[发明专利]启动燃料电池系统的系统和方法

说明书

技术领域

本公开内容总体地涉及电功率系统，并且更特别地涉及燃料电池堆启动系统。

背景技术

电化学燃料电池转换反应物(即燃料和氧化剂流体流)以产生电功率和反应产物。电化学燃料电池一般地使用布置于两个电极(即阴极和阳极)之间的电解质。布置于电解质和电极之间的界面的电催化剂典型地引发在电极处所期望的电化学反应。电催化剂的位置总体地界定了电化学活性区。

一种类型的电化学燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池一般地使用包括布置于两个电极之间的固体聚合物电解质或离子交换膜的膜电极组件(MEA)。每个电极典型地包括给隔膜(membrane)提供结构支撑并用作流体扩散层的多孔的、导电的基板，例如碳纤维纸或碳布。隔膜是离子导电的，典型为质子导电的，并且既充当用于使反应物流彼此隔离的屏障也充当两个电极之间的电绝缘体。典型的商用PEM是由E.I.du Pont de Nemours and Company出售的货物名称为NAFION的磺化全氟化碳膜。电催化剂典型为贵金属组合物(例如，铂金属黑(platinum metal black)或其合金)并且可以被提供于合适的支撑物上(例如，在碳黑支撑物上所支撑的铂颗粒)。

在燃料电池中，MEA被典型地插入基本上不渗透燃料流的两个隔板之间。隔板(plate)典型地充当集流体并且为MEA提供支撑。另外，隔板可以具有形成于其中的燃料管道并且充当给燃料流提供到各自多孔电极的通路以及为在燃料电池的工作期间所形成的反应产物的去除作准备的流场板。

在燃料电池堆中，多个燃料电池连接在一起，典型为串联，以增加组件的总的输出功率。在该布局中，给定隔板的一侧可以用作一个电池(cell)的阳极流场板以及隔板的另一侧可以用作相邻电池的阴极流场板。在这种布局中，隔板可以称为双极板。典型地，多个进入口、供应歧管、排出歧管及排出口被利用来将燃料导引到流场板中的燃料管道。供应及排出歧管可以是延伸穿过在流场板内所形成的对齐的开口和MEA的内部歧管，或者可以包括附接于流场板的边缘的外部或边缘歧管。

范围广泛的反应物(可交换地称为燃料)能够被使用于PEM燃料电池中。例如，燃料可以基本上是纯的氢气、气态的含氢重整物(reformate)流，或者在直接甲醇燃料电池中的甲醇。例如，氧化剂可以是基本上纯的氧气或稀释的氧气流(例如空气)。

在PEM燃料电池的正常工作期间，燃料中的氢在电化学上被还原于阳极侧上，典型地导致生成质子、电子，以及可能为取决于所使用燃料的其他物质。质子被从它们所产生的反应位置中传导穿过隔膜以与阴极侧上的氧化剂中的氧电化学反应。电子穿过提供有用功率的外部电路并且然后与阴极侧上的质子及氧反应以产生水。

一个影响启动过程的重要因素是启动过程开始时的燃料电池的初始温度。当燃料电池相对冷时，电化学反应过程是效率很低的。已知要设法在启动期间给燃料电池提供热以加快启动过程。例如，可以使用辅助加热装置来给燃料电池提供热。同样已知的是使燃料电池工作于降低的电压下以通过相对高的功率损耗在燃料电池之内产生热。

常规的燃料电池堆，以及它们关联的个体燃料电池，在正常的工作条件期间工作于相对高的最小堆组、电池，和/或各自的燃料电池电压。例如，在某些汽车应用中，燃料电池堆提供在300安培下的250伏特(V)的标称输出电压。燃料电池堆的个体的、串联的燃料电池在正常的工作条件期间输出每个燃料电池大约0.5伏特的标称电压。

但是，在冷的启动过程，尤其是零下的启动期间，极化曲线显著小于正常工作期间由燃料电池所提供的极化曲线。例如，燃料电池堆可以在冷的温度下于250伏特的工作堆电压提供100安培的输出电流以及在正常工作温度下于250伏特的工作电压提供200安培的输出电流。

随着燃料电池堆的启动过程进行，堆组及个体燃料电池的极化曲线从上述的启动极化曲线升高到正常工作的极化曲线。因此，在来自燃料电池堆的足够的电压和电流可用于正常的工作条件之前，启动过程需要一段时间。