[發明專利]適應性陽極放氣方案

有效

• 申請號: 200910253492.4
• 申請日: 2009-12-16
• 公開（公告）號: CN101764243A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: A·喬扈里
• 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;H01M8/22;H01M8/04;H01M2/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 范曉斌;譚祐祥

技術領域

本發明總體上涉及用于提供陽極排氣放氣以從燃料電池 堆的陽極側去除氮的系統和方法，且更具體地涉及這樣一種用于提供 陽極排氣放氣以從燃料電池堆的陽極側去除氮的系統和方法：所述系 統和方法通過改變放氣持續時間在燃料電池堆的壽命內是適應性的， 其中，所述放氣持續時間基于從燃料電池堆排出的氫濃度來確定。

背景技術

氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于 在燃料電池中有效地產生電力。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極 和陰極，電解質在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空 氣。氫氣在陽極中分解以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達 陰極。質子與陰極中的氧和電子反應產生水。來自于陽極的電子不能 穿過電解質，且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。 PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極 和陰極通常包括細分的催化劑顆粒，通常是鉑(Pt)，所述催化劑顆粒 支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。 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的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。

多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產生期望功率。 例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。 燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電 池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為 陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產物的水。 燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側的陽極氫反應氣體。燃料 電池堆也包括冷卻流體流經的流動通道。

燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系 列雙極板，其中，雙極板和MEA設置在兩個端板之間。雙極板包括用 于燃料電池堆中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上，所述陽極氣體流動通道允許陽極反應氣 體流向相應MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，所述 陰極氣體流動通道允許陰極反應氣體流向相應MEA。一個端板包括陽 極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板 由導電材料(如不銹鋼或導電復合物)制成。端板將燃料電池產生的 電傳導到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經的流動通道。

MEA是滲透性的，因而允許來自于燃料電池堆的陰極側 的空氣中的氮從中滲透并收集在燃料電池堆的陽極側，在行業中稱為 氮氣穿過(nitrogen?cross-over)。即使陽極側壓力可能高于陰極側壓力， 陰極側分壓將使得空氣穿過膜。燃料電池堆的陽極側中的氮稀釋氫氣， 使得如果氮濃度增加超過某一百分比，例如50％，那么燃料電池堆將 變得不穩定且可能發生故障。本領域中已知在燃料電池堆的陽極排氣 出口處設置放氣閥以從燃料電池堆的陽極側去除氮。

可以采用算法來在燃料電池堆操作期間提供陽極排氣中 的氮濃度的在線估計，以知道何時觸發陽極排氣放氣。所述算法可基 于從陰極側至陽極側的滲透速率和陽極排氣的周期性放氣來跟蹤一定 時間內燃料電池堆的陽極側中的氮濃度。當算法計算氮濃度的增加高 于預定閾值(例如10％)時，可觸發放氣。放氣通常進行一定持續時 間，所述持續時間允許多個燃料電池堆陽極容積被放氣，從而使得氮 濃度降低至低于閾值。

一些燃料電池系統采用陽極流切換，其中，燃料電池堆 分成子堆，且陽極反應氣體以交替的方向流經分離的子堆。在這些類 型的設計中，有時可在分離子堆之間設置包括用于提供陽極排氣放氣 的閥的放氣歧管單元(BMU)。