CN101820070A - 两阶段、无hfr的冻结预备关闭方案 - Google Patents

两阶段、无hfr的冻结预备关闭方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及两阶段、无HFR的冻结预备关闭方案。一种在燃料电池系统关闭时提供燃料电池堆吹扫的系统和方法。所述方法提供两阶段吹扫过程，其中，第一阶段吹扫使用湿化阴极空气以使得燃料电池堆从系统关闭时的未知燃料电池堆水化水平达到已知燃料电池堆水化水平。当燃料电池堆用湿化空气进行吹扫时，燃料电池堆的水化水平渐近地降低至已知燃料电池堆水化水平，其中，第一阶段的持续时间基于作为安全边际的渐近线来设定。一旦实现已知水化水平，那么用干燥空气进行第二阶段吹扫，以将燃料电池堆水化度进一步降低至期望最终水化水平。

Description

两阶段、无HFR的冻结预备关闭方案
技术领域
本发明总体上涉及在系统关闭时吹扫燃料电池堆的方法，更具体地涉及在系统关闭时使用两阶段过程来吹扫燃料电池堆的方法，其中，第一阶段包括用具有已知相对湿度的湿化阴极空气吹扫燃料电池堆以使得燃料电池堆达到已知水化水平，第二阶段包括用干燥阴极空气吹扫燃料电池堆以将燃料电池堆水化水平从已知水化水平降低至期望最终水化水平。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应物气体。燃料电池堆也包括冷却流体流经的流动通道。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应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。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。
本领域熟知的是，燃料电池的膜以受控的水化水平操作，使得跨过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。来自于燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度(RH)通常借助于控制多个燃料电池堆操作参数(例如，燃料电池堆压力、温度、阴极化学计量比和进入燃料电池堆的阴极空气的相对湿度)被控制，以控制膜的水化水平。通过保持阴极出口相对湿度在具体设定点，例如80％，可以保持合适的燃料电池堆膜水化水平。
如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物生成。因而，来自于燃料电池堆的阴极排气将包括水蒸汽和液体水。本领域中已知经由阴极入口空气流从阴极排气流回收水并使之返回燃料电池堆。可以使用许多装置来执行这种功能，例如水蒸汽传输(WVT)单元。
在燃料电池系统关闭期间，期望给膜提供一定量的水化水平，使得膜不过湿或者过干。这通常通过用干燥空气吹扫燃料电池堆的阴极侧或者燃料电池堆的阴极和阳极侧两者具体时间段来完成。燃料电池堆中过多的水可能在低温环境下引起问题，其中，水的冻结将产生冰，冰阻塞流动通道并影响系统的重新启动。然而，过长的吹扫将使得膜变得过干，其中，膜可能在下一次系统重新启动时具有过低的质子传导性，从而影响重新启动性能且降低燃料电池堆的耐用性。燃料电池堆中的水的实际目标克数将根据系统和某些系统参数而变化。
对于具有300个燃料电池的燃料电池堆且每个燃料电池的活性面积接近400cm2，燃料电池堆在系统关闭时可具有约200克的水。期望该尺寸的燃料电池堆在系统关闭期间具有约23克的水，使得膜被适当地水化。23克的水是λ/3燃料电池堆，其中λ表示膜水化度，即，每个燃料电池的膜中的每个磺酸分子的水分子数。通过知道在系统关闭时燃料电池堆中实际上有多少水，可以设置期望空气吹扫流率和空气吹扫持续时间，从而能够实现23克的水的目标值。可以采用模型来基于燃料电池系统操作期间的燃料电池堆操作参数估计燃料电池堆中的水量。然而，有许多系统操作参数，因而在车辆操作从启动至随后关闭(可能在高达几小时之后)的过程期间通常难以实现模型精确度。
本领域中已知提供对燃料电池堆中的膜的高频电阻(HFR)测量，以提供燃料电池堆中的水或膜水化度的精确测量。HFR测量在燃料电池堆的电负载上提供高频部件，所述高频部件操作以在燃料电池堆的当前输出上生成高频波动。测量高频部件的电阻，其是燃料电池堆中的水量的函数。虽然HFR测量给出了燃料电池堆中的水量的精确指示，但是提供HFR测量所需的电路是相对昂贵的且不总是可靠的。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种在燃料电池系统关闭时提供燃料电池堆吹扫的系统和方法。所述方法提供两阶段吹扫过程，其中，第一阶段吹扫使用湿化阴极空气以使得燃料电池堆从系统关闭时的未知燃料电池堆水化水平达到已知燃料电池堆水化水平。当燃料电池堆用湿化空气进行吹扫时，燃料电池堆的水化水平渐近地降低至已知燃料电池堆水化水平，所述已知燃料电池堆水化水平与空气的RH处于均衡，其中，第一阶段的持续时间基于作为安全边际的渐近线来设定。一旦实现已知水化水平，那么用干燥空气进行第二阶段吹扫，以将燃料电池堆水化度进一步降低至期望最终水化水平。
一种燃料电池系统，包括：
包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；
水蒸汽传输单元，所述水蒸汽传输单元用于在阴极空气被送至燃料电池堆之前湿化来自于压缩机的阴极空气；和
控制器，所述控制器在燃料电池堆吹扫期间控制压缩机和所述水蒸汽传输单元，所述燃料电池堆吹扫包括第一阶段吹扫和第二阶段吹扫，所述压缩机在第一阶段吹扫期间通过所述水蒸汽传输单元提供湿化阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平基于第一阶段吹扫期间阴极入口空气的相对湿度而下降至已知水化值；且然后在第二阶段吹扫期间提供干燥阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平从第一阶段吹扫结束时的已知水化值下降至在第二阶段吹扫结束时的期望水化水平。
所述控制器包括燃料电池堆水化模型，所述燃料电池堆水化模型估计在系统关闭时燃料电池堆中的水量，以确定第一阶段吹扫的长度。
第一阶段吹扫的长度基于燃料电池堆的水化水平需要多长时间来渐近地达到已知水化值而确定。
所述已知水化值是燃料电池堆中大约48克水。
所述期望水化水平是燃料电池堆中大约23克水。
所述期望水化水平是燃料电池堆中燃料电池的膜中每个磺酸分子三个水分子。
第一阶段吹扫包括使用具有小于100％的相对湿度水平的湿化阴极空气。
阴极空气用于吹扫燃料电池堆的阴极侧或阳极侧或者阴极侧和阳极侧两者。
在第一阶段期间吹扫燃料电池堆使得燃料电池堆的水化水平以渐近的方式下降至已知水化值。
一种燃料电池系统，包括：
包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；
水蒸汽传输单元，所述水蒸汽传输单元用于在阴极空气被送至燃料电池堆之前湿化来自于压缩机的阴极空气；和
控制器，所述控制器在燃料电池堆吹扫期间控制压缩机和所述水蒸汽传输单元，所述控制器包括燃料电池堆水化模型，所述燃料电池堆水化模型估计在系统关闭时燃料电池堆中的水量，所述燃料电池堆吹扫包括第一阶段吹扫和第二阶段吹扫，所述压缩机在第一阶段吹扫期间通过所述水蒸汽传输单元提供湿化阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平基于第一阶段吹扫期间阴极入口空气的相对湿度以渐近的方式下降至已知水化值；且然后在第二阶段吹扫期间提供干燥阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平从第一阶段吹扫结束时的已知水化值下降至在第二阶段吹扫结束时的期望水化度，其中，所述燃料电池堆水化模型允许控制器更精确地确定第一阶段吹扫的长度。
对于具有大约300个电池和400cm2活性面积每个电池的燃料电池堆来说，所述已知水化值是燃料电池堆中大约48克水。
对于具有大约300个电池和400cm2活性面积每个电池的燃料电池堆来说，所述期望水化度是燃料电池堆中大约23克水。
所述期望水化水平是燃料电池堆中燃料电池的膜中每个磺酸分子大约三个水分子。
第一阶段吹扫包括使用具有小于100％的相对湿度水平的湿化阴极空气。
阴极空气用于吹扫燃料电池堆的阴极侧和阳极侧两者。
一种吹扫燃料电池系统中的燃料电池堆的方法，所述方法包括：
用处于已知相对湿度水平的湿化空气吹扫燃料电池堆；和
用干燥空气吹扫燃料电池堆以使得燃料电池堆达到期望水化水平。
用湿化空气吹扫燃料电池堆包括用湿化空气吹扫燃料电池堆使得燃料电池堆的水化水平渐近地下降至已知水化水平。
对于具有大约300个电池和400cm2活性面积每个电池的燃料电池堆来说，所述已知水化水平是大约48克水。
用干燥空气吹扫燃料电池堆包括用干燥空气吹扫燃料电池堆，直到对于具有大约300个电池和400cm2活性面积每个电池的燃料电池堆来说，所述燃料电池堆达到大约23克水的期望水化水平。
所述方法还包括使用燃料电池堆水化模型来估计在用湿化空气吹扫燃料电池堆之前的燃料电池堆水化水平，以确定用湿化空气吹扫燃料电池堆的时间长度。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性框图；和
图2是曲线图，y轴示出了燃料电池堆中的水的克数，x轴示出了时间。
具体实施方式
涉及使用两阶段吹扫过程来吹扫燃料电池堆的方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图。燃料电池系统10也包括压缩机14，压缩机14在管线18上提供阴极入口空气流给燃料电池堆12。阴极空气在阴极排气管线20上离开燃料电池堆12。阴极输入管线18中设置水蒸汽传输(WVT)单元22。如本领域技术人员熟知的那样，WVT单元通常包括渗透膜或其它多孔材料，以及在其中的旁通管线。WVT单元22的水分将通常由来自于阴极排气管线20中的阴极排气的阴极排气气体提供。氢气源24在阳极输入管线26上提供新鲜干燥氢气给燃料电池堆12的阳极侧，其中，阳极排气在阳极排气管线28上从燃料电池堆12输出。阳极输入管线26中的阀30(通常是喷射器)调节进入燃料电池堆12的氢气流量。
燃料电池系统10也包括阴极入口空气旁通管线36，阴极入口空气旁通管线36允许阴极空气传输给燃料电池堆12的阴极和阳极侧两者。在正常操作期间，阴极入口空气旁通管线36中的阀34关闭，以防止空气与氢气混合并进入燃料电池堆的阳极侧。在燃料电池堆吹扫期间，阴极入口空气旁通管线36中的阀34可以开启，且阳极输入管线26中的阀30关闭，以从燃料电池堆12的阳极侧吹扫水。
根据本发明，在系统关闭时提供燃料电池堆12的吹扫，以从燃料电池堆12去除足够的水，使得冻结状况不再是问题，但是保持充足的膜水化度，以便膜包含足够的水用于下一次系统启动。燃料电池系统10不需要高频电阻测量来确定燃料电池堆12中的水且不需要知道在系统关闭时燃料电池堆12中的水量。取而代之，燃料电池堆吹扫采用两阶段吹扫过程，其中，第一吹扫使用来自于压缩机14的湿化阴极空气以从燃料电池堆12吹扫水，直到燃料电池堆12的水化度经由渐近限制变为已知，且然后在第二阶段中使用来自于压缩机12的干燥空气以将燃料电池堆水化度降低至最终水化水平。
图2是示出了本发明的两阶段吹扫过程的曲线图，其中水平轴表示时间，竖直轴表示燃料电池堆12中的水量。系统10在点50处关闭，其中，对于具有约200cm2活性面积每个燃料电池的300个电池的燃料电池堆来说，燃料电池堆12中的水量将通常约为200克，但是水量将不是具体知道的。在吹扫的第一阶段期间，来自于压缩机14的空气用于吹扫燃料电池堆12的阴极侧以及可能阴极和阳极侧两者，其中由WVT单元22湿化的空气处于低于100％的已知湿度水平(例如80％)。如本领域已知的那样，WVT单元22的操作可以精密控制以控制从其输出的阴极空气的湿度水平。
在第一阶段吹扫期间，燃料电池堆12中的水量将基于由WVT单元22提供的空气湿化量下降至某值，该值在此是燃料电池堆12中的大约48克水。由于阴极吹扫空气的入口湿度在第一阶段吹扫期间相同，因此，燃料电池堆12中的水量在一定时间量之后渐近地达到该湿度水平的具体水量。因而，即使不准确知道燃料电池堆的初始水化水平，但是由于渐近性质，可以规定导致已知水化水平的吹扫时间。在该时间段经过之后，可以旁通WVT单元22且吹扫空气可以切换为干燥空气。由于吹扫是干燥的，因此将已知空气需要多长时间来将燃料电池堆12中的水从第一阶段结束时的已知水量降低至期望水量，例如23克。
第一阶段吹扫的长度可以针对假定燃料电池堆膜在时间50时完全水化而应该有多长的期望安全边际来设定。如果使用模型来基于关闭时的系统参数而近似燃料电池堆12中的水量，那么第一阶段吹扫的时间长度可以进一步减少。
使用燃料电池堆12的该两阶段吹扫以两种方法从燃料电池堆12去除水。第一，空气可以通过从燃料电池堆12物理地吹走水来去除液体水。这是去除已经收集在燃料电池堆12的通道和槽道区域中的液体水的有效方式，但是不是去除膜中存在的水或扩散介质中存在的水滴的有效方式。因而，需要第二方法来通过使用气液平衡来从膜和扩散介质去除水。该第二方法是本发明的第二阶段，包括将干燥空气供应到燃料电池堆12中。因而，水在湿化干燥空气时被去除。描述通过气液平衡去除水的等式如下：
ywsat＝f(T，P) (1)
其中，ywsat是空气中的水的饱和摩尔比例，单位gmole水/总的gmole，且其中：
N w = F air [ ( MW w MW air ) ( y wsat 1 - y wsat ) ] η - - - ( 2 )
其中，Nw是水去除速率，单位g空气/秒；Fair是干燥空气供应速率，单位g空气/秒；MWw是水的分子重量，18g/gmole；MWair是空气的分子重量，28.8g/gmole；ywsat是空气中的水的饱和摩尔比例，单位gmole水/总的gmole；且η是水去除效率。
等式(1)显示，空气中的水的饱和摩尔比例是系统温度和压力的函数。例如，在80℃和1.1atm时，ywsat是0.42gmole水/总的gmole。如果系统温度降低至50℃，那么ywsat变为0.11gmole水/总的gmole。应当注意的是，该关系是水-空气系统的物理属性或者热力学属性。
等式(2)显示了水去除速率如何随着干燥空气流率、水的饱和摩尔比例以及水去除效率而增加。由于系统的复杂性，水去除效率通常经验确定。当Fair增加时，效率将往往降低，在Fair变为无穷大时，逼近0。相反，当Fair减小时，效率增加，在Fair变为0时，逼近1。经验表明，例如，当将具有380cm2的活性面积每个燃料电池的300个电池的燃料电池堆在30秒内从50克的水含量干燥至25克的水含量时，得到0.95-1.0范围内的水去除效率。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：
包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；
水蒸汽传输单元，所述水蒸汽传输单元用于在阴极空气被送至燃料电池堆之前湿化来自于压缩机的阴极空气；和
控制器，所述控制器在燃料电池堆吹扫期间控制压缩机和所述水蒸汽传输单元，所述燃料电池堆吹扫包括第一阶段吹扫和第二阶段吹扫，所述压缩机在第一阶段吹扫期间通过所述水蒸汽传输单元提供湿化阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平基于第一阶段吹扫期间阴极入口空气的相对湿度而下降至已知水化值；且然后在第二阶段吹扫期间提供干燥阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平从第一阶段吹扫结束时的已知水化值下降至在第二阶段吹扫结束时的期望水化水平。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括燃料电池堆水化模型，所述燃料电池堆水化模型估计在系统关闭时燃料电池堆中的水量，以确定第一阶段吹扫的长度。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，第一阶段吹扫的长度基于燃料电池堆的水化水平需要多长时间来渐近地达到已知水化值而确定。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述已知水化值是燃料电池堆中大约48克水。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述期望水化水平是燃料电池堆中大约23克水。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述期望水化水平是燃料电池堆中燃料电池的膜中每个磺酸分子三个水分子。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，第一阶段吹扫包括使用具有小于100％的相对湿度水平的湿化阴极空气。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，阴极空气用于吹扫燃料电池堆的阴极侧或阳极侧或者阴极侧和阳极侧两者。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，在第一阶段期间吹扫燃料电池堆使得燃料电池堆的水化水平以渐近的方式下降至已知水化值。
10.一种燃料电池系统，包括：
包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；
水蒸汽传输单元，所述水蒸汽传输单元用于在阴极空气被送至燃料电池堆之前湿化来自于压缩机的阴极空气；和
控制器，所述控制器在燃料电池堆吹扫期间控制压缩机和所述水蒸汽传输单元，所述控制器包括燃料电池堆水化模型，所述燃料电池堆水化模型估计在系统关闭时燃料电池堆中的水量，所述燃料电池堆吹扫包括第一阶段吹扫和第二阶段吹扫，所述压缩机在第一阶段吹扫期间通过所述水蒸汽传输单元提供湿化阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平基于第一阶段吹扫期间阴极入口空气的相对湿度以渐近的方式下降至已知水化值；且然后在第二阶段吹扫期间提供干燥阴极空气给燃料电池堆，使得燃料电池堆水化水平从第一阶段吹扫结束时的已知水化值下降至在第二阶段吹扫结束时的期望水化度，其中，所述燃料电池堆水化模型允许控制器更精确地确定第一阶段吹扫的长度。
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