专利名称：运行燃料电池堆的方法
技术领域：
本申请的披露内容主要涉及的领域包括燃料电池堆和运行所述燃 料电池堆的方法。
背景技术：
在车辆应用中，燃料电池堆可能需要经受超过30, 000次的启动/ 停止循环。在燃料电池堆的正常运行中，空气持续地流入燃料电池堆 的阴极侧内且氬持续地流入燃料电池堆的阳极侧内。在停止阶段，如 果电路是开路的且电池上不再存在负载，则可能产生不能接受的阳极 和阴极电位，从而导致催化剂和催化剂载体产生氧化和腐蚀以及电池 电位的降低。
发明内容
本发明的多个实施例包括燃料电池堆和运行所述燃料电池堆的方法。
通过下文提供的详细描述将易于理解本发明的其它典型实施例。 应该理解尽管该详细描述和特定实例示出了本发明的典型实施例， 但仅旨在用于示例性的目的而绝不旨在限制本发明的范围。
通过详细描述和附图将更充分地理解本发明的典型实施例，其中 图l是示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图； 图2是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统和运行所述燃料 电池系统的方法的示意流程图；和
图3示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池堆的一部分。
具体实施例方式
下面对一个或多个实施例进行的描述在本质上仅是示例性的且绝 不旨在限制本发明及其应用或使用。图1是示出了本发明的一个实施例的流程图，所述实施例包括多
个步骤。在第一步骤200中，可通过使氢流入阳极反应剂气体流场内 且使空气流入阴极反应剂气体流场内并且通过燃料电池堆产生电力而 运行外部电路中的初级电气装置，从而运行燃料电池堆。在第二步骤202 中，在燃料电池堆的停止期间，使初级电气装置与燃料电池堆断开连 接。在笫三步骤204中，通过使空气流入阴极反应剂气体流场内而吹 扫出阴极反应剂气体流场中的气体。其后，在第四步骤206中，随后 通过使氢流入阴极反应剂气体流场内而再次吹扫出阴极反应剂气体流 场中的气体。在第五步骤208中，通过使空气流入阳极反应剂气体流 场内吹扫出阳极反应剂气体流场中的气体。其后，在笫六步骤210中， 用氢对阳极反应剂气体流场进行充注。在第七步骤212中，可通过使 氬流入阳极反应剂气体流场内、使燃料电池堆短接、随后使短接的燃 料电池堆断开连接、并且使空气流入阴极反应剂气体流场内(以避免 在启动过程中出现燃料不足的情况)而实现燃料电池堆的启动。
现在参见图2,本发明的一个实施例包括燃料电池系统100，所述 燃料电池系统包括燃料电池堆10，所述燃料电池堆包括多个燃料电池。 每个燃料电池包括电解质膜12以及具有阴极反应剂气体流场的阴极侧 14和具有阳极反应剂气体流场的阳极侧16。空气入口导管18净皮设置 并被连接至压缩机20。压缩机出口导管22从压缩机20被连接至燃料 电池堆的阴极侧14。第一阀24被设置在压缩机出口导管22中以便控 制通过导管22的气体流。
设置了氢源26，如储罐中的压缩氢或储罐中的液体氢。第一氢罐 出口导管28从氢源26延伸至燃料电池堆10的阳极侧16。第二阀30 和第三岡32被设置在笫一氢罐出口导管28中以便控制通过所述第一 氢罐出口导管的部分的气体流。第一旁通导管34 ,皮设置且在位于压缩 机20与笫一阀24之间的位置处的空气压缩机出口导管22至位于第二 阀30与第三阀32之间的位置处的第一氢罐出口导管28之间进行延伸。 第二氢气出口导管38被连接至氢源26且被连接至燃料电池堆10的阴 极侧14。第五阀40被设置在第二氢罐出口导管38中以便控制通过所 述第二氢罐出口导管的气体流。氢分配器装置42被设置在燃料电池堆 10的阴极侧14中。阴极排气导管44被连接至燃料电池堆的阴极侧14 且包括位于所述阴极排气导管中的用于控制通过阴极排气导管44的气
体流的第六阀46。阳极排气导管48被连接至燃料电池堆10的阳极侧 16且第七阀50被设置在阳极排气导管48中以便控制通过所述阳极排 气导管的气体流。
可利用冷却系统51对燃料电池堆10进行冷却，所迷冷却系统包 括被连接至燃料电池堆10的冷却剂流体出口导管52，所迷冷却剂流体 出口导管例如在一端上位于阳极侧16上且在第二端上被连接至冷却剂 泵54。冷却剂流体入口导管56在一端上被连接至冷却剂泵54且在另 一端上被连接至燃料电池堆10的阴极侧14。热交换器58可被设置在 冷却剂回路中，例如位于泵54与燃料电池堆10的阴极侧14之间。
由燃料电池堆10产生的电力被用于第一电气路径60中，所述第 一电气路径包括初级负载62如电动马达或电机并且包括用于将初级负 栽62连接至燃料电池堆10并且使所述初级负载与所述燃料电池堆断 开连接的第一电气开关64。第二电气路径66被设置且被连接至燃料电 池堆10并且包括相对低负载的装置68如电阻且包括用于将低负载装 置68连接至燃料电池堆10并且使所述低负栽装置与所述燃料电池堆 断开连接的第二电气开关70。低负载装置68被用于使燃料电池堆短 接，正如下文将要进行描述地那样。电池组400可被设置并且被连接 至空气压缩机20且被连接至冷却剂泵54以便分别对所述空气压缩机 和所述冷却剂泵进行供电。
再次参见图2，在燃料电池堆IO的正常运行中，阀24、 32、 30、 50和46;故打开且阀36和40;故关闭。该布置允许氢气和空气在正常运 行中分別流入阳极侧16内和阴极侧14内。为了使燃料电池堆IO停止， 阳极排气导管48中的笫七阀50被关闭。干燥空气被泵送通过燃料电 池堆10的阴极侧14且持续达相对较短的时间，从而除去液体水和蒸 汽。在一个实施例中，干燥空气被泵送通过阴极侧l4且持续小于20 秒的时间。相对较少量的氢被允许流入燃料电池堆的阳极侧l6内以便 在阳极側16上保持正压。
其后，空气压缩机20被关闭且第一电气路径60中的第一电气开 关64被打开以便使初级负载62与燃料电池堆10断开连接。空气压缩 ,机出口导管22中的第一阀24被关闭，且第二氢罐出口导管38中的第 五阀40被打开以便通过使氢流入阴极反应剂气体流场内从而吹扫出阴 极反应剂气体流场中的气体。使氢流入阴极反应剂气体流场内将使得开路电压被拉低为零并且借助于氢的氧化来消耗阴极侧16中的氧。与 此同时，电池组400可被用于驱动冷却剂泵54从而4吏冷却剂循环通过 燃料电池堆10以便降低燃料电池堆10的温度。在本发明的一个实施 例中，燃料电池堆的温度被降低至在从高于70°C至高于50°C的范围内 的温度。当氢到达阴极排气导管44中的第六阀46时，第六阀46被关 闭。笫二氢罐出口导管38中的第五阀40被调节以便在燃料电池堆10 的阴极側14上保持高于环境压力的约为1至2 kPa的正氢压。
其后，第一氢罐出口导管28中的第二阀30被关闭且第一旁通导 管42中的第四阀36被打开。阳极排气导管48中的第七阀50被打开 且利用来自电池组400的辅助动力运行空气压缩机20，同时第一氢罐 出口导管28中的第三阀32保持打开状态且从而使得通过空气对燃料 电池堆10的阳极侧16进行持续时间相对较短的吹扫。在一个实施例 中，通过空气对阳极侧进行小于20秒的吹扫。由于阴极侧14中充注 有氢，因此空气/氢的前锋(air/hydrogen front)在燃料电池堆10 的阳极侧16中的停留时间不会构成问题。因此，阳极侧16的空气吹 扫速率可具有较宽的范围。当已经用空气对阳极侧16进行完全地吹扫 之后，燃料电池堆10的阳极侧16和阴极侧14都相对较为干燥且因此 具有抗冻性。
其后，空气压缩机20被关闭且第一旁通导管34中的第四阀36被 关闭。第一氢罐出口导管28中的第二阀30被打开以便允许用氢对燃 料电池堆10的阳极侧16进行充注。当氩到达阳极排气导管48中的第 七阀50时，第七阀50被关闭。在这一点上，燃料电池堆的阳极侧16 和阴极侧14中都充注有干燥的氢且阳极与阴极之间的开路电压接近为 零。其后，第二电气路径66中的第二电气开关70被关闭以便使燃料 电池堆短接从而防止燃料电池堆10由于从环境中不均匀地扩散进入燃 料电池堆10的阳极侧16和阴极侧14内的空气而产生大于零的电池电 压。即使阳极排气导管48中的第七阀50和阴极排气导管44中的第六 阀46都被紧密地关闭，仍然可能发生空气侵入。在本发明的一个实施 例中，燃料电池堆中的压力与环境压力相平衡，从而使得通过紧密关 闭的阀而发生的氬/空气二元扩散程度相对较低。在该燃料电池堆10 已被关闭后，燃料电池堆的温度开始逐渐冷却。由于电池开路电压为 零且燃料电池堆的温度相对较低，因此这就防止了燃料电池堆被损坏。
为了启动燃料电池堆10,空气压缩机出口导管22中的第一阀24 被打开，第一氢罐出口导管28中的第三阀32被打开，第一氢罐出口 导管28中的第二阀30也被打开，阳极排气导管48中的第七阀50被 打开，且阴极排气导管44中的第六阀46被打开。第二氢罐出口导管38 中的第五阀40以及第一旁通导管34中的第四阀36被关闭。第二电气 路径36中的第二电气开关70被关闭以便使电阻器68与燃料电池堆相 连。氢被允许流入燃料电池堆10的阳极侧16内，随后使电阻器68与 与燃料电池堆断开并驱动空气压缩机20以使空气流入阴极侧14内。 其后，第一电气路径60中的第一电气开关64被关闭以便将初级负载62 连接至燃料电池堆10。
现在参见图3，本发明的一个实施例可利用燃料电池堆10，所述 燃料电池堆包括双极板302和软质(soft goods )部分312。双极板302 和软质部分312被重复设置以便形成被串联连接的具有双极板的燃料 电池堆。双极板302可以是一件式的或者可以包括例如通过焊接被紧 固在一起的第一部件301和第二部件302。双极板302可呈现出多种构 型，所述多种构型包括被机加工的金属基板、紧固在一起的模压金属 箔片或者导电复合材料。双极板302包括第一面304，所述第一面具有 多条槽脊306和在其中限定出的通道308。双极板302可包括第二面 310，所述第二面相似地包括多条槽脊306和在其中限定出的多条通道 308。位于双极板302的一侧304上的通道308可构成阳极反应剂气体 流场，且位于双极板302的另一侧310上的通道308可构成阴极反应 剂气体流场。冷却通道310可被设置在双极板302中。
软质部分312可包括固体电解质膜314，所述固体电解质膜具有第 一面316和相对的第二面318。多孔阴极320可祐j殳置在电解质膜314 的第一面316上。阴极320包括催化剂和传导载体如碳颗粒、和离聚 物。多微孔层322可被设置在阴极320上。多微孔层322具有相对较 小的孔隙且可包括位于粘合剂中的颗粒，如碳颗粒和聚四氟乙烯 (PTFE)。多孔气体扩散介质层324可被设置在多微孔层322上。多 孔气体扩散介质层324可以是任何的多孔导电材料，如碳纸或毡制物。 双极板302可被设置在气体扩散介质层324上。多孔阳极326可被设 置在固体电解质膜314的第二面318的下面。阳极316包括位于导电 载体如碳颗粒上的催化剂、和离聚物。第二多微孔层328可被设置在
阳极326的下面。第二气体扩散介质层330可被设置在笫二多微孔层328 的下面。如图所示，另一双极板302位于第二气体扩散介质层330下 面。
当术语"空气"被用于描述反应剂气体或吹扫气体时，其应该被 视作等效于富氧气体，如富氧空气或纯氧。
实施例作出的变型不被认为偏离了本发明的精神和范围。权利要求
1、一种方法，所述方法包括运行燃料电池堆，所述运行燃料电池堆的步骤包括使氢流入阳极反应剂气体流场内且使包括氧和氮的空气流入所述燃料电池堆的阴极反应剂气体流场内并且通过所述燃料电池堆产生电力而运行被连接至所述燃料电池堆的外部电路中的初级电气装置；停止所述燃料电池堆，所述停止所述燃料电池堆的步骤包括使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接；通过使包括氧和氮的空气流入所述阴极反应剂气体流场内而吹扫出所述阴极反应剂气体流场中的气体；其后，通过使氢流入所述阴极反应剂气体流场内而从所述阴极反应剂气体流场中吹扫出气体；通过使包括氧和氮的空气流入所述阳极反应剂气体流场内而从所述阳极反应剂气体流场中吹扫出气体；其后，用氢对所述阳极反应剂气体流场进行充注。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述通过使空气流入所述阴 极反应剂气体流场内而从所述阴极反应剂气体流场中吹扫出气体的步 骤包括使干燥空气流入所述阴极反应剂气体流场中以便除去其中的水 和蒸汽。
3、 根据权利要求2所述的方法，进一步包括在所述通过使氢流入 所述阴极反应剂气体流场内而对所述阴极反应剂气体流场进4亍吹扫的 过程中保持所述阳极反应剂气体流场中的正氩压。
4、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括使冷却剂循环通过所 述燃料电池堆以便降低所述燃料电池堆的温度。
5、 根据权利要求4所述的方法，其中使冷却剂循环的步骤包括利 用辅助动力运行冷却剂泵。
6、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在通过使氢流入所述 阴极反应剂气体流场中而对所述阴极反应剂气体流场进行吹扫之后保 持所述燃料电池堆的所述阴极侧上的正氢压。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中所述阴极侧上的所述正氢压 在约1-30 kPa的范围内。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中所述通过使包括氧和氮的空气流入所述阳极反应剂气体流场内而从所述阳极反应剂气体流场中吹扫出气体的步骤被实施了小于20秒的时间。
9、 根据权利要求1所述的方法，其中所述从所述阴极反应剂气体流场中吹出气体的步骤和所述阳极反应剂气体流场中吹扫出气体的步骤使得所述燃料电池堆充分干燥，以便耐受低;冰点的温度 而不会损坏所述燃料电池堆。
10、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在用氢对所述阳极 反应剂气体流场进行充注之后使所述燃料电池堆短接。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中所述使所述燃料电池堆短 接的步骤包括将所述燃料电池堆连接至包括电阻器的外部电路。
12、 根据权利要求1所述的方法，其中所述通过使氢流入所述阴 极反应剂气体流场内而从所述阴极反应剂气体流场中吹扫出气体的步 骤和所述用氢对所述阳极反应剂气体流场进行充注的步骤被实施以便压比环境压力高约1-30 kPa。
13、 根据权利要求1所述的方法，其中所述通过使氢流入所述阴 极反应剂气体流场内而从所述阴极反应剂气体流场中吹扫出气体的步 骤被实施以便使得所述阴极反应剂气体流场中的氧被氢吹扫出去或者 通过与氢反应而被消耗。
14、 一种方法，所述方法包括运行具有阴极侧和阳极侧的燃料电池堆，所述运行燃料电池堆的 步骤包括使氢流入所述阳极侧内且使包括氧和氮的空气流入所述阴极的电力而运行外部电路中的初级电气装置；用干燥空气对所述阴极侧进行吹扫以便从其中除去液体水和蒸汽；通过使氢流入所述阴极侧内而从所迷阴极侧中吹扫出所述干燥空通过使包括氧和氮的空气流入所述阳极側内而对所述阳极側进4亍阳极侧和所述阴极侧中基本上没有水；用氢对所述阳极侧进行充注，因此使得所述阴极和所述阳极中都充注有氢。
15、 根据权利要求14所述的方法，进一步包括使所述燃料电池堆 短接。
16、 根据权利要求14所述的方法，进一步包括在用干燥空气对所 述阴极侧进行吹扫之前使所述燃料电池堆与所述初级电气装置断开连 接。
17、 根据权利要求16所述的方法，进一步包括导致所述阴极侧中 的氢对氧进行消耗。
18、 根据权利要求16所述的方法，进一步包括利用电池组动力使
19、 根^权利要求18所述的方法，其中在;氢对所述阳极侧进行 充注之后使所述冷却流体循环达一定时间。
20、 根据权利要求19所述的方法，进一步包括通过电阻器使所述 燃料电池堆短接而启动所述燃料电池堆并且使氢流入所述阳极侧内且 其后消除所述燃料电池堆的短接并随后使包括氧和氮的空气流入所述 阴极侧内从而通过所述燃料电池堆产生电力。
全文摘要
一种运行燃料电池堆的方法包括使初级电气装置断开连接并且通过使空气流入阴极反应剂气体流场内而吹扫出所述阴极反应剂气体流场中的气体。其后，通过使氢流入所述阴极反应剂气体流场内而再次吹扫出所述阴极反应剂气体流场中的气体。通过使空气流入阳极反应剂气体流场内而吹扫出所述阳极反应剂气体流场中的气体。其后，用氢对所述阳极反应剂气体流场进行充注并且所述阳极和所述阴极中都贮存有氢。
文档编号H01M8/04GK101207217SQ200710161130
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者余代强 申请人:通用汽车环球科技运作公司