[发明专利]用于燃料电池系统的脉动工作方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的脉动工作方法及系统。更特别地，本发明涉及这样一种用于燃料电池系统的脉动工作方法，该脉动工作方法能顺利地排出留在燃料电池的燃料电极中的水，并且同时使燃料利用率最大化。

背景技术

典型地，燃料电池系统包括：燃料电池堆，通过电化学反应发电；燃料供应系统，将氢气作为燃料供应至燃料电池堆；空气供应系统，将含氧空气作为电化学反应所需的氧化剂供应到燃料电池堆中；热管理系统（TMS），将来自燃料电池堆的反应热移除至燃料电池系统的外部，控制燃料电池堆的工作温度，并且执行水管理。

将参照图1A来描述燃料电池系统中的燃料供应系统的上述构造和工作。沿着氢气供应管线18从燃料箱供应的燃料经由燃料电池的阳极入口14供给到燃料电池的燃料电极（阳极）12中并且经过反应以发电，并且一部分未反应的氢气经由阳极出口16排出。

此时，无论燃料电池的工作时间是怎样的，燃料电池的阳极的工作压力都保持在预定的压力下，如在图1中所示。此外，经由阳极出口16排出的一部分未反应的氢气通过再循环装置20（例如，再循环鼓风电机）的工作而再循环至阳极入口14，并且留下的氢气与水一起穿过氢气清除阀（hydrogen purge valve）22并且排出至外部。如此，再循环装置20连接至燃料电池的阳极出口16，使得留在阳极12中的未反应的氢气再循环至阳极入口14并且重新用于从阳极12排出水的目的。

同时，水通过用于发电的反应而产生并且留在燃料电池的阳极中的通道中，并且留下的水可导致构成燃料电池的阳极的催化层的腐蚀。因而，留下的水需要顺利地排出。因此，如在图2A中所示，在氢气供应管线的特定位置处安装单独的脉动发生器24，该脉动发生器使供应至阳极的燃料的工作压力脉动。

当未反应的氢气通过再循环装置20的工作再次供应至燃料电池的阳极12时，通过脉动发生器24的脉动力供应至阳极12的氢气具有脉动流动力，并且留在阳极12中的水通过该脉动流动力而移动并且朝向阳极出口16排出，从而提高燃料电池系统的工作稳定性。

更详细地，在燃料（例如氢气）供应至燃料电池的阳极12之前，脉动发生器24产生在上限与下限之间反复受控的脉动流动压力（见图2B）（即，氢气供应压力），以在供应至阳极12的氢气中产生脉动流动力。因此，留在燃料电池的阳极12的通道中的水由于脉动流动力而移动并且朝向阳极出口16排出，从而提高燃料电池系统的工作稳定性并且增大用于排水的氢气清除阀的清除周期。

因此，相比于不使用脉动发生器的系统，当使用脉动发生器时，留在阳极通道中的水的排出速度提高两倍之多，如在图3A中所示，这防止了阳极的水淹（flooding），从而提高燃料电池系统的工作稳定性。

然而，由于脉动发生器的过度脉动而存在以下缺点。

首先，通过脉动发生器的过度脉动而排出过量的水，并且因此阳极通道中的水减少。即，由于通过脉动发生器的持续脉动产生，阳极通道中的水的排出增加，这导致阳极通道中水的过度减少，并且因此从阴极移动至阳极的液态水（H₂O）的量增加，这降低了阴极中的水的量，因而导致包括阳极和阴极的整个燃料电池的变干，造成燃料电池的性能和耐用性的降低。

其次，由于阳极的工作压力持续地保持在脉动压力下，阳极中产生的工作压力增大，这使从阳极横穿（cross over）至阴极的燃料的量增加。因此，相比于不使用脉动发生器的系统，燃料（例如，氢气）的消耗增加大约2.5%，如在图3B中所示，这降低了燃料利用率，并且因此燃料电池系统的效率由于燃料利用率的降低而降低。

本部分所公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，并且因此其可包含不构成已为该国的本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池系统的脉动工作方法及系统，其中，执行控制用于供应至燃料电池的阳极的氢气的脉动工作压力的量级和周期的脉动控制，以顺利地排出留在阳极中的水，使阳极的燃料利用率最大化，并且提高燃料电池系统的工作稳定性。

在一个方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的脉动工作方法，该方法包括：在连接至阳极出口的氢气清除阀的开启周期期间，执行控制用于供应至燃料电池的阳极的燃料的脉动工作压力的量级和周期的脉动控制，以保持阳极中的排水和阳极的燃料利用率。

在一个示例性实施例中，当燃料电池系统的当前功率低于预定功率时执行脉动控制。