專利名稱：寒冷條件下精準測量壓力的燃料電池模塊設計的制作方法
技術領域：
0001本發明涉及燃料電池系統，更具體地，涉及包含燃料電池堆和壓
力傳感器的燃料電池系統，其中提供了在其中設有流量限制裝置的旁路管道，以使流體在燃料電池堆的周圍旁路通過，從而抑制了濕氣在與壓力傳感器流體連通的管道中的積聚。
背景技術：
0002燃料電池組件將燃料和氧化劑轉化為電。一種類型的燃料電池組件使用質子交換膜(下文稱作"PRM")來使燃料(例如氫)和氧化劑(例如空氣或氧)的催化反應更便利以生成電。PEM是一種固體聚合物電解質
更便利地從陽極到"極轉;。
0003在一種典型的燃料電池組件中，單獨的燃料電池板包括溝渠，各種反應物、冷卻流體和由反應物在該組件工作期間所形成的副產品水流經該溝渠。當燃料電池組件比周圍環境更暖時，燃料電池組件中的水蒸氣可凝結。在零度以下的環境溫度下，凝結物可在燃料電池組件中形成冰。凝結物和冰的存在可影響燃料電池組件的性能，
0004在燃料電池組件工作期間，來自燃料電池反應的廢熱加熱了該組件并抑制了在該組件中蒸汽的凝結和冰的形成。然而，凝結物可流經該系統并在遍及燃料電池系統的管道中積聚，例如在燃料電池系統中與壓力傳感器流體連通的管道。凝結物對與壓力傳感器流體連通的管道的阻塞可導致傳感器獲得錯誤的壓力讀數，這會引起燃料電池中的低的反應物壓力。低的反應物壓力可導致生產所期望的電輸出所需要的反應物的供應不足。可替代地，傳感器的錯誤壓力讀數可引起高的反應物壓力。當燃料電池在零度以下的溫度下工作時，壓力傳感器也容易受到錯誤讀數的影響，當凍結的凝結物阻塞了反應物流動路徑和傳感器之間的連通時，凍結的凝結物可導致錯誤的讀數。
0005期望開發一種燃料電池系統，它能抑制在與壓力傳感器流體連通的管道中凝結物或冰的積聚，而不影響流經燃料電池系統的燃料電池堆的反應物的化學計量或壓力。
發明內容
0006根據本發明，驚人地發明了一種燃料電池系統，它可抑制凝結物或冰在與壓力傳感器流體連通的管道中的積聚，而不影響流經燃料電池系統的燃料電池堆的反應物的化學計量或壓力。
0007在一個實施例中，燃料電池系統包括第一燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使氧化劑從氧化劑源經所迷第 一燃料電池堆的陰極入口流向陰極出口 ，使燃料從燃料源經所述第一燃料電池堆的陽極入口流向陽極出口；笫一旁路，與燃料源和陽極出口流體連通；第二旁路，與氧化劑源和陰極出口流體連通；第一壓力傳感器，與所述第一旁路流體連通，并適于測量流經其的燃料的壓力；以及笫二壓力傳感器，與所述第二旁路流體連通，并適于測量流經其的氧化劑的壓力。
0008在另一個實施例中，燃料電池系統包括第一燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使氧化劑從氧化劑源經所迷第 一燃料電池堆的陰極入口流向陰極出口 ，使燃料從燃料源經所述第一燃料電池堆的陽極入口流向陽極出口；第二燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使燃料從所述笫一燃料電池堆的陽極出口流向所述第二燃料電池堆的陽極入口，使氧化劑從氧化劑源流向所迷第二燃料電池堆的陰極入口；第一旁路，與燃料源、所述第一燃料電池堆的陽極出口以及所述第二燃料電池堆的陽極入口流體連通；第二旁路，與氧化劑源以及所述第一燃料電池堆和所述第二燃料電池堆的陰極出口流體連通；笫一壓力傳感器，與所述笫一旁路流體連通，并適于測量流經其的燃料的壓力，其中使一部分燃料經過所述第一壓力傳感器流經所述第一旁路，以及其中流經所述第一旁路的燃料抑制了濕氣在所述第一旁路中的積聚；以及第二壓力傳感器，與所述第二旁路流體連通，并適于測量流經其的氧化劑的壓力，其中使一部分氧化劑經過所述第二壓力傳感器流經所迷第二旁路，以及其中流經所述第二旁路的氧化劑抑制了濕氣在所述笫二旁路中的積聚，
0009在另一個實施例中，操作燃料電池系統的方法包括以下步驟提供第一燃料電池堆，該堆至少包含與氧化劑源流體連通的陰極入口、陰極出口、與燃料源流體連通的陽極入口以及陽極出口；提供與燃料源流體連
通的第一旁路；提供與氧化劑源流體連通的笫二旁路；提供第一壓力傳感器，其適于測量從燃料源流經笫一旁路的燃料的壓力，提供第二壓力傳感
器，其適于測量從氧化劑源流經第二旁路的氧化劑的壓力；使一部分燃料經過第一壓力傳感器流經第一旁路，其中流經笫一旁路的燃料抑制了濕氣在笫一旁路中的積聚；以及使一部分氧化劑經過第二壓力傳感器流經笫二旁路，其中流經第二旁路的氧化劑抑制了濕氣在第二旁路中的積聚.
0010從下面對優選實施例的詳細描述并根據附圖考慮時，本發明的上述優點及其它優點對本領域技術人員而言將變得顯而易見，在附圖中
0011圖l是根據本發明的一個實施例的燃料電池系統的示意性流程圖；以及
0012圖2是根據本發明的另一個實施例的燃料電池系統的示意性流程圖。
具體實施例方式
0013下文的具體實施方式
和附圖描述和闡明了本發明的多種示例性實施例，該描述和附圖用于使本領域技術人員能夠制造和使用本發明，但并非用于以任何方式限制本發明的范圍。關于所公開的方法，所介紹的步驟實質上為示例性的，因此各步驟的順序不是必須或者關鍵的。
0014圖l示出了根據本發明的一個實施例的燃料電池系統IO,典型的燃料電池系統可包括若干系統構件，其包括增濕器、壓縮機、排氣系統和熱交換器。在序列號為ll/684， 906的共有的美國專利申請中公開了這樣的燃料電池系統，在本文中以參見的方式引入其全部內容，燃料電池系統IO包括多個與燃料電池堆14流體連通的壓力傳感器12和12，、第一旁路16以及第二旁路17.
0015在圖l所示的實施例中，壓力傳感器12適于測量流自燃料電池堆14的陰極側的氧化劑的壓力，而壓力傳感器12，適于測量流自燃料電池堆14的陽極側的燃料的壓力。壓力傳感器12，與第一旁路16流體連通，第一旁路16與燃料源28流體連通。壓力傳感器12與第二旁路17流體連通，第二旁路17與增濕器18流體連通。增濕器18進一步與氧化劑源26流體連通。壓力傳感器12和12，都與控制器13電通信。控制器13適于向計算機或者操作者提供表示傳感器12、 12，的壓力測量值的信號或數據，使得可以調節流體流量以維持燃料電池堆14的最佳工作狀態。控制器13可以是任何適于接收由壓力傳感器12、12，所產生的信號的裝置，例如，諸如可編程邏輯控制器(PLC)。應當理解，氧化劑可以是任何含氧的流體，例如，諸如空氣.燃料可以是任何燃料，例如，諸如氫.
0016增濕器18是一種水蒸氣轉移單元，適于在氧化劑進入燃料電池堆14之前增濕氧化劑。水蒸氣轉移單元包括干燥側和濕潤側，它們由水蒸氣可透過的膜(未示出)等隔開。干燥倒具有入口lga和出口18b，濕潤倒具有入口18c和出口18d。入口18a與壓縮機24流體連通。出口18b與燃料電池堆14的陰極入口14a流體連通。入口18c與燃料電池堆14的陰極出口14b以及笫二旁路17流體連通。出口18d與排氣系統30流體連通。
0017壓縮機24包括入口24a和出口24b。壓縮機24的入口 24a與氧化劑源26流體連通，壓縮機24的出口24b與增濕器18的入口18a以及第二旁路17流體連通。氧化劑源26通常為空氣源。應當理解，氧化劑源26根據需要可以是，例如，氧存儲箱或者大氣。壓縮機24可以是任何傳統的壓縮機，例如，i者如離心式空氣壓縮機、渦輪機組、離心式壓縮機、混流式壓縮機、送風機和排風機。
0018燃料電池堆14包括一堆燃料電池。應當理解，燃料電池堆14中燃料電池的數量可以變化。燃料電池堆14中的每個燃料電池都具有由導電雙極板隔開的膜電極組件(MEA) 。 MEA和雙極板在夾板或端面板和端面接觸元件之間堆疊在一起.端面接觸元件和雙極板包含多個槽或溝渠，用于將燃料氣體和氧化劑氣體分配到MEA中。
0019燃料電池堆14包括陰極入口14a、陰極出口14b、陽極入口14c和陽極出口14d。陰極入口14a與增濕器18的出口18b流體連通。陰極出口14b與增濕器18的入口 18c以及第二旁路17流體連通，陽極入口 14c與燃料源28流體連通，陽極出口14d與排氣系統30以及第一旁路16流體連通，燃料電池堆14中的入口和出口的數量可以基于使用時的燃料電池堆14的尺寸、所需的來自燃料電池堆14的輸出能量的量以及其它設計考慮而變化。應當理解，燃料源28可以是，例如氫存儲箱或其他系統構件。也應當理解，陽極出口14d可以根據需要與大氣、另一個燃料電池堆(未示出)或者其它系統構件流體連通。
0020第一旁路16是向壓力傳感器12，、排氣系統30提供來自燃料源28的、所需量的流體流的管道，從而繞過了燃料電池堆14。第一旁路16可包括流量限制裝置32，適于限制經過其的流體的流量。應當理解，流量限制裝置32可以是任何適于限制流體流量的裝置，例如，諸如孔帽、孔樁(orifice spud )。
0021第二旁路17是向壓力傳感器12、增濕器18的入口18c提供來自壓 縮機24的出口24b的、所需量的流體流的管道，從而繞過了增濕器18和燃 料電池堆14中的增濕作用。第二旁路17可包括流量限制裝置34，適于限制 經過其的流體的流量。應當理解，流量限制裝置34可以是任何適于限制流 體流量的裝置，例如，諸如孔帽、孔樁。
0022使用時，使氫氣從燃料源28經管道36流向燃料電池堆14的陽極入 口14c。使來自燃料源28的氫氣的一部分經第一旁路16流向壓力傳感器12，, 并隨后流向排氣系統30。經旁路16流向壓力傳感器12，的氫的濕度被最小 化，這是因為繞過了當氫流經燃料電池堆14時在其中所形成的產物水對氫 的增濕作用.由壓力傳感器12，所測量的壓力基本等于來自燃料電池堆14 的陽極出口14d的流體的壓力，這是因為經過第一旁路16的氫氣流是與經 過燃料電池堆14的主氫氣流平行的流體流，其中主氫氣流始于陽極入口 14c并終于陽極出口14d。設置在第一旁路16中的流量限制裝置32對流經其 的氫氣的流量引入了限制，從而導致了壓力降。優化流量限制裝置32的尺 寸以使流經第一旁路16的氫氣的流量最小化，從而確保流經第一旁路16的 氫氣的量不會顯著地減少流經燃料電池堆14的反應物的化學計量。由于第 一旁路16的一部分設置在壓力傳感器12，和與排氣系統30流體連通的管道 36之間，因此流量限制裝置32的尺寸被優化以解決在壓力傳感器12，之后 的第一旁路16的那部分管道中的壓力降，從而使壓力傳感器12，的壓力測量 的精確度最大化。
0023流經燃料電池堆14的陽極出口14d的氫可包含由燃料電池堆14中 的反應所生成的產物水.因此，水可在旁路管道16的接合點16a處積聚并 經管道36從陽極出口14d流向排氣系統30。在接合點16a處的濕氣積聚可阻 塞干燥流體經旁路16的流動.然而，流經笫一旁路16的氫氣，通過產生經 過第一旁路16的連續流體流動，來抑制濕氣在第一旁路16中的積聚。干燥 流體的連續流動抑制了已增濕流體的流入。由于在流體不流經第一旁路16 時，例如在關閉了燃料電池組件10時，濕氣可積聚在接合點16a處，因此 當再次使流體流經第一旁路16時，流經旁路管道16的流體將使濕氣蒸發， 從而抑制了濕氣在其中的積聚。
0024在氫氣流經燃料電池組件10的同時，也使空氣從氧化劑源26經管 道36流向壓縮機24的入口 24a。在壓縮機24中，空氣的體積被減小，從而增大了空氣的壓力。來自壓縮機24的出口24b的一部分空氣流向增濕器18 的第一入口18a并經過增濕器18的干燥側以進行增濕。在增濕器18中，使 比流經干燥側的空氣含有更高濕氣含量的空氣流經濕潤側，水蒸氣經過膜 轉移到流經干燥側的空氣中.使濕潤側的空氣流經增濕器18的第二出口 18d并流向排氣系統30。使干燥側的空氣經第一出口18b流向燃料電池堆14 的陰極入口14a。
0025使來自壓縮機24的出口24b的另一部分空氣經第二旁路17流向壓 力傳感器12并隨后流向增濕器18的第二入口 18c。經第二旁路17流向壓力 傳感器12的空氣的濕度被最小化，這是因為繞過了增濕器18，從而繞過了 增濕器18中對空氣的增濕作用。由壓力傳感器12所測量的壓力基本等于來 自燃料電池堆14的陰極出口14b的流體的壓力，這是因為經過第二旁路17 的空氣流是與經過燃料電池堆14的主空氣流平行的流體流，其中主空氣流 始于陰極入口14a并終于陰極出口14b。設置在第二旁路17中的流量限制裝 置34對流經其的空氣的流量引入了限制，從而導致了壓力降。優化流量限 制裝置34的尺寸以使流經第二旁路17的空氣的流量最小化，從而確保流經 第二旁路17的空氣的量不會顯著地減少流經燃料電池堆14的反應物的化 學計量。由于第二旁路17的一部分設置在壓力傳感器12和管道36之間，因 此流量限制裝置34的尺寸被優化以解決在壓力傳感器12之后的第二旁路 17的那部分管道中的壓力降，從而使壓力傳感器12的壓力測量的精確度最 大化。
0026流經燃料電池堆14的陰極側的空氣在進入燃料電池堆14之前在 增濕器18中被增濕。從燃料電池堆14的陰極出口14b排出的空氣可包含由 燃料電池堆14中的反應所生成的產物水。因此，水可在旁路管道17的接合 點17a處積聚并經管道36流向增濕器18的濕潤側。在接合點17a處的濕氣積 聚可阻塞干燥流體經第二旁路17的流動。然而，流經第二旁路17的空氣， 通過產生經過第二旁路17的連續空氣流動，抑制了濕氣在第二旁路17中的 積聚。干燥流體的連續流動抑制了已增濕流體的流入。由于在干燥流體不 流經第二旁路17時，例如在關閉了燃料電池組件10時，濕氣可積聚在接合 點17a處，因此當再次使流體流經第二旁路17時，流經第二旁路管道17的 流體將使濕氣蒸發，從而抑制了濕氣在其中的積聚。
0027將壓力傳感器12的壓力測量值和壓力傳感器12，的壓力測量值電 傳遞給控制器13。控制器13將來自傳感器12和12，的壓力測量值進行比較并將表示壓力測量值的信號或數據提供給計算機或者操作者，使得可以調
節反應物流體的流量以維持燃料電池堆14中反應物的化學計量以及維持 燃料電池堆14的最佳工作狀態.
0028在燃料電池堆14中，空氣中的氧與氫發生電化學反應以生成電 力，從而驅動車輛或者本領域中已知的其它系統。使未反應的氫流出燃料 電池堆14，經過陽極出口14d并流向排氣系統30。使未反應的氧經陰極出 口14b流到大氣中。
0029圖2示出了根據本發明的另一個實施例的燃料電池系統110。燃料 電池系統110包括與燃料電池堆114流體連通的壓力傳感器112、第二燃料 電池堆115、第一旁路116以及第二旁路117。
0030在圖2所示的實施例中，壓力傳感器112適于測量流自燃料電池堆 114的陰極側的氧化劑的壓力，而壓力傳感器112，適于測量流自燃料電池 堆114的陽極側的燃料的壓力。壓力傳感器112，與第一旁路116流體連通， 笫一旁路116與燃料源128以及第一燃料電池堆114的陽極出口11化流體連 通。壓力傳感器112與第二旁路117流體連通，第二旁路117與壓縮機124以 及增濕器118流體連通，壓力傳感器112和112，都與控制器113電通信。控 制器113適于向計算機或者操作者提供表示傳感器112、 112，的壓力測量值 的信號或數據，使得可以調節流體流量以維持燃料電池堆1H、 115的最佳 工作狀態。控制器113可以是任何適于接收由壓力傳感器112、 112，所產生 的信號的裝置，例如，諸如PLC。應當理解，氧化劑可以是任何含氧的流 體，例如，諸如空氣。燃料可以是任何燃料，例如，諸如氫。
0031增濕器118是一種水蒸氣轉移單元，適于在氧化劑進入第一燃料 電池堆114之前增濕氧化劑。水蒸氣轉移單元包括干燥側和濕潤側，它們 由水蒸氣可透過的膜(未示出)等隔開。干燥側具有入口118a和出口118b， 濕潤側具有入口118c和出口118d。入口 118a與壓縮機12々流體連通。出口 118b與第一燃料電池堆114的陰極入口 114a以及第二燃料電池堆115的陰 極入口115a流體連通。入口118c與旁路管道117、第一燃料電池堆114的陰 極出口114b以及第二燃料電池堆115的陰極出口115b流體連通。出口118d 與排氣系統130流體連通。
0032壓縮機124包括入口 124a和出口 124b。壓縮機124的入口 124a與 氧化劑源126流體連通，壓縮機124的出口124b與增濕器118的入口118a以 及第二旁路117流體連通。氧化劑源126通常為空氣源。應當理解，氧化劑源126根據需要可以是，例如，氧存儲箱或者大氣。壓縮機124可以是用于 壓縮流體的任何傳統設備，例如，諸如離心式空氣壓縮機、渦輪機組、離 心式壓縮機、混流式壓縮機、送風機和糸夂風機，
0033燃料電池堆114、 115，每個都包括一堆燃料電池，如本文中前面 所討論的。應當理解，燃料電池堆114、 115中燃料電池的數量可以變化。 燃料電池堆114、 115中的每個燃料電池都具有由導電雙極板(未示出)隔 開的膜電極組件MEA (未示出)。MEA和雙極板在夾板或端面板(未示出) 和端面接觸元件(未示出)之間堆疊在一起，端面接觸元件和雙極板包含 多個槽或溝渠，用于分配燃料和氧化劑。
0034第一燃料電池堆1H包括陰極入口11"、陰極出口1141)、陽極入 口 114c和陽極出口 114d。陰極入口 114a與增濕器118的出口 118b流體連通。 陰極出口114b與增濕器118的入口118c以及壓力傳感器112流體連通。陽極 入口114c與氫源128以及第一旁路116流體連通，陽極出口114d與第二燃料 電池堆115的陽極入口 115c以及壓力傳感器112，流體連通。第一燃料電池 堆114中的入口和出口的數量可以基于使用時的該堆的尺寸、所需的來自 該堆的輸出能量的量以及其它設計考慮而變化。應當理解，氫源128按照 需要可以是，例如燃料箱或其他系統構件。
0035第二燃料電池堆115包括陰極入口115a、陰極出口115b、陽極入 口 115c和陽極出口 115d。陰極入口 115a與增濕器118的出口 118b流體連通。 陰極出口 115b與增濕器118的入口 118c流體連通。陽極入口 115c與第一燃 料電池堆114的陽極出口114d以及第一旁路116流體連通。陽極出口115d與 排氣系統130流體連通。第二燃料電池堆115中的入口和出口的數量可以基 于使用時的該堆的尺寸、所需的來自該堆的輸出能量的量以及其它設計考 慮而變化。應當理解，陽極出口115d根據需要可以與大氣、另一個燃料電 池堆(未示出)或者其它系統構件流體連通，
0036第一旁路116是向壓力傳感器112，提供來自氫源128的、所需量的 流體流的管道，從而繞過了第一燃料電池堆114。第一旁路116可包括流量 限制裝置132,適于限制經過其的流體的流量。應當理解，流量限制裝置 132根據需要可以是任何適于限制流體流量的裝置，例如，諸如孔樁。
0037第二旁路117是向壓力傳感器112提供來自壓縮機124的、所需量 的流體流的管道，從而繞過了增濕器118和燃料電池堆1"、 U5中的增濕 作用。第二旁路117可包括流量限制裝置134，適于限制經過其的流體的流量.應當理解，流量限制裝置134按照需要可以是任何適于限制流體流量 的裝置，例如，諸如孔樁。
0038使用時，使氫氣從氫源128經管道136流向第一燃料電池堆114的 陽極入口114c。使來自燃料源128的氫氣的一部分經第一旁路116流向壓力 傳感器112，，并流向第二燃料電池堆115的陽極入口115c'經旁路116流向 壓力傳感器112，的氫的濕度被最小化，這是因為繞過了當氫流經第一燃料 電池堆114時在其中所形成的產物水對氫的增濕作用。由壓力傳感器112， 所測量的壓力基本等于來自第一燃料電池堆114的陽極出口114d的流體的 壓力，這是因為經過第一旁路116的氫氣流是與經過第一燃料電池堆114的 主氫氣流平行的流體流，其中主氫氣流始于陽極入口114c并終于陽極出口 114d。設置在第一旁路116中的流量限制裝置132對流經其的氫氣的流量引 入了限制，從而導致了壓力降。優化流量限制裝置132的尺寸以使流經第 一旁路116的氬氣的流量最小化，從而確保流經第一旁路116的氫氣的量不 會顯著地減少流經第一燃料電池堆114的反應物的化學計量。由于第一旁 路116的一部分設置在壓力傳感器112，和管道136之間，因此流量限制裝置 132的尺寸被優化以解決在壓力傳感器112，之后的第一旁路116的那部分 管道中的壓力降，從而使壓力傳感器112，的壓力測量的精確度最大化。
0039流經第一燃料電池堆114的陽極出口114d的氫可包含由第一燃料 電池堆114中的反應所生成的產物水。因此，水可在旁路管道116的接合點 116a處積聚并經管道136從陽極出口114d流向排氣系統130。在接合點116a 處的濕氣積聚可阻塞干燥流體經旁路116的流動。然而，流經第一旁路116 的氫氣，通過產生經過第一旁路116的連續流體流動，來抑制濕氣在第一 旁路116中的積聚。干燥流體的連續流動抑制了已增濕流體的流入。由于 在干燥流體不流經第一旁路116時，例如在關閉了燃料電池組件110時，濕 氣可積聚在接合點116a處，因此當再次使流體流經旁路管道116時，流經 旁路管道116的流體將使濕氣蒸發，從而抑制了濕氣在其中的積聚。
0040在氬氣流經第一燃料電池堆114的同時，也使空氣從氧化劑源126 經管道136流向壓縮機124的入口124a。在壓縮機124中，空氣的體積被減 小，從而增大了空氣的壓力。來自壓縮機124的出口124b的一部分空氣流 向增濕器118的笫一入口118a并經過增濕器118的干燥側以進行增濕。在增 濕器118中，使比流經干燥側的空氣含有更高濕氣含量的空氣流經濕潤側。 水蒸氣經過膜轉移到流經干燥側的空氣中。使濕潤側的空氣流經增濕器118的第二出口118d并流向排氣系統130。使干燥側的空氣經第一出口118b 流向第一燃料電池堆114的陰極入口114a。
O(Ml使來自壓縮機124的出口124b的另一部分空氣經笫二旁路117流 向壓力傳感器112，并流向增濕器118的第二入口118c。經第二旁路117流 向壓力傳感器112的空氣的濕度被最小化，這是因為繞過了增濕器118和電 池堆114、 115，從而繞過了其中對空氣的增濕作用。由壓力傳感器112所 測量的壓力基本等于來自燃料電池堆114、 115的陰極出口114b、 115b的流 體的壓力，這是因為經過笫二旁路117的空氣流是與經過燃料電池堆114、 115的主空氣流平行的流體流，其中主空氣流始于陰極入口114a、 115a并 終于陰極出口114b、 115b。設置在第二旁路117中的流量限制裝置134對流 經其的空氣的流量引入了限制，從而導致了壓力降。優化流量限制裝置134 的尺寸以使流經第二旁路117的空氣的流量最小化，從而確保流經第二旁 路117的空氣的量不會顯著地減少流經燃料電池堆114、 115的反應物的化 學計量。由于第二旁路117的一部分設置在壓力傳感器112和管道136之間， 因此流量限制裝置134的尺寸被優化以解決在壓力傳感器112之后的第二 旁路117的那部分管道中的壓力降，從而使壓力傳感器112的壓力測量的精 確度最大化。
0042流經燃料電池堆114、115的陰極側的空氣在進入燃料電池堆114、 115之前在增濕器118中被增濕。從燃料電池堆114、 115的陰極出口114b、 115b排出的空氣可包含由燃料電池堆114、 115中的反應所生成的產物水。 因此，水可在旁路管道117的接合點117a處積聚并經管道136流向增濕器18 的濕潤側，在接合點117a處的濕氣積聚可阻塞干燥流體經第二旁路117的 流動。然而，流經第二旁路117的空氣，通過產生經過第二旁路117的連續 空氣流動，抑制了濕氣在第二旁路117中的積聚。干燥流體的連續流動抑 制了已增濕流體的流入。由于在干燥流體不流經第二旁路117時，例如在 關閉了燃料電池組件110時，濕氣可積聚在接合點117a處，因此當再次使 流體流經笫二旁路117時，流經第二旁路管道117的流體將使濕氣蒸發，從 而抑制了濕氣在其中的積聚。
0043將壓力傳感器112的壓力測量值和壓力傳感器112，的壓力測量值 電傳遞給控制器113。控制器113將來自傳感器112和112，的壓力測量值進 行比較并將表示壓力測量值的信號或數據提供給計算機或者操作者，使得 可以調節反應物流體的流量以維持燃料電池堆ll4、 115中反應物的化學計量以及維持燃料電池堆114、 115的最佳工作狀態。
0044在第一燃料電池堆114中，空氣中的氧與氫發生電化學反應以生 成電力，從而驅動車輛或者本領域中已知的其它系統.使未反應的氫流出 第一燃料電池堆114，經過陽極出口114d并流向第二燃料電池堆115的陽極 入口115c'使未反應的氧流經陰極出口 114b,經管道136流向第二入口 118c,經過增濕器118流向排氣系統130,
0045在第二燃料電池堆115中，空氣中的氧與氫發生電化學反應以生 成電力，從而驅動車輛或者本領域中已知的其它系統。使未反應的氫流出 第二燃料電池堆115,經過陽極出口115d流向排氣系統130。使未反應的氧 流經陰極出口115b，經管道136流向第二入口118c，經過增濕器118流向排 氣系統130。
0046前文的討論僅僅公開和描述了本發明的示例性實施例。本領域技 術人員將從此討論中以及從附圖和權利要求中認識到，在不偏離如權利要 求中所限定的本發明的精神和范閨的前提下，可以對本發明做出各種改 變、1奮改和變形。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括第一燃料電池堆，至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使氧化劑從氧化劑源經所述第一燃料電池堆的陰極入口流向其陰極出口，以及使燃料從燃料源經所述第一燃料電池堆的陽極入口流向其陽極出口；第一旁路，與燃料源和陽極出口流體連通；第二旁路，與氧化劑源和陰極出口流體連通；第一壓力傳感器，與所述第一旁路流體連通，并適于測量流經其的燃料的壓力；以及第二壓力傳感器，與所述第二旁路流體連通，并適于測量流經其的氧化劑的壓力。
2. 權利要求1的燃料電池系統，還包括第二燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使燃料從所述第一燃料電池堆的陽極出口流向所述第二燃料電池堆的陽極入口，使氧化劑從氧化劑源流向所述第二燃料電池堆的陰極入口 。
3. 權利要求1的燃料電池系統，還包括流量限制裝置，其設置在所迷第一旁路中，適于限制經過所述第一旁路的燃料的流量。
4. 權利要求1的燃料電池系統，還包括流量限制裝置，其設置在所述第二旁路中，適于限制經過所述第二旁路的氧化劑的流量。
5. 權利要求1的燃料電池系統，其中氧化劑為包括氧的空氣，燃料為氫。
6. 權利要求1的燃料電池系統，還包括增濕器，其與氧化劑源和所述第 一燃料電池堆流體連通，其中所迷增濕器適于增濕氧化劑。
7. 權利要求6的燃料電池系統，其中所述增濕器是水蒸氣轉移單元。
8. 權利要求6的燃料電池系統，還包括壓縮機，其與氧化劑源和所述增濕器流體連通，其中所述壓縮機適于使來自氧化劑源的氧化劑的體積最小化以增大氧化劑的壓力，從而提供氧化劑流以維持所述第一燃料電池堆的陰極入口處所需的化學計量。
9. 權利要求1的燃料電池系統，還包括控制器，其與所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器通信。
10. —種燃料電池系統，包括第一燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口 ，其中使氧化劑從氧化劑源經所述第一燃料電池堆的陰極入口流向其陰極出口 ，使燃料從燃料源經所述笫 一燃料電池堆的陽極入口流向其陽極出口；第二燃料電池堆，其至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口，其中使燃料從所述笫一燃料電池堆的陽極出口流向所迷第二燃料電池堆的陽極入口 ，使氧化劑從氧化劑源流向所述第二燃料電池堆的陰極入口；第一旁路，與燃料源、所述第一燃料電池堆的陽極出口以及所述第二燃料電池堆的陽極入口流體連通；第二旁路，與氧化劑源以及所述第一燃料電池堆和所述第二燃料電池堆的陰極出口流體連通；第一壓力傳感器，與所述笫一旁路流體連通，并適于測量流經其的燃料的壓力，其中使一部分燃料經過所述第一壓力傳感器流經所述笫一旁路，以及其中流經所述第一旁路的燃料抑制了濕氣在所述第一旁路中的積聚；以及第二壓力傳感器，與所述第二旁路流體連通，并適于測量流經其的氧化劑的壓力，其中使一部分氧化劑經過所述第二壓力傳感器流經所述第二旁路，以及其中流經所述第二旁路的氧化劑抑制了濕氣在所迷第二旁路中的積聚。
11. 權利要求10的燃料電池系統，還包括流量限制裝置，其設置在所述第一旁路中，適于限制經過所述第一旁路的燃料的流量。
12. 權利要求10的燃料電池系統，還包括流量限制裝置，其設置在所述第二旁路中，適于限制經過所述第二旁路的氧化劑的流量。
13. 權利要求10的燃料電池系統，其中氧化劑為包括氧的空氣，燃料為氫。
14. 權利要求10的燃料電池系統，還包括增濕器，其與氧化劑源、所述第一燃料電池堆以及所述第二燃料電池堆流體連通，其中所述增濕器適于增濕氧化劑。
15. 權利要求14的燃料電池系統，其中所述增濕器是水蒸氣轉移單元。
16. 權利要求14的燃料電池系統，還包括壓縮機，其與氧化劑源和所述增濕器流體連通，其中所述壓縮機適于使來自氧化劑源的氧化劑的體積最小化以增大氧化劑的壓力，從而提供氧化劑流以維持所述笫一燃料電池堆的陰極入口處所需的化學計量。
17. 權利要求10的燃料電池系統，還包括控制器，其與所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器通信。
18. —種操作燃料電池系統的方法，包括以下步驟提供第一燃料電池堆，該堆至少包含與氧化劑源連通的陰極入口、陰極出口、與燃料源連通的陽極入口以及陽極出口；提供與燃料源流體連通的第一旁路；提供與氧化劑源流體連通的笫二旁路；提供笫一壓力傳感器，其適于測量從燃料源流經第一旁路的燃料的壓力，提供第二壓力傳感器，其適于測量從氧化劑源流經第二旁路的氧化劑的壓力；使一部分燃料經過第一壓力傳感器流經第一旁路，其中流經第一旁路的燃料抑制了濕氣在第一旁路中的積聚；以及使一部分氧化劑經過第二壓力傳感器流經第二旁路，其中流經第二旁路的氧化劑抑制了濕氣在第二旁路中的積聚。
19. 權利要求18的操作燃料電池系統的方法，還包括步驟提供第二燃料電池堆，該堆至少包含陰極入口、陰極出口、陽極入口和陽極出口 ，其中使燃料從所述笫一燃料電池堆的陽極出口流向所述第二燃料電池堆的陽極入口 ，使氧化劑從氧化劑源流向所述第二燃料電池堆的陰極入口。
20. 權利要求18的操作燃料電池系統的方法，還包括步驟提供設置在所述第一旁路中的流量限制裝置以限制燃料的流量，以及提供設置在所述笫二旁路中的流量限制裝置以限制氧化劑的流量。
全文摘要
寒冷條件下精準測量壓力的燃料電池模塊設計。公開了一種燃料電池系統，其包括燃料電池堆和壓力傳感器，其中提供了在其中設置有流量限制裝置的旁路管道，以使流體在燃料電池堆的周圍旁路通過，從而抑制濕氣在與壓力傳感器流體連通的管道中積聚。
文檔編號H01M8/04GK101567460SQ20091013215
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月24日 優先權日2008年4月24日
發明者D·J·達加, M·T·施呂恩茨, S·L·皮德蒙特 申請人:通用汽車環球科技運作公司