[发明专利]燃料电池模块及其启动、关闭和重新启动的方法

说明书

本发明涉及燃料电池模块及其启动、关闭和重新启动的方法。其中，燃料电池模块包括：燃料电池堆，其包括至少一个燃料电池，每个燃料电池包括阳极、阴极以及布置在所述阳极与所述阴极之间的电解质介质，其中，在正常操作期间，所述阳极被供给第一反应物并且所述阴极被供给空气；寄生负载，其跨越所述阳极和所述阴极连接；反应物容器，其与所述阳极连通；风机，在所述燃料电池堆再充电之后，使用来自所述燃料电池堆的功率，其被操作成使氧流入所述阴极；以及具有比所述风机更低的阈值功率要求的泵或风扇，在所述燃料电池堆再充电之前，使用所述燃料电池堆之外的电源，其被操作成向所述阴极供给空气，以取代覆盖所述阴极的氮。

本申请是申请日为2013年3月28日、发明名称为“燃料电池启动方法”的申请号为201380022983.2的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种用于重新启动燃料电池的方法和设备。

背景技术

燃料电池将燃料中存储的化学能转换成诸如电力等有用形式的能量。具体类型的燃料电池的一个例子是：可操作产生电力的质子交换膜 (Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池。

典型的PEM燃料电池包括布置在阳极与阴极之间的电解质膜。氢燃料被供给到阳极并且氧化剂被供给到阴极。在产生电力、热和水的一系列互补电化学反应中，在PEM燃料电池中，氢燃料和氧化剂用作反应物。

许多因素导致不希望的反应发生，从而增大了磨损率并且使PEM燃料电池的一些成分发生降解。例如，在停止进行这些反应物的分别供给之后，保留在PEM燃料电池内的小量氢燃料和氧化剂已知在关闭和重新启动过程中发生燃烧。PEM燃料电池内的燃烧使包括电解质膜和沉积在电极上的催化剂层的各种成分降解。各种成分的累积降解会降低PEM燃料电池的功效，并可能导致PEM燃料电池失效。

更具体地，出现与氢和氧的电化学消耗相反的燃烧，这是因为PEM 燃料电池模块内的条件随着在PEM燃料电池模块的正常操作(即，“接通”状态)转换为“关闭”状态的过程中可操作的支持系统开始发生变化。随着内部条件变化，一些氢分子扩散至膜的阴极侧并在氧存在下燃烧。类似地，一些氧分子穿过膜扩散并在膜的阳极侧与氢燃料发生反应。因为氢分子比氧分子小，所以氢穿过膜的扩散实际上更加普遍(在没有驱动压差的情况下穿过膜)，因而能更容易地穿过膜扩散。

可能发生的另一种不希望的反应是：PEM燃料电池内至少一个催化剂层的电化学腐蚀。这会进一步使PEM燃料电池的性能劣化。

2008年9月16日公开的美国专利第7,425,379B2号，名称为燃料电池中的被动电极覆盖(Passive Electrode Blanketing in a Fuel Cell)描述了一种燃料电池模块，其具有燃料电池堆、可穿过电极连接的寄生负载和用于存储诸如氢等一定量第一反应物的反应物容器。当关闭燃料电池模块时，存储量的第一反应物被取出而与留在燃料电池堆中的一定量第二反应物(例如，空气中的氧气)发生反应，从而电化学消耗第一反应物和第二反应物，这样留下了基本上包含非反应性试剂(例如，氮气)的混合物，因此被动地覆盖电极。寄生负载限制了燃料电池堆的电压，且包括在关闭期间燃料电池堆中残余的第一反应物和第二反应物的电化学消耗。电极间的压力梯度以及任选的止回阀可以允许非反应性试剂在电极间移动。也可以提供与所述燃料电池模块相关的处理。

发明内容

下面的讨论旨在向读者介绍下面的具体说明，并且不限制或限定任何所要保护的发明。

本发明人注意到，覆盖有非反应性试剂的燃料电池，例如美国专利第7,425,379B2号中所述的关闭的燃料电池，可能需要不同量的时间来重新启动。例如，仅关闭1分钟的燃料电池以及关闭1天以上的燃料电池倾向于基本上立刻重新启动。然而，关闭1小时的燃料电池可能花费更长的时间来重新启动。在燃料电池堆不操作时，通常被提供用于操作阀门和电子控制的电池非常大，这时延迟启动是不太值得注意的。然而，通常期望在一定程度上尽可能减小电池的尺寸。