CN101485028A - 夹带气体的燃料电池冷却剂的循环 - Google Patents

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Abstract

通过在冷却剂通路上提供气体的流动来保证在燃料电池叠层(37)中的燃料电池(38)的冷却剂通路(78，85)内的各处上的冷却剂速度大于零，该流动是由加压气体源(92)的气压、氧化剂反应物空气泵(52)、含氢燃料源(75)或燃料出口(47)或者冷凝器(59)的流出物所造成的。可以对冷却剂进口(66)施加正压力，或者可以对冷却剂通路的气体出口(90)施加来自排泄器(97)的负压力，或者两者兼而有之。使用气体来促使冷却剂通路之内的流动消除了使用消泡液体泵的需要并减少了液体存量以及其它管件；这使得燃料电池发电装置更加耐冻。来自可以是汽车散热器(120)的冷凝器的双相流使冷却剂返流更加耐冻。可以随冷却剂管理系统(125)使用单独的冷却器板(122)。

Description

夹带气体的燃料电池冷却剂的循环
技术领域
本发明涉及通过流动足够的气体(例如空气或消耗的反应物废气)来减少燃料电池中的小型、低流量冷却剂或水的管理通道中的气泡阻塞，从而保证冷却剂通路中各处的液体速度大于零。
背景技术
为了减少质子交换膜(PEM)燃料电池受由冷冻温度所造成的问题的影响，以及减少燃料电池对作为附件的水泵及其它管件的依赖，可以减小燃料电池中的冷却剂的总体积。
然而，在既不使用冷却剂泵也不使用排气微型泵且具有最小外部水管的系统中，电池中冷却剂或水的流速相当低。如果只有气体从冷却剂或水的通道里排出，则流量受蒸发到反应气体当中的水量的限制。对于小通道和低水流，气泡可能会结合到一起(聚集)并阻碍水在冷却剂通路的大面积上的流动，这可能会造成多孔亲水的反应气体流场板(水传输板)脱水。脱水使气体以过高的速度进入冷却剂流动通路，有时也称为水传输板的“气体穿透”，从而造成局部化的加热和在不同点上的脱水，导致部件的劣化和性能的降低
使用电池间冷却剂板且具有乙二醇或其它冷却剂的系统有时被称为主动式水管理(AWM)燃料电池，如US2005/0142408专利公开中所披露的。AWM燃料电池还可以具有极小的电池内的水通道，从而提供到燃料电池阳极侧和/或阴极侧的低水流用于水管理，水流造成的冷却是可忽略的。
发明内容
本发明的各方面包括：保证小燃料电池冷却剂或水管理通道中的冷却剂的流动；减轻低流量燃料电池冷却剂或水管理通道中的泡沫阻塞；协助气泡流过PEM燃料电池中的冷却剂或水管理通道；改善PEM燃料电池冷却剂或水管理通道的排气；减少燃料电池冷却剂或水管理通道的过度气体摄入；增加在PEM燃料电池中的气体向排气口的流动；改善PEM燃料电池中的水合；改善PEM燃料电池中的蒸发式冷却；以及减少具有旋转部件的燃料电池发电装置中的元件数目。
本文中的术语“燃料电池”可以表示能够由氧化剂和燃料反应气体产生电力的完整、运转的燃料电池装置，或者在上下文关系中需要的情况下，该术语可以表示燃料电池排除了一些层的部分，所述的那些层对燃料电池提供冷却剂和/或水管理，它们可以置于相邻的所述燃料电池部分之间。
本文中的术语“冷却剂通道”包括水管理通道，指的是燃料电池叠层中的冷却剂和/或水管理流动路径的那些部分，其中那些部分与燃料电池的平面(平面内的轮廓)基本上同延。
根据本发明，通往燃料电池冷却剂或水管理通道的气体保证了经过该通道上的非零流速。
根据本发明，经过燃料电池的冷却剂/水通道的气体流动(或该通道上的压力降)促进了包括冷却剂/水的流体的流动以及这种通道之内的气泡。
可以按照对通道进口施加正气压或对通道出口施加负气压或者两者兼而有之的方式实践本发明。
按照本发明，可以使加压气体源通往燃料电池叠层的冷却剂或水管理进口。加压气体源可以为适于本发明的任意单独实施的任何物质，例如同与燃料电池相关的其它装置有关的泵；进一步按照本发明，加压气体源可以包括一小部分由阴极空气泵提供的空气；或者加压气体源可以包括燃料电池的燃料或废空气或一小部分的这种废气。
仍进一步按本发明，通过建立真空可以在冷却剂/水通道的出口施加压力；在一个实施方案中，真空是通过排泄器(排出器)建立的，其中主进口连接至被送往燃料电池叠层阳极的燃料气体当中，排泄器的次进口与在燃料电池叠层的冷却剂/水出口处的气/液分离器的气体出口连接，而排泄器的出口与叠层的燃料流场连接。在另一实施方案中，建立压力的排泄器的主进口与阴极空气泵连接，其次进口连接至在燃料电池叠层的冷却剂/水出口处的气/液分离器的废气口，而排泄器出口与阴极空气流场连接。
可以在冷却剂/水流动通道的进口或出口处使用其它的装置来实践本发明，用以建立足够的气体压差，保证通道中各处的液体/气体混合物的速度大于零(或没有)，从而防止气体在通道内的聚集，而这种聚集可能会妨碍或阻止液体的流动。
从气/液分离器回收的水可再循环至叠层当中，例如从利用蒸发式冷却的燃料电池的冷凝器输出中输送回收的水。在其它实施方案中可以通过与燃料电池叠层的冷却剂/水进口的连接使水返回。
在废燃料注入冷却剂/水通道的本发明的实施方案中，可以将所有的废燃料注入到通道当中，无需废燃料的转流，因为总气体流速对冷却剂/水通道来说是合适的。或者，可以只使用一些废燃料。此外，废燃料出口控制阀提供用于引入到通道当中的适当压力的气体。本发明的这种形式的益处在于，一些废燃料可以从冷却剂或水通道经多孔反应气体流场板进行扩散，在燃料电池叠层的阴极内被消耗，这将有利地减少燃料电池发电装置的氢排放。
如果通过利用由燃料源驱动的排泄器对冷却剂/水通道的出口施加负压力来实施本发明，则经冷却剂/水通路吸入到排泄器次进口中的少量空气将进入到燃料流中，并将作为燃料中的空气放泄源，用以提高燃料电池叠层对燃料中的一氧化碳和/或其它污染物的耐受性。
在本发明的一个有利的实施方案中，阳极废气连接至冷却剂/水通道进口。通道出口与排泄器的次进口连接。排泄器的控制(主)进口连接至燃料源，出口与燃料电池叠层的燃料进口连接。除了上文所述的其它优点之外，在这种配置当中，大部分废燃料经排泄器再循环返回至燃料进口。
进一步根据本发明，阴极废气经冷凝器通往包括气/液分离器的冷却剂/水通道的进口，从而对冷却剂进口提供耐冻的液气双相混合物。分离器气体出口中的废气是可控的，从而能提供流过通道的一系列气体，其流速从极微到显著不等，且消除了泡沫。本发明的这种形式排除了使用冷凝物的蓄液器或储存器，使两相流体从冷凝器流至冷却剂/水通道进口，从而使从冷凝器到燃料电池叠层的返流明显更抗冻。在这种形式中，冷凝器可包括以采用本发明的燃料电池叠层为动力的汽车的散热器。
本发明排除了泵的使用并使液体存量减少一个数量级或更多，从而使燃料电池更坚固和更耐冻。
如附图所示，根据以下本发明的典型实施方案的详细描述可以更加显而易见本发明的其它方面、特征及优点。
附图说明
图1为能够修改成使用本发明的蒸发式冷却的燃料电池系统的简化程式框图。
图2为采用微小水通道的一对燃料电池的局部分段侧立视图，为清楚起见省略了分段线。
图3-7为根据本发明相应实施方案的在冷却剂通道上具有气体压力的蒸发式冷却的燃料电池系统的简化程式框图。
图8为将来自阴极废气冷凝器的耐冻双相冷凝物直接通往冷却剂通路进口的蒸发式冷却的燃料电池系统的简化程式框图。
图9为采用本发明的燃料电池为动力的汽车的简化略图，利用其散热器为阴极废气冷凝器。
图10为图6实施方案的修改方案的简化程式框图，具有主动式冷却剂管理，在燃料电池之间的冷却器板中采用直接的冷却剂抗冻剂。
具体实施方式
采用蒸发式冷却的燃料电池系统披露在2005年9月19日提交的序列号为11/230,066的美国申请中，本文参考图1和2对其进行描述。在上述申请中，燃料电池叠层37从进口42接收燃料；燃料在前半个燃油流场中通向左边，然后由燃料转向歧管43转向右边，通过另一半的叠层并通过燃料出口47。由空气泵52将空气经空气进口53泵入到叠层37中的氧化剂反应气体(空气)流场当中；水蒸发到空气当中，从而冷却燃料电池38(图2)。氧化剂反应气体通路的流出物57流经冷凝器59，其中热量被转移而水得以回收并经管道60返至水/气分离器，该水/气分离器也用作储存器64。任何水中的气体经排气62被清除。水经管道65返回，通过冷却剂进口66进入叠层37中的冷却剂通道。诸如水的冷却剂从水进口66流入，流经叠层37中的冷却剂通道78、85(图2)，往上流向出口68。
在图2中，燃料电池38各自包括常规的膜电极组件72，该组件包括电解质，在电解质的相反侧上带有阳极和阴极催化剂，且该组件可能在一个或两个电极上包括气体扩散层。燃料反应气体流过燃料反应气体流场板75上的通路74，所述燃料反应气体流场板75上具有沟槽76，沟槽76与相邻燃料电池上的沟槽77一起在燃料电池38的接合处79a上形成微小的水通道78。在阴极侧，氧化剂反应气体流场板81包括空气流动通路82和沟槽83，沟槽83与相邻燃料电池上的沟槽84一起在燃料电池的接合处86上形成微小的水通道85。
为了阻止溢流，通道中的水压要比诸如由空气泵和调压燃料提供的反应气体的压力低一至十千帕。
通道可以不由所示的匹配沟槽形成，例如通过只在反应气体流场板75、81的一个上提供通路76、83或77、84来形成。
如美国专利5,700,595披露的那样，在具备外部水处理且通过水传输板使用大量水流的燃料电池发电装置中，反应气体流场板75、81呈现为与水传输板相同，有时被称为细孔板。然而，由于当采用蒸发式冷却时，每体积的水在冷却效力上有约四十倍的改善，上述′595专利中水流通路的截面比图2中的水通道78、85的截面大数十倍。
在前述专利申请的另一实施方案中，具有传导性、亲水性且具有高透水性的材料层在反应气体流场板75、81的几乎整个平面上延伸，取代形成沟槽的通道78、85。这种材料可以为碳纤维纸，纤维在水运动的方向上排列，从而有利于平面内的透水性，或者其可以为通常用作燃料电池扩散介质的其它材料。
水通道通常很小，且能够提供蒸发式冷却所需的水。此外，水流除供蒸发式冷却所需之外，还可以帮助消除从反应气体通路中漏进的气泡。该水流能有助于系统中循环水的去离子化(软化)。这种水流只有通过燃料电池外部具备充分存水量的泵和管件来提供才是充足的，这在冷冻的气候下是不利的。
参考图3，所示为本发明在基本上如上述图1所描述的燃料电池发电装置中的一个一般性实施方案，但具有另外的细节和元件。在图3中，含氢气体源76流经阀77到达燃料进口42。阀77由控制器79调节。燃料出口47向燃料再循环泵81供给，所述再循环泵将废燃料返回到燃料进口42，这是常规的。燃料出口还与由控制器79调节的放泄阀84连接，用以定期或以缓慢的放泄速率释放出一些废燃料，从而消除循环燃料中积累的一些杂质，尤其是氮。流过放泄阀84的废燃料可在催化转化器中发生反应或被送往氧化剂反应物流，如美国专利6,124,054中披露的那样。
控制器还可以控制空气泵52和空气进口53之间的阀87。
冷却剂出口在该实施方案中为水出口68，它是一种气/液分离器，例如疏水多孔塞，其中气体被容许从排气口90逸出，而冷却剂(例如水)被容许流过液体出口91和管道88、通过管道60和储存器64返回至水进口66。由任何选定的加压气体源92(上文所述)经由控制器79调节的阀93将气体提供到冷却剂进口66。所需气体的量相当少，压力是低的；加压气体刚好足以保证气体和冷却剂(在此实施方案中为水)的混合物流经冷却剂通路，从而确保在冷却剂通路的各处上的冷却剂速度均大于零。这种流动确保气体无法累积成泡，而这种泡能阻碍冷却剂的流动和/或加湿流体的流动，在该实施方案中上述两者均为通过冷却剂通路的水的流动。
参考图4，本发明的一个简单实施方案利用一部分来自氧化剂泵52的空气，在通到水进口66之前其流量由阀93的作用而显著减少。
图5所示为本发明的一个实施方案，该实施方案对水通道提供正压力和负压力。在图5中，冷却剂出口68的排气口90与排泄器97的次进口96连接，排泄器的控制进口98与阴极空气泵52连接；排泄器的出口100经阀87通至空气进口53，经阀93通至冷却剂进口66。在该实施方案中，来自冷却剂流场的气体在流经排泄器、空气流场和冷凝器之后最终从储存器64排出。
在图6所示的本发明的实施方案中，燃料出口47经阀103与冷却剂进口66连接。燃料利用率在90％左右或以上的燃料电池提供的废燃料量适于流经冷却剂通路，这就消除了在通往冷却剂进口66之前分离废燃料流或进行其它调整的任何必要性。通过经由控制器79的控制阀103的调节，很容易使得废燃料的出口压力适合于通往冷却剂通路。该实施方案的优点在于，一些废燃料会从冷却剂通路中扩散出去，通过多孔氧化剂反应气体流场板，在叠层的阴极上被消耗。额外废燃料的消耗减少了系统中的氢排放，这是一个附加的益处。
在图6中，排泄器97处于燃料进口线路上。在这种情况下，控制进口98经由阀77与含氢气体源76连接。次进口与冷却剂出口68的排气口90连接。排泄器91的出口100经由阀105与燃料进口42连接。阀77和105可由控制器调节，从而提供通过排泄器97的所需的压力关系。该实施方案的一个优点在于，从阴极空气中摄入到冷却剂当中的少量空气通过排泄器97被吸入到燃料流中，它也可以作为燃料中的空气放泄源，从而提高燃料电池叠层对燃料中的污染物的耐受性，特别是对一氧化碳的耐受性，它大部分被转化成二氧化碳。
为了确保空气放泄不过度，可以设计排泄器以限制其最大的低压气体通入量，和/或可以使用氢传感器池原位检测是否有过量的空气通往燃料进口42。这个组合的附加优点在于，大部分的废燃料将再循环至燃料进口。如在其它实施方案中的那样，燃料放泄阀84可以将燃料排出到催化燃烧器或叠层的阴极进口中。
本发明有利的实施方案是图5和6所示的组合；也就是说，使空气进口或废燃料与冷却剂进口连接，提供由进口空气或燃料驱动的排泄器，并使其次进口与冷却剂排气口连接。
示于图7的本发明的另一实施方案类似于图6的实施方案。图7所示的是，可以通过例如燃料再循环泵107提供燃料的再循环。如果在任何情况下认为有必要的话，在燃料再循环回路上可以随泵107设置调节阀。
图7还显示到，气/液分离器68的液体出口91无须为了将水返回至储存器64而与管道60连接。替代的情况是，管道109可以引导水的排出。在图3-6所示的任何实施方案中也可以采用这一特征(从出口91排水)。
在图8的实施方案中，储存器64没有排气口，因此来自冷凝器59的冷凝物和剩余的阴极废空气二者以双相混合的形式经管道60、65被送往气/液分离器66a，在该实施方案中气/液分离器66a包括冷却剂进口。水出口106通往冷却剂通路，气体出口107经受控阀108连接至废气口。通过控制气体出口的回压，一定量的气体将流过冷却剂通路，液体从无到起泡，扫流而过。
在燃料电池电动汽车120(图9)中，图8的实施方案在使用该实施方案的燃料电池叠层37的发电装置中是极为适用的。在这种情况下，冷凝器59为常规的汽车散热器59a，储存器64通常与散热器在其底部相结合。除了在需要的情况下提供经过冷却剂通路的消泡流动以外，该实施方案还具有附加的优点，即携带作为双相流体的冷凝物和阴极废空气通过管道60、65。这将压低双相流体水部分的冷冻温度。通过省略储存器，这也最大限度地减少了叠层外部的液态水的体积，而叠层外部的冷冻风险是更大的，因为未与叠层的废热有热交流。采用这种实施方案使得返回管道60、65中的冷冻风险最小化。
水气分离器66a可以与冷却剂进口歧管结合，或者可以与冷却剂进口歧管相邻。在各实施方案中，可以控制阀108，从而使不会有气体或者离开分离器66a存在的一些气体或所有的气体通过水出口106。
在图10的AWM燃料电池系统中，气体进入冷却剂进口66和离开冷却剂出口68的交流与上文参照图6的描述相同。在图10中，冷却剂进口66和冷却剂出口68之间的液体通道为水管理通道，如以参见方式引入本文的上述出版物中所描述的那样。由使冷却剂循环的冷却器板122提供冷却，冷却剂通常含有诸如乙二醇的抗冻组分。冷却剂在位于冷却器板和冷却剂管理系统124之间的管道123、124中传导，所述冷却剂管理系统具备温度和组分控制功能(例如，抗稀释)，如所述的出版物中所描述的那样。
冷却器板可置于每相邻的一对燃料电池之间，但通常对每二至四个燃料电池放置一块。
在图10的实施方案中，是水造成了电池内通道中的非零速度。带有电池间冷却的燃料电池系统可以采用本文描述的其它技术来实现进口66和出口68之间的水管理通道中的非零水流动。
本发明可用于如2005年12月1日提交的专利申请PCT/US 05/43942中所披露的、使用抗冻混合物的蒸发式冷却的燃料电池中。

Claims (22)

1.燃料电池发电装置中的一种方法，所述燃料电池发电装置具有燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在冷却剂进口(66)和冷却剂出口(68)之间的冷却剂通道(78，85)，所述方法的特征在于：
使气体(92，52，96，47；60，65)与(a)所述冷却剂进口和(b)所述冷却剂出口中的至少一方连通，其保证所述冷却剂通道中的流体速度大于零。
2.燃料电池发电装置，包括：
燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在冷却剂进口(66)和冷却剂出口(68)之间的冷却剂通道(78，85)；
其特征在于：
在(a)所述冷却剂进口和(b)所述冷却剂出口中的至少一方与气体(92，52，96，47；60，65)之间流体连通，其保证所述冷却剂通道中的流体速度大于零。
3.根据权利要求2的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述流体连通是在所述冷却剂进口(66)与气体(92，52，47；60，65)之间，该气体的压力大于所述冷却剂出口(68)处的冷却剂压力。
4.根据权利要求2的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述冷却剂出口(68)包括具有气体出口(90)的气/液分离器(90/91)；以及
所述流体连通是在所述气体出口与气体(96)之间，该气体的压力低于所述冷却剂进口(66)处的冷却剂压力。
5.根据权利要求2的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述冷却剂出口(68)包括具有气体出口(90)的气/液分离器(90/91)；以及
所述流体连通包括(a)所述冷却剂进口(66)与气体(52，47)之间的连通，该气体的压力大于所述冷却剂出口处的冷却剂压力，和(b)所述气体出口(90)与气体(96)之间的连通，该气体的压力低于所述冷却剂进口(66)处的冷却剂压力。
6.根据权利要求2的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述流体连通是在加压气体源(92，47，52；60，65)与所述冷却剂进口(66)之间。
7.根据权利要求2的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
氧化剂反应气体流场板(81)与空气出口(57)连接；
冷凝器(59)具有与所述空气出口(57)连接的流体进口并具有流体出口；以及
所述流体连通包括所述压缩机的所述出口与所述冷却剂进口(66)之间的连通(60，65)。
8.燃料电池发电装置，包括：
燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在冷却剂进口(66)和冷却剂出口(68)之间的冷却剂通道(78，85)、连接在燃料进口(42)和燃料出口(47)之间的燃料反应气体流场板(75)、连接在空气进口(53)和空气出口(57)之间的氧化剂反应气体流场板(81)、置于所述流场板之间包括阳极和阴极催化剂的膜电极组件，至少一个所述板为多孔及亲水性的；
其特征在于：
在(a)所述冷却剂进口、(b)所述冷却剂出口或者(c)(a)和(b)两者，与气体(92，52，96，47；60，65)之间有流体连通，其提供所述冷却剂通道上的足够压差，从而保证所述冷却剂通道中各处的水/气混合物的速度大于零。
9.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述流体连通是在所述冷却剂进口(66)与泵(52)之间，该泵(52)经所述空气进口(53)对所述氧化剂反应气体流场(82)供应空气。
10.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述流体连通是在所述燃料出口(47)与所述冷却剂进口(66)之间。
11.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述冷却剂出口(68)包括具有气体出口(90)的气/液分离器(90/91)；以及
所述流体连通包括(a)所述冷却剂进口(66)与空气泵(52)之间的连通，该空气泵(52)对所述燃料电池供应氧化剂反应气体，和(b)所述气体出口(90)与排泄器(97)的次进口(96)之间的连通，该排泄器(97)具有与所述空气泵连接的主进口(98)和经所述空气进口(53)与氧化剂反应气体流场(81)连接的排泄器出口(100)。
12.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
含氢气体源(75)；
所述冷却剂出口(68)包括具有气体出口(90)的气/液分离器(90/91)；以及
所述流体连通包括(a)所述燃料出口(47)与所述冷却剂进口(66)之间的连通，和(b)所述气体出口(90)与排泄器(97)的次进口(96)之间的连通，该排泄器(97)具有与所述含氢气体源连接的主进口(98)并具有与所述燃料进口(42)连接的排泄器出口(100)。
13.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
冷凝器(59)；以及
来自与所述冷却剂进口(66a)流体连通(60，65)的所述冷凝器的冷凝物和气体双相流。
14.根据权利要求8的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
冷凝器(59)；
所述冷却剂进口(66)包括具有液体出口(106)和气体出口(107)的气/液分离器(66a)；以及
所述流体连通是从所述空气出口(57)经所述冷凝器至所述冷却剂进口(66)。
15.燃料电池发电装置，包括：
燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在冷却剂进口(66)和冷却剂出口(68)之间的冷却剂通道(78，85)、连接在燃料进口(42)和燃料出口(47)之间的燃料反应气体流场板(75)、连接在空气进口(53)和空气出口(57)之间的氧化剂反应气体流场板(81)和置于所述流场板之间包括阳极和阴极催化剂的膜电极组件，至少一个所述板为多孔及亲水性的；
其特征在于：
(a)所述空气出口与(b)所述冷却剂进口之间的流体连通。
16.根据权利要求15的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
冷凝器(59)；
所述冷却剂进口(66a)包括具有气体出口(107)的气/液分离器(107/108)；以及
所述流体连通是从所述空气出口(57)经所述冷凝器至所述冷却剂进口(66a)。
17.根据权利要求16的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述冷凝器(59)为燃料电池动力汽车(120)的散热器(59a)。
18.根据权利要求16的燃料电池发电装置，包括：
控制器(79)；其进一步特征在于：
所述分离器(107/108)具有由所述控制器控制的气体出口。
19.根据权利要求15的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述流体连通包括所述空气出口与所述冷却剂进口之间的冷凝器(59)；以及
所述流体连通是从所述冷凝器至所述冷却剂进口的两相气/液流。
20.根据权利要求19的燃料电池发电装置，其进一步特征在于：
所述冷凝器(59)是燃料电池动力汽车(120)的散热器(59a)。
21.燃料电池发电装置中的一种方法，所述燃料电池发电装置具有燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在进口(66)和出口(68)之间的水通道(78，85)，所述燃料电池发电装置还具有冷却器板(122)，所述冷却器板(122)置于至少一些所述燃料电池对之间，并与冷却剂管理系统(125)互连(123，124)，所述方法的特征在于：
气体(92，52，96，47；60，65)与(a)所述水进口和(b)所述水出口中的至少一方连通，其保证所述水通道中的流体速度大于零。
22.燃料电池发电装置，包括：
燃料电池(38)的叠层(37)，每个燃料电池具有连接在水进口(66)和水出口(68)之间的水通道(78，85)；
冷却剂管理系统；
置于至少一些所述燃料电池对之间并与所述冷却剂管理系统(125)互连(123，124)的冷却器板(122)；其特征在于：
使(a)所述水进口和(b)所述水出口中的至少一方与气体(92，52，96，47；60，65)之间连通的装置，其保证所述水通道中的流体速度大于零。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147838A (zh) * 2011-12-07 2013-06-12 现代自动车株式会社 用于车辆的散热器

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8980494B2 (en) * 2006-07-25 2015-03-17 Ballard Power Systems Inc. Water management for a fuel cell
KR101360636B1 (ko) * 2009-12-03 2014-02-10 기아자동차주식회사 친환경 차량용 냉각시스템
US9005830B2 (en) * 2010-02-16 2015-04-14 GM Global Technology Operations LLC Freeze start operation in a fuel cell with a blocked anode cell
FI20105962A (fi) * 2010-09-17 2012-03-18 Waertsilae Finland Oy Menetelmä ja järjestely anodioksidoinnin välttämiseksi
EP2758730B1 (en) 2011-09-23 2021-05-26 Carrier Corporation Transport refrigeration system utilizing engine waste heat
US10168716B2 (en) * 2014-10-02 2019-01-01 General Electric Company Valve position demand systems and methods
CN112186226B (zh) * 2020-09-24 2021-05-11 同济大学 一种燃料电池单体缺气诊断方法

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3801372A (en) * 1971-08-18 1974-04-02 United Aircraft Corp Fuel cell system comprising separate coolant loop and sensing means
US4678723A (en) * 1986-11-03 1987-07-07 International Fuel Cells Corporation High pressure low heat rate phosphoric acid fuel cell stack
JP3203150B2 (ja) * 1995-05-18 2001-08-27 三洋電機株式会社 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システム
WO2000033407A1 (en) * 1998-12-01 2000-06-08 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for controlling the temperature within an electrochemical fuel cell
DE10085305T1 (de) * 1999-12-17 2002-11-21 Int Fuel Cells Llc Brennstoffzelle mit einer hydrophilen Substratschicht
US6365291B1 (en) * 2000-04-05 2002-04-02 Utc Fuel Cells, Llc Direct antifreeze solution concentration control system for a fuel cell power plant
US6905792B2 (en) * 2000-10-13 2005-06-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Cooling system and cooling process of fuel cell
JP4801261B2 (ja) * 2001-01-23 2011-10-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4344484B2 (ja) * 2001-03-06 2009-10-14 本田技研工業株式会社 固体高分子型セルアセンブリ
US6689500B2 (en) * 2001-03-29 2004-02-10 Power Plug, Inc. Cooling a fuel cell stack
US6562503B2 (en) * 2001-08-22 2003-05-13 Utc Fuel Cells, Llc Freeze tolerant fuel cell power plant
US6699612B2 (en) * 2001-12-26 2004-03-02 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell power plant having a reduced free water volume
US7282285B2 (en) * 2002-04-05 2007-10-16 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for the operation of a cell stack assembly during subfreezing temperatures
US7118819B2 (en) * 2002-06-17 2006-10-10 Utc Fuel Cells Llc Coolant mixture separator assembly for use in a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell power plant
DK1542961T3 (da) * 2002-09-16 2013-11-04 Sepracor Inc Trans-4-(3,4-dichlorphenyl)-1,2,3,4-tetrahydro-1-napthalenamin til anvendelse til behandling af cns-forstyrrelser
US6960404B2 (en) * 2003-02-27 2005-11-01 General Motors Corporation Evaporative cooled fuel cell
US6916571B2 (en) * 2003-06-19 2005-07-12 Utc Fuel Cells, Llc PEM fuel cell passive water management
JP2005108758A (ja) * 2003-10-01 2005-04-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US6979509B2 (en) * 2003-11-05 2005-12-27 Utc Fuel Cells, Llc Freeze tolerant fuel cell power plant with a two-component mixed coolant
US7282287B2 (en) * 2004-11-24 2007-10-16 Utc Power Corporation Purging water with reactant air pump powered by operational fuel cell system during shutdown
US7887966B2 (en) * 2004-12-29 2011-02-15 Utc Power Corp. Evaporatively cooled hybrid PEM fuel cell power plant assembly
US7504170B2 (en) * 2004-12-29 2009-03-17 Utc Power Corporation Fuel cells evaporatively cooled with water carried in passageways
WO2006083598A2 (en) * 2005-01-25 2006-08-10 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for pumping liquids using directional growth and elimination of bubbles
US7871729B2 (en) * 2005-11-18 2011-01-18 Daimler Ag System and method for mixing gases in a fuel cell exhaust system
US8048581B2 (en) * 2006-12-16 2011-11-01 VTC Power Corporation PEM fuel cell system with a porous hydrophobic gas venting member with gas flow blockage prevention

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147838A (zh) * 2011-12-07 2013-06-12 现代自动车株式会社 用于车辆的散热器

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Publication number Publication date
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US8470480B2 (en) 2013-06-25
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