專利名稱：燃料電池系統(tǒng)與操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)包含陽(yáng)極端口和陰極 端口的燃料電池； 一條包含一個(gè)開(kāi)關(guān)并連接上述端口的短路支路；包含控制 或開(kāi)關(guān)元件以連接負(fù)載的支路；這項(xiàng)發(fā)明進(jìn)一步涉及一種操作燃料電池系統(tǒng) 的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池技術(shù)是眾所周知的。燃料電池系統(tǒng)是一種電化學(xué)裝置，其將燃 料和氧化劑進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生電力和水。 一種典型反應(yīng)以氫氣作為燃料，以空 氣作為氧化劑。其它的燃料和氧化劑可以根據(jù)具體的運(yùn)行條件來(lái)提供。
燃料電池在兩個(gè)電極界面分別進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)電極界面共 用同一電解質(zhì)。以使用氫氣和空氣的燃料電池為例，氫氣被輸送到第一個(gè)電 極——陽(yáng)極上，在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子通過(guò)連接 兩個(gè)電極的外電路傳導(dǎo)到第二個(gè)電極——陰極上。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)傳導(dǎo)到陰 極。此時(shí)空氣中的氧氣被輸送到陰極，在催化劑的作用下被還原，和從外電 路來(lái)的電子和(從電解質(zhì)中來(lái)的)質(zhì)子結(jié)合產(chǎn)生了該反應(yīng)的產(chǎn)物一水。該反 應(yīng)的反應(yīng)烚部分轉(zhuǎn)換為電能在外電路中被消耗，部分轉(zhuǎn)換為熱能被釋放。聚 合物電解質(zhì)膜(polymer-electrolyte-membrane)經(jīng)常被用做質(zhì)子交換膜燃料電 池的電解質(zhì)。
燃料電池系統(tǒng)至少包含一個(gè)燃料電池，優(yōu)選多個(gè)燃料電池連接起來(lái)以提 供更高的輸出電壓。多個(gè)燃料電池的構(gòu)造可以以平面的形式或傳統(tǒng)的堆疊形 式。如果以空氣作為典型的陰極反應(yīng)物——以氫氣作為燃料，堆疊的設(shè)計(jì)可 根據(jù)用電器的需要而變化。開(kāi)放的陰極設(shè)計(jì)具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)；反應(yīng)的空氣是由外部的鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)開(kāi)放的通道輸送到陰極的，空氣也通常作為冷卻介 質(zhì)。在封閉的陰極設(shè)計(jì)中，反應(yīng)的空氣被泵入電堆，陰極腔室相對(duì)于外界是 密封的。
每個(gè)燃料電池在陽(yáng)極和陰極側(cè)都包括分配反應(yīng)物的材料——?dú)怏w擴(kuò)散 層。特別是陰極側(cè)的氣體擴(kuò)散層，其選擇對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是敏感的。根據(jù)不同的 堆疊設(shè)計(jì)，氣體擴(kuò)散層的氧氣和水蒸汽的有效擴(kuò)散系數(shù)是可調(diào)節(jié)的。有效擴(kuò) 散系數(shù)描述了通過(guò)多孔介質(zhì)孔隙的擴(kuò)散，因?yàn)樗x了整個(gè)孔隙空間，而非 單個(gè)的孔，因此它是一個(gè)宏觀參數(shù)。有效擴(kuò)散系數(shù)由對(duì)介質(zhì)傳輸有效的孔隙 率，曲率和壓縮率確定的。在陰極開(kāi)放式設(shè)計(jì)中，氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散常數(shù)較 小，這是由于只有不必用于對(duì)膜保濕的部分生成水允許被輸入的空氣流帶 走。在陰極封閉式設(shè)計(jì)中，氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散常數(shù)較大，這是由于為了避免 陰極反應(yīng)氣體被阻塞，水是不允許以液態(tài)形式積聚在氣體擴(kuò)散層的孔隙里 的。
將燃料電池引進(jìn)市場(chǎng)以得到廣泛應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)仍是成本問(wèn)題。電池 所使用的催化劑——鉑、聚合物電解質(zhì)膜的生產(chǎn)以及用來(lái)制造氣體擴(kuò)散層和 集電板的碳材料的成本都是高的。因此，用簡(jiǎn)單的方法提高燃料電池系統(tǒng)總 的凈輸出功率，并且在整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)保持這一輸出功率是很重要的。 運(yùn)行模式和非運(yùn)行模式中輸出功率的損失都必須加以避免。
燃料電池性能的衰退有各種原因，其中最關(guān)鍵的原因可以概括為陰極催
化劑的堵塞，陽(yáng)極催化劑堵塞以及燃料電池系統(tǒng)中水管理(waterhousehold) 的變化。
氫氧化物會(huì)使陰極催化劑堵塞是眾所周知的主要問(wèn)題。氫氧化物對(duì)鉑原 子的吸附使陰極的催化能力變?nèi)?。美?guó)專利US 6,635,369闡述了一種降低電 壓水平以消除這種性能衰退的方法。
燃料中如果含有即使是很少量的一氧化碳或其他"有毒"的液體或氣體 都會(huì)使陽(yáng)極催化劑中毒。當(dāng)用空氣做氧化劑時(shí)，"有毒"物質(zhì)會(huì)存在于空氣中；"有毒"物質(zhì)也會(huì)從用來(lái)固定石墨的合成材料中散發(fā)出來(lái)，其被用來(lái)制造離陽(yáng)
極催化劑很近的氣體擴(kuò)散層或集電板。美國(guó)專利US 3,395,045闡述了一種消 除陰極催化劑中毒的簡(jiǎn)單方法，這種方法不僅要降低電壓水平，還要使燃料 電池短路，即由一條短路的電路連接氫電極和氧電極。與此同時(shí)切斷(通入 的)氫氣流會(huì)增強(qiáng)這種短路的效果。這種方法的風(fēng)險(xiǎn)是燃料電池系統(tǒng)或至 少電堆中的部分電池在有水存在的情況下可能會(huì)轉(zhuǎn)化為電解電池。當(dāng)燃料不 足和短路未能完全均勻分布于(這只有在理論上才能做到)整個(gè)燃料電池系 統(tǒng)中時(shí)，這種情況會(huì)發(fā)生。電解的后果是氧氣會(huì)在陽(yáng)極產(chǎn)生，催化劑因此被 破壞。
水管理問(wèn)題作為性能衰退的原因，可以在聚合物電解質(zhì)膜(質(zhì)子交換膜) 的結(jié)構(gòu)中得到解釋。只有當(dāng)質(zhì)子交換膜被水充分潤(rùn)濕時(shí)，氫質(zhì)子的傳導(dǎo)才能 處于最佳狀態(tài)。如果水分減少，膜的內(nèi)阻將會(huì)顯著增加。水管理的另一方面 是液態(tài)水的產(chǎn)生。液態(tài)水像一層膜那樣覆蓋在膜的表面和氣體擴(kuò)散層的孔 中，從而阻止了氧氣接觸催化劑。歐洲專利EP 0968541再次闡述了一種以 脈沖方式改變陽(yáng)極電勢(shì)而不改變?nèi)剂想姵乜傮w電壓的方法。盡管這項(xiàng)發(fā)明的 主要目的是通過(guò)氧化吸附在催化劑上的一氧化碳以凈化陽(yáng)極催化劑，尤其適 用于使用重整酒精作為燃料的情況；電壓脈沖的另一個(gè)積極的、眾所周知的 作用是溫度的升高及液態(tài)反應(yīng)水的蒸發(fā)。這種電壓脈沖或是短路的副效應(yīng)， 革新了燃料電池的水管理，美國(guó)專利US 6,620,538也有相關(guān)的闡述。
所有上述的方法都使用了達(dá)到短路的程度的電壓脈沖以克服所述的三 個(gè)主要問(wèn)題所導(dǎo)致的性能衰退。為了實(shí)現(xiàn)這種短路，各個(gè)專利使用了各種簡(jiǎn) 單的裝置美國(guó)專利US 3,395,045使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)；歐洲專利EP0968541 使用了一個(gè)晶體管；美國(guó)專利US6，620，538 (該專利再次要求權(quán)利，根據(jù)測(cè) 量到的電阻值，對(duì)一個(gè)燃料電池的陰極和陽(yáng)極進(jìn)行短路)披露了由一個(gè)場(chǎng)效 應(yīng)晶體管和一個(gè)作為被動(dòng)分流電路的二極管組成的分流控制電路，當(dāng)所述場(chǎng)
效應(yīng)晶體管發(fā)生故障時(shí)，所述二極管開(kāi)始運(yùn)行。所有這些短路裝置都有以下缺點(diǎn)如果感性負(fù)載、容性負(fù)載或電池在短 路模式中，例如燃料電池的陽(yáng)極和陰極之間短路時(shí)，所述負(fù)載中會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 反向電流。所述反向電流可能會(huì)破壞短路開(kāi)關(guān)。如果負(fù)載是個(gè)電機(jī)的話，就 會(huì)造成急速的制動(dòng)。此外，如果使用晶體管，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部功耗的顯著 增加，最終導(dǎo)致總輸出功率的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中反向電流可能會(huì)破壞 短路開(kāi)關(guān)、導(dǎo)致總輸出功率的損失等的缺陷，提供一種燃料電池系統(tǒng)與操作 方法，其在短路期間切斷負(fù)載，而沒(méi)有產(chǎn)生反向電流的危險(xiǎn)，這使得燃料電 池系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)變化能夠作出安全迅速的反應(yīng)，即使經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間閑置 后也能為負(fù)載提供穩(wěn)定的功率輸出，因而通過(guò)最小化系統(tǒng)內(nèi)部電力需求以達(dá) 到降低成本和減輕重量的目的。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的 一燃料電池系統(tǒng)， 其包括至少一個(gè)燃料電池，其包括一個(gè)陽(yáng)極端口和一個(gè)陰極端口； 一個(gè)短 路支路，其包括一個(gè)與所述端口連接的開(kāi)關(guān)；連接一負(fù)載的支路，其包括控 制元件，其特征在于，該控制元件包含兩個(gè)MOS管，每個(gè)MOS管包含一 個(gè)主電流通道和一個(gè)與主電流通道并聯(lián)的內(nèi)部二極管，所述的兩個(gè)MOS管 串聯(lián)，其兩個(gè)內(nèi)部二極管反向連接。
其中，構(gòu)成控制元件的兩個(gè)MOS管以及短路支路中的開(kāi)關(guān)是由一微處 理器控制的。
其中，短路支路中的開(kāi)關(guān)也是一個(gè)MOS管。
其中，構(gòu)成控制元件的兩個(gè)MOS管設(shè)置于支路中燃料電池的陰極端口 和負(fù)載之間。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案為提供一種燃料電池系統(tǒng)的操作方法，該方法的 特點(diǎn)是燃料電池系統(tǒng)被周期性地脈沖短路；對(duì)于每個(gè)短路脈沖，其步驟是
7首先同時(shí)切斷通過(guò)所述控制元件中的兩個(gè)MOS管的電流，然后接通短路支 路的開(kāi)關(guān)。
其中，在短路脈沖期間也供應(yīng)燃料。
其中，短路脈沖的脈寬和頻率，依據(jù)至少一個(gè)下列運(yùn)行參數(shù)的變化而變
化溫度，電壓，輸出功率。
其中，該燃料電池系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先運(yùn)行于啟動(dòng)活化狀態(tài)，系統(tǒng)活 化完畢后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；短路脈沖間的間隔時(shí)間和/或脈沖寬度會(huì)發(fā)生變化， 從而，在啟動(dòng)活化狀態(tài)中，短路脈沖間的間隔時(shí)間較短，脈沖寬度較大;在 運(yùn)行狀態(tài)中，短路脈沖間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，脈沖寬度較小。
其中，如氣體擴(kuò)散層的有效擴(kuò)散系數(shù)較低，短路脈沖間的間隔時(shí)間較短， 脈沖寬度較大；如有效擴(kuò)散系數(shù)較高，短路脈沖間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，脈沖寬 度較小。
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于-
根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的不同參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的高速運(yùn)行和靈敏 控制；將MOS管設(shè)置在非接地支路中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)干擾的穩(wěn)定接地；通過(guò)在 啟動(dòng)活化階段或持續(xù)運(yùn)行階段對(duì)參數(shù)變化的靈敏反應(yīng)，并根據(jù)系統(tǒng)氣體擴(kuò)散 層的擴(kuò)散常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)的再生。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng) 的系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單安全的電路以實(shí)現(xiàn)燃料電池 的短路，提高了系統(tǒng)性能，降低了功率損失和系統(tǒng)成本，從而使燃料電池離 市場(chǎng)更近了一步。


圖1是本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)一實(shí)施例的示意圖。 相關(guān)標(biāo)號(hào)列表 1燃料電池 2陽(yáng)極端口
83陰極端口
4負(fù)載支路
5 負(fù)載
6短路支路
7開(kāi)關(guān)
8控制元件
9 MOS管
10 MOS管
11 主電流通道 12內(nèi)部二極管 13微處理器
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。 燃料電池1，或燃料電池電堆，包括一個(gè)陽(yáng)極端口 2和一個(gè)陰極端口 3 。 陽(yáng)極端口2表示燃料電池的陽(yáng)極側(cè)，燃料(優(yōu)選氫氣)應(yīng)該供應(yīng)到陽(yáng)極。陽(yáng) 極端口2接地。在陽(yáng)極，氫氣在催化劑作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子，通 過(guò)負(fù)載支路4傳送到陰極端口3，陰極端口3表示燃料電池的陰極，通過(guò)這 個(gè)過(guò)程從燃料電池釋放電力并產(chǎn)生電流。電力被提供給負(fù)載5，負(fù)載5可以 是各種不同的負(fù)載，比如電池、電機(jī)、容性負(fù)載或感性負(fù)載，不過(guò)如果是感 性負(fù)載作為系統(tǒng)負(fù)載，應(yīng)再額外集成一個(gè)續(xù)流二極管。
在陽(yáng)極端口 2和陰極端口 3之間還有另外一個(gè)短路支路6將負(fù)載支路4 分流。在短路支路6中，設(shè)置有一個(gè)電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)7，這個(gè)電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)7閉合 時(shí)，將會(huì)連接陽(yáng)極端口 2和陰極端口 3從而將燃料電池1短路。該電驅(qū)動(dòng)開(kāi) 關(guān)7優(yōu)選是一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET )，在美國(guó)專 利US 6,620,538有闡述。在負(fù)載支路4中，特別是在陰極端口3和負(fù)載5之間，設(shè)置有開(kāi)關(guān)或控 制元件8。在非接地的陰極端口 3設(shè)置控制元件8的原因是地電位應(yīng)該盡可 能低，而每一個(gè)額外的控制元件都可能使它升高。所述控制元件的主要作用 是在燃料電池1短路時(shí)斷開(kāi)負(fù)載5從而保護(hù)負(fù)載。控制元件8由兩個(gè)串聯(lián)的 M0S管9， IO組成，其中一個(gè)MOS管9是正向偏壓的，第二個(gè)MOS管IO 和它反向串聯(lián)，即MOS管IO是反過(guò)來(lái)連接的。MOS管9， IO本身都包括 一個(gè)晶體管，該晶體管9形成了主電流通道11，以及一個(gè)內(nèi)部二極管12, 典型地也顯示于MOS管10中。MOS管9、 10優(yōu)選使用n溝道MOS管， 因?yàn)閚溝道MOS管成本低且內(nèi)阻也低，可以降低燃料電池系統(tǒng)的功率損耗。 MOS管的尺寸應(yīng)按照燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓確定，確切地說(shuō)由輸出0.6伏 電壓的燃料電池的數(shù)量決定。兩個(gè)MOS管9、 10，以及短路支路的開(kāi)關(guān)7 優(yōu)選由一個(gè)微處理器13控制。
所述的燃料電池系統(tǒng)有不同的運(yùn)行模式負(fù)載模式——燃料電池1通過(guò) 負(fù)載支路4向負(fù)載5供電；短路模式——通過(guò)接通短路支路6的開(kāi)關(guān)7使陽(yáng) 極端口 2和陰極端口 3間短路。兩個(gè)運(yùn)行模式間的轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)7和控制元件 8控制，控制元件中的兩個(gè)MOS管9， 10可在切斷模式和接通模式下運(yùn)行。
在負(fù)載模式時(shí)，開(kāi)關(guān)7是斷開(kāi)的，因此系統(tǒng)不會(huì)短路。MOS管9、 10 處于接通模式下，開(kāi)關(guān)被開(kāi)啟， 一條通路被建立，從而電流可以流經(jīng)MOS 管的主電流通路11。正向偏壓的MOS管9的內(nèi)部二極管理論上也允許電流 通過(guò)。反向串聯(lián)的MOS管10的內(nèi)部二極管12不允許電流通過(guò)，即它是反 向偏壓的。
從負(fù)載模式轉(zhuǎn)換到短路模式需要在微處理器13的控制下完成以下步驟-第一歩，斷開(kāi)兩個(gè)MOS管9、 10，即切斷開(kāi)關(guān)。使得主電流通道ll中沒(méi)有 電流通過(guò)。在MOS管9中電流依然可以通過(guò)正向偏壓的內(nèi)部二極管12，只 靠MOS管9無(wú)法使負(fù)載完全被切斷。此時(shí)起作用的是MOS管10，其反向 的內(nèi)部二極管12，使負(fù)載完全被切斷。
10第二步，閉合開(kāi)關(guān)7從而使陽(yáng)極端口 2和陰極端口 3短路。此時(shí)，如果
負(fù)載5是感性或容性負(fù)載或電池，這些負(fù)載存在產(chǎn)生反向電流的危險(xiǎn)，該反 向電流可損壞開(kāi)關(guān)或?qū)⑷剂想姵刈兂呻娊怆姵囟鴵p壞它們。如果負(fù)載5是一 個(gè)電動(dòng)機(jī)，這種反向電流會(huì)導(dǎo)致快速的制動(dòng)。MOS管9中的內(nèi)部二極管12 阻止了反向電流，從而阻止了負(fù)載放電。
模式轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間依賴于整個(gè)電路包括微處理器的響應(yīng)時(shí)間，通常在 lOps至10ms之間，優(yōu)選在lOOps至lms之間。
使用晶體管和二極管串聯(lián)來(lái)代替MOS管9、 IO的缺點(diǎn)是成本較高，需 要為晶體管提供啟動(dòng)電壓；由晶體管造成的電壓降帶來(lái)更高的功率損失。 MOS管的電阻優(yōu)選不超過(guò)10mQ，并且不需要任何控制電流。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)提供了一種簡(jiǎn)便、安全、成本效益高的短路方式， 有凈化燃料電池的陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑，以及平衡燃料電池的水管理的 積極效果。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的閑置后在啟動(dòng)活化狀態(tài) 時(shí)得以再生，在運(yùn)行狀態(tài)的潛在性能衰退得以最小化。
短路脈沖取決于以下因素所選擇的燃料電池設(shè)計(jì)，陰極開(kāi)放式還是陰 極封閉式的設(shè)計(jì)——不同的氣體擴(kuò)散層，不同的擴(kuò)散常數(shù)；運(yùn)行參數(shù)，例如 溫度，電壓或輸出功率；系統(tǒng)運(yùn)行模式——運(yùn)行或啟動(dòng)活化狀態(tài)，在啟動(dòng)活 化狀態(tài)下，環(huán)境溫度，尤其在低于0"C時(shí)，對(duì)脈沖有較大影響。
短路脈沖在脈寬和頻率上會(huì)有變化。在燃料電池輸出功率之前，必須將 運(yùn)行參數(shù)調(diào)整至它們的預(yù)定值。尤其是溫度及與溫度相伴隨的膜的濕度應(yīng)達(dá) 到某一閾值。因此在燃料電池輸出功率之前，最好運(yùn)行一個(gè)啟動(dòng)活化程序。 該啟動(dòng)活化程序可以主要依據(jù)溫度，開(kāi)路電壓或最簡(jiǎn)單的時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整。 啟動(dòng)活化狀態(tài)優(yōu)選的時(shí)間為30秒至5分鐘，最好優(yōu)選為1分鐘。短路應(yīng)在 充分的燃料供應(yīng)下運(yùn)行，所以不會(huì)出現(xiàn)燃料不足的情況，從而排除了燃料電 池堆中一些單電池被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊怆姵氐奈ｋU(xiǎn)，另一方面，隨著每個(gè)脈沖后的 溫度上升，略微增加反應(yīng)空氣。在啟動(dòng)活化狀態(tài)中的脈沖間隔在ls至8s之間，優(yōu)選2s，脈沖寬度在10ms和200ms之間，優(yōu)選50ms。所述脈沖頻率 和寬度的優(yōu)選值在啟動(dòng)活化狀態(tài)中可以隨著溫度的升高而變化。尤其當(dāng)環(huán)境 溫度接近或甚至低于O'C時(shí)，燃料電池的短路必須較為劇烈，即相對(duì)于較高 的環(huán)境溫度，脈沖間隔較短，脈沖寬度較長(zhǎng)。
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)切換到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，短路的方法必須改變。這時(shí)相對(duì)于 啟動(dòng)活化狀態(tài)，應(yīng)采用較為溫和的短路脈沖，當(dāng)向負(fù)載供電時(shí)，優(yōu)選8s至 15s，進(jìn)一步優(yōu)選10s脈沖間隔。脈沖寬度優(yōu)選10ms至100ms之間，進(jìn)一步 優(yōu)選50ms。作為短路脈沖變化的調(diào)節(jié)參數(shù)，涉及許多不同的系統(tǒng)參數(shù)，首 先是電壓或運(yùn)行溫度，因?yàn)閮烧咴谌魏吻闆r下都能被測(cè)量，后者(運(yùn)行溫度) 是冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的必要輸入。最佳且最簡(jiǎn)單的短路程序運(yùn)行時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)，根 據(jù)預(yù)設(shè)的程序只與時(shí)間有關(guān)系。綜上所述，在啟動(dòng)活化狀態(tài)中的短路脈沖間 的間隔時(shí)間比在運(yùn)行狀態(tài)中的短路脈沖間的間隔時(shí)間短，和/或在啟動(dòng)活化狀 態(tài)中的脈沖寬度比在運(yùn)行狀態(tài)中的脈沖寬度大。
此外，燃料電池短路的方式還取決于設(shè)計(jì)如果選擇的是陰極開(kāi)放式設(shè) 計(jì)，脈沖頻率將較高，脈沖寬度將較大。如果空氣流同時(shí)作為冷卻介質(zhì)和反 應(yīng)物，較大的空氣流量將增加聚合物電解質(zhì)膜變干的風(fēng)險(xiǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)高于水淹 (flooding),其中水淹是液態(tài)水堵住氣體擴(kuò)散層孔隙形成的。燃料電池的頻 繁短路主要增加了反應(yīng)水的量和提高了溫度，因此增加了液體水的蒸發(fā)，從 而進(jìn)一步平衡了水管理。由液態(tài)水的蒸發(fā)引起的冷卻效應(yīng)是輕微的。對(duì)于陰 極封閉式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的溫度和冷卻敏感度較低，尤其是水管理更加穩(wěn)定，因 此短路脈沖可以比較溫和，適用較低的頻率和較小的脈寬。如果選擇的燃料 不是純氫，即有高的一氧化碳百分含量，情況可能發(fā)生變化，需要頻繁地凈 化催化劑以及產(chǎn)生較為劇烈的短路。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)設(shè)計(jì)一 個(gè)簡(jiǎn)單安全的電路以實(shí)現(xiàn)燃料電池的短路，提高了系統(tǒng)性能，降低了功率損 失和系統(tǒng)成本，從而使燃料電池離市場(chǎng)更近了一步。
12雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，這些僅是舉例說(shuō)明，在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這 些實(shí)施方式做出多種變更或修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求 書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)燃料電池(1)，其包括一個(gè)陽(yáng)極端口(2)和一個(gè)陰極端口(3)；一個(gè)短路支路(6)，其包括一個(gè)與所述端口連接的開(kāi)關(guān)(7)；連接一負(fù)載(5)的負(fù)載支路(4)，其包括控制元件(8)，其特征在于，該控制元件(8)包含兩個(gè)MOS管(9，10)，每個(gè)MOS管包含一個(gè)主電流通道(11)和一個(gè)與主電流通道(11)并聯(lián)的內(nèi)部二極管(12)，所述的兩個(gè)MOS管(9，10)串聯(lián)，其兩個(gè)內(nèi)部二極管(12，12)反向連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于構(gòu)成控制元件(8) 的兩個(gè)MOS管(9， 10)以及短路支路中的開(kāi)關(guān)(7)是由一微處理器(13) 控制的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于短路支路(6) 中的開(kāi)關(guān)(7)也是一個(gè)MOS管。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于構(gòu)成控 制元件的兩個(gè)MOS管(9， 10)設(shè)置于支路中燃料電池(1)的陰極端口 (3) 和負(fù)載(5)之間。
5. —種操作權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述燃料電池系統(tǒng)的方法，其特 征在于燃料電池系統(tǒng)被周期性地脈沖式短路；對(duì)于每個(gè)短路脈沖，其步驟 是第一步，對(duì)于兩個(gè)MOS管(9， 10)，同時(shí)切斷流過(guò)構(gòu)成控制元件的 MOS管的電流；第二步，開(kāi)啟短路支路(6)中的開(kāi)關(guān)(7)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在短路脈沖期間也供應(yīng)燃料。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于短路脈沖的脈寬和頻率，依據(jù)至少一個(gè)下列運(yùn)行參數(shù)的變化而變化溫度，電壓，輸出功率。
8. 如權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該燃料電池系 統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先運(yùn)行于啟動(dòng)活化狀態(tài)，系統(tǒng)活化完畢后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；短路脈沖間的間隔時(shí)間和/或脈沖寬度會(huì)發(fā)生變化，從而，在啟動(dòng)活化狀態(tài)中， 短路脈沖間的間隔時(shí)間較短，脈沖寬度較大；在運(yùn)行狀態(tài)中，短路脈沖間的 間隔時(shí)間較長(zhǎng)，脈沖寬度較小。
9.如權(quán)利要求5-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于如氣體擴(kuò)散層 的有效擴(kuò)散系數(shù)較低，短路脈沖間的間隔時(shí)間較短，脈沖寬度較大；如有效 擴(kuò)散系數(shù)較高，短路脈沖間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，脈沖寬度較小。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池系統(tǒng)與操作方法，為了實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)陰極與陽(yáng)極間的短路，從而理想地調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)參數(shù)，從而最大限度地消除陽(yáng)極和陰極(催化劑)的中毒，以及平衡水管理。因此本發(fā)明在負(fù)載支路中設(shè)置了控制元件(8)，其包含兩個(gè)串聯(lián)的MOS管(9，10)，每個(gè)MOS管包含一個(gè)主電流通道(11)和一個(gè)與主電流通道(11)并聯(lián)的內(nèi)部二極管(12)，其內(nèi)部二極管(12)反向連接，從而在短路期間切斷負(fù)載，而沒(méi)有產(chǎn)生反向電流的危險(xiǎn)。這使得燃料電池系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)變化能夠作出安全迅速的反應(yīng)，即使經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間閑置后也能為負(fù)載提供穩(wěn)定的功率輸出，因而通過(guò)最小化系統(tǒng)內(nèi)部電力需求以達(dá)到降低成本和減輕重量的目的。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101651214SQ20081004174
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者珂 金, 杰 陳 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司