燃料电池堆设计和操作方法

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，且更具体而言，涉及一种操作具有氢 反应剂的燃料电池堆的系统和方法。
背景技术：
燃料电池已在许多应用中被用作电源。在"纯氢"型质子交换膜 (PEM)燃料电池中，氢反应剂(即具有约80%或更高的体积百分比 的氢浓度的反应剂)被供应至燃料电池的阳极侧，且氧作为氧化剂 被供应至阴极侧。叠堆内的每个电池包括提供其电压增加的膜电极 组件(MEA)。膜电极组件包括薄的质子传送不导电固体聚合物电解 质膜，所述聚合物电解质膜具有在其一面上的阳极催化剂和在相对 面上的阴极催化剂。术语"燃料电池"根据上下文通常用于指称单 个电池或多个电池(叠堆，即燃料电池堆)。多个单个电池通常被 捆束在一起形成燃料电池堆。在实践中，反应剂通过单条入口歧管和集管被供应至燃料电池。 在入口集管中，反应剂如阳极流被分开进入供给单个电池的多条流 径中。排出流离开电池、在出口集管中混合且通过出口歧管离开叠热量。在至少一种已公知的设计中，并行地对所有电池的阳极侧进 行供给，即它们具有相同的入口氢浓度。对单组电池进行并行供给的缺点在于，燃料电池堆无法在低化学 计量条件下；即接近满足给定功率输出所需的反应剂质量流的条件 下，进行穗定操作。因此难以实现对氢或氧的有效利用。结果使得 系统效率未得到优化。部分改善了上述情况的叠堆设计是已7>知的，如授权给Strasser 的美国专利No. 5, 478, 662的叠堆设计。在叠堆如Strasser设计中， 布置并行电池的单个组群，其中每个組群中的每个电池内的流是并 行的，且来自每个组群的所有流在组群之间串行地流动。单个燃料 电池的数量通常在这些叠堆设计中产生变化，其中电池的初始或上 游部段包含最大数量的单个燃料电池且每个相继的部段提供了数量 减少的燃料电池。通过这类构型，部段组中最后的部段通常具有数 量最少的单个燃料电池。上面的串行/并行叠堆设计通常在整个叠堆内提供了蛇形流动型 式。蛇形流径导致产生阳极和阴极侧反应剂流，所述反应剂流在整 个叠堆内是水平的或对于一个或多个单个部段而言必须克服重力。 水在叠堆下部的堆积抑制了反应剂与燃料电池的催化剂材料的接 触，因此降低了叠堆效率。已公知燃料电池堆设计的另一缺点在于无法控制冷却剂供应和冷 却剂供应位置。常规的氢反应剂燃料电池堆无法通过将冷却剂引导 至叠堆的特定位置而提供叠堆湿度控制。发明内容通过本发明的一种用于氢反应剂系统的叠堆设计和操作方法克服 了燃料电池堆的上述缺点。本发明的所述叠堆设计包括布置成使得每 个部段内存在相同或不同数量的燃料电池元件的燃料电池元件的单个 部段。每个部段被布置以在每个燃料电池内提供沿重力辅助方向的 流。该布置通过允许阳极侧流或阴极侧流或两种流的全部体积流被分 配穿过其中仅存在电池总数的一部分的所述叠堆的部段而增加所述燃 料电池堆操作的稳定性。在一个优选实施例中，所述阴极反应剂和所述冷却剂进入优选具 有最大百分比的叠堆燃料电池的第一部段的上部。通过所述第一部段 的流并行地通过每个电池且所述阴极反应剂在所述叠堆部段的底部处 离开且被收集并通过设置在所述隔板部段内的隔板通道被传递至所述 叠堆的所述第二部段。通过任何所述阴极燃料电池产生的过量水被收 集且在每个隔板部段的底部处被排出。所述氢反应剂进入位于所述阴 极反应剂进入点最下游的部段的上部且相对于所述阴极和冷却剂沿 "反向流"叠堆部段方向流动。所述下游部段与所述第一部段相比可
具有相同或减少数量的叠堆燃料电池。通过所述第二部段的阳极流在 该叠堆部段的所述底部处离开且被收集并通过设置在隔板部段中的隔 板通道被传递至所述叠堆的所述第一部段。
利用所述反向流流布置，通过使所迷阴极流在与处于最冷相对温 度下的所述冷却剂邻近的情况下按规定路线移动穿过所述叠堆(在所 述情况下产生了大多数水)而控制阴极侧湿度。通过使所述氢反应剂 在所述冷却剂最暖的位置处按规定路线进入所述叠堆内而控制氢侧的 湿度。所述氢侧因此在所述膜电极组件上逐渐吸收水以保持最低湿度 水平，这保护了所述膜电极组件。
每个部段被布置以提供通过每个电池的向下或重力辅助流以使得 过量水在所述叠堆的下部部分处被收集，所述水在所述部分处被排 出。每个部段提供了被布置成彼此大约并行且被布置以实现通过所述 部段的每个电池的重力辅助流的燃料电池。
在另一个优选实施例中，隔板部段被设置在每个叠堆部段之间， 其中离开所述前面的部段的所有流按规定路线通过所述隔板部段。所 述隔板部段被设置在没有膜电极组件的一对双极板之间。所述隔板部 段的目的在于将来自一个部段的所述出口的所有所述流重新引导进入 所述下一个相继部段的所述入口内，而不会与所述燃料源进行反应且 因此不会产生附加水。每个隔板部段是邻接燃料电池元件的单个部段 的结构构件。独立的隔板部段被设置在燃料电池的每个部段之间以在 单个流组群，即阳极、阴极和冷却剂之间独立地重新引导流。离开每 个流部段的流在该叠堆部段的下部部分处被收集且大致向上地被重新 引导至所述下一个相继部段的顶部入口。这提供了沿重力辅助方向即 垂直向下地通过所述单个燃料电池部段的流。电池的每个部段中的流 并行地通过所述部段的每个所述燃料电池。本发明的所述隔板部段和燃料电池的所述重力辅助取向特征基于于2002年8月29日申请的序号为10/230,916的题目为"级联 (cascaded)燃料电池堆"的共同待审的美国专利申请中披露的相似 特征，所述美国专利申请在此作为参考被引用。在本发明的另一个优选实施例中，外部管道和阀的单个组代替了 每个隔板部段。优选通过在所述部段下部收集流且在上部处将其引导 至所述下一个部段而在部段之间串行地引导流，与上面讨论的所述隔
板部段相似。然而，通过利用外部阀和管道系统代替所述隔板部段，对所述阀的调节提供了在部段之间引导串行/并行流的混合物或将所述常规总并行流引导至每个部段的附加可选方案。在本发明的又一个优选实施例中，提供了通过所述单个部段的并 行冷却剂流。所述冷却剂流在进入所述叠堆之前产生分裂以使得所述 冷却剂流的第 一 部分在阴极反应剂进入所述叠堆的大致位置处进入所 述叠堆，且冷却剂流的所述第一部分大致沿循所述阴极流体流。冷却 剂流的第二部分在所述阳极反应剂进入所述叠堆的大致位置处进入所 述叠堆，且冷却剂的所述第二部分大致沿循所述阳极流体流。通过提 供并行冷却剂流，在所述叠堆进入点处的每种反应剂气体受到处于最 低冷却剂温度的冷却剂的冷却。从下文提供的详细描述中将易于理解本发明的其它适用领域。应 该理解，尽管详细描述和特定实例示出了本发明的优选实施例，但它 们仅旨在用于示例性目的，而不旨在限制本发明的范围。


图1是提供本发明的一个优选实施例的透视图，所述优选实施例 中具有交叉反应剂流、第一部段以及第二部段，在所述第一部段处， 阴极反应剂和冷却剂进入所述叠堆，在所述第二部段处，氢反应剂进入所述叠堆；图2是通过图1所示的剖面2的剖视图，图中示出了通过两部段 燃料电池堆的阴极流；图3是本发明的另一个优选实施例的透视图，图中示出了通过两 部段燃料电池堆的阴极、冷却剂和阳极流，所迷燃料电池堆具有代替 图1所示的隔板部段的外部管道布置；图4是与图3相似的本发明的两部段叠堆的立体图，所述两部段 叠堆中具有支持通过所述叠堆部段的从阳极到阴极的反向流的并行冷 却剂流；图5是与图3相似的两部段燃料电池堆的立体图，所述燃料电池 堆具有代替隔板部段的管道和阀布置，图中示出了阀和管道布置以在 叠堆部段之间提供串行或并行阴极流；图6示出了图5所示的燃料电池堆，图中示出了阀和管道布置以
在叠堆部段之间提供串行或并行阳极流；图7是图5所示的燃料电池堆，图中示出了在叠堆部段之间提供 并行冷却剂流的管道；和图8是根据本发明的另一个优选实施例的三部段燃料电池堆的透 视图，图中标识出了为 一对阳极流控制阀提供信号的叠堆反馈系统。
具体实施方式
对优选实施例的下列描述本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本 发明及其应用或使用。参见图1，图中示出了本发明的一个优选实施例。级联燃料电池 堆10包括通过隔板部段16与第二部段14分开的第一部段12。位于 隔板部段l6的流通道内的反应剂流具有在下文中进一步描述的"交 叉流，，构型。第一部段12的外面18包括阴极入口 20和阳极出口 22。 阴极入口 20与阴极入口室24流体连通。阴极入口室被连接至多个燃 料电池28的多条阴极侧燃料电池通路26。阴极侧燃料电池通路26被 分别连接至终止于阴极出口 32的阴极出口室30。阳极入口室34与燃料电池28的多个阳极侧燃料电池通路36流 体连通。阳极侧燃料电池通路36 ;故分别连接至阳极出口室38，所述 阳极出口室在阳极出口 22处排出阳极流。隔板部段16将第一部段12机械且流体地连接至第二部段14。隔 板部段16包括将阴极出口 32连接至第二部段14的阴极入口室42的 阴极通路40。隔板部段16还包括将阳极入口室34连接至第二部段14 的阳极出口室46的阳极通路44。为清晰起见，隔板部段16中的冷却 剂通路未被示出。第二部段14还包括为阴极入口室42提供边界的封闭孔口 48。阴 极入口室42与多个第二部段燃料电池52的多个阴极侧燃料电池通路 50流体连通。阴极侧燃料电池通路50分别连接至阴极出口室54，所 述阴极出口室在阴极出口 56处排出阴极流。第二部段14中的阳极入 口流与对于第一部段12所述的阴极入口流相似，且因此为清晰起见 未被示出。为清晰起见，第二部段14中的冷却剂通路同样未被示出。典型阴极气体流在第一部段12的上部处进入，如阴极入口 20处 的流箭头A所示。来自阴极入口 20的阴极气体被分配进入阴极入口室24内。阴极入口室24的远端被隔板部段16封闭，使得阴极入口 室24内的所有流受理进入燃料电池28的阴极侧燃料电池通路26内。 所有阴极流向下横穿阴极侧燃料电池通路26且排入阴极出口室30 内。来自阴极出口室30的流通过阴极出口 32离开第一部段12且进 入隔板部段16的阴极通路40。阴极通路40将流向上重新引导至第二 部段14的阴极入口室42。阴极入口室42的远端由封闭孔口 48或附 加的隔板部段(未示出)封闭，使阴极入口室42内的所有流受理进 入第二部段燃料电池52的阴极侧燃料电池通路50内。来自阴极入口 室42的所有流向下横穿阴极侧燃料电池通路50且排入阴极出口室54 内并且在阴极出口 56处离开级联燃料电池堆10,如流箭头B所示。 阳极流在阳极入口 58处沿流箭头C的方向进入第二部段14。第二部 段14内的阳极流与第一部段12中的阳极流相似且因此为清晰起见未 -故示出。如图1最佳示出地，对于典型的第一部段12而言，阴极入口室24 和阳极入口室34优选被放置在第一部段12的相对侧上。如图所示， 阴极气体流沿对角向下方向通过燃料电池28。阳极气体流也沿对角向 下方向从阳极入口室34到达阳极出口室38以使得阳极流和阴极流相 对于彼此呈"交叉流"构型。在另一个优选实施例(未示出)中，阴 极入口室24和阳极入口室34在第一部段12中^L放置成邻近的并排 布置。在该实施例中，阳极流和阴极流相对于彼此呈"并行流"构型， 例如从外面18观察的从上左向下右方向呈现出的构型。在阳极流/阴 极流即"交叉流"和"并行流"的实施例中，阳极流和阴极流在每个 燃料电池内相对于第一部段12和第二部段14总是沿单向的大致向下 的重力辅助流向。参见图2,图1所示的级联燃料电池堆10的剖面示出了从更大的 上游第一部段12向更小的下游第二部段14的典型阴极反应剂流。正 如此处限定地，燃料电池堆的"更大"部段包含的燃料电池数量比"更 小"部段更多。上游部段指的是相对于特定反应剂流位于第二部段之 前的第一部段。为清晰起见，图2中未示出冷却剂和阳极(即氢)反 应剂it。第一部段12包括与燃料电池28流体连通的阴极入口室24.每个 燃料电池28被设置成彼此大约并行且分别排入阴极出口室30内。阴
极出口室30与隔板部段16流体连通。隔板部段16将第一部段12机 械且流体地联接至第二部段14。阴极通路40在阴极出口室30与第二 部段14的阴极入口室42之间提供流体连通。在图2的剖视图中，阳 极通路44的一部分还被示出邻近阴极通路40。如图1最佳示出地， 阳极通路44在隔板部段16内连续向上倾斜以将笫二部段14的阳极 出口室46流体连接至第一部段12的阳极入口室34。阴极入口室24与第二部段燃料电池52的阴极侧燃料电池通路50 流体连通。每个第二部段燃料电池52被设置成彼此大约并行且分别 排入阴极出口室54内。在所示的典型实施例中，阴极出口室54收集 所有阴极流且将其排出级联燃料电池堆10。本发明的每个燃料电池堆的部段被布置成相继的部段对。在图1 和图2所示的简化典型实施例中，第一部段12与第二部段14形成第 一部段对。如果附加第三或更多部段，第二部段与第三部段(未示出) 等形成第二部段对。阴极反应剂流(如图所示)沿阴极入口流向A进入级联燃料电池 堆10。来自阴极入口室24的阴极反应剂流沿如图所示的第一部段重 力辅助流向F被重新引导进入燃料电池28的每条阴极侧燃料电池通 路26内。级联燃料电池堆10的所有阴极反应剂入口流横穿燃料电池 28。来自燃料电池28的排出物沿第一部段出口方向G被重新引导入 阴极出口室30中。离开第一部段12的所有阴极反应剂流进入隔板部段16的阴极通 路40且沿大致向上的流向H被重新引导。来自阴极通路40的所有阴 极反应剂流沿第二部段入口流向J被再次重新引导进入第二部段14 的阴极入口室42内。来自阴极入口室42的阴极反应剂流从第二部段 入口流向J被重新定向为第二部段重力辅助流向K。第二部段14中的 所有阴极反应剂流在第二部段燃料电池52的阴极侧燃料电池通路50 内流动。阴极侧燃料电池通路50分别排出且在阴极出口室54中形成 组合流。阴极出口室54中的组合流沿叠堆出口流向L离开级联燃料 电池堆10。级联燃料电池堆10所提供的优点在于通过所有燃料电池的每条 反应剂气体流被布置以沿分别由典型的第一部段重力辅助流向F和典 型的第二部段重力辅助流向K所示的向下或重力辅助方向流动。通过 仅沿重力辅助方向提供穿过工作中的燃料电池的流，在穿过燃料电池的阴极反应剂气体的流速和重力的作用下，使由典型燃料电池28和52 中的反应工艺所产生的水受力分别进入第一部段阴极出口室30和笫 二部段阴极出口室54内。通过将隔板部段16设置在第一部段12与 第二部段14之间，如图所示，隔板部段16通过从叠堆部段和冷却剂 进行的传导热传递和对流热传递而达到叠堆的平均操作温度。在使用过程中，图2所示的典型的两部段级联燃料电池堆10被 构造以提供叠堆的上部60，其中阴极入口 20被设置在与其邻近的位 置处。叠堆下部62也被确定，其中阴极出口 56被设置在与其邻近的 位置处。阴极反应剂气体流被引导以进入叠堆上部60中的阴极入口 20、通过每个隔板部段(例如隔板部段16)被向上重新引导并且沿重 力辅助的向下流向流动通过级联燃料电池堆10的每个燃料电池以从 叠堆下部62处的阴极出口 56离开。通过级联燃料电池堆10的阳极 流是相似的。通过将由燃料电池的反应工艺产生的水引导至叠堆下部，水有利 地被排出。在本发明的图2所示的实施例中，通过连接至下部隔板部 段64的隔板排放区域M的排放装置(未示出)将水从级联燃料电池 堆10中排出。如果利用一个以上的隔板部段，(例如对于三个或多 个部段的叠堆而言)，每个隔板部段具有与下部隔板部段64处的隔 板排放区域M相似的排放区域。设置在隔板排放区域M中的排水装置 的位置提供了排出由第一部段12的燃料电池28产生的大部分水的功 能。通过在水进入下一个部段之前去除处于高于冷却剂水温的露点下 的所有或大多数水而将部段之间的相对湿度控制在大约100%的相对湿度。参见图3,图中示出了本发明的另一个优选实施例，所述实施例 包括管道组以在一对邻近的叠堆部段之间引导阳极、阴极和冷却剂流 从而替代图1所示的隔板部段16。在燃料电池堆100中，第一部段102 通过管道组106与第二部段104分开。第一部段102包括第一部段外 面108和第一部段内面110。第二部段104相似地包括第二部段外面 112和第二部段内面114。第一部段外面108提供了第一部段阴极入 口 116、第一部段冷却剂入口 118和第一部段阳极出口 120。第一部 段内面110提供了第一部段阴极出口 122、第一部段冷却剂出口 124
和第一部段阳极入口 126。第一部段阴极出口 122通过阴极管道130与第二部段阴极入口 128 流体连通。第一部段冷却剂出口 124通过冷却剂管道134与第二部段 冷却剂入口 132流体连通。第一部段阳极入口 126通过阳极管道138 接收来自第二部段阳极出口 136的阳极反应剂流。分别通过阴极管道 排放装置"0和阳极管道排放装置142中的每个排放装置在笫一部段 102和第二部段104之间排放出携带在阴极反应剂和阳极反应剂中的 过量水。第二部段阴极入口 128、第二部段冷却剂入口 132和第二部 段阳极出口 136中的每个被设置在第二部段内面114上。第二部段外 面112包括第二部段阴极出口 144、第二部段冷却剂出口 146和第二 部段阳极入口 148。阴极流在第一部段阴极入口 116处进入第一部段102的上部、沿 大致重力辅助的方向流动通过多个第一部段燃料电池(未示出)、被 收集且在位于第一部段102的下部上的第一部段阴极出口 122处离 开。阴极管道130沿大致向上的方向将阴极流承栽至第二部段阴极入 口 128。第二部段阴极入口 128位于第二部段104的笫二部段内面114 的上部上。来自第二部段阴极入口 128的阴极流被引导至多个第二部 段燃料电池(未示出)、被收集且在第二部段阴极出口 144处离开第 二部段104的下部。冷却剂流在第一部段冷却剂入口 118处进入第一部段102、流动 通过多条冷却剂流通道(未示出)且在第一部段冷却剂出口 124处离 开第一部段102。冷却剂管道134将冷却剂承载至第二部段冷却剂入 口 l32。冷却剂流进入第二部段104、流动通过多条冷却剂流通道(未 示出)且在第二部段冷却剂出口 146处离开第二部段104。阳极流在阴极流的相对下游位置处进入在第二部段外面112的上 部处的燃料电池堆100的第二部段104内。在本发明的优选实施例中， 阳极流优选被引导进入包含与阴极流进入部段数量相同的燃料电池的 燃料电池部段内，或包含与阴极流进入燃料电池堆100的位置处相比 数量更少的燃料电池的更小的燃料电池部段内。在图3所示的典型实 施例中，阳极流在第二部段阳极入口 148处进入第二部段104的上部、 沿大致重力辅助的方向流动通过多个第二部段燃料电池(未示出)、 ;故收集且在位于第二部段104的下部上的第二部段阳极出口 136处离
开。阳极管道138沿大致向上的方向将阳极流承栽至第一部段阳极入 口 126。第一部段阳极入口 126位于第一部段内面110的上部上'来 自第一部段阳极入口 126的阳极流被引导至多个第一部段燃料电池(未 示出、被收集且在第一部段阳极出口 120处离开第一部段102的下部。现在参见图4,燃料电池堆200与图3所示的燃料电池堆相似， 因此将仅就二者之间的不同之处进行讨论。燃料电池堆200包括第一 部段202和第二部段204。管道组206将第一部段202流体联接至第 二部段204。阴极流在阴极入口 208处进入第一部段、冷却剂流在冷 却剂入口 210处进入、且阳极流在阳极出口 212处离开第一部段(和 燃料电池堆200 )。冷却剂通过第一部段冷却剂供应管道214被供应 至冷却剂入口 210。阴极流在阴极出口 216处离开第一部段202。被 供应至冷却剂入口 210的冷却剂流在冷却剂出口 218处离开第一部段 202。在阳极入口 220处供应第一部段202的阳极流。通过管道组206提供第一部段202与第二部段204之间的流。阴 极流管道222沿大致向上的方向将阴极流从第一部段202引导至第二 部段204。冷却剂流管道224将冷却剂流排出燃料电池堆200的第一 部段202。阳极流管道226沿大致向上的方向将排出第二部段204的 阳极流引导至第一部段202的阳极入口 220。管道组206还提供冷却 剂排出管道228，所述冷却剂排出管道收集在冷却剂出口 230处排出 第二部段的冷却剂。冷却剂控制阀232将由冷却剂供应管线234供应 的冷却剂引导至第一部段冷却剂供应管道214且引导至第二部段冷却 剂供应管道236。冷却剂流管道224和冷却剂排出管道228都排入组 合冷却剂返回管道238内，所述组合冷却剂返回管道4吏冷却剂返回冷 却剂源(未示出)。在第二部段204处，阴极流管道222排入阴极入口 240内，且阳 极流管道226接收来自阳极出口 242的阳极流。阴极流在阴极出口 244 处排出燃料电池堆200。第二部段冷却剂供应管道236将总的叠堆冷 却剂流的一部分供应至冷却剂入口 246。阳极入口 248接收用于燃料 电池堆200的阳极流。管道组206将处于最低温度的冷却剂供应至阴极流和阳极流进入 燃料电池堆200的每个位置处。这样就为进入的阴极流和阳极流提供 了最低露点，由此改进了对燃料电池堆200的相对湿度控制。冷却剂 控制阀232还可由位于第一部段冷却剂供应管道214与第二部段冷却 剂供应管道236的每条管道中的单独的节流阀或其它控流装置(例如 孔)代替以帮助将冷却剂流按比例配送至燃料电池堆200的部段。现在参见图5、图6和图7，图中示出了本发明的燃料电池堆的 又一实施例。图5示出了位于典型两部段燃料电池堆300的部段之间 的阴极管道和阀。图6示出了位于燃料电池堆300的部段之间的阳极 管道和阀。图7示出了位于燃料电池堆300的部段之间的冷却剂管道。 虽然为清晰起见，图5、图6和图7所示的管道和阀是以独立方式被 示出的，但在使用中管道和阀被组合在燃料电池堆300的两个部段之 间。如图5所示，燃料电池堆300包括可被构造以提供通过两部段叠 堆的串行或并行阴极流的管道和阀。阴极供应管道302将阴极流供应 至第一部段入口管道304，所述第一部段入口管道可被连接至第一部 段308的阴极入口 306。阴极供应管道还将阴极流供应至第一部段旁 通管道310,所述第一部段旁通管道可提供围绕第一部段308的部分 旁通阴极流。第一部段旁通管道310可被连接至三通流阀312。三通 流阀312具有三个孔口， M孔口、 N孔口和O孔口。第一部段旁通管 道310可被连接至0孔口。 N孔口可被连接至将阴极流供应至阴极入 口 316的第二部段供应管道314。 M孔口可被连接至与第一部段阴极 排出管道320流体连通的支流管道318。第一部段阴极排出管道320 进一步与第一端处的第一部段308的阴极出口流体连通，且与第二端 上的隔离阀324的上游端连通。隔离阀324的下游端可被连接至与第 二部段阴极排出管道328流体连通的阴极排出管道326。第二部段阴 极排出管道328可被连接至第二部段332的阴极出口 330。为了将串行阴极流供应至第一部段308和第二部段332，隔离岡 ^C关闭且三通流阀312 ^皮放置以在流口 M至N之间供应流(阻挡 来自0流口的流)。阴极流通过第一部段入口管道304进入第一部段 308 、如本文中结合图2所述地横穿第一部段、并且在第一部段阴极 排出管道320中离开第一部段308。来自第一部段阴极排出管道320 的流受到关闭的隔离阀324的阻挡，这^f吏流受力通过支流管道318、 通过三通流阀312的流口 M和N、进入第二部段供应管道314内并且 进入第二部段332的阴极入口 316内。阴极流橫穿第二部段332且排
入第二部段阴极排出管道328内。为了将并行阴极流供应至第一部段308和第二部段332，隔离阀 324被打开且三通流阀312被放置以在流口 0至N之间供应涑(阻挡 来自M孔口的流)。阴极流在第一部段入口管道304与第一部段旁通 管道310之间分裂。阴极流的第一部分通过第一部段入口管道304进 入第一部段308、如本文中结合图2所述地横穿第一部段、并且在第 一部段阴极排出管道320中离开第一部段308。来自第一部段阴极排 出管ii 320的阴极流的第一部分横穿隔离阀324，且流动通过阴极排 出管道326以排出燃料电池堆300。阴极流的第二部分横穿第一部段 旁通管道310、三通流阀312的流口 0和N，且通过第二部段供应管 道314进入第二部段332。阴极流的第二部分随后横穿第二部段332 且从第二部段332排出进入第二部段阴极排出管道328内，在所述第 二部段阴极排出管道处所述阴极流的第二部分与阴极排出管道326内 的阴极流的第一部分结合以从燃料电池堆300中被排出。正如结合图6最佳示出地，燃料电池堆300进一步包括可被构造 以提供穿过两部段叠堆的串行或并行阳极流的管道和阀。阳极供应管 道402将阳极流供应至第一部段入口管道404，所迷第一部段入口管 道可被连接至第一部段308的阳极入口 406。阳极供应管道还将阳极 流供应至第一部段旁通管道410，所述第一部段旁通管道可提供围绕 第一部段308的部分旁通阳极流。第一部段旁通管道410可被连接至 三通阀412。三通阀412具有三个孔口 ， P孑L口、 Q孑L口和R孑L口。第 一部段旁通管道410可被连接至R孔口。 Q孔口可被连接至第二部段 供应管道414,所述第二部段供应管道将阴极流供应至阳极入口 416。 P孔口可被连接至支流管道418，所述支流管道与第一部段阳极排出 管道420流体连通。第一部段阳极排出管道420进一步与第一端处的 第一部段308的阳极出口 422流体连通，且与第二端上的隔离阀424 的上游端流体连通。隔离阀424的下游端可被连接至阳极排出管道 426 ,所述阳极排出管道与第二部段阳极排出管道428流体连通。第 二部段阳极排出管道428可被连接至第二部段332的阳极出口 430。为了将串行阳极流供应至第一部段308和第二部段332，隔离阔 424 ;故关闭且三通流阀412 ^皮放置以在流口 P至Q之间供应流(阻挡 来自R流口的流)。阳极流通过第一部段入口管道404进入第一部段308、如本文中结合图2所述地横穿第一部段308、并且在第一部段阳 极排出管道420中离开第一部段308。来自第一部段阳极排出管道420 的流受到被关闭的隔离阀424的阻挡，这使流受力通过支流管道418、 通过三通流阀412的流口 P和Q、进入第二部段供应管道414内并且 进入第二部段332的阳极入口 416内。阳极流横穿第二部段332、被 排入第二部段阳极排出管道428内且排入阳极排出管道426内以从燃 料电池堆300中被排出。为了将并行阳极流供应至第一部段308和第二部段332，隔离阀 424 ;f皮打开且三通阀412被放置以在流口 R至Q之间供应流(阻挡来 自P孔口的流)。阳极流在第一部段入口管道404与第一部段旁通管 道410之间分裂。阳极流的第一部分通过第一部段入口管道404进入 第一部段308、如本文中结合图2所述地横穿第一部段308、并且在 第一部段阳极排出管道420中离开第一部段308。来自第一部段阳极 排出管道420的阳极流的第一部分横穿隔离阀424，并且流动通过阳 极排出管道"6以从燃料电池堆300中被排出。阳极流的第二部分横 穿第一部段旁通管道410、三通流阀412的流口 R和Q并且通过第二 部段供应管道414进入第二部段332。阳极流的第二部分随后横穿第 二部段332且从第二部段332排出进入第二部段阳极排出管道428， 在所述第二部段阳极排出管道处所述阳极流的第二部分与阳极排出管 道426中的阳极流的第一部分结合以从燃料电池堆300中被排出。正如图7最佳示出地，图5所示的燃料电池堆300进一步包括可 被构造以提供通过两部段叠堆的并行冷却剂流的管道。冷却剂供应管 道500产生分裂以提供第一部段供应管道502和第二部段供应管道 504。第一部段供应管道502可在冷却剂入口 506处被连接至第一部 段供应管道308。冷却剂出口 508可被连接至第一部段冷却剂排出管 道510，所述第一部段冷却剂排出管道与冷却剂排出管道512相联。 第二部段供应管道504可在冷却剂入口 514处^皮连接至第二部段332。 冷却剂出口 516可被连接至第二部段冷却剂排出管道518，所述第二 部段冷却剂排出管道在冷却剂排出管道512处与第一部段冷却剂排出 管道510相联。来自冷却剂供应源的冷却剂的第 一部分产生分裂以从冷却剂供应 管道500流入第一部段供应管道502内、横穿第一部段308且离开进
入第一部段冷却剂排出管道510。来自第一部段冷却剂排出管道510 的冷却剂的第一部分流入冷却剂排出管道512内以离开燃料电池堆 300。来自冷却剂供应源的冷却剂的第二部分产生分裂以从冷却剂供 应管道500流入第二部段供应管道504内、横穿第二部段332且离开 进入第二部段冷却剂排出管道518内。来自第二部段冷却剂排出管道 518的冷却剂的第二部分与冷却剂排出管道512中的冷却剂的第一部 分结合以离开燃料电池堆300。参见图8，图中示出了基于图6所示的燃料电池堆300的具有附 加的第三部段602的燃料电池堆600。第三部段602的管道和阀基于 图6所示的管道和阀，图中示出了基本附图标记以表示使第二部段332 与第三部段602相联的新管道和阀。图8还示出了位于阳极供应管道 402上游的阳极控制阀604，和位于阳极供应管道402'上游的阳极控 制阀606。阳极控制阀604和阳极控制阀606接收来自叠堆反馈信号 处理器608的控制信号。阳极控制阀604、 606、相关联的管道和叠堆 反馈信号处理器608 —起形成了变量控制系统610。叠堆反馈信号处 理器608基于发送至变量控制系统610的典型叠堆反馈数据提供阀位 置信号，所迷典型叠堆反馈数据包括叠堆或部段压力降、叠堆电压(例 如总偏差、范围偏差和标准偏差)和出口反应剂浓度。可通过重新放 置阳极控制阀604和606或通过相似的阴极控制阀(未示出)和冷却 剂控制阀(未示出)对叠堆反应剂和/或冷却剂流进行重新定向。普 遍可得的处理器和部件被用于叠堆反馈系统608和变量控制系统610。 阳极控制阀604、 606可以是能够接收来自叠堆反馈系统608的电信 号的任何普遍可得类型的控制阀，包括通过螺线管致动的阀、受马达 控制的节流阀等。每个叠堆内的燃料电池数量是可调的。反应剂流通过每个部段的 每个电池，其中反应剂通过每个部段过程中逐渐消耗，且对于任何给 定总入口流和出口流而言，多部段叠堆的每个部段的化学计量条件高 于对所有电池进行并行供给的单个叠堆。的隔板部段的底部丄被i同排出,'或:过位于部段之间的单条流管道中的排放物收集点将所述水排出。该一定体积的水通过排放管线(未 示出)被排至叠堆中的排出点。这确保了在叠堆的每个部段中形成的水沿重力辅助方向朝向位于每个隔板部段底部处的或与每条漆管道相 关的重力排放点被排出，且因此提供了去除叠堆中产生的水的有效方法。在一个优选实施例中，通过利用并行冷却剂流提供另 一个优点， 其中阴极和阳极入口流在部段之间被分开。冷却剂在通过叠半时温度 将会升高，且当需要分开阴极和阳极叠堆入口位置时将提供改进的相 对湿度控制。并行冷却剂流的优点在于处于其最低温度的冷却剂在每 种反应剂气体进入叠堆的点处进入叠堆，提供了最大反应剂，体温度 降且因此提供了入口气体的最低湿度。为进入的反应剂气体提供最低 温度降低了其露点且使得为实现通过叠堆的反应剂气体流体流所需的100%相对湿度而需要产生的水蒸汽极少。通常所希望的是，奉叠堆的 每个部段中提供100%的相对湿度(RH)，原因在于水是连续产生的且 过量的水(蒸汽)妨碍了流和氢与燃料电池的接触。在隔板通道位于叠堆部段之间的隔板部段中的情况下，通过冷却 剂温度自动控制通道温度。任何隔板通道中的气体温度将因此被调节 至冷却剂温度，直至隔板通道内的水蒸汽达到通道/冷却剂露点温度 且高于冷却剂的该露点温度的任何水蒸汽将被排送至隔板排敢装置。 该"自动"温度控制的优点在于进入每个相继部段的反应剂t体处于 约100%的相对湿度下，为每个部段提供了饱和流。这消除了为每个部 段提供附加外部温度控制的需要。当燃料在每个单个部段中进行反应 时，流的平均温度从一个部段向下一个升高且相对湿度被保持在约 100°/。的相对湿度。通过利用本发明的"大致纯的氢"系统而大大降低了非消耗性惰 性气体流对总叠堆压力降的影响。正如本文中限定地，"大致纯的氢" 是包含约80%体积份数或更多份数氢和约20。/。体积份数或更少份数惰性气体的阳极反应剂。燃料电池堆仅消耗氢(形成水且产生电流)，因此约20。/。体积或更少的非消耗性惰性气体流动通过叠堆。通过利用纯氢阳极反应剂，2oy。体积或更少体积的惰性气体通常不会控制穿过 叠堆相继部段的压力降。因此，通过叠堆部段的流可产生变化以优化 叠堆的化学计量条件。本发明的燃料电池堆提供了多个优点。本发明的燃料电池堆的每 个部段提供了重力辅助反应剂和排水流。在隔板部段被设置在每个部 段对之间的情况下，隔板部段有效地从叠堆中去除水并且控制叠堆内 的湿度。通过在每个部段内提供并行流且提供不同数量燃料电池元件 的单个部段，本发明允许燃料电池堆在单个部段之间的变化的化学计 量条件下进行操作且提供更高的操作效率。对于具有仅通过无件的一 个部段的总并行流的燃料电池堆而言，本发明的燃料电池堆的平均电 压输出将增加。从叠堆部段内的电池到电池且从燃料电池板内的通道 到通道的反应剂分布得到改进。通过更有效地去除水(利用燃料电池 中的重力辅助流)改进反应剂分布而在氢浓度最高的部段中提供了升 高的电压。以上对本发明的描述本质上仅是示例性的且因此不偏离本发明主 旨的改变旨在落入本发明的范围内。这些改变不被视为偏离了本发明 的精神和范围。
权利要求
1、 在具有多个顺序布置的燃料电池部段这一类型的燃料电池堆中，所述多个燃料电池部段中的每个燃料电池部段包括(a) 第一端，所述第一端具有在其中形成的第一阳极孔口和第 一阴极孔口；(b) 第二端，所述第二端具有在其中形成的第二阳极孔口和第 二阴极孔口；(c) 至少一个燃料电池，所述燃料电池具有 沿单向重力辅助流向布置以在所述笫一与第二阳极孔口之间提供流体连通的多条阳极通路；沿单向重力辅助流向布置以在所述第一与第二阴极孔口之间提供 流体连通的多条阴极通路；和插置在所述多条阳极通路与所述多条阴极通路之间的膜电极组件；(d) 被选择性地构造穿过所述燃料电池部段的流布置，所述流 布置来自组群，所述组群包括对流流布置，其中所迷第 一 阴极孔口和所述第二阳极孔口是通往 所述燃料电池部段的入口孔口且所述第二阴极孔口和所迷第一阳极孔 口是离开所述燃料电池部段的出口孔口；和并行流布置，其中所述第 一 阳极和阴极孔口是通往所述燃料电池 部段的入口孔口且所述第二阳极和阴极孔口是离开所述燃料电池部段 的出口孑L 口 。
2、 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中每个燃料电池部段进一步包括与所述阳极入口孔口流体连通的阳极入口室和与所述阳极出口孔 口流体连通的阳极出口室，所述多条阳极通路在所述阳极入口室与所 述阳极出口室之间提供流体连通；和与所述阴极入口孔口流体连通的阴极入口室和与所述阴极出口孔 口流体连通的阴极出口室，所述多条阴极通路在所述阴极入口室与所 迷阴极出口室之间提供流体连通。
3、 根据权利要求2所述的燃料电池堆，进一步包括设置在上游 燃料电池部段与下游燃料电池部段之间以在其间提供流体连通的隔板部段。
4、 根据权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述隔板部段进一 步包括在所述上游燃料电池部段的所述阳极出口室与所述下游燃料电池 部段的所述阳极入口室之间流体连通的具有大致向上取向的阳极流通道;和在所述上游燃料电池部段的所述阴极出口室与所述下游燃料电池 部段的所述阴极入口室之间流体连通的具有大致向上取向的阴极流通道。
5、 根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述隔板部段在所接。
6、根据权利要求3所述的燃料电池堆，进一步包括 设置在与所述至少一个燃料电池邻近的位置处的冷却剂通路，所述冷却剂通路具有冷却剂入口室和冷却剂出口室；并且所述隔板部段具有在所述上游燃料电池部段的所述冷却剂出口室与所述下游燃料电池部段的所述冷却剂入口室之间流体连通的冷却剂、、云通道,
7、 根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中所述冷却剂通路相 对于所述多条阴极通路形成并行流布置且相对于所述多条阳极通路形 成对流流布置。
8、 根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中所述冷却剂通路相 对于所述多条阴极通路形成并行流布置且相对于所述多条阳极通路形 成并行流布置。
9、 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述多个燃料电池 部段中的每个燃料电池部段在其中包括相等数量的燃料电池。
10、 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述多个燃料电池 部段中的至少一个燃料电池部段具有比其余燃料电池部段更多的燃料电池。
11、 一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括 顺序布置的第一燃料电池部段和第二燃料电池部段； 设置在所述第一和第二燃料电池部段中的每个燃料电池部段中的 多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每个燃料电池具有阳极通路、 阴极通路和插置在其间的膜电极组件，所述阳极通路和所述阴极通路沿单向重力辅助流取向；和用于在所述第一燃料电池部段与所述第二燃料电池部段之间提供 流体连通的歧管组件，所述歧管组件可被构造在所述第一燃料电池部 段的所述阳极通路和阴极通路与所述第二燃料电池部段的所述阳极通布置和所述燃料电池堆内的所i燃料电池的并行流;置中的一种i布置。
12、 根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中每个所述燃料电 池部段进一步包括布置在阳极出口室上方的阳极入口室，所述阳极入口室和所述阳 极出口室与所述阳极通路流体连通；和布置在阴极出口室上方的阴极入口室，所述阴极入口室和所述阴 极出口室与所述阴极通路流体连通。
13、 根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中所述歧管组件进 一步包括在所述第一部段的所述阳极入口室与所述第二部段的所述阳极入 口室之间提供流体连通的具有大致向上取向的阳极供应管道；在所述第一部段的所述阳极出口室与所述第二部段的所述阳极出 口室之间提供流体连通的具有大致向下取向的阳极排出管道；在所述第一部段的所述阴极入口室与所述第二部段的所述阴极入 口室之间提供流体连通的具有大致向上取向的阴极供应管道；和在所述第一部段的所述阴极出口室与所述第二部段的所述阴极出 口室之间提供流体连通的具有大致向下取向的阴极排出管道。
14、 根据权利要求13所述的燃料电池堆，进一步包括 设置在与所述第一和第二部段的每个部段内的所述多个燃料电池邻近的位置处的多条冷却剂通路；设置在所述第一和第二燃料电池部段的每个燃料电池部段中且与 所述多条冷却剂通路流体连通的冷却剂入口室；和设置在所述第一和第二燃料电池部段的每个燃料电池部段中且与 所述多条冷却剂通路流体连通的冷却剂出口室。
15、 根据权利要求14所述的燃料电池堆，其中所述歧管组件进 一步包括在所述第一和第二燃料电池部段的所述冷却剂入口室之间提供流 体连通的冷却剂供应管道；和在所述第一和第二燃料电池部段的所述冷却剂出口室之间提供流 体连通的冷却剂排出管道。
16、 根据权利要求15所述的燃料电池堆，进一步包括 设置在所述第一燃料电池部段上与所述第一燃料电池部段的所述阴极入口室流体连通的阴极入口 ；设置在所述第一燃料电池部段上与所述第一燃料电池部段的所述 阳极入口室流体连通的阳极入口 ；所述第一燃料电池部段具有与所述阴极入口邻近的冷却剂入口；并且其中所述歧管组件可被构造以使得所述冷却剂入口、所述阴极入 口和所述阳极入口形成所述冷却剂通路相对于所述燃料电池堆的所述 燃料电池的所述多条阴极通路和所述多条阳极通路的并行流布置。
17、 根据权利要求15所述的燃料电池堆，进一步包括 设置在所述第一燃料电池部段上与所迷第一燃料电池部段的所述阴极入口室流体连通的阴极入口；设置在所述第二燃料电池部段上与所述第二燃料电池部段的所述 阳极入口室流体连通的阳极入口 ；所述第一燃料电池部段具有与所述阴极入口邻近的冷却剂入口；并且其中所述歧管组件可被构造以使得所述冷却剂入口和所述阴极入并行流布置，且所迷多条阴极通路与所述多条阳极通路形成对流流布置。
18、 根据权利要求15所迷的燃料电池堆，其中所述歧管组件进 一步包括设置在所述阳极供应管道中以选择性地供应所述第一部段的所述 阳极入口室和所述第二部段的所述阳极入口室的多孑L口阀；设置在所述阴极供应管道中以选择性地供应所述第一部段的所述 阴极入口室和所述第二部段的所述阴极入口室的多孔口阀；设置在所述冷却剂供应管道中以选择性地供应所述第一和第二部 段的所迷冷却剂入口室和所述冷却剂出口室的多孔口阀。
19、 根据权利要求15所述的燃料电池堆，进一步包括 设置在所述第一部段上与所述第一部段的所述阴极入口室流体连通的阴极入口；设置在所述第二部段上与所述第二部段的所述阳极入口室流体连 通的阳极入口；所述第一部段具有与所述阴极入口邻近的第一部段冷却剂入口； 所述第二部段具有与所述阳极入口邻近的第二部段冷却剂入口；并且所述第一部段冷却剂入口和所述第二部段冷却剂入口在所述燃料 电池堆的所述第 一部段与所述第二部段之间形成并行冷却剂流径，且 所述阴极通路与所述阳极通路形成所述对流流布置。
20、 根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中所述第二冷却剂 入口相对于所述阴极通路形成并行冷却剂路径。
21、 根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中所述第二冷却剂 入口相对于所述阳极通路形成并行冷却剂路径。
22、 根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中每个所述部段内 的燃料电池的数量在相继部段之间从所述叠堆的入口部分向所述叠堆 的出口部分降低。
23、 一种质子交换膜燃料电池堆，所述质子交换膜燃料电池堆包括分别包括第 一面上的阳极催化剂和第二面上的阴极催化剂的多个 燃料电池组件；分别设置在与所述多个燃料电池组件中相应的一个燃料电池组件 的所述第一面紧接的位置处的多条阳极气体通路；分别设置在与所述多个燃料电池组件中相应的一个燃料电池组件 的所述第二面邻近的位置处的多条阴极气体通路；所述多个燃料电池组件被布置在电池的至少两个邻近部段中，其 中所述阳极气体通路和所述阴极气体通路净皮设置成所述部段之间的对 流流布置且所述阳极气体通路和所述阴极气体通路沿单向重力辅助流 向被设置在所述叠堆的每个部段内；并且所述部段中的至少一个部段具有可操作以对所述叠堆的多个操作 参数进行对比的变量控制系统。
24、 根据权利要求23所述的燃料电池堆，其中每个部段内的燃 料电池组件的数量在部段对之间降低。
25、 根据权利要求24所述的燃料电池堆，进一步包括 每个所述部段对为上游部段和下游部段中的一个部段；并且部段的压力降中的一种情况。
26、根据权利要求25所述的燃料电池堆，其中所述变量控制系 统进一步包括具有多条可选择流径的多条管道、可操作以控制所述可 选择流径之间的所述管道的至少一个控制阀和可操作以将控制信号发 送至所述至少一个控制阀的叠堆反馈信号处理器。
全文摘要
氢燃料电池堆包括分别具有反应剂气体通路的燃料电池的至少两个部段。每个部段中的每个燃料电池的所述反应剂气体通路彼此并行进行布置。燃料电池流体流沿重力辅助向下方向。重力辅助流将每个电池中形成的水引导至所述叠堆部段的下部去除点。邻近的部段通过与所述叠堆形成整体单元的隔板部段分开，或所述部段被连接且外部管道系统将流引导至不同叠堆区域。阴极流在第一叠堆端部处进入且氢阳极流在相对端处进入所述叠堆，以使得阴极流和阳极流彼此互为反向流。冷却剂流通常在邻近所述阴极流的位置处被注射且与所述阴极流并行地流动，但也可通过所述管道系统将冷却剂流引导至串行或并行的任何或所有部段。
文档编号H01M2/14GK101147289SQ200580034521
公开日2008年3月19日 申请日期2005年6月9日 优先权日2004年8月12日
发明者A·D·博斯科, H·A·加斯泰格, J·A·洛克, J·P·萨尔瓦多, L·A·佩恩, P·A·拉帕波特 申请人:通用汽车公司