[发明专利]对于燃料电池系统中空气流量误差的补救措施

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于当在阴极空气流量估算中的误差被检测出时继续使燃料电池系统运行的方法，并且更特别地，涉及一种用于当在阴极空气流量估算中的误差被检测出并且最小电池电压下降到预定阈值以下时增加到燃料电池组中空气流量的方法。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它洁净并且能够用于在燃料电池中高效地生产电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括在其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂中离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧气和电子发生反应而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括精细分割的催化粒子（通常为铂（Pt）），其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了一种膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且需要一定的条件来高效运行。

通常，多个燃料电池组合在燃料电池组中以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体（典型地，通过压缩机迫使通过电池组的空气流）。并非所有的氧气都被电池组消耗，并且一些空气作为阴极排气被输出，这些阴极排气可以包括作为电池组副产品的水。燃料电池组还接收流入电池组阳极侧中的阳极氢输入气体。

燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，并且另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，例如，不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的传导到电池组之外。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

如在本领域中所良好理解的，燃料电池膜以一定的相对湿度（RH）运行，以便越过所述膜的离子电阻足够低以有效地传导质子。来自燃料电池组的阴极出口气体的相对湿度通常通过控制多个电池组运行参数（例如电池组压力，温度，进入电池组的阴极空气的阴极化学当量和相对湿度）被控制从而控制所述膜的相对湿度。为了电池组的耐用性之目的，期望使所述膜的相对湿度循环数量最小化，因为在RH极值之间循环已被示出严重限制膜的寿命。膜的RH循环导致膜膨胀和收缩，这是由于吸收水并且随后干燥。膜的这种膨胀和收缩导致膜内有针孔，其引起氢气和氧气横跨通过所述膜从而形成热点，其进一步增加了膜内孔的尺寸，从而减少了其寿命。

如上所述，水可以作为电池组运行的副产品产生。因此，来自电池组的阴极排气将包括水汽和液态水。本领域中已知的是，使用水汽输送（WVT）单元来捕获在阴极排气中的一些水，并且使用所述水增湿阴极输入空气流。在所述膜一侧的阴极排气中的水被所述膜吸收，并且输送到在所述膜另一侧的阴极空气流。

在燃料电池的运行期间，来自MEA的水分和外部增湿的湿气可以进入阳极和阴极流动通道。在低电池功率需求（通常在0.2 A/cm²以下）时，水可以在流动通道内积聚，因为反应物气体的流速太低以致于不能迫使水离开通道。当水积聚时，小滴在流动通道内形成。随着小滴的尺寸增大，流动通道被关闭，并且反应物气体被转移到其它流动通道，因为通道在共用入口和出口歧管之间是并行的。随着小滴尺寸的增加，小滴的表面张力可以变得比试图将小滴推向排出歧管的δ压力大，所以反应物气体可能不流动通过由水阻塞的通道，反应物气体不能迫使水离开通道。所述膜的由于通道被阻塞而不接收反应物气体的那些区域将不产生，从而导致不均匀的电流分配，并且减少了燃料电池的总效率。随着越来越多的流动通道被水阻塞，由燃料电池生产的下降，其中电池电压电势少于200 mV被视为电池失效。由于燃料电池为串联电气联接，所以如果燃料电池中的一个停止运行，全部燃料电池组可能停止运行。