用于氢气-空气燃料电池系统的关闭方法技术方案

一种燃料电池系统（１００）可通过下列程序关停；断开主负载（１４８）、切断气流（１３９）并以可使燃料电池气体在各电池之间达到平衡的方式控制进入系统的燃料流（１４１）（包括切断该燃料流）及自系统排出的气流，此时，平衡气体组成包含至少０．０００１％氢气（以体积计）（且较佳以体积计介于１．０％和小于４．０％氢气之间）且其余为氮气及其他可能的对该燃料电池呈惰性且无害的气体，所有氧气已通过在电池内与氢气反应而被消耗。在整个关停期间使该等电池内一直保持此气体组成，例如通过添加氢气以补充任何在关停期间因与泄漏于电池中的空气反应而消耗掉的氢气。此关停程序实质上不会引起电池性能的任何损失。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统，更具体而言，涉及用于关停一运行中燃料电池系统的程序。
技术介绍
在现有技术的燃料电池系统中，已知当电路断开且电池两端不再有负载时(例如在电池关停时或关停期间)，存在于阴极的空气以及残留于阳极的氢气通常会引起不可接受的阳极和阴极电位，从而导致催化剂和催化剂载体的氧化和腐蚀并伴随电池效能降低。人们曾认为在电池关停时需立即使用惰性气体吹扫阳极流区域和阴极流区域两者以钝化阳极和阴极从而最小化或防止此种电池效能降低。此外，使用一惰性气体吹扫可避免在启动时存在氢气与空气的可燃性混合物的可能性，此为一安全问题。虽然现有技术最常用的手段是使用100％惰性气体作为吹扫气，然而，共同拥有的美国专利第5,013,617号及第5,045,414号揭示了使用100％氮气作为阳极侧吹扫气，而阴极侧吹扫混合物则包含百分含量很低的氧气(例如，低于1％)且其余为氮气。该两个专利亦讨论了在开始吹扫时可选择在电池两端跨接一虚电性负载以迅速将阴极电位降低至可接受的0.3-0.7伏之间的范围。人们希望避免在为燃料电池储存及输送一单独惰性气源方面的费用，尤其在紧凑及低成本非常重要的自动化应用中及当系统必须经常关停和启动时。因此，需要安全、成本有效、不会引起效能显著降低且在燃料电池系统关停时、关停期间或重新启动时不需使用单独惰性气体气源的关停程序。
技术实现思路
根据本专利技术，一燃料电池系统通过以下程序关停断开主要用电设备(以下称为“主负载”)；切断空气流；并在燃料流被切断的情况下以可使燃料电池气体在各电池之间达到平衡的方式控制进入系统的燃料流及排出系统的气流，此时，平衡气体组成(以干基计，例如，不包括水蒸汽)包含至少0.0001％的氢气且其余为燃料电池惰性气体；且在关停期间保持此一至少包含0.0001％(以体积计)的氢气且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。较佳地，平衡气体组成中的任何氮气皆来自直接引入系统或混入燃料的空气。本文所用的“燃料电池惰性气体”指不与氢气或氧气反应或在燃料电池内反应、且不以其他方式显著损害电池效能因而对燃料电池无害的气体。燃料电池惰性气体亦可包括微量大气中的元素。若燃料为纯氢气且氧化剂为空气，“其余”燃料电池惰性气体将基本上全部为氮气，同时含有少量的大气中二氧化碳及微量大气中的其他元素。为本说明书之目的，因二氧化碳不与氢气或氧气反应且对燃料电池无任何其他方式的显著损害而将其视为一燃料电池惰性气体。若燃料为经重整的烃，则进入电池的燃料包括氢气、二氧化碳及一氧化碳。根据电厂所用燃料处理系统的类型，氢气浓度可介于30至80体积％氢气。在此情况下，有时将空气(即，基本为氧气和氮气)注入该阳极流区域的燃料上游以氧化一氧化碳。一氧化碳不是燃料电池惰性气体，在关停程序期间需要通过与氧气反应完全转化为二氧化碳。因而，根据本专利技术，当燃料电池以一经重整的烃作业时，与使用纯氢气作为燃料的情况相比，“其余燃料电池惰性气体”可包含更大量的二氧化碳；然而，使平衡气体组成至少包含0.0001％氢气且其余为燃料电池惰性气体的目标是相同的。通过一系列启动-关停试验发现，在关停时，在阳极及阴极流区域内产生一包含至少稀释浓度的氢气且其余为燃料电池惰性气体的平衡气体组成并随后在关停期间在阳极及阴极流区域内保持此一包含至少稀释浓度的氢气且其余为燃料电池惰性气体之组成基本上可消除当使用其他关停程序时可观察到的效能损失。人们亦观察到本专利技术的关停程序能够再生一已经历一系列关停和启动(在整个关停期间电池两侧保持100％空气)的电池系统所失去的电池效能。此再生是令人惊奇的，因为人们曾认为该失去的效能完全是由不可逆的催化剂及催化剂载体腐蚀造成的。由此效能恢复可得出结论存在某一造成效能损失的其他机理，且本专利技术能恢复大部分(若非几乎全部)该效能损失。此改良在高电流密度时最显著。人们推断，另一效能衰退机理是碳氧化物形成于碳载体材料表面上及铂氧化物形成于催化剂表面上。人们亦推断，若电极在关停过程期间(包括当电池处于闲置时)经受一高空气电位，则会形成该等氧化物。该等表面氧化物使碳及铂的可润湿性增加，从而引起局部液泛并因此损失效能。在本专利技术程序中可能对消除效能衰退起作用的因素是在关停期间保持一低电极电位(相对于标准氢电极)及当存在氢气时的化学及/或电化学反应。在本专利技术程序中，需在关停期间保持的平衡氢气浓度基于多种因素。一个因素为0.0001％的氢气是将电极电位减少(并保持)为低于0.2伏而高于标准氢参考电极电位所需的最少氢气量。当低于0.2伏时，基本上可消除铂及铂载体的腐蚀和碳及铂的氧化。实际上，较佳采用至少1％的氢气浓度是因为两个原因第一，其将使电极电位降低至低于0.1伏，在此电位水平实质上无腐蚀和表面氧化发生；及，第二，与更低浓度(例如，0.1％或以下)相比，其更易于测量、监测及控制。氢气浓度范围的上限对防止电池效能损失并不重要。整个电池具有100％氢气时当然会很好地工作，但难于实现且非常昂贵。为此，10％的氢气浓度(其余为燃料电池惰性气体)是一个更实际的上限。另一方面，为安全起见，较佳采用并保持低于4％的氢气浓度，因为空气中含有高于4％的氢气被视为超过其可燃极限。若空气中含有低于4％的氢气，那么任何泄漏于或以其他方式引入电池的空气均不会导致危险。若将关停平衡氢气浓度保持于4％以下，则本专利技术将具有一附加优点，即，容许通过简单地通入燃料流和空气流来快速启动燃料电池，而不需首先用一惰性气体(例如，氮)吹扫来自阴极流区域的氢气。为了更加安全起见，关停期间的氢气浓度以不高于约3％为佳。在本专利技术之一实施例中，当断开主负载并切断阴极流区域的空气供给后，继续供给阳极流区域新鲜燃料直至其余氧化剂被完全消耗。该氧化剂消耗较佳通过在电池两端跨接一小型辅助负载帮助完成，其亦能迅速降低电极电位。一旦消耗完所有氧化剂即停止燃料供给，关闭燃料出口阀，并将空气引入阳极流区域(若需要)直至阳极流区域的氢气浓度降低至一选定的中间浓度水平且高于期望的最终浓度水平。然后中断进入阳极流区域的空气流，并使燃料电池气体达到平衡，该平衡将通过气体在电解质中的扩散及氢气与添加的氧气之间的化学及电化学反应而达到。中间氢气浓度水平根据阳极和阴极流区域的相对体积来选择，以使获得的平衡氢气浓度(即，在所有氧气皆被消耗且氢气和燃料电池惰性气体完全分散于整个电池后)位于期望范围内。然后，在持续关停期间，监测氢气浓度并添加氢气(当且若需要时)以保持期望的氢气浓度水平。由于空气会泄漏或扩散于系统中及/或氢气泄漏或扩散(例如，通过密封)出系统，因而可能需要该后一添加氢气的步骤。当空气泄漏于系统中时，氢气与空气中的氧气反应而被消耗。因而，需要随时补充氢气以将氢气浓度保持于期望范围内。在本专利技术关停程序的另一使用纯氢气或具有较高氢气浓度的重整油作为燃料的实施例中，断开主负载且切断至阳极流区域的氢气流和进入并穿过阴极流区域的新鲜空气流二者。这基本上可将初始量氢气捕获于阳极流区域内并将初始量空气捕获于阴极流区域内。在使用纯氢气作为燃料的实际规格的所有燃料电池系统中，所捕获氢气量将显著高于消耗全部所捕获氧气量所需者，因而使氢气浓度高于期望的最终平衡浓度。这种情况亦适用于高氢气浓度的重整油(在此实施例中亦可使用一辅助负载以快本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于关停－工作中燃料电池系统的程序，该系统包括至少一燃料电池，其中在该燃料电池系统正常工作期间，一连续空气流被供给一阴极流区域并通过该阴极流区域与一布置于每一燃料电池内电解质的一侧的阴极电极接触，且一连续新鲜含氢燃料流被供给一阳极流区域并通过该阳极流区域与一布置于电解质另一侧的阳极电极接触，且该燃料电池在一外电路内产生一电流，其中该电流用于驱动一连接于该外电路的主负载，该关停程序包括：断开该主负载与该外电路的连接；切断通往该阴极流区域的新鲜空气流； 切断该新鲜空气流后，通过使氢气与氧气在该等燃料电池内反应降低该阴极流区域内剩余氧气的浓度并增加该等燃料电池内的氢气浓度直至该阳极和阴极流区域内不存在氧气且该阳极和阴极流区域内的气体组成达到一其中包含至少０．０００１％氢气且其余为燃料电池惰性气体的平衡气体组成为止；及当达到该平衡气体组成时，在该系统关停期间一直保持一其中包含至少０．０００１％氢气且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DA康迪特，RD布里乌尔特，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]