专利名称：采用阴极循环回路的燃料电池的关闭和启动的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及运行燃料电池系统，更具体而言，本发明涉及以如下方式启动和关闭燃料电池，以使催化剂载体材料的氧化减至最少并保持系统的简单性。
背景技术：
使用催化剂来促进燃料电池中氢与氧之间的电化学反应是已公知的。催化剂一般以分布在载体上的贵金属粉末的形式存在，所述载体本身是更大的碳或者碳基颗粒的粉末。这种基于粉末的方法能够显著增大能够发生上述反应的表面积。尽管这样的构造提供了一种高效、紧凑的反应器，所述反应器通过将相对昂贵的催化剂(比如铂)涂布在较大面积上导致功率输出得到显著提高，同时降低了原材料成本，但是，其功效可能会受到一定的操作模式的限制。比如，即使当减少或者停止对燃料电池中产生的电流的需求时，残留的氧与氢反应物继续产生开路电压(一般大约0.9V或者更高)，所述开路电压可能会导致催化剂和催化剂载体产生氧化，由此缩短了燃料电池的寿命。更令人关注的是，在燃料电池的一个电极(比如阳极)上存在氢-空气界面，而空气存在于另一个电极(比如阴极)上，这将导致产生1.4V到1.8V之间的电位。这种增高的电位加重了上面提到的催化剂和催化剂载体材料的腐蚀。这种情况可能发生在启动(当空气被氢吹扫清除时)以及在关闭(当空气进入阳极而氢被跨界(cross-over)消耗时)期间。与发生在这些瞬态之间的相对稳态运行相比，本发明人已经发现了该运行瞬态，尤其是重复进行的系统的启动和关闭，更快地缩短了燃料电池堆的寿命。
一种减轻残留燃料和氧化剂问题的方法是在电池关闭后立即注入惰性气体以对阳极流动通路和阴极流动通路进行吹扫。该方法可以通过，比如向阳极流动通路和阴极流动通路中注入车载氮气而实现。但是，这尤其是对于许多基于车辆的燃料电池系统而言是不利的，这是由于车载附加气体氮的供应装置将占据需要牺牲可以用于乘客的宝贵的车辆空间、舒适性或者安全性。另一种方法是将空气引入阳极流动通路以使空气可与残留的氢发生反应。通过使这一混合物进行再循环，氢可以被点燃或者进行催化反应直到基本不存在。通过这种方法，不需要车载氮吹扫气体。但是，该系统的不利之处在于需要复杂的系统元件构成，包括连接到与精确的控制机构连接在一起的复杂的阀网络上的附加泵。因此，需要一种能够不必采用需要明显增加重量、体积或者复杂性等方法就可以进行启动和关闭的燃料电池系统。
发明内容
本发明可以满足这些需要，在本发明中公开了一种燃料电池系统和一种操作这一系统的方法，所述方法可以避免运行瞬态对系统元件造成有害影响。根据本发明的第一个方面，公开了一种运行燃料电池系统的方法。该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池至少包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的膜，此外还包括连接阳极和燃料源的阳极流动通路和连接阴极和氧源的阴极流动通路。上述流动通路可包括设置在燃料电池内部或者周边的对流体流动而言必要的支持设备，包括管道系统和相关的导管。阀、泵和相关的元件尽管也构成了流动通路的一部分，将会单独进行讨论以更清楚地识别它们在相应流动通路中的作用。在本系统中，在阴极流动通路中形成循环回路，并且结合阴极流动通路与阳极流动通路之间的连通性，提供一种不在与未经稀释的纯化学计量的燃烧相关联的高温下产生惰性气体的装置。尽管可以从本发明获益的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池，但是，本领域的技术人员应该意识到使用其它燃料电池构造也在本发明的范围内。通过以下步骤实施本发明的操作运行断开所述燃料源与所述阳极的连接，以使燃料流被切断；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路，以使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的，然后将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。术语“氧源”以及其变型应该作广义理解，包括被构造用以提供氧或者大量含氧化合物、混合物等的任何装置、容器或者环境(包括室温环境)。
可选择地，所述方法包括流体连接压力源与所述燃料和氧源中的至少一个的步骤。这种压力源(例如空气压缩机)可用以对包含在循环回路内的流体进行加压。所述再循环步骤可进一步包括关闭阴极出口阀并打开阴极流动通路再循环阀，所述两种阀皆设置在循环回路内。在一种形式中，将氧基本耗尽的气体引入阳极流动通路的步骤可包括打开流体连接阳极流动通路和阴极流动通路的吹扫阀。优选地(但不是必须地)，吹扫阀被设置在阴极与阴极出口阀之间。将燃料引入循环回路中的步骤可包括调节流体连接阳极流动通路和阴极流动通路的燃料惰化阀。与前述吹扫阀一起，该阀在两条流动通路之间提供了直接的桥路。
所述系统可至少限定系统产生电能的第一工作状态、系统不产生电能的第二工作状态、和瞬时处于第一工作状态和第二工作状态之间的第三工作状态。这种瞬态运行包括那些系统功率输出发生变化的运行期间。与本发明特别有关的两个时间的这种操作是在系统启动和关闭的过程中。因而，瞬态运行与稳态运行不同，在稳态运行时，系统输出基本是恒定的。在一种操作运行模式中，断开连接、再循环、反应以及两个引入步骤构成了第三工作状态。附加步骤包括一旦氧基本耗尽的流体已大体上对阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注阳极流动通路。在这种情况下，所述系统已准备好处于正常状态(例如与前述第一工作状态相关联的状态)。实施这一最后步骤的一种方法是流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路，并且流体连接燃料源与阳极。例如所述流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路的步骤包括关闭前面讨论的吹扫阀。可通过关闭前面讨论的燃料惰化阀而实施所述流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路的步骤。可通过打开设置在阳极流动通路内的燃料供应阀而实施所述流体连接燃料源与阳极的步骤。可对燃料的流量进行调节直至系统正常运行处于其第一工作状态。另一种选择包括在正常运行之前从所述氧源向所述阳极中释放流体，由此提供了附加加热从而帮助所述系统在低温环境中启动期间更快速地达到最佳工作温度(例如在60℃和80℃之间)。该释放步骤可包括打开吹扫阀。相似地，在可比过程中，也从所述燃料源向所述阴极中释放燃料，这同样有助于进行低温启动。为了实现这一目的，燃料惰化阀被打升。
另一种可选择步骤包括调节引入阴极流动通路中的燃料量以保持在进行吹扫步骤期间再循环流体中具有基本的燃料-氧混合化学计量比。例如，可以感应到存在于再循环流体中的氧的量，从而按照保持基本的化学计量比所需的量对燃料惰化阀进行调节。所述系统中可包括控制器，使得可自动执行对感应到的氧含量的响应，例如通过自动操纵一个或多个前述阀实现。对于反应物而言，所述燃料优选是富氢的，其实例可以是甲醇、氢气、甲烷(例如天然气)和汽油。在来自燃料源的燃料不是相当纯的氢的情况下，可使用燃料处理系统(例如甲醇重整器或本领域的技术人员已公知的其它这种类型的反应器)以向燃料电池供应大体上纯的氢。优选的氧源为空气。优选地，所述反应步骤发生在与阴极流动通路流体相连的燃烧器和设置在阴极上的催化剂之一或二者全部中。附加步骤可以是冷却在反应步骤期间产生的产物。这可通过将冷却器设置在燃烧器与燃料电池之间而实现。将氧基本耗尽的流体引入阳极流动通路中的步骤可包括流体连接位于阴极下游的阴极流动通路与阳极中的进口部位。另一个附加步骤可包括一旦先前剩留的燃料已基本被除去，用空气充注阳极流动通路。可通过关闭燃料惰化阀并且打开吹扫阀而执行所述用空气充注阳极流动通路的步骤。此外，可通过关闭燃料供应阀而实施所述断开阳极与燃料源的连接的步骤。
根据本发明的另一个方面，公开了一种准备燃料电池系统启动的方法。如前面所述，该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池至少包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的膜，此外还包括连接阳极和燃料源的阳极流动通路和连接阴极和氧源的阴极流动通路。此外，该燃料电池系统还包括被构造用以在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间形成流体连通的多个阀。本发明的方法包括以下步骤将来自燃料源的燃料引入阴极流动通路；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路，以使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的，然后将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。
可选择地，所述引入氧基本耗尽的流体的步骤包括打开(前面讨论的)流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀，且随后打开(前面讨论的)流体连接燃料源与阳极的燃料供应阀。另外，流体可从氧源释放进入阳极用以促使低温启动。所述将空气释放进入阳极的步骤可包括打开设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间的吹扫阀。此外，可从所述燃料源向所述阴极中释放燃料，以促进低温启动。可通过与前述讨论相类似地打开燃料惰化阀而实施所述释放燃料的步骤。
根据本发明的又一个方面，公开了一种瞬态运行燃料电池系统的方法。所述系统被构造用以至少限定系统产生电能的第一工作状态和系统不产生电能的第二工作状态。该系统内的元件包括至少一个燃料电池、阳极流动通路、阴极流动通路，全如上面所述、与氧源相连的压力源、和多个阀，其中的一些为设置在所述循环回路内的至少一个阀、吹扫阀和燃料惰化阀。该方法中的步骤包括将所述系统置于第一或第二工作状态之一；断开阳极与燃料源之间的连接；布置设置在循环回路中的至少一个阀，使得受到压力源加压的流体可再循环通过所述回路；布置燃料惰化阀使得燃料可从燃料源被引入阴极流动通路中，使所述燃料与再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的，并且打开吹扫阀以使氧基本耗尽的流体被引入所述阳极流动通路，从而基本上吹扫清除所述阳极流动通路。
根据本发明的又一个方面，公开了一种包括至少一个燃料电池的装置，所述燃料电池包括阳极、阴极和设置在该阳极和阴极之间的膜。该装置还包括阳极流动通路、阴极流动通路以及多个被构造用以在阳极流动通路与阴极流动通路之间形成流体连通的阀，所述元件均如以上所述。多个阀包括设置在所述燃料源和所述阳极之间的燃料供应阀；至少一个设置在所述循环回路内以选择性地允许流体在回路中进行再循环的阀；燃料惰化阀和吹扫阀。
可选择地，该装置进一步包括与燃料源和氧源中的至少一个相连的压力源。另外，所述设置在循环回路中的至少一个阀可以是多个阀，包括被构造用以在阴极流动通路中选择性地控制排气管路中的背压的阴极出口阀和设置在氧源与压力源之间的阴极流动通路再循环阀。如前面所述，所述压力源可由空气压缩机供应。还可包括燃烧器，用以促进燃料与氧之间的反应。依然如前面所述，冷却器可流体连接到燃烧器的下游，而催化剂可被设置在阴极上，用以促进燃料与氧之间的反应。另外还可包括被构造用以调节引入阴极流动通路的燃料量的控制器，其中可附加包括氧传感器，从而使得所述控制器被构造用以响应于由氧传感器发出的信号操纵所述多个阀。该装置可进一步包括被构造用以获取由燃料电池系统产生的电力并将其转换为促动功率的功率转换机构，并可以进一步包括被构造用以容纳燃料电池系统和功率转换机构的运载工具。运载工具(可以是汽车、卡车、摩托车、飞机或者船只)响应于功率转换机构中产生的促动功率可进行移动。
结合以下附图可以更好地理解下文中对本发明的详细描述，在附图中使用相似的附图标记表示相似的结构，其中图1A示出了为车辆应用构造的燃料电池系统的框图；图1B示出了图1A所示系统中的典型的燃料电池；图1C示出了在图1B所示燃料电池的阳极和膜之间的区域的放大图，图中重点示出了载体上催化剂的布置，其中所述催化剂被用以促进燃料的离子化；图2A示出了根据本发明的一个方面的燃料电池系统的框图；图2B示出了图2A所示系统的一种变型；和图3示出了使用图2A或者图2B所示的燃料电池系统的车辆。
具体实施例方式
首先参照图1A，框图中重点示出了根据本发明的移动式燃料电池系统1的主要部件。该系统包括燃料传输系统100(包括燃料源100A和氧源100B)、燃料处理系统200、燃料电池300、一个或者多个能量储存装置400、传动列500以及一个或者多个促动装置600，象征性地显示为轮子。尽管图中示出本系统1用于移动式应用(比如车辆)，但是，本领域的技术人员应该会意识到燃料电池300和其辅助设备同样可适用于固定应用中。同样，本领域的技术人员还会意识到可以使用其它燃料传输和燃料处理系统。比如，除了燃料源100A和氧源100B之外，还可能存在水源(未示出)。同样地，在一些已存在基本得到净化的燃料的变型中，可不需要燃料处理系统200。能量储存装置400可以一个或者多个蓄电池、电容器、电流转换器，或者甚至是马达的形式存在，从而将来自燃料电池300的电流转化为诸如旋转轴功率等机械功率，用以操作传动列500和一个或者多个促动装置600。可结合燃料处理系统200用以将原燃料比如甲醇转化为在燃料电池300中使用的氢或者富氢的燃料；要不然，在燃料源100A已提供基本纯的氢的构造中，可以不需要燃料处理系统200。燃料电池300包括阳极310、阴极330、以及设置在阳极310和阴极330之间的电解质层320。尽管图中仅示出了一个燃料电池300，但是本领域的技术人员应会意识到燃料电池系统1(尤其是那些用于车辆和相关应用中的燃料电池系统)可包括由这样的电池串联连接在一起的电池堆。
下面参见图1B和图1C，阳极310包括与流动通道316相连的电极基体312和催化剂层314。阴极330包括与流动通道336相连的电极基体332和催化剂层334。流动通道316、336形成阳极流动通路和阴极流动通路(在下文中对二者进行描述)与相应的阳极和阴极相接触的部分。优选地，电极基体312、332是多孔的，从而允许燃料和氧的扩散以及燃料-氧反应形成的产物水的流动。催化剂层314由分散在载体314B表面上的催化剂314A构成。当前显示为质子交换膜的电解质层320设置在每个阳极310和阴极330之间，从而允许电离氢从阳极310流动至阴极330，同时阻止电流通过。燃料(一般为气体氢的形式)通过流动通道316，允许燃料扩散通过电极基体312，而与催化剂314A接触，通过所述催化剂，被认为是分解吸附反应的氢燃料的电化学氧化得以进行。催化剂314A促进了这一反应，催化剂典型地以分散在一般为碳基的载体314B表面上的贵金属(比如铂)的细小颗粒的形式存在。然后，在阳极310产生的带正电的氢离子(质子)通过电解质320与在阴极330产生的带负电的氧离子发生反应。释放出的电子流形成了通过负载400的电流，以使马达或者是相关的电流响应装置可进行旋转。图中示出以上面讨论的能量储存装置的形式存在的负载400实现了在燃料电池300的阳极和阴极之间的电通路。可包括附加泵(未示出)以将否则聚集起来有可能堵塞多孔通路的水从电极基体312、332上除去。
接下来参照图2A和2B，框图中示出了本系统的多个变型，所述变型被构造用以减小燃料电池300中氢-氧界面。阳极流体通路340通过燃料供应阀342使燃料源100A与阳极310流体相连。氧源100B与阴极流动通路350流体相连以使氧能够流动通过阴极330。如在所述图中特别示出，循环回路352被设置在阴极流动通路350中以使在氢和氧反应中产生的吹扫流体(比如富氮气体)进行再循环。除了通过消耗氧促进吹扫流体的形成，循环回路352促进多个电池之间的电压均匀性。循环回路352包括压力源360、燃烧器370、氧传感器380和冷却器390，所有这些元件皆流体相连，以帮助多种流体在运行瞬态期间反复通过阴极330，使得通过适当的催化或者燃烧反应可减少特定物质。尽管图中仅示出了一个冷却器390(可为热交换器的形式)，但是本领域的技术人员应该理解可以使用附加的冷却器，以及其它用于设置冷却器390的位置。通过再循环氢、氧和产生的吹扫流体(总地来说，再循环流体)通过冷却器390多次，产生较小的温升，由此减小了系统的热负荷。阴极出口阀354设置在阴极330的下游用以控制阴极330的排出口与循环回路352之间的流体流动，而阴极流动通路再循环阀356允许选择性地引入在阴极330上游循环的流体。优选地，压力源360为空气压缩机。不需要在运行瞬态期间(比如在启动或关闭过程中)关闭氧源100B，这是因为由于阴极出口阀354关闭而存在的冒口(deadhead)使附加的空气不会流入循环回路352而造成的。通过燃料惰化阀344和吹扫阀346而在阳极流动通路340和阴极流动通路350之间形成流体连通，所述两个阀可以独立或者一前一后进行致动从而在流动通路340、350之间实现所需的流体流动。
另一个可以被结合到本发明系统中的特征是设置在循环回路352中用以燃烧过剩燃料的燃烧器370(也被称为燃烧室)。尽管只要两种反应物质都存在于循环回路352中，在阴极330上就会持续发生氢和氧之间的催化反应，燃烧室370的燃烧过程可通过更快地消耗燃料而加速系统的瞬态操作，以及减小产生阴极过热的可能性。为了进一步加速所述反应，可使用多个燃烧器而不是单个燃烧器。优选地，同时使用燃烧器370和在阴极330上的催化反应，以组合出除氢速度和完全性的最佳特性。在一个附加的特征中，燃烧器370可包括设置在其中的催化元件以进一步使氢和空气中的氧进行反应。在这种情况下，可对燃烧器元件(未示出)进行催化涂覆和电加热。在任一种构造中，可反应物质的迅速和完全的去除是有利的，这是因为这样可以允许进行快速启动并且最小化前面提到的过剩的关闭能量水平，否则可能作为在阳极上形成氢-空气界面的结果而产生。在这样例子中，没有本发明的系统，将产生过量的电压电位而使载体314B受到损害。
燃料电池系统1的关闭顺序优选从关闭燃料供应阀342开始，从而停止燃料向阳极310的流动。接着关闭阴极出口阀354，同时打开阴极流动通路再循环阀356，以驱使排出阴极330的流体进入循环回路352。此外，压力源360(比如空气压缩机)工作以促使流体流动通过循环回路352，尽管应该意识到如果流体已受到足够大的加压，那么可不需要这种附加压力。需要循环回路352以使流体移动通过燃烧器370或阴极330，从而使得空气与燃料混合并在合适的催化剂上发生反应。在流体再循环期间可以调节燃料惰化阀344，从而向再循环流体中引入氢，由此与仍然存在于其中的所有氧进行反应。氧传感器380可被用以追踪记录仍然存在于循环回路352中的氧。在下面讨论的有必要进行持续吹扫的情况下，氧传感器380可被用以保持氢与氧之间的化学计量比。特别如图2A所示，所述反应可以发生在燃烧器370中的催化剂上，此后，在将其引入阴极330之前，通过使流体流动通过热交换器(以冷却器390的形式存在)可以减少由燃烧过程在流体中产生的过剩热量。这样的冷却器可具有双重作用，该冷却器还可用于冷却排出空气压缩机的空气。另一种可选的构造，如图2B所示，允许反应可以发生在阴极330的催化剂上。这一变型体现出更简单的部件布置，有可能取消对分离的燃烧室和相关联的冷却机构的需要。根据所需的反应速度，可以使用一种构造或者两种构造的组合。在以上任何一种构造中，一旦再循环流体中的氧被消耗，则打开吹扫阀346以使阳极流动通路340和阴极流动通路350流体连通。这样允许当前的流体(现在基本不含氧)进入循环回路352以吹扫阳极310的残留燃料和其它流体。在向阴极提供氧的流体是空气的情况下，可以理解的是一旦氧被基本除去之后，剩余流体将几乎专门包括氮以及微量其它气体。由于氮是惰性的，其存在确保了吹扫阳极和阴极的合适的良性流体。此外，如果需要，氮自身可以很容易地被吹扫去除。优选地，吹扫流体从阴极330出口抽出，以利用阴极330的全部空间进行吹扫。尽管通常的情况是，燃料电池内阴极的流体容量大于阳极的流体容量，但是存在着阳极需要附加的吹扫流体的情况。在这样的情况下，可以对通过燃料惰化阀344进入阴极回路350中的燃料流量进行调节，以使阴极流动通路350中的燃料与氧之间保持基本的化学计量比。可以包括一个基于反馈的控制器(未示出)，并且其基于氧传感器380传输的信号，可用于在通过循环回路352的流体中保持所需的燃料-氧混合比。一旦氢已经从阳极310上吹扫除去，可以使用空气(或者如果需要可使用其它流体)对阳极进行吹扫。在这种情况下，关闭燃料惰化阀344，使循环回路352中已受到压力源360加压的流体通过吹扫阀346流入阳极310。这一最后步骤确保在燃料电池300的非活性期间，在阳极310和阴极330上都存在有空气。
燃料电池系统1的启动顺序包括关闭阴极出口阀354，同时打开阴极流动通路再循环阀356以驱使流体排出阴极330进入循环回路352中。如前面提到的关闭顺序的情况一样，如果需要的话，压力源360工作以促使流体流动通过循环回路352。在流体再循环期间可以调节燃料惰化阀344，以允许将氢引入循环流体中，由此与仍然存在于其中的所有氧进行反应。如前所述，所述反应可在如图2A和图2B所示任一实施例的装置中在燃烧室370中的催化剂上发生、在阴极330上发生、或者在两者上发生。打开吹扫阀346使阳极流动通路340和阴极流体通路350流体连通。这样允许当前的流体(现在基本不含氧)进入循环回路352以吹扫阳极310的残留空气和其它流体。优选地，吹扫流体从阴极330出口抽出，以利用阴极330的全部空间进行吹扫。同样如前所述，可以对通过燃料惰化阀344进入阴极回路350中的燃料流量进行调节，以使阴极流动通路350中的燃料与氧之间保持基本的化学计量比。可以包括一个基于反馈的控制器(未示出)，并且其基于氧传感器380传输的信号，可用于在通过循环回路352的流体中保持所需的燃料-氧混合比。一旦氧已经从阳极310上吹扫除去，接着向阳极充注氢开始正常工作。在这时(即使不是在之前)，关闭燃料惰化阀344和吹扫阀346，同时打开燃料供应阀342。在正常工作期间，可以与如上所述相似的方式调节燃料的流量，包括使用控制器。通过打开吹扫阀346使空气流入阳极310。相似地，可通过打开燃料惰化阀344使氢流入阴极330，由此提供附加加热，在当燃料电池暴露于低温环境中时有助于启动。
接下来结合图1，参照图3，图中示出了结合了根据本发明的燃料电池系统的车辆。燃料电池300与燃料供应装置100A流体相连。尽管图中所示车辆为汽车，但是本领域的技术人员应该理解在其它车辆形式中的燃料电池系统的应用也落入本发明的范围内。
虽然为了说明本发明的目的已经示出了一些典型的实施例，但是很显然，对于本领域的技术人员而言，在不偏离由所附权利要求限定出的本发明的范围的情况下，可对本发明作出许多种改变。
权利要求
1.一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；和被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的；以及将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述构造所述系统的步骤包括流体连接压力源与所述燃料源和所述氧源中的至少一个的附加步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，包括对包含在所述循环回路内的流体进行加压的附加步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述再循环步骤进一步包括关闭设置在所述循环回路内的阴极出口阀。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述再循环步骤进一步包括打开设置在所述循环回路内的阴极流动通路再循环阀。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述将氧基本耗尽的气体引入所述阳极流动通路的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述吹扫阀被设置在所述阴极与阴极出口阀之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述将燃料引入所述循环回路中的步骤包括调节流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统至少限定所述系统产生电能的第一工作状态、所述系统不产生电能的第二工作状态、和瞬时处于所述第一工作状态和所述第二工作状态之间的第三工作状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述断开连接、再循环、反应以及两个引入步骤构成了第三工作状态。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括一旦所述氧基本耗尽的流体已大体上对所述阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注所述阳极流动通路的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一旦所述氧基本耗尽的流体已大体上对所述阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注所述阳极流动通路的步骤包括流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路，并且流体连接所述燃料源与所述阳极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路的步骤包括关闭设置在二者之间的吹扫阀。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路的步骤进一步包括关闭设置在二者之间的燃料惰化阀。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述流体连接所述燃料源与所述阳极的步骤包括打开设置在所述阳极流动通路内的燃料供应阀。
16.根据权利要求11所述的方法，包括使所述系统设置处于所述第一工作状态的附加步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，包括调节所述燃料的流量直至达到稳态运行的附加步骤。
18.根据权利要求11所述的方法，包括从所述氧源向所述阳极中释放流体从而有助于所述第一工作状态的附加步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述释放步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀。
20.根据权利要求11所述的方法，包括从所述燃料源向所述阴极中释放燃料从而有助于所述第一工作状态的附加步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述向所述阴极中释放燃料的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀。
22.根据权利要求1所述的方法，包括调节引入所述阴极流动通路中的燃料量以保持所述再循环流体中具有基本的燃料-氧混合化学计量比至少直至所述氧在所述反应步骤中大体上被消耗掉的附加步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述调节燃料量的步骤包括感应到存在于所述再循环流体中的氧的量，并且按照保持所述基本的化学计量比所需的量对流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀进行调节。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料是富氢的。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述燃料从包括甲醇、氢气、甲烷和汽油的组中进行选择。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧源包括空气。
27.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应步骤发生在与所述阴极流动通路流体相连的燃烧器中。
28.根据权利要求27所述的方法，包括冷却在所述反应步骤期间产生的产物的附加步骤。
29.根据权利要求28所述的方法，包括通过将冷却器设置在所述燃烧器与所述至少一个燃料电池之间而实现所述冷却步骤的附加步骤。
30.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应步骤发生在设置在所述阴极上的催化剂上。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路中的步骤包括流体连接位于所述阴极下游的所述阴极流动通路与所述阳极中的进口部位。
32.根据权利要求1所述的方法，包括一旦所述先前剩留的燃料已基本被吹扫除去，用空气充注所述阳极流动通路的附加步骤。
33.根据权利要求32所述的方法，其中通过关闭燃料惰化阀并且打开吹扫阀而执行所述用空气充注所述阳极流动通路的步骤，每个所述阀被设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间。
34.根据权利要求1所述的方法，其中通过关闭燃料供应阀而实施所述断开所述阳极与所述燃料源的连接的步骤。
35.一种准备燃料电池系统启动的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；和被构造用以在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间形成流体连通的多个阀；将来自所述燃料源的燃料引入所述阴极流动通路；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的；以及将所述氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述引入所述氧基本耗尽的流体的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀，且随后打开流体连接所述燃料源与所述阳极的燃料供应阀。
37.根据权利要求36所述的方法，包括从氧源释放流体进入所述阳极用以促使低温启动的附加步骤。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述将空气释放进入所述阳极的步骤包括打开设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间的吹扫阀。
39.根据权利要求36所述的方法，包括从所述燃料源向所述阴极中释放燃料以促进低温启动的附加步骤。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述释放燃料的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀。
41.一种瞬态运行燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统以至少限定所述系统产生电能的第一工作状态和所述系统不产生电能的第二工作状态，所述系统包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；设置在所述循环回路内以选择性地允许流体再循环通过的至少一个阀；流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀；和流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀；和与所述氧源相连的压力源；将所述系统置于所述第一或第二工作状态之一；断开所述阳极与所述燃料源之间的连接；布置设置在所述循环回路中的所述至少一个阀，使得受到所述压力源加压的所述流体可再循环通过所述回路；布置所述燃料惰化阀使得燃料可从所述燃料源被引入所述阴极流动通路中；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的；以及打开所述吹扫阀以使所述氧基本耗尽的流体被引入所述阳极流动通路，从而基本上吹扫清除所述阳极流动通路。
42.一种装置，包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；和被构造用以在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间形成流体连通的多个阀，所述多个阀包括设置在所述燃料源和所述阳极之间的燃料供应阀；至少一个设置在所述循环回路内以选择性地允许流体在回路中进行再循环的阀；设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间以允许选择性地使二者之间流体连通的燃料惰化阀；和设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间以允许选择性地使二者之间流体连通的吹扫阀。
43.根据权利要求42所述的装置，进一步包括与所述燃料源和所述氧源中的至少一个相连的压力源。
44.根据权利要求43所述的装置，其中所述设置在所述循环回路中的至少一个阀，包括被构造用以在所述阴极流动通路中选择性地控制排气管路中的背压的阴极出口阀；和设置在所述氧源与所述压力源之间的阴极流动通路再循环阀。
45.根据权利要求43所述的装置，其中所述压力源包括空气压缩机。
46.根据权利要求42所述的装置，进一步包括被构造用以促进燃料与氧之间的反应的燃烧器。
47.根据权利要求46所述的装置，进一步包括流体连接至所述燃烧器下游的冷却器。
48.根据权利要求42所述的装置，进一步包括设置在所述阴极上的催化剂。
49.根据权利要求42所述的装置，进一步包括被构造用以调节引入所述阴极流动通路的燃料量的控制器。
50.根据权利要求49所述的装置，进一步包括氧传感器，从而使得所述控制器被构造用以响应于由所述氧传感器发出的信号操纵所述多个阀。
51.根据权利要求42所述的装置，其中所述装置进一步包括被构造用以获取由所述燃料电池系统产生的电力并将其转换为促动功率的功率转换机构。
52.根据权利要求51所述的装置，其中所述装置进一步包括被构造用以容纳所述燃料电池系统和所述功率转换机构的运载工具，所述运载工具响应于所述功率转换机构中产生的所述促动功率可进行移动。
全文摘要
用于操作燃料电池系统的方法和装置。一条与燃料电池阴极相连的循环回路确保通过该阴极的流体进行再循环，由此使在再循环流体中残留的氧与已被引入到所述循环回路中的燃料发生反应，直至基本上所有氧都反应完，在阴极和相关的流动通路中留下基本上无氧的主要为氮的化合物。此后，这一化合物可被重新引导以对在燃料电池的阳极和相关的流动通路中剩留的残留氢进行吹扫。同时，本发明可适用于系统运行的任何时期，本发明对于与启动和关闭燃料电池系统相关联的运行状态特别具有价值，从而防止产生可使燃料电池催化剂或催化剂载体受到损坏的高电压电位。
文档编号H01M8/02GK1853299SQ200480026901
公开日2006年10月25日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年9月17日
发明者S·G·格贝尔 申请人:通用汽车公司