如何使用引射器可以在启动时避免氢空界面？

本篇日本丰田汽车专利提出了一种燃料电池系统架构特别是阳极架构，以及针对启动时阳极引射器的控制策略，该策略基于对压力的判断，在启动时对阳极引射器进行控制，从而达到迅速清除阳极内空气的目的。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，详见文末！

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在质子交换膜的两侧。阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜组成了膜电极组件(MEA)。

通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。

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存在问题

在燃料电池系统停止运行时，未被反应的氢气会残留在燃料电池堆的阳极侧。这些氢气有能力穿越膜并扩散到阴极侧，与那里的氧气发生反应。随着氢气朝着阴极侧扩散，电堆阳极侧的总压力会逐渐降低。由于阳极侧的进出气口是密闭的，最终阳极侧会形成负压环境。这个压力差将会引入阴极或环境中的空气进入电堆的阳极侧，从而形成一个空气/氢气界面，如图1所示。

图1.燃料电池堆在停机和启动时氢/空界面的形成过程

同时，在下一次系统启动时，阴极和阳极的流通通道通常都充满空气。当在系统启动时向阳极流通通道引入氢气时，氢气将排出阳极流通通道中的空气，又形成一个氢气/空气界面(如图1所示)，该界面通过阳极流通通道进行传播。

氢/空气界面会导致阳极侧发生短路，进而导致氢气聚集区域的阳极侧发生氢离子向空气聚集区域的阳极侧的横向迁移。这高离子电流与膜的高横向离子电阻相互作用，从而在膜上形成显著的横向电势降(约0.5 V)。这将在与阳极侧的空气聚集区相对的阴极侧产生局部高电位(>1.3V，如图2所示)，从而促使催化剂碳载体快速腐蚀，导致碳层变薄。这减弱了对催化剂颗粒的支撑，进而降低了燃料电池的性能与寿命。

图2.氢/空界面导致阴极侧出现高电位的原理

在现有技术中，可以通过迅速将氢气传输至阳极流道，以减轻系统启动时氢气/空气界面的降解效应，从而缩短降解发生的时间。

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专利方案

本专利提出了一种燃料电池系统架构和启动时引射器的控制方法。

首先该专利提出了一种燃料电池系统架构，如下图所示。

其中：

11 燃料电池电堆 

12 氢气供应

13 混合气体流道 

14 循环流道 

15 压力监测

16 引射器组件

17控制器

18新氢供应流道

19 分水器，集成排放阀

21 空气供应

22 空气供应流道

23空气排放流道