专利名称：燃料电池堆设计和操作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及燃料电池堆和操作燃料电池堆的方法。
背景技术：
燃料电池已在很多应用中被用作动力源，比如，已提出在电动车辆的动力装置中使用燃料电池以取代内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢被提供至燃料电池的阳极，氧作为氧化剂提供至阴极。典型的PEM燃料电池和它的膜电极组件(MEA)分别在1993年12月21日和1994年5月31日授权的并共同转让给通用汽车公司的美国专利No.5272017以及No.5316871中有所描述。膜电极组件包括薄的、质子传导、不导电的固体聚合物电解质膜，在其一表面上有阳极催化剂，在相对表面上有阴极催化剂。
根据上下文，术语“燃料电池”一般用于指单个电池或者多个电池(堆)。多个单个电池一般捆在一起形成燃料电池堆。电池堆中每个电池包括膜电极组件提供增加的电压。电池堆中多个电池的通常布置如在转让给通用汽车公司的美国专利No.5763113中所描述的。
夹置膜电极组件的导电元件可包括在其表面上排列的一排通道或者沟槽，用于在相应的阴极和阳极表面上分配燃料电池气体反应物。在燃料电池堆中，多个电池串连连接叠置在一起，通过不透气的导电双极板相互隔开。一般地，单通过设计(single pass-through design)，反应物通过单独的进口岐管和集管被提供至燃料电池中。从进口岐管提供气流至进口集管，反应物比如阳极流，被分为供给单电池的多条流动路径。所有反应物(在这个例子中为阳极流)作为废气离开单电池，在出口集管中混合并通过出口岐管排出电池堆。在单通过设计中，所有电池的阳极侧具有相同的氢气进口浓度。
引导反应物气体的单通过设计的缺点是，燃料电池堆不能在低化学计量下稳定的工作；也就是说，需要接近大流量的反应物来满足给定的功率输出。因此，很难获得高效的氢气或者氧气使用率。结果是，系统效率无法优化。
公知的可以部分修正上述情况的堆设计，比如授权给Strasser的美国专利No.5478662中的堆设计所述。在例如Strasser设计的电池堆中，设置单独组的平行电池，其中每个组的每个电池内的流动相平行，并且来自每个组的所有流体流在组之间串连流动。一种典型的电池堆设计，每个堆组具有一个进口岐管和一个出口岐管，并且每个出口岐管具有排水管用于收集反应产物水。如果没有排水，水会在随后的电池组中累积。在这些堆设计中，单个燃料电池的数量通常会变化，其中初始或者上游段包含最大数量的单个燃料电池，而随后每个段中提供减少数量的燃料电池。采用这种类型的构造，一系列段中最后一段通常具有最少数量的单个燃料电池。
当作为重整产物的反应气体中含有流过电池堆的惰性成分时，普通的组合电池堆设计会出现不足。保持通过每组电池堆的重整燃料中的惰性气体部分由于在每段中燃料电池数量的减少而浓缩，并形成控制电池堆总体压力降的最终电池堆段。通常地，进入燃料电池堆的氢的重整产物流包括体积百分比40％左右的氢气。剩余部分体积包括氮气和其他气体。燃料电池堆仅仅消耗氢气(生成水)，因此占阳极气体体积60％的惰性气体流过电池堆中的每个组。这一部分体积的惰性气体决定了沿电池堆最小组的压力降。当使用空气作为阴极气体时，气流中氧浓度一般在20％-40％体积之间。剩余的大约60％-80％体积的阴极气流含有氮气以及其它惰性气体。
上述串连/并联电池堆设计提供贯穿整个电池堆的蛇形流动模式。蛇形流动路径形成了或是水平通过电池堆的、或者在一个或多个段需要克服重力的阳极侧和阴极侧反应物气流。燃料电池中水的累积阻碍了反应物与燃料电池催化剂材料的接触，由此降低了电池堆效率。在非重力辅助组中产生的水必须强制与反应物气体一起通过电池，或者允许与反应物流动方向相反“回流”以从电池堆中除去，这降低了燃料电池堆的效率。
发明内容
本发明的电池堆设计可以克服燃料电池堆的上述缺陷。本发明的电池堆设计中加入了燃料电池元件的独立段，在每个段中设置相等的或者不同数量的燃料电池元件。设置每个段以在每个燃料电池内沿着重力辅助方向提供气流。通过允许阳极侧或者阴极侧的整个气流、或者阳极侧和阴极侧的气流在电池堆中包括全部电池中的一部分的段中分布，该种布置增加了燃料电池堆操作的稳定性。
在优选的实施例中，一般具有最大百分比的堆燃料电池的第一段耗尽了进入该段的最大百分比的反应物。布置第一段以提供向下的或者重力辅助的气流通过每个电池。排出第一段的反应物被引导至其中设置较少数量燃料电池的第二段，也同样布置第二段以提供重力辅助气流。第二段反应掉来自反应物流中的绝大部分剩余燃料。如有必要，可以使用第三或者更多电池段，以最大化利用反应物流中的氢气和氧气。每个段提供并联的燃料电池，并且设置用于重力辅助气流通过段中的每个电池。通过本发明的设计改进了电池堆的整个化学计量。
隔板段设置在每个电池堆段之间，其中所有排出前一段的气流都被引导通过隔板段。在一个优选实施例中，隔板段被设置在一对缺少膜电极组件(MEA)的双极板之间。隔板段的目的是在燃料流中不发生任何反应，因此也不产生附加的水的情况下，改变所有来自该段出口或者下部的气流方向，进入下一个连续段的进口或者上部。每个隔板段都是邻接燃料电池元件的独立段的结构构件。单独的隔板段被设置在燃料电池的每两个段之间，以分别改变独立气流组即阳极气流、阴极气流和冷却剂流动的方向。在该电池堆段的下部收集从每个气流段排出的气流，并改变方向向上至下一个连续段的顶部进口，以形成“级联的”电池堆设计。提供了仅在重力辅助方向即向下的方向通过独立的燃料电池段的气流。
在每个独立的段中作为反应产物生成的水，在每个随后的隔板段的底部被收集排出。这部分体积的水通过排水管路流至电池堆的排出口。确保在每个电池堆段形成的水沿着重力辅助方向从每个隔板段底部的重力排水出口排出，并且提供一种有效地去除电池堆中产生的液态水的方法。
本发明的另一个方面为每个燃料电池段内的燃料电池元件提供了对改进的气流几何形状的选择使用。通过改进流体通道几何形状，即增大流体通道的尺寸或者改变在至少一个所选段中的燃料电池元件的长度，可以使用含有不同体积百分比的惰性气体的反应物重整气流。重整燃料流通常含有与反应气体即氢气体积相比更多的惰性气体。举例来说，合适的重整燃料流初始含有体积约40％的氢气以及体积约60％的惰性气体。当气流横向穿过电池堆并且氢气发生反应生成水时，水被排出，在气流中剩下的惰性气体体积增加。因此，基于氢气体积的减少，适宜的是减少连续段中燃料电池的数量。保持燃料电池尺寸的同时减少燃料电池的数量可导致下游段中的压力降增加，由此控制或者限制通过电池堆的燃料气流。通过增加所选下游段中燃料电池的横截面积，可使压力降不随电池数量的减少而增加。由于在保持净流量的条件下使用更少的燃料电池，结果是在降低成本的同时增加了效率。由此燃料电池堆未反应的惰性气体不会控制穿过电池堆的整体压力降。
在本发明的又一个方面中，提供通过独立段的冷却剂串流。冷却剂在反应物进入电池堆的地方进入电池堆端部，并跟随燃料气流。串流的优点是冷却剂在最低温度下在最干燥的反应气体进入电池堆的点处进入电池堆，为进口气体提供最大的反应气体温度降，和由此的最大相对湿度。为进入的反应气体提供最低的温度降低了气体的露点，并且需要非常少的水蒸气产物以获得通过电池堆的燃料气流所需的100％的相对湿度。在电池堆的每个段中提供100％左右的相对湿度(RH)通常是所希望的，因为水连续生成并且过多的液态水阻碍了气流和氢气与燃料电池接触。
本发明的其它应用领域通过下文中给出的详细描述将变得清楚。应该理解的是，详细描述和具体例子，尽管指出是本发明的优选实施例，也仅仅是旨在说明的目的而非是对本发明范围的限定。
图1为单独燃料流通过典型的三组燃料电池堆的透视图，该燃料电池堆具有流过电池堆的蛇形通道；图2为单独气流通过根据本发明原理的典型的两段燃料电池堆的横截面图；图3为本发明优选实施例的结构透视图，其具有较大的燃料电池第一段和较小的燃料电池第二段，其中为了清楚起见去掉了隔板段；图4为基于图3的透视图，图中进一步示出了用于本发明重整燃料电池堆的流动路径；以及图5为单独气流通过根据本发明原理的典型的两段燃料电池堆的局部截面透视图。
具体实施例方式
下面优选实施例的详细描述本质上仅是示例性的，不是旨在对本发明、其应用或者使用的限制。
参见图1，所示为具有电池堆外壳4的蛇形燃料电池堆2的单独的反应物部分。第一电池组6包括向多个并联的第一燃料电池10中的每一个提供输入气流的进口集管8。通过第一燃料电池10中每一个电池的气流被排放进入第一联合集管12。第一联合集管12进一步向第二电池组16的多个并联的第二燃料电池14中的每一个提供输入气流。通过第二燃料电池14中每一个电池的气流被排放进入第二联合集管18。第二联合集管18向第三电池组22的多个并联的第三燃料电池20中的每一个提供输入气流。通过第三燃料电池20的气流排出到出口集管24。反应物气流通过出口集管24从燃料电池堆2的电池堆外壳4中排出。
如图所示，阳极气流或者阴极气流沿下面的流动方向A进入燃料电池堆2。从进口集管8输入气流被划分进入多个第一燃料电池10，第一电池组6中的气流沿着向上的流动方向B流动。在第一联合集管12中，所有的第一电池组6中的气流改变至流动方向C，如图所示。第二电池组16的第二燃料电池14中的气流沿向下的流动方向D流动。在第二联合集管18中，所有的第二电池组16中的气流被改变方向重新沿下面的流动方向A流动，如图所示。第三电池组22的第三燃料电池20中的气流方向与第一电池组6的气流方向相似，或者沿向上的流动方向B流动，如图所示。第三燃料电池20排放进入出口集管24，并且在出口集管24中的混合气流沿图中所示的排出气流方向E从燃料电池堆中排出。
如图1所示，在每个邻接电池组中的气流沿着相反的方向流动。不可能使燃料电池堆2取向，使得每个电池组中的每个电池气流沿着重力辅助方向流动，也就是沿向下的流动方向D流动。在图1的典型布置中，只有第二电池组16中的气流是向下沿着重力辅助流动方向流动的。在第一电池组6和第三电池组22的每个电池中的气流方向是与重力方向相反的，因此，在这些电池中形成的水将或者逆着反应物气流流动方向排出，或者必须通过反应物气流被推动通过每个电池。这使得用于燃料电池堆2中水管理的布置不如预期，由此导致更难控制燃料电池堆2中的相对湿度。
现在参见图2，图中示出了根据本发明原理的典型燃料电池堆。图2给出了一种级联设计的燃料电池堆30，具有级联电池堆本体32。级联电池堆本体32进一步包括第一段34和第二段36。阳极反应物的典型流动方式如图所示。
第一段34进一步包括与多个第一段燃料电池40流体连通的第一段进口集管38。第一段燃料电池40中的每一个相互并联设置，每一个都具有从第一段进口集管38进入，然后排放进入第一段出口集管42的反应物气流。第一段出口集管42与隔板段44流体连通。
隔板段44将第一段34与第二段36机械连接以及流体连接。隔板通道46在第一段出口集管42和第二段进口集管48之间提供流体连通。
第二段36进一步包括与多个第二段燃料电池50流体连通的第二段进口集管48。第二段燃料电池50中的每一个相互并联设置，每一个都具有从第二段进口集管48进入，然后排放进入第二段出口集管52的反应物气流。在该实施例中，第二段出口集管52收集并排出所有来自燃料电池堆30的气流。
本发明燃料电池堆30的段以连续的成对段的方式布置。第一段34作为上游段，其中气流从第一段34向下流到第二段36，横穿电池堆。假如使用第三(或者更多)段，那么第二段36与第三段(未示出)相比就变为上游段，等等。
阳极气流(示出)沿着第一段输入流方向F进入级联燃料电池30。阴极气流(未示出)与图2所示的相似。从第一段进口集管38，阳极气流被改变方向沿着图中所示的第一段气流方向G流入第一段燃料电池40中。所有进入电池堆中的输入流横穿第一段燃料电池40。从第一段燃料电池40中排出的气流沿着第一段出口方向H进入第一段出口集管42。
所有从第一段34排出的气流进入隔板段44的隔板通道46中，并被改变方向沿着改道方向J流动。从隔板通道46，所有气流被改变方向进入第二段36的第二段进口集管48中。从第二段进口集管48，气流从第二段输入流方向K转向到第二段流动方向L.第二段36中的所有气流在第二段燃料电池50中流动。第二段燃料电池50的排出气流进入第二段出口集管52。第二段出口集管52中的联合气流沿着电池堆出口方向M从电池堆中排出。
级联燃料电池堆30所提供的优点在于，所有燃料电池被布置以提供如第一段气流方向G和第二段气流方向L各自所示的，此处为通常向下的重力辅助气流方向的“单向”气流。通过提供仅仅沿着重力辅助方向流过活性电池的单向气流，反应过程产生的水受到通过燃料电池的气体流速以及重力的作用进入单个段的各自出口集管42和52中。如图所示通过在第一段34和第二段36之间设置隔板段44，通过来自相邻电池堆段的热传导以及来自电池堆反应物和冷却剂流的对流热传递，隔板段44可以达到燃料电池堆的平均工作温度。
在使用中，在燃料电池堆被构造设置一上部54，其中紧邻堆上部设置电池堆进口孔56。同时，本发明燃料电池堆被构造设置一下部58，其中设置电池堆出口孔60。阳极或者阴极气流通过电池堆上部的孔进入电池堆，并且通过设置在电池堆下部的孔排出电池堆。
通过引导燃料电池反应过程产生的水进入电池堆下部，水可以有利地被排出。在本发明图2中所示的实施例中，水通过与下部隔板段62的排水区N相连的排水管(未示出)从燃料电池堆中排出。每个隔板段都有一个与下部隔板段62的排水区N相似的排水区。隔板排水区N中排水管的位置排出了所有电池堆段产生的大部分水。通过在进入下一段之前去除所有或者大部分液体，段之间的相对湿度可以控制在100％左右。
现在参见图3，图中示出了本发明燃料电池堆的两个分开的段的简易视图。图中示出优选的实施例具有较大的第一燃料电池段70，与具有较少数量燃料电池的第二段72相接近。为简单起见，隔板段没有在该图中示出。第一段70包括分别设置在进口面板79上的阴极进口74、冷却剂进口76以及阳极进口78。同时图中示出，在第一段70中具有分别设置在出口面板85上的阳极出口80、冷却剂出口82和阴极出口84。
相似的，第二段72包括分别设置在进口面板91上的阴极进口86、冷却剂进口88和阳极进口90。第二段72还包括分别设置在出口面板97上的阳极出口92、冷却剂出口94以及阴极出口96。图3中的识别图例按照递增的尺寸分别代表了阳极、冷却剂和阴极气流。
现在参见图4和图5，进一步对图3所示的两段燃料电池堆进行详细描述。图中示出了用于重整燃料的优选实施例流动路径。为了重整气的使用，优选实施例在燃料电池堆中每个段的上部都提供了阴极和阳极气流进口。这提供了阳极和阴极反应物从电池堆顶部到底部的流动，也就是在每个电池堆段中向下的单向流动。
参见图4，阴极气流进入进口面板79的阴极进口74，阳极气流进入进口面板79的阳极进口78。第一段70的阳极和阴极侧的气流都是单向的，或者是沿着从第一段70的上部到第一段70的下部的重力辅助方向。阴极气流通过出口面板85上的阴极出口84排出，而阳极气流通过出口面板85上的阳极出口80排出。
从第一段70排出的阳极气流和阴极气流被隔板通道(未示出)引导至第二段72的上部，分别进入第二段72的进口面板91上的阴极进口86和阳极进口90中。阳极气流和阴极气流从该段的上部到该段的下部横穿第二段72。阳极气流通过阳极出口92排出第二段72，阴极气流通过阴极出口96排出第二段72，两个出口都位于出口面板97上。冷却剂通过从第一段70进口面板79上的冷却剂进口76到出口面板85上的冷却剂出口82的路径横穿图4所示燃料电池堆的两个段，随后被隔板通道(未示出)引导至进口面板91上的冷却剂进口88，然后通过第二段72出口面板97上的冷却剂出口94排出。
图4示出了用于反应物和冷却剂通过根据本发明的典型的两段燃料电池堆的优选流动路径。使用空气和重整气作为燃料流。阳极气体和阴极气体中一般含有占总体积很大比例(即大于20％体积)的惰性气体。阳极和阴极燃料流优选首先流过具有最大数量燃料电池的段，使氢和氧反应生成水并产生电流。因此，第一段70消耗最大百分比的燃料。因此，第一段70产生最大电压。具有减少数量燃料电池的第二段72进一步使阳极和阴极流体反应，以抽取大部分剩余的氢。第二段72由此将产生相对于第一段70低一些的电压。第一段70和第二段72的总体平均电压将高于具有穿过单组燃料电池平行流动的燃料电池堆的电压。
如图4所进一步所示，阴极气体通过阴极出口84排出第一段70，在阴极出口84中，附带水在阴极气体从阴极进口86进入第二段72之前由水分离器98分离。阳极气体通过阳极出口80排出第一段70。在第一段70和第二段72之间，阳极气流中的附带水同样通过水分离器100被去除。水分离器98和水分离器100分别设置在独立隔板段(未示出)内，第一段70的阴极出口和阳极出口上。
参见图5，所示为燃料电池堆的另一个实施例的透视图。图5所示的燃料电池堆改进了图4中所示燃料电池的流动通道中反应物流动的方向，使隔板段流动通道中的反应物气流呈现将在下面进一步限定的“交叉流动”构造，而不是通常如图4所示的垂直向上的流动构造。典型的阳极气体流在第一段70的上部进入，一般由阳极进口78处的气流箭头O表示。阳极气体从阳极进口78进入第一段进口集管104。第一段进口集管104的顶端被隔板段106封闭，迫使所有第一段进口集管104中的气流进入多个第一段电池108中。所有的进口气体向下横穿第一段电池108然后排放进入第一段出口集管110中。从第一段出口集管110，气流从段出口孔112排出第一段70，然后进入隔板段106的隔板流动通道114中。隔板流动通道114改变气流方向向上流至第二段72的第二段进口集管116。第二段进口集管116的顶端或是被附加的隔板段106或者被封闭构件(未示出)封闭，迫使第二段进口集管116中的所有气流进入多个第二段电池118中。所有来自第二段进口集管116的气流向下横穿第二段电池118，然后排放进入第二段出口集管120。气流从由气流箭头P所示的方向从第二段出口集管120排出第二段72。
最佳如图5所示，对于典型的第一段70，阳极进口78和第一段进口集管104优选设置在进口面板79上与阴极进口74和其阴极进口集管122(为清楚，显示为虚线)相对的一侧。流过第一段电池108的阳极气体流如所示斜向下流动。阴极气体流(未示出)同样从阴极进口集管122到阴极出口集管124斜向下流动，以使阴极和阳极气流为相互之间“交叉流动”的构造。在另一个优选的实施例中(未示出)，阳极进口78和阴极进口74设置在进口面板79的同侧。在该实施例中，阳极气流和阴极气流相互间为“平行流动”构造，比如说，从进口面板79看为从左上部到右下部。在阳极/阴极气流的两个实施例中，即两个“交叉流动”和“平行流动”实施例，就第一段70和第二段72而论，阳极气流和阴极气流在燃料电池中总是沿着单方向或者总体向下流动的方向流动。
冷却剂通道优选与阴极气流通道呈平行流动关系进行布置。相对于每个电池堆段中的阳极通道，冷却剂通道由此也可以按照上述平行流动或者交叉流动构造进行布置。还优选布置冷却剂通道，以使冷却剂沿着单向流动方向，也就是沿着相对于每个电池堆段总体向下的流动方向流动。但是，冷却剂通道不需要如同图2中隔板排水区N的低点排水区域。由此，冷却剂通道可以以多种构造进行布置。
每段中燃料电池的数量是可调的，并由反应物类型决定。每种反应物气流沿单方向或者重力辅助方向经过每段中的电池，反应物通过每个段被逐渐的消耗掉。对于任意给定的总进口和出口流量，多段电池堆每个段的化学计量都高于所有电池作为一个电池单元进料的单通过电池堆的化学计量。本发明的级联燃料电池堆的总化学计量与非级联电池堆的相似，但是，本发明的级联电池堆的每个段内的化学计量更高。燃料电池的设计一般假定大约10％-11％的氢燃料没有被消耗。因此，假如110单位的氢进入电池堆，100单位左右的氢将发生反应生成电流，而10单位左右的将作为未消耗氢而从电池堆中排出。由此，化学计量为110/100＝1.1。
假如对级联电池堆进行再分，比如100个电池的电池堆，第一段具有67个电池，第二段具有33个电池，两个段将具有不同于、高于电池堆总体的化学计量。在典型布置中，在上述给定的相同氢流量下，仍然存在1.1的整体电池堆化学计量。在第一段内，进入110单位的氢，但是仅仅67单位的氢被消耗掉，由此第一段的化学计量为110/67＝1.64。剩余43单位的氢进入第二段，在这里33单位的氢被消耗掉，得出第二段化学计量为43/33＝1.30。优化设计提供了每个段相等的化学计量，大约1.4至1.5的化学计量。典型的第一段中电池的数量可以增加用以在两段中都产生1.4至1.5之间的化学计量。
使用级联电池堆设计，在保持整体电池堆化学计量的同时提高了总体电池堆电压。举例来说，在以上实例中，第一段具有67个电池将产生高于第二段的电压，这既因为横穿第一段的反应物总体积，也因为由于具有更少数量的电池第一段的气体流速更高。增加的流速以及改进的排水，与单通过电池堆设计中的相似电池组相比改进了氢与氧的反应。第二和后面的电池堆段的电压一般将低一些，因为第一电池堆段已经反应了可用氢的大部分，但是，由于本发明的改进每个段的效率都提高了。
在使用重整燃料的优选实施例中，阳极和阴极气流在第一段的上部进入电池堆。通过每个段的气流是单向的，即每种流体都是沿着重力辅助大体向下的方向流动。在任何阳极和阴极元件中产生的水收集在一起并在上述每个隔板通道的底部排出。由于隔板通道位于电池堆段之间，因此通道温度由冷却剂温度自动控制。所有隔板通道中的气体温度将由此被调节至冷却剂温度直到隔板通道中的水蒸汽达到通道/冷却剂露点温度，且所有过剩的液态水离开进入隔板排水通道。该“自动”温度控制的优点在于进入每个段的反应物气体的相对湿度大约为100％。
到达连续段进口的每种阳极和阴极气体的相对湿度为100％左右，为每个段提供饱和的气流。这就取消了为每个段提供附加的外部温度控制的需要。由于燃料在每个单个段中反应，气流的平均温度从一个段到下一个段升高，但是因为通过各段的重力辅助流动路径和隔板通道的使用，液态水在段之间被有效地排出，使相对湿度保持在100％左右。
本发明燃料电池堆具有多个优点。本发明燃料电池堆中的每个段都提供重力辅助流动，设置在每个段之间的隔板段有效地从电池堆中去除水并控制电池堆中的湿度。通过在每个段中提供重力辅助流动以及提供具有不同数量燃料电池元件的独立的段，本发明允许燃料电池堆在独立段之间化学计量变化的条件下工作并提供更高的工作效率。本发明燃料电池堆的平均电压输出将超过全部气流通过元件仅构成一个段的燃料电池。总体平均电池堆电压将同样高于非级联电池堆总电压。
以上对本发明的说明本质上仅仅是示例性的，由此，没有偏离本发明要旨的改变都将在本发明范围内。这样的改变不能视为偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种燃料电池堆，包括多个燃料电池，所述多个燃料电池被分成至少两个燃料电池段，每个所述燃料电池段中具有所述多个燃料电池的一部分设置在其中，并被布置成相继的上游和下游段对；每段燃料电池的每个所述部分具有多条反应物气体通道，设有共同进口反应物气体通道和共同出口反应物气体通道；具有设置在所述上游段和所述下游段之间的隔板段的每对段，所述隔板段与所述上游段的所述共同出口反应物气体通道以及同一段对的所述下游段的所述共同进口反应物气体通道流体连通；以及所述至少两个燃料电池段的多条反应物气体通道中的每一条沿单向重力辅助流动方向进行设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，进一步包括所述至少两个燃料电池段的每一对被布置成由所述隔板段隔开的相邻段，所述隔板段在所述至少两个燃料电池段的每对之间形成连续结构连接部；以及具有大体上向上取向的流动通道的每个隔板通道在所述上游段的所述共同出口反应物气体通道和所述下游段的所述共同进口反应物气体通道之间提供流体连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中所述多条反应物气体通道包括一组阳极通道和一组阴极通道。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，进一步包括通过预选的一条所述共同进口反应物气体通道，所述组阳极通道与电池堆阳极进口端口流体连通；以及通过预选的一条所述共同出口反应物气体通道，所述组阳极通道与电池堆阳极出口端口流体连通。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，进一步包括通过预选的一条所述共同进口反应物气体通道，所述组阴极通道与电池堆阴极进口端口流体连通；以及通过预选的一条所述共同出口反应物气体通道，所述组阴极通道与电池堆阴极出口端口流体连通。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述组阴极通道中的每条通道与所述组阳极通道中的对应通道间呈交叉流动的关系进行设置。
7.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述组阴极通道中的每条通道与所述组阳极通道中的对应通道间呈平行流动的关系进行设置。
8.根据权利要求3所述的燃料电池堆，进一步包括通过共同进口冷却剂通道与电池堆冷却剂进口端口流体连通的一组冷却剂通道，所述组冷却剂通道与电池堆冷却剂出口端口流体连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其中所述组冷却剂通道中的每条通道与所述组阳极通道和所述组阴极通道中至少一个的对应通道邻近并呈平行流动的关系进行设置。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中每个段中的燃料电池的数量在所述至少两个燃料电池段中的每一个之间变化。
11.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中每个段中的燃料电池数量在每个段之间从电池堆的进口部分向电池堆的出口部分减少。
12.一种燃料电池堆，包括多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括在第一表面上的阳极催化剂和在第二表面上的阴极催化剂；多条阳极气体通道，每条所述通道被设置邻近所述多个燃料电池组件的相应一个所述第一表面；多条阴极气体通道，每条所述通道被设置邻近相应一个所述多个燃料电池组件的相应一个所述第二表面；所述多个燃料电池组件布置在至少两对相邻电池段中，其中所述多个燃料电池组件的所述多条阳极气体通道和阴极气体通道在所述电池堆的每个所述相邻段中沿单向重力辅助流动方向进行设置；以及每个所述至少两个相邻段之间设置至少一个隔板段，限定出大体上向上的流动通道，用于连接所述相邻段的多条所述阳极气体通道和所述阴极气体通道。
13.根据权利要求12所述的燃料电池堆，进一步包括阳极气体隔板通道，设置在每一所述对相邻段之间，与每一所述对相邻段中的阳极气体通道流体连通；和阴极气体隔板通道，设置在每一所述对相邻段之间，与每一所述对相邻段中的阴极气体通道流体连通。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中冷却剂通道被设置在所述多个燃料电池组件的任何两个连续燃料电池的所述第一和第二表面中的每一个之间。
15.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其中冷却剂隔板通道被设置在每一所述对相邻段之间，与每一所述对相邻段中的燃料电池组件的冷却剂通道流体连通。
16.根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中在每个所述电池段中生成的水被排放至最少一个电池堆排水管。
17.一种燃料电池堆，包括多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括在第一表面上的阳极催化剂和在第二表面上的阴极催化剂；多条阳极气体通道，每条所述通道被设置邻近所述多个燃料电池组件中相应一个的所述第一表面；多条阴极气体通道，每条所述通道被设置邻近所述多个燃料电池组件中相应一个的所述第二表面；所述多个燃料电池组件布置在至少两个相邻电池段中，其中每条所述阳极气体通道和所述阴极气体通道中的至少一条在所述段之间串连设置，并且至少一条所述阳极气体通道和所述阴极气体通道在所述电池堆的每个段中沿单向重力辅助流动方向进行设置；以及在至少一个预选段中的每条所述阳极和阴极气体通道具有变化的几何尺寸，用以控制所述阳极和阴极气体通道的压力降。
18.根据权利要求17所述的燃料电池堆，其中每个段中的燃料电池组件的个数在段对之间从电池堆进口部分向电池堆出口部分减少。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆，进一步包括每个所述段对为一个上游段和一个下游段；每个所述段对的每个所述段具有压力降；以及对于从电池堆进口部分至电池堆出口部分中的每个段对，所述下游段的所述压力降等于或小于所述上游段的所述压力降。
20.根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中通过增加所述下游段的每个燃料电池组件的宽度、和减小所述下游段的每个燃料电池组件的长度中的至少一个，减少了所述至少一个段对的所述下游段的所述压力降。
21.一种操作包括多个具有在其间延伸的多条反应物气体通道的燃料电池的燃料电池堆的方法，以及设置具有不同数量燃料电池的独立段的级联电池堆设计的方法，所述方法包括以下步骤布置所述段以形成每个都包括多个燃料电池的相邻段对，每个段中的燃料电池的数量是变化的用以改变每个段的化学计量；在所述电池堆的每个所述段中，沿着单向重力辅助流动方向定向所述多条燃料电池的所有反应物气体通道；在每个所述段对之间设置至少一条隔板通道；以及通过所述至少一条隔板通道连接每个所述段对之间的多条反应物气体通道，其中每个所述段中的所述反应物气体通道并联连接，并且每个所述段的所述反应物气体通道串连连接到相邻段上。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤从多个燃料电池以及每条隔板通道中收集水；以及将水排放到至少一个电池堆排水管。
全文摘要
一种具有至少两个燃料电池段的燃料电池堆，每个段具有反应物气体通道。每个段中的每个电池如此布置，以使每个电池的反应物气体通道相互之间并联。燃料电池流体的流动，一般为气体状态在每个电池的阳极和阴极侧上，沿着重力辅助向下的方向流动。重力辅助流动使在每个电池中形成的水向着电池堆段中更低的排出点流动。每个段对由具有隔板通道的隔板段分隔，隔板段形成一个完整的电池堆单元。每个隔板通道改变电池堆中每种流体的总体流动方向，从上游段的底部到下一个或者下游段的顶部而没有反应流体，控制电池堆段之间的相对湿度。
文档编号H01M8/24GK1695259SQ03824775
公开日2005年11月9日 申请日期2003年8月20日 优先权日2002年8月29日
发明者P·A·拉帕波尔特, J·A·罗克, A·D·博斯科, J·P·萨尔瓦多尔, H·加斯泰格尔, L·A·佩恩 申请人:通用汽车公司