[发明专利]在延长关闭时间后改善启动可靠性的改进的启动策略

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种用于改善燃料电池系统的启动可靠性的系统和方法， 以及更具体的是涉及一种在系统已经关闭了一段相当长时间后改善燃料电池系 统启动可靠性的系统和方法，该系统和方法减少了阴极空气压缩机的流量和/或 提供用于电池堆电流流量的电池堆负载，从而减少薄膜的干燥和/或增加薄膜的 湿度。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且在燃料电池中能够有 效地发电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极、阴极以及位于其间的 电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被分解以产生 自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生 反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前被引导通 过负载而做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用的燃料电池。PEMFC 通常包括固态聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通 常包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细粉碎的催化剂颗粒，通常是铂 (Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混 合物和薄膜的结合体定义为膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵并且 为了有效的操作需要一定的条件。

通常多个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。例如，通常对 于上述汽车的燃料电池堆可以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，典型的是通过压缩机施加压力而穿过电池堆的空气流。电 池堆并没有消耗掉全部的氧气，一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能 包括作为电池堆副产品的水。该燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢 气输入气体。

燃料电池堆包括设置在电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中双 极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括在电池堆中邻接燃料电池的阳极 侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气体流动通道，其允许阳极反应气体 流动到各自的MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气体流动通道，其允许阴极反 应气体流动到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，以及另外一个端 板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电 复合物。端板将燃料电池产生的电流传导到电池堆外部。双极板还包括冷却流 体通过其而流动的流动通道。

正如本领域所公知的，燃料电池薄膜在一定的相对湿度(RH)下操作，从 而使穿越薄膜的离子阻抗足够低以便有效传输质子。通过控制多个电池堆的操 作参数从而把来自燃料电池堆的阴极输出气体的相对湿度控制到期望的薄膜相 对湿度，诸如电池堆压力、温度、阴极化学定量关系、和进入到电池堆中的阴 极空气的相对湿度。

燃料电池堆中的末端电池通常具有不同于电池堆中其它电池的性能和灵敏 度的操作条件。具体地，末端电池位于最靠近电池堆的室温温度环境的位置， 因此由于热损失而具有的温度梯度造成它们在较低的温度下操作。由于末端电 池通常比电池堆中剩余的电池更凉，气态水更容易凝结成液态水，从而使末端 电池具有较高的相对湿度，这就导致更容易在末端电池的流动通道中形成水滴。 本领域已知的是使用位于末端单元和单极板之间的电阻加热器来加热燃料电池 堆的末端电池，从而补偿热损失。

已经表明燃料电池系统关闭的时间越长，下次系统启动时的可靠性越差。 具体地，在燃料电池系统已经关闭了一段相当长的时间后，由于燃料电池堆内 的一个或多个电池缺乏传输所需电流量的能力，系统启动通常会发生启动失败。 已经表明在系统启动时电池堆失败的一个起作用的因素是燃料电池内的高薄膜 电阻的结果，其直接影响它传输质子的能力。已经提出这个高薄膜电阻是薄膜 干燥的结果。

发明内容