[发明专利]用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制在该燃料电池堆内的反应物的系统和方法，并且更具体地涉及用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制该燃料电池堆内的反应物的系统和方法，其中该方法进行通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来控制阳极室压力或控制到燃料电池堆的阴极室的阴极空气流中的一者或两者。

背景技术

氢气是非常有吸引力的燃料，因为其清洁并且能被用于在燃料电池内高效地产生电能。氢气燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气气体而阴极接收氧气或空气。氢气气体在阳极内被分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被引导通过负载以在被发送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），其被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物被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定义了膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且要求一定条件才能有效操作。

若干燃料电池通常被组合到燃料电池堆中以生成期望的功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池堆可具有两百或更多的被堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，通常是由压缩机强迫通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧气都被燃料电池堆消耗并且一些空气被作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为燃料电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收阳极氢气反应物气体，其流入燃料电池堆的阳极室。燃料电池堆还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。

燃料电池堆包括一系列的双极板，这些双极板在燃料电池堆中被定位在若干MEA之间，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于堆中的邻近的燃料电池的阳极室和阴极室。阳极气体流动通道被设置在双击板的阳极室上，其允许阳极反应物气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道被设置在双击板的阴极室上，其允许阴极反应物气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池产生的电能导出燃料电池堆。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。

在燃料电池系统（FCS）的正常操作期间，发生一些寄生损失，其减少了系统的效率。这些损失包括氢气从燃料电池堆的阳极室扩散到燃料电池堆的阴极室、电流短路和来自例如泵、压缩机等的附属功率消耗。当不期望从燃料电池堆提供电功率时，可通过减少到燃料电池系统的反应物流来减少寄生损失。

有时燃料电池车辆要求非常少的功率，例如当燃料电池车辆在停止灯停止时。提供正常的反应物流到燃料电池堆在这些情况下通常是浪费的，因为反应物渗透和设备部件平衡的电负载可能是非常显著的。在这些怠速状况期间通常期望减少堆输出功率和电流汲取以改善系统燃料效率。

对于这些和可能的其它的燃料电池系统操作状态，可能期望使该系统处于待命或怠速-停止模式，在该模式中系统消耗很少功率或不消耗功率，被使用的燃料的量是最小的并且系统能快速地从待命模式恢复，从而增加系统效率并减少系统降级。2010年3月12日提交的、名称为“Standby Mode for Optiminazation of Efficiency in Durability of a Fuel Cell Vehicle Application”的US专利申请12/723261公开了一种已知的用于使车辆上的燃料电池系统处于待命模式以节省燃料，该申请已被转让给本申请的受让人并通过引用并入本文。

由于在待命或怠速-停止模式期间减少了反应物流并且在阳极室和阴极室中的反应物的浓度降低，所以可能出现燃料电池堆中不期望的状况。例如，在没有空气流流到燃料电池堆的阴极室的情况下，氢气渗透通过膜并聚集在阴极室内，在那里它形成了氢气/氮气/水混合物。接下来，当要求燃料电池系统提供功率时，阴极室内的富含氢气的气体可能需要与稀释剂混合以防止车辆废气中有过量的氢。这种稀释过程减慢了燃料电池系统的重启并可能引起不期望的性能滞后。

而且，在待命模式中维持阳极室内的富氢浓度也是重要的。在没有足够的氢被供应到阳极室的情况下，出现在阴极室内的氧气可能渗透到阳极室。氧气和氢气在阳极室的不同区域内的显著的局部浓度可能引起氢气-空气峰，这可能引起阴极电极的显著的碳蚀，这是本领域技术人员能够熟知的。