CN104051763B - 用于在冻结条件下可靠的阳极到阴极流动的滑流 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在冻结条件下可靠的阳极到阴极流动的滑流。一种用于确保在冻结状态期间正确的燃料电池系统预热或关闭的装置和方法。结合流量控制孔口而使用三通阀，以便确保孔口在冻结状态期间避免发生冰堵塞。在压力下将干热空气以滑流形式输送至阴极流道，其中孔口的构造使得它在结构上为顺从的以便于促进响应于加压滑流而挠曲，由此帮助使可能在孔口中或在孔口上所形成的任何少量的冰破碎。

Description

用于在冻结条件下可靠的阳极到阴极流动的滑流
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/788,655的权益。
技术领域
本申请总体上涉及一种用于在冻结条件下确保正确的燃料电池系统预热或关闭的装置和方法。更具体地，本申请涉及一种结合流量控制孔口而使用的三通阀，以便确保在冻结条件下孔口避免冰堵塞，其中可以以滑流形式将干热空气在压力作用下输送至阴极流道，其中孔口的构造使得其在结构上是柔性的以促进响应于加压滑流的挠曲，由此帮助使可能在孔口中或孔口上所形成的任何少量的冰破碎。
背景技术
本发明总体上涉及在易潮湿的部件暴露于水可能冻结的温度的状态期间燃料电池操作性的改进，更具体地涉及一种用于选择性地按一定路线传送阴极滑流以降低在寒冷气候启动期间燃料电池中发生冻结水堵塞的可能性的燃料电池系统和方法。
燃料电池通过化学反应将燃料转化成可利用的电力。这种能量产生装置的一个显著益处是在不依赖于作为中间步骤的燃烧的情况下实现。因此，相对于内燃发动机(ICE)和相关的功率产生源而言，燃料电池具有若干环境优势。在典型的燃料电池(诸如质子交换膜或聚合物电解质膜－在任一情况下，PEM－燃料电池)中，一对催化电极被采用聚磺酸化膜(诸如NafionTM)形式的离子传递介质所隔开，以便在经过电极之一(阳极)导入的电离形态的还原剂(诸如氢气，H2)穿过离子传递介质并与经过另一个电极(阴极)已导入的电离形态的氧化剂(诸如氧气，O2)化合时可发生电化学反应。当在阴极处发生化合时，离子化的氢与氧形成水。在氢气离子化中所释放的电子以直流电(DC)形式经由通常包括负载的外部电路而行进到阴极。此DC能量的流动是由燃料电池发电的基础。
PEM燃料电池堆需要在变化的周围环境条件下运行，包括寒冷、潮湿、或者同时包含这两者的条件。在未经检查的情况下，这种条件会妨碍有效的燃料电池启动和关闭。例如，在关闭期间，不得不去除某个量的水(在燃料电池系统的运行期间会产生大量的水)以确保避免重要流道的冰堵塞并且确保仍然可以执行随后的启动、预热和驶离，甚至在该系统暴露于冻结条件之后。从燃料电池的阳极回路中去除水是特别困难的，因为阳极回路不具有阴极回路那样吹扫任何过量水的高气体体积和流速。促进阳极回路水排空的一种方法是将水直接经过各种燃料电池的离子传递介质朝向阴极抽吸。遗憾地，这是相当慢的过程(经常占用1分钟的时间以使阳极含水量下降到一个可感知的水平)。此方法还会导致过度的膜干透，这会对各独立燃料电池的耐久性产生负面影响。
用于降低或排除这种流道冰形成可能性的另一种方法是在燃料电池系统关闭和启动期间允许来自阳极回路的一部分氢气被导入阴极回路中；这种方法可以通过放置在阳极回路和阴极回路之间的阀而实现，该阀被允许保持打开状态达足够长的时间(可能仅为数秒)以促进氢气流动。在关闭期间，阀为水提供更快的离开阳极的通路以代替经过离子传递介质抽吸水的慢方法。在启动期间，这种氢气与氧气的催化反应(除了有可能帮助降低开路电压(OCV)以外)产生热量，该热量可用于提高相邻流道和部件的温度。虽然此方法能够更加促进暴露于冻结条件的燃料电池系统的迅速高效的预热，但阀自身相对较大的热质量使得它容易受到冰形成和相关堵塞的影响。此外，这种阀通常包括流量调节开口(采用孔口的形式)，该开口借助于其精确已知的尺寸用于提供精确测量或控制功能。遗憾地，建立其流量调节功能所需的尺寸和精度也使孔口特别容易受到与阀剩余部分相关的各类型冰堵塞的影响，如上所述。
发明内容
本文中提供的具体实施方式描述了一种用于改进燃料电池系统启动或关闭的装置，所述装置包括：三通阀，该三通阀与所述燃料电池系统的至少一个阳极流体地合作以接收来自该阳极的携带氢的流体，所述阀构造成允许所述携带氢的流体和加压滑流流体中的至少一个的选择性地通过该阀；和流量控制孔口，该流量控制孔口与所述三通阀流体地合作以输送计量量的所述滑流流体，所述孔口构成具有柔性构造使得在存在于所述燃料电池系统中的水暴露于冻结温度的环境条件下，所述孔口对所述滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于所述滑流通过孔口而利用所述孔口的挠曲动作来去除位于孔口上的任何冻结的水。
本文中提供的其它具体实施例描述了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：包括多个燃料电池的燃料电池堆，各燃料电池包括用于接收携带氢的流体的阳极、用于接收携带氧的流体的阴极、以及与所述阳极和所述阴极合作以使至少一种催化电离的反应物在这两个电极之间通过的介质；与所述阳极流体连通的阳极流道；与所述阴极流体连通的阴极流道；以及与所述阳极流道和所述阴极流道流体地合作的三通阀，所述阀包括：建立所述携带氢的流体从所述阳极流道到所述阴极流道的选择性导入的至少一个致动机构；和流量控制孔口，该流量控制孔口构造成控制进入所述阴极流道的阳极流量，以便在存在于所述流道和阀中的水会冻结的环境条件下，所述孔口对所述滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于所述滑流通过孔口而利用所述孔口的挠曲动作来去除位于孔口上的任何冻结的水。
本文中提供的其它具体实施例描述了一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：配置与所述燃料电池系统的阳极流道和阴极流道流体地合作的阀，所述阀包括至少一个致动机构和流量控制孔口；使加压的滑流通过所述孔口，以便在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中的水会冻结的环境条件下，所述孔口响应于所述滑流的提高压力而挠曲从而通过所述挠曲来去除位于孔口上的任何冻结的水；以及通过所述至少一个致动机构和所述孔口将携带氢的流体从所述阳极流道导入所述阴极流道。
本发明提供以下技术方案：
1. 一种用于改进燃料电池系统启动或关闭的装置，所述装置包括：
三通阀，所述三通阀与所述燃料电池系统的至少一个阳极流体地合作以接收从阳极流出的携带氢的流体，所述阀构造成允许所述携带氢的流体和加压滑流流体中的至少一个选择性地通过所述阀；
流量控制孔口，所述流量控制孔口与所述三通阀流体地合作以便输送计量量的所述滑流流体，所述孔口构造具有柔性构造使得在存在于所述燃料电池系统中的水暴露于冻结温度的环境条件下，所述孔口对所述滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于所述滑流通过所述孔口而利用所述孔口的挠曲动作来去除位于所述孔口上的任何冻结的水。
2. 如方案1所述的装置，其中所述孔整体地形成为所述三通阀的一部分。
3. 如方案1所述的装置，其中所述孔被流体地设置在管道中所述阀的下游，所述管道构造成将所述携带氢的流体从所述阀输送至所述燃料电池系统的至少一个阴极。
4. 如方案3所述的装置，还包括被流体地设置在所述滑流流体源和所述孔口之间的防止回流阀。
5. 一种燃料电池系统，包括：
包括多个燃料电池的燃料电池堆，所述各燃料电池包括用于接收携带氢的流体的阳极、用于接收携带氧的流体的阴极、和与所述阳极和所述阴极合作以使至少一种催化电离的反应物在这两个电极之间通过的介质；
与所述阳极流体连通的阳极流道；
与所述阴极流体连通的阴极流道；以及
与所述阳极流道和所述阴极流道流体地合作的三通阀，所述阀包括：
建立所述携带氢的流体从所述阳极流道到所述阴极流道的选择性引入的至少一个致动机构；以及
流量控制孔口，所述流量控制孔口构造成控制进入所述阴极流道的阳极流量，使得在存在于所述流道和阀中的水可以冻结的环境条件下，所述孔口对所述滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于所述滑流通过所述孔口而利用所述孔口的挠曲动作来去除位于所述孔口上的任何冻结的水。
6. 如方案5所述的系统，其中所述系统还构造成在相对于所述携带氢的流体的加压状态中输送所述滑流流体。
7. 如方案6所述的系统，其中所述系统还构造成在低于所述携带氢的流体的湿度下输送所述滑流流体经过所述孔口。
8. 如方案6所述的系统，其中所述孔口被流体地设置在所述致动机构的下游并且不被包含在所述阀的壳体内。
9. 如方案6所述的系统，其中所述至少一个致动机构包括可线性移动的柱塞。
10. 如方案6所述的系统，其中所述至少一个致动机构包括可旋转塞。
11. 一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：
配置与所述燃料电池系统的阳极流道和阴极流道流体地合作的阀，所述阀包括至少一个致动机构和流量控制孔口；
使加压的滑流通过所述孔口，使得在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中的水可被冻结的环境条件下，所述孔口响应于所述滑流的提高压力而挠曲，从而通过所述挠曲来去除位于所述孔口上的任何冻结的水；以及
通过所述至少一个致动机构和所述孔口将携带氢的流体从所述阳极流道导入所述阴极流道。
12. 如方案11所述的方法，其中在所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中存在的水被冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的关闭期间进行所述操作。
13. 如方案12所述的方法，其中在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀中的至少一个中的水被冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的启动期间进行所述操作。
14. 如方案12所述的方法，其中所述滑流包含温度高于水的冻结温度且湿度低于20%的空气。
15. 如方案12所述的方法，其中从用于将反应物输送至所述阴极流道的压缩机中输送经过所述孔口的空气。
16. 如方案12所述的方法，其中所述阀是三通阀。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最佳地理解下面对具体实施例的详细说明，其中用相似的附图标记来标示相似的结构，并且其中：
图1A示出了具有包括至少一个燃料电池堆的燃料电池系统的车辆。
图1B示出了图1A的车辆的燃料电池堆与动力传动系之间相互关系的示意图。
图1C示出了用于构成图1B的燃料电池堆的代表性的单个燃料电池。
图2示出了根据现有技术的电磁阀，该电磁阀用于选择性地将用于随后活性反应物的催化吹扫的阴极堆进口中的反应物混合。
图3示出了根据本发明一个方面的二通电磁阀，该二通电磁阀用于选择性地将用于随后活性反应物的催化吹扫的阴极堆进口中的反应物混合。图3的具体实施例示出了具有带单向阀260(特别是鸭嘴型单向阀)的附加滑流管线215的二通阀，所述单向阀260可以通过维持高于阴极压力的阳极压力而工作。
图4A示出了处于用热的干燥压缩机空气流315将水清除出孔口320的第一操作状态中的三通旋塞阀的示意图。
图4B示出了根据本发明一个方面的处于第二操作状态中的图4A的阀的示意图，其中该阀是用于选择性地将用于随后活性反应物310的催化吹洗的阴极堆进口中的反应物混合。
图5A示出了处于第一操作状态中的图3的三通电磁阀的示意图。
图5B示出了处于第二操作状态中的图5A的阀的示意图。
图6示出了使用二通阀的实施例的两种示例性操作模式。
图7示出了带孔口(箭头)的三通阀构造的一个示例性实施例。
附图中阐明的实施例在本质上是说明性的而并非意图限制由权利要求所限定的实施例。此外，基于下面的详细说明，将更充分地理解附图和实施例的各个方面。
具体实施方式
首先参照图1A至图1C，车辆1包括采用具有一个或多个燃料电池堆20的燃料电池系统10的形式的推进源，从一个或多个燃料箱30为电池堆20提供燃料。在一个实施形态中，燃料是采用基于氢气的第一反应物的形式。可从周围环境提供第二反应物(例如，基于氧气的流体)。任一种或两种反应物可采用加压形式(诸如利用压缩机、泵或相关装置(未图示))被提供至燃料电池系统10。尽管未图示，也可利用附加的推进源，诸如常规的内燃发动机(ICE)或蓄电池组，为车辆1提供混合推进属性。
仍然参照图1A 至图1C，燃料电池堆20是由许多单独的燃料电池25所组成，燃料电池25进而由阳极25A、阴极25B和质子传递膜25C所组成。第一反应物流道40用作将携带氢的流体输送至阳极25A并从阳极25A中输送携带氢的流体的管道，而第二反应物流道50同样地将携带氧的流体输送至阴极25B并从阴极25B中输送携带氧的流体。可在电池堆20的相对两端设置歧管60，用以协调反应物经过管道40,50的输送和去除。能量存储装置70可以采用由一个或多个电池、电容、电转换器或者甚至电动机所组成的负载的形式，以便将来自燃料电池堆20的电流转换成旋转轴功率，该旋转轴功率可以用于操纵动力传动系80以及一个或多个运动的装置(诸如车轮)90。能量存储装置70对于车辆1的运行并非是必需的，并且在某些构造中可取消能量存储装置70。在一个特定的构造中，燃料电池25是PEM燃料电池，而本发明特别适用于PEM构造，在本发明中采用其它燃料电池构造也是在本公开的范围内。阳极25A、阴极25B和膜25C共同地限定膜电极组件(MEA)。
接着参照图2，图中示出了根据现有技术的电磁型式的阀100。在正常操作期间(例如，当燃料电池系统20正在运行而产生电流以推动车辆1或者向车辆1提供电力)，阀100保持关闭状态以阻止携带氢的流体在阳极出口流道110中，该阳极出口流道110连接到燃料电池堆25的阳极25A的出口。流量控制孔口120是用于允许氢气通过以便可以维持流量控制。图中示出了孔口120的孔的中心115。图中还示出了针栓125的一个实施例。这种计量构造的一例可见于公布的专利申请“METHODS AND CONTROLS FOR HYDROGEN TO CATHODE INLETOF A FUEL CELL SYSTEM”，申请号20100151284，Burch:Steven D.等人，2010年6月17日，该专利申请是由本发明的受让人所拥有，其全部内容以参考的方式并入本文中。为了在打开状态和关闭状态之间变换(现在示出了后者)，通过线圈150的电流形成磁通路径，该磁通路径起柱塞140上的电磁体的作用，使柱塞140克服其弹簧偏置且远离含孔口的座在线性路径中运动，从而形成从阳极出口流道110到阴极进口流道130的开放流体路径。阀100的壳体101中大量相对致密材料(诸如铁及其钢衍生品)的存在起大的热质量的作用，使得在温度极端条件下，无论它已暴露于热的还是冷的环境达比其周围环境对应物明显更长的时间段，它都倾向于保持在潜在形态。因此，在冻结条件下，阀100(特别是壳体101)具有使任何相邻的残余水和小的流体通道冻结的倾向。这尤其对于孔口120(具有其小的、微调的通道)会是破坏性，因为相对较小量的冻结的水将会使孔口120冻结并堵塞，由此停止燃料电池系统20的运行，该燃料电池系统20的运行取决于用于正常运行的通过孔口120的计量流量。
将携带氢的流体从阳极流道导入阴极流道的一个目的是使电离的氢与氧发生催化反应，由此降低开路电池电压(OCV)，这会(如果未经检查)导致电压敏感的燃料电池部件(诸如在燃料电池的阳极和阴极处所使用的催化剂)的过早降级。此方法在启动和关闭状态期间是特别有用的。一个这种方法在由本发明的受让人所拥有的美国专利7,887,963中被论述。这也具有将承载含有催化化合反应物的流体的流道加热的益处。然而，有利的是避免不得不使加湿的携带氢的流体流动通过阀100，特别是在阀100为冷的使孔口120易受冻结的状况下。
再次参照图3，图中示出了根据本发明的二通电磁阀200与单向阀260的组合。阀200的命令位置控制两条独立的流体路径的流量，其中第一条流体路径将阳极出口流道(在本文中也称为阳极流道)210与阴极进口流道230(在本文中也称为阴极流道)相连，第二条流体路径将滑流(也称为滑流流体)215导入阴极进口流道230。在一个优选的实施形态中，从压缩机(未图示)中以加压的形式输送滑流215，而在更具体的实施形态中，从携带氧的流道中以放气的形式输送滑流，所述携带氧的流道用于将反应物提供至燃料电池堆20的各个电池25的阴极。通过滑流215的滑流流体的温度在湿度上低于从燃料电池堆20阳极侧进入阀200的流体。在限定用于滑流215的流道的管道中可包括防止回流阀(例如，单向阀260)，以便在氢气流动操作期间使回流的机会最小化。在二通阀200的实施中，在压缩机(未图示)和阀200之间的单向阀260可以是不必需的，其中使孔口220位于下游提供两个益处：第一，允许来自滑流215的流体流动经过孔口220以保持该孔口清洁，和第二，减小或消除孔口220与阀200的热质量之间的热耦合。同样地，在另一构造中，滑流215流动经过阀200，这可以潜在地允许孔口220仍然在阀200中，从而节约额外的硬件成本。然而，必要时(例如冷阀效应强于滑流效应)，也可以实施三通阀200带有在下游位置的孔口220(如图所示)。图中还示出了针栓225的一个具体实施例。
在一个优选的实施形态中，阀200是由许多部件所组成，包括一个或多个致动机构(诸如柱塞或塞子，两者均如下面的更详细描述)，这些致动机构用于建立携带氢的流体从阳极出口流道210进入阴极进口流道230和流量控制孔口220的选择性引入。优选地，孔口220是由在燃料电池系统20的预期温度范围(包括上述冻结条件)内维持在结构上为顺从的材料所制成。这种结构顺从性允许孔口响应于加压流体(诸如通过该孔口的滑流215)而挠曲。这种挠曲的能力更加容易地使可能沉积在孔口220上的任何残余的冻结水破碎以便其容易地剥落。
如上所述，从燃料电池阳极回路中去除水受到该回路中的低体积和低流速的阻碍。另外，本发明人已发现此问题在采用基于再循环的阳极流道的构造中特别严重，在该构造中否则将从系统中排出的过量氢气中的一部分被改变路线至燃料电池阳极的进口。这种方法有助于减少来自燃料电池系统的氢气排放，但倾向于在离开燃料电池的流体、以及在到阴极的阳极流道中产生较高的含水量。
在一个实施形态(如图3中所示)中，孔口220可位于下游且远离阀200。这是因为阀的壳体201——在现有技术的燃料电池系统20以类似于图2的阀100的壳体101的方式冷却期间，该壳体201在冻结条件下是冷的并且将水吸到该壳体——应保持远离易发生冻结的孔口220。如本公开中的别处所述，孔口220是由薄的柔性材料制成，以便促进在低温适应期的期间(诸如放置在暴露于冻结气候条件达延长时间的车辆中)在孔口220上所形成的任何冰的脱落。因此，孔口220的柔曲性质使得与压缩机启动相关的流量和压力有助于使任何积聚的冰脱落(以大体类似于通过挠曲塑料盘而从塑料盘中去除冰块的方式)。
接着参照图4A、图4B、图5A和图5B，图中示意性地详细示出了本发明三通阀300的两个不同实施例。具体地，图4A和图4B中所示的实施例相当于线性阀构造，该线性阀构造可以像图3中所示的电磁阀一样起作用。虽然孔口320通常可以是阀300的一部分并且尤其是位于壳体的内部，但它优选地如图所示远离地定位。这是有利的在于：在最小地破坏总的来说的该系统剩余部分、尤其是阀300的情况下，孔口能够容易地被更换或修改。本发明人强调的是：这种孔口320远离阀的下游布置在以下情况下可能是不必要的：(a)在孔口320和壳体之间可建立充分的热绝缘，或者(b)温度条件(包括由壳体所施加的低温条件)不足以使孔口320冻硬。图4B中还示出了端口325的一个具体实施例。在具体实施例中，孔口220与孔口320具有相同尺寸。在具体实施例中，一些或全部通道大于孔口220/320。
具体地参照图5A和图5B，该装置构造成三通旋塞阀300，其中球形旋塞340的旋转允许从第一端口325A和第二端口325B中的一个或另一个端口到另一个端口的选择性通道；因此，端口325A,325B可以可替代地取决于旋塞340的位置而用作流体的进口或出口。因此，当三通阀300的旋塞340处在对应于燃料电池系统20的正常操作的第一位置时，滑流315经过第一端口325A和在旋塞340中所形成的通道流到第二端口325B然后经过孔口320进入阴极流道330。当三通阀300的旋塞340处在对应于燃料电池系统20的排放操作的第二位置时，加湿的氢气310通过第一端口325B和在旋塞340中所形成的通道流到第二端口325A然后经过孔口320进入阴极流道330。
现在参照图6，图6示出了使用二通阀的实施例的两个示例性操作模式：(1)当(湿流)从阳极流动到阴极时，二通阀打开且阳极气体从流道210经过阀200流入针栓225(见图2)，并向下经过孔口220经由管线230到达阴极进口。单向阀260可以防止阳极流流到压缩机出口(215开始于该出口)。在具体实施例中，由于以下原因需要单向阀260：准确地控制阳极到阴极的流量是非常重要的。这可以通过控制燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的Δ压力(dP)而实现。当阀200打开时，在孔口220两侧出现主要压力降。孔口200具有已知的、精确的有效面积。如果阳极可以通过两条路径(215和230)到达阴极，那么在给定的dP下将会更加难以预测精确的流量。与具有精细制造孔的一个路径上的压力降相比，这两个平行的路径将会具有大得多的部件间制造差异。另外，允许加湿的阳极流进入滑流管线215可以导致管线冻结，并且使滑流功能失效。在阳极流动期间，室235中的压力高于215中的压力(记住将阳极压力保持在高于阴极压力)，因此鸭嘴型单向阀关闭，从而阻止从阳极流动到管线215。这迫使所有的阳极流经过孔口220。一个不利的副作用是该流被加湿，因此水会在阀200上积聚。在具体实施例的第二实例中，仍然参照图6，当不从阳极流到阴极时：在加湿的阳极流不流动经过孔口220的时候(当将阀200关闭时)期间，需要去除在湿阳极流动期间在孔口上积聚的任何水。因此当二通阀(200)关闭时，室(针栓)中的压力下降。因为跨越阴极空气冷却器(CAC)和水蒸汽传输单元(WVT)两侧存在压力降，所以在230处的压力低于在215处的压力。这允许少量的空气从在CAC和WVT周围的主流空气流被转向，通过单向阀260、并经过孔口220回流到阴极流中。因为离开压缩机的空气是热且干燥的，所以该空气很好地将孔口220干燥。
在一个实施形态中，二通阀200构造可通过添加单向阀而用于克服回流潮湿。在一个实施形态中，这种构造可用于排除由于湿气体回流所导致滑流冻结的可能性。在另一个实施形态中，三通阀300可用于在不添加单向阀的情况下克服回流潮湿。在氢气流动操作期间，该三通阀的几何形状封闭滑流通道315。
图7示出了带孔口(箭头)的三通阀构造的一个示例性实施例。在具体实施例中的孔口可以在阀的内部。在具体实施例中，图7中的部件(包括孔口)具有与图4和图5中的部件相同的尺寸，并且在其它实施例中尺寸可以是不同的。
根据本发明的一个方面，公开了一种用于确保在冻结状态期间正确的燃料电池系统预热的装置。该装置构造成结合二通阀与单向阀的组合或三通阀来使用易受冻结影响的控制孔口，以确保孔口在冻结状态期间避免发生冰堵。具体地，该装置构造成从压缩机出口导入干热空气流，所述压缩机是用于将加压的阴极反应物输送至燃料电池系统，使得该空气形成滑流，该滑流被流体地导入孔口的上游，因此在该滑流通过孔口时有助于保持滑流无水，否则将会形成堵塞流道的冰。在本发明的上下文内，此滑流(也称为“滑流空气”、“滑流流体”等)在通过阀的正常空气流道周围流动。因此，在一个实施形态中，当关闭二通阀并且由于单向阀两侧的压力差而使单向阀打开时，发生压缩空气导入。除了被压缩的滑流空气加热外，孔口可以被制作成结构上为顺从的使得当滑流通过时孔口将发生挠曲，由此帮助使已在孔口上所形成或保持在其上的任何少量的冰破碎。在一个具体实施形态中，阀构造成三通装置；这种构造当结合滑流而使用时阻止压缩机出口空气的回流流动到阳极回路。在具体实施例中，三通阀阻止回流，因为当三通阀打开排放路径时它切断实际滑流路径；在一个时间仅一条路径可以起作用。在与单向阀结合的二通阀的具体实施例中(图3)，单向阀阻止氢气回流到压缩机出口。在具体实施例中，在滑流流动期间关闭排放阀，从而阻止空气回流到阳极。
再次参照图3的具体实施例：在其中拆除了单向阀260的实施例中，加湿的阳极(携带氢)气体可以从210流动到230和215两者。在具体实施例中，如果在管线215中积聚了足够的水，则在关闭阀200后的短时间关闭期间不能将水清除；然后会使用于下一次启动的滑流通道冻住；单向阀可以阻止从210到215的任何流动；类似地，在三通阀构造中，当排放流工作时在具体实施例中可以堵住滑流管线315。除了改善冻结状态启动可靠性外，这种系统具有减少关闭吹扫时间和能量的可能性，由此改善车辆用燃料电池系统的寒冷气候冬季燃料经济性。
根据本发明的具体方面，公开了一种燃料电池系统。该系统包括由许多燃料电池所组成的燃料电池堆，各燃料电池包括用于接收携带氢的流体的阳极、用于接收携带氧的流体的阴极、和与阳极和阴极合作使至少一种催化电离的反应物在这两个电极之间通过的介质(诸如前述的质子交换膜或聚合物电解质膜)。另外，该系统包括阳极流道和阴极流道，这些流道用作输送它们各自流体的管道。三通阀是由一个或多个致动机构以及柔性构造的流量控制孔口所组成。阀被包含在所述系统中以建立携带氢的流体从阳极流道到阴极流道的选择性引入，或者滑流从压缩机出口流动经过孔口，同时该孔口能够实现从阳极流道进入阴极流道的精确流体流动。利用这种阀构造，在存在于系统中的水可以冻结的温度范围内，孔口对滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于滑流通过孔口而利用孔口的挠曲动作来去除位于孔口上的任何冻结的水。
根据本发明的又一方面，公开了一种用于操纵燃料电池系统的方法。该方法包括配置与燃料电池系统的阳极流道和阴极流道流体地合作的阀。该阀包括一个或多个致动机构以及一个流量控制孔口。该方法还包括使加压的滑流通过孔口，使得在所存在水可以冻结的温度范围内或者相关的环境条件下，孔口响应于滑流的提高压力而挠曲，从而利用挠曲运动去除任何残余的冻结的水。另外，将携带氢的流体从阳极流道经过阀导入阴极流道。在一个优选的实施形态中，在系统启动期间在滑流通过孔口之后，以及在包括系统关闭的操作形态中在滑流通过孔口之前，发生此导入。
应注意的是，本文中使用的术语如“优选地”、“一般”和“通常”并不是用来限制请求保护的本发明的范围，或者用来暗示某些特征对于请求保护的本发明的结构或功能是关键的、必需的、或者甚至是重要的。相反，这些术语只是意图强调可以或可以不应用于本发明一个具体实施例的替代特征或其它特征。同样地，术语诸如“大致”是用来表示归因于任何定量比较、值、测量或其它表示法的不确定性的固有程度。它也被用来表示在不造成所讨论主题的基本功能发生变化的情况下定量表示法可以从规定的基准变化的程度。
为了描述和限定本发明的目的，应注意的是本文中使用的术语“装置”表示一个或多个部件或者各部件的组合，包括可以是较大系统或组件中的一部分的装置。此外，除非上下文另有规定，术语的变体“机动车”、“汽车”、“车辆”等意图为一般意义上被解释。因此，除非上下文中更具体地陈述，所提及的机动车或车辆应被理解成涵盖轿车、货车、公共汽车、摩托车和其它类似的运输形式。
在具体实施例中，滑流包含温度高于水的冻结温度且湿度低于20%的空气。在具体实施例中，它可以根据外部湿度、系统上的负载和压缩机类型而变化。具体实施例具有更干燥的条件。在具体实施例中，在所述系统中在压缩机外面是在系统中绝对最干燥的空气，因为(1)该系统还没有添加任何水、以及(2)在降低RH（相对湿度）方面，升高温度比增加RH的较高压力的效果具有更强的效果。
本文中描述的实施例在启动期间运行。在具体实施例中，在正常操作和关闭期间，滑流保持孔口无水，因此流到阴极的氢气可以迅速地流动到下一次启动。启动时的步骤可以包括：以滑流开始达数秒，滑流使孔口挠曲并且清除由于关闭时未清除水所留下的任何残余的冰；然后阳极流应将电池堆预热，因此仅用数秒便进入启动，二通阀打开(或者三通阀移动位置)。在启动时无滑流的具体实施例中，阳极流也应清除冰，因为这是在氢气流动开始之前使压缩机运行的启动的固有部分。
上面已详细描述了本发明的实施例，显然在不背离所附权利要求中所限定的本发明范围的前提下可以作出修改和变形。更具体地，尽管本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或者是特别有利的，但可以想到本发明不必局限于本发明的这些优选方面。
在具体实施例中，计量的量可以是例如大约0.5至大约1 g/s的空气流量。在其它具体实施例中，增加的压力可以是从大约110至大约170 kPa(绝对压力)。在具体实施例中，当冰形成时发生挠曲且孔口变大，冰脱离并且压力恢复到正常水平。
在具体实施例中，方法、或者装置或装置的部件中的一个或多个可以包括以下的一个或多个或者由以下的一个或多个制造，或者本文中可以包括以下中的一个或多个：具有整体地形成为三通阀的一部分的孔口的装置；流体地设置在管道中的阀下游的孔口，该管道构造成将所述携带氢的流体从所述阀输送到燃料电池系统的至少一个阴极；流体地设置在滑流流体源和孔口之间的防止回流阀；系统还构造成在相对于所述携带氢的流体的加压状态下输送所述滑流流体；系统还构造成在低于所述携带氢的流体的湿度下输送所述滑流流体经过所述孔口；孔口被流体地设置在所述致动机构的下游并且不被包括在所述阀的壳体内；至少一个致动机构包括可线性运动的柱塞；至少一个致动机构包括可旋转的塞；在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中的水冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的关闭期间进行操作；在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中的水冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的启动期间进行操作；滑流包含温度高于水的冻结温度且湿度低于20%的空气；从用于将反应物输送至阴极流道的压缩机中输送经过孔口的空气；阀是三通阀；以及/或用于改进燃料电池系统启动或关闭的装置，所述装置包括：包括单向阀的二通阀，并且其中二通阀与所述燃料电池系统的至少一个阳极流体地合作以接收从阳极流出的携带氢的流体，所述阀构造成允许选择性地使所述携带氢的流体和加压滑流流体中的至少一种通过该阀的选择性通过。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，包括：
包括多个燃料电池的燃料电池堆，所述各燃料电池包括用于接收携带氢的流体的阳极、用于接收携带氧的流体的阴极、和与所述阳极和所述阴极合作以使至少一种催化电离的反应物在这两个电极之间通过的介质；
与所述阳极流体连通的阳极流道；
与所述阴极流体连通的阴极流道；以及
与所述阳极流道和所述阴极流道流体地合作的三通阀，所述阀包括：
建立所述携带氢的流体从所述阳极流道到所述阴极流道的选择性引入的至少一个致动机构；以及
流量控制孔口，所述流量控制孔口构造成控制进入所述阴极流道的阳极流量，使得在存在于所述流道和阀中的水可以冻结的环境条件下，所述孔口对滑流流体的提高压力作出响应，从而响应于所述滑流流体通过所述孔口而利用所述孔口的挠曲动作来去除位于所述孔口上的任何冻结的水。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述流量控制孔口具有柔性构造。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还构造成在相对于所述携带氢的流体的加压状态中输送所述滑流流体。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还构造成在低于所述携带氢的流体的湿度下输送所述滑流流体经过所述孔口。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述孔口被流体地设置在所述致动机构的下游并且不被包含在所述阀的壳体内。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个致动机构包括可线性移动的柱塞。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个致动机构包括可旋转塞。
8.一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：
配置与所述燃料电池系统的阳极流道和阴极流道流体地合作的阀，所述阀包括至少一个致动机构和流量控制孔口；
使加压的滑流通过所述孔口，使得在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中的水可被冻结的环境条件下，所述孔口响应于所述滑流的提高压力而挠曲，从而通过所述挠曲来去除位于所述孔口上的任何冻结的水；以及
通过所述至少一个致动机构和所述孔口将携带氢的流体从所述阳极流道导入所述阴极流道。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述阳极流道、阴极流道和阀的至少一个中存在的水被冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的关闭期间进行所述操作。
10.如权利要求8所述的方法，其中在存在于所述阳极流道、阴极流道和阀中的至少一个中的水被冻结的所述环境条件下，在所述燃料电池系统的启动期间进行所述操作。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述滑流包含温度高于水的冻结温度且湿度低于20%的空气。
12.如权利要求8所述的方法，其中从用于将反应物输送至所述阴极流道的压缩机中输送经过所述孔口的空气。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述阀是三通阀。
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