[发明专利]燃料电池系统的自动冷藏保护

说明书

技术领域

本发明总体涉及选择性地提供燃料电池堆的冻结吹扫的系统和方法，更具体地涉及在系统停止运行时，在考虑电池膜的湿度、环境温度和其它因素的情况下选择性地提供燃料电池堆的冻结吹扫的系统和方法。

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，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极离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，因此被导引通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传导膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细的催化剂微粒，通常是附着在碳粒子上并且与离聚物混合的铂（Pt）。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结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堆可具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩机压入电池堆中的空气流。并不是所有的氧都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气（可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气体。所述电池堆还包括冷却流体流过的流道。

燃料电池堆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。阳极气体流道被设置在双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流到各自的MEA。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧，允许阴极反应气体流到各自的MEA。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。

如在本领域被充分理解的，燃料电池膜在受控制的水合作用水平下操作，从而使得横跨膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。来自燃料电池堆的阴极排放气体的相对湿度（RH）通常受到控制，以通过控制若干电池堆操作参数，诸如电池堆压力、温度、阴极化学计量和进入电池堆的阴极空气的相对湿度，来控制膜的水合作用水平。在本领域已知从阴极废气流回收水并经由阴极进入空气流使其返回电池堆。许多装置可以用于执行此功能，诸如水蒸气传送（WVT）单元。通过使阴极出口相对湿度保持在特定的设定值，例如80%，可以保持合适的电池堆膜水合作用水平。

在本领域已知对燃料电池堆的膜进行高频电阻（HFR）测量，以精确测量燃料电池堆中的水或膜的水合作用。HFR测量系统在电池堆的电气负载上提供高频元件，该高频元件在电池堆的电流输出上产生高频波纹。测量高频元件的电阻值，该电阻值是电池堆中的水含量的函数。

在燃料电池系统停止运转时，期望膜具有一定的水合作用水平，从而使膜不会太湿或太干。这通常通过用干燥空气吹扫电池堆的阴极侧或电池堆的阴极和阳极侧一段时间来实现。在一种已知技术中，通过迫使空气从阴极侧通过膜来进行阳极侧吹扫。电池堆中存在太多水会在低温环境中导致问题，其中，水冻结会产生阻塞流道并且影响系统重启的冰。然而，过长时间的吹扫会导致膜变得太干，此时膜在下一次系统重启时将具有过低的质子传导率，这影响重启性能并且降低电池堆的耐用性。电池堆中水的实际目标克数随系统和某些系统参数而变化。

对于具有三百个燃料电池且每个燃料电池近400cm²的有效面积的燃料电池堆，当系统停止运转时电池堆可具有约二百克的水。期望在系统停止运转之后该尺寸的电池堆具有约二十三克水，从而使膜被适当地水合。二十三克水对应于λ等于3的电池堆，其中，λ表示膜的水合程度，其定义为每个燃料电池的膜中每个磺酸分子的水分子数。通过已知系统停止运转时燃料电池堆中实际有多少水，可以提供期望的空气吹扫流率和空气吹扫持续时间，从而可以实现λ=3的目标值。基于燃料电池系统操作期间的电池堆操作参数，可以采用模型来估算电池堆中的水含量。