CN100533832C - 液体冷却燃料电池堆叠体 - Google Patents

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Abstract

提供了一种液体冷却燃料电池堆叠体包括燃料电池模块，其包括一个或多个膜电极组件(MEA’s)；包括冷却沟槽的冷却板；与每个冷却沟槽入口相通的歧管盒；和位于歧管盒中的扩散体，其相对于冷却沟槽入口具有均匀分布的多个扩散体出口。代表性地使用两室歧管盒，以实现在堆叠体相对面的冷却沟槽中冷却剂在相对方向的逆向流动。代表性地，堆叠体环绕其外部绝热。

Description

液体冷却燃料电池堆叠体
本发明是在由DOE授予的合作协议为DE—FC02—99EE50582的政府支持下做出的。政府在本发明中具有确定的权利。
发明领域
本发明涉及一种提供了贯穿堆叠体冷却并均匀温度操作的液体冷却燃料电池堆叠体。
发明概述
简要地，本发明提供一种液体冷却燃料电池堆叠体包括：含有一个或多个膜电极组件(MEA’s)的燃料电池模块、含有冷却沟槽的冷却板、与每个冷却沟槽入口相通的歧管盒和在歧管盒之中的扩散体，该扩散体具有相对于冷却沟槽入口均匀分布的多个扩散体出口。代表性地使用两室歧管盒，使得在堆叠体相对面上冷却沟槽中的冷却剂在相反方向上逆流。代表性地堆叠体环绕其外表面而绝热。
本领域中没有描述，并且在本发明中提供的是一种装置，该装置通过提供均匀的冷却剂流动、冷却剂逆向流动和外部绝热使得贯穿燃料堆叠体冷却并保持基本均匀的温度。
本发明的一个优势是在维持贯穿堆叠体基本均匀温度时提供一种用于燃料电池堆叠体的冷却。
附图简介
图1是描述用于本发明实践中燃料电池堆叠体正交投影的等角投影图。
图2是用于本发明实践中歧管盒和扩散体的分解图。
图3是用于本发明实践中歧管盒和扩散体的分解图。
图4是描述依照本发明(迹线A)和比较燃料电池堆叠体(迹线B)的堆叠体温度变化作为燃料电池堆叠体发热函数的图。
发明详述
燃料电池堆叠体的操作引出冷却一块发电装置的问题，该发电装置在三维延伸表现为大块的形式并且在维持贯穿块均匀温度时始终产生大量的热。
本发明提供一种液体冷却燃料电池堆叠体包括：含有一个或多个膜电极组件(MEA’s)的燃料电池模块、含有冷却沟槽的冷却板、与每个冷却沟槽入口相通的歧管盒和在歧管盒之中的扩散体，该扩散体代表性地具有相对于冷却沟槽入口而均匀分布的多个扩散体出口。代表性地使用两室歧管盒，使得在堆叠体相对面上冷却沟槽中的冷却剂在相反方向上逆流。代表性地堆叠体环绕其外表面而绝热。
燃料电池利用例如氢的燃料和例如氧的氧化剂以产生电流。两种化学反应物，例如燃料和氧化剂，在含有催化剂的两个隔离电极上分别地反应。离子交换元件位于电极之间以防止两种反应物的直接化学反应和离子传导。在典型的氢燃料电池的情况下，离子交换元件是离子传导膜(ICM)。该传导膜ICM将质子(H+)从氢电极传导到氧电极上。电子沿隔离的外部电子通道流通，因此产生电流。通常将ICM和电极的结合物称作“膜电极组件”或MEA。可直接将催化剂电极材料涂覆于ICM上以形成催化剂涂布膜(CCM)。代表性地施加液体传输层于ICM的每个面上，这被称作气体扩散层(GDL)、扩散体/电流集电极(DCC)或者液体传输层(FTL)。GDL是多孔材料层，该多孔材料具有导电性并且是反应物和产物液体的流动的通道。典型的气体扩散层含有通常以纸或者布的形式的碳纤维。术语MEA描述了与GDL连接或未连接的CCM。术语5层MEA特别地描述连接有GDL’s地CCM。在制造过程中可以将催化剂电极层应用于ICM或GDL，只要它们在完成MEA中位于ICM和GDL之间，以使得得到的5层MEA包括顺序的GDL、催化剂、ICM、催化剂GDL。在本发明的实践中，可以使用任何适宜的MEA。
代表性地将MEA夹于两个刚性板之间，该刚性板是公知的分布板、双极板(BPP’s)或单极板。类似于GDL，分布板必须是导电性的。分布板典型地由碳化合物、金属或电镀金属材料制成。代表性地通过雕刻、碾轧、浇铸或冲压在面对MEA的表面里的一个或多个液体引导沟槽，分布板将反应物或产物液体分布到MEA电极表面和从电极表面移出。这些沟槽有时设计成流动区域。分布板可将液体分布到堆叠体中两个连续的MEA’s中和从中移出，其中一个面引导燃料到第一MEA的阳极且另一个面引导氧化剂到下一个MEA的阴极(并且除去产物水)，因此术语“双极板”。可选择地，分布板可以仅在一侧上具有沟槽，使得仅从这侧在MEA中分布液体或者移出，把这个称作“单极板”。在本领域中使用的术语双极板代表性地同样包含单极板。典型的燃料电池堆叠体包括许多与双极板交替堆叠的MEA’s。
在使用中MEA维持加压。参考给定的MEA选择加压的程度以避免过加压或者欠加压。欠加压会导致在不同层之间的电接触不足和在垫圈的密封不足。因为在GDL中封闭了气孔或因为使GDL塞入(tenting)进入到分布板的流动区域沟槽中，过加压会导致损害MEA和气体通道的闭塞。通过以普通的压力共同加压堆叠体中所有的MEA’s的装置来加压MEA’s，例如使用位于堆叠体周边或穿透堆叠体中央的尖端杆、长螺钉或紧固装置。可选择地，通过使用例如在同日提交的共同待批的专利申请号10/294,224中描述的机构来加压MEA’s。在这个系统中，加压板与燃料电池模块交替布置并且通过连接一对加压板的机械联接的作用单独地加压每一个燃料电池模块。其中描述的加压板可以是两用的作为冷却板，这将在下面介绍。
在使用过程中MEA产生有效的热，且因此需要一些装置用于移出热。贯穿堆叠体温度的一致对于避免加热器或冷却器场所有害的影响是重要的，包括性能的下降和对MEA的损害。本发明关注一种液体冷却的燃料电池堆叠体。
参考图1，用于本发明实践中的燃料电池堆叠体包括与燃料电池模块(20)交替堆叠的冷却板(10)。燃料电池模块(20)包括至少一个膜电极组件(MEA)(30)且含有两个或更多的MEA’s(30)。在MEA’s(30)中插入分布板(40)以形成燃料电池模块(20)。冷却板(10)可以由任何适宜的材料制成。冷却板(10)代表性地由导热材料例如金属或电镀金属材料制成。代表性地冷却板由导电材料组成。另外考虑的包括重量、成本和可制造性。代表1性地，冷却板是铝。冷却板(10)包括代表性地在板相对侧具有入口和出口的液体冷却沟槽(111)。冷却沟槽可以具有任何适宜的横截面形状，例如圆形、矩形、椭圆形等等。代表性地，燃料电池模块(20)包括一个或两个MEA’s(30)使得每个MEA(30)接近至少一个冷却板(10)。
冷却板(10)包括入口和出口部分，以与外部的歧管(121，122，123，124)相适应，使得传递反应物或者产物液体给分布板(40)和从其移出，分布板依次传递反应物或产物液体给MEA’s(30)和从其移出。因此入口和出口部分包括反应物/产物通道用于给所述分布板传输液体和/或从其移出。冷却板(10)的入口和出口部分经由O环密封垫与分布板(40)中的部分相合。因为入口和出口部分携带对冷却板(10)的材料具有腐蚀性的液体，所以入口和出口部分在其内表面上涂布有抗腐蚀剂或者安装与冷却板材料不同材料的插入片，代表性地与在其中传输的反应物或产物是惰性的材料，可以包括聚醚醚酮(PEEK)聚合物。选择地，反应物/产物歧管在燃料电池堆叠体内部。在内部歧管的情况下，每个歧管包括一连串的穿过连续的燃料电池模块(20)和冷却板(10)的相符合的孔，代表性地在每个板或模块的平面的直交的方向上。代表性地，O环或其它密封垫位于燃料电池模块(20)和冷却板(10)之间以形成密封的歧管通路。反应物和产物的歧管与每个燃料电池模块(20)中的通道相通，其通向分布板(40)的适当沟槽。
图1描述了其中冷却板同时作为加压板的系统，正如同日提交的共同待批专利申请号10/295518中描述的。通过包含插销(50)的机械联接来连接一对加压板(10)，其中插销(50)通过螺钉(60，61)保持在适当的位置。插销(50)必须是非导电性的，以避免燃料电池模块(20)的短路，并且代表性地包括坚固的非导体的聚合体例如聚醚醚酮(PEEK)。
参考图2和3，在本发明实践中有用的液体传输装置包括歧管盒(200，201，202)。所述的歧管盒包括盒体(200)和盖子(201)，通过螺丝孔(205)的螺丝盖子与垫圈(202)结合到盒体上。通过歧管盒和冷却板中螺丝孔(210，211)的螺丝歧管盒结合到堆叠体(见图1)。歧管盒盒体(200)必须由非电传导性材料制成或者必须与堆叠体电绝缘，否则会产生燃料电池模块的短路。歧管盒出口(220)与冷却板的冷却沟槽(111)的入口相通(见图1)。外部冷却液体源例如蛇管或与冷却液体泵相连接的导管连接到歧管盒入口(230)。扩散体(240)位于歧管盒的内部。扩散体(240)具有与歧管盒入口(230)相通的扩散体入口(250)以接收所有液体冷却剂流到歧管盒入口(230)。扩散体(240)具有多个沿其长度分布的扩散体出口(260)。扩散体出口(260)的分布可以是任何适宜的方式，使得在歧管盒外部的扩散体中保持基本均匀的冷却剂液体压力。代表性地，参考歧管盒出口(220)的位置均匀的分布扩散体出口(260)且因此参考冷却板的冷却沟槽(111)的位置(见图1)。代表性地，切割扩散体出口(260)使得与进入到扩散体(240)的流向垂直。扩散体(240)在其远端闭合。可选择地，扩散体包括网眼、织物或其它渗透性的结构，该结构具有在歧管盒外部的扩散体中保持基本均匀的冷却剂液体压力的能力。
在本发明的一个实施例中，图2和3中描述的，歧管盒(200，201，202)分成两个室，即入口室(270)和出口室(280)。入口室(270)的功能如上面所述。出口室(280)通过歧管盒收集端口(281)与冷却板的冷却沟槽(111)的出口相通(见图1)，并且使得冷却液体通过歧管盒出口(282)、通常经软管或导管流出到外部冷却液体蓄池或冷却液体泵。在出口室(280)中不需要扩散体。在堆叠体每个面上安装两室歧管盒引起冷却剂相反方向的流动，其在相对的方向上通过在堆叠体相对面上的沟槽，因为多个第一冷却沟槽在冷却板第一面上具有冷却沟槽入口和在冷却板第二面上具有冷却沟槽出口，并且多个第二冷却沟槽在第二面上具有入口和在第一面上具有出口。结果，提供了四个歧管为以下进行供给：多个第一冷却沟槽的冷却沟槽入口；多个第一冷却沟槽的冷却沟槽出口；多个第二冷却沟槽的冷却沟槽入口；和多个第二冷却沟槽的冷却沟槽出口。所得到的相反方向的流动提高了堆叠体上温度的均匀性。
本发明的实践中，堆叠体代表性地以热绝缘材料包覆使得堆叠体内部和外部的部分保持类似的温度。可以使用任何适宜的绝热材料例如绝热玻璃纤维等等。热绝缘材料代表性地具有至少是3的R值(R-value)，更具有代表性的至少是5，且更具有代表性的至少是8。堆叠体代表性地是基本在所有的至少两个面绝热，并且更具有代表性地是基本在所有的四个面绝热。
本发明对于燃料电池堆叠体和系统的设计、制造和操作都是有用的。
在随后的实施例中对本发明的目标和优势进行进一步的描述，但是在这些实施例中叙述的详细的材料和数量以及其它条件和细节并不解释为对本发明不适当的限制。
实施例
基本按照图1的燃料电池堆叠体安装有基本按照图2和3的歧管盒，使用或不使用扩散体(240)。在这两种情况中，使用绝热玻璃纤维材料包覆堆叠体。图4报告测量了在不同功率水平下扩散体(轨迹A)和没有扩散体(比较轨迹B)情况下的测量的冷却板最顶端和最低端之间的温度差。在每个运转中所有变量都是相同的，除了当使用扩散体时冷却剂流速是4.5L/min和当不使用扩散体时冷却剂流速是3.1L/min。
在不超出本发明范围和原理的情况下本发明多样的修改和变更对本领域技术人员来说是显然的，并且可以理解的是本发明不局限于上文提出的实施例中的描述。

Claims (2)

1、一种液体冷却燃料电池堆叠体，包括：
一个或多个燃料电池模块，每个燃料电池模块包括至少一个膜电极组件；
一个或多个冷却板，每个冷却板包括多个均具有冷却沟槽入口和冷却沟槽出口的冷却沟槽；
具有第一歧管盒入口的第一歧管盒，其通过一个或多个第一歧管盒出口与冷却沟槽入口相通；
位于所述第一歧管盒中的第一扩散体，其具有a)与所述第一歧管盒入口相通的第一扩散体入口以接收流入所述第一歧管盒入口的所有液体冷却剂，和b)多个第一扩散体出口；和
第二歧管盒，其中所述第一和第二歧管盒安装在所述液体冷却燃料电池堆叠体的相对面上，所述第一和第二歧管盒是均包括入口室和出口室的两室歧管盒，且所述出口室通过歧管盒收集端口与冷却沟槽出口相通，
其中在扩散体外的所述第一歧管盒中保持基本一致的冷却剂液体压力。
2、一种液体冷却燃料电池堆叠体，包括：
一个或多个燃料电池模块，每个燃料电池模块包括至少一个膜电极组件；
一个或多个冷却板，每个冷却板包括多个均具有冷却沟槽入口和冷却沟槽出口的冷却沟槽；
具有第一歧管盒入口的第一歧管盒，其通过一个或多个第一歧管盒出口与冷却沟槽入口相通；
位于所述第一歧管盒中的第一扩散体，其具有a)与所述第一歧管盒入口相通的第一扩散体入口以接收流入所述第一歧管盒入口的所有液体冷却剂，和b)相对于所述冷却沟槽入口均匀分布的多个第一扩散体出口；和
第二歧管盒，其中所述第一和第二歧管盒安装在所述液体冷却燃料电池堆叠体的相对面上，所述第一和第二歧管盒是均包括入口室和出口室的两室歧管盒，且所述出口室通过歧管盒收集端口与冷却沟槽出口相通。
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