[发明专利]阳极再循环泵控制策略

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于在功率瞬时升高的过程中控制来自燃料 电池堆的输出功率或电流的系统和方法，且特别是，本发明涉及一种用 于在功率瞬时升高的过程中限制燃料电池堆的输出功率或电流以便允 许阳极排气再循环泵保持再循环阳极排气与新鲜的氢之比大致恒定的 系统和方法。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种 非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电 解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产 生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子 在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解 质，且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载而作功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆普遍采用的燃料电池。 质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺 酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极 细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积 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出 膜电极组件(MEA)。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。燃料电 池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受 力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气 作为阴极排气被输出，所述阴极排气中可包括作为燃料电池堆副产物的 水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料 电池堆的阳极侧。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系 列双极板，所述双极板和膜电极组件被定位在两块端板之间。双极板包 括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道 被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流 至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述 阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。一块端板包 括阳极气体流道，而另一块端板包括阴极气体流道。所述双极板和端板 由导电材料如不锈钢或导电复合材料制成。所述端板传导由燃料电池堆 中的燃料电池产生的电力。所述双极板还包括供冷却流体流动通过的流 道。

燃料电池中的膜需要具有一定的相对湿度，从而使得膜两端的离子 电阻足够低，以便有效地传导质子。该增湿作用可来自于燃料电池堆的 副产物水或外部增湿作用。通过流道的反应剂气体流对膜而言具有干燥 效应，尤为引人关注的是在流道入口处的干燥效应。同样，来自于膜的 相对湿度和副产物水的水滴在流道内的积聚可能会阻止反应剂气体流 过流道，并且导致燃料电池失效，由此影响到燃料电池堆的稳定性。在 燃料电池堆输出负载较低的情况下，水在反应剂气体流道中的积聚是非 常令人讨厌的。

所希望的是，燃料电池堆中的阳极流道内的氢分布是大体上恒定的 以便使燃料电池堆正常运行。一些燃料电池系统将比燃料电池堆的特定 输出负载所需的氢更多的氢输入燃料电池堆内以便易于实现该阳极气 体更均匀的分布。然而，由于存在这种需求，因此阳极排气中的氢量就 十分重要，且如果该氢被清除(discarded)则将导致系统效率的降低。 因此，本领域中已公知的做法是：使用阳极再循环泵使阳极排气再循环 回到阳极输入端以重新利用被清除的氢。