專利名稱：夾帶氣體的燃料電池冷卻劑的循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過流動(dòng)足夠的氣體(例如空氣或消耗的反應(yīng)物廢氣) 來減少燃料電池中的小型、低流量冷卻劑或水的管理通道中的氣泡阻 塞，從而保證冷卻劑通路中各處的液體速度大于零.
背景技術(shù)：
為了減少質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池受由冷凍溫度所造成的問題的 影響，以及減少燃料電池對(duì)作為附件的水泵及其它管件的依賴，可以減 小燃料電池中的冷卻劑的總體積.
然而，在既不使用冷卻刑泵也不使用排氣微型泵且具有最小外部水 管的系統(tǒng)中，電池中冷卻劑或水的流速相當(dāng)?shù)?。如果只有氣體從冷卻劑 或水的通道里排出，則流量受蒸發(fā)到反應(yīng)氣體當(dāng)中的水量的限制.對(duì)于 小通道和低水流，氣泡可能會(huì)結(jié)合到 一起(聚集)并阻礙水在冷卻劑通路 的大面積上的流動(dòng)，這可能會(huì)造成多孔親水的反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(水傳輸 板)脫水.脫水使氣體以過高的速度進(jìn)入冷卻刑流動(dòng)通路，有時(shí)也稱為 水傳輸板的"氣體穿透"，從而造成局部化的加熱和在不同點(diǎn)上的脫水， 導(dǎo)致部件的劣化和性能的降低
使用電池間冷卻劑板且具有乙二醇或其它冷卻劑的系統(tǒng)有時(shí)被稱 為主動(dòng)式水管理(AWM)燃料電池，如US 2005/0142408專利公開中所披 露的.AWM燃料電池還可以具有極小的電池內(nèi)的水通道，從而提供到燃 料電池陽極側(cè)和/或陰極側(cè)的低水流用于水管理，水流造成的冷卻是可 忽略的.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面包括保證小燃料電池冷卻劑或水管理通道中的冷 卻劑的流動(dòng)；減輕低流量燃料電池冷卻劑或水管理通道中的泡沫阻塞； 協(xié)助氣泡流過PEM燃料電池中的冷卻劑或水管理通道；改善PEM燃料電 池冷卻劑或水管理通道的排氣；減少燃料電池冷卻劑或水管理通道的過度氣體攝入；增加在PEM燃料電池中的氣體向排氣口的流動(dòng)；改善PEM燃料電池中的水合；改善PEM燃料電池中的蒸發(fā)式冷卻；以及減少具有旋轉(zhuǎn)部件的燃料電池發(fā)電裝置中的元件數(shù)目.
本文中的術(shù)語"燃料電池"可以表示能夠由氧化劑和燃料反應(yīng)氣體產(chǎn)生電力的完整、運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料電池裝置，或者在上下文關(guān)系中需要的情況下，該術(shù)語可以表示燃料電池排除了一些層的部分，所述的那些層對(duì)燃料電池提供冷卻劑和/或水管理，它們可以置于相鄰的所述燃料電池部分之間.
本文中的術(shù)語"冷卻劑通道"包括水管理通道，指的是燃料電池疊層中的冷卻刑和/或水管理流動(dòng)路徑的那些部分，其中那些部分與燃料電池的平面(平面內(nèi)的輪廓)基本上同延.
根據(jù)本發(fā)明，通往燃料電池冷卻刑或水管理通道的氣體保證了經(jīng)過該通道上的非零流速.
根據(jù)本發(fā)明，經(jīng)過燃料電池的冷卻刑/水通道的氣體流動(dòng)(或該通道上的壓力降)促進(jìn)了包括冷卻劑/水的流體的流動(dòng)以及這種通道之內(nèi)的氣泡.
可以按照對(duì)通道進(jìn)口施加正氣壓或?qū)νǖ莱隹谑┘迂?fù)氣壓或者兩者兼而有之的方式實(shí)踐本發(fā)明.
按照本發(fā)明，可以使加壓氣體源通往燃料電池疊層的冷卻劑或水管理進(jìn)口.加壓氣體源可以為適于本發(fā)明的任意單獨(dú)實(shí)施的任何物質(zhì)，例如同與燃料電池相關(guān)的其它裝置有關(guān)的泵；進(jìn)一步按照本發(fā)明，加壓氣體源可以包括一小部分由陰極空氣泵提供的空氣；或者加壓氣體源可以包括燃料電池的燃料或廢空氣或一小部分的這種廢氣.
仍進(jìn)一步按本發(fā)明，通過建立真空可以在冷卻刑/水通道的出口施加壓力；在一個(gè)實(shí)施方案中，真空是通過排泄器(排出器)建立的，其中主進(jìn)口連接至被送往燃料電池疊層陽極的燃料氣體當(dāng)中，排泄器的次進(jìn)口與在燃料電池疊層的冷卻劑/水出口處的氣/液分離器的氣體出口連接，而排泄器的出口與疊層的燃料流場(chǎng)連接.在另一實(shí)施方案中，建立壓力的排泄器的主進(jìn)口與陰極空氣泵連接，其次進(jìn)口連接至在燃料電池疊層的冷卻劑/水出口處的氣/液分離器的廢氣口，而排泄器出口與陰極空氣流場(chǎng)連接.
可以在冷卻劑/水流動(dòng)通道的進(jìn)口或出口處使用其它的裝置來實(shí)踐本發(fā)明，用以建立足夠的氣體壓差，保證通道中各處的液體/氣體混合物的速度大于零(或沒有)，從而防止氣體在通道內(nèi)的聚集，而這種聚集可能會(huì)妨礙或阻止液體的流動(dòng)。
從氣/液分離器回收的水可再循環(huán)至疊層當(dāng)中，例如從利用蒸發(fā)式冷卻的燃料電池的冷凝器輸出中輸送回收的水.在其它實(shí)施方案中可以通過與燃料電池疊層的冷卻刑/水進(jìn)口的連接使水返回.
在廢燃料注入冷卻刑/水通道的本發(fā)明的實(shí)施方案中，可以將所有的廢燃料注入到通道當(dāng)中，無需廢燃料的轉(zhuǎn)流，因?yàn)榭倸怏w流速對(duì)冷卻劑/水通道來說是合適的.或者，可以只使用一些廢燃料.此外，廢燃料出口控制閥提供用于引入到通道當(dāng)中的適當(dāng)壓力的氣體.本發(fā)明的這種形式的益處在于， 一些廢燃料可以從冷卻刑或水通道經(jīng)多孔反應(yīng)氣體流場(chǎng)板進(jìn)行擴(kuò)散，在燃料電池疊層的陰極內(nèi)被消耗，這將有利地減少燃料電池發(fā)電裝置的氫排放.
如果通過利用由燃料源驅(qū)動(dòng)的排泄器對(duì)冷卻刑/水通道的出口施加負(fù)壓力來實(shí)施本發(fā)明，則經(jīng)冷卻劑/水通路吸入到排泄器次進(jìn)口中的少量空氣將進(jìn)入到燃料流中，并將作為燃料中的空氣放泄源，用以提高燃料電池疊層對(duì)燃料中的一氧化碳和/或其它污染物的耐受性.
在本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施方案中，陽極廢氣連接至冷卻刑/水通道進(jìn)口.通道出口與排泄器的次進(jìn)口連接.排泄器的控制(主)進(jìn)口連接至燃料源，出口與燃料電池疊層的燃料進(jìn)口連接.除了上文所述的其它優(yōu)點(diǎn)之外，在這種配置當(dāng)中，大部分廢燃料經(jīng)排泄器再循環(huán)返回至燃料進(jìn)口.
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，陰極廢氣經(jīng)冷凝器通往包括氣/液分離器的冷卻劑/水通道的進(jìn)口，從而對(duì)冷卻劑進(jìn)口提供耐凍的液氣雙相混合物.分離器氣體出口中的廢氣是可控的，從而能提供流過通道的一系列氣
體，其流速從極微到顯著不等，且消除了泡沫.本發(fā)明的這種形式排除了使用冷凝物的蓄液器或儲(chǔ)存器，使兩相流體從冷凝器流至冷卻劑/水通道進(jìn)口，從而使從冷凝器到燃料電池疊層的返流明顯更抗凍.在這種形式中，冷凝器可包括以采用本發(fā)明的燃料電池疊層為動(dòng)力的汽車的散熱器.
本發(fā)明排除了泵的使用并使液體存量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多，從而使燃料電池更堅(jiān)固和更耐凍.如附圖所示，根據(jù)以下本發(fā)明的典型實(shí)施方案的詳細(xì)描述可以更加顯而易見本發(fā)明的其它方面、特征及優(yōu)點(diǎn).


圖1為能夠修改成使用本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻的燃料電池系統(tǒng)的簡化程式框圖.
圖2為采用微小水通道的一對(duì)燃料電池的局部分段側(cè)立視圖，為清楚起見省略了分段線.
圖3-7為根據(jù)本發(fā)明相應(yīng)實(shí)施方案的在冷卻刑通道上具有氣體壓力的蒸發(fā)式冷卻的燃料電池系統(tǒng)的簡化程式框圖.
圖8為將來自陰極廢氣冷凝器的耐凍雙相冷凝物直接通往冷卻劑通路進(jìn)口的蒸發(fā)式冷卻的燃料電池系統(tǒng)的簡化程式框圖.
圖9為采用本發(fā)明的燃料電池為動(dòng)力的汽車的簡化略困，利用其散熱器為陰極廢氣冷凝器.
圖IO為圖6實(shí)施方案的修改方案的簡化程式框圖，具有主動(dòng)式冷卻劑管理，在燃料電池之間的冷卻器板中采用直接的冷卻劑抗凍劑.
具體實(shí)施例方式
采用蒸發(fā)式冷卻的燃料電池系統(tǒng)披露在2005年9月19日提交的序列號(hào)為11/230， 066的美國申請(qǐng)中，本文參考圖l和2對(duì)其進(jìn)行描述.在上述申請(qǐng)中，燃料電池疊層37從進(jìn)口 42接收燃料；燃料在前半個(gè)燃油流場(chǎng)中通向左邊，然后由燃料轉(zhuǎn)向歧管43轉(zhuǎn)向右邊，通過另一半的疊層并通過燃料出口 47.由空氣泵52將空氣經(jīng)空氣進(jìn)口 53泵入到疊層37中的氧化劑反應(yīng)氣體(空氣)流場(chǎng)當(dāng)中；水蒸發(fā)到空氣當(dāng)中，從而冷卻燃料電池38 (圖2).氧化劑反應(yīng)氣體通路的流出物57流經(jīng)冷凝器59，其中熱量被轉(zhuǎn)移而水得以回收并經(jīng)管道60返至水/氣分離器，該水/氣分離器也用作儲(chǔ)存器64.任何水中的氣體經(jīng)排氣62被清除.水經(jīng)管道65返回，通過冷卻劑進(jìn)口 66進(jìn)入疊層37中的冷卻劑通道.諸如水的冷卻劑從水進(jìn)口 66流入，流經(jīng)疊層37中的冷卻劑通道78、 85(圖2)，往上流向出口 68.
在圖2中，燃料電池38各自包括常規(guī)的膜電極組件72，該組件包括電解質(zhì)，在電解質(zhì)的相反側(cè)上帶有陽極和陰極催化劑，且該組件可能在一個(gè)或兩個(gè)電極上包括氣體擴(kuò)散層.燃料反應(yīng)氣體流過燃料反應(yīng)氣體流場(chǎng)板75上的通路74，所迷燃料反應(yīng)氣體流場(chǎng)板75上具有溝槽76，溝槽76與相鄰燃料電池上的溝槽77 —起在燃料電池38的接合處79a 上形成微小的水通道78.在陰極側(cè)，氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)板81包括空 氣流動(dòng)通路82和溝槽83，溝槽83與相鄰燃料電池上的溝槽84 —起在 燃料電池的接合處86上形成微小的水通道85.
為了阻止溢流，通道中的水壓要比諸如由空氣泵和調(diào)壓燃料提供的 反應(yīng)氣體的壓力低一至十千帕，
通道可以不由所示的匹配溝槽形成，例如通過只在反應(yīng)氣體流場(chǎng)板 75、 81的一個(gè)上提供通路76、 83或77、 84來形成.
如美國專利5, 700， 595披露的那樣，在具備外部水處理且通過水傳 輸板使用大量水流的燃料電池發(fā)電裝置中，反應(yīng)氣體流場(chǎng)板75、 81呈 現(xiàn)為與水傳輸板相同，有時(shí)被稱為細(xì)孔板.然而，由于當(dāng)采用蒸發(fā)式冷 卻時(shí)，每體積的水在冷卻效力上有約四十倍的改善，上述'595專利中 水流通路的截面比圖2中的水通道78、 85的截面大數(shù)十倍.
在前述專利申請(qǐng)的另一實(shí)施方案中，具有傳導(dǎo)性、親水性且具有高 透水性的材料層在反應(yīng)氣體流場(chǎng)板75、 81的幾乎整個(gè)平面上延伸，取 代形成溝槽的通道78、 85,這種材料可以為碳纖維紙，纖維在水運(yùn)動(dòng) 的方向上排列，從而有利于平面內(nèi)的透水性，或者其可以為通常用作燃 料電池?cái)U(kuò)散介質(zhì)的其它材料.
水通道通常很小，且能夠提供蒸發(fā)式冷卻所需的水.此外，水流除 供蒸發(fā)式冷卻所需之外，還可以幫助消除從反應(yīng)氣體通路中漏進(jìn)的氣 泡。該水流能有助于系統(tǒng)中循環(huán)水的去離子化(軟化).這種水流只有通 過燃料電池外部具備充分存水量的泵和管件來提供才是充足的，這在冷 凍的氣候下是不利的.
參考圖3,所示為本發(fā)明在基本上如上述圖l所描述的燃料電池發(fā) 電裝置中的一個(gè)一般性實(shí)施方案，但具有另外的細(xì)節(jié)和元件.在圖3中， 含氫氣體源76流經(jīng)閥77到達(dá)燃料進(jìn)口 42.閥77由控制器79調(diào)節(jié). 燃料出口 47向燃料再循環(huán)泵81供給，所述再循環(huán)泵將廢燃料返回到燃 料進(jìn)口 42，這是常規(guī)的.燃料出口還與由控制器79調(diào)節(jié)的放泄閥84 連接，用以定期或以緩慢的放泄速率釋放出一些廢燃料，從而消除循環(huán) 燃料中積累的一些雜質(zhì)，尤其是氮.流過放泄閥84的廢燃料可在催化 轉(zhuǎn)化器中發(fā)生反應(yīng)或被送往氧化刑反應(yīng)物流，如美國專利6， 124, 054中 披露的那樣.控制器還可以控制空氣泵52和空氣進(jìn)口 53之間的閥87, 冷卻刑出口在該實(shí)施方案中為水出口 68，它是一種氣/液分離器， 例如疏水多孔塞，其中氣體被容許從排氣口 90逸出，而冷卻劑(例如水) 被容許流過液體出口 91和管道88、通過管道60和儲(chǔ)存器64返回至水 進(jìn)口 66.由任何選定的加壓氣體源92(上文所述)經(jīng)由控制器79調(diào)節(jié)的 閥93將氣體提供到冷卻劑進(jìn)口 66.所需氣體的量相當(dāng)少，壓力是低的； 加壓氣體剛好足以保證氣體和冷卻劑(在此實(shí)施方案中為水)的混合物 流經(jīng)冷卻劑通路，從而確保在冷卻刑通路的各處上的冷卻刑速度均大于 零.這種流動(dòng)確保氣體無法累積成泡，而這種泡能阻礙冷卻劑的流動(dòng)和 /或加濕流體的流動(dòng)，在該實(shí)施方案中上述兩者均為通過冷卻劑通路的 水的流動(dòng).
參考圖4，本發(fā)明的一個(gè)簡單實(shí)施方案利用一部分來自氧化刑泵52 的空氣，在通到水進(jìn)口 66之前其流量由閥93的作用而顯著減少.
圖5所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該實(shí)施方案對(duì)水通道提供正壓 力和負(fù)壓力.在圖5中，冷卻劑出口 68的排氣口 90與排泄器97的次 進(jìn)口 96連接，排泄器的控制進(jìn)口 98與陰極空氣泵52連接；排泄器的 出口 100經(jīng)閥87通至空氣進(jìn)口 53,經(jīng)閥93通至冷卻刑進(jìn)口 66.在該 實(shí)施方案中，來自冷卻劑流場(chǎng)的氣體在流經(jīng)排泄器、空氣流場(chǎng)和冷凝器 之后最終從儲(chǔ)存器64排出.
在圖6所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，燃料出口 47經(jīng)閥103與冷卻 刑進(jìn)口 66連接.燃料利用率在90X左右或以上的燃料電池提供的廢燃 料量適于流經(jīng)冷卻劑通路，這就消除了在通往冷卻劑進(jìn)口 66之前分離 廢燃料流或進(jìn)行其它調(diào)整的任何必要性。通過經(jīng)由控制器79的控制閥 103的調(diào)節(jié)，很容易使得廢燃料的出口壓力適合于通往冷卻刑通路.該 實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)在于， 一些廢燃料會(huì)從冷卻劑通路中擴(kuò)散出去，通過多 孔氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)板，在疊層的陰極上被消耗.額外廢燃料的消耗 減少了系統(tǒng)中的氫排放，這是一個(gè)附加的益處.
在圖6中，排泄器97處于燃料進(jìn)口線路上。在這種情況下，控制 進(jìn)口 98經(jīng)由閥77與含氫氣體源76連接.次進(jìn)口與冷卻劑出口 68的排 氣口 90連接.排泄器91的出口 100經(jīng)由閥105與燃料進(jìn)口 42連接， 閥77和105可由控制器調(diào)節(jié)，從而提供通過排泄器97的所需的壓力關(guān) 系.該實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，從陰極空氣中攝入到冷卻劑當(dāng)中的少量空氣通過排泄器97被吸入到燃料流中，它也可以作為燃料中的空氣 放泄源，從而提高燃料電池疊層對(duì)燃料中的污染物的耐受性，特別是對(duì) 一氧化碳的耐受性，它大部分被轉(zhuǎn)化成二氧化碳.
為了確?？諝夥判共贿^度，可以設(shè)計(jì)排泄器以限制其最大的低壓氣 體通入量，和/或可以使用氫傳感器池原位檢測(cè)是否有過量的空氣通往 燃料進(jìn)口 42.這個(gè)組合的附加優(yōu)點(diǎn)在于，大部分的廢燃料將再循環(huán)至 燃料進(jìn)口.如在其它實(shí)施方案中的那樣，燃料放泄閥84可以將燃料排 出到催化燃燒器或疊層的陰極進(jìn)口中.
本發(fā)明有利的實(shí)施方案是圖5和6所示的組合；也就是說，使空氣 進(jìn)口或廢燃料與冷卻劑進(jìn)口連接，提供由進(jìn)口空氣或燃料驅(qū)動(dòng)的排泄 器，并使其次進(jìn)口與冷卻劑排氣口連接.
示于圖7的本發(fā)明的另一實(shí)施方案類似于圖6的實(shí)施方案.圖7所 示的是，可以通過例如燃料再循環(huán)泵107提供燃料的再循環(huán).如果在任 何情況下認(rèn)為有必要的話，在燃料再循環(huán)回路上可以隨泵107設(shè)置調(diào)節(jié) 閥.
圖7還顯示到，氣/液分離器68的液體出口 91無須為了將水返回 至儲(chǔ)存器64而與管道60連接.替代的情況是，管道109可以引導(dǎo)水的 排出.在困3-6所示的任何實(shí)施方案中也可以采用這一特征(從出口 91 排水).
在圖8的實(shí)施方案中，儲(chǔ)存器64沒有排氣口，因此來自冷凝器59 的冷凝物和剩余的陰極廢空氣二者以雙相混合的形式經(jīng)管道60、 65被 送往氣/液分離器66a，在該實(shí)施方案中氣/液分離器66a包括冷卻刑進(jìn) 口 .水出口 106通往冷卻劑通路，氣體出口 107經(jīng)受控閥108連接至廢 氣口.通過控制氣體出口的回壓， 一定量的氣體將流過冷卻劑通路，液 體從無到起泡，掃流而過.
在燃料電池電動(dòng)汽車120(圖9)中，圖8的實(shí)施方案在使用該實(shí)施 方案的燃料電池疊層37的發(fā)電裝置中是極為適用的.在這種情況下， 冷凝器59為常規(guī)的汽車散熱器59a,儲(chǔ)存器64通常與散熱器在其底部 相結(jié)合.除了在需要的情況下提供經(jīng)過冷卻刑通路的消泡流動(dòng)以外，該 實(shí)施方案還具有附加的優(yōu)點(diǎn)，即攜帶作為雙相流體的冷凝物和陰極度空 氣通過管道60、 65.這將壓低雙相流體水部分的冷凍溫度.通過省略 儲(chǔ)存器，這也最大限度地減少了疊層外部的液態(tài)水的體積，而疊層外部的冷凍風(fēng)險(xiǎn)是更大的，因?yàn)槲磁c疊層的廢熱有熱交流.采用這種實(shí)施方
案使得返回管道60、 65中的冷凍風(fēng)險(xiǎn)最小化.
水氣分離器66a可以與冷卻劑進(jìn)口歧管結(jié)合，或者可以與冷卻刑進(jìn) 口歧管相鄰.在各實(shí)施方案中，可以控制閥108，從而使不會(huì)有氣體或 者離開分離器66a存在的一些氣體或所有的氣體通過水出口 106.
在圖IO的AWM燃料電池系統(tǒng)中，氣體進(jìn)入冷卻劑進(jìn)口 66和離開冷 卻劑出口 68的交流與上文參照?qǐng)D6的描述相同.在圖IO中，冷卻刑進(jìn) 口 66和冷卻劑出口 68之間的液體通道為水管理通道，如以參見方式引 入本文的上述出版物中所描述的那樣.由使冷卻劑循環(huán)的冷卻器板122 提供冷卻，冷卻劑通常含有諸如乙二醇的抗凍組分.冷卻劑在位于冷卻 器板和冷卻劑管理系統(tǒng)124之間的管道123、 124中傳導(dǎo)，所述冷卻劑 管理系統(tǒng)具備溫度和組分控制功能(例如，抗稀釋)，如所述的出版物中 所描述的那樣.
冷卻器板可置于每相鄰的一對(duì)燃料電池之間，但通常對(duì)每二至四個(gè) 燃料電池放置一塊.
在圖10的實(shí)施方案中，是水造成了電池內(nèi)通道中的非零速度.帶 有電池間冷卻的燃料電池系統(tǒng)可以采用本文描述的其它技術(shù)來實(shí)現(xiàn)進(jìn) 口 66和出口 68之間的水管理通道中的非零水流動(dòng).
本發(fā)明可用于如2005年12月1日提交的專利申請(qǐng)PCT/US 05/43942 中所披露的、使用抗凍混合物的蒸發(fā)式冷卻的燃料電池中.
權(quán)利要求
1. 燃料電池發(fā)電裝置中的一種方法，所述燃料電池發(fā)電裝置具有燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在冷卻劑進(jìn)口(66)和冷卻劑出口(68)之間的冷卻劑通道(78，85)，所述方法的特征在于使氣體(92，52，96，47；60，65)與(a)所述冷卻劑進(jìn)口和(b)所述冷卻劑出口中的至少一方連通，其保證所述冷卻劑通道中的流體速度大于零。
2. 燃料電池發(fā)電裝置，包括燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在冷卻劑進(jìn)口 (66)和冷卻劑出口 (68)之間的冷卻刑通道(78， 85); 其特征在于在(a)所述冷卻劑進(jìn)口和(b)所述冷卻劑出口中的至少 一 方與氣體 (92, 52, 96, 47; 60， 65)之間流體連通，其保證所述冷卻劑通道中的流 體速度大于零.
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述流體連通是在所述冷卻劑進(jìn)口 (66)與氣體(92，52， 47; 60, 65)之間，該氣體的壓力大于所述冷卻劑出口 (68)處的冷卻劑壓力.
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述冷卻劑出口 (68 )包括具有氣體出口 (90)的氣/液分離器(90/91);以及所述流體連通是在所述氣體出口與氣體(96)之間，該氣體的壓力低 于所述冷卻刑進(jìn)口 (66)處的冷卻劑壓力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述冷卻劑出口 (68)包括具有氣體出口 (90)的氣/液分離器(90/91);以及所述流體連通包括(a)所述冷卻劑進(jìn)口 (66)與氣體(52，47)之間的 連通，該氣體的壓力大于所述冷卻劑出口處的冷卻劑壓力，和(b)所述 氣體出口 (90)與氣體(96)之間的連通，該氣體的壓力低于所述冷卻刑進(jìn) 口 (66)處的冷卻劑壓力.
6. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于所述流體連通是在加壓氣體源(92， 47, 52; 60, 65)與所迷冷卻劑進(jìn) 口 (66)之間.
7. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(81)與空氣出口 (57)連接；冷凝器(5 9)具有與所述空氣出口 (5 7)連接的流體進(jìn)口并具有流體 出口；以及所述流體連通包括所述壓縮機(jī)的所述出口與所述冷卻刑進(jìn)口 (66) 之間的連通(60, 65).
8. 燃料電池發(fā)電裝置，包括燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在冷卻刑進(jìn)口 (66)和冷卻劑出口 (68 )之間的冷卻劑通道(78，85)、連接在燃料進(jìn)口 (42)和燃料出口 (47)之間的燃料反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(75)、連接在空氣進(jìn)口 (53)和空氣出口(57 )之間的氣化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(81)、置于所述流 場(chǎng)板之間包括陽極和陰極催化劑的膜電極組件，至少 一個(gè)所述板為多孔 及親水性的；其特征在于在(a)所述冷卻劑進(jìn)口、 (b)所述冷卻劑出口或者(c) (a)和(b)兩 者，與氣體(92，52，96，47; 60， 65)之間有流體連通，其提供所述冷卻劑 通道上的足夠壓差，從而保證所述冷卻劑通道中各處的水/氣混合物的 速度大于零.
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述流體連通是在所迷冷卻劑進(jìn)口 (66)與泵(52)之間，該泵(52)經(jīng)所述空氣進(jìn)口 (53)對(duì)所述氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)(82)供應(yīng)空氣.
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述流體連通是在所述燃料出口 (47)與所述冷卻刑進(jìn)口 (66)之間.
11. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述冷卻劑出口 (68)包括具有氣體出口 (90)的氣/液分離器(90/91);以及所述流體連通包括(a)所述冷卻劑進(jìn)口 (66)與空氣泵(52)之間的連 通，該空氣泵(52)對(duì)所述燃料電池供應(yīng)氧化刑反應(yīng)氣體，和(b)所述氣 體出口 (90)與排泄器(97)的次進(jìn)口 (96 )之間的連通，該排泄器(97)具 有與所述空氣泵連接的主進(jìn)口 (98)和經(jīng)所述空氣進(jìn)口 (53)與氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)(81)連接的排泄器出口 (100).
12. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 含氫氣體源(75);所述冷卻劑出口 (68)包括具有氣體出口 (90 )的氣/液分離器 (90/91);以及所述流體連通包括(a)所述燃料出口 (47)與所述冷卻劑進(jìn)口 (66)之 間的連通，和(b)所述氣體出口 (90)與排泄器(97)的次進(jìn)口 (96)之間的 連通，該排泄器(97)具有與所述含氫氣體源連接的主進(jìn)口 (98)并具有與 所述燃料進(jìn)口 (42)連接的排泄器出口 (100).
13. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 冷凝器(59);以及來自與所述冷卻劑進(jìn)口 (66a)流體連通(60， 65)的所述冷凝器的冷 凝物和氣體雙相流.
14. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 冷凝器(59);所述冷卻劑進(jìn)口 (66)包括具有液體出口 (106)和氣體出口 (107)的 氣/液分離器(66a);以及所述流體連通是從所述空氣出口 (57)經(jīng)所述冷凝器至所述冷卻劑 進(jìn)口 (66).
15. 燃料電池發(fā)電裝置，包括燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在冷卻刑進(jìn)口 (66)和冷卻劑出口 (68 )之間的冷卻刑通道(78，85)、連接在燃料進(jìn)口 (4 2)和燃料出口 (4 7)之間的燃料反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(7 5)、連接在空氣進(jìn)口 (53)和空氣出口(57 )之間的氧化劑反應(yīng)氣體流場(chǎng)板(81)和置于所述 流場(chǎng)板之間包括陽極和陰極催化劑的膜電極組件，至少一個(gè)所述板為多 孔及親水性的；其特征在于(a)所述空氣出口與(b)所述冷卻劑進(jìn)口之間的流體連通。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 冷凝器(59);所述冷卻劑進(jìn)口 (66a)包括具有氣體出口 (107)的氣/液分離器 (107/108);以及所述流體連通是從所述空氣出口 (57)經(jīng)所述冷凝器至所述冷卻刑 進(jìn)口 (66a),
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述冷凝器(59)為燃料電池動(dòng)力汽車(120)的散熱器(59a).
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池發(fā)電裝置，包括 控制器(79);其進(jìn)一步特征在于所述分離器(107/108)具有由所述控制器控制的氣體出口 .
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述流體連通包括所述空氣出口與所述冷卻刑進(jìn)口之間的冷凝器(59);以及所述流體連通是從所述冷凝器至所述冷卻劑進(jìn)口的兩相氣/液流.
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池發(fā)電裝置，其進(jìn)一步特征在于 所述冷凝器(59)是燃料電池動(dòng)力汽車(120)的散熱器(59a).
21. 燃料電池發(fā)電裝置中的一種方法，所述燃料電池發(fā)電裝置具有 燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在進(jìn)口 (66)和出口 (68)之間的水通道(78，85)，所述燃料電池發(fā)電裝置還具有冷卻器板 (122)，所述冷卻器板(122)置于至少一些所述燃料電池對(duì)之間，并與冷 卻劑管理系統(tǒng)(125)互連(123， 124)，所述方法的特征在于氣體(92， 52, 96， 47; 60， 65)與(a)所述水進(jìn)口和(b)所述水出口中的至少一方連通，其保證所述水通道中的流體速度大于零.
22. 燃料電池發(fā)電裝置，包括燃料電池(38)的疊層(37)，每個(gè)燃料電池具有連接在水進(jìn)口 (66) 和水出口 (68)之間的水通道(78, 85); 冷卻劑管理系統(tǒng)；置于至少一些所述燃料電池對(duì)之間并與所述冷卻劑管理系統(tǒng)(125) 互連(123,124)的冷卻器板(122);其特征在于使(a)所述水進(jìn)口和(b)所述水出口中的至少一方與氣體 (92, 52, 96, 47; 60， 65)之間連通的裝置，其保證所述水通道中的流體速 度大于零.
全文摘要
通過在冷卻劑通路上提供氣體的流動(dòng)來保證在燃料電池疊層(37)中的燃料電池(38)的冷卻劑通路(78，85)內(nèi)的各處上的冷卻劑速度大于零，該流動(dòng)是由加壓氣體源(92)的氣壓、氧化劑反應(yīng)物空氣泵(52)、含氫燃料源(75)或燃料出口(47)或者冷凝器(59)的流出物所造成的。可以對(duì)冷卻劑進(jìn)口(66)施加正壓力，或者可以對(duì)冷卻劑通路的氣體出口(90)施加來自排泄器(97)的負(fù)壓力，或者兩者兼而有之。使用氣體來促使冷卻劑通路之內(nèi)的流動(dòng)消除了使用消泡液體泵的需要并減少了液體存量以及其它管件；這使得燃料電池發(fā)電裝置更加耐凍。來自可以是汽車散熱器(120)的冷凝器的雙相流使冷卻劑返流更加耐凍?？梢噪S冷卻劑管理系統(tǒng)(125)使用單獨(dú)的冷卻器板(122)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101485028SQ200580052427
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者M·L·佩里, R·M·達(dá)林 申請(qǐng)人:Utc電力公司