[发明专利]防止压力不平衡的燃料电池

说明书

一种燃料电池系统包括燃料电池。燃料电池包括阳极，该阳极具有被构造为接收阳极进给气体的阳极入口和被构造为输出阳极排气的阳极出口。燃料电池进一步包括具有阴极入口和阴极出口的阴极。该燃料电池系统进一步包括阳极鼓风机，该阳极鼓风机被构造为接收阳极排气并输出更高压的阳极排气。该燃料电池系统进一步包括阳极鼓风机再循环管线，该阳极鼓风机再循环管线被构造为在阳极鼓风机的下游接收更高压的阳极排气的一部分，并在阳极鼓风机的上游输出更高压的阳极排气的该部分。该燃料电池系统进一步包括设置在鼓风机再循环管线中的第一阀，该第一阀被构造为当燃料电池的阳极欠压时打开。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月21日提交的美国临时专利申请号62/720,400和于2018年12月21日提交的美国临时专利申请号62/784,210的优先权，这两个申请通过引用整体结合于此。

技术领域

本申请总体上涉及燃料电池系统领域，并且更具体地，涉及防止燃料电池的阳极和阴极之间的压力不平衡的系统。

背景技术

在常规燃料电池系统中，当包括阳极排气处理系统时，通常结合阳极鼓风机来提供从燃料电池的阳极到阴极的压力平衡。压力平衡意味着阳极压力几乎与阴极压力相同，到几英寸水柱差以内的程度。在系统操作中存在扰乱期间，例如当燃料电池功率输出快速增加或减少时，压力不平衡由燃料电池阳极排气的体积流量方面的瞬时减少或增加引起。而且，阳极鼓风机通常需要几秒钟来降低速度或增加速度，以补偿阳极排气流量方面的这种增加或减少。在此延迟期间，相对于被吸入到阳极鼓风机中的流量，供应到阳极鼓风机的阳极排气的流量或者不足(在功率降低的情况下)或者太大(在功率增加的情况下)。流量方面的突发性差异导致阳极压力相对于阴极压力的降低或增加(即阳极欠压或阳极过压)。阳极欠压或过压可能足够严重以导致对燃料电池的损坏，通常通过损坏燃料电池歧管和/或燃料电池歧管密封件导致的。

在一些燃料电池歧管设计中，大于-7英寸水柱压力(iwc)(即，相比于其更负)的阳极欠压(被测量为阳极和阴极之间的压差)被认为潜在地损坏燃料电池。大于-10iwc的欠压被认为可能导致燃料电池损坏。大于-15iwc的阳极欠压被认为非常可能导致燃料电池损坏。燃料电池损坏可能仅限于燃料电池歧管和歧管密封件的损坏。在阳极欠压的情况下，更严重的损坏可能由歧管塌陷导致，从而导致燃料电池的附加部件(例如，内部燃料递送系统)的机械损坏，或者可能以其他方式损坏电池(例如，电池的电短路)。修复由于欠压导致的损坏可能非常昂贵，有时会超过燃料电池本身的价值。

类似于欠压，阳极过压可能损坏燃料电池系统。当燃料电池功率输出突然增加时可能发生过压，从而导致阳极排气体积流量方面的、超过阳极鼓风机中的补偿速度增加的相对应的增加。阳极过压的其他原因是燃料电池处于稳定操作时的鼓风机故障或阳极排气管线中的阀门故障。附加地，如果存在进入燃料电池阳极的错误地很高的流量(例如，过高的氮气吹扫)，则在燃料电池发电装置关闭并且燃料电池阳极被阻断以通过排出管线进行受控吹扫时，可能会发生阳极过压。

大于+7iwc(相比于其更正)的阳极过压被认为潜在地损坏燃料电池歧管衬垫。大于+10iwc的过压被认为可能导致损坏，并且大于+15iwc的过压被认为非常可能导致损坏。由过压导致的损坏通常包括吹出歧管衬垫材料。

在具有围绕阳极鼓风机的再循环管线的燃料电池系统中，限制或完全避免阳极欠压，并且通过回压控制系统(诸如水位调节水封或压差释放阀)排出阳极排气来完全避免阳极过压是有利的。通过防止或限制阳极欠压和阳极过压，可以避免燃料电池损坏和随后昂贵的修理。

发明内容