CN101197452B - 对带有金属板的燃料电池的补充的冷却剂加热 - Google Patents

对带有金属板的燃料电池的补充的冷却剂加热 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种系统及方法，用于对带有金属板的燃料电池的补充的冷却剂加热，提供的燃料电池堆包括位于阴极流动通道的非活性入口区域内催化的表面。在冷系统启动时，氢气被引入到阴极入口导向器内，以便与空气混合，从而使催化剂提供化学反应，该化学反应产生热量，以便将非活性入口区域内的冷却流体温热。因此，进入堆的活性区域内的冷却流体将不会太冷以至猝灭化学反应。

Description

对带有金属板的燃料电池的补充的冷却剂加热
技术领域
本发明大体上涉及一种系统及方法，用于在冷堆启动时对燃料电池堆的冷却流体入口区段内的冷却流体进行加热，并且更具体地涉及一种系统及方法，用于在冷堆启动时对燃料电池的冷却流体入口区段内的冷却流体进行加热，其中该系统及方法包括位于入口区域的阴极流场内且具有催化剂的覆层结构，并且在启动时将氢引入阴极入口导向器内，以便导致产生热量的化学反应。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且可用于有效地在料电池内产生电能。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极与阴极，且两者之间具有电解液。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极内离解，以便产生自由质子及电子。质子穿过电解液而到达阴极。质子与阴极内的氧气及电子反应，从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解液，并且因此通过负载而被导向，从而在被发送到阴极之前进行工作。
质子交换隔膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的流行的燃料电池。质子交换隔膜燃料电池大体上包括固体聚合物-电解液质子-传导隔膜，比如全氟磺酸隔膜。阳极和阴极典型地包括精细地分割的催化颗粒通常为铂(Pt)，其支撑于碳颗粒上并且与含离子键的聚合物混合起来。催化混合物沉积在隔膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物与隔膜的结合限定了隔膜电极组件(MEA)。隔膜电极组件制造起来相对昂贵并且要求用于有效运行的一定条件。
多个燃料电池典型地结合在燃料电池堆内，以便产生所需要的能量。对于上述汽车燃料电池堆，堆可以包括两百个或者更多燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，典型地为借助压缩机而推动通过堆的空气流。并不是所有的氧气都由堆所消耗，并且空气中的一部分作为阴极废气而输出，该废气可以包括作为堆副产品的水。燃料电池堆也接受流入到堆的阳极侧内的阳极氢气反应物气体。
燃料电池堆包括放置在堆内的多个隔膜电极组件之间的一系列流场或双极板。双极板包括阳极侧和阴极侧，用于堆内相邻的燃料电池。双极板的阳极侧上设置有阳极气流通道，其允许阳极气体流动到隔膜电极组件的阳极侧。双极板的阴极侧上设置有阴极气流通道，其允许阴极气体流动到隔膜电极组件的阴极侧。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。
过度的堆温度可损坏隔膜及堆内的其它材料。因此，燃料电池系统采用热子系统(sub-system)来控制燃料电池堆的温度。特别地，冷却流体被泵送经过堆的双极板内的冷却流体流动通道，以便将堆的余热吸走。在燃料电池堆的常规运行过程中，泵的速度基于堆负载、周围温度与其它因素而得以控制，从而使堆的运行温度维持于优化的温度，比如80度。散热器典型地设置在冷却流体环路内，该环路位于堆的外部，其降低了被堆加热的冷却流体的温度，在那里，冷却后的冷却流体向后循环穿过堆。
对于常规温度的燃料电子系统启动，即在0度以上，冷却流体泵典型地立刻启动，从而使堆构件没有作为由燃料电池反应产生的热量的结果而被损坏。然而，如果冷却剂环路内及堆内的冷却流体在系统启动时非常冷，而泵被启动的话，那么冷的冷却流体对燃料电池反应产生猝灭的影响，该影响导致堆的输出电压及功率显著地下降。特别地，尤其对于高功率启动，冷却流体的低于0度的温度显著地减小了堆产生所需要功率的能力。该猝灭可能持续几秒钟，并且根据泵送速度与冷却流体的体积而可能地持续几十秒种。
这在业界是已知的：在冷系统启动时延迟泵的启动，直到堆产生显著的余热。然而，当泵启动的时候，冷却流体将最终地进入堆内，这将对温热的燃料电池产生相同的猝灭影响。此外，非常冷的冷却流体流在冷启动时，可冻结由堆产生的产品水，该冻结可能阻塞流动通道并且导致其它严重的问题。
发明内容
根据本发明的教导，公开一种燃料电池堆，其包括位于堆的非活性入口区域的阴极流场内催化的结构。在冷系统启动时，氢气被引入到阴极入口导向器内，以便与空气混合，从而使催化剂提供化学反应，该化学反应产生热量，以便将非活性入口区域内的冷却流体温热。因此，当冷却流体泵启动的时候，进入堆的活性区域内的冷却流体将不会太冷以至猝灭化学反应。在备选实施例中，非活性入口区域内的阳极流场内的结构也可以被催化，在那里空气将在冷启动时被引入到阳极流场内。而且，催化结构也可以设置在燃料电池堆的非活性出口区域内的阴极流场内和/或阳极流场内。
从下列描述及附加权利要求出发，并结合附图，本发明的额外特征将变的清楚。
附图说明
图1为燃料电池堆的截面图，燃料电池堆包括非活性(non-active)区域与活性(active)区域；以及
图2为根据本发明的一个实施例的燃料电池在燃料电池堆的非活性区域内的截面图，并展示了催化结构。
具体实施方式
本发明的实施例的下列讨论涉及燃料电池堆，该燃料电池堆包括涂设有催化剂的结构，该结构位于燃料电池堆的非活性阴极入口区域内，以便在冷启动时提供冷却流体的加热，该讨论在本质上仅仅为示例性的，而决不用于限制本发明或其应用或使用。
图1为穿过包括活性区域12的燃料电池堆10的燃料电池的截面图。燃料电池堆10进一步包括阳极入口导向器(header)14、阳极出口导向器16、阴极入口导向器18、阴极出口导向器20、冷却流体入口导向器22及冷却流体出口导向器24。燃料电池堆10进一步包括位于入口导向器14、18和22与活性区域12之间的非活性区域26，阴极反应物气体流经该活性区域12，阳极反应物气体及冷却流体经由相应的通道而流入到活性区域12内。燃料电池堆10还包括位于活性区域12与出口导向器16、20和24之间的非活性出口区域28，废气及被加热后的冷却流体穿过该非活性出口区域28经由相应的通道而流动到出口导向器16、20与24。
根据本发明，非活性区域26的阴极和/或阳极气体流场内的适当结构上涂设有适当的低温催化剂，其与氧气和氢气发生化学反应，从而产生热量。图2为位于堆10内的非活性入口区域26内的多个燃料电池40的截面图。在该实施例中，燃料电池堆10包括冲压成型的流场板或双极板，在那里，堆10内的双极板由适当金属冲压成型，以便限定阴极流动通道、阳极流动通道及冷却流体流动通道。如将被业界容易理解的那样，冲压成型的板在适当位置互相焊接起来或粘合起来，以便提供来源于冲压成型的板的完全双极板。在其它实施例中，冲压成型的板可嵌接起来，或者由适当的复合物材料比如石墨而制成。
在燃料电池堆10的活性区域12内，每个燃料电池40包括阳极侧扩散媒介层42、阴极侧扩散媒介层44及两者之间的隔膜46。在该实施例中，隔膜46在多种流场板之间延伸穿过入口区域26。流场板包括限定了阴极流动通道50的阴极侧流场板48，限定了阳极流动通道54的阳极侧流场板52，在那里，板48与板52的结合在两者之间限定了冷却流体流动通道58。在某些燃料电池堆设计中，隔膜46与阴极侧流场板48之间可以设置垫片(shim)64，而隔膜46与阳极侧流场板52之间可以设置垫片66。
根据本发明，阴极和/或阳极流场内的多种结构上设置有催化剂层。比如，阴极侧流场板48面向阴极流动通道50的侧边上可借助催化剂层70而被催化，而垫片64面向阴极流动通道50的侧边上可涂设有催化剂层72。而且，阳极侧流场板52面向阳极流动通道54的侧边可借助催化剂层76而被催化，而垫片66面向阳极流动通道54的侧边上可借助催化剂层80而被催化。
这可能不是必要的：同时对阴极流动通道50与阳极流动通道54进行催化，或者同时对阴极侧流场板48与垫片64进行催化，或者同时对阳极侧流场板52与垫片66进行催化。决定堆10内的哪个结构被催化将取决于堆10的结构及所需要的热量。可提供任何适当的低温催化剂与任何适当的催化剂装载，以达到文中所述目的。在一个非限制的举例中，催化剂为由二氧化铈支撑的铂。
在冷系统启动时，典型地在0度以下，氢气将被引入到阴极入口导向器18内，该氢气将与空气中的氧气及催化剂发生化学反应，从而产生热量。备选地，或者同时，空气可被引入到阳极入口导向器14内，该空气将与氢气及催化剂发生化学反应，从而产生热量。热量将被板的金属结构从阴极流动通道和/或阳极流动通道而传递到相邻的冷却流体流动通道48内，从而加热其中的冷却流体。在适当的时间阶段之后，热子系统泵将被启动，以便将现在加热后的冷却流体泵送到活性区域12的冷却流体流动通道内，以便将热量从此吸出，因为堆10启动时由其运行产生热量。此后，氢气向阴极侧的流动和/或空气向阳极侧的流动将被制止，因为将不再需要对冷却流体加热。在系统启动时，什么时候启动和停止氢气和/或空气向流场的流动，将取决于许多参数，正如将被那些熟悉本领域的技术人员很好地理解的那样。
如上所述，隔膜46延伸到非活性入口区域26内。在备选实施例中，隔膜46没有设置在非活性入口区域26内，而是由子垫圈、金属载体或其它适当的结构所代替。
在上述实施例中，催化剂涂设在流场板上或垫片上。在备选实施例中，催化剂可涂设在非活性区域26内的任何其它适当的结构上，以便提供化学反应。非活性区域26内的隔膜46和/或扩散媒介层42、44也可为相同的目的而涂设上低温催化剂。此外，同时对非活性出口区域28内的阴极和/或阳极流场结构也进行催化是需要的，因为泵在对冷却流体进行循环时，冷却流体返回到入口导向器22。在这种设计中，通过在堆10的两个端部对冷却流体进行加热，有利于获得快速的系统启动。
在典型的燃料电池堆设计中，堆内的冷却流体的大约1/3位于非活性入口区域26内，堆内的冷却流体的1/3位于活性区域12内，而堆内的冷却流体的1/3位于非活性出口区域28内。在备选设计中，非活性入口区域26的尺寸可增加，从而使更多的冷却流体可在冷系统启动时被加热。
本发明具有特定的针对零度以下系统启动的应用。然而，在零度以上的系统启动中，这仍可以是有利的：对非活性入口区域26内的冷却流体加热一段时间，以便将燃料电池堆10的温度更快速地升高到其运行温度。此外，具有与活性区域12内的化学反应有关的问题，该化学反应产生作为副产品的水，并且阻塞阳极与阴极反应物气体流动通道。通过在更加温热的启动时加热冷却流体，由反应所产生的水更可能为水蒸气，其将不会阻塞流动通道。
上述讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。熟悉本领域的技术人员将容易地从这种讨论及从附图及权利要求中认识到：在没有脱离限定于下列权利要求中的发明的本意与范围的情况下，可在此做出多种变化、修改及变型。

Claims (21)

1.一种燃料电池堆，包括：
流场板，其限定阴极侧反应物气体流动通道及冷却流体流动通道，阴极反应物气体流经所述阴极侧反应物气体流动通道，而冷却流体流经所述冷却流体流动通道；
活性区域；及
非活性入口区域，其在所述活性区域之前接收所述阴极反应物气体流及所述冷却流体流，其中所述非活性入口区域内的所述阴极侧反应物气体流动通道内的结构包括催化剂，所述催化剂与氢气和空气发生反应，以便产生热量，对所述非活性入口区域内的所述冷却流体进行加热。
2.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述催化剂涂设在所述阴极侧反应物气体流动通道自身上。
3.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述催化剂涂设在所述阴极侧反应物气体流动通道内的垫片上。
4.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述催化剂涂设在所述非活性入口区域内的隔膜上。
5.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述催化剂涂设在所述非活性入口区域内的扩散媒介层上。
6.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述催化剂为由二氧化铈所支撑的铂。
7.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述非活性入口区域内的所述冷却流体流动通道的体积大于所述活性区域内的所述冷却流体流动通道的体积。
8.如权利要求1所述的堆，其特征在于，还包括非活性出口区域，所述非活性出口区域从所述活性区域接收阴极废气和加热后的冷却流体，其中所述非活性出口区域内的阴极侧反应物气体流动通道内的结构还包括催化剂，以产生热量，对所述冷却流体进行加热。
9.如权利要求1所述的堆，其特征在于，氢气在系统启动时被送到所述非活性入口区域内的所述阴极侧反应物气体流动通道内，以便对所述冷却流体进行加热。
10.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述流场板还限定了阳极侧反应物气体流动通道，阳极反应物气体流经所述阳极侧反应物气体流动通道，其中所述非活性入口区域内的所述阳极侧反应物气体流动通道内的结构包括催化剂，所述催化剂与氢气和空气反应，以便产生热量，对所述非活性入口区域内的所述冷却流体进行加热。
11.如权利要求1所述的堆，其特征在于，所述燃料电池堆是车辆上的燃料电池系统的一部分。
12.一种燃料电池堆，包括：
非活性入口区域；
活性区域；
非活性出口区域；
冷却流体流动通道，其延伸经过所述非活性入口区域、所述活性区域和所述非活性出口区域，冷却流体流经所述冷却流体流动通道；以及
阴极侧反应物气体流动通道，其延伸经过所述非活性入口区域、所述活性区域和所述非活性出口区域，阴极反应物气体流经所述阴极侧反应物气体流动通道，其中所述非活性入口区域及所述非活性出口区域内的所述阴极侧反应物气体流动通道包括催化剂覆层，所述催化剂覆层与氢气和空气反应，以便产生热量，对所述非活性入口区域及所述非活性出口区域内的所述冷却流体进行加热。
13.如权利要求12所述的堆，其特征在于，还包括阳极侧反应物气体流动通道，其延伸经过所述非活性入口区域、所述活性区域和所述非活性出口区域，阳极反应物气体流经所述阳极侧反应物气体流动通道，其中所述非活性入口区域及所述非活性出口区域内的所述阳极侧反应物气体流动通道包括催化剂覆层，所述催化剂覆层与氢气和空气反应，以便产生热量，对所述非活性入口区域及所述非活性出口区域内的所述冷却流体进行加热。
14.如权利要求12所述的堆，其特征在于，所述催化剂为由二氧化铈所支撑的铂。
15.如权利要求12所述的堆，其特征在于，所述非活性入口区域内的所述冷却流体流动通道的体积大于所述活性区域内的所述冷却流体流动通道的体积。
16.如权利要求12所述的堆，其特征在于，氢气在系统启动时被送到所述非活性入口区域内的所述阴极侧反应物气体流动通道，以便对所述冷却流体进行加热。
17.一种用于在系统启动时对流经燃料电池堆内的冷却流体流动通道的冷却流体进行加热的方法，所述方法包括：
对所述堆的非活性入口区域内的阴极流动通道内的结构进行催化；以及
在系统启动时将氢气和空气送到所述阴极流动通道，从而使所述氢气和空气与所述催化剂发生反应，以便产生对所述非活性入口区域内的所述冷却流体进行加热的热量。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，对结构进行催化包括对选自下列组中的结构进行催化，所述组包括所述阴极流动通道、垫片、隔膜和扩散媒介层。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在系统启动时延迟冷却流体泵的启动，直到所述非活性入口区域内的所述冷却流体的温度已经增加至预定的温度。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括对所述燃料电池堆的非活性出口区域内的阴极流动通道内的结构进行催化。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括对所述非活性入口区域内的阳极流动通道内的结构进行催化，并且在系统启动时将空气引入到所述阳极流动通道内。
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