供给燃料电池堆的过量冷却剂流体

技术领域

本发明涉及设置成堆叠形式的电化学燃料电池，并且具体地说， 涉及用于这类燃料电池堆的冷却系统。

背景技术

常规电化学燃料电池将通常均为气流形式的燃料和氧化剂转换 成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的普通类型电化学燃料电池包 括位于膜电极组件(MEA)内的聚合物离子转移膜，也叫质子交换膜 (PEM)，其中使燃料和空气经过所述膜的相应侧。质子(即氢离子)被 传导通过所述膜，由传导通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路的电 子加以平衡。为了增大可用电压，形成包括若干电串联布置的MEA 的堆。每一个MEA具备分开的阳极流体流动路径和阴极流体流动路 径。阳极流体流动路径和阴极流体流动路径分别将燃料和氧化剂传送 至膜。燃料电池堆通常是包括很多独立的燃料电池板的块形式，这些 燃料电池板由位于所述堆的任一末端处的端板保持在一起。

因为燃料与氧化剂的反应产生热量以及电能，所以一旦已达到操 作温度就需要冷却燃料电池堆，以避免对燃料电池的破坏。冷却可以 至少部分通过在阳极流体流动路径中(其用于使阳极水合)将水传送 至所述堆的独立电池和/或在阴极流体流动路径中将水传送至所述堆 的独立电池(其与反应物水化合)来实现。在每一种情况下，可发生燃 料电池的蒸发冷却。

在典型的布置中，将冷却水从沿着燃料电池堆的侧面延伸的一个 或多个普通歧管注入到阳极流体流动通道或阴极流体流动通道中。由 于这类歧管内的水流速，引起了潜在的问题。可将水送入到入口歧管 的一个末端处的入口中，水从这个入口被送入到所述堆的独立电池 中。这就导致沿着歧管远离入口处的水流速的减少。如果，例如100 电池堆需要在所述堆的一个末端处传送的100ml/min的流量，在第一 个电池处，歧管中的流速将为100ml/min，在第50个电池之后，歧 管中的流速可能大概为50ml/min，并且在最后的电池处，歧管中的 流速可为仅仅1ml/min。歧管中如此低的流量，例如1ml/min，可能 导致燃料电池堆的可靠性问题。在停滞或接近停滞的流动区域内，由 于增加的腐蚀风险(尤其是当使用去离子水时)以及增加的细菌积累 风险，可能发生问题。

如果使用高等级的去离子水(例如，18MΩ)来作为冷却流体，那 么在每一个电池之间由于水的导电率产生的电压差可被视为足够低 以免在所述堆中加剧腐蚀。然而，如果安装燃料电池以使得能够从燃 料电池堆的冷却剂出口回收去离子水以用于再引入到燃料电池堆，那 么由于若干因素，水的导电率很可能增大，所述因素包括从大气中吸 收的CO₂和离子的冲蚀，以及来自燃料电池膜和来自燃料电池堆中的 金属部件的杂质或污染物。因此，注入水两端的电压差将会增大，因 此提供更可能发生电池腐蚀的环境。在燃料电池堆的离冷却水入口最 远的末端处，入口歧管内的冷却水流速可能为最小，并且从冷却水沉 积的离子更可能形成并且攻击/腐蚀金属部件，如燃料电池堆中的流 动板。

本发明的目标是提供对上述问题中的一个或多个的解决方案。本 发明的目标是减少或消除由燃料电池堆的冷却剂分配歧管中非常低 的冷却剂流量引起的问题。本发明的目标是提供用于在燃料电池堆内 维持适当冷却剂流量水平的解决方案。

根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：

多个燃料电池，每一个燃料电池具有流体冷却剂管道；以及

冷却剂进料入口歧管，其具有冷却剂入口；

冷却剂进料入口歧管连接至每一个流体冷却剂管道，以便将冷却 剂分配至每一个燃料电池；并且

冷却剂进料入口歧管还包括位于冷却剂进料入口歧管的一个末 端处的排放管道，所述排放管道被配置来排放来自冷却剂进料入口歧 管的过量冷却剂。

排放管道可包括延伸横跨所述堆并且设置在燃料电池堆的一个 末端处的附加板。附加板可包括加热器板、集流器板或绝缘器板。排 放管道可包括流量阻抗与冷却剂进料入口歧管相比有所增加的管道， 以使得从冷却剂进料入口歧管到排放管道的冷却剂流速在预定的流 速范围内。第二排放管道可位于冷却剂进料入口歧管的与第一排放管 道相反的末端。第二排放管道可包括延伸横跨所述堆并且设置在燃料 电池堆的相反末端处的附加板。附加板可包括加热器板、集流器板或 绝缘器板。排放管道可包括再循环路径，其连接至冷却剂入口以便使 冷却剂再循环至冷却剂进料入口歧管。燃料电池堆组件可包括冷却剂 电阻率监测器，其被配置来确定流过再循环路径的冷却剂的电阻率。 排放管道可连接至外部冷却剂储槽或储罐。流量控制组件可连接至排 放管道，其被配置来控制从冷却剂进料入口歧管到排放管道的冷却剂 流体的流量。流量控制组件可包括变流限流器。燃料电池堆的具有排 放管道的末端可为燃料电池堆的正电端。出口歧管可连接至多个燃料 电池的每一个流体冷却剂管道，以便从每一个燃料电池接收冷却剂。 排放管道可形成出口歧管的部分。

附图说明

现将借助于实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图 中：

图1是具有冷却剂进料入口歧管和排放管道的燃料电池堆的示 意性侧视图；

图2是具有冷却剂进料入口歧管和排放管道的替代性燃料电池 堆的示意性侧视图；

图3是具有冷却剂进料入口歧管和两个排放管道的燃料电池堆 的示意性侧视图；

图4是具有冷却剂进料入口歧管和两个排放管道的替代性燃料 电池堆的示意性侧视图；

图5是图2的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接以便 使冷却剂传送再循环至冷却剂进料入口歧管；

图6是图2的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接以便 将排放的冷却剂传递至储罐；

图7是图1的包括变流控制器的燃料电池堆的示意图；以及

图8是图2的包括变流控制器的燃料电池堆的示意图。

具体实施方式

下文描述的各种实施方案提供注入到冷却剂进料入口歧管中的 过量冷却剂。冷却剂可以是水，优选的是去离子水。所注入冷却剂的 一部分流到燃料电池堆的燃料电池的流体冷却剂管道。被描述为过量 冷却剂的另一部分经由排放管道离开冷却剂进料入口歧管，而不流过 燃料电池。通过经由冷却剂入口将过量冷却剂提供至冷却剂进料入口 歧管，在离入口最远的歧管末端处的冷却剂流量足以避免或减少由于 歧管中非常低的冷却剂流速或停滞的冷却剂而引起的问题。

本文所描述的实施方案不一定需要使用附加的阀、泵和/或控制 器来达到缓解冷却剂停滞问题所需要的流速。因此，本发明有利地提 供改进的燃料电池堆组件，而不需要后勤方面的考虑、额外工程、维 护考虑和包括附加部件(如阀)的成本增加。然而，如需进一步控制送 至/来自燃料电池的冷却剂流体，本发明允许加入这类阀。

此外，本文所描述的实施方案提供对冷却剂低流速和冷却剂停滞 问题的解决方案，这种解决方案可容易地与针对燃料电池堆的其它设 计变化相结合，从而促成取决于所需要的具体条件加以灵活定制的模 块化燃料电池系统。

图1展示燃料电池堆10的示意性侧视图。堆10包括多个燃料电 池11，其中每一个具有用于将燃料传送至膜电极组件的阳极表面的 阳极流体流动路径和用于将氧化剂传送至膜电极组件的阴极表面的 阴极流体流动路径。在堆布置中借助于端板12、13以已知方式保持 燃料电池。借助于冷却剂进料入口歧管14给阳极流体流动路径或阴 极流体流动路径提供冷却剂注入，以用于燃料电池堆的蒸发冷却，冷 却剂进料入口歧管14在位于冷却剂进料入口歧管14的相反两端处的 冷却剂入口15与排放管道16之间沿着堆10的长度延伸。冷却剂进 料入口歧管14可描述为冷却剂/水传送歧管或通道。

如图1中的箭头所示，冷却剂从冷却剂入口15流入歧管中，然 后流入单独的燃料电池11的每一个流体流动路径中。优选的是，冷 却剂在介于冷却剂进料入口歧管14与独立的燃料电池11中的流动通 道之间的某一点处与燃料或氧化剂流相结合。这些流动通道延伸横跨 燃料电池11的活性表面。可使用单独的燃料歧管和单独的氧化剂歧 管来使用已知技术将燃料和氧化剂引入独立的电池11中。在一些实 施方案中，未使用的燃料或氧化剂可从燃料电池流到出口歧管17中， 并且在一些实施方案中从出口歧管17流到一个或多个排出口/出口 18、19。如果在燃料电池11的活性表面处已用尽所有的燃料，尤其 是如果在燃料电池11的阳极侧上没有提供冷却剂注入，那么阳极流 体流动路径不一定需要出口歧管17，但可以提供阳极排放管线以用 于定期清理。在本文所描述的实施方案中，出口歧管17被展示为连 接至多个燃料电池11的每一个流体冷却剂管道，以便排放来自每一 个燃料电池11的至少冷却剂。

图1还展示了排放管道16，其用于过量冷却剂20从冷却剂进料 入口歧管14中流出而不流过燃料电池11的流体冷却剂管道。图1的 排放管道16可描述为外部冷却剂排出管。图1因此展示了燃料电池 堆组件10，其包括：多个燃料电池11，每一个燃料电池11具有流体 冷却剂管道；和具有冷却剂入口15的冷却剂进料入口歧管14。冷却 剂进料入口歧管14连接至燃料电池11的每一个流体冷却剂管道，以 便将冷却剂分配至每一个燃料电池。冷却剂进料入口歧管14还包括 位于冷却剂进料入口歧管14的一个末端处的排放管道16。排放管道 16被配置来排放来自冷却剂进料入口歧管14的过量冷却剂20。

通过将排放管道16定位在冷却剂进料入口歧管14的与冷却剂入 口15相反的末端，可将过量冷却剂经由冷却剂入口15注入燃料电池 堆10，并且离冷却剂入口15最远的歧管部分不必遭受非常低的冷却 剂流速。可在冷却剂入口15处向冷却剂进料入口歧管14提供冷却剂 流体流，以使得即使是在燃料电池堆10的离冷却剂入口14最远的末 端处，也有足够的流量通过歧管，以避免或减轻可导致如前文所述问 题的冷却剂流体停滞。没有流过燃料电池11的过量冷却剂20通过排 放管道16离开冷却剂进料入口歧管14。

图2展示燃料电池堆组件10，其包括：多个燃料电池11，每一 个燃料电池11具有流体冷却剂管道的；和冷却剂进料入口歧管14， 其具有位于所述堆的一个末端处的冷却剂入口15。冷却剂进料入口 歧管14包括位于所述堆的另一末端处的排放管道16，并且排放管道 16被配置来排放来自冷却剂进料入口歧管14的过量冷却剂20。在这 个实施例中，排放管道16从冷却剂进料入口歧管14的与冷却剂入口 15相反的末端，以横跨燃料电池堆10并且与燃料电池管道平行的方 式通到所述堆的与冷却剂进料入口歧管14相反的一侧，然后通过出 口歧管17穿出。在关于图2、图4、图5、图6和图8中所描述的实 施方案中，将排放管道16展示为形成出口歧管17的部分，但情况不 一定是这样，并且排放管道16可经由与出口歧管17分开的路径从燃 料电池堆穿出。

在图2所表示的一些实施方案中，排放管道16可包括附加板21 或在附加板21中形成，附加板21延伸横跨堆的宽度，与燃料电池平 行，并且设置在燃料电池堆10的末端处。附加板21可为与端板13 相邻的加热器板或集流器板或绝缘器板。图2中的排放管道16可描 述为内部冷却剂排出管。排放管道16可在附加板21内形成，以允许 来自燃料电池堆的与冷却剂入口15相反的一侧的过量冷却剂通过。 如果排放管道16包括在加热器板内，那么优选的是可将排放管道16 定位在加热器板的与装有加热元件的一侧相反的那一侧。在加热器板 内提供排放管道16可提供附加的好处，那就是在冷启动和操作过程 中，加热器板可使排放管道16中任何少量的冰解冻，从而允许改进 的启动和操作。

排放管道16可以包括预定减小尺寸的管道(与歧管14的尺寸相 比)以产生背压，以使得从冷却剂进料入口歧管14进入排放管道16 的冷却剂流速在预定的流速范围内。排放管道16可为相对于冷却剂 进料入口歧管14具有特定尺寸的一段管道，并且形式上可为至少部 分螺旋形或曲折形。因此，与歧管相比，排放管道给予冷却剂流以适 当增加的阻抗，并且因此达到歧管所需的流速和背压。以这种方式， 可控制燃料电池11内的冷却剂流和从冷却剂进料入口歧管14流出的 过量冷却剂的流动参数。

图3展示燃料电池堆组件10，其包括：多个燃料电池11，每一 个燃料电池11具有流体冷却剂管道；和冷却剂进料入口歧管14，其 具有朝向冷却剂进料入口歧管14中心定位的冷却剂入口15。在这个 实施方案中，冷却剂进料入口歧管14包括：第一排放管道16，其定 位在冷却剂进料入口歧管14的一个末端处；和第二排放管道22，其 定位在冷却剂进料入口歧管14的相反末端处。排放管道16、22均被 配置来排放来自冷却剂进料入口歧管14的过量冷却剂。

然而，图1和图2的实施例展示定位在冷却剂进料入口歧管14 的一个末端处的冷却剂入口15，图3的实施例展示定位在冷却剂进 料入口歧管14的中心处的冷却剂入口15。图3的实施方案提供流入 冷却剂进料入口歧管15中的过量冷却剂，以使得冷却剂能够以足够 高的流量流到堆10中的每一个燃料电池，包括离冷却剂入口15最远 的那些燃料电池(位于燃料电池堆的两端的那些燃料电池)，以便于缓 解在远离冷却剂入口15的歧管两端中的冷却剂停滞或非常低的冷却 剂流速所带来的问题。没有流过燃料电池11的流动管道的过量冷却 剂20通过两个排放管道16、22离开冷却剂进料入口歧管14。图3 还展示两个排出口/出口18、19，其用于未使用的燃料或氧化剂从出 口歧管17流出。

图4展示燃料电池堆组件10，其包括：多个燃料电池11，每一 个燃料电池具有流体冷却剂管道；和冷却剂进料入口歧管14，其具 有朝向冷却剂进料入口歧管14的中心定位的冷却剂入口15，这与图 3类似。在这个实施方案中，冷却剂进料入口歧管14包括：第一排 放管道16，其定位在冷却剂进料入口歧管14的一个末端处；和第二 排放管道22，其定位在冷却剂进料入口歧管14的相反末端处。第一 排放管道16和第二排放管道22均包括设置在燃料电池堆10的两端 的附加板21、23。附加板21、23可各自为与相应端板12、13相邻 的加热器板或集流器板或绝缘器板。排放管道16、22可被配置来排 放来自冷却剂进料入口歧管14的过量冷却剂。

图4的实施方案提供与图2的实施方案类似的优点，那就是，如 果提供附加板21、23来作为加热器板，那么在冷启动燃料电池堆10 时可使排放管道16、22中存在的任何少量的冰解冻，而不增添燃料 电池堆10的复杂性。

如果需要，燃料电池堆可形成为具有如图3所示的直接离开冷却 剂进料入口歧管14的第一排放管道16；和包括在如图4所示的附加 板23内的第二排放管道22。附加板21、23在相应的末端处可为不 同类型。冷却剂入口15的位置不必在冷却剂进料入口歧管的中心处， 并且如果需要，冷却剂入口15可以定位在沿着歧管14的部分路径上。

图5展示图2的燃料电池堆10，其中排放管道16包括再循环路 径24，其连接至冷却剂入口15以便使冷却剂再循环至多个燃料电池 11。可在再循环路径24内提供泵(未展示)。如图5所示，可提供冷却 剂电阻率监测器25以确定流过再循环路径24的冷却剂的电阻率。通 过使冷却剂流体再循环，冷却剂流体的损耗较少。通过监测冷却剂流 体的电阻率，可以确定冷却剂何时需要替换或者部分替换。例如，低 于去离子水的特定值的电阻率值可用来控制再循环水的替换或再循 环水的稀释。一个示例性的最小值可以是例如0.1MOhm.cm。电阻率 监测器25的位置可以是沿着再循环冷却剂的路径的任何地方，并且 因此可定位在例如冷却剂入口15处、再循环路径24中或在燃料电池 堆10内部的排放管道16中。如果需要，可在沿着再循环冷却剂的路 径的不同位置处使用一个以上的这种电阻率监测器25。

图6展示图2的燃料电池堆10，其中排放管道16连接至外部冷 却剂储槽或储罐26。因此，可收集不再需要的过量冷却剂用于储藏， 或用于稀释并且在燃料电池堆10中再使用。如果需要，图5和图6 所示的实施方案可结合使用阀和控制器。例如，可使冷却剂流体再循 环，直到达到冷却剂电阻率的预定值。在达到预定的电阻率值后，控 制器可切换阀来改变过量冷却剂的路径，从经由再循环路径24再循 环切换成排放到储罐26。

图7和图8分别展示图1和图2的还包括流量控制组件27的实 施方案。流量控制组件27连接至排放管道16，并且被配置来控制歧 管14中排放管道16处的冷却剂流体的背压，以使得在排放管道16 处的冷却剂流体的压力可以保持在预定的压力范围内。因此，排放管 道16可包括流量控制组件27来作为用于改变歧管14的流量阻抗从 而改变背压的装置。

流量控制组件27可包括例如变流限流器、孔板、针阀、预定长 度的管材和预定宽度的管材中的一个或多个。例如，如果冷却剂进料 入口歧管末端处的压力在图7和图8的流量控制组件的位置处是1 bar，并且将经由冷却剂入口15注入50ml/min的冷却剂，那么可在 冷却剂进料入口歧管14的出口与冷却剂入口15之间使用具有1mm 直径的3m长的排放管道16来达到这个压力。

在关于图1、图2、图5、图6、图7和图8所描述的实施方案中， 可选择燃料电池堆10的定位有冷却剂入口15的那个末端来作为燃料 电池堆的负极性端，并且可选择燃料电池堆的相反末端来作为正端。 如果需要，这是可以颠倒的。

其它实施方案意欲在所附权利要求的范围内。