燃料電池系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及燃料電池系統，并且具體來說涉及質子交換膜型燃料電池，其中向燃 料電池的陽極側供應氫，向燃料電池的陰極側供應氧，并且在燃料電池的陰極側產生水副 產物并從其中除去水副產物。
【背景技術】
[0002] 此類燃料電池包括夾在兩個多孔電極之間的質子交換膜（PEM)，這兩個多孔電極 共同構成膜電極組件（MEA)。MEA本身通常夾在以下兩個結構之間：（i)陰極擴散結構（諸 如陰極氣體擴散層），其具有與MEA的陰極面相鄰的第一面；以及（ii)陽極擴散結構（諸 如陽極氣體擴散層），其具有與MEA的陽極面相鄰的第一面。陽極擴散結構的第二面與陽極 流體流動場板相接觸，用以聚集電流并且將氫分布到陽極擴散結構的第二面。陽極擴散結 構的第二面與陰極流體流動場板相接觸，用于聚集電流、將氧分布到陽極擴散層的第二面 并且從MEA提取過量的水。陽極和陰極流體流動場板通常各自包含剛性導電材料，所述導 電材料在與相應擴散結構相鄰的表面中具有流體流動通道以輸送反應性氣體（例如，氫和 氧）并且除去廢氣（例如，未使用的氧和水蒸氣）。
[0003] 在這種燃料電池的操作中需要考慮的重要事項是MEA中的水的管理。在PEM燃料 電池的操作期間，氫和氧之間的反應在MEA的催化部位形成產物水。在將氧傳輸到MEA的 陰極面的同時，必須將這種水通過陰極擴散結構從MEA中排出。然而，為了確保電池的內部 電阻保持在容限之內，MEA保持適當的水化也是很重要的。對MEA濕潤化的控制失敗會導 致熱點以及潛在的電池故障和/或不良的電池性能。
[0004] 在氫和氧之間發生燃料電池的電化學反應期間，起到關鍵作用的是經由PEM的質 子迀移過程。只有當固態PEM被充分水化時質子交換過程才會發生。在水量不足的情況下， 膜的水阻力（drag)特性將限制質子迀移過程，導致電池的內阻增大。在PEM過飽和的情況 下，有可能出現過量的水"涌到"MEA的電極部分，并且限制氣體進入所謂的三相反應界面。 這兩種情形對燃料電池的整體性能都有負面影響。
[0005] 盡管作為燃料電池反應的一部分，水是在陰極產生的，然而在整個MEA中保持水 平衡是必要的。在將干燥空氣引入電池的位置，往往趨向于在整個膜中產生不平衡的水分 布，使得入口端部周邊的區域比其他區域更為干燥。最后，這會使得膜受到機械應力并且導 致不均勻的電流分布，二者都會引起先期損壞。為了克服這一點，已知的是在將空氣流輸送 到燃料電池的活性部分之前將其預濕潤化。這會增加系統復雜度，并且對于某些燃料電池 應用而言常常是不實用的。
[0006] 在開放性陰極燃料電池中，陰極流體流動場板對環境空氣開放，這通常通過提供 堆冷卻和供氧這樣的雙重功能的低壓空氣源如風機輔助。這就允許設計出非常簡單的燃 料電池系統，以避免大寄生損耗（即燃料電池支持系統的電功率消耗），其通常涉及到使 用經增壓的陰極和濕潤化子系統的燃料電池堆。然而，空氣流的雙重目的（即用于氧輸 送，也用于空氣冷卻）可能引起空氣流量需求的矛盾。為了冷卻，需要非常高的化學計量 (stoichiometric)的空氣流過陰極電極，可能會導致較低的膜的水含量（導致低性能），當 然這要取決于周邊條件和堆溫度，或者在極端情況下導致伴隨時間而發生自燃料電池堆的 持續性凈水損耗，從而最終導致堆失效。這是因為相對于堆功率輸出（電流密度）的設定 水平而言，在燃料電池聚合物膜的水含量與經由空氣流動而帶來的除水率之間將會達到平 衡。較低的電流、高空氣流量以及較熱的堆將會趨于減少膜的水含量，與此相反，較高的電 流、較低的空氣流量以及較冷的堆將會增加膜的水含量。
[0007] W0 2007/099360公開了具有堆功率控制器的電化學燃料電池組件，所述堆功率控 制器用在再水化時段期間，周期性且暫時性地增加從所述燃料電池堆引出的電流，用于追 加或替代所述燃料電池堆外部的獨立電流需求，以提高所述燃料電池的水化程度。
【發明內容】
[0008] 根據本發明的第一方面，提供了燃料電池系統，所述燃料電池系統包括：
[0009] 第一燃料電池堆；
[0010] 與所述第一燃料電池堆串聯的第二燃料電池堆；
[0011] 與所述第一燃料電池堆并聯的第一整流器；以及
[0012] 控制器，所述控制器被構造成獨立于對所述燃料電池系統的電流需求調節穿過所 述第一燃料電池堆的空氣流量以提供用于提高第一燃料電池堆水化程度的再水化時段。
[0013] 所述燃料電池系統可能不需要燃料電池堆與燃料電池系統在再水化時段期間隔 離，因為第一整流器為第一燃料電池堆提供旁路通路。燃料電池系統可使得能夠更好地且 更持續地調節第一燃料電池堆，這可改進燃料電池系統的性能和壽命。另外，可提高第一燃 料電池堆的可靠性增大并且可以減少失敗次數。
[0014] 控制器可被構造成周期性地調節穿過第一燃料電池堆的空氣流量。控制器可被構 造成使得穿過第一燃料電池堆的空氣流量從有效值周期性地減小，并且隨后在預定時間段 后，使得穿過第一燃料電池堆的空氣流量增大回到有效值。控制器可被構造成使得穿過第 一燃料電池堆的空氣流量周期性地減小為零并且隨后在預定時間段后，使得穿過第一燃料 電池堆的空氣流量從零開始增加。
[0015] 控制器可被構造成響應于燃料電池系統的所測量參數調節穿過第一燃料電池堆 的空氣流量。
[0016] 第一整流器可為有源二極管。所述有源二極管可提高效率，通過所述有源二極管 可提供再水化時段。
[0017] 可使第一整流器的第一端子連接到第一燃料電池堆的第一端子。可使第一整流器 的第二端子連接到第一燃料電池堆的第二端子。
[0018] 燃料電池系統可進一步包括與第二燃料電池堆并聯的第二整流器。控制器可被構 造成獨立于燃料電池系統的電流需求調節穿過第二燃料電池堆的空氣流量，以提供用于提 高第二燃料電池堆水化程度的再水化時段。
[0019] 控制器可被構造成調節穿過第一和第二燃料電池堆的空氣流量以使得第一和第 二燃料電池堆的再水化時段不會重疊。控制器可被構造成交替地調節穿過第一和第二燃料 電池堆的空氣流量。
[0020] 可使第二整流器的第一端子連接到第二燃料電池堆的第一端子。可使第二整流器 的第二端子連接到第二燃料電池堆的第二端子。
[0021] 控制器可被構造成調節由風機生成的空氣流量，以調節穿過第一和/或第二燃料 電池堆的空氣流量。
[0022] 控制器可被構造成調節一個或多個可變閉塞構件的位置，以調節穿過第一和/或 第二燃料電池堆的空氣流量。
[0023] 燃料電池組件可進一步包括與第一燃料電池堆串聯的阻阻擋整流器。類似地，還 可提供與第二燃料電池堆串聯的阻阻擋整流器。
[0024] 根據本發明的另一方面，提供了操作燃料電池系統的方法，所述燃料電池系統包 括：
[0025] 第一燃料電池堆；
[0026] 與所述第一燃料電池堆串聯的第二燃料電池堆；以及
[0027] 與所述第一燃料電池堆并聯的第一整流器；
[0028] 所述方法包括：
[0029] 獨立于所述燃料電池系統的電流需求調節穿過所述第一燃料電池堆的空氣流量， 以提供用于提高所述第一燃料電池堆水化程度的再水化時段。
[0030] 第一整流器可為有源二極管。所述方法可進一步包括：
[0031] 操作所述有源二極管以使得當所述有源二極管正向偏置時，所述有源二極管提供 低的電阻，并且當所述有源二極管反向偏置時，所述有源二極管提供高的電阻。
[0032] 可提供有計算機程序，所述計算機程序包含計算機程序代碼，所述計算機程序代 碼被配置用于加載到與燃料電池系統相關聯的控制器上，所述燃料電池系統包括：
[0033] 第一燃料電池堆；
[0034] 與所述第一燃料電池堆串聯的第二燃料電池堆；以及
[0035] 與所述第一燃料電池堆并聯的第一整流器；
[0036] 其中，計算機程序代碼被配置成：
[0037] 獨立于燃料電池系統的電流需求調節穿過第一燃料電池堆的空氣流量，以提供用 于提高所述第一燃料電池堆水化程度的再水化時段。
[0038] 可提供有計算機程序，所述計算機程序包括計算機程序代碼，所述計算機程序代 碼被配置用于加載到控制器上以獨立于相關燃料電池系統的電流需求調節穿過第一燃料 電池堆的空氣流量，以提供用于提高第一燃料電池堆水化程度的再水化時段。
[0039] 計算機程序可進一步包括計算機程序代碼，所述計算機程序代碼被配置用于加載 到控制器上以操作與第一燃料電池堆并聯的有源二極管，以使得當有源二極管正向偏置 時，有源二極管提供低的電阻，并且當有源二極管反向偏置時，有源二極管提供高的電阻。
[0040] 可提供有計算機程序，所述計算機程序在計算機上運行時，使得計算機：
[0041] 當滿足以下標準中的一種或多種時，啟動所述燃料電池系統中燃料電池堆的再水 化操作：
[0042] a)燃料電池堆核心溫度大于最小核心溫度閾值；
[0043] b)燃料電池堆核心溫度小于最大核心溫度閾值；
[0044] c)環境空氣溫度小于最大環境空氣溫度閾值；
[0045] d)從燃料電池系統中引出的電流大于最小電流閾值；
[0046] e)從燃料電池系統中引出的電流小于最大電流閾值；以及
[0047] f)尚未接收到來自加載裝置或與所述加載裝置相關的應用程序的用以指示風機 脈沖被禁止的信號。
[0048] 計算機程序可進一步使得計算機：
[0049] 周期性地檢查是否已滿足標準a)至f)中的一種或多種，并且僅在標準a)至