[发明专利]针对防止电池反转的改进的燃料堆操作方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法，更具体地，涉及一种用于通过防止堆功率需求使燃料电池膜过于干燥来防止燃料电池由于燃料电池电压电势反转引起短路的方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分离产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的汽车燃料电池。PEMFC大致包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极，或催化剂层，通常包括细碎的催化性颗粒，通常是铂(Pt)，担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对两侧，直接涂覆在膜上或分别涂覆在阳极扩散介质和阴极扩散介质上。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。各MEA通常夹在两片多孔材料，即气体扩散层(GDL)之间，该气体扩散层保护膜的机械完整性，并帮助得到均匀的反应物和湿度分布。MEA制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可能具有两百或更多个的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流入堆的阳极侧。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气被输出为阴极排气，该阴极排气可能包括作为发生在堆中的化学反应的副产物的水。

燃料电池堆包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中多个双极板和多个MEA位于两端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流动分配道，或流场。在双极板的阳极侧上设置有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧上设置有阴极气流通道，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，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，诸如由不锈钢或导电复合物制成。端板将燃料电池产生的电导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过的流通道。

燃料电池内的膜需要具有一定的水含量，使得膜两侧之间的离子电阻足够低以有效地传导质子。膜的增湿可来自堆的副产物水或外部增湿。反应物流过堆的流通道对电池膜具有干燥效应，在反应流的入口处尤为明显。然而，水滴在流通道内的累积可以阻止反应物流过流通道，并且由于低的反应物气流可能造成电池故障，从而影响堆的稳定性。水在反应物气流通道中以及在GDL中的累积在低的堆输出负载的情况下尤为棘手。

如上所述，水是作为堆运行的副产物而产生的。因此，来自堆的阴极排气通常将包括水蒸汽和液态水。在本领域中已知使用水蒸汽透过(WVT)单元来获取阴极排气中的一些水，并使用该水来增湿阴极输入气流。阴极排气中的水在水透过元件(诸如膜)的一侧被水透过元件吸收，并在水透过元件的另一侧传递到阴极空气流。

高频电阻(HFR)是燃料电池的众所周知的性质，并与燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子电阻密切相关。欧姆电阻本身是燃料电池膜的湿润程度的函数。因此，通过测量燃料电池堆膜在特定的激励电流频带中的HFR，可以确定燃料电池膜的湿润的程度。用于确定欧姆电阻的其它方法，诸如电流中断方法、阻抗谱、和/或基于温度和相对湿度的估计可用于确定电池电阻。

质子交换膜(PEM)通常在升高的水合状态下具有更高的质子传导性，这使得期望以更高的膜湿润水平运行燃料电池堆。然而，如上所述，过湿的膜可能由于水在气流通道中的累积而造成问题，并且，在低温环境下，水在燃料电池堆中的冻结可能产生堵塞流通道的冰，从而影响系统重起。因此，通常更为有利的是，以低的膜湿度操作燃料电池堆，以降低系统成本和复杂度，并且能够得到更好的冻结起动性能，尽管过于干燥的膜可能具有会造成燃料电池堆短路的过低的导电性。

与在较低的膜湿度水平下操作燃料电池堆相关联的一个危险是可能造成燃料电池电压电势反转，称为负电池电势，该情况下，燃料电池的极性反转。电池反转可能造成电池短路和在燃料电池膜中形成小孔，从而可能造成燃料电池的故障和安全问题。因为燃料电池通常是串联地电联接，所以如果燃料电池中的一个停止工作，则整个燃料电池堆可能停止工作。因此，确保燃料电池堆不在过于干燥的情况下操作是重要的。