[发明专利]燃料电池系统中氢进入阴极入口的方法和控制

说明书

技术领域

本发明通常涉及燃料电池堆启动时对其进行加热的系统和方法，具体 来说，涉及在燃料电池堆冷启动时对其进行加热的系统和方法，包括将燃料电 池堆的阳极废气导至阴极入口。

背景技术

氢气由于其清洁性以及在燃料电池中可以高效地产生电，从而成为 非常受关注的燃料。氢燃料电池是电化学装置，其包含阳极、阴极以及位于上 述两者之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离 解从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧气 和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，所以在被送到阴极之前 被导引通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见车用燃料电池。PEMFC通常 包括固体聚合物电解质质子传导性膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包含 有细碎的催化粒子，通常为铂(Pt)，其担载在碳粒子上且与离子交联聚合物混 合。催化混合物被沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物 以及膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造成本相对较高，而且需 要一定条件才能有效运转。

典型地，数个燃料电池组合在燃料电池堆中以产生需要的功率。例如， 车用典型燃料电池堆可以具有两百个或更多的堆积的燃料电池。燃料电池堆接 收阴极输入反应气体，典型地是由压缩机吹过燃料电池堆的空气流。并不是全 部氧气都被燃料电池堆消耗，部分空气作为阴极废气被排出，废气中可能包括 有作为电池堆附产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢气反应气体，这些气体流 入电池堆的阳极侧。电池堆还包括冷却性流体流过的流动通道。

燃料电池堆包括一系列位于电池堆中数个MEA之间的双极板，其中 所述双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧，用于电池 堆中的相邻燃料电池。双极板的阳极侧上具有阳极气体流动通道，从而允许阳 极反应气体流到各自的MEA。双极板的阴极侧上设有阴极气体流动通道，从而 允许阴极反应气体流到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个 端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由传导性材料制成，如不锈钢或 传导性复合物。端板将燃料电池产生的电力传导出电池堆。双极板也包括有冷 却性流体流过的流动通道。

MEA具有可渗透性，这样就允许空气中的氮气从电池堆阴极侧渗透 穿过该阴极侧，并在电池堆的阳极侧中收集，在工业上称之为氮气穿越。即使 阳极侧的压力可以大于阴极侧的压力，阴极侧分压还是使得空气穿过该膜。燃 料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，这样如果氮气浓度增加超过一定的百分 含量，如50％，那么燃料电池堆会变得不稳定和可能失效。现有技术中已知的 是在燃料电池堆的阳极废气出口处设置排放阀来将氮气从电池堆阳极侧排出。

算法被通常用于在线估计在电池堆运行过程中阳极废气中的氮气浓 度以确定何时触发阳极废气排放。该算法基于从阴极侧到阳极侧的渗透率以及 阳极废气的周期性排放来跟踪电池堆阳极侧中氮气浓度和时间的变化关系。当 该算法计算出的氮气浓度升高高于预定阈值，例如10％，算法就会触发排放。 排放持续一定时间使得多个电池堆阳极容量得到排放，从而使得氮气的浓度降 低到该阈值之下。

现有技术中所熟知的，燃料电池的膜运行中具有受控的相对湿度 (RH)以使得横跨该膜的离子电阻足够低以有效传导质子。典型地是通过控制 数个堆运行参数来控制来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度，从而控制 膜的相对湿度，其中所述堆运行参数如电池堆的压力、温度、阴极化学计量以 及进入电池堆的阴极气体的相对湿度。

PEM燃料电池堆的电导是电池堆温度和湿度的函数。燃料电池堆冷 的时候不能产生全部功率。为了帮助燃料电池堆快速升温(这通常在电池堆低 于冰点的情况下系统启动时是需要的)，氢气有时被送到电池堆的阴极侧，在那 里与阴极侧催化剂和氧气反应来产生热量。典型地，为此目的使用来自阳极输 入源的新鲜氢气。

发明内容