燃料电池的适应性负载制造技术

本发明专利技术涉及燃料电池的适应性负载。具体地，一种燃料电池系统，其具有：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括用来控制来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；传感器，用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统。更具体地说，本专利技术涉及用于减少高电极电位的时间以防止燃料电池受到损坏电流的燃料电池系统和方法。
技术介绍
已经将燃料电池提出作为电动车辆和各种其他应用的清洁、高效并且环保的能源。具体地说，已经将质子交换薄膜(PEM)燃料电池当作在现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替代物。PEM燃料电池包括三个主要部件阴极；阳极；和电解质薄膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细小催化剂，例如钼。电解质薄膜夹在阴极和阳极之间以形成薄膜电极组件(MEA)。该MEA往往设置在多孔扩散介质(DM)之间，该介质便于将气态反应物通常为来自空气的氢气和氧气输送以便进行电化学燃料电池反应。在DM和 MEA的每一侧上的板提供有反应物和冷却剂流，从而共同形成燃料电池。各个燃料电池提供有相对较低的直流电位，但是可以串联层叠在一起以形成能够提高任意所期望的电位的燃料电池堆。因此，该燃料电池堆能够产生出足以给车辆供电或给其它用途供电的电力。在燃料电池堆的通常操作期间，氢气从燃料电池堆的一个端部向另一个端部进入并且流经各个燃料电池。燃料电池堆的端部通常被称为湿端和干端，并且氢气通常从湿端流向干端。在非工作期间，大量空气积累在燃料电池堆的阳极流域中。在燃料电池堆启动时，给阳极流域提供氢气。所提供的氢气产生出“氢气-空气锋”，这会局部提高在与阴极的与阳极的空气填充部分相对的部分上的参考氢电极(RHE)电位。在阴极电极上的高RHE电位会使得阴极电极迅速腐蚀，并且已知会降低燃料电池性能。重要的是，在具有高电负载需求的燃料电池的启动期间，氢气在燃料电池堆的阳极上的不均勻分布会导致被称为“电池反极”的现象。电池反极出现在向燃料电池堆施加负载的时候以及在燃料电池堆中的至少一个燃料电池缺乏足够的氢气以支撑由在燃料电池堆中被提供有足够氢气的其它燃料电池所产生出的电流的时候。在电池组中的其它电池相对于缺乏足够氢气的阳极部分产生局部更高的电位，从而导致在反极电池的阳极的这个区域中碳支撑体的氧化，这会导致燃料电池电压迅速下降，明显降低了燃料电池堆的使用寿命。具体地说，出现饥饿电池的阳极电极的碳基底腐蚀，其中形成CO和CO2。由于即使对于由于气体压缩而堵塞或流量受限的电池而言在启动期间也会给电池提供一些氢气填充，所以在会出现电池反极之前可以引出最少量的电荷。因此，在无需电池电压反馈的情况下从电池流出的电荷量最小。但是，固定负载会不与流出的最小电荷匹配。为了消除在启动期间的碳腐蚀，已知的系统在启动期间对于燃料电池堆的端子而言已经采用了低阻抗电路。在这些系统中，例如采用具有低阻抗短接电阻器的电路来减小在燃料电池堆中的电池的局部阴极电极电位。电阻越低，则在阴极电极上观察到的电位更低，由此减小了在燃料电池堆的阴极电极上的碳腐蚀速度。但是，为了让低阻抗电路系统正确工作，在燃料电池堆中的每个燃料电池在完全短路的持续期间必须具有基本上相同的氢气量，以避免在缺少氢气的电池中出现局部阳极饥饿。另外，低阻抗电路通常需要昂贵的电流电容部件，或者需要一些机构来减慢氢气-空气锋。低阻抗电路必须针对每个电池调节， 尤其是针对电池的催化剂面积和整体电容进行调整。固定电阻负载也已经用来在启动期间抑制电池组电压。但是，固定电阻负载需要加入电气部件以接合固定电阻负载。另外，电阻负载自身增加了该系统的成本和复杂性，从而产生出可靠性问题。固定电阻负载不允许电负载根据电池组或燃料电池堆的需求而进行调节。例如，一些电池电压监测设备可由电池电压供电，从而需要一定水平的电压以在启动时给电压监测设备供能。本领域已知有许多燃料电池系统和方法，用来在启动操作期间使得氢气相对于燃料电池堆的阳极流场的均勻分布最优。因此，例如在本领域中已知的是，在启动情况期间要用氢气和氢气-空气混合物迅速清洗累积有空气的阳极，以便使得氧气-空气锋在启动期间在阳极上存在的时间最短。该清洗通常设计成用氢气基本上并且均勻地填充阳极入口集管，并且不会从燃料电池系统中将多于氢气排出。在申请人的共同未决美国申请 No. 11/762845中披露了一种示例性的清洗方法，该文献其全文在这里被引用作为参考。在本领域中还已知的是，控制氢气-惰性气体混合物的输送以在燃料电池系统的启动期间提供可变阳极流量，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短。在申请人的共同未决美国申请No. 12/725771 (申请人的编号1-4015 中披露了一种这样的方法， 该文献在这里其全文被引用作为参考。与完全短路结合，所述用来控制给阳极电极的反应物供给的系统能够改变电流。但是，这种方法需要非常精确地控制给阳极电极的反应物供给和完全短路的施加。一直需要一种反应迅速并且可控的燃料电池系统和方法，其通过使得在燃料电池内的电位最小来在启动期间防止在燃料电池内出现局部腐蚀，且不需要增加部件或成本。 理想的是，该燃料电池堆和方法使得在启动期间氢气的不均勻分布的影响最小，并且防止了燃料电池堆的电压下降。
技术实现思路
根据本专利技术，令人惊讶地发现了一种燃料电池系统和方法，用于在启动期间促进施加在燃料电池系统上的适应性和可变电负载，同时还使得由于在阳极上的不均勻氢气分布而导致的燃料电池系统性能下降最小。在一个实施方案中，一种燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；传感器，用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号； 以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。在另一个实施方案中，一种燃料电池包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；传感器，用于测量注入到所述阳极供给歧管中的流体体积、在至少一个燃料电池上的电压、从所述燃料电池堆中提供的电流、停机时间段和环境因素中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。本专利技术还提供了用于向所述燃料电池施加适应性负载的方法。一种方法包括以下步骤提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个；以及根据对所测量出的所述环境条件和所测量出的所述燃料电池堆的特性中的至少一个进行的分析来控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。本专利技术还提供了以下方案 1. 一种燃料电池系统，包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；传感器，其用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的适应性负载。2.如方案1所述的燃料电池系统，其中所述传感器获得在至少一个所述燃料电池上的电压、流经所述外部电路的电流和流经所述适应性负载的电流中的一个的测量值，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种燃料电池系统，包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；传感器，其用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的适应性负载。

【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，SG格贝尔，DI哈里斯，
申请(专利权)人：GM罗布，SG格贝尔，DI哈里斯，
类型：发明
国别省市：US