[發明專利]燃料電池模塊及其啟動、關閉和重新啟動的方法

在審

• 申請號: 202010026014.6
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN111193048A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 納撒尼爾·伊恩·約斯
• 申請（專利權）人: 水吉能公司
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04223;H01M8/043;H01M8/04302;H01M8/04303;H01M8/04746;H01M8/04828;H01M8/04955;H01M8/1018;H01M16/00
• 代理公司: 北京信慧永光知識產權代理有限責任公司 11290
• 代理人: 衛李賢;曹正建

本發明涉及燃料電池模塊及其啟動、關閉和重新啟動的方法。其中，燃料電池模塊包括：燃料電池堆，其包括至少一個燃料電池，每個燃料電池包括陽極、陰極以及布置在所述陽極與所述陰極之間的電解質介質，其中，在正常操作期間，所述陽極被供給第一反應物并且所述陰極被供給空氣；寄生負載，其跨越所述陽極和所述陰極連接；反應物容器，其與所述陽極連通；風機，在所述燃料電池堆再充電之后，使用來自所述燃料電池堆的功率，其被操作成使氧流入所述陰極；以及具有比所述風機更低的閾值功率要求的泵或風扇，在所述燃料電池堆再充電之前，使用所述燃料電池堆之外的電源，其被操作成向所述陰極供給空氣，以取代覆蓋所述陰極的氮。

本申請是申請日為2013年3月28日、發明名稱為“燃料電池啟動方法”的申請號為201380022983.2的專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及燃料電池，特別是涉及一種用于重新啟動燃料電池的方法和設備。

背景技術

燃料電池將燃料中存儲的化學能轉換成諸如電力等有用形式的能量。具體類型的燃料電池的一個例子是：可操作產生電力的質子交換膜 (Proton Exchange Membrane，PEM)燃料電池。

典型的PEM燃料電池包括布置在陽極與陰極之間的電解質膜。氫燃料被供給到陽極并且氧化劑被供給到陰極。在產生電力、熱和水的一系列互補電化學反應中，在PEM燃料電池中，氫燃料和氧化劑用作反應物。

許多因素導致不希望的反應發生，從而增大了磨損率并且使PEM燃料電池的一些成分發生降解。例如，在停止進行這些反應物的分別供給之后，保留在PEM燃料電池內的小量氫燃料和氧化劑已知在關閉和重新啟動過程中發生燃燒。PEM燃料電池內的燃燒使包括電解質膜和沉積在電極上的催化劑層的各種成分降解。各種成分的累積降解會降低PEM燃料電池的功效，并可能導致PEM燃料電池失效。

更具體地，出現與氫和氧的電化學消耗相反的燃燒，這是因為PEM 燃料電池模塊內的條件隨著在PEM燃料電池模塊的正常操作(即，“接通”狀態)轉換為“關閉”狀態的過程中可操作的支持系統開始發生變化。隨著內部條件變化，一些氫分子擴散至膜的陰極側并在氧存在下燃燒。類似地，一些氧分子穿過膜擴散并在膜的陽極側與氫燃料發生反應。因為氫分子比氧分子小，所以氫穿過膜的擴散實際上更加普遍(在沒有驅動壓差的情況下穿過膜)，因而能更容易地穿過膜擴散。

可能發生的另一種不希望的反應是：PEM燃料電池內至少一個催化劑層的電化學腐蝕。這會進一步使PEM燃料電池的性能劣化。

2008年9月16日公開的美國專利第7,425,379B2號，名稱為燃料電池中的被動電極覆蓋(Passive Electrode Blanketing in a Fuel Cell)描述了一種燃料電池模塊，其具有燃料電池堆、可穿過電極連接的寄生負載和用于存儲諸如氫等一定量第一反應物的反應物容器。當關閉燃料電池模塊時，存儲量的第一反應物被取出而與留在燃料電池堆中的一定量第二反應物(例如，空氣中的氧氣)發生反應，從而電化學消耗第一反應物和第二反應物，這樣留下了基本上包含非反應性試劑(例如，氮氣)的混合物，因此被動地覆蓋電極。寄生負載限制了燃料電池堆的電壓，且包括在關閉期間燃料電池堆中殘余的第一反應物和第二反應物的電化學消耗。電極間的壓力梯度以及任選的止回閥可以允許非反應性試劑在電極間移動。也可以提供與所述燃料電池模塊相關的處理。

發明內容

下面的討論旨在向讀者介紹下面的具體說明，并且不限制或限定任何所要保護的發明。

本發明人注意到，覆蓋有非反應性試劑的燃料電池，例如美國專利第7,425,379B2號中所述的關閉的燃料電池，可能需要不同量的時間來重新啟動。例如，僅關閉1分鐘的燃料電池以及關閉1天以上的燃料電池傾向于基本上立刻重新啟動。然而，關閉1小時的燃料電池可能花費更長的時間來重新啟動。在燃料電池堆不操作時，通常被提供用于操作閥門和電子控制的電池非常大，這時延遲啟動是不太值得注意的。然而，通常期望在一定程度上盡可能減小電池的尺寸。