專利名稱：燃料電池系統(tǒng)水量平衡方案的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學轉換電池，通常指燃料電池，通過處理第一和第二反應物來提供電能。例如，能夠通過含氧氣體的還原和富氫氣體的氧化在燃料電池中產(chǎn)生電能。為了說明而非限制性的，典型電池包括設置在容納反應物的相應個體的流場對之間的膜電極組件。更加明確地，可以將陰極流場板和陽極流場板設置在該膜電極組件的相對側上。單個電池單元提供的電壓通常太小不能實際應用，因此通常將多個電池排列成導電的耦合“堆”以提高電化學轉換組件的電輸出。
背景技術：
作為背景技術，該轉換組件通常包括膜電極組件、陽極流場和陰極流場。膜電極組件依次包括分隔陽極和陰極的質子交換膜。除了其它的組元，該膜電極組件通常包括由大表面面積支撐材料所支撐的催化劑并且以在濕潤條件下的增強的質子傳導系數(shù)為特征。出于描述本發(fā)明的前后文的目的，需要指出的是燃料電池和燃料電池堆的通常構造和操作方式超出本發(fā)明的范圍。相反，本發(fā)明指的是特定流場板構造和關于其設計的一般概念。關于燃料電池和燃料電池堆的通常構造和操作，應用是指覆蓋構成燃料電池“堆”以及燃料堆的各種部件的方式的教導的巨大集合。例如，大量美國專利和已公開申請直接地與燃料電池構造和相應的操作方法有關。更加明確地，美國專利申請公開號2005/0058864的圖1和圖2以及附帶的文本給出了一種燃料電池堆的部件的詳細描述并且以參考文獻的形式將這種特定主題明確地包括在這里。

發(fā)明內容
提供了一種用于改進系統(tǒng)中的整體水量平衡的燃料電池系統(tǒng)及其操作方案。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種電化學轉換組件，包括至少一個配置成將第一和第二反應物轉換為電能的電化學轉換電池。該電化學轉換組件包括配置成提供增濕反應物給該組件的陰極流場部分的反應物源和配置成提供冷卻流體給該組件的冷卻劑流場部分的冷卻劑源。該冷卻劑流場部分定義了以具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域為特征的運行冷卻劑溫度曲線。設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域相比反應物輸入端和反應物輸出端被放置在更靠近具有相對低冷卻劑溫度Tmin的區(qū)域的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使得和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域相比具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域被放置于與反應物輸入端和反應物輸出端的熱交換更緊密的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了操作電化學轉換組件的方案，其中設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使得和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域相比具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域被放置于與反應物輸入端和反應物輸出端的熱交換更緊密的位置。另外，在反應物輸入端將反應物增濕到至少大約100％RH，并且操作冷卻劑源以維持所述冷卻劑輸出端溫度TOUT，不超過所述冷卻劑輸入端處的溫度TIN以上10℃。
相應地，本發(fā)明的目的是提供改進的燃料電池系統(tǒng)及其操作方案。按照這里具體的發(fā)明描述本發(fā)明的其它目的將是顯而易見的。


結合下面附圖能夠很好地理解本發(fā)明的特定實施例的下述詳細描述，在附圖中用相同的附圖標記表示相同的結構，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電化學轉換組件的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的電化學轉換組件的示意圖；以及圖3是當在整個組件中進行電化學轉換反應時電化學轉換組件中的相對濕度的圖示。
具體實施例方式
在圖1和圖2中示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的兩個替換實施例的電化學轉換組件10。在每一個實施例中，該組件包括多個排列成燃料電池堆20的電化學轉換電池。如上所述，設置該堆20的每個電池以將從相應的反應物源來的反應物轉換為電能。該組件10還包括陰極反應物源30、陽極反應物源(未示出)和冷卻劑源40。
雖然在本發(fā)明的范圍內陰極、陽極和冷卻劑源可以采取不同的形式，但圖1和圖2中示意性地描述的陰極反應物源30包括空氣壓縮機32和配置成增濕陰極反應物并將增濕的反應物，如空氣，提供給燃料電池堆20的陰極流場部分的增濕器34。為了清楚而在圖1和圖2中被忽略的陽極反應物源配置成將額外反應物，例如氫氣或含氫氣體，提供給燃料電池堆20的陽極流場部分。圖1中示意性地描述的冷卻劑源44包括冷卻劑泵42和配置成將冷流體提供給燃料電池堆20的冷卻劑流場部分的散熱器44。
陰極流場部分定義了一個或多個反應物輸入端36、一個或多個反應物輸出端38、和不同反應物流體通道35陣列，每一個通道均與反應物輸入端36和反應物輸出端38相連。類似地，冷卻劑流場部分定義了一個或多個冷卻劑輸入端46、一個或多個冷卻劑輸出端38、和不同冷卻劑流體通道45陣列，每一個通道均與冷卻劑輸入端46和冷卻劑輸出端48相連。如將被熟悉燃料電池流場設計的人員所承認的，典型的陰極流場可以被設計得比本發(fā)明的圖1和圖2所示的更加精細。需要明確地，在圖1和圖2中示意性地描述的不同反應物流體通道35陣列僅僅是為了描述反應物流體通道35與定義冷卻劑流場的冷卻劑流體通道45相關聯(lián)的一般形式。典型地，該流體通道35、45將包括多個與一個或多個流體集管相連的輸入端和輸出端，并且將比圖1和圖2中所示的更加緊密封裝和外形更加精細。
不管陰極和冷卻劑流體通道35、45所定義的特定形式，冷卻劑流體通道45將定義以具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域為特征的操作冷卻劑溫度曲線。本發(fā)明者已經(jīng)承認能夠通過設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使得和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域相比反應物輸入端36和反應物輸出端38被放置于更靠近具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域的位置來實現(xiàn)該特定操作優(yōu)勢。根據(jù)本發(fā)明的不同陳述，可以設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使得和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域相比具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域被放置于與反應物輸入端和輸出端36、38的熱交換更緊密的位置。
以這種方式，能夠改進整體水量平衡，這是由于陰極反應物以相對低的溫度脫離陰極流場并因此能夠帶走較少的水蒸汽。另外，通過將陰極反應物導入溫度相對低的陰極流場，為達到堆20的最小濕度需要的水量就較少。即使是在陰極入口36的相對濕度(RH)達到100％時的完全增濕入口條件下，這種方法允許較高的冷卻劑出口溫度。例如，并不是限制性的，通過按照如上所述的方式設置相應的陰極和冷卻劑流場，能夠保持冷卻劑出口溫度在大約76℃，同時保持冷卻劑輸入溫度大約68℃，陰極入口RH在大約100％，以及陰極出口RH在大約164％。如圖3中所示的，其示出了運行在這些條件下的堆的預期RH曲線的表示，期望堆內的局部濕潤水平在整個堆中至少是大約100％RH。
為了達到上述目標，可以設置圖1和圖2中示出的冷卻劑和反應物流體通道的各個陣列以使相對靠近反應物輸入端36和輸出端38的反應物流體通道35的部分被放置在與相對靠近一個或多個冷卻劑輸入端46的冷卻劑流體通道45的那些部分相連的位置。具體地，參考圖1和圖2中所示的設置，可以設置陰極和冷卻劑流場部分以使從反應物輸入端36流向反應物輸出端38的陰極反應物從與冷卻劑流動方向基本方向一致的流動模式轉變?yōu)榕c冷卻劑流動方向基本方向相反的流動模式。結果，方向一致流動模式的特征是通常提高冷卻劑溫度曲線而方向相反流動模式的特征通常降低冷卻劑溫度曲線。
如上所述，可以將電化學轉換組件10設置成包括多個被排列成燃料電池堆20的電化學轉換電池，以使每個電池的各個有效面積定義在該堆20內相互平行放置的主要表面。如圖1所示意的，可以將冷卻劑輸入端46和冷卻劑輸出端48沿這些主面的相對邊設置，同時將反應物輸入端36和反應物輸出端38沿有效面積面的相應的共同邊設置。因此，可以描述反應物流場部分定義了基本U一型反應物流動圖案。相反，圖2中的結構包括沿有效面積的相對邊設置的反應物輸入端36和反應物輸出端38。在圖2中，冷卻劑流場部分定義了相對緊密地匯聚在有效面積的冷卻劑輸出邊的基本匯聚冷卻劑流動圖案。
雖然本發(fā)明的結構可以應用為不同方式，在一種操作模式中，設置增濕器34和冷卻劑源30以增濕反應物并控制反應物流場的溫度以使反應物在反應物輸入端36處接近至少大約100％RH而在反應物輸出端38接近至少大約164％。更進一步，可以設置增濕器34、冷卻劑源40和反應物及冷卻劑流場以使在反應物輸入端36和反應物輸出端38之間反應物保持或超過大約100％RH。當然，RH值隨操作溫度和壓力而改變。
為了增加RH穩(wěn)定性，可以設置增濕器34、冷卻劑源40和反應物及冷卻劑流場，以保持在冷卻劑輸出端48處保持溫度TOUT，不超過在冷卻劑輸入端46處的溫度TIN以上大約10℃。另外，預期可以設置增濕器34、冷卻劑源40和反應物及冷卻劑流場保持TMAX不超過TMIN以上大約10℃。
特定地參考圖1和圖2中所示的水隔膜50，應該注意的是設置反應物輸出端38以將增濕的反應物引導到水隔膜50。然后水隔膜50將水引導到增濕器34并將余下的反應物輸出流作為去濕反應物排出。增濕器34使用來自水隔膜50的水來增濕流向反應物輸入端36的反應物。在這種方式下，在反應物出口38處重新獲得用于增濕的在反應物入口36處需要的額外水量并再次流向反應物入口。更進一步，當水在反應物38處以及堆20內的各處被濃縮時，燃料電池堆內的熱負載增加了增濕器34所需的相同量，因此冷卻劑散熱器44上的凈余熱負載保持不變。
應當注意的是這里使用的如“優(yōu)選”、“通常”和“典型地”等的詞匯并不是為了限制本中請發(fā)明的范圍或暗示確定特征是臨界的、本質的或甚至是對本申請發(fā)明的結構或功能重要的。相反，這些術語僅僅是為了突出本發(fā)明的某一個實施例中有或沒有的可替換或附加特征。
為了描述和定義本發(fā)明的目的，應當注意的是這里使用詞匯“基本上”是為了表示由任何定量對照、數(shù)值、測量或其他形式所帶來的不確定性的固有程度。這里也使用詞匯“基本上”來表示不導致討論的主題的基本功能改變的由所述的參考文獻帶來的定量描述的變化程度。
由于已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明和參照其中的特定實施例，顯然在不偏離由附帶的權利要求所定義的本發(fā)明的范圍的條件下可以進行修改和變化。更加明確地，雖然本發(fā)明的某些方案在這里是作為優(yōu)選的或獨特的有利方案，可以預期的是不需要將本發(fā)明限制在該方面的這些優(yōu)選方案。
權利要求
1.一種電化學轉換組件，包括至少一個設置成轉換第一和第二反應物為電能的電化學轉換電池，所述電化學轉換組件包括設置成提供增濕反應物給所述電化學轉換組件的陰極流場部分的反應物源和設置成提供冷卻流體給所述電化學轉換組件的冷卻劑流場部分的冷卻劑源，其中所述陰極流場部分定義了反應物輸入端和反應物輸出端；所述冷卻劑流場部分定義了冷卻劑輸入端、冷卻劑輸出端和以具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域為特征的運行冷卻劑溫度曲線；以及設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使所述反應物輸入端和所述反應物輸出端相對于所述具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域被放置于更靠近所述具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域的位置。
2.如權利要求1所述的電化學轉換組件，其中所述陰極流場部分包括不同反應物流體通道陣列，每一個通道與所述反應物輸入端及反應物輸出端相連；所述冷卻劑流場部分包括不同冷卻劑流體通道陣列，每一個通道與所述冷卻劑輸入端及冷卻劑輸出端相連；以及設置所述冷卻劑和反應物流體通道的各個陣列以使相對靠近所述反應物輸入端和所述反應物輸出端的所述反應物流體通道的部分被放置于基本對準相對靠近所述冷卻劑輸入端的所述冷卻劑流體通道的部分的位置。
3.如權利要求1所述的電化學轉換組件，其中設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域相對于具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域被放置于與反應物輸入端和反應物輸出端的熱交換更緊密的位置。
4.如權利要求1所述的電化學轉換組件，其中設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使從所述反應物輸入端流向所述反應物輸出端的陰極反應物從(i)與從所述冷卻劑輸入端流向所述冷卻劑輸出端的冷卻劑的流動模式基本方向一致的流動模式轉變?yōu)?ii)與從所述冷卻劑輸入端流向所述冷卻劑輸出端的冷卻劑的流動模式基本方向相反的流動模式。
5.如權利要求4的電化學轉換組件，其中設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使與所述方向相反流動模式相關聯(lián)的所述運行冷卻劑溫度曲線的部分的特征在于當所述反應物到達所述反應物輸出端時降低的冷卻劑溫度。
6.如權利要求5的電化學轉換組件，其中設置陰極流場部分和冷卻劑流場部分以使與所述方向一致流動模式相關聯(lián)的所述運行冷卻劑溫度曲線的部分以隨著所述反應物離開所述反應物輸入端增加的冷卻劑溫度為特征。
7.如權利要求1所述的電化學轉換組件，其中所述電化學轉換電池定義了有效面積；所述冷卻劑輸入端和所述冷卻劑輸出端被沿所述有效面積的相對邊設置；以及所述反應物輸入端和所述反應物輸出端被沿所述有效面積的公共邊設置。
8.如權利要求7所述的電化學轉換組件，其中所述反應物流場部分定義了基本U型反應物流動模式。
9.如權利要求1所述的電化學轉換組件，其中所述電化學轉換電池定義了有效面積；所述冷卻劑輸入端和所述冷卻劑輸出端沿所述有效面積的相對邊設置；以及所述反應物輸入端和所述反應物輸出端沿所述有效面積的相對邊設置。
10.如權利要求9所述的電化學轉換組件，其中所述冷卻劑流場部分定義了基本匯聚冷卻劑流動圖案。
11.如權利要求10流場部分的電化學轉換組件，其中所述冷卻劑流動模式相對緊密地匯聚在所述有效面積的所述冷卻劑輸出邊。
12.如權利要求1流場部分的電化學轉換組件，其中所述電化學轉換組件進一步包括用于增濕所述反應物的增濕器和用于引導所述冷流體通過所述冷卻劑流場部分的冷卻劑源。
13.如權利要求12流場部分的電化學轉換組件，其中設置所述增濕器和所述冷卻劑源以增濕所述反應物在所述反應物輸入端至少達到大約100％RH和在所述反應物輸出端至少達到大約164％。
14.如權利要求12流場部分的電化學轉換組件，其中設置所述增濕器、所述冷卻劑源和所述反應物及冷卻劑流場以使所述反應物在所述反應物輸入端和所述反應物輸出端之間保持在100％RH或以上。
15.如權利要求12流場部分的電化學轉換組件，其中所述增濕器、所述冷卻劑源和所述反應物及冷卻劑流場設置成保持在所述冷卻劑輸出端處的溫度TOUT，不超過所述冷卻劑輸入端處的溫度TIN以上10℃。
16.如權利要求12流場部分的電化學轉換組件，其中所述增濕器、所述冷卻劑源和所述反應物及冷卻劑流場設置成保持TMAX，低于TMIN以上10℃。
17.如權利要求12流場部分的電化學轉換組件，其中設置所述增濕器和所述冷卻劑源以使所述反應物在所述反應物輸入端增濕到至少大約100％RH，以及在整個所述冷卻劑流場保持TMAX和TMIN之間的差別低于大約10℃。
18.如權利要求1的電化學轉換組件，其中所述電化學轉化組件包括排列成燃料電池堆的多個電化學轉化電池、水隔膜和增濕器，其中所述燃料電池堆包括多個陰極流場部分，每一個陰極流場部分與所述反應物輸出端相連；設置所述反應物輸出端以使增濕的反應物流向所述水隔膜；設置所述水隔膜以使水流向所述增濕器并排除去增濕反應物；以及設置所述增濕器以使其與所述反應物源共同來增濕所述反應物。
19.一種電化學轉換組件，包括至少一個配置成轉換第一和第二反應物為電能的電化學轉化電池，所述電化學轉換組件包括配置成提供增濕的反應物給所述電化學轉換組件的陰極流場部分的反應物源和配置成提供冷流體給所述電化學轉換組件的冷卻劑流場部分的冷卻劑源，其中所述陰極流場部分定義了反應物輸入端和反應物輸出端并包括不同反應物流體通道陣列，每一個通道與所述反應物輸入端及所述反應物輸出端相連；所述冷卻劑流場部分定義了冷卻劑輸入端、冷卻劑輸出端，并包括不同冷卻劑流體通道陣列，每一個通道與所述冷卻劑輸入端及所述冷卻劑輸出端相連；所述冷卻劑流場部分包括不同冷卻劑流體通道陣列，每一個通道與所述冷卻劑輸入端及所述冷卻劑輸出端相連，并定義了以具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域為特征的運行冷卻劑溫度曲線；設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使具有相對低冷卻劑溫度TMIN的所述區(qū)域相對于具有相對高冷卻劑溫度TMAX的所述區(qū)域被放置于與反應物輸入端和反應物輸出端的熱交換更緊密的位置。
20.用于運行包括至少一個用于轉化第一和第二反應物為電能的電化學轉化電池的電化學轉換組件的方案，所述電化學轉換組件包括用于提供增濕的反應物給所述電化學轉換組件的陰極流場部分的反應物源和用于提供冷流體給所述電化學轉換組件的冷卻劑流場部分的冷卻劑源，其中所述方案包括設置所述陰極流場部分以使其定義了反應物輸入端和反應物輸出端；所述冷卻劑流場部分定義了冷卻劑輸入端、冷卻劑輸出端和以具有相對低冷卻劑溫度TMIN的區(qū)域和具有相對高冷卻劑溫度TMAX的區(qū)域為特征的運行冷卻劑溫度曲線；設置所述陰極流場部分和所述冷卻劑流場部分以使具有相對低冷卻劑溫度TMIN的所述區(qū)域相對于具有相對高冷卻劑溫度TMAX的所述區(qū)域被放置于與反應物輸入端和反應物輸出端的熱交換更緊密的位置；以及在所述反應物輸入端增濕所述反應物到至少大約100％RH。
21.用于運行包括如權利要求20的電化學轉化電池的電化學轉換組件的方案，其中操作所述冷卻劑源以保持在所述冷卻劑輸出端處的溫度TOUT，不超過所述冷卻劑輸入端處的溫度TIN以上10℃。
22.用于運行包括如權利要求20的電化學轉化電池的電化學轉換組件的方案，其中運行所述冷卻劑源以保持在TMAX，低于TMIN以上10℃。
23.包括如權利要求1所述的電化學轉換組件的交通工具，其中所述電化學轉換組件作為所述交通工具的動力源。
全文摘要
提供了一種燃料電池系統(tǒng)及其運行方案以改進系統(tǒng)中的整體水量平衡。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了電化學轉化組件，其中冷卻劑流場部分定義了以具有相對低冷卻劑溫度T
文檔編號H01M8/04GK1945884SQ200610146489
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權日2005年10月4日
發(fā)明者S·G·格貝爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司