專利名稱：用于燃料電池系統(tǒng)的陽極吹掃和排放閥策略的制作方法
技術領域：
本技術涉及這樣的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法包括從燃料電池的陽極組合地去除稀釋氣體和水。
背景技術：
該部分內容僅提供與本發(fā)明有關的背景信息，且不必然構成現(xiàn)有技術。氫是有吸引力的燃料，這是因為氫能夠提供低排放并且能夠用于在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是具有由電解質分隔開的陽極和陰極的電化學裝置。陽極接收諸如氫氣的燃料，并且陰極接收諸如氧或空氣的氧化劑。氫氣在陽極中分解以產生自由的質子和電子，其中質子穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不穿過電解質，而是在被引導到陰極之前被引導通過負載以做功。在陰極中，質子、電子和氧反應并且產生水。質子交換膜(PEM)燃料電池是用于電動車輛的一種燃料電池。PEM燃料電池通常包括固態(tài)聚合物-電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極能夠包括細碎的催化顆粒的催化混合物，所述催化顆粒例如是被支承在碳顆粒上并且與離聚物混合的鉬(Pt)。催化混合物能夠沉積到膜的相反兩側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合能夠被稱為膜電極組件(MEA)。數(shù)個燃料電池能夠被組合成一個或多個燃料電池堆，以產生期望功率。對于一些應用而言，燃料電池堆能夠包括數(shù)百個或更多個燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應氣體，該陰極反應氣體通常是通過壓縮機被強制通過該堆的空氣流。并非全部的氧都由該堆消耗，而是一些空氣能夠作為陰極排氣被輸出，該陰極排氣能夠包括作為堆副產物的水。燃料電池堆還接收例如氫的陽極反應氣體，該陽極反應氣體流入到該堆的陽極側中。燃料電池堆能夠包括設置在堆內的數(shù)個MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于該堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣流通道被設置在雙極板的陽極側上，以允許陽極反應氣體流動到相應MEA。陰極氣流通道被設置在雙極板的陰極側上，以允許陰極反應氣體流動到相應MEA。一個端板包括陽極氣流通道，并且另一端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板都由例如不銹鋼或導電復合物的導電材料制成。端板將燃料電池所產生的電傳導到該堆之外。雙極板還包括冷卻劑流動通道，冷卻流體流經所述冷卻劑流動通道，以控制燃料電池的溫度。 在采用分離堆的燃料電池系統(tǒng)中能夠使用堆順序切換或流轉移。具體地，能夠設置在該系統(tǒng)中的合適閥和管道敷設，使得離開第一子堆的陽極排氣被送到第二子堆的陽極入口，并且離開第二子堆的陽極排氣以循環(huán)的方式被送到第一子堆的陽極入口。在燃料電池堆操作期間，氫在燃料電池堆的陽極流動通道中的分布能夠保持大致恒定。為此，與用于該堆的一定輸出負載所必需的氫相比更多的氫被引導到燃料電池堆中，使得陽極氣體被均勻地分布。然而，陽極排氣因此可能包括顯著量的氫氣，如果所述氫氣被簡單地丟棄的話，那么這會降低系統(tǒng)效率。因此，陽極排氣能夠再循環(huán)回到陽極輸入，以再使用氫氣。
MEA是可滲透的，且因此允許在燃料電池堆的陰極側上的空氣中存在的氮氣和其他氣體從該MEA滲透并且匯集在燃料電池堆的陽極側中。這被稱為穿越。即使陽極側壓力可能稍微大于陰極側壓力，陰極側分壓也可能導致空氣內的氣體滲透穿過該膜。例如，進入燃料電池堆的陽極側的氮因此稀釋氫燃料氣體，并且如果氮氣濃度增加到高于一定百分比(例如，50%)，那么可能影響燃料電池堆的操作。排放閥能夠被設置在陽極再循環(huán)回路或燃料電池堆的陽極排氣裝置中，以從該堆的陽極側吹掃氮氣和其他稀釋氣體，在該陽極側處，該氮氣和其他稀釋氣體可能被引導到排氣流(例如，陽極排氣)中。從陽極再循環(huán)回路或陽極排氣裝置定期地排放的氣體能夠包括顯著量的氫氣。由此，排放的再循環(huán)氣體能夠被引導到燃燒器，以在該再循環(huán)氣體排出到環(huán)境中之前燃燒其中的大部分或全部的氫。然而，燃燒器增加了燃料電池系統(tǒng)的復雜性、成本和重量。在某些情形中，排放的再循環(huán)氣體還能夠被引導到燃料電池堆上游的陰極。水也能夠從陰極側遷移并且收集在燃料電池堆的陽極側上，從而需要從陽極側去除水的機構。能夠使用水分離器并結合液態(tài)水水位傳感器來檢測和去除來自陽極側的液態(tài)冷凝水，該液態(tài)冷凝水能夠被引導到排氣流(例如，陰極排氣)，其中該水分離器包括定位在貯槽的底部處的閥。通過將來自陽極側的稀釋氣體和水引導到排氣流來去除該稀釋氣體以及去除該水，提供了一種用于氫燃料氣體進入到排氣流的路徑，這可能存在氫排放問題。

發(fā)明內容
本技術包括與用于燃料電池陽極側的組合的稀釋氣體和水吹掃策略有關的系統(tǒng)、過程、制造物品和復合物。在一些實施方式中，一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池、水分離裝置、和控制器。所述燃料電池包括陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口。所述水分離裝置流體地聯(lián)接到所述陽極出口，并且通過再循環(huán)回路流體地聯(lián)接到所述陽極入口。所述水分離裝置包括與所述陰極入口流體地聯(lián)接的閥。所述控制器構造成操作所述閥。在一些實施方式中，一種方法包括利用所述控制器打開所述閥，以便排出液體到所述陰極入口、以便吹掃氣體到所述陰極入口、或者以便排出液體并且吹掃氣體到所述陰極入口。在各個實施方式中，所述控制器能夠確定經過所述閥的流體何時從液相轉變?yōu)闅庀?。該控制器還能夠比較通過所述水分離裝置的第一流率和通過所述噴射器的第二流率，以確定所述閥何時從排出液體轉變?yōu)榇祾邭怏w。所述控制器還能夠以特定的時間間隔打開所述閥，以確保液體不會填滿或漫過所述水分離裝置，例如在所述水分離裝置不包括水位指示器的情形。本發(fā)明還包括以下方案1. 一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括
燃料電池，所述燃料電池包括陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口；
水分離裝置，所述水分離裝置流體地聯(lián)接到所述陽極出口并且通過再循環(huán)回路流體地聯(lián)接到所述陽極入口，所述水分離裝置包括與所述陰極入口流體地聯(lián)接的閥；以及控制器，所述控制器構造成操作所述閥。2.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極出口和所述再循環(huán)回路不包括與所述陰極出口流體地聯(lián)接的吹掃閥。3.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述水分離裝置不流體地聯(lián)接到所述陰極出口。4.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述水分離裝置不包括水位傳感器。5.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極入口包括與其流體連通的噴射器，并且所述控制器構造成操作所述噴射器。6.根據(jù)方案5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極出口或所述再循環(huán)回路包括壓力傳感器，并且所述控制器構造成接收來自所述壓力傳感器的信號。7.根據(jù)方案5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成確定經過所述閥的流體何時從液相轉變?yōu)闅庀唷?.根據(jù)方案5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成比較通過所述水分離裝置的第一流率和通過所述噴射器的第二流率，以確定所述閥何時從排出液體轉變?yōu)榇祾邭怏w。9.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成以預定時間間隔打開所述閥。10.根據(jù)方案I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，包括有多個燃料電池的燃料電池堆包括所述燃料電池。11. 一種用于排放燃料電池系統(tǒng)的陽極側的方法，所述方法包括
提供燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括
燃料電池，所述燃料電池包括陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口；水分離裝置，所述水分離裝置流體地聯(lián)接到所述陽極出口并且通過再循環(huán)回路流體地聯(lián)接到所述陽極入口，所述水分離裝置包括與所述陰極入口流體地聯(lián)接的閥；以及
控制器，所述控制器構造成操作所述閥；
利用所述控制器打開所述閥，以執(zhí)行排出液體到所述陰極入口或所述陰極出口與吹掃氣體到所述陰極入口或所述陰極出口中的至少一種。12.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述陽極出口和所述再循環(huán)回路不包括與所述陰極出口流體地聯(lián)接的吹掃閥。13.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述水分離裝置不流體地聯(lián)接到所述陰極出□。14.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述水分離裝置不包括水位傳感器。15.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述陽極入口包括噴射器，并且所述控制器操作所述噴射器。16.根據(jù)方案15所述的方法，其中，所述陽極出口包括壓力傳感器，并且所述控制器接收來自所述壓力傳感器的信號。17.根據(jù)方案15所述的方法，其中，所述控制器確定經過所述閥的流體何時從液相轉變?yōu)闅庀唷?8.根據(jù)方案15所述的方法，其 中，所述控制器比較通過所述水分離裝置的第一流率和通過所述噴射器的第二流率，以確定所述閥何時從排出液體轉變?yōu)榇祾邭怏w。
19.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述控制器以預定時間間隔打開所述閥。20.根據(jù)方案11所述的方法，其中，包括有多個燃料電池的燃料電池堆包括所述燃料電池。更多的應用領域從本文所提供的描述將顯而易見。在該發(fā)明內容中的說明和具體示例僅用于描述目的，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。


本文所述的附圖僅用于描述所選擇實施方式的目的，但不用于描述全部可能實施方式的目的，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍，其中附圖是燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖，所述燃料電池系統(tǒng)具有用于將水和稀釋氣體從陽極排放到陰極入口的組合閥。
具體實施例方式下述技術說明在本質上僅示例出一個或多個發(fā)明的主題內容、制造和使用，并且不旨在限制在本申請中、或在提交時要求本申請優(yōu)先權的這種其他申請中、或者由其授權的專利中要求保護的任何特定發(fā)明的范圍、應用或使用。關于所公開的方法，呈現(xiàn)的步驟順序本質上是示例性的，并且因此在不同實施方式中步驟的順序可能不同。本技術將在燃料電池的陽極側上的稀釋氣體吹掃和水排出功能組合成被引至陰極入口的單個功能，由此最小化氫排放。稀釋氣體吹掃和水排出的組合最小化了燃料電池系統(tǒng)的復雜性和成本、削減了氫排放。組合的稀釋氣體吹掃和水排出能夠被弓I至陰極排出口，但由于排放原因這具有較小的吸引力。在燃料電池系統(tǒng)的操作期間，能夠比液態(tài)水排出事件更頻繁地發(fā)生稀釋氣體的吹掃，以保持燃料氣體純度。這允許將稀釋氣體吹掃閥和水排出閥的功能合并到單個組合閥中。當請求吹掃稀釋氣體時，組合閥打開，排出貯槽中的任何水，之后稀釋氣體被吹掃。結果是，能夠最小化在陽極中積聚的水和稀釋氣體的量。為了增加排放穩(wěn)健性，組合閥被引至燃料電池堆的陰極入口，而不是燃料電池出口(例如，陰極排出口)。這使得通過組合閥逸出的任何氫將與氧完全或部分地催化反應，從而在MEA中形成水并且減少排氣排放問題。例如，在組合的吹掃和排出操作期間，一定量的氫能夠離開組合閥。如果太多的氫被允許穿過，那么在被引至燃料電池出口(例如，陰極排出口)的情況下可能導致氫排氣的排放問題。相反，將組合閥引至燃料電池的陰極入口，那么一旦通過組合閥逸出的氫達到陰極電極，就會消耗掉該氫氣，從而使得陰極排氣并且使得最終燃料電池或燃料電池車輛的排氣具有顯著減少的氫含量?？刂破髂軌虿捎美昧巳剂蠂娚淦鞣答伒年枠O排放模型，以確定離開該組合閥的陽極氣體蒸氣的量；并且一旦吹掃了所需量的稀釋物，則能夠請求關閉所述閥。該模型能夠確定氣體或液體是否正離開閥，從而提供正確的吹掃持續(xù)時間，以有效地去除液體以及隨后去除必需量的氣體。具體地，能夠確定在燃料電池系統(tǒng)的陽極再循環(huán)系統(tǒng)中通過組合排放/排出閥時液相至氣相的相轉變。本技術還能夠應用到利用其他陽極子系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)(包括陽極流轉移系統(tǒng))。該附圖是根據(jù)本技術 的實施方式的燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖。燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池堆12，該燃料電池堆12具有陰極側和陽極側。燃料電池系統(tǒng)10包括壓縮機14，該壓縮機14通過陰極輸入管道16將氧氣或空氣提供給燃料電池堆12的陰極偵牝陰極輸出氣體通過陰極輸出管道18從燃料電池堆12輸出。燃料電池系統(tǒng)10還包括氫氣源22，該氫氣源22通過陽極輸入管道24提供氫氣，該氫氣通過噴射器26能夠被噴射到燃料電池堆12的陽極側中。噴射器26能夠是適合于本文所述目的的任何噴射器或噴射器組。在所示的實施方式中，燃料電池系統(tǒng)10采用陽極再循環(huán)，其中通過陽極排氣管道28輸出的陽極再循環(huán)氣體借助陽極再循環(huán)管道30通過噴射器26再循環(huán)回到陽極輸入管道24，以保存從燃料電池堆12排出的氫氣。壓力傳感器32能夠測量陽極輸出管道28中的壓力。如本文所描述的那樣，水是燃料電池堆12的操作的副產物。為了從再循環(huán)的陽極氣體中去除水以使其不回送到陽極輸入，在陽極再循環(huán)管道30中設置水分離裝置34。水分離裝置34包括貯存器或罐36，該貯存器或罐36以本領域技術人員已知的方式盛裝由水分離裝置34收集的水。水位指示器38提供了對貯存器36中水位的指示，使得該系統(tǒng)10能夠確定何時排干貯存器36。水分離裝置34還包括排出/吹掃組合閥40，該排出/吹掃組合閥40能夠定位在位于貯存器36底部處的貯槽(未示出)中，并且該排出/吹掃組合閥40操作以排出貯存器36中的水以及從再循環(huán)的陽極氣體中吹掃稀釋氣體(例如，氮氣)。排出的水以及吹掃的氣體通過管道42被送出，以結合陰極輸入管道16的氧氣或空氣，使得存在于排放/吹掃物中的氫在燃料電池的陰極側內被部分地或完全地消耗。管道42還包括防反向閥(未示出)。通過管道42被送出的排出水和吹掃氣體還能夠被引導到加濕器(未示出)的上游，所述加濕器被用于對輸入到燃料電池堆12的陰極輸入物加濕?？刂破?4能夠控制噴射器26和組合閥40的操作，并且能夠從水分離裝置34中的水位指示器38以及從陽極排氣管道28中的壓力傳感器32接收信號?？刂破?4能夠構造成檢測經過閥40的流體從液相到氣相的相變化。由此，一旦排出一定量的水(如果存在的話)，則控制器44能夠采用陽極排放模型，以便吹掃稀釋氣體。陽極排放模型能夠計算在燃料電池堆12的陽極側中存在多少稀釋氣體(例如，氮氣)，以確定何時通過組合閥40執(zhí)行陽極排出/吹掃。為了提供在燃料電池堆12的陽極側中的氮氣的精確確定，該模型需要確定針對系統(tǒng)水排出請求以及系統(tǒng)稀釋氣體吹掃請求兩者，有多少氮氣或氣體通過組合閥40被排放。當組合閥40針對排出/吹掃請求被打開時，所存在的任何水能夠首先流經閥40，并且在貯存器36被清空之后的某一時間點，氣體將開始流經該閥40。典型地，存在極少的通過閥40的兩相流，這是因為從水流至氣流的轉變被良好地限定并且是突然的。一旦該模型確定通過閥40的氣流何時開始，則該模型就能夠使用各種系統(tǒng)參數(shù)(例如，閥節(jié)流孔尺寸、稀釋氣體(例如，氮氣)的濃度、陽極壓力等)來確定正從燃料電池堆12的陽極側被去除的氣體量。在一些實施方式中，水分離裝置34中的水用作閥40中的壓力屏障，以確定何時水從貯存器36完全排干以及氣體開始流出閥40。具體地，當閥40打開并且水通過閥40從貯存器36排出時，堆12的陽極側中的壓力保持大致恒定，如由壓力傳感器32檢測的那樣，其中噴射器26的占空比保持大致恒定。然而，當氣體開始流經閥40時，燃料電池堆12的陽極側中的壓力下降并且噴射器26的占空比增加，以便增加陽極側中的壓力并且保持用于燃料電池堆12的指令電流密度所必需的氫氣水平。 在一些實施方式中，控制器44構造成采用這樣的算法，當閥40被打開以確定氣體正流經閥40時，該算法獲得通過陽極流系統(tǒng)的流率。例如，對于當閥40打開時的具體燃料電池堆電流密度，應當出現(xiàn)一定流率，并且該流率由噴射器26的占空比確定。當該流率處于在閥40打開的情況下的存儲流率的期望或預定閾值內時，那么該算法確定氣體現(xiàn)在正流經該閥40。該分析能夠用下述不等式來限定
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括 燃料電池，所述燃料電池包括陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口； 水分離裝置，所述水分離裝置流體地聯(lián)接到所述陽極出口并且通過再循環(huán)回路流體地聯(lián)接到所述陽極入口，所述水分離裝置包括與所述陰極入口流體地聯(lián)接的閥；以及 控制器，所述控制器構造成操作所述閥。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極出口和所述再循環(huán)回路不包括與所述陰極出口流體地聯(lián)接的吹掃閥。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述水分離裝置不流體地聯(lián)接到所述陰極出口。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述水分離裝置不包括水位傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極入口包括與其流體連通的噴射器，并且所述控制器構造成操作所述噴射器。
6.根據(jù)權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述陽極出口或所述再循環(huán)回路包括壓力傳感器，并且所述控制器構造成接收來自所述壓力傳感器的信號。
7.根據(jù)權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成確定經過所述閥的流體何時從液相轉變?yōu)闅庀唷?br> 8.根據(jù)權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成比較通過所述水分離裝置的第一流率和通過所述噴射器的第二流率，以確定所述閥何時從排出液體轉變?yōu)榇祾邭怏w。
9.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器構造成以預定時間間隔打開所述閥。
10.一種用于排放燃料電池系統(tǒng)的陽極側的方法，所述方法包括 提供燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括 燃料電池，所述燃料電池包括陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口；水分離裝置，所述水分離裝置流體地聯(lián)接到所述陽極出口并且通過再循環(huán)回路流體地聯(lián)接到所述陽極入口，所述水分離裝置包括與所述陰極入口流體地聯(lián)接的閥；以及 控制器，所述控制器構造成操作所述閥； 利用所述控制器打開所述閥，以執(zhí)行排出液體到所述陰極入口或所述陰極出口與吹掃氣體到所述陰極入口或所述陰極出口中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池系統(tǒng)的陽極吹掃和排放閥策略。具體地，提供了一種組合的水排放和稀釋氣體吹掃閥，其將流體從燃料電池的陽極側引至陰極入口。當請求吹掃稀釋氣體時，該閥打開，從而排出例如存在于水分離裝置的貯槽中的任何液體。在液體被排空之后，稀釋氣體被吹掃。使用燃料噴射器反饋的陽極排放模型能夠確定離開所述閥的氣體量，并且一旦吹掃了所需量的稀釋物，就能夠請求關閉所述閥。在操作期間，一定量的氫氣能夠離開所述閥。一旦經過所述閥的氫氣達到陰極電極之后，其就能夠被催化地消耗，從而使得陰極排氣以及燃料電池排氣具有減少的氫含量。
文檔編號H01M8/04GK103035935SQ20121036802
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2011年10月7日
發(fā)明者S.R.法爾塔, M.A.朗, D.C.迪菲奧爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司