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用于关停时耗尽 氧的 燃料 电池操作方法

阅读：1003发布：2021-01-01

专利汇可以提供用于关停时耗尽氧的燃料电池操作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于停止关停时的氧耗尽的燃料电池操作方法。具体地，提供了一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，包括在燃料电池系统关停时以期望的阴极化学计量比来操作燃料电池组，以用氧耗尽气体来置换阴极废气。该方法还包括关闭阴极流量阀和关掉压缩机，以停止阴极空气流。，下面是用于关停时耗尽氧的燃料电池操作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池系统已被关停；
设定阴极空气流；
施加负载，以消耗由燃料电池组产生的功率；
通过调节电池组电流或所述负载以将电池组电压用作阴极化学计量比的表示从而来提供期望的阴极化学计量比，以便使得从所述燃料电池组内的阴极空气中耗尽氧；
以所述期望的电压和所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统，以便至少在所述燃料电池组的阴极侧中和在所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体；以及关闭阴极排气阀并关掉所述压缩机。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，以所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统包括操作所述燃料电池组降至大约为1的阴极化学计量比，以便在所述燃料电池组和所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体。
3. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量所述电池组中的阴极流，以便在以所述期望的阴极化学计量比操作所述燃料电池系统的同时计算所产生的氧耗尽气体的量。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，获得所述期望的阴极化学计量比包括确定所述阴极排气中氧的浓度。
5. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括向阴极空气流中添加氢，以便控制所述阴极化学计量比。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，在所述电池组的阴极侧中和在所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体进一步包括将所述氧耗尽气体馈送至所述电池组的阳极侧。
7. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供较高分辨率的次级控制器以固定所述电池组负载。
8. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池系统能被关停；
冷却燃料电池组；
调节阴极排气阀和压缩机以提高所述燃料电池组的阴极侧上的压力并施加关停负载，以获得期望的电压和期望的阴极化学计量比；
以所述期望的电压和所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统，以便在所述燃料电池系统的阴极侧、水汽转移单元和水汽转移单元旁通管线中产生大量的氧耗尽气体；
关闭所述阴极排气阀和水汽转移单元旁通阀并关掉所述压缩机；以及
当所述阴极侧上的氧耗尽气体的压力大致下降到环境压力时，关闭阴极入口阀。
9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括将在所述阴极侧中产生的氧耗尽气体馈送至所述燃料电池组的阳极侧。
10. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：
在燃料电池系统关停时以大致为1的阴极化学计量比来操作燃料电池组，以便用氧耗尽气体置换阴极废气；以及
关闭阴极流量阀和关掉压缩机，以停止所述阴极空气流。

说明书全文

用于关停时耗尽氧的 燃料 电池操作方法

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及用于耗尽燃料电池组中的氧的系统和方法，尤其涉及尽可能多地遍及阴极子系统产生大量氧耗尽气体的系统和方法。

背景技术

[0002] 氢是一种非常有吸引力的燃料，这是因为其清洁，并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于它们之间的电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧或空气。在阳极催化剂处使氢气分解以产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应，以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被引导通过负载，以在被送到阴极之前作功。

[0003] 质子交换膜燃料电池（PEMFC）是流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包括诸如全氟磺酸膜之类的固体聚合物电解质质子传导膜。阳极电极和阴极电极、或催化剂层通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细碎催化颗粒，通常为铂（Pt）。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。各MEA通常夹在两片多孔材料的气体扩散层（GDL）之间，所述气体扩散层保护膜的机械完整性并且还有助于均匀的反应物湿度扩散。MEA的制造相对昂贵，并且为了有效的操作需要特定的条件。

[0004] 通常将多个燃料电池组合成燃料电池组，以产生预期的功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池组可具有两百个或两百个以上的叠置燃料电池。燃料电池组接收通常为通过压缩机强制通过电池组的空气流的阴极输入气体。燃料电池组还接收流入电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。不是所有的氧都被电池组消耗，并且有些空气被作为阴极废气输出，该阴极废气可包括作为在电池组中发生的化学反应的副产物的水。

[0005] 燃料电池组包括在电池组内设置在若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA设置在两端板之间。双极板包括用于电池组中相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧流量分配器、或流场。在双极板的阳极侧上设置有允许阳极反应气体流向相应的MEA的阳极气体流动通道。在双极板的阴极侧上设置有允许阴极反应气体流向相应的MEA的阴极气体流动通道。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物之类的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电导出电池组。双极板还包括冷却流体流过的流动通道。

[0006] 水作为电池组操作的副产物而产生，因此，来自电池组的阴极废气通常包括水汽和液态水。本领域已知将水汽转移（WVT）单元用于俘获阴极废气中的一些水，并且将该水用于润湿阴极输入气流。在诸如膜之类的水转移元件的一侧处的阴极废气中的水被水转移元件所吸附，并且被转移至水转移元件的另一侧处的阴极空气流。

[0007] 当关停燃料电池系统时，未反应的氢气停留在燃料电池组的阳极侧。该氢气能够扩散通过或穿过膜并与阴极侧的氧反应。随着氢气扩散至阴极侧，电池组阳极侧上的总压力降低，其中有可能将压力降低至低于环境压力。该压差可能将空气从环境吸入电池组的阳极侧。空气还可能通过扩散从阴极进入阳极。当空气进入电池组的阳极侧时，其产生在阳极侧中引起短路的空气/氢锋面（fronts），导致氢离子从阳极侧的氢充斥部分到阳极侧的空气充斥部分的横向流动。与膜的高的横向离子电阻相结合的该电流产生了穿过膜的显著的横向电位降（~0.5V）。这在和阳极侧的充气部分相对的阴极侧与邻近电解质膜的阴极侧之间产生了推动快速碳腐蚀的局部高电位，并使电极碳层变薄。这减少用于催化剂颗粒的支撑，所述情形降低了燃料电池的性能。

[0008] 在机动车辆应用中，在车辆的寿命和燃料电池系统的寿命期间存在大量的起动和停止周期，所述起动和停止周期中的每个周期可如上所述那样产生空气/氢锋面。平均起来，车辆在其有效寿命期间可经历40,000个起动/停止周期。起动和停止周期由于可由空气/氢锋面所产生的电位而对燃料电池系统有破坏性，并且最佳体现的损伤减轻仍导致每次起动和停止周期大约2至5 μV的退化。因此，在40,000个起动和停止周期的事件期间的总退化可超过100 mV。然而，在燃料电池系统关停的同时通过不允许空气进入燃料电池组，可减小或防止在后续重新起动期间的损伤。

[0009] 本领域中已知在系统关停时，通过以高压强制空气从压缩机进入阳极侧来从燃料电池组的阳极侧清洗出氢气。然而，空气清洗产生上述空气/氢锋面，这至少引起碳支撑结构的一些腐蚀。

[0010] 如在2006年8月10日提交的美国序列号为11/463,622的共同拥有的美国正式专利申请“Method for Mitigating Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via Cathode Re-Circulation Combined with Electrical Shorting of Stack”中所描述的，本领域中的另一已知方法是提供阴极再循环，以减轻在系统关停时的阴极腐蚀，在此将该美国正式专利申请以引用的方式并入。尤其地，已知在系统关停时泵送空气与少量氢的混合物通过电池组的阴极侧，使得氢与氧在阴极侧结合，以减少氧的量，并因此降低引起碳腐蚀的电位。

[0011] 如在2006年12月18日提交的美国序列号为11/612,120的共同拥有的美国正式专利申请“Method of Mitigating Fuel Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via hydrogen/Nitrogen Storage”中所描述的，还已知在停止时维持正的阳极侧氢压力的同时停止阴极空气流，然后向电池组施加负载以允许由氢消耗氧，继之以关闭阳极侧和阴极侧的入口阀和出口阀，在此将该美国正式专利申请以引用的方式并入。尽管已表明这些技术有助于减轻对碳支撑件的腐蚀，但这些技术不可能去除所有的氧，尤其是从超出电池组以外的体积，或者增加了阴极再循环系统的复杂性。因此，在本领域中存在对于一种改善或简化的方式的需求，以防止在燃料电池系统的启动时存在富氧空气。

发明内容

[0012] 根据本发明的教导，公开了一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法。该方法包括在燃料电池系统关停时以期望的阴极化学计量比来操作燃料电池组，以便用氧耗尽气体来置换阴极废气。该方法还包括关闭阴极流量阀和关掉压缩机，以停止阴极空气的流动。

[0013] 本发明还包括以下方案：方案1. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池系统已被关停；
设定阴极空气流；
施加负载，以消耗由燃料电池组产生的功率；
通过调节电池组电流或所述负载以将电池组电压用作阴极化学计量比的表示从而来提供期望的阴极化学计量比，以便使得从所述燃料电池组内的阴极空气中耗尽氧；
以所述期望的电压和所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统，以便至少在所述燃料电池组的阴极侧中和在所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体；以及关闭阴极排气阀并关掉所述压缩机。

[0014] 方案2. 根据方案1所述的方法，其中，以所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统包括操作所述燃料电池组降至大约为1的阴极化学计量比，以便在所述燃料电池组和所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体。

[0015] 方案3. 根据方案1所述的方法，进一步包括测量所述电池组中的阴极流，以便在以所述期望的阴极化学计量比操作所述燃料电池系统的同时计算所产生的氧耗尽气体的量。

[0016] 方案4. 根据方案1所述的方法，其中，获得所述期望的阴极化学计量比包括确定所述阴极排气中氧的浓度。

[0017] 方案5. 根据方案1所述的方法，进一步包括向阴极空气流中添加氢，以便控制所述阴极化学计量比。

[0018] 方案6. 根据方案1所述的方法，其中，在所述电池组的阴极侧中和在所述阴极排气中产生大量的氧耗尽气体进一步包括将所述氧耗尽气体馈送至所述电池组的阳极侧。

[0019] 方案7. 根据方案1所述的方法，进一步包括提供较高分辨率的次级控制器以固定所述电池组负载。

[0020] 方案8. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：确定所述燃料电池系统能被关停；
冷却燃料电池组；
调节阴极排气阀和压缩机以提高所述燃料电池组的阴极侧上的压力并施加关停负载，以获得期望的电压和期望的阴极化学计量比；
以所述期望的电压和所述期望的阴极化学计量比来操作所述燃料电池系统，以便在所述燃料电池系统的阴极侧、水汽转移单元和水汽转移单元旁通管线中产生大量的氧耗尽气体；
关闭所述阴极排气阀和水汽转移单元旁通阀并关掉所述压缩机；以及
当所述阴极侧上的氧耗尽气体的压力大致下降到环境压力时，关闭阴极入口阀。

[0021] 方案9. 根据方案8所述的方法，进一步包括将在所述阴极侧中产生的氧耗尽气体馈送至所述燃料电池组的阳极侧。

[0022] 方案10. 根据方案8所述的方法，其中，所述期望的阴极化学计量比大致为1。

[0023] 方案11. 根据方案8所述的方法，进一步包括在以所述期望的电压操作所述燃料电池系统的同时计算所产生的氧耗尽气体的量。

[0024] 方案12. 根据方案8所述的方法，进一步包括在所述电池组冷却之后添加氢，以使所述燃料电池组中可用的氢达到最大值。

[0025] 方案13. 一种用于在燃料电池系统中产生氧耗尽气体的方法，所述方法包括：在燃料电池系统关停时以大致为1的阴极化学计量比来操作燃料电池组，以便用氧耗尽气体置换阴极废气；以及
关闭阴极流量阀和关掉压缩机，以停止所述阴极空气流。

[0026] 方案14. 根据方案13所述的方法，其中，通过调节负载和将阴极空气流维持在固定流量来获得所述大致为1的阴极化学计量比。

[0027] 方案15. 根据方案14所述的方法，其中，所述初始负载较高，以消耗吸附的氧。

[0028] 方案16. 根据方案13所述的方法，其中，通过调节阴极空气流和维持固定负载来获得所述大致为1的阴极化学计量比。

[0029] 方案17. 根据方案16所述的方法，其中，通过调节阴极背压阀来调节所述阴极空气流。

[0030] 方案18. 根据方案16所述的方法，其中，通过调节流入阴极输入管线的氢的量来调节净氧基础上的阴极空气流。

[0031] 方案19. 根据方案16所述的方法，其中，通过调节所述压缩机的速度来调节所述阴极空气流。

[0032] 方案20. 根据方案13所述的方法，其中，将燃料电池组电压、一个或多个燃料电池的电压、或电池组电流传感器用作反馈，以控制阴极化学计量比。

[0033] 方案21. 根据方案13所述的方法，其中，将阴极气体浓度或者阴极流量计用作反馈，以控制阴极化学计量比。

[0034] 方案22. 根据方案13所述的方法，进一步包括以升高的压力来置换所述阴极废气中的氧并在用氧耗尽气体置换所述阴极废气完成时关闭背压阀。

[0035] 方案23. 根据方案13所述的方法，进一步包括在所述阴极废气中的氧的置换之后将氢注入到所述阴极排气中，以便使所述氧耗尽气体回流到所述燃料电池组和上游容积中。

[0036] 方案24. 根据方案13所述的方法，进一步包括在用氧耗尽气体置换阴极排气和关掉所述压缩机之后关闭阴极入口阀。

[0037] 方案25. 根据方案13所述的方法，进一步包括在用氧耗尽气体置换所述阴极废气的同时将氢引到所述燃料电池组的阴极侧。

[0038] 方案26. 根据方案13所述的方法，进一步包括在用氧耗尽气体置换所述阴极废气之后将氢注入到所述燃料电池组的阳极侧或阴极侧中，以阻止氧进入所述电池组。

[0039] 方案27. 根据方案13所述的方法，进一步包括在用氧耗尽气体置换阴极废气之后关闭阴极入口阀和阴极出口阀，以阻止氧进入所述电池组。

[0040] 方案28. 根据方案13所述的方法，进一步包括在关闭所述阴极流量阀和关掉所述压缩机之后施加短暂的负载，以便消耗残留在所述燃料电池组中的所有氧。

[0041] 方案29. 根据方案13所述的方法，进一步包括用氧耗尽气体冲洗所述燃料电池组的阳极侧。

[0042] 方案30. 根据方案13所述的方法，进一步包括在关掉所述压缩机之前冷却所述燃料电池组，以限制气体收缩和水汽冷凝。

[0043] 结合附图，本发明另外的特征将从以下的说明和所附权利要求变得显而易见。

附图说明

[0044] 图1是燃料电池系统的示意性框图；以及图2是图示出非限制性实施例的流程图，其示出了在燃料电池系统关停时的氧耗尽程序。

具体实施方式

[0045] 以下涉及用于耗尽燃料电池组中的氧的系统和方法的本发明的实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且绝不意图用于限制本发明、或本发明的应用或使用。

[0046] 图1是包括了具有阳极侧和阴极侧的燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性框图。注入器20将氢从阳极输入管线16上的氢源14注入燃料电池组12。注入器20可以是适于在此描述的用途的任何注入器（injector）、注入器/喷射器、或成排的注入器。如以下将更详细地描述的那样，在电池组12的阳极侧上设置有阳极清洗阀22，以便用新鲜的氢清洗阳极，并接收氧耗尽气体。在替代的实施例中，可将闭塞阀或固定式再循环泵用于限制再循环路径。

[0047] 在该实施例中，燃料电池系统10采用阳极再循环，其中阳极再循环气体从电池组12输出，并由阳极再循环管线54通过注入器20再循环回到阳极输入处，以减少从电池组
12排出的氢气的量。由设置在阳极再循环管线54中的水分离装置56从再循环的阳极气体中去除水。水分离装置56以本领域的技术人员能够很好地理解的方式来收集和保存水。
在阳极废气管线18中设置有放泄/排放阀24，并且基于本领域的技术人员能够很好地理解的调度安排而周期地打开该放泄/排放阀24，以从水分离装置56内的保存槽排放水，并且还周期地打开该放泄/排放阀24，以从电池组12的阳极侧去除氮。在替代的实施例中，在不偏离本发明的范围的情况下可使用分开的放泄阀和排放阀。

[0048] 压缩机30在阴极输入管线32上通过润湿阴极输入空气的水汽转移（WVT）单元34向燃料电池组12的阴极侧提供空气流。阴极废气管线40将阴极排气引导至WVT单元34，以提供润湿阴极输入空气的水分。在WVT单元34周围设置有旁通管线36，并且在旁通管线36中设置有旁通阀38，控制该旁通阀38以有选择地使阴极输入空气改向通过WVT单元34或绕过该WVT单元34，以向阴极输入空气提供期望量的水分。替代性地，尽管在该实施例中未示出，但阴极旁通管线36可在阴极排气管线40上设置在WVT单元34周围。阴极旁通管线46设置成连接阴极输入管线32和阴极排气管线40，以允许来自压缩机30的空气旁通过电池组12。如以下更详细地描述的那样，阴极旁通阀48设置成有选择地控制通过阴极旁通管线46的空气流的量。替代性地，如以下更详细地描述的那样，可利用压缩机再循环路径和阀，以便将空气流从压缩机出口再循环回到压缩机入口，从而允许在阴极输入管线32中去除氧。

[0049] 连接器管线28设置成连接阳极输入管线16和阴极输入管线32，以通过有选择地控制到阴极阀58的氢来向电池组12的阴极侧提供氢。如以下更详细地讨论那样，阳极清洗管线44设置成将阴极输入管线32连接至阳极清洗阀22，以提供用于填充电池组12的阳极侧的氧耗尽气体的路径。

[0050] 如以下更详细地讨论的那样，在阴极输入管线32上设置有阴极输入阀26，以控制空气到电池组12中的流动，并在阴极废气管线40中设置有阴极背压阀42，以有选择地控制阴极排气的流动，增加电池组12的阴极侧中的压力，并在燃料电池系统的停止时间期间提供扩散限制。

[0051] 如以下更详细地讨论的那样，将可变的关停负载50电耦联至燃料电池组12，以通过提供跨接电池组12的负载和使电压达到预定电平来消耗氧。控制器52能够控制注入器20、阳极清洗阀22、放泄/排放阀24、压缩机30、阴极输入阀26、阴极背压阀42、阴极旁通阀
48和旁通阀38。如以下更详细地讨论的那样，控制器52还能够计算或估计阴极化学计量比和穿过阴极废气管线40的氧耗尽气体的量。

[0052] 如上所述，在本领域中存在用于在关停时去除燃料电池组内的氧的需求，以防止空气/氢锋面在系统停止和起动周期期间的出现。图2是流程图60，其示出了为了防止空气/氢锋面在燃料电池组12内的出现，用于在燃料电池系统10的关停时耗尽阴极侧中的氧的方法。该方法在方框62处在控制器52确定已经要求燃料电池系统10关停后开始。在一个非限制性实施例中，当已经关停车辆或作为车辆的一部分的燃料电池系统10时，控制器52可确定已要求停止。然而，本领域的技术人员将容易认识到的是，各种触发器都可表示已要求燃料电池系统10关停。

[0053] 在燃料电池系统10关停时，在方框64处，操作燃料电池组12降至低的阴极化学计量比，并可任选地提高阴极侧上的压力，以便在电池组12和阴极排气管线40内产生大量的氧耗尽气体。如以下更详细地讨论的那样，电池组电压是阴极化学计量比的函数，因此，如以下更详细地讨论的那样，可通过调节电池组12的可变的关停负载50的值和/或通过以调节阴极背压阀42、阴极旁通阀48和压缩机30的方式来调节阴极流来获得低的阴极化学计量比。由于在低的阴极化学计量比期间，空气或氧的实际流率与氧通过燃料电池组12的消耗以产生预期电流的速率相同，所以当阴极化学计量比为低时（例如，大约为1的阴极化学计量关系时）氧被耗尽。可通过监控整个电池组电压并调节负载50或阴极流以获得与低的阴极化学计量比相关的预定电池组电压来确定最佳阴极化学计量比。获得低的阴极化学计量比的期望电池组电压将取决于所使用的燃料电池系统（尤其是电池组中的电池数量）而改变。在一个非限制性实施例中，如以下更详细地讨论的那样，当通过设定压缩机30的速度并且调节电池组12的可变的关停负载50的值和/或通过调节阴极背压阀42来固定空气流率时，大约50V便提供了期望的低阴极化学计量比。

[0054] 为了产生大量氧耗尽气体，如以下更详细地描述的那样，在方框64处，以低的阴极化学计量比操作燃料电池组12，并可任选地提高阴极侧上的压力。如在此所描述的那样，遍及该方法，相对于电池组12的阴极侧中的压力，通常将电池组的阳极反应物侧的压力维持为高。如对本领域的技术人员显而易见地，实现所述情形以便确保当打开放泄阀24时，空气不流入阳极。

[0055] 可缓慢降低阴极化学计量比，以避免燃料电池组12需要的氧比所供应的氧多的情形，即低于化学计量比的状况。不应在低于化学计量比的状况下来操作阴极化学计量比，这是因为会将过量的氢泵入燃料电池组12的阴极侧中。更特别地，将过量的氢泵入燃料电池组12的由于空气流分布不均而具有低于1的阴极化学计量比的单独的燃料电池，意味着将较少的空气被泵入电池组12的某些燃料电池中。当向电池组12中的某些电池未提供足够的空气流时，存在低于化学计量比的状况，并且由电池组电流驱动的质子和电子将没有用于反应以在该电池中形成产物水的足够的氧，因此将重新结合成通过阴极废气管线40离开的氢气（上述氢泵）。存在于阴极排气40中的过量的氢可导致超过氢排放约束。另外，在方框64处，在操作燃料电池组12降至低的阴极化学计量比的开始时的初始关停负载50可高于平均值，以便更快速地排出燃料电池组12内吸附的氢和氧，从而缩短氧耗尽过程的持续时间。

[0056] 可由控制器52使用燃料电池组12中的燃料电池的测得的或估计的电压或者测得的或估计的氢排放，以在方框64处操作电池组12降至低的阴极化学计量比的同时估计阴极化学计量比。由于在几乎所有的燃料电池系统中可得到必要的部件，所以测量电池组12的电压通常是优选的。由于电池组电压表示电池组12的平均阴极化学计量比，所以可通过将电池组12中的燃料电池的测得的或估计的电压用作到控制器52的反馈来实现以低的阴极化学计量比操作燃料电池组12。空气流量计在低的空气流量时可能不提供足够的分辨率，因此在系统中可能不可将空气流量计用于在以低的流密度操作电池组12降至低的阴极化学计量比的同时微调阴极化学计量比。来自流量计的空气流信号可能具有振荡，因此，该模式下，利用固定的压缩机和阀命令信号在运转闭环空气流控制设定点上可能是优选的。

[0057] 如上所述，可通过改变空气流、电池组负载、或它们的组合来调节阴极化学计量比。当利用固定的关停负载50并通过调节阴极输入阀26、和/或阴极背压阀42、阴极旁通阀48、以及压缩机30的速度来调节空气流时，可在固定阴极输入阀26和/或阴极背压阀42、阴极旁通阀48的位置和压缩机30的速度之前利用流量计来调节来自压缩机30的空气流。例如，可提高压缩机30的速度，并且可稍微关闭阴极背压阀42，以提高电池组12的阴极侧上的压力。提高的阴极侧压力可任选地用于在关停压缩机之后允许氧耗尽气体进入阴极的上游部分的回流。如对于本领域的技术人员所容易显而易见的那样，利用具体到关停过程的阳极压力策略还有助于在停止时间期间使在阴极产生的氢的量最优化。另外，在关停过程期间，可控制燃料电池组12的阳极侧中的氮含量，以使氢分压最优化。

[0058] 在方框64处，通过利用控制器52、可变的关停负载50来监控电池组12中的燃料电池的电压并调节阴极背压阀42来降低阴极化学计量比，以便获得与诸如1的阴极化学计量比那样的低阴极化学计量比相关的电压。如果阴极化学计量比降低至低于1，则由于如上所述，电池组电压是燃料电池组12的总化学计量比的表示，所以将观察到电池组12中的燃料电池的电压的明显降低。单独的电池可提供有关多少电池以超过化学计量比或低于化学计量比的状态进行操作的信息，并且控制器52可通过调节阴极背压阀42并相应地将阴极化学计量比提高至1来限制以低于化学计量比的状态操作的电池的数量，从而控制氢泵（hydrogen pumping）的可能性。另外，控制器52可通过调节阴极背压阀42来控制过量的氧剩余并相应地将阴极化学计量比降低至1来限制以超过化学计量比的状态操作的电池的数量，从而控制过量的氧剩余。

[0059] 当利用关停负载50时，可将较高分辨率的次级控制器用于微调关停负载50，以获得1的阴极化学计量比。替代性地并如上所述，还可将阴极排气管线40中的氢传感器用于确定从燃料电池系统排放的氢的水平，并可由控制器调节阴极背压阀42，以获得也可表示阴极化学计量比的期望的氢排放水平。由于不可能精确地计算低的阴极化学计量比，所以当电池组电压朝诸如200 V的预定值降低时，可假定为1的电池组阴极化学计量比。在不偏离本发明的范围的情况下，可将其他的电池组电压用作预定值。

[0060] 在另一非限制性实施例中，可通过对连接器管线28上的阴极阀58开放氢来向阴极输入空气中添加低的氢流，从而通过消耗少量的氧来精细地控制燃料电池组12的阴极化学计量比。如果很好地混合，则还可将阴极的氢的添加用于在阴极排气中获得较低的氧浓度水平，从而通过减小电池之间的阴极流中的氧浓度的变化来限制燃料电池组12中的电池之间的氧含量的变化。

[0061] 在此描述的关停程序期间不使用驱动负载。因此，在氧耗尽过程期间可将包括压缩机30和冷却剂泵、加热器、以及蓄电池（battery）充电在内的辅助负载用于提供关停负载50。例如，电池组12可设置有关停负载50，其包括具有基端电池加热器的变化的冷却剂加热器负载和冷却剂泵负载。

[0062] 由于在方框64处的耗尽步骤期间，燃料电池组12的电压较低，所以电压可能不足以向诸如压缩机30之类的高电压部件提供动力。因此，燃料电池组12可能需要维持在适于压缩机操作的较高电压，或者压缩机30可供应以来自蓄电池的电压。由于燃料电池系统10的启动通常需要蓄电池的操作能力，所以来自蓄电池的功率供应通常可用。另外，如对本领域的技术人员容易显而易见地，可使用诸如升压变换器之类的电体系结构，因此在该关停程序期间燃料电池组12的低电压可以不阻止高电压部件的操作。

[0063] 通过控制电池组平均化学计量比降至不允许过量的氢泵入阴极的低的阴极化学计量比，在阴极侧无过量的氢的情况下产生氧耗尽的空气混合物。如上所述，期望在方框64处将阴极化学计量比降低至大约为1，并且可以通过调节阴极背压阀42和电池组负载50、并维持压缩机30的速度恒定的方式，通过来自电池组12中的燃料电池的测得电压的电压反馈来实现所述将阴极化学计量比降低至大约为1。例如，可通过改变电压设定点和用于控制器52的增益来修改电池组电压限制控制，其中控制器52基于电压设定点与实际电池组电压反馈之间的误差进行电流限制。

[0064] 一旦获得期望的阴极化学计量比，则在方框66处置换阴极侧中的氧。如上所述，由于空气或氧的实际流率与通过燃料电池组12的氧或空气的消耗的速率大致相同，所以当阴极化学计量比大致为1时氧被耗尽。通过在压缩机30操作的情况下耗尽电池组12的阴极侧中的氧，在电池组中产生氧耗尽气体，并且所述氧耗尽气体从电池组12流出并流入阴极排气管线40。尽管在图1的实施例中由于旁通管线36设置在阴极输入管线22中而未示出，但是通过该方法产生了足够的氧耗尽气体，以置换包括诸如将阴极废气（或排气）引导至WVT单元34的WVT单元旁通管道装置之类的任何旁通管道装置的阴极出口容积。置换阴极排气管线40中的氧所需的时间量将取决于所使用的燃料电池系统10而改变，并且大致是由阴极出口容积除以阴极体积流率。所需的时间量的非限制性示例为几秒。

[0065] 在方框66处氧耗尽气体的产生结束时，在方框68处关闭阴极背压阀42。关闭阴极背压阀42减少了流过电池组12的阴极侧的空气的量。在该步骤中可打开系统10中诸如阴极旁通管线46中的阴极旁通阀48之类的所有阴极旁通阀，以防止否则可能在关闭背压阀之后并在停止压缩机之前的时间段期间出现的压缩机操作中的喘振或压力中的增大。如对本领域的技术人员容易显而易见地，如果压缩机30为正排量压缩机，则通过卸压阀将能够减轻压力的累积。在方框68处还关停压缩机30，并且由于在压缩机关掉时出现的阴极空气流量的下降，所以氧耗尽气体将扩展到阴极输入管线32中，并将置换其中的包含氧的空气。在该阶段期间还断开了电池组主接触器，以隔离电池组的高压侧。

[0066] 如果在燃料电池系统10中设置有WVT单元34和旁通管线36，则氧耗尽气体可通过关闭旁通阀38而扩展（或膨胀）通过WVT单元34；以及通过部分地打开旁通管线阀38而扩展通过阴极输入管线32和旁通管线36；或者通过在压缩机30关停时初始地保持旁通阀38关闭、然后打开旁通阀38而扩展通过WVT单元34、然后通过旁通管线36。另外，在氧耗尽气体的回流已充分扩展到阴极输入管线32中之后关闭阴极入口阀26，并且在方框70处一旦阴极侧压力等于或接近环境，就实现关闭阴极入口阀26。由于压缩机30旋转降低所引起的所有剩余空气流都可通过打开阴极旁通阀48或通过再循环流过压缩机30来利用阴极旁通管线46旁通绕过电池组12。

[0067] 可通过施加关停负载50来消耗燃料电池组12的阴极侧内的所有剩余氧。替代性地，在燃料电池组12的阴极侧中可留有少量氧，以消耗当泄漏电阻器接合或跨接在阴极侧上时可氢泵的氢，从而确保阴极排气中的氢的量不会超过氢排放约束。另外，在关停时的阳极压力可用于确保阴极排气中的氢的量不会超过氢排放约束。

[0068] 为了限制在关停之后由气体收缩和水汽冷凝引起的吸入电池组12的空气的量，在方框64处可在氧耗尽步骤之前或期间冷却电池组12。在没有继之以氧耗尽气体的回流的加压耗尽的情况下，可通过关闭阴极入口阀26和冷却电池组12将氧耗尽气体吸回到上游体积中，以便由于气体收缩和水汽冷凝而将氧耗尽气体从排气吸入燃料电池组12。此外，在燃料电池组12冷却之后可提供最终的氢的添加，以使可用的氢达到最大值。

[0069] 为了获得可靠的低温起动，可包括使电池组12干燥以清除电池组12内过量的水并继之以简易的水合步骤的方法，以便在燃料电池系统重新起动时改善膜的传导性。然而，由于燃料电池组12在大致为1的阴极化学计量比时的操作通常为湿式操作（即高的相对湿度的操作），所以阴极耗尽步骤可容许确保可靠的低温启动所需的再水合步骤。替代性地，可控制WVT单元34，以获得期望的相对湿度，从而在产生氧耗尽气体所需的时间范围中提供足够的再水合。

[0070] 关停时在燃料电池组12中留有太多的氢可导致关于在燃料电池系统10的重新起动时过量的氢排放的问题。因此，可用根据上述方法以高压用已经产生的氧耗尽气体冲洗燃料电池组12的阳极侧。例如，通过打开阳极清洗输入管线44中的阳极清洗阀22、关闭到阳极输入管线16中的氢流动和打开放泄/排放阀24来形成流动路径，以允许氧耗尽气体沿阴极入口管线32流过阳极清洗输入管线44，并通过阳极清洗阀22流入燃料电池组12的阳极侧。另外，在用氧耗尽气体冲洗阳极侧时可关闭阴极入口阀26，以防止高压气体通过阴极输入管线32散逸。如果提供了阳极再周转（recycle），则需要再周转闭塞阀或再周转泵(未示出)，以代替通过阳极再周转管道装置旁通而强制氧耗尽气体通过电池组12。该再周转闭塞阀或泵设置在电池组12的阳极入口与阳极废气管线18之间的阳极再循环管线54中，并且优选地设置在注入器20（通常为喷射泵驱动的再循环装置）与水分离装置56之间。一旦阳极侧已充满氧耗尽气体，则可打开阴极入口阀26，以释放所有剩余压力，并置换阴极入口阀26上游的阴极入口管线32中的空气。

[0071] 阳极清洗输入管线44还可利用用于重新起动的阳极清洗阀22来提供阳极清洗，以去除电池组12的阳极侧中的氧耗尽气体。另外，在低温起动期间还可将连接器管线28用于将氢供应至阴极侧。与用于背压阀42的阀相比较，可将质量更好的阀用于阴极入口阀26，以在存在较大量的氧耗尽气体的情况下鼓励优先在阴极排气管线40上的泄漏。

[0072] 前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从这样的讨论并从附图和权利要求中容易认识到的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可在其中作出各种变化、变型和变体。

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