用於關停時耗盡氧的燃料電池操作方法

2023-12-03 23:06:26 4

專利名稱：用於關停時耗盡氧的燃料電池操作方法
技術領域：
本發明大體上涉及用於耗盡燃料電池組中的氧的系統和方法，尤其涉及儘可能多地遍及陰極子系統產生大量氧耗盡氣體的系統和方法。
背景技術：
氫是一種非常有吸引力的燃料，這是因為其清潔，並且可用於在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極和陰極以及位於它們之間的電解質。 陽極接收氫氣，而陰極接收氧或空氣。在陽極催化劑處使氫氣分解以產生自由的質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子在陰極催化劑處與氧和電子反應，以產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，因此被引導通過負載，以在被送到陰極之前作功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是流行的用於車輛的燃料電池。PEMFC通常包括諸如全氟磺酸膜之類的固體聚合物電解質質子傳導膜。陽極電極和陰極電極、或催化劑層通常包括支撐在碳顆粒上並與離聚物混合的細碎催化顆粒，通常為鉬(Pt)。催化混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。 各MEA通常夾在兩片多孔材料的氣體擴散層(GDL)之間，所述氣體擴散層保護膜的機械完整性並且還有助於均勻的反應物溼度擴散。MEA的製造相對昂貴，並且為了有效的操作需要特定的條件。通常將多個燃料電池組合成燃料電池組，以產生預期的功率。例如，典型的用於車輛的燃料電池組可具有兩百個或兩百個以上的疊置燃料電池。燃料電池組接收通常為通過壓縮機強制通過電池組的空氣流的陰極輸入氣體。燃料電池組還接收流入電池組的陽極側的陽極氫輸入氣體。不是所有的氧都被電池組消耗，並且有些空氣被作為陰極廢氣輸出，該陰極廢氣可包括作為在電池組中發生的化學反應的副產物的水。燃料電池組包括在電池組內設置在若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和 MEA設置在兩端板之間。雙極板包括用於電池組中相鄰的燃料電池的陽極側和陰極側流量分配器、或流場。在雙極板的陽極側上設置有允許陽極反應氣體流向相應的MEA的陽極氣體流動通道。在雙極板的陰極側上設置有允許陰極反應氣體流向相應的MEA的陰極氣體流動通道。一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由諸如不鏽鋼或導電複合物之類的導電材料製成。端板將由燃料電池產生的電導出電池組。雙極板還包括冷卻流體流過的流動通道。水作為電池組操作的副產物而產生，因此，來自電池組的陰極廢氣通常包括水汽和液態水。本領域已知將水汽轉移(WVT)單元用於俘獲陰極廢氣中的一些水，並且將該水用於潤溼陰極輸入氣流。在諸如膜之類的水轉移元件的一側處的陰極廢氣中的水被水轉移元件所吸附，並且被轉移至水轉移元件的另一側處的陰極空氣流。當關停燃料電池系統時，未反應的氫氣停留在燃料電池組的陽極側。該氫氣能夠擴散通過或穿過膜並與陰極側的氧反應。隨著氫氣擴散至陰極側，電池組陽極側上的總壓力降低，其中有可能將壓力降低至低於環境壓力。該壓差可能將空氣從環境吸入電池組的陽極側。空氣還可能通過擴散從陰極進入陽極。當空氣進入電池組的陽極側時，其產生在陽極側中引起短路的空氣/氫鋒面(fronts)，導致氫離子從陽極側的氫充斥部分到陽極側的空氣充斥部分的橫向流動。與膜的高的橫向離子電阻相結合的該電流產生了穿過膜的顯著的橫向電位降廣0. 5V)。這在和陽極側的充氣部分相對的陰極側與鄰近電解質膜的陰極側之間產生了推動快速碳腐蝕的局部高電位，並使電極碳層變薄。這減少用於催化劑顆粒的支撐，所述情形降低了燃料電池的性能。在機動車輛應用中，在車輛的壽命和燃料電池系統的壽命期間存在大量的起動和停止周期，所述起動和停止周期中的每個周期可如上所述那樣產生空氣/氫鋒面。平均起來，車輛在其有效壽命期間可經歷40，000個起動/停止周期。起動和停止周期由於可由空氣/氫鋒面所產生的電位而對燃料電池系統有破壞性，並且最佳體現的損傷減輕仍導致每次起動和停止周期大約2至5 μ V的退化。因此，在40，000個起動和停止周期的事件期間的總退化可超過100 mV。然而，在燃料電池系統關停的同時通過不允許空氣進入燃料電池組，可減小或防止在後續重新起動期間的損傷。本領域中已知在系統關停時，通過以高壓強制空氣從壓縮機進入陽極側來從燃料電池組的陽極側清洗出氫氣。然而，空氣清洗產生上述空氣/氫鋒面，這至少引起碳支撐結構的一些腐蝕。如在2006年8月10日提交的美國序列號為11/463，622的共同擁有的美國正式專 ^lJ Φ it "Method for Mitigating Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via Cathode Re-Circulation Combined with Electrical Shorting of Stack，，中所描述的， 本領域中的另一已知方法是提供陰極再循環，以減輕在系統關停時的陰極腐蝕，在此將該美國正式專利申請以引用的方式併入。尤其地，已知在系統關停時泵送空氣與少量氫的混合物通過電池組的陰極側，使得氫與氧在陰極側結合，以減少氧的量，並因此降低引起碳腐蝕的電位。如在2006年12月18日提交的美國序列號為11/612，120的共同擁有的美國正式專禾[!串i青"Method of Mitigating Fuel Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via hydrogen/Nitrogen Storage"中所描述的，還已知在停止時維持正的陽極側氫壓力的同時停止陰極空氣流，然後向電池組施加負載以允許由氫消耗氧，繼之以關閉陽極側和陰極側的入口閥和出口閥，在此將該美國正式專利申請以引用的方式併入。儘管已表明這些技術有助於減輕對碳支撐件的腐蝕，但這些技術不可能去除所有的氧，尤其是從超出電池組以外的體積，或者增加了陰極再循環系統的複雜性。因此，在本領域中存在對於一種改善或簡化的方式的需求，以防止在燃料電池系統的啟動時存在富氧空氣。

發明內容
根據本發明的教導，公開了一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法。 該方法包括在燃料電池系統關停時以期望的陰極化學計量比來操作燃料電池組，以便用氧耗盡氣體來置換陰極廢氣。該方法還包括關閉陰極流量閥和關掉壓縮機，以停止陰極空氣的流動。本發明還包括以下方案
方案1. 一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括確定所述燃料電池系統已被關停； 設定陰極空氣流；
施加負載，以消耗由燃料電池組產生的功率；
通過調節電池組電流或所述負載以將電池組電壓用作陰極化學計量比的表示從而來提供期望的陰極化學計量比，以便使得從所述燃料電池組內的陰極空氣中耗盡氧；
以所述期望的電壓和所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統，以便至少在所述燃料電池組的陰極側中和在所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體；以及關閉陰極排氣閥並關掉所述壓縮機。方案2.根據方案1所述的方法，其中，以所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統包括操作所述燃料電池組降至大約為1的陰極化學計量比，以便在所述燃料電池組和所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體。方案3.根據方案1所述的方法，進一步包括測量所述電池組中的陰極流，以便在以所述期望的陰極化學計量比操作所述燃料電池系統的同時計算所產生的氧耗盡氣體的量。方案4.根據方案1所述的方法，其中，獲得所述期望的陰極化學計量比包括確定所述陰極排氣中氧的濃度。方案5.根據方案1所述的方法，進一步包括向陰極空氣流中添加氫，以便控制所述陰極化學計量比。方案6.根據方案1所述的方法，其中，在所述電池組的陰極側中和在所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體進一步包括將所述氧耗盡氣體饋送至所述電池組的陽極側。方案7.根據方案1所述的方法，進一步包括提供較高解析度的次級控制器以固定所述電池組負載。方案8. —種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括 確定所述燃料電池系統能被關停；
冷卻燃料電池組；
調節陰極排氣閥和壓縮機以提高所述燃料電池組的陰極側上的壓力並施加關停負載， 以獲得期望的電壓和期望的陰極化學計量比；
以所述期望的電壓和所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統，以便在所述燃料電池系統的陰極側、水汽轉移單元和水汽轉移單元旁通管線中產生大量的氧耗盡氣體；
關閉所述陰極排氣閥和水汽轉移單元旁通閥並關掉所述壓縮機；以及當所述陰極側上的氧耗盡氣體的壓力大致下降到環境壓力時，關閉陰極入口閥。方案9.根據方案8所述的方法，進一步包括將在所述陰極側中產生的氧耗盡氣體饋送至所述燃料電池組的陽極側。方案10.根據方案8所述的方法，其中，所述期望的陰極化學計量比大致為1。方案11.根據方案8所述的方法，進一步包括在以所述期望的電壓操作所述燃料電池系統的同時計算所產生的氧耗盡氣體的量。方案12.根據方案8所述的方法，進一步包括在所述電池組冷卻之後添加氫，以使所述燃料電池組中可用的氫達到最大值。
方案13. —種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括 在燃料電池系統關停時以大致為1的陰極化學計量比來操作燃料電池組，以便用氧耗
盡氣體置換陰極廢氣；以及
關閉陰極流量閥和關掉壓縮機，以停止所述陰極空氣流。方案14.根據方案13所述的方法，其中，通過調節負載和將陰極空氣流維持在固定流量來獲得所述大致為1的陰極化學計量比。方案15.根據方案14所述的方法，其中，所述初始負載較高，以消耗吸附的氧。方案16.根據方案13所述的方法，其中，通過調節陰極空氣流和維持固定負載來獲得所述大致為1的陰極化學計量比。方案17.根據方案16所述的方法，其中，通過調節陰極背壓閥來調節所述陰極空氣流。方案18.根據方案16所述的方法，其中，通過調節流入陰極輸入管線的氫的量來調節淨氧基礎上的陰極空氣流。方案19.根據方案16所述的方法，其中，通過調節所述壓縮機的速度來調節所述陰極空氣流。方案20.根據方案13所述的方法，其中，將燃料電池組電壓、一個或多個燃料電池的電壓、或電池組電流傳感器用作反饋，以控制陰極化學計量比。方案21.根據方案13所述的方法，其中，將陰極氣體濃度或者陰極流量計用作反饋，以控制陰極化學計量比。方案22.根據方案13所述的方法，進一步包括以升高的壓力來置換所述陰極廢氣中的氧並在用氧耗盡氣體置換所述陰極廢氣完成時關閉背壓閥。方案23.根據方案13所述的方法，進一步包括在所述陰極廢氣中的氧的置換之後將氫注入到所述陰極排氣中，以便使所述氧耗盡氣體回流到所述燃料電池組和上遊容積中。方案24.根據方案13所述的方法，進一步包括在用氧耗盡氣體置換陰極排氣和關掉所述壓縮機之後關閉陰極入口閥。方案25.根據方案13所述的方法，進一步包括在用氧耗盡氣體置換所述陰極廢氣的同時將氫弓I到所述燃料電池組的陰極側。方案26.根據方案13所述的方法，進一步包括在用氧耗盡氣體置換所述陰極廢氣之後將氫注入到所述燃料電池組的陽極側或陰極側中，以阻止氧進入所述電池組。方案27.根據方案13所述的方法，進一步包括在用氧耗盡氣體置換陰極廢氣之後關閉陰極入口閥和陰極出口閥，以阻止氧進入所述電池組。方案28.根據方案13所述的方法，進一步包括在關閉所述陰極流量閥和關掉所述壓縮機之後施加短暫的負載，以便消耗殘留在所述燃料電池組中的所有氧。方案29.根據方案13所述的方法，進一步包括用氧耗盡氣體衝洗所述燃料電池組的陽極側。方案30.根據方案13所述的方法，進一步包括在關掉所述壓縮機之前冷卻所述燃料電池組，以限制氣體收縮和水汽冷凝。結合附圖，本發明另外的特徵將從以下的說明和所附權利要求變得顯而易見。


圖1是燃料電池系統的示意性框圖；以及
圖2是圖示出非限制性實施例的流程圖，其示出了在燃料電池系統關停時的氧耗盡程序。
具體實施例方式以下涉及用於耗盡燃料電池組中的氧的系統和方法的本發明的實施例的討論本質上僅是示例性的，並且絕不意圖用於限制本發明、或本發明的應用或使用。圖1是包括了具有陽極側和陰極側的燃料電池組12的燃料電池系統10的示意性框圖。注入器20將氫從陽極輸入管線16上的氫源14注入燃料電池組12。注入器20可以是適於在此描述的用途的任何注入器(injector)、注入器/噴射器、或成排的注入器。如以下將更詳細地描述的那樣，在電池組12的陽極側上設置有陽極清洗閥22，以便用新鮮的氫清洗陽極，並接收氧耗盡氣體。在替代的實施例中，可將閉塞閥或固定式再循環泵用於限制再循環路徑。在該實施例中，燃料電池系統10採用陽極再循環，其中陽極再循環氣體從電池組 12輸出，並由陽極再循環管線M通過注入器20再循環回到陽極輸入處，以減少從電池組 12排出的氫氣的量。由設置在陽極再循環管線M中的水分離裝置56從再循環的陽極氣體中去除水。水分離裝置56以本領域的技術人員能夠很好地理解的方式來收集和保存水。 在陽極廢氣管線18中設置有放洩/排放閥對，並且基於本領域的技術人員能夠很好地理解的調度安排而周期地打開該放洩/排放閥24，以從水分離裝置56內的保存槽排放水，並且還周期地打開該放洩/排放閥24，以從電池組12的陽極側去除氮。在替代的實施例中，在不偏離本發明的範圍的情況下可使用分開的放洩閥和排放閥。壓縮機30在陰極輸入管線32上通過潤溼陰極輸入空氣的水汽轉移(WVT)單元34 向燃料電池組12的陰極側提供空氣流。陰極廢氣管線40將陰極排氣引導至WVT單元34， 以提供潤溼陰極輸入空氣的水分。在WVT單元34周圍設置有旁通管線36，並且在旁通管線 36中設置有旁通閥38，控制該旁通閥38以有選擇地使陰極輸入空氣改向通過WVT單元34 或繞過該WVT單元34，以向陰極輸入空氣提供期望量的水分。替代性地，儘管在該實施例中未示出，但陰極旁通管線36可在陰極排氣管線40上設置在WVT單元34周圍。陰極旁通管線46設置成連接陰極輸入管線32和陰極排氣管線40，以允許來自壓縮機30的空氣旁通過電池組12。如以下更詳細地描述的那樣，陰極旁通閥48設置成有選擇地控制通過陰極旁通管線46的空氣流的量。替代性地，如以下更詳細地描述的那樣，可利用壓縮機再循環路徑和閥，以便將空氣流從壓縮機出口再循環回到壓縮機入口，從而允許在陰極輸入管線32中去除氧。連接器管線觀設置成連接陽極輸入管線16和陰極輸入管線32，以通過有選擇地控制到陰極閥58的氫來向電池組12的陰極側提供氫。如以下更詳細地討論那樣，陽極清洗管線44設置成將陰極輸入管線32連接至陽極清洗閥22，以提供用於填充電池組12的陽極側的氧耗盡氣體的路徑。如以下更詳細地討論的那樣，在陰極輸入管線32上設置有陰極輸入閥26，以控制空氣到電池組12中的流動，並在陰極廢氣管線40中設置有陰極背壓閥42，以有選擇地控制陰極排氣的流動，增加電池組12的陰極側中的壓力，並在燃料電池系統的停止時間期間提供擴散限制。如以下更詳細地討論的那樣，將可變的關停負載50電耦聯至燃料電池組12，以通過提供跨接電池組12的負載和使電壓達到預定電平來消耗氧。控制器52能夠控制注入器 20、陽極清洗閥22、放洩/排放閥24、壓縮機30、陰極輸入閥26、陰極背壓閥42、陰極旁通閥 48和旁通閥38。如以下更詳細地討論的那樣，控制器52還能夠計算或估計陰極化學計量比和穿過陰極廢氣管線40的氧耗盡氣體的量。如上所述，在本領域中存在用於在關停時去除燃料電池組內的氧的需求，以防止空氣/氫鋒面在系統停止和起動周期期間的出現。圖2是流程圖60，其示出了為了防止空氣/氫鋒面在燃料電池組12內的出現，用於在燃料電池系統10的關停時耗盡陰極側中的氧的方法。該方法在方框62處在控制器52確定已經要求燃料電池系統10關停後開始。在一個非限制性實施例中，當已經關停車輛或作為車輛的一部分的燃料電池系統10時，控制器52可確定已要求停止。然而，本領域的技術人員將容易認識到的是，各種觸發器都可表示已要求燃料電池系統10關停。在燃料電池系統10關停時，在方框64處，操作燃料電池組12降至低的陰極化學計量比，並可任選地提高陰極側上的壓力，以便在電池組12和陰極排氣管線40內產生大量的氧耗盡氣體。如以下更詳細地討論的那樣，電池組電壓是陰極化學計量比的函數，因此， 如以下更詳細地討論的那樣，可通過調節電池組12的可變的關停負載50的值和/或通過以調節陰極背壓閥42、陰極旁通閥48和壓縮機30的方式來調節陰極流來獲得低的陰極化學計量比。由於在低的陰極化學計量比期間，空氣或氧的實際流率與氧通過燃料電池組12 的消耗以產生預期電流的速率相同，所以當陰極化學計量比為低時(例如，大約為1的陰極化學計量關係時)氧被耗盡。可通過監控整個電池組電壓並調節負載50或陰極流以獲得與低的陰極化學計量比相關的預定電池組電壓來確定最佳陰極化學計量比。獲得低的陰極化學計量比的期望電池組電壓將取決於所使用的燃料電池系統(尤其是電池組中的電池數量)而改變。在一個非限制性實施例中，如以下更詳細地討論的那樣，當通過設定壓縮機30 的速度並且調節電池組12的可變的關停負載50的值和/或通過調節陰極背壓閥42來固定空氣流率時，大約50V便提供了期望的低陰極化學計量比。為了產生大量氧耗盡氣體，如以下更詳細地描述的那樣，在方框64處，以低的陰極化學計量比操作燃料電池組12，並可任選地提高陰極側上的壓力。如在此所描述的那樣， 遍及該方法，相對於電池組12的陰極側中的壓力，通常將電池組的陽極反應物側的壓力維持為高。如對本領域的技術人員顯而易見地，實現所述情形以便確保當打開放洩閥24時， 空氣不流入陽極。可緩慢降低陰極化學計量比，以避免燃料電池組12需要的氧比所供應的氧多的情形，即低於化學計量比的狀況。不應在低於化學計量比的狀況下來操作陰極化學計量比， 這是因為會將過量的氫泵入燃料電池組12的陰極側中。更特別地，將過量的氫泵入燃料電池組12的由於空氣流分布不均而具有低於1的陰極化學計量比的單獨的燃料電池，意味著將較少的空氣被泵入電池組12的某些燃料電池中。當向電池組12中的某些電池未提供足夠的空氣流時，存在低於化學計量比的狀況，並且由電池組電流驅動的質子和電子將沒有用於反應以在該電池中形成產物水的足夠的氧，因此將重新結合成通過陰極廢氣管線40 離開的氫氣(上述氫泵)。存在於陰極排氣40中的過量的氫可導致超過氫排放約束。另外， 在方框64處，在操作燃料電池組12降至低的陰極化學計量比的開始時的初始關停負載50 可高於平均值，以便更快速地排出燃料電池組12內吸附的氫和氧，從而縮短氧耗盡過程的持續時間。可由控制器52使用燃料電池組12中的燃料電池的測得的或估計的電壓或者測得的或估計的氫排放，以在方框64處操作電池組12降至低的陰極化學計量比的同時估計陰極化學計量比。由於在幾乎所有的燃料電池系統中可得到必要的部件，所以測量電池組12 的電壓通常是優選的。由於電池組電壓表示電池組12的平均陰極化學計量比，所以可通過將電池組12中的燃料電池的測得的或估計的電壓用作到控制器52的反饋來實現以低的陰極化學計量比操作燃料電池組12。空氣流量計在低的空氣流量時可能不提供足夠的解析度，因此在系統中可能不可將空氣流量計用於在以低的流密度操作電池組12降至低的陰極化學計量比的同時微調陰極化學計量比。來自流量計的空氣流信號可能具有振蕩，因此，該模式下，利用固定的壓縮機和閥命令信號在運轉閉環空氣流控制設定點上可能是優選的。如上所述，可通過改變空氣流、電池組負載、或它們的組合來調節陰極化學計量比。當利用固定的關停負載50並通過調節陰極輸入閥沈、和/或陰極背壓閥42、陰極旁通閥48、以及壓縮機30的速度來調節空氣流時，可在固定陰極輸入閥沈和/或陰極背壓閥 42、陰極旁通閥48的位置和壓縮機30的速度之前利用流量計來調節來自壓縮機30的空氣流。例如，可提高壓縮機30的速度，並且可稍微關閉陰極背壓閥42，以提高電池組12的陰極側上的壓力。提高的陰極側壓力可任選地用於在關停壓縮機之後允許氧耗盡氣體進入陰極的上遊部分的回流。如對於本領域的技術人員所容易顯而易見的那樣，利用具體到關停過程的陽極壓力策略還有助於在停止時間期間使在陰極產生的氫的量最優化。另外，在關停過程期間，可控制燃料電池組12的陽極側中的氮含量，以使氫分壓最優化。在方框64處，通過利用控制器52、可變的關停負載50來監控電池組12中的燃料電池的電壓並調節陰極背壓閥42來降低陰極化學計量比，以便獲得與諸如1的陰極化學計量比那樣的低陰極化學計量比相關的電壓。如果陰極化學計量比降低至低於1，則由於如上所述，電池組電壓是燃料電池組12的總化學計量比的表示，所以將觀察到電池組12中的燃料電池的電壓的明顯降低。單獨的電池可提供有關多少電池以超過化學計量比或低於化學計量比的狀態進行操作的信息，並且控制器52可通過調節陰極背壓閥42並相應地將陰極化學計量比提高至1來限制以低於化學計量比的狀態操作的電池的數量，從而控制氫泵 (hydrogen pumping)的可能性。另外，控制器52可通過調節陰極背壓閥42來控制過量的氧剩餘並相應地將陰極化學計量比降低至1來限制以超過化學計量比的狀態操作的電池的數量，從而控制過量的氧剩餘。當利用關停負載50時，可將較高解析度的次級控制器用於微調關停負載50，以獲得1的陰極化學計量比。替代性地並如上所述，還可將陰極排氣管線40中的氫傳感器用於確定從燃料電池系統排放的氫的水平，並可由控制器調節陰極背壓閥42，以獲得也可表示陰極化學計量比的期望的氫排放水平。由於不可能精確地計算低的陰極化學計量比，所以當電池組電壓朝諸如200 V的預定值降低時，可假定為1的電池組陰極化學計量比。在不偏離本發明的範圍的情況下，可將其他的電池組電壓用作預定值。在另一非限制性實施例中，可通過對連接器管線觀上的陰極閥58開放氫來向陰極輸入空氣中添加低的氫流，從而通過消耗少量的氧來精細地控制燃料電池組12的陰極化學計量比。如果很好地混合，則還可將陰極的氫的添加用於在陰極排氣中獲得較低的氧濃度水平，從而通過減小電池之間的陰極流中的氧濃度的變化來限制燃料電池組12中的電池之間的氧含量的變化。在此描述的關停程序期間不使用驅動負載。因此，在氧耗盡過程期間可將包括壓縮機30和冷卻劑泵、加熱器、以及蓄電池(battery)充電在內的輔助負載用於提供關停負載50。例如，電池組12可設置有關停負載50，其包括具有基端電池加熱器的變化的冷卻劑加熱器負載和冷卻劑泵負載。由於在方框64處的耗盡步驟期間，燃料電池組12的電壓較低，所以電壓可能不足以向諸如壓縮機30之類的高電壓部件提供動力。因此，燃料電池組12可能需要維持在適於壓縮機操作的較高電壓，或者壓縮機30可供應以來自蓄電池的電壓。由於燃料電池系統 10的啟動通常需要蓄電池的操作能力，所以來自蓄電池的功率供應通常可用。另外，如對本領域的技術人員容易顯而易見地，可使用諸如升壓變換器之類的電體系結構，因此在該關停程序期間燃料電池組12的低電壓可以不阻止高電壓部件的操作。通過控制電池組平均化學計量比降至不允許過量的氫泵入陰極的低的陰極化學計量比，在陰極側無過量的氫的情況下產生氧耗盡的空氣混合物。如上所述，期望在方框64 處將陰極化學計量比降低至大約為1，並且可以通過調節陰極背壓閥42和電池組負載50、 並維持壓縮機30的速度恆定的方式，通過來自電池組12中的燃料電池的測得電壓的電壓反饋來實現所述將陰極化學計量比降低至大約為1。例如，可通過改變電壓設定點和用於控制器52的增益來修改電池組電壓限制控制，其中控制器52基於電壓設定點與實際電池組電壓反饋之間的誤差進行電流限制。一旦獲得期望的陰極化學計量比，則在方框66處置換陰極側中的氧。如上所述， 由於空氣或氧的實際流率與通過燃料電池組12的氧或空氣的消耗的速率大致相同，所以當陰極化學計量比大致為1時氧被耗盡。通過在壓縮機30操作的情況下耗盡電池組12的陰極側中的氧，在電池組中產生氧耗盡氣體，並且所述氧耗盡氣體從電池組12流出並流入陰極排氣管線40。儘管在圖1的實施例中由於旁通管線36設置在陰極輸入管線22中而未示出，但是通過該方法產生了足夠的氧耗盡氣體，以置換包括諸如將陰極廢氣(或排氣)引導至WVT單元34的WVT單元旁通管道裝置之類的任何旁通管道裝置的陰極出口容積。置換陰極排氣管線40中的氧所需的時間量將取決於所使用的燃料電池系統10而改變，並且大致是由陰極出口容積除以陰極體積流率。所需的時間量的非限制性示例為幾秒。在方框66處氧耗盡氣體的產生結束時，在方框68處關閉陰極背壓閥42。關閉陰極背壓閥42減少了流過電池組12的陰極側的空氣的量。在該步驟中可打開系統10中諸如陰極旁通管線46中的陰極旁通閥48之類的所有陰極旁通閥，以防止否則可能在關閉背壓閥之後並在停止壓縮機之前的時間段期間出現的壓縮機操作中的喘振或壓力中的增大。 如對本領域的技術人員容易顯而易見地，如果壓縮機30為正排量壓縮機，則通過卸壓閥將能夠減輕壓力的累積。在方框68處還關停壓縮機30，並且由於在壓縮機關掉時出現的陰極空氣流量的下降，所以氧耗盡氣體將擴展到陰極輸入管線32中，並將置換其中的包含氧的空氣。在該階段期間還斷開了電池組主接觸器，以隔離電池組的高壓側。如果在燃料電池系統10中設置有WVT單元34和旁通管線36，則氧耗盡氣體可通過關閉旁通閥38而擴展(或膨脹)通過WVT單元34 ；以及通過部分地打開旁通管線閥38而擴展通過陰極輸入管線32和旁通管線36 ；或者通過在壓縮機30關停時初始地保持旁通閥 38關閉、然後打開旁通閥38而擴展通過WVT單元34、然後通過旁通管線36。另外，在氧耗盡氣體的回流已充分擴展到陰極輸入管線32中之後關閉陰極入口閥26，並且在方框70處一旦陰極側壓力等於或接近環境，就實現關閉陰極入口閥26。由於壓縮機30旋轉降低所引起的所有剩餘空氣流都可通過打開陰極旁通閥48或通過再循環流過壓縮機30來利用陰極旁通管線46旁通繞過電池組12。可通過施加關停負載50來消耗燃料電池組12的陰極側內的所有剩餘氧。替代性地，在燃料電池組12的陰極側中可留有少量氧，以消耗當洩漏電阻器接合或跨接在陰極側上時可氫泵的氫，從而確保陰極排氣中的氫的量不會超過氫排放約束。另外，在關停時的陽極壓力可用於確保陰極排氣中的氫的量不會超過氫排放約束。為了限制在關停之後由氣體收縮和水汽冷凝引起的吸入電池組12的空氣的量， 在方框64處可在氧耗盡步驟之前或期間冷卻電池組12。在沒有繼之以氧耗盡氣體的回流的加壓耗盡的情況下，可通過關閉陰極入口閥26和冷卻電池組12將氧耗盡氣體吸回到上遊體積中，以便由於氣體收縮和水汽冷凝而將氧耗盡氣體從排氣吸入燃料電池組12。此外， 在燃料電池組12冷卻之後可提供最終的氫的添加，以使可用的氫達到最大值。為了獲得可靠的低溫起動，可包括使電池組12乾燥以清除電池組12內過量的水並繼之以簡易的水合步驟的方法，以便在燃料電池系統重新起動時改善膜的傳導性。然而， 由於燃料電池組12在大致為1的陰極化學計量比時的操作通常為溼式操作(即高的相對溼度的操作)，所以陰極耗盡步驟可容許確保可靠的低溫啟動所需的再水合步驟。替代性地， 可控制WVT單元34，以獲得期望的相對溼度，從而在產生氧耗盡氣體所需的時間範圍中提供足夠的再水合。關停時在燃料電池組12中留有太多的氫可導致關於在燃料電池系統10的重新起動時過量的氫排放的問題。因此，可用根據上述方法以高壓用已經產生的氧耗盡氣體衝洗燃料電池組12的陽極側。例如，通過打開陽極清洗輸入管線44中的陽極清洗閥22、關閉到陽極輸入管線16中的氫流動和打開放洩/排放閥24來形成流動路徑，以允許氧耗盡氣體沿陰極入口管線32流過陽極清洗輸入管線44，並通過陽極清洗閥22流入燃料電池組12 的陽極側。另外，在用氧耗盡氣體衝洗陽極側時可關閉陰極入口閥26，以防止高壓氣體通過陰極輸入管線32散逸。如果提供了陽極再周轉(recycle)，則需要再周轉閉塞閥或再周轉泵(未示出)，以代替通過陽極再周轉管道裝置旁通而強制氧耗盡氣體通過電池組12。該再周轉閉塞閥或泵設置在電池組12的陽極入口與陽極廢氣管線18之間的陽極再循環管線 54中，並且優選地設置在注入器20 (通常為噴射泵驅動的再循環裝置)與水分離裝置56之間。一旦陽極側已充滿氧耗盡氣體，則可打開陰極入口閥26，以釋放所有剩餘壓力，並置換陰極入口閥26上遊的陰極入口管線32中的空氣。陽極清洗輸入管線44還可利用用於重新起動的陽極清洗閥22來提供陽極清洗， 以去除電池組12的陽極側中的氧耗盡氣體。另外，在低溫起動期間還可將連接器管線28 用於將氫供應至陰極側。與用於背壓閥42的閥相比較，可將質量更好的閥用於陰極入口閥26，以在存在較大量的氧耗盡氣體的情況下鼓勵優先在陰極排氣管線40上的洩漏。
前述討論僅公開和描述了本發明的示例性實施例。本領域的技術人員從這樣的討論並從附圖和權利要求中容易認識到的是，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，可在其中作出各種變化、變型和變體。
權利要求
1.一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括 確定所述燃料電池系統已被關停；設定陰極空氣流；施加負載，以消耗由燃料電池組產生的功率；通過調節電池組電流或所述負載以將電池組電壓用作陰極化學計量比的表示從而來提供期望的陰極化學計量比，以便使得從所述燃料電池組內的陰極空氣中耗盡氧；以所述期望的電壓和所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統，以便至少在所述燃料電池組的陰極側中和在所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體；以及關閉陰極排氣閥並關掉所述壓縮機。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，以所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統包括操作所述燃料電池組降至大約為1的陰極化學計量比，以便在所述燃料電池組和所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括測量所述電池組中的陰極流，以便在以所述期望的陰極化學計量比操作所述燃料電池系統的同時計算所產生的氧耗盡氣體的量。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，獲得所述期望的陰極化學計量比包括確定所述陰極排氣中氧的濃度。
5.根據權利要求1所述的方法，進一步包括向陰極空氣流中添加氫，以便控制所述陰極化學計量比。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述電池組的陰極側中和在所述陰極排氣中產生大量的氧耗盡氣體進一步包括將所述氧耗盡氣體饋送至所述電池組的陽極側。
7.根據權利要求1所述的方法，進一步包括提供較高解析度的次級控制器以固定所述電池組負載。
8.一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括 確定所述燃料電池系統能被關停；冷卻燃料電池組；調節陰極排氣閥和壓縮機以提高所述燃料電池組的陰極側上的壓力並施加關停負載， 以獲得期望的電壓和期望的陰極化學計量比；以所述期望的電壓和所述期望的陰極化學計量比來操作所述燃料電池系統，以便在所述燃料電池系統的陰極側、水汽轉移單元和水汽轉移單元旁通管線中產生大量的氧耗盡氣體；關閉所述陰極排氣閥和水汽轉移單元旁通閥並關掉所述壓縮機；以及當所述陰極側上的氧耗盡氣體的壓力大致下降到環境壓力時，關閉陰極入口閥。
9.根據權利要求8所述的方法，進一步包括將在所述陰極側中產生的氧耗盡氣體饋送至所述燃料電池組的陽極側。
10.一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，所述方法包括在燃料電池系統關停時以大致為1的陰極化學計量比來操作燃料電池組，以便用氧耗盡氣體置換陰極廢氣；以及關閉陰極流量閥和關掉壓縮機，以停止所述陰極空氣流。
全文摘要
本發明涉及用於停止關停時的氧耗盡的燃料電池操作方法。具體地，提供了一種用於在燃料電池系統中產生氧耗盡氣體的方法，包括在燃料電池系統關停時以期望的陰極化學計量比來操作燃料電池組，以用氧耗盡氣體來置換陰極廢氣。該方法還包括關閉陰極流量閥和關掉壓縮機，以停止陰極空氣流。
文檔編號H01M8/04GK102270766SQ20101058275
公開日2011年12月7日 申請日期2010年12月10日 優先權日2009年12月11日
發明者A.B.阿爾普, B.拉克什馬南, G.M.羅布, J.N.洛夫裡亞, S.G.格貝爾, T.W.蒂赫 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司