本發(fā)明專利技術(shù)涉及操作具有故障放氣歧管單元的燃料電池系統(tǒng)的補(bǔ)救動(dòng)作。一種在燃料電池系統(tǒng)中提供陽(yáng)極排氣放氣的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)配置成：如果第一和第二放氣閥未被堵塞且第一和第二分離子堆的溫度大于預(yù)定溫度，使用所述第一和第二放氣閥提供正常陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述放氣閥未被堵塞且所述子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，使用所述放氣閥提供連續(xù)陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述子堆的溫度高于所述預(yù)定溫度，通過(guò)排泄閥提供正常中心陽(yáng)極側(cè)放氣；以及如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，通過(guò)排泄閥提供連續(xù)中心陽(yáng)極側(cè)放氣。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)總體上涉及用于執(zhí)行陽(yáng)極排氣放氣以從燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)去除氮的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及在放氣歧管單元(BMU)發(fā)生故障的情況下執(zhí)行陽(yáng)極排氣放氣以從燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)去除氮的系統(tǒng)和方法。
技術(shù)介紹
氫是非常有吸引力的燃料，因?yàn)闅涫乔鍧嵉那夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽(yáng)極和陰極，電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間。陽(yáng)極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極中分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)產(chǎn)生水。來(lái)自于陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，且因而被引導(dǎo)通過(guò)負(fù) 載，以在輸送至陰極之前做功。 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包括細(xì)分的催化劑顆粒，通常是鉑(Pt)，所述催化劑顆粒支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。 MEA的制造相對(duì)昂貴且需要某些條件以有效操作。 多個(gè)燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過(guò)燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫反應(yīng)氣體。 燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA設(shè)置在兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，且允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)MEA。陰極氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)MEA。 一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，另一個(gè)端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經(jīng)的流動(dòng)通道。 MEA是滲透性的，因而允許來(lái)自于燃料電池堆的陰極側(cè)的空氣中的氮從中滲透并收集在燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)，在行業(yè)中稱為氮?dú)獯┻^(guò)(nitrogen cross-over)。即使陽(yáng)極側(cè)壓力可能高于陰極側(cè)壓力，陰極側(cè)分壓將使得空氣穿過(guò)膜。燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的氮稀釋氫氣，使得如果氮濃度增加超過(guò)某一百分比，例如50%，那么燃料電池堆將變得不穩(wěn)定且可能發(fā)生故障。本領(lǐng)域中已知在燃料電池堆的陽(yáng)極排氣出口處設(shè)置排泄閥以從燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)去除氮。 可以采用算法來(lái)在燃料電池堆操作期間提供陽(yáng)極排氣中的氮濃度的在線估計(jì)，以知道何時(shí)觸發(fā)陽(yáng)極排氣放氣。所述算法可基于從陰極側(cè)至陽(yáng)極側(cè)的滲透速率和陽(yáng)極排氣的周期性放氣來(lái)跟蹤一定時(shí)間內(nèi)燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的氮濃度。當(dāng)算法計(jì)算氮濃度的增加高于預(yù)定閾值(例如10% )時(shí)，可觸發(fā)放氣。放氣通常進(jìn)行一定持續(xù)時(shí)間，所述持續(xù)時(shí)間允許多個(gè)燃料電池堆陽(yáng)極容積被放氣，從而使得氮濃度降低至低于閾值。 —些燃料電池系統(tǒng)采用陽(yáng)極流切換，其中，燃料電池堆分成子堆，且陽(yáng)極反應(yīng)氣體以交替的方向流經(jīng)分離的子堆。在這些類型的設(shè)計(jì)中，可設(shè)置包括用于提供陽(yáng)極排氣放氣的閥的放氣歧管單元(BMU)。由于在陽(yáng)極排氣中存在水，因而，不管采用何種措施來(lái)去除水，BMU很可能在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)有水剩留在其中。如果外部環(huán)境溫度在足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)足夠低，那么該水可能結(jié)冰。在下一次啟動(dòng)時(shí)，在BMU充分解凍之前可能需要陽(yáng)極排氣放氣，其中冰可能堵塞BMU中的流。在某些燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在啟動(dòng)順序期間進(jìn)行連續(xù)陽(yáng)極排氣放氣，因?yàn)槿剂想姵囟褜?duì)該時(shí)間期間收集的氮特別敏感。 對(duì)于分離堆系統(tǒng)，提供陽(yáng)極排氣放氣的典型位置是燃料電池堆流的端部處。因而，兩個(gè)放氣閥用于根據(jù)流動(dòng)方向提供陽(yáng)極放氣。由于BMU通常被設(shè)置用于適應(yīng)于這種形式的放氣，因而通常稱為BMU放氣方法。然而，中心放氣也可以用于從將兩個(gè)子堆結(jié)合的線路中的排泄閥使陽(yáng)極排氣放氣。因?yàn)榕判归y的尺寸較大，中心放氣通常比端部流或BMU放氣效率更低。 放氣的位置是一個(gè)特性，放氣的頻率和持續(xù)時(shí)間是另一個(gè)特性。對(duì)于冰凍的燃料電池堆，放氣閥應(yīng)當(dāng)盡可能地開(kāi)啟以避免任何局部水積聚。這稱為連續(xù)放氣，且可能是低效的放氣方法，因?yàn)樵陉?yáng)極排氣放氣期間也損失氫。因而，一旦系統(tǒng)被加熱，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)返回至正常放氣進(jìn)程。正常放氣方法應(yīng)當(dāng)盡可能不頻繁地提供放氣，以使得系統(tǒng)效率最大化，同時(shí)仍保持良好的燃料電池堆操作。在這種模式，放氣閥在操作期間能夠被關(guān)閉顯著百分比的時(shí)間。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)的教導(dǎo)，公開(kāi)了在燃料電池系統(tǒng)中提供陽(yáng)極排氣放氣的系統(tǒng)和方法。所述燃料電池系統(tǒng)包括第一和第二分離子堆以及放氣歧管單元，所述放氣歧管單元包括第一放氣閥、第二放氣閥、排氣閥、限流裝置和跨過(guò)所述限流裝置的壓力傳感器。所述系統(tǒng)也包括設(shè)置在所述第一分離子堆和所述第二分離子堆之間的連接線路中的排泄閥。控制器控制第一放氣閥、第二放氣閥和排泄閥，以提供從第一和第二子堆的陽(yáng)極側(cè)放氣。 算法確定所述第一或第二放氣閥是否被堵塞(通常被冰堵塞)且確定所述第一或第二分離子堆的溫度是否低于預(yù)定溫度。如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度大于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供正常陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供連續(xù)陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度高于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供正常中心陽(yáng)極側(cè)放氣；以及如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供連續(xù)中心陽(yáng)極側(cè)放氣。 本專利技術(shù)的附加特征將從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求書(shū)結(jié)合附圖顯而易見(jiàn)。附圖說(shuō)明 圖1是采用分離子堆和BMU的燃料電池系統(tǒng)的框圖；禾口 圖2是示出了在BMU故障的情況下提供燃料電池堆陽(yáng)極排氣放氣的過(guò)程的流程圖。具體實(shí)施例方式涉及在BMU故障的情況下在燃料電池系統(tǒng)中提供陽(yáng)極排氣放氣的方法的本專利技術(shù)實(shí)施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的且不打算以任何方式限制本專利技術(shù)或其應(yīng)用或使用。 圖1是燃料電池系統(tǒng)10的框圖，燃料電池系統(tǒng)10包括在陽(yáng)極流切換下操作的分離燃料電池子堆12和14。當(dāng)流處于第一方向時(shí)，噴射器排16將新鮮氫氣噴射到在陽(yáng)極輸入線路24上的子堆12的陽(yáng)極側(cè)。從子堆12輸出的陽(yáng)極氣體被送至連接線路20上的子堆14。當(dāng)流處于相反的方向時(shí)，噴射器排18將新鮮氫氣噴射到在陽(yáng)極輸入線路26上的子堆14的陽(yáng)極側(cè)，新鮮氫氣從子堆14輸出并且被送至線路20上的子堆12。排泄閥22設(shè)置在線路20中且能夠用于中心放氣，如下文更詳細(xì)地討論的那樣。 BMU30設(shè)置在分離子堆12和14的陽(yáng)極輸入端處，且在某些時(shí)間期間基于任何適當(dāng)放氣進(jìn)程來(lái)提供陽(yáng)極排氣放氣以從子堆12和14的陽(yáng)極側(cè)去除氮。BMU30包括連接陽(yáng)極輸入線路24和26的線路32和將線路32連接到系統(tǒng)10排氣(通常是子堆12和14的陰極側(cè)排氣)的排氣線路34。第一放氣閥36設(shè)置在線路32中靠近子堆12，第二放氣閥38設(shè)置在線本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種燃料電池系統(tǒng)，包括：第一分離子堆；第二分離子堆；將所述第一分離子堆連接到所述第二分離子堆的連接線路；設(shè)置在所述連接線路中的排泄閥；連接到所述第一分離子堆的輸入線路的第一放氣閥；連接到所述第二分離子堆的輸入端的第二放氣閥；和用于控制所述第一和第二放氣閥以及所述排泄閥的控制器，以便從所述第一和第二分離子堆提供陽(yáng)極側(cè)放氣，所述控制器確定所述第一或第二放氣閥是否被堵塞且確定所述第一或第二分離子堆的溫度是否低于預(yù)定溫度；如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度大于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供正常陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供連續(xù)陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度高于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供正常中心陽(yáng)極側(cè)放氣；以及如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供連續(xù)中心陽(yáng)極側(cè)放氣。
【技術(shù)特征摘要】
US 2008-10-31 12/262849一種燃料電池系統(tǒng)，包括第一分離子堆；第二分離子堆；將所述第一分離子堆連接到所述第二分離子堆的連接線路；設(shè)置在所述連接線路中的排泄閥；連接到所述第一分離子堆的輸入線路的第一放氣閥；連接到所述第二分離子堆的輸入端的第二放氣閥；和用于控制所述第一和第二放氣閥以及所述排泄閥的控制器，以便從所述第一和第二分離子堆提供陽(yáng)極側(cè)放氣，所述控制器確定所述第一或第二放氣閥是否被堵塞且確定所述第一或第二分離子堆的溫度是否低于預(yù)定溫度；如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度大于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供正常陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一和第二放氣閥未被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器使用所述第一和第二放氣閥提供連續(xù)陽(yáng)極側(cè)放氣；如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度高于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供正常中心陽(yáng)極側(cè)放氣；以及如果所述第一或第二放氣閥被堵塞且所述第一和第二分離子堆的溫度低于所述預(yù)定溫度，所述控制器通過(guò)排泄閥提供連續(xù)中心陽(yáng)極側(cè)放氣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器控制至所述第一和第二分離子堆的 陽(yáng)極流以提供陽(yáng)極流切換，其中，如果所述陽(yáng)極流切換是從所述第二分離堆至所述第一分 離堆，則第一放氣閥被開(kāi)啟以提供陽(yáng)極側(cè)放氣，如果所述流切換是從所述第一分離子堆至 所述第二分離子堆，則第二放氣閥被開(kāi)啟以提供陽(yáng)極側(cè)放氣。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一和第二放氣閥是放氣歧管單元的一部分。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器確定所述第一和第二放氣閥是否被 冰堵塞。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定溫度是約50°C。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在正常陽(yáng)極側(cè)放氣和正常中心放氣期間所述控 制器周期性地執(zhí)行所述第一和第二放氣閥的診斷檢查。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器在診斷檢查期間阻止陽(yáng)極側(cè)放氣。8. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 第一分離子堆； 第二分離子堆；將所述第一分離子堆連接到所述第二分離子堆的連接線路； 設(shè)置在所述連接線路中的排泄閥；設(shè)置在所述第一分離子堆和所述第二分離子堆的輸入端處的放氣歧管單元(BMU)，所 述放氣歧管單元包括第一放氣閥、第二放氣閥和排氣閥；禾口用于控制所述第一和第二放氣閥以及所述排泄閥的控制器，以便從所...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：BJ克林格曼，P弗羅斯特，AB阿爾普，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]
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