专利名称：燃料电池开路电压的低功率控制的制作方法
技术领域：
通过使用将对于操作在临界电压水平(高于该临界电压水平燃料电池就可能会发生退化)下的燃料电池消耗最小功率的预先选择的辅助负载，对新鲜空气和阴极再循环废气的数量进行调节，从而把燃料电池电压保持在临界电压以下的较小范围内。
背景技术：
据授予Reiser和Landau的美国专利4，202，933所述，在较低功率水平下的燃料电池动力装置的操作会导致高电池电压，从而会导致催化剂和催化剂支持材料发生腐蚀。 这会导致低功率操作下的严重性能衰减。在其功率需求常常是零的交通工具中，动力装置的反复发生的低功率空转将导致随着时间而增加的性能衰减。前面提到的专利还指出，仅仅减少对阴极的空气输入会导致每一块燃料电池内的严重的电流密度分布不均。也就是说，靠近燃料电池空气进口的电流密度非常高，但是靠近空气出口的电流密度非常低。这会导致燃料电池的空气进口区域处的过度加热，这可能导致附加的性能损失和燃料电池组件的可能破裂。在前面提到的专利中，阴极废气被再循环到阴极空气进口，以便降低所生成的功率并且同时至少在某种程度上控制在各块电池中所达到的电压。这样做会减轻电流密度分布不均和腐蚀。在前面提到的专利中，提供期望功率输出以便与实际功率输出进行比较；如果实际功率高于期望功率，则阴极再循环被用来导致电压降；功率调节设备降低实际功率输出。这可以继续，直到达到期望功率输出水平或临界电压为止。该方法的问题在于，可能必须生成高达20千瓦的功率以便把电压保持在临界水平以下。虽然该功率可以被用于为电池充电或者用于运行辅助装备，但是在许多情况下必须简单地将其作为热量耗散掉，这可能是非常困难的问题，特别在交通工具中尤其如此。授予kheffler和Vartanian的美国专利4，859，545利用一种算法来控制空气利用率以确保个别电池不会缺氧，其中所述算法涉及到阴极废气处的氧气浓度、当前电流输出下的摩尔耗氧率以及流入阴极的气体。空气进口阀门被向上或向下调节以便实现所期望的空气利用率。其中没有公开应对输出功率的方式。
发明内容
为了在燃料电池堆操作于低功率水平时控制各燃料电池的电压，把所述燃料电池堆连接到预定的电阻性辅助负载，所述电阻性辅助负载的大小将耗散的功率数量与电压恰好低于临界值时将存在的电流有关，而在所述临界值以上将会发生催化剂腐蚀和/或催化剂支持材料腐蚀。通过以下方式对阴极再循环和进口气流进行调节以建立所需电压在保持有足够的气流流过阴极的同时减少可用的氧气，从而避免电流密度分布不均。可以通过阀门、孔口或鼓风机速度来调节空气进口流速和阴极再循环流速。举例来说，在典型的燃料电池动力装置中，在低功率水平下利用的所述辅助电阻性负载对于每块电池将需要耗散半瓦特量级的功率。对于100千瓦的动力装置，这将是大约500瓦特。可以利用主动式动力装置热管理系统来耗散所得到的热量，或者可以按照被动方式(比如辐射和/或对流)从周围环境传递所得到的热量。根据下面对如在附图中示出的示例性实施例的详细描述，其他变型将变得显而易见。
图1是具有可有开关控制的(SWitchable)辅助负载和阴极再循环的燃料电池动力装置的简化示意图，其可用于开路电压的低功率控制。图2是燃料电池的示例性性能曲线。
具体实施例方式参照图1，燃料电池动力装置5包括燃料电池堆6，每一块燃料电池都具有阳极催化剂层、阴极催化剂层以及布置在所述层之间的质子交换膜。每一块燃料电池还具有邻近阳极催化剂层的燃料反应物气流场通道，其中在所述燃料流场通道与催化剂层之间具有或没有附加层。每一块燃料电池还具有邻近阴极催化剂层的氧化剂反应物气流场通道，其中在所述氧化剂反应物气流场通道与阴极催化剂层之间具有或没有附加层。这些内容是已知的并且没有在图中示出。阳极9和阴极10通过质子交换膜11分开。阳极9接收来自源14的燃料，所述燃料经过压力调节器15和由控制器17调节的流控制阀门16。阳极的燃料进口 19还接收来自再循环泵21的管道20中的再循环燃料，所述再循环泵21通过管道22连接到阳极燃料出口 23。控制器17还操作清除阀门25以便周期性地或者持续地释放小部分的阳极废气， 从而使得燃料电池去除诸如氮气之类的污染物和惰性物。阀门25通过管道27连接到混合箱28，阳极废气在该处与管道四中的阴极废气混合。所述混合箱在管道31中的外流可以是流向周围环境或者流向某种受控约束(confinement)。阴极10在进口 34处接收来自鼓风机35的空气。空气被施加到过滤器38的输入 37，所述过滤器38的输出在管道39中被传递经过由控制器17调节的空气控制阀门40。阴极出口 42通过再循环管道44、阀门45和管道46连接到鼓风机35的进口 47，所述鼓风机 35还通过管道48连接到阀门40。再循环控制阀门45由控制器17操作，以便控制(如果有的话)通过管道46返回到鼓风机35的进口 47和阴极空气进口 34的再循环空气的数量。阴极出口 42还通过管道50经过检查阀门51连接到管道29，以便将阴极废气提供到混合箱观，从而在所述混合箱将其释放到管道31中之前稀释可能留存在阳极废气中的任何氢气。举例来说，在所公开的实施例中，来自燃料电池堆的阳极端的由减号标示的燃料电池堆电功率输出M通过开关55连接到传统的功率调节器56，所述功率调节器56在图中仅仅被示意性地示出。功率调节器56的输出57连接到实际负载59，所述实际负载59可以是交通工具或者其他用电设备。所述开关被示出为连接到辅助负载60，比如在前文中关于燃料电池开路电压的低功率控制所描述的辅助负载。如在图中示意性地示出的那样，所述负载通过返回线62连接到由加号标示的所述燃料电池堆的阴极端。在这里的实施例中，按照其可能用于交通工具的情况(特别是具有大量重复的无功率需求时段的交通工具，比如将在由于交通状况或者为乘客提供服务而减速或停止期间空转的公共汽车)来描述燃料电池开路电压的低功率控制。在这里所描述的实施例中，表示用电设备(比如交通工具加速踏板68)所需求的电气负载的信号67或者表示用电设备中的多种状况的复合负载需求信号向所述控制器表明需要燃料电池堆向负载59提供的功率。如果信号67表明基本上没有负载需求(比如交通工具处于空转)，则所述控制器将操作开关55以便把燃料电池堆的输出连接到辅助负载 60。但是当信号67表明有功率需求时，所述控制器将使得开关55把燃料电池堆的电气输出连接到负载59。图2是视情况而定的燃料电池或燃料电池堆的性能曲线的粗略图示。在任何功率水平下都将存在通过所述性能曲线与电流密度相关的电压。在图2中，点划线表示性能曲线上的可能接近最大功率输出的位置(X/2)。最大功率大约处于性能曲线直线部分的直线延伸(虚线)的电压(X)的一半。性能曲线上的表示最小功率输出(比如在空转时)的位置大约处于0.98伏特。电流密度越低，电压就越高。对燃料电池开路电压的控制是为了确保电压将不会高于临界电压，所述临界电压在图2中的短划线上方被标示为大约0. 85伏特，高于该临界电压就可能会发生腐蚀和性能衰减。辅助负载60被选择成使得在已经选择的功率耗散水平下，该辅助负载中的电流将与所述性能曲线(图2)上的电流密度相关，在此处电压比临界电压低某一余量(比如1伏特的几百)。在一种典型的情况下，850毫伏是可能的临界电压。因此，所述控制器可以被配置成使得电压在低功率需求期间保持在较小电压范围内，比如保持在830毫伏和890毫伏之间。这样就在确保不会超出临界电压的同时提供了所期望的低功率输出。当信号67表明基本上没有需求(零或接近零功率)时，比如交通工具空转，此时开关阳转移到辅助负载60，将通过调节阀门16、40同时减少到达燃料电池堆的燃料和空气输入并且阴极再循环阀门45将被打开，从而促成阴极再循环流，这将导致具有低氧气含量的较大阴极气流。较低氧气含量导致较低电流密度，并且在各块燃料电池中只有轻微的电流分布不均。在一个实施例中，阀门45可以由控制器17完全打开并且在低功率需求时段期间保持打开。在这种情况下，对实际电压的控制将驻留在阀门40中，所述阀门40控制被提供给阴极的新鲜空气的数量。如果电压过高，则以某一增量(最可能反复地)关闭阀门40，直到电压达到电压下限为止。随后可以把阀门打开某一增量或若干增量，直到电压达到上限为止。在其他实施例中，可以对阀门40进行调节直到电压处于界限内为止，并且随后除非电压达到其中一个界限否则不再对其进行调节。阀门45还可以是由控制器17连续控制的计量阀门。在这种情况下，所述控制器将根据预定调度表来进行操作以便采用燃料电池开路电压的当前低功率控制，所述预定调度表可以对于任何特定的燃料电池动力装置10凭经验确定。将以如下方式来建立这样的调度表，即使得流过阴极的气流保持在足够较低的阈值水平，而且同时电压将被控制得低于临界水平。这样将会利用到阴极再循环(有可能包括最大可能再循环流)，同时通过在阀门40处控制进口空气来提供剩下的所需流量。由于增大的再循环流将会降低电压并且增大的空气流将会提高电压，因此可以通过以下方式来控制电压增大空气流直到达到临界电压为止，并且随后增大再循环直到达到第二电压为止，所述第二电压比临界电压低1伏特的某一分数。或者可以对它们当中的任一项进行调节直到电压处在临界电压与第二电压之间为止，并且随后直到电压发生改变并且需要调节为止都不再进行其它调节。
权利要求
1.一种用于被配置成(a)向静止负载或(b)作为动力向交通工具(59)提供功率输出 (57)的质子交换膜燃料电池动力装置(5)的方法，所述方法的特征在于响应于由所述负载提供的空转信号执行下面的操作，其中所述空转信号表明从所述负载有大量功率需求(68)改变成所述负载的功率需求几乎为零(a)把所述动力装置的功率输出(57)从所述交通工具(59)断开，并且把预定的固定电阻性负载(60)连接到所述功率输出以替代所述交通工具；(b)监控所述动力装置的至少一块燃料电池的电压；以及(c)减少(40)提供给所述空气进口的空气数量；(d)以把所述至少一块电池的电压限制成小于临界电压的数量把所述动力装置的燃料电池的阴极废气(42)再循环到所述燃料电池的空气进口(34)，其中在所述临界电压以下电池不会发生过度腐蚀。
2.根据权利要求1的方法，其特征还在于，在步骤(d)之后，把进口空气(48)调节(40) 到它所能达到的最高，而通过调节再循环的阴极废气的数量把电压限制到临界电压。
3.根据权利要求2的方法，其特征还在于，当所述至少一块电池的电压达到临界电压时，把较少空气和较多阴极废气提供到空气进口，并且当所述至少一块电池的电压被降低到第二电压时，把较多空气和较少再循环提供到空气进口，其中所述第二电压比临界电压低1伏特的某一小分数。
4.根据权利要求3的方法，其特征还在于，所述临界电压处在大约0.85伏特和大约 0. 89伏特之间，并且所述第二电压处在大约0. 83伏特和大约0. 85伏特之间。
5.根据权利要求3的方法，其特征还在于，所述临界电压是大约0.85伏特，并且所述第二电压是大约0. 83伏特。
6.一种设备，其包括燃料电池动力装置(5)，其被配置成向(a)交通工具输出负载或(b)静止输出负载提供电功率；所述动力装置包括燃料电池堆(6 )，每一块燃料电池包括具有阳极催化剂层和阴极催化剂层以及布置在所述各层之间的质子交换膜的膜电极组件；具有邻近阳极催化剂层布置的燃料流场通道的多孔亲水性阳极水传递板，其中在阳极水传递板与阳极催化剂层之间具有或没有附加层；具有邻近阴极催化剂层布置的氧化剂流场通道的多孔亲水性阴极水传递板，其中在阴极水传递板与阴极催化剂层之间具有或没有附加层；所述动力装置还包括 控制器(17);燃料源(14)，其通过可控燃料阀门(16)连接到所述燃料流场通道的进口 ； 空气源(40 )，其被配置成向所述氧化剂流场通道(10 )的空气进口( 34 )提供可控数量的空气；包括鼓风机(35 )或再循环鼓风机的能够选择地操作的再循环回路(44-46 )，其被配置成对所述控制器做出响应，以便把可控数量的氧化剂流场废气再循环到所述氧化剂流场的进口 ；其特征在于电阻性负载(60)，其被选择成在燃料电池堆向所述电阻性负载施加预定临界电压时耗散燃料电池堆最大功率的预定一小部分；以及可控开关(58)，其被配置成把所述燃料电池堆的电输出交替地连接到输出负载或电阻性负载；所述输出负载被配置成向所述控制器提供功率需求(68)的指示(67)；所述控制器响应于基本上没有功率需求的指示被配置成执行以下操作(a)减少提供到燃料进口的燃料数量，(b)把所述开关放置成将燃料电池堆连接到电阻性负载，(c)减少提供到空气进口的空气，以及(d)操作再循环回路；所述控制器响应于功率需求的指示被配置成执行以下操作(e)把所述开关放置成将燃料电池堆连接到输出负载，(f)禁用再循环回路，(g)增加提供给所述燃料进口的燃料数量，以及(h)增加提供给空气进口的空气。
7.根据权利要求6的燃料电池动力装置(5)，其特征还在于，所述控制器(17)被配置成使得再循环回路(44-46)以把燃料电池电压限制到预定临界电压的数量把受控数量的氧化剂流场废气(42)再循环到空气进口(34)，在所述预定临界电压以下燃料电池不会发生过度腐蚀。
8.根据权利要求7的燃料电池动力装置(5)，其特征还在于，所述控制器(17)被配置成当至少一块电池的电压达到临界电压时，使得空气源(40)和再循环回路(44-46)向空气进口提供较少空气和较多阴极废气，并且所述控制器被配置成当至少一块电池的电压降低到第二电压时，使得所述空气源和再循环回路向空气进口提供较多空气和较少阴极废气， 其中所述第二电压比临界电压低1伏特的某一分数。
9.根据权利要求8的燃料电池动力装置(5)，其特征还在于，所述控制器(17)被配置成把临界电压设定在大约0. 85伏特，并且把第二电压设定在大约0. 83伏特。
10.根据权利要求8的燃料电池动力装置(5)，其特征还在于，所述控制器(17)被配置成把临界电压设定在大约0. 85伏特和大约0. 89伏特之间，并且把第二电压设定在大约 0. 83伏特和大约0. 85伏特之间。
11.根据权利要求1的燃料电池动力装置(5)，其特征还在于，所述燃料电池动力装置被布置在把所述燃料电池动力装置的电功率输出用作动力的交通工具中。
全文摘要
一种燃料电池动力装置(5)，其包括燃料电池堆(6)，其中的每一块燃料电池具有阳极(9)、阴极(10)以及布置在阳极与阴极之间的PEM(11)。控制器(17)识别负载(59)没有负载需求(68)的指示(67)，以便利用处理鼓风机(35)操作(45)空气再循环回路(44-46)并且把所述燃料电池堆的功率输出(57)从所述负载(59)转移到辅助负载(60)，所述辅助负载包括电阻，当燃料电池堆操作在临界电压(在所述临界电压之上燃料电池腐蚀是不可接受的)时，所述电阻将响应于施加给其的电流而消耗预定的少量功率。燃料和空气也将被减少(16，40)。所述控制器可以在达到临界电压时使得阴极再循环增多，并且在电压比临界电压低1伏特的某一分数时使得空气增多。
文档编号H01M8/04GK102171876SQ200880131391
公开日2011年8月31日 申请日期2008年10月3日 优先权日2008年10月3日
发明者C·A·里泽, M·P·威尔逊, V·亚达 申请人:Utc 电力公司