在冰點以下的溫度下操作電池堆組件的方法和設備的製作方法
2023-06-05 04:38:11
專利名稱：在冰點以下的溫度下操作電池堆組件的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及在冰點以下的溫度(subfreezingtemperature)操作電池堆組件(cell stack assemb1y)的方法和設備，並且更具體地說涉及當經歷嚴酷的環境條件時，特別是在關斷或起動時，可避免電池堆組件的組成部件發生結構損壞的方法和設備。
背景技術：
眾所周知電化學燃料電池組件能夠通過提供給陽極的燃料和提供給陰極的氧化劑的反應產生電及隨後產生反應產物，從而在這些電極之間產生電勢。與內燃燃料系統等相比，此種燃料電池組件由於它們的高效而非常有用並且為人們所追求。燃料電池組件由於產生對環境友好的化學反應副產物如水，而存在附加的優點。為了控制燃料電池組件中的溫度，而向燃料電池組件提供冷卻劑。該冷卻劑通常為水，通過配置冷卻劑溝槽而使之在整個燃料電池組件中循環。在燃料電池組件中使用水使得它們對冰點溫度特別敏感。
電化學燃料電池組件通常採用富氫氣體作為燃料並採用氧氣作為氧化劑，如上所述，反應副產物為水。此種燃料電池組件可採用由固體聚合物電解質組成的膜，或者離子交換膜，在其上形成催化劑層，以便促進所需電化學反應。該被催化的膜設置在兩個由多孔的導電片材--通常為碳纖維紙製成的電極基體之間。該離子交換膜還公知為質子交換膜(下文中稱為PEM)，如由杜邦以商品名NAFIONTM出售的。
在運行時，氫燃料透過陽極的多孔電極基體材料並在催化劑層上反應產生氫離子和電子。氫離子通過膜向陰極遷移，而電子從外部迴路流到陰極。在陰極，含氧氣體供料同樣透過多孔電極基體材料並與來自陽極的氫離子和電子在催化劑層上反應生成副產物水。離子交換膜不僅促進這些氫離子從陽極向陰極的遷移，而且離子交換膜也起到將氫燃料和含氧氣體氧化劑隔開的作用。在陽極和陰極催化劑層上發生的反應可由下式表示陽極反應陰極反應常規的PEM燃料電池具有包括PEM和電極基體的膜電極組件，其設置在兩個不可透過氣體的導電板之間，導電板稱為陽極板和陰極板。板通常由石墨、石墨-聚合物組合物或類似物製成。板起到對兩個多孔導電電極的結構支撐以及集流器的作用，並提供用於分別向陽極和陰極供給燃料和氧化劑的裝置的作用。它們還可用於將燃料電池運行過程中的反應副產物水帶走。
當為了在陽極板和陰極板中使燃料或氧化劑循環而在這些板上形成流槽時，它們被稱為流體流場板。在某些燃料電池結構中，這些板還可起到水轉移板的作用，並通常含有集成的(integral)冷卻劑通道，由此除了它們公知的管理水的作用外，還用作冷卻劑板。當流體流場板簡單地疊置(overlay)在陽極和陰極多孔材料中形成的溝槽上時，它們稱為隔板。而且，流體流場板可具有在其中形成的反應物供料管線，這些管線用於將燃料供給陽極流槽，或者將氧化劑供給陰極流槽。它們還可具有相應的排放管線，以便將燃料和氧化劑流的未反應組分，以及任何作為副產物產生的水排出燃料電池。或者，管線也可以是外加至燃料電池自身上的，如孔茨(Kunz)等人在也轉讓給申請人的USP3994748中公開的。
在燃料電池組件中的催化劑層通常為碳載的鉑或鉑合金，當然也可使用其它貴金屬或貴金屬合金。由兩個或多個陽極板/膜/陰極板組合組成的多個電連接的燃料電池組件，可稱為電池堆組件。電池堆組件通常是串聯電連接的。
近來對製備燃料電池組件的燃料的努力集中在對烴燃料如甲烷、天然氣、汽油等的化學轉化產生的富氫氣流的利用上。該過程能夠儘可能高效地產生富氫氣流，因此確保了最小量的一氧化碳和其它不希望的化學副產物的生成。烴的轉化通常通過使用本領域中公知的蒸氣轉化器(steam reformer)和相關的燃料處理設備而實現。
如上面所討論的，陽極板和陰極板可具有冷卻劑溝槽，用於循環水冷卻劑，以及用於芯吸(wick)作為燃料電池組件運行的副產物產生的水並將之帶離。收集的和在冷卻劑溝槽中循環流過燃料電池組件的水會在低於32°F(0℃)以下凍結，因此當水因凍結而膨脹時，會損壞和影響燃料電池組件的運行。因此需要提供一種方法和設備，它可在嚴厲的環境條件下保護燃料電池組件。
弗萊切(Fletcher)等人的1998年8月25日授權的US 5798186中公開了各種電加熱結構，用於直接和間接地融化凍結的燃料電池堆。另外，還提到在堆的管線端頭內設置適配或可壓縮的裝置，以便適應燃料電池堆內部凍結的水的膨脹。此種系統僅設置在堆的管線端頭內部，不能充分保護整個燃料電池堆或冷卻劑溝槽不受冷卻劑的凍結和膨脹的影響。
特別是，存在這樣一些情況，其中希望燃料電池組件在冰點以下的環境條件下不運行一段時間後，進行啟動。在這種情況下，已發現，為了緩和燃料電池組件中的冷凍狀態，如果試圖使冷卻劑在冷卻劑溝槽中循環流通，則不能帶來可接受的性能特徵。例如，當水用作冷卻劑時，燃料電池組件的溫度通常導致在小尺寸冷卻劑溝槽的入口處發生局部凍結，從而部分地堵塞在其中的循環，並過度延長起動所需的時間。當非多孔冷卻劑溝槽或板與抗凍溶液冷卻劑一起使用時，由於抗凍溶液在低溫下的高粘度而存在類似的問題，也導致起動所需時間延長。
考慮到上述問題和擔心，本發明的一個總目的是提供一種帶方法和設備的燃料電池組件，即使在冰點溫度以下也可克服上述缺陷。
發明內容
根據本發明的一個實施方案，向電池堆組件提供一種冷卻劑系統，包括用於循環冷卻劑的冷卻劑泵和與冷卻劑入口管和冷卻劑排放管流體連通的冷卻劑溝槽。該冷卻劑系統包括與冷卻劑排放管和冷卻劑泵流體連通的冷卻劑排放導管，並且該冷卻劑排放導管可使廢冷卻劑從冷卻劑排放管排出。提供一個冷卻劑回流導管，它與冷卻劑入口管和冷卻劑泵流體連通，該冷卻劑回流導管可將冷卻劑運輸到冷卻劑入口管。該冷卻劑系統還包括一個旁路導管，它與冷卻劑排放導管和冷卻劑回流導管流體連通，而一個洩放閥(bleedvalve)與冷卻劑排放導管和氣體流流體連通。當冷卻劑排放導管和冷卻劑入口壓力控制閥關閉時，操作洩放閥可使冷卻劑從冷卻劑溝槽中排出，並通過所述旁路導管和所述泵排入冷卻劑收集器。
本發明的一個重要方面是得出這樣的認識對於冷卻劑和反應氣體之間的常規運行壓差例如14kPa，在陽極和陰極電極基體中50％量級的粗孔將被水填充；然而，當壓差增加到約28kPa時，在電極基體中僅有5％～10％量級的粗孔將被水填充。因此，本發明的這一方面涉及以一種從未達到過的方式以顯著的程度將水逐出支撐板和擴散層，然後將該水從冷卻劑溝槽中除去。因此，燃料電池關斷步驟的一個優選的實施方案是，在用冷卻劑泵通過旁路導管將所有水從排空的冷卻劑溝槽中抽吸之前，首先增加氣體反應物和冷卻劑水之間的壓差。
進一步根據本發明，當所有能夠從冷卻劑溝槽中通過冷卻劑泵抽出的水均通過冷卻劑泵從溝槽中除去時，使氣體如空氣的脈衝通過輸水溝槽以帶出或除去未被冷卻劑泵除去的任何殘留的水。
根據本發明的另一方面，燃料電池系統的起動包括加熱冷卻劑和使熱的冷卻劑流過冷卻劑入口管，而後經旁路導管直接進入冷卻劑排放管，從而使燃料電池由流經管線的冷卻劑加熱，而沒有顯著量冷卻劑流經冷卻劑溝槽。
本發明的這些和其它方面及其優選的實施方案將通過整個說明書、權利要求書和附圖而變得清楚。
圖1是說明本發明一個實施方案的冷卻劑系統的示意圖。
圖2是說明圖1中的冷卻劑系統在關斷步驟中的操作流程圖。
圖3是說明圖1中的冷卻劑系統在起動過程中的操作流程圖。
圖4是說明本發明另一個實施方案的冷卻劑系統的示意圖。
圖5是說明包括對圖1的實施方案進行改進的冷卻劑系統的示意圖。
圖6是說明圖5中的冷卻劑系統在關斷步驟中的操作流程圖。
圖7是說明圖5中的冷卻劑系統的變化的示意圖。
本發明的最佳實施方案圖1說明本發明的一個實施方案的冷卻劑系統100，在起動和關斷步驟中，它可以保護電池堆組件102不受冰點以下溫度的有害影響。如圖1所示，電池堆組件(下文中稱為CSA)102包括許多相互電連接的燃料電池組件103。每個燃料電池組件可採用設置在陽極電極基體(或支撐板)和陰極電極基體(或支撐板)之間的由固體聚合物電解質組成的離子交換膜。陽極支撐板107和陰極支撐板109分別提供反應物燃料溝槽111和反應物氧化劑溝槽113。離子交換膜可為質子交換膜(PEM)105，它包括約0.001英寸厚的聚合物膜。陰極和陽極電極基體通常由多孔性導電片材製成--通常為具有Teflon塗層以使之親水的碳纖維紙(carbon fiber paper)。在這些PEM燃料電池組件103的每一個中，冷卻劑溝槽104在典型地為多孔性的冷卻劑板或類似物內形成，其中水通常用作冷卻劑在冷卻劑溝槽104中循環。
雖然已經對PEM燃料電池組件進行了描述，但本發明不限於此，因為也可使用其它膜和電極材料，只要它們能夠允許反應物和副產物分子、離子和電子的所需流動即可。更具體地說，也可採用其中抗凍溶液在非多孔性的冷卻劑板中的冷卻劑溝槽中循環的燃料電池組件，而不偏離本發明更廣義的範疇。
仍然參考圖1，冷卻劑入口管106使冷卻劑基本上均勻地分布到許多冷卻劑溝槽104中，其設計為使冷卻劑在構成電池堆組件102的每個燃料電池組件103中均勻地循環。在冷卻劑循環流過電池堆組件102後，冷卻劑溝槽104本身排向冷卻劑排放管108。排放的冷卻劑在冷卻劑泵112的動力作用下通過冷卻劑排放導管110離開冷卻劑管108。冷卻劑然後導入排空的收集器114中，而後，冷卻劑以各種比例分流給熱交換器116和瞬時加熱器118，這將在下文中進行更詳細地描述。冷卻劑入口導管120用於將冷卻劑再次導入冷卻劑入口管106。
當具有多孔冷卻劑溝槽或板的PEM燃料電池組件用於電池堆組件102時，循環流過圖1的各種部件的冷卻劑通過冷卻劑泵112和冷卻劑入口壓力控制閥122保持低於環境壓力。通過將冷卻劑保持在低於環境壓力，同時調節反應物物流高於環境壓力，有效地避免了在燃料或氧化劑反應物流中液體冷卻劑的積累。而且，引入熱交換器116則提供了一種公知裝置，以在冷卻劑返回電池堆組件102之前，除去循環冷卻劑吸收的熱。
如上所述，圖1的冷卻劑系統100提供了連續供料，並且在其運行過程中，冷卻劑，通常為水，在整個電池堆組件102中循環。顯然，在電池堆組件102中用水冷卻劑對於處理水和熱控有利，但是當電池堆組件102在水的冰點或冰點以下操作時產生問題；也就是說，溫度在32°F(0℃)或低於32°F(0℃)時，出現問題。當電池堆組件102在此種溫度下操作時，電池堆組件102中所含的水開始凍結並膨脹，可能導致電池堆組件102的部件損壞。因此，若在電池堆組件102中安裝這樣一個設備，該設備可以補償水冷卻劑的凍結並確保防止在關斷和起動過程中伴隨的損壞，這將是非常有益的。
因此本發明的一個重要方面是提供一種方法和設備，用來在低於冰點的溫度下，安全地進行電池堆組件102的關斷步驟。已知的做法是，當指令關斷電池堆組件102時，讓水冷卻劑在重力作用下從電池堆組件102中排出。實際上，這意味著，冷卻劑供料和反應物流之間的壓差不再由冷卻劑泵112和壓力控制閥122維持，由此，冷卻劑將下降進入反應物流場中，使電池堆組件102的一部分浸漬在水、燃料和氧化劑的混合物中。這種情形在關斷期間可無限期地持續，或者可在較短的時間影響電池堆組件102。在任何一種情況下，在水冷卻劑匯聚在處於低於冰點的溫度下的電池堆組件102中的時間內，均會損壞電池堆組件102。
圖2說明本發明一個實施方案的關斷步驟200，該步驟避免上述缺陷並確保電池堆組件102的關斷操作可在低於冰點的溫度下完成，而不損壞電池堆組件102。此處所述的關斷步驟200優選在將電力負荷從電池堆組件102中卸除後，並且反應物流停止且任何腐蝕控制步驟完成後再開始。
關斷步驟200採用關斷旁路導管124並通入排氣空氣(ventingair)或類似物。結合參考圖1和2，本發明的關斷步驟200開始於步驟202，在該步驟202中，通過手動或者自動啟動關斷程序。如步驟202所示，冷卻劑泵112在關斷開始後繼續運行，以便保持冷卻劑導管內低於環境壓力。以此方式，本發明避免了前面提及的冷卻劑降入反應物和冷卻劑流場中的問題。
回到圖2的關斷步驟200的步驟204，關斷閥126打開，以便將大量冷卻劑流通過關斷旁路導管124轉移。而後，在下面的步驟206中，關閉位於冷卻劑排放導管110上的冷卻劑出口閥128，以阻止冷卻劑流流過電池堆組件102。在步驟208中，通過關閉壓力控制閥122將電池堆組件102與冷卻劑的進一步供料分開，而在步驟210中，打開洩放閥130，從而使冷卻劑系統100與空氣供料相連通。在本發明的一個優選實施方案中，洩放閥130與外部環境空氣供料或大氣相連通，並通過允許環境空氣流入冷卻劑導管和流場而使冷卻劑系統排空。如將可看出的一樣，排空可通過冷卻劑泵112的連續運轉來實現，冷卻劑泵112維持著冷卻劑導管和流場的真空狀態。如果需要，可使用容積式泵112，而不是離心泵，以避免由於空氣泡到達泵導致的空化(cavitation)而造成可能的泵運行停止；或者，如在下文圖7的描述可使用噴射器(ejector)。如果需要，可用空氣壓縮機238(圖5)通過閥239，243提供壓縮空氣，而不用大氣空氣。
雖然本發明已經用環境空氣供料排空冷卻劑導管和流場進行了描述，但是也可採用其他等效方法從冷卻劑導管和流場中排空冷卻劑，而不偏離本發明的廣義範圍。可替代地，空氣的壓縮源可通過開啟洩放閥130而與冷卻劑導管和流場連通，從而清除冷卻劑導管和流場中的任何殘餘冷卻劑。
如上所述，通過關閉上述冷卻劑系統100的各種閥，經洩放閥130抽吸的空氣起到排空冷卻劑排放管108、冷卻劑溝槽104和冷卻劑入口管106中任何殘餘的冷卻劑的作用。排空的冷卻劑被導引經過關斷旁路導管124，最後沉澱在收集器114中，使電池堆組件102中的反應物和冷卻劑溝槽中基本上全部沒有水冷卻劑，當然也可能有一些水會殘留在多孔性的水轉移板上。
在排空過程中，在步驟212中決定了是否在電池堆組件102的反應物和冷卻劑溝槽中仍殘留有任何冷卻劑。只要檢測到冷卻劑，就繼續進行如上所述的清除過程。當確定在電池堆組件102中基本上沒有冷卻劑殘留時，關閉該關斷旁路導管124，並且冷卻劑泵112在步驟214中停止。隨後在步驟216中關閉洩放閥130，以終止關斷步驟200的清除過程。如將可看出的一樣，根據步驟212，可將各種傳感器組件設置在冷卻劑排放管108、冷卻劑入口管106或冷卻劑入口導管120中，以確定在電池堆組件102中是否存在任何過剩的水冷卻劑。
關斷步驟200的作用是從電池堆組件102中除去基本上所有的冷卻劑，從而防止在低於冰點的溫度下關斷後的時間內，冷卻劑在電池堆組件102內部的破壞性膨脹。
關斷燃料電池堆組件的一個改進步驟在圖5和6中進行了說明。為了清楚起見，圖5中省略了圖1中的熱交換器116和加熱器118以及起動旁路導管132；但是，在任何應用中，圖5的實施方案都可以使用常規的某些起動設備。在圖5中，箭頭代表正常的流動方向，而不是當產生逆流時逆流的方向。在圖6的步驟220中，伴隨著冷卻劑泵的起動，關斷開始。第一步221用於增加反應物氣體和冷卻劑之間的壓差。這可以通過簡單地將壓力控制閥122稍微關閉而實現，這樣使得冷卻劑入口導管120中的冷卻劑壓力為例如約-28kPa(-4psi)，而不是燃料電池通常運行時的壓力約-14kPa(-2psi)，同時使燃料和氧化劑反應物氣體基本上處於大氣壓下。這種壓差的增加將冷卻劑從多孔性親水陰極基體109和多孔性疏水陽極基體107的粗孔中逼出，從而使大部分孔沒有水，而這些水流入低壓冷卻劑溝槽中。儘管本發明已經用包括親水陽極和陰極基體的電池進行了描述，但是它還可以用於其中一個基體為疏水性的電池。本領域公知，為了使電極基體防水，通過用疏水聚合物如聚四氟乙烯對它們進行處理而使它們疏水化。
在冷卻劑水溝槽與燃料反應物氣體-如氫氣222-和氧化劑反應物氣體-如空氣-之間增加的壓差還可通過增加反應物氣體的壓力而獲得。這可通過調節燃料壓力控制閥223或燃料出口閥224或兩者，同時調節位於氧化劑反應物氣體流場出口處的閥225來實現。
由於在步驟231的清除過程中，保持冷卻劑和反應物氣體(步驟221，圖6)之間具有額外的壓差是有利的，在某些情況下增加反應物氣體的壓力是優選的。或者，可降低水的壓力，同時增加反應物氣體的壓力，以便獲得所需28kPa的壓差。如果需要，燃料系統可包括含泵226和其它設備(未示出)的回收回路。圖6中的下一步驟227，通過打開旁路閥126可使冷卻劑經旁路分流。而後，在步驟228中，通過關閉冷卻劑入口壓力控制閥122和冷卻劑出口閥128，可防止冷卻劑流從泵112和收集器114流入冷卻劑入口管106。然後，在步驟231中通過打開洩放閥130可使冷卻劑洩出。當閥122和128關閉而閥126和130打開時，空氣從環境中流過閥130、冷卻劑排放管108、冷卻劑溝槽104、冷卻劑入口管106、冷卻劑入口導管120、關斷旁路導管124和關斷閥126流到泵112。因此，原先容納在冷卻劑溝槽104和冷卻劑管106和108中的水，現在通過泵112流溢到收集器114中。用圖5和6的實施方案的方法，從親水基體的大孔中除去的水量，比用圖1和2的實施方案的方法獲得的大許多。
進一步根據本發明，如步驟232的正結果所示，一旦通過泵112進行的清除結束，仍可能殘留的水，特別是在冷卻劑溝槽中以小滴形式存在的水，被壓縮氣體如空氣衝走。如步驟236所示，當泵將所有水從冷卻劑水溝槽104中除去時，水溝槽104通過關閉閥122、126、128和130而密封。以此方式，泵系統中沒有水將會抽回到冷卻劑水溝槽104中。而後，用氧化劑反應物氣體泵238將空氣吹過冷卻劑出口管108、冷卻劑水溝槽104和冷卻劑入口管106。閥239一般將空氣流從泵238引入陰極109的氧化劑反應物氣體溝槽113(在圖5中未示出)，並通過閥225引入至排放系統或根據需要引入的任何適當的回收系統。然而，在本發明的步驟242中(圖6)，閥239切換至將空氣流輸送給另一個閥243。閥243控制成輪流將空氣流從泵238輸送給大氣(ATMS)或者輸送給冷卻劑溝槽104。當閥243將空氣輸送給大氣時，泵238將基本上沒有反壓(backpressure)，並將升至更高轉速；而後，閥243變為將該流引入冷卻劑溝槽104、冷卻劑管106和108，並通過閥245引至大氣。然後，閥243將再次將空氣引入大氣中，從而使泵28可以旋轉，此後閥243將泵送的空氣引入冷卻劑溝槽104中。這向冷卻劑溝槽104和冷卻劑管106和108以一個負荷周期(duty cycle)提供空氣脈衝，負荷周期對於大氣為約10秒而對於冷卻劑溝槽為10秒。如果需要，無需使用閥243，因此在步驟242中，閥239可從泵238將穩定的空氣流提供給冷卻劑溝槽104。另外，如果需要，除空氣泵238以外，可使用其他壓縮氣體源，以在步驟242中提供氣體流如壓縮氮氣，流過冷卻劑溝槽104。在清除冷卻劑溝槽的過程中，冷卻劑溝槽104內的氣壓不得超過反應物氣體通道中的氣壓，以確保殘餘的水不會被迫進入電極基體。為了實現這一點，一種方法是利用增加的反應物氣壓來產生步驟221(圖6)的壓差，並在維持壓力的同時密封氧化劑通道，這通過下列達到在將閥239切換到步驟242的同時，關閉閥225，並關閉或保持燃料通道中燃料的加壓流動。
當例如用泵238或以其它方式，以脈衝或穩態方式，將水吹出冷卻劑溝槽後，可關閉泵238，並且通過使閥243指向大氣，並關閉閥122、126、128、130和245，而將冷卻劑溝槽密封。這樣就完成了關斷步驟。如果需要，冷卻劑溝槽和冷卻劑管可以由閥245經冷卻劑入口管106、冷卻劑溝槽104、冷卻劑排放出口管108、經閥130或閥243向外直到大氣的方向進行吹掃。
在圖7中，即使當閥122關閉時，噴射器250也可因導管252之故而由泵流(pump flow)驅動。這確保了泵流不會由於空氣注入泵中而間斷。
關斷後，電池堆組件102將面對在低於冰點的溫度下執行起動命令的挑戰。出於實際的考慮，包括經濟上和可靠性上的考慮，重要的是，在接到起動命令後，電池堆組件102儘可能快地開始發電。另外，操作上關鍵的是電池堆組件102能夠在起動開始後立即使冷卻劑和反應物流快速循環，因為如果在這兩個事件之間有明顯的時間延遲發生，則可能發生電池堆組件102的損壞。因此本發明的一個重要方面是提供一種在低於冰點的溫度時進行電池堆組件102的起動步驟的方法和設備。
圖3說明一種起動步驟300，用於確保電池堆組件102的起動操作可通過使用起動旁路導管(start-up bypass conduit)132而在低於冰點的溫度完成。已經發現，通過允許溫熱的冷卻劑分別流過入口和排放冷卻劑管106和108，通過傳導可以快速升高電池堆組件102的溫度，而無需大量地流過冷卻劑溝槽104本身。如前所述，在開始起動低於冰點的電池堆組件的過程中，通過儘量迴避冷卻劑溝槽104，可有效避免在冷卻劑溝槽中形成凍結的塊並由此可能帶來的對電池堆組件102整體的損害。
結合參考圖1和3，本發明的起動步驟300通過手動或自動開始一個起動程序而開始於步驟302。步驟302的起動程序包括啟動冷卻劑泵112，並確保關斷閥126關閉且壓力控制閥122打開。在步驟304中，電池堆組件102的旁路通過打開位於起動旁路導管132上的起動閥136而完成。以此方式，提供給冷卻劑入口管106的冷卻劑基本上全部導引通過起動旁路導管132並流回冷卻劑排放管108，從而避開了冷卻劑溝槽104。
在步驟306中，熱交換器116通過打開位於熱旁路導管140上的熱旁路閥138而進入旁路。採用恆溫箱-閥組件115來確保直至電池堆組件102的起動完成和/或冷卻劑溫度超過預定溫度的時間內，均沒有冷卻劑流過熱交換器116。
在打開圖1的熱旁路閥138後，通過泵112循環的冷卻劑被導引通過在步驟308中啟動的瞬時加熱器118中，以便快速升高分別供給冷卻劑管106和108的冷卻劑的溫度。如前所述，當加熱的冷卻劑循環通過冷卻劑入口管106和冷卻劑排放管108時，因源自冷卻劑管106和108的熱傳導之故，電池堆組件102被快速加熱。在步驟310中，用溫度傳感器142監測電池堆組件102的溫度，以確定電池堆組件102是否已經升高到預定溫度T以上。一旦電池堆組件102升高到預定溫度T以上，起動步驟300的步驟312將關閉起動閥136和熱旁路閥138，並關閉瞬時加熱器118。
將很容易理解的是，預定溫度T優選設定為溫度閾值，以確保供給冷卻劑溝槽104的冷卻劑不會凍結和堵塞冷卻劑溝槽104。最優選的是，預定溫度T設定為約32□F或更高。另外，在電池堆組件102中，溫度傳感器142可以定位在各種位置，但是定位在最中心的位置是優選的，以確保已基本上實現對整個電池堆組件的溫熱。
正如本文所述，起動步驟300也適用於採用水冷卻劑的帶多孔性水轉移板(porous water transport plate)的PEM燃料電池，以及具有非多孔性水轉移板的利用抗凍冷卻劑的那些燃料電池。
如圖1所示，冷卻劑系統100的另一個重要特徵是，利用收集器114輔助起動步驟的進行。根據本發明，收集器114設計為絕熱的，以便保持沉澱在其中的冷卻劑處於高溫，從而輔助圖3中的起動步驟300。將可容易理解的是，收集器114可以是具有熱反射部件的熱水瓶式結構，包括多壁結構，或任何其他等效的設計，只要能夠使儲存的冷卻劑在幾天或更長的時間保持顯著熱能即可。
圖4說明本發明另一個實施方案的冷卻劑系統400。冷卻劑系統400通過加熱供給電池堆組件410的冷卻劑流，可用來快速升高電池堆組件410的溫度。如圖4所示，燃燒器412燃燒通過燃料排放導管411從電池堆組件410中未示出的反應物燃料流場排放的殘餘燃料源。隨後，該加熱的燃燒器廢氣排入管殼式熱交換器420的管部分414。結合通過管部分414供入的加熱的燃燒器廢氣，殼體416接受冷卻劑流，以促進燃燒器廢氣和冷卻劑流之間的熱交換。新加熱的冷卻劑流隨後引入電池堆組件410，致使電池堆組件410的加溫速率提高。
為進一步提高電池堆組件410的加熱速率，本發明進一步考慮通過熱導管418將加熱的燃燒器廢氣連通至電池堆組件410的陽極和/或陰極流場。本發明還考慮將圖4的冷卻劑系統400與圖1的冷卻劑系統100相結合，而不偏離本發明的廣義範圍。
雖然本發明描述了在燃燒器412中燃燒殘餘的排放反應物燃料，但是本發明不限於此，因為燃燒器412可以有自己的燃料供應，這也不偏離本發明的廣義範圍。
因此，本發明的一個主要方面是提供一種電池堆組件用冷卻劑系統，它不僅提供在關斷和電池堆休止過程中不受低於冰點溫度的破壞影響的保護作用，而且還可在起動步驟中快速將電池堆組件的溫度升高到高於冰點的溫度。
權利要求
1.一種燃料電池系統(100)，包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)，包括具有入口的冷卻劑入口管(106)，具有出口的冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)；具有入口的冷卻劑泵(112)；用於有選擇地使所述入口管的入口與來自所述泵的冷卻劑連通的冷卻劑入口閥(122)；其特徵在於，冷卻劑出口閥(128)，用於選擇性地使所述泵的入口與所述排放管的出口連通；關斷閥(126)，用於選擇性地使所述入口管的入口與所述泵的入口連通；以及洩放閥(130)，用於選擇性地使氣體流入所述排放管的出口；由此，打開所述關斷閥和所述洩放閥，關閉所述入口閥和所述出口閥，而保持泵運轉，將使氣體吸入、並因此將冷卻劑抽出所述出口管、所述冷卻劑溝槽和所述入口管。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，進一步包括收集器(114)，它位於所述冷卻劑泵的下遊，用來收集冷卻劑。
3.根據權利要求2的燃料電池系統，其中所述收集器是絕熱的。
4.根據權利要求1的燃料電池系統，其中所述氣體是空氣流。
5.根據權利要求4的燃料電池系統，其中所述空氣是環境空氣和壓縮空氣之一。
6.一種燃料電池系統(100)，包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)，包括具有入口的冷卻劑入口管(106)，具有出口的冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)；具有入口的冷卻劑泵(112)；其特徵在於，用於阻斷來自所述泵的冷卻劑流以使其不進入所述入口管的入口的裝置(122)；用於阻斷從所述排放管的出口流向所述泵的入口的冷卻劑流的裝置(128)；用於連接所述入口管的入口和所述泵的入口的裝置(126)；以及用於連接所述排放管的出口和氣體源的裝置(130)；由此，氣體由所述泵抽吸通過所述冷卻劑溝槽，從而除去其中的水。
7.根據權利要求6的燃料電池系統，包括具有燃料反應物氣體溝槽(111)的多孔性陽極支撐板(107)，具有氧化劑反應物氣體溝槽(113)的多孔性陰極支撐板(109)；其特徵還在於，在阻斷來自和流向所述泵的冷卻劑流之前，用於在所述反應物氣體溝槽中的氣體和所述冷卻劑之間提供足夠壓差的裝置(122，223-225)，所述足夠壓差足以迫使水從所述支撐板中的顯者比例的孔中進入所述冷卻劑溝槽中。
8.根據權利要求7的燃料電池系統，其中所述壓差在14kPa(2psi)和56kPa(8psi)之間。
9.根據權利要求6的燃料電池系統，進一步包括當水由所述泵抽吸通過所述冷卻劑溝槽後，用於吹送氣體通過所述冷卻劑溝槽以從中除去更多的水的裝置(238，239，243，245)。
10.根據權利要求9的燃料電池系統，其中所述用於吹送氣體的裝置包括用於吹送脈衝氣體通過所述冷卻劑溝槽的裝置(238，243)。
11.根據權利要求9的燃料電池系統，進一步包括用來向所述氧化劑反應物氣體溝槽提供氧化劑反應物氣體的空氣泵(238)，並且其中所述吹送氣體的裝置包括所述空氣泵和閥(239)。
12.根據權利要求9的燃料電池系統，其中所述用於吹送氣體的裝置將氣體吹入所述冷卻劑排放管中。
13.一種關斷包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)的燃料電池系統(100)的方法，包括具有入口的冷卻劑入口管(106)，具有出口的冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)，並包括具有入口的冷卻劑泵(112)；所述方法的特徵在於(a)阻斷(122)來自所述泵的冷卻劑流，以使其不能進入所述入口管的入口；(b)阻斷(128)由所述排放管的出口流向所述泵的入口的冷卻劑流；(c)連接(126)所述入口管的入口和所述泵的入口；以及(d)連接(130)所述排放管的出口和氣體源；由此，水由所述泵抽吸通過所述冷卻劑溝槽，以將水從其中除去。
14.根據權利要求12的關斷燃料電池系統的方法，其中所述燃料電池系統具有帶燃料反應物氣體溝槽(111)的多孔性親水陽極支撐板(107)，和帶氧化劑反應物氣體溝槽(113)的多孔性親水陰極支撐板(109)，所述方法在所述步驟(a)之前還包括下述步驟在所述反應物氣體溝槽中的氣體和所述冷卻劑之間提供(122，223-225)足夠壓差，所述足夠壓差足以迫使水從所述支撐板的顯著比例的孔進入所述冷卻劑溝槽。
15.根據權利要求14的燃料電池系統，其中所述壓差在14kPa(2psi)和56kPa(8psi)之間。
16.根據權利要求13的燃料電池系統，進一步包括在所述步驟(a)-(d)中在水用所述泵抽吸通過所述冷卻劑溝槽後，將氣體吹送(238，239，243，245)通過所述冷卻劑溝槽，以從中除去更多的水。
17.根據權利要求16的燃料電池系統，其中所述吹送步驟包括吹送脈衝氣體(238，243)通過所述冷卻劑溝槽。
18.根據權利要求16的燃料電池系統，其中所述吹送步驟包括將氣體吹送入所述冷卻劑排放管。
19.一種燃料電池系統(100)，包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)，包括冷卻劑入口管(106)，和冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)；以及冷卻劑泵(112)；其特徵在於，用於加熱來自所述泵的冷卻劑的冷卻劑加熱器(118)；以及冷卻劑旁路(132，136)，用於使冷卻劑除了流經所述溝槽以外，還選擇性地從所述入口管直接流向所述排放管，由此經操作所述加熱器並打開所述旁路，得以用流經所述管的已加熱的冷卻劑加熱所述燃料電池，而沒有顯著量冷卻劑流過所述溝槽。
20.根據權利要求19的燃料電池系統，進一步包括絕熱收集器(114)，位於所述冷卻劑泵的下遊，在所述冷卻劑泵和所述加熱器之間，用來收集過量的所述冷卻劑流。
21.一種燃料電池系統(100)，包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)，包括冷卻劑入口管(106)，和冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)；以及冷卻劑泵(112)；其特徵在於，用於加熱來自所述泵的冷卻劑的裝置(118)；以及用於使已加熱的冷卻劑除了流過所述溝槽以外還從所述入口管直接流向所述排放管的裝置(132，136)，由此，所述燃料電池由流經所述管的已加熱的冷卻劑加熱，而沒有顯著量冷卻劑流過所述溝槽。
22.一種起動包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)的燃料電池系統(100)的方法，所述堆(102)包括冷卻劑入口管(106)和冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)，並包括冷卻劑泵(112)，所述方法的特徵在於加熱(118)來自所述泵的冷卻劑；使已加熱的冷卻劑除了流經所述溝槽以外還從所述入口管直接流向(132，136)所述排放管，從而用流經所述管的已加熱冷卻劑加熱所述燃料電池，而沒有顯著量冷卻劑流經所述溝槽。
23.一種燃料電池系統(100)，包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)，包括具有入口的冷卻劑入口管(106)，具有出口的冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)；具有入口的冷卻劑泵(112)；用於選擇性地使所述入口管的入口與來自所述泵的冷卻劑連通的冷卻劑入口閥(122)；其特徵在於，冷卻劑出口閥(128)，用於選擇性地使所述泵的入口與所述排放管的出口連通；關斷閥(126)，用於選擇性地使所述入口管的入口與所述泵的入口連通；洩放閥(130)，用於選擇性地允許氣體流入所述排放管的出口；冷卻劑加熱器(138)，用於選擇性地加熱來自所述泵的冷卻劑；以及冷卻劑旁路(132，136)，用於使冷卻劑除了流經所述溝槽以外還選擇性地從所述入口管直接流向所述排放管，由此，經打開所述關斷閥和所述洩放閥，並關閉所述入口閥和所述出口閥，保持泵運轉，得以抽吸氣體進入，並由此抽吸冷卻劑離開所述出口管、所述冷卻劑溝槽和所述入口管，並且由此經打開所述加熱器和所述旁路，得以將用流經所述管的已加熱冷卻劑加熱所述燃料電池，而沒有顯著量冷卻劑流經所述溝槽。
24.一種關斷和起動包括排列成堆(102)的多個燃料電池(103)的燃料電池系統(100)的方法，所述堆(102)包括具有入口的冷卻劑入口管(106)，具有出口的冷卻劑排放管(108)，以及用於使冷卻劑從所述入口管流到所述排放管的冷卻劑溝槽(104)，並且包括具有入口的冷卻劑泵(112)；所述方法的特徵在於在關斷過程中，阻斷(126)來自所述泵的冷卻劑流，以使其不能進入所述入口管的入口；阻斷(128)從所述排放管的出口流向所述泵的入口的冷卻劑流；連接(126)所述入口管的入口和所述泵的入口；以及連接(130)所述排放管的出口和氣體源；由此，氣體由所述泵抽吸通過所述冷卻劑溝槽，從而除去其中的水；以及在起動過程中，加熱(118)來自所述泵的冷卻劑；以及使已加熱的冷卻劑流動(132，136)，使之除了流過所述溝槽以外，還從所述入口管直接流向所述排放管，從而用流經所述管的已加熱的冷卻劑加熱所述燃料電池，而沒有顯著量冷卻劑流過所述溝槽。
全文摘要
一種電池堆組件(102)冷卻劑系統，包括與冷卻劑排放管(108)和冷卻劑泵(112)流體連通的冷卻劑排放導管(110)。冷卻劑入口導管(120)使得冷卻劑可以轉移到冷卻劑入口管。冷卻劑系統還包括與冷卻劑排放管和冷卻劑入口管流體連通的旁路導管(132)，而洩放閥(130)與冷卻劑排放導管和氣體源相連通。洩放閥的操作使得能夠通過關斷導管(124)從冷卻劑溝槽中排空冷卻劑。冷卻劑和反應物氣體之間的壓差提交迫使水從電極基體(107，109)的孔中出來。噴射器(250)防止空氣影響泵。脈衝的空氣被吹送(238，239，243，245)通過冷卻劑溝槽以除去更多水。
文檔編號C01BGK1513217SQ02811361
公開日2004年7月14日 申請日期2002年4月5日 優先權日2001年4月5日
發明者E·A·巴林格爾, D·A·康迪特, H·T·庫克, C·A·賴澤, G·雷斯尼克, D·楊, E A 巴林格爾, 庫克, 康迪特, 賴澤, 鼓崢 申請人:Utc燃料電池有限責任公司