[发明专利]用于燃料电池车辆启动的可变阳极流率

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地说，本发明涉及用于在燃料电池系统启动期间促进可变阳极流率的燃料电池系统和方法。

背景技术

已经将燃料电池提出作为电动车辆和各种其他应用的清洁、高效并且环保的能源。具体地说，已经将燃料电池当作在现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替代方案。

通常的燃料电池被称为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个主要部件：阴极；阳极；和电解质薄膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细小催化剂，例如铂。电解质薄膜夹在阴极和阳极之间以形成薄膜电极组件(MEA)。该MEA往往设置在多孔扩散介质(DM)之间，该介质便于将气态反应物通常为来自空气的氢气和氧气输送以便进行电化学燃料电池反应。可以将各个燃料电池串联层叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够产生出足以给车辆供电的电力。

在非工作时期，大量空气积累在燃料电池堆的阳极中。在燃料电池堆启动时，给阳极提供氢气。该氢气接触空气并且产生出在阳极上通过的“氢气-空气锋”。已知该氢气-空气锋会降低燃料电池性能。具体地说，氢气和空气两者在阳极上的出现导致在碰到氢气的一部分阳极和碰到空气的一部分阳极之间出现局部短路。该局部短路导致电流反向，并且提高了阴极界面点为，从而导致燃料电池碳基底和催化剂支撑物迅速腐蚀。已经发现碳腐蚀的速度与氢气-空气锋存在的时间和在氢气-空气锋处的局部电压的大小成正比。

在本领域中已知的是，用氢气迅速清洗积累有空气的阳极，并且使得氢气-空气锋在阳极上存在的时间最短。清洗通常设计成在不会从燃料电池系统中排出过多氢气的情况下用氢气基本上并且均匀地填充阳极入口集管。在申请人的共同未决美国申请No.11/762845中披露了一种示例性的清洗方法，该文献其全文在这里被引用作为参考。通常，清洗阳极所需的时间要提前根据燃料电池堆的体积和氢气的流率计算出。但是，已经累积在阳极上的空气量随着停机周期和条件的不同而变化。另外，在停机周围之后在阳极上气体的压力、压力测量值、流率、流率控制和组分的变化也会变化很大。因此，从阳极中将累积空气推出所需的时间以及用于清洗阳极的氢气的体积和流率通常不是最佳的。由于难以预测清洗的最佳结束点，在本领域中所公知的系统已经不能在没有向大气排出合适量氢气的情况下用氢气清洗阳极。

另外，已知的系统在燃料电池堆的启动期间也已经采用了全短路电路。在全短路系统中，例如采用具有短接电阻的电路来使得在燃料电池堆的启动期间的局部电压最小。由此优化了在燃料电池堆启动期间的耐碳腐蚀性。但是，为了让完全短路系统正确工作，在燃料电池堆中的每个燃料电池在全短路持续时间内具有基本上相等的氢气量。缺乏氢气的燃料电池在遭受完全短路的情况下会出现不好的局部“热斑”。

一直需要能够提供迅速可靠启动的燃料电池系统和方法。最好开发出能够在燃料电池系统的启动期间实现可变阳极流率的燃料电池系统和方法，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短，同时还使得燃料电池系统由于启动程序而性能下降最小。

发明内容

根据本发明，令人惊讶地发现了用于在燃料电池系统的启动期间实现可变阳极流率的燃料电池系统和方法，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短，同时还使得燃料电池系统由于启动程序而性能下降最小。

在一个实施方案中，一种燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供给歧管和阳极排气歧管；用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个的传感器，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制流进所述阳极供给歧管的流体的流率。

在另一个实施方案中，一种燃料电池包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供给歧管和阳极排气歧管；传感器，用于测量注入到所述阳极供给歧管中的流体体积、在至少一个燃料电池上的电压、从所述燃料电池堆中提供的电流、停机时间和环境因素中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制流进所述阳极供给歧管的流体的流率。

本发明还提供了用于控制在燃料电池系统中流体的流率的方法。