本發(fā)明涉及一種燃料電池組件和一種操作燃料電池組件的方法。特別地，本發(fā)明涉及一種燃料電池組件，其配置成通過獨(dú)立于施加到組件的負(fù)載控制燃料電池的電壓來調(diào)節(jié)形成組件的單獨(dú)的燃料電池。

背景技術(shù)：

常規(guī)的電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化為電能和反應(yīng)產(chǎn)物。常見類型的電化學(xué)燃料電池包括膜電極組件(mea)，其包括在陽極和陰極之間的聚合物離子(質(zhì)子)轉(zhuǎn)移膜和氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。燃料(例如氫)和氧化劑(例如來自空氣的氧)通過mea的相應(yīng)側(cè)以生成電能和作為反應(yīng)產(chǎn)物的水。可以形成堆，其包括布置有獨(dú)立的陽極和陰極流體流動路徑的多個這樣的燃料電池。這樣的堆典型地為塊的形式，其包括通過在堆的任一端部處的端板保持在一起的多個單獨(dú)的燃料電池板。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)第一方面，我們提供了一種燃料電池組件，其包括連接在一起以便將電力共同地提供給負(fù)載的多個燃料電池，所述組件包括一個或多個調(diào)節(jié)開關(guān)，每個調(diào)節(jié)開關(guān)與所述多個燃料電池中的一個或多個燃料電池關(guān)聯(lián)并且配置成選擇性地提供其關(guān)聯(lián)的燃料電池的陽極和陰極之間的電連接，或者當(dāng)與燃料電池組關(guān)聯(lián)時，選擇性地提供所述組中的第一燃料電池的陽極和最后燃料電池的陰極之間的電連接，以便獨(dú)立于所述負(fù)載控制所述燃料電池或所述燃料電池組的電壓。

這是有利的，原因是組件能夠調(diào)節(jié)燃料電池或其組成部分，例如質(zhì)子交換膜或催化劑層，用于有效操作或用于減輕燃料電池降解機(jī)制。由調(diào)節(jié)開關(guān)提供的電連接可以提供關(guān)聯(lián)的燃料電池或串聯(lián)連接的燃料電池組的短路，原因是它可以相對于為負(fù)載供電的電路徑產(chǎn)生較低阻抗電路徑。因此，燃料電池可以電連接在一起以為負(fù)載供電并且調(diào)節(jié)開關(guān)的致動可以提供來自電池的陽極和/或陰極的附加或替代的電連接。特別地，電連接可以降低關(guān)聯(lián)的燃料電池或燃料電池組上的電位。在操作期間(即在燃料電池組件被提供反應(yīng)物的時段期間)，特別是在燃料電池組件的啟動或關(guān)閉時(即燃料電池組件可能被提供或不提供反應(yīng)物的情況下或者當(dāng)反應(yīng)物的供應(yīng)開始或停止時)，控制單獨(dú)的燃料電池的電壓已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有許多有益效果，如下面將描述。

可選地，所述多個燃料電池的所有燃料電池單獨(dú)地或作為串聯(lián)連接組的一部分與調(diào)節(jié)開關(guān)關(guān)聯(lián)，使得能夠獨(dú)立于所述負(fù)載來控制所述組件中的每一個燃料電池的電壓。

可選地，所述多個燃料電池的每個燃料電池包括用于選擇性地提供所述電連接的相應(yīng)的調(diào)節(jié)開關(guān)。因此，可以控制每個單獨(dú)的燃料電池的電壓。控制組件中的單獨(dú)的燃料電池的電壓或短路可能是有利的。調(diào)節(jié)開關(guān)可以配置成單獨(dú)地和順序地被致動。替代地，一個以上調(diào)節(jié)開關(guān)可以配置成同時被致動。

燃料電池組件可以包括燃料電池堆。

可選地，所述一個或多個調(diào)節(jié)開關(guān)包括諸如晶體管的半導(dǎo)體器件。替代地，所述一個或多個調(diào)節(jié)開關(guān)包括電感器耦合繼電器。

可選地，每個燃料電池包括配置成鄰接所述燃料電池的膜電極組件的燃料電池板，所述燃料電池板包括用于連接到所述調(diào)節(jié)開關(guān)的至少一個連接器?？梢詫⑷剂想姵囟阎械膯为?dú)的燃料電池分離的燃料電池板提供方便的主體以形成與調(diào)節(jié)開關(guān)的連接?？蛇x地，燃料電池板可以包括從板突出以用于連接到調(diào)節(jié)開關(guān)的突出部，或者可以包括用于接收與調(diào)節(jié)開關(guān)的連接的腔。一個或多個調(diào)節(jié)開關(guān)可以位于燃料電池組件的主體內(nèi)或燃料電池組件的主體外部。

可選地，所述燃料電池板包括多個連接器，并且所述調(diào)節(jié)開關(guān)相應(yīng)地包括多個開關(guān)元件，所述開關(guān)元件配置成連接到所述多個連接器并且一起操作以選擇性地提供用于其關(guān)聯(lián)的燃料電池的電連接。每個調(diào)節(jié)開關(guān)可以由多個半導(dǎo)體器件提供。燃料電池板上的多個連接器可以有利地提供用于多個半導(dǎo)體器件的連接點(diǎn)。如果需要通過由開關(guān)元件形成的電連接通過大電流，則這是有利的。因此，多個半導(dǎo)體器件可以配置成一起被致動以提供調(diào)節(jié)開關(guān)的功能。

可選地，每個燃料電池板包括至少兩個連接器，并且所述至少兩個連接器形成于所述燃料電池板的不同側(cè)。所述至少兩個連接器可以設(shè)在燃料電池板的相同側(cè)，燃料電池板的不同側(cè)或相對側(cè)。如果需要由電連接通過大電流，則在燃料電池板的不同部分上提供連接器有利于減小連接器的區(qū)域中的峰值電流密度。在其它實(shí)施例中，每個燃料電池板上的單個連接器被提供用于連接到調(diào)節(jié)開關(guān)。

可選地，所述多個燃料電池一起布置在堆中，所述堆包括與所述燃料電池堆一起布置的歧管以便將反應(yīng)物輸送到所述堆中的所述多個燃料電池的每一個或接收來自所述堆中的所述多個燃料電池的每一個的排氣流，所述組件包括在所述燃料電池堆和所述歧管之間延伸的基板，所述基板包括所述一個或多個調(diào)節(jié)開關(guān)。可選地，每個燃料電池包括配置成鄰接所述燃料電池的膜電極組件的燃料電池板，所述基板配置成與每個燃料電池板接合?？梢蕴峁┯糜诿總€燃料電池的公共基板?；迨怯欣?，原因是用于多個燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)可以安裝在公共基板上，所述公共基板定位成使得由其承載的調(diào)節(jié)開關(guān)連接到堆中的燃料電池。

可選地，所述電連接包括燃料電池電壓控制元件，所述燃料電池電壓控制元件配置成將與其關(guān)聯(lián)的燃料電池的電壓控制到預(yù)定電壓。燃料電池電壓控制元件可以包括可控阻抗。燃料電池電壓控制元件可以配置成獨(dú)立地控制其關(guān)聯(lián)的燃料電池的陽極處的電壓和陰極處的電壓。燃料電池電壓控制元件可以配置成控制燃料濃度/燃料量/陽極淹沒水平以控制陽極電壓。燃料電池電壓控制元件可以配置成控制氧化劑濃度/氧化劑量/陰極淹沒以控制陰極電壓。

可選地，所述燃料電池電壓控制元件是可控的，使得在所述燃料電池組件的操作期間所述預(yù)定電壓是可配置的。因此，可以主動地控制每個燃料電池或其陽極/陰極降低/升高到的電壓。調(diào)節(jié)開關(guān)可以提供與燃料電池電壓控制元件的連接。替代地，調(diào)節(jié)開關(guān)可以形成燃料電池電壓控制元件的一部分。在任一情況下，形成其關(guān)聯(lián)的燃料電池的陽極和陰極之間的電連接。

可選地，提供多個調(diào)節(jié)開關(guān)，并且調(diào)節(jié)開關(guān)控制器配置成控制所述調(diào)節(jié)開關(guān)。因此，組件的燃料電池均可以具有關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)和/或燃料電池電壓控制元件?？刂破骺梢杂欣馗鶕?jù)需要致動調(diào)節(jié)開關(guān)和/或控制燃料電池電壓控制元件，例如順序地或一起。

可選地，所述控制器配置成致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地在所述燃料電池組件的啟動或關(guān)閉時提供所述電連接。在啟動時，調(diào)節(jié)開關(guān)的致動可以保護(hù)組件的燃料電池免受由反應(yīng)物壓力前沿移動通過組件而導(dǎo)致的退化。在關(guān)閉時，開關(guān)的致動有助于消耗殘余的反應(yīng)物。因此，在啟動時段之外，例如在開始反應(yīng)物的供應(yīng)之后的一段時間內(nèi)，調(diào)節(jié)開關(guān)的選擇性致動可以在頻率上減小或停止。

可選地，所述控制器配置成致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地在所述多個燃料電池上順序地提供所述電連接?？蛇x地，組件中的小于10％或5％的燃料電池或僅單個燃料電池在任何時間被提供電連接。將領(lǐng)會盡管可以單獨(dú)地致動每個調(diào)節(jié)開關(guān)，但是控制器可以在任何時間致動一個以上。

可選地，所述控制器配置成響應(yīng)于所述燃料電池組件的電壓超過預(yù)定閾值致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供所述電連接。接近開路電壓操作燃料電池組件可能會導(dǎo)致退化，這可能會由調(diào)節(jié)開關(guān)的選擇性使用減輕。

可選地，所述控制器配置成響應(yīng)于燃料電池性能的一個或多個量度超過相關(guān)閾值致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供所述電連接。

可選地，所述燃料電池性能的量度包括：

i)所述燃料電池組件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或

ii)所述多個燃料電池中的任何一個(或一個以上)燃料電池的電壓的量度；或

iii)用冷卻劑淹沒單獨(dú)的燃料電池(或一個以上燃料電池)的量度；或

iv)靠近所述燃料電池組件的環(huán)境條件的量度，例如溫度或濕度。

可選地，所述控制器配置成致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以至少在通過所述組件的所述燃料電池組件的反應(yīng)物流的增加開始和反應(yīng)物流速或壓力達(dá)到預(yù)定水平之間選擇性地提供所述電連接。反應(yīng)物流的增加可能導(dǎo)致壓力前沿，其在燃料電池啟動時可能是顯著的。通過使用調(diào)節(jié)開關(guān)可以減輕壓力前沿的任何不利影響。

可選地，所述控制器配置成響應(yīng)于所述燃料電池中的特定燃料電池的電壓相對于所述組件中的至少一個其它燃料電池已變?yōu)榛蚣磳⒆優(yōu)樨?fù)的指示致動所述調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供用于所述特定燃料電池的電連接。可選地，所述控制器配置成監(jiān)測所述組件中的所述燃料電池的每一個的電壓。

可選地，所述控制器配置成通過致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供用于所述至少一個燃料電池的電連接來提供所述燃料電池組件中的至少一個燃料電池的溫度的控制。如果燃料電池組件在零下條件下操作以保持多個燃料電池上的預(yù)定閾值溫度，則這可能是有利的。當(dāng)在低于閾值的環(huán)境溫度下操作燃料電池堆時或者當(dāng)燃料電池堆的溫度低于閾值時，控制器可以配置成優(yōu)先于燃料電池堆的中心處的燃料電池致動燃料電池堆的端部處的燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)。

可選地，所述控制器配置成通過選擇性地致動特定燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)以增加它們的溫度來平衡所述燃料電池組件中的燃料電池的溫度。

可選地，所述控制器配置成在所述燃料電池組件的啟動時致動所述燃料電池中的至少一個的調(diào)節(jié)開關(guān)以提供所述電連接，并且響應(yīng)于通過所述燃料電池的電流達(dá)到閾值，致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以斷開所述電連接?？蛇x地，所述控制器配置成在所述燃料電池組件的啟動時致動所述燃料電池中的至少兩個的調(diào)節(jié)開關(guān)以提供所述電連接，并且響應(yīng)于通過所述至少兩個燃料電池的特定燃料電池的電流達(dá)到閾值，致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以斷開所述電連接。因此，當(dāng)通過每個燃料電池的電流達(dá)到其閾值時，調(diào)節(jié)開關(guān)可被致動以去除電連接。

可選地，所述控制器配置成在所述燃料電池組件的啟動時致動所述燃料電池組件中的大部分燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)以提供所述電連接，并且響應(yīng)于通過特定燃料電池的電流達(dá)到閾值，致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以斷開所述電連接。在另一示例中，可以為組件中的所有燃料電池提供電連接，并且當(dāng)每個燃料電池達(dá)到預(yù)定電壓時，其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)可以被打開以斷開連接。

根據(jù)第二方面，我們提供了一種操作燃料電池組件的方法，所述燃料電池組件包括連接在一起以便將電力共同地提供給負(fù)載的多個燃料電池，所述方法包括：

選擇性地提供所述組件的所述燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間電連接，或者對于燃料電池組，選擇性地提供所述組中的第一燃料電池的陽極和最后燃料電池的陰極之間的電連接，以便獨(dú)立于所述負(fù)載控制所述燃料電池或所述燃料電池組的電壓。

可選地，所述方法包括以下步驟：致動調(diào)節(jié)開關(guān)以在所述燃料電池組件的啟動或關(guān)閉時選擇性地提供所述電連接。在啟動時段或關(guān)閉時段之外，開關(guān)可以較少地或僅響應(yīng)于燃料電池組件的測量變量(例如其溫度或單獨(dú)的燃料電池電壓)被致動。

可選地，所述方法包括以下步驟：致動調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地在所述多個燃料電池上順序地提供所述電連接。可選地，小于10％、5％的燃料電池或僅單個燃料電池在任何時間被提供所述電連接。

可選地，所述方法包括以下步驟：響應(yīng)于所述燃料電池組件的電壓超過預(yù)定閾值，致動調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供所述電連接。閾值可以包括基于組件的開路電壓的電壓。

可選地，所述方法包括以下步驟：響應(yīng)于燃料電池性能的一個或多個量度超過相關(guān)閾值，致動調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供所述電連接。

可選地，所述燃料電池性能的量度包括：

i)所述燃料電池組件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或

ii)所述多個燃料電池中的任何一個(或一個以上)燃料電池的電壓的量度；或

iii)用冷卻劑淹沒單獨(dú)的燃料電池(或一個以上燃料電池)的量度；或

iv)靠近所述燃料電池組件的環(huán)境條件的量度，例如溫度或濕度。

可選地，所述方法包括以下步驟：致動調(diào)節(jié)開關(guān)以至少在通過所述組件的所述燃料電池組件的反應(yīng)物流的增加開始和反應(yīng)物流速或壓力達(dá)到預(yù)定水平之間選擇性地提供所述電連接。預(yù)定水平可以是給定反應(yīng)物流速的標(biāo)稱操作壓力。

可選地，所述方法包括以下步驟：響應(yīng)于所述燃料電池中的特定燃料電池的電壓相對于所述組件中的至少一個其它燃料電池已變?yōu)榛蚣磳⒆優(yōu)樨?fù)的指示，致動調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供用于所述特定燃料電池的電連接。

可選地，所述方法包括以下步驟：監(jiān)測所述組件中的所述燃料電池的每一個的電壓。

可選地，所述方法包括以下步驟：通過致動調(diào)節(jié)開關(guān)以選擇性地提供用于所述至少一個燃料電池的電連接來提供所述燃料電池組件中的至少一個燃料電池的溫度的控制。

可選地，所述方法包括以下步驟：通過選擇性地致動特定燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)以增加它們的溫度來平衡所述燃料電池組件中的燃料電池的溫度。

可選地，所述方法包括以下步驟：在所述燃料電池組件的啟動時致動所述燃料電池中的至少兩個的調(diào)節(jié)開關(guān)以提供所述電連接，并且響應(yīng)于通過特定燃料電池的電流達(dá)到閾值，致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以斷開所述電連接。

可選地，所述方法包括以下步驟：在所述燃料電池組件的啟動時致動所述燃料電池組件中的大部分燃料電池的調(diào)節(jié)開關(guān)以提供所述電連接，并且響應(yīng)于通過特定燃料電池的電流達(dá)到閾值，致動其關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)以斷開所述電連接。

可選地，選擇性地提供電連接的步驟包括連續(xù)提供所述電連接持續(xù)小于30秒，小于10秒，小于5秒，小于3秒或小于1秒。

根據(jù)另一方面，我們提供了一種計(jì)算機(jī)程序或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其包括用于在具有處理器和存儲器的計(jì)算設(shè)備上執(zhí)行以便執(zhí)行第二方面的方法的指令。

將領(lǐng)會處理器和/或存儲器可以嵌入有燃料電池組件，并且處理器可以包括微處理器或微控制器。

附圖說明

現(xiàn)在僅通過舉例的方式參考附圖在下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1示出了具有調(diào)節(jié)開關(guān)模塊的第一示例性燃料電池組件的分解示意圖；

圖2示出了圖1的燃料電池組件的更詳細(xì)示意圖；以及

圖3示出了顯示燃料電池組件的操作方法的第一流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了燃料電池組件1，其在該示例中包括燃料電池堆。燃料電池堆包括連接在一起以便將電力共同地提供給負(fù)載(未示出)的多個燃料電池2。因此，單獨(dú)的燃料電池2電連接在一起以提供可以用于驅(qū)動馬達(dá)的組合功率輸出。例如，燃料電池組件可以配置成為車輛提供動力源。燃料電池2可以包括膜電極組件3，其包括質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層，并且布置在燃料電池板4之間。在該示例中燃料電池板是雙極板，并且形成在一側(cè)的燃料電池的陽極側(cè)和在它們的另一側(cè)的相鄰燃料電池的陰極側(cè)。因此，每個燃料電池包括陽極5和陰極6。板可以替代地包括單極板。燃料電池板3可以包括或限定用于接收反應(yīng)物流以在其關(guān)聯(lián)的膜電極組件上引導(dǎo)的通道。通道可以從板3的一端延伸到另一端。

參考圖2，多個燃料電池2中的一個或多個包括調(diào)節(jié)開關(guān)7。調(diào)節(jié)開關(guān)7配置成選擇性地提供其關(guān)聯(lián)的燃料電池2的陽極5和陰極6之間的電連接13或分流路徑以用于短路其關(guān)聯(lián)的燃料電池2。因此，調(diào)節(jié)開關(guān)通過選擇性電連接13獨(dú)立于負(fù)載控制電池的電壓。電連接通過選擇性地提供低阻抗路徑(例如作為組件的一部分相對于為負(fù)載供電的燃料電池的低阻抗路徑)來短路其關(guān)聯(lián)的燃料電池。在燃料電池堆1的操作期間對調(diào)節(jié)開關(guān)7的主動控制，特別是獨(dú)立于負(fù)載的堆中的單獨(dú)的燃料電池的電壓的主動控制，對于燃料電池堆的性能是有利的。該有效的單獨(dú)的燃料電池電壓控制可以有利地用于采用聚合物電解質(zhì)膜的所有燃料電池技術(shù)，即基于酸或堿性聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池或磷酸燃料電池。盡管不希望被理論束縛，但是認(rèn)為組件中的單獨(dú)的燃料電池的選擇性短路可以改善膜和/或催化劑層的電化學(xué)健康。

在該示例中，燃料電池堆1中的每個燃料電池2包括關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)開關(guān)。特別地，燃料電池堆1中的每個燃料電池2帶有包括第一和第二開關(guān)元件8、9的調(diào)節(jié)開關(guān)7。第一開關(guān)元件8設(shè)在第一基板10上并且第二開關(guān)元件9設(shè)在第二、不同的基板11上。第一和第二開關(guān)元件8、9連接到不同位置的每個燃料電池的陽極和陰極。這是有利的，原因是提供一個以上開關(guān)元件允許在開關(guān)元件和陽極/陰極之間流動的電流密度的分布。

調(diào)節(jié)開關(guān)7的開關(guān)元件可以被實(shí)現(xiàn)為半導(dǎo)體器件，并且在該示例中包括晶體管。因此，第一基板10和/或第二基板11可以包括其上具有開關(guān)元件的印刷電路板(pcb)或陶瓷基板。

調(diào)節(jié)開關(guān)(特別是開關(guān)元件)配置成從控制器12接收開關(guān)信號?？刂破?2可以將控制信號傳遞到基于晶體管的開關(guān)元件的柵極端子以控制連接到陽極5和陰極6的兩個其它晶體管端子之間的電連接。

在另一示例中，電連接13包括燃料電池電壓控制元件(未示出)。燃料電池電壓控制元件可以包括有源元件，例如可控阻抗。當(dāng)調(diào)節(jié)開關(guān)形成電連接時，這可以允許燃料電池電壓控制元件獨(dú)立于負(fù)載主動地控制燃料電池的電壓。燃料電池電壓控制元件可以配置成使得可以單獨(dú)地控制陽極處的電壓和/或陰極處的電壓。燃料電池電壓控制元件可以配置成控制燃料濃度/燃料量/陽極淹沒水平以控制陽極電壓。燃料電池電壓控制元件可以配置成控制氧化劑濃度/氧化劑量/陰極淹沒以控制陰極電壓。與燃料或氧化劑水平組合控制電連接以控制陽極和/或陰極處的電壓可能是有利的。燃料電池電壓控制元件可以由控制器12控制。

返回到圖1，示出了入口歧管14，其配置成將一個或多個反應(yīng)物輸送到燃料電池2的每一個。排氣歧管15配置成接收來自燃料電池的未使用的反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)物并且提供來自燃料電池組件的排氣流。因此，燃料電池板4和/或燃料電池2配置成從入口歧管14接收反應(yīng)物流，在每個燃料電池的活性區(qū)域上引導(dǎo)反應(yīng)物，并且將排氣流傳遞到排氣歧管15。第一基板10安裝在燃料電池2的堆和入口歧管14之間。第二基板安裝在燃料電池2的堆和出口歧管15之間。

燃料電池板4可以包括連接器，其可以包括用于連接到調(diào)節(jié)開關(guān)或其開關(guān)元件的突出的突出部。因此，第一和第二基板10、11可以例如通過包括孔或連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行適配以將其調(diào)節(jié)開關(guān)連接到燃料電池板4的連接器/突出部。

將領(lǐng)會盡管圖1和圖2示出了如何可以實(shí)現(xiàn)電連接的選擇性開關(guān)的一個示例，但是其它結(jié)構(gòu)和布置也是可用的。例如，半導(dǎo)體器件可以集成到燃料電池板中。

圖3示出了操作燃料電池組件的方法，其包括在步驟30中選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。在例如10ms的調(diào)節(jié)時段之后去除選擇性電連接。如步驟31所示，該方法可以包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少另一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。

該方法可以包括順序地提供用于燃料電池組件中的多個燃料電池的電連接，如步驟32所示。電連接的順序提供可以在燃料電池組件的啟動或關(guān)閉時開始。該步驟可以執(zhí)行有限的次數(shù)，使得燃料電池的子組被提供電連接，而剩余的燃料電池不被提供。替代地，所有燃料電池可以順序地被提供其關(guān)聯(lián)的電連接預(yù)定次數(shù)，或者直到達(dá)到燃料電池組件量度，例如陰極排氣溫度?？梢栽谌剂想姵亟M件的操作期間周期性地調(diào)用該方法。因此，在燃料電池組件的操作期間，可以提供兩種操作模式，即，其中燃料電池被提供電連接以便控制其電壓的第一模式和其中不提供電連接的第二模式。燃料電池組件可以配置成在第一模式和第二模式之間周期性地交替?？梢詴簳r提供任何一個燃料電池的電連接，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選擇可以基于相對于閾值與燃料電池組件關(guān)聯(lián)的量度，例如燃料電池中的一個或多個的溫度或電壓。

由于電連接引起的燃料電池電流的瞬間增加和燃料電池電位的減小可能對燃料電池操作具有許多潛在的益處。下面描述該方法的許多有利實(shí)現(xiàn)。將領(lǐng)會下面描述的方法可以由配置成執(zhí)行所述的方法的開關(guān)控制器和/或燃料電池電壓控制元件實(shí)現(xiàn)。

首先，可以使用選擇性電連接以快速地調(diào)節(jié)燃料電池的膜電極組件。因此，在接收反應(yīng)物流時，可以依次或一起為燃料電池組件中的燃料電池一次或多次提供選擇性電連接。使用選擇性電連接，可以安全地引起燃料電池的快速電壓和負(fù)載循環(huán)，而與每個燃料電池的行為的平衡無關(guān)。盡管不希望受理論束縛，但是認(rèn)為快速循環(huán)燃料電池電壓和負(fù)載的過程很快地促進(jìn)燃料電池制造中使用的溶劑/雜質(zhì)的氧化和蒸發(fā)，同時引起溫度和濕度循環(huán)，其旨在促進(jìn)調(diào)節(jié)燃料電池所需的膜和離聚物結(jié)構(gòu)的變化。

此外，可以提供選擇性電連接以在延長的時段之后快速地調(diào)節(jié)燃料電池而不進(jìn)行操作。因此，組件可以配置成確定自燃料電池組件的最后操作以來的一段時間，并且如果其超過未使用的時間閾值，則提供組件的多個燃料電池中的一個或多個的選擇性電連接。

燃料電池電壓控制元件可以配置成通過選擇性電連接來安全地操縱燃料電池組件的電流，陰極/陽極電位，溫度和水合。可以控制這些參數(shù)以調(diào)試燃料電池組件。因此，我們提供了一種調(diào)試燃料電池組件的方法，其包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。燃料電池組件的調(diào)試可以包括在其組裝之后用反應(yīng)物流動首次操作燃料電池組件。

已發(fā)現(xiàn)該方法在保持燃料電池膜和/或催化劑層的預(yù)定水合水平方面是有利的。該方法的使用可以在開路電壓(ocv)處或附近的較長時段期間避免膜脫水。已發(fā)現(xiàn)在某些情況下操作具有高阻抗負(fù)載的燃料電池組件或在開路條件下，形成每個燃料電池的活性區(qū)域并且在其上發(fā)生電化學(xué)燃料電池反應(yīng)的膜和催化劑可能會脫水。這可能導(dǎo)致燃料電池組件的工作壽命的減小或性能的降低。不希望受理論束縛，認(rèn)為提供電連接允許燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)以更大的速率進(jìn)行，這可以生成作為反應(yīng)副產(chǎn)物的水(在氫氧燃料電池中)以水合膜。

因此，該方法可以包括一種水合燃料電池組件的方法，其包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。可以周期性地或連續(xù)地執(zhí)行該方法以水合燃料電池膜和/或催化劑，從而通過避免與低濕度條件關(guān)聯(lián)的降解機(jī)制來延長使用壽命。如果組件的燃料電池或組件的燃料電池的子組的電壓高于預(yù)定電壓閾值，例如接近ocv值，則可以執(zhí)行該方法。因此，上述第一和第二操作模式可以基于上述燃料電池組件電壓或燃料電池水合的另一量度被確定。

使用選擇性電連接的燃料電池組件的水合在沒有引入燃料電池組件中的潮濕流體流的情況下操作的燃料電池組件(即，通過電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物在燃料電池組件內(nèi)生成濕氣的組件)中是特別有利的。

已發(fā)現(xiàn)該方法對于去除阻斷物質(zhì)是有利的，例如包含在燃料電池氧化劑中的燃料電池催化劑中毒物質(zhì)(即空氣污染物)和/或表面氧化物。特別地，燃料電池電壓控制元件的操作可以用于操縱每個燃料電池的陰極處的電位以減輕陰極中毒的影響。

特別地，可以使用燃料電池電壓控制元件以引起燃料電池氧化劑的饑餓(即陰極饑餓)，使得燃料電池陰極電位朝著陽極電位降落，并且可以與氧化供應(yīng)和/或功率需求無關(guān)地獲得低于0.2v的低燃料電池電位。在氫氧pem燃料電池組件中，燃料電池陰極電位名義上高于0.6vrhe(可逆氫電極)，但是可以降低到低于0.5、0.4、0.3、0.2或0.1vrhe。

因此，我們提供了一種減輕燃料電池組件中的燃料電池的陰極中毒的影響的方法，其包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓?？梢詢?yōu)于陽極電位的控制減小陰極電極處的電壓。如上所述，這可以通過氧化劑供應(yīng)或陰極操作條件的流體操縱通過例如減小氧化劑濃度來實(shí)現(xiàn)，使得陰極極限電流(即由可用的氧化劑限制)減小到明顯低于陽極極限電流(即由可用的燃料限制)的值。當(dāng)進(jìn)行選擇性電連接以引起“氧化劑饑餓條件”時，可以引起陰極電化學(xué)電位以朝著陽極電化學(xué)電位減小。

已發(fā)現(xiàn)該方法在質(zhì)子交換膜氫-氧燃料電池組件中是有利的，促進(jìn)溶解的鉑pt²⁺催化劑材料的再沉積。特別地，通過周期性地操縱陰極電位使得陰極降落到低于大致0.4v，可以將任何溶解的pt²⁺離子重沉積回到每個燃料電池的催化劑層中的活性催化劑顆粒上，由此改善燃料電池的耐久性。不希望受理論束縛，懷疑在正常的燃料電池操作期間，鉑顆粒的表面原子溶解在形成pt²⁺離子中間體的燃料電池膜電解質(zhì)中，所述中間體在氫存在的情況下在膜電解質(zhì)中作為鉑顆粒再沉淀。然而，由于這些顆粒在膜中而不是在鄰近膜的催化劑層中再沉淀，因此它們對于催化燃料電池反應(yīng)是無活性的。

因此，該方法可以包括控制形成燃料電池組件的多個燃料電池中的至少一個的催化劑層中的催化劑顆粒的水平的方法，其包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓?？梢詢?yōu)先于陽極電位的控制減小陰極電極處的電壓。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該方法在保持預(yù)定的燃料電池組件(或燃料電池堆)溫度方面是有利的。可以例如響應(yīng)于低功率需求時段(相對于閾值的功率需求)進(jìn)行該方法以在零下周圍環(huán)境中的操作期間保持堆溫度，而不考慮燃料電池負(fù)載需求。

因此，該方法可以包括一種控制包括多個燃料電池的燃料電池組件中的燃料電池的溫度的方法，該方法包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。所以，電連接可以允許電流流動，這又可以加熱燃料電池。該方法可以配置成保持預(yù)定的燃料電池溫度。在燃料電池組件的操作期間，可以提供兩種操作模式，即其中燃料電池選擇性地被提供所述電連接(例如順序地)以便增加其溫度的第一模式和其中不提供電連接的第二模式，如果燃料電池組件的溫度低于預(yù)定溫度閾值(或者如果功率輸出低于“低功率”輸出閾值)，則第一模式操作，如果溫度高于預(yù)定溫度閾值，則第二模式操作。預(yù)定的溫度閾值可以包括4℃(或0、1、2、3、5、6℃)。

已發(fā)現(xiàn)該方法有利于操縱陽極電位以促進(jìn)存在于陽極流體流中的燃料電池催化劑中毒污染物(例如燃料中的污染物(例如一氧化碳，co))的氧化和/或解吸附。

燃料電池電壓控制元件可以配置成通過將陽極電位增加到超電位來引起燃料饑餓條件，達(dá)到諸如co的燃料污染物被氧化/解吸以恢復(fù)燃料電池性能的程度。

因此該方法可以包括從形成燃料電池組件的多個燃料電池中的燃料電池的陽極去除污染物的方法，其包括選擇性地提供組件的燃料電池中的至少一個的陽極和陰極之間的電連接以便獨(dú)立于負(fù)載控制燃料電池的電壓。特別地，該方法可以包括優(yōu)先于陰極電位控制陽極電位的步驟。這可以通過燃料供應(yīng)或陽極操作條件的流體操縱通過例如減小燃料濃度來實(shí)現(xiàn)，使得陽極極限電流(即由可用的燃料限制)減小到明顯低于陰極極限電流(即由可用的氧化劑限制)的值。當(dāng)進(jìn)行選擇性電連接以引起“燃料饑餓條件”時，可以引起陽極電化學(xué)電位以朝著陰極電化學(xué)電位增加。

在另一示例中，控制器可以配置成致動調(diào)節(jié)開關(guān)以至少在通過組件的燃料電池的反應(yīng)物流的增加開始和反應(yīng)物流速或壓力達(dá)到預(yù)定水平之間選擇性地提供電連接。反應(yīng)物流的增加可能導(dǎo)致增加壓力的反應(yīng)物“前沿”移動通過燃料電池組件。當(dāng)從關(guān)閉狀態(tài)啟動燃料電池組件時該壓力前沿可能是明顯的。當(dāng)關(guān)閉燃料電池組件時減小壓力的壓力前沿也可以移動通過燃料電池組件，并且控制器也可以配置成在這樣的情況下致動調(diào)節(jié)開關(guān)。

可以實(shí)現(xiàn)該方法以在流動通過陽極/陰極的氫/空氣前沿的存在期間有利地分流電流，這可以提供減小反向電流衰減機(jī)制和/或快速燃料電池關(guān)閉的益處。

當(dāng)燃料電池組件中的燃料電池通過由組件中的其它燃料電池生成的電流驅(qū)動使得產(chǎn)生相比于正常操作的反向電流時，會發(fā)生反向電流衰減機(jī)制。這可能會降低相關(guān)的燃料電池的性能。通過提供電連接和/或借助于電連接控制燃料電池的電壓，可以在反應(yīng)物壓力前沿期間獲得低電池電壓(例如對于基于氫氧聚合物膜的燃料電池，小于0.2v)。

已發(fā)現(xiàn)通常在發(fā)生壓力前沿的未緩和啟動/停止期間發(fā)生的降解幾乎可以完全被消除。這顯著改善了燃料電池的耐久性，特別是在需要許多完整的燃料電池啟動/關(guān)閉事件的應(yīng)用(如汽車應(yīng)用)中。

因此，該方法可以包括以下步驟：響應(yīng)于通過燃料電池組件的反應(yīng)物(例如燃料)的壓力和/或流速的增加，致動組件中的燃料電池中的一個或多個的所述調(diào)節(jié)開關(guān)。調(diào)節(jié)開關(guān)可以一起或分組和順序地或單獨(dú)和順序地被致動。

在關(guān)閉燃?xì)淙剂想姵亟M件時，殘余氫可能存在于燃料電池組件中。重要的是將氫濃度減小到預(yù)定水平。該方法可以用于在組件關(guān)閉時消耗燃料電池組件中的任何剩余的氫。通過致動調(diào)節(jié)開關(guān)，氫可以被快速消耗。

因此，該方法可以包括在關(guān)閉燃料電池組件時致動組件中的燃料電池中的一個或多個的所述調(diào)節(jié)開關(guān)的步驟。調(diào)節(jié)開關(guān)可以一起或分組和順序地或單獨(dú)和順序地被致動。響應(yīng)于燃料和/或氧化劑通過燃料電池組件的流動的停止，例如當(dāng)通過組件驅(qū)動反應(yīng)物的壓縮機(jī)被停用時，可以執(zhí)行該步驟。

已發(fā)現(xiàn)在某些情況下，在致動調(diào)節(jié)開關(guān)時，存在于陽極室/燃料供給連接中的殘余氫被快速消耗，使得燃料電池堆被完全排出，并且僅在幾秒鐘之后留在安全休眠狀態(tài)下。類似地，氧可能在陰極室中被消耗以排空陰極室。

在其它實(shí)施例(未示出)中，單個調(diào)節(jié)開關(guān)(其可以由一個或多個開關(guān)元件形成)可以提供用于控制燃料電池組件中的一組串聯(lián)連接的燃料電池的電壓。因此，調(diào)節(jié)開關(guān)可以用于提供與串聯(lián)連接的燃料電池組形成電路的電連接。所以，不是為單個燃料電池提供電連接，而是為一組燃料電池提供電連接。

燃料電池組件可以形成燃料電池系統(tǒng)中的多個燃料電池組件中的一個?？梢砸来卧诿總€燃料電池組件上執(zhí)行調(diào)節(jié)開關(guān)的致動。因此，可以致動第一燃料電池組件的調(diào)節(jié)開關(guān)，接著是第二燃料電池組件的調(diào)節(jié)開關(guān)。這可能是有利的，原因是不經(jīng)歷調(diào)節(jié)開關(guān)的致動的燃料電池組件可以在正常操作模式下操作。