專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和啟動方法
燃料電池系統(tǒng)和啟動方法技術(shù)領(lǐng)域0001本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，更具體地講涉及一種用于啟動該燃料電池系統(tǒng)的方法。
技術(shù)背景0002燃料電池已經(jīng)建議作為用于電動車輛和其它各種應(yīng)用的清潔、高效和環(huán) 保的能源。特別是，燃料電池己經(jīng)被確定為現(xiàn)im車中4頓的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的潛 在靴能源。0003燃料電池的常見鄉(xiāng)是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。i^PEM燃料電池包 括三個(gè)基本部件陰極、陽極和電解質(zhì)薄膜。該陰極和陽纟鵬常包括支撐在碳 顆粒上且混合有離聚物的細(xì)碎的催化劑，例如鉑。該電解質(zhì)薄膜夾在該陰極和 該陽&t間以形成薄膜電極組^(MEA)0該MEAJ1常置于多孔擴(kuò)散介質(zhì)(DM) 之間，該擴(kuò)散介質(zhì)用于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的氣體反應(yīng)物的供應(yīng)， 一般是氫氣 和空氣中的氧。單獨(dú)的燃料電池串聯(lián)堆疊在一起以形^M料電池堆。該燃料電 池堆肖,產(chǎn)生足夠驅(qū)動，的電力。0004在非運(yùn)行期間，大量的空氣擴(kuò)散到且聚,燃料電池堆的陽極中。當(dāng)該 燃料電池堆啟動時(shí)，將氫氣提供給陽極。該氫氣取代空氣且產(chǎn)生通過陽極的"氫 氣-空氣鋒面"。A^f周知，該氫氣-空氣鋒面使電極中的碳劣化且影響燃料電池 性能。特別是，由于陽極上氫氣和空氣的同時(shí)存在導(dǎo)致面對氫氣的陽極部分和 面対空氣的陽極部分之間的局部電短路。該局部電短路導(dǎo)致電、M轉(zhuǎn)，從而導(dǎo) 致催化劑載體的t^I腐蝕。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳腐蝕的M與氫氣-空氣鋒面存在的時(shí)間 和在氫氣-空氣鋒面上局部電壓的量級成正比。0005本領(lǐng)域公知采用氫氣來決速吹掃陽極中積聚的空氣和最小化陽極中氫氣 -空氣鋒面存在的時(shí)間。，種吹掃常常設(shè)計(jì)為采用氫氣基本上且均勻地填充該陽極入口集氣管而并沒有Mk料電池系統(tǒng)中排出過量的氫氣。在申請人的待審美國申itNo. 11/762,845中公幵了示例性的吹掃方法，其全部內(nèi)容結(jié)合在此作為參 考。 一般地，基于燃料電池堆的^f只和氫氣的皿預(yù)先計(jì)算吹掃陽極所需要的
時(shí)間。然而，積聚在陽極的空氣量隨著不同的關(guān)閉時(shí)間和條件而改變。另外， 關(guān)閉時(shí)間之后壓力、壓力測定、流量、流量控制和陽極上的氣體組分的變化是 很大的。因此，從陽極中置換積聚空氣所需的時(shí)間和用于吹掃該陽極的氫氣的體積和t!M常都不是最優(yōu)化的。因此吹掃的最佳終點(diǎn)往往慰佳以預(yù)測的，本 領(lǐng)域的系統(tǒng)沒有能力釆用氫氣完全吹掃該陽極且沒有將不希望的氫氣排至杯境 中。0006在燃料電池堆啟動過程中已知的系統(tǒng)還使用完，路方法。在完，路 系統(tǒng)中，在該燃料電池堆啟動過程中使用例如具有短路電阻的電路用于最小化 局部電壓。由此 料電池堆的啟動斑呈中鵬蝕的速率降至嘬小。然而為了 該完全短路系統(tǒng)正常工作，在完全短路的持續(xù)時(shí)間內(nèi)燃料電池堆中的^^燃料 電池必須具有基本上相等的氫氣量。如果愚到完全短路，氫氣不足的燃料電池 可育,不期望的局部條件。0007這就需要一種燃料電池系統(tǒng)和方法以提供快速和可靠的啟動。令人期望 地，娜料電池系統(tǒng)和方法在啟動)lf呈中減少排出的過錢氣，i頓完全短路 法最小化 蝕，且克服由完魏路弓跑的對燃料電池堆不期望的影響。 發(fā)明內(nèi)容0008依照本發(fā)明，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了一種燃料電池系統(tǒng)和方法，其提供了理 想的燃料電池系統(tǒng)排放物，在啟動過程中優(yōu)化了氫氣-空氣鋒面時(shí)間，且肯,使 用完全短路以最小化碳腐蝕。0009在一實(shí)施例中，提供一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè) 燃料電池的燃料電池堆，和與該多個(gè)燃料電池的陽極流體魏的陽極供應(yīng)歧管。 該陽極供應(yīng)歧管適^輸送陽極供應(yīng)氣流到多個(gè)燃料電池。該燃料電池系統(tǒng)還 包括與多個(gè)燃料電池的陽極流體M的陽極排放歧管，其適舒接頓自多個(gè) 燃料電池的陽極排出氣流。壓力傳感器與燃料電池堆 且適于測量陽極壓力。 該燃料電池系統(tǒng)具有與陽極供應(yīng)和排放歧管流體鄉(xiāng)的第一和第二閥門。第一 和第二閥門適于在壓力傳麟測量的預(yù)定陽t腿力下工作。0010在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的方法。該方法首 先包括提供在開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)之一第一閥門和提供在關(guān)閉狀態(tài)的第二閥門 的步驟。陽極供應(yīng)氣流提供給該陽極供應(yīng)歧管。如果第一閥門不是在開啟狀態(tài) 中，隨后第一閥門打開，第一數(shù)量的空氣通過其從陽極供應(yīng)歧管排出。當(dāng)排放 第一數(shù)量的空氣時(shí)監(jiān)測陽t腿力。當(dāng)該陽極壓力標(biāo)陽極供應(yīng)氣流M31時(shí)關(guān)閉該第一閥門，例如，當(dāng)該陽極壓力小于預(yù)定壓力值時(shí)。隨后打開第二閥門并通 過第二閥門從陽極排放歧管排出第二數(shù)量的空氣直到陽極供應(yīng)氣流^31第二閥門為止。0011在另外一個(gè)實(shí)施例中，在供應(yīng)該陽極供應(yīng)氣流步驟的過程中至少控制和 /或湖懂該陽極供應(yīng)氣流的 。該方法還包括測量穿過第一閥門的壓差，且從 該壓差和該陽極供應(yīng)氣流的流速計(jì)算陽極壓力。當(dāng)該陽極壓力小于預(yù)定壓力值 時(shí)隨后關(guān)閉第一閥門。0012本發(fā)明的方法還包括當(dāng)?shù)诙y門打開時(shí)i^活完，路的步驟。燃料電池堆的平均電壓基本保持在零。在用陽極供應(yīng)氣流填充該陽極之后，可以停止燃料電池堆的完全短路且將陰極供應(yīng)氣流提供給陰極進(jìn)氣歧管。由此完成燃電池系統(tǒng)的啟動。


0013從下列的詳細(xì)說明，尤其是當(dāng)根據(jù)下文描述的附圖結(jié)合考慮時(shí)，，目的和公開的其它優(yōu)勢對于本領(lǐng)m術(shù)人員來說將變得顯而易見。0014圖l說明了PEM燃料電池堆(僅僅示出了兩個(gè)電池)的，透視示意圖；0015圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的偵蠘面亂0016圖3是圖2中描述的燃料電池系統(tǒng)的側(cè)截面圖， 料電池系統(tǒng)均勻地 分配陽極供應(yīng)氣流^^燃料電池；和0017圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的在燃料電池系統(tǒng)啟動過程中描述絕對陽極壓力的示范性圖表。
具體實(shí)施方式
0018下列描述實(shí)質(zhì)上僅僅縣范性的且并沒有打算限制本發(fā)明、運(yùn)用或^頓。 同樣可以理解的是附圖、相應(yīng)的參考數(shù)字表示類似或相應(yīng)的部分和特征。參考 公開的方法，示出的步驟實(shí)質(zhì)上是范性的，且因此不是必需或關(guān)鍵的。0019圖1描述了PEM燃料電池堆2，其具有M導(dǎo)電雙極板8彼此隔開的一 對MEA4、 6。為簡單起見，在圖l中僅僅說明和示出了一個(gè)雙電池堆疊體(也 就是一個(gè)雙極板)，可以理解的是通常的燃料電池堆將具有很多這種電池和雙 極板。在一對夾板IO、 12和一對單極端板14、 16之間MEA4、 6和雙極板8 堆疊在一起。該夾板IO、 12與該端板14、 16ffiil墊圈或絕緣層(未示出)彼
此電絕緣。該單極端板14、 16和雙極板8的兩個(gè)工作面都包括用于分別向MEA 4、 6的陽極禾,極分配氫氣和空氣的流場18、 20、 22、 24。絕緣墊圈26、 2830、 32在燃料電池堆2的一些元件之間提供電絕緣。透氣擴(kuò)散介質(zhì)34、 36、 38、 40 與MEA4、 6的電極相鄰，例如陽極和陰極。該端板14、 16分別與該擴(kuò)散介質(zhì) 34、 40鄰接布置，同時(shí)該雙極板8^MEA4的陽極面上與擴(kuò)散介質(zhì)36鄰接布 置。該雙極板8還^EMEA 6的陰極面上與擴(kuò)散介質(zhì)38鄰接布置。0020示例性的雙電纟艦aPEM燃料電池堆2還包括陰極供應(yīng)歧管72和陰極 排放歧管74、冷卻劑供給歧管75和冷卻劑排放歧管77以及陽極供應(yīng)歧管76 和陽極排放歧管78。皿陽極入口導(dǎo)管80將氫氣提供纟含該陽極供應(yīng)歧管76。 M31陰極入口導(dǎo)管82將空氣提供給該燃料電池堆2的陰極供應(yīng)歧管72。同樣地 陽極排放導(dǎo)管84和陰極排放導(dǎo)管86分另鵬加給陽極排放歧管78和陰極排放歧 管74。提微令卻齊lj入口導(dǎo)管88和^i卩劑出口導(dǎo)管90以分別向7襯瞎lj入口歧管 75和從冷卻劑出口歧管77輸入和去除;t4卩劑?？梢岳斫獾厥菆D1中的各種入口 80、 82、 88和出口 84、 86、 90的結(jié)構(gòu)是示例性的，可以根據(jù)需要選擇其他構(gòu)型。0021圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200。
料電池 系統(tǒng)200包括具有多4^燃料電池202的燃料電池堆2。每一1^燃料電池202具有 陽極和陰極以及布置在其間的電解質(zhì)薄膜。 料電池堆2還具有第一端204 和第二端206。在特別實(shí)施例中，織一端204被稱為"干燥端鄰第二端206被 稱為"濕潤端"。0022i繊料電池系統(tǒng)200包括與多個(gè)j^料電池202的陽極連通的陽極供應(yīng)歧 管76。該陽極供應(yīng)歧管76適于輸送陽極供應(yīng)氣流208給多個(gè)燃料電池202，例 如氣態(tài)氫。該燃料電池系統(tǒng)200還包括與多個(gè)燃料電池202的陽極 的陽極 排放歧管78。該陽極排放歧管78適于接收來自多個(gè)燃料電池202的陽極排出氣 流，例如剩約態(tài)氫、空氣和水。0023駭燃料電池系統(tǒng)200還包括與陽極供應(yīng)歧管76流體^I的第一閥門210。 第二閥門212與陽極排放歧管78流體M。在一實(shí)施例中，第一閥門210布置 料電池堆2的第一端204。第二閥門212布置在燃料電池堆2的第二端206。 第一閥門210適合于排出第一數(shù)量的空氣214和來自陽極供應(yīng)歧管76的陽極供 應(yīng)氣流208。第二閥門212適合于排出第二數(shù)量的空氣216和來自陽極排放歧管 78的陽極排出氣流。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二閥門212布置在第一端204而不 是第二端206。0024應(yīng)當(dāng)理解的是在燃料電池系統(tǒng)200的關(guān)閉操作和啟動操作之間的過去足 夠一段時(shí)間以后，第一個(gè)和第二數(shù)量的空氣214、 216將積聚在陽極供應(yīng)和排放 歧管76、 78中。此外，應(yīng)該理解的是，在堆疊將可操作的充分時(shí)間里，在多 個(gè)燃料電池202的陽極上，將積聚第一和第二數(shù)量的空氣214、 216。0025在一個(gè)特別說明的實(shí)施例中，該燃料電池系統(tǒng)200包括至少一個(gè)壓力傳 ，其適于測量多個(gè)燃料電池202的陽極壓力。在一實(shí)施例中，第一閥門210 與第一壓力傳感器218流體 。第二閥門212可以同時(shí)與第二壓力傳感器220 流體魏。作為非限制性實(shí)例，該壓力傳感器218、 220的至少一個(gè)是差壓傳感 器*傳感器。眾所周知差壓傳感器可以精確地測量穿過固定量孔的壓降，例 如第一和第二閥門210、 212。因此，假定或已知該環(huán)雖力，多個(gè)燃料電池202的陽極壓力可以容易:tfkMAP傳感翻啶。在特別實(shí)施例中，至少一個(gè)壓力傳 218、 220分別與至少一個(gè)第一和第二閥門210、 212結(jié)合。 一個(gè)本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該理解的是可以根據(jù)需要在燃料電池系統(tǒng)200其它^g布置合適的壓 力傳感器以測量陽極壓力的。0026在運(yùn)轉(zhuǎn)中，在第一預(yù)定陽極壓力下第一閥門210被設(shè)為打開或關(guān)閉。第 一預(yù)定陽極壓力可以通姬少一個(gè)壓力傳感器218、 220來測量。第二閥門212 可以在第二預(yù)定陽極壓力下被設(shè)為打開或關(guān)閉，，二預(yù)定陽極壓力M31至少 一個(gè)壓力傳感器218、 220來測量。也可以根據(jù)需要i頓適舒觀糧陽極壓力的 其它合適的壓力傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是第一和第二預(yù)定陽極壓 力可以根據(jù)需要選擇。在特定的實(shí)施例中，選定第一和第二預(yù)定陽極壓力以表 示陽極供應(yīng)歧管76、陽極排放歧管78和陽極中的至少一個(gè)基本上充滿來自陽極 供應(yīng)氣流208的氫氣。0027
料電池系統(tǒng)200還包括控制器221。該控制器221適舒啟動第一 閥門210和第二閥門212，由此根據(jù)需要打開或關(guān)閉第一閥門210和第二閥門 212。例如，該控制器221接收標(biāo)陽極供應(yīng)歧管76具有充足的大gM氣以開 始填充陽極的來自至少一個(gè)壓力傳感器218、 220的信號。應(yīng)當(dāng)理解地是陽極壓 力可以用來測定陽極供應(yīng)歧管76中的氣體組分。例如M計(jì)算來自陽極供應(yīng)氣 流208的tt和穿過第一和第二閥門210， 212中的至少一個(gè)的壓差數(shù)值可以測 定陽極供應(yīng)歧管76中的氣體組分。該控制器221可以適合于啟動第一和第二閥 門210、 212以響應(yīng)陽極供應(yīng)歧管76中的決定性氣體組分或氣體組合的壓力。0028本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)200還具有至少一個(gè)與燃料電池堆2電連接的電 阻裝置222。該電阻裝置222被設(shè)置為給燃料電池堆2提供電阻負(fù)載，且根據(jù)需 要短路燃料電池堆2。在特定的實(shí)施例中，該電阻裝置222是與電轉(zhuǎn)換器 (electrical sink)耦合的高壓通路(high-voltage buss)。該電阻裝置222可以具 有最小的電阻且形成連接至,料電池堆2的端板14、 16的完，路。在其它實(shí) 施例中，該電阻裝置222是與燃料電池堆2電通信的電阻。該電阻裝置222是 可調(diào)節(jié)的以在燃料電池堆2上提供期望的電阻負(fù)載。在 '』性實(shí)施例中，該電 阻裝置222適于在啟動過程中在燃料電池堆2上施加電阻負(fù)載，由此限制電池 電壓和防止由于碳腐蝕弓胞的燃料電池老化。本領(lǐng)域獄人員應(yīng)該理解地是根 據(jù)期望也可以使用其它合適的電阻裝置222。0029在另一個(gè)實(shí)施例中， 料電池系統(tǒng)200包括與陰極進(jìn)氣歧管78] 1 的壓縮機(jī)(未示出)。該壓縮lfUS合于給陰，皿氣歧管72供應(yīng)陰極供應(yīng)氣流，例 如空氣。該陰極進(jìn)氣歧管72與多個(gè)燃料電池202的陰極流體 。在特定的實(shí) 施例中，M料電池系統(tǒng)200包括與壓縮機(jī)流體翻的旁路閥和旁路髓。例 如，該旁路閥門和管道適合允許陰極供應(yīng)氣流根據(jù)需要纟^1燃料電池堆2。例如， 應(yīng)該理解地是旁路管道可以與第一閥門210和第二閥門212流體M以稀M 過閥門210、 212排放的氫氣。0030如圖3和4所示，本發(fā)明包括用于啟動燃料電池系統(tǒng)200的方法。該方 ^1括將第一閥門210設(shè)在開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)的步驟和將第二閥門212設(shè)在 關(guān)閉狀態(tài)的步驟。如果第一閥門210不是在開啟狀態(tài)時(shí)，在給陽極供應(yīng)歧管76 供應(yīng)陽極供應(yīng)氣流208步驟之前，打開第一閥門210。例如，該陽極供應(yīng)氣流 208可以是壓縮氫氣。在供應(yīng)陽極供應(yīng)氣流208時(shí)至少控制和/或測量陽極供應(yīng) 氣流208的 。0031應(yīng)該理解地是打開第一閥門210的步驟之前有一個(gè)增壓步驟，該步驟中 第一閥門210保持關(guān)閉一段期望的時(shí)間。在該增壓步驟中，增加陽極供應(yīng)歧管 76內(nèi)部的壓力以達(dá)到足夠的水平使得將第一數(shù)量的積聚空氣214壓入陽極的可 壓縮容積中且并沒有將大量陽極供應(yīng)氣流208壓入陽極中。當(dāng)獲得期望的壓力 時(shí)，隨后可打開第一閥門210。0032當(dāng)打開第一閥門210時(shí)，在燃料電池系統(tǒng)200關(guān)閉期間積聚的第一數(shù)量
的空氣214由于陽極供應(yīng)氣流208的壓力通過第一閥門被排放。在增壓步驟中 如艦太多的燃料電池202加壓，貝i澮使得陽極供應(yīng)氣流208涌出第一閥門210， 由此完全填充陽極供應(yīng)歧管76。第一數(shù)量的空氣214的排放步驟稱為"吹掃步驟 "或"集氣管吹掃步驟"0033當(dāng)陽極供應(yīng)歧管76基本上充滿陽極供應(yīng)氣流208時(shí)關(guān)閉第一閥門210。 例如，第一閥門210可以響應(yīng)于來自控制器221的信號而關(guān)閉，陽極壓力的測 量結(jié)果被撒共給該控制器。例如，當(dāng)陽l腿力超顧定壓力值時(shí)，可以開啟或 關(guān)閉第一和第二閥門210、 212。在一實(shí)施例中，在第一預(yù)定壓力值下操作第一 閥門210。在第二預(yù)定壓力值下操作第二閥門212。第一和第二預(yù)定壓力值基本 相同。因此，響應(yīng)于預(yù)定壓力麟一和第二閥門210、 212基本同時(shí)操作。應(yīng)該 理解地是可以根據(jù)需要使用壓力傳感器來操作第一和第二閥門210、 212，由此 有選擇地給燃料電池堆2供應(yīng)氣體反應(yīng)物。0034在吹掃步驟期間，當(dāng)?shù)谝粩?shù)量的空氣214從陽極供應(yīng)歧管76排放時(shí)， 監(jiān)測多個(gè)燃料電池202陽極的壓力。正如這里所描述得，采用壓力傳繊監(jiān)測 陽極壓力。例如，可以采用布置 料電池系統(tǒng)200中的壓力傳感器來監(jiān)測單 個(gè)陽極。在一實(shí)施例中，通過第一壓力傳 218和第二壓力傳感器220的至少一個(gè)來監(jiān)觀鵬IM力。也可以根據(jù)需要M:其它合適的壓力傳感器來監(jiān)測陽極供應(yīng)歧管76、陽極排放歧管78和陽極的壓力。0035在一4^寺定實(shí)施例中，通過測量陽極供應(yīng)歧管76的壓力鄉(xiāng)測陽極壓 力。例如，可以^頓AP傳繊來監(jiān)測陽極供應(yīng)歧管76壓力。當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅?218和第二壓力傳 220的至少一個(gè)JiAP傳感器時(shí)，監(jiān)測該陽極壓力的步驟 包括澳糧il31第一和第二閥門210、 212的至d^個(gè)的腿的步驟。在特定的示 例性實(shí)施例中，艦測量穿過第一閥門210的隨來監(jiān)測陽，腿力。0036在第一閥門210關(guān)閉時(shí)，第二閥門212打開且i!31第二閥門212引入第 二數(shù)量的空氣216流過陽極和陽極排放歧管78 。來自陽極的第二數(shù)量的空氣216 的流動通常稱為"堆疊體充溢步驟"或"充溢步驟"。第一閥門210的關(guān)閉和第二閥 門212的打開步驟基本上同時(shí)完成。0037應(yīng)該理解地是在充溢步驟期間本發(fā)明的陽極供應(yīng)氣流208基本上均勻供 應(yīng)給多，料電池202。在堆疊體充溢之前釆用陽極供應(yīng)氣流208清洗陽極供應(yīng) 歧管76以便于到達(dá)陽極的陽極供應(yīng)氣流208基本上均勻地供給和分布。該吹掃
步驟填充陽極供應(yīng)歧管76。例如，當(dāng)?shù)谝婚y門210關(guān)閉和第二閥門212開啟時(shí), 隨后開始基本上均勻地供給和分布。0038當(dāng)陽極壓力達(dá)到預(yù)定壓力值時(shí)可以分別完成關(guān)閉和打開第一和第二閥門 210、 212的步驟。用于控制閥門210、 212的該預(yù)定壓力值可以根據(jù)需要選擇。 可以S31測量穿過第一和第二閥門210、 212中至少一個(gè)的壓差和陽極供應(yīng)氣流 208的,來計(jì)算該陽極壓力。在堆疊體吹掃和充溢步驟期間陽極壓力的改變可 以表征一種容積，例如陽極供應(yīng)和排放歧管76、 78中的一個(gè)己經(jīng)基本上充滿氫 氣。因此，可以選擇該預(yù)定壓力值使得當(dāng)氫氣基本上充滿陽極供應(yīng)歧管76、陽 極排放歧管78和陽極本身的至少一個(gè)時(shí)鄉(xiāng)行關(guān)閉和打開第一和第二閥門 210、 212的步驟。0039如圖4所示，可以選擇陽極供應(yīng)氣流208基本上填充陽極供應(yīng)歧管76 的標(biāo)志作為預(yù)定壓力值。例如，觀察到在吹掃步驟期間監(jiān)測的陽極壓力402的 第一次陶氐400表示陽極供應(yīng)氣流208而非積聚空氣214流過第一閥門210。同 樣地，在燃料電池系統(tǒng)200中，在關(guān)閉之后該陽極具有某些剩^l保持在其中 時(shí)，tt測的陽極壓力406中觀察到類似的斷氏404出現(xiàn)的比沒有剩綠時(shí)要 早。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解地是監(jiān)測陽極壓力可以恭示出燃料電池堆2 陽極供應(yīng)歧管76內(nèi)部的氣體組分。0040作為非限制實(shí)例，在關(guān)閉階段之后可以用空氣充滿陽極供應(yīng)歧管76。在 陽極供應(yīng)氣流208 大約為10L/s下，開始可以觀察到穿過第一閥門210有 30kPa的壓降，然而，當(dāng)陽極供應(yīng)歧管76基本上充滿來自陽極供應(yīng)氣流208的 氫氣時(shí)，壓降降低到，例如，大約5至lj6kPa。穿過第一閥門210的壓降由雌 示出陽極供應(yīng)歧管76內(nèi)的氣體組分。應(yīng)該清楚地是這，字僅僅是舉例，可能 觀測到其它壓降值和流量，這取決于^t料電池系統(tǒng)200和使用的方法。0041如在圖4中進(jìn)一步描述的，隨著該陽極供應(yīng)氣流208穿過陽極，陽極供 應(yīng)氣流中的氫氣與殘余空氣中的氧氣在陰極發(fā)生反應(yīng)，陽極上的動壓力由itbS 本上保持恒定值。當(dāng)所有的剩M氣在陰極上都消耗時(shí)，可能出Itt測陽lffi 力402的增加408。該增加408表示陽極供應(yīng)氣流208的氫氣在陽極上置換積聚 空氣216。在達(dá)到局部最大值以后，可以觀察至U監(jiān)測陽極壓力402的第二次斷氐 410。第二斷氏410表示該陽極已經(jīng)基本上充、 iS氣。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解 地是可是4頓該監(jiān)觀啲陽纟腿力來確定什么時(shí)候開始給燃料電池系統(tǒng)200的陰 豐皿氣歧管供應(yīng)陰極供應(yīng)氣流。在一實(shí)施例中，可以在第二閥門212處使用例 如AP傳li^的壓力傳繊來監(jiān)觀條陽極壓力。0042本發(fā)明的方法還包括激活燃料電池堆2完全短路的步驟，例如當(dāng)?shù)谝婚y 門210關(guān)閉和第二閥門212打開時(shí)。完，路的、^C活適于保持燃料電池堆2的 平均電壓基本上在靴特。當(dāng)陽極充溢陽極供應(yīng)氣流208時(shí)，該完魏路有效 地陶氐了不期望的局部電壓的發(fā)生且因此降低了碳腐蝕。0043在一實(shí)施例中，本發(fā)明的方法包括，例如，在陽極基本上充滿陽極供應(yīng) 氣流208之后，解除燃料電池堆2完全短路的步驟。在解除完，路之后，該 方法還包括向陰極進(jìn)氣歧管供應(yīng)陰極供應(yīng)氣流的步驟。應(yīng)該理解地是當(dāng)陰極供 應(yīng)氣流供纟煞含燃料電池堆2時(shí)不進(jìn)行完全短路從而防止燃料電池堆2的老化。 然而，當(dāng)燃料電池堆2陰極充滿空氣時(shí)，該燃料電池堆2可被施加最小附加負(fù) 荷?？梢愿鶕?jù)需要選擇該最小附加負(fù)荷且當(dāng)啟動燃料電池系統(tǒng)200的空氣壓縮 機(jī)時(shí)該最小附加負(fù)荷適于最小化燃料電池堆2的電壓。在燃料電池堆2的啟動 操作期間，最小附加負(fù)荷的使用防止出現(xiàn)不希望的開路電壓J，。0044當(dāng)陰極供應(yīng)氣流填充陰極時(shí)， 料電池系統(tǒng)200全部運(yùn)行且準(zhǔn)絲收 全部電負(fù)荷之前一般會有大約一個(gè)或兩個(gè)陰極容量流^M料電池堆2。例如，通 過測量平均燃料電池電壓，可以確定燃料電池堆2的是否適于接收滿負(fù)荷。在 另一個(gè)實(shí)施例中，M測量例如最小電池電壓可以確定燃料電池堆2是否適于 接收滿負(fù)荷。0045令人驚訝地發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)200和方法tt料電池堆2啟動 操作期間將不期望的氫氣排放降到了最小。特別是，現(xiàn)在證明，在第一和第二 閥門210、 212的控制中，陽l腿力的觀啶和陽極壓力的使用肖,有效地限制來 自陽極供應(yīng)氣流208的氫氣的排放。另外，M:在完魏路期間向^^燃料電 池202可靠的供給陽極供應(yīng)氣流208，陽極壓力的測定令人驚訝地肖灘實(shí)現(xiàn)燃料 電池堆2的完全短路法在啟動期間的應(yīng)用。由此本發(fā)明的系統(tǒng)和方法防止了通 過iW蝕或例如由于完，路期間燃料電池堆2內(nèi)部局部條件的形成而引起的 燃料電池堆2的老化I，。0046雖然為了說明本發(fā)明列舉了特定的^*性實(shí)施例和細(xì)節(jié)，但是對于本領(lǐng) 域fe^人員來說，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下顯然可以做各種改變，該范圍 在隨后的附加權(quán)利要求中
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)包括包括多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)都具有陽極和陰極以及布置在其間的電解質(zhì)膜；陽極供應(yīng)歧管與多個(gè)燃料電池的陽極流體連通以將陽極供應(yīng)氣流供給給多個(gè)燃料電池；陽極排放歧管與多個(gè)燃料電池的陽極流體連通以接收來自多個(gè)燃料電池的陽極排出氣流；適合于測量陽極壓力的壓力傳感器；與陽極供應(yīng)歧管流體連通且適合在通過壓力傳感器測量的第一預(yù)定陽極壓力下操作的第一閥門；和與陽極排放歧管流體連通且適合在通過壓力傳感器測量的第二預(yù)定陽極壓力下操作的第二閥門。
2、 根據(jù)權(quán)禾腰求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括與壓力傳 電通信且適于操 作第一閥門和第二閥門的控制器。
3、 根據(jù)權(quán)禾腰求1的燃料電池系統(tǒng)，其中第一和第二預(yù)定陽t腿力基本上 相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中該壓力傳麟JiAP傳麟。
5、 根據(jù)權(quán)禾腰求4的燃料電池系統(tǒng)，其中AP傳麟與第一閥門和第二閥門 的至少一個(gè),。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，其中AP傳繊與第一閥門和第二閥門 的至少一，成。
7、 根據(jù)權(quán)禾腰求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括與燃料電池堆電通信的電阻裝 置且適于向其提供電阻負(fù)載。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中該電阻裝置是與電轉(zhuǎn)換器耦合的
9、 根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中該電阻裝置是完全短路回路。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中該電阻裝置是可調(diào)節(jié)的以在燃 料電池堆上掛共期望的負(fù)載。
11、 一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的方法， 料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃 料電池的燃料電池堆，多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)具有陽極和陰極以及布置其間的電解質(zhì)膜，該燃料電池堆具有與多個(gè)燃料電池陽極M的陽極供應(yīng)歧管和陽極排放歧管，該方法包括步驟將第一閥門設(shè)置為開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，該第一閥門與陽極供應(yīng)歧管流體將第二閥門體為關(guān)閉狀態(tài)，i魏二閥門與陽極排放歧管流體魏；供應(yīng)陽極供應(yīng)氣流給陽極供應(yīng)歧管；如果第一閥門位于關(guān)閉狀態(tài)打開第一 閥門；Mii第一閥門從陽極供應(yīng)歧管中排出第一數(shù)量的空氣；監(jiān)測陽極壓力；當(dāng)陽feBE力小于預(yù)定壓力值時(shí)關(guān)閉第一閥門。 打開第二閥門；和M:第二閥門從陽極排放歧管中排出第二數(shù)量的空氣；
12、 根據(jù)權(quán)利要求的方法ll，其中M測量陽極供應(yīng)歧管的壓力鄉(xiāng)測陽 極壓力。
13、 根據(jù)權(quán)利要求的方法ll，其中艦測量穿過第一和第二閥門中的至少 一個(gè)的壓差5ffi測陽極壓力。
14、 根據(jù)權(quán)利要求的方法ll，其中在供給陽極供應(yīng)氣流和打開第一閥門的 步驟之間在陽極供應(yīng)歧管中實(shí)施增壓。
15、 根據(jù)權(quán)利要求的方法ll,其中該預(yù)定壓力值表示陽極供應(yīng)氣流基本上 填滿該陽極供應(yīng)歧管。
16、 根據(jù)權(quán)利要求ll的方法，還包括步驟當(dāng)?shù)诙y門打開時(shí)激活完， 路，其中燃料電池堆的平均電壓基本上保持在零。
17、 根據(jù)權(quán)利要求的方法16，其中基本上同時(shí)關(guān)閉第一閥門和打開第二閥門。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括步驟解除燃料電池堆的完全短路；和供給陽極供應(yīng)氣流給陽極之后，供應(yīng)陰極供應(yīng)氣流給與多個(gè)燃料電池流體 連通的陰l皿氣歧管。
19、根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括步驟當(dāng)供應(yīng)該陰極供應(yīng)氣流時(shí)對燃 料電池堆施加最小負(fù)荷，從而防止開路電壓現(xiàn)象。
20、 一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃 料電池的燃料電池堆，多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)具有陽極禾,極以及布置其間 的電解質(zhì)膜，該燃料電池堆具有與多個(gè)燃料電池陽極連通的陽極供應(yīng)歧管和陽極排放歧管，該方法包括步驟將第一閥門設(shè)置為開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，該第一閥門與陽極供應(yīng)歧管流體將第二閥門體為關(guān)閉狀態(tài)，i魏二閥門與陽極排放歧管流體頓； 供應(yīng)陽極供應(yīng)氣流給陽極供應(yīng)歧管，其中控制和/或澳優(yōu)陽極供應(yīng)氣流的流速；如果第一閥門位于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)打開第一閥門； 艦第一闊門從陽極供應(yīng)歧管中排出第一數(shù)量的空氣； 測量穿過第一閥門的壓差； 根據(jù)陽極供應(yīng)氣流壓差和^3I計(jì)算陽極壓力； 當(dāng)陽t腿力小于預(yù)定壓力值時(shí)關(guān)閉第一閥門。 打開第二閥門；禾口S31第二閥門從陽極排放歧管中排除第二數(shù)量的空氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)和啟動方法。其中燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆。陽極供應(yīng)歧管和陽極排放歧管與多個(gè)燃料電池陽極流體連通。第一閥門與陽極供應(yīng)歧管流體連通且第二閥門與陽極排放歧管流體連通。壓力傳感器被設(shè)置為適于測量陽極壓力。運(yùn)轉(zhuǎn)中，響應(yīng)于陽極壓力來控制第一閥門和第二閥門，由此防止不希望的陽極供應(yīng)氣流的排放。
文檔編號H01M8/24GK101399358SQ200810175688
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者B·拉可什馬南, G·M·羅布 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司