专利名称：从燃料电池废气流中回收惰性气体的制作方法
从燃料电池废气流中回收惰性气体 技术领域[OOOl]本发明涉及燃料电池系统，更具体地，涉及緩解启动-停止退 化和湿化燃料电池組件内氢燃料的方法。
背景技术：
人们已提出把燃料电池作为电动车辆和多种其它应用的清 洁、有效和环境友好的电源。燃料电池的一个实例是质子交换膜(PEM) 燃料电池。PEM燃料电池包括膜-电极-組件(MEA), —般包含薄的固体 聚合物膜-电解质，在膜电解质两个面上都有 一个带催化剂的电极，例如， 阳才及或阴才及。
MEA—般包含多孔导电材料，也称作气体扩散介质，它们还 形成阳极和阴极层。燃料，如氬气，在阳极上引进，在这里它在催化剂 存在下发生电化学反应，产生电子和质子。电子通过电路从阳极导至阴 极。同时，质子穿过电解质到达阴极，在那里氧化剂，如氧或空气，在 催化剂存在下与电子和质子发生电化学反应，生成水。
MEA —般置于一对电导的接触元件或双极板之间，以完成单 个PEM燃料电池。双极板起阳极和阴极电流收集器的作用，并含有在 其中形成的适当流道和开口，以把燃料电池的气态反应物(即H2 & 02/ 空气)分配到各电极表面上。双极板可通过把2个含有在其上形成流动分 布场的单极板粘结在一起而组装起来。双极板一般还包括入口集管和出 口集管，当它们被排布在燃料电池堆中时，形成内部的供给和排气歧管， 用来导引燃料电池的气体反应物来往于多个阳极和阴极。双极板也可以 包括用来分布液态冷却剂的流动分布场及入口集管和出口集管。
该技术的燃料电池系统可以用氢气循环系统来减少排自燃料 电池堆的氢气。从效率观点看，减少废气中的氢气含量是理想的，因为 氢气仍可被用作燃料电池内的气态反应物。因为环境原因，减少氢气的 排放也是理想的。
Barbir等在U.S.专利6,994,929中报告了一种系统，该系统包 含电化学氢气压缩器，它以电化学方式从副产物中分离出氩气并把氯气循环回燃料电池。Yang等在U.S.专利6，999，610中报告的阳极循环系统 也是已知的，它包括一个泵，用来排放来自燃料电池的过量氢气并返还 进入供氢管道，以与新鲜氢气相混合。
氢气循环一般继续到过量的非反应性或惰性气体，如氮气， 积聚到不理想的水平。在预定水平下，惰性气体可把气态反应物的浓度 限制在可能出现燃料电池反应物不足的程度上。氮气可通过，例如，从 用空气为氧化剂的阴极穿越至阳极而积聚。传统的氢气循环系统可包括 排出阀，它在达到不理想的氮气水平前释放循环阳极气体。
此外，众所周知，在电池的起、止当时及其间，阴极上存在 空气和阳极上存在氬气-空气前缘可造成不理想的电位。例如，在启动或 停止时，阴极上存在空气可导致阴极上的高电位。这会使碳氧化并造成 性能下降。尤其含碳基材的电极的腐蚀，在其中形成表面氧化物、CO 和C02,是一个问题。所有这些现象统称为燃料电池"启动-停止退化"。
授予Goebel的U.S.专利6,939,633报告，燃料电池系统内的 启动"亭止退4t可通过把阴才孔气体和对昨出氪气一^^培环通i丈阴招、而祐-緩解。循环阴极气体造成循环气体内残余氧气之间的反应，直到基本上所 有的氧都已反应完，在阴极内留下基本无氧的大部分氮化合物。此外，在授予Condit等的U.S.专利6,635,370中已公开，惰性气体，如氮气， 可紧接着电池的启动或停止，被用来清扫阳极和阴极流场。所迷清扫钝 化电极，从而尽量减少电池性能的下降。这类系统通过抑制形成原本可 能损伤燃料电池催化剂或催化剂载体的不理想电压而緩解启动-停止退 化，也称作启动-停止緩解。
还已知道，燃料电池内的膜需要有 一定的相对湿度才能把膜 厚方向上的离子电阻保持在有效传导质子所需的范围内。 一般而言，如 果湿度太低，则PEM将会脱水并造成燃料电池的质子电阻上升而电压 下降。这可导致燃料电池预期生命周期的缩短。另一方面，如果湿度太 高，则流道可被积聚的水堵塞，即称作"滞留"的现象。水的滞留可妨 碍或阻止气态反应物的流动并严重影响燃料电池的性能。
—直需要排放积聚的惰性气体和尽量减少燃料电池堆的启动 -停止退化而无需用传统的罐、泵、阀和相关组件，所有这些组件都会影 响燃料电池系统的重量、体积或复杂性。理想地，该方法将包括湿化气 态反应物，尤其被供至燃料电池堆阳极层的氢气的可能性。
发明内容
按照本公开，意外地发现了排放积聚的惰性气体、緩解燃料 电池启动-停止退化，湿化氬气进料流和优化系统重量和体积的燃料电池 系统。在一个实施方案中，燃料电池系统配置有燃料电池堆，该燃 料电池堆包括含有阳极和阴极的燃料电池，燃料电池堆还包括阳极出口 和阳极入口及阴极。燃料电池系统包括与阳极出口和阳极入口连接的氩 气泵，所述氬气泵包括质子交换膜。所迷质子交换膜置于与电源电连接 的笫一电极与第二电极之间。笫一电极被配置成接受含来自阳极出口的 氢气和惰性气体的阳极输出流以及第二电极被配置成把至少部分氢气 供至阳极入口。第一电极也被配置成排放惰性气体。在另一个实施方案中，提供包括燃料电池堆、适合于从氢源 产生包括氢气和一氧化碳气体的重整流的燃料处理器、与燃料处理器电 连接并被配置成把一氧化碳气体氧化成二氧化碳气体的优先氧化装置 以及与优先氧化装置连接的氬气泵。氬气泵适合于接受和^^离来自优先
氧化装置的氢气和二氧化碳气体。氲气泵还被配置成向燃料电池堆供应 氬气。在又一个实施方案中，描述了操作燃料电池系统的方法，该 方法包括首先把来自燃料电池堆的阳极输出流引进氢气泵，其中阳极输 出流包含氢气和惰性气体。第二，在氢气泵的质子交换膜厚度方向上 (across the proton exchange membrane)施力口电压并从阳极输出流中分离 出至少部分惰性气体。笫三，在燃料电池堆的启动阶段和/或终止阶段期 间向燃料电池堆供应包含惰性气体的阴极输入流。提供操作燃料电池系统的另 一种方法，该方法包括把来自燃 料电池堆的阳极输出流引进氢气泵，在氢气泵质子交换膜的厚度方向上 施加电压，从阳极输出流中分离出至少部分氢气并湿化来自，例如，储 氬设备的氢气进料流。该方法还包括把包含湿化氢气进料流的阳极输入 流供至燃料电池堆。操作燃料电池系统又一种方法包括把来自燃料处理器的包含 氢气和一氧化碳气体的重整流？ 1进优先氧化装置，把一氧化碳气体氧化 成二氧化碳气体，向氢气泵提供氢气和二氧化碳气体，在质子交换膜厚 度方向上施加电压，使至少部分氢气与二氧化碳气体相分离，以及向燃料电池堆供应氢气。
对于本领域的技术人员来说，从以下的详述，尤其在根据下 面所述的附图考虑时，本公开的上述和其它优点将变得显而易见。图1给出PEM燃料电池堆的部件分解示意图(仅示出2个电池)。图2是示意按照本发明实施方案的氢气泵的流程示意图；
图3是示意图2中氬气泵的流程示意图，还示出与PEM燃料
电池堆阴极入口的关系；图4是示意图2中氢气泵的流程示意图，还示出与储氢设备
的关系；和图5是示意与重整系统连接的氬气泵的流程示意图。
具体实施例方式以下的描述本质上仅是举例性的，无意限制本公开、应用或 用途。还应理解，在所有附图中，相应参考数字表示类似或对应的部件 和特点。关于公开的方法，所给出的步骤本质上是举例性的，因此并非 必不可少或关键性的。为简单起见，下面仅说明和描述一个2-电池堆(即一块双招_ 板)，应理解，典型堆将含有远多于此的这类电池和双极板。同样为简单 起见，下面仅说明和描述一个燃料电池堆(即一定数量串联的燃料电池)。 本领域的普通技术人员还应理解，在本发明的范围内可以用不止一个燃 谇牛电池堆，例如双-堆系统。图1表示有一对彼此被导电双极板8隔开的MEA4,6的2-电 池双极PEM燃料电池堆2。 MEA4, 6和双极板8—起堆叠在一对夹板 10, 12和一对单极端板14, 16之间。夹板10, 12与端板14, 16被垫 片或介电涂层(未示出)电绝缘。单极端板14，16以及双极板8的两个工 作面包括4艮多个限定流场的槽或通道18， 20, 22, 24,以便于把燃料和 氧化剂气体(即H2和02/空气)分配到MEA4，6的面上。非导电垫片26, 28, 30, 32提供燃料电池堆中几个部件之间的密封和电绝缘。透气扩散 介质34, 36， 38, 40，例如，碳/石墨扩散纸，靠近MEA4,6的阳极面和阴极面。端板14, 16分别靠近扩散介质34,40，而双极板8靠近MEA 4的阳极面上的扩散介质36和靠近MEA6的阴极面上的扩散介质38。氧化剂气体通过阴极入口导线管82供至燃料电池堆2的空气 供应歧管72。氢气通过阳极入口导线管80供至氢气供应歧管76。阳极 出口导线管84和阴极出口导线管86也分别用作H2和空气的排放歧管。 冷却剂入口导线管88和冷却剂出口导线管90也分别用来把液态冷却剂 供至冷却剂入口歧管75或把冷却剂排自冷却剂出口歧管77。应理解， 图1 ~图4中的多个入口 80, 82， 88和出口 84, 86, 90的构型都是为 了说明，可按需要选择其它构型。现在参考图2,图中给出了按照本公开的氢气泵200的示意 图。应理解，尽管为说明目的只示出一个氢气泵，可按需要使用其它氢 气泵200。例如，在本发明范围内可用一个或者串联或并联的多个氢气 泵。氢气泵200的结构和操作与燃料电池堆2的类似，但不引进 氧化剂气体。例如，氢气泵200包括氬气泵MEA202,后者含扩散介质 204,206和置于它们之间的PEM 208。作为一个非限定性实例，扩散介 质204,206包括可渗气材料，如碳或石墨扩散纸。 一般技术人员应理解， 可按需要使用其它材料作为扩散介质204, 206。PEM 208有笫一面210和第二面212。包括催化剂的笫一电 极214放在面210上。含有催化剂的第二电极216放在面212上。笫一 电极214和笫二电极216与电源205电连接。技术人员应理解，在第一 电极214上可发生氧化反应(H2 — 2H+十2e-),在其中氢气224被氧化成一定 量的质子和一定量的电子。此外，在第二电极216上，可发生还原反应 (2H++2e- —H2),在其中重新结合成氢气224。应理解，由于在氢气泵200内的氧化和还原反应都涉及氢反 应，所以笫一和笫二电极214,216的催化剂载量可以低于使用氧化剂气 体的燃料电池一般所需的量。在特定实施方案中，笫一和笫二电极 214,216包括的催化剂量小于约0.1 mg/cm2。在本发明的一个实施方案 中，催化剂载量为约0.05mg/cm2。在本公开的又一个实施方案中，催化 剂载量为约0.01 mg/cm2。氢气泵200还包括靠近扩散介质204, 206放置的导电端板 218， 220。导电端泽反218, 220各有在其上形成的分配气体的流场(未示出)。类似于燃料电池堆2的端板14, 16,在氢气泵200的导电端板218, 220中所形成的流场可包括一个或多个槽或流体通道(未示出)，以便于 分配气态反应物。氢气泵200与燃料电池堆2的阳极入口 80和阳极出口 84连 接。氢气泵200的第一电极214被配置成接受来自阳极出口 84的阳极 输出流222。阳极输出流可包含氢气224和一种或多种惰性气体226, 如氮气和二氧化碳气体。阳极输出流222也可包含水。第一电极214被配置成排放至少一部分来自燃料电池系统的 惰性气体226。惰性气体226 —般被排至氢气泵200以外的大气中。在 另一个实施方案中，来自笫二电极216的氬气224可与阴极输出流86 结合并净皮排出。第二电极216^皮配置成把供自阳极输出流222的至少一 部分氩气224供至阳极入口 80，在这里氬气224可被用作燃料电池堆2 的燃料。在又一个实施方案中，与惰性气体226分离的至少一部分氬气 224受氬气泵200压缩和储存，以供至阳极入口 80。作为一个非限定性 实例5分离出来的氢气224被、压缩到压力为至少约100 bar并被储存在 緩冲或高压容器内(示于图5中)。第一电极214和第二电极216与电源205电连接。电源205 一般是直流电源。例如，电源205可包括电池组。在又一个实施方案中， 电源包括车辆再生动力系统，例如，回收车辆制动操作期间的动能并以 电形式储存该能量的再生制动系统。在本发明的一个实施方案中，电源 205包括燃料电池堆2。在又一个实施方案中，氢气泵200起燃料电池 堆2独立控制负载的作用。作为独立控制的负载，氩气泵200不作为燃 料电池堆2的零件安排，即一个或多个氢气泵200不作为电池分立地放 置贯穿在燃料电池堆2中。相反，应理解，起独立控制负载作用的氢气 泵200,不是与一个个燃料电池直接电接触，而是作为整体构成燃料电 池堆2的负载。例如，把氬气泵200放在燃料电池堆2的阳极出口导线 管84的下游。来自电源205的直流电可施在质子交换膜208的厚度方向上， 以"泵汲"质子穿过该膜。在特定实施方案中，在质子交换膜208厚度 方向上施加电流时，存在于阳才及输出流222内的氬气224在笫一电才及214 上氧化。氧化使氢离子(质子)从第一电极214透过膜208到达第二电极 216,同时电子通过电源205到达笫二电极216。在笫二电极216上，穿过质子交换膜208的氢离子与电子重新结合而再形成氢气224。水和惰 性气体，包括氮气在内，可经由排气导线管(未示出)排自第一电极214。
参考图3和4,它们示意本发明的其它实施方案。复制于图1 的类似结构包括相同的参考数字，但带有上标(prime)(')、(〃 ) 或("')。如图3所示，氬气泵200'与阴极入口 82'连接。在说明性实施 方案中，氢气泵200'被配置成在燃料电池堆2'的启动阶段和/或停止阶段 期间，把来自阳极输出流222'的至少一部分惰性气体226'供至阴极入口 82'。在特定实施方案中，第一电极214'与阴极入口 82'连接并被配置成 把从阳极输出流222'中分离出来的惰性气体226'作为保护性气氛供至燃 料电池堆2'的阴极82'以供启动阶段和/或停止阶段用。如本文所用，术语启动阶段定义为包括燃料电池堆2'在其间 被活化或启动的一段时间。该活化可包括，例如，把气态反应物引进燃 料电池堆2'以及把气态反应物引进燃料电池堆2'前后的一小段时间。同 样，术语停止阶段定义为包括燃料电池堆2'在其间承t钝化的一，敬时间。 该钝化可包括，例如，中断把气态反应物引进燃料电池堆2'以及中断前 后的一小段时间。此外，在其间向燃料电池堆2'供应气态反应物和/或施 加负载的操作阶段，例如，临时位于启动阶段与停止阶段之间。在一个实施方案中，燃料电池系统包括至少一个放在第一电 极214'和阴极入口 82'之间的阀300。如图所示，阀300是3通阀，虽然 也可按需要采用其它阀类或阀组。阀300被配置成在燃料电池堆2'的启 动阶段和/或停止阶段期间向阴极入口 82'供应惰性气体226'。此外，阀 300被配置成在操作阶段期间排放惰性气体226'。因此，只有当需要存 在惰性气体226'来抑制启动-停止退化时，才把惰性气体226'供至燃料电 池堆2'的阴极。应理解，也可用其它方法来向阴极入口 82'供给惰性气体 226'。应理解，本发明的氢气泵200'可用来緩解燃料电池堆2'的启 动-停止退化。这一方法包括把来自燃料电池堆2'的阳极输出流222'引进 氬气泵200',其中所述阳极输出流包括氢气224'和惰性气体226'。例如， 氢气泵200'的质子交换膜208'厚度方向上的电压施自电池组或燃料电池 堆2'。施压的结果，使至少一部分惰性气体226'从阳极输出流222'中分 离出来。尤其阳极输出流222'内的氢气224'被氧化并被排出阳极输出流222',留下惰性气体226'为残留物。然后在启动阶段和/或停止阶段期间， 惰性气体226'被供至燃料电池堆2'的阴极入口 82'。惰性气体226'覆盖或 笼罩燃料电池堆2'的阴极，置换存在的所有空气或氧气并緩解启动-停止 退化。该退化可包括，例如，燃料电池堆2'阴极的氧化性腐蚀。但是，当燃料电池堆2'处于操作阶段时，惰性气体226'被排 到燃料电池堆2'和氢气泵200'以外的气氛中。惰性气体226'中的氢气含 量一般低于约4%,或低于爆炸极限。在特定实施方案中，惰性气体226' 中的氢气含量低于约1%。在说明性实施方案中，排自氢气泵200'的惰 性气体226'中的氢气含量低于约0.5%。如图4所示，本公开的氢气泵200〃与储氢设备400相连。 适用储氢设备400的非限定性实例包括氢气罐，如IV型压力容器。 一般 技术人员应理解，也可用其它设备(device)来储氢。这类其它设备可 包括，例如，金属氢化物储存设备，基于玻璃微珠的设备、金属-有机框 架设备和基于纳米管的设备。
〖0044]在特定实施方案中，储氩设备400与氢气泵200〃的第二电 极216〃连接。储氢设备400被配置成把氢气进料流402供至第二电极 216〃 。氢气进料流402可包括，例如，基本纯的氬气。应理解，由于 阳极输入流222〃被输送至第一电极214〃 ，所以来自阳极输出流222〃的 水可透过质子交换膜208〃迁移到达第二电极216〃 。笫二电极216〃内 存在水能有效地至少部分湿化来自储氩设备400的氬气进料流402。湿 化氢气进料流402,还有重新结合的氩气224〃 ，可被输送到阳极入口 80〃 。湿化氬气进料流402的方法可包括，首先把来自燃料电池堆 2〃的阳极输出流222〃引进氪气泵200〃的第一电极214〃 。第二，在 氢气泵200〃中的质子交换膜208〃厚度方向上施加电压，从而从阳极 输出流222〃中分离出至少部分氢气224〃 。该部分氢气224〃被氧化并 透过质子交换膜208〃迁移到第二电极216〃 。此外，在阳极输出气体 222〃中存在的水也迁移过质子交换膜208〃并存在于第二电极216〃 内。水起湿化氢气进料流402和重新结合的氢气224〃的作用。湿化的 氢气进料流402和重新结合的氢气224〃被组合成阳极输入流404。在 特定实施方案中，阳极输入流404具有促进燃料电池堆2〃内的质子有 效传导的相对湿度。
如图5所示，本发明的又一个实施方案包括与重整系统和燃 料电池堆2〃'连接的氪气泵200〃'。重整系统包括燃料处理器500和优先 氧化(PROX)装置502。适用的燃料处理器500是本领域已周知的且适用 于部分地氧化或"重整"烃，如汽油。燃料处理器500 —般产生包含氢 气和一氧化碳(CO)的燃料气体的气态混合物("重整流")。适用的优先 氧化装置502也是本领域周知的且适用于从氬气和一氧化碳的气态混合 物中除去一氧化碳。优先氧化装置502可引发，例如， 一氧化碳的催化 氧化并进一步产生惰性的二氧化碳气体226'"。
在说明性实施方案中，氢气泵200'〃被配置成接受来自于优先 氧化装置502的重整流504，该重整流504含氢气224"'和惰性二氧化碳 气体226〃'的混合物。氢气泵200"'还适用于萃取氬气224〃'，如本文所述， 从二氧化碳气体226〃'中分离氢气224'"。在特定实施方案中，分离出来 的氢气224'、皮储存在緩沖或高压容器506内。高压容器506与氬气泵 200〃和燃料电池堆2〃'连接。在一个实施方案中，高压容器506也是储 氢设备400。适用的高压容器506是本领域已知的并可按需要选择。
在又一个实施方案中，高压容器506适用于在燃料电池堆2'〃 的冷启动期间供应储存的氢气224〃'。例如，高压容器506能储存足量 来自于氢气泵200'〃的氢气224'〃，从而能使燃料电池堆2〃'产生至少供启 动阶段用的能量。典型地，高压容器506适用于储存足量氢气224"'以 供燃料电池堆2'"用一段时间，直到燃料处理器500已产生足量氢气 224〃'并可以独立地供应燃料电池堆2'"。作为非限定性实例，高压容器 506的体积为约10L。在又一个非限定性实例中，高压容器506可在燃 料电池堆2〃'操作的开始2 min左右提供足量氬气224〃'以产生最多约120 kW的功率。
本发明还包括操作燃料电池系统的方法。该方法首先包括把 来自燃料处理器500的重整流引进优先氧化装置502的步骤。重整流包 括氢气224'〃和一氧化碳气体。然后一氧化碳气体被氧化成惰性的二氧 化碳气体226'〃。氢气224〃'和惰性二氧化碳气体226'"的混合物被供至按 照本公开的氢气泵200'〃。当在氢气泵200'〃上施加电压时，至少一部分 氢气224'〃被分离出来，以供至燃料电池堆2'〃。在特定实施方案中，氢 气224"'在被供至燃料电池堆2'〃之前，例如在燃料电池堆2'"的启动阶段 期间，被暂时储存在压力容器506内。
应理解，当本发明的氢气泵200是燃料电池堆2上的负载时， 为操作氢气泵200所需的功率可低于燃料电池堆的输出功率，通过用， 例如，电池组或车辆再生动力系统的输出功率为氬气泵200供能，燃料 电池系统的效率^皮进一 步优化。
已意外地发现，在5%或更小的循环率下，在80kW 100kW 系统内，操作至多1.2A/cn^的氢气泵200所需的功率小于约500W。循 环率定义为阳极输入流内的氢气流率除以来自储氢设备的氢气流率再 减去1。当循环率为5%或更小时，惰性气体226中的氢气含量可以为约 0.1 v%~约0.5 v%。应理解，例如可以用其它循环率来优化燃料电池堆 2的功率输出与氬气泵200所消耗的功率之比。
本公开的氢气泵200提供緩解启动-停止退化的手段。而且， 氬气泵200提供湿化氢气进料流402的机会，这正是为适当操作燃料电 池堆2所需要的。还应理解，本发明的氢气泵200代替标准循环泵、排 出阀、催化燃烧器和其它部件，因此优化燃料电池系统的质量和体积。 尤其因为氢气泵200能从惰性气体226(包括氮气在内)分离氬气224,所 以惰性气体226不会积聚在燃料电池堆2内，否则需要排出阀来排除。 由于优化了质量和体积，所以利用本发明的氢气泵200也优化了燃料效 率。
由于氬气泵200排出氬气224，所以无需通常用来燃烧排自 燃料电池堆2的残余氢气的催化燃烧器。这就进一步优化了燃料电池系 统上原本因燃烧过量氢气224而产生的热负载。
虽然为说明本发明而给出了一些代表性实施方案和细节，但 对于本领域的技术人员来说，很显然，可以作各种变化而不偏离本发明的范围，本发明的范围还要在随后所附的权利要求中作进一步描迷。
权利要求
1.燃料电池系统，该系统包含燃料电池堆，包括燃料电池，该燃料电池具有带入口和出口的阳极，以及阴极，和与阳极出口和阳极入口连接并适用于从阳极输出流中的惰性气体分离氢气的氢气泵，该氢气泵包括置于与电源电连接的第一电极和第二电极之间的质子交换膜，其中所述第一电极被配置成接受阳极输出流和排放惰性气体，第二电极被配置成把至少一部分氢气供至阳极入口。
2. 权利要求1的燃料电池系统，所述燃料电池堆包括阴极入口，其 中所迷笫一电极还被配置成在燃料电池堆启动阶段和停止阶段至少之 一期间把至少一部分惰性气体供至阴极入口 。
3. 权利要求2的燃料电池系统，其中所述燃料电池堆包括阀，该阀 -故配置成a) 在启动阶段和停止阶段至少之一期间把惰性气体供至阴极入口 ，和b) 在启动阶段与停止阶段之间的操作阶段期间排放惰性气体。
4. 权利要求1的燃料电池系统，其中所述电源包括燃料电池堆。
5. 权利要求4的燃料电池系统，其中所述氢气泵是燃料电池堆的独 立控制负栽。
6. 操作燃料电池系统的方法，该方法包括下列步骤把来自燃料电池堆的阳极输出流引进氢气泵，其中所迷阳极输出流 包含氬气和惰性气体，所述氢气泵包括置于笫一电极与第二电极之间的 质子交换膜，其中所述笫一电极和笫二电极与电源电连接；在质子交换膜厚度方向上施加电压；从阳极输出流中分离出至少一部分惰性气体；和在燃料电池堆启动阶段和停止阶段至少之一期间把阴极输入流供 至燃料电池堆，所述阴极输入流包含从阳极输出流中分离出来的惰性气 体。
7. 权利要求6的方法，还包括这一步在启动阶段与停止阶段之间 的操作阶段期间排放阴极输入流。
8. 权利要求6的方法，还包括这一步把包含至少一部分来自阳极 输出流的氢气的阳极输入流供至燃料电池堆。
9. 权利要求6的方法，其中所述阳极输入流净皮供至燃料电池的阳极。
10. 权利要求6的方法，其中所述质子交换膜厚度方向上的电压燃料 由电池i,施力口。
11 .权利要求6的方法，其中所述从阳极输出流中分离惰性气体包括 把氢气氧化成一定量的质子和一定量的电子。
12. 权利要求6的方法，其中所述阴极输入流的氢气含量少于约4wt%。
13. 权利要求6的方法，其中所述阴极输入流緩解燃料电池堆的启动 -停止退化。
14. 权利要求13的方法，其中所述启动-停止退化包括阴极的腐蚀。
15. 操作燃料电池系统的方法，该方法包括下列步骤把来自燃料电池堆的阳极输出流引进氪气泵，其中所迷阳极输出流 包含氢气，所述氢气泵包括置于第一电极与第二电极之间的质子交换 膜，其中所述笫一电极和笫二电极与电源电连接；在质子交换膜厚度方向上施加电压；从阳极输出流中分离出至少一部分氢气； 湿化氬气进料流；和把包含湿化氢气进料流和一部分来自阳极输出流的氢气的阳极输 入流供至燃料电池堆。
16. 权利要求15的方法，所述阳极输出流还包含水，其中用阳极输 出流湿化氬气进料流。
17. 权利要求16的方法，其中所述氢气进料流由储氩设备供应。
18. 燃料电池系统，该系统包含燃料电池堆，其包含燃料电池，该燃料电池具有带阳极入口和阳极 出口的阳极；适于从烃源产生重整流的燃料处理器，该重整流包含氢气和一氧化 碳气体；与燃料处理器连接并被配置成氧化一氧化碳气体且形成二氧化碳 气体的优先氧化装置；和与优先氧化装置连接的氢气泵，该氬气泵包括置于第一电极与第二 电极之间的质子交换膜，其中所述第一和第二电极与电源电连接，氢气 泵适于接受和分离氢气和二氧化碳气体，其中所述氢气泵还被配置成把氬气供至燃料电池堆的阳极入口。
19. 权利要求18的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包含与氢 气泵和燃料电池堆连接的压力容器，所述压力容器被配置成接受来自氢气泵的氢气并按需要把氢气供至压力容器。
20. 操作燃料电池系统的方法，该方法包括下列步骤把来自燃料处理器的重整流引进优先氧化装置，所述重整流包含氢 气和一氧化碳气体；把 一 氧化碳气体氧化成二氧化碳气体；向氩气泵提供氬气和二氧化碳气体，该氢气泵包括置于第一电极与 第二电极之间的质子交换膜，其中所述第 一 和第二电极与电源电连接； 在质子交换膜厚度方向施加电压； 把至少部分氢气与二氧化碳分离；和 把氢气供至燃料电池堆。
全文摘要
本发明涉及从燃料电池废气流中回收惰性气体。提供包含燃料电池堆的燃料电池系统，该燃料电池堆含燃料电池并有阳极、阳极出口、阳极入口和阴极。燃料电池系统还包含与阳极出口和阳极入口连接的氢气泵。氢气泵以置于第一电极与第二电极之间的质子交换膜为特征。第一电极被配置成接受来自阳极出口的阳极输出流，该阳极输出流包含氢气和惰性气体，第一电极被配置成排放惰性气体。在一个实施方案中，氢气泵与PROX装置连接，并被配置成把氢气供至燃料电池堆。还提供使用氢气泵的方法，其中燃料电池的启动-停止退化受到缓解以及氢气进料流被湿化。
文档编号H01M8/06GK101325263SQ200810098578
公开日2008年12月17日 申请日期2008年5月22日 优先权日2007年5月22日
发明者B·拉克什马南, D·A·马斯藤, G·R·伍迪, H·A·加斯泰格, M·M·费, M·维尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司