TW201424111A - 饋至燃料電池堆疊的額外冷卻劑流體 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種燃料電池堆疊總成，其具有複數個燃料電池，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管。一種冷卻劑饋料入口歧管具有一個冷卻劑入口，且該冷卻劑饋料入口歧管耦接至各流體冷卻劑導管，用於將冷卻劑分配至各燃料電池。該冷卻劑饋料入口歧管亦具有一個排出導管，其位於該冷卻劑饋料入口歧管之一端。該排出導管經配置以將額外冷卻劑自該冷卻劑饋料入口歧管中排出。藉由向該冷卻劑饋料入口歧管供應額外冷卻劑，可減少或消除因冷卻劑穿過燃料電池中的流體冷卻劑導管之流速極低所產生之問題。

Description

饋至燃料電池堆疊的額外冷卻劑流體

本發明係關於以堆疊形式安置之電化學燃料電池，且尤其關於此類燃料電池堆疊之冷卻系統。

習知電化學燃料電池將燃料及氧化劑(通常均呈氣流形式)轉化成電能及反應產物。用於使氫氣及氧氣反應之常見類型之電化學燃料電池包含聚合離子轉移膜，亦稱為質子交換膜(proton exchange membrane；PEM)，其在膜-電極總成(membrane-electrode assembly；MEA)內，且燃料及空氣通過膜之各別側。質子(亦即氫離子)經引導穿過該膜，與經引導穿過連接燃料電池之陽極及陰極之電路之電子平衡。為了提高可用電壓，形成包含多個以串聯方式電氣佈置之MEA之堆疊。各MEA均具備獨立的陽極及陰極流體流動路徑。陽極及陰極流體流動路徑分別向膜遞送燃料及氧化劑。燃料電池堆疊典型地呈包含許多個別燃料電池板之塊體形式，該等個別燃料電池板藉由堆疊之任一端處之端板固持在一起。

因為燃料與氧化劑之反應產生熱量以及電力，所以一旦達至操作溫度，則燃料電池堆疊便需要冷卻以避免損壞燃料電池。冷卻可至少部分藉由以下方法達成：以陽極流體流動路徑(其用以使陽極水合)及/或以陰極流體流動路徑(其與反應物水組合)將水遞送至堆疊中之個別電池。在各情況下，均可進行燃料電池之蒸發冷卻。

在一個典型佈置中，將冷卻水自沿著燃料電池堆疊之側面向下延伸之一或多個公共歧管注入陽極或陰極流體流動通道中。該等歧管內水之流動速率引起一個潛在問題。可將水饋入位於入口歧管一端處之入口中，自該入口歧管將水饋入堆疊中之個別電池中。此導致沿著歧管離開該入口之水流動速率減小。舉例而言，若100個電池之堆疊需要在堆疊之一端處遞送100ml/min之流速，則在第一個電池處，歧管中之流動速率將為100ml/min；在第50個電池後，歧管中之流動速率可為約50ml/min，且在最後一個電池處，歧管中之流動速率可為僅1ml/min。歧管中之該等極低流速，例如1ml/min，會導致燃料電池堆疊之可靠性問題。由於腐蝕風險升高(尤其當使用去離子水時)，在停滯或幾乎停滯流動之區域中會出現問題且細菌累積風險升高。

若使用高級(例如18MΩ)去離子水作為冷卻流體，則因水之傳導性所致之各電池之間的電壓差可視為足夠低，因而避免加重堆疊中之腐蝕。然而，若安裝燃料電池堆疊使得去離子水可自燃料電池堆疊之冷卻劑出口回收以便再引入至燃料電池堆疊，則水之傳導性很可能由於多種因素而升高，包括自大氣中吸收CO₂，及自燃料電池膜及自燃料電池堆疊中之金屬組分中洗脫離子及雜質或污染物。因此，橫越經注入水之電壓差將增大，因此提供更有可能發生電池腐蝕現象之環境。在距冷卻水入口最遠之燃料電池堆疊末端處，入口歧管中冷卻水之流動速率很可能處於最小值，且來自冷卻水之離子沈積物更有可能形成且侵蝕/腐蝕金屬組分，諸如燃料電池堆疊中之流動板。

本發明之一個目標為向以上問題中之一或多個提供一種解決方案。本發明之一個目標為減少或消除可能因燃料電池堆疊之冷卻劑分配歧管中冷卻劑流速極低引起之問題。本發明之一個目標為提供一種在燃料電池堆疊內維持適當冷卻劑流量之解決方案。

根據一個態樣，本發明提供一種燃料電池堆疊總成，其包含：複數個燃料電池，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管；及一個冷卻劑饋料入口歧管，其具有一個冷卻劑入口；該冷卻劑饋料入口歧管耦接至各流體冷卻劑導管，用於將冷卻劑分配至各燃料電池；且該冷卻劑饋料入口歧管進一步包含一個排出導管，其位於該冷卻劑饋料入口歧管之一端，該排出導管經配置以將額外冷卻劑自該冷卻劑饋料入口歧管中排出。

該排出導管可包含一個附加板，該附加板延伸橫越堆疊且安置在燃料電池堆疊之一端。該附加板可包含加熱器板、集電器板或絕緣體板。該排出導管可包含一個使流動阻抗相比於冷卻劑饋料入口歧管增加之導管，使得自冷卻劑饋料入口歧管至排出導管之冷卻劑流動速率在預定流動速率範圍內。一個第二排出導管可位於冷卻劑饋料入口歧管之與第一排出導管相對之一端。該第二排出導管可包含一個附加板，其延伸橫越堆疊且安置在燃料電池堆疊之相對端。該附加板可包含加熱器板、集電器板或絕緣體板。該排出導管包含一個耦接至該冷卻劑入口之再循環路徑，用於將冷卻劑再循環至冷卻劑饋料入口歧管。該燃料電池堆疊總成可包括一個冷卻劑電阻率監測器，其經配置以測定穿過該再循環路徑之冷卻劑之電阻率。該排出導管可耦接至一個外部冷卻劑罐或槽。可將一個流量控制總成耦接至排出導管，其經配置以控制自冷卻劑饋料入口歧管至排出導管之冷卻劑流體之流量。該流量控制總成可包含一個可變流量限制器。具有排出導管之燃料電池堆疊末端可為燃料電池堆疊之正電端。可將一個出口歧管耦接至複數個燃料電池之各流體冷卻劑導管，用於接受來自各燃料電池之冷卻劑，排出導管可形成該出口歧管之一部分。

現將藉助於舉例且參考隨附圖式描述本發明之具體實例，在隨附圖式中：圖1為具有一個冷卻劑饋料入口歧管及排出出口之燃料電池堆疊之示意性側視圖；圖2為具有一個冷卻劑饋料入口歧管及排出出口之替代性燃料電池堆疊之示意性側視圖；圖3為具有一個冷卻劑饋料入口歧管及兩個排出出口之燃料電池堆疊之示意性側視圖；圖4為具有一個冷卻劑饋料入口歧管及兩個排出出口之替代性燃料電池堆疊之示意性側視圖；圖5為經耦接以用於將冷卻劑遞送再循環至冷卻劑饋料入口歧管之圖2的燃料電池堆疊的示意圖；圖6為經耦接以將所排出之冷卻劑傳至槽中之圖2的燃料電池堆疊的示意圖；圖7為包含一個可變流量控制器之圖1之燃料電池堆疊的示意圖；且圖8為包含一個可變流量控制器之圖2之燃料電池堆疊的示意圖。

下文所描述之各個具體實例提供注入冷卻劑饋料入口歧管中之額外冷卻劑。冷卻劑可為水，較佳為去離子水。所注入之冷卻劑之一部分傳至燃料電池堆疊中之燃料電池中之流體冷卻劑導管。另一部分，被描述為額外冷卻劑，經由排出導管退出冷卻劑饋料入口歧管，而不穿過燃料電池。藉由經由冷卻劑入口向冷卻劑饋料入口歧管提供額外冷卻劑，在距入口最遠之歧管末端處的冷卻劑之流速足以避免或減少因歧管中之冷卻劑流動速率極低或冷卻劑停滯不動引起之問題。

本文所描述之具體實例並非必定需要使用附加閥、泵及/或控制器以便達成減輕冷卻劑停滯問題所需之流動速率。因此本發明有利地提供改良之燃料電池堆疊總成，而無需有關包括其他組件(諸如閥)之邏輯考量、額外工程、維護考量及增大之成本。然而，本發明允許在需要時併入此類閥以便進一步控制達至/來自燃料電池之冷卻劑流體。

此外，本文所描述之具體實例向低冷卻劑流動速率及冷卻劑停滯問題提供一種解決方案，該解決方案可易於與燃料電池堆疊之其他設計變化組合，由此促成一種模組燃料電池系統，該系統具有取決於所需特定條件而定製之靈活性。

圖1顯示燃料電池堆疊10之示意性側視圖。堆疊10包含複數個燃料電池11，各燃料電池均具有用於將燃料遞送至膜-電極總成之陽極表面之陽極流體流動路徑，及用於將氧化劑遞送至膜-電極總成之陰極表面之陰極流體流動路徑。以已知方式藉助於端板12、13以堆疊配置固持燃料電池。陽極流體流動路徑或陰極流體流動路徑藉助冷卻劑饋料入口歧管14注入冷卻劑而用於蒸發冷卻燃料電池堆疊，該冷卻劑饋料入口歧管14沿著堆疊10在冷卻劑入口15與排出導管16之間的長度延伸，冷卻劑入口15與排出導管16位於冷卻劑饋料入口歧管14之相對端。可將冷卻劑饋料入口歧管14描述為冷卻劑/水遞送歧管或過道(gallery)。

如圖1中之箭頭所示，冷卻劑自冷卻劑入口15流入歧管中，隨後流入獨立燃料電池11之各流體流動路徑中。冷卻劑較佳在冷卻劑饋料入口歧管14與個別燃料電池11中之流動通道之間的一些點處與燃料或氧化劑流組合。此等流動通道延伸橫越燃料電池11之活性表面。可使用已知技術使用獨立燃料歧管及獨立氧化劑歧管將燃料及氧化劑引入個別電池11中。在一些具體實例中，未使用之燃料或氧化劑可自燃料電池傳出，進入出口歧管17，且在一些具體實例中，自此處至一或多個排出孔/出口18、19。 若所有燃料均在燃料電池11之活性表面消耗，尤其若燃料電池11之陽極側上未提供冷卻劑注入，則陽極流體流動路徑不一定需要出口歧管17，但可提供陽極排出管線用於定期淨化。在本文所描述之具體實例中，顯示出口歧管17耦接至複數個燃料電池11之各流體冷卻劑導管，用於將至少來自各燃料電池11之冷卻劑排出。

圖1中亦顯示額外冷卻劑20之排出導管16將該額外冷卻劑自冷卻劑饋料入口歧管14傳出而不穿過燃料電池11之流體冷卻劑導管。可將圖1之排出導管16描述為外部冷卻劑排管。圖1因此顯示包含複數個燃料電池11之燃料電池堆疊總成10，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管及一個冷卻劑饋料入口歧管14，該冷卻劑饋料入口歧管具有一個冷卻劑入口15。冷卻劑饋料入口歧管14耦接至燃料電池11之各流體冷卻劑導管，用於將冷卻劑分配至各燃料電池。冷卻劑饋料入口歧管14進一步包含一個排出導管16，其位於冷卻劑饋料入口歧管14之一端。排出導管16經配置以將額外冷卻劑20自冷卻劑饋料入口歧管14中排出。

藉由將排出導管16定位在冷卻劑饋料入口歧管14之與冷卻劑入口15相對之一端，可經由冷卻劑入口15將額外冷卻劑注入燃料電池堆疊10，且距冷卻劑入口15最遠之歧管部分不需要經歷極低冷卻劑流動速率。可在冷卻劑入口15處向冷卻劑饋料入口歧管14提供冷卻劑流體流，使得穿過歧管、甚至在距冷卻劑入口14最遠之燃料電池堆疊10末端處存在足夠流速，從而避免或減輕會導致如前所述之問題之冷卻劑流體停滯現象。額外冷卻劑20(不穿過燃料電池11)藉由排出導管16退出冷卻劑饋料入口歧管14。

圖2顯示燃料電池堆疊總成10，其包含：複數個燃料電池11，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管；及一個冷卻劑饋料入口歧管14，其在堆疊之一端處具有一個冷卻劑入口15。冷卻劑饋料入口歧管14包 含一個排出導管16，其位於堆疊之另一端，且排出導管16經配置以將額外冷卻劑20自冷卻劑饋料入口歧管14中排出。在此實施例中，排出導管16自冷卻劑饋料入口歧管14之與冷卻劑入口15相對之一端平行於燃料電池導管橫越燃料電池堆疊10，傳至堆疊之與冷卻劑饋料入口歧管14相對之一側，隨後穿過出口歧管17傳出。在關於圖2、圖4、圖5、圖6及圖8所描述之具體實例中，顯示排出導管16形成出口歧管17之一部分，但此並非所需，且排出導管16可經由與出口歧管17分開之路徑自燃料電池堆疊中傳出。

在圖2所代表之一些具體實例中，排出導管16可包含一個附加板21或在一個附加板21內形成，該附加板平行於燃料電池延伸橫越堆疊之寬度，且安置於燃料電池堆疊10之末端處。此附加板21可為鄰近於端板13之加熱器板或集電器板或絕緣體板。可將圖2中之排出導管16描述為內部冷卻劑排管。排出導管16可在附加板21內形成，以允許使額外冷卻劑自燃料電池堆疊之與冷卻劑入口15相對一側通過。若排出導管16容納於加熱器板中，則排出導管16可較佳位於加熱器板之與併入加熱元件之一側相對之一側上。在加熱器板內提供排出導管16可提供其他益處，該益處在於：在冷啟動及操作期間，加熱器板可使排出導管16中之任何微量冰解凍，從而使啟動及操作得到改良。

排出導管16可包含具有預定減小之尺寸(相比於歧管14之尺寸)之導管，以產生背壓，使得自冷卻劑饋料入口歧管14進入排出導管16之冷卻劑流動速率在預定流動速率範圍內。排出導管16可為具有相對於冷卻劑饋料入口歧管14之特定尺寸之一段導管系統(pipework)，且可至少部分為蛇形或扭曲狀。排出導管由此展示相比於歧管針對冷卻劑流動適當增大之阻抗，且由此達成歧管所需之流動速率及背壓。以此方式，可控制在燃料電池11內之冷卻劑流及自冷卻劑饋料入口歧管14中流出之額外冷卻劑流之流動參數。

圖3顯示燃料電池堆疊總成10，其包含：複數個燃料電池11，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管；及一個冷卻劑饋料入口歧管14，其具有一個朝向冷卻劑饋料入口歧管14之中心定位之冷卻劑入口15。在此具體實例中，冷卻劑饋料入口歧管14包含一個第一排出導管16，其位於冷卻劑饋料入口歧管14之一端；及一個第二排出導管22，其位於冷卻劑饋料入口歧管14之相對端。排出導管16、22均經配置以將額外冷卻劑自冷卻劑饋料入口歧管14中排出。

儘管圖1及圖2之實施例顯示位於冷卻劑饋料入口歧管14之一端處之冷卻劑入口15，但圖3之實施例顯示位於冷卻劑饋料入口歧管14之中心處之冷卻劑入口15。圖3之具體實例提供進入冷卻劑饋料入口歧管15之額外冷卻劑流，使得冷卻劑可流至堆疊10中之各燃料電池，包括距冷卻劑入口15最遠之彼等燃料電池(在燃料電池堆疊之兩端之彼等燃料電池)，且具有足夠高流速以便減輕源自遠離冷卻劑入口15之歧管端中之停滯冷卻劑或極低冷卻劑流動速率的問題。不穿過燃料電池11之流動導管之額外冷卻劑20藉由兩個排出導管16、22退出冷卻劑饋料入口歧管14。圖3亦顯示兩個排出孔/出口18、19，用於使未使用之燃料或氧化劑自出口歧管17傳出。

圖4展示燃料電池堆疊總成10，其包含：複數個燃料電池11，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管；及一個冷卻劑饋料入口歧管14，其具有一個朝向冷卻劑饋料入口歧管14之中心定位之冷卻劑入口15，與圖3類似。在此實施例中，冷卻劑饋料入口歧管14包含一個第一排出導管16，其位於冷卻劑饋料入口歧管14之一端；及一個第二排出導管22，其位於冷卻劑饋料入口歧管14之相對端。第一排出導管16及第二排出導管22均包含一個附加板21、23，其安置於燃料電池堆疊10之末端處。附加板21、23可各自為鄰近於各別端版12、13之加熱器板或集電器板或絕緣體板。 排出導管16、22經配置以將額外冷卻劑自冷卻劑饋料入口歧管14中排出。

圖4之具體實例提供與圖2之優勢類似之優勢，其在於若將附加板21、23作為加熱器板來提供，則在不增加燃料電池堆疊10之複雜性之情況下，一旦冷啟動燃料電池堆疊10時，可使排出導管16、22中存在之任何微量冰解凍。

若需要，則燃料電池堆疊可形成為具有一個如圖3中所示之第一排出導管16，其直接離開冷卻劑饋料入口歧管14；及一個第二排出導管22，其容納於附加板23內，如圖4中所示。各別末端處之附加板21、23可為不同類型。冷卻劑入口15之位置不必在冷卻劑饋料入口歧管之中心處，且需要時可部分地沿歧管14定位。

圖5展示圖2之燃料電池堆疊10，其中排出導管16包含一個耦接至冷卻劑入口15之再循環路徑24，用於將冷卻劑再循環至複數個燃料電池11。可在再循環路徑24內提供一個泵(未圖示)。如圖5中所示，可提供一個冷卻劑電阻率監測器25以測定穿過再循環路徑24之冷卻劑之電阻率。藉由使冷卻劑流體再循環，存在較少之冷卻劑流體損耗。藉由監測冷卻劑流體之電阻率，可確定何時需要更換或部分更換冷卻劑。舉例而言，去離子水之低於特定值之電阻率值可用於控制更換再循環水或稀釋再循環水。例示性最小值可為例如0.1MOhm.cm。電阻率監測器25之位置可在沿再循環冷卻劑之路徑之任何位置處，且可因此位於例如冷卻劑入口15處，在再循環路徑24中，或在燃料電池堆疊10內部之排出導管16中。需要時可在沿再循環冷卻劑之路徑之不同位置處使用一個以上此類電阻率監測器25。

圖6展示圖2之燃料電池堆疊10，其中排出導管16耦接至一個外部冷卻劑罐或槽26。因此可收集不再需要之額外冷卻劑用於儲存，或用於在燃料電池堆疊10中稀釋及再使用。若需要，則圖5及圖6中所示 之具體實例可與閥及控制器之使用組合。舉例而言，可使冷卻劑流體再循環直至達至預定之冷卻劑電阻率值。當達至預定電阻率值時，控制器可使閥轉換以將額外冷卻劑之路徑自經由再循環路徑24再循環變化成排至槽26。

圖7及圖8分別顯示圖1及圖2之具體實例，其進一步包含一個流量控制總成27。流量控制總成27耦接至排出導管16，且經配置以控制排出導管16處歧管14中之冷卻劑流體之背壓，從而可使排出導管16處冷卻劑流體之壓力保持在預定壓力範圍內。排出導管16可因此包含一個流量控制總成27作為改變歧管14之流動阻抗及因此之歧管14之背壓的方法。

流量控制總成27可包含例如可變流量限制器、孔板、針閥、具有預定長度之管及具有預定寬度之管中之一或多者。舉例而言，若冷卻劑饋料入口歧管末端處、圖7及圖8之流量控制總成位置處之壓力為1巴，且經由冷卻劑入口15以50ml/min注入冷卻劑，則可在冷卻劑饋料入口歧管14之出口及冷卻劑入口15之間使用具有1mm直徑之3m長排出導管16，從而達成此壓力。

可選擇在關於圖1、圖2、圖5、圖6、圖7及圖8所描述之具體實例中燃料電池堆疊10中冷卻劑入口15所位於之末端作為燃料電池堆疊的負極性端，且可選擇燃料電池堆疊之相對端作為正性端。必要時此可顛倒。

其他具體實例意欲屬於隨附申請專利範圍之範疇內。

10‧‧‧燃料電池堆疊

11‧‧‧燃料電池

12‧‧‧端板

13‧‧‧端板

14‧‧‧冷卻劑饋料入口歧管

15‧‧‧冷卻劑入口

16‧‧‧排出導管

17‧‧‧出口歧管

18‧‧‧排出孔/出口

19‧‧‧排出孔/出口

20‧‧‧額外冷卻劑

Claims (16)

1. 一種燃料電池堆疊總成，其包含：複數個燃料電池，各燃料電池均具有一個流體冷卻劑導管；及一個冷卻劑饋料入口歧管，其具有一個冷卻劑入口；該冷卻劑饋料入口歧管耦接至各流體冷卻劑導管，用於將冷卻劑分配至各燃料電池；且該冷卻劑饋料入口歧管進一步包含一個排出導管，其位於該冷卻劑饋料入口歧管之一端，該排出導管經配置以將額外冷卻劑自該冷卻劑饋料入口歧管中排出。
2. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中該排出導管包含一個附加板，該附加板延伸橫越該堆疊且安置在該燃料電池堆疊之該一端。
3. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中該附加板包含一個加熱器板、一個集電器板或一個絕緣體板。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中該排出導管包含一個使流動阻抗相比於該冷卻劑饋料入口歧管增加之導管，使得自該冷卻劑饋料入口歧管至該排出導管之冷卻劑流動速率在預定流動速率範圍內。
5. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中：位於該冷卻劑饋料入口歧管之該一端之該排出導管為一個第一排出導管；且進一步包含：一個第二排出導管，其位於該冷卻劑饋料入口歧管之與該第一排出導管相對之一端。
6. 如申請專利範圍第5項之燃料電池堆疊總成，其中：位於該冷卻劑饋料入口歧管之與該第一排出導管相對之該端的該第二 排出導管包含一個附加板，其延伸橫越該堆疊且安置在該燃料電池堆疊之該相對端。
7. 如申請專利範圍第5項之燃料電池堆疊總成，其中：該附加板包含一個加熱器板、一個集電器板或一個絕緣體板。
8. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中該排出導管包含一個耦接至該冷卻劑入口之再循環路徑，用於將冷卻劑再循環至該冷卻劑饋料入口歧管。
9. 如申請專利範圍第8項之燃料電池堆疊總成，其進一步包含：一個冷卻劑電阻率監測器，其經配置以測定穿過該再循環路徑之冷卻劑之電阻率。
10. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其中該排出導管耦接至一個外部冷卻劑罐或槽。
11. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其進一步包括一個連接至該排出導管之流量控制總成，其經配置以控制自該冷卻劑饋料入口歧管至該排出導管之冷卻劑流體之流量。
12. 如申請專利範圍第11項之燃料電池堆疊總成，其中該流量控制總成包含一個可變流量限制器。
13. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊，其中具有該排出導管之該燃料電池堆疊之該端為該燃料電池堆疊之正電端。
14. 如前述申請專利範圍中任一項之燃料電池堆疊總成，其進一步包含一個連接至該等複數個燃料電池之各流體冷卻劑導管之出口歧管，用於接受來自各燃料電池之冷卻劑。
15. 如申請專利範圍第14項之燃料電池堆疊總成，其中該排出導管形成該出口歧管之一部分。
16. 一種燃料電池堆疊總成，其係實質上如本文中參考說明書及圖式所 描述。