用于燃料电池的冷却系统的制作方法
【专利说明】用于燃料电池的冷却系统
[0001]本发明涉及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，尤其(但不限于)在所述燃料电池以堆叠形式布置时。
[0002]常规电化学燃料电池将通常均为气体流形式的燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的普通类型的电化学燃料电池包括在膜电极组件(MEA)内的聚合物离子转移膜，也称为质子交换膜(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，可形成包括许多串联的MEA的堆叠，所述MEA布置有分开的阳极流体流动路径和阴极流体流动路径。此类堆叠通常以包括许多单个燃料电池板的块体的形式，所述燃料电池板通过堆叠的任一端处的端板保持在一起。
[0003]因为燃料与氧化剂的反应产生热量以及电能，所以一旦达到操作温度就需要冷却的燃料电池堆，以避免对燃料电池的破坏。可通过迫使空气通过阴极流体流动路径来实现冷却。在开放式阴极堆叠中，氧化剂流动路径和冷却剂路径是相同的，即迫使空气通过堆叠既为阴极供应氧化剂，又冷却堆叠。
[0004]开放式阴极、空气冷却的PEM燃料电池堆通常部署电机驱动的轴向、离心或切向的风机以提供阴极空气流需要。这些风机本质上是庞大的，并且趋于向燃料电池堆递送紊流的空气流。为了避免在燃料电池中的局部的热斑(其中通过堆叠的空气流可能减少)，优选对堆叠的入口面呈现良好分布的空气流。一种提供良好分布的空气流的方法是使用小心设计的充气室以在轴向、离心或切向的电机驱动的风机与燃料电池堆的入口或出口面之间对接，以便在燃料电池堆的入口或出口面处提供层式或近层式的流动。此类充气室本质上也是庞大的，并且空间约束很可能迫使其产生所需的层式流动的效力折衷。
[0005]本发明的目标是提供改进的用于向燃料电池堆提供冷却空气流的技术。
[0006]根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括:
[0007]燃料电池，其具有设置在阳极流体流板与阴极流体流板之间的膜电极组件，所述阴极流板限定用于向所述膜电极组件输送氧化剂的流动通道，所述流动通道具有入口和出P ;
[0008]等离子体放电风机，其被构造成产生空气流进入所述入口。
[0009]所述等离子体放电风机可被构造成产生空气流和臭氧流两者进入所述入口。所述燃料电池组件可包括以堆叠布置被构造的多个所述燃料电池，所述堆叠中的所述多个燃料电池的入口形成燃料电池堆的空气入口面，其中所述等离子体放电风机包括设置在堆叠空气入口面上的板结构。所述等离子体放电风机的板结构可被构造成将总体上均匀的空气流递送到堆叠空气入口面中遍布大体上其整个面积。所述板结构可包括邻近所述板结构的第一面的第一导电构件网格，以及邻近所述板结构的第二面的第二导电构件网格。所述等离子体放电风机的板结构可包括设置在第一导电构件网格与第二导电构件网格之间的空气流导引件的网络。所述等离子体放电风机的板结构可包括具有与燃料电池堆的空气入口面密封接合的前缘的框架。所述框架可支撑第一导电构件网格和与所述第一网格分开的第二导电构件网格，所述第一和第二网格被构造成分别提供下游电极网格和上游电极网格以供在所述网格之间产生空气流。所述等离子体放电风机还可被构造成向水冷却流动路径或向燃料电池的燃料供给线提供富含臭氧的气体的辅助供给。所述等离子体放电风机的面积可被分成多个单独可控制的区。所述燃料电池组件可包括被配置成用脉冲宽度调制信号驱动等离子体放电风机以改变通过其中的空气流的控制器。
[0010]根据另一方面，本发明提供冷却燃料电池的方法，所述燃料电池具有设置在阳极流体流板与阴极流体流板之间的膜电极组件，所述阴极流板限定用于向所述膜电极组件输送氧化剂的流动通道，所述流动通道具有入口和出口，所述方法包括；
[0011]部署等离子体放电风机以产生空气流进入所述入口。
[0012]现将通过示例的方式并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中:
[0013]图1示出燃料电池堆、用于该堆叠的常规空气流冷却的空冷风机和充气室组件的透视图；
[0014]图2示出用于与燃料电池堆一起使用的等离子体放电风机元件的示意透视图；以及
[0015]图3示出安装到燃料电池堆的图2的等离子体放电风机的示意透视图。
[0016]参照图1，示出包括许多燃料电池2的燃料电池堆1，所述燃料电池2以堆叠构造设置并且通过在燃料电池堆的每一侧处的端夹3保持压缩。端夹3与顶端板6和底端板7接合。堆叠I的正面4和背面5分别限定入口面和出口面，以供空气经过堆叠并且遍布堆叠中的每个电池的阴极。入口面4耦接到充气室壳体10，所述壳体10结合轴向种类的电机驱动风机11。轴向风机11产生空气流通过充气室壳体10，并且从而通过燃料电池堆I。充气室壳体10的形状被构造成将来自轴向风机10的空气流尽可能平均地分布到正面4中的堆叠的整个入口表面。如先前所述，轴向风机11和充气室壳体10占有相当大量的空间，并且由于空间约束和由常规电机驱动的轴向、离心或切向的风机固有产生的紊流，实现到堆叠的入口表面的最佳层式流动可以是困难的。
[0017]可能需要各种流动校正结构，例如提供不同的充气室体积以及充气室壳体10内部的形状或结构来促进跨燃料电池堆I的整个阴极入口面的均匀和层式空气流递送。这些校正对于向堆叠中的每个电池提供正确的冷却和氧化剂空气流从而保持相等的电池电压并且避免堆叠或单个电池内的局部的热斑可以是关键的。在充气室壳体内提供空气流校正结构还给系统增加体积，并且还可能依赖于通过机械限制迫使局部的压力降低，这例如通过增大电机驱动的风机11的电流消耗来克服更大的空气流阻力而增大了系统的寄生损失。
[0018]最近，已提出了使用微型固态风机来冷却诸如微处理器的电子部件。此类固态风机使用等离子体放电或电晕放电来产生局部的空气流或“电晕风”的原理。此类固态风机也可称为离子风栗或静电流体加速器。
[0019]在等离子体放电风机中，放电通过充电的导体周围的流体(例如，空气)的电离而实现。放电将在围绕导体的电场强度足够高以形成导电区域但不足够高以致使附近的物体电击穿或形成电弧时发生。
[0020]在空气中，在第一电极的端部处产生的高电场致使空气中的氧和氮分子变成带正电并且产生电晕。这些分子行进到第二电极(可能是接地电极)，在途中与中性空气分子碰撞。动量从电离的气体分子转移到中性空气分子，并且导致空气朝向第二电极的总体移动。
[0021]在本发明中，已认识到等离子体放电风机可以特别设计且适于以例如提供相较于用于空气冷却燃料电池和燃料电池堆的常规电机驱动的风机的若干显著优点的方式与燃料电池一起使用。
[0022]等离子体放电风机可以生成相当大量的臭氧(O3)作为副产物。臭氧在超过某一浓度的情况下可以是有害的，并且在等离子体放电风机的使用中，一般将必须控制或限制臭氧生成。然而，在如上所述的燃料电池的情况下，铂催化剂通常被提供在MEA的阴极电极上并且需要氧来完成跨PEM驱动质子的电化学反应。更大的氧浓度提供更好的电化学反应，并且因此提供来自燃料电池的更大可能的电输出。在该情况下，因为臭氧的存在增强了铂催化剂处的反应并且通过铂催化剂安全转化回氧气(O2)，所以显著数量的臭氧的生成既不是不利的，也不是安全危害。
[0023]适用于与燃料电池堆一起使用的等离子体放电风机的另一优点是一个或多个等离子体产生电极的形状和构造可以被设计成匹配燃料电池堆的输入面的较大面积，并且从而向燃料电池堆的整个输入面直接提供冷却空气的高效层式流动。从而可以完全避免如结合图1所述的充气室的使用，或至少大体上减少所述充气室的体积。
[0024]图2示出被构造用于与燃料电池堆I 一起使用的等离子体放电风机20的透视图。等离子体放电风机包括支撑第一导电线网格23和第二导电线网格24的矩形框架21、空气导流件25的网络，以及在框架21的前缘22上的密封构件26。密封构件26优选为弹性垫圈，其抵靠燃料电池堆I的正面4形成压缩密封，如图3中所示。在一端提供一对电端子27、28以分别与第一导电线网格23和第二导电线网格24建立电连接。电端子27、28可具有如所示的“扁头”型。
[0025]在图2中所示的布置中，第一导电线网格23是“下游”电极网格，并且可因此包括带负电的电极。第二导电线网格24是“上游”电极网格，并且可因此包括带正电的电极。带正电的(上游)电极用于通过从空气分子剥离电子来电离空气分子(氮和氧)。带正电的空气分子因此被吸引朝向下游电极，在相同的方向上与中性空气分子碰撞并且输送中性空气分子。
[0026]电极网格可以任何合适的形式来匹配燃料电池的几何结构，所述燃料电池附接至等离子体放电风机。因此，在所示的示例中，网格各自包括一系列形成矩形阵列的并行导线，所述矩形阵列在匹配燃料电池堆的输入面的平面面积上延伸。这最好参见图3，其中等离子体放电风机20被安装到燃料