用于燃料电池设备的低于周围压力的冷却剂回路 【技术领域】
本发明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。背景技术
电化学燃料电池产生电以及通过提供给阳电极的反应物燃料和提供给阴电极的反应物氧化剂的相互作用而生成的随后的反应物产品，同时在两者之间生成外部电流。
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地相邻部分干涸，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。
因此本发明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，所以本发明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。发明内容
本发明可以使用一种用于燃料电池设备的低于周围压力的冷却剂回路，该冷却剂回路在操作参数内可以减少维持燃料电池设备的反应物所需的寄生能源。本发明通过减少元件的数量减少了燃料电池设备的复杂性。本发明允许在与周围相近压力上使用反应气体。
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。附图说明
根据本发明一个实例，图1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。
根据本发明的另一个实例，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。具体实施方式
根据本发明，使用一个低于周围压力的冷却剂回路的燃料电池设备如图1示意图所示并且由参考数字10特指。如下文所示，术语“低于周围的”指那些低于大气压力的压力，也就是绝对值低于大约14.7lbs/in2(101.4KPa)，而术语“周围的”指那些大约等于大气压力的压力。燃料电池设备10至少包括一个具有阳电极30和一个分布在图中未描述的离子交换膜任意一边的阴电极40的燃料电池装置20。通过将富氢燃料提供给阳电极30，及将富氧氧化剂提供给阴电极40，燃料电池装置20将以本领域熟知的方式产生电能。在本发明的较佳实例中，我们已知图1中的燃料电池装置20使用一个质子交换膜(“PEM”)作为图中未描述的离子交换膜并且在其中的任一面涂上图中未描述的催化剂层，该催化剂层用于在燃料电池装置20中促进电化学反应。
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。
本发明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，本发明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。在本发明的较佳实例中，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，但本发明不限于此，也可以在不脱离本发明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，在不脱离本发明的较大范围内，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中发生的电化学反应，在阴电极40处形成产品水。由于穿过图中未描述的将阳电极30和阴电极40分离开的聚合物交换膜的质子牵引，多余的水也被提供给阴电极40，离子迁移将水从聚合物交换膜和阳电极30中迁移到阴电极40中。典型地将液态水或水蒸气提供给阳电极30中以此润湿聚合物交换膜。
位于阴电极40内的氧化剂流和低于周围压力的冷却剂流之间的压差提供一个正的抽吸力，该力影响水分子通过多孔阴电极40和进入细孔状输水板50中的低于周围压力的冷却剂流的迁移运动。从而可以有效地防止阴电极40被浸没。此外，在应用中将多重燃料电池装置配置成彼此叠加关系，如电池组装置，多孔阳电极30的细孔隙对在细孔状输水板50内循环的冷却剂施加一个毛细效应。这样做，水通过毛细作用被吸入细孔隙并且以某种方式提供给阳电极30以防止阳电极30的干涸。
应了解，通过影响水通过毛细作用被吸入阳电极30的细孔隙的速率，借助于燃料压力阀34或类似的装置，操作反应物燃料的压力会相对地增加阳电极30的浸湿。就是说，通过增加或降低反应物燃料流的压力，阳电极30将分别地经历或多或少的水流入。因此可以润湿阳电极30同时确保阳电极30不被浸没。
请注意，如已知的那样，如果燃料电池设备10配备好了，确切地说废氧化剂排到周围环境中，那么从阴电极40释放的氧化剂可以提供给燃料处理系统32或一个图中未描述的水回收装置。同样，如已知的那样，从阳电极30中排出的燃料流可以引导到燃料处理系统32或一个图中未描述的水回收装置中，在该水回收装置中夹带的水或水蒸气可以冷凝和取回以作后用。
因此本发明的一个重要方面是，通过在反应气流和冷却剂流中使用压差以一种无源的方式完成燃料电池设备10的高效水管理。
本发明的另一个重要方面是通过增加冷却液的压力而不是对反应物气流加压以此来减少燃料电池设备10的寄生动力消耗。
显而易见，在诸如协同机动车的使用等移动的和独立的应用中，可以自动地控制氧化剂风机42为了仅当燃料电池设备10和大气环境之间的相互作用不足以导致氧化剂气以适当的周围压力穿过燃料电池设备20时运行该氧化剂风机42。因此，本发明的另一个重要方面在于氧化剂风机42的间歇操作，同时从整体上对燃料电池设备10的寄生能量排放进行相应保存。
根据本发明使用一个低于周围压力的冷却剂回路的燃料电池设备的另一个实例如图2所示并且指定为参考数字100。燃料电池设备100至少包括一个具有一个阳电极130和一个位于图中未描述的电解液的任一边的阴电极140的燃料电池装置120。通过将富氢燃料提供给阳电极130，及将富氧氧化剂提供给阴电极140，燃料电池装置120将以本领域熟知的方法产生电能。图2中的燃料电池装置120也使用一个聚合物交换膜，并且在其的任一面涂上图中未描述的氧化剂层，该氧化剂层用于促进燃料电池装置120中的电化学反应。
图2描述一单个燃料电池装置120，燃料电池设备100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150和阴电极140相邻并且与燃料电池装置120液体交换。输水板150是集成的冷却剂回路160的一部分，该集成的冷却剂回路参与控制燃料电池设备100的温度，此外还在燃料电池设备100内维持适当的水平衡。
如图2描述的燃料电池设备100描述了集成低于周围压力的冷却回路160的另一实例。与图1描述的实例相似，本领域公知的是燃料电池装置120的阳电极130具有一个反应物燃料，典型的是来自燃料处理系统132或类似系统的富氢气流。可以使用燃料压力阀134或其他装置手动地或自动地控制提供给阳电极130的燃料压力。同样，燃料电池装置120的阴电极140具有一个反应物氧化剂，典型的是富氧气流。通过燃料电池设备100和环境的相对运动，氧化剂可以是集中到阴电极140上的含氧大气。如图2描述，借助于氧化剂风机142将氧化剂流提供给阴电极140，并通过氧化剂流控制阀144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到燃料电池装置120上。将燃料流控制到略低于氧化剂的操作压力上。
如前文所述，将冷却剂流设计成以低于氧化物气流周围压力的压力在输水板150中流动。为此，将真空抽气机162定位在冷却剂回路160上以此把冷却液储存槽中的压力降低到低于周围压力。在此配置中，冷却剂泵166提供动力以使从储存器164中抽取的冷却蒸气循环，因此克服固有的冷却剂回路压力下降。冷却剂泵将低于周围压力的冷却剂流在离开燃料电池装置120之前推进到输水板150中。储存器164和真空抽气机162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120。
在离开燃料电池装置120之后，低于周围压力的冷却剂流继续在冷却剂回路160中循环，借此将冷却剂流的一部分引导到热交换器168和脱矿物质器170中以此分别进行散热和冷却剂净化。将温度控制阀172定位在出口管道174上以此监控离开燃料电池装置120的冷却剂流的出口温度。由于从整体上看离开的冷却剂或燃料电池装置120的温度上下波动，温度控制阀172适当地将更多或更少的冷却剂流转移到热交换器168中以此将燃料电池装置120的温度维持在操作参数内。
尽管将热交换器168描述为散热器组件和联合式鼓风机，本发明不限于此，也可以在不脱离本发明的较大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装置120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170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，可以视情况选择并且以各种不同的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120中发生的电化学反应，在阴电极140处形成产品水。由于穿过图中未描述的将阳电极130和阴电极140分离开来的聚合物交换膜的质子牵引，多余的水份也被提供给阴电极140，离子迁移将水从聚合物交换膜和阳电极130中迁移到阴电极140中。典型地将液态水或水蒸气提供给阳电极130以润湿聚合物交换膜。
位于阴电极140内的氧化剂流和低于周围压力的冷却剂流之间的压差提供一个正的抽吸力，该力影响水分子通过多孔阴电极140和进入细孔状输水板150中的低于周围压力的冷却剂流的迁移运动。从而可以有效地防止阴电极140被浸没。此外，在应用中将多重燃料电池装置配置成彼此叠加关系，如电池组装置，多孔阳电极130的细孔隙对在细孔状输水板150内循环的冷却剂施加一个毛细效应。这样做，水以某种方式提供给阳电极130以防止阳电极130的干涸。
如前文所述，通过影响水通过毛细作用吸入阳电极130的细孔隙的速率，借助于燃料压力阀134或类似的装置操作反应物燃料的压力会相对地增加阳电极130的浸湿。就是说，通过增加或降低反应物燃料流的压力，阳电极130将分别地经历或多或少的水流入。因此可以润湿阳电极130同时确保阳电极130不被浸没。
一旦在反应物气流和冷却剂流之间建立适当的压差，如图1和图2分别所示的燃料电池设备10和100的适当水管理自动进行并且无需复杂的机械装置可以无源的维持。在燃料电池设备中操作参数的任何变化，包括动力输出，电池性能和温度的变化都可以通过对提供到燃料电池设备中的燃料和氧化剂的压力调节，对冷却剂流的流速的调节和对冷却剂流的压力的调节，或对这些参数的任何组合所做的调节而实现。
因此本发明使用了一个至今未知的低于周围压力的冷却剂流来减少燃料电池设备中的寄生能量排放，同时参与燃料电池设备中的无源水管理。
从上文披露的内容和附图得知，配置成使用低于周围压力的冷却剂流的燃料电池设备具有许多有益的操作属性，其包括，但不限于，包括阴阳电极和聚合物交换膜的润湿的燃料电池设备的无源水管理，同时防止这些元件局部浸没并且减少燃料电池设备上的寄生动力消耗。所有这些属性有助于燃料电池设备的高效操作并且特别有益于那些诸如机动车制造等需要高性能，高可靠性和高能量效率的应用。