[发明专利]燃料电池系统及控制该燃料电池系统的方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，提供一种燃料电池系统及控制该燃料电池系统的方法。本发明所述的燃料电池系统置于设备中，且包括至少两个燃料电池电堆，且各个所述燃料电池电堆被配置成与关于设备的各个预设负载条件一一对应，其中每一所述燃料电池电堆对应的预设负载条件被配置为能保证该燃料电池电堆的膜电极组件MEA在运行中经受最小的应力或应变，且所述每一所述燃料电池电堆在其对应的所述预设负载条件下运行。本发明的燃料电池系统配置了多个燃料电池电堆，且使每个燃料电池电堆在其MEA经受最小应力或应变的预设负载条件下运行，从而改善了整个燃料电池系统的性能，有助于提高燃料电池的寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及控制该燃料电池系统的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)由两个不同极性的电极(阳极和阴极，以下称为电极层)以及电极之间的质子传导电解质膜组成。气态或液态燃料(以下均以燃料气体为例)在阳极处被氧化并产生氢离子，然后这些氢离子通过电解质膜输送到阴极，并在阴极处经由外部电路与来自空气的氧气和来自阳极的电子结合进行电化学反应，产生电和水。

电极层、电极层之间的质子传导电解质膜以及电极微结构构成PEMFC的膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)，而该MEA是PEMFC的核心部件。其中，电极微结构本质上是多孔的，并且可以在电极层内输送燃料和在电化学反应中产生水，且可被称为微孔层。将两个附加的微孔层放置在每个电极附近，则形成了气体扩散层(Gas DiffusionLayer，GDL)，而导电的GDL也有助于重新分配在电极层中使用的燃料气体。

MEA可以通过在电解质膜的两侧施加电极层且然后将两个GDL放置在电极层的两侧来构建。另外，也可以首先将电极层施加到GDL上，然后将电解质膜夹在两个GDL之间以获得五层MEA。进一步地，将若干个MEA串联放置在两个双极流场之间以组装出燃料电池电堆。其中，双极流场通常有助于通过GDL将燃料气体输送到电极层并取出在电化学反应中产生的水。

其中，将若干个MEA串联放置在两个双极流场之间以组装出燃料电池电堆，相当于是将多个燃料电池堆叠在一起形成了燃料电池电堆。也即是，通过堆叠夹在一对端板之间的多个独立的燃料电池形成了电堆体。

进一步地，燃料电池系统可至少包括燃料电池电堆与其他组件(如氢模块、空气模块和所有其他相关的附属子系统等)，而燃料电池电堆通常使用的燃料电池仅包括一种类型的MEA，并且这些单一类型的MEA经受车辆的不同负载条件。

另外，MEA是燃料电池系统中最昂贵的组件之一，其对铂催化剂和多种类型的GDL的应用、对能够经受在燃料电池电堆的不同负载条件下的操作的设计要求、以及影响电解质膜性能的应力、温度和相对湿度(Relative Humidity，RH)的考虑，都会增加燃料电池系统的成本。

其中，对于电解质膜，其疲劳程度和寿命会随着应力的减小而呈指数增加，可以确定的是，断裂时的最大膜应力会随着膜寿命的增加呈指数下降。另外，高温也会影响电解质膜的疲劳程度和寿命。因此，在燃料电池车辆(特别是卡车、公共汽车等……)中，燃料电池电堆取决于驾驶情况而会经历不同的负载条件，且在负载条件的每次变化中，MEA都经历不同的应力和应变。由于应力和应变的变化，MEA的寿命和性能会急剧下降，而现有技术中对此并没有很好的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池系统，以解决现有燃料电池电堆不适于应对应力和应变的变化的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：