[发明专利]启动期间最大化燃料电池电压的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种操作燃料电池系统的方法，更具体地，涉及在可能导致燃 料电池系统内的水冻结的温度，操作燃料电池系统以最优化该燃料电池系统的 启动操作的方法。

背景技术

燃料电池系统在燃料电池堆(fuel cell stack)中将燃料和氧化剂转化成电。一 种燃料电池系统采用质子交换膜(以下称为“proton exchange membrane，PEM”)来 催化促进燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气或空气)的反应，以产生电。所述 PEM是固体聚合物电解质膜(solid polymer electrolyte membrane)，其在燃料电池 系统的每个单独的燃料电池组件(fuel cell assembly)中促进质子从阳极转移到阴 极。电极、催化剂和所述PEM组装起来形成膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)。

在典型的PEM燃料电池组件中，所述MEA被置于气体扩散介质(gas diffusion media，GDM)之间。所述GDM和MEA被置于一对导电板(plates)之间。 如果所述板是双极板(bipolar plates)，则所述板在燃料电池系统中相邻的燃料电 池组件之间传导电流。如果所述板是在燃料电池组件堆的末端处的单极板 (unipolar plates)，则所述板向所述燃料电池组件外部传导电流。

单个的燃料电池组件包括形成于其中的通道(channels)，以便于反应物和冷 却流体在其中流过。燃料电池板通常设计有盘管流动通道(serpentine flow channels)。盘管流动通道是希望的，因为它们有效地将反应物分配在燃料电池组 件的活性区域上，从而使燃料电池组件的性能和稳定性最大化。水从流动通道 向燃料电池板的出口歧管(manifolds)的移动由经过燃料电池组件的反应物的流 动引起。在冰点以下的条件下，PEM燃料电池系统中的水可能积聚并形成冰。 PEM的反复冻结和融化可能减小所述PEM的使用寿命。另外，由于燃料电池 系统中水和冰的存在，所述燃料电池系统的启动操作所需要的时间会增加。包 括所述燃料电池系统的交通工具的暖机(warm-up)和开走时间(drive away time)也 会增加。

一般地，在关闭操作(shutdown operation)期间，使用排水操作来移除燃料 电池系统的歧管内的水。在所述排水操作之后留在所述燃料电池系统中的水可 以利用关闭清除(shutdown purge)从燃料电池系统中移除。所述关闭清除可以是 真空蒸发、空气清除(air purge)、反应物加湿的终止(cessation)、或本领域公知的 其它类似的燃料电池组件湿度不足(humidity starvation)方法。

为了在启动操作和正常操作期间保持燃料电池系统中的高质子传导性以 及低内阻，所述PEM必须保持理想的水合水平。常规的关闭清除过程通常目的 是从燃料电池系统的燃料电池板流体通道、GDM、电极孔和PEM除去液体。 液态水的充分去除(例如从流动通道)通常需要长清除时间，从而所述从PEM除 去水分(moisture)的过程导致不希望的PEM干燥至低于所需水合水平的水平。典 型的PEM将具有约为9的水合指数(λ)。所述水合指数定义为PEM中每当量磺 酸基团的水摩尔数(number of moles of water per equivalent sulfonic acid group)。经 过常规关闭清除操作后，PEM可能具有低于3.5的水合指数。如果PEM的水合 指数小于9，则所述燃料电池组件中会发生欧姆(电压)损耗。欧姆损耗(Ohmic loss) 定义为由对PEM中离子流动的阻碍以及对通过电极和双极板材料的电子流动 的阻碍导致的电压降。在寒冷或冻结条件下在启动操作期间，水合指数小于9 可能导致燃料电池系统中增加的欧姆(电压)损耗，从而进一步增加暖机和开走时 间。

期望开发一种操作燃料电池系统的方法，以在可能导致燃料电池系统中的 水冻结的温度最优化燃料电池系统的启动操作。

发明内容

和本发明协调一致，令人惊讶地发现了一种操作燃料电池系统的方法，以 在可能导致燃料电池系统中的水冻结的温度最佳化燃料电池系统的启动操作。