用于主动控制运行期间电池压降的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于控制燃料电池堆的阳极侧或阴极侧上的压降的方法，其通过控制电池分隔器侵入到堆的馈电区域中的流道内，以便在堆的压力偏置侧上形成更大的压力容积。该方法控制阴极反应气体和阳极反应气体的一个或两个的流速，以便促使入口馈电区域和/或出口馈电区域中的电池分隔器相对于阳极侧和阴极侧移动，从而改变入口馈电区域和/或出口馈电区域中的流量以控制压降。

【技术实现步骤摘要】
用于主动控制运行期间电池压降的方法
本专利技术大体涉及用于控制燃料电池堆中燃料电池的阴极侧或阳极侧上的压降的系统和方法，并且更具体地，涉及用于主动控制燃料电池堆中燃料电池的阴极侧或阳极侧上的压降的系统和方法，包括针对阴极侧或阳极侧的一个控制阴极流道或阳极流道中的反应气体状态，以将馈电区域中的电池分隔器移动到相对的阴极侧或阳极侧中的阴极流道或阳极流道内或者将其从相对的阴极侧或阳极侧中的阴极流道或阳极流道移出。
技术介绍
氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于两电极之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极发生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子无法通过电解质，因此在被送到阴极前被引导通过负载做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆普遍使用的燃料电池类型，并且一般包含固相聚合物电解质质子传导膜，比如全氟代磺酸膜。阳极和阴极通常包括细小的催化颗粒，通常为铂(Pt)，其承载在碳颗粒上并与离子聚合物混合，其中催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。膜阻挡了气体在燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的输送，而同时允许质子的输送以在其相应电极上完成阳极反应和阴极反应。若干燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。燃料电池堆通常包括被定位在堆中若干MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设置了阳极气体流道，其允许阳极反应气体流动到相应的MEA。在双极板的阴极侧上设置了阴极气体流道，其允许阴极反应气体流动到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，而另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，比如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的电传导出堆。双极板还包括冷却液流过的流道。用于制造双极板的各种技术在领域中是已知的。在一种设计中，双极板由复合材料制成，比如石墨，其中两个板半体被单独地模制并随后胶合在一起，使得阳极流道设置在板半体的一个的一侧，阴极流道设置在另一板半体的相对侧，且冷却液流道设置在两个板半体之间。在另一种设计中，两个单独的板半体被冲压并随后焊接在一起，使得阳极流道设置在板半体的一个的一侧，阴极流道设置在另一板半体的相对侧，且冷却液流道设置在两个板半体之间。燃料电池堆包括有源区域，电池膜位于其中，该有源区域是堆中发生电化学反应的区域。反应气体从穿过无源馈电区域的入口集管或多个入口集管馈送到有源区域中的通道，该无源馈电区域包括板的部分但是不包括昂贵的模，其中典型的燃料电池堆设计将在馈电区域的阴极流道和阳极流道之间采用副垫片。一些燃料电池堆操作得益于阳极侧具有相对低的压降，比如为了阳极排放气体再循环的目的，而一些燃料电池堆操作得益于阳极侧具有相对高的压降，比如为了去除反应气体流道中的液态水。一些燃料电池操作还得益于阴极侧具有相对低的压降，比如为了降低将所需气体流输送至反应气体流道所需要的压缩机功率。目前，燃料电池堆通常被设计成提供可以最佳满足所有堆运行状态的折衷压降。然而，对于所有堆运行状态而言该压降并非最优。为了同时针对燃料电池堆的阴极侧和阳极侧，在堆的整个长度两端提供基本上相同的反应气体流速，燃料堆中双极板的有效设计和组装方法是必要的。为了实现该目的，通常有必要对堆馈电区域中的流道角度、流道尺寸等提供具体的配置。
技术实现思路
本专利技术公开并描述了一种用于控制燃料电池堆的阳极侧或阴极侧上的压降的方法，其通过控制诸如副垫片或其他绝缘材料的电池分隔器侵入到堆的馈电区域中的流道内，以便对堆的低压力偏置侧形成增大的流阻。该方法控制阴极反应气体和阳极反应气体的一个或两个的流态，以便促使入口馈电区域和/或出口馈电区域中的电池分隔器相对于阳极侧和阴极侧移动，从而改变入口馈电区域和/或出口馈电区域中的流阻以控制压降。通过以下描述和所附权利要求书并结合附图，本专利技术的其他特征将是显而易见的。附图说明图1是燃料电池系统的简化示意性框图；图2是燃料电池堆中馈电区域切开的剖视图，其中在馈电区域的阴极侧和阳极侧上存在相等的压力；图3是图2中所示的燃料电池堆切开的剖视图，其中在馈电区域中的阴极侧上存在微小的压力偏置；图4是图2中所示的燃料电池堆切开的剖视图，其中在馈电区域中的阴极侧上存在较大的压力偏置；图5是燃料电池堆的示意图，其显示出在没有分隔器电池压力控制下的穿过堆中有源区域和馈电区域的流动反应气体通道；以及图6是图3中所示的燃料电池堆具有分隔器电池压力控制的示意图。具体实施方式本专利技术的实施例涉及通过控制馈电区域中电池分隔器的位置来控制燃料电池堆中电池压降的方法，对本专利技术的实施例的以下讨论本质上仅是示范性的，而决不旨在限制本专利技术或其应用或使用。图1是燃料电池系统10的示意性框图，燃料电池系统10包括燃料电池堆12，燃料电池堆12在堆12的有源区域中具有燃料电池22。压缩机14通过水汽输送(WVT)单元18向阴极输入管线16上的燃料电池堆12的阴极侧提供空气流，水汽输送(WVT)单元18将阴极输入空气加湿。阳极排放气体从阴极排放气体管线20上的堆12输出，该阴极排放气体管线20将阴极排放气体引导到WVT单元18以提供水蒸气来加湿阴极输入空气。燃料电池系统10还包括氢燃料源24，通常是高压罐，其向注入器26提供氢气，注入器26将受控量的氢气注入阳极输入管线28上的燃料电池堆12的阳极侧。尽管未具体示出，本领域技术人员可以理解，各种压力调节器、控制阀、截止阀等可以被提供为以适合于注入器26的压力从源24供应高压氢气。阳极流出输出气体从阳极输出管线30上的燃料电池堆12的阳极侧输出，其被提供给放泄阀32。从燃料电池堆12的阴极侧穿越的氮稀释了堆12的阳极侧中的氢气，由此影响了燃料电池堆的性能。因此，有必要周期地使阳极流出气体从阳极子系统放泄以减少阳极子系统中氮的量。当系统10在正常非放泄模式下运行时，放泄阀处于其中阳极流出气体被提供给再循环管线36的位置，再循环管线36将阳极气体再循环到注入器26以将其操作为喷射器并将经再循环的氢气提供回堆12的阳极输入。当命令放泄以减少堆12的阳极侧的氮时，放泄阀32定位成将阳极流出气体引导到旁通管线34，旁通管线34将阳极排出气体与管线20上的阴极排放气体结合，其中氢气被稀释到适合于环境的水平。系统10包括控制器38，控制器38控制系统10的操作，比如压缩机14的速度、注入器26的注入率等。图2是燃料电池堆40中无源馈电区域切开的剖视图。燃料电池堆40包括双极板42和44，在其之间定位了组合电极组件(UEA)副垫片46或其他合适的电池分隔器。副垫片46是该区域中阳极反应气体流道64和阴极反应气体流道66之间的分隔层，并且可以是任何合适的材料，比如卡普顿(Kapton)或某些其他塑料。双极板42包括阴极板半体50和阳极板半体48。同样，双极板44包括阴极板半体54和阳极板半体52。在该设计中，板半体48、50、52和54的每一个均为冲压金属板。当板半体48、50、52和54联接在一起以提供特定双极板时，他们限定了在板半体48和50之间以及板半体52和54之间限定了冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制燃料电池堆的阴极侧或阳极侧上压降的方法，所述堆包括有源区域、入口馈电区域和出口馈电区域，所述堆在所述馈电区域中进一步包括一系列堆叠的双极板和在所述双极板之间的电池分隔器，其中所述堆包括从所述入口馈电区域通过所述有源区域到所述出口馈电区域的阴极流道和阳极流道，所述方法包括：以特定流速通过所述阴极流道从所述入口馈电区域到所述有源区域提供阴极反应气体流；以特定流速通过所述阳极流道从所述入口馈电区域到所述有源区域提供阳极反应气体流；以及控制所述阴极反应气体和所述阳极反应气体的一个或两个的所述流速，以便促使所述入口馈电区域和/或所述出口馈电区域中的所述电池分隔器相对于所述阳极侧和所述阴极侧移动，从而改变所述入口馈电区域和/或所述出口馈电区域中的流量以控制所述压降。

【技术特征摘要】
2017.03.20 US 15/4638611.一种控制燃料电池堆的阴极侧或阳极侧上压降的方法，所述堆包括有源区域、入口馈电区域和出口馈电区域，所述堆在所述馈电区域中进一步包括一系列堆叠的双极板和在所述双极板之间的电池分隔器，其中所述堆包括从所述入口馈电区域通过所述有源区域到所述出口馈电区域的阴极流道和阳极流道，所述方法包括：以特定流速通过所述阴极流道从所述入口馈电区域到所述有源区域提供阴极反应气体流；以特定流速通过所述阳极流道从所述入口馈电区域到所述有源区域提供阳极反应气体流；以及控制所述阴极反应气体和所述阳极反应气体的一个或两个的所述流速，以便促使所述入口馈电区域和/或所述出口馈电区域中的所述电池分隔器相对于所述阳极侧和所述阴极侧移动，从而改变所述入口馈电区域和/或所述出口馈电区域中的流量以控制所述压降。2.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述阴极反应气体和所述阳极反应气体的一个或两个的所述流速包括：增大所述阴极反应气体的所述流速以便增大所述入口馈电区域和/或出口馈电区域的所述阴极侧中的所述流量，从而降低所述燃料电池堆的所述阴极侧上的所述压降。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·格力亚朵，J·W·达贝尔，B·阿克什曼安，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US