[发明专利]燃料电池系统

说明书

本申请为分案申请，该分案申请的母案的申请号为200880117727.0，申请日为2008年9月23日，发明名称为“燃料电池系统”。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统的操作方法以及与燃料电池系统相关的设备，并且具体地但不排他地，涉及用于启动燃料电池系统的操作的策略。

背景技术

水是例如此处所述系统的形式的燃料电池系统的操作的组成部分，所述系统包括围绕质子交换膜(PEM)建立的燃料电池堆。从阳极流动路径通过PEM所传导的质子(氢离子)与存在于阴极流动路径中的氧反应产生水。过量的水需要从燃料电池堆中去除，以避免溢流并引起随之造成的性能退化。然而，需要至少在阴极流动路径中存在一定量的水以维持PEM的水合作用，以便实现燃料电池的最优化的性能。通过仔细权衡注入和去除来控制所述水，也可以提供用于从燃料电池堆中去除过量的热的有用机制。

为了优化性能，可以通过注水到所述堆的阴极流动路径中在这种燃料电池系统内有意地利用水。与其他类型的采用分离的冷却通道的燃料电池系统相比，这种注水燃料电池系统潜在的优点是减小的尺寸和复杂度。如例如GB2409763中所示的示例，水可以通过水配送歧管直接注入到阴极流动路径中。

对于注水系统，重要的是返回至阴极流动路径中的所有水是高纯度的，以便避免对PEM的污染和由此带来的堆性能的退化。然而，对高纯度的这种要求意味着，不能使用降低水的凝固点或冰点的添加物。尤其对于汽车领域，通常的要求包括从冰点以下(典型地低至-20℃)启动以复制燃料电池实际应用时使用的环境。因为高纯度水具有0℃冰点(在1bar压强下)，假定有充足的时间任何残留在燃料电池系统中的水将在燃料电池停止之后冻结。

燃料电池系统中的冰，尤其是阴极流动路径内的冰可能会阻止堆适当地操作，或者完全阻止堆操作。如果阴极流动路径的任何部分被冰阻塞，空气不能通过阴极，且燃料电池不能自加热到冰点以上。那么将需要加热整个堆的其他方法，这将会在燃料电池可以开始供应电能和自身加热之前，需要消耗外部电力。

本发明的目的在于解决上面提到的一个或更多个的问题。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种启动燃料电池系统的操作的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述方法包括以下步骤：

i)打开阳极入口阀，以允许燃料进入所述燃料电池堆的阳极体积中；

ii)操作与所述燃料电池堆中的阴极空气入口流体连通的空气压缩机，以允许空气进入所述燃料电池堆的阴极体积中；

iii)监控所述阴极入口和/或出口的温度；和

iv)一旦穿过所述阴极入口和/或出口的流体的温度超过预定水平，操作注水系统以将水注入到所述阴极体积中，

其中，限制从所述燃料电池堆流出的电流，以防止跨过所述燃料电池堆中的一个或更多的电池测量的电压下降低于第一电压阈值。

在第二方面中，本发明提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，所述燃料电池堆的每一端部具有在电流收集器板和端板之间的加热器板，每个加热器板与各自的端板热绝缘。

在第三方面中，本发明提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述电控单元配置成：

i)打开阳极入口阀，以允许燃料进入所述燃料电池堆的阳极体积中；

ii)操作与所述燃料电池堆的阴极空气入口流体连通的空气压缩机，以允许空气进入所述燃料电池堆的阴极体积；

iii)监控所述阴极入口和/或出口的温度；和

iv)一旦穿过所述阴极入口和/或出口的流体的温度超过预定水平，操作注水系统，以将水注入到所述阴极体积；

其中，所述电控单元配置成限制从所述燃料电池堆流出的电流，以防止跨过所述燃料电池堆中的一个或更多个电池测量的电压下降至低于第一电压阈值。

在第四方面中，本发明提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述电控单元配置成调整所述燃料电池堆的操作参数，以基于所述燃料电池堆中的多个电池的电压输出的标准偏差优化所述燃料电池系统的操作。

在第五方面中，本发明提供了一种优化燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述方法包括：

将来自所述燃料电池堆中的多个电池中的每一个的电压输出的指示提供给所述电控单元；和

基于来自所述多个电池的所述电压输出的标准偏差优化所述燃料电池系统的操作；