燃料电池堆设计和操作方法技术

一种具有至少两个燃料电池段的燃料电池堆，每个段具有反应物气体通道。每个段中的每个电池如此布置，以使每个电池的反应物气体通道相互之间并联。燃料电池流体的流动，一般为气体状态在每个电池的阳极和阴极侧上，沿着重力辅助向下的方向流动。重力辅助流动使在每个电池中形成的水向着电池堆段中更低的排出点流动。每个段对由具有隔板通道的隔板段分隔，隔板段形成一个完整的电池堆单元。每个隔板通道改变电池堆中每种流体的总体流动方向，从上游段的底部到下一个或者下游段的顶部而没有反应流体，控制电池堆段之间的相对湿度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
燃料电池堆设计和操作方法
本专利技术涉及燃料电池系统，特别是涉及燃料电池堆和操作燃料电池堆的方法。
技术介绍
燃料电池已在很多应用中被用作动力源，比如，已提出在电动车辆的动力装置中使用燃料电池以取代内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢被提供至燃料电池的阳极，氧作为氧化剂提供至阴极。典型的PEM燃料电池和它的膜电极组件(MEA)分别在1993年12月21日和1994年5月31日授权的并共同转让给通用汽车公司的美国专利No.5272017以及No.5316871中有所描述。膜电极组件包括薄的、质子传导、不导电的固体聚合物电解质膜，在其一表面上有阳极催化剂，在相对表面上有阴极催化剂。根据上下文，术语“燃料电池”一般用于指单个电池或者多个电池(堆)。多个单个电池一般捆在一起形成燃料电池堆。电池堆中每个电池包括膜电极组件提供增加的电压。电池堆中多个电池的通常布置如在转让给通用汽车公司的美国专利No.5763113中所描述的。夹置膜电极组件的导电元件可包括在其表面上排列的一排通道或者沟槽，用于在相应的阴极和阳极表面上分配燃料电池气体反应物。在燃料电池堆中，多个电池串连连接叠置在一起，通过不透气的导电双极板相互隔开。一般地，单通过设计(single pass-through design)，反应物通过单独的进口岐管和集管被提供至燃料电池中。从进口岐管提供气流至进口集管，反应物比如阳极流，被分为供给单电池的多条流动路径。所有反应物(在这个例子中为阳极流)作为废气离开单电池，在出口集管中混合并通过出口岐管排出电池堆。在单通过设计中，所有电池的阳极侧具有相同的氢气进口浓度。引导反应物气体的单通过设计的缺点是，燃料电池堆不能在低化学计量下稳定的工作；也就是说，需要接近大流量的反应物来满足给定的功率输出。因此，很难获得高效的氢气或者氧气使用率。结果是，系统效率无法优化。公知的可以部分修正上述情况的堆设计，比如授权给Strasser的-->美国专利No.5478662中的堆设计所述。在例如Strasser设计的电池堆中，设置单独组的平行电池，其中每个组的每个电池内的流动相平行，并且来自每个组的所有流体流在组之间串连流动。一种典型的电池堆设计，每个堆组具有一个进口岐管和一个出口岐管，并且每个出口岐管具有排水管用于收集反应产物水。如果没有排水，水会在随后的电池组中累积。在这些堆设计中，单个燃料电池的数量通常会变化，其中初始或者上游段包含最大数量的单个燃料电池，而随后每个段中提供减少数量的燃料电池。采用这种类型的构造，一系列段中最后一段通常具有最少数量的单个燃料电池。当作为重整产物的反应气体中含有流过电池堆的惰性成分时，普通的组合电池堆设计会出现不足。保持通过每组电池堆的重整燃料中的惰性气体部分由于在每段中燃料电池数量的减少而浓缩，并形成控制电池堆总体压力降的最终电池堆段。通常地，进入燃料电池堆的氢的重整产物流包括体积百分比40％左右的氢气。剩余部分体积包括氮气和其他气体。燃料电池堆仅仅消耗氢气(生成水)，因此占阳极气体体积60％的惰性气体流过电池堆中的每个组。这一部分体积的惰性气体决定了沿电池堆最小组的压力降。当使用空气作为阴极气体时，气流中氧浓度一般在20％-40％体积之间。剩余的大约60％-80％体积的阴极气流含有氮气以及其它惰性气体。上述串连/并联电池堆设计提供贯穿整个电池堆的蛇形流动模式。蛇形流动路径形成了或是水平通过电池堆的、或者在一个或多个段需要克服重力的阳极侧和阴极侧反应物气流。燃料电池中水的累积阻碍了反应物与燃料电池催化剂材料的接触，由此降低了电池堆效率。在非重力辅助组中产生的水必须强制与反应物气体一起通过电池，或者允许与反应物流动方向相反“回流”以从电池堆中除去，这降低了燃料电池堆的效率。
技术实现思路
本专利技术的电池堆设计可以克服燃料电池堆的上述缺陷。本专利技术的电池堆设计中加入了燃料电池元件的独立段，在每个段中设置相等的或者不同数量的燃料电池元件。设置每个段以在每个燃料电池内沿着重力辅助方向提供气流。通过允许阳极侧或者阴极侧的整个气流、或者阳极侧和阴极侧的气流在电池堆中包括全部电池中的一部分的段中分布，该种布置增加了燃料电池堆操作的稳定性。在优选的实施例中，一般具有最大百分比的堆燃料电池的第一段-->耗尽了进入该段的最大百分比的反应物。布置第一段以提供向下的或者重力辅助的气流通过每个电池。排出第一段的反应物被引导至其中设置较少数量燃料电池的第二段，也同样布置第二段以提供重力辅助气流。第二段反应掉来自反应物流中的绝大部分剩余燃料。如有必要，可以使用第三或者更多电池段，以最大化利用反应物流中的氢气和氧气。每个段提供并联的燃料电池，并且设置用于重力辅助气流通过段中的每个电池。通过本专利技术的设计改进了电池堆的整个化学计量。隔板段设置在每个电池堆段之间，其中所有排出前一段的气流都被引导通过隔板段。在一个优选实施例中，隔板段被设置在一对缺少膜电极组件(MEA)的双极板之间。隔板段的目的是在燃料流中不发生任何反应，因此也不产生附加的水的情况下，改变所有来自该段出口或者下部的气流方向，进入下一个连续段的进口或者上部。每个隔板段都是邻接燃料电池元件的独立段的结构构件。单独的隔板段被设置在燃料电池的每两个段之间，以分别改变独立气流组即阳极气流、阴极气流和冷却剂流动的方向。在该电池堆段的下部收集从每个气流段排出的气流，并改变方向向上至下一个连续段的顶部进口，以形成“级联的”电池堆设计。提供了仅在重力辅助方向即向下的方向通过独立的燃料电池段的气流。在每个独立的段中作为反应产物生成的水，在每个随后的隔板段的底部被收集排出。这部分体积的水通过排水管路流至电池堆的排出口。确保在每个电池堆段形成的水沿着重力辅助方向从每个隔板段底部的重力排水出口排出，并且提供一种有效地去除电池堆中产生的液态水的方法。本专利技术的另一个方面为每个燃料电池段内的燃料电池元件提供了对改进的气流几何形状的选择使用。通过改进流体通道几何形状，即增大流体通道的尺寸或者改变在至少一个所选段中的燃料电池元件的长度，可以使用含有不同体积百分比的惰性气体的反应物重整气流。重整燃料流通常含有与反应气体即氢气体积相比更多的惰性气体。举例来说，合适的重整燃料流初始含有体积约40％的氢气以及体积约60％的惰性气体。当气流横向穿过电池堆并且氢气发生反应生成水时，水被排出，在气流中剩下的惰性气体体积增加。因此，基于氢气体积的减少，适宜的是减少连续段中燃料电池的数量。保持燃料电池尺寸的同时减少燃料电池的数量可导致下游段中的压力降增加，由此控制或者限制通过电池堆的燃料气流。通过增加所选下游段中燃料电池的横截面积，可使压力降不随电池数量的减少而增加。由于在保持净流-->量的条件下使用更少的燃料电池，结果是在降低成本的同时增加了效率。由此燃料电池堆未反应的惰性气体不会控制穿过电池堆的整体压力降。在本专利技术的又一个方面中，提供通过独立段的冷却剂串流。冷却剂在反应物进入电池堆的地方进入电池堆端部，并跟随燃料气流。串流的优点是冷却剂在最低温度下在最干燥的反应气体进入电池堆的点处进入电池堆，为进口气体提供最大的反应气体温度降，和由此的最大相对湿度。为进入的反应气体提供最低的温度降低了气体的露点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆，包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池被分成至少两个燃料电池段，每个所述燃料电池段中具有所述多个燃料电池的一部分设置在其中，并被布置成相继的上游和下游段对；每段燃料电池的每个所述部分具有多条反应物气体通道，设有 共同进口反应物气体通道和共同出口反应物气体通道；具有设置在所述上游段和所述下游段之间的隔板段的每对段，所述隔板段与所述上游段的所述共同出口反应物气体通道以及同一段对的所述下游段的所述共同进口反应物气体通道流体连通；以及所述至 少两个燃料电池段的多条反应物气体通道中的每一条沿单向重力辅助流动方向进行设置。

【技术特征摘要】
US 2002-8-29 10/230,9161、一种燃料电池堆，包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池被分成至少两个燃料电池段，每个所述燃料电池段中具有所述多个燃料电池的一部分设置在其中，并被布置成相继的上游和下游段对；每段燃料电池的每个所述部分具有多条反应物气体通道，设有共同进口反应物气体通道和共同出口反应物气体通道；具有设置在所述上游段和所述下游段之间的隔板段的每对段，所述隔板段与所述上游段的所述共同出口反应物气体通道以及同一段对的所述下游段的所述共同进口反应物气体通道流体连通；以及所述至少两个燃料电池段的多条反应物气体通道中的每一条沿单向重力辅助流动方向进行设置。2、根据权利要求1所述的燃料电池堆，进一步包括：所述至少两个燃料电池段的每一对被布置成由所述隔板段隔开的相邻段，所述隔板段在所述至少两个燃料电池段的每对之间形成连续结构连接部；以及具有大体上向上取向的流动通道的每个隔板通道在所述上游段的所述共同出口反应物气体通道和所述下游段的所述共同进口反应物气体通道之间提供流体连通。3、根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中所述多条反应物气体通道包括一组阳极通道和一组阴极通道。4、根据权利要求3所述的燃料电池堆，进一步包括：通过预选的一条所述共同进口反应物气体通道，所述组阳极通道与电池堆阳极进口端口流体连通；以及通过预选的一条所述共同出口反应物气体通道，所述组阳极通道与电池堆阳极出口端口流体连通。5、根据权利要求4所述的燃料电池堆，进一步包括：通过预选的一条所述共同进口反应物气体通道，所述组阴极通道与电池堆阴极进口端口流体连通；以及通过预选的一条所述共同出口反应物气体通道，所述组阴极通道与电池堆阴极出口端口流体连通。6、根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述组阴极通道中的每条通道与所述组阳极通道中的对应通道间呈交叉流动的关系进行设置。-->7、根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述组阴极通道中的每条通道与所述组阳极通道中的对应通道间呈平行流动的关系进行设置。8、根据权利要求3所述的燃料电池堆，进一步包括通过共同进口冷却剂通道与电池堆冷却剂进口端口流体连通的一组冷却剂通道，所述组冷却剂通道与电池堆冷却剂出口端口流体连通。9、根据权利要求8所述的燃料电池堆，其中所述组冷却剂通道中的每条通道与所述组阳极通道和所述组阴极通道中至少一个的对应通道邻近并呈平行流动的关系进行设置。10、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中每个段中的燃料电池的数量在所述至少两个燃料电池段中的每一个之间变化。11、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中每个段中的燃料电池数量在每个段之间从电池堆的进口部分向电池堆的出口部分减少。12、一种燃料电池堆，包括：多个燃料电池组件，每个燃料电池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；多条阳极气体通道，每条所述通道被设置邻近所述多个燃料电池组件的相应一个所述第一表面；多条阴极气体通道，每条所述通道被设置邻近相应一个所述多个燃料电池组件的相应一个所述第二表面；所述多个燃料电池组件布置在至少两对相邻电池段中，其中所述多个燃料电池组件的所述多条阳极气体通道和阴极气体通道在所述电池堆的每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：PA拉帕波尔特，JA罗克，AD博斯科，JP萨尔瓦多尔，H加斯泰格尔，LA佩恩，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]