[发明专利]给予燃料电池系统-25℃冰冻启动性能的控制

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于关闭燃料电池系统以确保冰冻启动性能的方法，且更具体地涉及用于关闭燃料电池系统以确保在低至-25℃的温度下的可靠冰冻启动性能的方法。

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。氢气在阳极催化剂处分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应产生水。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。阳极和阴极电极或催化剂层，通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒通常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）。每个MEA通常夹在两个多孔材料片材（扩散层（GDL））之间，其保护膜的机械整体性且还有助于一致的湿度分布。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输入气体。

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流分配器或流场。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。

燃料电池内的膜需要具有一定的水含量，从而经过膜的离子电阻足够低以有效地传导质子。膜湿化可以来自于燃料电池堆水副产物或外部湿化。通过燃料电池堆流动通道的反应物流对电池膜具有干燥效应，最明显在反应物流的入口处。然而，在流动通道内的水滴积聚将防止反应物从中流过，且由于低的反应物气体流可能导致电池故障，从而影响燃料电池堆稳定性。在反应物气体流动通道内以及在GDL内的水积聚在低燃料电池堆输出负载时特别易出故障。

如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物产生。因而，来自于燃料电池堆的阴极排气通常包括水蒸汽和液体水。本领域已知使用水蒸汽传输（WVT）单元来捕获阴极排气中的一些水，且使用所述水来湿化阴极输入空气流。在水传输元件（如膜）的一侧处的阴极排气中的水由水传输元件吸收且传输给水传输元件的另一侧处的阴极空气流。

高频电阻（HFR）是燃料电池的熟知属性，且与燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子电阻紧密相关。欧姆电阻本身是燃料电池膜湿化程度的函数。因而，通过测量激励电流频率具体频带内燃料电池堆的燃料电池膜的HFR，可以确定燃料电池膜湿化程度。

如上所述，由于水积聚在气体流动通道内，过湿的膜可能会引起问题，且在低温环境期间，燃料电池堆中的水冰冻可能会产生冰，所述冰阻塞流动通道，从而影响系统再次启动。当燃料电池系统在冰冻燃料电池堆的情况下启动时，燃料电池堆产生内部废热且开始升温。燃料电池堆在升温过程期间也产生水。在燃料电池堆加热和燃料电池堆产生水之间通常存在流道（race）。如果在产生足够的热量之前产生太多的水，水可能在燃料电池堆中冻结且阻塞气体流，从而引起电池电压下降，这可能使得燃料电池系统关闭。

如果燃料电池堆从上一次系统关闭以来在其中具有过多的水，那么在长启动期间产生的水会阻塞气体流动通道。通常，燃料电池堆启动时越冷，其充分加热花费的时间越长，且在启动期间产生的水阻塞气体流动通道的可能性越大。因而，在非常冷的启动温度（例如，低于-15℃）下，燃料电池堆加热到0℃花费的时间较长。因而，关闭方法对于燃料电池堆的成功再次启动非常关键，尤其是在燃料电池堆温度处于-15℃或更冷时。