CN101764244A - 燃料电池系统中氢进入阴极入口的方法和控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统中氢进入阴极入口的方法和控制，尤其涉及在燃料电池系统启动时快速加热燃料电池堆的系统和方法。该燃料电池系统包括位于阳极排气装置中的三通阀，该阀选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极入口，从而使阳极废气中的氢可以用于加热燃料电池堆。在正常运行期间，当燃料电池堆处于所需温度时，阳极排气装置中的三通阀可以用于将氮气排向阴极排气装置。

Description

燃料电池系统中氢进入阴极入口的方法和控制

技术领域

本发明通常涉及燃料电池堆启动时对其进行加热的系统和方法，具体来说，涉及在燃料电池堆冷启动时对其进行加热的系统和方法，包括将燃料电池堆的阳极废气导至阴极入口。

背景技术

氢气由于其清洁性以及在燃料电池中可以高效地产生电，从而成为非常受关注的燃料。氢燃料电池是电化学装置，其包含阳极、阴极以及位于上述两者之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧气和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，所以在被送到阴极之前被导引通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导性膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包含有细碎的催化粒子，通常为铂(Pt)，其担载在碳粒子上且与离子交联聚合物混合。催化混合物被沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物以及膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造成本相对较高，而且需要一定条件才能有效运转。

典型地，数个燃料电池组合在燃料电池堆中以产生需要的功率。例如，车用典型燃料电池堆可以具有两百个或更多的堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，典型地是由压缩机吹过燃料电池堆的空气流。并不是全部氧气都被燃料电池堆消耗，部分空气作为阴极废气被排出，废气中可能包括有作为电池堆附产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢气反应气体，这些气体流入电池堆的阳极侧。电池堆还包括冷却性流体流过的流动通道。

燃料电池堆包括一系列位于电池堆中数个MEA之间的双极板，其中所述双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧，用于电池堆中的相邻燃料电池。双极板的阳极侧上具有阳极气体流动通道，从而允许阳极反应气体流到各自的MEA。双极板的阴极侧上设有阴极气体流动通道，从而允许阴极反应气体流到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由传导性材料制成，如不锈钢或传导性复合物。端板将燃料电池产生的电力传导出电池堆。双极板也包括有冷却性流体流过的流动通道。

MEA具有可渗透性，这样就允许空气中的氮气从电池堆阴极侧渗透穿过该阴极侧，并在电池堆的阳极侧中收集，在工业上称之为氮气穿越。即使阳极侧的压力可以大于阴极侧的压力，阴极侧分压还是使得空气穿过该膜。燃料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，这样如果氮气浓度增加超过一定的百分含量，如50％，那么燃料电池堆会变得不稳定和可能失效。现有技术中已知的是在燃料电池堆的阳极废气出口处设置排放阀来将氮气从电池堆阳极侧排出。

算法被通常用于在线估计在电池堆运行过程中阳极废气中的氮气浓度以确定何时触发阳极废气排放。该算法基于从阴极侧到阳极侧的渗透率以及阳极废气的周期性排放来跟踪电池堆阳极侧中氮气浓度和时间的变化关系。当该算法计算出的氮气浓度升高高于预定阈值，例如10％，算法就会触发排放。排放持续一定时间使得多个电池堆阳极容量得到排放，从而使得氮气的浓度降低到该阈值之下。

现有技术中所熟知的，燃料电池的膜运行中具有受控的相对湿度(RH)以使得横跨该膜的离子电阻足够低以有效传导质子。典型地是通过控制数个堆运行参数来控制来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度，从而控制膜的相对湿度，其中所述堆运行参数如电池堆的压力、温度、阴极化学计量以及进入电池堆的阴极气体的相对湿度。

PEM燃料电池堆的电导是电池堆温度和湿度的函数。燃料电池堆冷的时候不能产生全部功率。为了帮助燃料电池堆快速升温(这通常在电池堆低于冰点的情况下系统启动时是需要的)，氢气有时被送到电池堆的阴极侧，在那里与阴极侧催化剂和氧气反应来产生热量。典型地，为此目的使用来自阳极输入源的新鲜氢气。

发明内容

根据本发明的教导，用于在燃料电池系统启动时快速加热燃料电池堆的系统和方法被公开。该燃料电池系统包括位于阳极排气装置(anode exhaust)中的三通阀(three-way valve)，该阀选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极输入，这样阳极废气中的氢气可以用来加热燃料电池堆。在正常运行(此时燃料电池堆处于期望的温度)期间，阳极排气装置中的三通阀可用于将氮气排放到阴极排气装置(cathode exhaust)中。

结合附图，本发明的其它特征会在以下描述和后附的权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1是现有燃料电池系统的平面示意图，该燃料电池系统包括阀，该阀选择性地将新鲜氢气从氢气源导至燃料电池堆阴极输入；和

图2是根据本发明实施方案的燃料电池系统的平面示意图，该系统选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极输入或阴极废气管线。

具体实施方式

下面对本发明如下实施方案的讨论本质上仅仅是示例性的，绝不意在限制本发明或其应用或用途；所述实施方案涉及选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极输入以在冷启动时加热电池堆的系统和方法。

图1是包含有燃料电池堆12的现有燃料电池系统10的平面示意图。燃料电池系统10还包括压缩机14，用于通过阴极输入管线16将阴极入口空气提供给燃料电池堆12。阴极废气通过阴极废气管线18从电池堆12排出。燃料电池系统10还包括在阳极输入管线22上将新鲜氢气提供给燃料电池堆12阳极侧的氢气源20。受控量的阳极废气通过阳极废气输出管线24从燃料电池堆12输出。当燃料电池系统10没有工作时，高压阀26关闭阳极输入管线22，从而将氢气保存在氢气源20中。

阳极废气排放阀28位于阳极废气管线24中，其根据阳极排放算法周期性开启从而将氮气从燃料电池堆12的阳极侧去除。当排放阀28开启时，阳极废气被导向阴极排出管线18，在此被稀释然后排到环境中。将氮气从燃料电池堆12的阳极侧排放的算法和控制策略是本领域公知的。而且，在替换性实施方案中，燃料电池堆可以是本领域技术人员熟知的采用阳极流动转换的分离堆(split stack)。

如上所述，在用于在系统启动时加热燃料电池堆12的一个已知技术中，来自氢气源20的新鲜氢气通过旁路阀30从旁路管线32输送到阴极输入管线16，从而能够在燃料电池堆12阴极侧上提供氢气和阴极催化剂的燃烧，使得电池堆12更快达到其工作温度，特别是在冷的或冷冻的系统启动时。控制旁路阀30的控制策略是本领域技术人员已知的，即基于系统温度、压力等提供所需的氢气量至燃料电池堆12的阴极侧。

图2是根据本发明的实施方案的与燃料电池系统10类似的燃料电池系统40的平面示意图，其中类似的部件采用相同附图标记进行标识。燃料电池系统40通过去除将新鲜氢气从氢气源20导向阴极输入管线16从而在系统启动时加热燃料电池堆12的过程，相比燃料电池系统10具有多个优点。就此而言，去除了旁路管线32和旁路阀30。代替从氢气源20提供新鲜氢气来加热电池堆12，本发明提出利用阳极废气管线24中的阳极废气作为待在燃料电池堆12的阴极侧中燃烧的氢气源。为实现该方案，系统40包括位于阳极废气管线24中的三通阀42，并结合有排放阀28。在系统启动期间(此时合意的是提供氢气至燃料电池堆12的阴极侧)，排放阀28开启并控制三通阀42使得排放的阳极废气沿着管线44被导向阴极输入管线16。三通阀42开向阴极输入管线16以获得适宜氢气量的时间量会取决于具体的系统。在电池堆正常运行期间，当电池堆12处于其运行温度以及被命令排放阳极废气时，排放阀28开启，并且控制三通阀42使得阳极废气沿着管线46被导向阴极废气管线18。

在该实施方案中，三通阀42通常处于打开状态，允许气体流向阴极废气管线18或管线44。这就是依然需要排放阀28的原因。在另一个实施方案中，能够用能够被关闭的三通阀来代替阀42，这种情况下能够去除排放阀28。

采用这种将氢气供给燃料电池堆12阴极侧的方法的优点之一就是与图1所示的加热技术相比，阳极化学计量(anode stoichiometry)增加。阳极化学计量的增加使得阳极气体速度和通过电池堆12阳极流场的体积流速增加，从而促进了氮气和水(包括液态水)的去除。这与连续、高流量排放的效果一样，但是，与排放的阳极废气物流中的氢气被堆积到阴极废气管线18中且被浪费不同，所述氢气用于提供所需的电池堆加热。本发明的方法的第二个优点是去除了旁路阀30。即使增加了三通阀42，这仍然是优点，因为阀30与氢气源20相连接，所述氢气源典型地处于高压力，如大约500-750kPh，而阀42是相对低压力的阀，如小于150kPh。由于相关密封的附加要求，高压阀典型地更贵。

更进一步，系统40的机械化允许阳极废气在其它时间(此时，所述消耗是希望的，比如在如果需要热量来保持电池堆温度的延长的待机期间)被消耗。而且，将阳极废气送入阴极入口将减少通过尾气管排出车辆的氢气浓度。一些氢气安全规范要求废气中的氢气在任何时间都要低于4％，以及一般要低于2％。注意这将增加车辆散热器的热负担。根据其它实施方案，三通阀42可以能够完全消除，其中阳极废气通常送到阴极入口。

针对冷启动将适当量的氢气放入阴极的一个基础性问题是调节阴极化学计量。典型地，电池堆12在冷启动期间需要相对于空气一定百分比的氢气，其中4％是典型值。控制算法可以关注空气入口仪表，并确定会需要多少摩尔/秒达到4％的目标值。如果阳极输送那些量的氢气，则恰恰在进入电池堆12之前的阴极物流包括精确量的氢气。随着空气/氢气混合物进入电池堆12，在铂存在的情况下氢气和氧气结合，可用于电池堆正常运行的氧气量减少。这实质上减少了电池堆12的所需阴极化学计量。如果为了考虑被所述氢气消耗的量而增加空气流，则阴极空气流也会走高并且氢气流也相应增加。这种逻辑循环的多次重复最终导致进入电池堆12的氢气和空气出现稳定的、不合需要的增加。

根据测试和燃料经济性需求可以确定，燃料电池系统的补充性加热需求会随着环境变量和系统变量而发生变化。例子是根据冷却性流体的温度确定阳极控制方法。在具有三个不同状态的系统中，能够提供如下三个状态：将氢气的3％排入阴极入口，以正常运行时间间隔将氢气排入阴极入口，以及将氢气排入阴极出口流。

由于在PEM燃料电池中所用材料的特性，当阴极使用空气工作时，发生从阴极到阳极的氮气扩散。这种氮气的积累典型地使得燃料电池系统的阳极子系统(sub-system)上排气阀的使用变得必要。为了控制通过阳极排气阀的流动，使用特征孔来限制流动。调整阳极子系统相对于阴极系统的压力来产生通过该孔的适当流速。该控制方法可以用下式来描述：

$\stackrel{\·}{n}\∝\frac{\mathrm{kv}}{M}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}(p_1^2-p_2^2)}{T\left(K\right)}}$

其中

为通过阀的摩尔流速，M是摩尔质量，κv是该阀的流动系数常数，ρ是气体的密度，p₁是阀入口处的压力，p₂是阀出口处的压力，T是该阀孔中的开氏温度。

[0025]由于氢气和氮气的摩尔质量和密度不同，排放物流中氮气的小分压能够造成在从排气阀出来的氢气的流量显著的不同。当在低温启动过程中用于辅助加热时，需要精确地控制氢气的流量。在实际应用中，需要使用将氮气穿越模型和阀模型组合在一起的控制算法来小心地计量流入阴极的氢气。

[0026]解决该问题的一个方案需要合适的算法。为了电池堆的性能必须保持电池堆12所需的摩尔/秒的氧气。所需的氢气百分含量和电池堆12所需的氧气可用于计算氢气消耗的氧气量。压缩机14被命令以为电池堆12和所述氢气消耗提供足够的氧气，从而有效地提高阴极化学计量以补偿氢气消耗。因为该额外的空气流，通过阴极输入管线16的空气流将上升，但是对该测量值进行调整以减去消耗的额外氧气，所述经过调整的空气流是计算待输送到电池堆12阳极的氢气摩尔流量的值。这避免了在电池堆升温过程中通向电池堆12的阴极侧的空气流和氢气的流量的上升。该系统实际上具有少于所需的氢气百分比，但是所输送的热能与原先计划的一样。该较低的氢气百分比将帮助停留在所需的限值下，同时也确保排放得到满足。

[0027]以上论述的内容仅仅披露和描述了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员通过上述论述和附图以及权利要求会意识到：在不偏离如后附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下本发明能够进行多种改变、变化和修改。

Claims (19)

1.燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，其具有阳极入口、阴极入口、阳极排气装置和阴极排气装置；

氢气源，用于向所述燃料电池堆的所述阳极入口提供氢气；

压缩机，用于向所述燃料电池堆的所述阴极入口提供压缩空气；以及

在所述阳极排气装置中提供的三通阀，所述三通阀在电池堆正常工作期间选择性地将阳极废气导向所述阴极入口和所述阴极排气装置。

2.如权利要求1所述的系统，还包括在所述阳极排气装置中的排放阀，用于将阳极废气排放到所述阴极排气装置。

3.如权利要求1所述的系统，其中当命令氮气排放时，所述三通阀选择性地将阳极废气导向所述阴极排气装置。

4.如权利要求3所述的系统，其中命令氮气排放是基于氮气排放算法做出的。

5.如权利要求1所述的系统，其中当阳极废气提供到所述阴极入口时阴极化学计量被调整，以提供在所述燃料电池堆中的压缩空气和氢气的所需比例。

6.如权利要求5所述的系统，其中氢气和阴极空气的所述所需比例大约是2％。

7.如权利要求1所述的系统，其中在系统冷启动期间所述三通阀选择性地将阳极废气导向所述阴极入口。

8.燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，其具有阳极入口、阴极入口、阳极排气装置和阴极排气装置；

氢气源，用于向所述燃料电池堆的所述阳极入口提供氢气；

压缩机，用于向所述燃料电池堆的所述阴极入口提供压缩空气；

在所述阳极排气装置中提供的排放阀，用于将阳极废气排放到阴气排气装置中；以及

在所述阳极排气装置中提供的三通阀，在电池堆正常工作过程中，当阳气废气被命令排放时，所述三通阀选择性地将阳极废气导向所述阴极入口以及所述阴极排气装置。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述氮气排放是基于氮气排放算法而命令的。

10.如权利要求8所述的系统，其中当阳极废气提供到所述阴极入口时阴极化学计量被调整，以提供所述燃料电池堆中压缩空气与氢气的所需比例。

11.如权利要求10所述的系统，其中氢气与阴极空气的所述所需比例大约是2％。

12.如权利要求8所述的系统，在系统冷启动过程中所述三通阀选择性地将阳极废气导向阴极入口。

13.加热燃料电池堆的方法，所述方法包括：

提供空气至燃料电池堆的阴极入口；以及

选择性地将阳极废气导向所述燃料电池堆的所述阴极入口，使得所述阳极废气中的氢气在所述燃料电池堆的阴极侧燃烧并加热所述燃料电池堆。

14.如权利要求13所述的方法，还包括选择性地将所述阳极废气导向所述燃料电池堆的阴极排气装置，以提供阳极废气排放从而从所述电池堆阳极侧去除氮气。

15.如权利要求14所述的方法，其中选择性地将所述阳极废气导向所述阴极入口以及所述阴极排气装置包括将所述阳极废气选择性地引导通过公共阀。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述氮气排放是基于氮气排放算法而命令的。

17.如权利要求13所述的方法，其中当所述阳极废气被提供到所述阴极入口时，阴极化学计量被调整，从而提供了在所述燃料电池堆中压缩空气与氢气的所需比例。

18.如权利要求17所述的方法，其中氢气跟阴极空气的所述所需比例约为2％。

19.如权利要求13所述的方法，其中选择性地将所述阳极废气导向所述阴极入口包括在系统冷启动期间选择性地将所述阳极废气导向所述阴极入口。

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