在冷凍啟動過程中燃料電池堆中用於冷卻和加溼的存留水的製作方法

2023-06-05 04:34:41 2

專利名稱：在冷凍啟動過程中燃料電池堆中用於冷卻和加溼的存留水的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池動力裝置，例如PEM燃料電池動力裝置，其中水被 保留在多條7K通道或者鄰近多孔的、至少部分親水的水傳輸板的其它水導管中， 以及被保留在多條互連的水歧管中，而不允許水"下降"進入到反應物流場或 反應物歧管中，由此在冷凍啟動期間提供冷卻和加溼而不會妨礙反應氣體流至 電極。
技術背景將電力提供給電動車輛的 系統的燃料電池動力裝置必須宵灘在低於水 凍結的糹鵬下工作。在可達到冰點溫度的環境中進行燃料電池關閉操作的傳統 方法包括將該燃料電池中的所有水都排入一些種類的貯水器中。在試圖進行後 續操作之前，水在被輸送回燃料電池中之前必須融化，據報導這將花費十分鐘 到三十分鐘的時間。通常認為在車輛中這些延遲是不可容忍的，在車輛中應該 在發出啟動命令，例如轉動車鑰匙，的數秒之內，需要至少部分的機動性。在2004年1月22日提交的美國專利申請No.10/763，793中，當燃料電池在 可能會低於冰點溫度的環境中關閉時，燃料電池的電極支承板襯底僅部分地充 注有水，從而在引導啟動的早期階段中將鄰近隔膜的水提供給電池以進行加溼。 在向燃料電池中加入反應物後，來自處理過程中的熱量使水相當快速地融化" 僅僅是部分地而不是全部地對襯底進行填充則允許反應氣體通道該襯底。在啟 動之後在冷卻劑體系充分解凍以運行之前的時間段內，熔化熱和襯底中水的潛 熱有助於冷卻該糹然料電池。在整個襯底的充分均一方法中，通過將水與反應氣 體之間在關閉時的壓差控制在5kPa-6kPa (0.72psi-0.87psi)的範圍內，或者通過 將襯底部分親水^:且部分疏L7K化，從而以大體上均勻地方式實現i對該襯底的部 分填充，例如大約70%的填充。在美國專利6673481中，在將反應物提供給燃料電池的大約20秒內或者當 檢測到燃料電池堆上的開路電壓時，將燃料電池的電輸出加到負載例如車輛推 進系統上。然而，當燃料電池堆處於可能會達到低於水冰點溫度的溫度環境中時，在關閉該燃料電池系統時，排出反應物通道、冷卻劑通道、水滎和水循環系統中其它管道中的水。通過在啟動的起始階段對反應物流場進行加壓，K:後 允許達到大氣壓或接近大氣壓，從而避免啟動期間在反應物流場中積聚水。 發明內容本發明的目的包括在燃料電池達到低於7JC冰點，的溫度之後，在啟動 期間在燃料電池中提供水，而不需要特定的襯底或特定的關閉程序；在啟動時 改善結凍的燃料電池的初始加溼和冷卻；提供水以幫助結凍的燃料電池的啟動 而不會發生反應氣體通道的冰塊阻塞；並且改善燃料電池的運行以便有利於在 冰點以下溫度條件下的啟動。這裡使用的，術語"水通道"包括由水傳輸板上的溝槽、芯吸材料、多孔 層、或其它液態水傳導介質形成的多條開口Mit，並且可包括多條水歧管。根據本發明，在燃料電池堆關閉時，其中每個^燃料電池包括多孔的、至少 部分親水性的反應氣體流場板(在此被稱作"水傳輸板")，水以防止兒乎全部 水經該水傳輸板"下降"至U反應氣體通道中的方式被保留在水通道中以及連接 至水通道的水歧管中；本發明的影響作用在於在啟動期間提供水用於加溼和冷 卻，而不會冰±央阻塞反應物通道，從而使得反應氣湘射妾近電極催化劑。根據本發明，藉助毛細壓力可將水保留在7jC通道和歧管中，可以通過選擇 通道的截面面積，如果採用多孔介質代替通道的話則是選擇孔隙的尺寸，或如 果使用芯吸材料或織造物質的話則是選擇芯吸材料或織造物質的有效截面流動 面積，來控制毛細壓力。根據本發明，作為水管或孔隙的半徑的函數的圓形水 管或孔隙中的毛細上升距離可以被計算出並且在之後由公式、圖表或表格確定。 進一步根據本發明，根據經驗易於確定任何種類的多孔或織造芯吸材料或水傳 輸介質中的水的毛細上升距離。根據本發明，利用微型真空泵，例如在小型民用魚缸中所使用的類型的微 型真空泵，在關閉期間，水可被保留在燃料電池堆的水通道中；在關閉微型真 空泵之後，經閥門在電池堆中保留水；禾擁止回閥水可被保留在燃料電池堆中， 所述止回閥包括由疏水性隔膜組成的被動止回閥，在該層隔膜的頂端il有疏L/K 防凍液。根據以下典型實施例並結合附圖對本發明進糹亍詳細說明，本發明的其它目 的、特徵和優勢將變得更加顯而易見。


圖1是結合本發明^ffl微型真空泵的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡 化的、程式化的透視圖。圖2是可在圖1所示實施例中使用的燃料電池的局部側剖視圖。圖3是可在圖1所示實施例中使用的其它可選燃料電池的局部側剖視圖。圖4是結合本發明使用兩個可控閥的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡 化的、程式化的透視圖。圖5是結合本發明使用單個可控閥的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡 化的、程式化的透視圖。圖6是結合本發明使用止回閥的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡化 的、程式化的透視圖。圖7是可在圖6所示實施例中使用的流體止回閥的一部分的剖切透視圖。圖8是圖7所示止回閥的局部剖切透視圖。圖9是結合本發明使用利於對水通道進行毛細充注的開口 (vent)的燃料 電池動力裝置的一部分的經過簡化的、程式化的透視圖。圖10是示出了作為孔隙半徑的函數的毛細上升距離的圖表。圖n是具有總體水管理且使用本發明的燃料電池動力裝置的一部分的經 過簡化的、程式化的側剖視圖。圖12是可在圖10所示實施例4M頓的燃料電池的局部側剖視圖。
具體實施方式
圖示出了包括燃料電池堆20的燃料電池動力裝置9的一部分。空氣進 入空氣入口歧管22並且經氧化劑流動通道進入到空氣出口歧管23並由lltilA 冷凝器24中。來自冷凝器24的流出流位於蓄水器28中的水位27之上。從空 氣出口 31排出冷乾燥空氣，所述空氣出口還可以包括或鄰近水溢出口 32。用於 冷凝器24的7令卻劑可包括如經箭頭34所示的環境空氣。該冷凝器24可用作歧 管，並且此時可以省略空氣入口歧管23。隨後提供糹合燃料空氣入口歧管36的燃料通過燃料轉向歧管37流向左邊， 此後，燃料流至右邊並經燃料出口歧管38流出。來自蓄水器28的水經水管41流向下面的水歧管42。水流入水通道(如在 下文中結合圖2和3所示出的那樣)到達燃料電池堆的頂端，並且有可能迎入上方水歧管43。圖1所示的實施例是利用蒸發冷卻的實施例，沒有水/人上方水歧管43中流 出。如在下文中結合圖2和3所示出的那樣，僅經下方水歧管42進入的水是要 代替蒸發SA空氣M中的那些水。tit 45與微型真空泵46流體iSl，其不 傳輸來自歧管43的任何流體，但是僅簡單地施加足夠大的真空壓力從而確保水 升高M燃料電池堆中的所有水通道iiiij燃料電池堆的頂端。例如，該微型真 空泵46可包括僅花費少量美元的在小型民用水池中所使用的該種類型的簡單 泵。在圖2中所示出的本發明的一個實施例中，燃料電池堆20包括多個燃料電 池70， ^ti然料電池包括常規的成套電極組件(UEA) 72,所述成套電極組件 包括電解質以及在其相對側上的陽極和陰極催化劑層以及鄰近催化劑的氣體擴 鵬。在圖2所示出的實施例中，燃料反應氣體流經親水多孔襯底75中的通道74， 在該實施例中所述襯底包括溝槽76，其與鄰近燃料電池的溝槽77--起，形成微 7j^通道78。在陰極側上面，氧化劑反應氣體流場板81包括與相鄰燃料電池上的 溝槽84 —起形成微7jC通道85的空氣流動通道82和溝槽83。為防止產生溢流，反應氣體壓力優選比通路中的水壓至少高几個kP (psi的 分數)。眾所周知，由於傳統空氣泵(未示出)通常導致空氣壓力遠高於大氣壓 的結果，因此自然在燃料電池動力裝置的運行期間發生且燃料壓力易於調節。 在圖2所示出的實施例中，通道78、 85中的水處於大約大氣壓。然而，藉助多 種常規方式，水可在大氣壓以外的其它壓力下中被提供，只要反應氣體具有所 述略高壓力即可。在其它實施例中，可通過匹配如圖中戶萬示的溝槽以外的其它方式形成水通 道。可以由相鄰板的平坦表面封閉的僅一個反應氣體流場板中的溝槽76、 83來提供水通道。本發明可被用在具有隔離板或者如果有必要具有冷卻劑板的燃料 電池堆中，其中的冷卻劑流動完封蟲立於圖1和2中所示出的本發明實施例的 蒸發Jt4卩。正如美國專利5700595中所公開的以及在下文中結合圖11 、 12所描述的那 樣，燃料電池動力裝置中的該反應氣體流場板74、 81是指水傳輸板，有時也被 稱為精細孔板，其利用具有外部水處理的通過水傳輸板的明顯大量的水流。然而，相對於前述'595專利中的顯熱7jC流冷卻而言，當採用蒸發冷卻時，每體積 水的冷卻效率為100比1 ，現有技術中的水通道具有達到該實施例的7jC通道78、 85的截面的]0倍的截面。另外，其它實施例中的水鵬78、 85的終端部分的 間隔(圖2示出的實施例中的燃料電池的每個結合點)以及類似ie各，可以比 在敏感加熱、水流7令卻系統中的水流槽的終端部分之間的間隔大數倍的距離分 開，像前述專利和圖12所述的那樣。該通道78、 85的小截面和連續終端部分 之間的大距離允許該反應氣體流場板的厚度減小約三分之一。圖3示出了木發明另--個實施例的燃料電池70a;代替形成通道的溝槽， 具有材料78a、 85a，其是導電的、親水的並對水具有高水平的滲透性。這樣的 材料可以是碳纖維紙，具有在水運動方向排列的纖維，或者它可以是便於用作 燃料電池擴散介質的其它材料，便於按所需處理成親水性。當水的壓力(壓頭) 可以是任何對確保補充有合理必要的時，該反應氣體壓力應該比水壓更高從而 避免產生溢流。該燃料電池堆20中可以使用具有溝槽和非溝槽的7jC通道的燃料電池。 在圖1-3所示的實施例中，當 料電池動力裝置運4於時，反應氣體在反 應氣體通道74、 82中流動並且沒有水。在7W專輸板中將會有水，其向陰極的氧 化劑反應氣體流場82遷移。當該燃料電池動力裝置關閉時，當反應氣體停止流 動時，由微型真空泵46提供的小真空將水保持在水通道中。隨後，所有水將保 留在該水通道、該水歧管和水傳輸板中。在反應氣體流場通道中沒有大m的液 態水的溫度肖g夠降到水的冰點溫度以下，使得在反應物通道中具有可忽略量的 冰。術語"可忽略"表示冰的量，其不會阻止反應氣流到達一個影響該燃料電 池動力裝置的功率和性能的範圍。該術語"明顯大量"表示水的量，其量大於 導致溫度降至U冰點以下時在反應槽中僅有可忽略量的冰的水量。在圖卜3所示的實施例中，該 真空泵46應^Wf鬥電池動力裝置未工作 期間是可運行的。該小真空將水保留^7MJI中，並且榭ifr水傲奪在銜K傑俞板 中，麻允許7j^落至iJS^氣術敲湯中。因此，即使驢降至詠的冰點之下也不會有 冰，並且i^/^WI榭斜寺開啟，從而傲fi^動時，S^7:氣體就育倒達電極催 化劑。在圖4中，在該'燃料電池堆未工作期間，本發明的一個實施例允許該微型 真空泵關閉。在圖4中，具有，在從蓄水器28的水平面以下延伸到下方水歧管42的導管41中的閥門89，以及在/1±方水歧管43延伸至微型真空泵46的導 管45中的閥門90。在關閉時，該真空泵保持打開直到控制器92先後關閉閥門 89和閥門90;然後關閉微型真空泵46。該閥門防止水的移動，從而防止水通道 78、 85、 78a、 85a中的水以及水傳輸板75、 81中的任何水下降到反應氣統iil道 74、 82中。如圖5所示，如果希望的話，可以省略閥門89。隨著關閉閥門90，將避免 蓄水器28中的氣壓降低，從而將7K保留在位置中並保持反應氣流通道清潔。類 似的，如果希望的話，可以保留閥門89並省略閥門90。如果沒有閥門89和90， 當燃料電池堆關閉時，該微型真空泵46將停止運轉。作為另一種可選方式，可 以省略閥門89而只用閥門90。圖6示出了止回閥95可以用於代替圖5的動態可控閥90。這樣，當微型 真空泵46運行時，該止回閥95將打開，從7k通道(和/或上方水歧管43)中清 除氣體，但是當該燃料電池動力裝置關閉時，該微型真空泵46可以關閉並H該 止回閥95將防止除微量水之外的水經水傳輸板降入反應氣皿場。該止回閥95 可以是常規、機械的止回閥，或者它可以為結合圖7和8所說明的形式。為了清楚起見，流體止回閥99首先顯示在圖7中而其中沒有疏水性流體， 然後在圖8中顯示具有疏^C性流體。在圖7中，疏水流體止回閥99被示為形成 在具有常規種類的螺紋101、 102的外殼100中。疏水性隔膜，例如多孔聚四氟 乙烯(PTFE)隔膜105被設置在外殼100中的溝槽106內。疏水性隔膜]05防 止腔室109中的低於隔膜的任何水通過該隔膜進入該隔膜上的腔室110中。因 此，當像圖6所示的實施例那樣被用作止回閥95時，沒有水會通過到達微型真 空泵46。但是氣懶每向上流經該隔膜105以到達水通道。為了形成止回閥，從而氣體可以向上iliW旦是不能向下ilil該外殼100， !^7K性流體、和i^在-6(TC (-27° F)以上不凍結的疏冰性流體，例如PEG400, 如圖8所示配置於該隔膜105上的外殼100中。無論何時氣體或蒸汽在該腔109的壓力之下，例如可以發生如果在燃料電池堆的通道中的水上施壓，或作為為 腔中提供微真空單色微型真空泵46的結果，該空氣或其它蒸汽或氣術每通過隔膜105並經介質112向上浮動。另一方面，介質112之上的腔110中的氣體或 蒸汽，其處於比腔109中的壓力大的壓力，如果壓力足夠大，將僅MM隔膜105 擠壓介質112。然而，圖6所示的實施例中的壓差足夠小，小於約20kPa(3psi)，從而該疏i7K性介質112不會受力M隔膜105。圖9中示出了本發明的另一個實施例。在這個實施例中，上方冷如劑歧管 43僅通向大氣，其可以通過允許導管45的上部終端向周圍環境打開來實現。在 圖9的實施例中，當燃料電池動力裝置19處於工作中時，i!31蓄電池中的I:述 大氣壓，提供對於確保被蒸發的水自始至終補充到該電池堆的頂端所必須的壓 力。當動力裝置關閉時，即使在蓄電池中沒有上述大氣壓，通過選擇水通道的 孔尺寸(或等效的流動參數)以實m^夠平衡水的頂端的毛細壓力，將水保持 在7K通道中，當它是至少燃料電池堆高度的三分之一時，並且優選在燃料電池 堆的頂端(或者B^tit入上方水歧管，例如具有多孔體的摻雜物的歧管43)。在圖10中示出了作為孔隙半徑的函數的毛細上升距離的圖表。水通道可以 不是水傳輸板中的溝槽，而是其它某種形式的水傳導介質，例如前述的板78a、 85a。為了確保毛細壓力以使水到達燃料電池堆的頂部，限定碳纖維紙間隔距離 的纖維密度和尺寸，或者用於水通道的任何其它介質的特徵，能夠通過具有各 種特徵的材料最小測試量通過經驗性地判斷來確定。在其它情況中，作為毛細 壓力的函數的水的上升距離應該足夠確保水達到燃料電池堆頂端。圖11和12中示出了本發明的另一個實施例。在圖11中，燃料電池動力裝 置19a包括具有大的、緊密間隔的多條水通道的燃料電池堆20a，如以下結合圖 12的描述，以及外部水部件，以提供齡水管理系統。在圖11中，水通過泵 117經由控制器119調節的閥門118而滴落。水經燃料電池堆20a中的燃料電池 的所有水通道從下方(或出口)水歧管42a，經上方(或出口)水通道43a而滴 落。閥門120，經控審勝119可調的提供限制，這導致了，當燃料電池動力裝置 工作時，燃料電池堆中的水的壓力比反應氣體(其通常在周圍環境附近)的壓 力低。來自泵117的水流可以ilil熱交換器122 7賴卩，或可以經控制操作閥123 的控制器繞幵，這對於設置回流到燃料電池堆的水的正確溫度是必要的。根據本發明，在關閉時，在關閉泵117之前相繼關閉閥門120和閥門118。 如前所述，這將ZK保留在7K通道中，而不會落入反應氣#^荒場中。圖12示出了用於圖11所示的實施例中的燃料電池70c。這些燃料電池和 結合圖2描述的那些之間的不同是形成水通道78c、 85c的溝槽76c、 77c、 83c、 84c更大並且更近，從而提供足夠的水經過燃料電池。在這個實施例中，僅僅是7k本身的潛熱，期各熱皿料電池堆20a傳遞到熱交換器122,對於冷卻燃料電 池堆是必須的，如前述專利'595所提及的。該操作類似於結合圖1和2所說明的當燃料電池動力裝置19a運4亍時， 水經泵117循環3I31燃料電池堆20a。當動力裝置19a關閉時，閥門118和l20 將水保持在7jC通道78c、 85c中並且防止水落入反應氣體流場74、 82中。根據本發明的具有保持在7令卻劑通道78c、 85c中的水的結合圖11和12所 描述類型的由二十個電池構成的燃料電池堆被關閉，7賴卩到-2(TC而沒有任何洩 漏和沒有任何損失。術語"在關閉時運行"不排除同樣在燃料電池動力裝置未關閉時的運行， 例如微型真空泵(如果開著)或毛細壓力(其一直存在)的情況。術語"大量水"指的是以下狀態，即通道中的水量不會阻止足夠多氣體的 流動以維持燃料電池運行。
權利要求
1、一種燃料電池動力裝置(19)，包括布置在燃料電池堆(20)中的多個燃料電池(70，70a，70c)，每個燃料電池包括具有設置在陽極催化劑與陰極催化劑之間的質子交換聚合物電解質隔膜的成套電極組件(72)，所述陽極和陰極均具有氣體擴散層，帶有與陽極氣體擴散層相鄰的燃料反應氣體流動通道(74)的多孔、至少部分親水的陽極水傳輸板(75)，和帶有與陰極氣體擴散層相鄰的氧化劑反應氣體流動通道(82)的多孔、至少部分親水的陰極水傳輸板(81)；設置在所述陽極水傳輸板與所述陰極水傳輸板之間的多條水通道；在所述燃料電池動力裝置運行時將水提供給所述水通道的設備，所述水在所述水通道與所述水傳輸板之間進行傳輸；其特徵在於在所述燃料電池動力裝置未運行且少於明顯量的水被排放到所述反應氣體流動通道中時，水被保持在所述水通道和所述水傳輸板中，從而確保在所述燃料電池堆的溫度降到冰點以下時在所述反應氣體流動通道中只有少量冰。
2、 根據權利要求l所述的燃料電池動力裝置，其中 所述水通道被開口。
3、 根據權利要求2所述的燃料電池動力裝置，其中 所述水通道在燃料電池堆的頂部處被開口 。
4、 根據權禾腰求2所述的燃料電池動力裝置，還包括 連接至所述開口並且提供剛好足夠的真空以使水上升到所述燃料電池堆的頂部而不流經所述泵的微型真空泵。
5、 根據權利要求4所述的燃料電池動力裝置，其中當所述燃料電池動力裝 置正在運行時以及當所述燃料電池動力裝置關閉時所述泵是運行的，從而在關 閉期間將水保留在所述水通道中。
6、 根據權禾腰求2所述的燃料電池動力裝置，其中在所3i7K通道的頂部或 底部或者在所述水通道的頂部和底部處具有閥門。
7、 根據權利要求2所述的燃料電池動力裝置，其中所述水通道經止回閥開n排出。
8、 根據權利要求7所述的燃料電池動力裝置，其中所述止回閥包括具有設 置在所述隔膜之上的i^7jC性流體的疏水性隔膜。
9、 根據權利要求8所述的燃料電池動力裝置，其中所述疏水性流體在髙於 大約-5(TC以上而不凍結。
10、 根據權利要求2所述的燃料電池動力裝置，其中當所述燃料電池動力 裝置未運行時，選擇所述水通道的特徵以使所述水通道中水的毛細上升距離至 少達到所 料電池堆高度的三分之一。
11、 一種運行燃料電池動力裝置(19)的方法，從而使得當所述動力裝置 未運行時，冰不會阻塞反應氣體流動通道，所述燃料電池動力裝置包括布置 在燃料電池堆(20)中的多個燃料電池(70， 70a， 70c)，每^tM料電池包括具 有設置在陽極催化劑層與陰極催化劑層之間的質子交換聚合物電解質隔膜的成 套電極組件(72),所述陽極和陰極均具有氣體擴散層，帶有與陽極氣體擴散層 相鄰的燃料反應氣體流動通道(74 )的多孔、至少部分親水的陽極水傳輸板(75 )， 和帶有與陰極氣體擴散層相鄰的氧化劑反應氣體流動通道(82)的多孔、至少 部分親水的陰極水傳輸板(81);多條7K通道被設置在所述陽極水傳輸板與所述 陰粉K傳輸板之間；所述方法包括以下步驟在所述燃料電池動力裝置運行時，將水提供給所^7jc通道，所述水在所述7 道與所述水傳輸板之間進行傳輸； 其特徵在於在所述燃料電池動力裝置未運行時，將水保留在所述水通道和所述水傳輸 板中。
12、 根據權利要求ll戶萬述的方法，其中 所述保留的步驟包括-在關閉所述燃料電池動力裝置時，阻塞所述水通道的上端和所述水通道的 下端之一或者二者。
13、 根據權利要求ll所述的方法，其中所述保留的步驟包括選擇所^7K通道的特徵以使所述水通道中水的毛細上 升距離至少達到所述燃料電池堆高度的三分之一。
14、 根據權利要求l所述的方法，其中 所述保留的步驟包括向所述水通道施加負壓。
全文摘要
一種燃料電池動力裝置(19，19a)具有布置在燃料電池堆(20，20c)中的多個燃料電池(70，70a，70c)，每個燃料電池包括上面具有燃料(74)和氧化劑(82)反應氣體通道的多孔的、至少部分親水的水傳輸板(75，81)，水通道(78，85，78a，85a，78c，85c)與所述水傳輸板交換水。在關閉時，藉助微型真空泵(46)、一個或兩個閥門(89，90，118，120)、止回閥(95，99)、水通道中的毛細作用力中的一種使水保留在水通道和水傳輸板中，從而防止水進入反應物通道中，如果該反應物通道凍結，那麼在啟動時將會阻塞反應氣體流。
文檔編號H01M8/04GK101223665SQ200580049465
公開日2008年7月16日 申請日期2005年4月15日 優先權日2005年4月15日
發明者C·A·賴澤爾, C·E·埃文斯, R·J·巴利埃特, R·M·達林, T·斯基巴 申請人:Utc電力公司