[发明专利]燃料电池开路电压的低功率控制

说明书

技术领域

通过使用将对于操作在临界电压水平（高于该临界电压水平燃料电池就可能会发生退化）下的燃料电池消耗最小功率的预先选择的辅助负载，对新鲜空气和阴极再循环废气的数量进行调节，从而把燃料电池电压保持在临界电压以下的较小范围内。

背景技术

据授予Reiser和Landau的美国专利4,202,933所述，在较低功率水平下的燃料电池动力装置的操作会导致高电池电压，从而会导致催化剂和催化剂支持材料发生腐蚀。这会导致低功率操作下的严重性能衰减。在其功率需求常常是零的交通工具中，动力装置的反复发生的低功率空转将导致随着时间而增加的性能衰减。

前面提到的专利还指出，仅仅减少对阴极的空气输入会导致每一块燃料电池内的严重的电流密度分布不均。也就是说，靠近燃料电池空气进口的电流密度非常高，但是靠近空气出口的电流密度非常低。这会导致燃料电池的空气进口区域处的过度加热，这可能导致附加的性能损失和燃料电池组件的可能破裂。

在前面提到的专利中，阴极废气被再循环到阴极空气进口，以便降低所生成的功率并且同时至少在某种程度上控制在各块电池中所达到的电压。这样做会减轻电流密度分布不均和腐蚀。在前面提到的专利中，提供期望功率输出以便与实际功率输出进行比较；如果实际功率高于期望功率，则阴极再循环被用来导致电压降；功率调节设备降低实际功率输出。这可以继续，直到达到期望功率输出水平或临界电压为止。

该方法的问题在于，可能必须生成高达20千瓦的功率以便把电压保持在临界水平以下。虽然该功率可以被用于为电池充电或者用于运行辅助装备，但是在许多情况下必须简单地将其作为热量耗散掉，这可能是非常困难的问题，特别在交通工具中尤其如此。

授予Scheffler和Vartanian的美国专利4,859,545利用一种算法来控制空气利用率以确保个别电池不会缺氧，其中所述算法涉及到阴极废气处的氧气浓度、当前电流输出下的摩尔耗氧率以及流入阴极的气体。空气进口阀门被向上或向下调节以便实现所期望的空气利用率。其中没有公开应对输出功率的方式。

发明内容

为了在燃料电池堆操作于低功率水平时控制各燃料电池的电压，把所述燃料电池堆连接到预定的电阻性辅助负载，所述电阻性辅助负载的大小将耗散的功率数量与电压恰好低于临界值时将存在的电流有关，而在所述临界值以上将会发生催化剂腐蚀和/或催化剂支持材料腐蚀。通过以下方式对阴极再循环和进口气流进行调节以建立所需电压：在保持有足够的气流流过阴极的同时减少可用的氧气，从而避免电流密度分布不均。可以通过阀门、孔口或鼓风机速度来调节空气进口流速和阴极再循环流速。举例来说，在典型的燃料电池动力装置中，在低功率水平下利用的所述辅助电阻性负载对于每块电池将需要耗散半瓦特量级的功率。对于100千瓦的动力装置，这将是大约500瓦特。可以利用主动式动力装置热管理系统来耗散所得到的热量，或者可以按照被动方式（比如辐射和/或对流）从周围环境传递所得到的热量。

根据下面对如在附图中示出的示例性实施例的详细描述，其他变型将变得显而易见。

附图说明

图1是具有可有开关控制的（switchable）辅助负载和阴极再循环的燃料电池动力装置的简化示意图，其可用于开路电压的低功率控制。

图2是燃料电池的示例性性能曲线。

具体实施方式

参照图1，燃料电池动力装置5包括燃料电池堆6，每一块燃料电池都具有阳极催化剂层、阴极催化剂层以及布置在所述层之间的质子交换膜。每一块燃料电池还具有邻近阳极催化剂层的燃料反应物气流场通道，其中在所述燃料流场通道与催化剂层之间具有或没有附加层。每一块燃料电池还具有邻近阴极催化剂层的氧化剂反应物气流场通道，其中在所述氧化剂反应物气流场通道与阴极催化剂层之间具有或没有附加层。这些内容是已知的并且没有在图中示出。

阳极9和阴极10通过质子交换膜11分开。阳极9接收来自源14的燃料，所述燃料经过压力调节器15和由控制器17调节的流控制阀门16。阳极的燃料进口19还接收来自再循环泵21的管道20中的再循环燃料，所述再循环泵21通过管道22连接到阳极燃料出口23。控制器17还操作清除阀门25以便周期性地或者持续地释放小部分的阳极废气，从而使得燃料电池去除诸如氮气之类的污染物和惰性物。阀门25通过管道27连接到混合箱28，阳极废气在该处与管道29中的阴极废气混合。所述混合箱在管道31中的外流可以是流向周围环境或者流向某种受控约束（confinement）。