[发明专利]燃料电池系统和控制该系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统和控制该系统的方法。更具体地，本发明涉及一种能够有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在燃料电池车辆启动时燃料电池组的过电压产生，从而提高燃料电池组的耐久性的燃料电池系统以及控制该系统的方法。

背景技术

燃料电池是被配置成将燃料电池的化学能直接地转换成电能的电力发生器(electric power generator)。聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC)，一种目前广泛使用在车辆的燃料电池，由于与其他类型的燃料电池相比，具有高效率、高电流密度和高功率密度，启动时间短以及对负载变化的快速响应而引人注目。

作为将用作燃料电池车辆用的动力源的燃料电池，燃料电池系统可以配置成堆叠多个燃料电池的单元电池以提供必需的电力，并且同时，其中的各种驱动器装置与所堆叠的电池一起集成到一个系统，并且最终将组合的燃料电池系统安装在车辆上。

这样的车用燃料电池系统的主要结构包含：燃料电池组，用于通过反应气体的电化学反应产生电能；氢供给装置，用于将氢作为燃料供应到燃料电池组；空气供给装置，用于将含氧空气作为电化学反应所必需的氧化剂供应到燃料电池组；以及热和水控制器(heat and water controlling device)，用于将作为燃料电池中电化学反应的副产物的热排放到外面，以将燃料电池组的工作温度控制在最佳温度，并且执行水控制功能。

根据该结构，燃料电池组产生由于包含在空气中的氧以及反应气体的氢之间的电化学反应而产生的电能，并且排放作为该反应的副产物的热和水。

另外，如果当系统关闭(例如，在停止燃料电池车辆之后切断)时燃料电池组的电压高于预定电压并且氢残留在阳极侧而氧残留在阴极侧，则众所周知地，氢和氧通过电解质膜进行交换，从而加速催化剂层的劣化。

为了防止这种现象，各种技术致力于在系统关闭时，在降低燃料电池组的电压的同时，分别在阴极侧和阳极侧移除氧和氢。

作为典型的实例，当系统关闭时，所使用的一个方法是，将阴极连接到阴极氧消耗(cathode oxygen depletion，COD)用的负载，从而降低燃料电池组的电压，并且同时移除残留在阴极侧的氧。

然而，尽管在系统关闭的时残留氧可以通过阴极氧消耗用的负载的连接来移除，但是，如果残留在阳极侧的氢不足以满足阴极中的残留氧，则不能完全移除阴极中的氧。

此外，进口侧排气导管和出口侧排气导管的阀门在关闭步骤完成后应该是闭合的。就这点而言，在车辆甚至在阀门闭合状态下停了很长时间的情况下，氧可以从外面流入燃料电池组，从而蔓延到阳极和阴极。

因此，可能存在这样问题，即，在停车后燃料电池车辆的首次启动时，在氢供给步骤中，由于阴极侧的残留氧而可能产生电池组电压(stack voltage)，从而不稳定地增加电压，并且由于残留在阳极侧的氧而在膜电极组件的电极催化层中可能出现碳腐蚀，从而降低了该电池组的耐久性。

在普通燃料电池系统中，由于阴极侧排气导管较大，因此空气容易通过阴极侧导管从外面流入电池组的阴极，并且随后由于例如通过电解质膜的扩散等步骤而穿过到阳极侧。

以这样的方式，在空气残留在阳极侧的状态下，如果在启动时氢流入阳极侧，则可以在阳极处建立氢和空气(氧)之间的界面，从而在阴极侧产生过电压，导致电极的腐蚀。

因此，在几十到上百次循环后可能使电池组性能劣化。

通常，可以通过连接例如电阻等的虚负载(dummy load)来降低电压，从而防止在空气流入阳极后发动机启动时的过电压产生。然而，当氢不均匀供给时可以在电池中引起反向电压现象。这可以导致电池组性能的严重劣化。

因此，用于提高燃料电池组的耐久性的一个最重要的工序是防止或最小化由界面引起的过电压，该界面是在燃料电池车辆停止期间空气(氧)流入阳极后，在发动机启动时在氢和空气(氧)之间形成的。

本发明背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明一般背景技术的理解，因此，可能包含不构成对本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明涉及一种能够有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在燃料电池车辆启动时燃料电池组的过电压产生，从而提高燃料电池组的耐久性的燃料电池系统以及控制该系统的方法。