CN1650447A - 扩大燃料电池堆的工作范围的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种装置和方法，用于根据反应气体的流量重新构建燃料电池堆中的流动路径，从而在燃料电池堆的各电池中保持适当压降、足够的速度和反应剂浓度。

Description

扩大燃料电池堆的工作范围的装置和方法

发明领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及扩大燃料电池堆的工作范围的装置和方法。

背景技术

在许多应用中已经采用燃料电池作为电源，例如，已建议在电动车辆动力装置中使用燃料电池以取代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，将氢提供给燃料电池的阳极，将氧作为氧化剂提供给阴极。分别在1993年12月21日和1994年5月31日公开的美国专利No.5272017和No.5316871中描述了典型的PEM燃料电池及其膜电极组件(MEA)，这两篇专利共同转让给通用汽车公司(General MotorsCorporation)。MEA包括薄的可传输质子的非导电性的固体聚合物电解质膜，在所述电解质膜一面上具有阳极催化剂且在其另一面上具有阴极催化剂。

术语“燃料电池”通常根据上下文表示单个电池或多个电池(电池堆)。通常把多个单电池包在一起形成燃料电池堆。在电池堆中的每个电池包括膜电极组件，膜电极组件提供电压增量。在转让给通用汽车公司的美国专利US5763113中描述了在电池堆中多个电池的典型排列方式。

夹住MEA的导电元件可包括在导电元件的表面中的通道或沟槽阵列，用于在相应的阴极和阳极表面上分布燃料电池气态反应剂。在燃料电池堆中，多个电池在通过气体可透过的导电双极板彼此隔开的同时以电串联的方式堆叠在一起。燃料电池堆的双极板的实际体积流量调节能力(turndown capability)约为10∶1。当电池堆流量降低时，通过降低进口压力和/或增加化学计量比，可部分地克服这种限制。利用约为3的压力调节和为4的低流量阳极化学计量，人们可实现约120∶1的电池堆调节能力。遗憾地是，较高的进口压力(以高流量)和/或较高的反应剂化学计量(以低流量)会带来更多的连带损失，降低系统效率。通过在管路的进口和出口之间提供一定的压降，完成在电池堆中反应剂向每一个电池的分配。这种压降使得在所有电池中流量的分布更为均匀。

因此，希望提供一种系统，该系统在向对于流量不同的各电池提供足够的速度和反应剂浓度的同时保持适当的压力降。

发明内容

本发明以串联方式设置燃料电池堆部分并根据流量重新构造电池堆流动路径，使得在对每个电池提供足够的流速和反应剂浓度的同时保持适当的压力降。在燃料电池堆阳极和/或阴极管路的内部设置阀阵列，这些阀以下述方式打开和关闭：使得穿过电池堆各电池的各气体流动路径随着电池堆的流量变化而变化。流动路径随电池堆流量而变化通过保持足够高的气体流速，从而保持通道中无水，由此改善了工作范围；并以低流速提供了足够的压力降以维持流量分配；同时还以高流速提供了足够的流动区域以防止压力降下降过多。

根据下面所提供的详细描述，本发明在其它方面的应用将更为明显。应理解，对本发明优选实施方式和具体实施例的详细描述仅以说明为目的，并不限定本发明的范围。

附图说明

根据具体描述和附图更全面地理解本发明，其中：

图1是根据本发明原理的燃料电池堆的示意透视图；

图2是具有在单通道流动位置中设置的回转阀系统的典型燃料电池堆的截面示意图；

图3是图2所示的典型燃料电池堆的截面示意图，具有设置成使反应气体经过串联连接的燃料电池的三通道结构的流动配置；

图4是图2所示的典型燃料电池堆的截面示意图，具有设置成使反应气体经过串联连接的燃料电池的五通道结构的流动配置；

图5是图2所示的典型燃料电池堆的截面示意图，具有设置成使反应气体经过串联连接的燃料电池的七通道结构的流动配置；

图6是图2-5中所示的实施例中所采用的回转阀构件的端视图；

图7A和7B是图2-5中的实施例中所采用的回转扇形阀的相对侧的透视图；

图8-11提供本发明第二实施例的示意图，其中，燃料电池堆的所选双极板设置有闸阀，这些闸阀以产生所需流动路径的方式打开或关闭，图8提供一通道结构，图9提供三通道结构，图10提供流动通道自始至终都较窄的三通道结构，图11提供五通结构。

具体实施方式

以下对优选实施例的描述实际上仅是示意性的，决不表示对本发明、其用途或使用的限制。

参照图1，示意性地以透视方式示出燃料电池堆10。广义上讲，将重整产品12和空气14供应到燃料电池堆10中，并从电池堆10排出已耗尽氧的空气16和氢排出物18。总的来看，电池堆10包括多个膜电极组件(MEA)20，每个组件设置在多个双极板22之间。正如本领域技术人员所知，电池堆10还包括多个气体分配层、多个阳极管路、多个阴极管路、多个冷却剂管路和上下端板，它们都以叠层关系设置。重复MEA和双极板的序列，以提供燃料电池堆10所需的电压输出。正如本领域技术人员所知，每一个MEA 20包括以较薄的质子传输非导电固体聚合物电极的形式的薄膜。阳极催化剂层设置在薄膜的一面上，阴极催化剂层设置在薄膜的第二面上。双极板22限定了用于使反应气体在相应的阳极和阴极催化剂层的表面上分布的通道。

参见图2-7，现在描述本发明的第一实施例。图2-4示出了燃料电池堆30的示意图，所述燃料电池堆30设有以叠层状结构设置的多个燃料电池和双极板。在燃料电池20的相对侧上设置反应气体管路，如阳极或阴极气体管路36、38。上游反应气体管路36包括在其中设置的回转式扇形阀40，而下游管路38还包括在其中设置的第二回转式扇形阀42。如图2-5所示，回转式扇形阀40、42能够改变穿过燃料电池堆的流动路径结构。尤其是，图6、7A和7B中所示的回转式扇形阀40、42设置有四个扇区A-D，各扇区设置有不同的隔壁布局，指引反应气体沿不同路径流动。如图2所示，阀构件40、42的扇区A完全打开，因此，使空气从管路腔室36的一端流向另一端，经过在燃料电池堆中的气体通道以到达下游管路腔室38，并通过废气通道52排出。如图3所示，回转式扇形阀构件40、42的扇区B设置有单个隔壁54，该隔壁54引导反应气体在三通路串联状流动结构中流动通过如图3所示的燃料电池堆。

回转式扇形阀构件40、42的扇区C各设有两个隔壁54，这些隔壁提供串联状流动路径结构，该结构提供经过图4所示的燃料电池堆的五个通道。如图5所示，回转式扇形阀构件40、42的扇区D各设有三个隔壁54，这些隔壁提供经过燃料电池堆的七通道串联状流动路径结构。虽然为了说明，仅在一个管路中示出了回转式扇形阀，但是图2-5所示的回转式扇形阀装置可设置在阳极气体管路和阴极气体管路中。

回转式扇形阀构件40、42设置有致动机构，例如马达56，所述马达致动以便调节回转式扇形阀40、42的位置。可根据检测出的经过燃料电池通道的反应气体流量由中央处理器58操作所述致动机构如马达56。在一个典型实施例中，可与中央处理单元58相连通地设置体积流量传感器60，由此可监测反应气体流量，并可根据检测出的流量体积由中央处理单元58选择适当的流动路径结构。另一种可选择的方法可采用用于检测经过传感器62、64的压降的压降检测系统，所述传感器62、64分别设置在燃料电池30的进口和出口，由此可根据在通过燃料电池堆30的压降由中央处理单元58选择适当的流动路径结构。在图2-7B中公开的本发明允许根据反应气体的流量重新构造电池堆的流动路径，使得通过燃料电池堆的压降保持适当，同时为各电池提供足够的速度和反应剂浓度。

回转式扇形阀40、42的选择性旋转使得经过电池堆电池的各气体流动路径随着电池堆流量的变化而变化。通过将气体流速保持得足够高从而保持通道中无水，因此流动路径结构随电池堆流量的变化改善了工作范围。阀40、42一致旋转，从而为每个流动路径结构提供适当连接。虽然示出了直流马达56，但是也可以采用其它致动装置例如多位置旋转螺线管和其它已公知的电的、电-机械的、机械的、液压的、气动的致动器。

在图8-11中示出了本发明的其它可选的实施例。在所示实施例中，双极板22设置在燃料电池20之间(示意性示出)。为了示意性实施例，每个第四双极板22’还用作阀板22’。各阀板22’设置在串联的燃料电池20和双极板22之间并且双极板22限定燃料电池部分70a-70f。燃料电池设置有进口管路腔室36和出口管路腔室38。各双极板/阀板22’设置有阀构件72a-72e和阀构件74a-74e，阀构件72a-72e设置在进口管路腔室36中，阀构件74a-74e设置在出口管路腔室38中。以如下方式启动以打开或关闭阀构件72a-72e、74a-74e，从而得到通过燃料电池部分70a-70f所需的流动路径结构。

如图8所示，通过将所有的阀构件72a-72e、74a-74e保持在打开位置，设置了常规的流动路径结构。通过关闭在进口管路腔室36中的阀构件72b和在出口管路腔室38中的阀构件74d，获得了如图9所示的三通道串联状流动路径结构，从而把进口气体的最初流动引向燃料电池部分70a、70b，然后回流通过燃料电池部分70c、70d、然后再使流动改变方向流过燃料电池部分70e、70f，并经由废气通道78引向外部。

如图10所示，通过关闭阀72c和74e，获得了三通道流动路径结构，其中，流体最初流过三个燃料电池部分70a-70c，然后转回来通过两个燃料电池部分70d、70e，然后转回来通过一个燃料电池部分70f。这种流动结构让最初进入燃料电池部分70a-70d的较充足的燃料更缓慢地流过最初的燃料电池部分，并且当反应气体的损耗完时，经过下游燃料电池部分的流速增加。

如图11所示，通过关闭阀72b、74c、72d和74e，形成了五通道流动路径结构，其中，进口流体最初经过燃料电池部分70a、70b，它们在出口管路腔室38处向后转向通过燃料电池部分70c，在此处，反应气体从进口管路腔室36改变方向流入回燃料电池部分70d。然后将反应气体重新被引入出口管路部分38中、向后经过燃料电池部分70e，然后反应气体在进口管路腔室36中转向，向后经过最终燃料电池部分70f，并通过废气通道78排出。正如从上述实例看出的那样，通过不同阀构件72a-72e、74a-74e的选择操作获得了许多不同的流动路径结构，从而引导流体以选择方向通过燃料电池部分70a-70f。阀72、74可以是任何已公知的结构，并可受机械、电子机械、液压或气动机构驱动。

对本发明的描述实际上仅是示例性的，因此，不偏离本发明主题的变型都在本发明的范围内。不应认为这种变型偏离了本发明的精神和范围。

Claims (28)

1.一种燃料电池堆，包括：

以层叠关系设置的多个燃料电池；

在所述多个燃料电池之间设置的多个反应气体通道；和

与所述多个反应气体通道相连的管路系统，所述管路系统包括流量控制机构，所述控制机构是可调节的，从而提供经过所述多个反应气体通道的其它可选的流动路径配置。

2.根据权利要求1的燃料电池堆，其中所述流量控制机构包括设置在所述管路系统中的至少一个阀构件。

3.根据权利要求2的燃料电池堆，其中所述至少一个阀包括在所述管路系统中设置的多个阀。

4.根据权利要求1的燃料电池堆，其中所述管路系统包括上游和下游阳极气体管路。

5.根据权利要求4的燃料电池堆，其中所述流量控制机构包括在所述上游和下游阳极气体管路中的至少一个阀。

6.根据权利要求5的燃料电池堆，其中所述至少一个阀构件包括多个阀。

7.根据权利要求2的燃料电池堆，其中所述至少一个阀构件是回转阀。

8.根据权利要求2的燃料电池堆，其中所述至少一个阀构件是闸阀。

9.根据权利要求2的燃料电池堆，还包括连接到所述至少一个阀构件的致动装置，用于打开和关闭所述至少一个阀构件。

10.根据权利要求1的燃料电池堆，其中所述流量控制机构能够使通过所述反应气体通道的流动转向，从而以其它可选择的串联流动路径配置方式连接所述多个反应气体通道的不同的几个通道。

11.根据权利要求10的燃料电池堆，其中所述其它可选择的串联流动路径配置包括至少三种其它可选择的串联流动路径配置。

12.根据权利要求1的燃料电池堆，其中所述管路系统包括上游和下游阴极气体管路。

13.根据权利要求12的燃料电池堆，其中所述流量控制机构包括在所述上游和下游阴极气体管路中的至少一个阀。

14.根据权利要求13的燃料电池堆，其中所述至少一个阀构件包括多个阀。

15.根据权利要求1的燃料电池堆，还包括用于检测所述燃料电池的反应气体流量水平的装置、和用于根据所检测出的反应气体流量水平控制所述流量控制机构的控制处理器。

16.一种扩大燃料电池堆的工作范围的方法，所述燃料电池堆包括：多个燃料电池，所述燃料电池具有多个在它们之间延伸的气体通道以便向所述燃料电池提供反应气体；和管路系统，所述管路系统用于向所述多个气体通道提供反应气体，所述方法包括以下步骤：

提供经过所述多个气体通道的第一流动结构；

将反应气体引过所述第一流动结构；

检测经过所述第一流动结构的反应气体的流量；和

根据所检测出的经过所述第一结构的反应气体流量的变化而设置经过所述多个气体通道的第二流动结构。

17.根据权利要求16的方法，其中所述多个通道是阳极气体通道。

18.根据权利要求16的方法，其中所述多个气体通道是阴极气体通道。

19.根据权利要求16的方法，其中所述第一和第二流动结构中的至少一个包括以串联方式连接所述多个气体通道中的一部分。

20.一种燃料电池堆，包括：

多个燃料电池组件，各组件包括在第一表面上的阳极催化剂和在第二表面上的阴极催化剂；

紧接所述多个燃料电池组件的所述第一表面设置的多个阳极气体通道；

紧接所述多个燃料电池组件的所述第二表面设置的多个阴极气体通道；和

管路系统，所述管路系统包括与所述多个阳极气体通道相连的阳极气体管路和与所述多个阴极气体通道相连的阴极气体管路，所述阳极气体管路和所述阴极气体管路各包括流量控制机构，该机构是可调节的以改变经过所述阳极气体通道和所述阴极气体通道的流动路径。

21.根据权利要求20的燃料电池堆，其中所述流量控制机构包括在所述阳极气体管路和所述阴极气体管路中设置的至少一个阀构件，用于使在至少两个可选的流动路径之间的流动转向。

22.根据权利要求21的燃料电池堆，其中所述至少一个阀包括在所述阳极气体管路和所述阴极气体管路中设置的多个阀。

23.根据权利要求20的燃料电池堆，其中所述管路系统包括上游和下游阳极气体和阴极气体管路。

24.根据权利要求23的燃料电池堆，其中所述流量控制机构包括在所述上游和下游阳极气体和阴极气体管路中的至少一个阀。

25.根据权利要求24的燃料电池堆，其中所述至少一个阀构件包括在所述管路系统中设置的多个阀。

26.根据权利要求21的燃料电池堆，还包括连接到所述至少一个阀构件的致动装置，用于打开和关闭所述至少一个阀构件。

27.根据权利要求20的燃料电池堆，其中所述流量控制机构能够使通过所述多个阳极气体通道和所述多个阴极气体通道的流动转向，以便以其它可选择的串联流动路径配置方式连接所述多个阳极气体通道和所述多个阴极气体通道的不同几个通道。

28.根据权利要求27的燃料电池堆，其中所述其它可选择的串联流动路径配置包括至少三种可选的串联流动路径配置。

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