[发明专利]使相对湿度循环最小化以增强耐久性的燃料电池操作

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种采用提供用于保持阴极出口气体湿度的策略的算法的燃料电池系统，且特别是，本发明涉及一种采用拱预算法(overarching algorithm)以保持阴极出口气体湿度处于湿或干操作模式从而防止出现膜湿度循环变化的燃料电池系统。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被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出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效操作。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板。每块双极板包括用于燃料电池堆中的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上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。双极板由传导材料如不锈钢制成，以使得它们将由燃料电池产生的电力传导出燃料电池堆。双极板还包括供冷却流体流动通过的流道。

过高的燃料电池堆温度可能损伤膜以及燃料电池堆中的其它材料。燃料电池系统因此采用热子系统以控制燃料电池堆的温度。特别是，冷却流体被泵送通过燃料电池堆中的双极板中的冷却流体流道以带走燃料电池堆的废热。在正常的燃料电池堆操作过程中，基于燃料电池堆负载、环境温度和其它因素控制泵速，以使得燃料电池堆的操作温度被保持处于最佳温度例如80℃。散热器通常被设置在燃料电池堆外部的冷却剂回路中，所述散热器对受到燃料电池堆加热的冷却流体进行冷却，其中受到冷却的冷却流体循环返回并通过燃料电池堆。

正如本领域中易于理解地，燃料电池膜在特定的相对湿度(RH)下进行操作。通过控制多个燃料电池堆操作参数如燃料电池堆压力、温度、阴极化学计量比和进入燃料电池堆内的阴极空气的相对湿度，而对来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度进行控制，从而控制膜的相对湿度。出于燃料电池堆耐久性的目的，所希望的是使膜的相对湿度循环次数最小化，其原因在于已经表明，在相对湿度极值之间进行的循环严重限制了膜的寿命。正如本文中使用地，相对湿度循环指的是改变膜的相对湿度使其高于和低于100％。膜的相对湿度循环导致膜由于吸水过程和随后的干燥过程而产生膨胀和收缩。膜产生的这种膨胀和收缩导致在膜中产生针孔，这形成了使氢和氧通过膜的横穿部位从而形成热点，这进一步增加了膜中的孔的尺寸，因此缩短了膜的寿命。

在燃料电池系统的冷启动过程中，由于冷的阴极排气不能保持太多水蒸汽，因此阴极出口气体的相对湿度将通常超过100％。当燃料电池堆变热，以及燃料电池堆上的负载增加时，热子系统的散热能力将通常不足以维持阴极出口气体的相对湿度高于100％，原因在于这将需要大的热子系统冷却容量。因此，阴极出口气体所产生的相对湿度降低的转变将对应于更干燥的膜条件。燃料电池系统在湿条件或干条件下进行操作涉及多种因素，所述因素包括燃料电池堆上的负载、环境温度、热子系统的冷却容量等。

当燃料电池系统的操作条件产生变化时，阴极出口气体的相对湿度倾向于在湿操作条件与干操作条件之间来回循环。正如本文所使用地，湿操作条件指的是阴极排气的相对湿度大于100％且干操作条件指的是阴极排气的相对湿度小于100％。因此，所希望的是减少燃料电池堆操作过程中的膜的相对湿度循环从而延长燃料电池堆中膜的寿命。