[发明专利]阳极溢流主动补救

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于提供主动补救措施的系统和方法，其响应于在燃料电池堆的阳极侧中阳极流场溢流的确定电势，更具体地，涉及一种用于执行一种或多种主动补救措施(例如增加阳极压力偏差、引发反应性排放、增加氢浓度设定点，脉冲调制电池堆功率和/或脉冲调制阳极压力)的系统和方法，其响应于在燃料电池堆的阳极侧中阳极流场溢流的确定电势。

背景技术

氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中解离以产生游离的氢质子和电子。氢质子通过电解质到阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且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类型，并且通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，其中催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极剂催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。膜阻挡燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的气体输送，同时允许质子的输送以完成其各自电极上的阳极和阴极反应。

通常，几个燃料电池组合形成燃料电池堆，以产生期望的功率。燃料电池堆通常包括位于电池堆中的多个MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体通道设置在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电力导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

燃料电池中的MEA是可渗透的，从而允许空气中的氮从电池堆的阴极侧从其渗透通过，并聚集在电池堆的阳极侧，通常称为氮气横穿。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压也会导致空气渗透通过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释氢，使得如果氮浓度增加到超过一定百分比，例如50％，电池堆中的燃料电池会变得缺少氢。如果燃料电池变得缺少氢，则燃料电池堆将不能产生足够的电力，并且因此可能损坏燃料电池堆中的电极。因此，在本领域中已知在燃料电池堆的阳极废气输出管线中提供排放阀，以从电池堆的阳极侧去除氮。燃料电池系统控制算法将识别阳极中所期望的最小氢气浓度，并且当气体浓度低于该阈值时导致排放阀打开，其中阈值基于电池堆稳定性。

如在本领域所充分理解的，燃料电池膜以一定的相对湿度(RH)运行，使得穿过膜的离子电阻足够低，以便有效地传导质子。通常通过控制多个电池堆操作参数，例如电池堆压力、温度、阴极化学计量以及进入电池堆的阴极空气的相对湿度，控制来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度，以便控制膜的相对湿度。目前，燃料电池堆常常是“潮湿”运行，其中根据电池堆的特定操作条件，燃料电池堆的阴极侧和阳极侧的相对湿度都在100％以上。

在燃料电池堆的操作期间，来自MEA的湿气和外部加湿会进入阳极和阴极流动通道。在低电池功率需求下，通常低于0.2A/cm²，因为反应气体的流速太低而不能迫使水流出通道，因此水可能积聚在流动通道内。例如，在低功率水平下，例如在车辆怠速期间，电池堆电流密度低，并且由于注射器处于非常高的占空比则氢未被泵入阳极侧。因此，较少的氢可用于将水推出流动通道，这常常导致一些电池缺少氢。潮湿电池堆操作会由于水积聚而导致燃料电池的稳定性问题，并且还会使阳极缺少氢，导致碳腐蚀。此外，由于在燃料电池堆中的各个位置处的液态水冻结，在冷冻条件下潮湿电池堆操作可能是有问题的。

随着水在电池堆中积聚，在流动通道中形成液滴。随着液滴的大小增加，流动通道被关闭，并且因为通道在共同的入口和出口歧管之间是平行的，所以反应气体被转移到其他流动通道。随着液滴的大小增加，液滴的表面张力可能会比试图将液滴推到排气歧管的△压力更强，因此反应气体不会流经被水堵塞的通道，反应气体不能迫使水流出通道。作为通道阻塞的结果，不接收反应气体的膜的那些区域将不会发电，从而导致不均匀的电流分布并降低燃料电池的整体效率。随着越来越多的流动通道被水堵塞，燃料电池产生的电力降低，其中小于200mV的电池电压被认为是电池故障。因为燃料电池是电性串联的，如果一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆会停止工作。