[发明专利]用于操作燃料电池系统的系统和方法

说明书

本发明公开了用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过将在燃料电池车辆停放时扩散到燃料电池组的空气电极中的氧扫除来改善燃料电池组的耐久性。也就是，本发明提供用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过在氧浓度大于预定水平时周期性地将氢供应到阴极以将氧扫除，以防止在燃料电池车辆停放时空气中的氧扩散到阴极中，来防止在阳极处形成氧与氢之间的界面，由此防止燃料电池组的膜电极组件的耐久性劣化。

技术领域

本发明涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过将在燃料电池车辆的停放过程中扩散到燃料电池组的空气电极中的氧扫除（purge）而改善燃料电池组的耐久性。

背景技术

许多汽车公司已开始开发氢燃料电池车辆，致力于开发替代燃气发动机车辆的环境友好车辆。应用到氢燃料电池车辆的燃料电池系统通常包括：配置成通过电化学反应产生电的燃料电池组；配置成将氢作为燃料供应到燃料电池组的氢供应系统；配置成供应含氧空气作为燃料电池组中的电化学反应所需的氧化剂的氧（空气）供应系统；配置成将反应热从燃料电池组去除到燃料电池系统外部、控制燃料电池组的工作温度、并且进行水管理功能的热管理系统（TMS）；以及配置成控制燃料电池系统的整体运行的系统控制器。

燃料电池组是一种动力产生装置，其产生电作为燃料电池车辆的主要能源并且具有如下结构，其中供应有氢的燃料电极和供应有空气的空气电极堆叠在膜电极组件（MEA）的两侧，使得空气中的氧与外部供应的氢进行电化学反应以产生电能。

因此，在燃料电池系统的运行过程中，具有高纯度的氢被供应到燃料电极（“阳极”），并且同时，来自空气的氧通过空气供应系统例如鼓风机被直接供应到空气电极（“阴极”）以产生电能。

供应到燃料电池组的氢通过阳极的催化剂被离解成氢离子和电子。离解的氢离子经由电解质膜被传递到阴极，并且同时，供应到阴极的氧与经由外部导线传递的电子结合，由此产生电能以及副产物水。使用产生的电能来为驱动电机提供电力，因此可以相应地驱动装备有燃料电池组的燃料电池车辆。

在操作燃料电池车辆之后，在车辆停放时由于氧扩散到燃料电池组的阴极中而在阳极处形成氢与氧之间的界面（interface），并且同时，延长了电位保持时间。然而，该现象使膜电极组件的耐久性劣化。

在美国专利第6,887,599号中描述了一种减少该劣化现象的可能性的方法，其公开了一种在燃料吹扫过程中起动燃料电池系统的方法，其中，在消除形成于阳极处的氢氧间界面之后将空气供应到阴极，并且在燃料电池车辆的起动过程中将氢供应到阳极。然而，在上述专利中，在起动过程中需要保持时间用于消除阳极处的氢氧间界面。

另外，美国专利申请公开第20060046106号公开了使用H2吹扫用于电池组起动/关闭来改善电池组耐久性的方法，其中在燃料电池车辆的起动/停车过程中，将氢气同时引入到阳极和阴极以将氧扫除并消除形成于阳极处的氢氧间界面。然而，上述方法仅将氢气供应到阳极和阴极，以在车辆的起动和停车过程中将氧扫除。而且，由于氧在燃料电池车辆停放时扩散到阴极中而在阳极处形成氢氧间界面，并且同时，延长了电位保持时间，由此使燃料电池组的耐久性劣化。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

提供用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过在氧浓度大于预定水平时周期性地将氢供应到阴极以将氧扫除，以防止在燃料电池车辆停放时空气中的氧扩散到阴极中，从而防止在阳极处形成氧氢间界面，由此防止燃料电池组的膜电极组件的耐久性劣化。

一方面，本发明的示例性实施方式提供用于操作燃料电池系统的系统和方法。具体地，基于相应于燃料电池车辆在停车之后保持停放状态的时间量的氧浓度，确定阴极的氢吹扫循环（cycle）；以及在各个确定的氢吹扫循环中通过将氢供应到阴极来将氧从阴极中扫除。