[发明专利]操作具有故障放气歧管单元的燃料电池系统的补救动作

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于执行阳极排气放气以从燃料电池 堆的阳极侧去除氮的系统和方法，且更具体地涉及在放气歧管单元 (BMU)发生故障的情况下执行阳极排气放气以从燃料电池堆的阳极 侧去除氮的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于 在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极 和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空 气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达 阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能 穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。 PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极 和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒 支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。 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的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。 例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百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，通常是由压缩机强制通过燃料电 池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为 阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。 燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系 列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用 于燃料电池堆中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上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴 极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向 相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另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，如不锈钢或导电复合物。 端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却 流体流经的流动通道。

MEA是渗透性的，因而允许来自于燃料电池堆的阴极侧 的空气中的氮从中渗透并收集在燃料电池堆的阳极侧，在行业中称为 氮气穿过(nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能高于阴极侧压力， 阴极侧分压将使得空气穿过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释氢气， 使得如果氮浓度增加超过某一百分比，例如50％，那么燃料电池堆将 变得不稳定且可能发生故障。本领域中已知在燃料电池堆的阳极排气 出口处设置排泄阀以从燃料电池堆的阳极侧去除氮。

可以采用算法来在燃料电池堆操作期间提供阳极排气中 的氮浓度的在线估计，以知道何时触发阳极排气放气。所述算法可基 于从阴极侧至阳极侧的渗透速率和阳极排气的周期性放气来跟踪一定 时间内燃料电池堆的阳极侧中的氮浓度。当算法计算氮浓度的增加高 于预定阈值(例如10％)时，可触发放气。放气通常进行一定持续时 间，所述持续时间允许多个燃料电池堆阳极容积被放气，从而使得氮 浓度降低至低于阈值。

一些燃料电池系统采用阳极流切换，其中，燃料电池堆 分成子堆，且阳极反应气体以交替的方向流经分离的子堆。在这些类 型的设计中，可设置包括用于提供阳极排气放气的阀的放气歧管单元 (BMU)。由于在阳极排气中存在水，因而，不管采用何种措施来去 除水，BMU很可能在系统关闭时有水剩留在其中。如果外部环境温度 在足够长的时间段内足够低，那么该水可能结冰。在下一次启动时， 在BMU充分解冻之前可能需要阳极排气放气，其中冰可能堵塞BMU 中的流。在某些燃料电池系统设计中，在启动顺序期间进行连续阳极 排气放气，因为燃料电池堆对该时间期间收集的氮特别敏感。

对于分离堆系统，提供阳极排气放气的典型位置是燃料 电池堆流的端部处。因而，两个放气阀用于根据流动方向提供阳极放 气。由于BMU通常被设置用于适应于这种形式的放气，因而通常称为 BMU放气方法。然而，中心放气也可以用于从将两个子堆结合的线路 中的排泄阀使阳极排气放气。因为排泄阀的尺寸较大，中心放气通常 比端部流或BMU放气效率更低。