[发明专利]用以提高燃料电池系统寿命的备用模式的自适应限制

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于在燃料电池堆老化时降低燃料电池堆的备用模式事件的频率的系统和方法，且更特定地涉及通过如下方式来用于在燃料电池堆老化时降低燃料电池堆的备用模式事件的频率的系统和方法，即通过确定不可逆的堆电压损失且从中评估电压降级率是否过高，其中在堆的额定使用寿命结束前期望电压衰减到预先确定的极限以下。

背景技术

氢因为其清洁性且可用于有效地在燃料电池内产生电力而是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括其间带有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极内分离以产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极内与氧以及电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在电子被送到阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的通用的燃料电池。PEMFC一般地包括固体聚合物电极质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括支承在碳微粒上且与离聚物混合的磨碎的催化微粒，通常为铂（Pt）。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合形成了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且其有效运行要求一定的条件。

数个燃料电池典型地组合在一个燃料电池堆中以生成希望的电力。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可具有两百个或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体,典型地为通过压缩机被促使通过堆的空气流。并非所有的氧都被堆消耗，且空气的一些作为可包括作为堆副产物的水的阴极排气输出。燃料电池堆也接收流到堆的阳极侧内的阳极氢反应气体。堆也包括流动通道，冷却流体通过所述流动通道流动。

燃料电池堆包括一系列定位在堆内的数个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于堆内的相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道提供在双极板的阳极侧上而允许阳极反应气体流动到各自MEA。阴极气体流动通道提供在双极板的阴极侧上而允许阴极反应气体流动到各自MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如由不锈钢或导电复合物制成。端板将由燃料电池生成的电导出到堆外。双极板也包括流动通道，冷却流体流过所述流动通道。

当燃料电池系统处于停用模式，例如当燃料电池车辆在停止信号灯处停止时，其中燃料电池堆不生成动力以运行系统装置，阴极空气和氢气一般地仍被提供到燃料电池堆，且堆生成输出动力。在燃料电池堆处于停用模式时将氢气提供到燃料电池堆一般是浪费的，因为在此条件下运行堆不产生非常多的有用功。因此，在此停用条件期间一般地希望降低堆输出功率和电流消耗以改进系统燃料效率。

对于这些和其他的燃料电池系统运行条件，可能希望将系统置于备用模式，其中系统消耗非常低的功率或不消耗功率，所使用的燃料的量最小且系统可快速地从备用模式恢复以增加系统效率且降低系统的降级。2010年3月12日提交的授予本申请的受让人的且在此通过引用合并的名为“Standby Mode for Optimization of Efficiency in Durability of a Fuel Cell Vehicle Application”的美国专利申请序列号12/723,261披露了用于将车辆上的燃料电池系统置于备用模式以保存燃料的此类型的一个已知方法。

在燃料电池系统的运行中存在多种导致堆性能的永久损失的机制，例如催化剂活性的损失，催化剂载体腐蚀和在电池膜中形成小孔。然而，存在其他可导致基本上可逆的堆电压损失的机制，例如电池膜变干、催化剂氧化物形成和在堆的阳极侧和阴极侧上污染物的堆积。在现有技术中已知去除氧化物形成和污染物的堆积，以及使电池膜补水，以恢复燃料电池堆内的电池电压损失。2009年10月16日提交的授予本申请的受让人的且在此通过引用合并的名为“Automated Procedure For Executing In-Situ Fuel Cell Stack Reconditioning”的美国专利申请序列号12/580,912披露了用于修复燃料电池堆以恢复可逆的电压损失的一个这样的过程。