用于减轻燃料电池系统中的碳腐蚀的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于在启动和关闭操作期间保护燃料电池系统的系统和方法。更具体地但不排他地，本公开涉及用于在启动和关闭操作期间减轻质子交换膜燃料电池系统中的碳腐蚀的系统和方法。
【背景技术】
[0002]乘用交通工具可包括燃料电池(“FC”)系统，该燃料电池系统是用于给交通工具电气和传动系统的某些特征提供动力。例如，在交通工具中可利用FC系统直接地(例如，利用电驱动马达等)并且/或者经由中间蓄电池系统给交通工具的电传动部件提供动力。氢是一种可使用于FC系统中的可用燃料。氢是可用于高效地在FC中产生电流的清洁燃料。氢FC系统是可包括在阳极和阴极之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中被解离从而产生自由的氢质子和电子。可选择性地将氢质子传导经过电解质。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被传送至阴极之前被引导经过负荷而执行工作。在阴极中氢质子与氧和电子发生反应而产生水。
[0003]质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)可使用于FC驱动交通工具中。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。包括在PEMFC中的阳极和阴极可包括被支撑在碳颗粒上且与离子交联聚合物混合的细碎的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)。催化剂混合物可沉积在所述膜的相对侧上。
[0004]在PEMFC系统的某些操作(例如，启动和关闭操作)期间，氧可缓慢地侵入到燃料电池系统中从而导致H2—空气锋面从PEMFC系统的阴极传播至阳极。在某些实施例中，此传播的锋面可导致PEMFC系统中的不期望的碳腐蚀。PEMFC系统中的碳腐蚀可限制作为碳支撑体的高表面积催化剂的使用并且不期望地增加铂担载量。
【发明内容】
[0005]本文中所给出的系统和方法可关于在启动和关闭操作期间减轻PEMFC系统中的碳腐蚀而应用。本文中所使用的PEMFC系统可包括单个电池，或者可替代地可包括布置成堆叠构造的多个电池。在一些实施例中，PEMFC系统可包括阳极室和阴极室。阴极室可联接到与PEMFC系统的阴极回路相关联的阴极输入管线。阳极室可联接到与PEMFC系统的阳极回路相关联的阳极输入管线。
[0006]第一栗可联接到阴极管线并且构造成选择性地使一种或多种气体(例如N2)在阴极室内部循环，其被构造成防止在阴极室内部形成H2—空气界面。第二栗可联接到阳极管线并且构造成选择性地使一种或多种气体(例如N2)在阳极室内部循环，从而防止在阳极室内部形成H2—空气界面。控制系统可控制第一栗和第二栗的操作。在进一步的实施例中，电化学氧栗也可联接到阴极管线，该阴极管线构造成去除侵入到PEMFC系统中的氧的。通过防止传播的H2—空气锋面的形成并且去除侵入到PEMFC系统中的任何氧，可减轻系统内部的碳腐蚀。
[0007]在进一步的实施例中，用于减轻PEMFC系统中的碳腐蚀的方法可包括:致动第一栗以使第一气体(例如N2)在阴极室内部循环，其被构造成防止在阴极室内部形成H2—空气界面，所述第一栗被联接到与PEMFC系统的阴极室处于连通的阴极输入管线。类似地，可以致动第二栗以使第二气体(例如N2)在阳极室内部循环，其被构造成防止在阳极室内部形成H2—空气界面，所述第二栗被联接到与PEMFC系统的阳极室处于连通的阳极输入管线。还可以致动氧栗以去除侵入到PEMFC系统中的氧，所述氧栗被联接到阴极输入管线。
[0008]本发明还公开了以下方案。
[0009]方案1.一种系统，包括:
燃料电池系统，其包括阳极室和阴极室；
阴极管线，其被联接到所述阴极室；
阳极管线，其被联接到所述阳极室；
第一栗，其被联接到所述阴极管线，所述第一栗构造成选择性地使一种或多种气体在所述阴极室内部循环，其被构造成防止在所述阴极室内部形成H2—空气界面；
第二栗，其被联接到所述阳极管线，所述第二栗构造成选择性地使一种或多种气体在所述阳极室内部循环，其被构造成防止在所述阳极室内部形成H2—空气界面；
氧栗，其被联接到所述阴极管线，所述氧栗构造成选择性地去除侵入到所述燃料电池系统中的氧；及
控制系统，其与所述第一栗、所述第二栗和所述氧栗处于连通，所述控制系统构造成控制所述第一栗、所述第二栗和所述氧栗的操作。
[0010]方案2.如方案I所述的系统，其中，所述一种或多种气体包括空气、HjPN2中的至少一种。
[0011]方案3.如方案I所述的系统，其中，所述控制系统构造成通过以下步骤来控制所述第一栗和所述第二栗的操作:
致动所述第一栗和所述第二栗以使队在所述阴极室和所述阳极室内部循环；以及随后致动所述第一栗和所述第二栗以使空气在所述阴极室和所述阳极室内部循环。
[0012]方案4.如方案I所述的系统，其中，所述控制系统构造成通过以下步骤来控制所述第一栗、所述第二栗和所述氧栗的操作:
致动所述第一栗和所述第二栗以使队在所述阴极室和所述阳极室内部循环；以及致动所述氧栗以去除侵入所述燃料电池系统室中的氧。
[0013]方案5.如方案I所述的系统，其中，所述氧栗包括电化学氧栗。
[0014]方案6.如方案5所述的系统，其中，所述电化学氧栗包括12伏特8个电池的电化学氧栗。
[0015]方案7.如方案I所述的系统，其中，所述燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池系统。
[0016]方案8.如方案I所述的系统，其中，所述控制系统构造成在所述燃料电池系统的启动期间控制所述第一栗和所述第二栗的操作。
[0017]方案9.如方案I所述的系统，其中，所述控制系统构造成在所述燃料电池系统的关闭期间控制所述第一栗和所述第二栗的操作。
[0018]方案10.如方案I所述的系统，其中，所述燃料电池系统构造成为交通工具的传动系统提供动力。
[0019]方案11.一种用于减轻燃料电池系统中的碳腐蚀的方法，所述燃料电池系统包括了阳极室和阴极室并且被包括在交通工具中，所述方法包括:
致动第一栗以使第一气体在所述阴极室内部循环，其被构造成防止在所述阴极室内部形成H2—空气界面，所述第一栗被联接到与所述阴极室处于连通的阴极输入管线；
致动第二栗以使第二气体在所述阳极室内部循环，其被构造成防止在所述阳极室内部形成H2—空气界面，所述第二栗被联接到与所述阳极室处于连通的阳极输入管线；以及致动氧栗以去除侵入到所述燃料系统中的氧，所述氧栗被联接到所述阴极输入管线。
[0020]方案12.如方案11所述的方法，其中，所述第一气体包括N2。
[0021]方案13.如方案11所述的方法，其中，所述第二气体包括N2。
[0022]方案14.如方案11所述的方法，其中，所述方法是在所述燃料电池系统的启动期间执行。
[0023]方案15.如方案11所述的方法，其中，所述方法是在所述燃料电池系统的关闭期间执行。
[0024]方案16.如方案11所述的方法，其中，所述氧栗还构造成当被致动时去除侵入到所述阴极室中的氧。
[0025]方案17.如方案11所述的方法，其中，所述氧栗包括12伏特电化学氧栗。
[0026]方案18.—种系统，包括:
燃料电池系统，其包括阳极室和阴极室；
阴极管线，其被联接到所述阴极室；