CN107004875B - 燃料电池组件和相关操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种操作燃料电池组件的方法，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，每个燃料电池包括阳极和阴极，所述方法包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载降低燃料电池的电压。

Description

燃料电池组件和相关操作方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组件和一种操作燃料电池组件的方法。特别地，本发明涉及一种燃料电池组件，其配置成通过独立于施加到组件的负载控制燃料电池的电压来调节形成组件的单独的燃料电池。
背景技术
常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。常见类型的电化学燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包括在阳极和阴极之间的聚合物离子(质子)转移膜和气体扩散结构。燃料(例如氢)和氧化剂(例如来自空气的氧)通过MEA的相应侧以生成电能和作为反应产物的水。可以形成堆，其包括布置有独立的阳极和阴极流体流动路径的多个这样的燃料电池。这样的堆典型地为块的形式，其包括通过在堆的任一端部处的端板保持在一起的多个单独的燃料电池板。
发明内容
根据第一方面，我们提供了一种燃料电池组件，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述组件包括一个或多个调节开关，每个调节开关与所述多个燃料电池中的一个或多个燃料电池关联并且配置成选择性地提供其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接，或者当与燃料电池组关联时，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，以便独立于所述负载控制所述燃料电池或所述燃料电池组的电压。
这是有利的，原因是组件能够调节燃料电池或其组成部分，例如质子交换膜或催化剂层，用于有效操作或用于减轻燃料电池降解机制。由调节开关提供的电连接可以提供关联的燃料电池或串联连接的燃料电池组的短路，原因是它可以相对于为负载供电的电路径产生较低阻抗电路径。因此，燃料电池可以电连接在一起以为负载供电并且调节开关的致动可以提供来自电池的阳极和/或阴极的附加或替代的电连接。特别地，电连接可以降低关联的燃料电池或燃料电池组上的电位。在操作期间(即在燃料电池组件被提供反应物的时段期间)，特别是在燃料电池组件的启动或关闭时(即燃料电池组件可能被提供或不提供反应物的情况下或者当反应物的供应开始或停止时)，控制单独的燃料电池的电压已经被发现具有许多有益效果，如下面将描述。
可选地，所述多个燃料电池的所有燃料电池单独地或作为串联连接组的一部分与调节开关关联，使得能够独立于所述负载来控制所述组件中的每一个燃料电池的电压。
可选地，所述多个燃料电池的每个燃料电池包括用于选择性地提供所述电连接的相应的调节开关。因此，可以控制每个单独的燃料电池的电压。控制组件中的单独的燃料电池的电压或短路可能是有利的。调节开关可以配置成单独地和顺序地被致动。替代地，一个以上调节开关可以配置成同时被致动。
燃料电池组件可以包括燃料电池堆。
可选地，所述一个或多个调节开关包括诸如晶体管的半导体器件。替代地，所述一个或多个调节开关包括电感器耦合继电器。
可选地，每个燃料电池包括配置成邻接所述燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述燃料电池板包括用于连接到所述调节开关的至少一个连接器。可以将燃料电池堆中的单独的燃料电池分离的燃料电池板提供方便的主体以形成与调节开关的连接。可选地，燃料电池板可以包括从板突出以用于连接到调节开关的突出部，或者可以包括用于接收与调节开关的连接的腔。一个或多个调节开关可以位于燃料电池组件的主体内或燃料电池组件的主体外部。
可选地，所述燃料电池板包括多个连接器，并且所述调节开关相应地包括多个开关元件，所述开关元件配置成连接到所述多个连接器并且一起操作以选择性地提供用于其关联的燃料电池的电连接。每个调节开关可以由多个半导体器件提供。燃料电池板上的多个连接器可以有利地提供用于多个半导体器件的连接点。如果需要通过由开关元件形成的电连接通过大电流，则这是有利的。因此，多个半导体器件可以配置成一起被致动以提供调节开关的功能。
可选地，每个燃料电池板包括至少两个连接器，并且所述至少两个连接器形成于所述燃料电池板的不同侧。所述至少两个连接器可以设在燃料电池板的相同侧，燃料电池板的不同侧或相对侧。如果需要由电连接通过大电流，则在燃料电池板的不同部分上提供连接器有利于减小连接器的区域中的峰值电流密度。在其它实施例中，每个燃料电池板上的单个连接器被提供用于连接到调节开关。
可选地，所述多个燃料电池一起布置在堆中，所述堆包括与所述燃料电池堆一起布置的歧管以便将反应物输送到所述堆中的所述多个燃料电池的每一个或接收来自所述堆中的所述多个燃料电池的每一个的排气流，所述组件包括在所述燃料电池堆和所述歧管之间延伸的基板，所述基板包括所述一个或多个调节开关。可选地，每个燃料电池包括配置成邻接所述燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述基板配置成与每个燃料电池板接合。可以提供用于每个燃料电池的公共基板。基板是有利的，原因是用于多个燃料电池的调节开关可以安装在公共基板上，所述公共基板定位成使得由其承载的调节开关连接到堆中的燃料电池。
可选地，所述电连接包括燃料电池电压控制元件，所述燃料电池电压控制元件配置成将与其关联的燃料电池的电压控制到预定电压。燃料电池电压控制元件可以包括可控阻抗。燃料电池电压控制元件可以配置成独立地控制其关联的燃料电池的阳极处的电压和阴极处的电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制燃料浓度/燃料量/阳极淹没水平以控制阳极电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制氧化剂浓度/氧化剂量/阴极淹没以控制阴极电压。
可选地，所述燃料电池电压控制元件是可控的，使得在所述燃料电池组件的操作期间所述预定电压是可配置的。因此，可以主动地控制每个燃料电池或其阳极/阴极降低/升高到的电压。调节开关可以提供与燃料电池电压控制元件的连接。替代地，调节开关可以形成燃料电池电压控制元件的一部分。在任一情况下，形成其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接。
可选地，提供多个调节开关，并且调节开关控制器配置成控制所述调节开关。因此，组件的燃料电池均可以具有关联的调节开关和/或燃料电池电压控制元件。控制器可以有利地根据需要致动调节开关和/或控制燃料电池电压控制元件，例如顺序地或一起。
可选地，所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述燃料电池组件的启动或关闭时提供所述电连接。在启动时，调节开关的致动可以保护组件的燃料电池免受由反应物压力前沿移动通过组件而导致的退化。在关闭时，开关的致动有助于消耗残余的反应物。因此，在启动时段之外，例如在开始反应物的供应之后的一段时间内，调节开关的选择性致动可以在频率上减小或停止。
可选地，所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述多个燃料电池上顺序地提供所述电连接。可选地，组件中的小于10％或5％的燃料电池或仅单个燃料电池在任何时间被提供电连接。将领会尽管可以单独地致动每个调节开关，但是控制器可以在任何时间致动一个以上。
可选地，所述控制器配置成响应于所述燃料电池组件的电压超过预定阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。接近开路电压操作燃料电池组件可能会导致退化，这可能会由调节开关的选择性使用减轻。
可选地，所述控制器配置成响应于燃料电池性能的一个或多个量度超过相关阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。
可选地，所述燃料电池性能的量度包括：
i)所述燃料电池组件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或
ii)所述多个燃料电池中的任何一个(或一个以上)燃料电池的电压的量度；或
iii)用冷却剂淹没单独的燃料电池(或一个以上燃料电池)的量度；或
iv)靠近所述燃料电池组件的环境条件的量度，例如温度或湿度。
可选地，所述控制器配置成致动所述调节开关以至少在通过所述组件的所述燃料电池组件的反应物流的增加开始和反应物流速或压力达到预定水平之间选择性地提供所述电连接。反应物流的增加可能导致压力前沿，其在燃料电池启动时可能是显著的。通过使用调节开关可以减轻压力前沿的任何不利影响。
可选地，所述控制器配置成响应于所述燃料电池中的特定燃料电池的电压相对于所述组件中的至少一个其它燃料电池已变为或即将变为负的指示致动所述调节开关以选择性地提供用于所述特定燃料电池的电连接。可选地，所述控制器配置成监测所述组件中的所述燃料电池的每一个的电压。
可选地，所述控制器配置成通过致动其关联的调节开关以选择性地提供用于所述至少一个燃料电池的电连接来提供所述燃料电池组件中的至少一个燃料电池的温度的控制。如果燃料电池组件在零下条件下操作以保持多个燃料电池上的预定阈值温度，则这可能是有利的。当在低于阈值的环境温度下操作燃料电池堆时或者当燃料电池堆的温度低于阈值时，控制器可以配置成优先于燃料电池堆的中心处的燃料电池致动燃料电池堆的端部处的燃料电池的调节开关。
可选地，所述控制器配置成通过选择性地致动特定燃料电池的调节开关以增加它们的温度来平衡所述燃料电池组件中的燃料电池的温度。
可选地，所述控制器配置成在所述燃料电池组件的启动时致动所述燃料电池中的至少一个的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过所述燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。可选地，所述控制器配置成在所述燃料电池组件的启动时致动所述燃料电池中的至少两个的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过所述至少两个燃料电池的特定燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。因此，当通过每个燃料电池的电流达到其阈值时，调节开关可被致动以去除电连接。
可选地，所述控制器配置成在所述燃料电池组件的启动时致动所述燃料电池组件中的大部分燃料电池的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过特定燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。在另一示例中，可以为组件中的所有燃料电池提供电连接，并且当每个燃料电池达到预定电压时，其关联的调节开关可以被打开以断开连接。
根据第二方面，我们提供了一种操作燃料电池组件的方法，所述燃料电池组件包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述方法包括：
选择性地提供所述组件的所述燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间电连接，或者对于燃料电池组，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，以便独立于所述负载控制所述燃料电池或所述燃料电池组的电压。
可选地，所述方法包括以下步骤：致动调节开关以在所述燃料电池组件的启动或关闭时选择性地提供所述电连接。在启动时段或关闭时段之外，开关可以较少地或仅响应于燃料电池组件的测量变量(例如其温度或单独的燃料电池电压)被致动。
可选地，所述方法包括以下步骤：致动调节开关以选择性地在所述多个燃料电池上顺序地提供所述电连接。可选地，小于10％、5％的燃料电池或仅单个燃料电池在任何时间被提供所述电连接。
可选地，所述方法包括以下步骤：响应于所述燃料电池组件的电压超过预定阈值，致动调节开关以选择性地提供所述电连接。阈值可以包括基于组件的开路电压的电压。
可选地，所述方法包括以下步骤：响应于燃料电池性能的一个或多个量度超过相关阈值，致动调节开关以选择性地提供所述电连接。
可选地，所述燃料电池性能的量度包括：
i)所述燃料电池组件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或
ii)所述多个燃料电池中的任何一个(或一个以上)燃料电池的电压的量度；或
iii)用冷却剂淹没单独的燃料电池(或一个以上燃料电池)的量度；或
iv)靠近所述燃料电池组件的环境条件的量度，例如温度或湿度。
可选地，所述方法包括以下步骤：致动调节开关以至少在通过所述组件的所述燃料电池组件的反应物流的增加开始和反应物流速或压力达到预定水平之间选择性地提供所述电连接。预定水平可以是给定反应物流速的标称操作压力。
可选地，所述方法包括以下步骤：响应于所述燃料电池中的特定燃料电池的电压相对于所述组件中的至少一个其它燃料电池已变为或即将变为负的指示，致动调节开关以选择性地提供用于所述特定燃料电池的电连接。
可选地，所述方法包括以下步骤：监测所述组件中的所述燃料电池的每一个的电压。
可选地，所述方法包括以下步骤：通过致动调节开关以选择性地提供用于所述至少一个燃料电池的电连接来提供所述燃料电池组件中的至少一个燃料电池的温度的控制。
可选地，所述方法包括以下步骤：通过选择性地致动特定燃料电池的调节开关以增加它们的温度来平衡所述燃料电池组件中的燃料电池的温度。
可选地，所述方法包括以下步骤：在所述燃料电池组件的启动时致动所述燃料电池中的至少两个的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过特定燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。
可选地，所述方法包括以下步骤：在所述燃料电池组件的启动时致动所述燃料电池组件中的大部分燃料电池的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过特定燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。
可选地，选择性地提供电连接的步骤包括连续提供所述电连接持续小于30秒，小于10秒，小于5秒，小于3秒或小于1秒。
根据另一方面，我们提供了一种计算机程序或计算机程序产品，其包括用于在具有处理器和存储器的计算设备上执行以便执行第二方面的方法的指令。
将领会处理器和/或存储器可以嵌入有燃料电池组件，并且处理器可以包括微处理器或微控制器。
附图说明
现在仅通过举例的方式参考附图在下面详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了具有调节开关模块的第一示例性燃料电池组件的分解示意图；
图2示出了图1的燃料电池组件的更详细示意图；以及
图3示出了显示燃料电池组件的操作方法的第一流程图。
具体实施方式
图1示出了燃料电池组件1，其在该示例中包括燃料电池堆。燃料电池堆包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载(未示出)的多个燃料电池2。因此，单独的燃料电池2电连接在一起以提供可以用于驱动马达的组合功率输出。例如，燃料电池组件可以配置成为车辆提供动力源。燃料电池2可以包括膜电极组件3，其包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层，并且布置在燃料电池板4之间。在该示例中燃料电池板是双极板，并且形成在一侧的燃料电池的阳极侧和在它们的另一侧的相邻燃料电池的阴极侧。因此，每个燃料电池包括阳极5和阴极6。板可以替代地包括单极板。燃料电池板3可以包括或限定用于接收反应物流以在其关联的膜电极组件上引导的通道。通道可以从板3的一端延伸到另一端。
参考图2，多个燃料电池2中的一个或多个包括调节开关7。调节开关7配置成选择性地提供其关联的燃料电池2的阳极5和阴极6之间的电连接13或分流路径以用于短路其关联的燃料电池2。因此，调节开关通过选择性电连接13独立于负载控制电池的电压。电连接通过选择性地提供低阻抗路径(例如作为组件的一部分相对于为负载供电的燃料电池的低阻抗路径)来短路其关联的燃料电池。在燃料电池堆1的操作期间对调节开关7的主动控制，特别是独立于负载的堆中的单独的燃料电池的电压的主动控制，对于燃料电池堆的性能是有利的。该有效的单独的燃料电池电压控制可以有利地用于采用聚合物电解质膜的所有燃料电池技术，即基于酸或碱性聚合物电解质膜的燃料电池或磷酸燃料电池。尽管不希望被理论束缚，但是认为组件中的单独的燃料电池的选择性短路可以改善膜和/或催化剂层的电化学健康。
在该示例中，燃料电池堆1中的每个燃料电池2包括关联的调节开关。特别地，燃料电池堆1中的每个燃料电池2带有包括第一和第二开关元件8、9的调节开关7。第一开关元件8设在第一基板10上并且第二开关元件9设在第二、不同的基板11上。第一和第二开关元件8、9连接到不同位置的每个燃料电池的阳极和阴极。这是有利的，原因是提供一个以上开关元件允许在开关元件和阳极/阴极之间流动的电流密度的分布。
调节开关7的开关元件可以被实现为半导体器件，并且在该示例中包括晶体管。因此，第一基板10和/或第二基板11可以包括其上具有开关元件的印刷电路板(PCB)或陶瓷基板。
调节开关(特别是开关元件)配置成从控制器12接收开关信号。控制器12可以将控制信号传递到基于晶体管的开关元件的栅极端子以控制连接到阳极5和阴极6的两个其它晶体管端子之间的电连接。
在另一示例中，电连接13包括燃料电池电压控制元件(未示出)。燃料电池电压控制元件可以包括有源元件，例如可控阻抗。当调节开关形成电连接时，这可以允许燃料电池电压控制元件独立于负载主动地控制燃料电池的电压。燃料电池电压控制元件可以配置成使得可以单独地控制阳极处的电压和/或阴极处的电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制燃料浓度/燃料量/阳极淹没水平以控制阳极电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制氧化剂浓度/氧化剂量/阴极淹没以控制阴极电压。与燃料或氧化剂水平组合控制电连接以控制阳极和/或阴极处的电压可能是有利的。燃料电池电压控制元件可以由控制器12控制。
返回到图1，示出了入口歧管14，其配置成将一个或多个反应物输送到燃料电池2的每一个。排气歧管15配置成接收来自燃料电池的未使用的反应物和反应副产物并且提供来自燃料电池组件的排气流。因此，燃料电池板4和/或燃料电池2配置成从入口歧管14接收反应物流，在每个燃料电池的活性区域上引导反应物，并且将排气流传递到排气歧管15。第一基板10安装在燃料电池2的堆和入口歧管14之间。第二基板安装在燃料电池2的堆和出口歧管15之间。
燃料电池板4可以包括连接器，其可以包括用于连接到调节开关或其开关元件的突出的突出部。因此，第一和第二基板10、11可以例如通过包括孔或连接结构进行适配以将其调节开关连接到燃料电池板4的连接器/突出部。
将领会尽管图1和图2示出了如何可以实现电连接的选择性开关的一个示例，但是其它结构和布置也是可用的。例如，半导体器件可以集成到燃料电池板中。
图3示出了操作燃料电池组件的方法，其包括在步骤30中选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。在例如10ms的调节时段之后去除选择性电连接。如步骤31所示，该方法可以包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少另一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。
该方法可以包括顺序地提供用于燃料电池组件中的多个燃料电池的电连接，如步骤32所示。电连接的顺序提供可以在燃料电池组件的启动或关闭时开始。该步骤可以执行有限的次数，使得燃料电池的子组被提供电连接，而剩余的燃料电池不被提供。替代地，所有燃料电池可以顺序地被提供其关联的电连接预定次数，或者直到达到燃料电池组件量度，例如阴极排气温度。可以在燃料电池组件的操作期间周期性地调用该方法。因此，在燃料电池组件的操作期间，可以提供两种操作模式，即，其中燃料电池被提供电连接以便控制其电压的第一模式和其中不提供电连接的第二模式。燃料电池组件可以配置成在第一模式和第二模式之间周期性地交替。可以暂时提供任何一个燃料电池的电连接，例如小于5秒，小于2秒，小于1秒，小于0.5秒或小于0.1秒。第一模式或第二模式的选择可以基于相对于阈值与燃料电池组件关联的量度，例如燃料电池中的一个或多个的温度或电压。
由于电连接引起的燃料电池电流的瞬间增加和燃料电池电位的减小可能对燃料电池操作具有许多潜在的益处。下面描述该方法的许多有利实现。将领会下面描述的方法可以由配置成执行所述的方法的开关控制器和/或燃料电池电压控制元件实现。
首先，可以使用选择性电连接以快速地调节燃料电池的膜电极组件。因此，在接收反应物流时，可以依次或一起为燃料电池组件中的燃料电池一次或多次提供选择性电连接。使用选择性电连接，可以安全地引起燃料电池的快速电压和负载循环，而与每个燃料电池的行为的平衡无关。尽管不希望受理论束缚，但是认为快速循环燃料电池电压和负载的过程很快地促进燃料电池制造中使用的溶剂/杂质的氧化和蒸发，同时引起温度和湿度循环，其旨在促进调节燃料电池所需的膜和离聚物结构的变化。
此外，可以提供选择性电连接以在延长的时段之后快速地调节燃料电池而不进行操作。因此，组件可以配置成确定自燃料电池组件的最后操作以来的一段时间，并且如果其超过未使用的时间阈值，则提供组件的多个燃料电池中的一个或多个的选择性电连接。
燃料电池电压控制元件可以配置成通过选择性电连接来安全地操纵燃料电池组件的电流，阴极/阳极电位，温度和水合。可以控制这些参数以调试燃料电池组件。因此，我们提供了一种调试燃料电池组件的方法，其包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。燃料电池组件的调试可以包括在其组装之后用反应物流动首次操作燃料电池组件。
已发现该方法在保持燃料电池膜和/或催化剂层的预定水合水平方面是有利的。该方法的使用可以在开路电压(OCV)处或附近的较长时段期间避免膜脱水。已发现在某些情况下操作具有高阻抗负载的燃料电池组件或在开路条件下，形成每个燃料电池的活性区域并且在其上发生电化学燃料电池反应的膜和催化剂可能会脱水。这可能导致燃料电池组件的工作寿命的减小或性能的降低。不希望受理论束缚，认为提供电连接允许燃料电池的电化学反应以更大的速率进行，这可以生成作为反应副产物的水(在氢氧燃料电池中)以水合膜。
因此，该方法可以包括一种水合燃料电池组件的方法，其包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。可以周期性地或连续地执行该方法以水合燃料电池膜和/或催化剂，从而通过避免与低湿度条件关联的降解机制来延长使用寿命。如果组件的燃料电池或组件的燃料电池的子组的电压高于预定电压阈值，例如接近OCV值，则可以执行该方法。因此，上述第一和第二操作模式可以基于上述燃料电池组件电压或燃料电池水合的另一量度被确定。
使用选择性电连接的燃料电池组件的水合在没有引入燃料电池组件中的潮湿流体流的情况下操作的燃料电池组件(即，通过电化学反应副产物在燃料电池组件内生成湿气的组件)中是特别有利的。
已发现该方法对于去除阻断物质是有利的，例如包含在燃料电池氧化剂中的燃料电池催化剂中毒物质(即空气污染物)和/或表面氧化物。特别地，燃料电池电压控制元件的操作可以用于操纵每个燃料电池的阴极处的电位以减轻阴极中毒的影响。
特别地，可以使用燃料电池电压控制元件以引起燃料电池氧化剂的饥饿(即阴极饥饿)，使得燃料电池阴极电位朝着阳极电位降落，并且可以与氧化供应和/或功率需求无关地获得低于0.2V的低燃料电池电位。在氢氧PEM燃料电池组件中，燃料电池阴极电位名义上高于0.6VRHE(可逆氢电极)，但是可以降低到低于0.5、0.4、0.3、0.2或0.1VRHE。
因此，我们提供了一种减轻燃料电池组件中的燃料电池的阴极中毒的影响的方法，其包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。可以优于阳极电位的控制减小阴极电极处的电压。如上所述，这可以通过氧化剂供应或阴极操作条件的流体操纵通过例如减小氧化剂浓度来实现，使得阴极极限电流(即由可用的氧化剂限制)减小到明显低于阳极极限电流(即由可用的燃料限制)的值。当进行选择性电连接以引起“氧化剂饥饿条件”时，可以引起阴极电化学电位以朝着阳极电化学电位减小。
已发现该方法在质子交换膜氢-氧燃料电池组件中是有利的，促进溶解的铂Pt2+催化剂材料的再沉积。特别地，通过周期性地操纵阴极电位使得阴极降落到低于大致0.4V，可以将任何溶解的Pt2+离子重沉积回到每个燃料电池的催化剂层中的活性催化剂颗粒上，由此改善燃料电池的耐久性。不希望受理论束缚，怀疑在正常的燃料电池操作期间，铂颗粒的表面原子溶解在形成Pt2+离子中间体的燃料电池膜电解质中，所述中间体在氢存在的情况下在膜电解质中作为铂颗粒再沉淀。然而，由于这些颗粒在膜中而不是在邻近膜的催化剂层中再沉淀，因此它们对于催化燃料电池反应是无活性的。
因此，该方法可以包括控制形成燃料电池组件的多个燃料电池中的至少一个的催化剂层中的催化剂颗粒的水平的方法，其包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。可以优先于阳极电位的控制减小阴极电极处的电压。
已经发现该方法在保持预定的燃料电池组件(或燃料电池堆)温度方面是有利的。可以例如响应于低功率需求时段(相对于阈值的功率需求)进行该方法以在零下周围环境中的操作期间保持堆温度，而不考虑燃料电池负载需求。
因此，该方法可以包括一种控制包括多个燃料电池的燃料电池组件中的燃料电池的温度的方法，该方法包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。所以，电连接可以允许电流流动，这又可以加热燃料电池。该方法可以配置成保持预定的燃料电池温度。在燃料电池组件的操作期间，可以提供两种操作模式，即其中燃料电池选择性地被提供所述电连接(例如顺序地)以便增加其温度的第一模式和其中不提供电连接的第二模式，如果燃料电池组件的温度低于预定温度阈值(或者如果功率输出低于“低功率”输出阈值)，则第一模式操作，如果温度高于预定温度阈值，则第二模式操作。预定的温度阈值可以包括4℃(或0、1、2、3、5、6℃)。
已发现该方法有利于操纵阳极电位以促进存在于阳极流体流中的燃料电池催化剂中毒污染物(例如燃料中的污染物(例如一氧化碳，CO))的氧化和/或解吸附。
燃料电池电压控制元件可以配置成通过将阳极电位增加到超电位来引起燃料饥饿条件，达到诸如CO的燃料污染物被氧化/解吸以恢复燃料电池性能的程度。
因此该方法可以包括从形成燃料电池组件的多个燃料电池中的燃料电池的阳极去除污染物的方法，其包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载控制燃料电池的电压。特别地，该方法可以包括优先于阴极电位控制阳极电位的步骤。这可以通过燃料供应或阳极操作条件的流体操纵通过例如减小燃料浓度来实现，使得阳极极限电流(即由可用的燃料限制)减小到明显低于阴极极限电流(即由可用的氧化剂限制)的值。当进行选择性电连接以引起“燃料饥饿条件”时，可以引起阳极电化学电位以朝着阴极电化学电位增加。
在另一示例中，控制器可以配置成致动调节开关以至少在通过组件的燃料电池的反应物流的增加开始和反应物流速或压力达到预定水平之间选择性地提供电连接。反应物流的增加可能导致增加压力的反应物“前沿”移动通过燃料电池组件。当从关闭状态启动燃料电池组件时该压力前沿可能是明显的。当关闭燃料电池组件时减小压力的压力前沿也可以移动通过燃料电池组件，并且控制器也可以配置成在这样的情况下致动调节开关。
可以实现该方法以在流动通过阳极/阴极的氢/空气前沿的存在期间有利地分流电流，这可以提供减小反向电流衰减机制和/或快速燃料电池关闭的益处。
当燃料电池组件中的燃料电池通过由组件中的其它燃料电池生成的电流驱动使得产生相比于正常操作的反向电流时，会发生反向电流衰减机制。这可能会降低相关的燃料电池的性能。通过提供电连接和/或借助于电连接控制燃料电池的电压，可以在反应物压力前沿期间获得低电池电压(例如对于基于氢氧聚合物膜的燃料电池，小于0.2V)。
已发现通常在发生压力前沿的未缓和启动/停止期间发生的降解几乎可以完全被消除。这显著改善了燃料电池的耐久性，特别是在需要许多完整的燃料电池启动/关闭事件的应用(如汽车应用)中。
因此，该方法可以包括以下步骤：响应于通过燃料电池组件的反应物(例如燃料)的压力和/或流速的增加，致动组件中的燃料电池中的一个或多个的所述调节开关。调节开关可以一起或分组和顺序地或单独和顺序地被致动。
在关闭燃氢燃料电池组件时，残余氢可能存在于燃料电池组件中。重要的是将氢浓度减小到预定水平。该方法可以用于在组件关闭时消耗燃料电池组件中的任何剩余的氢。通过致动调节开关，氢可以被快速消耗。
因此，该方法可以包括在关闭燃料电池组件时致动组件中的燃料电池中的一个或多个的所述调节开关的步骤。调节开关可以一起或分组和顺序地或单独和顺序地被致动。响应于燃料和/或氧化剂通过燃料电池组件的流动的停止，例如当通过组件驱动反应物的压缩机被停用时，可以执行该步骤。
已发现在某些情况下，在致动调节开关时，存在于阳极室/燃料供给连接中的残余氢被快速消耗，使得燃料电池堆被完全排出，并且仅在几秒钟之后留在安全休眠状态下。类似地，氧可能在阴极室中被消耗以排空阴极室。
在其它实施例(未示出)中，单个调节开关(其可以由一个或多个开关元件形成)可以提供用于控制燃料电池组件中的一组串联连接的燃料电池的电压。因此，调节开关可以用于提供与串联连接的燃料电池组形成电路的电连接。所以，不是为单个燃料电池提供电连接，而是为一组燃料电池提供电连接。
燃料电池组件可以形成燃料电池系统中的多个燃料电池组件中的一个。可以依次在每个燃料电池组件上执行调节开关的致动。因此，可以致动第一燃料电池组件的调节开关，接着是第二燃料电池组件的调节开关。这可能是有利的，原因是不经历调节开关的致动的燃料电池组件可以在正常操作模式下操作。

Claims (13)

1.一种操作燃料电池组件的方法，所述燃料电池组件包括多个调节开关以及连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述方法包括：
通过与所述多个燃料电池中的一个或多个燃料电池关联的每个调节开关，选择性地提供所述组件的所述燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接，或者对于燃料电池组，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，
其中所述燃料电池组件进一步包括调节开关控制器，所述调节开关控制器配置成独立于所述负载致动所述调节开关的一个或多个，以选择性地在所述燃料电池组件的启动时提供所述电连接，
其中所述电连接包括燃料电池电压控制元件，所述燃料电池电压控制元件配置成将所述燃料电池或所述燃料电池组两端的电压在所述启动时设置到预定电压，
其中所述燃料电池电压控制元件进一步配置成在所述启动后调节所述电压；以及
其中选择性地提供电连接的步骤包括提供所述电连接持续小于30秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
选择性地在所述多个燃料电池上顺序地提供所述电连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：响应于所述燃料电池组件的电压超过预定阈值，选择性地提供所述电连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：响应于燃料电池性能的量度超过阈值，致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述燃料电池性能的量度包括：
i)所述燃料电池组件中的包括一氧化碳的污染物的量度；或
ii)所述多个燃料电池中的任何一个或一个以上燃料电池的电压的量度；或
iii)用冷却剂淹没单独的燃料电池或一个以上燃料电池的量度；或
iv)靠近所述燃料电池组件的包括温度或湿度的环境条件的量度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述启动包括：在流速或压力达到预定水平之前，开始通过所述燃料电池组件的反应物流的增加。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：响应于所述燃料电池中的特定燃料电池两端的电压相对于所述组件中的至少一个其它燃料电池已变为或即将变为负的指示，选择性地提供用于所述特定燃料电池的所述电连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：监测所述组件中的所述燃料电池两端的每一个的电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：通过选择性地提供用于至少一个燃料电池的所述电连接来提供所述燃料电池组件中的所述至少一个燃料电池的温度的控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
通过选择性地提供用于特定燃料电池的所述电连接以增加它们的温度来平衡所述燃料电池组件中的燃料电池的温度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：在所述燃料电池组件的所述启动时提供用于所述燃料电池中的至少一个的所述电连接，并且响应于通过所述燃料电池的电流达到阈值，去除所述电连接。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：在所述燃料电池组件的所述启动时致动所述燃料电池组件中的大部分燃料电池的调节开关以提供所述电连接，并且响应于通过特定燃料电池的电流达到阈值，致动其关联的调节开关以断开所述电连接。
13.一种计算机程序介质，其包括用于在具有处理器和存储器的计算设备上执行以便执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的指令。
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