燃料电池系统水量平衡方案技术方案

提供了一种燃料电池系统及其运行方案以改进系统中的整体水量平衡。根据本发明专利技术的一个实施例，提供了电化学转化组件，其中冷却剂流场部分定义了以具有相对低冷却剂温度Ｔ↓［ＭＩＮ］的区域和具有相对高冷却剂温度Ｔ↓［ＭＡＸ］的区域为特征的运行冷却剂温度曲线。设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使反应物输入端和反应物输出端相对于具有相对高冷却剂温度Ｔ↓［ＭＡＸ］的区域被放置于更靠近具有相对低冷却剂温度Ｔ↓［ＭＩＮ］的区域的位置。根据本发明专利技术的另一个实施例，设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使具有相对低冷却剂温度Ｔ↓［ＭＩＮ］的区域相对于具有相对高冷却剂温度Ｔ↓［ＭＡＸ］的所述区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统水量平衡方案
本专利技术涉及电化学转换电池，通常指燃料电池，通过处理第一和第二反应物来提供电能。例如，能够通过含氧气体的还原和富氢气体的氧化在燃料电池中产生电能。为了说明而非限制性的，典型电池包括设置在容纳反应物的相应个体的流场对之间的膜电极组件。更加明确地，可以将阴极流场板和阳极流场板设置在该膜电极组件的相对侧上。单个电池单元提供的电压通常太小不能实际应用，因此通常将多个电池排列成导电的耦合“堆”以提高电化学转换组件的电输出。
技术介绍
作为
技术介绍
，该转换组件通常包括膜电极组件、阳极流场和阴极流场。膜电极组件依次包括分隔阳极和阴极的质子交换膜。除了其它的组元，该膜电极组件通常包括由大表面面积支撑材料所支撑的催化剂并且以在湿润条件下的增强的质子传导系数为特征。出于描述本专利技术的前后文的目的，需要指出的是燃料电池和燃料电池堆的通常构造和操作方式超出本专利技术的范围。相反，本专利技术指的是特定流场板构造和关于其设计的一般概念。关于燃料电池和燃料电池堆的通常构造和操作，应用是指覆盖构成燃料电池“堆”以及燃料堆的各种部件的方式的教导的巨大集合。例如，大量美国专利和已公开申请直接地与燃料电池构造和相应的操作方法有关。更加明确地，美国专利申请公开号2005/0058864的图1和图2以及附带的文本给出了一种燃料电池堆的部件的详细描述并且以参考文献的形式将这种特定主题明确地包括在这里。
技术实现思路
提供了一种用于改进系统中的整体水量平衡的燃料电池系统及其操作方案。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种电化学转换组件，包括至少一个配置成将第一和第二反应物转换为电能的电化学转换电池。该电化学转换组件包括配置成提供增湿反应物给该组件的阴极流场部分的反应物源和配置成提供冷却流体给该组件的冷却剂流场部分的冷却剂源。该冷却剂流场部分定义了以具-->有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线。设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比反应物输入端和反应物输出端被放置在更靠近具有相对低冷却剂温度Tmin的区域的位置。根据本专利技术的另一个实施例，设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。根据本专利技术的另一个实施例，提供了操作电化学转换组件的方案，其中设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。另外，在反应物输入端将反应物增湿到至少大约100％RH，并且操作冷却剂源以维持所述冷却剂输出端温度TOUT，不超过所述冷却剂输入端处的温度TIN以上10℃。相应地，本专利技术的目的是提供改进的燃料电池系统及其操作方案。按照这里具体的专利技术描述本专利技术的其它目的将是显而易见的。附图说明结合下面附图能够很好地理解本专利技术的特定实施例的下述详细描述，在附图中用相同的附图标记表示相同的结构，其中：图1是根据本专利技术的一个实施例的电化学转换组件的示意图；图2是根据本专利技术的另一个实施例的电化学转换组件的示意图；以及图3是当在整个组件中进行电化学转换反应时电化学转换组件中的相对湿度的图示。具体实施方式在图1和图2中示意性地描述了根据本专利技术的两个替换实施例的电化学转换组件10。在每一个实施例中，该组件包括多个排列成燃料电池堆20的电化学转换电池。如上所述，设置该堆20的每个电池以将从相应的反应物源来的反应物转换为电能。该组件10还包括阴极反应物源30、阳极反应物源(未示出)和冷却剂源40。[0012]虽然在本专利技术的范围内阴极、阳极和冷却剂源可以采取不同的形式，但图1和图2中示意性地描述的阴极反应物源30包括空气压缩机32和配置成增-->湿阴极反应物并将增湿的反应物，如空气，提供给燃料电池堆20的阴极流场部分的增湿器34。为了清楚而在图1和图2中被忽略的阳极反应物源配置成将额外反应物，例如氢气或含氢气体，提供给燃料电池堆20的阳极流场部分。图1中示意性地描述的冷却剂源44包括冷却剂泵42和配置成将冷流体提供给燃料电池堆20的冷却剂流场部分的散热器44。[0013]阴极流场部分定义了一个或多个反应物输入端36、一个或多个反应物输出端38、和不同反应物流体通道35阵列，每一个通道均与反应物输入端36和反应物输出端38相连。类似地，冷却剂流场部分定义了一个或多个冷却剂输入端46、一个或多个冷却剂输出端38、和不同冷却剂流体通道45阵列，每一个通道均与冷却剂输入端46和冷却剂输出端48相连。如将被熟悉燃料电池流场设计的人员所承认的，典型的阴极流场可以被设计得比本专利技术的图1和图2所示的更加精细。需要明确地，在图1和图2中示意性地描述的不同反应物流体通道35阵列仅仅是为了描述反应物流体通道35与定义冷却剂流场的冷却剂流体通道45相关联的一般形式。典型地，该流体通道35、45将包括多个与一个或多个流体集管相连的输入端和输出端，并且将比图1和图2中所示的更加紧密封装和外形更加精细。不管阴极和冷却剂流体通道35、45所定义的特定形式，冷却剂流体通道45将定义以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的操作冷却剂温度曲线。本专利技术者已经承认能够通过设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比反应物输入端36和反应物输出端38被放置于更靠近具有相对低冷却剂温度TMIN的区域的位置来实现该特定操作优势。根据本专利技术的不同陈述，可以设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和输出端36、38的热交换更紧密的位置。以这种方式，能够改进整体水量平衡，这是由于阴极反应物以相对低的温度脱离阴极流场并因此能够带走较少的水蒸汽。另外，通过将阴极反应物导入温度相对低的阴极流场，为达到堆20的最小湿度需要的水量就较少。即使是在阴极入口36的相对湿度(RH)达到100％时的完全增湿入口条件下，这种方法允许较高的冷却剂出口温度。例如，并不是限制性的，通过按照如上所述-->的方式设置相应的阴极和冷却剂流场，能够保持冷却剂出口温度在大约76℃，同时保持冷却剂输入温度大约68℃，阴极入口RH在大约100％，以及阴极出口RH在大约164％。如图3中所示的，其示出了运行在这些条件下的堆的预期RH曲线的表示，期望堆内的局部湿润水平在整个堆中至少是大约100％RH。为了达到上述目标，可以设置图1和图2中示出的冷却剂和反应物流体通道的各个阵列以使相对靠近反应物输入端36和输出端38的反应物流体通道35的部分被放置在与相对靠近一个或多个冷却剂输入端46的冷却剂流体通道45的那些部分相连的位置。具体地，参考图1和图2中所示的设置，可以设置阴极和冷却剂流场部分以使从反应物输入端36流向反应物输出端38的阴极反应物从与冷却剂流动方向基本方向一致的流动模式转变为与冷却剂流动方向基本方向相反的流动模式。结果，方向一致流动模式的特征是通常提高冷却剂温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学转换组件，包括至少一个设置成转换第一和第二反应物为电能的电化学转换电池，所述电化学转换组件包括设置成提供增湿反应物给所述电化学转换组件的阴极流场部分的反应物源和设置成提供冷却流体给所述电化学转换组件的冷却剂流场部分的冷却剂源，其中：　　　　所述阴极流场部分定义了反应物输入端和反应物输出端；　　　　所述冷却剂流场部分定义了冷却剂输入端、冷却剂输出端和以具有相对低冷却剂温度Ｔ↓［ＭＩＮ］的区域和具有相对高冷却剂温度Ｔ↓［ＭＡＸ］的区域为特征的运行冷却剂温度曲线；以及　　　　设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使所述反应物输入端和所述反应物输出端相对于所述具有相对高冷却剂温度Ｔ↓［ＭＡＸ］的区域被放置于更靠近所述具有相对低冷却剂温度Ｔ↓［ＭＩＮ］的区域的位置。

【技术特征摘要】
US 2005-10-4 11/2427341.一种电化学转换组件，包括至少一个设置成转换第一和第二反应物为电能的电化学转换电池，所述电化学转换组件包括设置成提供增湿反应物给所述电化学转换组件的阴极流场部分的反应物源和设置成提供冷却流体给所述电化学转换组件的冷却剂流场部分的冷却剂源，其中：所述阴极流场部分定义了反应物输入端和反应物输出端；所述冷却剂流场部分定义了冷却剂输入端、冷却剂输出端和以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线；以及设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使所述反应物输入端和所述反应物输出端相对于所述具有相对高冷却剂温度TMAX的区域被放置于更靠近所述具有相对低冷却剂温度TMIN的区域的位置。2.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中：所述阴极流场部分包括不同反应物流体通道阵列，每一个通道与所述反应物输入端及反应物输出端相连；所述冷却剂流场部分包括不同冷却剂流体通道阵列，每一个通道与所述冷却剂输入端及冷却剂输出端相连；以及设置所述冷却剂和反应物流体通道的各个阵列以使相对靠近所述反应物输入端和所述反应物输出端的所述反应物流体通道的部分被放置于基本对准相对靠近所述冷却剂输入端的所述冷却剂流体通道的部分的位置。3.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使具有相对低冷却剂温度TMIN的区域相对于具有相对高冷却剂温度TMAX的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。4.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使从所述反应物输入端流向所述反应物输出端的阴极反应物从(i)与从所述冷却剂输入端流向所述冷却剂输出端的冷却剂的流动模式基本方向一致的流动模式转变为(ii)与从所述冷却剂输入端流向所述冷却剂输出端的冷却剂的流动模式基本方向相反的流动模式。-->5.如权利要求4的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使与所述方向相反流动模式相关联的所述运行冷却剂温度曲线的部分的特征在于当所述反应物到达所述反应物输出端时降低的冷却剂温度。6.如权利要求5的电化学转换组件，其中设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使与所述方向一致流动模式相关联的所述运行冷却剂温度曲线的部分以随着所述反应物离开所述反应物输入端增加的冷却剂温度为特征。7.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中：所述电化学转换电池定义了有效面积；所述冷却剂输入端和所述冷却剂输出端被沿所述有效面积的相对边设置；以及所述反应物输入端和所述反应物输出端被沿所述有效面积的公共边设置。8.如权利要求7所述的电化学转换组件，其中所述反应物流场部分定义了基本U型反应物流动模式。9.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中：所述电化学转换电池定义了有效面积；所述冷却剂输入端和所述冷却剂输出端沿所述有效面积的相对边设置；以及所述反应物输入端和所述反应物输出端沿所述有效面积的相对边设置。10.如权利要求9所述的电化学转换组件，其中所述冷却剂流场部分定义了基本汇聚冷却剂流动图案。11.如权利要求10流场部分的电化学转换组件，其中所述冷却剂流动模式相对紧密地汇聚在所述有效面积的所述冷却剂输出边。12.如权利要求1流场部分的电化学转换组件，其中所述电化学转换组件进一步包括用于增湿所述反应物的增湿器和用于引导所述冷流体通过所述冷却剂流场部分的冷却剂源。13.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中设置所述增湿器和所述冷却剂源以增湿所述反应物在所述反应物输入端至少达到大约100％RH和在所述反应物输出端至少达到大约164％。14.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：SG格贝尔，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]