專利名稱：燃料電池的適應(yīng)性負(fù)載的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及用于減少高電極電位的時(shí)間以防止燃料電池受到損壞電流的燃料電池系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)將燃料電池提出作為電動(dòng)車輛和各種其他應(yīng)用的清潔、高效并且環(huán)保的能源。具體地說，已經(jīng)將質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池當(dāng)作在現(xiàn)代車輛中使用的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的潛在替代物。PEM燃料電池包括三個(gè)主要部件陰極；陽極；和電解質(zhì)薄膜。陰極和陽極通常包括支撐在碳顆粒上并且與離聚物混合的細(xì)小催化劑，例如鉬。電解質(zhì)薄膜夾在陰極和陽極之間以形成薄膜電極組件(MEA)。該MEA往往設(shè)置在多孔擴(kuò)散介質(zhì)(DM)之間，該介質(zhì)便于將氣態(tài)反應(yīng)物通常為來自空氣的氫氣和氧氣輸送以便進(jìn)行電化學(xué)燃料電池反應(yīng)。在DM和 MEA的每一側(cè)上的板提供有反應(yīng)物和冷卻劑流，從而共同形成燃料電池。各個(gè)燃料電池提供有相對(duì)較低的直流電位，但是可以串聯(lián)層疊在一起以形成能夠提高任意所期望的電位的燃料電池堆。因此，該燃料電池堆能夠產(chǎn)生出足以給車輛供電或給其它用途供電的電力。在燃料電池堆的通常操作期間，氫氣從燃料電池堆的一個(gè)端部向另一個(gè)端部進(jìn)入并且流經(jīng)各個(gè)燃料電池。燃料電池堆的端部通常被稱為濕端和干端，并且氫氣通常從濕端流向干端。在非工作期間，大量空氣積累在燃料電池堆的陽極流域中。在燃料電池堆啟動(dòng)時(shí)，給陽極流域提供氫氣。所提供的氫氣產(chǎn)生出“氫氣-空氣鋒”，這會(huì)局部提高在與陰極的與陽極的空氣填充部分相對(duì)的部分上的參考?xì)潆姌O(RHE)電位。在陰極電極上的高RHE電位會(huì)使得陰極電極迅速腐蝕，并且已知會(huì)降低燃料電池性能。重要的是，在具有高電負(fù)載需求的燃料電池的啟動(dòng)期間，氫氣在燃料電池堆的陽極上的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致被稱為“電池反極”的現(xiàn)象。電池反極出現(xiàn)在向燃料電池堆施加負(fù)載的時(shí)候以及在燃料電池堆中的至少一個(gè)燃料電池缺乏足夠的氫氣以支撐由在燃料電池堆中被提供有足夠氫氣的其它燃料電池所產(chǎn)生出的電流的時(shí)候。在電池組中的其它電池相對(duì)于缺乏足夠氫氣的陽極部分產(chǎn)生局部更高的電位，從而導(dǎo)致在反極電池的陽極的這個(gè)區(qū)域中碳支撐體的氧化，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池電壓迅速下降，明顯降低了燃料電池堆的使用壽命。具體地說，出現(xiàn)饑餓電池的陽極電極的碳基底腐蝕，其中形成CO和CO2。由于即使對(duì)于由于氣體壓縮而堵塞或流量受限的電池而言在啟動(dòng)期間也會(huì)給電池提供一些氫氣填充，所以在會(huì)出現(xiàn)電池反極之前可以引出最少量的電荷。因此，在無需電池電壓反饋的情況下從電池流出的電荷量最小。但是，固定負(fù)載會(huì)不與流出的最小電荷匹配。為了消除在啟動(dòng)期間的碳腐蝕，已知的系統(tǒng)在啟動(dòng)期間對(duì)于燃料電池堆的端子而言已經(jīng)采用了低阻抗電路。在這些系統(tǒng)中，例如采用具有低阻抗短接電阻器的電路來減小在燃料電池堆中的電池的局部陰極電極電位。電阻越低，則在陰極電極上觀察到的電位更低，由此減小了在燃料電池堆的陰極電極上的碳腐蝕速度。但是，為了讓低阻抗電路系統(tǒng)正確工作，在燃料電池堆中的每個(gè)燃料電池在完全短路的持續(xù)期間必須具有基本上相同的氫氣量，以避免在缺少氫氣的電池中出現(xiàn)局部陽極饑餓。另外，低阻抗電路通常需要昂貴的電流電容部件，或者需要一些機(jī)構(gòu)來減慢氫氣-空氣鋒。低阻抗電路必須針對(duì)每個(gè)電池調(diào)節(jié)， 尤其是針對(duì)電池的催化劑面積和整體電容進(jìn)行調(diào)整。固定電阻負(fù)載也已經(jīng)用來在啟動(dòng)期間抑制電池組電壓。但是，固定電阻負(fù)載需要加入電氣部件以接合固定電阻負(fù)載。另外，電阻負(fù)載自身增加了該系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，從而產(chǎn)生出可靠性問題。固定電阻負(fù)載不允許電負(fù)載根據(jù)電池組或燃料電池堆的需求而進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，一些電池電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備可由電池電壓供電，從而需要一定水平的電壓以在啟動(dòng)時(shí)給電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備供能。本領(lǐng)域已知有許多燃料電池系統(tǒng)和方法，用來在啟動(dòng)操作期間使得氫氣相對(duì)于燃料電池堆的陽極流場(chǎng)的均勻分布最優(yōu)。因此，例如在本領(lǐng)域中已知的是，在啟動(dòng)情況期間要用氫氣和氫氣-空氣混合物迅速清洗累積有空氣的陽極，以便使得氧氣-空氣鋒在啟動(dòng)期間在陽極上存在的時(shí)間最短。該清洗通常設(shè)計(jì)成用氫氣基本上并且均勻地填充陽極入口集管，并且不會(huì)從燃料電池系統(tǒng)中將多于氫氣排出。在申請(qǐng)人的共同未決美國(guó)申請(qǐng) No. 11/762845中披露了一種示例性的清洗方法，該文獻(xiàn)其全文在這里被引用作為參考。在本領(lǐng)域中還已知的是，控制氫氣-惰性氣體混合物的輸送以在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)期間提供可變陽極流量，其中該燃料電池系統(tǒng)和方法使得陽極填充時(shí)間最短。在申請(qǐng)人的共同未決美國(guó)申請(qǐng)No. 12/725771 (申請(qǐng)人的編號(hào)1-4015 中披露了一種這樣的方法， 該文獻(xiàn)在這里其全文被引用作為參考。與完全短路結(jié)合，所述用來控制給陽極電極的反應(yīng)物供給的系統(tǒng)能夠改變電流。但是，這種方法需要非常精確地控制給陽極電極的反應(yīng)物供給和完全短路的施加。一直需要一種反應(yīng)迅速并且可控的燃料電池系統(tǒng)和方法，其通過使得在燃料電池內(nèi)的電位最小來在啟動(dòng)期間防止在燃料電池內(nèi)出現(xiàn)局部腐蝕，且不需要增加部件或成本。 理想的是，該燃料電池堆和方法使得在啟動(dòng)期間氫氣的不均勻分布的影響最小，并且防止了燃料電池堆的電壓下降。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了一種燃料電池系統(tǒng)和方法，用于在啟動(dòng)期間促進(jìn)施加在燃料電池系統(tǒng)上的適應(yīng)性和可變電負(fù)載，同時(shí)還使得由于在陽極上的不均勻氫氣分布而導(dǎo)致的燃料電池系統(tǒng)性能下降最小。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括外部電路；傳感器，用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)； 以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述燃料電池外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一種燃料電池包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括外部電路；傳感器，用于測(cè)量注入到所述陽極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆中提供的電流、停機(jī)時(shí)間段和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述燃料電池外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。本發(fā)明還提供了用于向所述燃料電池施加適應(yīng)性負(fù)載的方法。一種方法包括以下步驟提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括外部電路；測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)；以及根據(jù)對(duì)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)進(jìn)行的分析來控制施加在所述燃料電池外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。本發(fā)明還提供了以下方案 1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括
具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括適于接收來自所述燃料電池堆的電流的外部電路；
傳感器，其用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及
處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。2.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器獲得在至少一個(gè)所述燃料電池上的電壓、流經(jīng)所述外部電路的電流和流經(jīng)所述適應(yīng)性負(fù)載的電流中的一個(gè)的測(cè)量值，并且響應(yīng)于所述測(cè)量值來改變施加在所述燃料電池電路上的所述適應(yīng)性負(fù)載。3.如方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為可變電阻負(fù)載。4.如方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載由多個(gè)外部設(shè)備構(gòu)成，其中通過所述處理器選擇地接合所述外部設(shè)備來控制所述適應(yīng)性負(fù)載的大小。5.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述處理器包括控制回路反饋機(jī)構(gòu)。6.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器獲取所述環(huán)境條件的測(cè)量值， 其中所述環(huán)境條件為環(huán)境溫度、停機(jī)時(shí)間段、流經(jīng)燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間和在所述燃料電池系統(tǒng)中的壓力水平中的至少一個(gè)。7. —種燃料電池，包括 具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆；
外部電路，其適于接收來自所述燃料電池堆的電流；
傳感器，其用于測(cè)量注入到陽極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆供給的電流、停機(jī)時(shí)間段和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)； 施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載；以及
處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述外部電路上的所述適應(yīng)性負(fù)載。8.如方案7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為可變電阻負(fù)載。9.如方案7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載還由多個(gè)外部設(shè)備構(gòu)成， 其中通過所述處理器選擇地接合所述外部設(shè)備來控制所述適應(yīng)性負(fù)載的大小。10.如方案7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中響應(yīng)于測(cè)量出的電壓來改變施加在所述外部電路上的所述適應(yīng)性負(fù)載。
11.如方案7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為與所述外部電路電連通的電負(fù)載，其中響應(yīng)于測(cè)量出的電流來改變所述電負(fù)載的大小。12.如方案7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器獲取所述環(huán)境條件的測(cè)量值， 其中所述環(huán)境條件為溫度、流經(jīng)燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間和在所述燃料電池系統(tǒng)中的各點(diǎn)處的壓力水平中的至少一個(gè)。13.如方案7所述的燃料電池，其中所述處理器包括控制回路反饋機(jī)構(gòu)。14. 一種用于控制施加在燃料電池系統(tǒng)上的負(fù)載的方法，所述方法包括以下步驟
提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括與所述燃料電池堆電連通并且適于接收來自所述燃料電池堆的電流的外部電路；
測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)；以及根據(jù)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)來控制施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。15.如方案14所述的方法，其中所測(cè)量出的所述燃料電池堆的所述特性為在至少一個(gè)燃料電池上的電壓和從至少一個(gè)燃料電池供給的電流中的至少一個(gè)。16.如方案14所述的方法，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為可變電阻負(fù)載。17.如方案14所述的方法，其中所述適應(yīng)性負(fù)載還包括多個(gè)外部設(shè)備，其中通過處理器選擇地接合所述外部設(shè)備來控制所述適應(yīng)性負(fù)載的大小。18.如方案14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述環(huán)境條件為溫度、流經(jīng)所述燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間和在所述燃料電池系統(tǒng)中的各點(diǎn)處的壓力水平中的至少一個(gè)。19.如方案14所述的燃料電池，其中所述處理器包括控制回路反饋機(jī)構(gòu)。


本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從下面優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明中并且結(jié)合附圖將很容易了解本發(fā)明的上面以及其它優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1為本領(lǐng)域所公知的PEM燃料電池堆的示意性分解透視圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的示意性剖視圖； 圖3A和:3B為根據(jù)本發(fā)明的適應(yīng)性負(fù)載和用于向燃料電池系統(tǒng)施加適應(yīng)性負(fù)載的方法的實(shí)施方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)說明和附圖描述并且例舉說明了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案。該說明書和附圖用來使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且不是用來以任意方式對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。在所披露的方法中，所給出的各個(gè)步驟實(shí)際上是示例性的，因此這些步驟的順序不是必要的或嚴(yán)格的。圖1顯示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PEM燃料電池堆10。為了簡(jiǎn)化起見，在圖1中只是例舉說明并且描述了兩芯電池組(即一塊雙極板)，要理解的是，通常的燃料電池堆將具有更多的電池和雙極板。該燃料電池堆10包括由導(dǎo)電雙極板16分開的一對(duì)薄膜電極組件(MEAs) 12、14。這些MEAsl2、14和雙極板16層疊在一對(duì)夾板18、20和一對(duì)單極板22J4之間。夾板18、20通過墊圈或介電涂層(未示出)與端板22J4絕緣。單極端板22、24中的每一塊的工作面26、28以及雙極板16的工作面30、32包括多條用來方便燃料例如氫氣和氧化劑例如氧氣從中流過的溝槽或通道34、36、38、40。絕緣墊圈42、44、46、48在燃料電池堆10的各個(gè)部件之間形成密封和絕緣。不透氣擴(kuò)散介質(zhì)50、5254、56例如碳或石墨擴(kuò)散紙與MEAsl2、14的陽極面和陰極面鄰接。端板22、對(duì)分別與擴(kuò)散介質(zhì)50、56相鄰設(shè)置。雙極板16設(shè)置成與位于MEA 12的陽極面上的擴(kuò)散介質(zhì)52相鄰并且與位于MEA 14的陰極面上的擴(kuò)散介質(zhì)M相鄰。如所示一樣，MEAs 12、14、雙極板16、端板22J4和墊圈42、44、46、48中的每一個(gè)包括陰極供氣孔58、陰極排氣孔60、冷卻劑供應(yīng)孔62、冷卻劑排出孔64、陽極供氣孔66和陽極排氣孔68。通過形成在MEAs 12、14中的相鄰陰極供氣孔58、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來形成陰極供給歧管。通過形成在MEAs 12、14中的相鄰陰極排氣孔60、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來形成陰極排氣歧管。通過形成在MEAs 12、14中的相鄰冷卻劑供應(yīng)孔62、雙極板16、端板22、24以及墊圈 42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列形成冷卻劑供應(yīng)歧管。通過形成在MEAs 12、14中的相鄰冷卻劑排氣孔64、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來形成冷卻器排氣歧管。 通過形成在MEAs中的相鄰陽極供應(yīng)孔66、雙極板16、端板22J4和墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來形成陽極供給歧管。通過形成在MEAs 12、14中的相鄰陽極排氣孔68、雙極板16、 端板22J4和墊圈42、44、46、48的排列對(duì)準(zhǔn)來形成陽極排氣歧管。借助陽極入口管道70通過陽極供應(yīng)歧管給燃料電池堆10提供氫氣。借助陰極入口管道72通過燃料電池堆10的陰極供給歧管給燃料電池堆10提供氧化氣體。陽極出口管道74和陰極出口管道76分別設(shè)置用于陽極排氣歧管和陰極排氣歧管。冷卻劑入口管道 78和冷卻劑出口管道80與冷卻劑供應(yīng)歧管和冷卻劑排出歧管流體連通，以便提供從中流過的液體冷卻劑流。要理解的是，在圖1中的各種入口 70、72、78和出口 74、76、80的結(jié)構(gòu)是用來例舉說明，并且必要時(shí)可以選擇其它結(jié)構(gòu)。圖2顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)100的陽極側(cè)。該燃料電池系統(tǒng) 100包括具有多個(gè)燃料電池112的燃料電池堆110。每個(gè)燃料電池112具有陽極(未示出) 和陰極(未示出)，并且在它們之間設(shè)置有電解質(zhì)薄膜(未示出)。該燃料電池堆110還包括第一端部114和第二端部116。如在這里所述一樣，第一端部114被稱為“干端”，并且第二端部116被稱為“濕端”。在所示的實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)100包括陽極供給歧管118、陽極排氣歧管 120、多個(gè)傳感器122、124、126、電阻裝置1 和處理器130。要理解的是，例如在燃料電池系統(tǒng)100中可以包括其它部件和系統(tǒng)，例如循環(huán)子系統(tǒng)。陽極供給歧管118與燃料電池112的陽極連通，并且在氫氣源132和燃料電池112 之間形成流體連通。要理解的是，可以采用其它流體源，例如氮?dú)夂涂諝?。如所示一樣，陽極供給歧管118從氫氣源132通過陽極入口管道134接收氣態(tài)氫氣流。陽極入口管道134 在氫氣源132和陽極供給歧管118之間形成有空間。要理解的是，陽極入口管道134可以具有任意所期望的橫截面面積，并且還可以包括例如腔室。如例舉的一樣，該燃料電池系統(tǒng) 100包括與陽極供給歧管118流體連通的第一閥門136，也被稱為清洗閥。第一閥門136與陽極入口管道134間隔開設(shè)置在燃料電池堆110的第一端部114處。第一閥門136包括用于接收流體流的入口 138和用于在第一閥門136處于打開位置中時(shí)排出流體的出口 140。燃料電池系統(tǒng)100的陽極排氣歧管120在多個(gè)燃料電池112的陽極和排氣系統(tǒng) 142之間形成流體連通。陽極排氣歧管120接收流經(jīng)燃料電池112的陽極的流體。流經(jīng)陽極的流體可以為氣態(tài)氫、空氣或水。第二閥門144與陽極排氣歧管120流體連通，并且設(shè)置在燃料電池堆110的第二端部116處。第二閥門144有利于從陽極排氣歧管120進(jìn)行流體清洗或沖洗。要理解的是，如果需要，第二閥門144可以設(shè)置在燃料電池堆110的第一端部 114處。還要理解的是，第二閥門144可以讓流體沖洗例如陰極入口(未示出)。具體地說， 第二閥門144包括用于接收流體流的入口 146和用于在第二閥門144處于打開位置中時(shí)排出流體的出口 148。傳感器122、124、1沈提供了測(cè)量燃料電池系統(tǒng)100的特性和周圍環(huán)境的手段。具體地說，傳感器122、124、126中的至少一個(gè)用來測(cè)量在燃料電池112中的至少一個(gè)上的電壓。傳感器122、124、126中的另一個(gè)用來測(cè)量流進(jìn)陽極供給歧管118中的流體的特性，例如流體的累積體積。傳感器122、124、126中的另一個(gè)用來測(cè)量影響燃料電池堆110的環(huán)境特性。作為非限定實(shí)施例，環(huán)境特性為溫度、時(shí)間、流經(jīng)燃料電池堆110的陽極側(cè)的流體的組分、燃料電池堆110的使用時(shí)間和在燃料電池系統(tǒng)100的各個(gè)位置處的壓力水平中的一個(gè)。要理解的是，可以測(cè)量其它特性和系統(tǒng)參數(shù)，例如流經(jīng)電阻(歐姆)裝置128的電流。 還要理解的是，傳感器122、124、1沈中的每一個(gè)用來向處理器130發(fā)送傳感器信號(hào)，其中所述傳感器信號(hào)表示傳感器122、124、126中的相應(yīng)一個(gè)的測(cè)量數(shù)據(jù)。所示的處理器130與傳感器122、124、126以及電負(fù)載1 連通。因此，處理器130 用來接收從傳感器122、124、1沈發(fā)出的每個(gè)傳感器信號(hào)，分析這些傳感器信號(hào)，并且根據(jù)對(duì)這些傳感器信號(hào)的分析控制施加在燃料電池堆110上的電負(fù)載128的大小。電負(fù)載128與燃料電池堆110電連通，并且為與燃料電池堆110的多個(gè)端子(未示出)電連通的部分外部電路170(圖3)，并且用來從每個(gè)燃料電池112中接收電流。為了減小在啟動(dòng)期間在燃料電池堆110內(nèi)的腐蝕，通過處理器130將電負(fù)載1 控制為將每個(gè)燃料電池的平均電位保持低于0. 7伏特。在每個(gè)燃料電池的電位保持至少低于0. 8伏特的情況下或者在從每個(gè)燃料電池中流出的電流大約為0. 07Amps/cm2時(shí)實(shí)現(xiàn)令人滿意的結(jié)果。 實(shí)際上，這是通過處理器130將電負(fù)載1 的大小設(shè)定為足夠高來實(shí)現(xiàn)的，由此降低了燃料電池堆110的電位并且必要時(shí)降低了任意單獨(dú)燃料電池的電位?？蛇x的是，在減少流向在燃料電池堆中的一個(gè)或多個(gè)電池的氫流量并且導(dǎo)致降低在燃料電池堆110中的一個(gè)或多個(gè)電池的電位的情況中，處理器130將電負(fù)載128的大小設(shè)定為足夠低以降低從燃料電池堆流向外部電路170的電流，由此提高了在燃料電池堆中的低電位電池的電位并且防止了電池極性顛倒。如圖3A和;3B所示，電負(fù)載包括至少一個(gè)正極端子172和至少一個(gè)負(fù)極端子174， 從而形成從每個(gè)燃料電池112導(dǎo)出電流并且將電流輸送給電負(fù)載128的電路。在圖3A中所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，電負(fù)載128為能夠調(diào)節(jié)以在燃料電池堆110上施加所期望的電阻負(fù)載的可變電阻器176。可變電阻器176可以設(shè)定為離散值，或者可以通過處理器130進(jìn)行連續(xù)變化以確保陽極保持預(yù)定的電位。具體地說，處理器130將確?？勺冸娮杵?76的電阻值不會(huì)下降到如此低，從而燃料電池堆110經(jīng)受太大的負(fù)載，由此導(dǎo)致破壞性的電池反極現(xiàn)象。必要時(shí)，可變電阻器17可以為電位計(jì)、微調(diào)電容器、可變電阻器、變阻器或任意其它可調(diào)節(jié)電阻裝置中的一個(gè)。在圖;3B中所示的另一個(gè)實(shí)施方案中，電負(fù)載1 可以包括外部設(shè)備180、182、184。 雖然只是顯示出三個(gè)外部設(shè)備180、182、184，但是要理解的是，必要時(shí)可以改變這些裝置的實(shí)際數(shù)量。優(yōu)選的是，外部設(shè)備180、182、184包括安裝在燃料電池上以便在正常操作期間使用的系統(tǒng)裝置。作為非限定實(shí)施例，在用來給機(jī)動(dòng)車供電的燃料電池中，可以采用車輛中的電氣裝置中的任一個(gè)作為外部設(shè)備180、182、184，例如散熱風(fēng)扇、車廂加熱器、燃料電池堆加熱器、空氣壓縮機(jī)、電池充電器、照明裝置等。在該實(shí)施方案中，處理器130用來接收從傳感器122、124、126中發(fā)出的每個(gè)傳感器信號(hào)，分析這些傳感器信號(hào)，并且根據(jù)對(duì)這些傳感器信號(hào)的分析控制施加在燃料電池堆110上的電負(fù)載128的大小。通過選擇地接合或改變外部設(shè)備180、182、184的處理器130來調(diào)節(jié)電負(fù)載128的大小。要理解的是，處理器 130可以選擇地接合或改變外部設(shè)備180、182、184中的一個(gè)或多個(gè)，或者不接合或改變?nèi)魏我粋€(gè)，以便實(shí)現(xiàn)所期望大小的電負(fù)載128。還要理解的是，外部設(shè)備180、182、184中的每一個(gè)可以具有與其它外部設(shè)備不同的電阻特性。因此，處理器130也根據(jù)來自傳感器122、 124,126的傳感器信號(hào)確定要接合外部設(shè)備180、182、184中的哪一個(gè)，以便確保燃料電池堆110的電位保持低于預(yù)定限值。為了使得在啟動(dòng)期間在燃料電池堆110內(nèi)的腐蝕最小， 通過處理器130控制外部設(shè)備180、182、184的接合以將每個(gè)電池的電位保持低于0. 7伏特。在每個(gè)電池的電位保持至少低于0.8伏特的情況下或者在從每個(gè)燃料電池流出的電流低于0. 07Amps/cm2的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了令人滿意的結(jié)果。如在圖中以示意的形式顯示出的一樣，處理器130與一排開關(guān)186、188、199連通，并且控制著這些開關(guān)，每個(gè)開關(guān)接合著外部設(shè)備180、182、184中的一個(gè)。要理解的是，這些開關(guān)186、188、190不必為實(shí)際開關(guān)，并且相反可以由處理器130直接控制或促動(dòng)。因此，處理器130與傳感器122、124、126以及外部設(shè)備180、182、184組合使得能夠給燃料電池堆110進(jìn)行適應(yīng)性加載。要理解的是，由外部設(shè)備180、182和184提供的適應(yīng)性負(fù)載可以與各個(gè)燃料電池堆112連接，或者可以與燃料電池堆110連接，以便在不會(huì)造成電池反極的情況下影響每個(gè)燃料電池112的電位。燃料電池堆110的適應(yīng)性負(fù)載因此在啟動(dòng)、提高電流需求情況和降低電流需求情況期間或者在無負(fù)載情況中在每個(gè)燃料電池上保持所期望的電位。燃料電池堆的適應(yīng)性加載也是高度可控的，并且為任意感測(cè)到的情況提供了基本上適中的響應(yīng)。如圖2所示，處理器130根據(jù)指令集150分析并且評(píng)價(jià)這些傳感器信號(hào)?？梢郧度朐谌我庥?jì)算機(jī)可讀介質(zhì)內(nèi)的指令集150包括算法、公式、表列數(shù)據(jù)和處理器可執(zhí)行指令， 用于將處理器130配置成執(zhí)行多種任務(wù)的。要理解的是，處理器130可以執(zhí)行多種功能，包括控制傳感器122、124、126的功能。在某些實(shí)施方案中，處理器130可以包括存儲(chǔ)裝置152。存儲(chǔ)裝置152可以為單個(gè)存儲(chǔ)裝置或可以為多個(gè)存儲(chǔ)裝置。另外，存儲(chǔ)裝置152可以為固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)、磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)、光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)或任意其它合適的存儲(chǔ)系統(tǒng)或裝置。要理解的是，存儲(chǔ)裝置152用來存儲(chǔ)指令集150。需要時(shí)，可以將其它數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置152中。處理器130還可以包括可編程部件154。要理解的是，可編程部件154可以與燃料電池系統(tǒng)100的任意其它部件例如傳感器、122、1M、U6通信。在某些實(shí)施方案中，可編程部件巧4用來管理和控制處理器130的處理功能。具體地說，可編程部件巧4用來控制對(duì)傳感器信號(hào)的分析。要理解的是，可編程部件1 可以用來將數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置152上，并且從存儲(chǔ)裝置152中取出數(shù)據(jù)和信息。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器130為比例積分微分(PID)控制器或者任意其它控制回路回饋機(jī)構(gòu)，其中控制器根據(jù)傳感器122、124、 126的傳感器信號(hào)控制電負(fù)載128。在另一個(gè)實(shí)施方案中，處理器130實(shí)施邏輯反饋機(jī)制。 要理解的是，控制回路可以為連續(xù)的，或者可以只是根據(jù)從傳感器接收到的預(yù)定信號(hào)作用。具體地說，傳感器122、124、126中的每一個(gè)測(cè)量在燃料電池系統(tǒng)100中的各個(gè)位置處的特性和水平。傳感器122、124、1沈中的每一個(gè)將代表測(cè)量出的數(shù)據(jù)和信息的傳感器信號(hào)發(fā)送給處理器130。一旦接收到，處理器130分析由每個(gè)傳感器信號(hào)表示的數(shù)據(jù)和信息，并且控制外部電路170的電負(fù)載128。要理解的是，處理器130在一個(gè)實(shí)施方案中可以直接控制可變電阻器176的應(yīng)用，或者在另一個(gè)實(shí)施方案中可以直接或間接控制外部設(shè)備 180、182、184與外部電路170的連接。作為非限定實(shí)施例，在氫氣流入到燃料電池112的活性區(qū)域中時(shí)，電池電壓范圍 (在最小電池電壓和最大電池電壓之間的)增大，直到至少一個(gè)燃料電池112具有多余氫氣。因此，傳感器122、124、126中的至少一個(gè)測(cè)量出在至少一個(gè)燃料電池112上的電壓，并且處理器130根據(jù)所測(cè)量出的電壓選擇地調(diào)節(jié)電負(fù)載128的施加。在某些實(shí)施方案中，電負(fù)載128的大小保持恒定，直到檢測(cè)到電壓峰值。之后，根據(jù)需要改變電負(fù)載128的大小以在不產(chǎn)生電池反極的情況下使得在至少一個(gè)燃料電池112上的電位最小。在其它實(shí)施方案中，選擇地改變電阻負(fù)載的大小，直到實(shí)現(xiàn)燃料電池堆110的穩(wěn)態(tài)操作。在另一個(gè)實(shí)施例中，在氫氣流進(jìn)燃料電池112的活性區(qū)域中時(shí)，從燃料電池堆110 提供給電阻負(fù)載的電流為陽極和陰極電極的氧化狀態(tài)的函數(shù)。因?yàn)殛枠O正在填充氫氣，所以陽極電流運(yùn)送能力在整個(gè)陽極填充期間一直增加。由于提供給陰極的新鮮空氣缺乏，所以陰極產(chǎn)生電流的能力一直減小。因此，處理器130用來通過選擇地使得外部設(shè)備180、 182,184中的任一個(gè)斷開或者通過提高可變電阻器176的大小來提高在外部電路170上的阻抗，從而確保燃料電池堆110或各個(gè)燃料電池112的電位不會(huì)下降至低于最小值。本發(fā)明的適應(yīng)性加載用于在不增加額外部件的情況下替換在啟動(dòng)期間的低阻抗電路方法或固定電阻負(fù)載，并且對(duì)于在燃料電池堆的各個(gè)燃料電池質(zhì)檢的電位差而言提供了更高的可控性和響應(yīng)性。本發(fā)明的適應(yīng)性加載也可以與在燃料電池的啟動(dòng)期間施加的任何電池組沖洗或清洗過程結(jié)合使用，以控制各個(gè)燃料電池112的電位，并且防止其陽極和陰極的局部腐蝕。燃料電池系統(tǒng)100和用于適應(yīng)性加載的方法還使得由于在啟動(dòng)期間在燃料電池系統(tǒng)的電池內(nèi)的電位不均衡而導(dǎo)致的燃料電池系統(tǒng)性能下降最小。從上面的說明書中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易確定本發(fā)明的基本特征，并且在不脫離其精神和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明作出各種變化和變型以使之適應(yīng)各種用途和情況。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括適于接收來自所述燃料電池堆的電流的外部電路；傳感器，其用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器獲得在至少一個(gè)所述燃料電池上的電壓、流經(jīng)所述外部電路的電流和流經(jīng)所述適應(yīng)性負(fù)載的電流中的一個(gè)的測(cè)量值，并且響應(yīng)于所述測(cè)量值來改變施加在所述燃料電池電路上的所述適應(yīng)性負(fù)載。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為可變電阻負(fù)載。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載由多個(gè)外部設(shè)備構(gòu)成，其中通過所述處理器選擇地接合所述外部設(shè)備來控制所述適應(yīng)性負(fù)載的大小。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述處理器包括控制回路反饋機(jī)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器獲取所述環(huán)境條件的測(cè)量值， 其中所述環(huán)境條件為環(huán)境溫度、停機(jī)時(shí)間段、流經(jīng)燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間和在所述燃料電池系統(tǒng)中的壓力水平中的至少一個(gè)。
7.一種燃料電池，包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆；外部電路，其適于接收來自所述燃料電池堆的電流；傳感器，其用于測(cè)量注入到陽極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆供給的電流、停機(jī)時(shí)間段和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載；以及處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述外部電路上的所述適應(yīng)性負(fù)載。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載為可變電阻負(fù)載。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述適應(yīng)性負(fù)載還由多個(gè)外部設(shè)備構(gòu)成， 其中通過所述處理器選擇地接合所述外部設(shè)備來控制所述適應(yīng)性負(fù)載的大小。
10.一種用于控制施加在燃料電池系統(tǒng)上的負(fù)載的方法，所述方法包括以下步驟提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括與所述燃料電池堆電連通并且適于接收來自所述燃料電池堆的電流的外部電路；測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)；以及根據(jù)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)來控制施加在所述外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池的適應(yīng)性負(fù)載。具體地，一種燃料電池系統(tǒng)，其具有具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括用來控制來自所述燃料電池堆的電流的外部電路；傳感器，用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述經(jīng)過分析的傳感器信號(hào)控制施加在所述燃料電池外部電路上的適應(yīng)性負(fù)載。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102195064SQ20111006442
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者I. 哈里斯 D., M. 羅布 G., G. 格貝爾 S. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司