[发明专利]燃料电池系统的喷射器控制

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种向燃料电池堆高效地提供阳极再循环的系统和方法，更具体地，涉及一种使用喷射器/喷出器向燃料电池堆的阳极侧高效地提供阳极再循环气体的系统和方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它干净且可以用于在燃料电池中高效地发电。氢燃料电池是一种电化学设备，包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极离解，以产生自由的质子和电子。质子通过电解质到阴极。质子与阴极的氧和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被发送到阴极之前被指引通过载荷以执行做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳粒子上且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA制造成本相对高且需要特定的条件以有效地操作。

若干燃料电池通常组合在燃料电池堆内以产生期望的能量。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可能具有两百个或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩器强迫经过堆的空气流。不是所有氧气都被堆消耗掉，部分空气作为阴极排气被输出，阴极排气可能包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧内的阳极氢反应气体。所述堆还包括流道，冷却液体流过该流道。

燃料电池堆包括位于堆内的若干MEA之间的一系列双极板，其中，双极板与MEA位于两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道位于双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流到各自的MEA。阴极气体流道位于双极板的阴极侧，允许阴极反应气体流到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流道，另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到堆外。双极板还包括流道，冷却液体流过该流道。

一些燃料电池系统采用阳极再循环，其中，阳极排出气体返回到阳极输入端，从而排气中未使用氢气可以被再使用。通常，在阳极再循环回路中需要泵，从而将适当的压力以及再循环气体与新鲜氢气的适当比例提供给堆的阳极输入端，以提供高效地堆操作。对燃料电池堆不适当的阳极流量和压力可能导致低阳极流率，这样会使水聚集在阳极流道中。水聚集在阳极流道中可能导致阳极流动转向其他流道，其中那些供应堆中的某些燃料电池的流道会缺乏氢气，并且可能经历电压崩溃。在一个实施例中，必要的是，所提供的再循环气体是提供到堆的阳极侧的新鲜的氢的约一半。如果没有提供足够的再循环气体，则流率可能不足以高到将阳极流道中的多余的水排出。堆的电流密度越低，阳极流率越低，因此堆越可能被水淹。

提供给燃料电池堆的不适当的阳极流量和压力还可能导致低阳极流率，这样不能将氢气提供给堆中的每个燃料电池。如上所述，典型燃料电池堆可能具有两百个或更多的燃料电池。材料性质的公差可能导致部分燃料电池的更高的压降，因此减少供给个别燃料电池的气体量。如果没有提供足够的再循环气体，则流率可能不足以高到将足够氢气供给到具有个别的更高压降的燃料电池。

Pechtold等的公开号为2006/024548的美国专利申请公开了燃料电池系统的喷射器/喷出器，将阳极燃料和阳极排气的组合喷射到燃料电池堆的阳极侧。喷射器/喷出器被设计为取消阳极再循环系统中对再循环泵的需要。然而，可以对使用喷射器/喷出器做出改进以向燃料电池堆的阳极侧提供适当比例的新鲜氢气和阳极再循环气体从而实现高效的堆操作。

喷射器是脉冲设备，当喷射器打开时，气流基本上是恒定的，当喷射器关闭时，不提供流动。典型的喷射器控制使用可变占空比和固定频率。占空比是一个频率周期期间喷射器打开的时间比例。对燃料电池系统中喷射器控制的典型频率可以高达60Hz低至15Hz。对于更稳定的堆压力控制，有时优选的是更高频率。

以固定频率控制喷射器使得喷射器在燃料电池系统以低功率运行时仅打开非常短的时间。例如，在系统空闲时，占空比可以低至1％。在这种情况下，当以频率15Hz操作喷射器时喷射器打开时间低于1ms。尽管这足以供给适当量的氢气用于燃料电池反应，但是对于在燃料电池堆的阳极侧建立压降以在燃料电池堆的各部分实现足够高的气体速度来说，这个时间太短。对于均匀流动分布来说需要一定的压降，并且高气体速度将改善水管理。

发明内容