[发明专利]集成再循环燃料电池系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年8月2日提交的序列号为13/196,837的美国专利申请的优先权，通过引用方式将该美国专利申请的全部内容并入本申请中；本申请要求了于2011年2月18日提交的序列号为61/444,595的美国临时专利申请的优先权，通过引用方式将该美国临时专利申请的全部内容并入本申请中。

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不适用。

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技术领域

本发明大体上涉及氢燃料电池电力发电系统，更具体地涉及开放式阴极质子交换膜（PEM）系统。

背景技术

图1A示出具有燃料电池堆12的现有燃料电池系统10，其中燃料电池堆12包括串联连接的多个单个燃料电池26（如图1B更详细地示出的那样）。使用堆风机15来提供过程氧化剂（空气）并且还抽送空气22通过堆12的冷却部件并将空气输送到阴极或者吹气通过燃料电池堆12来冷却并将空气输送到阴极来执行冷却功能。此外，还可以有管道14来协助引导与燃料电池堆12相关的气流22。在这些系统中，将氢气（或可选地为重整产物）的燃料源32提供给堆12。入口燃料压力控制可以由压力调节器19提供。燃料通过燃料入口阀16馈送到燃料电池堆12中，并通过燃料出口阀或吹洗阀28从燃料电池堆12排出。

可以用通过（pass through）法或定期吹洗法来输送燃料。在通过法中，燃料32经由燃料入口阀16和燃料出口阀28连续流过燃料电池堆12，以防止诸如氮气和水蒸气之类的惰性物质在阳极室中积累。

在定期吹洗法中，在燃料32通过燃料入口阀16输送到燃料电池堆12中的同时燃料出口阀28保持关闭。随着时间的流逝，诸如氮气和水蒸气之类的惰性物质在阳极室中积累并且由于氢气向阳极的质量传输受到干扰从而阻止了电化学反应。这需要燃料出口阀28的定期开放以把惰性物质从阳极室吹洗出去。

电力通过电力引线18和电力引线30从燃料电池堆12获得，并且通过开关24输送到电力供电负载20。只需简单地通过以下步骤来关闭该系统：通过断开开关或继电器24来断开电力供电负载20，或者通过关闭燃料供给阀16来中断向燃料电池堆供给燃料并且打开吹洗阀28以使阳极容积内的压力平衡，然后关闭堆风机15，停止空气22的流动。

该过程使燃料留在阳极容积内，这使得在燃料电池堆内继续发生电化学反应并且在燃料电池堆上产生电位，这是潜在的不安全条件。使吹洗阀28保持打开使得阳极容积最终充满空气，从而将燃料电池堆12上的电位降至零，使燃料电池堆12惰性化并消除不安全条件。

然而，启动和停止质子交换膜（PEM）燃料电池12对用于PEM燃料电池中的铂催化剂（未示出）常常是有害的，这是因为在启动过程和停止过程期间阳极容积中的氧化剂（空气）和氢气的交换期间产生了高阴极电位的缘故。这些高阴极电位使阴极上的碳催化剂支撑材料腐蚀（氧化），导致催化剂本身的劣化和由此产生的性能损失。

此外，当简单地打开吹洗阀、并允许空气被抽入且流过燃料电池堆时，在一段长时间内阳极容积被置于混合气体条件下，导致阴极催化剂极快地劣化。

因此，本发明的目的是提供如下的燃料电池系统：其缩短混合气体条件在阳极处的驻留时间，并且降低在燃料电池系统的启动和停止期间在燃料电池上的电位，从而减小混合气体对高阴极电位的影响。在以下提供的描述中至少实现了这些目的中的一些目的。

发明内容

本发明涉及具有开放式阴极质子交换膜（PEM）系统的氢燃料电池电力发电系统。本发明简化了燃料电池系统的操作和制造。

在一些实施例中，添加各种配件来控制和调节燃料电池系统，这些配件例如是：控制系统，安全系统，电力转换和管理系统，以及帮助燃料电池堆从非操作状况到操作状态的启动的配件。

同样，为了帮助从操作状态到非操作状况的关闭，为了在非操作时间段期间惰化燃料电池堆，添加了例如辅助电力负载和空气泵或压缩机。