[发明专利]用于燃料电池系统的阳极吹扫和排放阀策略

说明书

技术领域

本技术涉及这样的系统和方法，所述系统和方法包括从燃料电池的阳极组合地去除稀释气体和水。

背景技术

该部分内容仅提供与本发明有关的背景信息，且不必然构成现有技术。

氢是有吸引力的燃料，这是因为氢能够提供低排放并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是具有由电解质分隔开的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收诸如氢气的燃料，并且阴极接收诸如氧或空气的氧化剂。氢气在阳极中分解以产生自由的质子和电子，其中质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不穿过电解质，而是在被引导到阴极之前被引导通过负载以做功。在阴极中，质子、电子和氧反应并且产生水。

质子交换膜（PEM）燃料电池是用于电动车辆的一种燃料电池。PEM燃料电池通常包括固态聚合物-电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极能够包括细碎的催化颗粒的催化混合物，所述催化颗粒例如是被支承在碳颗粒上并且与离聚物混合的铂（Pt）。催化混合物能够沉积到膜的相反两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合能够被称为膜电极组件（MEA）。

数个燃料电池能够被组合成一个或多个燃料电池堆，以产生期望功率。对于一些应用而言，燃料电池堆能够包括数百个或更多个燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，该阴极反应气体通常是通过压缩机被强制通过该堆的空气流。并非全部的氧都由该堆消耗，而是一些空气能够作为阴极排气被输出，该阴极排气能够包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收例如氢的阳极反应气体，该阳极反应气体流入到该堆的阳极侧中。

燃料电池堆能够包括设置在堆内的数个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于该堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道被设置在双极板的阳极侧上，以允许阳极反应气体流动到相应MEA。阴极气流通道被设置在双极板的阴极侧上，以允许阴极反应气体流动到相应MEA。一个端板包括阳极气流通道，并且另一端板包括阴极气流通道。双极板和端板都由例如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池所产生的电传导到该堆之外。双极板还包括冷却剂流动通道，冷却流体流经所述冷却剂流动通道，以控制燃料电池的温度。

在采用分离堆的燃料电池系统中能够使用堆顺序切换或流转移。具体地，能够设置在该系统中的合适阀和管道敷设，使得离开第一子堆的阳极排气被送到第二子堆的阳极入口，并且离开第二子堆的阳极排气以循环的方式被送到第一子堆的阳极入口。

在燃料电池堆操作期间，氢在燃料电池堆的阳极流动通道中的分布能够保持大致恒定。为此，与用于该堆的一定输出负载所必需的氢相比更多的氢被引导到燃料电池堆中，使得阳极气体被均匀地分布。然而，阳极排气因此可能包括显著量的氢气，如果所述氢气被简单地丢弃的话，那么这会降低系统效率。因此，阳极排气能够再循环回到阳极输入，以再使用氢气。

MEA是可渗透的，且因此允许在燃料电池堆的阴极侧上的空气中存在的氮气和其他气体从该MEA渗透并且汇集在燃料电池堆的阳极侧中。这被称为穿越。即使阳极侧压力可能稍微大于阴极侧压力，阴极侧分压也可能导致空气内的气体渗透穿过该膜。例如，进入燃料电池堆的阳极侧的氮因此稀释氢燃料气体，并且如果氮气浓度增加到高于一定百分比（例如，50%），那么可能影响燃料电池堆的操作。排放阀能够被设置在阳极再循环回路或燃料电池堆的阳极排气装置中，以从该堆的阳极侧吹扫氮气和其他稀释气体，在该阳极侧处，该氮气和其他稀释气体可能被引导到排气流（例如，阳极排气）中。

从阳极再循环回路或阳极排气装置定期地排放的气体能够包括显著量的氢气。由此，排放的再循环气体能够被引导到燃烧器，以在该再循环气体排出到环境中之前燃烧其中的大部分或全部的氢。然而，燃烧器增加了燃料电池系统的复杂性、成本和重量。在某些情形中，排放的再循环气体还能够被引导到燃料电池堆上游的阴极。

水也能够从阴极侧迁移并且收集在燃料电池堆的阳极侧上，从而需要从阳极侧去除水的机构。能够使用水分离器并结合液态水水位传感器来检测和去除来自阳极侧的液态冷凝水，该液态冷凝水能够被引导到排气流（例如，阴极排气），其中该水分离器包括定位在贮槽的底部处的阀。

通过将来自阳极侧的稀释气体和水引导到排气流来去除该稀释气体以及去除该水，提供了一种用于氢燃料气体进入到排气流的路径，这可能存在氢排放问题。

发明内容

本技术包括与用于燃料电池阳极侧的组合的稀释气体和水吹扫策略有关的系统、过程、制造物品和复合物。