[發(fā)明專利]確定燃料電池放泄歧管單元中的閥/管線凍結(jié)或故障的診斷

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910209203.0
• 申請日: 2009-11-02
• 公開（公告）號: CN101728564A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: P·弗羅斯特;B·J·克林格曼
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/10;H01M8/04;G01L9/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧;譚祐祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總的涉及一種用于確定燃料電池系統(tǒng)中的放泄閥 是否被冰阻塞的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及一種用于確定在燃料電 池系統(tǒng)中與對開式電池子組相關(guān)聯(lián)的放泄歧管單元中的各種閥是否被 阻塞的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

氫是非常有吸引力的燃料，因為它清潔并且能夠用于有 效地在燃料電池中產(chǎn)生電。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及介于陽 極和陰極之間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣 或空氣。氫氣在陽極中分解從而產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電 解質(zhì)到達陰極。質(zhì)子在陰極與氧和電子發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生水。來自陽 極的電子不能穿過電解質(zhì)，并因此在被送到陰極之前被引導(dǎo)通過負載 而做功。

質(zhì)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(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽 極和陰極通常包括支撐在碳粒子上并與離聚物混合的細粒狀催化粒 子，其通常為鉑(Pt)。催化混合物沉積在膜的相對兩側(cè)上。陽極催化 混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA 的制造成本相對比較昂貴并且需要用于有效操作的某些條件。

若干燃料電池通常組合在燃料電池組中以產(chǎn)生期望的功 率。例如，用于車輛的典型燃料電池組可具有200或更多個堆疊的燃 料電池。燃料電池組接收陰極輸入反應(yīng)氣體，該輸入氣體通常為在壓 縮機的作用下被迫流過燃料電池組的空氣流。并非所有的氧氣都被燃 料電池組消耗，一些空氣作為陰極排出氣體輸出，所述陰極排出氣體 可能包含作為燃料電池組副產(chǎn)物的水。燃料電池組還接收流入燃料電 池組的陽極側(cè)的陽極氫反應(yīng)氣體。電池組還包括冷卻流體流過其中的 流動通道。

燃料電池組包括一系列位于燃料電池組中的若干MEA之 間的雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于 燃料電池組中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流動通道 設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上以允許陽極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的MEA。陰極 氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上以允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng) 的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，并且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?qū)щ姀?fù)合物的導(dǎo)電材料 制成。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電導(dǎo)出燃料電池組。雙極板還包括冷 卻流體流過其中的流動通道。

MEA是可滲透的，因此允許空氣中的氮從電池組的陰極 側(cè)滲透通過MEA并且聚集在電池組的陽極側(cè)，在工業(yè)中稱為氮穿越。 即使陽極側(cè)壓力可能大于陰極側(cè)壓力，陰極側(cè)部分壓力也將引起空氣 滲透通過膜。燃料電池組的陽極側(cè)的氮稀釋氫，使得如果氮濃度增大 超過某個百分比，例如50％，那么燃料電池組變得不穩(wěn)定并且可能發(fā) 生故障。本領(lǐng)域已知在燃料電池組的陽極排氣輸出處提供放泄閥以從 電池組的陽極側(cè)去除氮。

算法可采用為在電池組工作期間提供對陽極排氣中的氮 濃度的在線估計，從而知道何時觸發(fā)陽極排氣放泄?；趶年帢O側(cè)到 陽極側(cè)的滲透率以及陽極排氣的周期性放泄，算法可追蹤電池組的陽 極側(cè)中隨時間的氮濃度。在算法計算出氮濃度的增加在預(yù)定閾值例如 10％之上時，算法可觸發(fā)放泄。放泄通常被執(zhí)行為允許多個電池組陽極 容量放泄、因此使氮濃度降到閾值之下的某個持續(xù)時間。

某些燃料電池系統(tǒng)采用陽極流轉(zhuǎn)換，其中，燃料電池組 分成電池子組并且陽極反應(yīng)氣體以交替方向流動通過對開式電池子 組。在這些類型的設(shè)計中，放泄歧管單元(BMU)可設(shè)置成包括用于 提供陽極排氣放泄的閥。因為在陽極排氣中存在水，所以無論采取什 么措施去除水，有可能在系統(tǒng)關(guān)斷時BMU具有殘留在其中的水。如果 外部環(huán)境溫度在足夠長的時間周期足夠低，那么水可能凝固。在下次 起動時，在BMU充分解凍之前可能需要陽極排氣放泄，其中冰可能阻 塞BMU中的流動。在某些燃料電池系統(tǒng)設(shè)計中，在起動程序期間執(zhí)行 連續(xù)的陽極排氣放泄，因為燃料電池組對在那個時間期間聚集的氮尤 其敏感。

對于對開式電池組系統(tǒng)，提供陽極排氣放泄的典型位置 是在電池組流的端部處。因此，兩個放泄閥用于取決于流動方向提供 陽極放泄。因為BMU通常設(shè)置成提供該形式的放泄，所以其典型地稱 為BMU放泄法。然而，也可使用從聯(lián)結(jié)兩個電池子組的管線中的排放 閥放泄陽極排氣的中心放泄。由于排放閥的尺寸較大，中心放泄典型 地比端部流或BMU放泄效率低。