[发明专利]两阶段、无HFR的冻结预备关闭方案

说明书

技术领域

本发明总体上涉及在系统关闭时吹扫燃料电池堆的方法，更具体地涉及在系统关闭时使用两阶段过程来吹扫燃料电池堆的方法，其中，第一阶段包括用具有已知相对湿度的湿化阴极空气吹扫燃料电池堆以使得燃料电池堆达到已知水化水平，第二阶段包括用干燥阴极空气吹扫燃料电池堆以将燃料电池堆水化水平从已知水化水平降低至期望最终水化水平。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC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细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应物气体。燃料电池堆也包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。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。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个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，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

本领域熟知的是，燃料电池的膜以受控的水化水平操作，使得跨过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。来自于燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度(RH)通常借助于控制多个燃料电池堆操作参数(例如，燃料电池堆压力、温度、阴极化学计量比和进入燃料电池堆的阴极空气的相对湿度)被控制，以控制膜的水化水平。通过保持阴极出口相对湿度在具体设定点，例如80％，可以保持合适的燃料电池堆膜水化水平。

如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物生成。因而，来自于燃料电池堆的阴极排气将包括水蒸汽和液体水。本领域中已知经由阴极入口空气流从阴极排气流回收水并使之返回燃料电池堆。可以使用许多装置来执行这种功能，例如水蒸汽传输(WVT)单元。

在燃料电池系统关闭期间，期望给膜提供一定量的水化水平，使得膜不过湿或者过干。这通常通过用干燥空气吹扫燃料电池堆的阴极侧或者燃料电池堆的阴极和阳极侧两者具体时间段来完成。燃料电池堆中过多的水可能在低温环境下引起问题，其中，水的冻结将产生冰，冰阻塞流动通道并影响系统的重新启动。然而，过长的吹扫将使得膜变得过干，其中，膜可能在下一次系统重新启动时具有过低的质子传导性，从而影响重新启动性能且降低燃料电池堆的耐用性。燃料电池堆中的水的实际目标克数将根据系统和某些系统参数而变化。

对于具有300个燃料电池的燃料电池堆且每个燃料电池的活性面积接近400cm²，燃料电池堆在系统关闭时可具有约200克的水。期望该尺寸的燃料电池堆在系统关闭期间具有约23克的水，使得膜被适当地水化。23克的水是λ/3燃料电池堆，其中λ表示膜水化度，即，每个燃料电池的膜中的每个磺酸分子的水分子数。通过知道在系统关闭时燃料电池堆中实际上有多少水，可以设置期望空气吹扫流率和空气吹扫持续时间，从而能够实现23克的水的目标值。可以采用模型来基于燃料电池系统操作期间的燃料电池堆操作参数估计燃料电池堆中的水量。然而，有许多系统操作参数，因而在车辆操作从启动至随后关闭(可能在高达几小时之后)的过程期间通常难以实现模型精确度。