專利名稱：利用關(guān)閉的噴射器放氣的陽極輪換流動的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種從一燃料電池疊置組件的陽極側(cè)放氮?dú)獾南到y(tǒng)和方法，尤其涉及一種從一采用輪換流動的分離燃料電池疊置組件的陽極側(cè)放氮?dú)獾南到y(tǒng)和方法，其中在兩個(gè)子疊置組件的一入口/出口端部處提供一個(gè)單獨(dú)的放氣閥。
背景技術(shù)：
氫是一種非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗蓛舨⒛苡脕碓谌剂想姵刂杏行У匕l(fā)電。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，它包括一個(gè)陽極和一個(gè)陰極，其間有電解質(zhì)。陽極接受氫氣，而陰極接受氧或空氣。氫氣在陽極中離解而產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與氧和陰極中的電子反應(yīng)而產(chǎn)生水。從陽極來的電子不能通過電解質(zhì)，因此被引導(dǎo)通過一個(gè)負(fù)載而在被送到陰極之前做功。該動作用而操縱車輛。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種供車輛用的受歡迎的燃料電池。PEMFC通常包括一種固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電膜，如全氟磺酸膜。該陽極和陰極通常包括細(xì)分的催化粒子，通常為支撐于碳粒子上并與一種離子鍵聚合物混合的鉑(Pt)。該催化混合物沉積在膜的對置兩側(cè)面上。該陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合形成一個(gè)膜電極組件(MEA)。
通常將若干燃料電池組合成一個(gè)燃料電池疊置組件來發(fā)出所要的電力。例如，一個(gè)典型的供車輛用的燃料電池疊置組件可以有二百個(gè)或更多的疊置的燃料電池。該燃料電池疊置組件接受一種陰極反應(yīng)物氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過該疊置組件的空氣流。并非所有氧均被該疊置組件消耗，而一些空氣被作為陰極排放氣體而輸出，后者可能包括作為疊置組件副產(chǎn)品的水。該燃料電池疊置組件也接受流入疊置組件的陽極側(cè)的陽極氫反應(yīng)物氣體。該疊置組件也包括流動通道，其中流過冷卻流體。
該燃料電池疊置組件包括一系列安置在疊置組件中的若干MEA之間的流動場或雙極板。這些雙極板包括用于該疊置組件中的相鄰的燃料電池的一個(gè)電極側(cè)面和一個(gè)陰極側(cè)面。在雙極板的陽極側(cè)面上設(shè)置陽極氣體流動通道，它們允許陽極氣體流到MEA的陽極側(cè)面上。在雙極板的陰極側(cè)面上設(shè)置陰極氣體流動通道，它們允許陰極氣體流到MEA的陰極側(cè)面上。這些雙極板也包括流動通道，其中流過冷卻流體。
MEA是多孔的，因此允許從疊置組件的陰極側(cè)來的空氣中的氮通過膜滲透并收集在陽極側(cè)面上，這在工業(yè)中稱為氮渡越。燃料電池疊置組件的陽極側(cè)中的氮稀釋氫，使得如果氮濃度增大到大于某一個(gè)百分率如50％，那么燃料電池疊置組件變成不穩(wěn)定而可能失效。
對于汽車的用途，它通常采用約400個(gè)燃料電池來提供所要的電力。因?yàn)槠嚾剂想姵叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)中疊置組件需要這么多的燃料電池，所以該疊置組件有時(shí)候分成兩個(gè)子疊置組件，每個(gè)包括約200個(gè)燃料電池，因?yàn)楹茈y有效地提供平行通過400個(gè)燃料電池的相等的氫氣流。
同時(shí)，一個(gè)燃料電池中的膜需要有一定的相對濕度，使得跨過該膜的離子阻力足夠地低而能有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。這種增濕作用可以來自疊置組件的水副產(chǎn)品或外界增濕作用。通過陽極氣體流動通道的氫氣流對膜有干燥效果，在氫氣流的入口處最顯著。同時(shí)，在陽極氣體流動通道內(nèi)，從膜的相對濕度和水副產(chǎn)品產(chǎn)生的水滴的積累可能妨礙氫流過其間，并可能由于反應(yīng)物氣流低而使電池失效，從而影響疊置組件的穩(wěn)定性。在低的疊置組件輸出負(fù)載處，這些反應(yīng)物氣體流動通道中水的積累特別麻煩。
在該技術(shù)中先前已提出過提供陽極反應(yīng)物輪換流動，其中陽極氣體流過疊置組件的方向周期地倒轉(zhuǎn)，使得在陽極入口處由于干燥的氫而產(chǎn)生的干燥效果不會在疊置組件的一端連續(xù)地發(fā)生。其次，通過進(jìn)行輪換流動，由疊置組件產(chǎn)生的水更好地用于提供膜的增濕作用。


圖1是上述利用輪換流動的那種類型的已知燃料電池系統(tǒng)10的一部分的示意圖。燃料電池系統(tǒng)10包括一個(gè)燃料電池疊置組件12，它分隔成第一子疊置組件14和第二子疊置組件16。一個(gè)陽極入口單元18控制從氫氣源20如壓縮氫罐來的流到聯(lián)接于子疊置組件14上的第一陽極輸入管線22和聯(lián)接于子疊置組件16上的第二陽極輸入管線24上的氫的流動和壓力。連接管線26連接子疊置組件12和14中的氫反應(yīng)物氣體流動通道，使得從子疊置組件14或16之一流出的陽極氣體進(jìn)入另一個(gè)子疊置組件14或16，這取決于陽極氣體流動的方向。管線26中設(shè)置一個(gè)水分離器28，它從流過管線26的氣體中除去水。
流入燃料電池疊置組件12的氫氣流是這樣輪換流動的，即首先在陽極輸入管線22上將氫氣提供給疊置組件12，然后倒轉(zhuǎn)流動，使得在陽極輸入管線24上將氫氣提供給疊置組件12。以這種方式繼續(xù)氫氣流的倒轉(zhuǎn)。輪換流動通常以每次流動方向?yàn)?-5秒的周期發(fā)生，總周期的時(shí)間為2-10秒。
在管線30上提供從氫氣源20來的氫氣。當(dāng)氫氣在管線22上被送往疊置組件12時(shí)，噴射器閥32、34、36控制氫氣通向疊置組件12的流動。在低流動速率時(shí)，一個(gè)控制器(未示出)關(guān)閉噴射器閥32和34，并且當(dāng)氫氣流動速率要求提高時(shí)選擇地增大噴射器36的工作循環(huán)。當(dāng)噴射器閥36的工作循環(huán)達(dá)到100％(繼續(xù)打開)時(shí)，那么當(dāng)氫氣流動速率要求提高時(shí)，該控制器選擇地增大噴射器34的工作循環(huán)。當(dāng)要求提高時(shí)該過程繼續(xù)，直到所有三個(gè)噴射器閥32、34、36有100％的工作循環(huán)而提供最高的氫氣流動速率。以同樣的方式提供氫氣流動速率的降低?；蚨嗷蛏俚膰娚淦鏖y可以以別的設(shè)計(jì)來提供。當(dāng)對輸入管線24輪換流動時(shí)，閥32-36被關(guān)閉，而閥38、40、42被用來以同樣方式控制通向疊置組件12的氫氣流。
一條陰極管線46聯(lián)接在疊置組件12和管線30的陰極輸入(未示出)上。在某些燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在系統(tǒng)起動時(shí)向疊置組件12的陰極側(cè)提供小量的氫。該氫與疊置組件12的陰極側(cè)上的空氣反應(yīng)而產(chǎn)生發(fā)熱的反應(yīng)，使得燃料電池疊置組件12的溫度可以迅速提高到一個(gè)所要的操作溫度。在系統(tǒng)起動時(shí)向疊置組件12的陰極側(cè)提供氫氣在低溫環(huán)境下特別有用。為了向管線16選擇地提供氫，在管線30中提供一個(gè)控制閥48，并為此在系統(tǒng)起動時(shí)以上述方式控制。
同時(shí)，在某些燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能要求在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)用從壓縮機(jī)(未示出)來的空氣清洗燃料電池疊置組件12的陽極側(cè)，以除去疊置組件12的陰極側(cè)中的流動通道中的殘余的氫和水。在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)從陽極側(cè)除去氫有某些眾所周知的好處，而從流動通道中除去水可以防止在低溫環(huán)境下水在疊置組件12中結(jié)冰。為了提供陽極清洗，陽極輸入單元18包括一對清洗閥50和52，它們聯(lián)接在陽極輸入管線22和陰極管線46之間。同樣，一對清洗閥54和56聯(lián)接在陽極輸入管線24和陰極管線46之間。因此，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，閥32-42關(guān)閉而閥50-56打開，以清洗疊置組件12的陽極側(cè)面。
如上所述，在疊置組件操作期間需要從燃料電池疊置組件12的陽極側(cè)放氮?dú)鈦硖岣忒B置組件的穩(wěn)定性。一個(gè)放氣閥64聯(lián)接在管線26上以進(jìn)行氮的放氣。在一種設(shè)計(jì)中，從放氣閥64放出的氮、氫、水等被送到系統(tǒng)10的陰極排氣中。放出的物質(zhì)中氫的濃度很低，因而不足以產(chǎn)生燃燒問題。取決于各種因素，氫通過放氣閥64從管線26周期地放出。
在通過放氣閥64放出陽極氣體以除去氮期間，預(yù)期用于下游子疊置組件14或16的新鮮氫氣被放掉，而沒有提供給子疊置組件14或16。當(dāng)放氣閥64打開時(shí)，由于被打開的放氣閥64產(chǎn)生的壓力差和氫被下游的子疊置組件14或16消耗，僅僅小量的氫能夠通過下游的子疊置組件14或16。子疊置組件14或16的這種缺氫影響疊置組件的穩(wěn)定性，使電池的電壓劇烈下降。因此，從系統(tǒng)10中的疊置組件12放氮?dú)鈱ΟB置組件的性能有影響。
本發(fā)明概要按照本發(fā)明的說明，本發(fā)明公開一種利用氮放氣的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)有一第一子疊置組件和一第二子疊置組件的燃料電池疊置組件。通向燃料電池疊置組件的氫氣的流動受一個(gè)陽極入口單元的控制，其中該氫氣流在這兩個(gè)子疊置組件之間輪換流動。一個(gè)第一氮放氣閥設(shè)置在一個(gè)聯(lián)接于第一子疊置組件上的陽極氣體輸入管線中，而一個(gè)第二氮放氣閥設(shè)置在一個(gè)聯(lián)接于第二子疊置組件上的陽極氣體輸入管線中。當(dāng)?shù)谝蛔盈B置組件正接受該陽極氣體而要求氮放氣時(shí)，第一子疊置組件的輸入管線中的第一放氣閥關(guān)閉而第二放氣閥打開，從而提供氮放氣。當(dāng)?shù)诙盈B置組件正接受該陽極氣體而要求氮放氣時(shí)，第二子疊置組件的輸入管線中的第二放氣閥關(guān)閉而第一放氣閥打開，從而提供氮放氣。
從結(jié)合附圖的下列描述和附屬的權(quán)利要求書可以清楚本發(fā)明的其它特點(diǎn)。
附圖簡述圖1是一種包括一個(gè)有一第一子疊置組件和一第二子疊置組件的疊置組件的已知的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其中在兩個(gè)子疊置組件之間設(shè)置一個(gè)氮放氣閥；以及圖2是一種包括一個(gè)有一第一子疊置組件和一第二子疊置組件的燃料電池疊置組件的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其中，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)氮放氣閥設(shè)置在通向第一疊置組件的輸入管線上，而一個(gè)氮放氣閥設(shè)置在通向第二子疊置組件的輸入管線上。
實(shí)施例詳述下述關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施例的討論針對一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)有第一子疊置組件和第二子疊置組件與在通向第一子疊置組件的輸入處的第一氮放氣閥和在第二子疊置組件的輸入處的第二氮放氣閥的燃料電池疊置組件，該實(shí)施例在性質(zhì)上僅是示范的，并不限制本發(fā)明或其用途。
圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的類似于燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池系統(tǒng)70的示意圖，其中相同的部件具有相同的標(biāo)號。在該實(shí)施例中，已省略了在子疊置組件12和14之間的氮放氣閥64。其次，在陽極輸入管線22中設(shè)置一第一氮放氣閥72而在陽極輸入管線24中設(shè)置一第二氮放氣閥74。閥72和74兩者示于關(guān)閉位置。當(dāng)陽極氣流輪換而使得陽極氣體如上所述地被提供到陽極輸入管線22上且該控制器已要求氮放氣時(shí)，第一放氣閥72關(guān)閉而第二放氣閥74打開。同樣，當(dāng)陽極氣流輪換而使得陽極輸入氣體被提供到第二陽極輸入管線24上且該控制器要求氮放氣時(shí)，第二放氣閥74關(guān)閉而第一放氣閥72打開。因此，當(dāng)要求放氣時(shí)，在子疊置組件14或16下游的輸出處的放氣閥被打開，使得在氮放氣發(fā)生之前新鮮的氮提供給子疊置組件14和16兩者。對氮放氣的要求取決于許多因素，如疊置組件的壽命。其次，該輪換流動通常具有一個(gè)對總周期時(shí)間2-10秒的每個(gè)流動方向?yàn)?-5秒的周期。
通過放氣閥72和74放氣的氫、氮、水和其它物質(zhì)的組合可以送往任何合適的水-蒸汽變換。不同的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以不同地利用該放氣產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施例中，該放氣物質(zhì)與陰極排氣組合而送往環(huán)境。該物質(zhì)中氫的濃度并不顯著到足以提出燃燒的問題。
上述討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的示范實(shí)施例。該技術(shù)的專業(yè)人員從這些討論和附圖及權(quán)利要求書將容易地理解，其中可以進(jìn)行各種變化、修改和變更而并不偏離如下權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括一種包括一第一子疊置組件和一第二子疊置組件的分離燃料電池疊置組件；一個(gè)聯(lián)接在該第一子疊置組件上的第一陽極輸入管線；一個(gè)聯(lián)接在該第二子疊置組件上的第二陽極輸入管線；一個(gè)將陽極流動通道連接在該第一和第二子疊置組件中的連接器管線；一個(gè)將氫氣提供給該第一和第二陽極輸入管線上的氫氣源；一個(gè)聯(lián)接在該第一輸入管線上的第一氮放氣閥；以及一個(gè)聯(lián)接在該第二輸入管線上的第二氮放氣閥；其中，當(dāng)該氫氣源向該第一輸入管線提供氫氣并要求氮放氣時(shí)，該第一放氣閥關(guān)閉而該第二放氣閥打開，而當(dāng)該氫氣源向該第二陽極輸入管線提供氫氣并要求氮放氣時(shí)，該第二放氣閥關(guān)閉而該第一放氣閥打開。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個(gè)陽極入口單元，所述陽極入口單元包括多個(gè)控制閥，用于控制通到該第一陽極輸入管線和第二陽極輸入管線的氫氣流。
3.按照權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，該陽極入口單元包括六個(gè)控制閥，用于控制流到該第一和第二陽極管線的氫氣流，其中該多個(gè)控制閥中的三個(gè)有選擇地打開和關(guān)閉，以控制通向該第一輸入管線的氫氣的流動速率，而該多個(gè)控制閥中的三個(gè)有選擇地打開和關(guān)閉，以控制通向該第二陽極輸入管線的氫氣的速率。
4.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，通向該第一陽極輸入管線和第二陽極輸入管線的氫氣流是輪換流動的，其中以循環(huán)方式對該第一子疊置組件提供該氫氣流一預(yù)定的時(shí)間周期，而后對該第二子疊置組件提供該氫氣流一預(yù)定的時(shí)間周期。
5.按照權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于，該預(yù)定的時(shí)間周期有1-5秒。
6.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，從該第一和第二氮放氣閥放出的氮與來自該燃料電池疊置組件的陰極排氣相化合。
7.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該第一和第二子疊置組件每個(gè)包括約200個(gè)燃料電池。
8.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個(gè)被安置在該連接器管線中的水分離器。
9.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
10.一種燃料系統(tǒng)，包括一種包括一第一子疊置組件和一第二子疊置組件的分離燃料電池疊置組件；一種用于將陽極流動通道連接在該第一和第二子疊置組件中的連接器管線；一個(gè)用于將氫氣提供給該燃料電池疊置組件的氫氣源；以及在該燃料電池疊置組件和該氫氣源之間的管線中設(shè)置的至少一個(gè)氮放氣閥，所述至少一個(gè)氮放氣閥從該燃料電池疊置組件中放出氮?dú)狻?br> 11.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，該至少一個(gè)氮放氣閥是一個(gè)被安置在聯(lián)接到該第一子疊置組件的陽極輸入管線中的第一氮放氣閥和一個(gè)被安置在聯(lián)接到該第二子疊置組件的第二陽極輸入管線中的第二氮放氣閥。
12.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，通向該第一陽極輸入管線和第二陽極輸入管線的氫氣流是輪換流動的，其中以循環(huán)的方式對該第一子疊置組件提供該氫氣流一預(yù)定的時(shí)間周期，而后對該第二子疊置組件提供該氫氣流預(yù)定的時(shí)間周期。
13.按照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其特征在于，該預(yù)定的時(shí)間周期為1-5秒。
14.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，從該第一和第二氮放出閥放出的氮與來自該燃料電池疊置組件的陰極排氣相化合。
15.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，該第一和第二子疊置組件每個(gè)包括約200個(gè)燃料電池。
16.一種從燃料電池疊置組件放出氮的方法，所述方法包括將該燃料電池疊置組件分隔成一第一子疊置組件和一第二子疊置組件；用一個(gè)連接器管線連接該第一子疊置組件和第二子疊置組件中的陽極氣體流動通道；使該第一子疊置組件和第二子疊置組件之間的氫氣流輪換流動；當(dāng)對該第一子疊提供氫氣流時(shí)通過一個(gè)在該第二子疊置組件的輸出處的一第一氮放氣閥放出氮?dú)?；以及?dāng)對該第二子疊置組件提供氫氣流時(shí)從該第一子疊置組件的輸出處的一第二氮放出閥放出氮?dú)狻?br> 17.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，使氫氣流輪換流動的步驟包括以具有2-10秒范圍的周期的循環(huán)方式使氫氣流輪換流動。
18.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，還包括使從該第一和第二氮放氣閥放出的氮?dú)馀c來自該燃料電池疊置組件的陰極排氣相化合。
19.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，還包括從流過該連接器管線的陽極氣體中分離水。
20.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，該第一子疊置組件和第二子疊置組件每個(gè)包括約200個(gè)燃料電池。
全文摘要
一種利用氮放氣技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)有第一子疊置組件和第二子疊置組件的燃料電池疊置組件，其中在兩個(gè)子疊置組件之間進(jìn)行氫氣流的輪換流動。一個(gè)第一氮放氣閥設(shè)置在一個(gè)聯(lián)接到第一子疊置組件的陽極氣體輸入管線上，而一個(gè)第二氮放氣閥設(shè)置在一個(gè)聯(lián)接到第二子疊置組件的陽極氣體輸入管線上。當(dāng)?shù)谝蛔盈B置組件正接受陽極氣體而要求氮放氣時(shí)，第一放氣閥關(guān)閉而第二放氣閥打開，從而進(jìn)行氮放氣。當(dāng)?shù)诙盈B置組件正接受陽極氣體而要求氮放氣時(shí)，第二放氣閥關(guān)閉而第一放氣閥打開，從而進(jìn)行氮放氣。
文檔編號H01M8/24GK1941472SQ20061014209
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者D·A·阿圖爾, A·B·阿爾普 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司