专利名称：燃料电池系统水量平衡方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学转换电池，通常指燃料电池，通过处理第一和第二反应物来提供电能。例如，能够通过含氧气体的还原和富氢气体的氧化在燃料电池中产生电能。为了说明而非限制性的，典型电池包括设置在容纳反应物的相应个体的流场对之间的膜电极组件。更加明确地，可以将阴极流场板和阳极流场板设置在该膜电极组件的相对侧上。单个电池单元提供的电压通常太小不能实际应用，因此通常将多个电池排列成导电的耦合“堆”以提高电化学转换组件的电输出。
背景技术：
作为背景技术，该转换组件通常包括膜电极组件、阳极流场和阴极流场。膜电极组件依次包括分隔阳极和阴极的质子交换膜。除了其它的组元，该膜电极组件通常包括由大表面面积支撑材料所支撑的催化剂并且以在湿润条件下的增强的质子传导系数为特征。出于描述本发明的前后文的目的，需要指出的是燃料电池和燃料电池堆的通常构造和操作方式超出本发明的范围。相反，本发明指的是特定流场板构造和关于其设计的一般概念。关于燃料电池和燃料电池堆的通常构造和操作，应用是指覆盖构成燃料电池“堆”以及燃料堆的各种部件的方式的教导的巨大集合。例如，大量美国专利和已公开申请直接地与燃料电池构造和相应的操作方法有关。更加明确地，美国专利申请公开号2005/0058864的图1和图2以及附带的文本给出了一种燃料电池堆的部件的详细描述并且以参考文献的形式将这种特定主题明确地包括在这里。
发明内容
提供了一种用于改进系统中的整体水量平衡的燃料电池系统及其操作方案。根据本发明的一个实施例，提供了一种电化学转换组件，包括至少一个配置成将第一和第二反应物转换为电能的电化学转换电池。该电化学转换组件包括配置成提供增湿反应物给该组件的阴极流场部分的反应物源和配置成提供冷却流体给该组件的冷却剂流场部分的冷却剂源。该冷却剂流场部分定义了以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线。设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比反应物输入端和反应物输出端被放置在更靠近具有相对低冷却剂温度Tmin的区域的位置。
根据本发明的另一个实施例，设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。
根据本发明的另一个实施例，提供了操作电化学转换组件的方案，其中设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。另外，在反应物输入端将反应物增湿到至少大约100％RH，并且操作冷却剂源以维持所述冷却剂输出端温度TOUT，不超过所述冷却剂输入端处的温度TIN以上10℃。
相应地，本发明的目的是提供改进的燃料电池系统及其操作方案。按照这里具体的发明描述本发明的其它目的将是显而易见的。
结合下面附图能够很好地理解本发明的特定实施例的下述详细描述，在附图中用相同的附图标记表示相同的结构，其中图1是根据本发明的一个实施例的电化学转换组件的示意图；图2是根据本发明的另一个实施例的电化学转换组件的示意图；以及图3是当在整个组件中进行电化学转换反应时电化学转换组件中的相对湿度的图示。
具体实施例方式
在图1和图2中示意性地描述了根据本发明的两个替换实施例的电化学转换组件10。在每一个实施例中，该组件包括多个排列成燃料电池堆20的电化学转换电池。如上所述，设置该堆20的每个电池以将从相应的反应物源来的反应物转换为电能。该组件10还包括阴极反应物源30、阳极反应物源(未示出)和冷却剂源40。
虽然在本发明的范围内阴极、阳极和冷却剂源可以采取不同的形式，但图1和图2中示意性地描述的阴极反应物源30包括空气压缩机32和配置成增湿阴极反应物并将增湿的反应物，如空气，提供给燃料电池堆20的阴极流场部分的增湿器34。为了清楚而在图1和图2中被忽略的阳极反应物源配置成将额外反应物，例如氢气或含氢气体，提供给燃料电池堆20的阳极流场部分。图1中示意性地描述的冷却剂源44包括冷却剂泵42和配置成将冷流体提供给燃料电池堆20的冷却剂流场部分的散热器44。
阴极流场部分定义了一个或多个反应物输入端36、一个或多个反应物输出端38、和不同反应物流体通道35阵列，每一个通道均与反应物输入端36和反应物输出端38相连。类似地，冷却剂流场部分定义了一个或多个冷却剂输入端46、一个或多个冷却剂输出端38、和不同冷却剂流体通道45阵列，每一个通道均与冷却剂输入端46和冷却剂输出端48相连。如将被熟悉燃料电池流场设计的人员所承认的，典型的阴极流场可以被设计得比本发明的图1和图2所示的更加精细。需要明确地，在图1和图2中示意性地描述的不同反应物流体通道35阵列仅仅是为了描述反应物流体通道35与定义冷却剂流场的冷却剂流体通道45相关联的一般形式。典型地，该流体通道35、45将包括多个与一个或多个流体集管相连的输入端和输出端，并且将比图1和图2中所示的更加紧密封装和外形更加精细。
不管阴极和冷却剂流体通道35、45所定义的特定形式，冷却剂流体通道45将定义以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的操作冷却剂温度曲线。本发明者已经承认能够通过设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比反应物输入端36和反应物输出端38被放置于更靠近具有相对低冷却剂温度TMIN的区域的位置来实现该特定操作优势。根据本发明的不同陈述，可以设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使得和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域相比具有相对低冷却剂温度TMIN的区域被放置于与反应物输入端和输出端36、38的热交换更紧密的位置。
以这种方式，能够改进整体水量平衡，这是由于阴极反应物以相对低的温度脱离阴极流场并因此能够带走较少的水蒸汽。另外，通过将阴极反应物导入温度相对低的阴极流场，为达到堆20的最小湿度需要的水量就较少。即使是在阴极入口36的相对湿度(RH)达到100％时的完全增湿入口条件下，这种方法允许较高的冷却剂出口温度。例如，并不是限制性的，通过按照如上所述的方式设置相应的阴极和冷却剂流场，能够保持冷却剂出口温度在大约76℃，同时保持冷却剂输入温度大约68℃，阴极入口RH在大约100％，以及阴极出口RH在大约164％。如图3中所示的，其示出了运行在这些条件下的堆的预期RH曲线的表示，期望堆内的局部湿润水平在整个堆中至少是大约100％RH。
为了达到上述目标，可以设置图1和图2中示出的冷却剂和反应物流体通道的各个阵列以使相对靠近反应物输入端36和输出端38的反应物流体通道35的部分被放置在与相对靠近一个或多个冷却剂输入端46的冷却剂流体通道45的那些部分相连的位置。具体地，参考图1和图2中所示的设置，可以设置阴极和冷却剂流场部分以使从反应物输入端36流向反应物输出端38的阴极反应物从与冷却剂流动方向基本方向一致的流动模式转变为与冷却剂流动方向基本方向相反的流动模式。结果，方向一致流动模式的特征是通常提高冷却剂温度曲线而方向相反流动模式的特征通常降低冷却剂温度曲线。
如上所述，可以将电化学转换组件10设置成包括多个被排列成燃料电池堆20的电化学转换电池，以使每个电池的各个有效面积定义在该堆20内相互平行放置的主要表面。如图1所示意的，可以将冷却剂输入端46和冷却剂输出端48沿这些主面的相对边设置，同时将反应物输入端36和反应物输出端38沿有效面积面的相应的共同边设置。因此，可以描述反应物流场部分定义了基本U一型反应物流动图案。相反，图2中的结构包括沿有效面积的相对边设置的反应物输入端36和反应物输出端38。在图2中，冷却剂流场部分定义了相对紧密地汇聚在有效面积的冷却剂输出边的基本汇聚冷却剂流动图案。
虽然本发明的结构可以应用为不同方式，在一种操作模式中，设置增湿器34和冷却剂源30以增湿反应物并控制反应物流场的温度以使反应物在反应物输入端36处接近至少大约100％RH而在反应物输出端38接近至少大约164％。更进一步，可以设置增湿器34、冷却剂源40和反应物及冷却剂流场以使在反应物输入端36和反应物输出端38之间反应物保持或超过大约100％RH。当然，RH值随操作温度和压力而改变。
为了增加RH稳定性，可以设置增湿器34、冷却剂源40和反应物及冷却剂流场，以保持在冷却剂输出端48处保持温度TOUT，不超过在冷却剂输入端46处的温度TIN以上大约10℃。另外，预期可以设置增湿器34、冷却剂源40和反应物及冷却剂流场保持TMAX不超过TMIN以上大约10℃。
特定地参考图1和图2中所示的水隔膜50，应该注意的是设置反应物输出端38以将增湿的反应物引导到水隔膜50。然后水隔膜50将水引导到增湿器34并将余下的反应物输出流作为去湿反应物排出。增湿器34使用来自水隔膜50的水来增湿流向反应物输入端36的反应物。在这种方式下，在反应物出口38处重新获得用于增湿的在反应物入口36处需要的额外水量并再次流向反应物入口。更进一步，当水在反应物38处以及堆20内的各处被浓缩时，燃料电池堆内的热负载增加了增湿器34所需的相同量，因此冷却剂散热器44上的净余热负载保持不变。
应当注意的是这里使用的如“优选”、“通常”和“典型地”等的词汇并不是为了限制本中请发明的范围或暗示确定特征是临界的、本质的或甚至是对本申请发明的结构或功能重要的。相反，这些术语仅仅是为了突出本发明的某一个实施例中有或没有的可替换或附加特征。
为了描述和定义本发明的目的，应当注意的是这里使用词汇“基本上”是为了表示由任何定量对照、数值、测量或其他形式所带来的不确定性的固有程度。这里也使用词汇“基本上”来表示不导致讨论的主题的基本功能改变的由所述的参考文献带来的定量描述的变化程度。
由于已经详细地描述了本发明和参照其中的特定实施例，显然在不偏离由附带的权利要求所定义的本发明的范围的条件下可以进行修改和变化。更加明确地，虽然本发明的某些方案在这里是作为优选的或独特的有利方案，可以预期的是不需要将本发明限制在该方面的这些优选方案。
权利要求
1.一种电化学转换组件，包括至少一个设置成转换第一和第二反应物为电能的电化学转换电池，所述电化学转换组件包括设置成提供增湿反应物给所述电化学转换组件的阴极流场部分的反应物源和设置成提供冷却流体给所述电化学转换组件的冷却剂流场部分的冷却剂源，其中所述阴极流场部分定义了反应物输入端和反应物输出端；所述冷却剂流场部分定义了冷却剂输入端、冷却剂输出端和以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线；以及设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使所述反应物输入端和所述反应物输出端相对于所述具有相对高冷却剂温度TMAX的区域被放置于更靠近所述具有相对低冷却剂温度TMIN的区域的位置。
2.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中所述阴极流场部分包括不同反应物流体通道阵列，每一个通道与所述反应物输入端及反应物输出端相连；所述冷却剂流场部分包括不同冷却剂流体通道阵列，每一个通道与所述冷却剂输入端及冷却剂输出端相连；以及设置所述冷却剂和反应物流体通道的各个阵列以使相对靠近所述反应物输入端和所述反应物输出端的所述反应物流体通道的部分被放置于基本对准相对靠近所述冷却剂输入端的所述冷却剂流体通道的部分的位置。
3.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使具有相对低冷却剂温度TMIN的区域相对于具有相对高冷却剂温度TMAX的区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。
4.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使从所述反应物输入端流向所述反应物输出端的阴极反应物从(i)与从所述冷却剂输入端流向所述冷却剂输出端的冷却剂的流动模式基本方向一致的流动模式转变为(ii)与从所述冷却剂输入端流向所述冷却剂输出端的冷却剂的流动模式基本方向相反的流动模式。
5.如权利要求4的电化学转换组件，其中设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使与所述方向相反流动模式相关联的所述运行冷却剂温度曲线的部分的特征在于当所述反应物到达所述反应物输出端时降低的冷却剂温度。
6.如权利要求5的电化学转换组件，其中设置阴极流场部分和冷却剂流场部分以使与所述方向一致流动模式相关联的所述运行冷却剂温度曲线的部分以随着所述反应物离开所述反应物输入端增加的冷却剂温度为特征。
7.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中所述电化学转换电池定义了有效面积；所述冷却剂输入端和所述冷却剂输出端被沿所述有效面积的相对边设置；以及所述反应物输入端和所述反应物输出端被沿所述有效面积的公共边设置。
8.如权利要求7所述的电化学转换组件，其中所述反应物流场部分定义了基本U型反应物流动模式。
9.如权利要求1所述的电化学转换组件，其中所述电化学转换电池定义了有效面积；所述冷却剂输入端和所述冷却剂输出端沿所述有效面积的相对边设置；以及所述反应物输入端和所述反应物输出端沿所述有效面积的相对边设置。
10.如权利要求9所述的电化学转换组件，其中所述冷却剂流场部分定义了基本汇聚冷却剂流动图案。
11.如权利要求10流场部分的电化学转换组件，其中所述冷却剂流动模式相对紧密地汇聚在所述有效面积的所述冷却剂输出边。
12.如权利要求1流场部分的电化学转换组件，其中所述电化学转换组件进一步包括用于增湿所述反应物的增湿器和用于引导所述冷流体通过所述冷却剂流场部分的冷却剂源。
13.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中设置所述增湿器和所述冷却剂源以增湿所述反应物在所述反应物输入端至少达到大约100％RH和在所述反应物输出端至少达到大约164％。
14.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中设置所述增湿器、所述冷却剂源和所述反应物及冷却剂流场以使所述反应物在所述反应物输入端和所述反应物输出端之间保持在100％RH或以上。
15.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中所述增湿器、所述冷却剂源和所述反应物及冷却剂流场设置成保持在所述冷却剂输出端处的温度TOUT，不超过所述冷却剂输入端处的温度TIN以上10℃。
16.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中所述增湿器、所述冷却剂源和所述反应物及冷却剂流场设置成保持TMAX，低于TMIN以上10℃。
17.如权利要求12流场部分的电化学转换组件，其中设置所述增湿器和所述冷却剂源以使所述反应物在所述反应物输入端增湿到至少大约100％RH，以及在整个所述冷却剂流场保持TMAX和TMIN之间的差别低于大约10℃。
18.如权利要求1的电化学转换组件，其中所述电化学转化组件包括排列成燃料电池堆的多个电化学转化电池、水隔膜和增湿器，其中所述燃料电池堆包括多个阴极流场部分，每一个阴极流场部分与所述反应物输出端相连；设置所述反应物输出端以使增湿的反应物流向所述水隔膜；设置所述水隔膜以使水流向所述增湿器并排除去增湿反应物；以及设置所述增湿器以使其与所述反应物源共同来增湿所述反应物。
19.一种电化学转换组件，包括至少一个配置成转换第一和第二反应物为电能的电化学转化电池，所述电化学转换组件包括配置成提供增湿的反应物给所述电化学转换组件的阴极流场部分的反应物源和配置成提供冷流体给所述电化学转换组件的冷却剂流场部分的冷却剂源，其中所述阴极流场部分定义了反应物输入端和反应物输出端并包括不同反应物流体通道阵列，每一个通道与所述反应物输入端及所述反应物输出端相连；所述冷却剂流场部分定义了冷却剂输入端、冷却剂输出端，并包括不同冷却剂流体通道阵列，每一个通道与所述冷却剂输入端及所述冷却剂输出端相连；所述冷却剂流场部分包括不同冷却剂流体通道阵列，每一个通道与所述冷却剂输入端及所述冷却剂输出端相连，并定义了以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线；设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使具有相对低冷却剂温度TMIN的所述区域相对于具有相对高冷却剂温度TMAX的所述区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置。
20.用于运行包括至少一个用于转化第一和第二反应物为电能的电化学转化电池的电化学转换组件的方案，所述电化学转换组件包括用于提供增湿的反应物给所述电化学转换组件的阴极流场部分的反应物源和用于提供冷流体给所述电化学转换组件的冷却剂流场部分的冷却剂源，其中所述方案包括设置所述阴极流场部分以使其定义了反应物输入端和反应物输出端；所述冷却剂流场部分定义了冷却剂输入端、冷却剂输出端和以具有相对低冷却剂温度TMIN的区域和具有相对高冷却剂温度TMAX的区域为特征的运行冷却剂温度曲线；设置所述阴极流场部分和所述冷却剂流场部分以使具有相对低冷却剂温度TMIN的所述区域相对于具有相对高冷却剂温度TMAX的所述区域被放置于与反应物输入端和反应物输出端的热交换更紧密的位置；以及在所述反应物输入端增湿所述反应物到至少大约100％RH。
21.用于运行包括如权利要求20的电化学转化电池的电化学转换组件的方案，其中操作所述冷却剂源以保持在所述冷却剂输出端处的温度TOUT，不超过所述冷却剂输入端处的温度TIN以上10℃。
22.用于运行包括如权利要求20的电化学转化电池的电化学转换组件的方案，其中运行所述冷却剂源以保持在TMAX，低于TMIN以上10℃。
23.包括如权利要求1所述的电化学转换组件的交通工具，其中所述电化学转换组件作为所述交通工具的动力源。
全文摘要
提供了一种燃料电池系统及其运行方案以改进系统中的整体水量平衡。根据本发明的一个实施例，提供了电化学转化组件，其中冷却剂流场部分定义了以具有相对低冷却剂温度T
文档编号H01M8/04GK1945884SQ200610146489
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月4日 优先权日2005年10月4日
发明者S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司