燃料電池堆中的陽極排放控制的制作方法
【專利說明】燃料電池堆中的陽極排放控制
[0001]本發明涉及燃料電池，并且具體地，但并非排他地，涉及質子交換膜型燃料電池，在其中氫被供應給燃料電池的陽極側，氧被供應給燃料電池的陰極側并且水副產物在燃料電池的陰極側產生并從燃料電池的陰極側除去。
[0002]此類燃料電池包括夾在共同包括膜-電極組件(MEA)的兩個多孔電極之間的質子交換膜(PEM) JEA本身通常夾在(i)具有與MEA的陰極面相鄰的第一面的陰極擴散結構與
(11)具有與MEA的陽極面相鄰的第一面的陽極擴散結構之間。陽極擴散結構的第二面接觸陽極流體流場板，用于電流收集和用于將氫分布到陽極擴散結構的第二面。陰極擴散結構的第二面接觸陰極流體流場板，用于電流收集、用于將氧分布到陰極擴散結構的第二面以及用于從MEA提取反應產物水。陽極流體流場板和陰極流體流場板通常各自包括剛性的導電材料，其具有在相鄰各個擴散結構的表面中的流體流動通道，用于輸送反應氣體(例如氫和氧)并且除去廢氣(例如，未使用的氧和水蒸氣)。
[0003]在此類燃料電池的操作中重要的考慮事項是水和惰性氣體的處理，惰性氣體諸如在MEA內和在將流體輸送到MEA的流場內的氮。用于燃料電池制造中的膜通常允許少量的水和氮從陰極側穿過膜到陽極側。雖然重要的是MEA在使用期間保持適當含水的，但未能控制在堆內燃料電池的陽極側上的MEA潮濕和惰性氣體濃度的水平可導致燃料的稀釋和/或流動路徑的堵塞，并且因此差的電池性能和/或過早的電池失效。
[0004]本發明特別涉及在燃料電池堆中燃料輸送(陽極)流動路徑中的非燃料流體和固體的管理。非燃料流體可包括惰性氣體諸如氮氣、其它氣態污染物、水、顆粒和可能以其他方式在堆內的燃料輸送流動路徑中形成的碎肩。
[0005]管理陽極流動路徑的一種方法是用吹掃氣體諸如氮氣定期吹掃陽極流動路徑。這在從陽極流動路徑沖洗出污染物方面可以是有效的，但在中斷燃料電池的電輸出和要求氮吹掃氣體的本地來源方面具有潛在缺點。另一種方法是通過打開耦合到堆出口的吹掃閥或排放閥，用高于燃料氣體例如氫的正常流量定期吹掃陽極。這具有浪費燃料的潛在缺點。定期吹掃的頻率和持續時間通常可以取決于控制模型，所述控制模型估計在基于堆的已知性質的燃料電池堆的陽極側中的氫和/或氮的濃度，或使用氫濃度測量和/或電池電壓測量以確定何時定期排放是必要的。
[0006]本發明的目的是提供用以吹掃非燃料流體和/或固體污染物的陽極流動路徑的可供選擇的方式。
[0007]根據一個方面，本發明提供電化學燃料電池組件，其包括:
[0008]具有燃料輸送入口和燃料輸送出口的燃料電池堆，
[0009]所述燃料電池堆還包括各自具有膜-電極組件和流體流動路徑的多個燃料電池，所述流體流動路徑耦合在所述燃料輸送入口與所述燃料輸送出口之間用于將燃料輸送到所述膜-電極組件；
[0010]耦合到所述燃料輸送入口的燃料輸送管道用于將流體燃料輸送到所述堆；
[0011 ]耦合到所述燃料輸送出口的排放管道用于將流體排放出所述堆；
[0012]耦合到所述排放管道的可變孔口流動控制裝置，其被配置成動態地改變隨以下控制參數中的一個或多個變化的從所述燃料輸送出口進入到所述排放管道中的流體的量:(i)測量的燃料濃度；(ii)測量的濕度；(iii)所述堆中的燃料電池的電池電壓；(iv)所述堆中的燃料電池的阻抗;(V)所述堆中的燃料電池的電阻。
[0013]電化學燃料電池組件可包括再循環管道，其耦合在燃料輸送出口和燃料輸送管道之間用于將流體從燃料輸送出口再循環到燃料輸送入口 ；燃料輸送管道、再循環管道和燃料電池堆中的燃料流動路徑一起限定燃料回路;其中可變孔口流動控制裝置耦合到再循環管道并且被配置成動態地改變隨控制參數變化的從燃料輸送出口進入到排放管道中的流體的比例。
[0014]可變孔口流動控制裝置還可以被配置成動態地改變隨以下控制參數中的一個或多個變化的進入到排放管道中的流體的比例:(Vi)燃料回路中的壓力；(Vii)再循環管道中的溫度。再循環管道可包括以下中的一個或兩個:被配置成從燃料回路中提取液體水的水分離器；以及被配置成從燃料回路中提取水蒸氣的冷凝器。可變孔口流動控制裝置還可以被配置成動態地改變隨從燃料回路被提取的水和/或水蒸氣的量變化的進入到排放管道中的流體的比例。再循環管道可以經由燃料輸送管道中的噴射器耦合到燃料輸送管道，再循環管道被耦合到噴射器的吸入口并且燃料輸送入口被耦合到噴射器的排出口。噴射器可以是可變孔口噴射器。電化學燃料電池組件還可包括燃料回路中的以下中的一個或多個:氫濃度傳感器;濕度傳感器;壓力傳感器;溫度傳感器。一個或多個傳感器可以位于燃料輸送管道和/或再循環管道中。電化學燃料電池組件可包括在噴射器的排出口與燃料輸送入口之間的燃料輸送管道中的濕度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。電化學燃料電池組件可包括在噴射器的排出口與燃料輸送入口之間的燃料輸送管道中的氫濃度傳感器。可變孔口流動控制裝置可還包括控制器，其被配置成改變通過流動控制裝置到排放管道的流體的流量，以便使燃料利用效率最大化。可變孔口流動控制裝置可還包括控制器，其被配置成改變通過流動控制裝置到排放管道的流體的流量，以便恢復燃料電池性能。再循環管道可包括以下中的一個或兩個:(i)被配置成從燃料回路中提取液體水的水分離器；(ii)被配置成從燃料回路中提取水蒸氣的冷凝器。燃料電池組件還可包括控制器，其被配置成調制噴射器的排出壓力，以便通過水分離器和/或冷凝器增加過量水從再循環管道中的除去。電化學燃料電池組件可包括再循環管道中的換熱器。可變孔口流動控制裝置還可包括控制器，其被配置成改變從燃料輸送出口進入到排放管道中的流體的比例，以便使燃料利用效率最大化。可變孔口流動控制裝置還可包括控制器，其被配置成改變從燃料輸送出口進入到排放管道中的流體的比例，以便恢復燃料電池性能。
[0015]電化學燃料電池組件可包括燃料輸送出口與可變孔口流動控制裝置之間的燃料濃度傳感器，流動控制裝置被配置成動態地改變隨由燃料濃度傳感器測量的燃料濃度變化的從燃料輸送出口進入到排放管道中的流體的量。燃料濃度傳感器可以是氫濃度傳感器。電化學燃料電池組件可包括燃料輸送出口與燃料濃度傳感器之間以下中的一個或兩個:被配置成提取液體水的水分離器；以及被配置成提取水蒸氣的冷凝器。
[0016]可變孔口流動控制裝置可包括閥，其具有由步進馬達控制的可變孔口，以從而控制穿過流動控制裝置的流體的量。可變孔口流動控制裝置可包括電磁體，其可由脈沖寬度調制的可變占空比控制信號驅動，以改變機械限制器在流動控制裝置中的位置，以從而控制穿過流動控制裝置的流體的量。
[0017]電化學燃料電池組件可包括被配置成將AC電流或電壓調制施加于至少一個電池輸出的電化學阻抗譜分析系統，流動控制裝置被配置成動態地改變隨在一個或多個頻率下的一個或多個電池的測量阻抗改變的從燃料輸送出口進入到排放管道中的流體的量。
[0018]根據另一個方面，本發明提供操作電化學燃料電池組件的方法，其包括:
[0019]提供具有燃料輸送入口和燃料輸送出口、多個燃料電池的燃料電池堆，所述多個燃料電池各自具有膜-電極組件和流體流動路徑，所述流體流動路徑耦合在所述燃料輸送入口與所述燃料輸送出口之間用于將所述燃料輸送到所述膜-電極組件；
[0020]經由耦合到所述燃料輸送入口的燃料輸送管道將燃料輸送到所述燃料電池堆；[0021 ]經由耦合到所述燃料輸送出口的排放管道將流體排放出所述堆；
[0022]控制耦合到所述排放管道的可變孔口流動控制裝置以動態地改變隨以下所述控制參數中的一個或多個變化的從所述燃料輸送出口進入到所述排放管道中的流體的量:
(i)測量的燃料濃度；(ii)測量的濕度；(iii)所述堆中的燃料電池的電池電壓；(iv)所述堆中的燃料電池的阻抗;(V)所述堆中的燃料電池的電阻。
[0023]根據另一個方面，本發明提供用于電化學燃料電池組件中的計算機程序，所述電化學燃料電池組件具有帶有燃料輸送入口和燃料輸送出口以及多個燃料電池的燃料電池堆，所述多個燃料電池各自具有膜-電極組件和流體流動路徑，所述流體流動路徑耦合在燃料輸送入口與燃料輸送出口之間用于將燃料輸送到膜-電極組件，燃料電池組件還包括耦合到燃料輸送入口的燃料輸送管道用于將流體燃料輸送到堆和耦合到燃料輸送出口的排放管道用于將流體排放出堆以及耦合到排放管道的可變孔口流動控制裝置；
[0024]當加載到所述電化學燃料電池組件的控制器時，所述計算機程序被配置成使所述控制器提供輸出信號，以控制所述可變孔口流動控制裝