TWI450437B - 燃料電池系統與逆向流動釋放閥 - Google Patents

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Description

燃料電池系統與逆向流動釋放閥
本發明係關於燃料電池系統的操作與設備，而且特別地係關於但不單限於一種用於關掉燃料電池系統之對策。
水對於燃料電池系統的操作來說是不可或缺的，此種燃料電池系統例如具有包含質子交換膜(Proton Exchange Membrane，簡稱為「PEM」)附近為主的燃料電池堆(fuel cell stack)之形式的系統。從陽極流動路徑通過PEM所傳導的質子(氫離子)與陰極流動路徑中所存在的氧，兩者之間的反應會產生水。過多的水必須從燃料電池堆中移除掉，以免溢出且隨後破壞燃料電池系統的性能。然而，至少在陰極流動路徑中必須存在一定量的水，以便維持PEM的水合作用(hydration)，藉此能夠使燃料電池達到最佳的性能。藉由謹慎的注入與移除之方式來管理水量，也可以提供一種有效的機制，用以將過多的熱量從燃料電池堆移走。
為了使性能達到最佳，透過注入燃料電池堆的陰極流動路徑內，而在這類燃料電池系統中謹慎地使用水。相較運用分開冷卻通道之其他種類的燃料電池系統來說，這種注水式燃料電池系統之潛在優點在於其尺寸與複雜度均有所降低。可以透過水分配歧管而將水直接注入到陰極流動路徑內，此種技術例如係揭示於GB2409763號中。
對於注水系統來說，有一點相當重要，就是任何回流 到陰極流動路徑內的水必須具有相當高的純度，以避免污染PEM且隨後使燃料電池堆的性能下降。然而，高純度的要求意味著無法使用可降低水冰點的添加劑。特別是對於汽車的應用情形來說，為了複製出實際上燃料電池可能使用所處的環境，所以一般要求包括從冰點以下(一般低至-20℃)開始啟動。由於高純度的水之冰點為0℃(在1bar的壓力下)，所以在燃料電池系統中所剩下的任何水在燃料電池停工達一段足夠的時間之後便產生凝結。
在燃料電池系統中的冰，且特別是在陰極流動路徑內的冰，可能使燃料電池堆無法正常地操作，或者甚至完全無法操作。假如陰極流動路徑的任何部位被冰擋住的話，則空氣無法通過陰極，且燃料電池無法自行加熱至冰點以上。然後，勢必將需要用以加熱整個燃料電池堆的其他方法，如此一來，在燃料電池本身開始供應電力與熱能之前，必須先消耗外部能量。
可以在關掉燃料電池堆時使用淨化操作，此操作例如係揭示於US 6479177號專利案中。此專利文件揭示一種燃料電池堆，其具有與陰極流動路徑隔開的水冷卻通道。在電池堆的溫度掉落至冰點以下之前，使用加壓的乾氮氣供應源以淨化來自電池堆的水。然而，此方法須要加壓的氮氣供應源，這一點在汽車環境中可能無法獲得或者甚至無法令人滿意。
本發明之目的是要解決上述的一個或多個問題。
在第一型態中，本發明提出一種用於關掉含有燃料電池堆的燃料電池系統之操作的方法，該方法包含以下步驟：i)停止供應燃料到此燃料電池堆；ii)關閉一個與燃料電池系統的陰極系統呈流體相通的排放管線上之截止閥(shut-off valve)，此陰極系統包含一條通過燃料電池堆的陰極流體流動路徑；iii)藉由一個與燃料電池堆中的陰極空氣入口埠呈流體相通的空氣壓縮機而加壓該陰極系統；以及iv)將水從陰極流動路徑中排出去。
在第二型態中，本發明提出一種燃料電池系統，包含：一燃料電池堆；一陰極系統，具有一條陰極流體流動路徑，該陰極流體流動路徑包含陰極空氣入口管線、一個位於燃料電池堆內的陰極體積、及陰極出口管線，這些部位係串連起來且其結構能允許空氣通過該燃料電池堆；一空氣壓縮機，係與該陰極空氣入口管線呈流體相通；一熱絕緣包圍容器，係被建構成可容納來自陰極流動路徑且通過水返回管線的水；其中，該燃料電池系統被建構成當關掉此系統的操作時，透過水返回管線，可以將水從陰極流動路徑吐出到包圍容器內。
在第三型態中，本發明提出一種逆向流動釋放閥，包含： 一第一供應埠；一第二供應埠；一止回閥(non-return valve)，係位於一條第一供應埠與第二供應埠之間延伸的主要流體通道內，該止回閥被建構成可允許流體從第一供應埠通過到第二供應埠且阻止流體以相反方向通過；一條旁通流體通道，係與該主要流體通道呈流體相通；一密封閥，係受到偏壓而緊靠著該旁通通道與一淨化埠之間的旁通通道之一端；其中，該密封閥被建構成當第一供應埠內的流體壓力超過第二供應埠的流體壓力以防止流體從該主要流體通道透過該旁通流體通道而流到淨化埠時，可維持該旁通通道的密封，而且當第二供應埠的流體壓力超過第一供應埠的流體壓力時，可允許流體從第二供應埠透過旁通流體通道而流到淨化埠。
在第四型態中，本發明提出一種燃料電池系統，包含：一燃料電池堆；一陰極系統，具有一條陰極流體流動路徑，該陰極流體流動路徑包含陰極空氣入口管線、一個位於燃料電池堆內的陰極體積、及陰極出口管線，這些部位係串連起來且其結構能允許空氣通過該燃料電池堆；一熱交換器，係與一水分離器串連至該陰極流體流動路徑的陰極出口管線上；其中，該水分離器的一條注水出口管線係透過第一水 返回管線而連接至一個水包圍容器。
圖1顯示一個範例性燃料電池系統100的示意圖，此燃料電池系統100包含一個燃料電池堆110及其他相關零件。燃料電池堆110具有一條通過本身的陰極流動路徑，此陰極流動路徑包含一個空氣入口124，該空氣入口124通往一條空氣入口管線123且在陰極空氣入口126進入燃料電池堆內。在通過燃料電池堆110內的一個內部陰極體積(未顯示)之後，陰極流動路徑離開燃料電池堆110且進入陰極出口管線121，並且通過陰極排放管線122與排放截止閥120。在正常操作期間，排放截止閥120是局部或完全打開的。例如熱交換器130、相關的冷卻風扇139、及水分離器131等不同零件可以被連接至陰極流動路徑內的陰極出口管線121與排放管線122上或連接至一部分的管線上。溫度感應器TX1、TX2、TX3、TX5以及壓力感應器PX2、PX3可以存在且連接至適當的位置上，以監控陰極流動路徑的入口管線123與出口管線121。
在本文中「陰極系統」一詞係打算用來包含燃料電池系統100中與燃料電池堆內的陰極體積結合在一起的這些部件。這些部件包括燃料電池的各種內部零件，例如入口、出口、內部流動路徑、水分配結構等，而且還包括與陰極體積呈流體相通的零件，例如各種入口、出口、用於液體與氣體的再循環與排放管線。「陰極流動路徑」一詞係打 算用來包含一組陰極系統，其包含一條流體流動路徑，此路徑是從空氣入口124開始，通過空氣壓縮機133、入口管線123、燃料電池堆110的陰極體積、及陰極出口管線121。「陽極系統」與「陰極流動路徑」等詞也可以被類似地解釋成與陽極體積相結合的燃料電池系統100之各種零件。
連接至陰極空氣入口管線123的空氣壓縮機133將壓縮空氣供應至陰極流動路徑。例如空氣入口熱加熱器134、流量計135、一個或多個空氣過濾器136、137、以及空氣加熱器138等其他零件可以存在於空氣入口124與燃料電池堆110之間的陰極入口管線123內。空氣入口熱交換器134可以與冷卻劑管線141、三向閥142、及溫度感應器TX7一起使用，以便在燃料電池系統100的操作期間，藉由來自冷卻劑管線141的冷卻劑事先加熱來自空氣壓縮機133的空氣。通過空氣入口熱交換器134的冷卻劑管線141形成一條單獨的冷卻迴路，用以從壓縮機133之後的氣流中取得熱能。較佳地，冷卻劑管線141是在燃料電池堆110到達正常的操作溫度之後才開始操作，藉此避免在系統100的啟動期間從陰極空氣入口管線123中的空氣入口氣流取得熱能。透過使用三向閥142，可以達成在管線141內使冷卻劑轉向，如此能控制是否冷卻劑被輸送至熱交換器134。由於冷卻劑管線141與供應至陰極系統內的水分開，所以對於高純度水的要求就有所不同。因此，在冷卻劑管線141中所使用的冷卻劑可以包含例如乙二醇等添加劑，以便降低所使用的冷卻劑之冰點。
一般具有氣態氫形式的燃料係透過一個減壓閥151及一個致動閥152(較佳地具有正常封閉式螺線管致動閥之形式)而進入燃料電池系統內。具有氫氣形式的燃料供應源150一般係位於遠離燃料電池系統，例如具有朝向車輛後端的加壓槽之形式。另一個螺線管致動閥153及一個減壓閥154可以被設置成更加接近燃料電池堆110，此燃料電池堆110係位於燃料電池堆110的燃料源150與陽極入口156之間的陽極流動路徑之燃料入口管線155內。因此，兩組分開的閥被設置成通往陽極入口156，一組151、152接近槽，而另一組153、154接近燃料電池堆110，且在兩者之間具有一條中間加壓的燃料管線119。減壓閥154調整乾燃料氣體的壓力至適合引進到燃料電池堆110內之程度，減壓閥154較佳地是一個被動裝置，其具有一個預先設定好的壓力設定值，然而也可以使用主動控制裝置。可以選擇性地設置一個燃料加熱器145，例如圖1所示般設置於閥153前方的加壓燃料管線119，或者也可以在減壓閥154前方或後方設置於燃料入口管線155內。
另一個致動閥161係被設置於陽極出口管線165上。雖然電流通過螺線管所引起的閥152、153、161之致動能夠提供一定程度的加熱，但是每個致動閥152、153、161可以設有一個局部的加熱器元件，以便根據需要而使閥體解凍(defrost)。較佳地，每個致動閥152、153、161被建構成具有故障安全防護效果(fail-safe)，也就是說，只有在藉由通過螺線管的電流而引起致動時，這些致動閥才會打開。
為了監控且釋放陽極流動路徑內的燃料之壓力，可以設置一個壓力感應器PX1及/或壓力釋放閥157。較佳地，壓力釋放閥157被設定成當陽極流動路徑內的壓力超過安全的操作程度時，可打開且透過壓力釋放排放管線158而排放陽極流動路徑內的流體。
在陽極出口管線165內可以存在另一個手動操作閥162，此閥162例如係用於在工作期間確保陽極流動路徑的減壓。例如，由於水通過PEM從陰極一側擴散過來之緣故，可能在燃料電池堆110中的陽極流動路徑內堆積出水。因此，可以在陽極排放管線164內設置一個陽極排放水分離器163，以便分離掉排放管線164內所存在的任何水。這些水可以被排放出去或者選擇性地重新循環。在燃料電池堆110的操作期間，閥161一般被保持成關閉，而且僅斷斷續續地打開，以便將任何堆積的水從陽極流動路徑排放出去。
陰極注水入口127係設置於燃料電池堆110內，此入口127係被連接至一條陰極注水管線125上。陰極注水管線125可以沿著其全長或局部長度受到加熱，且在一個水包圍容器140及陰極注水入口127之間延伸。可以設置一個加熱器129，用以供應熱能至此管線125的一個特定區域，以便加熱通過注水管線125且朝向陰極注水入口127的水。可以在陰極注水管線125上設置另一個壓力感應器PX4，以便在操作期間監控管線125上的背壓。
藉由一個選擇性設有加熱器143的水泵132，而抽吸來自陰極出口管線121的水，使水通過一條水返回管線128 而朝向一個水包圍容器140，將參考圖2說明其他細節。過多的水從燃料電池系統100被吐出來，通過一條水溢流管線144而離開水包圍容器140。
圖2顯示圖1的水包圍容器140之剖面示意圖。此容器140包含一個熱絕緣壁體210及一蓋體211，此蓋體也可以是熱絕緣的。較佳地，此容器140的壁體210為具有雙重壁體的結構，在此兩個壁體之間具有真空或熱絕緣層(例如：空氣或發泡型聚苯乙烯)。壁體210的內表面215最好是由抗腐蝕性材質所製成(例如：不鏽鋼)，藉此防止容器內的水212之污染。
蓋體211之用途是要允許得以連接至容器140內所放置的各種元件，同時也能夠維持住良好的絕緣程度。典型地，蓋體211是由玻璃強化耐隆所製成，且具有一層額外的絕緣泡棉層。蓋體內用於容納管線125、144、128通過的多個埠之較佳結構，係能夠使得當此系統被關掉時任何殘餘的水均會流回此容器內。如此牽涉到利用具有適當大小直徑的管件，致使水珠無法形成且跨過此管件的內部孔洞而懸吊於管線內。較佳地，在此蓋體中不使用配件，致使通過蓋體211的管件便不含任何尖銳的彎曲部位。因此，延伸於水包圍容器140與陰極注水入口127之間的注水管線125，以及延伸於陰極出口管線121與水包圍容器140之間的排放管線121、128，兩者均包含管件，此管件具有一個內部孔洞，致使在水從陰極系統吐出來之後，水珠並不會延伸跨過此孔洞。
在容器140內設有一個恆溫加熱元件236，用以將容器140內的水212之溫度維持在冰點以上。水位感應器233提供一個信號，用以指出容器內的水212之水位。除了恆溫加熱元件236之外，設置一個加熱器237，以便提供更快速的加熱，藉此將萬一凝結的水212予以解凍。由於水從固態轉變成液態需要能量之緣故，加熱器237一般具有比恆溫加熱元件236更大的加熱功率(例如：180W或更大)。恆溫加熱器236被建構成可確保容器140內的水212之溫度仍舊維持在一個設定點上方。為了防止水凝結起來，此設定點一般為5℃。恆溫加熱器236可以藉由一個12伏特的電源提供電力，且被設定成可供操作一段預定時間。因此，在此週期內，可以保證在容器內具有液態水。對於在攝氏零度以下的周圍溫度之較大週期來說，恆溫加熱器236會失去作用以節省電池的電力。然後，水212可能會凝結，而且需要以更大功率的加熱器237進行解凍。此恆溫加熱器的功率等級一般是其最大的熱輸出稍微大於容器的最大額定損耗。典型的功率等級是介於2至4W的範圍內。
為了監控容器140內的水212之溫度，所以安裝一個最好含有埋藏的電熱調節器之溫度感應器TX4。
設有一條溢流管線144，假如容器內的水位超過預定量的話，此溢流管線可以將多餘的水從包圍容器排出去。
來自水返回管線128的水透過一個過濾器234進入容器140內。泵230、231、240將水212從容器140抽吸而通過另一個過濾器214、逆向流動釋放閥213且進入陰極注 水管線125。流量計235被建構成可監控通過陰極注水管線125的水量。
較佳地，泵被建構成使得一個馬達部231係位於容器140的包圍體積外側，因此避免與容器內的水212直接接觸。，馬達231與泵頭部230之間的一軸240能允許馬達231驅動此泵頭部230。至少含有入口、出口與葉輪的泵頭部，其結構最好能夠在沒入凝結水之後，一旦水解凍時，此泵便能夠再次操作。較佳地，馬達231係被認定成可以在攝氏零度以下的溫度進行操作。
泵頭部230被定位成能夠被容器140中的水212所淹沒，如此一來，其優點是在關掉期間或啟動的加熱期間，特別是在關掉之後當水212被維持於燒瓶(flask)內時，泵頭部230可以不需要被淨化。此泵頭部230最好被建構成可具有很小的熱質量。當水解凍時，可藉由從周圍的水所傳導的熱量，而達成在泵頭部230內的冰塊之解凍。較佳地，此泵頭部230被建構成可調節由於形成冰塊所引起的膨脹。當解凍時，泵頭部230會返回其起初形狀，而不會連累到其本身的操作。
逆向流動釋放閥213被建構成使得當泵進行操作時而在橫跨閥體在流動方向上產生壓力降時，能夠允許水從泵頭部230通過陰極注水管線125而朝向陰極注水入口127。然而，當泵停止且陰極注水管線125內的壓力增加時，閥213能允許水通過一個淨化埠238而流回到容器140內。
逆向流動釋放閥213之用途是要允許水從燃料電池堆 110回沖到容器140內，且在系統100的關掉期間連接到管線上。關閉陰極排放閥120能允許燃料電池堆110內的水在空氣壓縮機133的壓力之影響下被強迫通過陰極注水入口127離開電池堆110，而且透過注水管線125而朝向水包圍容器140。然而，假如在水包圍容器內使用齒輪泵的話，由於將水推回去通過泵頭部230所需要的壓力之緣故，則沒有逆向流動釋放閥213的話，就沒有水流動。因此，逆向流動釋放閥213被建構成在正常操作時它能允許水從此泵通過而到達燃料電池堆110。當受到很小的背壓(例如在300mBar.g的範圍內)，當泵頭部230並未***作時，打開一個隔膜以允許水透過淨化埠238而流回到燒瓶內。
圖3是以剖開形式顯示逆向流動釋放閥213的一個範例性實施例。在正常操作下，水從包圍容器140以箭頭301所指示的方向而流過逆向流動釋放閥213。水流經第一供應埠314、止回閥316，離開閥體213，而且通過第二供應埠320流向陰極注水管線125。第一供應埠314中的水壓係透過一連接通道313及輸送通道312而被傳送至一個凹穴311，此凹穴係被密封閥(例如：具有隔膜321的形式)所密封起來且被一個蓋體表面323所關閉。此壓力將隔膜321的密封面317維持成緊靠著一條旁通通道318的表面，因此防止流體在第二供應埠320以及隔膜321後面的低壓凹穴315之間通過。
一旦水包圍容器泵230失去作用時，由於燃料電池堆110的陰極體積中壓力增加所引起第一供應埠314內的壓力 損失以及第二供應埠320中的壓力增加，會導致止回閥316關閉。第二供應埠內的壓力增加會導致由例如橡膠等彈性材質所製成的隔膜321產生撓曲，且在旁通通道318與低壓凹穴315之間開啟了一條通道。然後，允許水從第二供應埠320經過旁通通道318而流入低壓凹穴315，接著流經一條淨化通道322，且通過淨化埠238而離開閥體213。在相反方向上流動的整個方向是由箭頭302所表示。
逆向流動釋放閥的結構能允許水從燃料電池堆中的陰極體積以及陰極注水管線中排出去，同時允許包圍容器140中的泵頭部230仍舊被水所充滿。假如容器內的水212並未凝結的話，則泵頭部230仍舊處於準備立刻開始抽水的狀態，以便將水注入燃料電池堆110的陰極體積內。
圖4a與4b顯示藉由逆向流動釋放閥213所可能產生的兩種不同操作模式之示意圖。在圖4a中，顯示淨化操作，其中，來自燃料電池堆的低壓空氣透過第二供應埠320而進入閥體213，且並未流入第一供應埠314。此低壓空氣使得隔膜321產生轉向，且允許流體經過旁通通道318，通過淨化埠238而離開此閥體，以便輸送至水包圍容器140內的水儲存槽。止回閥316可防止流入第一供應埠314。
在圖4b中，顯示逆向流動釋放閥213的水輸送操作，其中，從水包圍容器140中的儲存槽所抽來的高壓水，係透過第一供應埠314而進入閥體213內。透過連接通道313而傳送至高壓凹穴311的壓力，將隔膜321維持在關閉位置而緊靠著旁通通道318。水流通過止回閥316，且經由第 二供應埠320而離開逆向流動釋放閥213，並無水流經過此淨化埠238。
陰極出口、排放與注水管線的兩種替換配置方式係概略地顯示於圖5a與5b中。在圖5a中，水分離器131首先與陰極出口管線121連成一直線，且在熱交換器130前方串連起來。而且，使用兩條注水管線128a、128b將水透過泵132a、132b而送至包圍容器140。在圖5b中，水分離器131是與熱交換器130串連起來但卻位於其後方，而且使用單個泵132將水透過水返回管線128而抽到包圍容器140。
在圖5a的結構中，陰極出口水流通過陰極出口管線121而流到一個旋風水分離器(cyclonic water separator)131，此水分離器係用以在將飽和空氣重新引導至熱交換器130之前移除掉液體成分。熱交換器130冷卻飽和的空氣氣流，如此導致一定比例的水轉變成液態。使用兩個泵132a、132b將恢復原狀的水運送至包圍容器140，其中一個泵132a係透過水返回管線128a而連接到分離器131的底部，而另一個泵132b則透過水返回管線128b而連接至熱交換器130出口歧管箱。在正常燃料電池的操作下，可變化的截止閥120被保持成打開。然而，在燃料電池系統被關掉的期間，此閥被關閉起來，以便使陰極流動路徑產生背壓。在此情形中，壓縮機133(或其他可根據預定的流速設定點而供應空氣到燃料電池上的裝置)運轉得更加猛力，才能維持住固定的空氣流速。分離器131包含一個壓力釋放閥(未顯示)，此閥在背壓關掉階段的期間係打開而允許水從水分離器 131透過水淨化管線510(一般連接至大氣)而排出去。在系統關掉時使陰極流動路徑產生背壓之前，泵132a一般再運轉好幾秒鐘，以便將大部分的水從分離器131清除出去。
在圖5b的結構中，其操作係類似於圖5a的操作，除了旋風分離器131被定位在熱交換器130後方之外。就其本身而言，陰極出口流的液態元素通過此熱交換器130。此外，只需要一個泵132便可以將恢復原狀的水運送回到包圍容器140。此種結構的一項優點在於：因為進入熱交換器130的入口是局部遠離底部，所以在關掉之後仍然存留於熱交換器130內的殘餘水將無法占據熱交換器130的下部。在熱交換器130受到攝氏零度以下的溫度之影響時，水將會凝結起來。然而，仍可以透過陰極流動路徑而流到熱交換器的其他部位，此部位稍後會被加熱且因而解凍了位於下部的凝結水。
在每個情形中的淨化埠510允許旋風分離器被清潔得很乾燥，且允許在低溫下的後續儲存。
較佳地，旋風分離器131的熱慣性很低，致使當分離器低於0℃時，少量的液態水會進入此分離器內，但是此液態水並不會凝結。
可以選擇性地使用一個壓力釋放閥，以增加此系統的背壓到不需要輸送泵132、132a、132b的程度。然而，在此情形中，可能不需要裝上旋風釋放閥及淨化埠510，以便確保陰極水出口管線121中的內部壓力能夠強迫水通過水吐出管線而朝向水包圍容器140。假如並未裝上輸送泵132的 話，則圖5b所示的配置情形是比較能夠確保從陰極出口管線所吐出的水通過一條水吐出管線128。
在燃料電池系統100的操作期間(參考圖1與圖2)，來自包圍容器140的水透過陰極注水管線125與陰極注水入口127而被抽吸通過陰極流動路徑。在通過燃料電池堆110內的陰極體積之後，水經由陰極水出口管線121而離開電池堆110且進入熱交換器130。排放氣體與凝結水的混合物通過水分離器131，然後，凝結水通過水返回管線128且進入水包圍容器140。任何多餘的水經由水溢流管線144而吐出，排放氣體則經由排放截止閥120而吐出。此截止閥至少局部被保持成打開，以控制陰極流動路徑內的壓力。
參考圖1，燃料氣體被供應到陽極入口156內且進入燃料電池堆110內的陽極體積(未顯示)。閥153、161經操作後可以在陽極體積內維持成想要的壓力。連接到陽極出口159的手動閥162仍保持關閉。選擇性地，從陽極排放流所吐出的水係藉由另一個水分離器163而分離成液態與氣態。
在燃料電池系統100關掉時，首先藉由關閉燃料供應管線155上的螺線管致動閥153，而關掉對燃料電池堆110的燃料供應。然後，關閉陰極排放管線122上的截止閥120，同時空氣壓縮機133繼續運作。實際上，在關閉截止閥120之前，需要一點時間利用空氣來沖過陰極流動路徑。然後，陰極流動路徑內的壓力會升高。假如存在的話，較佳地，在截止閥關閉之後，水吐出管線泵132繼續運作一段時間，以允許水繼續通過到包圍容器140。此包圍容器泵230停止 操作，因此水停止被供應到陰極注水管線125內。
在關掉期間，也可以運用陽極流動路徑的一小段淨化操作，以便將存在於陽極流動路徑內的水排出去，使得水被強迫通過打開的陽極出口閥161，接著將燃料電池堆110中的陽極體積予以減壓。
透過陰極流動路徑而充滿的空氣，強迫殘餘的水離開燃料電池堆110中的陰極體積，且流經陰極出口管線121、熱交換器130而流到水分離器131。泵132將水從分離器131抽吸通過水返回管線128而流入水包圍容器140。當截止閥120關閉時，陰極空氣壓力將會升高，因而迫使水離開燃料電池堆110中的陰極體積，通過陰極注水入口127且通過陰極注水管線125和逆向流動釋放閥213的淨化埠238而朝向水包圍容器140。
淨化來自陰極流動路徑且進入水包圍容器140內的水之能力，能夠移除掉內部部位以及水分佈狹窄通道(gallery)中所捕捉到的水。對於汽車應用情形中具有典型尺寸的燃料電池堆來說，如此將導致大約30ml的水從陰極流動路徑中被移除。使用空氣壓縮機133而非氮氣淨化供應源，可減少所需要的零件數量，且避免離開燃料電池堆時過度乾燥。然後，電池堆中的薄膜可以保持在一個更加適合後續啟動操作的狀態下。在關掉期間，可以使空氣壓縮機的定時操作達到最佳，藉此在移除水分以防止由於攝氏零度以下的條件所引起的負面影響以及薄膜的脫水作用(dehydration)之間產生平衡。對於典型的燃料電池系統來 說，在關閉排放閥120之後，空氣壓縮機可以操作大約一、二分鐘。也可以使用氫氣淨化來自陽極流動路徑的多餘水。
在以下申請專利範圍所界定之本發明的範圍內，仍包含其他的實施例。
100‧‧‧燃料電池系統
110‧‧‧燃料電池堆
119‧‧‧燃料管線
120‧‧‧排放截止閥
121‧‧‧陰極出口管線
122‧‧‧陰極排放管線
123‧‧‧空氣入口管線
124‧‧‧空氣入口
125‧‧‧陰極注水管線
126‧‧‧陰極空氣入口埠
127‧‧‧陰極注水入口
128‧‧‧水返回管線
128a‧‧‧注水管線
128b‧‧‧注水管線
129‧‧‧加熱器
130‧‧‧熱交換器
131‧‧‧水分離器
132‧‧‧水泵
132a‧‧‧泵
132b‧‧‧泵
133‧‧‧空氣壓縮機
134‧‧‧空氣入口熱加熱器
135‧‧‧流量計
136‧‧‧空氣過濾器
137‧‧‧空氣過濾器
138‧‧‧空氣加熱器
139‧‧‧冷卻風扇
140‧‧‧水包圍容器
141‧‧‧冷卻劑管線
142‧‧‧三向閥
143‧‧‧加熱器
144‧‧‧水溢流管線
145‧‧‧燃料加熱器
150‧‧‧燃料供應源
151‧‧‧減壓閥
152‧‧‧致動閥
153‧‧‧螺線管致動閥
154‧‧‧減壓閥
155‧‧‧燃料入口管線
156‧‧‧陽極入口
157‧‧‧壓力釋放閥
158‧‧‧壓力釋放排放管線
159‧‧‧陽極出口
161‧‧‧陽極出口閥
162‧‧‧手動操作閥
163‧‧‧陽極排放水分離器
164‧‧‧陽極排放管線
165‧‧‧陽極出口管線
210‧‧‧壁體
211‧‧‧蓋體
212‧‧‧水
213‧‧‧逆向流動釋放閥
214‧‧‧過濾器
215‧‧‧內表面
230‧‧‧泵頭部
231‧‧‧馬達部
233‧‧‧水位感應器
234‧‧‧過濾器
235‧‧‧流量計
236‧‧‧恆溫加熱元件
237‧‧‧加熱器
238‧‧‧淨化埠
240‧‧‧軸
301‧‧‧箭頭
302‧‧‧箭頭
313‧‧‧連接通道
311‧‧‧凹穴
312‧‧‧輸送通道
314‧‧‧第一供應埠
315‧‧‧凹穴
316‧‧‧止回閥
317‧‧‧密封面
318‧‧‧旁通通道
320‧‧‧第二供應埠
321‧‧‧隔膜
322‧‧‧淨化通道
323‧‧‧蓋體表面
510‧‧‧淨化埠
TX1‧‧‧溫度感應器
TX2‧‧‧溫度感應器
TX3‧‧‧溫度感應器
TX4‧‧‧溫度感應器
TX5‧‧‧溫度感應器
TX7‧‧‧溫度感應器
PX1‧‧‧壓力感應器
PX2‧‧‧壓力感應器
PX3‧‧‧壓力感應器
PX4‧‧‧壓力感應器
上文係參考隨附圖式藉由範例說明本發明。
圖1顯示在一個完整的燃料電池系統內的各種零件配置之示意圖。
圖2顯示一個範例性水包圍容器的示意圖。
圖3顯示一個範例性逆向流動釋放閥之剖開立體圖。
圖4a與4b顯示圖3的逆向流動釋放閥之操作的示意圖。
圖5a與5b顯示用於陰極出口流動液體分離的兩種不同結構之示意圖。
100‧‧‧燃料電池系統
110‧‧‧燃料電池堆
119‧‧‧燃料管線
120‧‧‧排放截止閥
121‧‧‧陰極出口管線
122‧‧‧陰極排放管線
123‧‧‧空氣入口管線
124‧‧‧空氣入口
125‧‧‧陰極注水管線
126‧‧‧陰極空氣入口埠
127‧‧‧陰極注水入口
128‧‧‧水返回管線
129‧‧‧加熱器
130‧‧‧熱交換器
131‧‧‧水分離器
132‧‧‧水泵
133‧‧‧空氣壓縮機
134‧‧‧空氣入口熱加熱器
135‧‧‧流量計
136‧‧‧空氣過濾器
137‧‧‧空氣過濾器
138‧‧‧空氣加熱器
139‧‧‧冷卻風扇
140‧‧‧水包圍容器
141‧‧‧冷卻劑管線
142‧‧‧三向閥
143‧‧‧加熱器
144‧‧‧水溢流管線
145‧‧‧燃料加熱器
150‧‧‧燃料供應源
151‧‧‧減壓閥
152‧‧‧致動閥
153‧‧‧螺線管致動閥
154‧‧‧減壓閥
155‧‧‧燃料入口管線
156‧‧‧陽極入口
157‧‧‧壓力釋放閥
158‧‧‧壓力釋放排放管線
159‧‧‧陽極出口
161‧‧‧致動閥
162‧‧‧手動操作閥
163‧‧‧陽極排放水分離器
164‧‧‧陽極排放管線
165‧‧‧陽極出口管線
TX1‧‧‧溫度感應器
TX2‧‧‧溫度感應器
TX3‧‧‧溫度感應器
TX4‧‧‧溫度感應器
TX5‧‧‧溫度感應器
TX7‧‧‧溫度感應器
PX1‧‧‧壓力感應器
PX2‧‧‧壓力感應器
PX3‧‧‧壓力感應器
PX4‧‧‧壓力感應器

Claims (27)

  1. 一種用於關掉含有燃料電池堆的燃料電池系統之操作的方法，該方法包含以下步驟：i)停止供應燃料到此燃料電池堆；ii)關閉一個與燃料電池系統的陰極系統呈流體相通的排放管線上之截止閥，該陰極系統包含一條通過燃料電池堆的陰極流體流動路徑；iii)藉由一個與燃料電池堆中的陰極空氣入口埠呈流體相通的空氣壓縮機而加壓該陰極系統；以及iv)通過一陰極注水管線，其係與該燃料電池堆內的陰極注水入口呈流體相通而將水從陰極流動路徑中排出去。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該步驟iv)另包含通過以下的一個或多個元件而將水從陰極流動路徑排出去：一水分離器；一熱交換器；以及一水返回管線。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，水從該陰極流動路徑被吐出到一個熱絕緣包圍容器內。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，水透過水分離器而被吐出到陰極流動路徑的排放管線內且進入該包圍容器。
  5. 如申請專利範圍第3或4項之方法，其中，該包圍容器是一個真空絕緣的燒瓶。
  6. 如申請專利範圍第3或4項之方法，其中，該包圍容器包含一泵，其被建構成能夠將來自包圍容器的水提供到燃料電池堆中的注水入口內。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，該泵的泵頭部係被該包圍容器內的水所淹沒。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中，該泵的一個馬達部係被放置於該包圍容器的一個水包圍體積外，該馬達部係藉由一根驅動軸而連接到該泵頭部。
  9. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，操作該空氣壓縮機，直到存在於排放管線內以及燃料電池堆與包圍容器之間的注水管線中的水實質上全部被吐入該包圍容器內為止。
  10. 如申請專利範圍第3或4項之方法，另外包含一個後續步驟：v)藉由一個恆溫控制的加熱元件，將該包圍容器內的水保持在一個預設的溫度以上。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，在關閉該截止閥之後，該恆溫控制加熱元件失去作用達一段預設的時間。
  12. 如申請專利範圍第3或4項之方法，其中，該包圍容器包含一個加熱器，該加熱器被建構成在燃料電池系統關掉之後可解凍該包圍容器內的水。
  13. 如申請專利範圍第3或4項之方法，其中，水透過熱交換器與水分離器而被吐入該包圍容器內。
  14. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，從陰極流動路徑所吐出來的水，在通過水分離器且進入包圍容器之前，可通過該熱交換器。
  15. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中，在關閉該截止閥之後，空氣壓縮機操作達一段預設時間。
  16. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中，操作該空氣壓縮機直到陰極流動路徑內的水達到預定水位為止。
  17. 一種燃料電池系統，包含：一燃料電池堆；一陰極系統，具有一條陰極流體流動路徑，該陰極流體流動路徑包含陰極空氣入口管線、一個位於燃料電池堆內的陰極體積、及陰極出口管線，這些部位係串連起來且其結構能允許空氣通過該燃料電池堆；一空氣壓縮機，係與該陰極空氣入口管線呈流體相通；一熱絕緣包圍容器，係被建構成可容納來自陰極流動路徑且通過一水返回管線的水且可通過一陰極注水管線而提供水至該燃料電池堆內的陰極注水入口；其中，該燃料電池系統被建構成當關掉此系統的操作時，透過水返回管線，可以將水從陰極流動路徑吐出到包圍容器內。
  18. 如申請專利範圍第17項之燃料電池系統，其中，該包圍容器被流體式地連接到一條注水管線，該注水管線包含一個位於燃料電池堆內的陰極注水入口，該注水管線被 建構成可允許水從燃料電池堆的陰極體積通過到該包圍容器內。
  19. 如申請專利範圍第18項之燃料電池系統，其中，該注水管線包含一個逆向流動釋放閥，當橫跨該閥體的壓力差與該燃料電池系統操作期間之壓力差顛倒時，該釋放閥之結構可允許水從陰極流動路徑通過到該包圍容器內。
  20. 一種逆向流動釋放閥，包含：一第一供應埠；一第二供應埠；一止回閥，係位於一條在第一供應埠與第二供應埠之間延伸的主要流體通道內，該止回閥被建構成可允許流體從第一供應埠通過到第二供應埠且阻止流體以相反方向通過；一條旁通流體通道，係與該主要流體通道呈流體相通；及一密封閥，其包含一彈性隔膜，該彈性隔膜的一表面係受到偏壓而緊靠著該旁通通道與一淨化埠之間的旁通通道之一端；其中，該密封閥被建構成當第一供應埠內的流體壓力超過第二供應埠的流體壓力以防止流體從該主要流體通道透過該旁通流體通道而流到淨化埠時，可維持該旁通通道的密封，而且當第二供應埠的流體壓力超過第一供應埠的流體壓力時，可允許流體從第二供應埠透過旁通流體通道而流到淨化埠。
  21. 如申請專利範圍第20項之逆向流動釋放閥，其中，該密封閥被建構成當第二供應埠的流體壓力超過第一供應埠的流體壓力達到預定量時，可允許流體從第二供應埠透過該旁通通道而流到淨化埠。
  22. 如申請專利範圍第21項之逆向流動釋放閥，其中，該預定量不小於300mbar。
  23. 如申請專利範圍第20項之逆向流動釋放閥，其中，該彈性隔膜的一相反表面係與該第一供應埠形成流體相通。
  24. 如申請專利範圍第20至22項中任一項之逆向流動釋放閥，包含一個延伸於第一供應埠與密封閥之間的連接流體通道。
  25. 一種燃料電池系統，包含如申請專利範圍第20項之逆向流動釋放閥，其中，該逆向流動釋放閥的第二供應埠係被連接至一條陰極注水管線，該第一供應埠係被連接至一泵，且該淨化埠係與該一個水包圍容器的內部體積形成流體相通。
  26. 一種燃料電池系統，包含：一燃料電池堆；一陰極系統，具有一條陰極流體流動路徑，該陰極流體流動路徑包含陰極空氣入口管線、一個位於燃料電池堆內的陰極體積、及陰極出口管線，這些部位係串連起來且其結構能允許空氣通過該燃料電池堆；一熱交換器； 一水分離器，其係經由該熱交換器而連接至該陰極流體流動路徑的陰極出口管線上；其中，該水分離器的一條注水出口管線係透過第一水返回管線而連接至一個水包圍容器。
  27. 如申請專利範圍第26項之燃料電池系統，包含在該第一水返回管線中之一水泵。
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