专利名称：用于燃料电池系统的阳极吹扫和排放阀策略的利记博彩app
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钼(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。在一些实施方式中，一种燃料电池系统包括燃料电池、水分离装置、和控制器。所述燃料电池包括阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口。所述水分离装置流体地联接到所述阳极出口，并且通过再循环回路流体地联接到所述阳极入口。所述水分离装置包括与所述阴极入口流体地联接的阀。所述控制器构造成操作所述阀。在一些实施方式中，一种方法包括利用所述控制器打开所述阀，以便排出液体到所述阴极入口、以便吹扫气体到所述阴极入口、或者以便排出液体并且吹扫气体到所述阴极入口。在各个实施方式中，所述控制器能够确定经过所述阀的流体何时从液相转变为气相。该控制器还能够比较通过所述水分离装置的第一流率和通过所述喷射器的第二流率，以确定所述阀何时从排出液体转变为吹扫气体。所述控制器还能够以特定的时间间隔打开所述阀，以确保液体不会填满或漫过所述水分离装置，例如在所述水分离装置不包括水位指示器的情形。本发明还包括以下方案1. 一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括
燃料电池，所述燃料电池包括阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；
水分离装置，所述水分离装置流体地联接到所述阳极出口并且通过再循环回路流体地联接到所述阳极入口，所述水分离装置包括与所述阴极入口流体地联接的阀；以及控制器，所述控制器构造成操作所述阀。2.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，所述阳极出口和所述再循环回路不包括与所述阴极出口流体地联接的吹扫阀。3.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，所述水分离装置不流体地联接到所述阴极出口。4.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，所述水分离装置不包括水位传感器。5.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，所述阳极入口包括与其流体连通的喷射器，并且所述控制器构造成操作所述喷射器。6.根据方案5所述的燃料电池系统，其中，所述阳极出口或所述再循环回路包括压力传感器，并且所述控制器构造成接收来自所述压力传感器的信号。7.根据方案5所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成确定经过所述阀的流体何时从液相转变为气相。8.根据方案5所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成比较通过所述水分离装置的第一流率和通过所述喷射器的第二流率，以确定所述阀何时从排出液体转变为吹扫气体。9.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成以预定时间间隔打开所述阀。10.根据方案I所述的燃料电池系统，其中，包括有多个燃料电池的燃料电池堆包括所述燃料电池。11. 一种用于排放燃料电池系统的阳极侧的方法，所述方法包括
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括
燃料电池，所述燃料电池包括阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；水分离装置，所述水分离装置流体地联接到所述阳极出口并且通过再循环回路流体地联接到所述阳极入口，所述水分离装置包括与所述阴极入口流体地联接的阀；以及
控制器，所述控制器构造成操作所述阀；
利用所述控制器打开所述阀，以执行排出液体到所述阴极入口或所述阴极出口与吹扫气体到所述阴极入口或所述阴极出口中的至少一种。12.根据方案11所述的方法，其中，所述阳极出口和所述再循环回路不包括与所述阴极出口流体地联接的吹扫阀。13.根据方案11所述的方法，其中，所述水分离装置不流体地联接到所述阴极出□。14.根据方案11所述的方法，其中，所述水分离装置不包括水位传感器。15.根据方案11所述的方法，其中，所述阳极入口包括喷射器，并且所述控制器操作所述喷射器。16.根据方案15所述的方法，其中，所述阳极出口包括压力传感器，并且所述控制器接收来自所述压力传感器的信号。17.根据方案15所述的方法，其中，所述控制器确定经过所述阀的流体何时从液相转变为气相。18.根据方案15所述的方法，其 中，所述控制器比较通过所述水分离装置的第一流率和通过所述喷射器的第二流率，以确定所述阀何时从排出液体转变为吹扫气体。
19.根据方案11所述的方法，其中，所述控制器以预定时间间隔打开所述阀。20.根据方案11所述的方法，其中，包括有多个燃料电池的燃料电池堆包括所述燃料电池。更多的应用领域从本文所提供的描述将显而易见。在该发明内容中的说明和具体示例仅用于描述目的，并且不旨在限制本发明的范围。
本文所述的附图仅用于描述所选择实施方式的目的，但不用于描述全部可能实施方式的目的，并且不旨在限制本发明的范围，其中附图是燃料电池系统的示意性框图，所述燃料电池系统具有用于将水和稀释气体从阳极排放到阴极入口的组合阀。
具体实施例方式下述技术说明在本质上仅示例出一个或多个发明的主题内容、制造和使用，并且不旨在限制在本申请中、或在提交时要求本申请优先权的这种其他申请中、或者由其授权的专利中要求保护的任何特定发明的范围、应用或使用。关于所公开的方法，呈现的步骤顺序本质上是示例性的，并且因此在不同实施方式中步骤的顺序可能不同。本技术将在燃料电池的阳极侧上的稀释气体吹扫和水排出功能组合成被引至阴极入口的单个功能，由此最小化氢排放。稀释气体吹扫和水排出的组合最小化了燃料电池系统的复杂性和成本、削减了氢排放。组合的稀释气体吹扫和水排出能够被弓I至阴极排出口，但由于排放原因这具有较小的吸引力。在燃料电池系统的操作期间，能够比液态水排出事件更频繁地发生稀释气体的吹扫，以保持燃料气体纯度。这允许将稀释气体吹扫阀和水排出阀的功能合并到单个组合阀中。当请求吹扫稀释气体时，组合阀打开，排出贮槽中的任何水，之后稀释气体被吹扫。结果是，能够最小化在阳极中积聚的水和稀释气体的量。为了增加排放稳健性，组合阀被引至燃料电池堆的阴极入口，而不是燃料电池出口(例如，阴极排出口)。这使得通过组合阀逸出的任何氢将与氧完全或部分地催化反应，从而在MEA中形成水并且减少排气排放问题。例如，在组合的吹扫和排出操作期间，一定量的氢能够离开组合阀。如果太多的氢被允许穿过，那么在被引至燃料电池出口(例如，阴极排出口)的情况下可能导致氢排气的排放问题。相反，将组合阀引至燃料电池的阴极入口，那么一旦通过组合阀逸出的氢达到阴极电极，就会消耗掉该氢气，从而使得阴极排气并且使得最终燃料电池或燃料电池车辆的排气具有显著减少的氢含量。控制器能够采用利用了燃料喷射器反馈的阳极排放模型，以确定离开该组合阀的阳极气体蒸气的量；并且一旦吹扫了所需量的稀释物，则能够请求关闭所述阀。该模型能够确定气体或液体是否正离开阀，从而提供正确的吹扫持续时间，以有效地去除液体以及随后去除必需量的气体。具体地，能够确定在燃料电池系统的阳极再循环系统中通过组合排放/排出阀时液相至气相的相转变。本技术还能够应用到利用其他阳极子系统的燃料电池系统(包括阳极流转移系统)。该附图是根据本技术 的实施方式的燃料电池系统10的示意性框图。燃料电池系统10包括燃料电池堆12，该燃料电池堆12具有阴极侧和阳极侧。燃料电池系统10包括压缩机14，该压缩机14通过阴极输入管道16将氧气或空气提供给燃料电池堆12的阴极侦牝阴极输出气体通过阴极输出管道18从燃料电池堆12输出。燃料电池系统10还包括氢气源22，该氢气源22通过阳极输入管道24提供氢气，该氢气通过喷射器26能够被喷射到燃料电池堆12的阳极侧中。喷射器26能够是适合于本文所述目的的任何喷射器或喷射器组。在所示的实施方式中，燃料电池系统10采用阳极再循环，其中通过阳极排气管道28输出的阳极再循环气体借助阳极再循环管道30通过喷射器26再循环回到阳极输入管道24，以保存从燃料电池堆12排出的氢气。压力传感器32能够测量阳极输出管道28中的压力。如本文所描述的那样，水是燃料电池堆12的操作的副产物。为了从再循环的阳极气体中去除水以使其不回送到阳极输入，在阳极再循环管道30中设置水分离装置34。水分离装置34包括贮存器或罐36，该贮存器或罐36以本领域技术人员已知的方式盛装由水分离装置34收集的水。水位指示器38提供了对贮存器36中水位的指示，使得该系统10能够确定何时排干贮存器36。水分离装置34还包括排出/吹扫组合阀40，该排出/吹扫组合阀40能够定位在位于贮存器36底部处的贮槽(未示出)中，并且该排出/吹扫组合阀40操作以排出贮存器36中的水以及从再循环的阳极气体中吹扫稀释气体(例如，氮气)。排出的水以及吹扫的气体通过管道42被送出，以结合阴极输入管道16的氧气或空气，使得存在于排放/吹扫物中的氢在燃料电池的阴极侧内被部分地或完全地消耗。管道42还包括防反向阀(未示出)。通过管道42被送出的排出水和吹扫气体还能够被引导到加湿器(未示出)的上游，所述加湿器被用于对输入到燃料电池堆12的阴极输入物加湿。控制器44能够控制喷射器26和组合阀40的操作，并且能够从水分离装置34中的水位指示器38以及从阳极排气管道28中的压力传感器32接收信号。控制器44能够构造成检测经过阀40的流体从液相到气相的相变化。由此，一旦排出一定量的水(如果存在的话)，则控制器44能够采用阳极排放模型，以便吹扫稀释气体。阳极排放模型能够计算在燃料电池堆12的阳极侧中存在多少稀释气体(例如，氮气)，以确定何时通过组合阀40执行阳极排出/吹扫。为了提供在燃料电池堆12的阳极侧中的氮气的精确确定，该模型需要确定针对系统水排出请求以及系统稀释气体吹扫请求两者，有多少氮气或气体通过组合阀40被排放。当组合阀40针对排出/吹扫请求被打开时，所存在的任何水能够首先流经阀40，并且在贮存器36被清空之后的某一时间点，气体将开始流经该阀40。典型地，存在极少的通过阀40的两相流，这是因为从水流至气流的转变被良好地限定并且是突然的。一旦该模型确定通过阀40的气流何时开始，则该模型就能够使用各种系统参数(例如，阀节流孔尺寸、稀释气体(例如，氮气)的浓度、阳极压力等)来确定正从燃料电池堆12的阳极侧被去除的气体量。在一些实施方式中，水分离装置34中的水用作阀40中的压力屏障，以确定何时水从贮存器36完全排干以及气体开始流出阀40。具体地，当阀40打开并且水通过阀40从贮存器36排出时，堆12的阳极侧中的压力保持大致恒定，如由压力传感器32检测的那样，其中喷射器26的占空比保持大致恒定。然而，当气体开始流经阀40时，燃料电池堆12的阳极侧中的压力下降并且喷射器26的占空比增加，以便增加阳极侧中的压力并且保持用于燃料电池堆12的指令电流密度所必需的氢气水平。 在一些实施方式中，控制器44构造成采用这样的算法，当阀40被打开以确定气体正流经阀40时，该算法获得通过阳极流系统的流率。例如，对于当阀40打开时的具体燃料电池堆电流密度，应当出现一定流率，并且该流率由喷射器26的占空比确定。当该流率处于在阀40打开的情况下的存储流率的期望或预定阈值内时，那么该算法确定气体现在正流经该阀40。该分析能够用下述不等式来限定
权利要求
1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括 燃料电池，所述燃料电池包括阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口； 水分离装置，所述水分离装置流体地联接到所述阳极出口并且通过再循环回路流体地联接到所述阳极入口，所述水分离装置包括与所述阴极入口流体地联接的阀；以及 控制器，所述控制器构造成操作所述阀。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述阳极出口和所述再循环回路不包括与所述阴极出口流体地联接的吹扫阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水分离装置不流体地联接到所述阴极出口。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水分离装置不包括水位传感器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述阳极入口包括与其流体连通的喷射器，并且所述控制器构造成操作所述喷射器。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述阳极出口或所述再循环回路包括压力传感器，并且所述控制器构造成接收来自所述压力传感器的信号。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成确定经过所述阀的流体何时从液相转变为气相。
8.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成比较通过所述水分离装置的第一流率和通过所述喷射器的第二流率，以确定所述阀何时从排出液体转变为吹扫气体。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器构造成以预定时间间隔打开所述阀。
10.一种用于排放燃料电池系统的阳极侧的方法，所述方法包括 提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括 燃料电池，所述燃料电池包括阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；水分离装置，所述水分离装置流体地联接到所述阳极出口并且通过再循环回路流体地联接到所述阳极入口，所述水分离装置包括与所述阴极入口流体地联接的阀；以及 控制器，所述控制器构造成操作所述阀； 利用所述控制器打开所述阀，以执行排出液体到所述阴极入口或所述阴极出口与吹扫气体到所述阴极入口或所述阴极出口中的至少一种。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池系统的阳极吹扫和排放阀策略。具体地，提供了一种组合的水排放和稀释气体吹扫阀，其将流体从燃料电池的阳极侧引至阴极入口。当请求吹扫稀释气体时，该阀打开，从而排出例如存在于水分离装置的贮槽中的任何液体。在液体被排空之后，稀释气体被吹扫。使用燃料喷射器反馈的阳极排放模型能够确定离开所述阀的气体量，并且一旦吹扫了所需量的稀释物，就能够请求关闭所述阀。在操作期间，一定量的氢气能够离开所述阀。一旦经过所述阀的氢气达到阴极电极之后，其就能够被催化地消耗，从而使得阴极排气以及燃料电池排气具有减少的氢含量。
文档编号H01M8/04GK103035935SQ20121036802
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年10月7日
发明者S.R.法尔塔, M.A.朗, D.C.迪菲奥尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司