燃料電池系統中氫氣到陰極廢氣的耐凍引入的制作方法
【專利說明】燃料電池系統中氫氣到陰極廢氣的耐凍引入
[0001]本申請是申請日為2009年11月2日、申請號為200910209201.1、發明名稱為“燃料電池系統中氫氣到陰極廢氣的耐凍引入”的發明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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】

[0009]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。
[0010]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】
[0011]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】
[0012]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。
[0013]圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的示意性框圖。燃料電池系統10意在總體上表示需要陽極廢氣排出裝置以從電池堆12的陽極側移除氮氣的任意類型的燃料電池系統，所述燃料電池系統例如是將陽極廢氣再循環到陽極入口的燃料電池系統以及采用具有陽極流動變換(anode flow shifting)功能的分離堆設計的燃料電池系統。來自氫氣源14的氫氣在管線18上被提供到燃料電池堆12的陽極側。陽極廢氣在管線20上從燃料電池堆12輸出并被輸送至排出閥26。來自電池堆12的陰極廢氣在陰極廢氣管線34上從電池堆12輸出。當陽極廢氣通過排出閥26排出時，管線28中的排出氣體與管線34中的陰極廢氣在混合接點36處混合。
[0014]為了監控陽極子系統，在系統10中設置各種傳感器。具體地說，壓力傳感器40測量到排出閥26的入口處的壓力，壓力傳感器42測量排出閥26的出口處的壓力，并且溫度傳感器44測量排出閥26的入口處的陽極廢氣的溫度。此外，流量計46測量輸入到燃料電池堆12的陰極側的空氣流量。在可替換實施例中，可省略流量計并且壓縮機空氣的流量可基于各種因素導出，例如壓縮機映射圖、壓縮機速度、入口 /出口壓力、溫度等。
[0015]如上所述，需要控制陽極廢氣到陰極廢氣管線34的排出，使得其中的氫氣濃度維持在預定安全水平以下。為了執行這種功能，控制器48接收來自溫度傳感器44的溫度信號、來自壓力傳感器40的壓力信號、來自壓力傳感器42的壓力信號以及來自流量計46的流量信號。控制器48包括確定從排出閥26排出的氫氣濃度的算法，并且控制壓縮機30和排出閥26以維持混合廢氣中的氫氣濃度在預定水平以下。
[0016]通常，陰極廢氣管線34具有2至3英寸范圍內的直徑并且陽極排出管線28具有大約100 mm的直徑。圖2是陽極排出管線28聯接到陰極廢氣管線34的接點36的示意圖。在圖2中，管50代表陰極廢氣管線34并且管52代表陽極排出管線28。管50和52可由適于本文所述目的的任意剛性或柔性管材料制成。如本領域眾所周知的，陰極廢氣包含作為電化學反應副產物的大量液態水和水蒸氣。陰極廢氣中的水滴54由于表面張力原因而趨于粘附到管50的內表面。
[0017]當系統10關閉并且沒有驅使水和水蒸氣離開陰極廢氣管50的陰極廢氣作用力時，水滴54傾向于流入陽極排出管52，并且在陰極廢氣管