用於改進水管理的關閉方案的製作方法

2023-11-02 06:58:17

專利名稱：用於改進水管理的關閉方案的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及從燃料電池堆吹掃過多的水的系統和方法，更具體地涉及在系統關閉時從燃料電池堆吹掃過多的水的系統和方法，包括提供向前或反向陰極側空氣流吹 掃和/或通過陽極流動通道的反向氫氣流以將水從陽極流動通道的出口端驅出。
背景技術：
氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用於在燃料電池中有效地產生 電力。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極和陰極，電解質在陽極和陰極之間。陽極接收氫 氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極側催化劑中分解以產生自由質子和電子。質子穿過電 解質到達陰極。質子與陰極側催化劑中的氧和電子反應產生水。來自於陽極的電子不能穿 過電解質，且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚 合物電解質質子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極(催化劑層)通常包括細分的催化劑 顆粒，通常是鉬(Pt)，所述催化劑顆粒支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉 積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件 (MEA)。每個MEA通常夾在兩片多孔材料、氣體擴散層(GDL)之間，該GDL保護膜的機械整 體性並有助於反應物和溼度的均勻分布。將陽極流和陰極流分開的MEA的部分稱為活性區 域，且僅在該區域中水蒸汽能夠在陽極與陰極之間自由交換。MEA的製造相對昂貴且需要某 些溼度條件以有效操作。多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產生期望功率。例如，車輛的典型燃料電 池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應物氣體，通常是 由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣 作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為反應副產物的水。燃料電池堆也接收流入 燃料電池堆的陽極側的陽極氫反應物氣體。燃料電池堆也包括冷卻流體流經的流動通道。燃料電池堆包括位於燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板(隔板)，其中， 雙極板和MEA設置在兩個端板之間。雙極板包括用於燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極 側和陰極側流分配器(流場)。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，且允許陽極反 應物氣體流向相應MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，且允許陰極反應物 氣體流向相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。 雙極板和端板由導電材料製成，如不鏽鋼或導電複合物。端板將燃料電池產生的電傳導到 燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經的流動通道。燃料電池內的膜需要具有一定的水含量或溼度，使得跨過膜的離子阻力足夠低以 有效地傳導質子。該溼度可能來自於燃料電池堆水副產物或外部溼度。通過陽極氣體流動 通道的氫氣流對膜具有一些乾燥效果，在氫氣流的入口處最明顯。然而，在陽極氣體流動通 道內的水滴的積聚可能防止氫氣從中流過，且由於低反應物氣體流量而使得燃料電池發生 故障，從而影響燃料電池堆的穩定性。反應物氣體流動通道內以及GDL內的水積聚在低燃料電池堆輸出負載下尤其有問題。在燃料電池系統關閉期間，期望給燃料電池膜提供一定量的水含量，使得它們不 過溼或者過幹。過溼的膜可能在低溫環境期間引起問題，其中，燃料電池堆中的水的凍結將 產生冰，冰阻塞流動通道並影響系統的重新啟動。過幹的膜可能在下一次系統重新啟動時 具有過低的導電性，從而影響重新啟動性能且也可能降低燃料電池堆的耐用性。本領域中已知通過促使壓縮機空氣通過陰極流動通道且促使氫氣通過陽極流動通道來在系統關閉時從燃料電池堆的流動通道吹掃過多的水。吹掃的持續時間和氣體流的 速度被選擇，使得過多的水從流動通道和GDL去除，但膜不會變得過幹。這種吹掃方法的一 個問題在於在燃料電池堆中的燃料電池中可能有阻力分散，意味著一些燃料電池可能過幹 而其它燃料電池可能過溼。而且，在每個分立燃料電池中，可以觀察到入口至出口(主要由 陰極流限定)的水含量(阻力)梯度。此外，用氫氣吹掃陽極流動通道浪費氫氣燃料。本領域中已經提出消除使用氫氣來進行陽極側吹掃且僅僅通過使用壓縮機空氣 來使用陰極側吹掃。在陰極側吹掃期間，水從陰極通道和陰極側GDL去除。水也通過燃料電 池膜從陽極側GDL和流動通道被抽吸，這通常有效地從活性區域的陽極側去除足夠的水。 然而，陽極和陰極流場的直接緊靠燃料電池入口和/或出口的部分通常在活性區域之外， 從而不可能通過MEA進行水蒸汽交換。因而，當僅在陰極側上進行燃料電池(堆)吹掃時， 已經積聚在陽極通道的出口處的所有水不能都被去除。因而，可以預期重新啟動燃料電池 堆的問題，特別是在陽極出口處的冰可能阻塞通過燃料電池的氫氣流時的低於冰點的溫度 條件期間。

發明內容
根據本發明的教導，公開了 一種提供燃料電池堆吹掃的系統和方法，以在系 統關閉期間去除過多的水並且也減少燃料電池之間以及燃料電池內的MEA溼度分散 (humidification spread)，這對於隨後的重新啟動是有益的。壓縮機提供陰極空氣給燃料 電池堆的陰極側，氫氣源提供氫氣燃料給燃料電池堆的陽極側。在關閉操作期間，壓縮機以 關閉速度操作，所述關閉速度高於在關閉時間段內的低功率操作所需的速度，以水驅出陰 極流動通道且將水從陽極流動通道抽吸通過膜。此外，陽極入口和出口閥用於改向來自於 氫氣源的氫氣燃料流，使得氫氣燃料流以相反的方向流經陽極流動通道，以將水驅出陽極 流場出口、流入位於燃料電池的活性區域中的陽極流動通道中，從而水也將通過陰極空氣 流抽吸通過膜。因而，期望量的水從燃料電池堆去除，而不會在燃料電池之間產生在MEA的 水含量方面的任何顯著差異。此外，在關閉吹掃時間段結束時，可以正常(非升高)流率施 加非常短的功率增加，以便調節從入口至出口的MEA水含量分配(再水化)，從而也減少可 能已經發生的燃料電池之間在MEA水含量方面的任何差異。一種燃料電池系統，包括包括陰極側和陽極側的燃料電池堆；壓縮機，所述壓縮機提供陰極空氣給燃料電池堆的陰極側；和氫氣源，所述氫氣源 提供氫氣給燃料電池堆的陽極側，所述系統以關閉模式操作以從燃料電池堆去除水，所述 關閉模式使得陰極空氣或氫氣以相對或相反方向流經燃料電池堆以提供燃料電池堆的流 場中的均勻水分。
所述系統還包括陰極入口閥和陰極出口閥，所述陰極入口閥和所述陰極出口閥在 所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得陰極空氣以相對方向流經燃料電池堆的陰 極側中的陰極流動通道，以便將水驅出陰極流動通道的出口端，從而提供燃料電池堆的陰 極流場中的均勻水分。所述系統還包括陽極入口閥和陽極出口閥，所述陽極入口閥和所述陽極出口閥在 所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得來自於氫氣源的氫氣以相對方向流經燃料 電池堆的陽極側中的陽極流動通道，以便將水驅出陽極流動通道的出口端，從而提供燃料 電池堆的陽極流場中的均勻水分。 所述系統還包括陰極入口閥和陰極出口閥，所述陰極入口閥和所述陰極出口閥在 所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得陰極空氣以相對方向流經燃料電池堆的陰 極側中的陰極流動通道，以便將水驅出陰極流動通道的出口端，從而提供燃料電池堆的陰 極流場中的均勻水分；且還包括陽極入口閥和陽極出口閥，所述陽極入口閥和所述陽極出 口閥在所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得來自於氫氣源的氫氣以相對方向流 經燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道，以便將水驅出陽極流動通道的出口端，從而提 供燃料電池堆的陽極流場中的均勻水分。通過燃料電池堆的陰極側的陰極流動通道的陰極空氣流從燃料電池堆的陽極側 抽吸水。所述系統還包括系統負載，所述燃料電池堆在所述關閉模式結束時聯接到所述系 統負載，從而提供燃料電池堆中的膜的再水化。所述關閉模式保持膜具有預定量的相對溼度。在關閉模式期間，陽極流處於反向方向且陰極流處於向前方向。在關閉模式期間，陽極流和陰極流均處於反向方向。氫氣源是提供氫氣燃料流的增壓氫氣源。一種燃料電池系統，包括包括陰極側和陽極側的燃料電池堆；壓縮機，所述壓縮機提供陰極空氣給燃料電池堆的陰極側；氫氣源，所述氫氣源提供氫氣給燃料電池堆的陽極側；和閥和管道配置，所述閥和管道配置允許來自於氫氣源的氫氣在燃料電池堆的正常 操作期間以向前流方向流經燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道、且在燃料電池系統的 關閉模式期間以反向流方向流經燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道，以從燃料電池堆 去除水，其中在關閉模式期間，來自於壓縮機的空氣流經燃料電池堆的陰極側並將水從燃 料電池堆的陽極側抽吸通過燃料電池膜，且通過陽極流動通道的反向氫氣流使得已經收集 在陽極出口中的水驅動到陽極流動通道中，以被抽吸到燃料電池堆的陰極側中。閥配置包括陽極入口閥和陽極出口閥。所述系統還包括系統負載，所述燃料電池堆在所述關閉模式結束時聯接到所述系 統負載，從而提供燃料電池堆中的膜的再水化。在關閉模式期間，陰極空氣也以反向方向流動。一種在系統關閉時從燃料電池堆吹掃水的方法，所述方法包括將來自於壓縮機的空氣引導通過燃料電池堆的陰極側，以將水驅出燃料電池堆的陰極側中的陰極流動通道並將水從燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道抽吸通過燃料 電池膜；和使通過燃料電池堆的陽極側的氫氣流方向反向，使得反向氫氣流將水從陽極出口 驅動到陽極流動通道中，以通過燃料電池膜抽吸到陰極流動通道中。使氫氣流方向反向包括切換陽極入口閥和陽極出口閥。所述方法還包括在吹掃過程結束時將負載聯接到所述燃料電池堆，從而提供燃料 電池堆中的膜的再水化。將來自於壓縮機的空氣引導通過燃料電池堆的陰極側包括將空氣以反向方向引 導通過陰極側以提供沿陰極流場的均勻水分。本發明的附加特徵將從以下說明和所附權利要求書結合附圖顯而易見。



圖1是燃料電池系統的示意性框圖，燃料電池系統包括用於在燃料電池堆吹掃期 間提供反向陰極和陽極流的管道。
具體實施例方式涉及在系統關閉時從燃料電池堆吹掃過多的水的系統和方法的本發明實施例的 以下闡述本質上僅僅是示例性的且不旨在以任何方式限制本發明或其應用或使用。圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的示意性框圖，燃料電池堆12帶有 反應物陰極流動通道20和反應物陽極流動通道22。燃料電池系統10也包括壓縮機14，壓 縮機14在陰極輸入管線16上通過陰極輸入閥44提供陰極空氣給燃料電池堆12的陰極 側。陰極排氣在陰極排氣管線18上通過陰極輸出閥46從燃料電池堆12輸出。氫氣燃料 在壓力下在陽極輸入管線26上通過陽極輸入閥28從氫氣源24 (例如高壓罐)提供給燃料 電池堆12的陽極側。陽極排氣在陽極排氣管線30上通過陽極輸出閥32從燃料電池堆12 輸出。陰極閥44和46在正常系統操作期間被切換至向前流動位置，使得來自於壓縮機 14的空氣以向前方向流經燃料電池堆12。由於下文詳細討論的原因，輸入閥44和輸出閥 46可以被切換至反向流動位置以使通過燃料電池堆12的陰極流動通道20的空氣流反向， 使得來自於壓縮機14的空氣流經管線48，然後通過輸出閥46，然後通過燃料電池堆12內 的陰極流動通道20，然後通過輸入閥44且然後通過管線50，以被送至陰極排氣管線18中。 因而，閥44和46可以被選擇性地切換以使用壓縮機14來控制通過燃料電池堆12的陰極 流動通道20的陰極空氣流的方向。閥28和32在正常系統操作期間被切換至向前流動位置，使得來自於源24的氫氣 燃料以向前方向流經燃料電池堆12。由於也在下文詳細討論的原因，輸入閥28和輸出閥 32可以被切換至反向流動位置以使通過燃料電池堆12的陽極流動通道22的氫氣燃料流反 向，使得來自於源24的氫氣燃料流經管線34，然後通過輸出閥32，然後通過燃料電池堆12 內的陽極流動通道22，然後通過輸入閥28且然後通過管線36，以被送至陽極排氣管線30 中。因而，閥28和32可以被選擇性地切換以使用由源24中的氫氣提供的壓力控制通過燃 料電池堆12的陽極流動通道22的氫氣流的方向。
如上所述，燃料電池堆12在系統關閉時需要吹掃水。此外，也如上所述，水有時積 聚在燃料電池堆12的每個燃料電池的陽極流場出口 38處。如下文所述，本發明解決了在 關閉吹掃期間去除已經收集在陽極出口 38中的水的問題。在系統關閉期間，燃料電池堆12被吹掃以從陰極和陽極流動通道20和22去除過 多的水，但是不會過分乾燥燃料電池堆12中的燃料電池內的膜。在一個實施例中，壓縮機 14以預定速度操作，以促使空氣通過陰極流動通道20以將水驅出流動通道20，且也將水從 陽極流動通道22抽吸通過燃料電池中的膜。在一個實施例中，閥44和46處於正常操作位 置，從而通過流動通道20的陰極空氣流處於向前方向以從其去除水。由於流動通道20的 出口端38處的相對溼度將通常高於流動通道20的入口端40處的相對溼度，可能期望通過 切換閥44和46來使得通過陰極流動通道20的陰極空氣流方向反向，從而陰極空氣以相對 或相反的方向流動，如上文所述。以這種方式，通過將水從陰極流動通道20的出口端38朝 陰極流動通道20的入口端40推動，陰極流動通道20的水分將由陰極空氣流沿陰極流場分 配。
來自於氫氣源24的氫氣可以用來從陽極流動通道22吹掃水或者可以不用來從陽 極流動通道22吹掃水。如果陰極空氣流用於將水通過燃料電池的膜抽吸到陰極側以吹掃 燃料電池堆12的陽極流場，使得氫氣不用來吹掃燃料電池堆12的陽極側，那麼水可能收集 在陽極流動通道22的出口端38處。因而，根據本發明的另一個實施例，閥28和32被切換 至反向流位置，從而，來自於源24的氫氣燃料的低流量使得可能已經收集在陽極流場出口 38處的水被強制流入陽極流動通道22的活性部分中，在活性部分處，水可以被陰極側流抽 吸通過膜。如同上文討論的陰極側一樣，陽極流動通道22的入口端40將比陽極流動通道 22的出口端38更乾燥，從而陽極流動通道22的出口端38處的水將被推動回到流場中，從 而沿活性區域在陽極流場的陽極側中提供水分分配。使用與反向氫氣流相關的陰極空氣流的這種吹掃完成兩件事情。第一，從系統去 除水，第二，通過將在燃料電池堆12的陽極流場出口 38中積聚的水分朝陽極入口端40驅 動回到活性區域中，減少膜活性區域中的平面水分梯度。這將沿膜更均勻地重新分配水分， 一些水分滲透通過膜到達陰極側。一旦處於陰極區域，水經由通過陰極排氣管線18的陰極 空氣流被驅出燃料電池堆12。因而，水被去除且膜的水含量梯度顯著減少。在另一個非限制性實施例中，在關閉吹掃期間陰極和陽極流均可反向。這種實施 例也從系統10吹掃水，包括在陽極和陰極流場出口 38中的水，同時減少膜的水含量梯度。在關閉吹掃過程的最後階段，可使用再水化步驟，包括增加燃料電池堆功率並將 功率施加到負載42以操作燃料電池堆12，使得燃料電池堆12生成水作為副產物。該水生 成起作用以減少燃料電池之間的水含量的分散，這反映了溼度狀態，從而確保所有燃料電 池將具有足夠的水化，以根據需要在下一次系統重新啟動時起作用。由於該再水化步驟的 時間短，因此沒有時間使得生成的水擴散到GDL或進一步擴散。吹掃持續時間、吹掃速度和其它吹掃參數(包括再水化步驟的參數)被選擇，使得 合適量的水從燃料電池堆12去除，而不會過分乾燥膜。在一個非限制性實施例中，至少氫 氣燃料的反向流具有30秒至1分鐘的持續時間，而再水化步驟具有10至20秒的持續時間。 吹掃應當足夠長，使得燃料電池堆12沒有水，且之後，負載42可以施加到燃料電池堆12以 產生僅足以水化膜的水量。在關閉程序期間跨過燃料電池堆12聯接的負載42可用於給壓縮機14提供動力，或者燃料電池堆功率可用於給系統蓄電池充電。
雖然閥和管道的特定結構在圖1中示出和描述以使得通過陰極和陽極流動通道 20和22的陰極空氣和氫氣燃料流反向，以將來自於陰極和陽極流場的出口 38的水驅動回 到燃料電池的活性區域，但是本發明設想使得陽極出口 38中的水在系統吹掃期間被驅動 回到燃料電池的活性區域的任何合適的程序和/或元件結構。
前述說明僅僅公開和描述本發明的示例性實施例。本領域技術人員從這種說明和 附圖以及權利要求書將容易認識到，能夠對本發明進行各種變化、修改和變型，而不偏離由 所附權利要求書限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
一種燃料電池系統，包括包括陰極側和陽極側的燃料電池堆；壓縮機，所述壓縮機提供陰極空氣給燃料電池堆的陰極側；和氫氣源，所述氫氣源提供氫氣給燃料電池堆的陽極側，所述系統以關閉模式操作以從燃料電池堆去除水，所述關閉模式使得陰極空氣或氫氣以相對或相反方向流經燃料電池堆以提供燃料電池堆的流場中的均勻水分。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括陰極入口閥和陰極出口閥，所述陰極入口閥和 所述陰極出口閥在所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得陰極空氣以相對方向流 經燃料電池堆的陰極側中的陰極流動通道，以便將水驅出陰極流動通道的出口端，從而提 供燃料電池堆的陰極流場中的均勻水分。
3.根據權利要求1所述的系統，還包括陽極入口閥和陽極出口閥，所述陽極入口閥和 所述陽極出口閥在所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得來自於氫氣源的氫氣以 相對方向流經燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道，以便將水驅出陽極流動通道的出口 端，從而提供燃料電池堆的陽極流場中的均勻水分。
4.根據權利要求1所述的系統，還包括陰極入口閥和陰極出口閥，所述陰極入口閥和 所述陰極出口閥在所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得陰極空氣以相對方向流 經燃料電池堆的陰極側中的陰極流動通道，以便將水驅出陰極流動通道的出口端，從而提 供燃料電池堆的陰極流場中的均勻水分；且還包括陽極入口閥和陽極出口閥，所述陽極入 口閥和所述陽極出口閥在所述關閉模式期間被切換至反向流方向，以使得來自於氫氣源的 氫氣以相對方向流經燃料電池堆的陽極側中的陽極流動通道，以便將水驅出陽極流動通道 的出口端，從而提供燃料電池堆的陽極流場中的均勻水分。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，通過燃料電池堆的陰極側的陰極流動通道的陰 極空氣流從燃料電池堆的陽極側抽吸水。
6.根據權利要求1所述的系統，還包括系統負載，所述燃料電池堆在所述關閉模式結 束時聯接到所述系統負載，從而提供燃料電池堆中的膜的再水化。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述關閉模式保持膜具有預定量的相對溼度。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，在關閉模式期間，陽極流處於反向方向且陰極流 處於向前方向。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，在關閉模式期間，陽極流和陰極流均處於反向方向。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，氫氣源是提供氫氣燃料流的增壓氫氣源。
全文摘要
本發明涉及用於改進水管理的關閉方案。公開了一種提供燃料電池堆吹掃的系統和方法，以在系統關閉期間去除過多的水。壓縮機以關閉速度操作，以將水驅出陰極流動通道且將水從陽極流動通道抽吸通過膜，從而從燃料電池堆去除期望量的水，而不會過分乾燥膜。陰極關閉吹掃流可以向前或反向方向引導。此外，可以引導氫氣燃料流，使得氫氣燃料以相對的方向流經陽極流動通道，以將水驅出陽極出口歧管進入陽極流動通道，從而也將水由陰極空氣流抽吸通過膜。最後，在關閉吹掃之後，添加短暫的再水化步驟以實現燃料電池中的期望水含量。
文檔編號H01M8/24GK101859909SQ20101010545
公開日2010年10月13日 申請日期2010年1月26日 優先權日2009年1月26日
發明者D·R·勒布徹爾特, E·J·康諾爾, P·A·拉帕波特, S·R·法爾塔 申請人:通用汽車環球科技運作公司