[发明专利]利用HFR测量提高启动可靠性

说明书

技术领域

本发明一般地涉及一种用于提高燃料电池系统的启动可靠性的系统和方 法，更具体地，涉及一种通过提供燃料电池堆的高频电阻测量(HFR)来提高 燃料电池系统启动可靠性的系统和方法，其中该系统和方法减少阴极空气压缩 机气流和/或为堆电流提供堆负载，以降低膜的干燥和/或提高膜的湿润度。

背景技术

氢因其清洁以及可被用来在燃料电池中有效地产生电而成为一种非常有吸 引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极、阴极以及它们之间的电解质的电化 学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极分解以生成自由氢 质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应生成 水。来自阳极的电子不能穿过电解质，而是在到达阴极前被引导通过负载来起 作用。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种常见的车用燃料电池。PEMFC通 常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括 细碎的催化剂颗粒(通常为铂(Pt))，其支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化 剂混合物沉积在膜的相对侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜 结合在一起限定膜电极组件(MEA)。MEA对于生产来说比较昂贵并且要求特 定的条件以进行有效操作。

通常将几个燃料电池组合成一个燃料电池堆以产生期望的电力。例如，典 型的车用燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴 极输入气体，通常是经由压缩机强行经过所述堆的空气流。所述堆不会消耗掉 所有的氧气，部分空气作为阴极排出气体被输出，其中可能含有作为堆的副产 品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢气输入气体。

燃料电池堆包括一系列位于堆中的若干MEA之间的双极板，其中双极板 和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴 极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气体流道，以使阳极反应气体能流向相应的 MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气体流道，以使阴极反应气体能流向相应的 MEA。一个端板包括阳极气体流道，且另一个端板包括阴极气体流道。双极板 和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的 电导出所述堆。双极板还包括冷却流体流动通过其的流道。

正如本领域中所公知的那样，燃料电池的膜在一定的相对湿度(RH)下操 作，以使膜上的离子阻抗足够低，以有效地传导质子。通过控制几个堆操作参 数将来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度控制到期望的膜的相对湿度， 这些参数例如是堆的压力、温度、阴极化学计量和进入堆中的阴极空气的相对 湿度。

燃料电池堆中的端部电池通常具有与堆中其它电池不同的性能和对操作条 件的敏感性。特别地，端部电池处于最接近堆的外部环境温度的位置，从而由 于热损失会具有温度梯度，使得它们工作在较低的温度下。由于端部电池通常 比堆中的其它电池更冷，所以气态水更容易凝结成液态水，从而端部电池具有 更高的相对湿度，这使得在端部电池的流道中更容易形成水滴。本领域中公知 的是，使用位于端部单元和单极板之间的电阻加热器来加热燃料电池堆的端部 电池，以补偿热损失。

已经显示，燃料电池系统停机的时间越长，下次系统启动的可靠性越差。 特别地，在燃料电池系统已经关闭了一段非常长的时间周期后，系统启动往往 会发生启动失效，这是因为燃料电池堆中的一个或更多电池不能传导所需量的 电流。已经指出，造成这种在系统启动时堆失效的影响因素之一是燃料电池中 膜的高阻抗，这是其传导质子能力的直接结果。已经提出，这种高的膜阻抗是 膜变干燥所造成的。

发明内容