[發明專利]燃料電池中的補救啟動方法

有效

• 申請號: 201010508221.1
• 申請日: 2010-10-08
• 公開（公告）號: CN102034970A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: S·E·萊爾納;A·喬扈里;S·G·格貝爾
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/1397
• 分類號: H01M4/1397
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張群峰

技術領域

本發明總體上涉及燃料電池，更具體地說涉及燃料電池系統的啟動方法。

背景技術

汽車用途的燃料電池系統的啟動涉及可靠性、耐久性與直至可接受駛離的時間(啟動距離)之間的平衡。可靠性涉及確保在膜兩側的整個活性區域有足夠的反應物，以便可以支持全電流。這必須在不超過氫排放要求的情況下完成。還有一些因素，例如硬件布局、硬件可靠性、或者各種環境條件(如溫度、壓力、和濕度)，也會影響用以成功啟動燃料電池系統的策略。

耐久性涉及在陽極上的空氣/H₂鋒面的適當緩和。經過電池的空氣/H₂鋒面速度與電池退化之間的關系已得到了確定。為了減小電池退化的影響，必須提高鋒面速度。但是，在汽車應用中，鋒面速度的提高會受到氫排放要求以及由壓縮機提供的可用稀釋空氣的限制。

在任何情況下，為了使顧客滿意，期望減小啟動距離。同樣，這受到氫排放要求的限制，并且由于反應物的不均勻流動特性，因此還要受到充分地且均勻地向電池堆活性區域提供反應物的能力的限制。

在正常啟動中，對可靠性、耐久性、和啟動距離的關注是大致相同的。在典型的啟動策略中，需要把系統內的初始氣體成分當作給控制器的輸入，以便系統可以決定以最優化的方法來啟動。

圖1～圖2示出了燃料電池系統及正常啟動方法的一個實施例。于2007年9月21日提交的、名稱為Method?for?Fast?and?Reliable?FuelCell?Systems?Start-ups(快速及可靠的燃料電池系統啟動方法)的、序列號為11/859,300的美國專利申請中更加全面地描述了該系統及方法，該專利申請通過引用并入本文。許多其它的實施例是可能的。

圖1示出了包括第一分燃料電池堆(split?fuel?cell?stack)12和第二分燃料電池堆14的燃料電池系統10。壓縮機16通過常閉陰極輸入閥20在陰極輸入管路18上向電池堆12和14提供陰極輸入空氣。陰極廢氣在管路24上從分電池堆12輸出，并且陰極廢氣在管路26上從分電池堆14輸出，陰極廢氣在管路26處并入單一的陰極輸出管路28。常閉陰極背壓閥30控制陰極廢氣經過管路28的流動。輸入管路18與輸出管路28之間的陰極旁通管路32允許陰極輸入空氣繞過電池堆12和14。常閉旁通閥34控制陰極空氣是否繞過電池堆12和14。如果閥20和30關閉并且閥34打開，那么來自壓縮機16的空氣將會繞過電池堆12和14。通常，會在陰極輸入管路18中的適當位置設置陰極加濕單元(未圖示)。

在這種布置中，電池堆12和14采用了陽極流變換(anodeflow-shifting)，其中，陽極反應氣體以本領域技術人員熟知的方式以預定循環來回地流經電池堆12和14。噴射器38將氫氣從氫氣源40經由陽極管路42噴射至分電池堆12，噴射器44以交替的順序將氫氣從氫氣源40經由陽極管路48噴射至分電池堆14。連接管路54使電池堆12的陽極側與電池堆14的陽極側相連。

水分離器60聯接到連接管路54，并且收集在電池堆12與電池堆14之間的陽極氣流中的水。可以利用周期性打開的常閉排水閥62在管路64上將水排到陰極廢氣管路28。此外，可以在連接管路54中設置陽極廢氣排氣閥66。

如上所述，期望對電池堆12和14的陽極側進行周期性排氣，以去除否則可能會稀釋氫氣并影響電池性能的氮氣。為達到此目的而設置常閉排氣閥50和52。當指令進行陽極排氣時，根據氫氣的當前流動方向打開排氣閥50或52，并將排出的陽極廢氣送到陰極廢氣管路28。特別地，如果在觸發排氣時氫氣正從氣源40噴入分電池堆12，那么打開排氣閥52。同樣，如果在觸發排氣時氫氣正從氣源40噴入分電池堆14，那么打開排氣閥50。在正常排氣持續期間通常會發生數次流變換，使得排氣閥50和52不得不隨著流切換(flow?switching)及時地開閉數次。

燃料電池堆12和14產生電流。在正常的電池堆運行期間，由電池堆12和14產生的電流用于驅動系統負荷，例如車輛上的電牽引系統(ETS)。在關閉程序期間，由電池堆12和14產生的電流可以用于給電池58充電或者被其它系統部件消耗，然后被電阻68消耗。