專利名稱：從燃料電池廢氣流中回收惰性氣體的制作方法
從燃料電池廢氣流中回收惰性氣體 技術(shù)領(lǐng)域[OOOl]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更具體地，涉及緩解啟動-停止退 化和濕化燃料電池組件內(nèi)氫燃料的方法。
背景技術(shù)：
人們已提出把燃料電池作為電動車輛和多種其它應(yīng)用的清 潔、有效和環(huán)境友好的電源。燃料電池的一個實例是質(zhì)子交換膜(PEM) 燃料電池。PEM燃料電池包括膜-電極-組件(MEA), —般包含薄的固體 聚合物膜-電解質(zhì)，在膜電解質(zhì)兩個面上都有 一個帶催化劑的電極，例如， 陽才及或陰才及。
MEA—般包含多孔導(dǎo)電材料，也稱作氣體擴散介質(zhì)，它們還 形成陽極和陰極層。燃料，如氬氣，在陽極上引進，在這里它在催化劑 存在下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子通過電路從陽極導(dǎo)至陰 極。同時，質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極，在那里氧化劑，如氧或空氣，在 催化劑存在下與電子和質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水。
MEA —般置于一對電導(dǎo)的接觸元件或雙極板之間，以完成單 個PEM燃料電池。雙極板起陽極和陰極電流收集器的作用，并含有在 其中形成的適當(dāng)流道和開口，以把燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物(即H2 & 02/ 空氣)分配到各電極表面上。雙極板可通過把2個含有在其上形成流動分 布場的單極板粘結(jié)在一起而組裝起來。雙極板一般還包括入口集管和出 口集管，當(dāng)它們被排布在燃料電池堆中時，形成內(nèi)部的供給和排氣歧管， 用來導(dǎo)引燃料電池的氣體反應(yīng)物來往于多個陽極和陰極。雙極板也可以 包括用來分布液態(tài)冷卻劑的流動分布場及入口集管和出口集管。
該技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)可以用氫氣循環(huán)系統(tǒng)來減少排自燃料 電池堆的氫氣。從效率觀點看，減少廢氣中的氫氣含量是理想的，因為 氫氣仍可被用作燃料電池內(nèi)的氣態(tài)反應(yīng)物。因為環(huán)境原因，減少氫氣的 排放也是理想的。
Barbir等在U.S.專利6,994,929中報告了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 含電化學(xué)氫氣壓縮器，它以電化學(xué)方式從副產(chǎn)物中分離出氬氣并把氯氣循環(huán)回燃料電池。Yang等在U.S.專利6，999，610中報告的陽極循環(huán)系統(tǒng) 也是已知的，它包括一個泵，用來排放來自燃料電池的過量氫氣并返還 進入供氫管道，以與新鮮氫氣相混合。
氫氣循環(huán)一般繼續(xù)到過量的非反應(yīng)性或惰性氣體，如氮氣， 積聚到不理想的水平。在預(yù)定水平下，惰性氣體可把氣態(tài)反應(yīng)物的濃度 限制在可能出現(xiàn)燃料電池反應(yīng)物不足的程度上。氮氣可通過，例如，從 用空氣為氧化劑的陰極穿越至陽極而積聚。傳統(tǒng)的氫氣循環(huán)系統(tǒng)可包括 排出閥，它在達到不理想的氮氣水平前釋放循環(huán)陽極氣體。
此外，眾所周知，在電池的起、止當(dāng)時及其間，陰極上存在 空氣和陽極上存在氬氣-空氣前緣可造成不理想的電位。例如，在啟動或 停止時，陰極上存在空氣可導(dǎo)致陰極上的高電位。這會使碳氧化并造成 性能下降。尤其含碳基材的電極的腐蝕，在其中形成表面氧化物、CO 和C02,是一個問題。所有這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為燃料電池"啟動-停止退化"。
授予Goebel的U.S.專利6,939,633報告，燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的 啟動"亭止退4t可通過把陰才孔氣體和對昨出氪氣一^^培環(huán)通i丈陰招、而祐-緩解。循環(huán)陰極氣體造成循環(huán)氣體內(nèi)殘余氧氣之間的反應(yīng)，直到基本上所 有的氧都已反應(yīng)完，在陰極內(nèi)留下基本無氧的大部分氮化合物。此外，在授予Condit等的U.S.專利6,635,370中已公開，惰性氣體，如氮氣， 可緊接著電池的啟動或停止，被用來清掃陽極和陰極流場。所迷清掃鈍 化電極，從而盡量減少電池性能的下降。這類系統(tǒng)通過抑制形成原本可 能損傷燃料電池催化劑或催化劑載體的不理想電壓而緩解啟動-停止退 化，也稱作啟動-停止緩解。
還已知道，燃料電池內(nèi)的膜需要有 一定的相對濕度才能把膜 厚方向上的離子電阻保持在有效傳導(dǎo)質(zhì)子所需的范圍內(nèi)。 一般而言，如 果濕度太低，則PEM將會脫水并造成燃料電池的質(zhì)子電阻上升而電壓 下降。這可導(dǎo)致燃料電池預(yù)期生命周期的縮短。另一方面，如果濕度太 高，則流道可被積聚的水堵塞，即稱作"滯留"的現(xiàn)象。水的滯留可妨 礙或阻止氣態(tài)反應(yīng)物的流動并嚴重影響燃料電池的性能。
—直需要排放積聚的惰性氣體和盡量減少燃料電池堆的啟動 -停止退化而無需用傳統(tǒng)的罐、泵、閥和相關(guān)組件，所有這些組件都會影 響燃料電池系統(tǒng)的重量、體積或復(fù)雜性。理想地，該方法將包括濕化氣 態(tài)反應(yīng)物，尤其被供至燃料電池堆陽極層的氫氣的可能性。
發(fā)明內(nèi)容
按照本公開，意外地發(fā)現(xiàn)了排放積聚的惰性氣體、緩解燃料 電池啟動-停止退化，濕化氬氣進料流和優(yōu)化系統(tǒng)重量和體積的燃料電池 系統(tǒng)。在一個實施方案中，燃料電池系統(tǒng)配置有燃料電池堆，該燃 料電池堆包括含有陽極和陰極的燃料電池，燃料電池堆還包括陽極出口 和陽極入口及陰極。燃料電池系統(tǒng)包括與陽極出口和陽極入口連接的氬 氣泵，所述氬氣泵包括質(zhì)子交換膜。所迷質(zhì)子交換膜置于與電源電連接 的笫一電極與第二電極之間。笫一電極被配置成接受含來自陽極出口的 氫氣和惰性氣體的陽極輸出流以及第二電極被配置成把至少部分氫氣 供至陽極入口。第一電極也被配置成排放惰性氣體。在另一個實施方案中，提供包括燃料電池堆、適合于從氫源 產(chǎn)生包括氫氣和一氧化碳氣體的重整流的燃料處理器、與燃料處理器電 連接并被配置成把一氧化碳氣體氧化成二氧化碳氣體的優(yōu)先氧化裝置 以及與優(yōu)先氧化裝置連接的氬氣泵。氬氣泵適合于接受和^^離來自優(yōu)先
氧化裝置的氫氣和二氧化碳氣體。氳氣泵還被配置成向燃料電池堆供應(yīng) 氬氣。在又一個實施方案中，描述了操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該 方法包括首先把來自燃料電池堆的陽極輸出流引進氫氣泵，其中陽極輸 出流包含氫氣和惰性氣體。第二，在氫氣泵的質(zhì)子交換膜厚度方向上 (across the proton exchange membrane)施力口電壓并從陽極輸出流中分離 出至少部分惰性氣體。笫三，在燃料電池堆的啟動階段和/或終止階段期 間向燃料電池堆供應(yīng)包含惰性氣體的陰極輸入流。提供操作燃料電池系統(tǒng)的另 一種方法，該方法包括把來自燃 料電池堆的陽極輸出流引進氫氣泵，在氫氣泵質(zhì)子交換膜的厚度方向上 施加電壓，從陽極輸出流中分離出至少部分氫氣并濕化來自，例如，儲 氬設(shè)備的氫氣進料流。該方法還包括把包含濕化氫氣進料流的陽極輸入 流供至燃料電池堆。操作燃料電池系統(tǒng)又一種方法包括把來自燃料處理器的包含 氫氣和一氧化碳氣體的重整流？ 1進優(yōu)先氧化裝置，把一氧化碳氣體氧化 成二氧化碳氣體，向氫氣泵提供氫氣和二氧化碳氣體，在質(zhì)子交換膜厚 度方向上施加電壓，使至少部分氫氣與二氧化碳氣體相分離，以及向燃料電池堆供應(yīng)氫氣。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，從以下的詳述，尤其在根據(jù)下 面所述的附圖考慮時，本公開的上述和其它優(yōu)點將變得顯而易見。圖1給出PEM燃料電池堆的部件分解示意圖(僅示出2個電池)。圖2是示意按照本發(fā)明實施方案的氫氣泵的流程示意圖；
圖3是示意圖2中氬氣泵的流程示意圖，還示出與PEM燃料
電池堆陰極入口的關(guān)系；圖4是示意圖2中氫氣泵的流程示意圖，還示出與儲氫設(shè)備
的關(guān)系；和圖5是示意與重整系統(tǒng)連接的氬氣泵的流程示意圖。
具體實施例方式以下的描述本質(zhì)上僅是舉例性的，無意限制本公開、應(yīng)用或 用途。還應(yīng)理解，在所有附圖中，相應(yīng)參考數(shù)字表示類似或?qū)?yīng)的部件 和特點。關(guān)于公開的方法，所給出的步驟本質(zhì)上是舉例性的，因此并非 必不可少或關(guān)鍵性的。為簡單起見，下面僅說明和描述一個2-電池堆(即一塊雙招_ 板)，應(yīng)理解，典型堆將含有遠多于此的這類電池和雙極板。同樣為簡單 起見，下面僅說明和描述一個燃料電池堆(即一定數(shù)量串聯(lián)的燃料電池)。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還應(yīng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以用不止一個燃 誶牛電池堆，例如雙-堆系統(tǒng)。圖1表示有一對彼此被導(dǎo)電雙極板8隔開的MEA4,6的2-電 池雙極PEM燃料電池堆2。 MEA4, 6和雙極板8—起堆疊在一對夾板 10, 12和一對單極端板14, 16之間。夾板10, 12與端板14, 16被墊 片或介電涂層(未示出)電絕緣。單極端板14，16以及雙極板8的兩個工 作面包括4艮多個限定流場的槽或通道18， 20, 22, 24,以便于把燃料和 氧化劑氣體(即H2和02/空氣)分配到MEA4，6的面上。非導(dǎo)電墊片26, 28, 30, 32提供燃料電池堆中幾個部件之間的密封和電絕緣。透氣擴散 介質(zhì)34, 36， 38, 40，例如，碳/石墨擴散紙，靠近MEA4,6的陽極面和陰極面。端板14, 16分別靠近擴散介質(zhì)34,40，而雙極板8靠近MEA 4的陽極面上的擴散介質(zhì)36和靠近MEA6的陰極面上的擴散介質(zhì)38。氧化劑氣體通過陰極入口導(dǎo)線管82供至燃料電池堆2的空氣 供應(yīng)歧管72。氫氣通過陽極入口導(dǎo)線管80供至氫氣供應(yīng)歧管76。陽極 出口導(dǎo)線管84和陰極出口導(dǎo)線管86也分別用作H2和空氣的排放歧管。 冷卻劑入口導(dǎo)線管88和冷卻劑出口導(dǎo)線管90也分別用來把液態(tài)冷卻劑 供至冷卻劑入口歧管75或把冷卻劑排自冷卻劑出口歧管77。應(yīng)理解， 圖1 ~圖4中的多個入口 80, 82， 88和出口 84, 86, 90的構(gòu)型都是為 了說明，可按需要選擇其它構(gòu)型?，F(xiàn)在參考圖2,圖中給出了按照本公開的氫氣泵200的示意 圖。應(yīng)理解，盡管為說明目的只示出一個氫氣泵，可按需要使用其它氫 氣泵200。例如，在本發(fā)明范圍內(nèi)可用一個或者串聯(lián)或并聯(lián)的多個氫氣 泵。氫氣泵200的結(jié)構(gòu)和操作與燃料電池堆2的類似，但不引進 氧化劑氣體。例如，氫氣泵200包括氬氣泵MEA202,后者含擴散介質(zhì) 204,206和置于它們之間的PEM 208。作為一個非限定性實例，擴散介 質(zhì)204,206包括可滲氣材料，如碳或石墨擴散紙。 一般技術(shù)人員應(yīng)理解， 可按需要使用其它材料作為擴散介質(zhì)204, 206。PEM 208有笫一面210和第二面212。包括催化劑的笫一電 極214放在面210上。含有催化劑的第二電極216放在面212上。笫一 電極214和笫二電極216與電源205電連接。技術(shù)人員應(yīng)理解，在第一 電極214上可發(fā)生氧化反應(yīng)(H2 — 2H+十2e-),在其中氫氣224被氧化成一定 量的質(zhì)子和一定量的電子。此外，在第二電極216上，可發(fā)生還原反應(yīng) (2H++2e- —H2),在其中重新結(jié)合成氫氣224。應(yīng)理解，由于在氫氣泵200內(nèi)的氧化和還原反應(yīng)都涉及氫反 應(yīng)，所以笫一和笫二電極214,216的催化劑載量可以低于使用氧化劑氣 體的燃料電池一般所需的量。在特定實施方案中，笫一和笫二電極 214,216包括的催化劑量小于約0.1 mg/cm2。在本發(fā)明的一個實施方案 中，催化劑載量為約0.05mg/cm2。在本公開的又一個實施方案中，催化 劑載量為約0.01 mg/cm2。氫氣泵200還包括靠近擴散介質(zhì)204, 206放置的導(dǎo)電端板 218， 220。導(dǎo)電端澤反218, 220各有在其上形成的分配氣體的流場(未示出)。類似于燃料電池堆2的端板14, 16,在氫氣泵200的導(dǎo)電端板218, 220中所形成的流場可包括一個或多個槽或流體通道(未示出)，以便于 分配氣態(tài)反應(yīng)物。氫氣泵200與燃料電池堆2的陽極入口 80和陽極出口 84連 接。氫氣泵200的第一電極214被配置成接受來自陽極出口 84的陽極 輸出流222。陽極輸出流可包含氫氣224和一種或多種惰性氣體226, 如氮氣和二氧化碳氣體。陽極輸出流222也可包含水。第一電極214被配置成排放至少一部分來自燃料電池系統(tǒng)的 惰性氣體226。惰性氣體226 —般被排至氫氣泵200以外的大氣中。在 另一個實施方案中，來自笫二電極216的氬氣224可與陰極輸出流86 結(jié)合并凈皮排出。第二電極216^皮配置成把供自陽極輸出流222的至少一 部分氬氣224供至陽極入口 80，在這里氬氣224可被用作燃料電池堆2 的燃料。在又一個實施方案中，與惰性氣體226分離的至少一部分氬氣 224受氬氣泵200壓縮和儲存，以供至陽極入口 80。作為一個非限定性 實例5分離出來的氫氣224被、壓縮到壓力為至少約100 bar并被儲存在 緩沖或高壓容器內(nèi)(示于圖5中)。第一電極214和第二電極216與電源205電連接。電源205 一般是直流電源。例如，電源205可包括電池組。在又一個實施方案中， 電源包括車輛再生動力系統(tǒng)，例如，回收車輛制動操作期間的動能并以 電形式儲存該能量的再生制動系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個實施方案中，電源 205包括燃料電池堆2。在又一個實施方案中，氫氣泵200起燃料電池 堆2獨立控制負載的作用。作為獨立控制的負載，氬氣泵200不作為燃 料電池堆2的零件安排，即一個或多個氫氣泵200不作為電池分立地放 置貫穿在燃料電池堆2中。相反，應(yīng)理解，起獨立控制負載作用的氫氣 泵200,不是與一個個燃料電池直接電接觸，而是作為整體構(gòu)成燃料電 池堆2的負載。例如，把氬氣泵200放在燃料電池堆2的陽極出口導(dǎo)線 管84的下游。來自電源205的直流電可施在質(zhì)子交換膜208的厚度方向上， 以"泵汲"質(zhì)子穿過該膜。在特定實施方案中，在質(zhì)子交換膜208厚度 方向上施加電流時，存在于陽才及輸出流222內(nèi)的氬氣224在笫一電才及214 上氧化。氧化使氫離子(質(zhì)子)從第一電極214透過膜208到達第二電極 216,同時電子通過電源205到達笫二電極216。在笫二電極216上，穿過質(zhì)子交換膜208的氫離子與電子重新結(jié)合而再形成氫氣224。水和惰 性氣體，包括氮氣在內(nèi)，可經(jīng)由排氣導(dǎo)線管(未示出)排自第一電極214。
參考圖3和4,它們示意本發(fā)明的其它實施方案。復(fù)制于圖1 的類似結(jié)構(gòu)包括相同的參考數(shù)字，但帶有上標(biāo)(prime)(')、(〃 ) 或("')。如圖3所示，氬氣泵200'與陰極入口 82'連接。在說明性實施 方案中，氫氣泵200'被配置成在燃料電池堆2'的啟動階段和/或停止階段 期間，把來自陽極輸出流222'的至少一部分惰性氣體226'供至陰極入口 82'。在特定實施方案中，第一電極214'與陰極入口 82'連接并被配置成 把從陽極輸出流222'中分離出來的惰性氣體226'作為保護性氣氛供至燃 料電池堆2'的陰極82'以供啟動階段和/或停止階段用。如本文所用，術(shù)語啟動階段定義為包括燃料電池堆2'在其間 被活化或啟動的一段時間。該活化可包括，例如，把氣態(tài)反應(yīng)物引進燃 料電池堆2'以及把氣態(tài)反應(yīng)物引進燃料電池堆2'前后的一小段時間。同 樣，術(shù)語停止階段定義為包括燃料電池堆2'在其間承t鈍化的一，敬時間。 該鈍化可包括，例如，中斷把氣態(tài)反應(yīng)物引進燃料電池堆2'以及中斷前 后的一小段時間。此外，在其間向燃料電池堆2'供應(yīng)氣態(tài)反應(yīng)物和/或施 加負載的操作階段，例如，臨時位于啟動階段與停止階段之間。在一個實施方案中，燃料電池系統(tǒng)包括至少一個放在第一電 極214'和陰極入口 82'之間的閥300。如圖所示，閥300是3通閥，雖然 也可按需要采用其它閥類或閥組。閥300被配置成在燃料電池堆2'的啟 動階段和/或停止階段期間向陰極入口 82'供應(yīng)惰性氣體226'。此外，閥 300被配置成在操作階段期間排放惰性氣體226'。因此，只有當(dāng)需要存 在惰性氣體226'來抑制啟動-停止退化時，才把惰性氣體226'供至燃料電 池堆2'的陰極。應(yīng)理解，也可用其它方法來向陰極入口 82'供給惰性氣體 226'。應(yīng)理解，本發(fā)明的氫氣泵200'可用來緩解燃料電池堆2'的啟 動-停止退化。這一方法包括把來自燃料電池堆2'的陽極輸出流222'引進 氬氣泵200',其中所述陽極輸出流包括氫氣224'和惰性氣體226'。例如， 氫氣泵200'的質(zhì)子交換膜208'厚度方向上的電壓施自電池組或燃料電池 堆2'。施壓的結(jié)果，使至少一部分惰性氣體226'從陽極輸出流222'中分 離出來。尤其陽極輸出流222'內(nèi)的氫氣224'被氧化并被排出陽極輸出流222',留下惰性氣體226'為殘留物。然后在啟動階段和/或停止階段期間， 惰性氣體226'被供至燃料電池堆2'的陰極入口 82'。惰性氣體226'覆蓋或 籠罩燃料電池堆2'的陰極，置換存在的所有空氣或氧氣并緩解啟動-停止 退化。該退化可包括，例如，燃料電池堆2'陰極的氧化性腐蝕。但是，當(dāng)燃料電池堆2'處于操作階段時，惰性氣體226'被排 到燃料電池堆2'和氫氣泵200'以外的氣氛中。惰性氣體226'中的氫氣含 量一般低于約4%,或低于爆炸極限。在特定實施方案中，惰性氣體226' 中的氫氣含量低于約1%。在說明性實施方案中，排自氫氣泵200'的惰 性氣體226'中的氫氣含量低于約0.5%。如圖4所示，本公開的氫氣泵200〃與儲氫設(shè)備400相連。 適用儲氫設(shè)備400的非限定性實例包括氫氣罐，如IV型壓力容器。 一般 技術(shù)人員應(yīng)理解，也可用其它設(shè)備(device)來儲氫。這類其它設(shè)備可 包括，例如，金屬氫化物儲存設(shè)備，基于玻璃微珠的設(shè)備、金屬-有機框 架設(shè)備和基于納米管的設(shè)備。
〖0044]在特定實施方案中，儲氬設(shè)備400與氫氣泵200〃的第二電 極216〃連接。儲氫設(shè)備400被配置成把氫氣進料流402供至第二電極 216〃 。氫氣進料流402可包括，例如，基本純的氬氣。應(yīng)理解，由于 陽極輸入流222〃被輸送至第一電極214〃 ，所以來自陽極輸出流222〃的 水可透過質(zhì)子交換膜208〃遷移到達第二電極216〃 。笫二電極216〃內(nèi) 存在水能有效地至少部分濕化來自儲氬設(shè)備400的氬氣進料流402。濕 化氫氣進料流402,還有重新結(jié)合的氬氣224〃 ，可被輸送到陽極入口 80〃 。濕化氬氣進料流402的方法可包括，首先把來自燃料電池堆 2〃的陽極輸出流222〃引進氪氣泵200〃的第一電極214〃 。第二，在 氫氣泵200〃中的質(zhì)子交換膜208〃厚度方向上施加電壓，從而從陽極 輸出流222〃中分離出至少部分氫氣224〃 。該部分氫氣224〃被氧化并 透過質(zhì)子交換膜208〃遷移到第二電極216〃 。此外，在陽極輸出氣體 222〃中存在的水也遷移過質(zhì)子交換膜208〃并存在于第二電極216〃 內(nèi)。水起濕化氫氣進料流402和重新結(jié)合的氫氣224〃的作用。濕化的 氫氣進料流402和重新結(jié)合的氫氣224〃被組合成陽極輸入流404。在 特定實施方案中，陽極輸入流404具有促進燃料電池堆2〃內(nèi)的質(zhì)子有 效傳導(dǎo)的相對濕度。
如圖5所示，本發(fā)明的又一個實施方案包括與重整系統(tǒng)和燃 料電池堆2〃'連接的氪氣泵200〃'。重整系統(tǒng)包括燃料處理器500和優(yōu)先 氧化(PROX)裝置502。適用的燃料處理器500是本領(lǐng)域已周知的且適用 于部分地氧化或"重整"烴，如汽油。燃料處理器500 —般產(chǎn)生包含氫 氣和一氧化碳(CO)的燃料氣體的氣態(tài)混合物("重整流")。適用的優(yōu)先 氧化裝置502也是本領(lǐng)域周知的且適用于從氬氣和一氧化碳的氣態(tài)混合 物中除去一氧化碳。優(yōu)先氧化裝置502可引發(fā)，例如， 一氧化碳的催化 氧化并進一步產(chǎn)生惰性的二氧化碳氣體226'"。
在說明性實施方案中，氫氣泵200'〃被配置成接受來自于優(yōu)先 氧化裝置502的重整流504，該重整流504含氫氣224"'和惰性二氧化碳 氣體226〃'的混合物。氫氣泵200"'還適用于萃取氬氣224〃'，如本文所述， 從二氧化碳氣體226〃'中分離氫氣224'"。在特定實施方案中，分離出來 的氫氣224'、皮儲存在緩沖或高壓容器506內(nèi)。高壓容器506與氬氣泵 200〃和燃料電池堆2〃'連接。在一個實施方案中，高壓容器506也是儲 氫設(shè)備400。適用的高壓容器506是本領(lǐng)域已知的并可按需要選擇。
在又一個實施方案中，高壓容器506適用于在燃料電池堆2'〃 的冷啟動期間供應(yīng)儲存的氫氣224〃'。例如，高壓容器506能儲存足量 來自于氫氣泵200'〃的氫氣224'〃，從而能使燃料電池堆2〃'產(chǎn)生至少供啟 動階段用的能量。典型地，高壓容器506適用于儲存足量氫氣224"'以 供燃料電池堆2'"用一段時間，直到燃料處理器500已產(chǎn)生足量氫氣 224〃'并可以獨立地供應(yīng)燃料電池堆2'"。作為非限定性實例，高壓容器 506的體積為約10L。在又一個非限定性實例中，高壓容器506可在燃 料電池堆2〃'操作的開始2 min左右提供足量氬氣224〃'以產(chǎn)生最多約120 kW的功率。
本發(fā)明還包括操作燃料電池系統(tǒng)的方法。該方法首先包括把 來自燃料處理器500的重整流引進優(yōu)先氧化裝置502的步驟。重整流包 括氫氣224'〃和一氧化碳氣體。然后一氧化碳氣體被氧化成惰性的二氧 化碳氣體226'〃。氫氣224〃'和惰性二氧化碳氣體226'"的混合物被供至按 照本公開的氫氣泵200'〃。當(dāng)在氫氣泵200'〃上施加電壓時，至少一部分 氫氣224'〃被分離出來，以供至燃料電池堆2'〃。在特定實施方案中，氫 氣224"'在被供至燃料電池堆2'〃之前，例如在燃料電池堆2'"的啟動階段 期間，被暫時儲存在壓力容器506內(nèi)。
應(yīng)理解，當(dāng)本發(fā)明的氫氣泵200是燃料電池堆2上的負載時， 為操作氫氣泵200所需的功率可低于燃料電池堆的輸出功率，通過用， 例如，電池組或車輛再生動力系統(tǒng)的輸出功率為氬氣泵200供能，燃料 電池系統(tǒng)的效率^皮進一 步優(yōu)化。
已意外地發(fā)現(xiàn)，在5%或更小的循環(huán)率下，在80kW 100kW 系統(tǒng)內(nèi)，操作至多1.2A/cn^的氫氣泵200所需的功率小于約500W。循 環(huán)率定義為陽極輸入流內(nèi)的氫氣流率除以來自儲氫設(shè)備的氫氣流率再 減去1。當(dāng)循環(huán)率為5%或更小時，惰性氣體226中的氫氣含量可以為約 0.1 v%~約0.5 v%。應(yīng)理解，例如可以用其它循環(huán)率來優(yōu)化燃料電池堆 2的功率輸出與氬氣泵200所消耗的功率之比。
本公開的氫氣泵200提供緩解啟動-停止退化的手段。而且， 氬氣泵200提供濕化氫氣進料流402的機會，這正是為適當(dāng)操作燃料電 池堆2所需要的。還應(yīng)理解，本發(fā)明的氫氣泵200代替標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)泵、排 出閥、催化燃燒器和其它部件，因此優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。 尤其因為氫氣泵200能從惰性氣體226(包括氮氣在內(nèi))分離氬氣224,所 以惰性氣體226不會積聚在燃料電池堆2內(nèi)，否則需要排出閥來排除。 由于優(yōu)化了質(zhì)量和體積，所以利用本發(fā)明的氫氣泵200也優(yōu)化了燃料效 率。
由于氬氣泵200排出氬氣224，所以無需通常用來燃燒排自 燃料電池堆2的殘余氫氣的催化燃燒器。這就進一步優(yōu)化了燃料電池系 統(tǒng)上原本因燃燒過量氫氣224而產(chǎn)生的熱負載。
雖然為說明本發(fā)明而給出了一些代表性實施方案和細節(jié)，但 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很顯然，可以作各種變化而不偏離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍還要在隨后所附的權(quán)利要求中作進一步描迷。
權(quán)利要求
1.燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含燃料電池堆，包括燃料電池，該燃料電池具有帶入口和出口的陽極，以及陰極，和與陽極出口和陽極入口連接并適用于從陽極輸出流中的惰性氣體分離氫氣的氫氣泵，該氫氣泵包括置于與電源電連接的第一電極和第二電極之間的質(zhì)子交換膜，其中所述第一電極被配置成接受陽極輸出流和排放惰性氣體，第二電極被配置成把至少一部分氫氣供至陽極入口。
2. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池堆包括陰極入口，其 中所迷笫一電極還被配置成在燃料電池堆啟動階段和停止階段至少之 一期間把至少一部分惰性氣體供至陰極入口 。
3. 權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池堆包括閥，該閥 -故配置成a) 在啟動階段和停止階段至少之一期間把惰性氣體供至陰極入口 ，和b) 在啟動階段與停止階段之間的操作階段期間排放惰性氣體。
4. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電源包括燃料電池堆。
5. 權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氫氣泵是燃料電池堆的獨 立控制負栽。
6. 操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括下列步驟把來自燃料電池堆的陽極輸出流引進氫氣泵，其中所迷陽極輸出流 包含氬氣和惰性氣體，所述氫氣泵包括置于笫一電極與第二電極之間的 質(zhì)子交換膜，其中所述笫一電極和笫二電極與電源電連接；在質(zhì)子交換膜厚度方向上施加電壓；從陽極輸出流中分離出至少一部分惰性氣體；和在燃料電池堆啟動階段和停止階段至少之一期間把陰極輸入流供 至燃料電池堆，所述陰極輸入流包含從陽極輸出流中分離出來的惰性氣 體。
7. 權(quán)利要求6的方法，還包括這一步在啟動階段與停止階段之間 的操作階段期間排放陰極輸入流。
8. 權(quán)利要求6的方法，還包括這一步把包含至少一部分來自陽極 輸出流的氫氣的陽極輸入流供至燃料電池堆。
9. 權(quán)利要求6的方法，其中所述陽極輸入流凈皮供至燃料電池的陽極。
10. 權(quán)利要求6的方法，其中所述質(zhì)子交換膜厚度方向上的電壓燃料 由電池i,施力口。
11 .權(quán)利要求6的方法，其中所述從陽極輸出流中分離惰性氣體包括 把氫氣氧化成一定量的質(zhì)子和一定量的電子。
12. 權(quán)利要求6的方法，其中所述陰極輸入流的氫氣含量少于約4wt%。
13. 權(quán)利要求6的方法，其中所述陰極輸入流緩解燃料電池堆的啟動 -停止退化。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中所述啟動-停止退化包括陰極的腐蝕。
15. 操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括下列步驟把來自燃料電池堆的陽極輸出流引進氪氣泵，其中所迷陽極輸出流 包含氫氣，所述氫氣泵包括置于第一電極與第二電極之間的質(zhì)子交換 膜，其中所述笫一電極和笫二電極與電源電連接；在質(zhì)子交換膜厚度方向上施加電壓；從陽極輸出流中分離出至少一部分氫氣； 濕化氬氣進料流；和把包含濕化氫氣進料流和一部分來自陽極輸出流的氫氣的陽極輸 入流供至燃料電池堆。
16. 權(quán)利要求15的方法，所述陽極輸出流還包含水，其中用陽極輸 出流濕化氬氣進料流。
17. 權(quán)利要求16的方法，其中所述氫氣進料流由儲氬設(shè)備供應(yīng)。
18. 燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含燃料電池堆，其包含燃料電池，該燃料電池具有帶陽極入口和陽極 出口的陽極；適于從烴源產(chǎn)生重整流的燃料處理器，該重整流包含氫氣和一氧化 碳氣體；與燃料處理器連接并被配置成氧化一氧化碳氣體且形成二氧化碳 氣體的優(yōu)先氧化裝置；和與優(yōu)先氧化裝置連接的氫氣泵，該氬氣泵包括置于第一電極與第二 電極之間的質(zhì)子交換膜，其中所述第一和第二電極與電源電連接，氫氣 泵適于接受和分離氫氣和二氧化碳氣體，其中所述氫氣泵還被配置成把氬氣供至燃料電池堆的陽極入口。
19. 權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)包含與氫 氣泵和燃料電池堆連接的壓力容器，所述壓力容器被配置成接受來自氫氣泵的氫氣并按需要把氫氣供至壓力容器。
20. 操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括下列步驟把來自燃料處理器的重整流引進優(yōu)先氧化裝置，所述重整流包含氫 氣和一氧化碳氣體；把 一 氧化碳氣體氧化成二氧化碳氣體；向氬氣泵提供氬氣和二氧化碳氣體，該氫氣泵包括置于第一電極與 第二電極之間的質(zhì)子交換膜，其中所述第 一 和第二電極與電源電連接； 在質(zhì)子交換膜厚度方向施加電壓； 把至少部分氫氣與二氧化碳分離；和 把氫氣供至燃料電池堆。
全文摘要
本發(fā)明涉及從燃料電池廢氣流中回收惰性氣體。提供包含燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池堆含燃料電池并有陽極、陽極出口、陽極入口和陰極。燃料電池系統(tǒng)還包含與陽極出口和陽極入口連接的氫氣泵。氫氣泵以置于第一電極與第二電極之間的質(zhì)子交換膜為特征。第一電極被配置成接受來自陽極出口的陽極輸出流，該陽極輸出流包含氫氣和惰性氣體，第一電極被配置成排放惰性氣體。在一個實施方案中，氫氣泵與PROX裝置連接，并被配置成把氫氣供至燃料電池堆。還提供使用氫氣泵的方法，其中燃料電池的啟動-停止退化受到緩解以及氫氣進料流被濕化。
文檔編號H01M8/06GK101325263SQ200810098578
公開日2008年12月17日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者B·拉克什馬南, D·A·馬斯藤, G·R·伍迪, H·A·加斯泰格, M·M·費, M·維爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司