燃料电池系统和启动方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统和启动方法。其中燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆。阳极供应歧管和阳极排放歧管与多个燃料电池阳极流体连通。第一阀门与阳极供应歧管流体连通且第二阀门与阳极排放歧管流体连通。压力传感器被设置为适于测量阳极压力。运转中，响应于阳极压力来控制第一阀门和第二阀门，由此防止不希望的阳极供应气流的排放。

【技术实现步骤摘要】

0001本专利技术涉及一种燃料电池系统，更具体地讲涉及一种用于启动该燃料电池系统的方法。技术背景0002燃料电池已经建议作为用于电动车辆和其它各种应用的清洁、高效和环 保的能源。特别是，燃料电池己经被确定为现im车中4顿的传统内燃机的潜 在靴能源。0003燃料电池的常见鄉是质子交换膜(PEM)燃料电池。i^PEM燃料电池包 括三个基本部件阴极、阳极和电解质薄膜。该阴极和阳纟鹏常包括支撑在碳 颗粒上且混合有离聚物的细碎的催化剂，例如铂。该电解质薄膜夹在该阴极和 该阳&t间以形成薄膜电极组^(MEA)0该MEAJ1常置于多孔扩散介质(DM) 之间，该扩散介质用于燃料电池电化学反应的气体反应物的供应， 一般是氢气 和空气中的氧。单独的燃料电池串联堆叠在一起以形^M料电池堆。该燃料电 池堆肖,产生足够驱动，的电力。0004在非运行期间，大量的空气扩散到且聚,燃料电池堆的阳极中。当该 燃料电池堆启动时，将氢气提供给阳极。该氢气取代空气且产生通过阳极的"氢 气-空气锋面"。A^f周知，该氢气-空气锋面使电极中的碳劣化且影响燃料电池 性能。特别是，由于阳极上氢气和空气的同时存在导致面对氢气的阳极部分和 面対空气的阳极部分之间的局部电短路。该局部电短路导致电、M转，从而导 致催化剂载体的t^I腐蚀。己经发现碳腐蚀的M与氢气-空气锋面存在的时间 和在氢气-空气锋面上局部电压的量级成正比。0005本领域公知采用氢气来決速吹扫阳极中积聚的空气和最小化阳极中氢气 -空气锋面存在的时间。，种吹扫常常设计为采用氢气基本上且均匀地填充该阳极入口集气管而并没有Mk料电池系统中排出过量的氢气。在申请人的待审美国申itNo. 11/762,845中公幵了示例性的吹扫方法，其全部内容结合在此作为参 考。 一般地，基于燃料电池堆的^f只和氢气的皿预先计算吹扫阳极所需要的时间。然而，积聚在阳极的空气量随着不同的关闭时间和条件而改变。另外， 关闭时间之后压力、压力测定、流量、流量控制和阳极上的气体组分的变化是 很大的。因此，从阳极中置换积聚空气所需的时间和用于吹扫该阳极的氢气的体积和t!M常都不是最优化的。因此吹扫的最佳终点往往慰佳以预测的，本 领域的系统没有能力釆用氢气完全吹扫该阳极且没有将不希望的氢气排至杯境 中。0006在燃料电池堆启动过程中已知的系统还使用完，路方法。在完，路 系统中，在该燃料电池堆启动过程中使用例如具有短路电阻的电路用于最小化 局部电压。由此 料电池堆的启动斑呈中鹏蚀的速率降至嘬小。然而为了 该完全短路系统正常工作，在完全短路的持续时间内燃料电池堆中的^^燃料 电池必须具有基本上相等的氢气量。如果愚到完全短路，氢气不足的燃料电池 可育,不期望的局部条件。0007这就需要一种燃料电池系统和方法以提供快速和可靠的启动。令人期望 地，娜料电池系统和方法在启动)lf呈中减少排出的过錢气，i顿完全短路 法最小化 蚀，且克服由完魏路弓跑的对燃料电池堆不期望的影响。
技术实现思路
0008依照本专利技术，令人惊讶地发现了一种燃料电池系统和方法，其提供了理 想的燃料电池系统排放物，在启动过程中优化了氢气-空气锋面时间，且肯,使 用完全短路以最小化碳腐蚀。0009在一实施例中，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括具有多个 燃料电池的燃料电池堆，和与该多个燃料电池的阳极流体魏的阳极供应歧管。 该阳极供应歧管适^输送阳极供应气流到多个燃料电池。该燃料电池系统还 包括与多个燃料电池的阳极流体M的阳极排放歧管，其适舒接顿自多个 燃料电池的阳极排出气流。压力传感器与燃料电池堆 且适于测量阳极压力。 该燃料电池系统具有与阳极供应和排放歧管流体鄉的第一和第二阀门。第一 和第二阀门适于在压力传麟测量的预定阳t腿力下工作。0010在另一个实施例中，提供一种用于启动燃料电池系统的方法。该方法首 先包括提供在开启状态或关闭状态之一第一阀门和提供在关闭状态的第二阀门 的步骤。阳极供应气流提供给该阳极供应歧管。如果第一阀门不是在开启状态 中，随后第一阀门打开，第一数量的空气通过其从阳极供应歧管排出。当排放 第一数量的空气时监测阳t腿力。当该阳极压力标阳极供应气流M31时关闭该第一阀门，例如，当该阳极压力小于预定压力值时。随后打开第二阀门并通 过第二阀门从阳极排放歧管排出第二数量的空气直到阳极供应气流^31第二阀门为止。0011在另外一个实施例中，在供应该阳极供应气流步骤的过程中至少控制和 /或湖懂该阳极供应气流的 。该方法还包括测量穿过第一阀门的压差，且从 该压差和该阳极供应气流的流速计算阳极压力。当该阳极压力小于预定压力值 时随后关闭第一阀门。0012本专利技术的方法还包括当第二阀门打开时i^活完，路的步骤。燃料电池堆的平均电压基本保持在零。在用阳极供应气流填充该阳极之后，可以停止燃料电池堆的完全短路且将阴极供应气流提供给阴极进气歧管。由此完成燃电池系统的启动。 附图说明0013从下列的详细说明，尤其是当根据下文描述的附图结合考虑时，，目的和公开的其它优势对于本领m术人员来说将变得显而易见。0014图l说明了PEM燃料电池堆(仅仅示出了两个电池)的，透视示意图；0015图2是根据本专利技术实施例的燃料电池系统的侦蠘面亂0016图3是图2中描述的燃料电池系统的侧截面图， 料电池系统均匀地 分配阳极供应气流^^燃料电池；和0017图4是根据本专利技术一实施例的在燃料电池系统启动过程中描述绝对阳极压力的示范性图表。具体实施方式0018下列描述实质上仅仅縣范性的且并没有打算限制本专利技术、运用或^顿。 同样可以理解的是附图、相应的参考数字表示类似或相应的部分和特征。参考 公开的方法，示出的步骤实质上是范性的，且因此不是必需或关键的。0019图1描述了PEM燃料电池堆2，其具有M导电双极板8彼此隔开的一 对MEA4、 6。为简单起见，在图l中仅仅说明和示出了一个双电池堆叠体(也 就是一个双极板)，可以理解的是通常的燃料电池堆将具有很多这种电池和双 极板。在一对夹板IO、 12和一对单极端板14、 16之间MEA4、 6和双极板8 堆叠在一起。该夹板IO、 12与该端板14、 16ffiil垫圈或绝缘层(未示出)彼此电绝缘。该单极端板14、 16和双极板8的两个工作面都包括用于分别向MEA 4、 6的阳极禾,极分配氢气和空气的流场18、 20、 22、 24。绝缘垫圈26、 2830、 32在燃料电池堆2的一些元件之间提供电绝缘。透气扩散介质34、 36、 38、 40 与MEA4、 6的电极相邻，例如阳极和阴极。该端板14、 16分别与该扩散介质 34、 40邻接布置，同时该双极板8^MEA4的阳极面上与扩散介质36邻接布 置。该双极板8还^EMEA 6的阴极面上与扩散介质38邻接布置。0020示例性的双电纟舰aPEM燃料电池堆2还包括阴极供应歧管72和阴极 排放歧管74、冷却剂供给歧管75和冷却剂排放歧管77以及阳极供应歧管76 和阳极排放歧管78。皿阳极入口导管80将氢气提供纟含该阳极供应歧管76。 M31阴极入口导管82将空气提供给该燃料电池堆2的阴极供应歧管72。同样地 阳极排放导管84和阴极排放导管86分另鹏加给阳极排放歧管78和阴极排放歧 管74。提微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统包括：　包括多个燃料电池的燃料电池堆，多个燃料电池中的每一个都具有阳极和阴极以及布置在其间的电解质膜；　阳极供应歧管与多个燃料电池的阳极流体连通以将阳极供应气流供给给多个燃料电池；　阳极排放歧管与多个燃料电池的阳极流体连通以接收来自多个燃料电池的阳极排出气流；　适合于测量阳极压力的压力传感器；　与阳极供应歧管流体连通且适合在通过压力传感器测量的第一预定阳极压力下操作的第一阀门；和　与阳极排放歧管流体连通且适合在通过压力传感器测量的第二预定阳极压力下操作的第二阀门。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GM罗布，B拉可什马南，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]