[发明专利]用可再充电储电装置降低由电压循环变化所致的电压损失

说明书

技术领域

本发明主要涉及采用补充功率源的燃料电池系统，且特别是，本发明涉及一种采用补充功率源的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统使用一种功率控制策略，其中蓄电池在向所述燃料电池系统发出低负载请求时从燃料电池堆中抽运功率，从而防止所述燃料电池堆的电压电位超过导致电压循环变化(voltage cycling)的预定电压或减少所述燃料电池堆的电压电位超过导致电压循环变化的预定电压的次数。

背景技术

氢是一种非常具有吸引力的燃料，这是因为氢清洁并可以用于在燃料电池中高效地产生电能。在作为车辆功率源的氢燃料电池的研发中，汽车工业要消耗大量的资源。这样的车辆将会是更高效的并且会比当今使用内燃机的车辆产生更少的排放物。

氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极发生离解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，由此在被传送至阴极之前被引导流过负载作功。所做的功用于使车辆工作。

质子交换膜(PEMFC)是一种流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，比如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括细细分散的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，其被担载在碳颗粒上并与离聚物混合。该催化混合物被沉积在所述膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件对生产商来说是相对较贵的，并且需要一定的条件来有效工作。这些条件包括适当的水管理和湿化，以及对催化剂中毒成分比如一氧化碳(CO)的控制。

多个燃料电池典型地被组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。该燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为在压缩机的作用下加压通过燃料电池堆的空气流。并不是全部氧都被燃料电池堆消耗掉且一些空气作为可能包括作为燃料电池堆副产物的阴极排出气体被输出。所述燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧中的阳极氢输入气体。

一些燃料电池车辆为除燃料电池堆以外还采用补充功率源例如直流蓄电池或超级电容器的混合动力车辆。所述燃料电池堆通过直流电压总线向牵引电动机提供功率用于使车辆运行。在需要附加功率超过燃料电池堆可提供的功率时，例如在加速过程中，所述蓄电池向电压总线提供补充功率。例如，所述燃料电池堆可提供70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW的功率。在再生制动过程中由牵引电动机提供的发电功率典型地被用于对蓄电池进行再充电。

已经发现，典型的燃料电池堆在其使用寿命中会产生电压损失或电压退化。据信，燃料电池堆的电压退化尤其是燃料电池堆电压循环变化作用的结果。当铂催化剂颗粒被用于增强氧化态与非氧化态之间的电化学反应转变时产生电压循环变化，所述电化学反应转变导致所述颗粒发生溶解。如果燃料电池堆的电压小于约0.8伏，那么铂催化剂颗粒不会发生氧化且保持为金属。当燃料电池堆的电压大于约0.8伏时，铂晶体开始发生氧化。燃料电池堆上的低负载可能会导致燃料电池堆的电压输出高于0.8伏。根据膜电极组件的功率密度，0.8伏电压对应于0.2A/cm²大小的电流密度，而高于0.2A/cm²的电流密度不会改变铂的氧化状态。所述氧化电压阈值对于不同的燃料电池堆和不同的催化剂而言可能是不同的。

当铂催化剂颗粒在金属态与氧化态之间进行转变时，铂中的氧化离子能够从膜电极组件的表面向膜移动且有可能进入到膜中。当颗粒回复到金属状态时，所述颗粒不处于有助于进行电化学反应的状态，从而减小了活性催化剂表面并且导致燃料电池堆产生电压退化。

图1示出了随着在氧化态与金属态之间的电压循环变化次数的增加，铂的表面积的减小导致燃料电池堆产生电压退化的曲线图，其中水平轴表示电压循环变化的次数，垂直轴表示标准化的铂的表面积。所述电压退化对于不同类型的催化剂而言是不同的，所述不同类型的催化剂包括具有不同颗粒尺寸、浓度和组分的催化剂。

发明内容