[发明专利]用于从燃料电池阳极排出非燃料材料的系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池。更具体地，本发明涉及一种用于使氢燃料电池排气并确定何时必需排气和何时完成排气的系统。

背景技术

由于通过燃料电池电解液的气体的有限扩散率，从大气提供氧气的燃料电池系统将空气中的非活性成分(主要为氮气和一些水蒸汽或冷凝水)积聚于燃料流中。由于燃料浓度的降低，惰性气体的积聚最终降低燃料电池的输出电压。因此，连续的运作要求燃料室的定期排气。另外，燃料电池系统通常采用当内压或真空达到不安全水平时允许气体排出的安全阀，从而防止装置遭到破坏和/或用户遭到危险。用于解决这些问题的两类方法包括有源和无源排气阀。在有源排气系统中，为了在必要时使燃料或者积聚的氮气能排出，在燃料气流路径的出口采用电控阀或机械控制阀。在更小的微型燃料电池系统中，当需要最小尺寸和重量时通常使用微型阀，诸如可从派克汉尼汾(ParkerHannefin)公司购买的X-阀。这些有源阀遭受包括高成本和高功耗的许多问题。另外，作为安全排气阀它们是不可靠的，因为它们需要适当的外部控制才能正常工作。无源排气阀系统允许在特定压力下释放气压或真空。积聚的非活性气体可通过将系统的操作压力增大至高于阀的排气压力，从而允许气体排出来排放。这些阀倾向于比有源阀便宜并且不需要外部控制，从而使之更加可靠。这些无源阀包括像从智能产品(SmartProduct)公司购买的提升阀和从阀耐(Vernay)公司购买的鸭嘴阀。然而，基于无源阀的排气系统需要对排气阀的压力上游良好控制，从而避免燃料流失以及过度排气。在例如诸多氢燃料电池系统中，根据需求诸如使用二元化学反应产生氢气。这些系统的响应时间通常以延迟时间和长时间常数为特征是由于化学氢反应系统的有限热质量和质量传递限制。这些限制使得频繁快速的压力变化不可能，因此基于无源排气阀的排气不可行。

另外，当前的排气方法不允许检测何时所有积聚的非燃料气体已从系统排出。为了补偿这种不定性，具有无源排气阀的系统或者需要排出多余的燃料从而产生安全危害和/或浪费燃料，或者冒不成功排气的风险，从而导致系统功率输出降低和/或性能不稳定。

因此，需要为燃料电池开发最小化系统复杂度、同时保持高燃料利用率的简单、低成本和有效的排气系统。

发明内容

本发明提供一种燃料电池排气系统。该排气系统包括至少一个燃料电池、燃料供应源和可调节的燃料电池电流负载。该排气系统还包括至少一个设置成排出燃料电池中积聚的非燃料物质的无源排气阀，其中该无源排气阀根据无源排气阀和排气管理模块上的压力差工作，其中排气管理模块包括排气请求模块和排气完成模块。排气请求模块确定何时要增大燃料的压力以启动排气，而排气完成模块确定何时要减小氢气燃料的压力以完成排气。

在本发明的一个方面中，燃料电池可包括氢燃料电池、丙烷燃料电池、丁烷燃料电池或甲烷燃料电池。

在本发明的另一方面中，至少一个燃料电池可以是单个燃料电池、燃料电池堆、燃料电池阵列或其任意组合。

在本发明的又一方面中，非燃料物质可包括非燃料气体或者冷凝水。

根据本发明的另一方面，当不排气时，可调节的燃料电池负载被调节为将无源排气阀的上游压力保持为低于无源排气阀的开启压力，而在排气期间，可调节的燃料电池负载被调节为将无源排气阀的上游压力增大至高于开启压力。

在另一个方面中，可调节的燃料电池负载包括附连至电池的电池充电电路，其中电池的充电电流可以调节。

在又一个方面中，无源排气阀可包括无源双向阀或无源单向阀。在此，双向阀可包括圆顶阀。

根据一个方面，无源排气阀的开启压力低至1PSI。

在本发明的再一个方面中，无源排气阀被置于其中燃料串联连接的至少两个燃料电池的远端，其中燃料源被置于此阵列的近端。

根据一个方面，通过感测何时任一燃料电池的电压降至低于预定阈值，排气请求模块确定何时需要排放非燃料物质。在此，通过感测何时离无源排气阀最近的燃料电池的电压降到低于预定阈值时，排气请求模块可确定何时需要排放非燃料物质。

在本发明的另一个方面中，通过感测何时排放气体主要是燃料气体，排气完成模块确定何时非燃料材料已从至少一个燃料电池中排出。

在本发明的又一个方面中，从无源排气阀排出的非燃料物质被引导通过燃料电池阵列中的一个燃料电池的阴极，其中通过感测何时该一个燃料电池的电压降至低于阈值，排气请求模块确定何时非燃料物质已被排出。