在冰点以下的温度下操作电池堆组件的方法和设备技术

一种电池堆组件（１０２）冷却剂系统，包括与冷却剂排放管（１０８）和冷却剂泵（１１２）流体连通的冷却剂排放导管（１１０）。冷却剂入口导管（１２０）使得冷却剂可以转移到冷却剂入口管。冷却剂系统还包括与冷却剂排放管和冷却剂入口管流体连通的旁路导管（１３２），而泄放阀（１３０）与冷却剂排放导管和气体源相连通。泄放阀的操作使得能够通过关断导管（１２４）从冷却剂沟槽中排空冷却剂。冷却剂和反应物气体之间的压差提交迫使水从电极基体（１０７，１０９）的孔中出来。喷射器（２５０）防止空气影响泵。脉冲的空气被吹送（２３８，２３９，２４３，２４５）通过冷却剂沟槽以除去更多水。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及在冰点以下的温度(subfreezingtemperature)操作电池堆组件(cell stack assemb1y)的方法和设备，并且更具体地说涉及当经历严酷的环境条件时，特别是在关断或起动时，可避免电池堆组件的组成部件发生结构损坏的方法和设备。
技术介绍
众所周知电化学燃料电池组件能够通过提供给阳极的燃料和提供给阴极的氧化剂的反应产生电及随后产生反应产物，从而在这些电极之间产生电势。与内燃燃料系统等相比，此种燃料电池组件由于它们的高效而非常有用并且为人们所追求。燃料电池组件由于产生对环境友好的化学反应副产物如水，而存在附加的优点。为了控制燃料电池组件中的温度，而向燃料电池组件提供冷却剂。该冷却剂通常为水，通过配置冷却剂沟槽而使之在整个燃料电池组件中循环。在燃料电池组件中使用水使得它们对冰点温度特别敏感。电化学燃料电池组件通常采用富氢气体作为燃料并采用氧气作为氧化剂，如上所述，反应副产物为水。此种燃料电池组件可采用由固体聚合物电解质组成的膜，或者离子交换膜，在其上形成催化剂层，以便促进所需电化学反应。该被催化的膜设置在两个由多孔的导电片材--通常为碳纤维纸制成的电极基体之间。该离子交换膜还公知为质子交换膜(下文中称为PEM)，如由杜邦以商品名NAFIONTM出售的。在运行时，氢燃料透过阳极的多孔电极基体材料并在催化剂层上反应产生氢离子和电子。氢离子通过膜向阴极迁移，而电子从外部回路流到阴极。在阴极，含氧气体供料同样透过多孔电极基体材料并与来自阳极的氢离子和电子在催化剂层上反应生成副产物水。离子交换膜不仅促进这些氢离子从阳极向阴极的迁移，而且离子交换膜也起到将氢燃料和含氧气体氧化剂隔开的作用。在阳极和阴极催化剂层上发生的反应可由下式表示阳极反应阴极反应常规的PEM燃料电池具有包括PEM和电极基体的膜电极组件，其设置在两个不可透过气体的导电板之间，导电板称为阳极板和阴极板。板通常由石墨、石墨-聚合物组合物或类似物制成。板起到对两个多孔导电电极的结构支撑以及集流器的作用，并提供用于分别向阳极和阴极供给燃料和氧化剂的装置的作用。它们还可用于将燃料电池运行过程中的反应副产物水带走。当为了在阳极板和阴极板中使燃料或氧化剂循环而在这些板上形成流槽时，它们被称为流体流场板。在某些燃料电池结构中，这些板还可起到水转移板的作用，并通常含有集成的(integral)冷却剂通道，由此除了它们公知的管理水的作用外，还用作冷却剂板。当流体流场板简单地叠置(overlay)在阳极和阴极多孔材料中形成的沟槽上时，它们称为隔板。而且，流体流场板可具有在其中形成的反应物供料管线，这些管线用于将燃料供给阳极流槽，或者将氧化剂供给阴极流槽。它们还可具有相应的排放管线，以便将燃料和氧化剂流的未反应组分，以及任何作为副产物产生的水排出燃料电池。或者，管线也可以是外加至燃料电池自身上的，如孔茨(Kunz)等人在也转让给申请人的USP3994748中公开的。在燃料电池组件中的催化剂层通常为碳载的铂或铂合金，当然也可使用其它贵金属或贵金属合金。由两个或多个阳极板/膜/阴极板组合组成的多个电连接的燃料电池组件，可称为电池堆组件。电池堆组件通常是串联电连接的。近来对制备燃料电池组件的燃料的努力集中在对烃燃料如甲烷、天然气、汽油等的化学转化产生的富氢气流的利用上。该过程能够尽可能高效地产生富氢气流，因此确保了最小量的一氧化碳和其它不希望的化学副产物的生成。烃的转化通常通过使用本领域中公知的蒸气转化器(steam reformer)和相关的燃料处理设备而实现。如上面所讨论的，阳极板和阴极板可具有冷却剂沟槽，用于循环水冷却剂，以及用于芯吸(wick)作为燃料电池组件运行的副产物产生的水并将之带离。收集的和在冷却剂沟槽中循环流过燃料电池组件的水会在低于32°F(0℃)以下冻结，因此当水因冻结而膨胀时，会损坏和影响燃料电池组件的运行。因此需要提供一种方法和设备，它可在严厉的环境条件下保护燃料电池组件。弗莱切(Fletcher)等人的1998年8月25日授权的US 5798186中公开了各种电加热结构，用于直接和间接地融化冻结的燃料电池堆。另外，还提到在堆的管线端头内设置适配或可压缩的装置，以便适应燃料电池堆内部冻结的水的膨胀。此种系统仅设置在堆的管线端头内部，不能充分保护整个燃料电池堆或冷却剂沟槽不受冷却剂的冻结和膨胀的影响。特别是，存在这样一些情况，其中希望燃料电池组件在冰点以下的环境条件下不运行一段时间后，进行启动。在这种情况下，已发现，为了缓和燃料电池组件中的冷冻状态，如果试图使冷却剂在冷却剂沟槽中循环流通，则不能带来可接受的性能特征。例如，当水用作冷却剂时，燃料电池组件的温度通常导致在小尺寸冷却剂沟槽的入口处发生局部冻结，从而部分地堵塞在其中的循环，并过度延长起动所需的时间。当非多孔冷却剂沟槽或板与抗冻溶液冷却剂一起使用时，由于抗冻溶液在低温下的高粘度而存在类似的问题，也导致起动所需时间延长。考虑到上述问题和担心，本专利技术的一个总目的是提供一种带方法和设备的燃料电池组件，即使在冰点温度以下也可克服上述缺陷。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施方案，向电池堆组件提供一种冷却剂系统，包括用于循环冷却剂的冷却剂泵和与冷却剂入口管和冷却剂排放管流体连通的冷却剂沟槽。该冷却剂系统包括与冷却剂排放管和冷却剂泵流体连通的冷却剂排放导管，并且该冷却剂排放导管可使废冷却剂从冷却剂排放管排出。提供一个冷却剂回流导管，它与冷却剂入口管和冷却剂泵流体连通，该冷却剂回流导管可将冷却剂运输到冷却剂入口管。该冷却剂系统还包括一个旁路导管，它与冷却剂排放导管和冷却剂回流导管流体连通，而一个泄放阀(bleedvalve)与冷却剂排放导管和气体流流体连通。当冷却剂排放导管和冷却剂入口压力控制阀关闭时，操作泄放阀可使冷却剂从冷却剂沟槽中排出，并通过所述旁路导管和所述泵排入冷却剂收集器。本专利技术的一个重要方面是得出这样的认识对于冷却剂和反应气体之间的常规运行压差例如14kPa，在阳极和阴极电极基体中50％量级的粗孔将被水填充；然而，当压差增加到约28kPa时，在电极基体中仅有5％～10％量级的粗孔将被水填充。因此，本专利技术的这一方面涉及以一种从未达到过的方式以显著的程度将水逐出支撑板和扩散层，然后将该水从冷却剂沟槽中除去。因此，燃料电池关断步骤的一个优选的实施方案是，在用冷却剂泵通过旁路导管将所有水从排空的冷却剂沟槽中抽吸之前，首先增加气体反应物和冷却剂水之间的压差。进一步根据本专利技术，当所有能够从冷却剂沟槽中通过冷却剂泵抽出的水均通过冷却剂泵从沟槽中除去时，使气体如空气的脉冲通过输水沟槽以带出或除去未被冷却剂泵除去的任何残留的水。根据本专利技术的另一方面，燃料电池系统的起动包括加热冷却剂和使热的冷却剂流过冷却剂入口管，而后经旁路导管直接进入冷却剂排放管，从而使燃料电池由流经管线的冷却剂加热，而没有显著量冷却剂流经冷却剂沟槽。本专利技术的这些和其它方面及其优选的实施方案将通过整个说明书、权利要求书和附图而变得清楚。附图说明图1是说明本专利技术一个实施方案的冷却剂系统的示意图。图2是说明图1中的冷却剂系统在关断步骤中的操作流程图。图3是说明图1中的冷却剂系统在起动过程中的操作流程图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统（１００），包括：　　　　排列成堆（１０２）的多个燃料电池（１０３），包括具有入口的冷却剂入口管（１０６），具有出口的冷却剂排放管（１０８），以及用于使冷却剂从所述入口管流到所述排放管的冷却剂沟槽（１０４）；　　　　具有入口的冷却剂泵（１１２）；　　　　用于有选择地使所述入口管的入口与来自所述泵的冷却剂连通的冷却剂入口阀（１２２）；　　　　其特征在于，　　　　冷却剂出口阀（１２８），用于选择性地使所述泵的入口与所述排放管的出口连通；　　　　关断阀（１２６），用于选择性地使所述入口管的入口与所述泵的入口连通；以及　　　　泄放阀（１３０），用于选择性地使气体流入所述排放管的出口；　　　　由此，打开所述关断阀和所述泄放阀，关闭所述入口阀和所述出口阀，而保持泵运转，将使气体吸入、并因此将冷却剂抽出所述出口管、所述冷却剂沟槽和所述入口管。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：EA巴林格尔，DA康迪特，HT库克，CA赖泽，G雷斯尼克，D杨，
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]