[发明专利]阳极排气流量检测和补救措施

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于从燃料电池堆的阳极侧排气(bleeding)的系统和 方法，特别是，本发明涉及一种包括排气阀在打开或关闭位置失效的情况下采 取补救措施的用于从分离燃料电池堆的阳极侧排气的系统和方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢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，氢燃料电池包括阳极、阴极以及位 于其间的电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。阳极中的氢气被分 解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。阴极中的质子与氧和 电子发生反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前 被引导通过负载而执行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用的燃料电池。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 常包括担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 合物和薄膜的组合体被定义为膜电极组件(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，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施加而穿过堆的空气流。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堆副产品的水。该 燃料电池堆还接收流入堆阳极侧的阳极氢气反应气体。

燃料电池堆通常包括设置在堆中多个膜电极组件之间的一系列双极板，其 中双极板和膜电极组件设置在两个端板之间。双极板包括在堆中邻接燃料电池 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膜电极组件。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膜电极组件。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堆外部。双极板 还包括冷却流体从中流过的流动通道。

膜电极组件是可透过的，因此允许来自堆阴极侧的空气中的氮气透过并且 在堆的阳极侧聚集，在工业中被称为氮气穿越(nitrogen cross-over)。即使阳极 侧的压力可能稍微高于阴极侧压力，阴极侧的局部压力将促使空气透过薄膜。 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 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堆的燃料电池系统中，使用堆顺序开关或阳极 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次 级堆的阳极废气送到第二次级堆的阳极侧，离开第二次级堆的阳极废气送到第 一次级堆的阳极侧。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于在采用阳极流动切换的燃料电池系统 中从分离燃料电池堆的阳极侧排气的系统和方法。该燃料电池系统包括具有联 接的阴极入口和联接的阴极出口的第一分离堆和第二分离堆。该燃料电池系统 还包括联接到第一分离堆的阳极输入的第一排气阀和联接到第二分离堆的阳极 输入的第二排气阀。在第一和第二排气阀以及切断阀之间设置有传递流体的通 气口(orifice)。横跨通气口设置有压力传感装置，其提供表示出流过通气口的 流量的压力测量结果。出口阀设置在联接第一和第二分离堆的阳极侧的管线中。

如果有流量通过通气口并且还没有命令阳极侧排气，那么该系统确定排气 阀中的一个或两个被卡在打开位置。发生这种事件时，如果阴极废气能够稀释 排出的阳极废气中的氢气，那么使用切断阀来提供排气。如果阴极废气不能足 够有效地稀释阳极废气中的氢气，那么使用出口阀排出阳极废气。如果第一和 第二排气阀被卡在关闭位置，那么使用排气阀来提供阳极侧排气。

结合附图通过阅读以下说明书和所附权利要求书，本发明的附加特点将变 得更加明显。

附图说明

图1是采用分离燃料电池堆和阳极流动切换的燃料电池系统的示意性结构 图；以及