专利名称：用于改进水管理的关闭方案的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
根据本发明的教导，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。通过燃料电池堆的阴极侧的阴极流动通道的阴极空气流从燃料电池堆的阳极侧 抽吸水。所述系统还包括系统负载，所述燃料电池堆在所述关闭模式结束时联接到所述系 统负载，从而提供燃料电池堆中的膜的再水化。所述关闭模式保持膜具有预定量的相对湿度。在关闭模式期间，阳极流处于反向方向且阴极流处于向前方向。在关闭模式期间，阳极流和阴极流均处于反向方向。氢气源是提供氢气燃料流的增压氢气源。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；氢气源，所述氢气源提供氢气给燃料电池堆的阳极侧；和阀和管道配置，所述阀和管道配置允许来自于氢气源的氢气在燃料电池堆的正常 操作期间以向前流方向流经燃料电池堆的阳极侧中的阳极流动通道、且在燃料电池系统的 关闭模式期间以反向流方向流经燃料电池堆的阳极侧中的阳极流动通道，以从燃料电池堆 去除水，其中在关闭模式期间，来自于压缩机的空气流经燃料电池堆的阴极侧并将水从燃 料电池堆的阳极侧抽吸通过燃料电池膜，且通过阳极流动通道的反向氢气流使得已经收集 在阳极出口中的水驱动到阳极流动通道中，以被抽吸到燃料电池堆的阴极侧中。阀配置包括阳极入口阀和阳极出口阀。所述系统还包括系统负载，所述燃料电池堆在所述关闭模式结束时联接到所述系 统负载，从而提供燃料电池堆中的膜的再水化。在关闭模式期间，阴极空气也以反向方向流动。一种在系统关闭时从燃料电池堆吹扫水的方法，所述方法包括将来自于压缩机的空气引导通过燃料电池堆的阴极侧，以将水驱出燃料电池堆的阴极侧中的阴极流动通道并将水从燃料电池堆的阳极侧中的阳极流动通道抽吸通过燃料 电池膜；和使通过燃料电池堆的阳极侧的氢气流方向反向，使得反向氢气流将水从阳极出口 驱动到阳极流动通道中，以通过燃料电池膜抽吸到阴极流动通道中。使氢气流方向反向包括切换阳极入口阀和阳极出口阀。所述方法还包括在吹扫过程结束时将负载联接到所述燃料电池堆，从而提供燃料 电池堆中的膜的再水化。将来自于压缩机的空气引导通过燃料电池堆的阴极侧包括将空气以反向方向引 导通过阴极侧以提供沿阴极流场的均勻水分。本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
图1是燃料电池系统的示意性框图，燃料电池系统包括用于在燃料电池堆吹扫期 间提供反向阴极和阳极流的管道。
具体实施例方式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的本发明实施例的 以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图，燃料电池堆12带有 反应物阴极流动通道20和反应物阳极流动通道22。燃料电池系统10也包括压缩机14，压 缩机14在阴极输入管线16上通过阴极输入阀44提供阴极空气给燃料电池堆12的阴极 侧。阴极排气在阴极排气管线18上通过阴极输出阀46从燃料电池堆12输出。氢气燃料 在压力下在阳极输入管线26上通过阳极输入阀28从氢气源24 (例如高压罐)提供给燃料 电池堆12的阳极侧。阳极排气在阳极排气管线30上通过阳极输出阀32从燃料电池堆12 输出。阴极阀44和46在正常系统操作期间被切换至向前流动位置，使得来自于压缩机 14的空气以向前方向流经燃料电池堆12。由于下文详细讨论的原因，输入阀44和输出阀 46可以被切换至反向流动位置以使通过燃料电池堆12的阴极流动通道20的空气流反向， 使得来自于压缩机14的空气流经管线48，然后通过输出阀46，然后通过燃料电池堆12内 的阴极流动通道20，然后通过输入阀44且然后通过管线50，以被送至阴极排气管线18中。 因而，阀44和46可以被选择性地切换以使用压缩机14来控制通过燃料电池堆12的阴极 流动通道20的阴极空气流的方向。阀28和32在正常系统操作期间被切换至向前流动位置，使得来自于源24的氢气 燃料以向前方向流经燃料电池堆12。由于也在下文详细讨论的原因，输入阀28和输出阀 32可以被切换至反向流动位置以使通过燃料电池堆12的阳极流动通道22的氢气燃料流反 向，使得来自于源24的氢气燃料流经管线34，然后通过输出阀32，然后通过燃料电池堆12 内的阳极流动通道22，然后通过输入阀28且然后通过管线36，以被送至阳极排气管线30 中。因而，阀28和32可以被选择性地切换以使用由源24中的氢气提供的压力控制通过燃 料电池堆12的阳极流动通道22的氢气流的方向。
如上所述，燃料电池堆12在系统关闭时需要吹扫水。此外，也如上所述，水有时积 聚在燃料电池堆12的每个燃料电池的阳极流场出口 38处。如下文所述，本发明解决了在 关闭吹扫期间去除已经收集在阳极出口 38中的水的问题。在系统关闭期间，燃料电池堆12被吹扫以从阴极和阳极流动通道20和22去除过 多的水，但是不会过分干燥燃料电池堆12中的燃料电池内的膜。在一个实施例中，压缩机 14以预定速度操作，以促使空气通过阴极流动通道20以将水驱出流动通道20，且也将水从 阳极流动通道22抽吸通过燃料电池中的膜。在一个实施例中，阀44和46处于正常操作位 置，从而通过流动通道20的阴极空气流处于向前方向以从其去除水。由于流动通道20的 出口端38处的相对湿度将通常高于流动通道20的入口端40处的相对湿度，可能期望通过 切换阀44和46来使得通过阴极流动通道20的阴极空气流方向反向，从而阴极空气以相对 或相反的方向流动，如上文所述。以这种方式，通过将水从阴极流动通道20的出口端38朝 阴极流动通道20的入口端40推动，阴极流动通道20的水分将由阴极空气流沿阴极流场分 配。
来自于氢气源24的氢气可以用来从阳极流动通道22吹扫水或者可以不用来从阳 极流动通道22吹扫水。如果阴极空气流用于将水通过燃料电池的膜抽吸到阴极侧以吹扫 燃料电池堆12的阳极流场，使得氢气不用来吹扫燃料电池堆12的阳极侧，那么水可能收集 在阳极流动通道22的出口端38处。因而，根据本发明的另一个实施例，阀28和32被切换 至反向流位置，从而，来自于源24的氢气燃料的低流量使得可能已经收集在阳极流场出口 38处的水被强制流入阳极流动通道22的活性部分中，在活性部分处，水可以被阴极侧流抽 吸通过膜。如同上文讨论的阴极侧一样，阳极流动通道22的入口端40将比阳极流动通道 22的出口端38更干燥，从而阳极流动通道22的出口端38处的水将被推动回到流场中，从 而沿活性区域在阳极流场的阳极侧中提供水分分配。使用与反向氢气流相关的阴极空气流的这种吹扫完成两件事情。第一，从系统去 除水，第二，通过将在燃料电池堆12的阳极流场出口 38中积聚的水分朝阳极入口端40驱 动回到活性区域中，减少膜活性区域中的平面水分梯度。这将沿膜更均勻地重新分配水分， 一些水分渗透通过膜到达阴极侧。一旦处于阴极区域，水经由通过阴极排气管线18的阴极 空气流被驱出燃料电池堆12。因而，水被去除且膜的水含量梯度显著减少。在另一个非限制性实施例中，在关闭吹扫期间阴极和阳极流均可反向。这种实施 例也从系统10吹扫水，包括在阳极和阴极流场出口 38中的水，同时减少膜的水含量梯度。在关闭吹扫过程的最后阶段，可使用再水化步骤，包括增加燃料电池堆功率并将 功率施加到负载42以操作燃料电池堆12，使得燃料电池堆12生成水作为副产物。该水生 成起作用以减少燃料电池之间的水含量的分散，这反映了湿度状态，从而确保所有燃料电 池将具有足够的水化，以根据需要在下一次系统重新启动时起作用。由于该再水化步骤的 时间短，因此没有时间使得生成的水扩散到GDL或进一步扩散。吹扫持续时间、吹扫速度和其它吹扫参数(包括再水化步骤的参数)被选择，使得 合适量的水从燃料电池堆12去除，而不会过分干燥膜。在一个非限制性实施例中，至少氢 气燃料的反向流具有30秒至1分钟的持续时间，而再水化步骤具有10至20秒的持续时间。 吹扫应当足够长，使得燃料电池堆12没有水，且之后，负载42可以施加到燃料电池堆12以 产生仅足以水化膜的水量。在关闭程序期间跨过燃料电池堆12联接的负载42可用于给压缩机14提供动力，或者燃料电池堆功率可用于给系统蓄电池充电。
虽然阀和管道的特定结构在图1中示出和描述以使得通过阴极和阳极流动通道 20和22的阴极空气和氢气燃料流反向，以将来自于阴极和阳极流场的出口 38的水驱动回 到燃料电池的活性区域，但是本发明设想使得阳极出口 38中的水在系统吹扫期间被驱动 回到燃料电池的活性区域的任何合适的程序和/或元件结构。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和 附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由 所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的系统，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。
3.根据权利要求1所述的系统，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。
4.根据权利要求1所述的系统，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。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，通过燃料电池堆的阴极侧的阴极流动通道的阴 极空气流从燃料电池堆的阳极侧抽吸水。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括系统负载，所述燃料电池堆在所述关闭模式结 束时联接到所述系统负载，从而提供燃料电池堆中的膜的再水化。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述关闭模式保持膜具有预定量的相对湿度。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，在关闭模式期间，阳极流处于反向方向且阴极流 处于向前方向。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，在关闭模式期间，阳极流和阴极流均处于反向方向。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，氢气源是提供氢气燃料流的增压氢气源。
全文摘要
本发明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。
文档编号H01M8/24GK101859909SQ20101010545
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年1月26日
发明者D·R·勒布彻尔特, E·J·康诺尔, P·A·拉帕波特, S·R·法尔塔 申请人:通用汽车环球科技运作公司