[發(fā)明專利]燃料電池系統(tǒng)中氫進入陰極入口的方法和控制

有效

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• 申請日: 2009-12-11
• 公開（公告）號: CN101764244A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發(fā)明（設計）人: S·D·伯奇;B·J·克林格曼;A·B·阿普;J·R·斯恩科維斯基;J·K·利里;V·W·洛甘;D·I·哈里斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

技術領域

本發(fā)明通常涉及燃料電池堆啟動時對其進行加熱的系統(tǒng)和方法，具體 來說，涉及在燃料電池堆冷啟動時對其進行加熱的系統(tǒng)和方法，包括將燃料電 池堆的陽極廢氣導至陰極入口。

背景技術

氫氣由于其清潔性以及在燃料電池中可以高效地產生電，從而成為 非常受關注的燃料。氫燃料電池是電化學裝置，其包含陽極、陰極以及位于上 述兩者之間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離 解從而產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子在陰極中與氧氣 和電子反應產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，所以在被送到陰極之前 被導引通過負載來做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是常見車用燃料電池。PEMFC通常 包括固體聚合物電解質質子傳導性膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包含 有細碎的催化粒子，通常為鉑(Pt)，其擔載在碳粒子上且與離子交聯(lián)聚合物混 合。催化混合物被沉積在膜的相對兩側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物 以及膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制造成本相對較高，而且需 要一定條件才能有效運轉。

典型地，數個燃料電池組合在燃料電池堆中以產生需要的功率。例如， 車用典型燃料電池堆可以具有兩百個或更多的堆積的燃料電池。燃料電池堆接 收陰極輸入反應氣體，典型地是由壓縮機吹過燃料電池堆的空氣流。并不是全 部氧氣都被燃料電池堆消耗，部分空氣作為陰極廢氣被排出，廢氣中可能包括 有作為電池堆附產物的水。燃料電池堆還接收陽極氫氣反應氣體，這些氣體流 入電池堆的陽極側。電池堆還包括冷卻性流體流過的流動通道。

燃料電池堆包括一系列位于電池堆中數個MEA之間的雙極板，其中 所述雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括陽極側和陰極側，用于電池 堆中的相鄰燃料電池。雙極板的陽極側上具有陽極氣體流動通道，從而允許陽 極反應氣體流到各自的MEA。雙極板的陰極側上設有陰極氣體流動通道，從而 允許陰極反應氣體流到各自的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個 端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板都由傳導性材料制成，如不銹鋼或 傳導性復合物。端板將燃料電池產生的電力傳導出電池堆。雙極板也包括有冷 卻性流體流過的流動通道。

MEA具有可滲透性，這樣就允許空氣中的氮氣從電池堆陰極側滲透 穿過該陰極側，并在電池堆的陽極側中收集，在工業(yè)上稱之為氮氣穿越。即使 陽極側的壓力可以大于陰極側的壓力，陰極側分壓還是使得空氣穿過該膜。燃 料電池堆陽極側中的氮氣稀釋了氫氣，這樣如果氮氣濃度增加超過一定的百分 含量，如50％，那么燃料電池堆會變得不穩(wěn)定和可能失效。現有技術中已知的 是在燃料電池堆的陽極廢氣出口處設置排放閥來將氮氣從電池堆陽極側排出。

算法被通常用于在線估計在電池堆運行過程中陽極廢氣中的氮氣濃 度以確定何時觸發(fā)陽極廢氣排放。該算法基于從陰極側到陽極側的滲透率以及 陽極廢氣的周期性排放來跟蹤電池堆陽極側中氮氣濃度和時間的變化關系。當 該算法計算出的氮氣濃度升高高于預定閾值，例如10％，算法就會觸發(fā)排放。 排放持續(xù)一定時間使得多個電池堆陽極容量得到排放，從而使得氮氣的濃度降 低到該閾值之下。

現有技術中所熟知的，燃料電池的膜運行中具有受控的相對濕度 (RH)以使得橫跨該膜的離子電阻足夠低以有效傳導質子。典型地是通過控制 數個堆運行參數來控制來自燃料電池堆的陰極出口氣體的相對濕度，從而控制 膜的相對濕度，其中所述堆運行參數如電池堆的壓力、溫度、陰極化學計量以 及進入電池堆的陰極氣體的相對濕度。

PEM燃料電池堆的電導是電池堆溫度和濕度的函數。燃料電池堆冷 的時候不能產生全部功率。為了幫助燃料電池堆快速升溫(這通常在電池堆低 于冰點的情況下系統(tǒng)啟動時是需要的)，氫氣有時被送到電池堆的陰極側，在那 里與陰極側催化劑和氧氣反應來產生熱量。典型地，為此目的使用來自陽極輸 入源的新鮮氫氣。

發(fā)明內容