燃料电池的反应物气体的蒸发式冷却和防止运转冻结制造技术

燃料电池（３８）具有提供了通过反应物气体流场板的水以便冷却燃料电池的水通道（６７）。水通道可由多孔塞（６９）通至大气，或者进行抽吸且将任何水从通道中移除或是不移除。冷凝器（５９）接受反应性空气排气，其可具有邻接的容器（６４），并且可为竖直的（图２的车辆散热器）、可为水平的，且邻接燃料电池组顶部或者是在燃料电池组下面。通道可为槽，或可包括与反应物气体流场板的一个或这二者的基本上整个表面邻接的多孔性亲水性材料的平面。冷凝器中的空气流可受挡板的控制。冷凝器可以是使防冻流体流过其盘管的热交换器，流量是受阀控制的。可使用去离子器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有将水提供给反应物气体流道的水通道的燃料电池，其中水以与电池内产生的废热成比例的方式而蒸发；从排出的反应物气体中冷凝出的水返回到水通道中，水通道可以是端部封闭的或是带排放口的，其接受来自将水从排出燃料电池的空气中移除的冷凝器的冷凝水。
技术介绍
蒸发式冷却的燃料电池在燃料电池领域是已知的，从而得到蒸发热的好处，这与将显热输送给穿过电池的循环水或穿过冷却剂板的冷却剂不同。典型的是，先前实现蒸发性冷却的方法已采取了两种形式之一。在第一种形式中，将水大量地雾化成反应物气体中的一种或二者的气流。现有技术的方法中的另一种形式利用毛细作用结构(wicking)将水带到电池中。一个新近的示例显示在美国公开文献2004/0170878中，其在此简要地显示在图1中。燃料电池11具有设置在扩散层13上的毛细作用结构条12，扩散层13与膜电极组件(MEA)14中的阴极催化剂密切接触。燃料电池11包括阳极18，其在上述公开中没有涉及到冷却。燃料电池通过隔板21与电池组中的下一个电池20隔开。类似的隔板(未示出)设置在图1中所示的燃料电池的顶部上。为了给毛细作用结构12提供水，毛细作用结构集管22在燃料电池的与进入间隔24的空气流相对的一端延伸跨过所有燃料电池的端部，间隔24在毛细作用结构12之间并且包括氧化剂反应物气体流场。由泵26将空气通过歧管27供应到每个燃料电池的入口28中。-->在图1中，空气流通过出口集管31排放到冷凝器32中，冷凝器32将空气排放到排气装置(exhaust)中，而将冷凝水输送到容器33中。容器33中的水被引导到毛细作用结构集管22中。在上述公开中介绍的毛细作用结构蒸发性冷却据称需要来自在燃料电池动力装置外的源的外部水，这是由于在阴极产生的水(处理用水)据说不足以实现必要的冷却(除了在启动时)。这在依赖美国专利4,826,741中的毛细作用结构的蒸发式冷却的燃料电池组中也是实际存在的。其中，100cm2的电池在100-120mA/cm2(108-130A/ft2)下仅具有0.7-0.8v的性能。此外，尽管据称在毛细装置中具有与水流相同方向的空气流将克服那个难题，但是，沿着其中每一个毛细作用结构的长度的毛细管压力差必须大于沿着相邻空气流场通道的压降，以便具有正的毛细作用速度。因此，依赖毛细作用结构的蒸发性冷却的燃料电池需要外部水、具有有限的平面形状(planform)尺寸，并且其性能受到较小电流密度的限制。为了输送足够的水，以便从位于电池周边的毛细作用结构集管22给需要冷却的电池所有部位提供必要的蒸发性冷却，则需要相当多的毛细作用结构，从而使每个燃料电池都比在有限体积内所可接受的厚度要更厚，而该有限体积对于车辆应用来说是受到限制的。
技术实现思路
本专利技术的一些方面包括：比现有技术所已知的燃料电池更厚的燃料电池；在燃料电池中使用蒸发性冷却，其中，提供给燃料电池的水供应可独立于空气供应中的压力而进行控制；燃料电池的蒸发性冷却，其中，提供给电池的水供应独立于提供给燃料电池膜电极组件的反应物气体的供应；蒸发式冷却的燃料电池，其能够具有大的平面形状面积，并且能够在高电流密度下运转；蒸发式冷却的燃-->料电池，其在冰点以下的气候条件中处于无负荷或低负荷条件下时可防止部件的冻结；以及用于车俩的和其它应用的改进的燃料电池。根据本专利技术，在燃料电池动力装置中的燃料电池由在微细通道中供应的水进行蒸发式冷却，微细通道可包括具有在平面内的(也就是平行于气体流)的透水性材料，微细通道邻接于或处于亲水性多孔性反应物气体流场板的第一表面内，流场板具有在流场板的相对表面带排放口的反应物气体流道。每个微细通道都与可接受来自阴极排气的冷凝水的水容器流体连通。根据本专利技术的一优选实施例，供应到微细通道的水供应可另外用真空泵来改善。泵只是在电池组的通道部分中提供恰当的压力，以便确保水位将到达电池组内的通道的所有部分。在一些实施例中，水可流过通道，以便改善气泡移除和/或提供流过诸如去离子器的水清洁系统的流动。然而，本专利技术还可以端部封闭的水通道进行实施。根据本专利技术的另一个可选实施例，利用供应到亲水性多孔性反应物气体通道板的表面的水进行蒸发性冷却的燃料电池组，能够以固定的空气流运转，这与固定的空气利用率不同，空气流足以控制在适度的高电流密度下的最高电池组温度。另外，根据本专利技术的这个可选实施例，空气流率可根据在燃料电池内的温度分阶段地进行控制。在本专利技术中，水从上述微细通道或可渗透的材料穿过垂直于其平面的流场板，这与现有技术的与燃料电池的平面平行地引导水的毛细作用结构不同。因此，水仅从微细通道或可渗透的材料行进很短的距离，并且通过多孔性材料到达其所蒸发的地方的反应剂通道表面，该距离通常小于0.5mm。本专利技术允许以与跨过反应气流通道的压降分开的方式对水进行管理，以用于蒸发性冷却，其中，水将迁移到反应气流通道中。本专利技术允许单个的燃料电池比现有技术所已知的性能相当的那些燃料电池更薄。-->冷凝器可使用未受控的周围空气来冷却阴极排气，或者，空气的量也许可相对于来自电池组的空气排气温度进行控制；在其它实施例中，阴极排气可通过与另一种流体(诸如在预期工作环境内防冻的流体)进行热交换进行冷却，穿过热交换器的流体的量是可控制的。在清楚了本专利技术的如附图所示的示范性实施例的以下详细描述之后，本专利技术的其它方面、特征和优点将变得更加清楚。附图简述图1是采用现有技术所已知的毛细作用结构的蒸发式冷却的燃料电池的局部透视图。图2是采用本专利技术的燃料电池动力装置的简化的透视图。图3是采用本专利技术的一对燃料电池的局部截面侧视图，其中为了清楚而省略了剖面线。图4是本专利技术的带排放口的实施例的简化框图。图5是图2的燃料电池动力装置36的实施例的局部视图，其中空气出口歧管包括设置成与燃料电池组的顶部邻接的冷凝器。图6显示了根据温度对空气流进行控制。图7是在本专利技术中采用了可渗透水的平面的一对燃料电池的局部截面侧视图，其中为了清楚而省略了剖面线。图8是采用了本专利技术另一实施例的具有向下的氧化剂反应物气流的燃料电池动力装置的简化透视图。图9是用于本专利技术的外部冷凝器的一种备选形式的局部简化透视图。图10是采用了具有冷凝器的辅助热交换回路的本专利技术一实施例的程式化简化框图。图11是采用了去离子器的本专利技术一实施例的简化示意图。本专利技术的实施方式-->现在参见图2，根据本专利技术的燃料电池动力装置36包括燃料电池38的组37，燃料电池38显示为垂直地设置，但是它们也可水平地设置。在这个实施例中，来自源41的燃料提供给燃料入口42并且沿着第一燃料通路(如粗体箭头43所示)向右流到燃料转向歧管44中。可燃气体然后向下流动并且进入燃料流场的第二燃料通路中，其中可燃气体向左流动(如粗体箭头45所示)。燃料可从燃料出口47流过循环泵48(或许具有未示出的阀)而返回到燃料入口42，并且可通过阀49周期性地排放到周围环境中，所有这些都是为本领域所已知的。可采用单个通路、三个通路或其它燃料流构造。在图2的实施例中，空气是由泵52提供给空气入口53的，并且空气向上流过燃料电池38的氧化剂反应物气体流道(如空心箭头54所示)。空气从空气出口57流过管道58并且流到冷凝器59中，冷凝器59在车辆上时可为传统的散热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池动力装置，包括：　　　　燃料电池的组（３７、１２０），每个燃料电池都包括：电极组件（７２），所述电极组件（７２）包括具有设置在其相对侧上的阴极催化剂和阳极催化剂的电解质；具有从其第一表面延伸的燃料反应物气体流道（７４）的燃料反应物气体流场板（７５）；具有从其第一表面延伸的氧化剂反应物气体流道（８２）的氧化剂反应物气体流场板（８１），所述流场板中的至少一个是多孔性的和亲水的；以及设置在所述至少一个流场板的与其所述第一表面相对的第二表面上或附近的水通道（６７；７８、８５；７８ａ、８５ａ）；　　　　其特征在于：　　　　所述水通道是（ａ）在相应的燃料电池内为端部封闭的或者是（ｂ）带排放口（６９、８９、９９、１４５）的，所述水通道包括（ｃ）在所述至少一个流场板中的至少一个流体管道（７８、８５）或（ｄ）与基本上整个所述第二表面邻接的材料（７８ａ、８５ａ），所述材料是导电的、亲水的和可渗透水的；以及　　　　所述燃料电池动力装置进一步包括：　　　　与所述燃料电池中的所述至少一个的反应物气体出口连通的冷凝器（５９、１２４），所述冷凝器的冷凝水与所述燃料电池的所述水通道流体连通，水由此从所述水通道迁移通过所述至少一个亲水性多孔性反应物气体流场板中的每一个，并且蒸发以便冷却所述燃料电池。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-12-29 11/027,332;US 2005-9-19 11/230,0661.一种燃料电池动力装置，包括：燃料电池的组(37、120)，每个燃料电池都包括：电极组件(72)，所述电极组件(72)包括具有设置在其相对侧上的阴极催化剂和阳极催化剂的电解质；具有从其第一表面延伸的燃料反应物气体流道(74)的燃料反应物气体流场板(75)；具有从其第一表面延伸的氧化剂反应物气体流道(82)的氧化剂反应物气体流场板(81)，所述流场板中的至少一个是多孔性的和亲水的；以及设置在所述至少一个流场板的与其所述第一表面相对的第二表面上或附近的水通道(67；78、85；78a、85a)；其特征在于：所述水通道是(a)在相应的燃料电池内为端部封闭的或者是(b)带排放口(69、89、99、145)的，所述水通道包括(c)在所述至少一个流场板中的至少一个流体管道(78、85)或(d)与基本上整个所述第二表面邻接的材料(78a、85a)，所述材料是导电的、亲水的和可渗透水的；以及所述燃料电池动力装置进一步包括：与所述燃料电池中的所述至少一个的反应物气体出口连通的冷凝器(59、124)，所述冷凝器的冷凝水与所述燃料电池的所述水通道流体连通，水由此从所述水通道迁移通过所述至少一个亲水性多孔性反应物气体流场板中的每一个，并且蒸发以便冷却所述燃料电池。2.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：每个燃料电池都具有在所述燃料反应物气体流场板(75)和所述氧化剂反应物气体流场板(81)中的任一个或这二者的所述第一表面中的槽(76、77；83、84)，它们在装配所述燃料电池组时形成了所述水通道(78、85)。3.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：-->所述冷凝器(59)与所述燃料电池组分开地设置(图2)。4.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：所述冷凝器(59、124)中的空气流是竖向的。5.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：所述燃料电池动力装置是设置在车辆中的，所述冷凝器(59)包括车辆散热器(图2)。6.根据权利要求5所述的燃料电池动力装置，其特征在于：所述冷凝器(59、124)具有设置成邻接其底部的水容器(64、128)。7.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：接受所述冷凝水的水容器(64、128)，所述通道(67；78、85；78a、85a)与所述容器流体连通。8.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：所述水通道(67；78、85；78a、85a)各自与排放口(69、89、99、145)连通。9.根据权利要求8所述的燃料电池动力装置，其特征在于：所述排放口(69、99)处于大气压力下。10.根据权利要求8所述的燃料电池动力装置，其特征在于：在所述排放口(69、86、99、145)处的水压小于或等于在所述冷凝器(59、124)出口处的水压。11.根据权利要求10所述的燃料电池动力装置，其特征在于：在所述排放口(69、86、99、145)处的所述水压小于在所述冷凝器(59、124)出口处的所述水压；以及通过将水推入所述水通道(67；78、85；78a、85a)的所述冷凝器排气气体的压力，来获得液体压力差。12.根据权利要求10所述的燃料电池动力装置，其特征在于，进一步包括：-->接受所述冷凝水的水容器(64、128)，所述通道与所述容器(64、128)流体连通；并且：在所述冷凝器(59、124)中的所述水的液压将水推入所述水通道(67；78、85；78a、85a)中。13.根据权利要求10所述的燃料电池动力装置，其特征在于：在所述排放口(69、89、99、145)处的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：CA赖泽，JP迈尔斯，DD约翰逊，CE埃文斯，RM达林，T斯基巴，RJ巴利特，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]