燃料电池阴极辅助设备冻结策略的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种用于为燃料电池堆的阴极子系统选择性地提供冻结策略的系统和方法，且更具体地，涉及一种用于选择性地提供防止阴极子系统的辅助设备中的组件冻结的冻结策略的系统和方法。
【背景技术】
[0002]因为氢是清洁的并且能够用于在燃料电池中高效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极且电解质设置在它们之间的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离，从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，从而产生水。来自一个或多个端电池的阳极的电子不能穿过电解质，因此被引导穿过负载以在被发送到阴极之前执行工作。
[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化颗粒，通常为支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA在制造方面相对昂贵，并需要用于有效操作的特定条件。
[0004]若干个燃料电池通常在燃料电池堆中组合，以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机强迫通过堆的空气流。并非全部氧都被堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，阴极废气可包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应气体。堆还包括冷却流体流经的流道。
[0005]燃料电池堆包括设置在堆中的若干个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置在双极板的阳极侧，从而允许阳极反应气体流到MEA的相应侧。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧，从而允许阴极反应气体流到MEA的相应侧。一个端板包括阳极气体流道，另一端板包括阴极气体流道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池产生的电传导到堆的外部。双极板还包括冷却流体流经的流道。
[0006]如在本领域中很好理解的，燃料电池膜以受控的水化水平操作，从而跨膜的离子阻力足够地低，以有效地传导质子。来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度(RH)通常受到控制，从而通过控制若干个堆操作参数例如堆压力、温度、阴极化学计量和进入堆的阴极空气的相对湿度来控制膜的水化水平。在本领域中已知的是，从阴极排气流回收水并使其经过阴极进口空气流返回到堆。许多设备可以用于执行此功能，例如水蒸气输送(WVT)单元。通过保持用于阴极出口相对湿度的特定设定点，例如80%，可以保持适当的堆膜水化水平。
[0007]在本领域中已知的是，在燃料电池堆中提供膜的高频电阻(HFR)测量，从而在燃料电池堆中提供水或膜水化的精确测量。HFR测量系统在堆的电负载上提供高频组件，其操作以在堆的电流输出上产生高频纹波。测量高频组件的电阻，其是堆膜中的水的量的函数。
[0008]在燃料电池系统停用时，期望的是膜具有特定水化水平，从而它们不是太湿或太干。这通常通过用干燥空气将堆的阴极侧吹扫特定时间段来实现。在一种已知技术中，通过使空气从阴极侧强迫穿过膜来进行阳极侧的吹扫。堆中的过多的水会产生低温环境的问题，其中，水的冻结会产生阻挡流道并影响系统重新启动的冰。然而，太长的吹扫会使膜变得太干，此时膜将在下一次系统重新启动时具有过低的质子传导性，这影响重新启动性能以及减小系统的耐用性。堆中的水的实际目标克量将根据系统和特定系统参数而改变。
[0009]对于具有三百个燃料电池且有效面积接近400cm2每电池的燃料电池堆，当系统停用时，堆可以具有大约200克水。期望的是，此尺寸的堆在系统停用之后具有大约23克水，使得膜被适当地水化。23克水是堆的λ即3，其中，λ表示在用于每个燃料电池的膜中限定为对于每个硫酸分子的水分子数的膜水化。通过在系统停用时知道多少水实际地在燃料电池堆中，可以提供期望的空气吹扫流率和空气吹扫持续时间，从而可以实现λ的目标值，例如λ=3。可以采用模型以基于在燃料电池系统的操作期间堆操作参数来估计堆中的水的量。
[0010]如果燃料电池堆从最后的系统停用在其中具有过多的水，则在长的启动过程中产生的水会阻挡气体流道。通常，堆在启动时越冷，将堆充分地加热所耗的时间越长，并且在启动过程中产生的水将越可能地阻挡气体流道。因此，在非常冷的启动温度例如在_15°C以下时，燃料电池堆受热至0°C所耗的时间更长。因此，停用过程对于燃料电池堆的成功的重新启动变得非常关键，尤其当燃料电池堆温度为_15°C或更冷时。
[0011]除了防止过多的水在燃料电池堆中冻结之外，还期望的是防止过多的水在阴极子系统的辅助设备的关键区域中冻结。辅助设备是指除了燃料电池堆的阴极侧之外的阴极子系统的部件。因此，在本领域中需要提供低成本阴极子系统和操作方法以使阴极子系统在-40°C的环境温度下可靠地操作。
【发明内容】
[0012]根据本发明的教导，公开了用于燃料电池系统中的阴极子系统的系统，其包括燃料电池堆、向燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线以及将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线。还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出。所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
[0013]本发明还提供如下方案:
1、一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括:
燃料电池堆；
向所述燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；以及
在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出，所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
[0014]2、根据方案I所述的系统，其特征在于，还包括被编程为确定所述背压阀的温度并估计所述背压阀附近的液态水的控制器，所述控制器在所述温度和所述背压阀附近的液态水达到预定门限值时执行冻结吹扫策略。
[0015]3、根据方案I所述的系统，其特征在于，还包括使用旁通阀将阴极进口空气选择性地引导至所述阴极排气线的旁通线，所述旁通阀在所述旁通线中位于所述阴极进口线附近，所述旁通线包括位于所述旁通阀的下游的至少一个转弯，所述至少一个转弯防止所述阴极排气线中的水回溅到所述旁通阀。
[0016]4、根据方案I所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极进口线中的增压空气冷却器和水蒸气输送单元，其中，所述增压空气冷却器位于所述阴极进口线中并供给到所述阴极进口线中的所述水蒸气输送单元中，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进口空气的压力。
[0017]5、根据方案4所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述水蒸气输送单元下方的泄放装置，所述泄放装置包括集槽，所述集槽通过孔将来自所述水蒸气输送单元的液态水泄放到所述阴极排气线中。
[0018]6、根据方案I所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述孔上方的位于所述泄放装置中的筛网，其中，所述泄放装置的包括所述孔和所述筛网的部分延伸到所述阴极排气线中，从而来自所述阴极排气线的热能够使可能在所述泄放装置的所述孔处累积的冰融化。
[0019]7、根据方案6所述的系统，其特征在于，所述泄放装置的在所述筛网和所述孔附近的部分由导热材料制成。
[0020]8、根据方案I所述的系统，其特征在于，所述背压阀是位于所述阴极排气线的山丘形区域中的倒置P型阀。
[0021]9、一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括:
燃料电池堆；
将阴极进口空气提供到所述燃料电池堆的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；
将来自所述阴极废气的湿度传递到所述阴极进口空气的水蒸气输送单元；以及位于所述阴极进口线中并供给到所述水蒸气输送单元中的增压空气冷却器，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进