专利名称：燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于在运输车辆、便携式动力设备中使用的，或者作为固定动力设备使用的燃料电池动力设备，本发明特别涉及一种系统，所述系统能够将由于反复关闭和启动所述设备而导致所述设备中的燃料电池的性能劣化最小化。
背景技术：
燃料电池动力设备是众所周知的，并且一般用于由含氢的还原性流体燃料和含氧的氧化剂反应物流产生电能，从而为诸如动力设备和运输车辆等电气设备供电。在现有技术的燃料电池动力设备中，众所周知的是，当连接到燃料电池上的电路断路或者断开并且比如在电池关闭时或者关闭期间电池中不存在负载时，在阴极上存在的空气以及剩留在阳极上的氢燃料常常会导致产生所不希望的阳极和阴极电位，从而导致电极催化剂和催化剂载体材料发生氧化和腐蚀，并且伴随着电池性能的劣化。
人们已提出通过钝化作用使阴极在燃料电池关闭时回到钝化、非氧化的状态。比如，设想需要不活性气体用以在关闭电池之后立刻清洗阳极流场和阴极流场，从而钝化阳极和阴极，以便使电池性能劣化最小化或者防止产生电池性能劣化。此外，使用不活性气体进行清洗避免在启动时存在氢和空气的可燃性混合物，而这是一个安全问题。共同拥有的美国专利5013617和5045414中描述了使用100％的氮气作为阳极侧的清洗气体，而在阴极侧的清洗混合物中包括非常小百分比的氧(比如小于1％)和余量的氮气。这两个专利还讨论了一种可选方式，即在清洗过程启动期间在该电池上连接一个虚设电负载从而将阴极电位快速降低至可接受的范围0.3-0.7V。然而，特别是在紧凑性和低成本是十分关键的并且其中系统必须频繁进行关闭和启动的汽车应用中，这样储存的不活性气体的成本和复杂性是不合需要的。
为使催化剂和催化剂载体的腐蚀最小化的其它努力尝试包括通过断开主电力使用装置(在下文中被称为“主负载”)从而关闭燃料电池动力设备，关闭空气或者工艺氧化剂流，并且以使燃料电池气体在燃料电池中达到平衡状态的方式控制氢燃料流动进入系统和气体流出系统，并且在电池关闭期间保持气体组成中至少含有0.0001％的氢(体积)和余量的燃料电池不活性气体。这一关闭燃料电池的方法还包括在断开主负载和关闭向阴极流场的空气供给之后，继续向阳极流场提供新鲜燃料直到剩余的氧化剂被完全消耗掉。优选通过具有施加在电池上的小的辅助负载来帮助所述氧化剂的消耗，这还快速降低了电极电位。一旦氧化剂全部被消耗掉，氢燃料的进料停止。此后，在持续的关闭期间，检测氢的浓度；同时如果需要的话，加入氢以保持所需的氢浓度水平。
对电极催化剂和催化剂载体材料的氧化和腐蚀问题的已公知改进已经减弱了在阴极存在氧以及在阳极和阴极之间反应物流体的非平衡导致的有害的结果，在阴极存在氧以及在阳极和阴极之间反应物流体的非平衡在燃料电池关闭和启动时或者期间导致产生所不希望的阳极和阴极电位。但是，已经发现即使采用这些已公知的解决方案，在启动期间在阳极流场中存在氧会导致产生所不希望的局部电极电位和催化剂以及催化剂载体的腐蚀的反向电流。此外，当动力设备关闭时和无人管理时，向动力设备的燃料电池中主动加入氢存在严重的安全问题，在这种情况下，系统失效可能会导致从动力设备中释放出具有潜在可燃性的氢浓度。
因此，需要一种燃料电池动力设备的关闭系统，所述关闭系统可以消除动力设备的明显的性能劣化，并且在动力设备关闭时、关闭期间或者在重启燃料电池动力设备时，使燃料电池内的腐蚀和氧化最小化。
发明内容
本发明涉及一种用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统。该系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池用于由含氢还原性流体燃料和工艺氧化剂反应物流产生电流。所述燃料电池包括位于电解质相对侧上的阳极催化剂和阴极催化剂；与阳极催化剂流体连通用以引导氢燃料流过燃料电池并且邻近阳极催化剂进行流动的阳极流动通路；与阴极催化剂流体连通用以引导氧化剂流过燃料电池并且邻近阴极催化剂进行流动的阴极流动通路。氢进口阀门设置在含氢还原性流体燃料储存源与阳极流动通路之间，用以选择性地使氢燃料流入阳极流动通路。氧化剂进口阀门设置在含氧氧化剂储存源与阴极流动通路之间，用以选择性地使氧化剂流入阴极流动通路。
该系统包括相连通地设置在阳极流动通路和阴极流动通路之间的氢传输装置，用以选择性地允许氢燃料在阳极流动通路和阴极流动通路之间进行传输。氢传输装置可以是在阳极流动通路和阴极流动通路之间流体连通的氢传输阀门，用于从阳极流动通路泵送氢通过电解质进入阴极流动通路的电化学泵，或者允许氢从阳极流动通路通过PEM电解质扩散进入阴极流动通路的质子交换膜(“PEM”)电解质。此外，氢储存器被设置与阳极流动通路流体连通。只要氢进口阀门打开以允许氢燃料流动通过阳极流动通路，氢储存器就接收并储存氢，并且只要氢进口阀门关闭且阳极流场中的氢浓度低于燃料电池操作期间的氢浓度，那么氢储存器就释放氢进入阳极流动通路。氢储存器可以是储氢介质，比如设置在阳极流动通路内的氢化物，比如在阳极流动通路内的歧管上的涂层，或者位于担载阳极催化剂或者与阳极催化剂流体连通的多孔载体板上。氢储存器还可以是设置在燃料电池外部的氢容器，在该容器内也可以具有储氢介质。
在使用本系统的优选实施例时，只要燃料电池关闭，则氧化剂进口阀门关闭以阻止氧化剂流入阴极流动通路，在阴极流动通路中的氧被消耗掉，然后打开氢传输阀门以允许来自燃料储存源的氢燃料和氢储存器中储存的氢进入阴极流动通路。当阴极和阳极流动通路基本上充满了大约100％的氢时，关闭氢进口阀门，并且关闭所有氢排放阀门和氧化剂排放阀门。在关闭期间，来自大气的一部分氧将会进入燃料电池，储存在氢储存器中的氢继续从储存器流入阳极和阴极流动通路以与氧进行反应，并在流动通路内保持超过0.0001％的氢的有限浓度。
在本系统的另一个优选实施例中，包括阴极循环鼓风机和氧化剂鼓风机的阴极循环管道可流体连通地设置在阴极流动通路的阴极排气口和阴极进口之间。在关闭操作期间，阴极循环或者氧化剂鼓风机可以在氧化剂源隔离阀门关闭后进行操作，以使氢燃料从阳极流动通路快速循环通过氢传输阀门然后进入并通过阴极流动通路。
在一个附加的实施例中，该系统可包括能够在燃料电池动力设备关闭时确定阳极和阴极流动通路内氢燃料的浓度的氢传感器。当关闭燃料电池动力设备时，比如在马上启动该设备之前，假如该传感器检测到氢浓度已经降低至可以允许的界限值以下时，比如氢低于0.0001％，那么控制器可以打开氢进口阀门以有效地引导氢进入阳极和阴极流动通路。来自传感器的输出还可以用来选择启动程序。一个示例性的启动程序包括快速燃料清洗，其中在小于1.0秒的时间内，或者优选在小于0.2秒的时间内，最优选在小于0.05秒的时间内引导氢燃料横向通过燃料电池的阳极流场，以使电极催化剂和催化剂载体材料的氧化和腐蚀最小化。氢传感器可以是现有技术中已公知的直接氢浓度传感器，或者是与燃料电池催化剂电气连通的传感电路。
该系统还可包括流体连通地设置在阳极流动通路的阳极排气口和阳极进气口之间的阳极循环管道和阳极循环鼓风机。阳极循环管道和鼓风机还可以与还原性流体储存源流体相连通，以使阳极循环鼓风机可快速移动氢燃料通过阳极流动通路。
在又一个实例中，阳极流动通路可以包括阳极排气出口，阴极流动通路可以包括阴极排气出口，其中阳极排气出口和阴极排气出口参照重力指向力设置在燃料电池下面。由于氢比氧更轻，因此氢将趋向于保持在上面，或者在燃料电池内，同时在关闭期间进入流动通路的大气中的氧将趋向于向下流动，通过阳极和阴极排气出口离开阳极和阴极流动通路，由此有助于在燃料电池动力设备关闭期间保持大于0.0001％的有限氢浓度。
相应地，本发明的主要目的在于提供一种用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统，以克服现有技术中存在的缺陷。
更具体的目的在于提供一种用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统，在动力设备关闭期间使动力设备的阳极流动通路和阴极流动通路基本上充满并保持具有大约100％的氢，由此在燃料电池动力设备关闭时，钝化燃料电池的阴极和阳极催化剂以及催化剂载体材料。
另一个目的在于提供一种用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统，其在动力设备关闭期间检测动力设备的阳极流动通路和阴极流动通路中的氢浓度，然后在动力设备启动之前允许附加的氢进入流动通路，以钝化燃料电池阴极和阳极催化剂以及催化剂载体材料。
图1为根据本发明构造的用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统的优先实施例的示意图。
具体实施例方式
详细参照附图，用于燃料电池动力设备的氢钝化关闭系统的第一实施例如图1所示并且一般由附图标记10表示。系统10包括至少一个燃料电池，比如燃料电池12，所述燃料电池具有阳极催化剂14(其在这里也可以称作阳极)、阴极催化剂16(其在这里也可以称作阴极)以及设置在阳极和阴极之间的电解质18。电解质18可以是如在美国专利6024848所述类型的质子交换膜(PEM)形式的电解质，或者电解质可被保持在陶瓷基体中，比如通常在酸性电解质燃料电池，如磷酸电解质燃料电池中存在的电解质。
阳极催化剂14可以担载在阳极基体层20上，而阴极催化剂16可以担载在阴极基体层22上。系统10还包括与阳极催化剂14流体连通的阳极流动通路24，用以引导含氢还原性流体燃料从燃料源54流动通过燃料电池12并流至阳极催化剂14附近。阳极流动通路24包括用以引导氢燃料进入燃料电池12的阳极进口26，比如在本领域中已公知的歧管等。阳极进口26与阳极流场28流体连通，其为阳极流动通路24的一部分且被限定为孔隙、通道、或者载体材料中的微孔，与阳极催化剂14流体连通并邻近阳极催化剂，用以引导氢燃料流经阳极催化剂14附近。阳极流动通路24还包括与阳极流场28流体连通的阳极排气装置30，用以引导氢燃料排出燃料电池12。阳极排气阀门32被设置与阳极排气装置30流体连通，并且阳极排气口34被固定到阳极排气阀门32上。阳极真空泄放阀36本质上为已公知的单向阀，或者止回阀可安装到阳极排气装置30上，安装到阳极循环管道75上，或者安装到阳极流动通路24中以使环境空气进入阳极流动通路24从而避免在燃料电池12关闭期间在阳极流动通路24中形成部分真空，这是因为就如本技术领域已公知的，气体在反应中被消耗掉或冷凝下来。
系统10还包括与阴极催化剂16流体连通的阴极流动通路38，用以引导含氧的氧化剂通过燃料电池12并流至阴极催化剂16附近。阴极流动通路38包括用以引导氧化剂进入燃料电池12的阴极进口40，比如在本领域中已公知的歧管等。阴极进口40与阴极流场42流体连通，其为阴极流动通路24的一部分且被限定为孔隙、通道、或者载体材料中的微孔，与阴极催化剂16流体连通并邻近阴极催化剂，用以引导氧化剂流经阴极催化剂16附近。阴极流动通路38还包括与阴极流场42流体连通的阴极排气装置44，用以引导氧化剂排出燃料电池12。阴极排气阀门46被设置与阴极排气装置44流体连通，并且阴极排气口48安装到阴极排气阀门44上。阴极真空泄放阀50本质上为已公知的单向阀，或者止回阀可以安装到阴极排气装置44上，或者安装到阴极流动通路38中以使环境空气进入阴极流动通路38从而避免在燃料电池12关闭期间在阴极流动通路38中形成部分真空，这是因为就如本技术领域已公知的，气体在反应中被消耗掉或冷凝下来。
应指出的是，阳极排气口34和阴极排气口48都设置在燃料电池12的下面，其中“下面”与图1所示的方向箭头53代表的重力指向相关联。通过设置阳极排气口34和阴极排气口48以从燃料电池12下面的阳极流动通路24和阴极流动通路38中排放出气体，轻于氧的氢气将趋于升至氧的上方，并保持在燃料电池12内，而更重的氧将趋于在氢流过排气口34、48之前沿重力方向53流过排气口34、48。阳极排气口34和阴极排气口48还可以是真空泄放阀的形式，其防止在燃料电池12内部形成真空。
氢进口阀门52流体连通地设置在阳极流动通路24的阳极进口26和含氢还原性流体燃料储存源54之间，用以选择性地引导氢燃料流入阳极流动通路24。氢燃料进料管道55可以安装在氢燃料源54和氢进口阀门52之间。氧化剂进口阀门56流体连通地设置在含氧的氧化剂源58，比如大气和阴极进口40之间，用以选择性地引导氧化剂流入阴极流动通路38。氧化剂鼓风机或者压缩机60可以安装到位于氧化剂源58和氧化剂进口阀门56之间的氧化剂进料管道62上，用以当氧化剂流动进入或者通过阴极流动通路38时对氧化剂进行加压。氧化剂进口阀门56可设置在鼓风机60的上游，或者氧化剂鼓风机60的下游(如图1所示)。
该系统还包括连通地设置在阳极流动通路24和阴极流动通路38之间的氢传输装置，用以有选择地允许在燃料电池12关闭期间，氢燃料在阳极流动通路24和阴极流动通路38之间进行传输。氢传输装置可以是流体连通地设置在阳极流动通路24和阴极流动通路38之间的，比如流体连通地设置在阳极进口26和阴极进口40之间的氢传输阀门64。通过使用用语“选择性地”允许或者引导，其在此意味着可以选择开关或者阀门，比如氢传输阀门使其处于打开的位置，由此允许氢燃料在阳极流动通路24和阴极流动通路38之间进行流动，或者可以选择阀门64处于关闭的位置，以阻止氢燃料或者任何流体在阳极和阴极流动通路24和38之间进行流动。
另一种可选方式是，氢传输装置也可以为电化学氢泵的形式，其中通过以本领域已公知的方式使直流电通过燃料电池，将氢从阳极流动通路24电化学泵送至阴极流动通路38，使得在阳极催化剂14上消耗氢，在阴极催化剂16上析出氢从而增加阴极流场42中的氢浓度。这样的氢传输电化学泵在燃料电池12关闭期间减少了阴极流动通路38中的氧浓度，并减少了为获得降低的氧浓度所需的附加阀门和管道。氢传输装置也可以为氢传输质子交换膜(“PEM”)电解质18，其中氢扩散通过PEM电解质18直至阴极流场42内的氢浓度与阳极流场28内的氢浓度基本上达到平衡。这样的氢传输装置以比先前所述氢传输阀门64和氢传输电化学泵更低的速度传输氢，而氢传输PEM电解质是最不复杂的氢传输装置。
系统10还包括设置与阳极流动通路24流体连通的用以储存氢燃料的氢储存器装置。氢储存器装置可以为设置在燃料电池12的外部(如图1所示)以比如通过设置在容器66与阳极流动通路24的阳极进口26之间的容器进料管道68与阳极流动通路24流体连通的氢容器66的形式。
另一种可选方式是，氢储存器装置可以为储氢介质的形式，比如以涂层的方式设置在阳极流动通路24内的氢化物。另外，储氢介质可以作为多孔阳极基体层20上的多孔涂层，从而使得当燃料流过阳极流动通路24时，氢燃料储存在储存介质中。同样，氢容器66在其内部可以包括储氢介质。储氢介质还可以为在阳极进口或者阳极排气口30内限定出的进口和排气歧管的涂层，从而使得储氢介质与流动通过阳极流动通路24的氢燃料流体连通。氢储存器装置中的储氢介质还可以为暴露在氢燃料中的阳极流场28内的涂层。由此，用于储存氢燃料的氢储存器装置就可以在燃料流过阳极流动通路24时储存氢燃料，而只要氢燃料不再从氢燃料储存源52通过阳极流动通路24时，介质就可以被动地释放储存的氢进入阳极流动通路24。可构造氢储存器装置和氢传输装置，从而使得该系统10在阳极流动通路24和阴极流动通路38中可以获得基本纯的氢，这里“基本纯的氢”是指氢浓度大于百分之七十的氢，或者另一种可选方式是，该系统在阳极流动通路24和阴极流动通路38中可以获得基本纯的氢，这里“基本纯的氢”是指氢的浓度大于百分之九十的氢。
用于燃料电池动力设备10的氢钝化关闭系统还可包括第一阴极循环管道70，所述第一阴极循环管道流体连通地设置在阴极流动通路38的阴极排气装置44与位于鼓风机60上游的氧化剂供料管道62和氧化剂源隔离阀门71下游之间，如图1所示。阴极循环阀门72可选择性地允许一部分阴极排气流通过阴极排气装置44流到氧化剂进料管道62以再次通过阴极流动通路38。当氧化剂源隔离阀门71关闭时，阴极循环鼓风机76或者氧化剂鼓风机60可以在关闭过程中连续或者间歇地操作，以加速来自阴极流动通路的氧的还原速率，所述阴极流动通路包括本领域已公知的阴极流场42和相关的进口和出口歧管以及管道。在不存在这种循环流动时，阴极流动通路38歧管内包含的氧将缓慢地扩散进入阴极流场42，在此其与阴极催化剂16上的氢发生反应。这一与氢的反应将消耗氢，由此减少燃料电池12可以保持处于钝化状态的时间。使氢从氢储存器装置66循环通过第一阴极循环管道70和阴极流动通路38最大化了燃料电池12在关闭过程结束时的氢浓度。这反过来使得在没有向燃料电池12中加入附加的氢的条件下燃料电池12可保持处于钝态的持续时间最大化。
第二阴极循环管道74可流体连通地设置在阴极循环阀门72和阴极进口40之间，而阴极循环鼓风机76可设置在第二阴极循环管道74上以加速通过第二阴极循环管道的流动。该系统10还可包括流体连通地设置在阳极排气装置30和阳极进口26之间的阳极循环管道75，其具有设置在阳极循环管道75上的用以加速通过阳极循环管道75的流动的阳极循环鼓风机77。
该系统10还可包括用以探测阳极流动通路24和阴极流动通路38内的氢浓度的氢传感器装置。氢传感器装置可以是直接氢传感器78或者可以是本领域已公知设置在如阴极流场42中的用以在燃料电池动力设备10关闭时检测阴极流动通路38内的氢浓度并通信给控制器的传感器。这样的控制器可以是本领域中已公知能够接收和响应传感信息的任何控制装置，比如计算机、机电开关、人工控制器等。
另一种可选方式是，氢传感器装置可以是设置与燃料电池12的阴极催化剂14和阳极催化剂16比如通过外部电路82电气连通的传感器电路80。传感器电路80包括直流电源84比如常规D.C.、稳压电源、电池型电源；用以测量传感电路中的电压的电压测量装置，比如标准伏特计86；以及传感器电路开关88。通过在固定电流下阳极流场28和阴极流场42中的气体组成从纯氢向空气变化时所产生的电压，对传感器电路80进行校准。传感器电路42可选择性地在预定的检测期间向燃料电池12传输预定的传感电流，用以测量阳极催化剂14和阴极催化剂16之间的电压差，由此确定阳极流动通路24和阴极流动通路38中的氢浓度。
在燃料电池动力设备10正常操作期间，主负载90通过外部电路82接收由燃料电池12产生的电流且主负载开关92关闭(图1中显示为打开)；辅助负载94不接收电流且辅助负载开关96打开，从而使得燃料电池动力设备10仅向主负载90比如电马达等供电；而传感电路开关88打开，从而使得传感器电路84不将任何电流引导至阳极和阴极催化剂14、16中。打开氧化剂鼓风机60和阳极排气装置循环鼓风机77。氧化剂进口阀门56和阴极排气阀门46为开，氢进口阀门52和阳极排气阀门32也为开。关闭阳极真空泄放阀36，从而使得没有空气流入阳极流动通路24。
由此，在动力设备10的正常操作期间，来自氧化剂源58的工艺氧化剂比如空气通过阴极流动通路38持续地输送进入阴极流场42，并通过阴极排气口48离开阴极流动通路38。来自燃料源54的含氢还原性流体燃料通过阳极流动通路24持续输送进入阳极流场28。包含耗尽的氢燃料的一部分阳极排气流通过阳极排气阀门32和阳极排气口34离开阳极流动通路24，而阳极循环管道75和阳极循环鼓风机77使剩余阳极排气以现有技术中已公知的方式再循环通过阳极流动通路24。循环一部分阳极排气有助于保持阳极流动通路24中气体组成的相对均匀性，并且允许增加氢的利用率。当氢流过阳极流场时，它在阳极催化剂层14上以公知的方式发生电化学反应，以生成质子(氢离子)和电子。电子通过外部电路82从阳极催化剂14流动到阴极催化剂16，为主负载90供电。
关闭正在操作的燃料电池动力设备10包括打开或者断开外电路82中的主负载开关92(如图1所示)，从而断开主负载90。氢进口阀门52保持打开；并且阳极排气循环鼓风机77保持打开以持续循环部分阳极排气。但是，阳极排气阀门32根据进入的燃料中氢的百分比来保持打开或者关闭。通过关闭阴极鼓风机60来关闭新鲜空气或者氧化剂通过阴极流动通路38的流动。
然后在关闭期间，辅助负载94可以通过关闭辅助负载开关96连接到外部电路82上。当电流流过辅助负载94时，发生典型的电化学电池反应，导致阴极流动通路38中的氧浓度降低和电池电压的降低。在燃料电池12内仍然存在足够多的氢以与燃料电池12中残留的所有氧进行反应时，启动辅助负载94应用。优选保持连接至少直到电池电压降低至一个预定的值，优选每个电池0.2V或者更小。连接阴极催化剂14和阳极催化剂16的二极管98检测电池电压，并且只要电池电压高于预定值就允许电流通过辅助负载94。按照该种方式，燃料电池12电压降低至且此后被限制为预选值。当电池电压降低至每个电池0.2V时，基本上阴极流场42中所有的氧，以及所有那些已扩散通过电解质18到达阳极流场28的氧都已经消耗掉。然后可以通过打开辅助负载开关96断开辅助负载94，但是优选保持连接。
然后，可以选择氢传输装置阀门64处于打开的位置以允许氢燃料通过阳极流动通路24进入阴极流动通路38。然后可以关闭氧化剂源隔离阀门71，并打开阴极循环阀门72，同时打开阴极循环鼓风机76或者氧化剂鼓风机60以将氢通过氢传输阀门64以及通过阴极流动通路38从阳极流动通路24中抽出。只要氢传感器装置确定阳极流动通路24和阴极流动通路38中的氢浓度大约为100％，则关闭阳极排气阀门32和阴极排气阀门46，还关闭氢进口阀门52、氧化剂进口阀门56和阴极循环阀门72，而使氢传输阀门64保持打开。然后被动地释放储存在氢储存器装置内的氢，以在燃料电池动力设备10关闭期间保持阳极流动通路24和阴极流动通路38中具有升高的氢浓度。所希望的是在关闭过程中使阳极流动通路24和阴极流动通路38中的氢浓度最大化。在关闭过程结束时使氢浓度最大化将使燃料电池在没有加入更多氢而保持处于钝化状态的时间最大化。在关闭时优选氢浓度大于70％，更优选氢浓度大于90％。在关闭期间，优选通过关闭辅助负载开关96使辅助负载94连接至外部电路82。这使得单个电极或者阴极催化剂16和阴极基体22泄漏空气进入燃料电池12的电位最小化。
在动力设备10关闭期间，来自空气中的氧可以通过密封件，或者通过阳极真空泄放阀36或者阴极真空泄放阀50，而泄漏进入阴极流动通路24或者阳极流动通路38中，从而使得阳极和阴极催化剂14、16的电位将最终上升相对于氢参比电极达到高于0.2V，导致燃料电池12内发生氧化腐蚀。然后在电极电位达到0.2V之前，来自还原性流体源54中的氢气消耗掉氧，由此使氧化腐蚀最小化。通过打开阳极进口阀门52和打开阳极循环鼓风机68，同时阳极排气阀门32保持关闭，使得氢可在整个阳极流动通路24中进行循环。另一种可选方式是，可以打开设置在阳极循环进料管道102中的阳极循环阀门100向阳极流动通路24提供氢，同时保持氢进口阀门52关闭，其中所述阳极循环进料管道流体连通地设置在氢燃料储存源54和阳极循环管道75之间。所有这些进入的氢还将通过氢传输装置进入阴极流动通路38。可以使用阴极循环鼓风机76或者氧化剂鼓风机60以加速氢在整个阴极流动通路38中的分配。通入到流动通路24、38中的氢的量与阳极和阴极流动通路24、38中的氢浓度成反比。这使得用以保持燃料电池12处于钝化状态的氢的量最小化，而使在动力设备10关闭期间燃料电池12在没有向流动管道24、38中加入氢而保持处于钝化状态的时间最大化。
传感器电路80还可以与用于控制向阳极流动通路24和阴极流动通路38中导入氢燃料的氢导入控制装置(未示出)相连通。氢导入控制装置可以是本领域中已公知的任何种类的控制器，只要其可以依据关闭检测电路80的检测，当检测电压在大约或者超过传感器电压极限值时，实现向流动通路24、38中导入氢即可。典型的控制装置包括通过动力设备操作员(未示出)手动打开的氢进口阀门52、阳极循环阀门100，或者任何其它能够引导氢进入流动通路24、36并且通过操作者或者控制系统启动阳极排气循环鼓风机77的机构。其它控制装置可包括机电控制器，所述机电控制器中集成具有氢进口阀门52、阳极循环阀门100、以及阳极循环鼓风机68、阴极循环鼓风机的电压测量装置，比如本领域已公知的用于响应传感信号打开阀门或者鼓风机等的装置。
比如，在使用该系统10的钝化方法中，操作者(未示出)可以使用传感器装置比如直接传感器78，以确定在关闭了一段时间之后，例如由燃料电池供电的汽车关闭了一夜之后，在启动之前不久在阳极和阴极流动通路24、38中是否具有足够体积的氢。如果传感器78指示存在足够的氢以保持阳极14和阴极16的电位处在足够低的水平，比如相对于标准氢电极电位而言小于0.2V，那么可以采用普通启动，其中关闭氢传输阀门64，打开氢进口阀门52、氧化剂进口阀门56和隔离阀门71，启动氧化剂鼓风机60，启动阳极循环鼓风机66，然后打开阳极和阴极排气阀门32、46。
但是，如果传感器装置检测到氢浓度不足，那么可采用快速氢清洗以除去与阳极和阴极催化剂14、16以及阳极和阴极载体基体层20、22接触的氧。快速氢燃料清洗包括引导氢燃料在小于1.0秒的时间内横向流过阳极流场28，即从阳极进口26流至阳极排气口30，或者优选在小于0.2秒的时间内或者更优选在小于0.05秒的时间内。在氢清洗期间优选连接辅助负载94。在氢清洗完成后并移去辅助负载96之后，空气开始向阴极流场42流动。这样快速的氢燃料清洗可以通过使用现有技术中的高压氢燃料源54或燃料鼓风机或压缩机等来实现。在该系统的被动使用中，只有当操作者在时，才允许氢进入燃料电池12，由此避免了无人值守的氢传输导致的安全问题，其中系统故障可能会导致从动力设备10中释放出可燃浓度的氢。
另一种可选方式是，可主动使用本氢钝化关闭系统10，传感器可以用来探测阴极和阳极14、16电位上升超过可接受的水平，然后氢引导控制器响应由自传感器装置传递的信息控制氢进口阀门52，或者阳极循环阀门100以引导足够量的氢进入阳极流动通路24，从而使电极电位降低回落至或者低于可接受的水平。
对于本系统10的具体实施例，其中操作需要不预期长期关闭，或者对于燃料电池12得到充分密封以限制不期望的氢损耗的情况下，系统10可以仅依靠从氢储存器装置，比如上面描述的氢容器66中被动释放储存的氢。在这样的实施例中，系统10包括通过以下步骤使燃料电池中的氢发生钝化，所述步骤包括断开燃料电池的主负载90；比如通过关闭氧化剂鼓风机，终止氧化剂从氧化剂源进入阴极流动通路38；操作氢传输装置以引导氢从阳极流动通路24进入阴极流动通路38；只要阳极流动通路24和阴极流动通路38中充满预定的、足够体积的氢，就关闭氢燃料进入阳极流动通路24的流动；以及允许储存在氢储存装置中的氢，比如来自氢容器66的氢，释放进入阳极流动通路24、氢传输阀门和阴极流动通路38。可选择地，该系统的这一实例还可以包括操作阴极循环鼓风机以更快速地消耗掉阴极流动通路38中的氧；以及当阳极和阴极流动通路24、38中充满氢时，关闭阳极和阴极排气阀门32、46。
可以看到，本发明中的用于燃料电池动力设备10的氢钝化关闭系统提供了高效的、燃料电池催化剂或者电极14、16的钝化，所述钝化通过在燃料电池12关闭期间用氢取代燃料电池12中的氧，而减轻了催化剂和催化剂载体的氧化腐蚀，并且在燃料电池启动之前，根据系统10的需要被动地或者主动地补充氢。
权利要求
1.一种用于燃料电池动力设备(10)的氢钝化关闭系统，该系统包括a、至少一个燃料电池(12)，所述燃料电池用于由含氢还原性流体燃料和含氧氧化剂反应物流产生电流，所述燃料电池(12)包括位于电解质(18)相对侧上的阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)，与阳极催化剂(14)流体连通用以引导氢燃料流过燃料电池(12)并且邻近阳极催化剂(14)进行流动的阳极流动通路(24)；和与阴极催化剂(16)流体连通用以引导氧化剂流过燃料电池(12)并且邻近阴极催化剂(14)进行流动的阴极流动通路(38)；b、设置在含氢还原性流体燃料源(54)与阳极流动通路(24)之间用以选择性地使氢燃料流入阳极流动通路(24)的氢进口阀门(52)；c、设置在含氧氧化剂源(58)与阴极流动通路(38)之间用以选择性地使氧化剂流入阴极流动通路(38)的氧化剂进口阀门(56)；d、相连通地设置在阳极流动通路(24)和氧化剂流动通路(38)之间用以选择性地允许氢燃料在阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)之间进行流动的氢传输装置；和e、设置与阳极流动通路(24)流体连通的氢储存器装置，只要氢进口阀门(52)打开以允许氢燃料流动通过阳极流动通路(24)，那么氢储存器装置就储存氢燃料，并且只要氢进口阀门(52)关闭，那么氢储存器装置就释放氢进入阳极流动通路(24)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢储存器装置包括设置在燃料电池(12)外部与阳极流动通路(24)流体连通的氢容器(66)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述氢容器(66)包括储存在所述容器(66)内的储氢介质。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢储存器装置包括与阳极流动通路(24)流体连通的储氢介质。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢储存器装置包括设置在阳极流动通路(24)中的储氢介质。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢储存器装置包括设置在担载阳极催化剂(14)的多孔阳极基体层(20)中的储氢介质。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢传输装置包括流体连通地设置在阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)之间的氢传输阀门(64)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢传输装置包括氢传输电化学泵，所述氢传输电化学泵包括设置与燃料电池(12)电气连通的直流源，从而使得在阳极催化剂(14)上消耗氢，而在阴极催化剂(16)上析出氢。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述氢传输装置包括设置在阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)之间的氢传输质子交换膜电解质(18)，用以允许氢扩散通过质子交换膜电解质(18)从而使得阴极流动通路(38)中的氢浓度与阳极流动通路(24)中的氢浓度基本上达到平衡。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括设置与阴极流动通路(38)的阴极排气装置(44)流体连通的阴极旁通阀(72)、流体连通地设置在阴极旁通阀(72)和阴极流动通路(24)的阴极进口(40)之间的阴极旁通管道(74)、和用以选择性地引导或者加速阴极排气流从阴极排气装置(44)通过阴极流动通路(24)的阴极进口(40)进行流动的，安装到阴极旁通管道(74)上的阴极旁路鼓风机(76)或者安装到阴极进口(40)上的氧化剂鼓风机(60)之一。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括设置与阳极流动通路(24)流体连通用以引导阳极排气流离开燃料电池(12)排出动力设备(10)的阳极排气口(34)，以及设置与阴极流动通路(38)流体连通用以引导阴极排气流离开燃料电池(12)排出动力设备(10)的阴极排气口(48)，其中阳极排气口(34)和阴极排气口(48)相对于重力指向(53)设置在燃料电池(12)的下面。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述阳极排气口(34)为真空泄放阀，而阴极排气口(48)为真空泄放阀，用以防止在燃料电池(12)内部形成真空。
13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括流体连通地设置在阳极流动通路(24)的阳极排气装置(30)和阳极流动通路(24)的阳极进口(26)之间的阳极循环管道(75)，和安装到阳极循环管道(75)上用以选择性地引导和加速阳极排气流在阳极排气装置(30)和阳极进口(26)之间进行流动的阳极循环鼓风机(77)。
14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括设置与燃料电池(12)流体连通用以检测阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)中的氢浓度的氢传感器装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述氢传感器装置包括设置与阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)电气连通的传感器电路(80)，所述传感器电路(80)包括电源(84)、电压测量装置(86)以及传感器电路开关(88)，传感器电路(80)安装在燃料电池(12)上，从而使得电源(84)可以在测量阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)之间的电压差的预定测量期间内，选择性地向燃料电池(12)传输预定的传感电流。
16.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接到外部电路(82)上的辅助负载(94)，其中辅助负载(96)减少阴极流动通路(38)中的氧浓度并降低燃料电池电压。
17.一种关闭燃料电池动力设备(10)的方法，所述动力设备包括至少一个燃料电池(12)，所述燃料电池用于由含氢还原性流体燃料和含氧氧化剂反应物流产生电流，所述燃料电池(12)包括位于电解质(18)相对侧上的阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)，与阳极催化剂(14)流体连通用以引导氢燃料流过燃料电池(12)并且邻近阳极催化剂(14)进行流动的阳极流动通路(24)；和与阴极催化剂(16)流体连通用以引导氧化剂流过燃料电池(12)并且邻近阴极催化剂(14)进行流动的阴极流动通路(38)，所述方法包括以下步骤a、断开燃料电池(12)的主负载(90)；b、终止氧化剂从氧化剂源(58)流入阴极流动通路(38)；c、将辅助负载(94)连接到燃料电池(12)上；d、引导氢燃料从阳极流动通路(24)传输进入阴极流动通路(38)；e、只要阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)中充满浓度大于70％的氢时，就终止氢燃料从氢燃料源(54)流动进入阳极流动通路(24)，以及f、允许将储存在与阳极流动通路(24)流体连通的用以储存氢的氢储存器装置中的氢释放到阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中允许氢燃料从阳极流动通路(24)传输进入阴极流动通路(38)中的步骤包括引导氢燃料通过流体连通地安装在阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)之间的氢传输阀门(64)。
19.根据权利要求17所述的方法，其中允许氢燃料从阳极流动通路(24)进入阴极流动通路(38)的步骤包括通过向燃料电池(12)通直流电，将氢从阳极流动通路(24)中电化学泵送至阴极流动通路(38)中。
20.根据权利要求17所述的方法，其中允许氢燃料从阳极流动通路(24)进入阴极流动通路(38)的步骤包括在阳极催化剂(14)和阴极催化剂(16)之间设置质子交换膜电解质(18)，从而使得氢可以从阳极流动通路(24)通过质子交换膜电解质(18)扩散进入阴极流动通路(38)。
21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤即在允许氢燃料传输步骤之后，并且在终止氢燃料流动的步骤之前，使用氧化剂鼓风机(60)或者阴极旁路鼓风机(76)之一，加速阴极排气流从阴极流动通路(38)的阴极排气装置(44)通过阴极旁通管道(74)向阴极流动通路(38)的阴极进口(40)的流动。
22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤即在允许从氢储存器向阳极流动通路(24)释放氢的步骤之后，使用检测阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中的氢浓度的氢传感器装置，定时地检测在阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中氢的量，然后只要传感器装置检测到阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中的氢浓度低于预定浓度，则允许氢进入阳极流动通路(24)达到大于70％的氢浓度。
23.根据权利要求22所述的方法，其中允许氢进入阳极流动通路(24)进一步包括允许氢进入阳极流动通路(24)至阳极流动通路(24)中的氢浓度大于90％。
24.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤即在允许从氢储存器向阳极流动通路(24)释放氢步骤之后，使用检测阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中的氢浓度的氢传感器装置，定时地检测阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中氢的量，然后以与检测到的阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中的氢浓度成反比的浓度向阳极流动通路(24)中引入氢。
25.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤即在允许从氢储存器向阳极流动通路(24)释放氢的步骤之后，使用检测阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中的氢浓度的氢传感器装置，检测阳极流动通路(24)或者阴极流动通路(38)中氢的量，然后只要检测到氢的浓度低于0.0001％，则进行快速的氢燃料清洗步骤，其中引导氢燃料在小于1.0秒的时间内通过燃料电池(12)的阳极进口(26)与阳极排气装置(30)之间的阳极流场(28)，然后启动燃料电池(12)。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述快速氢燃料清洗步骤进一步包括引导氢燃料在小于0.2秒的时间内通过燃料电池(12)的阳极进口(26)和阳极排气装置(30)之间的阳极流场(28)。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述快速氢燃料清洗步骤进一步包括引导氢燃料在小于0.05秒的时间内通过燃料电池(12)的阳极进口(26)和阳极排气装置(30)之间的阳极流场(28)。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃料电池动力设备(10)的氢钝化关闭系统。阳极流动通路(24)与阳极催化剂(14)流体连通，用以引导氢燃料邻近阳极催化剂(14)进行流动，阴极流动通路(38)与阴极催化剂(16)流体连通，用以引导氧化剂邻近燃料电池(12)中的阴极催化剂(16)进行流动。氢燃料可以在阳极流动通路(24)和阴极流动通路(38)之间进行传输。氢储存器(66)被设置与阳极流动通路(24)流体连通，用以在燃料电池(12)操作过程中接收和储存氢，以及用以当燃料电池(12)关闭时向燃料电池(12)中释放氢。
文档编号H01M2/02GK1864292SQ200480029180
公开日2006年11月15日 申请日期2004年7月29日 优先权日2003年8月6日
发明者P·R·马吉奥特, F·R·小普雷利, G·W·库尔普, M·L·佩里, C·A·赖泽, R·J·巴利特 申请人:Utc燃料电池有限责任公司