專利名稱：采用部分空氣加濕的環(huán)境壓力燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在或接近環(huán)境壓力工作的燃料電池系統(tǒng)，特別涉及在或接近其中部分空氣加濕的環(huán)境壓力工作的燃料電池系統(tǒng)，以及這類系統(tǒng)的工作方法。
背景技術(shù)：
在技術(shù)上人們都知道燃料電池。燃料電池使一種包括氫的燃料流和一種包括氧的氧化劑流發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電流。燃料電池已應(yīng)用于交通、移動及固定電源應(yīng)用中。
在聚合物電解質(zhì)薄膜(FEM)燃料電池工作中，水控制問題是關(guān)鍵性的。要求薄膜加濕以保持最佳性能。因為薄膜水含量降低，可能使它失去遷移質(zhì)子的能力，電阻提高，燃料電池性能降低，薄膜可能失效。為保證薄膜充分加濕，通常對輸送到燃料電池組的反應(yīng)物流進行加濕。同時，必須排除存在于陰極的水，這些水是在陰極產(chǎn)生的，或由于電滲牽引從陽極跨越薄膜傳送來的，如不排除這些水，可能浸沒陰極。
已采用多種方法加濕輸送到燃料電池的反應(yīng)物流。例如，使反應(yīng)物流和液態(tài)水在一種透水薄膜的相反的側(cè)面流動，可以加濕反應(yīng)物。燃料電池產(chǎn)生的水可在反應(yīng)物排氣流中冷凝，然后用于加濕。水蒸氣或霧化水滴也可注入到反應(yīng)物流中。使氧化劑流和氧化劑排氣流在一個綜合熱及濕度交換裝置中的透水薄膜的相反側(cè)面流動，也可使氧化劑流加熱和加濕。在US6007931及共同轉(zhuǎn)讓的US6416895B1中，說明了這種裝置的例子。
當(dāng)然，在其他系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，也必須考慮水控制問題。例如，在諸如汽車系統(tǒng)的許多應(yīng)用中，高功率密度(單位體積的功率輸出能力)工作是必要的，這是操作局部載荷的能力。在這類動態(tài)載荷條件下，保持燃料電池中合適的水的平衡可能是技術(shù)上面臨的一個特別挑戰(zhàn)。
實現(xiàn)這些目標(biāo)的一個途徑是使燃料電池組在較高壓力下工作。燃料電池中反應(yīng)物較高的分壓支持較高的功率密度工作和較高的工作溫度?？邕^反應(yīng)物流場較高的壓力降也允許從燃料電池中用機械方法清除液態(tài)水。然而，這種方法要求昂貴的空氣壓縮和氫再循環(huán)設(shè)備，因而使這種發(fā)電裝置成本提高、更加復(fù)雜、尺寸增大，并帶來明顯的附加功率損失。反應(yīng)物加濕系統(tǒng)也使動力裝置成本提高、更加復(fù)雜、尺寸增大。還可使能在高壓工作的電池組零件，如密封零件的成本提高。而且，液態(tài)水的控制問題也可導(dǎo)致電池在動態(tài)負載狀態(tài)工作不穩(wěn)定。
另一種方法是采用芯吸或類似的被動裝置向薄膜供水。例如，UTC Fuel Cells，LLC發(fā)展的聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池動力裝置就采用這種方法。鄰接多孔陽極和/或陰極支撐層的多孔傳水板很容易把水輸送到陽極和/或陰極表面。這樣的動力裝置可以在近環(huán)境壓力工作，因而可以降低源于空氣壓縮機的成本和功率損失。
這個方法也有一些缺點。例如，傳水板和冷卻液回路很復(fù)雜。工作和控制系統(tǒng)也很復(fù)雜所產(chǎn)生的水進入冷卻液回路，而又必須清除；在反應(yīng)物流場和冷卻水循環(huán)通道之間產(chǎn)生一個壓力差，以促使水輸送通過多孔支撐層和電池；和/或采用雙冷卻液回路以保證在較高環(huán)境壓力下的水平衡。這種動力裝置也要求具有冷起動能力的復(fù)雜系統(tǒng)，如在停止工作時把甲醇或乙醇引入冷卻液通道，以防止存在這里的水凍結(jié)，或者引入一種不揮發(fā)的有機防凍液到傳水板中。而且，在具有多孔傳水板的聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池中采用零相對濕度反應(yīng)物流進行工作，最終將導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)薄膜電解質(zhì)的干燥；US2002/0068214A1公開了引入一種陽極和/或陰極電解質(zhì)干燥阻擋層可以限制電解質(zhì)中水的損失。為保持充分的水平衡所做的這些工作涉及到附加的成本、重量及體積的增加、以及燃料電池性能的損失，并往往要求復(fù)雜的控制裝置。
US6 451 470B1和CA2 342 825A1公開了在垂直于薄膜方向具有透氣性梯度的氣體擴散層，這種擴散層阻止水透過薄膜擴散(一種“氣體擴散阻擋層”，或GDB)。這使得燃料電池可在沒有對反應(yīng)物外部加濕的情況下工作。通過以較高的化學(xué)計量把空氣輸送到陰極流場，這種氣體擴散阻擋層結(jié)構(gòu)也可以對燃料電池進行空氣冷卻。例如，CA2342825A1申請公開所采用的空氣比，即化學(xué)計量為8-70。
然而，使用這類無源的水控制系統(tǒng)的環(huán)境壓力燃料電池系統(tǒng)不適于高功率密度應(yīng)用和/或在高溫下工作。例如US6 451 470專利公開了如果以環(huán)境壓力輸送空氣，采用氣體擴散阻擋層的燃料電池最高工作溫度約為75℃。按照這個US6 451 470專利，在較高溫度，具有足夠低的水的有效擴散系數(shù)的一種氣體擴散阻擋層已不能保證反應(yīng)物氣體(特別是氫)的充分?jǐn)U散，雖然提高空氣壓力使工作溫度得到提高(見第3欄，第29-42行)。實際上，US6 451 470專利公開的這個系統(tǒng)證明在近環(huán)境空氣壓力下，當(dāng)功率密度超過503mA/cm2(毫安/厘米2)時，其性能急劇降低(見第7欄，第50-60行)。已經(jīng)發(fā)表的采用UTCFuel Cell多孔雙電極板的電池組的結(jié)果揭示了在65℃的最佳性能(見D.J.Wheeler等人的論文，新材料電化學(xué)系統(tǒng)雜志，2001年第4期，P233-238)。
希望有一種在不要求清除液態(tài)水或輸入壓縮空氣情況下可在較高電流密度和較高溫度保持燃料電池水平衡的燃料電池發(fā)電裝置。本發(fā)明解決了普通燃料電池發(fā)電裝置的缺點，并提供相關(guān)的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)及其操作方法。也提供了燃料電池動力裝置和裝有本燃料電池系統(tǒng)的車輛。
在一些實施例中，本燃料電池系統(tǒng)包括一個燃料電池組；一個把燃料輸送到電池組的燃料系統(tǒng)；一個在近環(huán)境壓力下把空氣輸送到電池組的鼓風(fēng)機；一個與輸送到電池組的空氣流和流出電池組的陰極排氣流流體相連的，用于把陰極排氣流中的水蒸氣加入到空氣流的加濕裝置；一個用于使液態(tài)冷卻液通過電池組循環(huán)的冷卻液回路。電池組中的燃料電池裝有一個陰極氣體擴散阻擋層。
在其他一些實施例中，本燃料電池系統(tǒng)包括一個由具有陰極擴散阻擋層裝置的燃料電池構(gòu)成的燃料電池組；一個把燃料輸送到電池組的燃料系統(tǒng)；一個在近環(huán)境壓力下把空氣輸送到電池組的空氣輸送裝置；一個傳遞陰極排氣流的水蒸氣到輸送到電池組的空氣中的加濕裝置；一個用于使液態(tài)冷卻液通過電池組循環(huán)的冷卻液回路。
本燃料電池系統(tǒng)可以是用作車輛的動力裝置的組成部分；可以作為固定應(yīng)用聯(lián)合發(fā)電的組成部分，或作為移動電源、備用電源或UPS(不間斷電源)的發(fā)電機的一部分。
在某些實施例中，本發(fā)明的方法包括在近環(huán)境壓力下把化學(xué)計量過剩的空氣輸送到電池組；把陰極排氣流輸送到加濕裝置；保持空氣相對濕度低于電池組進口飽和點；保持陰極排氣流相對濕度低于電池組出口飽和點；使電池組在高于約75℃的一個溫度工作。


圖1和2簡略表示本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的實施例。
在這些附圖中，用相同的標(biāo)號標(biāo)識類似元件或作用。圖中元件的尺寸和相對位置不必按比例繪制。例如，各元件的形狀和角度沒有按比例繪制，某些元件任意放大和定位，以改進圖的清晰度。而且，所繪制的元件的特殊形狀并不傳遞有關(guān)該特定元件實際形狀的任何信息，選擇這種形狀僅僅為了容易在圖中識別。
具體實施例方式
在下文的說明中，陳述了某些專門的細節(jié)，以便對本發(fā)明各實施例有一個全面的理解。然而，技術(shù)人員都知道，沒有這些細節(jié)，也可以實施本發(fā)明。在其他情況中，與燃料電池、燃料電池組、蓄電池、燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的，眾所周知的結(jié)構(gòu)，不作顯示和詳細說明，以避免對本發(fā)明實施例進行不必要的煩瑣陳述。
除非另有要求，在下面的整個說明書及權(quán)利要求書中，術(shù)語包括(comprise)及其變化形式按開放形式而包容的含義解釋為“包括，但不限于”。術(shù)語“鼓風(fēng)機”涉及鼓風(fēng)機、風(fēng)扇和類似裝置，用于在或近環(huán)境壓力下把氣體流輸送到燃料電池組。
本燃料電池系統(tǒng)可以在不要求清除液態(tài)水或輸送壓縮空氣情況下使在高電流密度和高溫工作的燃料電池組中的各燃料電池保持充分的水平衡。本燃料電池系統(tǒng)可以裝入到一種燃料電池動力設(shè)備。而且，這種燃料電池動力設(shè)備可以使用到各種應(yīng)用中，如以燃料電池為電源的車輛的發(fā)動機。
圖1簡略示出本燃料電池系統(tǒng)的一個實施例。正常工作時，氫通過閥門10輸送到電池組14的聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池的陽極12，空氣由可變速鼓風(fēng)機16輸送到陰極18。氫和空氣中的氧電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電功率。液態(tài)冷卻液通過泵20的作用在電池組冷卻液回路22和輻射器24之間循環(huán)，以保持電池組14在合適的工作溫度范圍。
電池組14的陰極裝有一個氣體擴散阻擋層(GDB)，以協(xié)助保持燃料電池薄膜充分的加濕。氣體擴散阻擋層是一個氣體擴散層，包括一個離開薄膜并保持間距的區(qū)域，這個區(qū)域的水蒸氣透氣性低于緊鄰薄膜的一個區(qū)域，這種阻擋層阻止水蒸氣離開薄膜而擴散。氣體擴散阻擋層合適的材料包括具有橫向流體通道的膨脹石墨板材，如US 6521 369 B1專利所述那樣，這種板材在與薄膜接觸的表面上有較大的開口，而在與燃料電池板接觸的表面上有較小的開口。另一方面，如US6 451 470B1所述，可以利用由固體或液體材料局部填充或涂覆的能降低水蒸氣滲透性的多孔電極材料。如CA2 342 825A1所述，也可以使用一種層壓件，這種層壓件中，至少有一層較低的水蒸氣滲透性層(阻擋層)，另有一層較高的水蒸氣滲透性層。這種阻擋層可以包括具有機械制的開口(例如，像膨脹石墨板那樣)的基本上不滲透的材料，其開口由材料或微孔材料填充或局部填充。這種氣體擴散層的選擇和設(shè)計對于本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)并不是本質(zhì)的，技術(shù)人員可以方便地選擇適合特定應(yīng)用的氣體擴散阻擋層。這種氣體擴散阻擋層應(yīng)能在局部功率條件下在選定的溫度保持燃料電池薄膜充分加濕。
空氣在或近環(huán)境壓力下輸送到電池組14。例如，在本系統(tǒng)的某些實施例中，與電池組空氣輸送相關(guān)的壓力降約為0.3-0.5psid(20-35mbar)
。在這類實施例中，空氣化學(xué)計量可為約1.2-3.0。
空氣通過過濾器26引入，過濾器清除顆粒物，也可清除其他雜質(zhì)，如二氧化碳和/或碳氫化合物。過濾的空氣進入通風(fēng)箱28，在此由電池組14局部預(yù)熱。電池組14預(yù)熱這種引入的空氣后，熱空氣隨較高溫度陰極排氣流而排除，因此，作為這種明顯加熱的結(jié)果，降低了燃料電池系統(tǒng)總體散熱要求。此外，電池組14的任何氫泄漏都收集到通風(fēng)箱28中，并與引入的空氣混合，消耗在陰極18中。然而，這種通風(fēng)箱對于本燃料電池系統(tǒng)來說并不是本質(zhì)的，在其他實施例中予以省略。
預(yù)熱空氣流向氣體交換加濕器30的“干”側(cè)面，經(jīng)由陰極排出流進入加濕器30的“濕”側(cè)面而對空氣進一步加熱并局部加濕。如有必要，可打開節(jié)氣門32，使至少一部分陰極排出流再循環(huán)到電池組14。例如，在部分電源工作時，和/或為了降低加濕器30的負荷，可以使用陰極再循環(huán)。
合適的氣體交換加濕器可以裝有半滲透性薄膜，例如離子交換和紙薄膜。共同轉(zhuǎn)讓給本申請人的US2001/0046616A1公開了一種合適的氣體交換加濕器例子。然而，氣體交換加濕器的選擇對于本燃料電池系統(tǒng)不是本質(zhì)的，技術(shù)人員可以方便地選擇適合于特定應(yīng)用的加濕器。
雖然鼓風(fēng)機16可以位于加濕器30的上游，但如有必要，通過干側(cè)面引入空氣可以導(dǎo)致在濕側(cè)面上略高的壓力。薄膜的任何泄漏都可導(dǎo)致陰極排氣流與空氣混合。這相當(dāng)于部分的陰極再循環(huán)，是加濕器30的一種可接受的失效方式。例如，由于限制性的密封要求較少，這可在設(shè)計或選擇加濕器時節(jié)約成本。
圖2簡略示出本燃料電池系統(tǒng)的另一個實施例。圖2的系統(tǒng)采用空氣鼓風(fēng)機36和陰極再循環(huán)鼓風(fēng)機38分別單獨控制空氣和陰極排氣流再循環(huán)流量。此外，用一個熱函輪40局部加濕輸送到電池組14的空氣流。在技術(shù)上人們都知道熱函輪；例如，可從Emprise Corporation(Marietta，GA)購得的，并結(jié)合堇青石陶瓷蜂窩材料的熱函輪可能是適合的。當(dāng)然，特定熱函輪對于本燃料電池系統(tǒng)并不是本質(zhì)的，技術(shù)人員可以方便地選擇適合于特定應(yīng)用的這類裝置。
在某些實施例中，在起動時，可以把空氣和燃料輸送到電池組，燃料電池在低負載低電壓工作，以促進內(nèi)熱的產(chǎn)生。隨著電池溫度的提高，負載可能提高，使燃料電池中產(chǎn)生的水蒸氣分壓低于飽和壓力，以保證空氣/陰極排氣流仍保持欠飽和。另一方面，空氣和燃料可以以一種可控方式在燃料電池的陰極催化燃燒，以加熱電池組。一種催化加熱器可以結(jié)合到冷卻液回路中，空氣和燃料可以在這種加熱器中燃燒，加熱在電池組循環(huán)的冷卻液。另一方面，在起動時，可以驅(qū)動旁路閥門34，使冷卻液旁路繞過輻射器24。在其他實施例中，在起動時，空氣也以高的化學(xué)計量輸送到電池組。
在高功率輸出時，較高溫度工作(例如高于75℃)是必須的。如前所述，較高的工作溫度提高了冷卻系統(tǒng)的散熱能力。例如，在汽車應(yīng)用中，因為輻射器正面面積和性能難于提高，其散熱是電池組最大功率輸出的一個限制因素。因此，提高冷卻系統(tǒng)散熱能力可以使汽車應(yīng)用中的燃料電池動力裝置具有較高的發(fā)動機額定功率。在較高溫度工作也為固定應(yīng)用提供較高的聯(lián)合發(fā)電溫度，為間斷應(yīng)用提供較好的溫度下降特性。
本燃料電池系統(tǒng)采用欠飽和空氣輸入。就是說，輸送到本燃料電池系統(tǒng)的空氣的相對濕度低于進入電池的飽和點，陰極排氣流的相對濕度保持在低于電池出口的飽和點。除了可在近環(huán)境壓力較高溫度工作外，輸入欠飽和空氣工作也可阻擋或基本防止液態(tài)水在電池組中凝結(jié)和聚焦。相對于采用液態(tài)水控制的類似燃料電池系統(tǒng)，這樣做還具有另外一些優(yōu)點。例如，不要求液態(tài)水控制設(shè)備，如氣體/水分離器、放水彎管、去離子或顆粒水過濾器、或水箱、或溢流箱。這就可以降低本燃料電池系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。又例如，可以降低通過冷卻液系統(tǒng)的冷卻液用量。電池組中存在的產(chǎn)品水基本上或完全處于蒸氣相；因此，液態(tài)產(chǎn)品水的凝結(jié)熱不必通過冷卻液排除。也可以降低或消除由于燃料電池被浸沒造成的性能損失。又如，因為減少了電池組中液態(tài)水的凍結(jié)，或者不凍結(jié)，可以提高耐凍能力或冷起動能力。而且，由于液態(tài)水在電池組中造成的零件腐蝕較低，腐蝕產(chǎn)物也較少，這就導(dǎo)致較長的電池組壽命，并可使用低成本的材料。
在某些實施例中，本燃料電池系統(tǒng)可以在較低溫度工作較低功率輸出，以及在較高溫度工作較高功率輸出。在較低功率輸出時，因為如上所述陰極氣體擴散阻擋層有能力阻止水蒸氣擴散離開薄膜，可以不要求對空氣流外部加濕，或只少量外部加濕。同時，可以利用較高的空氣化學(xué)計量，有助于保持陰極流場欠飽和狀態(tài)。
在較高溫度，可以利用較低的空氣化學(xué)計量。與采用未加濕反應(yīng)物的陰極氣體擴散阻擋層的普通電池系統(tǒng)相比，這有助于降低電池組中的水損失。和采用空氣冷卻的普通系統(tǒng)不同，本燃料電池系統(tǒng)不要求隨工作溫度提高而提高空氣化學(xué)計量，并可保持電池組的散熱能力。因此，經(jīng)采用一種液態(tài)冷卻液，在本燃料電池系統(tǒng)中，空氣化學(xué)計量和冷卻液流量相互沒有影響。
在另外的實施例中，在高功率輸出時，可以提高本燃料電池系統(tǒng)中的風(fēng)扇速率或輻射器輸出。伴隨發(fā)生的附加功率損失的小幅提高可以被抵消，因為冷卻系統(tǒng)性能明顯提高，而且降低了燃料電池最高工作溫度。
在另一個實施例中，控制空氣輸送系統(tǒng)中鼓風(fēng)機的速率，為在給定工作溫度工作的電池組輸送的空氣流提供所需要的加濕量。例如，控制鼓風(fēng)機速率可以改變引入空氣在氣體交換加濕器或熱函輪中的停留時間。停留時間越長，熱和水蒸氣從陰極排氣流到空氣流的傳遞速率越大。在另外的實施例中，陰極排出流再循環(huán)到引入的空氣流的量由溫度控制，以實現(xiàn)同樣的結(jié)果。在又一些實施例中，鼓風(fēng)機速率保持恒定，由溫度控制輸送到電池組的空氣量，以提供輸送到電池組所需要的加濕量。例如，可以利用可控閥門、節(jié)氣門、或分流器改變從鼓風(fēng)機輸送到電池組的空氣量。也可以綜合使用上述控制手段。
在圖示實施例中，輸送到電池組14的氫是緊密封閉的。如有必要，陽極12可以被吹凈經(jīng)一段時間累積而聚集的惰性氣體。例如，可以把陽極吹凈氣體引入通風(fēng)箱28，在這里被引入的空氣稀釋到低于4％，而在陰極18被消耗。如有必要，可以采用其他裝置處理陽極的排氣，包括在一個分離的燃料室中對它催化燃燒，或把它排入大氣環(huán)境中。在一些選擇的實施例中，代之以采用一個氫再循環(huán)系統(tǒng)。盡管這時氫的輸送必須是不密閉的。例如，在另一些實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括一個氫處理系統(tǒng)，對燃料進行改造，產(chǎn)生富氫改良產(chǎn)品流用于電池組。如有必要，陽極排氣可以燃燒。以產(chǎn)生熱能用于這個處理步驟的上游或下游。最后，氫源和氫輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對于本燃料電池系統(tǒng)并不是本質(zhì)的，技術(shù)人員可以方便地設(shè)計適合給定應(yīng)用的氫輸送系統(tǒng)。
同樣，液態(tài)冷卻液的選擇對于本燃料電池系統(tǒng)也不是本質(zhì)的。合適的冷卻液包括去離子水，乙二醇，以及它們的混合物。其他合適的液態(tài)冷卻液對于技術(shù)人員來說，也是顯而易見的。雖然圖示實施例中說明了一個輻射器，但是，只要能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池組的充分冷卻，在本燃料電池系統(tǒng)中也可用其他熱交換裝置替代。
雖然圖示實施例采用了一種氣體交換加濕器或熱函輪，但本燃料電池系統(tǒng)不受限于這些外部空氣加濕裝置。也可以采用能回收陰極排氣流中的水蒸氣的其他加濕裝置。同樣，雖然圖示實施例采用了一個陰極再循環(huán)回路，但本燃料電池系統(tǒng)不只要求一個。
在某些實施例中，陰極排出流最好用于加濕引入的空氣流，因為這樣可以降低或取消本燃料電池系統(tǒng)對蓄水系統(tǒng)的要求。然而，在某些應(yīng)用中，如較大的固定電站，這類蓄水系統(tǒng)的尺寸和/或成本的增加只是一個較小的問題。因此，在本燃料電池系統(tǒng)的某些實施例中，除用陰極排氣流加濕空氣外，也可用一種分開的水源加濕輸送的空氣。
本申請人已經(jīng)確定，一種在電池組中采用陰極氣體擴散阻擋層的燃料電池系統(tǒng)，不能在高溫及采用高化學(xué)計量未加濕空氣情況下工作，以及不能在沒有干燥燃料電池薄膜及近環(huán)境壓力下工作。在本燃料電池系統(tǒng)中，空氣流的部分加濕可以使電池在近環(huán)境壓力下高溫工作，同時保持燃料電池性能。同時，把液態(tài)水的清除降至最低或不需要清除，因此降低由于加壓工作和浸沒帶來的附加損失。如前所述，本燃料電池系統(tǒng)也避免了與無源的水控制系統(tǒng)有關(guān)的問題。
本說明書參考的和/或本申請數(shù)據(jù)表所列的上述所有美國專利、美國專利申請出版物、美國專利申請、外國專利、外國專利申請、以及非專利出版物，在這里全部引用參考。
由以上所述可知，雖然為了解釋本發(fā)明已經(jīng)說明了本發(fā)明的專門實施例，但是，只要不背離本發(fā)明的精神和范圍，可進行各種改進。因此，除附錄的權(quán)利要求書外，這些說明并不限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括一個由多個燃料電池組成的燃料電池組，燃料電池具有一個陰極氣體擴散阻擋層；一個把燃料輸送到電池組的燃料系統(tǒng)；一個在近環(huán)境壓力把空氣輸送到電池組的鼓風(fēng)機；一個與輸送到電池組的空氣流和流出電池組的陰極排氣流流體相連的加濕裝置，用于把陰極排氣流的水蒸氣傳遞到空氣流；一個使液態(tài)冷卻液通過電池組循環(huán)的冷卻液回路。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，鼓風(fēng)機是一種可變速鼓風(fēng)機。
3.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個位于加濕裝置上游的、并與之流體連通的空氣過濾器。
4.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，加濕裝置包括一個氣體交換加濕器。
5.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，加濕裝置包括一個熱函輪。
6.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，鼓風(fēng)機位于加濕裝置的下游。
7.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個陰極再循環(huán)回路，用于至少把一部分陰極排氣流返回到燃料電池組。
8.按照權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個安裝在陰極再循環(huán)回路中的節(jié)氣門。
9.按照權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個安裝在陰極再循環(huán)回路的再循環(huán)鼓風(fēng)機。
10.按照權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，陰極再循環(huán)回路與輸送剩余陰極排氣流到其中的加濕裝置流體連通。
11.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料基本上是純氫。
12.按照權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料輸送系統(tǒng)是緊密封閉的。
13.按照權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料輸送系統(tǒng)包括一個氫再循環(huán)回路。
14.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，冷卻液回路還包括一個熱交換器。
15.按照權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，熱交換器包括一個輻射器。
16.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，冷卻液可從去離子水、乙二醇和其混合物中選擇。
17.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，氣體擴散阻擋層包括一種膨脹石墨板材。
18.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，氣體擴散阻擋層包括一種多孔導(dǎo)電材料，其一個區(qū)域用固體材料填充，因此降低了這個區(qū)域的孔隙率。
19.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，氣體擴散阻擋層包括一個層壓件，層壓件的第一層安排在第二層和燃料電池薄膜之間，相對于第二層，第一層對水蒸氣具有較低的滲透性。
20.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，氣體擴散阻擋層包括一個微孔薄膜。
21.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述的燃料電池系統(tǒng)包括一個燃料電池組，燃料電池組包括多于具有陰極擴散阻擋層的電池，所述的方法包括在近環(huán)境壓力把化學(xué)計量大于1的空氣輸送到電池組；把陰極排氣流輸送到一個加濕裝置；保持空氣相對濕度低于電池組進口飽和點；保持陰極排氣流的相對濕度低于電池組出口飽和點；使電池組在高于75℃的溫度下工作。
22.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，在20-50mbar的壓力把空氣輸送到電池組。
23.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，以約1.2-3.0的化學(xué)計量把空氣輸送到電池組。
24.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括隨燃料電池系統(tǒng)對外界負載的功率輸出降低而提高空氣化學(xué)計量。
25.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括隨電池組溫度提高而降低空氣化學(xué)計量。
26.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括使液態(tài)冷卻液循環(huán)通過電池組。
27.按照權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括使冷卻液循環(huán)通過一個熱交換器。
28.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，由鼓風(fēng)機把空氣輸送到電池組，所述的方法還包括檢測代表電池組溫度的電池組工作參數(shù)；按照檢測的參數(shù)改變鼓風(fēng)機速率。
29.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括把至少一部分陰極排氣流返回到電池組。
30.按照權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，還包括檢測代表電池組溫度的電池組的一種工作參數(shù)；按照檢測的參數(shù)，改變一部分陰極排氣流返回電池組。
31.一種燃料電池系統(tǒng)，包括一個包括多個燃料電池的燃料電池組，燃料電池具有一個陰極氣體擴散阻擋層裝置；一個把燃料輸送到電池組的燃料系統(tǒng)；一個在近環(huán)境壓力把空氣輸送到電池組的空氣輸送裝置；一個傳遞流出電池組的陰極排氣流中的水蒸氣到輸送到電池組的空氣流的加濕裝置；一個使液態(tài)冷卻液循環(huán)通過電池組的冷卻液回路。
32.按照權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個檢測代表電池組工作溫度的工作參數(shù)的傳感器；一個用于接收來自傳感器的輸入，并響應(yīng)所述的輸入控制由輸送裝置輸送到電池組的空氣的化學(xué)計量的控制裝置。
33.按照權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少使一部分陰極排氣流返回電池組的再循環(huán)裝置。
34.按照權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個用于檢測代表電池組工作溫度的工作參數(shù)的傳感器；一個控制裝置，所述的控制裝置用于接收來自傳感器的輸入，并響應(yīng)所述的輸入控制由輸送裝置輸送到電池組的至少一部分空氣的化學(xué)計量，以及控制再循環(huán)裝置使一部分陰極排氣流返回電池組。
全文摘要
提供一種能在高溫及近環(huán)境壓力工作的，對輸送到燃料電池組的空氣局部加濕的燃料電池系統(tǒng)。電池組的燃料電池在其陰極裝有陰極擴散阻擋層。所述的系統(tǒng)包括一個使液態(tài)冷卻液通過電池組循環(huán)的冷卻回路。在某些實施例中，引入的空氣由從氣體交換加濕器陰極排氣流傳遞的水蒸氣或由熱函輪局部加濕。在其他一些實施例中，采用陰極再循環(huán)局部加濕引入的空氣?？諝夂完帢O排氣流的濕度保持低于電池組的飽和點。還提供了操作這種燃料電池系統(tǒng)的方法。
文檔編號H01M4/94GK1774831SQ200480009794
公開日2006年5月17日 申請日期2004年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月3日
發(fā)明者理查德·A·塞德奎斯特, 布賴恩·W·維爾斯, 亞歷克斯·莫斯曼, 克雷格·R·路易 申請人:百拉得動力系統(tǒng)公司