[發(fā)明專利]用于燃料電池系統(tǒng)的陽極吹掃和排放閥策略

有效

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• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN103035935A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發(fā)明（設計）人: S.R.法爾塔;M.A.朗;D.C.迪菲奧爾
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 原紹輝

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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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鉑（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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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。