[发明专利]用于改善水管理和氢气利用的阳极排气控制策略

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种用于从燃料电池堆控制阳极排气的控制策略，以及更具体的是涉及一种用于从分离燃料电池堆控制阳极排气的控制策略，该控制策略基于被排出的阳极气体量以便改善水管理并解决耐久性和性能问题。 

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且在燃料电池中能够有效地发电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极、阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被分解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前被引导通过负载而做功。 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的普遍的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细粉碎的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的结合体限定膜电极组件(MEA)。 

通常多个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。对于上述的汽车燃料电池堆，电池堆可以包括两百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，典型的是通过压缩机强制穿过电池堆的空气流。电池堆并没有消耗掉全部的氧气，一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为电池堆副产品的水。该燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气反应气体。 

燃料电池堆包括设置在电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气体流动通道，其允许阳极反应气体流动到各自的MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气体流动通道，其允许阴极反应气体流动到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，以及另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力传导到电池堆外部。双极板还包括冷却流体通过其流动的流动通道。 

MEA是可渗透的，因此允许来自电池堆阴极侧的空气中的氮气渗透穿过并且在电池堆的阳极侧聚集，在工业中被称为氮气穿越。即使阳极侧的压力可能稍微高于阴极侧压力，阴极侧的分压将促使空气渗透过薄膜。燃料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，从而如果氮气浓度增加超过一定百分比，例如50％，燃料电池堆变得不稳定并且可能失效。本领域公知的，为了从电池堆的阳极侧去除氮气，在燃料电池堆的阳极废气输出处设置排气阀。 

本领域已经提出在采用分离电池堆的燃料电池系统中，使用电池堆顺序开关或阳极流动切换。特别是，在系统中提供阀和泵，从而以循环的方式使得离开第一子电池堆的阳极废气送到第二子电池堆的阳极，离开第二子电池堆的阳极废气送到第一子电池堆的阳极。 

由于在正常系统操作期间弱的水去除能力，经常认为阳极流动切换造成碳腐蚀和相应的较高的电压下降速率。同样，阳极流动切换经常导致较低的氢气利用从而导致较低的燃料电池系统效率，尤其是在低到中功率水平。解决这些关注的一个方面是用于从流动切换子电池堆中阳极排气的改善控制策略。 

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于在燃料电池系统中排气燃料电池堆阳极侧的控制策略，该控制策略改善了水管理解决耐久性和性能问题。该方法包括：代表性地通过估计或测量电池堆阳极侧中的氮气量，确定何时开始阳极排气。该方法还包括：基于已排气的气体体积，确定何时结束阳极排气。该方法确定流过排气阀的阳极气体的摩尔流率，积分摩尔流率以便得到已流过排气阀的气体的摩尔数，确定待排气气体的期望摩尔数，以及当气体的实际摩尔数等于期望的气体摩尔数时结束排气。 

结合附图从以下描述和所附权利要求中本发明的附加特点将变得明显。 

附图说明

图1是包括分离燃料电池堆和采用阳极流动切换的燃料系统的示意性平面图；以及 

图2是说明根据本发明实施方式描述在阳极流动切换结构中用于结束阳极 排气的控制策略的结构图。 

具体实施方式

旨在用于在阳极流动切换的燃料电池结构中结束阳极排气的控制策略的本发明实施方式的下列描述实质上仅仅是示范性地，并不意味着限制本发明或其应用或使用。