[发明专利]用于执行原地燃料电池组再生的自动程序

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于再生燃料电池组的系统和方法，更具体地涉及用于再生燃料电池组的如下系统和方法，其包括在不施加电池组负载的情况下在系统关闭时提高电池组的阴极侧的湿度水平以水合电池膜，并向燃料电池组的阳极侧提供氢，使得氢穿过膜到达阴极侧并与氧反应以减少污染物，其中系统监控再生事件触发、再生阀值和极限以及再生系统校验，使得能够在车辆运行期间提供再生过程。

背景技术

由于氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括其间具有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解，以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应，以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括诸如全氟离子交换膜的固态聚合物电解质质子传导膜。阳极和阴极通常但不总是包括通常支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的、通常为诸如铂(Pt)的高活性催化剂的微细催化剂颗粒。催化混合物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膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵，并且需要一定的条件以便有效操作。

通常将多个燃料电池结合成燃料电池组，以产生预期的功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池组可具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，其通常为通过压缩机迫使通过电池组的空气流。电池组没有消耗所有的氧，而是一些空气作为阴极排出气体被输出，阴极排出气体可包括作为电池组副产物的水。燃料电池组还接收流入电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池组包括在电池组中定位在多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设置有允许阳极反应气体流向相应的MEA的阳极气体流场。在双极板的阴极侧上设置有允许阴极反应气体流向相应的MEA的阴极气体流场。一块端板包括阳极气体流动通道，而另一块端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池产生的电从电池组传到出去。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有足够的含水量，使得横跨膜的离子阻力低到足以有效地传导质子。膜增湿可通过电池组的水副产物或通过外部增湿。反应物通过电池组的流动通道的流动对电池膜具有干燥作用，并且在反应物流动的入口处最显著。然而，水滴在流动通道内的积聚会阻止反应物流过，并且由于低的反应气体流动可能使电池失效，从而影响电池组的稳定性。水在反应气体流动通道内、以及在气体扩散层(GDL)内的积聚在低的电池组输出负载时尤其麻烦。

如上所述，水作为电池组操作的副产物而产生。因此，来自电池组的阴极排出气体通常会包括水蒸汽和液态水。本领域已知的是将水蒸汽输送(WVT)单元用于俘获阴极排出气体中的一些水，以及将水用于增湿阴极输入气流。诸如膜的水输送元件一侧处的阴极排出气体中的水由水输送元件吸收并输送至水输送元件另一侧的阴极气流。

在燃料电池系统中，存在在电池膜中造成电池组性能的永久损失的许多机构，诸如催化剂活性的损失、催化剂载体腐蚀和针孔形成。然而，存在可造成大致可逆的电池组电压损失的其他机构，诸如电池膜干透、催化剂氧化物形成、以及污染物在电池组的阳极侧和阴极侧上的积累。因此，本领域存在一种需求，即清除生成的氧化物和积累的污染物，以及再水合电池膜，恢复燃料电池组中的电池电压的损失。

湿操作-也就是说具有高湿量的操作对于系统增湿、性能和污染清除是合乎需要的。然而，存在操作具有较低湿量、也称为干状态的燃料电池组的各种理由。例如，湿操作由于水的积累可导致燃料电池稳定性问题，并且还会造成导致碳腐蚀的阳极饥饿。另外，由于液态水在燃料电池组中的不同位置处冻结，所以湿操作在冷冻状态下可能成为问题。因此，本领域需要已对非湿运行状态进行了优化的系统。

发明内容