CN101223665A - 在冷冻启动过程中燃料电池堆中用于冷却和加湿的存留水 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池动力装置(19，19a)具有布置在燃料电池堆(20，20c)中的多个燃料电池(70，70a，70c)，每个燃料电池包括上面具有燃料(74)和氧化剂(82)反应气体通道的多孔的、至少部分亲水的水传输板(75，81)，水通道(78，85，78a，85a，78c，85c)与所述水传输板交换水。在关闭时，借助微型真空泵(46)、一个或两个阀门(89，90，118，120)、止回阀(95，99)、水通道中的毛细作用力中的一种使水保留在水通道和水传输板中，从而防止水进入反应物通道中，如果该反应物通道冻结，那么在启动时将会阻塞反应气体流。

Description

在冷冻启动过程中燃料电池堆中用于冷却和加湿的存留水
技术领域
本发明涉及燃料电池动力装置，例如PEM燃料电池动力装置，其中水被保留在多条水通道或者邻近多孔的、至少部分亲水的水传输板的其它水导管中，以及被保留在多条互连的水歧管中，而不允许水“下降”进入到反应物流场或反应物歧管中，由此在冷冻启动期间提供冷却和加湿而不会妨碍反应气体流至电极。
背景技术
将电力提供给电动车辆的推进系统的燃料电池动力装置必须能够在低于水冻结的温度下工作。在可达到冰点温度的环境中进行燃料电池关闭操作的传统方法包括将该燃料电池中的所有水都排入一些种类的贮水器中。在试图进行后续操作之前，水在被输送回燃料电池中之前必须融化，据报道这将花费十分钟到三十分钟的时间。通常认为在车辆中这些延迟是不可容忍的，在车辆中应该在发出启动命令，例如转动车钥匙，的数秒之内，需要至少部分的机动性。
在2004年1月22日提交的美国专利申请No.10/763,793中，当燃料电池在可能会低于冰点温度的环境中关闭时，燃料电池的电极支承板衬底仅部分地充注有水，从而在引导启动的早期阶段中将邻近隔膜的水提供给电池以进行加湿。在向燃料电池中加入反应物后，来自处理过程中的热量使水相当快速地融化。仅仅是部分地而不是全部地对衬底进行填充则允许反应气体通道该衬底。在启动之后在冷却剂体系充分解冻以运行之前的时间段内，熔化热和衬底中水的潜热有助于冷却该燃料电池。在整个衬底的充分均一方法中，通过将水与反应气体之间在关闭时的压差控制在5kPa-6kPa(0.72psi-0.87psi)的范围内，或者通过将衬底部分亲水化且部分疏水化，从而以大体上均匀地方式实现对该衬底的部分填充，例如大约70％的填充。
在美国专利6673481中，在将反应物提供给燃料电池的大约20秒内或者当检测到燃料电池堆上的开路电压时，将燃料电池的电输出加到负载例如车辆推进系统上。然而，当燃料电池堆处于可能会达到低于水冰点温度的温度环境中时，在关闭该燃料电池系统时，排出反应物通道、冷却剂通道、水泵和水循环系统中其它管道中的水。通过在启动的起始阶段对反应物流场进行加压，其后允许达到大气压或接近大气压，从而避免启动期间在反应物流场中积聚水。
发明内容
本发明的目的包括：在燃料电池达到低于水冰点温度的温度之后，在启动期间在燃料电池中提供水，而不需要特定的衬底或特定的关闭程序；在启动时改善结冻的燃料电池的初始加湿和冷却；提供水以帮助结冻的燃料电池的启动而不会发生反应气体通道的冰块阻塞；并且改善燃料电池的运行以便有利于在冰点以下温度条件下的启动。
这里使用的，术语“水通道”包括由水传输板上的沟槽、芯吸材料、多孔层、或其它液态水传导介质形成的多条开口通道，并且可包括多条水歧管。
根据本发明，在燃料电池堆关闭时，其中每个燃料电池包括多孔的、至少部分亲水性的反应气体流场板(在此被称作“水传输板”)，水以防止几乎全部水经该水传输板“下降”到反应气体通道中的方式被保留在水通道中以及连接至水通道的水歧管中；本发明的影响作用在于在启动期间提供水用于加湿和冷却，而不会冰块阻塞反应物通道，从而使得反应气体将接近电极催化剂。
根据本发明，借助毛细压力可将水保留在水通道和歧管中，可以通过选择通道的截面面积，如果采用多孔介质代替通道的话则是选择孔隙的尺寸，或如果使用芯吸材料或织造物质的话则是选择芯吸材料或织造物质的有效截面流动面积，来控制毛细压力。根据本发明，作为水管或孔隙的半径的函数的圆形水管或孔隙中的毛细上升距离可以被计算出并且在之后由公式、图表或表格确定。进一步根据本发明，根据经验易于确定任何种类的多孔或织造芯吸材料或水传输介质中的水的毛细上升距离。
根据本发明，利用微型真空泵，例如在小型民用鱼缸中所使用的类型的微型真空泵，在关闭期间，水可被保留在燃料电池堆的水通道中；在关闭微型真空泵之后，经阀门在电池堆中保留水；利用止回阀水可被保留在燃料电池堆中，所述止回阀包括由疏水性隔膜组成的被动止回阀，在该层隔膜的顶端上有疏水防冻液。
根据以下典型实施例并结合附图对本发明进行详细说明，本发明的其它目的、特征和优势将变得更加显而易见。
附图说明
图1是结合本发明使用微型真空泵的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的透视图。
图2是可在图1所示实施例中使用的燃料电池的局部侧剖视图。
图3是可在图1所示实施例中使用的其它可选燃料电池的局部侧剖视图。
图4是结合本发明使用两个可控阀的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的透视图。
图5是结合本发明使用单个可控阀的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的透视图。
图6是结合本发明使用止回阀的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的透视图。
图7是可在图6所示实施例中使用的流体止回阀的一部分的剖切透视图。
图8是图7所示止回阀的局部剖切透视图。
图9是结合本发明使用利于对水通道进行毛细充注的开口(vent)的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的透视图。
图10是示出了作为孔隙半径的函数的毛细上升距离的图表。
图11是具有总体水管理且使用本发明的燃料电池动力装置的一部分的经过简化的、程式化的侧剖视图。
图12是可在图10所示实施例中使用的燃料电池的局部侧剖视图。
具体实施方式
图1示出了包括燃料电池堆20的燃料电池动力装置19的一部分。空气进入空气入口歧管22并且经氧化剂流动通道进入到空气出口歧管23并由此进入冷凝器24中。来自冷凝器24的流出流位于蓄水器28中的水位27之上。从空气出口31排出冷干燥空气，所述空气出口还可以包括或邻近水溢出口32。用于冷凝器24的冷却剂可包括如经箭头34所示的环境空气。该冷凝器24可用作歧管，并且此时可以省略空气入口歧管23。
随后提供给燃料空气入口歧管36的燃料通过燃料转向歧管37流向左边，此后，燃料流至右边并经燃料出口歧管38流出。
来自蓄水器28的水经水管41流向下面的水歧管42。水流入水通道(如在下文中结合图2和3所示出的那样)到达燃料电池堆的顶端，并且有可能进入上方水歧管43。
图1所示的实施例是利用蒸发冷却的实施例，没有水从上方水歧管43中流出。如在下文中结合图2和3所示出的那样，仅经下方水歧管42进入的水是要代替蒸发进入空气通道中的那些水。管道45与微型真空泵46流体连通，其不传输来自歧管43的任何流体，但是仅简单地施加足够大的真空压力从而确保水升高通过燃料电池堆中的所有水通道达到燃料电池堆的顶端。例如，该微型真空泵46可包括仅花费少量美元的在小型民用水池中所使用的该种类型的简单泵。
在图2中所示出的本发明的一个实施例中，燃料电池堆20包括多个燃料电池70，每个燃料电池包括常规的成套电极组件(UEA)72，所述成套电极组件包括电解质以及在其相对侧上的阳极和阴极催化剂层以及邻近催化剂的气体扩散层。
在图2所示出的实施例中，燃料反应气体流经亲水多孔衬底75中的通道74，在该实施例中所述衬底包括沟槽76，其与邻近燃料电池的沟槽77一起，形成微水通道78。在阴极侧上面，氧化剂反应气体流场板81包括与相邻燃料电池上的沟槽84一起形成微水通道85的空气流动通道82和沟槽83。
为防止产生溢流，反应气体压力优选比通路中的水压至少高几个kP(psi的分数)。众所周知，由于传统空气泵(未示出)通常导致空气压力远高于大气压的结果，因此自然在燃料电池动力装置的运行期间发生且燃料压力易于调节。在图2所示出的实施例中，通道78、85中的水处于大约大气压。然而，借助多种常规方式，水可在大气压以外的其它压力下中被提供，只要反应气体具有所述略高压力即可。
在其它实施例中，可通过匹配如图中所示的沟槽以外的其它方式形成水通道。可以由相邻板的平坦表面封闭的仅一个反应气体流场板中的沟槽76、83来提供水通道。本发明可被用在具有隔离板或者如果有必要具有冷却剂板的燃料电池堆中，其中的冷却剂流动完全独立于图1和2中所示出的本发明实施例的蒸发冷却。
正如美国专利5700595中所公开的以及在下文中结合图11、12所描述的那样，燃料电池动力装置中的该反应气体流场板74、81是指水传输板，有时也被称为精细孔板，其利用具有外部水处理的通过水传输板的明显大量的水流。然而，相对于前述’595专利中的显热水流冷却而言，当采用蒸发冷却时，每体积水的冷却效率为100比1，现有技术中的水通道具有达到该实施例的水通道78、85的截面的10倍的截面。另外，其它实施例中的水通道78、85的终端部分的间隔(图2示出的实施例中的燃料电池的每个结合点)以及类似通路，可以比在敏感加热、水流冷却系统中的水流槽的终端部分之间的间隔大数倍的距离分开，像前述专利和图12所述的那样。该通道78、85的小截面和连续终端部分之间的大距离允许该反应气体流场板的厚度减小约三分之一。
图3示出了本发明另一个实施例的燃料电池70a；代替形成通道的沟槽，具有材料78a、85a，其是导电的、亲水的并对水具有高水平的渗透性。这样的材料可以是碳纤维纸，具有在水运动方向排列的纤维，或者它可以是便于用作燃料电池扩散介质的其它材料，便于按所需处理成亲水性。当水的压力(压头)可以是任何对确保补充有合理必要的时，该反应气体压力应该比水压更高从而避免产生溢流。
该燃料电池堆20中可以使用具有沟槽和非沟槽的水通道的燃料电池。
在图1-3所示的实施例中，当该燃料电池动力装置运行时，反应气体在反应气体通道74、82中流动并且没有水。在水传输板中将会有水，其向阴极的氧化剂反应气体流场82迁移。当该燃料电池动力装置关闭时，当反应气体停止流动时，由微型真空泵46提供的小真空将水保持在水通道中。随后，所有水将保留在该水通道、该水歧管和水传输板中。在反应气体流场通道中没有大量的液态水的温度能够降到水的冰点温度以下，使得在反应物通道中具有可忽略量的冰。术语“可忽略”表示冰的量，其不会阻止反应气流到达一个影响该燃料电池动力装置的功率和性能的范围。该术语“明显大量”表示水的量，其量大于导致温度降到冰点以下时在反应槽中仅有可忽略量的冰的水量。
在图1-3所示的实施例中，该微型真空泵46应该在燃料电池动力装置未工作期间是可运行的。该小真空将水保留在水通道中，并且将任何水保持在该水传输板中，而不允许水落到反应气体流场中。因此，即使温度降到水的冰点之下也不会有冰，并且该反应物通道将保持开启，从而使得在启动时，反应气体就能到达电极催化剂。
在图4中，在该燃料电池堆未工作期间，本发明的一个实施例允许该微型真空泵关闭。在图4中，具有，在从蓄水器28的水平面以下延伸到下方水歧管42的导管41中的阀门89，以及在从上方水歧管43延伸到微型真空泵46的导管45中的阀门90。在关闭时，该真空泵保持打开直到控制器92先后关闭阀门89和阀门90；然后关闭微型真空泵46。该阀门防止水的移动，从而防止水通道78、85、78a、85a中的水以及水传输板75、81中的任何水下降到反应气流通道74、82中。
如图5所示，如果希望的话，可以省略阀门89。随着关闭阀门90，将避免蓄水器28中的气压降低，从而将水保留在位置中并保持反应气流通道清洁。类似的，如果希望的话，可以保留阀门89并省略阀门90。如果没有阀门89和90，当燃料电池堆关闭时，该微型真空泵46将停止运转。作为另一种可选方式，可以省略阀门89而只用阀门90。
图6示出了止回阀95可以用于代替图5的动态可控阀90。这样，当微型真空泵46运行时，该止回阀95将打开，从水通道(和/或上方水歧管43)中清除气体，但是当该燃料电池动力装置关闭时，该微型真空泵46可以关闭并且该止回阀95将防止除微量水之外的水经水传输板降入反应气体流场。该止回阀95可以是常规、机械的止回阀，或者它可以为结合图7和8所说明的形式。
为了清楚起见，流体止回阀99首先显示在图7中而其中没有疏水性流体，然后在图8中显示具有疏水性流体。在图7中，疏水流体止回阀99被示为形成在具有常规种类的螺纹101、102的外壳100中。疏水性隔膜，例如多孔聚四氟乙烯(PTFE)隔膜105被设置在外壳100中的沟槽106内。疏水性隔膜105防止腔室109中的低于隔膜的任何水通过该隔膜进入该隔膜上的腔室110中。因此，当像图6所示的实施例那样被用作止回阀95时，没有水会通过到达微型真空泵46。但是气体将向上流经该隔膜105以到达水通道。
为了形成止回阀，从而气体可以向上通过但是不能向下通过该外壳100，疏水性流体、和优选在-60℃(-27)以上不冻结的疏水性流体，例如PEG-400，如图8所示配置于该隔膜105上的外壳100中。无论何时气体或蒸汽在该腔109的压力之下，例如可以发生如果在燃料电池堆的通道中的水上施压，或作为为腔中提供微真空单色微型真空泵46的结果，该空气或其它蒸汽或气体将通过隔膜105并经介质112向上浮动。另一方面，介质112之上的腔110中的气体或蒸汽，其处于比腔109中的压力大的压力，如果压力足够大，将仅通过隔膜105挤压介质112。然而，图6所示的实施例中的压差足够小，小于约20kPa(3psi)，从而该疏水性介质112不会受力通过隔膜105。
图9中示出了本发明的另一个实施例。在这个实施例中，上方冷却剂歧管43仅通向大气，其可以通过允许导管45的上部终端向周围环境打开来实现。在图9的实施例中，当燃料电池动力装置19处于工作中时，通过蓄电池中的上述大气压，提供对于确保被蒸发的水自始至终补充到该电池堆的顶端所必须的压力。当动力装置关闭时，即使在蓄电池中没有上述大气压，通过选择水通道的孔尺寸(或等效的流动参数)以实现足够平衡水的顶端的毛细压力，将水保持在水通道中，当它是至少燃料电池堆高度的三分之一时，并且优选在燃料电池堆的顶端(或者略微进入上方水歧管，例如具有多孔体的掺杂物的歧管43)。
在图10中示出了作为孔隙半径的函数的毛细上升距离的图表。水通道可以不是水传输板中的沟槽，而是其它某种形式的水传导介质，例如前述的板78a、85a。为了确保毛细压力以使水到达燃料电池堆的顶部，限定碳纤维纸间隔距离的纤维密度和尺寸，或者用于水通道的任何其它介质的特征，能够通过具有各种特征的材料最小测试量通过经验性地判断来确定。在其它情况中，作为毛细压力的函数的水的上升距离应该足够确保水达到燃料电池堆顶端。
图11和12中示出了本发明的另一个实施例。在图11中，燃料电池动力装置19a包括具有大的、紧密间隔的多条水通道的燃料电池堆20a，如以下结合图12的描述，以及外部水部件，以提供整个水管理系统。在图11中，水通过泵117经由控制器119调节的阀门118而滴落。水经燃料电池堆20a中的燃料电池的所有水通道从下方(或出口)水歧管42a，经上方(或出口)水通道43a而滴落。阀门120，经控制器119可调的提供限制，这导致了，当燃料电池动力装置工作时，燃料电池堆中的水的压力比反应气体(其通常在周围环境附近)的压力低。
来自泵117的水流可以通过热交换器122冷却，或可以经控制操作阀123的控制器绕开，这对于设置回流到燃料电池堆的水的正确温度是必要的。
根据本发明，在关闭时，在关闭泵117之前相继关闭阀门120和阀门118。如前所述，这将水保留在水通道中，而不会落入反应气体流场中。
图12示出了用于图11所示的实施例中的燃料电池70c。这些燃料电池和结合图2描述的那些之间的不同是形成水通道78c、85c的沟槽76c、77c、83c、84c更大并且更近，从而提供足够的水经过燃料电池。在这个实施例中，仅仅是水本身的潜热，其将热从燃料电池堆20a传递到热交换器122，对于冷却燃料电池堆是必须的，如前述专利’595所提及的。
该操作类似于结合图1和2所说明的：当燃料电池动力装置19a运行时，水经泵117循环通过燃料电池堆20a。当动力装置19a关闭时，阀门118和120将水保持在水通道78c、85c中并且防止水落入反应气体流场74、82中。
根据本发明的具有保持在冷却剂通道78c、85c中的水的结合图11和12所描述类型的由二十个电池构成的燃料电池堆被关闭，冷却到-20℃而没有任何泄漏和没有任何损失。
术语“在关闭时运行”不排除同样在燃料电池动力装置未关闭时的运行，例如微型真空泵(如果开着)或毛细压力(其一直存在)的情况。
术语“大量水”指的是以下状态，即通道中的水量不会阻止足够多气体的流动以维持燃料电池运行。

Claims (14)

1.一种燃料电池动力装置(19)，包括：
布置在燃料电池堆(20)中的多个燃料电池(70，70a，70c)，每个燃料电池包括具有设置在阳极催化剂与阴极催化剂之间的质子交换聚合物电解质隔膜的成套电极组件(72)，所述阳极和阴极均具有气体扩散层，带有与阳极气体扩散层相邻的燃料反应气体流动通道(74)的多孔、至少部分亲水的阳极水传输板(75)，和带有与阴极气体扩散层相邻的氧化剂反应气体流动通道(82)的多孔、至少部分亲水的阴极水传输板(81)；
设置在所述阳极水传输板与所述阴极水传输板之间的多条水通道；
在所述燃料电池动力装置运行时将水提供给所述水通道的设备，所述水在所述水通道与所述水传输板之间进行传输；
其特征在于：
在所述燃料电池动力装置未运行且少于明显量的水被排放到所述反应气体流动通道中时，水被保持在所述水通道和所述水传输板中，从而确保在所述燃料电池堆的温度降到冰点以下时在所述反应气体流动通道中只有少量冰。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其中：
所述水通道被开口。
3.根据权利要求2所述的燃料电池动力装置，其中：
所述水通道在燃料电池堆的顶部处被开口。
4.根据权利要求2所述的燃料电池动力装置，还包括：
连接至所述开口并且提供刚好足够的真空以使水上升到所述燃料电池堆的顶部而不流经所述泵的微型真空泵。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力装置，其中当所述燃料电池动力装置正在运行时以及当所述燃料电池动力装置关闭时所述泵是运行的，从而在关闭期间将水保留在所述水通道中。
6.根据权利要求2所述的燃料电池动力装置，其中在所述水通道的顶部或底部或者在所述水通道的顶部和底部处具有阀门。
7.根据权利要求2所述的燃料电池动力装置，其中所述水通道经止回阀开口排出。
8.根据权利要求7所述的燃料电池动力装置，其中所述止回阀包括具有设置在所述隔膜之上的疏水性流体的疏水性隔膜。
9.根据权利要求8所述的燃料电池动力装置，其中所述疏水性流体在高于大约-50℃以上而不冻结。
10.根据权利要求2所述的燃料电池动力装置，其中当所述燃料电池动力装置未运行时，选择所述水通道的特征以使所述水通道中水的毛细上升距离至少达到所述燃料电池堆高度的三分之一。
11.一种运行燃料电池动力装置(19)的方法，从而使得当所述动力装置未运行时，冰不会阻塞反应气体流动通道，所述燃料电池动力装置包括：布置在燃料电池堆(20)中的多个燃料电池(70，70a，70c)，每个燃料电池包括具有设置在阳极催化剂层与阴极催化剂层之间的质子交换聚合物电解质隔膜的成套电极组件(72)，所述阳极和阴极均具有气体扩散层，带有与阳极气体扩散层相邻的燃料反应气体流动通道(74)的多孔、至少部分亲水的阳极水传输板(75)，和带有与阴极气体扩散层相邻的氧化剂反应气体流动通道(82)的多孔、至少部分亲水的阴极水传输板(81)；多条水通道被设置在所述阳极水传输板与所述阴极水传输板之间；所述方法包括以下步骤：
在所述燃料电池动力装置运行时，将水提供给所述水通道，所述水在所述水通道与所述水传输板之间进行传输；
其特征在于：
在所述燃料电池动力装置未运行时，将水保留在所述水通道和所述水传输板中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述保留的步骤包括：
在关闭所述燃料电池动力装置时，阻塞所述水通道的上端和所述水通道的下端之一或者二者。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述保留的步骤包括选择所述水通道的特征以使所述水通道中水的毛细上升距离至少达到所述燃料电池堆高度的三分之一。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述保留的步骤包括向所述水通道施加负压。
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