[发明专利]用于降低燃料电池系统中排气氢浓度的装置及方法

说明书

本申请提供一种用于降低燃料电池系统中的排气氢浓度的装置和方法。该装置包括：第一空气截止阀(ACV)，阻断供应到阴极的外部空气；第二空气截止阀(ACV)，阻挡从阴极排放的排气氢；以及空气吸气阀(ASV)，以连接阴极与空气压缩机的进气口的第一模式和阻断阴极与空气压缩机的进气口之间的连接的第二模式操作。该装置进一步包括控制器，当将氢供应到阳极时，在打开第一ACV且关闭第二ACV的状态下，使ASV以第一模式操作以储存阴极中的空气，并且当将外部空气供应到阴极时，在保持第一ACV的打开状态且打开第二ACV的状态下，使ASV以第二模式操作以通过排气管线排放外部空气。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年11月25日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2019-0152535的韩国专利申请的优先权的权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于降低从燃料电池堆的阴极(cathode)通过排气管线排放的氢(排气氢，exhaust hydrogen)的浓度的技术。

背景技术

燃料电池系统是一种发电系统，其在燃料电池堆中将燃料所具有的化学能直接转换成电能，而不是通过燃烧将化学能转换为热能。

燃料电池系统主要包括：燃料电池堆，产生电能；氢供应器，将作为燃料的氢供应给燃料电池堆；空气供应器，将作为电化学反应所需的氧化剂的空气(氧)供应给燃料电池堆；热/水管理系统(thermal management system，TMS)，将燃料电池堆的反应热排放到系统外部并控制燃料电池堆的工作温度以执行水管理功能；以及燃料电池系统控制器，控制燃料电池系统的整体操作。

通过这种构造，燃料电池系统通过使作为燃料的氢与空气中的氧反应来产生电能，并且排放作为反应副产物的热和水。

用于车辆的最受关注的燃料电池类型是离子交换膜燃料电池(PEMFC)(质子交换膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池)，其具有燃料电池中最高的电力密度，并且由于低的工作温度而具有快速的启动时间和快速的电力转换反应时间。

安装在离子交换膜燃料电池中的燃料电池堆包括膜电极组件(membraneelectrode assembly，MEA)，该膜电极组件包括氢离子在其中移动的聚合物电解质膜和附接到该聚合物电解质膜的相对侧并发生电化学反应的催化剂层。燃料电池堆还包括：气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)，用于均匀地分配反应气体并传递所产生的电能；以及垫片和紧固件，保持反应气体和冷却水的气密性和适当的紧固压力。燃料电池堆还包括分离板(bipolar plate)，用于使反应气体和冷却水移动，并通过供应氢和氧的燃料电池反应产生电流。

燃料电池系统应将废气中包含的氢气浓度保持在特定参考值以下，以最小化由于废气中包含的氢气引起的爆炸或起火风险。

然而，通过燃料电池系统的氢净化阀排放的氢气和由于渗透(crossover)现象在阴极中的氢气可以通过排气管线排放。渗透现象是指由于燃料电池堆中的阳极(anode)与阴极(cathode)之间的气体浓度差而导致的阳极的氢气扩散到阴极的现象。

根据当前在世界范围内适用的全球技术法规(Global Technical Regulation,GTR)，从燃料电池系统排放的氢气的允许浓度应小于8％，并且3秒钟测定的平均浓度不应超过4％。

因此，利用氢作为燃料的燃料电池车辆应在所有工作条件下始终排放氢浓度低于一定水平的废气。

在本背景技术中公开的以上信息仅用于增强对本公开背景的理解，因此，可能包含不构成本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

提出本公开以解决现有技术中出现的上述问题，同时完好地保持现有技术所实现的优点。