[發明專利]用以提高燃料電池系統壽命的備用模式的自適應限制

有效

• 申請號: 201310003241.7
• 申請日: 2013-01-06
• 公開（公告）號: CN103199281A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: D.I.哈里斯;D.R.勒布澤爾特;J.P.薩爾瓦多;W.H.珀蒂;A.喬扈里;E.G.海姆斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧

技術領域

本發明總的涉及用于在燃料電池堆老化時降低燃料電池堆的備用模式事件的頻率的系統和方法，且更特定地涉及通過如下方式來用于在燃料電池堆老化時降低燃料電池堆的備用模式事件的頻率的系統和方法，即通過確定不可逆的堆電壓損失且從中評估電壓降級率是否過高，其中在堆的額定使用壽命結束前期望電壓衰減到預先確定的極限以下。

背景技術

氫因為其清潔性且可用于有效地在燃料電池內產生電力而是非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是包括其間帶有電解質的陽極和陰極的電化學裝置。陽極接收氫氣且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極內分離以產生自由的質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子在陰極內與氧以及電子反應以產生水。來自陽極的電子不能通過電解質，且因此在電子被送到陰極之前被引導通過負載以做功。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是用于車輛的通用的燃料電池。PEMFC一般地包括固體聚合物電極質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括支承在碳微粒上且與離聚物混合的磨碎的催化微粒，通常為鉑（Pt）。催化混合物沉積在膜的相對兩側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合形成了膜電極組件（MEA）。MEA的制造相對昂貴且其有效運行要求一定的條件。

數個燃料電池典型地組合在一個燃料電池堆中以生成希望的電力。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可具有兩百個或更多的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體,典型地為通過壓縮機被促使通過堆的空氣流。并非所有的氧都被堆消耗，且空氣的一些作為可包括作為堆副產物的水的陰極排氣輸出。燃料電池堆也接收流到堆的陽極側內的陽極氫反應氣體。堆也包括流動通道，冷卻流體通過所述流動通道流動。

燃料電池堆包括一系列定位在堆內的數個MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于堆內的相鄰的燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道提供在雙極板的陽極側上而允許陽極反應氣體流動到各自MEA。陰極氣體流動通道提供在雙極板的陰極側上而允許陰極反應氣體流動到各自MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，且另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如由不銹鋼或導電復合物制成。端板將由燃料電池生成的電導出到堆外。雙極板也包括流動通道，冷卻流體流過所述流動通道。

當燃料電池系統處于停用模式，例如當燃料電池車輛在停止信號燈處停止時，其中燃料電池堆不生成動力以運行系統裝置，陰極空氣和氫氣一般地仍被提供到燃料電池堆，且堆生成輸出動力。在燃料電池堆處于停用模式時將氫氣提供到燃料電池堆一般是浪費的，因為在此條件下運行堆不產生非常多的有用功。因此，在此停用條件期間一般地希望降低堆輸出功率和電流消耗以改進系統燃料效率。

對于這些和其他的燃料電池系統運行條件，可能希望將系統置于備用模式，其中系統消耗非常低的功率或不消耗功率，所使用的燃料的量最小且系統可快速地從備用模式恢復以增加系統效率且降低系統的降級。2010年3月12日提交的授予本申請的受讓人的且在此通過引用合并的名為“Standby?Mode?for?Optimization?of?Efficiency?in?Durability?of?a?Fuel?Cell?Vehicle?Application”的美國專利申請序列號12/723,261披露了用于將車輛上的燃料電池系統置于備用模式以保存燃料的此類型的一個已知方法。

在燃料電池系統的運行中存在多種導致堆性能的永久損失的機制，例如催化劑活性的損失，催化劑載體腐蝕和在電池膜中形成小孔。然而，存在其他可導致基本上可逆的堆電壓損失的機制，例如電池膜變干、催化劑氧化物形成和在堆的陽極側和陰極側上污染物的堆積。在現有技術中已知去除氧化物形成和污染物的堆積，以及使電池膜補水，以恢復燃料電池堆內的電池電壓損失。2009年10月16日提交的授予本申請的受讓人的且在此通過引用合并的名為“Automated?Procedure?For?Executing?In-Situ?Fuel?Cell?Stack?Reconditioning”的美國專利申請序列號12/580,912披露了用于修復燃料電池堆以恢復可逆的電壓損失的一個這樣的過程。