CN101431163B - 阳极排气流量检测和补救措施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阳极排气流量检测和补救措施。一种用于在采用阳极流动切换的燃料电池系统中从第一和第二分离燃料电池堆的阳极侧排气的系统，其中每个分离堆包括排气阀。如果有通过通气口的流量且还没有命令排气，那么该系统确定排气阀中的一个或两个被卡在打开位置。如果阴极废气能够稀释排出的阳极废气中的氢气，那么使用切断阀提供排气。如果阴极废气不能够充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么使用第一和第二分离堆之间的出口阀排出阳极废气。如果第一或第二排气阀被卡在关闭位置，那么使用出口阀提供排气。

Description

阳极排气流量检测和补救措施

技术领域

本发明主要涉及一种用于从燃料电池堆的阳极侧排气(bleeding)的系统和方法，特别是，本发明涉及一种包括排气阀在打开或关闭位置失效的情况下采取补救措施的用于从分离燃料电池堆的阳极侧排气的系统和方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且在燃料电池中能够有效地发电。氢燃料电池是一种电化学装置，氢燃料电池包括阳极、阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。阳极中的氢气被分解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。阴极中的质子与氧和电子发生反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前被引导通过负载而执行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细粉碎的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的组合体被定义为膜电极组件(MEA)。

通常多个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。对于上述的汽车燃料电池堆，堆可以包括两百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，典型的是通过压缩机施加而穿过堆的空气流。堆并没有消耗掉全部的氧气，一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为堆副产品的水。该燃料电池堆还接收流入堆阳极侧的阳极氢气反应气体。

燃料电池堆通常包括设置在堆中多个膜电极组件之间的一系列双极板，其中双极板和膜电极组件设置在两个端板之间。双极板包括在堆中邻接燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气体流动通道，其允许阳极反应气体流动到各自的膜电极组件。在双极板的阴极侧提供阴极气体流动通道，其允许阴极反应气体流动到各自的膜电极组件。一个端板包括阳极气体流动通道，以及另外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，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力传导到堆外部。双极板还包括冷却流体从中流过的流动通道。

膜电极组件是可透过的，因此允许来自堆阴极侧的空气中的氮气透过并且在堆的阳极侧聚集，在工业中被称为氮气穿越(nitrogen cross-over)。即使阳极侧的压力可能稍微高于阴极侧压力，阴极侧的局部压力将促使空气透过薄膜。燃料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，从而如果氮气浓度增加超过一定百分比，例如50％，燃料电池堆变得不稳定并且可能失效。本领域公知的，为了从堆的阳极侧去除氮气，在燃料电池堆的阳极废气输出处设置排气阀。

本领域已经提出在采用分离堆的燃料电池系统中，使用堆顺序开关或阳极流动切换。特别是，在系统中提供阀和泵，从而以循环的方式使得离开第一次级堆的阳极废气送到第二次级堆的阳极侧，离开第二次级堆的阳极废气送到第一次级堆的阳极侧。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于在采用阳极流动切换的燃料电池系统中从分离燃料电池堆的阳极侧排气的系统和方法。该燃料电池系统包括具有联接的阴极入口和联接的阴极出口的第一分离堆和第二分离堆。该燃料电池系统还包括联接到第一分离堆的阳极输入的第一排气阀和联接到第二分离堆的阳极输入的第二排气阀。在第一和第二排气阀以及切断阀之间设置有传递流体的通气口(orifice)。横跨通气口设置有压力传感装置，其提供表示出流过通气口的流量的压力测量结果。出口阀设置在联接第一和第二分离堆的阳极侧的管线中。

如果有流量通过通气口并且还没有命令阳极侧排气，那么该系统确定排气阀中的一个或两个被卡在打开位置。发生这种事件时，如果阴极废气能够稀释排出的阳极废气中的氢气，那么使用切断阀来提供排气。如果阴极废气不能足够有效地稀释阳极废气中的氢气，那么使用出口阀排出阳极废气。如果第一和第二排气阀被卡在关闭位置，那么使用排气阀来提供阳极侧排气。

结合附图通过阅读以下说明书和所附权利要求书，本发明的附加特点将变得更加明显。

附图说明

图1是采用分离燃料电池堆和阳极流动切换的燃料电池系统的示意性结构图；以及

图2是说明根据本发明的一种实施方式的在图1所示燃料电池系统中的多个排气阀中的一个排气阀被卡在打开或关闭位置的情况下采取补救措施(remedial action)的过程的流程图。

具体实施方式

旨在用于从燃料电池系统的分离燃料电池堆中提供阳极排气和在排气阀故障的情况下采取补救措施的系统和方法的本发明实施方式的下列描述实质上仅仅是示例性地，并不意味着限制本发明或其应用或使用。

图1是包括第一分离燃料电池堆12和第二分离燃料电池堆14的燃料电池系统10的示意性结构图。压缩机16提供到阴极输入管线18上的阴极输入空气通过通常关闭的阴极输入阀20到达分离堆12和14。阀20可以是水蒸气传输单元的一部分，该水蒸气传输单元使用例如阴极废气来加湿阴极输入空气。这个水蒸气传输单元可以包括多于一个的通常关闭的阀。阴极废气通过管线24从分离堆12输出，以及阴极废气通过管线26从分离堆14输出，这些来自堆12和14的阴极废气混合进入单独的阴极输出管线28。通常关闭的阴极背压阀30控制通过管线28的阴极废气的流动。位于输入管线18和输出管线28之间的阴极旁通管线32允许阴极输入空气旁通过堆12和14。通常打开的旁通阀34控制阴极空气是否旁通过堆12和14。如果阀门20和30关闭而阀门34打开，那么来自压缩机16的空气将旁通过堆12和14。

在该非限制实施方式中，分离堆12和14采用阳极流动切换，阳极反应气体以本领域的技术人员公知的方式以预定循环通过分离堆12和14向后和向前流动。以交替的顺序，注射器38通过阳极管线42把来自氢气源40的氢气注射到分离堆12，注射器44通过阳极管线46把来自氢气源40的氢气注射到分离堆14。连接线48连接分离堆12和14的阳极侧以便允许阳极气体在其间流动。

水分离器60连接到连接管线48，收集在分离堆12和14间阳极气体流中的水。通常关闭的排水阀门62能周期性地打开以便把水通过管线64排放到阴极废气管线28。此外，也可以设置阳极废气净化阀66以便加速净化阳极气体到管线64。排水阀门62通常为具有小开口的小型阀门。

如上文所述，为了去除堆12和14阳极侧的氮气，希望周期性地给分离堆12和14的阳极侧排气，否则氮气可能稀释氢气而影响电池性能。基于这个目的系统10包括设置有通常关闭的排气阀50和52的排气模块单元(BMU)54。当命令阳极排气时，就打开排气阀50或52，根据阳极气体当前的流动方向，排出的阳极废气被输送到阴极废气管线28。具体地，如果氢气是从源40注射到分离堆12，当排气触发时，那么排气阀52打开。同样地，如果氢气是从源40注射到分离堆14，当排气触发时，那么排气阀50打开。流动切换在正常排气期间通常发生几次，从而使排气阀50和52随着流动开关不得不及时打开和关闭几次。

BMU54还包括阴极出口切断阀56和阴极入口切断阀58。具有公知直径的通气口70设置在BMU54中的排气阀50和52以及切断阀56和58之间。压差传感器72跨接于通气口70，提供通过通气口70的气流的压力指示。特别地，当通过通气口70的气流是0时，那么横跨通气口70的压力下降也是0。当通过通气口70的气流在排气期间增加时，横跨通气口70的压力下降也以接近线性的方式增加。

在燃料电池正常操作期间，当命令排气时，排气阀50和52与如上文所述的流动切换同步的打开和关闭。在排气期间切断阀58通常关闭，切断阀56通常打开，从而使排出的阳极废气送到阴极输出管线28。在系统启动时堆预热期间，可能期望注入一些包括残留氢气的阳极废气到分离堆12和14的阴极输入。为了允许氢气废气的输入，切断阀58打开和切断阀56关闭，这些阀门是及时随着流动切换而打开和关闭的。在一个可替换实施例中，新鲜氢气能注入到分离堆12和14的阴极侧以便提供用于加热分离堆12和14的燃烧。

根据本发明，使用压差传感器72来检测排气阀50或52中的一个或两个是否被卡在打开位置，即当没有请求时提供阳极排气，或被卡在关闭位置，即当有请求时没有阳极排气。阳极排气流率n能通过以下方程(1)使用压差传感器72用于子临界流动条件来检测和估计。

$n=\frac{\mathrm{Kv}}{4.633}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}^2-P_{\mathrm{out}}^2}{\mathrm{MW}*T}}=\frac{\mathrm{Kv}}{4.633}\sqrt{\frac{{2P}_{\mathrm{out}}\mathrm{dP}+{\mathrm{dP}}^2}{\mathrm{MW}*T}}---\left(1\right)$

这里K_v是增益，P_in是通气口70输入处的压力，P_out是通气口70输出处的压力，MW是阳极废气的分子量，并且T是分离堆12和14输出的冷却流体的温度。

在临界流动期间，阳极排气流率n能通过以下方程(2)进行估计。

$n=\frac{\mathrm{Kv}}{5.375}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}^2-P_{\mathrm{out}}^2}{\mathrm{MW}*T}}=\frac{\mathrm{Kv}}{5.375}\sqrt{\frac{(P_{\mathrm{out}}+\mathrm{dP}{)}^2}{\mathrm{MW}*T}}---\left(2\right)$

这里，P_in＝P_out+dP

如果阳极排气转向阴极入口，该阴极入口压力为方程(1)和(2)中的压力P_out，如果阳极排气转向阴极出口，该阴极出口压力为压力P_out。

图2是排气阀50或52被卡在打开位置或关闭位置的情况下采取补救措施控制燃料电池系统10操作的算法过程的流程图80。根据流动是子临界流动条件还是临界流动条件，该算法基于方程(1)或(2)在框82处计算通过通气口70的氢气流量。然后该算法确定阳极废气流量是否在菱形判断框84处大于0。如果阳极废气流量在菱形判断框84处不大于0，那么该算法确定阳极排气是否已在菱形判断框86处触发。如果阳极排气没有在菱形判断框86处触发，该算法知道阳极废气流量应为0，排气阀50和52操作正确。然后该算法返回框82以便计算通过通气口70的阳极废气流量。

如果阳极废气流量在菱形判断框84处不大于0，阳极排气已经在菱形判断框86处触发，那么该算法知道排气阀50和52中的一个或两个被卡在关闭位置。该算法在框88处设定适当的诊断以便通知有问题的车辆操作。如果排气阀50或52被卡在关闭位置导致分离堆12和14的阳极侧中有太多氮气的结果，分离堆12和14最终将故障，那么不得不使用另外一个技术来从分离堆12和14的阳极侧去除氮气，直到排气阀50或52能被修理。在这个实施例中，该算法控制排水阀门62以便提供阳极排气，从而使分离堆12和14仍能操作。

如果阳极废气流量在菱形判断框84处大于0，那么该算法确定排气是否已在菱形判断框90处触发。如果排气已在菱形判断框90处触发，那么应该有通过通气口70的流动以及阀门50和52应该正确操作。该算法返回框82以便计算阳极废气流量。如果阳极排气没有在菱形判断框90处触发，那么该算法知道排气阀50或52中的一个或两个被卡在打开位置或正在发生泄漏。那么该算法在框92处设定第二诊断以便通知故障阀门的车辆操作。

由于排气阀门的打开或泄漏，现在分离堆12或14的阳极侧不断的散发阳极废气，其可能包括大量的氢气，该算法在菱形判断框94处确定阳极废气流量是否能通过阴极废气稀释以便在废气中提供足够低浓度的氢气，该废气排出到环境中而不涉及安全问题。本领域已知防止阳极废气排气的算法是：如果通过阴极废气流动的阴极空气量不能充分稀释氢气，可能该氢气在阳极废气中低于特定值例如百分之三的阳极废气，那么就没有由于燃烧的安全问题。

如果排气阀50和52中的一个或两个泄漏或被卡在打开位置，那么该算法将使用放泄阀门62或切断阀门56中的一个执行阳极排气，其取决于阴极废气流量是否足够大以便稀释阳极废气中的氢气。当请求排气并且阳极废气不能被足够稀释时，那么在框96处使用小的通气口放泄阀门62在正常时间执行排气。当阳极废气能被足够稀释时，那么切断阀56打开以便排出阳极废气到管线28。

以上讨论仅仅公开和描述了本发明的多个具体实施方式。本领域的技术人员在不偏离由所附权利要求书确定的本发明范围和精神的情况下，能够对本发明做出各种变化、改进和变动。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，包括：

第一分离堆，所述第一分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出；

第二分离堆，所述第二分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出，其中用于第一和第二分离堆的阴极输入联接在一起，并且来自第一和第二分离堆的阴极输出联接在一起；

第一排气阀，所述第一排气阀联接到第一分离堆的阳极输入；

第二排气阀，所述第二排气阀联接到第二分离堆的阳极输入；

通气口，所述通气口与第一和第二排气阀以及第一和第二分离堆联接的阴极输出流体连通；和

跨接于通气口的压力传感器，所述压力传感器提供表示流过通气口流量的压力测量结果，从而提供阳极废气是否通过第一和第二排气阀的指示。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括阴极输出切断阀，所述阴极输出切断阀联接在通气口与第一和第二分离堆联接的阴极输出之间进行流体传递。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括阴极入口切断阀，所述阴极入口切断阀联接在通气口与第一和第二分离堆联接的阴极输入之间进行流体传递。

4.根据权利要求2所述的系统，还包括出口阀，所述出口阀与第一和第二分离堆的阳极输出流体连通。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述出口阀是用于从水分离器排水的放泄阀。

6.根据权利要求4所述的系统，其中该压力测量结果提供以下指示：第一或第二排气阀是否被卡在打开位置或关闭位置或该第一或第二排气阀是否基于通过通气口的流量进行泄漏，以及阳极排气是否已被触发。

7.根据权利要求6所述的系统，其中如果该第一排气阀或第二排气阀被卡在关闭位置，那么该系统使用出口阀提供用于第一分离堆和第二分离堆的阳极侧排气。

8.根据权利要求6所述的系统，其中如果该第一排气阀或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气流量不能够充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么该系统使用出口阀提供阳极侧排气。

9.根据权利要求6所述的系统，其中如果第一或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气流量能够充分稀释排出的阳极废气中的氢气，该系统使用阴极输出切断阀提供阳极排气。

10.根据权利要求1所述的系统，其中第一和第二分离堆在阳极流动切换条件下进行工作。

11.一种燃料电池系统，包括：

第一分离堆，所述第一分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出；

第二分离堆，所述第二分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出，其中用于第一和第二分离堆的阴极输入联接在一起，并且来自第一和第二分离堆的阴极输出联接在一起；

第一排气阀，所述第一排气阀联接到第一分离堆的阳极输入；

第二排气阀，所述第二排气阀联接到第二分离堆的阳极输入；

通气口，所述通气口与第一和第二排气阀以及第一和第二分离堆联接的阴极输出流体连通；

阴极输出切断阀，所述阴极输出切断阀联接在通气口以及第一和第二分离堆的联接阴极输出之间进行流体传递；

出口阀，所述出口阀与第一和第二分离堆的阳极输出流体连通；和

跨接于通气口的压力传感器，所述压力传感器提供表示通过通气口流量的压力测量结果，从而提供以下指示：第一或第二排气阀是否被卡在打开位置或关闭位置或第一或第二排气阀是否基于通过通气口的流量进行泄漏，以及是否已经命令阳极排气；

如果第一排气阀或第二排气阀被卡在关闭位置，那么所述系统使用出口阀提供用于第一分离堆和第二分离堆的阳极侧排气；

如果第一排气阀或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气流量不能充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么所述系统使用出口阀提供阳极侧排气；以及

如果第一或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气能充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么所述系统使用切断阀提供阳极排气。

12.根据权利要求11所述的系统，其中第一和第二分离堆在阳极流动切换条件下进行工作。

13.根据权利要求11所述的系统，还包括阴极入口切断阀，所述阴极入口切断阀联接在通气口与第一和第二分离堆联接的阴极输入之间进行流体传递。

14.根据权利要求11所述的系统，其中出口阀是用于从水分离器排水的放泄阀。

15.一种燃料电池系统，包括：

第一分离堆，所述第一分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出；

第二分离堆，所述第二分离堆包括阴极输入、阴极输出、阳极输入和阳极输出，其中用于第一和第二分离堆的阴极输入联接在一起，并且来自第一和第二分离堆的阴极输出联接在一起；

第一排气阀，所述第一排气阀联接到第一分离堆的阳极输入；

第二排气阀，所述第二排气阀联接到第二分离堆的阳极输入；

通气口，所述通气口与第一和第二排气阀以及第一和第二分离堆联接的阴极输出流体连通；

阴极输出切断阀，所述阴极输出切断阀联接于通气口与第一和第二分离堆联接的阴极输出之间进行流体传递；

阴极入口切断阀，所述阴极入口切断阀联接于通气口与第一和第二分离堆联接的阴极输入之间进行流体传递；

出口阀，所述出口阀与第一和第二分离堆的阳极输出流体连通；和

跨接于通气口的压力传感器，所述压力传感器提供表示通过通气口流量的压力测量结果，其中该压力测量结果提供以下指示：第一或第二排气阀是否被卡在打开位置或关闭位置或第一或第二排气阀是否基于通过通气口的流量进行泄漏，以及阳极排气是否已经触发。

16.根据权利要求15所述的系统，其中如果第一排气阀或第二排气阀被卡在关闭位置，那么该系统使用出口阀提供用于第一分离堆和第二分离堆的阳极侧排气。

17.根据权利要求15所述的系统，其中如果第一排气阀或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气流量不能充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么该系统使用出口阀提供阳极侧排气。

18.根据权利要求15所述的系统，其中如果第一或第二排气阀被卡在打开位置或正在发生泄漏，并且阴极废气流量能够充分稀释排出的阳极废气中的氢气，那么该系统使用阴极输出切断阀提供阳极排气。

19.根据权利要求15所述的系统，其中出口阀是用于从水分离器排水的放泄阀。

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