[发明专利]用于燃料电池中的MEA调节的系统和方法

说明书

用于调节用于燃料电池堆的燃料电池中的膜电极组件(MEA)的控制器执行的方法包括：将堆的燃料入口加湿到阈值相对湿度水平，并在至少一个电压恢复阶段中通过控制器分别将燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和保持电压电平下。恢复阶段具有预定的电压恢复持续时间。该方法包括在完成预定的电压恢复持续时间之后测量的电池电压，并且响应于测量的电池电压超过目标电压而执行关于燃料电池或燃料电池堆的控制动作，包括经由控制器记录指示MEA的成功调节的诊断代码。燃料电池系统包括燃料电池堆和控制器。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池中的MEA调节的系统和方法。

背景技术

燃料电池堆是能量转换装置，其中通过氢和氧之间的受控电化学反应生成电。给定的燃料电池可以产生高达1伏的电力，并且因此大量相同配置的燃料电池组装在一起形成堆，而燃料电池的数量和特定的燃料电池配置最终决定所述堆的功率能力。聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池是一种特定类型的燃料电池，该燃料电池用于在诸如车辆、发电厂和建筑物中使用的电力供应的高电力应用中产生电。膜电极组件(MEA)是PEM燃料电池的核心部件。

在PEM燃料电池的MEA内，相对的阳极和阴极电极被聚合物电解质材料分开。气态氢以受控速率通过流动板供给阳极，而通常通过空气压缩机供应的氧气通过流动板供给阴极。存在于阳极的氢被催化分解成氢质子(正氢离子)和自由电子。质子穿过聚合物电解质到达阴极，而自由电子通过外部电路传导到阴极。也就是说，自由电子形成通过外部电路传递到阴极的电流，其中该电流可用于在采用燃料电池堆的系统内执行有用的工作。在到达阴极时，电子与质子和氧分子重新结合，以便形成水作为惰性反应副产物。

在典型的氢燃料催化过程中采用MEA的PEM燃料电池堆需要向每个燃料电池的相应阳极和阴极电极供应足够的氢气和氧，以及适当的水合作用，以确保跨越MEA的离子电导性允许质子以低阻力通过。然而，MEA在新构造的燃料电池中基本上没有水分，因此缺乏必要的离子电导性。因此，在新制造的PEM燃料电池或堆中使用磨合/调节过程以优化初始功率性能。MEA调节过程具有三个主要功能：加湿、从燃料电池制造过程中去除残余溶剂和杂质，以及从用于在电极中进行电化学反应的催化剂表面除去带负电的离子(阴离子)。

发明内容

本文公开了一种用于调节质子交换膜(PEM)燃料电池中的膜电极组件(MEA)的方法和系统。如上所述，PEM燃料电池中使用的MEA和由这种电池构成的燃料电池堆在首次组装时需要初始磨合或调节过程。可以通过负载循环过程(即，燃料电池的电流密度的循环)来提供调节，直到在电池电压中实现平稳性能(plateau performance)。然而，仅仅调节到这样的平稳性能可能不代表给定MEA或其相关燃料电池的峰值初始功率性能。因此，本方法旨在提供一种更有效且相对更快的作用方式，以使新构造的含MEA的燃料电池达到其峰值功率性能和效率。

在示例性实施例中，一种用于调节用于燃料电池堆的燃料电池中的MEA方法包括将燃料电池堆的燃料入口加湿至阈值相对湿度水平、例如至少95％或超过100％。控制器分别在一个或多个电压恢复阶段中将燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和校准的保持电压电平，每个电压恢复阶段具有各自的预定的电压恢复持续时间。该方法包括在完成预定的电压恢复持续时间之后经由电压传感器测量的电池电压，并且然后响应于测量的电池电压超过目标电压而对燃料电池或燃料电池堆执行控制动作。控制动作可以包括通过指示MEA的成功调节的控制器记录诊断代码。

在一些实施例中，校准的电流密度水平可以在0.3至1A/cm2的范围内，并且校准的保持电压电平在0至0.4伏的范围内。电压恢复持续时间可以超过10分钟、例如10-30分钟，无论是在这样的持续时间的单个连续步骤中还是在多个这样的步骤中。

在电压恢复阶段之前，该方法可以包括执行可选的负载循环阶段，其中电流密度水平在校准的电流密度范围内循环，该电流密度范围具有下限和超过在至少一个电压恢复阶段期间使用的电流密度水平的上限。