CN101107743B - 燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结 - Google Patents

燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结 Download PDF

Info

Publication number
CN101107743B
CN101107743B CN2005800450394A CN200580045039A CN101107743B CN 101107743 B CN101107743 B CN 101107743B CN 2005800450394 A CN2005800450394 A CN 2005800450394A CN 200580045039 A CN200580045039 A CN 200580045039A CN 101107743 B CN101107743 B CN 101107743B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
water
condenser
aquaporin
cell powerplant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2005800450394A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101107743A (zh
Inventor
C·A·赖泽
J·P·迈尔斯
D·D·约翰逊
C·E·埃文斯
R·M·达林
T·斯基巴
R·J·巴利特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
UTC Power Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by UTC Power Corp filed Critical UTC Power Corp
Priority claimed from PCT/US2005/045697 external-priority patent/WO2006071580A2/en
Publication of CN101107743A publication Critical patent/CN101107743A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101107743B publication Critical patent/CN101107743B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

燃料电池(38)具有提供了通过反应物气体流场板的水以便冷却燃料电池的水通道(67)。水通道可由多孔塞(69)通至大气，或者进行抽吸且将任何水从通道中移除或是不移除。冷凝器(59)接受反应性空气排气，其可具有邻接的容器(64)，并且可为竖直的(图2的车辆散热器)、可为水平的，且邻接燃料电池组顶部或者是在燃料电池组下面。通道可为槽，或可包括与反应物气体流场板的一个或这二者的基本上整个表面邻接的多孔性亲水性材料的平面。冷凝器中的空气流可受挡板的控制。冷凝器可以是使防冻流体流过其盘管的热交换器，流量是受阀控制的。可使用去离子器。

Description

燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结
技术领域
本发明涉及具有将水提供给反应物气体流道的水通道的燃料电池，其中水以与电池内产生的废热成比例的方式而蒸发；从排出的反应物气体中冷凝出的水返回到水通道中，水通道可以是端部封闭的或是带排放口的，其接受来自将水从排出燃料电池的空气中移除的冷凝器的冷凝物。
背景技术
蒸发式冷却的燃料电池在燃料电池领域是已知的，从而得到蒸发热的好处，这与将显热输送给穿过电池的循环水或穿过冷却剂板的冷却剂不同。典型的是，先前实现蒸发性冷却的方法已采取了两种形式之一。在第一种形式中，将水大量地雾化成反应物气体中的一种或二者的气流。
现有技术的方法中的另一种形式利用毛细作用结构(wicking)将水带到电池中。一个新近的示例显示在美国公开文献2004/0170878中，其在此简要地显示在图1中。燃料电池11具有设置在扩散层13上的毛细作用结构条12，扩散层13与膜电极组件(MEA)14中的阴极催化剂密切接触。燃料电池11包括阳极18，其在上述公开中没有涉及到冷却。燃料电池通过隔板21与电池组中的下一个电池20隔开。类似的隔板(未示出)设置在图1中所示的燃料电池的顶部上。
为了给毛细作用结构12提供水，毛细作用结构集管22在燃料电池的与进入间隔24的空气流相对的一端延伸跨过所有燃料电池的端部，间隔24在毛细作用结构12之间并且包括氧化剂反应物气体流场。由泵26将空气通过歧管27供应到每个燃料电池的入口28中。
在图1中，空气流通过出口集管31排放到冷凝器32中，冷凝器32将空气排放到排气装置(exhaust)中，而将冷凝物输送到容器33中。容器33中的水被引导到毛细作用结构集管22中。
在上述公开中介绍的毛细作用结构蒸发性冷却据称需要来自在燃料电池动力装置外的源的外部水，这是由于在阴极产生的水(处理用水)据说不足以实现必要的冷却(除了在启动时)。这在依赖美国专利4,826,741中的毛细作用结构的蒸发式冷却的燃料电池组中也是实际存在的。其中，100cm2的电池在100-120mA/cm2(108-130A/ft2)下仅具有0.7-0.8v的性能。此外，尽管据称在毛细装置中具有与水流相同方向的空气流将克服那个难题，但是，沿着其中每一个毛细作用结构的长度的毛细管压力差必须大于沿着相邻空气流场通道的压降，以便具有正的毛细作用速度。
因此，依赖毛细作用结构的蒸发性冷却的燃料电池需要外部水、具有有限的平面形状(planform)尺寸，并且其性能受到较小电流密度的限制。
为了输送足够的水，以便从位于电池周边的毛细作用结构集管22给需要冷却的电池所有部位提供必要的蒸发性冷却，则需要相当多的毛细作用结构，从而使每个燃料电池都比在有限体积内所可接受的厚度要更厚，而该有限体积对于车辆应用来说是受到限制的。
发明内容
本发明的一些方面包括：比现有技术所已知的燃料电池更厚的燃料电池；在燃料电池中使用蒸发性冷却，其中，提供给燃料电池的水供应可独立于空气供应中的压力而进行控制；燃料电池的蒸发性冷却，其中，提供给电池的水供应独立于提供给燃料电池膜电极组件的反应物气体的供应；蒸发式冷却的燃料电池，其能够具有大的平面形状面积，并且能够在高电流密度下运转；蒸发式冷却的燃料电池，其在冰点以下的气候条件中处于无负荷或低负荷条件下时可防止部件的冻结；以及用于车俩的和其它应用的改进的燃料电池。
根据本发明，在燃料电池动力装置中的燃料电池由在微细通道中供应的水进行蒸发式冷却，微细通道可包括具有在平面内的(也就是平行于气体流)的透水性材料，微细通道邻接于或处于亲水性多孔性反应物气体流场板的第一表面内，流场板具有在流场板的相对表面带排放口的反应物气体流道。每个微细通道都与可接受来自阴极排气的冷凝物的水容器流体连通。
根据本发明的一优选实施例，供应到微细通道的水供应可另外用真空泵来改善。泵只是在电池组的通道部分中提供恰当的压力，以便确保水位将到达电池组内的通道的所有部分。在一些实施例中，水可流过通道，以便改善气泡移除和/或提供流过诸如去离子器的水清洁系统的流动。然而，本发明还可以端部封闭的水通道进行实施。
根据本发明的另一个可选实施例，利用供应到亲水性多孔性反应物气体通道板的表面的水进行蒸发性冷却的燃料电池组，能够以固定的空气流运转，这与固定的空气利用率不同，空气流足以控制在适度的高电流密度下的最高电池组温度。另外，根据本发明的这个可选实施例，空气流率可根据在燃料电池内的温度分阶段地进行控制。
在本发明中，水从上述微细通道或可渗透的材料穿过垂直于其平面的流场板，这与现有技术的与燃料电池的平面平行地引导水的毛细作用结构不同。因此，水仅从微细通道或可渗透的材料行进很短的距离，并且通过多孔性材料到达其所蒸发的地方的反应剂通道表面，该距离通常小于0.5mm。
本发明允许以与跨过反应气流通道的压降分开的方式对水进行管理，以用于蒸发性冷却，其中，水将迁移到反应气流通道中。本发明允许单个的燃料电池比现有技术所已知的性能相当的那些燃料电池更薄。
冷凝器可使用未受控的周围空气来冷却阴极排气，或者，空气的量也许可相对于来自电池组的空气排气温度进行控制；在其它实施例中，阴极排气可通过与另一种流体(诸如在预期工作环境内防冻的流体)进行热交换进行冷却，穿过热交换器的流体的量是可控制的。
在清楚了本发明的如附图所示的示范性实施例的以下详细描述之后，本发明的其它方面、特征和优点将变得更加清楚。
附图简述
图1是采用现有技术所已知的毛细作用结构的蒸发式冷却的燃料电池的局部透视图。
图2是采用本发明的燃料电池动力装置的简化的透视图。
图3是采用本发明的一对燃料电池的局部截面侧视图，其中为了清楚而省略了剖面线。
图4是本发明的带排放口的实施例的简化框图。
图5是图2的燃料电池动力装置36的实施例的局部视图，其中空气出口歧管包括设置成与燃料电池组的顶部邻接的冷凝器。
图6显示了根据温度对空气流进行控制。
图7是在本发明中采用了可渗透水的平面的一对燃料电池的局部截面侧视图，其中为了清楚而省略了剖面线。
图8是采用了本发明另一实施例的具有向下的氧化剂反应物气流的燃料电池动力装置的简化透视图。
图9是用于本发明的外部冷凝器的一种备选形式的局部简化透视图。
图10是采用了具有冷凝器的辅助热交换回路的本发明一实施例的程式化简化框图。
图11是采用了去离子器的本发明一实施例的简化示意图。
本发明的实施方式
现在参见图2，根据本发明的燃料电池动力装置36包括燃料电池38的组37，燃料电池38显示为垂直地设置，但是它们也可水平地设置。
在这个实施例中，来自源41的燃料提供给燃料入口42并且沿着第一燃料通路(如粗体箭头43所示)向右流到燃料转向歧管44中。可燃气体然后向下流动并且进入燃料流场的第二燃料通路中，其中可燃气体向左流动(如粗体箭头45所示)。燃料可从燃料出口47流过循环泵48(或许具有未示出的阀)而返回到燃料入口42，并且可通过阀49周期性地排放到周围环境中，所有这些都是为本领域所已知的。可采用单个通路、三个通路或其它燃料流构造。
在图2的实施例中，空气是由泵52提供给空气入口53的，并且空气向上流过燃料电池38的氧化剂反应物气体流道(如空心箭头54所示)。空气从空气出口57流过管道58并且流到冷凝器59中，冷凝器59在车辆上时可为传统的散热器。排出的空气通过排气装置62。来自冷凝器59的冷凝物可进行引导(直接地或在图4中所示的管道63内)，以便积聚在容器64中，容器64通过水返回管道65与水入口66连通。水然后流过流体管道(典型的是微细通道67)并且进入每一个燃料电池38中；通道67可终止于出口歧管68，从出口歧管68并且通过出口(诸如多孔性疏水塞出口69)提供了将空气从通道中的移除；或者，当在任何特定的情况下是合适的时，通道可以是端部封闭的。
尽管有水入口66而没有水出口，但是水只是存在于各个燃料电池中，如关于图3所更全面地介绍的那样。在图3中，本发明的一个实施例包括燃料电池38，其中每一个都包括传统的膜电极组件72，膜电极组件72包括电解质和在其相对侧的阳极催化剂和阴极催化剂，并且可包括在一个或两个电极上的气体扩散层。
在图3的实施例中，燃料反应物气体流过在燃料反应物气体流场板75中的通道74，在这个实施例中，燃料反应物气体流场板75包括槽76，槽76和相邻燃料电池的槽77一起形成了微细水流通道78。在阴极侧上，氧化剂反应物气体流场板81包括空气流通道82和槽83，槽83和在相邻燃料电池上的槽84一起形成了微细通道85。
为了防止溢流，优选的是，反应物气体的压力至少比通道中的水的压力高几千帕。这作为空气泵52的结果将自然地产生，空气泵52一般使空气远高于大气压力，并且燃料的压力很容易进行调节，如已知的那样。在图2的实施例中，管道65内的水处于大气压力下。然而，可通过多种传统的装置以不同于大气的压力而提供水，假设反应物气体如所介绍的那样具有稍微较高的压力。如果在任何情况下是合适的，可取消收集器64，而冷凝器的冷凝物直接输送到水入口66中。
在其它实施例中，通道的形成可不同于通过如图所示的对槽进行匹配。水通道67可仅提供在反应物气体流场板75、81中的一个内。本发明可用于具有实心隔板的燃料电池组中；或者是冷却器板(如果认为必要)，在此情况下，其中的冷却剂流量完全独立于本发明的蒸发性冷却。
反应物气体流场板75、81看来像是与燃料电池动力装置中的水输送板相同(有时称为细孔板)，该燃料电池动力装置利用流过水输送板的大量的水，并且进行外部的水处理，这公开在美国专利5,700,595中。然而，当使用蒸发性冷却时，与上述′595专利的显热水流冷却相比，因为对单位体积水的冷却效率有约一百比一的改善，所以现有技术中的水流通道的横截面是本发明水流通道78、85横截面的几十倍。另外，水通道78、85(显示在图3的实施例中的燃料电池中的每个接缝处)和类似的在其它实施例中的流动通道的横向部分的间隔可隔开一定距离，该距离是在显热、水流冷却系统的水流通道的横向部分之间的间隔的若干倍，如在上述专利中所述的那样。水通道78、85的较小横截面和在其连续横向部分之间的较大距离允许反应物气体流场板75、81的厚度减少约三分之一。
本发明的另一个实施例显示在图4中。冷凝器59通过管线63与容器64连通。其中，出口歧管68与真空泵89(例如用于水族缸的微真空类型的泵)连通，以便提供足够的真空，而确保水位到达电池组37内通道的最高部分。在一些实施例中，泵89不会使任何水流过出口歧管68。然而，在一些实施例中，小的水流对帮助气泡到达出口和清洁电池组内水通道而言可能是必要的。此小水流例如可在蒸发进入反应剂通道的水的质量流率的约3％-30％的范围内。
在图5中，燃料电池组具有跨过其顶部并且相邻接地设置的冷凝器59，所述冷凝器59包括用以冷却电池组的空气排气装置的反应剂空气出口歧管。为了冷凝夹带的水，鼓风机95泵送空气通过多个冷却管96，冷却管96通过管道97通至阴极排气装置。冷凝物通过管线65a输送到容器64中，容器64包括组合的收集器/空气入口歧管，组合的收集器/空气入口歧管提供了管道65b与水输送入口66连通。如果容器64内的水不提供足够的压力，以便通道67(图2)的最高部分在其内具有水，那么，通道67可与出口99连通，以便以大气压力作为水压的参考；或者，通道67可通过出口99与微型真空泵89(图4)连通，只是为了提供额外的压力差，如上文中关于图4所介绍的那样。在图5中，为了清楚而省略了燃料部件。应该注意的是，其它构造和冷却流体也可用于冷凝器。
在图6中，控制器101将根据电池组的一个或多个电池的温度102来调节空气流。控制可以是连续的或分阶段的。或者，如果需要，控制可只是用来维持以电池组的更高电流密度来确保足够蒸发性冷却的恒定空气流(而不是维持恒定的空气利用率)，以便维持所希望的温度设定值。这样，平均电池温度将减少，从而延长电池组的寿命。
图7显示了本发明的另一个实施例；代替形成通道的槽的是材料78a、85a，其是导电的、亲水的并且具有高透水性，而且基本上在反应物气体流场板71、85的整个平面形状上延伸。这种材料可为碳纤维纸，其中纤维沿着水运动的方向对准，以便帮助在平面内的水渗透性，或者，这种材料可为传统上用作燃料电池扩散介质的其它材料。这与现有技术不同，如在上述专利公开中的那样，其中反应物气体流场板是非渗透性的，并且隔开的可渗透水的材料条在条与条之间限定了空气流通道。在那种情况下，任何水压都将产生溢流。在本发明中，水的压力(压头)可能无论如何都是相当必要的，以便确保遍及电池组的补给，而反应物气体压力可高于水压，以便避免溢流。
图8显示了燃料电池动力装置119的一部分，其中本发明可实施为具有包括燃料电池组120的向下流的构造。空气被提供到空气入口歧管122并且前进通过氧化剂流道而到达空气排放歧管123，并且因此进入冷凝器124。冷凝器124的流出口高于容器128的水线127。冷却空气由空气出口131排出，空气出口131可还包括满溢装置132，或者相邻于水满溢装置132。用于冷凝器124的冷却剂可包括如箭头134所示的周围空气。
提供给燃料入口歧管136的燃料向左流动，然后通过燃料转向歧管137，之后其向右流动，并且通过燃料排出歧管138流出。
来自容器128的水流过水管道141并到达下水歧管142。水进入水通道67(如上文中关于图2所介绍的那样)并到达燃料电池组的顶部，并且可能进入上水歧管143。
图8的实施例采用了蒸发性冷却，其中没有水流出上水歧管143。只有通过下水歧管142进入的水将代替被蒸发进入空气通道的那些水，如上文中关于图2和图3所介绍的那样。管道145提供了与微型真空泵146的流体连通，微型真空泵146不将任何液体从歧管143中引出，而只是施加足够的真空压力，以便确保水将通过电池组中的所有水通道而上升。微型真空泵146例如可包括用在小水族缸上那种类型的简易泵，花费仅为几美元。
为了防止溢流，优选的是，反应物气体至少比通道内的水的压力高几千帕。这作为传统的空气泵(未示出)的结果将在燃料电池动力装置的运转期间自然地产生，空气泵一般使空气远高于大气压力，并且燃料的压力很容易地进行调节，如已知的那样。在图8的实施例中，通道内的水处于大约大气压力下。然而，可通过多种传统的手段以不同于大气的压力来提供水，假设反应物气体如所介绍的那样具有稍微较高的压力。
根据在图9中所示的本发明的另一个方面，在其中燃料电池驱动电动车辆并且冷凝器基本上是车辆散热器的情况下，就减少了容器64内的冷凝物和管道65内的水冻结的可能性。当周围环境温度低于冻结温度并且负荷非常低(诸如向陡峭的山下行走)时，排放空气的废热可以是非常少的，这是因为几乎没有产物水产生和蒸发，并且任何被蒸发的水都可实际上在冷凝器59和/或返回通向燃料电池组的管道65内冻结。为了避免这一点，空气流控制器，例如多个挡板或其它空气流控制装置155，就设置在冷凝器59的周围空气入口侧，并且由控制器157控制，以便在较低温度和低负荷条件下，流过冷凝器的空气流是减少的。当为高负荷时，管道58内的阴极排气是温暖的，因此控制器157可打开挡板155，即使外界空气温度较低。而且，当外界空气温度较高时，控制器157可允许挡板打开，即使负荷较低并且管道58内的排放空气较冷时也是如此。
图10中显示了避免冷凝物冻结的另一种方式。其中，冷凝器59a包括热交换器，热交换器具有使阴极排放空气从中流过的一个盘管(或其它管道)160和使流体(诸如不会冻结的水/乙二醇混合物)从中流过的其它盘管(或管道)161。在这个示范性的实施例中，乙二醇混合物通过泵163提供给盘管161，泵163使乙二醇混合物流通过管道164，而到达具有盘管(或管道)165的周围空气热交换器59b中。来自盘管(或管道)165的流通过阀166，阀166是可由控制器167控制的，以便当处于寒冷温度下的低负荷时，阀166可被基本或完全关闭，从而不对从管道58流过盘管160的阴极排气进行冷却。在温暖天气或具有高负荷条件下，控制器167可打开阀166，以便给盘管(或管道)161提供冷却剂，从而冷却流过盘管(或管道)160的阴极排气。
盘管(或管道)160的流出物由管道170输送到空气/水分离器171中，空气通过排气装置62传到周围环境中，而水通过管道65返回传到燃料电池组中。因此，冷凝器可用未受控的周围空气、受控的周围空气或流体(诸如防冻流体)来冷却阴极排气。
图11中显示了本发明的另一个实施例。其中，去离子器175(有时称为″脱矿质器″)和止回阀176添加在上文中所述的、在电池组37、120的顶部具有出口68、143的那些实施例中。在那些实施例中，管线69a、145a通往止回阀176，而管线69b、145b从止回阀通往相关的泵89、146。去离子器175在泵89、146和容器64、128之间是流体连通的。因此，一部分水(可以为被蒸发水的质量流的大约3％-30％)从电池组37、120中抽出并经过去离子器175，然后通过容器64、128返回到电池组37、120内。一些水流可通过控制去离子器175周围的旁通阀而旁通绕过去离子器175，这在本领域内是已知的。在一些实施例中，去离子器可改为与冷凝器的出口连通(典型的是通过旁通流控制)。还可能的是，如果希望有用于其它目的如气体移除的较小水循环，则保持没有去离子器的水流构思。
止回阀176是可选的，并且设置成当关闭燃料电池动力装置时，可用于防止储存在电池组内的通道中的水通过亲水性多孔性板(一般称为″水输送板″)而″下降″到反应物气体流场通道中，在亲水性多孔性板内形成有水通道和反应物气体流场通道。
如果需要，在因寒冷气候而关闭时，水可从通道和冷凝器中排出。作为使用泵89、146的替代，可通过对流来驱动流过去离子器175的流，这是由于去离子器175的温度低于电池组37、120的温度。如果需要，可用与去离子器175串联的热交换器来加强对流。
上述的专利申请和专利通过引用整体地结合于本文中。

Claims (29)

1.一种燃料电池动力装置，包括：
燃料电池的组(37、120)，每个燃料电池都包括：电极组件(72)，所述电极组件(72)包括具有设置在其相对侧上的阴极催化剂和阳极催化剂的电解质；具有从其第一表面延伸的燃料反应物气体流道(74)的燃料反应物气体流场板(75)；具有从其第一表面延伸的氧化剂反应物气体流道(82)的氧化剂反应物气体流场板(81)，所述流场板中的至少一个是多孔性的和亲水的；以及设置在所述至少一个流场板的与其所述第一表面相对的第二表面上或附近的水通道(67；78、85；78a、85a)；
其特征在于：
所述水通道是带排放口(69、89、99、145)的，所述水通道包括(c)在所述至少一个流场板中的至少一个流体管道(78、85)或(d)与基本上整个所述第二表面邻接的材料(78a、85a)，所述材料是导电的、亲水的和可渗透水的，所述燃料电池动力装置进一步包括与至少一个所述燃料电池的反应物气体出口连通的冷凝器(59、124)，其中所述水通道(67；78、85；78a、85a)各自与排放口(69、89、99、145)连接，并且在所述排放口(69、86、99、145)处的水压小于或等于在所述冷凝器(59、124)出口处的水压；以及
所述冷凝器的冷凝物与所述燃料电池的所述水通道流体连通，水由此从所述水通道迁移通过所述至少一个亲水性多孔性反应物气体流场板中的每一个，并且蒸发以便冷却所述燃料电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
每个燃料电池都具有在所述燃料反应物气体流场板(75)和所述氧化剂反应物气体流场板(81)中的任一个或这二者的所述第二表面中的槽(76、77；83、84)，它们在装配所述燃料电池组时形成了所述水通道(78、85)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(59)与所述燃料电池组分开地设置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(59、124)中的空气流是竖向的。
5.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述燃料电池动力装置是设置在车辆中的，所述冷凝器(59)包括车辆散热器。
6.根据权利要求5所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(59、124)具有设置成邻接其底部的水容器(64、128)。
7.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：
接受所述冷凝物的水容器(64、128)，所述水通道(67；7 8、85；78a、85a)与所述水容器流体连通。
8.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述排放口(69、99)处于大气压力下。
9.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
在所述排放口(69、86、99、145)处的所述水压小于在所述冷凝器(59、124)出口处的所述水压；以及
通过将水推入所述水通道(67；78、85；78a、85a)的所述冷凝器排气气体的压力，来获得液体压力差。
10.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：
接受所述冷凝物的水容器(64、128)，所述水通道与所述水容器(64、128)流体连通；并且：
在所述冷凝器(59、124)中的所述水的液压将水推入所述水通道(67；78、85；78a、85a)中。
11.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
在所述排放口(69、89、99、145)处的所述液体压力充分地小于在所述冷凝器出口(59、124)处的所述水压，以便使水流出所述排放口。
12.根据权利要求11所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
脱矿质器(175)接受流出所述排放口(69、99、145)的水流，流出所述脱矿质器的水连同所述冷凝物返回到所述水通道的近端。
13.根据权利要求12所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
止回阀(176)置于在所述水通道和所述脱矿质器之间的流体连通处，以便允许水从所述排放口只向所述脱矿质器流动。
14.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：
与所述排放口连接的真空泵(89、146)，其以可确保冷却剂液位到达所述水通道(67；78、85；78a、85a)的所有部分的方式进行操作。
15.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：
与所述排放口连接的真空泵(89、146)，其以可确保冷却剂液位到达所述水通道(67；78、85；78a、85a)的所有部分而不产生流过所述排放口(69、89、99、145)的水流的方式进行操作。
16.根据权利要求12所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：
与所述排放口连接的真空泵(89、146)，其以可确保冷却剂液位到达所述水通道(67；78、85；78a、85a)的所有部分并且提供流过所述排放口(69、89、99、145)的水流的方式进行操作。
17.根据权利要求16所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
去离子器接受流出所述排放口的水流，流出所述脱矿质器的水返回到所述水通道中。
18.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(59)邻接并且覆盖所述电池组(37)的顶部。
19.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(59)在所述电池组(120)的下面。
20.根据权利要求19所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器(124)邻接所述电池组(120)的底部。
21.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述燃料电池组(37)包括空气入口歧管(64)，所述冷凝器(59)的冷凝物与所述空气入口歧管流体连通，所述空气入口歧管由此用作容器，所述水通道(67；78、85；78a、85a)与所述容器内的水流体连通。
22.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
水蒸发进入到在所述氧化剂反应物气体通道内流动的空气中，而在所述氧化剂反应物气体通道内的空气流在所有功率级下都保持恒定。
23.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
水蒸发进入到在所述氧化剂反应物气体通道内流动的空气中，而在所述氧化剂反应物气体通道内的空气流作为电池温度(102)的函数进行控制。
24.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器选自(e)由未受控制的周围空气流冷却的热交换器(59)、(f)由受控制的周围空气流冷却的热交换器(59)和(g)由不同于周围空气的流体冷却的热交换器(59a)。
25.根据权利要求24所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器是由周围空气冷却的热交换器(59)，其具有空气流控制器(155、157)，以便控制从中通过的周围空气流。
26.根据权利要求25所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述空气流控制器(155、157)包括挡板(155)。
27.根据权利要求24所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述冷凝器是由防冻液体冷却剂冷却的热交换器(59a)。
28.根据权利要求27所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
流过所述冷凝器的所述液体冷却剂的量受控制器(167)的控制。
29.根据权利要求27所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述液体冷却剂由另一热交换器(165)中的周围空气来冷却。
CN2005800450394A 2004-12-29 2005-12-15 燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结 Active CN101107743B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/027,332 2004-12-29
US11/027,332 US7504170B2 (en) 2004-12-29 2004-12-29 Fuel cells evaporatively cooled with water carried in passageways
US11/230,066 US7579098B2 (en) 2004-12-29 2005-09-19 Fuel cells evaporative reactant gas cooling and operational freeze prevention
US11/230,066 2005-09-19
PCT/US2005/045697 WO2006071580A2 (en) 2004-12-29 2005-12-15 Fuel cells evaporatively reactant gas cooling and operational freeze prevention

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101107743A CN101107743A (zh) 2008-01-16
CN101107743B true CN101107743B (zh) 2012-11-07

Family

ID=36612014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2005800450394A Active CN101107743B (zh) 2004-12-29 2005-12-15 燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结

Country Status (3)

Country Link
US (2) US7504170B2 (zh)
JP (1) JP5117861B2 (zh)
CN (1) CN101107743B (zh)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8182954B2 (en) * 2004-12-29 2012-05-22 Utc Power Corporation Full cells evaporative cooling and combined evaporative and sensible cooling
US7504170B2 (en) * 2004-12-29 2009-03-17 Utc Power Corporation Fuel cells evaporatively cooled with water carried in passageways
WO2006071580A2 (en) * 2004-12-29 2006-07-06 Utc Power Corporation Fuel cells evaporatively reactant gas cooling and operational freeze prevention
WO2007075173A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Utc Power Corporation Circulation of gas-entrained fuel cell coolant
US20070154744A1 (en) * 2005-12-30 2007-07-05 Darling Robert M Fuel cell coolant bubble control
US7754364B2 (en) * 2006-01-06 2010-07-13 Utc Fuel Cells Llc PEM fuel cell system with a porous hydrophobic plug for maintaining system back pressure and methods for designing the plug and for designing systems for using the plug
US8080344B2 (en) * 2006-05-16 2011-12-20 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell hybrid power generation system
TW200744247A (en) * 2006-05-24 2007-12-01 Asia Vital Components Co Ltd Thin fuel cell device
CN101501909A (zh) * 2006-07-25 2009-08-05 Utc燃料电池有限责任公司 燃料电池水管理
KR100784017B1 (ko) * 2006-11-20 2007-12-07 삼성에스디아이 주식회사 미반응 연료 재활용 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템
WO2008079143A1 (en) * 2006-12-20 2008-07-03 Utc Fuel Cells, Llc Hydrophobic layer for a fuel cell
US20100068568A1 (en) * 2006-12-29 2010-03-18 Darling Robert M Gas purge control for coolant in a fuel cell
US20100086817A1 (en) * 2006-12-29 2010-04-08 Tommy Skiba Water retention and gas ingestion control for a fuel cell
US20090214905A1 (en) * 2007-01-08 2009-08-27 California Institute Of Technology Direct methanol fuel cell operable with neat methanol
CN101999189B (zh) * 2008-04-08 2014-02-05 联合工艺公司 用于蒸发冷却式燃料电池的热天气操作的储蓄器
WO2010082921A1 (en) * 2009-01-13 2010-07-22 Utc Power Corporation Condenser for a fuel cell system
WO2011008189A1 (en) 2009-07-16 2011-01-20 Utc Power Corporation Variable air utilization increases fuel cell membrane durability
JP5529618B2 (ja) * 2010-04-21 2014-06-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
KR101800056B1 (ko) * 2010-10-06 2017-11-21 아우디 아게 위크에 의하여 증진된 물 통로가 구비된 증발 냉각식 연료 전지
WO2012087265A1 (en) * 2010-12-23 2012-06-28 Utc Power Corporation Hybrid bipolar plate for evaporatively cooled fuel cells
US20140045084A1 (en) * 2011-04-26 2014-02-13 United Technologies Corporation Internal steam generation for fuel cell
EP2705561B1 (en) * 2011-05-04 2016-09-21 Audi AG Freeze-resistant fuel cell condensers
US9310140B2 (en) * 2012-02-07 2016-04-12 Rebound Technologies, Inc. Methods, systems, and devices for thermal enhancement
DE102013211259A1 (de) 2013-06-17 2014-12-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Steuergerät zur Optimierung der Kühlung eines Hochvoltspeichers durch eine Klimaanlage
US10995993B2 (en) 2014-09-27 2021-05-04 Rebound Technologies, Inc. Thermal recuperation methods, systems, and devices
US9982923B2 (en) * 2014-11-19 2018-05-29 Hill Phoenix, Inc. Condensate removal tower
US10584904B2 (en) 2017-03-27 2020-03-10 Rebound Technologies, Inc. Cycle enhancement methods, systems, and devices
DE102017211268A1 (de) * 2017-07-03 2019-01-03 Audi Ag Anlage zum Behandeln von Wasser
CN112055738B (zh) 2018-02-23 2021-07-13 再合科技有限公司 凝固点抑制循环控制系统、方法和装置
KR102010287B1 (ko) * 2018-06-08 2019-08-13 자동차부품연구원 연료전지 차량용 응축수 배출장치
WO2020132467A1 (en) 2018-12-20 2020-06-25 Rebound Technologies, Inc. Thermo-chemical recuperation systems, devices, and methods
US20220153456A1 (en) * 2020-11-13 2022-05-19 Hamilton Sundstrand Corporation Integrated condensing heat exchanger and water separator

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5700595A (en) * 1995-06-23 1997-12-23 International Fuel Cells Corp. Ion exchange membrane fuel cell power plant with water management pressure differentials
CN1242611A (zh) * 1998-07-22 2000-01-26 中国科学院大连化学物理研究所 质子交换膜燃料电池的蒸发排热方法及燃料电池组
US20040170878A1 (en) * 2003-02-27 2004-09-02 Goebel Steven G. Evaporative cooled fuel cell

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4729930A (en) * 1987-05-29 1988-03-08 International Fuel Cells Corporation Augmented air supply for fuel cell power plant during transient load increases
JP3290395B2 (ja) * 1997-11-25 2002-06-10 日本電信電話株式会社 燃料電池用直接接触式凝縮水回収システム及び直接接触式水蒸気凝縮器
US6355368B1 (en) 1999-11-05 2002-03-12 Plug Power Inc. Cooling method and apparatus for use with a fuel cell stack
US6428916B1 (en) * 1999-12-20 2002-08-06 Utc Fuel Cells, Llc Coolant treatment system for a direct antifreeze cooled fuel cell assembly
US6770394B2 (en) * 2000-02-11 2004-08-03 The Texas A&M University System Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack
US6461753B1 (en) * 2000-04-04 2002-10-08 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell with a direct antifreeze impermeable cooler plate
US6365291B1 (en) * 2000-04-05 2002-04-02 Utc Fuel Cells, Llc Direct antifreeze solution concentration control system for a fuel cell power plant
DE10047138B4 (de) * 2000-09-22 2014-07-10 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Kühlgebläsesystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
US6656622B2 (en) * 2000-11-15 2003-12-02 Utc Fuel Cells, Llc Degasified PEM fuel cell system
JP2003081603A (ja) * 2001-07-04 2003-03-19 Hitachi Ltd 水素製造装置及びそれを用いた発電システム
JP2003100336A (ja) * 2001-09-21 2003-04-04 Kurita Water Ind Ltd 燃料電池発電システムおよびその運転方法
US6699612B2 (en) * 2001-12-26 2004-03-02 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell power plant having a reduced free water volume
US6764781B2 (en) * 2002-02-13 2004-07-20 General Motors Corporation Intermittent cooling of fuel cell
US6986958B2 (en) * 2003-02-06 2006-01-17 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell stack melting of coolant water during frozen startup
US7112379B2 (en) * 2003-05-05 2006-09-26 Utc Fuel Cells, Llc Vacuum assisted startup of a fuel cell at sub-freezing temperature
US20060046123A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Zhen Guo Passive fluid pump and its application to liquid-feed fuel cell system
US7504170B2 (en) * 2004-12-29 2009-03-17 Utc Power Corporation Fuel cells evaporatively cooled with water carried in passageways

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5700595A (en) * 1995-06-23 1997-12-23 International Fuel Cells Corp. Ion exchange membrane fuel cell power plant with water management pressure differentials
CN1242611A (zh) * 1998-07-22 2000-01-26 中国科学院大连化学物理研究所 质子交换膜燃料电池的蒸发排热方法及燃料电池组
US20040170878A1 (en) * 2003-02-27 2004-09-02 Goebel Steven G. Evaporative cooled fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
US20060141330A1 (en) 2006-06-29
JP5117861B2 (ja) 2013-01-16
JP2008525989A (ja) 2008-07-17
US20060141331A1 (en) 2006-06-29
US7504170B2 (en) 2009-03-17
CN101107743A (zh) 2008-01-16
US7579098B2 (en) 2009-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101107743B (zh) 燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结
KR101246531B1 (ko) 연료 전지에 대한 반응물 가스 증발 냉각 및 작동 결빙방지
US8182954B2 (en) Full cells evaporative cooling and combined evaporative and sensible cooling
US8304123B2 (en) Ambient pressure fuel cell system employing partial air humidification
US6960404B2 (en) Evaporative cooled fuel cell
US6322915B1 (en) Humidification system for a fuel cell power plant
US7645531B2 (en) Retaining water in a fuel cell stack for cooling and humidification during frozen startup
US20050064261A1 (en) Internal PEM fuel cell water management
US20090053568A1 (en) Evaporative Cooling of Fuel Cells Employing Antifreeze Solution
US20040258968A1 (en) Cathode inlet gas humidification system and method for a fuel cell system
US8877392B2 (en) PEM fuel cell stack inlet water regulation system
KR100820448B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치
US7179557B2 (en) Direct antifreeze cooled fuel cell power plant with passive water management
US9455455B2 (en) Evaporatively cooled fuel cells with water passageways enhanced by wicks
US7201992B2 (en) Fuel cell with passive water balance
JP2005285694A (ja) 固体高分子型燃料電池および燃料電池システム
US20050003252A1 (en) Passive water management system for a fuel cell power plant
WO2007064338A1 (en) Evaporative cooling of fuel cells employing antifreeze solution

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: UNITED TECHNOLOGIES CORP. (US) 1, FINANCIAL PLAZA

Free format text: FORMER OWNER: UTC POWER CORP.

Effective date: 20131211

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20131211

Address after: American Connecticut

Patentee after: United Technologies Corporation

Address before: American Connecticut

Patentee before: UTC Power Corp.

ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS

Free format text: FORMER OWNER: UNITED TECHNOLOGIES CORP. (US) 1, FINANCIAL PLAZA HARTFORD, CONNECTICUT 06101 U.

Effective date: 20150520

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20150520

Address after: Canadian British Columbia

Patentee after: Ballard Power Systems

Address before: American Connecticut

Patentee before: United Technologies Corporation

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20160311

Address after: Germany Ingolstadt

Patentee after: Audi AG

Address before: Canadian British Columbia

Patentee before: Ballard Power Systems