[发明专利]燃料电池的适应性负载

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地说，本发明涉及用于减少高电极电位的时间以防止燃料电池受到损坏电流的燃料电池系统和方法。

背景技术

已经将燃料电池提出作为电动车辆和各种其他应用的清洁、高效并且环保的能源。具体地说，已经将质子交换薄膜(PEM)燃料电池当作在现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替代物。

PEM燃料电池包括三个主要部件：阴极；阳极；和电解质薄膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细小催化剂，例如铂。电解质薄膜夹在阴极和阳极之间以形成薄膜电极组件(MEA)。该MEA往往设置在多孔扩散介质(DM)之间，该介质便于将气态反应物通常为来自空气的氢气和氧气输送以便进行电化学燃料电池反应。在DM和MEA的每一侧上的板提供有反应物和冷却剂流，从而共同形成燃料电池。各个燃料电池提供有相对较低的直流电位，但是可以串联层叠在一起以形成能够提高任意所期望的电位的燃料电池堆。因此，该燃料电池堆能够产生出足以给车辆供电或给其它用途供电的电力。

在燃料电池堆的通常操作期间，氢气从燃料电池堆的一个端部向另一个端部进入并且流经各个燃料电池。燃料电池堆的端部通常被称为湿端和干端，并且氢气通常从湿端流向干端。在非工作期间，大量空气积累在燃料电池堆的阳极流域中。在燃料电池堆启动时，给阳极流域提供氢气。所提供的氢气产生出“氢气-空气锋”，这会局部提高在与阴极的与阳极的空气填充部分相对的部分上的参考氢电极(RHE)电位。在阴极电极上的高RHE电位会使得阴极电极迅速腐蚀，并且已知会降低燃料电池性能。

重要的是，在具有高电负载需求的燃料电池的启动期间，氢气在燃料电池堆的阳极上的不均匀分布会导致被称为“电池反极”的现象。电池反极出现在向燃料电池堆施加负载的时候以及在燃料电池堆中的至少一个燃料电池缺乏足够的氢气以支撑由在燃料电池堆中被提供有足够氢气的其它燃料电池所产生出的电流的时候。在电池组中的其它电池相对于缺乏足够氢气的阳极部分产生局部更高的电位，从而导致在反极电池的阳极的这个区域中碳支撑体的氧化，这会导致燃料电池电压迅速下降，明显降低了燃料电池堆的使用寿命。具体地说，出现饥饿电池的阳极电极的碳基底腐蚀，其中形成CO和CO₂。

由于即使对于由于气体压缩而堵塞或流量受限的电池而言在启动期间也会给电池提供一些氢气填充，所以在会出现电池反极之前可以引出最少量的电荷。因此，在无需电池电压反馈的情况下从电池流出的电荷量最小。但是，固定负载会不与流出的最小电荷匹配。

为了消除在启动期间的碳腐蚀，已知的系统在启动期间对于燃料电池堆的端子而言已经采用了低阻抗电路。在这些系统中，例如采用具有低阻抗短接电阻器的电路来减小在燃料电池堆中的电池的局部阴极电极电位。电阻越低，则在阴极电极上观察到的电位更低，由此减小了在燃料电池堆的阴极电极上的碳腐蚀速度。但是，为了让低阻抗电路系统正确工作，在燃料电池堆中的每个燃料电池在完全短路的持续期间必须具有基本上相同的氢气量，以避免在缺少氢气的电池中出现局部阳极饥饿。另外，低阻抗电路通常需要昂贵的电流电容部件，或者需要一些机构来减慢氢气-空气锋。低阻抗电路必须针对每个电池调节，尤其是针对电池的催化剂面积和整体电容进行调整。

固定电阻负载也已经用来在启动期间抑制电池组电压。但是，固定电阻负载需要加入电气部件以接合固定电阻负载。另外，电阻负载自身增加了该系统的成本和复杂性，从而产生出可靠性问题。固定电阻负载不允许电负载根据电池组或燃料电池堆的需求而进行调节。例如，一些电池电压监测设备可由电池电压供电，从而需要一定水平的电压以在启动时给电压监测设备供能。

本领域已知有许多燃料电池系统和方法，用来在启动操作期间使得氢气相对于燃料电池堆的阳极流场的均匀分布最优。因此，例如在本领域中已知的是，在启动情况期间要用氢气和氢气-空气混合物迅速清洗累积有空气的阳极，以便使得氧气-空气锋在启动期间在阳极上存在的时间最短。该清洗通常设计成用氢气基本上并且均匀地填充阳极入口集管，并且不会从燃料电池系统中将多于氢气排出。在申请人的共同未决美国申请No.11/762845中披露了一种示例性的清洗方法，该文献其全文在这里被引用作为参考。