化劑(空氣)入口位于 陰極區(qū)310的第一側，而轉換閥225和止回閥330位于另一側。在這 樣的設置中，抽吸到陰極區(qū)310中的空氣通過MEA 315的陰極區(qū)一 側。隨著空氣這樣，其中的02將往往被消耗掉，由此為陽極區(qū)305 提供額外的富N2氣體。 —旦根據塊440將轉換閥225關閉，該"有效(active)，， 停機過程完成。然而應當認識到燃料電池組的狀態(tài)可能隨時間改變。 例如，因為陰極區(qū)310是未密封的，因此隨時間空氣將擴散到其中(在 一種實施方式中這花費約5~6小時)。隨著進一步時間的過去(在 一種實施方式中這花費另外約6~ 12小時)，空氣將通過MEA315, 進入陽極區(qū)305。因為陽4及區(qū)305和陰極區(qū)310最初包含富N2氣體(在 塊440的行動之后)，以這樣的速度在這種或類似的時間段上引入空 氣往往不損害MEA315。此外，根據本發(fā)明的停機操作顯著降低了在 燃料電池系統(tǒng)中形成H2/02混合物的可能性。
在不脫離以下權利要求的范圍的情況下，可以對材料、組 件、電路元件以及該示例性的"t乘作方法的細節(jié)進4亍各種改變。例如， 圖2中的示例性系統(tǒng)并不局限于以氫氣為燃料、以空氣為氧化劑的燃 料電池系統(tǒng)。此外，開關220可以是任{可可行的類型(例如電氣機械 或電子的)，陽^l區(qū)305可以以^H可適宜的方式密封，止回閥330可 以以任何有效防止空氣流入轉換閥225與陰極區(qū)310連接附近的區(qū)域 內的方式設置，以及陽極區(qū)305和陰極區(qū)310之間的流體相通可以由 適用于燃料電池系統(tǒng)的閥或其他機構提供。此外，可以使用負載215 以任何適宜的方式消耗電池燃料。例如，負載215可以持續(xù)接合直至 滿足第一閾值?？商娲兀撦d215可以以周期性或循環(huán)方式接合。 負載215可以是固定或可變電阻。如果使用后者，通常在接合負載以 消耗大多數陽極區(qū)燃料的時間期間內將調節(jié)負載的數值。這些方法更 詳纟田J44笛述在名牙爾為 "Shutdown Operations for an Unsealed Cathode
Fuel Cell System"，申請序列號為_的共同所有專利申請
中，由此通過參考將其引入。此外，根據圖4的行動可以通過執(zhí)行編制到一個或多個程 序模塊中的指令的可編程控制裝置(也稱為"控制單元")實行。可 編程控制裝置可以是單一的計算機處理器、特別目的的處理器(例如 數字信號處理器，"DSP")、通過通信鏈路(communications link)或 定制狀態(tài)機(custom designed state machine)連接的多個處理器。定制狀 態(tài)機可以體現于(embodied in)硬件裝置，例如集成電路，包括但不局 限于專用集成電路("ASIC")或現場可編程門陣列("FPGA")。 適用于切實地體現(tangibly embodying)程序指令的存儲裝置包括但不 局限于磁盤(硬盤(fixed)、軟盤和可移動的)和磁帶；光學介質， 例如CD-ROM和數字化視頻光盤("DVD");和半導體存儲裝置， 例如電可編程只讀存儲器("EPROM")、電可擦可編程只讀存儲器 ("EEPROM")、可編程門陣列和閃存(flash)裝置。
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權利要求
1.燃料電池系統(tǒng)停機方法，該燃料電池系統(tǒng)具有包括多個燃料電池的燃料電池組，該燃料電池經設置以形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，該方法包括密封陽極區(qū)；停止氧化劑流動到陰極區(qū)；在燃料電池組兩端接合負載；停止燃料流動到陽極區(qū)；打開陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的流體相通；當燃料電池操作特征滿足第一閾值時，解除負載并關閉陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的流體相通。
2. 權利要求1的方法，其中該燃料包括氣態(tài)氫，氧化劑包括氣態(tài)氧。
3. 權利要求l的方法，其中該負載包括固定電阻。
4. 權利要求1的方法，其中該操作特征包括一個或多個燃料電池 兩端的電壓，第一閾值包括特定的電壓。
5. 權利要求4的方法，其中該特定的電壓包括大于或等于0的電壓。
6. 權利要求4的方法，其中該特定的電壓包括大于或等于0且小 于電壓上限的電壓。
7. 權利要求6的方法，其中該電壓上限約為250毫伏。
8. 程序存儲裝置，其可由可編程控制裝置讀取，包括在其上存儲 的用于使該可編程控制裝置執(zhí)行權利要求1的方法的指令。
9. 燃料電池系統(tǒng)停機操作，該燃料電池系統(tǒng)具有多個燃料電池， 各燃料電池具有陽極區(qū)和陰極區(qū)，包括密封陽極區(qū)以允許在其中形成真空； 停止氣態(tài)空氣流到燃料電池；在多個燃料電池兩端接合電阻負載以消耗陽極區(qū)中大部分H2;停止氣態(tài)氫(H2)流到燃料電池；打開陽4及區(qū)和陰極區(qū)之間的流體通道；監(jiān)控一個或多個燃料電池兩端的電壓；當監(jiān)控的一個或多個燃料電池兩端的電壓滿足第一閾值時，解除電阻負載并關閉陽極區(qū)和陰;f及區(qū)之間的流體通道。
10. 權利要求9的方法，其中該第一閾值包括約0毫伏~ 200毫 伏的電壓。
11. 權利要求9的方法，其中該流體通道包括閥。
12. 燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料源；氧化劑源；電連接并配置以形成陽極區(qū)和陰極區(qū)的多個燃料電池，該陽極區(qū) 具有入口，其與燃料源連接，和出口，陰極區(qū)具有入口，其與氧化劑源連接，和出口；經配置以在該燃料電池兩端可控接合和解除的電負載；與 一個或多個燃料電池連接的燃料電池傳感器；與陽^L區(qū)的入口和出口連"^妾的隔離閥，該隔離閥經配置以可控密 封和不密封該陽極區(qū)；與陰極區(qū)的出口連接的定向流動節(jié)流裝置(directional flow restriction device); 和陽極區(qū)和陰極區(qū)的區(qū)域之間的流體通道，其可以可控打開和控 制，該流體通道與陰極區(qū)在臨近陰極區(qū)出口并離開陰極區(qū)入口的位置 連接。
13. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料源包括氣態(tài)氬源。
14. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該氧化劑源包括氣態(tài)氧源。
15. 權利要求14的燃料電池系統(tǒng)，其中氣態(tài)氧源包括空氣。
16. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該定向流動節(jié)流裝置包括 止回閥。
17. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池傳感器包括用 于檢測燃料電池兩端電壓的傳感器。
18. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該電負載包括固定電阻。
19. 權利要求12的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括具有儲存在其上的 指令的可編程控制裝置，以便使該可編程控制裝置使用該隔離裝置密封陽極區(qū)； 停止氧化劑流動到陰極區(qū)；在燃料電池兩端接合電負載；停止燃料流動到陽極區(qū)；打開陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的流體通道；當燃料電池操作特征滿足第 一 閾值時，解除電負載并關閉陽極區(qū) 和陰極區(qū)之間的流體通道。
20.權利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一閾值包括約0毫 伏~ 250毫伏的電壓值。
全文摘要
本發(fā)明涉及密封的陽極燃料電池系統(tǒng)的停機操作。描述了燃料電池系統(tǒng)的停機過程。在一種實施方式(400)中，停止燃料(H₂)和氧化劑(空氣)的流動，密封系統(tǒng)的陽極區(qū)(305)。然后將負載(215)接合在該系統(tǒng)的燃料電池組(205)兩端，以耗盡該電池組的密封的陽極(305)中許多燃料。監(jiān)控電池組(205)以確定何時應當解除負載(215)。一旦負載解除，確立該系統(tǒng)的陽極和陰極區(qū)之間的流體相通。由于其中H₂消耗而在陽極區(qū)(305)中產生的真空將富氮氣體從陰極區(qū)(310)吸入陽極區(qū)(305)。當已經從陽極區(qū)(305)消耗了基本上所有的H₂時，在陽極和陰極區(qū)之間不存在壓差，切斷兩者之間的流體相通。
文檔編號H01M8/24GK101562259SQ20091013276
公開日2009年10月21日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權日2008年4月16日
發(fā)明者G·M·羅布 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司