专利名称：燃料电池系统的热控制的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及燃料电池，特别是涉及控制燃料电池的温度范围(temperature level)的方法。
背景技术：
燃料电池是电化学电池，其中将燃料氧化反应引起的自由能变化转变成电能。典型的燃料电池包括由离子导电电解液分隔的一燃料电极(阳极)以及一氧化电极(阴极)。这些电极通过一外电路导线被电连接到一负载(如电子电路)。实质上，若干这些单位燃料电池通常被堆叠在一起或“组成套(ganged)”形成一燃料电池组。通过将一个电池的阳极电流集电极与在该组中最邻近的阴极电流集电极邻接，将若干单个电池串联电连接。最近提出了并排相邻结构的另一种构造的燃料电池(U.S.专利号No.5,783,324)，其中若干单个电池在一平面排列中彼此邻近放置。这对气体输送问题和机械硬件的复杂性来说是一个极好的解决方案。
在一燃料电池中该电化学反应是发热。因此释放的热必须从该燃料电池中移出以避免电池过热。根据现有技术移出热的一个方法是通过使用导电热交换板，其中，一种冷却液流过该导电热交换板。在这种情况下，膜电极单元的两端与该导电板接触。在燃料电池组中通常冷却的另一种现有技术方法是在的单个燃料电池间使用一种专用的冷却装置。该专用的冷却装置被用来输送流体通过该燃料电池，从而将热移出这些电池。
燃料电池和堆叠式设计具有如上所述的一个的常规的冷却装置具有几个固有的缺陷。首先，典型的常规设计采用用于调节电池的工作温度的液体冷却系统。液体冷却系统的不利之处在于它们需要加入另外元件来将冷却剂引入以与燃料电池热接触。使流体工作的元件如泵或冷却风扇对电源的要求给系统增加了一种额外的负载，因此减少了可从电池该组中获得的有效功率。这些另外的元件也增加了燃料电池设计的体积、重量、复杂性以及成本。
许多燃氢式燃料电池使用来自一个氢化物容器的氢源作为燃料。在包含可逆金属氢化物的一个容器中存储氢是燃料电池领域中的一种惯例。为从氢化物容器释放出氢，必须向其提供热，因为氢释放反应是吸热的。如果在氢释放期间没有连续地向该容器提供充足的热，氢将停止从该容器流出。同样，必须控制释放的氢量以便它与燃料电池系统中的目标功率输出、压力以及氢浓度匹配。
在U.S.专利号No.4,826,741中公开了向氢化物容器提供热的一种方法。该现有技术中向燃料存储容器传送热的方法的问题在于它们使用另外的元件如隔板来使冷却剂流通，以及使用主动元件如泵和阀来促使冷却剂通过该系统。即使试图通过在燃料电池和燃料存储容器间直接热传导来减少使用主动元件的现有技术方法也无效，因为它们使用隔板并且取决于向隔板边缘传的传导热。这导致燃料电池不均匀冷却，并且降低燃料电池系统的整体性能。
用于便携式电源应用的典型的燃料电池系统将具有一燃料电池组(组或平面设计)以及以一种金属氢化物容器形式的氢源在典型的燃料电池系统的工作过程中，燃料电池产生热同时氢化物容器消耗热。因此，影响两个元件间的协同作用的合适的热控制方法对燃料电池系统的有效运作是必要的。同时，最好具有一种热控制方法，其是被动的，且不要求另外的元件并且是自动调节。
尽管现有技术成功地调节燃料电池的温度并将其保持在可接受的范围内，但它们是在损失整个燃料电池系统性能的前提下才能做到。因此，在燃料电池系统中应当进行改进，得到一种热控制系统，其具有使用在燃料系统中固有的热性能和协同作用来调节其工作状态，并因此排除对另外的元件如隔板、冷却板、泵、风扇、阀等的需要。
图1是根据本发明，示意性表示燃料电池系统的俯视图。
图2是根据本发明，示意性表示燃料电池系统的剖面正视图。
图3-6是根据本发明的另一实施例，示意性表示燃料电池系统的剖面正视图。
图7是根据本发明，示意性表示燃料电池系统的另一实施例的剖面正视图。
图8是如图7所示的燃料电池系统正视图。
优选实施例的详细说明公开了用于控制一种具有一燃料电池组以及一燃料存储容器的燃料电池系统的热性能的方法和装置。该燃料电池系统包括一个或多个燃料电池，每个燃料电池具有一主表面，并且以并排相邻排列的方式彼此相邻排列，并且包括具有一外壁的一燃料存储容器。这些燃料电池被放置成主表面和燃料存储容器间的沿垂直于主表面的方向的距离实质上相同的位置。另外，一个或多个燃料电池与燃料存储容器热接触以便电池废热被传送到燃料存储容器。在通常的工作中，在燃料电池系统的一工作参数如输出功率的变化影响在燃料电池中生成的废热量中的变化，并且废热被传送到燃料存储容器。在废热量中的该变化引起与如从存储容器释放的燃料量相一致变化。
图1和2示意性地表示描述本发明的第一实施例的燃料电池系统结构的俯视图和剖视图。参考图2，燃料电池系统100包括一个或多个电池110、一燃料存储容器120以及一热传送装置130。每个燃料电池具有一主表面140，并且这些燃料电池以并排邻近排列的方式被放置。燃料存储容器具有一外壁150和通常充填能按要求存储和释放燃料的材料160。由于热传送装置是用于在燃料电池和存储容器间传送热量的主要装置，它应当具有一非常低的阻抗热路径。
适用于本发明的燃料电池系统的一些另外的热传送装置是一个或多个燃料电池与燃料存储容器间的直接热接触，通过一个或多个燃料电池和燃料存储容器间放置的的一个热传导介质的热接触，以及放置在一个或多个燃料电池的主表面和燃料存储容器的外壁上的对流装置。除上述的热传送装置以及那些装置的组合外，本领域公知的许多其他热构造也能被用来实现该热控制方法，而不脱离不本发明的精神。
连接燃料电池和存储容器的热传送装置是被动的(passive)而在燃料电池表面以及燃料存储容器壁间液体没有任何外部辅助动作或传送。本发明的系统使用另外的结构元件如冷却板或隔板。它也没有任何主动元件如泵和阀来促使冷却剂通过该系统。
在优选实施例中，燃料电池是使用空气作为氧化剂以及氢作为燃料的吸气型。另外，在优选实施例中，燃料存储容器包含可逆的金属氧化物作为用于按要求存储和释放氢的装置。许多金属氢化物的成分和特性适用于该目的在燃料电池领域是公知的，因此在这里不必进一步详细说明。在本实施例中在燃料电池和存储容器的接触面使用具有高热传导率和低热阻抗的热传导介质。适于该目的的一些热传导垫可从Raychem公司的商标为HEATPATH获得。这些垫中的多数提供低于2.5℃/瓦特的热阻值。热脂，其是一种粘性流体，也能用于该目的。热脂材料的热阻通常低于1.0℃/瓦特。在这种配置中，热传送的主要方式是通过热垫或热脂从燃料电池表面传导到存储容器的外壁。
在一燃料电池中的燃料和氧化物的反应的部分能量被释放成热，并且该废热增加了该电池的工作温度。在该电池上所产生的热量在不同位置是不同的。对燃料电池最佳工作来说，该电池的温度分布必须实质上是均匀的而且不能超过一最大值。另一方面，从氢化物容器释放氢是吸热的，要求热来支持释放过程。
在典型的工作周期，燃料系统上的功率负载随时间变化。当燃料电池上的负载增加时，所产生的废热量也增加，同时在阳极端也要求更多的燃料来维持高的反应速率。这表示氢化物材料要求更多的热来释放足够的氢量以维持高的反应速率。在该优选实施例中，功率负载的增加产生通过该热传送装置一更大的热梯度，反过来引起更大的热量从燃料电池传送到存储容器。在最初的瞬变状态后，该热传送过程将到达一个稳定的状态，在该稳定状态，传送的热量由外部功率负载被动地调节。热传送速率的被动调节又调节燃料释放速率以及燃料电池的工作温度，从而保证燃料电池系统的自动调节工作。
尽管该优选实施例已经在该系统上的作为目标工作参数的功率负载的上下文中描述过，但是本发明并不必限定于该参数。许多其他工作参数可与在该优选实施例中描述过的结构一起使用。一些其他的通用工作参数是该系统中燃料的压力、该系统中燃料的浓度、燃料电池的工作效率、电池的电流电压工作点以及电池的内电阻。在该优选实施例中，从存储容器中释放的氢量已经被用作响应量(responsequantity)。其他一些重要的响应量是燃料电池上不同点的温度、燃料存储容器的温度以及从存储容器向燃料电池的燃料流动的速率。
本发明的第二实施例如图3所示，使用燃料电池和存储容器的外壁间的直接接触作为热传送装置。在该配置中，在燃料电池和存储容器间没有放置热传导介质。为成功运作，该热传送装置要求有效的面对面接触。
图4表示热性能管理系统的第三实施例。该实施例使用自然对流来建立燃料电池和存储容器间的热接触。该燃料电池以及燃料存储容器的主表面在它们的表面上具有翅片结构(fin structure)330用于增强它们间的热接触。热燃料电池表面和冷存储容器壁间的热梯度在两个表面间的空气中产生导致热传送的运动。可设计不同翅片几何结构和表面间的间隙的许多结构，以实现适当的热传送性质。
图5表示本发明的另一可选实施例的示意图。在该实施例中，燃料存储容器、燃料电池组以及热传送装置在主剖视图中具有非矩形的轮廓。
本发明的另一实施例的示意图如图6所示。在该实施例中，燃料电池围绕燃料存储容器的不只一个面放置。在燃料电池的主表面以及该容器的外壁的相应的面间建立热接触。
图7和8示意性地表示描述本发明的第六实施例的燃料电池系统结构的俯视图和主剖视图。参考图7和8，燃料电池系统包括一个或多个燃料电池710、一燃料存储容器720以及一热传送装置730。每个燃料电池具有一主表面740，燃料电池被以并排相邻排列的方式放置。该燃料存储容器具有一外壁750以及通常填充按要求能存储和释放燃料的材料760。在该实施例中，燃料存储容器720是圆柱形的，且燃料电池710围绕燃料存储容器720的外表面放置。尽管该实施例已经在具有圆形横载面的圆柱形燃料存储容器的上下文中描述过，但是本发明并不局限于这种存储容器的几何结构。许多其他横截面形状如六边形、星形、椭圆形以及三角形以及纵向结构能被用在该实施例中而不脱离本发明的精神。
本发明通过燃料电池反应的发热特性与从金属氢化物的氢释放过程的吸热特性的协同匹配来提高燃料电池的性能。协同匹配通过建立燃料电池和燃料存储容器间建立热连接来允许所需响应量的被动调节。在燃料电池系统中使用热梯度的被动调节的方法消除现有技术的主动热控制方案所面临的问题。该被动系统消除对使流体循环而专用的隔板或冷却板、泵、阀以及其他流动控制元件的需要。被动方案也排除对要求来操作主动热管理系统的控制系统元件的需要。另外，燃料电池的并排相邻排列结合本发明使燃料电池更均匀的冷却。因此，本发明提供用于控制燃料电池的性能的方法和装置，其克服了这种通用类型的现有技术方法和装置的缺点。
虽然本发明的优选实施例已经说明和描述过，很清楚本发明并不限定于此，对本领域的技术人员来说在不脱离由附加权利要求限定的本发明的精神和范畴的情况可想到其他等效方案。
权利要求
1.一种用于控制燃料电池系统的性能的系统，包括一个或多个燃料电池，每个具有一主表面，并且以并排相邻排列的方式相互邻近地放置；燃料存储容器，具有一外壁；其中一个或多个燃料电池被放置以便主表面和燃料存储容器壁间沿垂直于主表面方向的距离实质上相同；其中一个或多个燃料电池与所述燃料存储容器热接触以便电池废热被传送到所述燃料存储容器；以及其中在该系统的目标工作参数中的变化调节一个或多个燃料电池和该燃料存储容器间的热传送的量和速率。
2.如权利要求1所述的系统，其中通过热传送装置来实现热接触，该热传送装置是从由一个或多个燃料电池和该燃料存储容器间的直接热接触、通过放置在一个或多个燃料电池和该燃料存储空器间的一种热传导介质的热接触、以及放置在一个或多个燃料电池的主表面和该燃料存储容器的外壁上的对流装置组成的组中选择的一个或多个元件的组合。
3.如权利要求1所述的系统，其中该热传送装置是被动的而在燃料电池表面和该燃料存储容器壁间没有任何流体的外部辅助的运动或传送。
4.如权利要求1所述的系统，其中从由在该系统上外部功率负载、在该系统中燃料压力、在该系统中燃料浓度、燃料电池的工作效率、燃料电池的电流电压工作点以及燃料电池的内电阻组成的组中选择的一个或多个目标工作参数调节一个或多个燃料电池和该燃料存储容器间热传送的量和速率。
5.如权利要求1所述的系统，其中一个或多个燃料电池的每一个进一步包括聚合物膜电解液、阳电极和阴电极。
6.如权利要求1所述的系统，其中氧化剂是空气，燃料是氢。
7.如权利要求1所述的系统，其中该燃料存储容器进一步包括能存储和释放氢的氢存储装置。
8.一种用于控制燃料电池系统的性能的系统，包括一个或多个燃料电池，每个具有一主表面，以及以并排相邻排列的方式彼此相邻放置；燃料存储容器，具有一外壁；热传送装置，是从由一个或多个燃料电池和所述燃料存储容器间的直接热接触、通过放置在一个或多个燃料电池和所述燃料存储空器间的一种热传导介质的热接触、以及放置在一个或多个燃料电池的主表面和所述燃料存储容器的外壁上的对流装置组成的组中选择的一个或多个元件的组合；其中一个或多个燃料电池被放置以便主表面和所述燃料存储容器壁间沿垂直于该主表面方向的距离实质上是相同的；其中一个或多个燃料电池通过该热传送装置与所述燃料存储容器热接触以便电池废热被传送到所述燃料存储容器；以及其中在该系统的目标工作参数中的变化调节在一个或多个燃料电池和该燃料存储容器间的热传送的量和速率。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述热传送装置是被动的，在燃料电池表面和所述燃料存储容器壁间没有任何流体的外部辅助的运动或传送。
10.如权利要求8所述的系统，其中从由在该系统上外部功率负载、在该系统中燃料压力、在该系统中燃料浓度、燃料电池的工作效率、燃料电池的电流电压工作点以及燃料电池的内电阻组成的组中选择的一个或多个目标工作参数调节一个或多个燃料电池和所述燃料存储容器间热传送的量和速率。
全文摘要
燃料电池(110)包括一个或多个燃料电池(110)，每个具有一主表面(140)并且彼此相邻地以并排方式排列，以及还包括具有一外壁(150)的燃料存储容器(120)。该燃料电池(110)被放置以便该主表面(140)和该燃料存储容器壁(120)间沿垂直于主表面方向的距离实质上是相同的。另外，一个或多个燃料电池与该燃料存储容器热接触以便该电池废热被传送到该燃料存储容器。在通常工作期间，在该燃料电池系统的一目标工作参数如功率输出中的引起在该燃料电池中生成的废热量变化，并且该废热被传送到该燃料存储容器。
文档编号H01M8/06GK1557035SQ01807860
公开日2004年12月22日 申请日期2001年3月28日 优先权日2000年4月10日
发明者史蒂文D·普拉特, 罗纳德J·凯利, 西瓦库马尔·穆图斯瓦米, 罗伯特W·彭尼西, J 凯利, W 彭尼西, 史蒂文D 普拉特, 马尔 穆图斯瓦米 申请人:摩托罗拉公司