[发明专利]燃料电池系统内的动态电压抑制

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月14日提交的名称为《Dynamic Voltage Suppression in a Fuel Cell System》的美国临时专利申请No.61/382,724的提交数据的权益。

技术领域

本发明总体涉及一种为燃料电池堆中的燃料电池确定最大电池电压的系统和方法，更具体地，涉及一种为燃料电池堆中的燃料电池确定最大电池电压的系统和方法，其包括确定燃料电池催化剂的氧化状态，使得在燃料电池系统工作期间能够调节最大堆电压设定点(set-point)，从而使铂催化剂表面积损失最小化。

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高效地产生电能。氢燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂处被离解而产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处起反应生成水。来自阳极的电子不能够穿过电解质，因而在被送到阴极之前直接通过负载以做功。

质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地，但不总是，包括细分的催化剂颗粒，通常是高活性催化剂，例如铂(Pt)，其典型地被碳颗粒承载并且与离聚物混合。催化混合物被沉积于膜的相对面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物与膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件制造费用相对昂贵，并且需要一定的条件来有效工作。

典型地，若干燃料电池被组合在燃料电池堆中以产生所要求的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有200个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物输入气体，典型地为利用压缩机推动通过堆的空气流。并非全部氧被堆消耗掉，并且一些空气作为阴极排气被输出，其可包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入堆阳极侧的阳极氢反应物输入气体。

燃料电池堆典型地包括一系列双极板，其置于堆内的若干MEA之间，其中双极板和MEA被放置于两个端板之间。双极板包括用于堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动区域被设置在双极板的阳极侧，其允许阳极反应物气体流向相应的MEA。阴极气体流动区域被设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应物气体流向相应的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，例如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池生成的电传导出堆。双极板也包括冷却流体流经其中的流动通道。

众所周知，典型的燃料电池堆在堆的寿命周期内将有电压损耗或退化。可以确信，燃料电池堆退化尤其是堆内的燃料电池电压循环的结果。当铂催化剂颗粒用于增强低电位状态与高电位状态之间的电化学反应过渡时发生电压循环，其促进颗粒分解。颗粒分解导致活性表面积的损失和性能退化。

许多因素影响与电压循环有关的铂颗粒表面积内的相对损失，包括峰值堆电压，温度，堆湿度，电压循环动力学，等等。较低的堆电压设定点提供更大的保护以防止退化，但是更高的堆电压设定点提供提高的系统效率。因此，对各种燃料电池系统的控制经常要求堆至少在最小功率水平下工作，使得在至少一种情况下，电池电压防止上升过高，因为频繁的电压循环到高电压会导致阴极和阳极电解质的活性铂表面积的减小，如上述讨论的一样。

典型地，在已知的燃料电池系统内，使用固定的电压限制来设定堆最小功率水平，以防止不期望的电压循环。例如，典型的电压抑制策略可使用固定的电压设定点，例如850-900mV，并且防止堆电压上升超过上述值。如果燃料电池功率控制器不要求功率，或者要求最小的功率，需要维持电池电压水平处于或低于固定电压设定点的由堆产生的功率被提供给某些源，在其中使用或耗散功率。例如，过量功率可被用来为燃料电池系统车辆内的高压电池充电。受让给本申请的受让人并通过引用并入本文的公布于2006年7月6日的名称为《Reduction of Voltage Loss Caused by Voltage Cycling by Use of A Rechargeable Electric Storage Device》的美国专利申请公开No.US2006/014770 A1，公开了一种为车辆电池充电的燃料电池系统，从而将电池电压维持在预定的固定电压设定点以下。