一种燃料电池系统，具有使用磷酸或其它电解质的燃料电池叠组（９），包括在相应冷却剂板（５５）之间的一组燃料电池中每一燃料电池内的不反应区（１１），冷却剂进入邻近于不反应区（２９－３１）的区域中的冷却剂板。各燃料电池具有三通道燃料流场，第一通道大致邻近于远离第一区的第三区（１３），第二通道大致邻近于与第一区相邻的第二区，冷却剂流（３３，３４）从冷却剂进口（２９）穿过第一区，进入第二区的远侧，且经由（３７－４１）从第二区的近侧流到第三区，然后经由（４５－５０）流到冷却剂出口歧管（３０），从而确保在１５０℃（３００°Ｆ）以上的温度，以便减轻反应区内阳极的ＣＯ中毒，并确保在１４０℃（２８０°Ｆ）以下的温度，以便促进不反应区内已蒸发的电解质的充分冷凝，从而提供更长的系统寿命。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池动力装置系统，其将燃料转化为可用的热量和电能，使用具有燃料流场和冷却器平台的燃料电池叠组，同时保持足够高的反应温度，以便减轻催化剂的CO中毒，该燃料流场和冷却器平台促进了较高程度的电解质冷凝(所述电解质可为采用磷酸电解质的燃料电池叠组内的磷酸，或者可为高温聚合物电解质膜(HTPEM)燃料电池叠组内的游离酸电解质)。
技术介绍
在已知的使用磷酸电解质燃料电池系统中，介于燃料电池的组之间的冷却器板具有简单的蛇形冷却器流动通道，并利用了水冷却剂。液态水进入冷却器板，且两相的、水/蒸汽混合物离开冷却器板。小部分热量的移除是由于当水上升到其沸点时增加了水的显热，而大部分热量的移除是由于由液态水蒸发成蒸汽时的潜热。美国专利3,969,145描述了此冷却剂系统。在任何磷酸燃料电池中，燃料电池的有效寿命主要由磷酸蒸发成为反应物气体且在离开燃料电池前不会重新冷凝成液体的速率来确定。在燃料电池反应物气体出口的不反应的酸冷凝区由于蒸发作用而减少了酸的损失，并因此增加了燃料电池叠组的寿命。此冷凝区已在美国专利4,345,008和4,414,291以及PCT专利公开WO00/36680中讲述过。冷凝区温度应低于140℃(280)，以便确保电解质的充分冷凝，使得燃料电池叠组运行至少十年，而这又需要现有系统中的冷却剂进口温度必须小于140℃(280)。在磷酸燃料电池叠组中的挑战性问题在于，由将多种碳氢化合-->物燃料转化为氢的燃料处理系统、例如蒸汽重整燃料处理器所提供的重整燃料，包含0.3％与1.0％之间的一氧化碳(CO)，其会使阳极催化剂中毒，并阻止氢在阳极处的氧化。中毒的程度相关于CO浓度和电池温度。在上文提及的CO的可能的浓度下，各电池的电化学活性部分内的温度必须保持在150℃(300)以上，以便提供可靠的燃料电池性能。因此，适于冷凝的温度低于CO容限所要求的温度。专利技术公开本专利技术的一些方面包括：在由包含一氧化碳的重整燃料来提供燃料的燃料电池叠组内提供较高程度的液体冷凝，同时不会因一氧化碳(CO)中毒而降低电池性能；减小磷酸或高温聚合物电解质膜(HTPEM)燃料电池叠组内的电解质损失；最大程度地增加磷酸或HTPEM燃料电池叠组的寿命；并在磷酸或HTPEM燃料电池内实现将蒸发成反应物气体的电解质冷凝所需的低温，并实现了防止燃料电池叠组的阳极出现CO中毒所要求的更高温度。根据本专利技术，燃料电池电极组件的平台包括不反应区，其维持在足够低的温度，以冷凝基本上所有的已蒸发成反应物气流的液体，从而允许所述液体再次迁移进入燃料电池。根据本专利技术的一种形式，电解质为在不反应区内冷凝的磷酸，但本专利技术可用于冷凝HTPEM燃料电池内的电解质。进一步根据本专利技术，冷却剂进口邻近于燃料电池的不反应区，所产生的低温促进了已蒸发成燃料电池反应物气体的电解质的冷凝。在第二区内的冷却剂邻近于不反应区，一般流向不反应区，确保邻近于不反应区的反应区边缘处在足够高的温度下，以减轻催化剂的CO中毒。在一个实施例中，冷却剂随后一般流动离开所述不反应区。在一种形式中，本专利技术可结合在具有三通道燃料流场的燃料电池中，第一燃料通道一般与远离不反应区的第三区重叠，第二燃料通道在第二区内且邻近于不反应区，且第三燃料通道在不反应区-->内。在此形式中，氧化剂反应物气体进入第三区，并流经第二区和不反应区而到达氧化剂反应物气体出口，该出口邻近于冷却剂进口。其它实施例在下文中公开。尽管本专利技术在磷酸燃料电池中进行了公开并主要用于磷酸燃料电池中，但是，本专利技术还可用于包含游离电解质的其它燃料电池，以冷凝来自离开燃料电池的反应物气体的其它电解质。本专利技术可与单相冷却剂(例如水)或两相冷却剂(例如水/蒸汽混合物)一起使用。在了解了如附图中所示的示例性实施例的以下详细描述之后，本专利技术的其它方面、特征和优点将更加明显。附图简述图1是采用了本专利技术的燃料电池的空气和燃料流场的简化的、程式化的平台，显示了不反应区。图2是如图1中的平台，其上示出了冷却剂流动通路。图3是图2所示平台的改型。图4是重叠在具有两通道空气流场平台上的冷却剂流场的简化的、程式化的示意图。本专利技术的实施方式参照图1，根据本专利技术的燃料电池叠组9包括多个燃料电池10，其具有三个区11-13。每一个区11-13一般与在燃料流动通路中的三个燃料流动通道之一重叠。燃料穿过燃料进口歧管17进入，并穿过与第三区13关联的燃料流场而流入右侧(如图1中所示)。然后，燃料流经转向歧管19，再穿过与第二区12关联的燃料流场进入左侧(如图1中所示)，进入第二转向歧管20，然后穿过与第一、不反应区11关联的流场而进入右侧(如图1所示)，并穿过燃料出口歧管22向外流出。-->第一区11是不反应区，因为与第一区11相当的各燃料电池的那些部分不具有阴极催化剂，因此不与反应物气体反应。在这里的实施例中，氧化剂反应物气体，例如空气，流入空气进口歧管25，然后向下流经氧化剂反应物气体流场(如图1所示)而进入第三区13、第二区12和第一区11，此后穿过空气出口歧管26向外流出。在图2中，燃料电池叠组9的平台配置如图1中所示，但另外包括在冷却器板中的冷却剂流动通路模式，其一般置于几个燃料电池的组之间，并且遍及整个燃料电池叠组。例如，在200kW燃料电池系统中，可有35个冷却器，其布置在272个燃料电池的叠组中的8个一组燃料电池的各组之间。在此实施例中的冷却器板由外部冷却剂歧管来供应，包括冷却剂进口歧管29和冷却剂出口歧管30。冷却剂从进口歧管29邻近第一不反应区11而流动到左侧，然后分别穿过冷却剂流动通路段30、31而流动到右侧。这样，最冷的冷却剂就设置在邻近不反应区处，以便当反应物气体流出其中每一个燃料电池时，使可能已蒸发成反应物气体的电解质有效冷凝，而没有导致CO中毒的冷却温度。然后冷却剂流过与第一区11、第二区12及第三区13远侧的冷却剂流动通路邻近的段33。然后冷却剂流过与第三区13和第二区12邻近的冷却剂流动通路的段34。“子叠组”是在两个冷却器板之间的一组电池。子叠组内的中心电池是最热的，且邻近冷却器的电池是最冷的。酸损失与各个燃料通道或空气通道的出口处的局部温度是成比例的。延伸段33-34降低了第一燃料通道出口处的局部温度，因此相对于不具有延伸段33-34的冷却器板设计，减小了进入第一燃料通道的酸损失。子叠组的几个电池的燃料反应物在燃料转向歧管19内很好地混合在一起。这导致在子叠组内的电池接收数量一致的酸。热的电池接受比它们所损失的酸更少的酸，且冷的电池接受比它们所损失的酸更多的酸。-->然后，冷却剂以与氧化剂反应物气体相同的方向从顶部到底部邻近第二区12而流过蛇形流动段37-41，如图1所示。这导致与不反应的冷凝区相邻的反应区的温度在150℃(300)以上，该温度大大降低了阳极的CO中毒。可选的是，邻近第一不反应冷凝区11的流动和邻近第二区12的流动在区11和12之间的界面处提供了明显的温度梯度，使得燃料电池的反应部分温度远高于150℃(300)，以避免CO中毒，而在低于140℃(280)的温度下在不反应区中出现冷凝。然后，冷却剂以与邻近第三区13的氧化剂流动大致相反的方向，以蛇形的形式流经多个段45-50，而流到冷却本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池系统（９），包括： 在叠组中配置有多个冷却器板的多个燃料电池（１０），各燃料电池具有燃料进口、燃料出口、氧化剂进口和氧化剂出口； 所述燃料电池中的每一个具有反应区（１２，１３），所述反应区（１２，１３）邻近于所述燃料电池的燃料进口（１７）和氧化剂进口（２５），并具有不反应区（１１），所述不反应区（１１）邻近于所述燃料电池的燃料出口（２２）和氧化剂出口（２６）；以及 其中每一个所述冷却器板布置成邻近于至少一组所述燃料电池，所述冷却器板中的每一个具有至少一个冷却剂通路，其从冷却剂进口（２９）延伸穿过第一区（１１），而到达邻近所述第一区的至少一个附加区（１２），所述第一区（１１）一般与所述燃料电池的所述不反应区的至少一部分重叠，所述附加区（１２）一般与所述反应区的至少一部分重叠，所述附加区中的冷却剂通路使冷却剂沿着从远离所述第一区的所述附加区边缘（３７）至邻近所述第一区的所述附加区边缘（４１）的方向而流动，从而在邻近于所述第一区的最热的所述附加区内提供冷却剂。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-12-29 11/025,2311、一种燃料电池系统(9)，包括：在叠组中配置有多个冷却器板的多个燃料电池(10)，各燃料电池具有燃料进口、燃料出口、氧化剂进口和氧化剂出口；所述燃料电池中的每一个具有反应区(12，13)，所述反应区(12，13)邻近于所述燃料电池的燃料进口(17)和氧化剂进口(25)，并具有不反应区(11)，所述不反应区(11)邻近于所述燃料电池的燃料出口(22)和氧化剂出口(26)；以及其中每一个所述冷却器板布置成邻近于至少一组所述燃料电池，所述冷却器板中的每一个具有至少一个冷却剂通路，其从冷却剂进口(29)延伸穿过第一区(11)，而到达邻近所述第一区的至少一个附加区(12)，所述第一区(11)一般与所述燃料电池的所述不反应区的至少一部分重叠，所述附加区(12)一般与所述反应区的至少一部分重叠，所述附加区中的冷却剂通路使冷却剂沿着从远离所述第一区的所述附加区边缘(37)至邻近所述第一区的所述附加区边缘(41)的方向而流动，从而在邻近于所述第一区的最热的所述附加区内提供冷却剂。2、根据权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池的阳极的平...
【专利技术属性】
技术研发人员：RR弗雷德利，BV尼塔，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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