專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的操作以及與其相關(guān)的設(shè)備的操作，且具體地但不 排他地涉及用于使燃料電池系統(tǒng)停止的策略。
背景技術(shù)：
水對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的操作是不可缺少的，所述燃料電池系統(tǒng)例如成此處所述的 系統(tǒng)的形式，此處所描述的系統(tǒng)包括圍繞質(zhì)子交換膜(PEM)建立的燃料電池堆。從陽(yáng)極流 動(dòng)路徑傳導(dǎo)通過(guò)P EM的質(zhì)子(氫離子)與存在于陰極流動(dòng)路徑中的氧的反應(yīng)產(chǎn)生水。需要 從燃料電池堆去除過(guò)量的水，以避免溢流并引起隨之發(fā)生的性能退化。然而，需要至少在陰 極流動(dòng)路徑中存在一定量的水以維持PEM的水合作用，以便實(shí)現(xiàn)燃料電池的優(yōu)化的性能。 通過(guò)仔細(xì)權(quán)衡注入和去除來(lái)控制所述水，也可以提供用于從燃料電池堆中去除過(guò)量的熱量 的有用的機(jī)制。為了優(yōu)化性能，可以在這種燃料電池系統(tǒng)內(nèi)有意地利用通過(guò)注射進(jìn)入所述堆的陰 極流動(dòng)路徑中的水。與其他類型的采用分離的冷卻通道的燃料電池系統(tǒng)相比，這種注水燃 料電池系統(tǒng)潛在的優(yōu)點(diǎn)是減小的尺寸和復(fù)雜度。如例如在GB2409763中所描述的，水可以 通過(guò)水配送歧管直接注入到陰極流動(dòng)路徑中。對(duì)于注水系統(tǒng)，重要的是進(jìn)給返回至陰極流動(dòng)路徑中的所有水是高純度的，以便 避免對(duì)PEM的污染和由此帶來(lái)的堆性能的退化。然而，這種對(duì)高純度的要求意味著，不能使 用降低水的凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)的添加劑。尤其對(duì)于汽車領(lǐng)域，通常的要求包括從冰點(diǎn)以下(典 型地低至-20°C)啟動(dòng)以復(fù)制燃料電池在實(shí)際上可能使用的環(huán)境。因?yàn)楦呒兌人哂?°C 的冰點(diǎn)(在Ibar壓強(qiáng)下)，假定有充足的時(shí)間任何遺留在燃料電池系統(tǒng)中的水將在燃料電 池停止之后凍結(jié)。燃料電池系統(tǒng)中的冰，尤其是陰極流動(dòng)路徑內(nèi)的冰可能會(huì)阻止所述堆適當(dāng)?shù)夭?作，或者完全阻止堆操作。如果陰極流動(dòng)路徑中的任何部分被冰阻塞，空氣不能通過(guò)陰極， 且燃料電池不能自加熱到冰點(diǎn)以上。此后將需要加熱整個(gè)堆的其他方法，這將會(huì)在燃料電 池可以開(kāi)始供應(yīng)電能和自身加熱之前，需要消耗外部電力。例如在US 6479177中描述的清除操作可以在使燃料電池堆停止時(shí)使用。這一文 件公開(kāi)一種燃料電池堆，其具有與陰極流動(dòng)路徑分開(kāi)的水冷卻通路。在允許堆的溫度下降 到冰點(diǎn)以下之前，加壓的干燥的氮?dú)膺M(jìn)給被用于從所述堆清除水。然而這種方法需要加壓 的氮?dú)獾墓┙o，在汽車環(huán)境下這可能是不可行的或甚至是不被期望的。本發(fā)明的目的在于解決上述問(wèn)題中的一個(gè)或更多個(gè)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，本發(fā)明提供一種停止燃料電池系統(tǒng)操作的方法，所述燃料電池系 統(tǒng)包括燃料電池堆，所述方法包括以下連續(xù)的步驟i)停止燃料到燃料電池堆的供給；
ii)關(guān)閉位于與燃料電池系統(tǒng)的陰極系統(tǒng)流體連通的排放管線上的截止閥，所述 陰極系統(tǒng)包括穿過(guò)燃料電池堆的陰極流體流動(dòng)路徑；iii)用與所述燃料電池堆中的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)給所述陰極 系統(tǒng)加壓；和iv)從所述陰極流動(dòng)路徑排出水。在第二方面中，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池堆；具有陰極流體流動(dòng)路徑的陰極系統(tǒng)，所述陰 極流體流動(dòng)路徑包括以串聯(lián)方式連接 并配置成允許空氣通過(guò)所述燃料電池堆的陰極空氣入口管線、位于所述燃料電池堆中的陰 極體積和陰極引出管線；與所述陰極空氣入口管線流體連通的空氣壓縮機(jī)；隔熱的收集容器，其被配置成通過(guò)水回流管線接收來(lái)自所述陰極流動(dòng)路徑的水，其中所述燃料電池系統(tǒng)被配置以在停止所述系統(tǒng)的操作期間將來(lái)自所述陰極流 動(dòng)路徑的水通過(guò)所述水回流管線排入到所述收集容器中。在第三方面中，本發(fā)明提供一種反向流動(dòng)泄壓閥，所述反向流動(dòng)泄壓閥包括第一進(jìn)給口 ；第二進(jìn)給口 ；單向閥，所述單向閥位于在所述第一進(jìn)給口和所述第二進(jìn)給口之間延伸的主流體 通路中，所述單向閥被配置以允許流體從所述第一進(jìn)給口流到所述第二進(jìn)給口，且阻止流 體沿相反方向的流過(guò)；與所述主流體通路流體連通的旁路流體通路；密封閥，所述密封閥壓靠在所述旁路通路和清除端口之間的所述旁路通路的端部 上，其中所述密封閥被配置以在所述第一進(jìn)給口中的流體壓力超過(guò)所述第二進(jìn)給口 處的流體壓力時(shí)保持對(duì)所述旁路通路的密封以阻止通過(guò)所述旁路流體通路從所述主流體 通路到所述清除端口的流體流，且被配置以在所述第二進(jìn)給口處的流體壓力超過(guò)所述第一 進(jìn)給口處的流體壓力時(shí)允許流體流通過(guò)所述旁路流體通路從所述第二進(jìn)給口流到所述清 除端口。在第四方面中，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池堆；具有陰極流體流動(dòng)路徑的陰極系統(tǒng)，所述陰極流體流動(dòng)路徑包括以串聯(lián)方式連接 并被配置以允許空氣流過(guò)所述燃料電池堆的陰極空氣入口管線、位于所述燃料電池堆中的 陰極體積和陰極引出管線；熱交換器，所述熱交換器與水分離器串聯(lián)連接到所述陰極流體流動(dòng)路徑的所述陰 極引出管線上，其中所述水分離器的排水出口管線通過(guò)第一水回流管線連接到水收集容器上。


本發(fā)明將僅以示例的方式且參照附圖進(jìn)行描述，在附圖中
圖1示出在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)部件的布置的示意圖；圖2示出示例性水收集容器的示意圖；圖3示出示例性反向流動(dòng)泄壓閥的剖面立體圖；圖4a和4b示意地示出圖3中的反向流動(dòng)泄壓閥的操作；和圖5a和5b示意地示出用于陰極引出流液體分離的兩種替換配置。
具體實(shí)施例方式圖1示出了包括燃料電池堆110和其他相關(guān)部件的示例性燃料電池系統(tǒng)100的示 意圖。燃料電池堆110具有通過(guò)其的陰極流動(dòng)路徑，陰極流動(dòng)路徑包括空氣入口 124，該空 氣入口 124通向空氣入口管線123并在陰極空氣入口 126處進(jìn)入所述堆。在穿過(guò)燃料電 池堆110內(nèi)的內(nèi)部陰極體積(未示出)之后，陰極流動(dòng)路徑從燃料電池堆110出來(lái)、進(jìn)入 陰極引出管線121中、通過(guò)陰極排放管線122和排放截止閥120。在正常操作期間，排放截 止閥120部分打開(kāi)或完全打開(kāi)。例如具有相關(guān)的冷卻風(fēng)扇139的熱交換器130和水分離器 (water separator) 131的各種部件可以連接到陰極流動(dòng)路徑中的陰極引出管線121和排 放管線122或連接至其的一部分。溫度傳感器TX1、TX2、TX3、TX5和壓力傳感器PX2、PX3也 可以被設(shè)置，被連接到適合的位置上以監(jiān)測(cè)陰極流動(dòng)路徑的入口管線123和引出管線121。在本文中的措辭“陰極系統(tǒng)”意圖是要包括燃料電池系統(tǒng)100中的與燃料電池堆 中的陰極體積相關(guān)的部分。這些部分包括燃料電池中的各種內(nèi)部部件(例如入口、出口、 內(nèi)部流動(dòng)路徑和水配送結(jié)構(gòu))以及與陰極體積流體連通的部件(例如液體和氣體的各種 入口、出口、流通和排放管線。術(shù)語(yǔ)“陰極流動(dòng)路徑”的意圖是要包含陰極系統(tǒng)的次級(jí)系統(tǒng) (subset)，所述次級(jí)系統(tǒng)包括從空氣入口 124通過(guò)空氣壓縮機(jī)133、入口管線123、燃料電池 堆110的陰極體積和陰極引出管線121的流體流動(dòng)路徑。術(shù)語(yǔ)“陽(yáng)極系統(tǒng)”和“陽(yáng)極流動(dòng)路 徑”可以參考與陽(yáng)極體積相關(guān)的燃料電池系統(tǒng)100的各個(gè)部件，進(jìn)行類似地詮釋。連接到陰極空氣入口管線123的空氣壓縮機(jī)133給陰極流動(dòng)路徑提供壓縮空氣。 其他部件(例如空氣入口熱交換器134、流量計(jì)135、一個(gè)或更多的空氣過(guò)濾器136、137以 及空氣加熱器138)可以設(shè)置在空氣入口 124和燃料電池堆110之間的陰極入口管線123 中?？諝馊肟跓峤粨Q器134可以用于連接冷卻劑管線141、三通閥142以及溫度傳感器TX7， 以便在燃料電池系統(tǒng)100操作期間預(yù)先加熱來(lái)自空氣壓縮機(jī)133的空氣和來(lái)自冷卻劑管 線141的冷卻劑。通過(guò)空氣入口熱交換器134的冷卻劑管線141形成分立的冷卻回路，其 被配置以從壓縮機(jī)133之后的空氣流中抽取熱量。這種冷卻劑管線141優(yōu)選在燃料電池 堆110達(dá)到正常操作溫度之后進(jìn)行操作，以便避免在系統(tǒng)100的啟動(dòng)期間從陰極空氣入口 管線123的空氣入口流中抽取熱量。管線141中的冷卻劑的導(dǎo)流可以通過(guò)使用閥142來(lái)實(shí) 現(xiàn)，從而允許對(duì)冷卻劑是否被輸送給熱交換器134進(jìn)行控制。因?yàn)槔鋮s劑管線141與進(jìn)給 到陰極系統(tǒng)中的水分離開(kāi)，所以對(duì)高純水的要求是不一樣的。因此在冷卻劑管線141中所 使用的冷卻劑可以包括例如乙二醇的添加劑以降低所使用的冷卻劑的冰點(diǎn)。通常為氣態(tài)氫形式的燃料經(jīng)由減壓閥151和激勵(lì)閥152(優(yōu)選為通常是關(guān)閉的電 磁激勵(lì)閥形式)，進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)。當(dāng)燃料供給150為氣態(tài)氫形式時(shí)，其通常遠(yuǎn)離燃料電 池系統(tǒng)設(shè)置，例如成朝向車輛后部的加壓罐的形式。另一電磁激勵(lì)閥153和減壓閥154可 以設(shè)置為較靠近燃料電池堆110，且位于燃料源150和燃料電池堆110的陽(yáng)極入口 156之間的陽(yáng)極流動(dòng)路徑的燃料入口管線155中。因此，提供通向陽(yáng)極入口 156的兩組分開(kāi)的閥， 一組閥151、152靠近罐，另一組閥153、154較靠近燃料電池堆110，其中中間加壓燃料管線 119位于它們之間。減壓閥154將干燃料氣體壓力調(diào)節(jié)到適于引入到燃料電池堆110中的 水平。減壓閥154優(yōu)選是已經(jīng)施加預(yù)定壓力設(shè)定的被動(dòng)裝置，盡管也可以使用主動(dòng)控制裝 置?？蛇x地，例如圖1所示燃料加熱器145被設(shè)置在增壓燃料管線119中且在閥153的前 面，或者替換地被設(shè)置在燃料入口管線155中、在減壓閥154的前面或后面。在陽(yáng)極引出管線165上設(shè)置另一激勵(lì)閥161。每個(gè)激勵(lì)閥152、153、161可以設(shè)置有 局部加熱器元件，以根據(jù)需要給閥解凍，盡管通過(guò)流過(guò)螺線管的電流的流過(guò)對(duì)閥152、153、 161的激勵(lì)將提供一定程度的加熱。優(yōu)選地，每個(gè)激勵(lì)閥152、153、161被配置成是故障安全 防護(hù)的，即當(dāng)通過(guò)流過(guò)螺線管的電流進(jìn)行激勵(lì)時(shí)才打開(kāi)閥。為了監(jiān)測(cè)并釋放陽(yáng)極流動(dòng)路徑中的燃料壓力，可以設(shè)置壓力傳感器PX1和/或泄 壓閥157。優(yōu)選地，泄壓閥157設(shè)置成當(dāng)陽(yáng)極流動(dòng)路徑中的壓力超過(guò)安全操作水平時(shí)打開(kāi)并 且通過(guò)壓力釋放排放管線158從陽(yáng)極流動(dòng)路徑排出流體。在陽(yáng)極引出管線165中可以設(shè)置另一可手動(dòng)操作的閥162，該閥162例如在維修 期間被使用，以確保對(duì)陽(yáng)極流動(dòng)路徑減壓。在燃料電池堆110的陽(yáng)極流動(dòng)路徑中會(huì)發(fā)生水 的累積(Water build-up)，例如由于水從陰極側(cè)通過(guò)質(zhì)子交換膜PEM擴(kuò)散所導(dǎo)致的水的累 積。從而，陽(yáng)極排水分離器163可以設(shè)置在陽(yáng)極排放管線164中，以分離排放管線164中存 在的所有水。這些水可以被排掉或可選地被再循環(huán)。在燃料電池堆110的操作期間，閥161 通常保持關(guān)閉，并且僅間歇地打開(kāi)以從陽(yáng)極流體路徑排出所有累積的水。在燃料電池堆110中設(shè)置陰極注水入口 127，入口 127連接到陰極注水管線125。 陰極注水管線125可以沿其整個(gè)長(zhǎng)度或部分長(zhǎng)度進(jìn)行加熱，并且在水收集容器140和陰極 注水入口 127之間延伸?？梢栽O(shè)置加熱器129以施加熱量到管線125的特定區(qū)域，以加熱 朝向陰極注水入口 127通過(guò)注入管線125的水。另一壓力傳感器PX4可以設(shè)置在陰極注水 管線125上，以便在操作期間監(jiān)測(cè)管線125上的回壓(back-pressure)。來(lái)自陰極引出管線121的水被用水泵132 (可選地其設(shè)置有加熱器143)抽吸，朝 向水收集容器140通過(guò)水回流管線128，在下文中參考圖2提供了關(guān)于其的另外的細(xì)節(jié)。將 過(guò)量的水從燃料電池系統(tǒng)100通過(guò)水溢流管線144排到水收集容器140的外面。圖2示出的是圖1中的水收集容器140的橫截面示意圖。容器140包括隔熱壁 210和蓋211，蓋211也可以是隔熱的。優(yōu)選地，容器140的壁210是雙壁構(gòu)造，其在兩個(gè)壁 之間具有真空或其他隔熱層(例如空氣或膨脹的聚苯乙烯)。容器210的內(nèi)表面215優(yōu)選 由例如不銹鋼的抗腐蝕的材料制成，以防止對(duì)容器內(nèi)的水212的污染。蓋211的目的是允許連接被容納在容器140內(nèi)的各種元件，同時(shí)還保持好的程度 的絕緣。通常，蓋211由具有額外的絕緣泡沫層的玻璃增強(qiáng)尼龍制造。蓋中用以提供管線 125、144、128通過(guò)的端口優(yōu)選地被配置使得當(dāng)在使系統(tǒng)停止時(shí)，所有剩余的水回流到容器 中。這涉及使用適當(dāng)大直徑的管子，使得水珠不會(huì)形成以跨過(guò)管的內(nèi)部孔，且停留在管線 中。優(yōu)選地，在蓋中不使用接頭配件，使得通過(guò)蓋211的管不含有尖銳的彎曲。因此，總的 來(lái)說(shuō)，在水收集容器140和陰極注水入口 127之間延伸的注水管線125，以及在陰極引出管 線121和水收集容器140之間延伸的排放管線121、128都包括具有內(nèi)部孔的管道，使得在 從陰極系統(tǒng)排出水之后水珠不會(huì)跨過(guò)所述孔。
容器140中的恒溫加熱元件236被設(shè)置，以將容器140內(nèi)的水212的溫度維持在冰 點(diǎn)以上。水平傳感器233提供指示容器內(nèi)的水212的水平的信號(hào)。除了恒溫加熱元件236 之外，設(shè)置了加熱器237以便提供較快的加熱，用以解凍水212 (如果被凍結(jié)的話)。由于將 水從固相改變至液相的能量需要，通常所述加熱器237的額定功率高于恒溫加熱元件236 的額定功率，例如約180W或更高。恒溫加熱器236被配置以確保容器140中的水212的溫 度保持高于設(shè)定點(diǎn)。所述設(shè)定點(diǎn)通常是5°C，以便用以防止水凍結(jié)。恒溫加熱器236可以由 12V電池電源進(jìn)行供電，并且設(shè)定以操作規(guī)定的周期。因此，在這一周期中，可以確保容器中 的水是液態(tài)的。對(duì)于較長(zhǎng)期間在零度以下的周圍溫度，為了節(jié)省電池電力，而停用恒溫加熱 器236。之后，水212可能凍結(jié)，且將需要用較高功率的加熱器237進(jìn)行解凍。通常，恒溫加 熱器處于額定功率，使得最大熱量輸出稍微高于容器的最大額定損失(rated losses) 0通 常的額定功率是在2到4W的范圍內(nèi)。安裝溫度傳感器TX4(其優(yōu)選地包括浸沒(méi)式的熱敏電阻器)，以便允許監(jiān)測(cè)容器 140中的水212的溫度。
溢流管線144被設(shè)置，以在如果容器內(nèi)的水位超過(guò)預(yù)定量，將過(guò)量的水從收集容 器排出。來(lái)自水回流管線128的水通過(guò)過(guò)濾器234進(jìn)入容器140。泵230、231、240將從容 器140抽吸水212、通過(guò)另一過(guò)濾器214、反向流動(dòng)泄壓閥213且進(jìn)入到陰極注水管線125 中。流量計(jì)235被配置以監(jiān)測(cè)穿過(guò)陰極注水管線125的水量。優(yōu)選地，泵被構(gòu)造，使得電機(jī)部分231位于容器140的收集體積的外面，且因此避 免與容器中的水212直接接觸。電機(jī)231和泵壓頭230之間的軸240允許電機(jī)231驅(qū)動(dòng)泵 壓頭230。至少包括入口、出口和葉輪的泵壓頭優(yōu)選地具有這樣的構(gòu)造，使得在被浸沒(méi)到凍 結(jié)的水中之后如果水被解凍那么泵能夠再次操作。優(yōu)選地電機(jī)231被定級(jí)(rated)用于在 零度以下的溫度操作。泵壓頭230被設(shè)置，以便被容器140中的水212浸沒(méi)。這具有泵壓頭230在停止期 間不需要被清除或在啟動(dòng)期間不需要被加熱的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在停止以后水212被保持在瓶 (flask)內(nèi)時(shí)。優(yōu)選地，泵壓頭230被配置成具有小的熱質(zhì)。在它解凍時(shí)，通過(guò)從周圍的水傳 遞的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)泵壓頭230中的所有冰的融化。優(yōu)選地，泵壓頭230還配置以適應(yīng)由于冰的 形成所造成的膨脹。在融化時(shí)，泵壓頭230則返回到其原始形狀，且不會(huì)折中(compromise) 其的操作。反向流動(dòng)泄壓閥213被構(gòu)造，使得在泵是可運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)，允許水從泵壓頭230朝向陰 極注水入口 127流過(guò)陰極注水管線125，從而沿流動(dòng)方向在閥上產(chǎn)生壓力降。然而，當(dāng)泵被 停止且陰極注水管線125中的壓力被增加時(shí)，閥213允許水通過(guò)清除端口 238流回到容器 140 中。反向流動(dòng)泄壓閥213的目的是在系統(tǒng)100停止期間允許水從燃料電池堆110和連 接管線反沖(back flushed)到容器140中。關(guān)閉陰極排放閥120允許燃料電池堆110中 的水在來(lái)自空氣壓縮機(jī)133的壓力下被迫使返回穿過(guò)陰極注水入口 127、流到堆110的外面 且朝向水收集容器140通過(guò)注水管線125。然而，如果在收集容器中使用齒輪泵，且沒(méi)有使 用反向流動(dòng)泄壓閥213，那么由于推動(dòng)水返回通過(guò)泵壓頭230所需要的壓力而沒(méi)有水流動(dòng)。 因此，反向流動(dòng)泄壓閥213被配置，使得在正常操作中，它允許水通過(guò)它從泵到燃料電池堆110。當(dāng)在泵壓頭230沒(méi)有被操作時(shí)且隔膜受到小的回壓(例如在300mBar. g的范圍中) 時(shí)，隔膜打開(kāi)且允許水通過(guò)清除端口 238回流到瓶中。在圖3中以剖視視圖的形式顯示出反向流動(dòng)泄壓閥213的示例性實(shí)施例。在正常 操作中，水沿箭頭301所示的方向從收集容器140流過(guò)反向流動(dòng)泄壓閥213。水流過(guò)第一 進(jìn)給口 314、通過(guò)單向閥316，且朝向陰極注水管線125通過(guò)第二進(jìn)給口 320流到閥213的 外面。第一進(jìn)給口 314中的水的壓力通過(guò)連接通路313和傳遞通路312被傳遞到由密封閥 (例如成隔膜321的形式)密封的且由蓋的表面323包封的腔311。壓力保持隔膜321的 密封面317抵靠旁路通路318的表面，因此防止流體在第二進(jìn)給口 320和在隔膜321后面 的低壓腔315之間通過(guò)。如果水收集容器泵230停用，第一進(jìn)給口 314中的壓力的損失和由燃料電池堆110 的陰極體積中的增大的壓力所引起的第二進(jìn)給口 320中的壓力的增加，導(dǎo)致單向閥316閉 合。第二進(jìn)給口中的增大的壓力導(dǎo)致隔膜321(優(yōu)選由彈性材料(例如橡膠)構(gòu)成)彎曲且 打開(kāi)旁路通路318和低壓腔315之間的通路。然后水從第二進(jìn)給口 320通過(guò)旁路通路318 流入到低壓腔315中，通過(guò)清除通路322且通過(guò)清除端口 238流到閥213的外面。箭頭302 示出沿相反方向的流的整體方向。反向流動(dòng)泄壓閥的配置允許水從燃料電池堆的陰極體積和陰極注水管線排出，同 時(shí)允許收集容器140中的泵壓頭230保持用水灌注。只要容器中的水212沒(méi)有凍結(jié)，那么泵 壓頭230保持處于準(zhǔn)備立刻開(kāi)始抽吸水用于注入到燃料電池堆110的陰極體積中的狀態(tài)。圖4a和4b示意地示出反向流動(dòng)泄壓閥213可能的兩種不同的操作模式。在圖4a 中，示出清除操作，其中來(lái)自燃料電池堆的低壓空氣通過(guò)第二進(jìn)給口 320進(jìn)入閥213中，且 沒(méi)有流進(jìn)入到第一進(jìn)給口 314中。所述低壓空氣使得隔膜321偏轉(zhuǎn)，并允許流通過(guò)旁路通 路318和通過(guò)清除端口 238流到閥的外面，用于輸送到水收集容器140中的水池中。單向 閥316防止通過(guò)第一進(jìn)給口 314的流動(dòng)。在圖4b中，示出反向流動(dòng)泄壓閥213的水輸送操作，其中從水收集容器140中的 水池中抽取的高壓水通過(guò)第一進(jìn)給口 314進(jìn)入閥213中。通過(guò)連接通路313傳遞到高壓腔 311的壓力將保持隔膜321處于閉合位置且緊靠旁路通路318。水流穿過(guò)單向閥316，且經(jīng) 由第二進(jìn)給口 320流出到反向流動(dòng)泄壓閥213的外面。沒(méi)有出現(xiàn)通過(guò)清除端口 238的流。圖5a和5b中示意地示出了陰極出口、排放和排水管線的兩種可替代的布置。在 圖5a中，水分離器131首先與陰極引出管線121管線連接，與熱交換器130串聯(lián)并在其的 前面，使用兩個(gè)排水管線128a、128b以經(jīng)由泵132a、132b將水傳送到收集容器140。在圖 5b中，水分離器131與熱交換器130串聯(lián)連接，但位于其的后面，且使用單個(gè)泵132通過(guò)水 回流管線128將水抽到收集容器140。在圖5a的配置中，陰極引出流通過(guò)陰極引出管線121流到氣旋式水分離器131，其 在將飽和的空氣重新引導(dǎo)至熱交換器130之前去除液體含量。熱交換器130冷卻飽和空氣 流，這導(dǎo)致一部分所攜帶的(entrained)水變成液相。兩個(gè)泵132a、132b用于將回收的水 輸送到收集容器140，一個(gè)泵132a經(jīng)由水回流管線128a連接到分離器131的底部，另一個(gè) 泵132b經(jīng)由水回流管線128b連接到熱交換器130引出歧管箱。在正常的燃料電池操作期 間，可變截止閥120保持打開(kāi)。然而，在燃料電池系統(tǒng)的停止期間，所述閥被關(guān)閉以使陰極 流動(dòng)路徑回壓。在這種情況下，壓縮機(jī)133 (或根據(jù)限定的流量設(shè)定點(diǎn)將空氣供給到燃料電
10池的其他裝置)努力地運(yùn)行以維持固定的空氣流量。分離器131包括泄壓閥(未示出)， 其在這種回壓停止階段期間打開(kāi)，從而允許將水從水分離器131通過(guò)水清除管線510排出 (通常排到大氣中)。在系統(tǒng)停止時(shí)使陰極流動(dòng)路徑回壓之前，通常允許泵132a運(yùn)行幾秒 鐘以清除來(lái)自分離器131的大部分水。在圖5b的配置中，除了氣旋式分離器131被設(shè)置在熱交換器130的后面之外，其 的操作類似于圖5a的操作。同理，陰極引出流的液體成分穿過(guò)熱交換器130。此外，僅需 要一個(gè)泵132以將回收的水輸送回收集容器140。這種配置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于熱交換 器130的入口遠(yuǎn)離底部，在停止之后保留在熱交換器130中的任何剩余的水將落下，以占據(jù) 熱交換器130的下部。在熱交換器130隨后遭受零度以下溫度的情況下，這些水將會(huì)凍結(jié)。 然而，通過(guò)陰極流動(dòng)路徑、通過(guò)熱交換器的剩余部分的流仍然是可以的，之后所述流將加熱 且解凍在下部中被凍結(jié)的水。在每種情形中清除端口 510允許氣旋式分離器被清除成干的，從而允許隨后在低 溫的儲(chǔ)存。優(yōu)選地，氣旋式分離器131的熱慣量低，使得當(dāng)分離器131低于0°C時(shí)且少量的液 態(tài)水進(jìn)入分離器時(shí)，液態(tài)水不會(huì)凍結(jié)?？蛇x地，泄壓閥可以用于增加系統(tǒng)的回壓至使得不需要傳送泵132、132a、132b的 程度。然而，在這種情況下可以不裝配氣旋式泄壓閥和清除端口 510，以確保陰極水引出管 線121中的內(nèi)部壓力迫使水朝向水收集容器140通過(guò)排水管線。如果沒(méi)有裝配傳送泵132， 那么圖5b中示出的布置是更優(yōu)選的，以確保從陰極引出管線排出的水穿過(guò)單個(gè)排水管線 128。在燃料電池系統(tǒng)100的操作期間(參照?qǐng)D1和2)，來(lái)自收集容器140的水被經(jīng)由 陰極注水管線125和陰極注水入口 127抽取通過(guò)陰極流動(dòng)路徑。在穿過(guò)燃料電池堆110內(nèi) 的陰極體積之后，水經(jīng)由陰極水引出管線121流到堆110的外面，并進(jìn)入到熱交換器130。 排放的氣體和冷凝的水的混合物穿過(guò)水分離器131。然后冷凝的水流過(guò)水回流管線128并 進(jìn)入水收集容器140。所有過(guò)量的水通過(guò)水溢流管線144排出。排放的氣體通過(guò)排放截止 閥120排出，排放截止閥120至少保持部分地打開(kāi)以控制陰極流動(dòng)路徑內(nèi)的壓力。參照?qǐng)D1，燃料氣體被進(jìn)給到陽(yáng)極入口 156且進(jìn)入燃料電池堆110內(nèi)的陽(yáng)極體積 (未示出)中。閥153、161被操作以保持陽(yáng)極體積中的期望的壓力。連接到陽(yáng)極出口 159 的手動(dòng)閥162保持閉合?？蛇x地，從陽(yáng)極排放流排出的水被用另外的水分離器163分離成 液相和氣相。在停止燃料電池系統(tǒng)100時(shí)，首先通過(guò)關(guān)閉燃料供給管線155上的電磁激勵(lì)閥153 來(lái)停止到燃料電池堆110的燃料供給。然后關(guān)閉陰極排放管線122上的截止閥120的同時(shí)， 空氣壓縮機(jī)133繼續(xù)操作。實(shí)際上，在截止閥120被關(guān)閉之前需要一時(shí)間，用以用空氣沖洗 通過(guò)陰極流動(dòng)路徑。然后陰極流動(dòng)路徑中的壓力升高。在截止閥被關(guān)閉之后，排水管線泵 132(如果有的話)優(yōu)選地繼續(xù)操作一時(shí)間，以允許水連續(xù)流到收集容器140。收集容器泵 230停止操作，且因此水停止進(jìn)給到陰極注水管線125。在停止期間，也可以使用陽(yáng)極流動(dòng)路徑的短的清除操作，來(lái)排出存在于陽(yáng)極流動(dòng) 路徑中的水，其中水被迫使通過(guò)打開(kāi)的陽(yáng)極引出閥161之后，使燃料電池堆110中的陽(yáng)極體 積降壓。
通過(guò)陰極流動(dòng)路徑進(jìn)行沖洗的空氣迫使剩余的水流到燃料電池堆110中的陰極 體積的外面且流過(guò)陰極引出管線121、通過(guò)熱交換器130流到水分離器131。泵132將水從 分離器131抽吸通過(guò)水回流管線128并進(jìn)入水收集容器140。當(dāng)截止閥120關(guān)閉時(shí)，陰極 空氣壓力將會(huì)升高，從而迫使水流到燃料電池堆110中的陰極體積的外面，朝向水收集容 器140通過(guò)陰極注水入口 127和通過(guò)陰極注水管線125和反向流動(dòng)泄壓閥213的清除端口 238。將水從陰極流動(dòng)路徑清除到水收集容器140的能力允許去除水，其可能是被誘捕 到內(nèi)部特征中和水配送道中。對(duì)于汽車應(yīng)用的典型尺寸的燃料電池堆，這可能導(dǎo)致從陰極 流動(dòng)路徑中去除大約30ml的水。使用空氣壓縮機(jī)133而不是氮?dú)馇宄M(jìn)給，減少了所需的 部件數(shù)量且避免過(guò)度地使燃料電池堆干燥。之后所述堆中的膜可以保持處于較合適用于隨 后的啟動(dòng)操作的狀態(tài)中。在停止時(shí)空氣壓縮機(jī)的計(jì)時(shí)操作可以被優(yōu)化，以提供在去除足夠 的水以防止零度以下條件的不利作用和所述膜的脫水之間的平衡。對(duì)于典型的燃料電池系 統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)可以在關(guān)閉排放閥120之后被操作大約1到2分鐘。也可以使用氫氣，以從 陽(yáng)極流動(dòng)路徑清除過(guò)量的水。本發(fā)明的其他實(shí)施例將落入到如隨附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種停止燃料電池系統(tǒng)的操作的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，所述方法包括以下連續(xù)的步驟i)停止燃料到所述燃料電池堆的供給；ii)關(guān)閉位于與所述燃料電池系統(tǒng)的陰極系統(tǒng)流體連通的排放管線上的截止閥，所述陰極系統(tǒng)包括穿過(guò)所述燃料電池堆的陰極流體流動(dòng)路徑；iii)用與所述燃料電池堆中的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)給所述陰極系統(tǒng)加壓；和iv)從所述陰極流動(dòng)路徑排出水。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟iv)包括通過(guò)以下裝置中的一個(gè)或更多個(gè)從所 述陰極流動(dòng)路徑排出水與所述燃料電池堆中的陰極注水入口流體連通的陰極注水管線；水分離器；熱交換器；和水回流管線。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中從所述陰極流動(dòng)路徑將水排出到隔熱收集容器。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中通過(guò)所述陰極流動(dòng)路徑的排放管線中的水分離器排 出水，并排入到所述收集容器中。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述收集容器是真空絕緣瓶。
6.如權(quán)利要求3到5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述收集容器包括泵，所述泵配置以將 來(lái)自所述收集容器的水提供到所述燃料電池堆中的注水入口。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述泵的泵壓頭被所述收集容器中的水浸沒(méi)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述泵的機(jī)動(dòng)部分設(shè)置在所述收集容器的水收集體 積的外面，所述機(jī)動(dòng)部分通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸連接到所述泵壓頭。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述空氣壓縮機(jī)被操作，直到在所述燃料電池堆與 所述收集容器之間的所述注水管線和排放管線中存在的所有水基本上被排到所述收集容 器中為止。
10.如權(quán)利要求3到9中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下連續(xù)步驟ν)通過(guò)恒溫控制的加熱元件將所述收集容器中的水保持高于預(yù)定的溫度。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在關(guān)閉所述截止閥之后所述恒溫控制的加熱元件 被停用預(yù)定時(shí)間。
12.如權(quán)利要求3到11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述收集容器包括加熱器，所述加熱 器被配置用以在所述燃料電池系統(tǒng)停止之后解凍所述收集容器中的水。
13.如權(quán)利要求3到12中任一項(xiàng)所述的方法，其中將水通過(guò)所述熱交換器和所述水分 離器排到所述收集容器中。
14.如權(quán)利要求2所述的方法，其中從所述陰極流動(dòng)路徑排出的水在穿過(guò)所述水分離 器之前穿過(guò)所述熱交換器，并進(jìn)入所述收集容器中。
15.如權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的方法，其中在關(guān)閉所述截止閥之后操作所述空 氣壓縮機(jī)一預(yù)定時(shí)間。
16.如權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的方法，其中操作所述空氣壓縮機(jī)，直至在所述陰極流動(dòng)路徑中的水達(dá)到預(yù)定水平為止。
17.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆；具有陰極流體流動(dòng)路徑的陰極系統(tǒng)，所述陰極流體流動(dòng)路徑包括以串聯(lián)方式連接并配 置成允許空氣通過(guò)所述燃料電池堆的陰極空氣入口管線、位于所述燃料電池堆中的陰極體 積和陰極引出管線；與所述陰極空氣入口管線流體連通的空氣壓縮機(jī)；隔熱的收集容器，所述隔熱的收集容器被配置成通過(guò)水回流管線接收來(lái)自所述陰極流 動(dòng)路徑的水，其中所述燃料電池系統(tǒng)被配置以在停止所述系統(tǒng)的操作時(shí)將來(lái)自所述陰極流動(dòng)路徑 的水通過(guò)所述水回流管線排入到所述收集容器中。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述收集容器與包括位于所述燃料電池 堆中的陰極注水入口的注水管線流體連接，所述注水管線被配置以允許來(lái)自所述燃料電池 堆的所述陰極體積的水流入到所述收集容器中。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述注水管線包括反向流動(dòng)泄壓閥，所 述反向流動(dòng)泄壓閥被配置以在所述閥上的壓力差與所述燃料電池系統(tǒng)的操作期間的壓力 差相反時(shí)允許來(lái)自所述陰極流動(dòng)路徑的水流入到所述收集容器中。
20.一種反向流動(dòng)泄壓閥，所述反向流動(dòng)泄壓閥包括第一進(jìn)給口；第二進(jìn)給口；單向閥，所述單向閥位于在所述第一進(jìn)給口和所述第二進(jìn)給口之間延伸的主流體通路 中，所述單向閥被配置以允許流體從所述第一進(jìn)給口流到所述第二進(jìn)給口，且阻止流體沿 相反方向的流過(guò)；與所述主流體通路流體連通的旁路流體通路；密封閥，所述密封閥壓靠在所述旁路通路和清除端口之間的所述旁路通路的端部上，其中所述密封閥被配置以在所述第一進(jìn)給口中的流體壓力超過(guò)所述第二進(jìn)給口處的 流體壓力時(shí)保持對(duì)所述旁路通路的密封以阻止通過(guò)所述旁路流體通路從所述主流體通路 到所述清除端口的流體流，且被配置以在所述第二進(jìn)給口處的流體壓力超過(guò)所述第一進(jìn)給 口處的流體壓力時(shí)允許流體流通過(guò)所述旁路流體通路從所述第二進(jìn)給口流到所述清除端
21.如權(quán)利要求20所述的反向流動(dòng)泄壓閥，其中所述密封閥被配置以在所述第二進(jìn)給 口處的流體壓力超過(guò)所述第一進(jìn)給口處的流體壓力一預(yù)定量時(shí)允許流體流通過(guò)所述旁路 流體通路從所述第二進(jìn)給口流到所述清除端口。
22.如權(quán)利要求21所述的反向流動(dòng)泄壓閥，其中所述預(yù)定量不小于300毫巴。
23.如權(quán)利要求20到22中任一項(xiàng)所述的反向流動(dòng)泄壓閥，其中所述密封閥包括彈性隔 膜，所述隔膜的一面與所述第一進(jìn)給口流體連通，所述隔膜的相對(duì)的第二面被壓靠到所述 旁路通路的端部上。
24.如權(quán)利要求20到23中任一項(xiàng)所述的反向流動(dòng)泄壓閥，包括在所述第一進(jìn)給口和所 述密封閥之間延伸的連接流體通路。
25.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括如權(quán)利要求20到24中任一項(xiàng)所述的反 向流動(dòng)泄壓閥，其中所述反向流動(dòng)泄壓閥的所述第二進(jìn)給口連接到陰極注水管線，所述第 一進(jìn)給口連接到泵且所述清除端口與水收集容器的內(nèi)部體積流體連通。
26.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆；具有陰極流體流動(dòng)路徑的陰極系統(tǒng)，所述陰極流體流動(dòng)路徑包括以串聯(lián)方式連接并被 配置以允許空氣流過(guò)所述燃料電池堆的陰極空氣入口管線、位于所述燃料電池堆中的陰極 體積和陰極引出管線；熱交換器，所述熱交換器與水分離器串聯(lián)連接到所述陰極流體流動(dòng)路徑的所述陰極引 出管線上，其中所述水分離器的排水出口管線通過(guò)第一水回流管線連接到水收集容器上。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱交換器的排水出口通過(guò)第二水回 流管線連接到所述水收集容器。
28.如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，包括在所述第一水回流管線和第二水回流管 線的每一個(gè)中的水泵。
29.一種參照附圖大致如此處所述的燃料電池系統(tǒng)。
30.一種參照附圖大致如此處所述的停止燃料電池堆的操作的方法。
31.一種參照附圖3、4a和4b大致如此處所述的反向流動(dòng)泄壓閥。
全文摘要
一種停止燃料電池系統(tǒng)(100)的操作的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆(110)，所述方法包括以下連續(xù)的步驟i)停止燃料到所述燃料電池堆(110)的供給；ii)關(guān)閉位于與所述燃料電池系統(tǒng)(100)的陰極系統(tǒng)流體連通的排放管線(122)上的截止閥(120)，所述陰極系統(tǒng)包括通過(guò)所述燃料電池堆(110)的陰極流體流動(dòng)路徑；iii)用與所述燃料電池堆(110)中的陰極空氣入口(126)流體連通的空氣壓縮機(jī)(133)給所述陰極系統(tǒng)加壓；和iv)從所述陰極流動(dòng)路徑排出水。
文檔編號(hào)F16K11/10GK101874325SQ200880117728
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者保羅·阿德考克, 彼得·戴維·胡德, 斯科特·貝爾德 申請(qǐng)人:智慧能量有限公司