避免因慢速氢/空气入侵率而引起碳蚀的关闭策略

摘要

本发明涉及避免因慢速氢/空气入侵率而引起碳蚀的停止策略。提供一种燃料电池系统，其包括：具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极供应歧管，该阳极供应歧管在氢源与所述阳极之间提供流体连通；与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极排出歧管；以及与所述燃料电池的所述阳极流体连通的风扇，其中该风扇控制在所述燃料电池系统关闭之后通过所述燃料电池阳极的流体流动。

说明书

技术领域

本发明涉及氢燃料电池。更具体地，本发明涉及燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法。

背景技术

燃料电池已经作为一种清洁、有效且环保的能源而被建议用于电动车辆和各种其他应用。具体地说，燃料电池已经被认为是现代车辆所用的传统内燃机的有潜力的替代品。

典型的燃料电池公知为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本构件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细分的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间，从而形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在多孔扩散介质(DM)之间，该多孔扩散介质利于传输气态反应物以用于电化学燃料电池反应，所述气态反应物通常为源于空气的氢和氧。单独的燃料电池能连续地堆叠在一起以形成燃料电池组。燃料电池组能产生足以为车辆供能的电量。

在非操作期间，一定量的空气累积在燃料电池组的阳极。当启动燃料电池组时，氢被供应给阳极。氢与空气接触从而形成通过阳极上方的“氢-空气前锋”。该氢-空气前锋公知会降低燃料电池性能。具体地说，当阳极上的氢和空气两者都存在时，会导致看见氢的阳极一部分与看见空气的阳极一部分之间的局部短路。该局部短路导致电流逆流从而增大阴极界面势能，导致燃料电池碳基底和催化剂载体的快速腐蚀。已经发现碳蚀速率与氢-空气前锋存在的时间和氢-空气前锋处的局部电压大小成比例。

为了避免损坏燃料电池系统，可利用氢-氢关闭策略来关闭燃料电池系统，其中在关闭过程完成之后氢存在于两个电极(阳极和阴极)。如果在空气泄漏进阴极之前重启该燃料电池系统，则不会发生损坏性的碳蚀。但是，如果在空气泄漏进阴极的同时仍然存在氢，在阳极上会形成停滞的氢-空气前锋，这将致使阴极电极发生碳蚀。

另外，当阳极室充满停滞气体(氢、空气、某种组合形式的水蒸气)时可能发生冻结事件。随着温度下降，停滞气体开始在整个阳极室冷凝。令人遗憾的是，所述气体会在阀门和其他重要的移动部件上冷凝，并且然后冻结。冻结的冷凝物会导致阀门(或其他重要部件)在启动过程中不起作用，从而在启动时增大对电池的损坏和/或导致失效的冻结启动。

希望提供一种燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法，其中该系统和方法在不牺牲氢-氢关闭策略的同时将燃料电池系统的耐用性最大化。

发明内容

根据本发明，已经令人惊讶地发现了一种燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法，其中该系统和方法在不牺牲氢-氢关闭策略的同时将燃料电池系统的耐用性最大化。

在一个实施方式中，燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管，该阳极供应歧管在氢源与阳极之间提供流体连通；与燃料电池的阳极流体连通的阳极排出歧管；以及与燃料电池的阳极流体连通的风扇，其中该风扇控制在燃料电池系统关闭之后通过燃料电池阳极的流体流动。

本发明还提供用于使燃料电池系统中的碳蚀最小化的方法。

一种方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中阳极供应歧管具有设置于其中的流体并与氢气源流体连通；执行关闭程序，其中在完成关闭程序之后氢气存在于阳极和阴极；以及在完成关闭程序之后产生经过燃料电池组的阳极的流动。

另一方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中阳极供应歧管具有设置于其中的流体并与氢气源流体连通；执行关闭程序，其中在关闭之后氢气存在于阳极和阴极；以及提供与燃料电池的阳极流体连通的风扇，以在关闭之后产生经过阳极的流动。

附图说明

本领域技术人员通过下面关于优选实施方式的详细说明并结合附图将容易明白本发明的上述以及其他优点，图中：

图1是现有技术已知的PEM燃料电池组的展开立体示意图；

图2是氢-氢关闭程序刚结束之后的燃料电池系统的横截面示意图；

图3是图2的燃料电池系统的横截面示意图，示出了氢浓度随着空气泄露进燃料电池系统中而下降；以及

图4是图2的燃料电池系统在空气已经填充了燃料电池系统阳极侧之后的横截面示意图。

具体实施方式

下面的详细说明和附图描述并示出了本发明的不同实施方式。该说明和附图的目的在于使本领域技术人员能够制造并利用本发明，而并不在于以任何方式限制本发明的范围。就所公开的方法而言，示出的步骤在本质上为示例性的，因此步骤的顺序并不是必须的或关键的。

为了简单起见，图1中仅示出和描述了双电池组(即，一个双极板)，应理解典型的燃料电池组具有更多的这种电池和双极板。

图1示出了根据现有技术的PEM燃料电池组10。燃料电池组10包括通过导电双极板16而分开的一对膜电极组件(MEA)12，14。MEA12，14和双极板16堆叠在一对夹紧板18，20和一对单极端板22，24之间。夹紧板18，20通过垫圈或介质膜(未示出)而与端板22，24电绝缘。每个单极端板22，24的工作面26，28以及双极板16的工作面30，32包括多个沟槽或通道34，36，38，40，这些沟槽或通道适于促进诸如氢气的燃料和诸如氧气的氧化剂流动通过。不传导的垫圈42，44，46，48在燃料电池组10的部件之间提供密封和电绝缘。气体可渗透的扩散介质50，52，54，56，诸如碳或石墨扩散纸，大体上邻接MEA12，14的阳极面和阴极面中的每一个。端板22，24设置成分别邻近扩散介质50，56。双极板16设置成邻近MEA12阳极面上的扩散介质52。双极板16还设置成邻近MEA14阴极面上的扩散介质54。

燃料电池组10还包括阴极供应歧管58和阴极排出歧管60，冷却剂供应歧管62，冷却剂排出歧管64，阳极供应歧管66和阳极排出歧管68。通过使形成于双极板16中的相邻孔、形成于垫圈42，44，46，48中的孔，和形成于端板22，24中的孔对齐来形成供应歧管58，62，66和排出歧管60，64，68。氢气经由阳极入口管道70通过阳极供应歧管66被供应至燃料电池组10。氧化剂气体经由阴极入口管道72通过燃料电池组10的阴极供应歧管58被供应至燃料电池组10。设置分别用于阳极排出歧管68和阴极排出歧管60的阳极出口管道74和阴极出口管道76。冷却剂入口管道78和冷却剂出口管道80与冷却剂供应歧管62和冷却剂排出歧管64流体连通，以提供通过其的液态冷却剂流动。应理解，图1中示出的各个入口70，72，78和出口74，76，80的结构是用于说明的目的，可根据需要选择其他结构。

图2，图3和图4示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统100的阳极侧。燃料电池系统100包括具有多个燃料电池112的燃料电池组110。每个燃料电池112具有阳极(未示出)和阴极(未示出)，且阳极和阴极之间设置有电解质膜(未示出)。燃料电池组110还包括第一端114和第二端116。如本文所用，第一端114公知为“干端”，而第二端116公知为“湿端”。

在所示的实施方式中，燃料电池系统100还包括阳极供应歧管118，阳极排出歧管120，再循环回路122，和多个风扇124，126，128，130。应理解，燃料电池系统100可根据需要包括附加的部件和系统。

阳极供应歧管118与燃料电池112的阳极流体连通，并在氢源132与燃料电池112之间提供流体连通。阳极供应歧管118接收来自氢源132通过阳极入口管道134的气态氢流119。阳极入口管道134限定氢源132与阳极供应歧管118之间的容积。应理解，阳极入口管道134可具有任意希望的横截面积且还可包括例如腔室。

燃料电池系统100还包括设置在氢源132与阳极入口管道134之间的燃料喷射器136和喷射泵138。喷射器136和喷射泵138控制进入阳极入口管道134的氢流119。应理解，附加部件可与氢源132和诸如压力调节器和循环泵的阳极入口管道134连通。其他部件或系统可按照需要与阳极入口管道134连通。

燃料电池系统100的阳极排出歧管120提供燃料电池112的阳极与排出系统140和再循环回路122之间的流体连通。阳极排出歧管120接收流动通过燃料电池112的阳极的流体。作为非限制性示例，被致使流动通过所述阳极的所述流体可为气态氢、空气或水。可根据需要使用其他流体。在所示的实施方式中，燃料电池系统100包括与阳极排出歧管120流体连通的阳极排出管道142。阳极排出管道142限定阳极排出歧管120与排出系统140和再循环回路122中至少一个之间的容积。应理解，阳极排出管道142可具有任意希望的横截面积且还可包括例如腔室。

再循环回路122提供阳极排出歧管120与阳极供应歧管118之间的流体连通。在特定实施方式中，再循环回路112包括阳极入口管道134的至少一部分，阳极排出管道142的至少一部分，再循环管道144，脱水器146，和第一阀148。但是，应理解根据需要可包括其他部件。

再循环管道144限定阳极入口管道134与阳极排出管道142之间的容积。应理解，再循环管道144可具有任意希望的横截面积且还可包括例如腔室。在示出的实施方式中，再循环管道144与脱水器146和喷射泵138流体连通。应理解，再循环管道144可与阳极入口管道134，阳极供应歧管118，阳极排出歧管120和阳极排出管道142中的至少一个直接连通。还应理解，在再循环管道144与阳极入口管道134，阳极供应歧管118，阳极排出歧管120和阳极排出管道142中的至少一个之间可根据需要设置其他部件或系统。

脱水器146设置在阳极排出管道142与再循环管道144之间且适于去除从阳极排出管道142接收的流体中的多余湿气或产物水。脱水器146还与第一阀148流体连通。第一阀148适于使汇集于脱水器146中的产物水排出或泄出。如所示，第一阀148还与排出系统140流体连通且适于使产物水排出到排出系统140中。但是，应理解第一阀148可适于根据需要使产物水排到任意系统或装置中。还应理解，可根据需要包括附加的阀和控制装置。

风扇124，126，128，130可为适于提供经过阳极电极的遍及燃料电池组110流动的任意装置。在所示实施方式中，燃料电池系统100包括四个风扇124，126，128，130。但是应理解，可根据需要使用任意数量的风扇。还应理解，可根据需要改变风扇124，126，128，130的任意特征和规格。在特定实施方式中，风扇124，126，128，130为低功率风扇，具有1-500瓦的功率范围。但是，也可使用其他功率范围。例如，已经利用具有10-50瓦功率范围的风扇实现了有利的结果。风扇124，126，128，130可与燃料电池系统100或车辆的专用电力系统(未示出)和/或电系统电连通。如所示，第一风扇124设置成邻近阳极排出歧管120并与阳极排出歧管120流体连通，以在阳极排出歧管120中提供流动。第二风扇126设置在阳极排出管道142中并与阳极排出歧管120流体连通，以在阳极排出歧管120中提供流动。第三风扇128设置在再循环管道144中并适于提供通过再循环回路122的流动。第四风扇130设置在阳极入口管道134中并铰接至阳极入口管道134。第四风扇130定位于阳极入口管道134的流体流路中并适于提供通过阳极入口管道134且从而通过阳极供应歧管118的流动。当第四风扇130未使用时，第四风扇130可选择地旋转离开阳极入口管道134的流体流路，如图2-4所示。应理解，风扇124，126，128，130或单个风扇可根据需要设置在任何位置。还应理解，可根据需要采用风扇124，126，128，130以及风扇位置的任意组合。

使用时，关闭燃料电池系统100，以使在关闭程序完成之后，氢119存在于阳极和阴极。应理解，可采用现在已知或以后开发的任何关闭程序，其中氢119在关闭程序完成之后仍保留于阳极和阴极。作为非限制性示例，在系统关闭时，阴极气流停止且燃料电池组110的阴极侧被密封。氢119继续流向燃料电池组110的阳极侧，从而消耗电池组中任何剩余的氧。燃料电池组110的阳极侧被密封，使得氢119流仅替换已经被泵送至燃料电池组110阴极侧的氢，从而用氢填充燃料电池组的阳极侧和阴极侧。如图2所示，燃料电池组110的阳极供应歧管118，阳极排出歧管120和燃料电池112在关闭程序刚完成之后具有大致均匀的氢119浓度。随着时间过去，空气150泄露进燃料电池组110的阴极并通过膜或垫圈扩散或泄露进入阳极的特定区域。应理解，空气150也可直接泄漏进阳极的特定区域中。同时，风扇124，126，128，130产生流动以使阳极中的空气150和氢119混合，从而在阳极供应歧管118，阳极排出歧管120，和燃料电池112之间保持大致均匀的氢浓度。在特定实施方式中，例如，风扇124，126，128，130具有间歇的工作循环，诸如30秒运行和30秒关闭。但是，应理解风扇124，126，128，130可根据需要被连续地驱动或以任何工作循环被驱动。这样，燃料电池112中空气150与氢119的混合使得在燃料电池组100的阳极侧中形成氢-空气前锋的可能性最小。如图3所示，燃料电池组110的阳极供应歧管118，阳极排出歧管120和燃料电池112中的氢浓度相对于关机程序刚结束之后的氢浓度有所降低。如图4所示，随着空气150继续缓慢地从阴极泄露，风扇124，126，128，130继续混合燃料电池112中的流体流，且燃料电池组110回到其中空气150存在于燃料电池组110的阴极和阳极的环境(即，空气-空气环境)，而不会对阴极造成重大损坏。作为非限制性示例，风扇124，126，128，130还可提供经过“指形冷却器”的流体流。“指形冷却器”为与环境温度条件(在绝缘体和/或封装体外侧)连通的导热元件，以使得“指形冷却器”元件在冻结情况下比燃料电池组110的任何其他部件都寒冷。这样，水蒸气将首先冷凝在“指形冷却器”上，该“指形冷却器”被设计成允许冷凝的水远离重要的移动部件而排出和/或冻结。风扇124，126，128，130可被驱动直至整个燃料电池组110的温度低于冻结温度为止，此时“指形冷却器”元件继续冷凝并排出水蒸气。最后，气体相当干燥且没有水冷凝在重要的移动部件上。

燃料电池系统100和用于使燃料电池系统100中的碳蚀最小化的方法提供了使燃料电池系统100回到空气-空气环境的手段。因此，燃料电池系统100和所述方法在不牺牲氢-氢关闭策略的同时使得燃料电池系统100的耐用性最大化。此外，燃料电池系统100和所述方法通过允许水冷凝(且然后冻结)在特定位置而有助于冻结启动/耐用性。

通过上面的说明，本领域普通技术人员能容易地确定本发明的实质特征，且在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种变化和修改，以使其适于各种用途和条件。