用于改进水管理的关闭方案制造技术

本发明专利技术涉及用于改进水管理的关闭方案。公开了一种提供燃料电池堆吹扫的系统和方法，以在系统关闭期间去除过多的水。压缩机以关闭速度操作，以将水驱出阴极流动通道且将水从阳极流动通道抽吸通过膜，从而从燃料电池堆去除期望量的水，而不会过分干燥膜。阴极关闭吹扫流可以向前或反向方向引导。此外，可以引导氢气燃料流，使得氢气燃料以相对的方向流经阳极流动通道，以将水驱出阳极出口歧管进入阳极流动通道，从而也将水由阴极空气流抽吸通过膜。最后，在关闭吹扫之后，添加短暂的再水化步骤以实现燃料电池中的期望水含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及从燃料电池堆吹扫过多的水的系统和方法，更具体地涉及在系统关闭时从燃料电池堆吹扫过多的水的系统和方法，包括提供向前或反向阴极侧空气流吹 扫和/或通过阳极流动通道的反向氢气流以将水从阳极流动通道的出口端驱出。
技术介绍
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。氢气在阳极侧催化剂中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电 解质到达阴极。质子与阴极侧催化剂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(催化剂层)通常包括细分的催化剂 颗粒，通常是钼(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)。每个MEA通常夹在两片多孔材料、气体扩散层(GDL)之间，该GDL保护膜的机械整 体性并有助于反应物和湿度的均勻分布。将阳极流和阴极流分开的MEA的部分称为活性区 域，且仅在该区域中水蒸汽能够在阳极与阴极之间自由交换。MEA的制造相对昂贵且需要某 些湿度条件以有效操作。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物气体，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 作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为反应副产物的水。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物气体。燃料电池堆也包括冷却流体流经的流动通道。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(隔板)，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 侧和阴极侧流分配器(流场)。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 应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物 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。燃料电池内的膜需要具有一定的水含量或湿度，使得跨过膜的离子阻力足够低以 有效地传导质子。该湿度可能来自于燃料电池堆水副产物或外部湿度。通过阳极气体流动 通道的氢气流对膜具有一些干燥效果，在氢气流的入口处最明显。然而，在阳极气体流动通 道内的水滴的积聚可能防止氢气从中流过，且由于低反应物气体流量而使得燃料电池发生 故障，从而影响燃料电池堆的稳定性。反应物气体流动通道内以及GDL内的水积聚在低燃料电池堆输出负载下尤其有问题。在燃料电池系统关闭期间，期望给燃料电池膜提供一定量的水含量，使得它们不 过湿或者过干。过湿的膜可能在低温环境期间引起问题，其中，燃料电池堆中的水的冻结将 产生冰，冰阻塞流动通道并影响系统的重新启动。过干的膜可能在下一次系统重新启动时 具有过低的导电性，从而影响重新启动性能且也可能降低燃料电池堆的耐用性。本领域中已知通过促使压缩机空气通过阴极流动通道且促使氢气通过阳极流动通道来在系统关闭时从燃料电池堆的流动通道吹扫过多的水。吹扫的持续时间和气体流的 速度被选择，使得过多的水从流动通道和GDL去除，但膜不会变得过干。这种吹扫方法的一 个问题在于在燃料电池堆中的燃料电池中可能有阻力分散，意味着一些燃料电池可能过干 而其它燃料电池可能过湿。而且，在每个分立燃料电池中，可以观察到入口至出口(主要由 阴极流限定)的水含量(阻力)梯度。此外，用氢气吹扫阳极流动通道浪费氢气燃料。本领域中已经提出消除使用氢气来进行阳极侧吹扫且仅仅通过使用压缩机空气 来使用阴极侧吹扫。在阴极侧吹扫期间，水从阴极通道和阴极侧GDL去除。水也通过燃料电 池膜从阳极侧GDL和流动通道被抽吸，这通常有效地从活性区域的阳极侧去除足够的水。 然而，阳极和阴极流场的直接紧靠燃料电池入口和/或出口的部分通常在活性区域之外， 从而不可能通过MEA进行水蒸汽交换。因而，当仅在阴极侧上进行燃料电池(堆)吹扫时， 已经积聚在阳极通道的出口处的所有水不能都被去除。因而，可以预期重新启动燃料电池 堆的问题，特别是在阳极出口处的冰可能阻塞通过燃料电池的氢气流时的低于冰点的温度 条件期间。
技术实现思路
根据本专利技术的教导，公开了 一种提供燃料电池堆吹扫的系统和方法，以在系 统关闭期间去除过多的水并且也减少燃料电池之间以及燃料电池内的MEA湿度分散 (humidification spread)，这对于随后的重新启动是有益的。压缩机提供阴极空气给燃料 电池堆的阴极侧，氢气源提供氢气燃料给燃料电池堆的阳极侧。在关闭操作期间，压缩机以 关闭速度操作，所述关闭速度高于在关闭时间段内的低功率操作所需的速度，以水驱出阴 极流动通道且将水从阳极流动通道抽吸通过膜。此外，阳极入口和出口阀用于改向来自于 氢气源的氢气燃料流，使得氢气燃料流以相反的方向流经阳极流动通道，以将水驱出阳极 流场出口、流入位于燃料电池的活性区域中的阳极流动通道中，从而水也将通过阴极空气 流抽吸通过膜。因而，期望量的水从燃料电池堆去除，而不会在燃料电池之间产生在MEA的 水含量方面的任何显著差异。此外，在关闭吹扫时间段结束时，可以正常(非升高)流率施 加非常短的功率增加，以便调节从入口至出口的MEA水含量分配(再水化)，从而也减少可 能已经发生的燃料电池之间在MEA水含量方面的任何差异。一种燃料电池系统，包括包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；和氢气源，所述氢气源 提供氢气给燃料电池堆的阳极侧，所述系统以关闭模式操作以从燃料电池堆去除水，所述 关闭模式使得阴极空气或氢气以相对或相反方向流经燃料电池堆以提供燃料电池堆的流 场中的均勻水分。所述系统还包括阴极入口阀和阴极出口阀，所述阴极入口阀和所述阴极出口阀在 所述关闭模式期间被切换至反向流方向，以使得阴极空气以相对方向流经燃料电池堆的阴 极侧中的阴极流动通道，以便将水驱出阴极流动通道的出口端，从而提供燃料电池堆的阴 极流场中的均勻水分。所述系统还包括阳极入口阀和阳极出口阀，所述阳极入口阀和所述阳极出口阀在 所述关闭模式期间被切换至反向流方向，以使得来自于氢气源的氢气以相对方向流经燃料 电池堆的阳极侧中的阳极流动通道，以便将水驱出阳极流动通道的出口端，从而提供燃料 电池堆的阳极流场中的均勻水分。 所述系统还包括阴极入口阀和阴极出口阀，所述阴极入口阀和所述阴极出口阀在 所述关闭模式期间被切换至反向流方向，以使得阴极空气以相对方向流经燃料电池堆的阴 极侧中的阴极流动通道，以便将水驱出阴极流动通道的出口端，从而提供燃料电池堆的阴 极流场中的均勻水分；且还包括阳极入口阀和阳极出口阀，所述阳极入口阀和所述阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：包括阴极侧和阳极侧的燃料电池堆；压缩机，所述压缩机提供阴极空气给燃料电池堆的阴极侧；和氢气源，所述氢气源提供氢气给燃料电池堆的阳极侧，所述系统以关闭模式操作以从燃料电池堆去除水，所述关闭模式使得阴极空气或氢气以相对或相反方向流经燃料电池堆以提供燃料电池堆的流场中的均匀水分。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PA拉帕波特，SR法尔塔，DR勒布彻尔特，EJ康诺尔，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]