[發明專利]用于改進水管理的關閉方案

有效

• 申請號: 201010105455.1
• 申請日: 2010-01-26
• 公開（公告）號: CN101859909A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: P·A·拉帕波特;S·R·法爾塔;D·R·勒布徹爾特;E·J·康諾爾
• 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: 范曉斌;曹若

技術領域

本發明總體上涉及從燃料電池堆吹掃過多的水的系統和方法，更具體地涉及在系統關閉時從燃料電池堆吹掃過多的水的系統和方法，包括提供向前或反向陰極側空氣流吹掃和/或通過陽極流動通道的反向氫氣流以將水從陽極流動通道的出口端驅出。

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。氫氣在陽極側催化劑中分解以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極側催化劑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(催化劑層)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)。每個MEA通常夾在兩片多孔材料、氣體擴散層(GDL)之間，該GDL保護膜的機械整體性并有助于反應物和濕度的均勻分布。將陽極流和陰極流分開的MEA的部分稱為活性區域，且僅在該區域中水蒸汽能夠在陽極與陰極之間自由交換。MEA的制造相對昂貴且需要某些濕度條件以有效操作。

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物氣體，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反應副產物的水。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物氣體。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(隔板)，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流分配器(流場)。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，且允許陽極反應物氣體流向相應MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，且允許陰極反應物氣體流向相應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制成，如不銹鋼或導電復合物。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。

燃料電池內的膜需要具有一定的水含量或濕度，使得跨過膜的離子阻力足夠低以有效地傳導質子。該濕度可能來自于燃料電池堆水副產物或外部濕度。通過陽極氣體流動通道的氫氣流對膜具有一些干燥效果，在氫氣流的入口處最明顯。然而，在陽極氣體流動通道內的水滴的積聚可能防止氫氣從中流過，且由于低反應物氣體流量而使得燃料電池發生故障，從而影響燃料電池堆的穩定性。反應物氣體流動通道內以及GDL內的水積聚在低燃料電池堆輸出負載下尤其有問題。

在燃料電池系統關閉期間，期望給燃料電池膜提供一定量的水含量，使得它們不過濕或者過干。過濕的膜可能在低溫環境期間引起問題，其中，燃料電池堆中的水的凍結將產生冰，冰阻塞流動通道并影響系統的重新啟動。過干的膜可能在下一次系統重新啟動時具有過低的導電性，從而影響重新啟動性能且也可能降低燃料電池堆的耐用性。

本領域中已知通過促使壓縮機空氣通過陰極流動通道且促使氫氣通過陽極流動通道來在系統關閉時從燃料電池堆的流動通道吹掃過多的水。吹掃的持續時間和氣體流的速度被選擇，使得過多的水從流動通道和GDL去除，但膜不會變得過干。這種吹掃方法的一個問題在于在燃料電池堆中的燃料電池中可能有阻力分散，意味著一些燃料電池可能過干而其它燃料電池可能過濕。而且，在每個分立燃料電池中，可以觀察到入口至出口(主要由陰極流限定)的水含量(阻力)梯度。此外，用氫氣吹掃陽極流動通道浪費氫氣燃料。