專利名稱：用純氧供應的燃料電池的關閉方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，更具體而言涉及燃料電池在汽車中的應用。
背景技術：
眾所周知，燃料電池能夠通過氫(燃料)和氧(助燃氣體)之間在電化學上的氧化還原反應直接產生電能，而無需經過轉化成機械能的步驟。該技術看上去有希望特別用于汽車應用領域。燃料電池通常包括串聯的均主要由被能夠使離子在陽極和陰極之間通過的聚合物膜分隔的陽極及陰極組成的單個單元(unitary elements)的聯合體。
對于燃料，可以使用氫氣供應，或者所需氫氣是在燃料電池附近通過本身例如用烴類物質供應的轉化器產生的。對于可燃氣體，用壓縮的大氣空氣供應給燃料電池并從電池下游排出氧含量降低的過量氣體，或者用純氧供應燃料電池。該方案的優點在于，特別是電池更加動態地響應對電流的消耗，這對于諸如汽車的交通工具中的應用是特別有利的，人們已知這些交通工具必須在特別的間歇式運行條件下運行，這與靜態應用不同。用可提及的純氧輸送燃料電池的其他優點是，效率及功率密度更優，而且不會被存在于大氣空氣中的污染物污染。
然而在此情況下，燃料電池無法立即停止運行，因為無法利用存在于空氣中的氮氣的窒息效應的優點。無法通過簡單地關閉供應燃料氣體及可燃氣體的閥門而使電化學反應完全中止。實際上，殘留在燃料電池的各管道內的氧氣和氫氣的量足以維持電化學反應，而且存在該反應繼續進行幾小時的風險。因此，燃料電池的接線柱之間仍存在電壓。
該現象的缺點在于-其自身內持續的電壓存在對人的危險，特別是在需要在燃料電池周圍進行干預的條件下；-被延長且不受控制地排出仍存在于電池內的氣體使氣體回路內的壓力相對于大氣壓力降低，而且會導致有害于燃料電池的元件良好的機械條件的壓力差。
DE10059393號專利申請描述了一種用于關閉用氫和純氧供應的燃料電池的方法。該專利申請描述了以下順序首先，中斷氧氣供應，然后使用可改變的電負載以消耗由于燃料電池內的氫和氧之間反應的持續而產生的電能。因此，在氧壓下降至預定閾值以下時，用氮氣沖洗氫和氧的回路至預定壓力。這使燃料電池的運行停止。然而，該方案需要具有氮氣儲備。此外，由于氣體回路中存在氮氣而不可避免地干擾燃料電池后來的重新啟動。

發明內容
本發明的目的在于，提供在無需借助于氮氣供應的情況下，受控制且迅速地關閉燃料電池，即停止內部電化學過程，從而有效地使燃料電池的接線柱之間的總電壓實質上降至零，并且不繼續消耗氣體，而且使電池處于有利于后來迅速啟動的條件下。
本發明建議一種發電系統的關閉方法，該系統包括使用聚合物膜作為其電解質的燃料電池，用純氧作為可燃氣體供應該電池，該電池輸出電壓至電力線路，所述系統包括-位于陽極側的燃料氣體輸送回路；-位于陰極側的氧氣輸送回路，該氧氣輸送回路包括能夠將所述氧氣輸送回路向大氣開放的裝置；所述關閉方法包括以下階段●停止氧氣供應的初始階段；
●從該燃料電池提取持續電流的消耗階段；●將該氧氣輸送回路向大氣開放的中和階段；●停止燃料氣體供應的最終階段。
本說明書下面通過具有聚合物膜形式的電解質的類型(即PEFC-聚合物電解質燃料電池-類型)的燃料電池描述本發明。這是交通工具，特別是汽車的應用中的一個有利的具體實施方案，但是不加以限制。無法立即關閉電池的事實的缺點是，在交通工具關閉之后應長時間保持燃料電池的冷卻系統運行，否則存在可能產生有害于聚合物膜的熱點的風險。此外，聚合物膜可能對產生風險的壓力差相當敏感。本發明所建議的關閉過程尤其適合于消除此類燃料電池的這些缺點。


本說明書下面參考附圖給出本發明的所有方面，其中圖1所示為關閉用純氧供應的燃料電池的方法的流程圖；圖2所示為裝配有使用由純氧供應的燃料電池的發電系統的交通工具的示意圖；圖3所示為若干個關閉用純氧供應的燃料電池的時間表。
具體實施例方式
圖2所示為具有聚合物膜形式的電解質的類型(即PEFC-聚合物電解質燃料電池-類型)的燃料電池1。該燃料電池1用兩種氣體供應，即燃料氣體(氫氣，在交通工具上儲存或制造)及可燃氣體(純氧)，將它們送至電化學電池的電極。為了簡化，圖2僅示出用于理解本發明的該氣體回路的元件。
該設備包括陽極側的燃料氣體回路。純氫H2罐由經過氫氣輸送閥110然后經過噴射器113的輸送管道與燃料電池1的陽極回路的入口相連。壓力傳感器111安裝在位于燃料電池1的入口之前的管道中。循環回路11R連接在燃料電池1的陽極回路的出口處。噴射器113能夠循環未消耗的氣體，并且與來自所述罐的新鮮氣體混合。
該設備還包括位于陰極側的可燃氣體回路12。純氧O2罐由經過氧氣輸送閥120然后經過噴射器123的輸送管道與燃料電池1的陰極回路的入口相連。壓力傳感器121安裝在位于燃料電池1的入口之前的管道中。循環回路12R連接在燃料電池1的陰極回路的出口處。噴射器123能夠循環未消耗的氣體，并且與來自所述罐的新鮮氣體混合。在來自燃料電池1的氣體的出口處，存在能夠將氧氣回路向大氣開放的洗滌閥122。
燃料電池1與電力線路10相連以連續地輸出電壓。開關10A能夠絕緣燃料電池，電負載10B與電力線路10相連。燃料電池1連續地輸出電流至電力管理單元14(參見圖2)。在該電力管理單元14中測量由燃料電池輸出的連續的電流。該電力管理單元14一方面連接在汽車的電力牽引模塊上，其主要由DC/AC轉換器18及機械耦合在汽車的驅動輪(未示出)上的電機19組成。該電力管理單元14還連接至電能儲存裝置，優選至超級電容器陣列17。
因此，燃料電池1可以供應電力至電力牽引模塊18+19或至超級電容器陣列17，或供應至兩者。超級電容器陣列17可以吸收電能并加以儲存，或者可以輸出電能至電力牽引模塊18+19。對于后者而言，因為電機19是可逆的，所以可以吸收電能以驅動交通工具，或者為交通工具的電力制動模塊中的超級電容器陣列17充電。該電力管理單元14根據來自交通工具的司機的指令，或者根據供電系統的條件控制功率循環。已知電氣設備當然還包括其他元件，如耗電電阻(résistance électrique dedissipation)；上文中僅述及那些用于理解本發明的元件。
由控制單元15控制燃料電池1。控制單元15接收來自氫氣回路中的壓力傳感器(傳感器111)以及氧氣回路中的壓力傳感器(傳感器121)的信息，來自電力線路10中的電壓測量裝置13以及來自關閉過程的啟動元件16(如接觸鍵)的信息，而該控制單元15控制各個閥門(110、120、122)的運行。
圖1所示為所建議的運行方式的順序，從而能夠良好地控制燃料電池1的關閉。司機通過能夠監視交通工具的按鍵、開關或任何安全系統向控制單元15發送信號以關閉燃料電池。在收到該停止信號時，第一階段能夠關閉氧氣輸送閥門。為此目的，燃料電池1的控制單元15發送電信號以僅關閉氧氣輸送閥120。在此階段并不切斷氫氣供應。圖1所示為符合本發明的用于關閉用純氧供應的燃料電池的特殊控制過程，其中該“停止O2”作用代表該初始階段。
至少在保持電壓高于預定閾值時，實施消耗階段。燃料電池1的控制單元15從而提取(prélèvement)電流Is，該電流雖然小但是足以消耗殘留在電池管道內的氣體，這表示為圖1中的方框Is。若需要電流Is可根據電池條件(所有單個電池等之間的溫度、電壓分布)加以調節。該電流Is的使用將在下文中加以描述。
中和階段優選在連續的周期中實施，該周期中氧氣回路短暫地向大氣開放，然后再次與大氣隔絕。氧氣循環在降低的壓力下的事實是有利的，以自然的方式引入環境空氣而不加以壓縮。氧氣回路中的壓力低于對比壓力P大氣-S時開始該中和階段。此處建議該對比壓力固定在稍低于大氣壓力減去選定值S的水平上。應注意，消耗階段優選以其和中和階段至少部分相伴隨的方式加以實施。若氧氣回路壓力低于所述對比壓力的條件得到滿足時，并且在燃料電池的接線柱之間的電壓V高于閾值V最小時，該電壓是在電力線路10中測得的，燃料電池1的控制單元15發送電信號以打開洗滌閥122，若需要則重復若干次，以將空氣吸入氧氣回路中。以此方式引入氧氣循環中的空氣氮足以充分地促使電化學反應停止，即使窒息效應不如由純氮獲得的那樣明顯。在此階段中，提取小的持續電流，如圖1中的第二循環所示。
直至該階段以及包括該階段，連續地供應并控制少量的氫，從而使氫氣側的壓力變成0巴(相對壓力)。最終，若燃料電池的接線柱之間的電壓V低于所述閾值V最小時，燃料電池1的控制單元15繼續實施該最終階段停止氫氣供應。實際上，若電池電壓降至足夠低的水平，電池可以被視作已經關閉。在切斷氫氣供應之后優選主動地停止輸出至電負載的電流。為此，燃料電池1的控制單元15在此最終階段中打開開關10A。
氫氣回路從不向大氣開放；已發現即使仍然存在一些殘留在陽極側的氣體回路中的氫氣，電化學反應有效地停止，無需將陽極側的燃料氣體回路向大氣開放的階段。本發明所建議的該關閉過程的另一個優點是，在進行關閉之后，燃料電池保持在有利于迅速重新啟動的配置狀態。
圖3中的曲線顯示了在具有250個單個表面積為200cm2的主動單元(cellules actives)的30kW燃料電池的情況下，在根據本發明關閉燃料電池1期間不同參數的變化情況。該關閉過程的初始指令是在t1(初始階段)。第一曲線顯示了電力線路10中測得的以安培計的電流的變化情況；可以看出，小的持續電流保持至切斷氫氣供應的時刻t7(最終階段)。在時刻t2時，氧氣壓力(第三曲線，其顯示了以巴計的P(O2))變得低于大氣壓力。在此特殊情況下，將氧氣循環向大氣開放兩次，第一次在t3(O2壓力變得低于或第一次低于所述對比壓力P大氣-S的時刻)和t4之間，然后在t5(O2壓力變得低于或第二次低于所述對比壓力P大氣-S的時刻)和t6之間。在此實施例中，該過程能夠在約110秒的時間內使電池電壓從250V的額定值下降至低于30V的數值(參見第四曲線，其顯示了電力線路10中的電壓V)。該時間明顯地取決于提取自電池的電流Is的數值。從t1至t7實施消耗階段。從t3至t6實施中和階段。
所建議的燃料電池1的關閉過程確保在該關閉過程中吸收電流，除燃料電池1本身以外，該供電系統優選包括用于儲存電能的裝置17，以及命令提取小的持續電流以將能量管理單元切換至對所述電能儲存裝置17再次充電的模式的裝置。實際上，該電流還用于維持輔助設備的供應。
因為連續的電流被連接在燃料電池1上的電負載吸收，所以在切斷氣體供應時氣體的消耗導致氧氣側上的氣壓下降。因為化學計量數的關系，氣體消耗約為氫氣側的兩倍。為了避免在氫氣回路與氧氣回路之間出現大的壓力差，優選調節氫氣壓力以跟隨氧氣壓力(參見圖3中的第二曲線，其顯示了以巴計的P(H2))。然而應注意，氫氣壓力從不低于大氣壓力，而在關閉順序的結束時氧氣回路的壓力等于大氣壓力。此外，這避免了氫氣回路被氮氣污染。
若需要且優選地，利用儲存在其超級電容器陣列中的最大電能停止交通工具，在操縱關閉元件之后但是在關閉氧氣輸送閥之前，檢查電能儲存裝置的充電水平，若低于上閾值則使電池持續運行狀態，將能量管理單元切換至對電能儲存裝置重新充電的模式，然后在充電水平高于或等于所述上閾值時，關閉氧氣輸送閥。這對于后來重新啟動交通工具是非常有用的。
權利要求
1.包含燃料電池(1)的供電系統的關閉方法，用純氧作為可燃氣體供應該電池，該電池輸出電壓至電力線路(10)，該系統包括-位于陽極側的燃料氣體輸送回路(11)；-位于陰極側的氧氣輸送回路(12)，該氧氣輸送回路包括能夠將所述氧氣輸送回路向大氣開放的裝置；該關閉方法包括以下階段●停止氧氣供應的初始階段；●從該燃料電池提取持續電流的消耗階段；●將該氧氣輸送回路向大氣開放的中和階段；●停止燃料氣體供應的最終階段。
2.根據權利要求1所述的關閉方法，其中所述系統還包括-在陽極側的所述燃料氣體輸送回路(11)中，輸送閥(110)及安裝在該輸送閥下游的壓力傳感器(111)；-在氧氣輸送回路(12)中，輸送閥(120)及安裝在該輸送閥下游的壓力傳感器(121)，以及能夠將所述氧氣輸送回路向大氣開放的洗滌閥(122)；-在所述電力線路(10)中的電壓測量裝置(13)；其中，該關閉方法包括以下操作步驟-能夠使該氧氣輸送閥(110)關閉的所述初始階段；-至少在電壓高于預定閾值時即實施所述消耗階段；-在該氧氣回路中的壓力低于對比值時開始所述中和階段，并且在該電力線路中的電壓高于所述閾值時即實施所述中和階段。
3.根據權利要求2所述的關閉方法，其中所述對比壓力比大氣壓力低一個選定值(S)。
4.根據權利要求2或3所述的關閉方法，其中所述消耗階段及所述中和階段是至少部分相伴隨的。
5.根據權利要求2所述的關閉方法，其中所述中和階段在連續的周期中實施，該周期中該氧氣回路短暫地向大氣開放，然后再次與大氣隔絕。
6.根據前述權利要求之一所述的關閉方法，其中所述系統中的所述電力線路包括開關(10A)，其中在所述最終階段中在停止燃料氣體供應時打開所述開關。
7.根據權利要求1所述的關閉方法，其中所述系統還包括用于管理提取自該電池的電功率的單元(14)以及經由所述功率管理單元及電能儲存裝置供應的電負載，其中所述消耗階段將所述能量管理單元切換至對該電能儲存裝置再充電的模式。
8.根據權利要求2所述的關閉方法，其中所述系統中的所述電能儲存裝置由超級電容器陣列(17)組成。
9.根據權利要求7或8所述的關閉方法，其中在開始所述初始階段之前，檢查所述電能儲存裝置的充電水平，若該充電水平低于上閾值則使該電池持續運行狀態，并將該能量管理單元切換至對該電能儲存裝置重新充電的模式，在該充電水平變得高于或等于所述上閾值時，開始所述初始階段。
10.根據權利要求1所述的關閉方法，其中所述系統安裝在汽車內，其中所述燃料電池使用聚合物膜作為其電解質。
全文摘要
包含燃料電池的供電系統的關閉方法，用純氧作為可燃氣體供應該電池，該電池輸出電壓至電力線路，該系統包括位于陽極側的燃料氣體輸送回路以及位于陰極側的氧氣輸送回路，該氧氣輸送回路包括能夠將所述氧氣輸送回路向大氣開放的裝置以及傳送停止信號至該燃料電池的控制單元的裝置，在收到停止信號時啟動該關閉方法，其包括停止氧氣供應的初始階段、從該燃料電池提取持續電流的消耗階段、將該氧氣輸送回路向大氣開放的中和階段、以及停止氫氣供應的最終階段。
文檔編號B60L11/18GK101023548SQ200580024604
公開日2007年8月22日 申請日期2005年6月27日 優先權日2004年7月20日
發明者菲利克斯·布其, 吉諾·帕加內利, 垅田日則 申請人:米其林構思與開發公司, 保羅·謝爾研究所