本发明专利技术涉及燃料电池系统中氢进入阴极入口的方法和控制，尤其涉及在燃料电池系统启动时快速加热燃料电池堆的系统和方法。该燃料电池系统包括位于阳极排气装置中的三通阀，该阀选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极入口，从而使阳极废气中的氢可以用于加热燃料电池堆。在正常运行期间，当燃料电池堆处于所需温度时，阳极排气装置中的三通阀可以用于将氮气排向阴极排气装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术通常涉及燃料电池堆启动时对其进行加热的系统和方法，具体来说，涉及在燃料电池堆冷启动时对其进行加热的系统和方法，包括将燃料电池堆的阳极废气导至阴 极入口。
技术介绍
氢气由于其清洁性以及在燃料电池中可以高效地产生电，从而成为非常受关注的 燃料。氢燃料电池是电化学装置，其包含阳极、阴极以及位于上述两者之间的电解质。阳极 接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由质子和电子。质子穿过 电解质到达阴极。质子在阴极中与氧气和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解 质，所以在被送到阴极之前被导引通过负载来做功。 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物 电解质质子传导性膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包含有细碎的催化粒子，通常为铂 (Pt)，其担载在碳粒子上且与离子交联聚合物混合。催化混合物被沉积在膜的相对两侧上。 阳极催化混合物、阴极催化混合物以及膜的组合限定了膜电极组件(MEA) 。 MEA的制造成本 相对较高，而且需要一定条件才能有效运转。 典型地，数个燃料电池组合在燃料电池堆中以产生需要的功率。例如，车用典型燃 料电池堆可以具有两百个或更多的堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体， 典型地是由压縮机吹过燃料电池堆的空气流。并不是全部氧气都被燃料电池堆消耗，部分 空气作为阴极废气被排出，废气中可能包括有作为电池堆附产物的水。燃料电池堆还接收 阳极氢气反应气体，这些气体流入电池堆的阳极侧。电池堆还包括冷却性流体流过的流动 通道。 燃料电池堆包括一系列位于电池堆中数个MEA之间的双极板，其中所述双极板和 MEA位于两个端板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧，用于电池堆中的相邻燃料电池。双极 板的阳极侧上具有阳极气体流动通道，从而允许阳极反应气体流到各自的MEA。双极板的阴 极侧上设有阴极气体流动通道，从而允许阴极反应气体流到各自的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。双极板和端板都由传导性材料制成，如 不锈钢或传导性复合物。端板将燃料电池产生的电力传导出电池堆。双极板也包括有冷却 性流体流过的流动通道。 MEA具有可渗透性，这样就允许空气中的氮气从电池堆阴极侧渗透穿过该阴极侧， 并在电池堆的阳极侧中收集，在工业上称之为氮气穿越。即使阳极侧的压力可以大于阴极 侧的压力，阴极侧分压还是使得空气穿过该膜。燃料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，这 样如果氮气浓度增加超过一定的百分含量，如50%，那么燃料电池堆会变得不稳定和可能 失效。现有技术中已知的是在燃料电池堆的阳极废气出口处设置排放阀来将氮气从电池堆 阳极侧排出。 算法被通常用于在线估计在电池堆运行过程中阳极废气中的氮气浓度以确定何时触发阳极废气排放。该算法基于从阴极侧到阳极侧的渗透率以及阳极废气的周期性排放 来跟踪电池堆阳极侧中氮气浓度和时间的变化关系。当该算法计算出的氮气浓度升高高于 预定阈值，例如10% ，算法就会触发排放。排放持续一定时间使得多个电池堆阳极容量得到 排放，从而使得氮气的浓度降低到该阈值之下。 现有技术中所熟知的，燃料电池的膜运行中具有受控的相对湿度(RH)以使得横 跨该膜的离子电阻足够低以有效传导质子。典型地是通过控制数个堆运行参数来控制来自 燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度，从而控制膜的相对湿度，其中所述堆运行参数如 电池堆的压力、温度、阴极化学计量以及进入电池堆的阴极气体的相对湿度。 PEM燃料电池堆的电导是电池堆温度和湿度的函数。燃料电池堆冷的时候不能产 生全部功率。为了帮助燃料电池堆快速升温(这通常在电池堆低于冰点的情况下系统启动 时是需要的)，氢气有时被送到电池堆的阴极侧，在那里与阴极侧催化剂和氧气反应来产生 热量。典型地，为此目的使用来自阳极输入源的新鲜氢气。
技术实现思路
根据本专利技术的教导，用于在燃料电池系统启动时快速加热燃料电池堆的系统 和方法被公开。该燃料电池系统包括位于阳极排气装置(anode exhaust)中的三通阀 (threeiay valve)，该阀选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极输入，这样阳极废气 中的氢气可以用来加热燃料电池堆。在正常运行(此时燃料电池堆处于期望的温度)期间， 阳极排气装置中的三通阀可用于将氮气排放到阴极排气装置(cathode exhaust)中。 结合附图，本专利技术的其它特征会在以下描述和后附的权利要求中变得显而易见。附图说明 图1是现有燃料电池系统的平面示意图，该燃料电池系统包括阀，该阀选择性地 将新鲜氢气从氢气源导至燃料电池堆阴极输入；禾口 图2是根据本专利技术实施方案的燃料电池系统的平面示意图，该系统选择性地将阳 极废气导向燃料电池堆的阴极输入或阴极废气管线。具体实施例方式下面对本专利技术如下实施方案的讨论本质上仅仅是示例性的，绝不意在限制本专利技术 或其应用或用途；所述实施方案涉及选择性地将阳极废气导向燃料电池堆的阴极输入以在 冷启动时加热电池堆的系统和方法。 图1是包含有燃料电池堆12的现有燃料电池系统10的平面示意图。燃料电池系 统10还包括压縮机14，用于通过阴极输入管线16将阴极入口空气提供给燃料电池堆12。 阴极废气通过阴极废气管线18从电池堆12排出。燃料电池系统10还包括在阳极输入管 线22上将新鲜氢气提供给燃料电池堆12阳极侧的氢气源20。受控量的阳极废气通过阳极 废气输出管线24从燃料电池堆12输出。当燃料电池系统10没有工作时，高压阀26关闭 阳极输入管线22，从而将氢气保存在氢气源20中。 阳极废气排放阀28位于阳极废气管线24中，其根据阳极排放算法周期性开启从 而将氮气从燃料电池堆12的阳极侧去除。当排放阀28开启时，阳极废气被导向阴极排出管线18，在此被稀释然后排到环境中。将氮气从燃料电池堆12的阳极侧排放的算法和控制 策略是本领域公知的。而且，在替换性实施方案中，燃料电池堆可以是本领域技术人员熟知 的采用阳极流动转换的分离堆(split stack)。 如上所述，在用于在系统启动时加热燃料电池堆12的一个已知技术中，来自氢气 源20的新鲜氢气通过旁路阀30从旁路管线32输送到阴极输入管线16，从而能够在燃料电 池堆12阴极侧上提供氢气和阴极催化剂的燃烧，使得电池堆12更快达到其工作温度，特别 是在冷的或冷冻的系统启动时。控制旁路阀30的控制策略是本领域技术人员已知的，即基 于系统温度、压力等提供所需的氢气量至燃料电池堆12的阴极侧。 图2是根据本专利技术的实施方案的与燃料电池系统10类似的燃料电池系统40的平 面示意图，其中类似的部件采用相同附图标记进行标识。燃料电池系统40通过去除将新鲜 氢气从氢气源20导向阴极输入管线16从而在系统启动时加热燃料电池堆12的过程，相比 燃料电池系统10具有多个优点。就此而言，去除了旁路管线32和旁路阀30。代替从氢气 源20提供新鲜氢气来加热电池堆12，本专利技术提出利用阳极废气管线24中的阳极废气作为 待在燃料电池堆12的阴极侧中燃烧的氢气源。为实现该方案，系统40包括位于阳极废气 管线24中的三通阀42，并结合有排放阀28。在系统启动期间(此时合意的是提供氢气至 燃料电池堆12的阴极侧)，排放阀28开启本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池系统，包括：燃料电池堆，其具有阳极入口、阴极入口、阳极排气装置和阴极排气装置；氢气源，用于向所述燃料电池堆的所述阳极入口提供氢气；压缩机，用于向所述燃料电池堆的所述阴极入口提供压缩空气；以及在所述阳极排气装置中提供的三通阀，所述三通阀在电池堆正常工作期间选择性地将阳极废气导向所述阴极入口和所述阴极排气装置。
【技术特征摘要】
US 2008-12-12 12/334007燃料电池系统，包括燃料电池堆，其具有阳极入口、阴极入口、阳极排气装置和阴极排气装置；氢气源，用于向所述燃料电池堆的所述阳极入口提供氢气；压缩机，用于向所述燃料电池堆的所述阴极入口提供压缩空气；以及在所述阳极排气装置中提供的三通阀，所述三通阀在电池堆正常工作期间选择性地将阳极废气导向所述阴极入口和所述阴极排气装置。2. 如权利要求1所述的系统，还包括在所述阳极排气装置中的排放阀，用于将阳极废 气排放到所述阴极排气装置。3. 如权利要求1所述的系统，其中当命令氮气排放时，所述三通阀选择性地将阳极废 气导向所述阴极排气装置。4. 如权利要求3所述的系统，其中命令氮气排放是基于氮气排放算法做出的。5. 如权利要求1所述的系统，其中当阳极废气提供到所述阴极入口时阴极化学计量被 调整，以提供在所述燃料电池堆中的压縮空气和氢气的所需比例。6. 如权利要求5所述的系统，其中氢气和阴极空气的所述所需比例大约是2%。7. 如权利要求1所述的系统，其中在系统冷启动期间所述三通阀选择性地将阳极废气 导向所述阴极入口。8. 燃料电池系统，包括燃料电池堆，其具有阳极入口 、阴极入口 、阳极排气装置和阴极排气装置； 氢气源，用于向所述燃料电池堆的所述阳极入口提供氢气； 压縮机，用于向所述燃料电池堆的所述阴极入口提供压縮空气；在所述阳极排气装置中提供的排放阀，用于将阳极废气排放到阴气排气装置中；以及 在所述阳极排气装置中提供的三通阀，在电池堆正常工作过程中，当阳气废气被命令 排放时，所述三通阀选...
【专利技术属性】
技术研发人员：SD伯奇，BJ克林格曼，AB阿普，JR斯恩科维斯基，JK利里，VW洛甘，DI哈里斯，
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]
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