CN1381074A - 操作燃料电池系统的方法及可相应地操作的燃料电池系统 - Google Patents

操作燃料电池系统的方法及可相应地操作的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统可以是单一电池(1)、一个电池叠或类似结构,包括至少一个夹在阳极层(4)和阴极层(3)之间且包括催化剂的活性膜片(2)、一个通至阳极层的燃料源和一个通至阴极层的空气源(17,18),为了简化这种燃料电池系统的冷却,同时保持系统的与能量转化、体积和重量相关的效率,所述燃料电池系统受到操作,使空气源供应的空气送入燃料电池系统,沿阴极层通过,然后离开燃料电池系统,并用作氧化剂和冷却剂。为此目的,空气以一个导致25和140之间的化学计量比的速率被引入燃料电池系统(1,15)。

Description

操作燃料电池系统的方法及 可相应地操作的燃料电池系统
本发明涉及操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括至少一个活性膜片，该活性膜片夹在一个阳极层和一个阴极层之间，并包括催化剂；以及一个通向阳极层的燃料源和一个通向阴极层的空气源，其中空气源供应的空气借助压力引入燃料电池系统，沿阴极层通过，然后离开燃料电池系统，用作氧化剂和冷却剂，本发明也涉及燃料电池系统，该燃料电池系统按照上述方向操作且包括至少一个活性膜片，该活性膜片夹在一个阳极层和一个阴极层之间，并包括催化剂；以及一个通向阳极层的燃料源和一个通向阴极层的空气源。它涉及到反应物源和冷却气体流的功能组合，特别是在具有空气流通过的阴极结构的质子交换膜片(PEM)电化学燃料电池系统中。
发明背景
美国专利第5,595,834号描述了一种圆筒形电池叠，其中包括必要的氧气的空气流从圆周向着圆筒形中空区域。该空气流向燃料电池提供单一电池中反进所必要的氧气的功能。为了冷却在电池间的隔板，这些隔板超越叠的圆周延伸一定距离，以便从所述电池向环境空气散热。氢气的通道是在电池中心附近的中央区域中，并且为输送燃料而连接于电池中的燃料流场。
美国专利第5,470,671号描述了一种燃料电池结构，其中电池(在一直线上布置的、串联的单个电池，或双电池)的所有阴极侧布置在电池装置的圆周上。阴极是每个单个的电池的圆周。因此能够使膜片电极组件中放出的全部热量散至大气中，并在同一流动路径中向膜片供应反应空气流。反应和冷却空气流是相同的。这种现有技术的结构的问题在于，由于不能采用传统的双极堆叠结构，必须有大的体积。另外，必须有复杂的气源和电连接，这一般不允许有产生高电压所需要大量的电池。重量和体积的能量密度，甚至这种结构的效率都很低。
EP 0 929 112描述了一种空气冷却式氢气空气聚合物电解燃料电池，它具有一个双重通道结构冷却板。这种冷却通道结构从板的第一侧至第二侧穿过板，其中这种向燃料电池供应反应物空气的空气通道结构从阴极流场的一个表面伸入冷却板的冷却通道。冷却空气流和反应物空气流有代表性地(cross-sectionally)流动。
DE 196 00 200 C1描述了一种燃料电池，其中两种干燥的或只部分湿化的反应气体之一平行于反应气体进口和反应气体出口之间的温度梯度流动。另外，一个空气流用于冷却目的。
另一方面，DE 40 28 339 A1公开了一种燃料电池系统，其中过量的氢气同时用作反应气体和冷却剂。这需要回收未反应的氢气并将其循环通过燃料电池系统的附加装置，这又导致高的复杂度和低的重量和体积能量密度。
发明内容
通过本发明，可以是单一电池或一叠电池或类似结构的燃料电池系统的冷却可以被简化，同时，系统的关于能量转换、体积和重量的效率可保持有利。
本发明使用具有高化学计量比的空气流。这种空气流含有在阴极催化剂层电化学反应的反应气体氧气，而且，在空气流中含有的氮气主要用作冷却气体。反应和冷却空气流是相同的，并以上述高化学计量比直接送至阴极室。取决于工作条件和电极结构，化学计量比在25至140的范围内，最好在45至90的范围内。由于如此大的空气流量，燃料电池被最佳地且在整个阴极表面上相同地供送氧气。另外，废热被直接从阴极除去。空气流最好在整个有效面积上在通道结构中散布。无需附加的冷却流体和冷却室或冷却片。
按照本发明，冷却板的通道系统得以显著简化，无需带有双重通道结构的专门的冷却板。另外，在膜片表面上的气体分布很均匀、有效，因为反应氧化从冷却空气流通过扩散而带走。这种均匀性导致膜片的恒定温度，因而导致不变的高功率输出。只使用两种气体流，冷却和反应空气流是同一的。这就可尽量减小周边聚集并降低燃料电池量的复杂度。在本发明的一个推荐实施例中，设有一个圆筒形的电池，其中有从中央区域至圆周或反向的空气流。
借助通过适当的、最好是多层的阴极扩散结构，反应氧气离开空气流。如果电流由电池产生，那么驱动氧气扩散流的浓度梯度是由阴极催化剂的氧气消耗产生的。
在这个方面，化学计量比被定义为下述系数，根据这个系数，在实际应用的空气流中的氧气量高于为产生实际电力输出的化学反应所需要的氧化量。
燃料电池可以是矩形几何形状的单一电池或堆叠。矩形形状的优点在于，如果空气流的方向平行于矩形的短边，那么，空气流内的压降相对较小。每个单个电池包括一个膜片、一个多层的、扩散有限的阳极和一个多层的扩散有限的阴极。为反应和冷却空气流而设的阴极空气引导层可以具有通道。空气引导层可由多孔或非多孔材料制成。
或者，燃料电池叠的几何形状也可以圆筒形的。因此，各个电池具有圆环形状。空气流借助设置在一个或两个端板上的一个或两个鼓风机在轴向上输送。一方面，鼓风机可以按照使鼓风机的电池从叠的圆筒形本体突出的方式安装在端板上，另一方面，鼓风机也可以完全包含在叠的中央管形空间内。与矩形形状相比，这种几何形状的布置的优点在于，不必设置将空气流从鼓风机引导至叠中的单个电池的空气歧管，空气是等同地散布至各电池的。歧管的功能是由电池的内部横截面提供的。
因此，可以节省重量和体积。其它几何形状的环形也可用来替代圆环形状，例如，椭圆环或带有中央方孔的方形。另外，为了节省空气供应歧管，环形形状可以按照传统的方式通过设置也许属于不同的叠的若干电池实现。
空气流最好从燃料电池叠的外表面指向内管，但是也可以采用反向的空气流。作为另一种可能性，空气流的方向也可以在一定的时间以后逆反。
现在对照下面的附图在下面的描述中阐明本发明的上述和其它的目的和特征。
附图说明
图1是带有矩形结构的燃料电池的示意前视图。
图2是带有两个鼓风机的圆形电池叠的横截面图。
图3是带有一个鼓风机的圆形电池叠的横截面图。
图4是图3的圆形燃料电池的顶视图。
图5是燃料电池的空气引导层的顶视图。
具体实施方式
按照图1的电化学燃料电池1包括一个膜片2、在膜片2一侧的一个阴极扩散结构3和在膜片2另一侧的阳极4。阳极4由一个端板覆盖，在电池叠的情形中该端板是双极板5，阴极结构3由一个作为空气引导层10的流场覆盖，其中形成空气引导通道11。覆盖空气引导层10的端板或双极板在图1中未画出。在膜片2的两侧，在其表面或在相邻层结构的表面上具有催化剂，用于在阴极侧可发生生成水所需要的在H2和O2之间的反应，从而从构成每个电池的电极的阳极和阴极可收集到电压或电流。阴极扩散结构3使来自空气引导层10的空气可透至催化剂和膜片的前区，并使H2O蒸汽可从该前区逸出。
空气流以高化学计量比穿过阴极扩散结构3。化学计量比的意思是总氧气输入与氧气化学消耗的比值。这种空气流含有在阴极催化剂层的电化学反应的反应气体氧气，另外，在空气流中主要包含的氮气用作冷却气体。反应和冷却空气流是同一个气流，该气流以上述高化学计量比直接送至阴极结构。取决于工作条件和电极结构，化学计量比在25至140的范围内，最好在45至90的范围内。由于这么高的空气流量，氧化最佳地、在阴极整个表面同样地供应给燃料电池。另外，废热被直接从阴极电极除去。空气流在由阴极和膜片的整个有效区上的通道11形成的通道结构中散布，无需附加的冷却流体和冷却室，或冷却片。
反应氧气借助通过阴极扩散结构3的扩散而离开空气流，所述阴极扩散结构根据目的而适当确定尺寸，最好包括多层的阴极扩散结构。如果从电池取走电流，那么，驱动氧化扩散的浓度梯度是由阴极催化剂引起的氧气消耗而产生的。
如果由于高的化学计量空气流，膜片2容易干燥并在高的工作温度失去其离子传导性，那么，这种后果可以借助WO 00/14816中所述的扩散有限的阴极和阳极结构而避免，上述文件在本说明书中用作参考。上述文件公开了一种聚合物-电解质膜片的燃料电池，它包括一个这种膜片、一个含有催化剂的电极、一个多孔导电气体扩散层和含有气体分布通道结构的电流收集板的层压件，还具有一个透气性梯度，在垂直于膜片的方向上，该梯度至少存在于层压件的部分区域中，较靠近于膜片有较高的透气性，较靠近电流收集板有较低的透气性，其中，在工作中在膜片上通过氢气氧气反应生成水和热，其中，透气性梯度存在于邻近含有催化剂的电极的气体扩散层中，至少在气体扩散层的这个部分区域中，靠近电流收集板的透气性比膜片附近低这样一种程度，即，在膜片的表面上出现的气体成分大致是恒定不变的；而在工作温度以蒸汽形式生成的水形成一种通过气体扩散层的水蒸汽扩散流，使得膜片的含湿量对于实质上正在保持的传导性来说是最佳的。这时采用严格按照WO 00/14816中所公开的方法制造的带有极度保持水的性质的阳极4和阴极3结构，尽管大的空气体积通过阴极也可以实现在出口附近高于70℃的电池工作温度。在进入阴极室之前，空气流一般不被进一步湿化。
空气流引起一个第一温差，即，进口和出口间空气的温差(ΔT空气)和一个第二温差，即，空气进口和出口之间的电极结构时的温差(ΔT电极)ΔT电极应尽可能地小，否则难以保持膜片的均匀湿度。高的ΔT电极会引起膜片的不同的湿润程度。在燃料电池的空气流的进口处，在膜片内产物水被保持得相对较好，这是由于在该处电极材料以及冷却和反应空气流的温度低。电极的孔处于溢流的危险中。在空气流的出口处，其温度较高时，膜片的湿润程度一般较小，因而膜片处于干燥的危险中。这就是设计WO 00/14816所公开的阴极扩散结构，从而尽管有(小的)温度梯度而保持最佳膜片湿度的原因。减小温度梯度的方法将在实例3中公开。因此，ΔT电极最好小于25℃，更为推荐的是小于8℃。在实例3中描述了一种借助平行导热层，即，双极板45减小ΔT电极的方法。
另一方面，ΔT空气应尽可能地高，否则空气流的化学计量比就必须增加至一个水平，使产生空气流的鼓风机的电力需要不合理地降低整个系统的效率。ΔT空气最好高于15℃，更为推荐的是高于30℃。赋予空气流的阴极扩散结构的表面，以及引起的扩散结构和空气流之间的热传递率最好设计得以空气出口和出口附近的阴极扩散结构之间的温差小于12℃终止。该温度更为推荐的是保持小于7℃。实现高的热传递率的方法是增加空气和扩散结构之间的共用表面，以及提高流动速度。在所述实施例中两者都是通过空气引导层10实现的，该空气引导层阴极流动板，包括大量的窄通道11。另外，热传递率是通过采用矩形通道横截面和多孔的通道壁材料提高的。
上述的增加热传递率的方法也倾向于增加迫使空气通过所述通道结构需要的压降，因而增加鼓风机的能耗。但是，本发明一般不需要进一步的散热系统。实例1：
仍参阅图1，燃料电池1可以是如图所示的单个电池，也可以是一种堆叠结构，在本实施例中，所述堆叠结构具有的几何形状为截面为矩形的平行六面体。这种矩形形状的优点在于，如果空气流的方向平行于矩形的短边，那么，空气流中的压降相对较小。如图1所示，每个单个电池由膜片2、阴极扩散结构3和阳极4构成，所述阴极扩散结构是多层的、扩散有限的阴极，所述阳极是多层的、扩散有限的阳极。阳极2和阴极3是按照WO 00/14816制成的。阴极空气引导层10是由多孔的或非多孔的材料制成的。它具有反应和冷却空气流的通道11。如果非多孔材料用于空气引导层10，那么就必须有通道结构11。如果使用多孔材料，则通道结构11可有可无。层10的相反侧面是面对膜片2的无通道侧12。
在一个优选实施例中，空气引导层10的多孔材料是一种石墨纸，即，日本Toray公司生产的TGPH-1.5t。在这种石墨纸中铣削出深1.1mm、宽1.0mm、通道间为1.2mm的通道结构11。由于在这个实施例中采用了高的化学计量空气流动速率，以及空气引导层的高度多孔结构，因而空气引导层10使氧气相等地在阴极扩散结构3的表面上弥散。通过采用市售的PTFE分散体使空气引导层10抗湿，这也许是有利的。扩散结构3和空气引导层10可防止膜片2干燥。所采用的阳极4是一种扩散有限的阳极，其用于防止大量水份在膜片2上向着阳极4蒸发并冷凝在被下一个电池的空气流冷却的双极板上。由于再循环机构相当复杂，这种水的蒸发一般会丧失膜片的湿润度。实例2：
在图2所示的另一个优选实施例中，燃料电池叠15具有中空圆柱或与其接近的几何形状，形成某种轴向的管状空间16。各电池具有如图4所示的圆环形状。空气流17借助设置在一个或分别设置在两个端板19上的一个或两个鼓风机18沿轴送入管状空间16。空气流17从燃料电池叠15的轴向外表面穿过各电池流向周向外表面25。
与矩形形状相比，这种几何布置的优点在于，无需空气歧管将空气流17从鼓风机18引至电池1，并相同地将空气散布至各电池。歧管的功能是借助由电池1的内横截面形成的管状空间9提供的。因此，节省了重量和体积。其它几何形状的环形形状也可用来替代圆环形状，例如椭圆环或带有中央方孔的方形。为了节省供送空气的歧管，也可以通过布置也许属于不同叠的若干电池来实现环形形状。
每个电池的阳极4朝着管状空间16和圆筒形布置的外表面25是由环形密封件26密封的。密封件26、阳极4、阴极扩散结构3、双极板5和氢气源和机械压缩系统是分别按照WO 00/02279、WO 00/14816、DE 19917 722.8及WO 00/10174中所述而设计的，这些文件在本说明书中用作参考，后一文件公开了一种导电的、挠性的及机械上稳定的层材料，该层材料含有预成形的、导电的多孔层材料，它含有作为导电成分的非金属颗粒，其中，预成形的层材料的孔完全地或部分地填充有硬化的树脂，导电颗粒在必要的程度上未覆盖上述树脂。
作为阴极一部分的空气引导层10的结构如图5所示。
为了确定由各电池1形成的内部管状空间16的合理直径，沿所述管状空间静压力与在空气引导层10内的压降相比应该只变化很小的一点(少于10％)。这样，在各电池1之间导致相等的流动速率分布。因此，在内部管状空间16内由于摩擦引起的静压力的下降，以及取决于与鼓风机18的距离的动压力(流动速度)的增加需要加以考虑。一般来说，在每个端板19上使用一个如图2所示的鼓风机18，与一个鼓风机的布置相比可采用较小的内径。实例3：
冷却和反应空气流的高的化学计量比及所得到的温度梯度，特别是ΔT电极可以在膜片2内导致不同的湿润状态，从而降低功率输出，特别是如果采用干燥的反应气体，尤其是这种情况。
当然，WO 00/14816中所述的电极扩散结构可以补偿电极本身不一致引起的温度梯度。在高温区域中，电极结构必须更密，以便减小水蒸汽的有效扩散系数，从而保持膜片2内的水份。但是，已证明这种非均匀电极的制造方法相当复杂，特别是如果非均匀程度高的话。
显著减小本发明冷却方法引起的温度梯度有几种方法。
最简单的方法是在一定时间后逆反空气流方向。图3和5表示作为电池1一部分的空气进口30和出口31。进口和出口的功能交替地改变。在逆反方向以后，在原出口31处的温度下降，而在原进口30处的温度上升。平均来说，这几乎可导致几乎相同的温度分布。
另一种方法是使用有平行于板的具有高导热性的双极板5。这使热通过双极板从热空气出口区域送至相对较冷的空气进口区域。为了避免不合理的高质量的双极板5，可以选择具有高的比热传导性的材料，如铅、镁、铍及其合金等金属；石墨；以及最好是压膨胀的石墨片的箔具有良好的性质。膨胀石墨制成的箔极度各向异性的热传导性质。平行于平面的传导性与密度相等低的材料相比是极高的。已证明通过压缩箔直至1.1g/cm3至1.9g/cm3的密度，最好为1.25g/cm3至1.45g/cm3的密度，可以得到满意的结果。为了使箔变得气密，在生产过程前、后，可将其浸渍树脂，最好使用酚醛树脂、呋喃树脂或环氧树脂。
在一定的化学计量比下减少空气进口30和空气出口31之间的ΔT电极的另一种方法是提高向着空气出口的每单位有效面积的热传递率。在这种情形中，向着出口区域，电极温度上升得慢于空气温度。图5所示实例2的圆筒形堆叠设计的结构表现出这种性质。假定空气流从外表面25指向内部管状空间16，将热传递至空气流的每单位有效面积的通道表面接近于各处不变。显然，流动速度是朝着内部的、相对较热的空间16加速的。因此，单位通道表面的热传递率提高。热的区域被更有效地冷却，与具有均匀通道分布的矩形布置相比，ΔT电极被降低。实例4
由于燃料电池膜片2对可溶杂质如一般作为空气中的灰尘存在的NaCl或CaCO3的敏感性，在空气被送入电池前可以用过滤器净化空气。否则，上述物质溶解、进入膜片2并阻碍H+离子的导电机制，不幸的是，上述过滤器会引起空气流中的压降并增加燃料电池系统的重量、体积和成本，特别是如果燃料电池系统是按照本发明设计，采用高化学计量比的话。为了克服所有上述问题，可以使用一种结合在阴极扩散结构3中的空气过滤器。
为了避免被溶解的离子从带通道的空气引导层10移入膜片2，在阴极扩散结构3中施加具有小孔尺寸的强疏水层即可。由于疏水性和小的孔尺寸，导致高的表面能量，液态的水不易在这些孔中存在。水蒸汽和气体可以穿透这样的层，穿透的速率足以在燃料电池中应用。即使来自空气的灰尘溶解在通道附近的产物水中，形成的离子由于在过滤层中缺少液态水而被防止进入膜片2。
具有上述这些性质的层在膜片蒸馏设备领域中是公知的。它们一般由多孔的拉伸PTFE箔构成。不幸的是，对于燃料电池应用来说，推荐附加的高导电性。可以用作过滤屏障层的一种片材是Gore公司的产品“Carbel CL”。将其增设在空气引导层10和其它电极结构，即，3和4之间之前，片材必须通过在高温下施加机械压力而被压缩，上述机械压力最好在100至800巴的范围内，更为推荐的是在200至350巴的范围内。通过下述方式可实现改进：将多孔的Carbel CL箔浸渍PTFE/清洁剂悬浮液，随后在按上述方式压缩片材前进行PTFE烧结处理。
过滤层的另一种可能性是将WO 00/14816中公开的电极结构直接用作过滤层，必须使用粒度小于4μm且PTFE含量大于50％的石墨粉作为浸渍材料。通过在组装电池前压缩这种层可以得到高级的过滤性质。实例5：
空气流在燃料电池中的两种可能的控制和转向功能描述如下：
首先，空气流动速率的控制和调整可以通过WO00/14816中所述的温度完成，该文件在本说明书中用作参考。为了取得均匀的水平衡，燃料电池叠的工作温度可以通过改变空气流而最佳地选择，空气流是通过产生空气流的鼓风机的速度而改变的。
控制和调整空气流动速率的另一种方式是借助电子控制的微处理机进行的。鼓风机的转速改变空气流。为了限定需要的转速必须测量下述数据：
a)电压和电流
b)在假定氢气穿过膜片的扩散损耗是恒定(作为早期测试的结果)的情况下，计算废热
c)在进口(T进)和出口(ΔT出)的温度
d)进口和出口空气的dT/dt
在进一步假定热容量是已知且不变的情况下，所有上述数据甚至可以使微处理机以非静态程序来限定空气流的化学计量比，这时用电子领域中常用的方法，按照成比例的，和/或积分的，和/或微分的调整策略，通过鼓风机(或两个鼓风机)的电机的供应电压来实现控制，使空气流保持在化学计量比的25至140倍的范围内。
对于具有40个单元电池1和最大功率输出为670w的燃料电池叠来说，通过叠中燃料电池内的电化学反应的氧气和氢气的转换所需要的空气流在最大输出功率的情形中为每分钟19.5升。这是由于下述情形推算的：为了得到1库仑的电量，必须将在正常状态下0.058立方厘米的O2转化成水。对于所述电池叠来说，最大电流可达27.9A。这导致下述氧气流量：(0.058cc/As*27.9A*40)＝64.7cc/s＝3.9l/min。由于在环境空气中大致具有20％的O2，因而所需要的空气流必须为上述的值。对于-10℃和+46℃的环境气温和输出功率水平的整个范围来说，为了从燃料电池叠除去废热，鼓风机必须产生大约490l/min和2720l/min之间的空气流，这就是说，化学计量比在25和140之间。当叠内电池工作温度在60℃附近时，分别对于-10℃和46℃的环境温度来说，冷却空气流的温度的最大增加可能大致为70开氏温度和14开氏温标。假定燃料电池叠的效率为大约50％，对于最大功率输出来说，必须除去每秒钟670焦耳的废热。对于空气流的可能的最大温度增加来说，这导致上述的最小空气流动速率。在一定的环境温度和输出功率水平上，通过测量与鼓风机产生的空气流相关的鼓风机合理转速，可用实验方式确定除去废热所需的空气流。鼓风机的合理转速按照一种方式调节，使得例如取决于从电池叠取用的电流的一定的电池工作温度在叠内得以维持。用实验方式确定的空气流功速率很合理地符合理论上的期望值。在本发明的范围内，对于不同的尺寸和功率输出来说，上述化学计量比是按照上述计算法调节的。

Claims (16)

1.一种操作燃料电池系统(1，15)的方法，所述燃料电池系统包括至少一个活性膜片(2)，该活性膜片夹在一个阳极层(4)和一个阴极层(3)之间并包括催化剂；以及一个通至阳极层的燃料源和一个通至阴极层的空气源(17，18)，其中由空气源供应的空气借助压力引入燃料电池系统，沿阴极层通过，然后离开燃料电池系统，并且用作氧化剂和冷却剂，其特征在于：空气以一个导致25和140之间的范围内的化学计量比的速率被引入燃料电池系统(1，15)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述化学计量比在45和90之间的范围内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述燃料电池系统(15)内的空气流方向在一定时间间隔后交替地逆反。
4.一种适于按照权利要求1至3中任一项所述的方法操作的燃料电池系统，所述燃料电池系统(1，15)包括至少一个夹在一个阳极层(4)和一个阴极层(3)之间且包括催化剂的活性膜片(2)，以及一个通至阳极层的燃料源和一个通至阴极层的空气源(17，18)，其特征在于：所述阴极层(3)或一部分阴极层设有空气穿透通道，可使平行于膜片(2)的空气流的流动速率为一个导致25和140之间的范围内的化学计量比的流动速率。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气穿透通道在一个邻近且接触阴极层(3)的空气引导层(10)内形成，所述阴极层具有扩散性质。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气穿透通道由在阴极层(3)内或空气引导层(10)内形成的、沿空气流动路径延伸的通道(11)构成。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：通道(11)的总横截面积在流动方向上减小。
8.如权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于：它包括一个燃料电池叠，该燃料电池叠的几何形状为具有矩形横截面的平行六面体，其中每个单个电池(1)的所述空气穿透通道(10)的方向平行于所述矩形的短边。
9.如权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于：它包括一个几何形状接近圆筒形的燃料电池叠(15)，燃料电池叠的每个电池包括一个呈圆环形的活性区域，叠中的所述圆环限定一个叠内的中央管(16)，所述空气穿透通道(10)从所述管散布，并使空气流径向地穿过各电池。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气流是借助一个或两个设置在燃料电池叠(15)的一个或两个端板(19)上的鼓风机(19)产生的。
11.如权利要求4至10中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于：它包括一个燃料电池叠(15)，该燃料电池叠带有在单个燃料电池间的气体分离板(5)，其中所述气体分离板的材料具有＞0.04Wm2/(KgK)的平行于膜片的热传导性与密度的比。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于：所述气体分离板(5)的材料是膨胀石墨制成的箔。
13.如权利要求4至12中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于：单个燃料电池(1)在其阴极侧包括一个扩散结构，其中包含空气过滤器。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气过滤器是由一层强疏水的且包括小的孔尺寸的片材制成的。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于：空气过滤器的材料是其中填充导电材料的多孔拉伸PTFE箔。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于：所述PTFE箔还受到压缩并浸渍PTFE清洁剂悬浮液。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1324746C (zh) * 2004-01-26 2007-07-04 三星Sdi株式会社 燃料电池系统
CN100437101C (zh) * 2004-01-16 2008-11-26 亚太燃料电池科技股份有限公司 水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组
WO2019219058A1 (zh) * 2018-05-17 2019-11-21 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 燃料电池的供气控制方法、装置和系统以及轨道车辆
CN111403788A (zh) * 2020-03-23 2020-07-10 珠海格力电器股份有限公司 燃料电池电堆结构以及具有其的燃料电池

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6884745B2 (en) 2002-06-28 2005-04-26 Advanced Energy Technology Inc. Perforated cylindrical fuel cells
US6960402B2 (en) 2002-06-28 2005-11-01 Advanced Energy Technology Inc. Perforated cylindrical fuel cells
EP1381104A1 (de) * 2002-07-12 2004-01-14 Stefan Höller Brennstoffzellenstapel mit Gegestromkühlung und einer Vielzahl von Kühlmittelsammelkanälen parallel zur Stapelachse
DE10334843A1 (de) * 2003-07-30 2005-02-24 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Verfahren zum Mediummanagement innerhalb einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
CN100355598C (zh) * 2003-08-26 2007-12-19 丰田自动车株式会社 移动体
JP2005190684A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
CN1886853A (zh) * 2003-12-30 2006-12-27 Lg电子株式会社 燃料电池系统
JP4596814B2 (ja) * 2004-02-04 2010-12-15 三菱鉛筆株式会社 燃料電池
US20060024558A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 Proton Energy Systems, Inc. Low profile electrochemical cell
JP4855686B2 (ja) * 2005-01-13 2012-01-18 本田技研工業株式会社 燃料電池
US20080305382A1 (en) * 2005-04-05 2008-12-11 Byd Company Limited Flow-Field Plate and Fuel Cell Stack Using the Same
JP4939786B2 (ja) * 2005-09-29 2012-05-30 株式会社東芝 燃料電池及び燃料電池システム
DE102009022946A1 (de) * 2009-05-08 2010-11-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Brennstoffzellenanordnung
IT1395127B1 (it) * 2009-07-30 2012-09-05 Saipem Spa Procedimento per il recupero di ammoniaca da una corrente gassosa
CN102420738B (zh) * 2010-09-27 2014-08-20 国基电子（上海）有限公司 电缆调制解调器及其设置优先级的方法
WO2013133793A1 (en) * 2012-03-05 2013-09-12 United Technologies Corporation Fuel cell inlet air processor
KR101417345B1 (ko) * 2012-09-19 2014-07-08 기아자동차주식회사 연료전지 시스템의 제어 방법
US20160093904A1 (en) * 2013-02-21 2016-03-31 Robert Bosch Gmbh Secondary battery recuperator system
WO2018183047A1 (en) * 2017-03-29 2018-10-04 Ballard Power Systems Inc. Flow field plate for an electrochemical fuel cell

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL129101C (zh) * 1959-12-31 1900-01-01
US4138510A (en) 1973-09-27 1979-02-06 Firma C. Conradty Metal anode for electrochemical processing and method of making same
US4175165A (en) * 1977-07-20 1979-11-20 Engelhard Minerals & Chemicals Corporation Fuel cell system utilizing ion exchange membranes and bipolar plates
US4324844A (en) * 1980-04-28 1982-04-13 Westinghouse Electric Corp. Variable area fuel cell cooling
JPS5795079A (en) * 1980-12-04 1982-06-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gas diffusion electrode
US4582765A (en) * 1981-08-25 1986-04-15 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fuel cell system with coolant flow reversal
US4362789A (en) * 1981-09-21 1982-12-07 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell cooling and recirculation system
JPS59117074A (ja) * 1982-12-24 1984-07-06 Hitachi Ltd 酸性電解液型メタノ−ル・空気燃料電池
EP0241432B1 (en) 1986-03-07 1993-08-11 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Gas permeable electrode
US5240786A (en) 1992-03-13 1993-08-31 Institute Of Gas Technology Laminated fuel cell components
US5272017A (en) * 1992-04-03 1993-12-21 General Motors Corporation Membrane-electrode assemblies for electrochemical cells
JP3553101B2 (ja) * 1993-03-15 2004-08-11 三菱重工業株式会社 固体高分子電解質燃料電池
US5470671A (en) * 1993-12-22 1995-11-28 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell employing ambient air as the oxidant and coolant
US5846669A (en) 1994-05-12 1998-12-08 Illinois Institute Of Technology Hybrid electrolyte system
US5631099A (en) 1995-09-21 1997-05-20 Hockaday; Robert G. Surface replica fuel cell
AU7181998A (en) * 1996-11-14 1998-06-03 Dais Corporation Fuel cell stack assembly
US5759712A (en) 1997-01-06 1998-06-02 Hockaday; Robert G. Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack
US5856036A (en) 1997-03-11 1999-01-05 Illinois Institute Of Technology Single phase ternary Pt-Ru-Os catalysts for direct oxidation fuel cells
US5976726A (en) * 1997-05-01 1999-11-02 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical cell with fluid distribution layer having integral sealing capability
GB9808524D0 (en) * 1998-04-23 1998-06-17 British Gas Plc Fuel cell flow-field structure formed by layer deposition
CA2241566A1 (en) * 1998-06-23 1999-12-23 Bondface Technology Inc. Flow field plate
JP2000133279A (ja) * 1998-10-26 2000-05-12 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100437101C (zh) * 2004-01-16 2008-11-26 亚太燃料电池科技股份有限公司 水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组
CN1324746C (zh) * 2004-01-26 2007-07-04 三星Sdi株式会社 燃料电池系统
US7485384B2 (en) 2004-01-26 2009-02-03 Samsung Sdi Co., Ltd. Cooling apparatus for fuel cell and fuel cell system having the same
WO2019219058A1 (zh) * 2018-05-17 2019-11-21 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 燃料电池的供气控制方法、装置和系统以及轨道车辆
CN111403788A (zh) * 2020-03-23 2020-07-10 珠海格力电器股份有限公司 燃料电池电堆结构以及具有其的燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
US20030012986A1 (en) 2003-01-16
US6890675B2 (en) 2005-05-10
WO2001073877A3 (en) 2002-03-28
EP1212803A2 (en) 2002-06-12
CA2376083A1 (en) 2001-10-04
JP2003529195A (ja) 2003-09-30
WO2001073877A2 (en) 2001-10-04
AU4835901A (en) 2001-10-08

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