CN104051761B - 防止水引起的损坏的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在一个或更多个实施例中，燃料电池系统包括：包括阳极和阴极的燃料电池堆、被设置为向阴极供氧的第一管道、被设置为向阳极供氢的第二管道以及独立于第一管道和第二管道设置并向第二管道供氧的第三管道。第三管道可以被设置为从第一管道向第二管道供氧。

Description

防止水引起的损坏的燃料电池系统
技术领域
各种实施例涉及用于管理水的生成和积累以防止水引起的损坏的燃料电池系统与方法。
背景技术
成本和耐用性会是氢燃料电池车辆的广泛使用的障碍。继而，燃料电池堆的耐用性会很大程度地依赖于燃料电池对诸如启动/关闭操作和怠速运转的应激源（stressors）的响应能力。除此之外，长的怠速（空闲）时期和关闭期间的操作状况会损坏燃料电池。
发明内容
在一个或更多个实施例中，燃料电池系统包括：包括阳极（106）和阴极（104）的燃料电池堆、被设置为向阴极供氧的第一管道（108）、被设置为向阳极（106）供氢的第二管道（110）以及独立于第一管道和第二管道设置并向第二管道（110）供氧的第三管道（112）。第三管道可以被设置为从第一管道（108）向第二管道（110）供氧。
燃料电池系统还可以包括比例阀，比例阀连接到第二管道以控制通过第二管道进入阳极的氢流量。比例阀可以设置在第三管道的上游或下游。
燃料电池系统还可以包括比例阀，比例阀连接到第三管道以控制通过第三管道进入第二管道的氧流量。
燃料电池系统还可以包括三通阀，三通阀连接到第一管道和第三管道以允许来自氧源的氧流量的至少一部分进入第三管道。
燃料电池系统还可以包括三通阀，三通阀连接到第二管道和第三管道以允许来自第三管道的氧流量的至少一部分进入第二管道。
第三管道可以独立于第一管道。在某些情况下，第三管道可以连接到第二氧源，第二氧源独立于连接到第一管道的第一氧源。
燃料电池系统还可以包括连接到氧源的氧流量控制器。
燃料电池系统还可以包括检测阳极与阴极之间的压力差的压力监测器（118）。压力监测器可以包括阳极压力读取器和阴极压力读取器。压力监测器可以与第三管道进行通信。
在一个或更多个实施例中，燃料电池系统包括：燃料电池堆，包括阳极和阴极；第一管道，被设置为向阴极供氧；第二管道，被设置为向阳极供氢；第一比例阀，连接到第二管道以控制通过第二管道进入阳极的氢流量；第三管道，独立于第一管道和第二管道设置，并且向第二管道供氧；以及第二比例阀，连接到第三管道以控制通过第三管道进入第二管道的氧流量。
燃料电池系统还可包括三通阀，三通阀连接到第一管道和第三管道以控制来自氧源的氧流量。
燃料电池系统还可包括三通阀，三通阀连接到第二管道和第三管道以允许来自第三管道的氧流量的至少一部分进入第二管道。
在可选实施例中，管理燃料电池系统的水引起的损坏的方法还可以包括以下步骤：提供燃料电池系统，燃料电池系统包括阳极和阴极、被设置为向阴极供氧的第一管道、被设置为向阳极供氢的第二管道以及与第一管道和第二管道流体连通地设置的第三管道；测量燃料电池操作参数；由测量的操作参数确定至少一个预定的燃料电池操作变量的值；根据至少一个燃料电池操作变量的确定值来控制通过第二管道进入阳极的氢流量；以及根据至少一个燃料电池操作变量的确定值来控制通过第三管道进入第二管道的氧流量，以控制燃料电池循环的预定阶段中的水生成，从而使水积累和任何相关的水引起的损坏最少化。
在可选实施例中，管理燃料电池系统的水引起的损坏的方法包括下述步骤：提供燃料电池系统，燃料电池系统包括：阳极和阴极、被设置为向阴极供氧的第一管道、被设置为向阳极供氢的第二管道以及与第一管道和第二管道流体连通地设置的第三管道；测量至少一个燃料电池操作参数；由测量的操作参数，确定至少一个预定的燃料电池操作变量的值；根据至少一个燃料电池操作变量的确定值来控制通过第二管道进入阳极的氢流量；以及根据至少一个燃料电池操作变量的确定值来控制通过第三管道进入第二管道的氧流量，以控制燃料电池循环的预定阶段中的水生成，从而使水积累和任何相关的水引起的损坏最少化。
控制步骤可包括：利用与第三管道流体连通地设置的流量控制装置通过第三管道供应氧流量的一部分。
测量燃料电池操作参数的步骤可测量阳极和阴极处的压力，并且所述确定步骤可获得阳极和阴极之间的任意压力差的值。
提供燃料电池系统的步骤还可包括提供与第二管道和第三管道连通的氧流量控制器，以便于根据压力差的值来调节氧流量。
所述的方法还可包括根据至少一个燃料电池操作变量的确定值在关闭循环期间需要来自阳极和阴极的电流的步骤。
附图说明
图1A说明性地描绘了根据本发明的一个或更多个实施例的燃料电池系统；
图1B说明性地描绘了在图1A的燃料电池系统中涉及的连接部的放大图；
图1C说明性地描绘了在图1A的燃料电池系统中涉及的另一连接部的放大图；
图2说明性地描绘了使用图1A的燃料电池系统的减少关闭期间的水积累的示例性工艺流程图；
图3说明性地描绘了在图1A的燃料电池系统中涉及的燃料电池堆的放大图。
具体实施方式
现在，将详细地参考本发明的实施例和方法，这些实施例和方法构成了发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。然而，将理解的是公开的实施例仅仅是可以以各种可替换形式实施的本发明的示例。因此，这里公开的具体细节不应被理解为限制，而仅仅作为本发明的任何方面的代表性基础和/或教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。
除了在示例中，或另有明确说明，在描述本发明的最宽广的范围时，在本说明书中表示材料的量或反应条件和/或使用条件的所有数量将被理解为用词语“大约”来修饰。在声明的数值限量内的实践通常是优选的。此外，除非明确地做出相反说明，否则百分比（%）、“…的一部分”以及比值是按重量计；适合于本发明相关的给定目的或对于给定目的优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类中的任意两个或更多个成员的混合物等同地适合或优选；用化学术语进行的成分的描述指的是添加到说明书中指明的任意组合时的成分，并且不一定排除一旦混合后混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩写的第一定义适用于同样缩写在此的所有后续使用，并且加上必要的变更适用于最初定义的缩写的常规文法变化；以及，除非特别指明与之相反，否则由与前面或后面对于同一性质提及的技术相同的技术来确定性质的测量。
还将被理解的是，因为特定的组件和/或条件当然可以变化，所以本发明不局限于如下描述的特定实施例和方法。此外，在此使用的术语仅被用于描述本发明的具体实施例的目的，而不意图以任何方式成为限制。
还必须注意，如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一种”、“一个”、“该”和“所述”包括复数的所指物，除非上下文另外清楚地指明。例如，以单数形式提到组件时意图包括多个组件。
贯穿本申请，在引用出版物时，这些出版物的全部公开内容在此通过引用全部包含于本申请中，以更全面地描述本发明所属的技术领域的状态。现在，将详细地参考发明人知晓的本发明的组成、实施例以及方法。然而，应该被理解的是所公开的实施例仅仅是可以以各种可替换形式实施的本发明的举例说明。因此，公开于此的特定细节将不被理解为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。
除了明确指明，在描述本发明的最宽广的范围时，在本说明书中表示材料的量或反应条件和/或使用条件的所有数量将被理解为用词语“大约”来修饰。
术语“阳极”指的是气体在燃料电池内在膜的带正电荷的一侧流动的特定区域。例如，阳极是氢气进入并且被剥夺电子的带正电荷的区域。
术语“阴极”指的是气体在燃料电池内在膜的带负电荷的一侧流动的特定区域。例如，阴极是氧气进入以与氢离子反应来产生电能和水的带负电荷的区域。
术语“聚合物电解质膜燃料电池”或“离子交换膜燃料电池”与缩写“PEMFC”可互换地使用，并且指的是将氢和氧的电化学反应期间释放的化学能转换为电能的带有聚合物电解质膜的燃料电池。
术语“膜电极组件”与缩写“MEA”可交换地使用。
燃料电池组件设计
随着对高效与清洁能源技术的兴趣的增长，在运输系统、固定系统、便携式系统和微电力系统中的应用方面，燃料电池特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC）已吸引了许多关注。
按照PEMFC的通常功能，氢流被输送到膜电极组件（MEA）的阳极侧。在阳极侧，氢被催化裂解成质子和电子。该氧化半电池反应表示如下：
在阳极：
H2→2H++2e－E0＝0V （1）
新形成的质子透过聚合物电解质膜至阴极侧。电子沿着外部负载电路移动到MEA的阴极侧，因此产生燃料电池的电流输出。与此同时，氧流被输送到MEA的阴极侧。在阴极侧，氧分子与透过聚合物电解质膜的质子和通过外部电路抵达的电子反应以形成水分子。该还原半电池反应表示如下：
在阴极：
1/2O2+2H++2e﹣→H2O E0=1.229V （2）
总反应：
H2+1/2O2→H2O E0=1.229V （3）
可逆反应表达在上述式中，并且显示了氢质子和电子与氧分子一起的复合以及水分子的形成。
燃料电池组件和发电机是公知的。一个示例燃料电池组件包括布置成堆的多个单体电池。每个单体电池具有设置在质子交换膜的两侧的阳极和阴极。燃料（诸如氢）被供应到质子交换膜的阳极侧上的电极。氧化剂（诸如空气）被供应到质子交换膜的阴极侧上的另一电极。燃料是流体并且通过板中的沟道移动到质子交换膜的阳极侧。氧化剂是流体并且通过另一板中的沟道移动到质子交换膜的阴极侧。
如已知的，燃料电池内的电化学反应产生水。尽管通常需要一些水来促进化学反应，但过度的水积累会淹没或损坏燃料电池。这是尤其要注意的事情，具体地说，在天气寒冷的日子里，在怠速（空闲）状况下尤其是在关闭之后，积累的水会结冰，阻塞和/或损坏氧化剂到催化剂表面的通路，劣化燃料电池堆。如此，管理燃料电池操作的关键阶段期间的水积累能够增强燃料电池性能和耐用性。
为了防止燃料电池的水引起的损坏，本发明的实施例公开了一种系统和控制策略以有利地限制和/或减少在关闭过程中反应物气体的量，使这个阶段存在的水减少和/或消除，以减少燃料电池冻结问题的可能性。作为该策略的一部分，某些实施例公开了三通比例阀（proportional three-way valve）的使用，该三通比例阀能将阴极气体引入到阳极进气流中，以平衡质子或离子交换膜（PEM）两侧的压力，从而防止PEM在关闭过程中的损坏。同样地，该控制策略的实施例在关闭过程期间需要来自堆的电流，以确保所有阳极气体在关闭过程中被消耗。
在一个或更多个实施例中，并且如图1A中描绘的，提供了燃料电池系统100，以减轻与燃料电池关闭有关的上述问题中的一些问题，具体地是有害的水积累。燃料电池系统100包括：包括阳极106和阴极104的燃料电池堆102、被设置为向阴极104供氧的第一管道108、被设置为向阳极106供氢的第二管道110以及独立于第一管道和第二管道而设置的并向第二管道110供氧的第三管道112。在不希望局限于任何具体理论的情况下，认为：在开始关闭之后，进入阳极的氢流量减少，使得越来越少量的氢可用于燃料电池堆中水的形成；结果，燃料电池堆内的水积累（如果有的话）会维持在安全可管理的水平，为寒冷天气的存放作准备。该燃料电池系统的益处还扩展到，因氢流量的减少而导致的潜在的不期望的压力差能够通过第三管道的使用而被有效地减轻，如果必要，第三管道向第二管道供氧，使得压力差可以保持在预定的有益的水平。
尽管在图1A中描绘了燃料电池堆102示出一个阳极106和一个阴极104，但在操作时，燃料电池堆102可以由串联在一起的若干阳极–阴极单元形成。因此，阳极106和阴极104应该被视为分别全体地代表燃料电池堆102中的所有阳极和所有阴极。
为了举例说明的目的，示例性燃料电池300示意性地描绘在图3中。燃料电池300包括具有槽304、308的一对双极板306、310，槽304、308以预定的间隔形成在每个双极板306、310的两侧。燃料电池300还包括设置在双极板306、310之间的离子交换膜302、设置在离子交换膜302与双极板306之间的阴极或空气电极316以及设置在离子交换膜302与双极板310之间的阳极或燃料电极318。
双极板306和310是用于防止燃料和空气（氧化剂）被混合。槽304和308在端与端连接的电池中用作燃料（阳极）通道和空气（阴极）通道。
在操作时，空气或氧被引入阴极104中，并且氢气被引入阳极106中作为燃料，这导致氢气在阳极电极318处分离成氢离子和电子。这些氢离子在离子交换膜302中移动到阴极104侧，而电子通过外部电路（未示出）移动到阴极电极316侧。在阴极104中，氧、电子和氢离子反应产生水。
第一管道108将氧从氧源114输送到阴极104。氧源114可以用来储存压缩氧或压缩空气，压缩空气是氧的较低程度的浓缩形式。压缩机（未示出）可以设置在氧源114和/或第一管道108之内或者附近以控制从氧源114出来的氧流量。在某些情况下，压缩机可以设置在氧源114与第一管道108连接的点120处或者附近。
第二管道110将氢从氢源116输送到阳极106。氢源116可以用来储存压缩氢或氢的间接源，氢的间接源能够被物理地或化学地消化以释放或形成氢。比例阀122可以设置在氢源116或第二管道110处或附近，以控制从氢源116出来的氢流量。在某些情况下，比例阀122可以设置在第二管道110之内或附近。尽管图1A中描绘了一个比例阀122，但是如果有必要的话可以使用两个或更多个比例阀以控制和调节氢流量。如图1A中所描绘的，比例阀122可以设置在第三管道112的上游。
流量控制装置124可以设置在第三管道112处或附近以控制通过第三管道112进入第二管道110的氧流量。在某些情况下，可以使用流量控制装置124通过第三管道112从第一管道108中分流一部分氧流量到第二管道110。当设置在第三管道112之内或附近时，流量控制装置124可以是另一比例阀以控制从第一管道108中分流的氧流量。为了实现这种构造，三通阀126可以设置在第一管道108与第三管道112交会的位置1B。图1B描绘了位置1B的放大图，其示出了三通阀126的定位。此外，另一三通阀128可以设置在第二管道110与第三管道112交会的位置1C。图1C描绘了位置1C的放大图，其示出了三通阀128的位置。
比例阀122和124能够在除全开/全关以外的位置保持无限的时间段，这在本实施方式中是有益的，以允许在关闭期间燃料电池堆102的功率输出缓慢地降低的同时合理控制地控制燃料电池堆102。
可选择地，第三管道112可以从除了氧源114以外的源向第二管道110供氧；因此，在这种构造中，第三管道112不必与第一管道108连接。在某些情况下，第三管道112可以从大气空气向第二管道110供氧。
阳极106和阴极104之间的压力差可以通过压力监测器118来检测。压力监测器118可以是不受周围环境影响并读取阴极104和阳极106之间的压力差的压差传感器。可选地，压力监测器118可以是一组压力读取器的形式，一个被设置为读取阴极104处的压力，并且另一个被设置为读取阳极106处的压力，两个压力读取器之间的差值被报告为压力差。
压力监测器118可以通过反馈控制回路132与比例阀122通信。
压力监测器118可以通过反馈控制回路130与比例阀124通信。
控制器138可以分别采用控制回路134、136与反馈控制回路130、132进行信号通信。控制器138获得来自压力监测器118的输入和/或其他操作参数，发送一个或更多个控制信号以调节比例阀122、124的运行。操作参数的非限制性实施例可以包括堆电流、堆电压、单体电池电压、排汽湿度、堆含水量以及压缩机速度。
通过第三管道112供应到第二管道110的氧流量可以对维持阳极106和阴极104之间适当的压力差是尤其有益的，使得位于其间的膜302的可能的损害可以被有效地减轻。
参照图2，用于操作燃料电池系统100的方法大致如200所示。在步骤202，氧或空气通过第一管道108流入阴极104，并且氢气通过第二管道110流入阳极106。比例阀124是关闭的，并且三通阀126、128都在允许全部流量分别通过第一管道108和第二管道110的位置。在这个时间点，应该没有材料流过第三管道112。
在步骤204，请求关闭燃料电池堆102。
在步骤206，从氧源114出来的氧流量被维持，而从氢源116出来的氢流量通过比例阀122被减少。在不希望局限于任何具体理论的情况下，实施该步骤是为了从燃料电池堆102中移除尽可能多的水。通过使用比例阀122，可以在任意期望的时间段将从氢源116出来的氢流量精细地调节成任意期望的流速。举例而言，氢流量的减少在关闭开始时可以相对小，并且可以随着关闭的进行而增加氢流量减少的值。可以的是，可以以稳定的状态减小氢流量。
随着在阳极106处的氢流量的持续减少，阳极106与阴极104之间的压力差会增加。如在本文其他地方详述过的，在步骤208，可以通过压力监测器118至少定期地、并且有时连续地监测压力差。
在步骤210、212和214，如果压力差达到预定水平，则控制器138可以通过反馈回路130和132发出信号或指令来调节比例阀124和/或比例阀122。举例而言，如果阴极104和阳极106之间的压力差变得过大而使得设置在其间的膜302可能破裂或以其他方式被损坏，比例阀124可以与三通阀126和128联合工作，以允许需要量的氧从第一管道108分流进入第二管道110，这些氧将最终流向阳极106。结果，由此可以减小压力差。
可选择地，减小压力差所需的氧的量可以来自除了氧源114之外的源。举例而言，第三管道112可以连接到独立的压缩空气或氧罐。这种构造的一个益处是整个系统的复杂性可以通过去除三通阀126而降低。
在步骤216，当燃料电池堆102不再产生水并且包含的水的体积足够小以使得在任意长的怠速（空闲）时期期间（即，燃料电池堆经受可能引起燃料电池堆内部的水结冰（例如，过夜结冰）的温度的任意期间）将不会对燃料电池堆102造成潜在的危险时，关闭完成。
在可选实施例中，公开了管理燃料电池系统的水引起的损坏的方法。在本实施例下，测量相关的燃料电池操作参数（例如，阴极104和阳极106处的压力），并且在本实施例下，确定至少一个燃料电池操作变量的值，例如，阴极104与阳极106之间的压力差。然后，该方法根据测得的操作参数来控制进入阳极106的氢的流量和/或进入第二管道的氧的流量，以控制燃料电池循环的预定阶段的水生成，从而使水积累最少化或消除水积累。
虽然已详细描述了实施本发明的最佳方式，但本发明相关领域的技术人员将认识到用于实践本发明的各种替代设计和实施例，本发明由权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种防止与水相关的劣化的燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，包括阳极和阴极；
第一管道，被设置为从氧源向阴极供氧；
第二管道，被设置为从氢源向阳极供氢；以及
第三管道，连接到第一管道和第二管道，以从第一管道向第二管道供氧；
控制器，被配置为：在燃料电池堆开始关闭之后，维持从氧源出来的氧流量而减少从氢源出来的氢流量，并响应于测量的阳极与阴极之间的压力差达到预定水平而允许一部分氧流量通过第三管道从第一管道分流到第二管道中并最终流向阳极，从而使阳极与阴极之间的压力差减小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括比例阀，比例阀连接到第二管道以控制通过第二管道进入阳极的氢流量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，比例阀设置在第三管道的上游。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括比例阀，比例阀连接到第三管道以控制进入第二管道的氧流量。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括三通阀，三通阀连接到第一管道和第三管道以允许氧流量进入第二管道。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括三通阀，三通阀连接到第二管道和第三管道以允许来自第三管道的氧流量的至少一部分进入第二管道。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，第三管道独立于第一管道。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，第三管道连接到第二氧源，第二氧源独立于连接到第一管道的第一氧源。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括连接到氧源的氧流量控制器。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括检测阳极与阴极之间的压力差的压力监测器。
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