[发明专利]在备用期间为燃料电池堆提供功率

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于延长燃料电池堆中的电极催化剂的寿命的系统和方法，更具体地涉及通过在系统备用模式期间保持电池堆势能在一定值以上以防止或限制电池堆电压循环来延长燃料电池堆中的电极催化剂的寿命的系统和方法。

背景技术

氢是很有吸引力的燃料，因为它清洁并且可以用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极、阴极和它们之间的电解质的电化学设备。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂的作用下离解产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂的作用下与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被导引穿过负载以在被传送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但不总是包括精细的催化剂微粒，通常是诸如铂（Pt）（通常附着在碳粒子上并且与离聚物混合）的高度活跃的催化剂。催化剂混合物被沉积在膜的相反侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的结合限定膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵并且其有效操作需要特定的条件。

在燃料电池堆中通常组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池可具有两百个或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应输入气体－通常是通过压缩机压入电池堆中的空气流。并不是所有氧都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气（可以包括作为电池堆副产物的水）被输出。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢反应输入气体。

燃料电池堆通常包括位于电池堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场被设置在允许阳极反应气体流到各自的MEA的双极板阳极侧。阴极气体流场被设置在允许阴极反应气体流到各自的MEA的双极板阴极侧。一个端板包括阳极气体流道，而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，诸如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到电池堆外部。双极板还包括流过冷却流体流的流道。

已经发现在电池堆使用期间典型的燃料电池堆将存在电压损失或下降。相信燃料电池堆退化的原因之一是电池堆的电压循环。当用于增强电化学反应的铂催化剂微粒在氧化状态和非氧化状态之间转变（这致使微粒分解）时，发生电压循环。当铂微粒在非氧化或金属状态和氧化状态之间转变时，铂中氧化的离子能够从MEA的表面朝向膜移动并且可能进入膜内。当微粒转换回到金属状态时，它们不能辅助电化学反应、减小有效的催化剂表面并且导致电池堆电压下降。

由电压循环导致的燃料电池中铂微粒的氧化在电池电极中产生钝化层，该钝化层阻止微粒进入溶液和被膜吸收。换言之，燃料电池中铂微粒的氧化降低了催化剂表面区域的还原（这降低电池的退化）可能性。尽管这里的讨论涉及铂作为催化剂，但是本领域技术人员容易理解，可以使用其它金属作为催化剂并且催化剂可以具有各种浓度、微粒大小、附着材料等。

如果燃料电池堆的电压小于约0.9伏，则铂微粒未被氧化并保持为金属。当燃料电池堆的电压大于约0.9伏，则铂催化剂开始氧化。电池堆上的低负载可以导致燃料电池堆的电压输出大于0.9伏。根据MEA的功率密度，0.9伏对应于约0.2 A/cm²的电流密度，大于该值的电流密度不会改变铂的氧化状态。对于不同的电池堆和不同的催化剂，氧化电压阈值可以不同。

许多因素影响与电压循环相关的铂微粒表面区域的相对损失，包括峰值电池堆电压、温度、电池堆湿度、电压循环动态等。较低的电池堆电压设定值提供针对退化的较大保护，但是较高的电池堆电压设定值提供增大的系统效率。因此，对各种燃料电池系统的控制通常需要电池堆至少在最小功率水平操作，从而使得在至少一种情形中防止电池电压上升过高，因为如上所述频繁的升至高压的电压循环可以导致阴极和阳极的有效铂表面减小。

通常，在已知的燃料电池系统中，固定的电压极限被用来设定电池堆的最小功率水平，以防止不期望的电压循环。例如，典型的电压抑制策略可以使用固定的电压设定点，诸如850-900mV，并且防止电池堆电压上升到该值以上。如果燃料电池功率控制器不要求功率，或者要求最小功率，则电池堆产生的维持电池电压水平处于或小于固定设定值所必需的功率被提供到存储或消耗能量的某些源。例如，过多的功率可以用于对燃料电池系统车辆中的高压蓄电池进行充电。