[發明專利]燃料電池系統中氫氣到陰極廢氣的耐凍引入

無效

• 申請號: 200910209201.1
• 申請日: 2009-11-02
• 公開（公告）號: CN101728563A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: B·J·克林格曼;A·羅加恩
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 彭武;譚祐祥

技術領域

本發明總體涉及一種用于限制積累在燃料電池系統中的陽極排出管線中的水量的技術，更具體地涉及一種用于限制積累在燃料電池系統的陽極排出管線中的水量的技術，所述技術包括將陽極排出管線的端部定位成部分伸入陰極廢氣管線中。

背景技術

氫是一種很有吸引力的燃料，因為它是清潔的并且能夠用于有效地在燃料電池中產生電。氫燃料電池是一種電化學裝置，它包括陽極和陰極以及介于陽極和陰極之間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解產生游離質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧氣和電子反應以產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，因此在傳送到陰極之前被引導通過負載來做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是常見的車用燃料電池。PEMFC通常包括固態聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括被支撐在碳顆粒上并與離聚物混合的細粒狀催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)。該催化劑混合物沉積在膜的相反側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制備相對比較昂貴，并且需要某些條件以便有效操作。

若干燃料電池通常組合在燃料電池堆中來產生所需的功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有200或更多個堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體，該反應氣體通常是被壓縮機迫使穿過電池堆的空氣流。并非所有氧氣都被電池堆消耗，一些空氣作為陰極廢氣被輸出，該廢氣可包括作為電池堆副產物的水。燃料電池堆還接收流入該電池堆的陽極側的陽極氫反應氣體。該電池堆還包括冷卻流體流經其中的流動通道。

燃料電池堆包括放置在電池堆內的若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA放置在兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆內的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側，其允許陽極反應氣體流到相應的MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側，其允許陰極反應氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由例如不銹鋼或導電復合物的導電材料制成。端板將由燃料電池產生的電導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流經其中的流動通道。

MEA是多孔的并因此允許來自電池堆的陰極側的空氣中的氮氣滲透經過并收集在電池堆的陽極側，這在本領域中稱為氮渡越(nitrogen?cross-over)。燃料電池堆的陽極側的氮氣稀釋了氫氣，使得如果氮氣濃度增加到超過一定百分比，例如50％，則燃料電池堆變得不穩定并可能發生故障。本領域中已知的是在燃料電池堆的陽極氣體輸出處設置排出閥以從電池堆的陽極側移除氮氣。

從陽極側周期性排出的氣體通常包括大量的氫氣。因為氫氣如果被排放到環境中將會與空氣混合，所以會產生具有明顯安全隱患的潛在可燃混合物。本領域中已知的是將排出的陽極廢氣引導至陰極廢氣管線從而與陰極廢氣混合以減小排放到環境中的氫氣的濃度。通常，希望維持混合的陽極和陰極廢氣中的氫氣體積的百分比小于幾個百分點。

發明內容

根據本發明的教導，公開一種用于減少積累在燃料電池系統中的陽極廢氣排出管線中的水量的技術。燃料電池系統包括燃料電池堆，陰極廢氣管線和陽極廢氣管線。陽極廢氣管線聯接到陽極排出閥，所述陽極排出閥在系統運行期間周期性地打開以將陽極廢氣排出到陽極廢氣排出管線，從而從電池堆的陽極側移除氮氣。陽極廢氣排出管線聯接到陰極廢氣管線，使得排出的陽極廢氣中的氫氣被陰極廢氣稀釋。陽極排出管線聯接到陰極廢氣管線，使得排出閥的托腳部分延伸穿過陰極廢氣管線的壁并進入其中的陰極廢氣流中，從而防止粘附到陰極廢氣管線的內表面上的水和水蒸氣泄露到陽極排出管線內。

通過結合附圖參閱下列描述和所附權利要求，本發明的額外特征將變得明顯。

附圖說明

圖1是燃料電池系統的示意性平面圖，所述燃料電池系統包括用于將陽極廢氣排放到陰極廢氣管線的陽極廢氣排出閥；

圖2是用于將陽極廢氣排出管線聯接到陰極廢氣管線的已知方式的示意圖；以及

圖3是根據本發明實施例的用于將陽極排出管線聯接到陰極廢氣管線的技術，該技術減小來自陰極廢氣的進入陽極排出管線的水量。

具體實施方式

涉及用于限制燃料電池系統中的陽極排出管線中的水積累的技術的以下討論本質上僅僅是示例性的，并非旨在限制本發明或其應用或用途。