[发明专利]燃料电池堆中的阳极排放控制

说明书

一种电化学燃料电池组件包括具有燃料输送入口和燃料输送出口的燃料电池堆。所述燃料电池堆还包括各自具有膜‑电极组件和流体流动路径的多个燃料电池，所述流体流动路径耦合在所述燃料输送入口与所述燃料输送出口之间用于将燃料输送到所述膜‑电极组件。燃料输送管道耦合到所述燃料输送入口用于将流体燃料到输送所述堆。排放管道耦合到所述燃料输送出口用于将流体排放出所述堆。耦合到所述排放管道的可变孔口流动控制装置被配置成动态地改变随以下控制参数中的一个或多个变化的从所述燃料输送出口进入到所述排放管道中的流体的量：(i)测量的燃料浓度；(ii)测量的湿度；(iii)所述堆中的燃料电池的电池电压；(iv)所述堆中的燃料电池的阻抗；(v)所述堆中的燃料电池的电阻。所述可变孔口流动控制装置可以耦合到再循环管道，并且可以被配置成动态地改变随所述控制参数改变的从所述燃料输送出口进入到所述排放管道中的流体的比例。

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且具体地，但并非排他地，涉及质子交换膜型燃料电池，在其中氢被供应给燃料电池的阳极侧，氧被供应给燃料电池的阴极侧并且水副产物在燃料电池的阴极侧产生并从燃料电池的阴极侧除去。

背景技术

此类燃料电池包括夹在共同包括膜-电极组件(MEA)的两个多孔电极之间的质子交换膜(PEM)。MEA本身通常夹在(i)具有与MEA 的阴极面相邻的第一面的阴极扩散结构与(ii)具有与MEA的阳极面相邻的第一面的阳极扩散结构之间。阳极扩散结构的第二面接触阳极流体流场板，用于电流收集和用于将氢分布到阳极扩散结构的第二面。阴极扩散结构的第二面接触阴极流体流场板，用于电流收集、用于将氧分布到阴极扩散结构的第二面以及用于从MEA提取反应产物水。阳极流体流场板和阴极流体流场板通常各自包括刚性的导电材料，其具有在相邻各个扩散结构的表面中的流体流动通道，用于输送反应气体(例如氢和氧)并且除去废气(例如，未使用的氧和水蒸气)。

在此类燃料电池的操作中重要的考虑事项是水和惰性气体的处理，惰性气体诸如在MEA内和在将流体输送到MEA的流场内的氮。用于燃料电池制造中的膜通常允许少量的水和氮从阴极侧穿过膜到阳极侧。虽然重要的是MEA在使用期间保持适当含水的，但未能控制在堆内燃料电池的阳极侧上的MEA潮湿和惰性气体浓度的水平可导致燃料的稀释和/或流动路径的堵塞，并且因此差的电池性能和/或过早的电池失效。

本发明特别涉及在燃料电池堆中燃料输送(阳极)流动路径中的非燃料流体和固体的管理。非燃料流体可包括惰性气体诸如氮气、其它气态污染物、水、颗粒和可能以其他方式在堆内的燃料输送流动路径中形成的碎屑。

管理阳极流动路径的一种方法是用吹扫气体诸如氮气定期吹扫阳极流动路径。这在从阳极流动路径冲洗出污染物方面可以是有效的，但在中断燃料电池的电输出和要求氮吹扫气体的本地来源方面具有潜在缺点。另一种方法是通过打开耦合到堆出口的吹扫阀或排放阀，用高于燃料气体例如氢的正常流量定期吹扫阳极。这具有浪费燃料的潜在缺点。定期吹扫的频率和持续时间通常可以取决于控制模型，所述控制模型估计在基于堆的已知性质的燃料电池堆的阳极侧中的氢和/或氮的浓度，或使用氢浓度测量和/或电池电压测量以确定何时定期排放是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供用以吹扫非燃料流体和/或固体污染物的阳极流动路径的可供选择的方式。

根据一个方面，本发明提供电化学燃料电池组件，其包括：

具有燃料输送入口和燃料输送出口的燃料电池堆，

所述燃料电池堆还包括各自具有膜-电极组件和流体流动路径的多个燃料电池，所述流体流动路径耦合在所述燃料输送入口与所述燃料输送出口之间用于将燃料输送到所述膜-电极组件；

耦合到所述燃料输送入口的燃料输送管道用于将流体燃料输送到所述堆；

耦合到所述燃料输送出口的排放管道用于将流体排放出所述堆；