[发明专利]燃料电池系统中氢气到阴极废气的耐冻引入

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种用于限制积累在燃料电池系统中的阳极排出管线中的水量的技术，更具体地涉及一种用于限制积累在燃料电池系统的阳极排出管线中的水量的技术，所述技术包括将阳极排出管线的端部定位成部分伸入阴极废气管线中。

背景技术

氢是一种很有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够用于有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，它包括阳极和阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解产生游离质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在传送到阴极之前被引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细粒状催化剂颗粒，通常为铂(Pt)。该催化剂混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制备相对比较昂贵，并且需要某些条件以便有效操作。

若干燃料电池通常组合在燃料电池堆中来产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有200或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，该反应气体通常是被压缩机迫使穿过电池堆的空气流。并非所有氧气都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气被输出，该废气可包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入该电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。该电池堆还包括冷却流体流经其中的流动通道。

燃料电池堆包括放置在电池堆内的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA放置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆内的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电导出电池堆。双极板还包括冷却流体流经其中的流动通道。

MEA是多孔的并因此允许来自电池堆的阴极侧的空气中的氮气渗透经过并收集在电池堆的阳极侧，这在本领域中称为氮渡越(nitrogen cross-over)。燃料电池堆的阳极侧的氮气稀释了氢气，使得如果氮气浓度增加到超过一定百分比，例如50％，则燃料电池堆变得不稳定并可能发生故障。本领域中已知的是在燃料电池堆的阳极气体输出处设置排出阀以从电池堆的阳极侧移除氮气。

从阳极侧周期性排出的气体通常包括大量的氢气。因为氢气如果被排放到环境中将会与空气混合，所以会产生具有明显安全隐患的潜在可燃混合物。本领域中已知的是将排出的阳极废气引导至阴极废气管线从而与阴极废气混合以减小排放到环境中的氢气的浓度。通常，希望维持混合的阳极和阴极废气中的氢气体积的百分比小于几个百分点。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于减少积累在燃料电池系统中的阳极废气排出管线中的水量的技术。燃料电池系统包括燃料电池堆，阴极废气管线和阳极废气管线。阳极废气管线联接到阳极排出阀，所述阳极排出阀在系统运行期间周期性地打开以将阳极废气排出到阳极废气排出管线，从而从电池堆的阳极侧移除氮气。阳极废气排出管线联接到阴极废气管线，使得排出的阳极废气中的氢气被阴极废气稀释。阳极排出管线联接到阴极废气管线，使得排出阀的托脚部分延伸穿过阴极废气管线的壁并进入其中的阴极废气流中，从而防止粘附到阴极废气管线的内表面上的水和水蒸气泄露到阳极排出管线内。

通过结合附图参阅下列描述和所附权利要求，本发明的额外特征将变得明显。

附图说明

图1是燃料电池系统的示意性平面图，所述燃料电池系统包括用于将阳极废气排放到阴极废气管线的阳极废气排出阀；

图2是用于将阳极废气排出管线联接到阴极废气管线的已知方式的示意图；以及

图3是根据本发明实施例的用于将阳极排出管线联接到阴极废气管线的技术，该技术减小来自阴极废气的进入阳极排出管线的水量。

具体实施方式

涉及用于限制燃料电池系统中的阳极排出管线中的水积累的技术的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明或其应用或用途。