[发明专利]燃料电池系统及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学燃料电池系统及其操作方法。

背景技术

电化学燃料电池将燃料和氧化剂转变成电。固态聚合物电化学燃料电池通常使用膜电极组件，所述组件包括设在两个电极之间的离子交换膜或固态聚合物电解质，所述电极通常包括一层多孔且具有导电性的片材，诸如碳纤维纸或碳布。膜电极组件通常在各膜电极界面处包括催化剂层以诱导所需要的电化学反应，其中所述催化剂通常是可以支撑于诸如碳或石墨这样的支撑材料上或未受到支撑的精细铂粉的形式。在操作中，电极被电耦合以引导电极之间的电子通过外部电路。典型地，许多膜电极组件以串联的形式电耦合以形成具有需要功率输出的燃料电池堆。

膜电极组件通常置于两个导电的流场板或隔板之间以形成燃料电池。这种流场板包括流场以分别引导燃料和氧化剂反应流体流至膜电极组件的阳极和阴极，和除去多余的反应流体和反应产物，诸如在燃料电池操作期间形成的水。

在本领域众所周知的是，在不受控的关闭程序中，空气会渗透到阳极流场中。在启动时，氢气被提供给阳极流场，从而形成通过阳极流场横跨阳极且置换其前方的空气的氢气/空气锋，其中所述前方空气被推出电池。结合存在于阴极中的空气，这种现象形成升高的阴极电势和燃料电池堆中的含碳材料(诸如气体扩散层和催化剂支撑材料)的快速腐蚀。

在美国专利No 6,887,599中描述了一种减轻这种问题的方法，其公开了在将电池和负载相连之前用氢气对阳极流场进行足够快的清洗。最好是在小于1.0秒且优选小于0.2秒的时间内用燃料置换阳极流场内的空气。一种能够在启动时实现快速阳极清洗的方法是打开燃料流量阀以允许加压的氢气从燃料源流入阳极流场。氢气流将空气推出阳极流场。当基本上所有的空气都已经被排出阳极流场时，打开辅助负载开关，打开空气流量阀，并且启动鼓风机。

大多数燃料电池系统包含燃料压力调节器或类似装置以调节来自燃料源(其通常被加压至非常高的压力)的燃料的压力，以使燃料在优化的压力下被提供给燃料电池堆。然而，这种燃料压力调节器通常限制了燃料的体积流量，这限制了启动时空气从阳极流场中的足够快排出以防止对含碳材料的快速腐蚀。

因此，仍然需要开发改进的燃料电池系统及其操作方法以防止在启动时在燃料电池堆上出现升高的电势。本发明解决了这些问题且提供了其它的相关优点。

发明内容

简而言之，本发明涉及电化学燃料电池系统、具体涉及包括位于燃料电池堆上游的燃料储存器的燃料电池系统，及其操作方法。

根据本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，其包括阳极流场和阴极流场；燃料供应线路，其用于将含氢燃料提供给阳极流场；位于燃料电池堆上游的燃料供应线路上的燃料入口阀；和包括上游入口和下游出口的储存器，其中入口与燃料供应线路流体连接，出口与燃料入口阀流体连接。

根据本发明的另一实施例，公开了一种开始燃料电池系统的操作的方法，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极流场和阴极流场，其中阳极流场的至少一部分包括空气；燃料供应线路，其用于向阳极流场提供燃料；储存器，其包括与燃料供应线路流体连接的上游入口，和下游出口；和位于下游出口下游的燃料供应线路上的燃料入口阀，其位于闭合位置上以将燃料电池堆与储存器基本上隔离开，其中燃料入口阀位于燃料电池堆的上游和下游出口的下游；所述方法包括以下步骤：当燃料入口阀关闭时，向储存器提供燃料；当储存器至少部分填充有燃料时，至少部分打开燃料入口阀以使燃料电池堆与储存器流体连接；和将燃料从储存器供应给阳极流场。

本发明的这些和其它方面将通过阅读下列说明书和附图而变得显而易见。

附图说明

在附图中，相同的参考数字标识类似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，各种元件的形状和角度不是按比例绘制的，其中一些元件被任意放大和定位以提高附图的可理解性。另外，所绘制的元件的特定形状不是要传达任何涉及特定元件的实际形状的信息，而只是选择用来方便附图中的识别。

图1示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的构造的示意图；

图2示出了作为图1中的燃料电池系统构造的替换的燃料电池系统构造的示意图；

图3示出了作为图1中的燃料电池系统构造的另一种替换的燃料电池系统构造的示意图。

具体实施方式