用于燃料电池设备的低于周围压力的冷却剂回路制造技术

一种具有燃料电池装置的燃料电池设备，所述燃料电池装置包括一个具有燃料流的阳极，一个具有氧化剂流的阴极，一个定位于所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜以及一个对与燃料电池装置液体交换的冷却剂流进行循环的冷却剂回路。采用一个氧化剂源在预定的压力下将氧化剂流提供给燃料电池装置。当累积器（６４），冷却剂泵（６２）和压力控制阀（６６）定位在冷却剂回路上时，在冷却剂流与燃料电池装置液体交换之前，将冷却剂流降低到一个低于周围压力的压力。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为一种用于燃料电池设备的低于周围压力冷却剂回路，其中基本上减少了在操作参数内维持燃料电池设备的反应物所需的寄生能量。典型的，电化学燃料电池装置采用富氢气(hydrogen-rich)流作为燃料，富氧气流作为氧化剂，所以结果反应物是水。为了控制燃料电池装置内的温度，典型的提供冷却水以围绕燃料电池装置循环流动。在对具有聚合物交换膜(PEM)电解质的燃料电池进行操作时，在阴极生成水的速率和从阴极去除水或将水提供给阳极的速率之间维持适当的水平衡是非常重要的。如果回到阳电极的水不充足，聚合物交换膜电解质的相邻部分干涸，由此降低氢离子通过聚合物交换膜传输的速率并且也会导致还原液体的交叉从而使局部过热。相似的，如果从阴极去除的水不充足，阴电极可能被浸没，有效地限制了对阴极的氧化剂供给，由此减少电流。另外，如果从阴极去除太多的水，聚合物交换膜可能会干涸，限制了氢离子穿过聚合物交换膜的能力，由此降低了电池性能。在燃料电池设备内保持适当的水份平衡的一种普通方法是平衡燃料、氧化剂反应物和冷却剂流之间的压力。通过以高于冷却剂流压力的压力提供燃料和氧化剂流，可以将燃料电池装置中产生的多余水流引导到冷却剂流上以此达到去除和随后在补给的目的。于1988年9月6日发布给Reiser et al.的美国专利第4,769,297号披露了一个采用这种压力平衡的燃料电池设备的例子。Reiser的水管理系统在氢燃料气流中采用夹带的水，在操作时该氢燃料气流作为冷却剂提供给每个燃料电池的阳电极以此帮助润湿和冷却燃料电池设备。氢燃料和夹带的水将润湿阳电极，同时质子牵引效应将引起多余的水份通过离子交换膜迁移到阴电极，由此也润湿了离子交换膜。Reiser在阳极流场和阴极流场之间维持一个压差，这两个流场维持在周围压力之上，这样在每个燃料电池的阴电极上积累的水份通过一个隔板迁移到燃料电池设备的电池组装置中的下一个阳电极上。因此Reiser的水管理系统不使用一个单独的冷却剂回路。于1997年12月23日发布给Reiser的美国专利第5,700,595号披露了另一个燃料电池设备操作系统。该操作系统也使用了反应气体和冷却剂之间的压差以此协助水在燃料电池设备中的适当迁移。由于压差在整个燃料电池设备中使用细孔状隔板。通过维持反应气流和冷却剂流之间相对压差，上述的每一个系统都确保了水在整个燃料电池设备中高效迁移，但是这些系统的寄生能量需要各不相同并且在总体上影响了燃料电池设备的效能。因此本专利技术试图通过在一个低于周围压力上运行冷却剂流以此减少燃料电池设备的整个操作系统上的寄生能量排放，反过来该低于周围压力减少了抽气的寄生动力。与气流相比，对水流加压所需动力较少，所以本专利技术建议在燃料电池设备的操作中使用此种关系来促进更大的能源节省。根据一实例，具有燃料电池装置的燃料电池设备包括一个具有燃料流的阳极，一个具有氧化剂流的阴极，一个定位于该阳极和该阴极之间的离子交换膜以及一个对与燃料电池装置液体交换(fluidcommunication)的冷却剂流进行循环的冷却剂回路。采用一个氧化剂来源以预定的压力将氧化剂流提供给燃料电池装置，同时在冷却剂流与燃料电池装置液体交换之前，定位在冷却剂回路上的冷却剂调节器将冷却剂流降低到低于周围压力。根据本专利技术的另一个实例，图2为一个采用低于周围压力的冷却剂回路的燃料电池设备的示意图。附图说明图1描述一单个燃料电池装置20，燃料电池设备10可以协同多个在电性上耦合的平面燃料电池装置交替地运行，因此形成了一个嵌在图中未描述的外壳中的电池组装置，该电池组装置定义了多种反应物歧管用于控制进出整个电池组装置的富氢燃料流和富氧燃料流。一个细孔状输水板50和阴电极40相邻并且与燃料电池装置20液体交换。输水板50是集成的冷却剂回路60的一部分，该集成的冷却剂回路参与控制燃料电池设备10中的温度，此外还在燃料电池设备10内维持适当的水平衡。本专利技术试图通过减少由于将反应气流增压到周围压力之上而典型引起的寄生能量排放，以此增加燃料电池设备20的效能。为此，本专利技术试图使用一个低于周围压力的冷却剂回路，同时在反应气流和冷却剂流之间维持一个正压差。有了这样一个配置，可以在大约周围压力下使用一个氧化剂气流，在诸如机动车的移动燃料电池应用中也同样适用。由于抽取冷却剂水所需能量少于抽取气流或蒸气所需能量，所以已经发现氧化剂气流操作压力的减少导致燃料电池设备20的整体动力消耗的实质上的减少。如图1描述，燃料电池装置20的阳电极30具有反应物燃料，典型的为本领域熟知的来自燃料处理系统32或类似系统的富氢气流。可以使用燃料压力阀门34或其他装置手动或自动地控制提供给阳电极30的燃料压力。同样，燃料电池装置20的阴电极40具有反应物氧化剂，典型的是富氢气流。通过燃料电池设备10与大气环境之间的相对运动，氧化剂可以是集中到阴电极40上的含氧大气。如图1明确描述，通过可变速率的氧化剂风机42将氧化剂流提供到阴电极40，并通过氧化剂流控制阀44手动或自动地控制其体积以此确保以大约周围压力将氧化剂流提供给燃料电池装置20上。另一种选择是去除流量控制阀44并且仅仅使用变速风机42控制流速率。在本专利技术的较佳实例中，将燃料流控制到略低于氧化剂的操作压力的压力上。如前文所示，将冷却剂流设计成以低于氧化剂气流的周围压力的压力在输水板50内流动。冷却液泵62提供动力以使冷却剂流在冷却剂回路60内循环。冷却液泵62将冷却剂流推进到适于对周围压力开放的累积器64中，由此确保离开冷却液泵62的冷却剂流维持在大约周围压力下。累积器64可以被放置在冷却液泵62的抽气边或排气边(如图1描述)。随后使用压力控制阀66将冷却剂流的压力降低到所需的入口低气压。在退出燃料电池装置20之前将低于周围压力的冷却剂流提供到输水板50里。累积器64，冷却液泵62和压力控制阀66联合操作，因此作为一个有效的冷却剂调节器将低于周围压力的冷却剂的连续循环流提供给燃料电池装置20。压力控制阀66可以是任何已知的压力控制装置，诸如固定节流孔，手动控制阀或一个自动控制阀。众所周知，可以电力地，液压地或气动地驱动阀。在离开燃料电池装置20之后，低于周围压力的冷却剂流继续在冷却剂回路60中循环，借此将冷却剂流的一部分引导到热交换器68和脱矿物质器70中以此分别进行散热和冷却剂净化。或者如所知的那样脱矿物质器70可以配置为只让冷却剂中的一部分通过它。将温度控制阀72定位在出口管道74上以此监控离开燃料电池装置20的冷却剂流的出口温度。由于从整体上看离开的冷却剂流或燃料电池装置20的温度上下波动，温度控制阀72适当地将更多或更少的冷却剂流转移到热交换器68中以适当地将燃料电池装置20的温度维持在操作参数内。尽管将热交换器68描述为散热器组件和联合式鼓风机，但本专利技术不限于此，也可以在不脱离本专利技术的较范围内替代地使用其他已知的热交换器。同样，只要需要对燃料电池进行再补给之前将溶解气体和悬浮固体有效地从冷却剂流除去，脱矿物质器70实际上可能包括一个脱矿物质器和一个脱气器，以及已知的许多传输装置。同样，在不脱离本专利技术的较大范围内，可以视情况选择并且以各种不同的替代方法操作温度控制阀和旁路管线。在操作中，由于在燃料电池装置20中发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有燃料电池装置的燃料电池设备，所述燃料电池装置包括一个具有燃料流的阳极，一个具有氧化剂流的阴极，一个定位在所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜和一个对与所述燃料电池装置液体交换的冷却剂流进行循环的冷却剂回路，所述燃料电池设备包括： 一种在一个预定压力下将所述氧化剂流提供给所述燃料电池装置的氧化剂源； 一种沿着所述冷却剂回路设置的冷却剂调节器，在所述冷却剂流进行与燃料电池装置的液体交换之前，所述冷却剂调节器将所述冷却剂流降低到一个低于周围压力的压力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：保罗R马尔焦蒂，瓦莱丽A马斯顿，格伦W舍夫勒，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]