[發明專利]在冷凍啟動過程中燃料電池堆中用于冷卻和加濕的存留水

無效

• 申請號: 200580049465.5
• 申請日: 2005-04-15
• 公開（公告）號: CN101223665A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: R·M·達林;C·E·埃文斯;C·A·賴澤爾;T·斯基巴;R·J·巴利埃特
• 申請（專利權）人: UTC電力公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬

技術領域

本發明涉及燃料電池動力裝置，例如PEM燃料電池動力裝置，其中水被保留在多條水通道或者鄰近多孔的、至少部分親水的水傳輸板的其它水導管中，以及被保留在多條互連的水歧管中，而不允許水“下降”進入到反應物流場或反應物歧管中，由此在冷凍啟動期間提供冷卻和加濕而不會妨礙反應氣體流至電極。

背景技術

將電力提供給電動車輛的推進系統的燃料電池動力裝置必須能夠在低于水凍結的溫度下工作。在可達到冰點溫度的環境中進行燃料電池關閉操作的傳統方法包括將該燃料電池中的所有水都排入一些種類的貯水器中。在試圖進行后續操作之前，水在被輸送回燃料電池中之前必須融化，據報道這將花費十分鐘到三十分鐘的時間。通常認為在車輛中這些延遲是不可容忍的，在車輛中應該在發出啟動命令，例如轉動車鑰匙，的數秒之內，需要至少部分的機動性。

在2004年1月22日提交的美國專利申請No.10/763,793中，當燃料電池在可能會低于冰點溫度的環境中關閉時，燃料電池的電極支承板襯底僅部分地充注有水，從而在引導啟動的早期階段中將鄰近隔膜的水提供給電池以進行加濕。在向燃料電池中加入反應物后，來自處理過程中的熱量使水相當快速地融化。僅僅是部分地而不是全部地對襯底進行填充則允許反應氣體通道該襯底。在啟動之后在冷卻劑體系充分解凍以運行之前的時間段內，熔化熱和襯底中水的潛熱有助于冷卻該燃料電池。在整個襯底的充分均一方法中，通過將水與反應氣體之間在關閉時的壓差控制在5kPa-6kPa(0.72psi-0.87psi)的范圍內，或者通過將襯底部分親水化且部分疏水化，從而以大體上均勻地方式實現對該襯底的部分填充，例如大約70％的填充。

在美國專利6673481中，在將反應物提供給燃料電池的大約20秒內或者當檢測到燃料電池堆上的開路電壓時，將燃料電池的電輸出加到負載例如車輛推進系統上。然而，當燃料電池堆處于可能會達到低于水冰點溫度的溫度環境中時，在關閉該燃料電池系統時，排出反應物通道、冷卻劑通道、水泵和水循環系統中其它管道中的水。通過在啟動的起始階段對反應物流場進行加壓，其后允許達到大氣壓或接近大氣壓，從而避免啟動期間在反應物流場中積聚水。

發明內容

本發明的目的包括：在燃料電池達到低于水冰點溫度的溫度之后，在啟動期間在燃料電池中提供水，而不需要特定的襯底或特定的關閉程序；在啟動時改善結凍的燃料電池的初始加濕和冷卻；提供水以幫助結凍的燃料電池的啟動而不會發生反應氣體通道的冰塊阻塞；并且改善燃料電池的運行以便有利于在冰點以下溫度條件下的啟動。

這里使用的，術語“水通道”包括由水傳輸板上的溝槽、芯吸材料、多孔層、或其它液態水傳導介質形成的多條開口通道，并且可包括多條水歧管。

根據本發明，在燃料電池堆關閉時，其中每個燃料電池包括多孔的、至少部分親水性的反應氣體流場板(在此被稱作“水傳輸板”)，水以防止幾乎全部水經該水傳輸板“下降”到反應氣體通道中的方式被保留在水通道中以及連接至水通道的水歧管中；本發明的影響作用在于在啟動期間提供水用于加濕和冷卻，而不會冰塊阻塞反應物通道，從而使得反應氣體將接近電極催化劑。

根據本發明，借助毛細壓力可將水保留在水通道和歧管中，可以通過選擇通道的截面面積，如果采用多孔介質代替通道的話則是選擇孔隙的尺寸，或如果使用芯吸材料或織造物質的話則是選擇芯吸材料或織造物質的有效截面流動面積，來控制毛細壓力。根據本發明，作為水管或孔隙的半徑的函數的圓形水管或孔隙中的毛細上升距離可以被計算出并且在之后由公式、圖表或表格確定。進一步根據本發明，根據經驗易于確定任何種類的多孔或織造芯吸材料或水傳輸介質中的水的毛細上升距離。

根據本發明，利用微型真空泵，例如在小型民用魚缸中所使用的類型的微型真空泵，在關閉期間，水可被保留在燃料電池堆的水通道中；在關閉微型真空泵之后，經閥門在電池堆中保留水；利用止回閥水可被保留在燃料電池堆中，所述止回閥包括由疏水性隔膜組成的被動止回閥，在該層隔膜的頂端上有疏水防凍液。

根據以下典型實施例并結合附圖對本發明進行詳細說明，本發明的其它目的、特征和優勢將變得更加顯而易見。

附圖說明

圖1是結合本發明使用微型真空泵的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡化的、程式化的透視圖。

圖2是可在圖1所示實施例中使用的燃料電池的局部側剖視圖。

圖3是可在圖1所示實施例中使用的其它可選燃料電池的局部側剖視圖。

圖4是結合本發明使用兩個可控閥的燃料電池動力裝置的一部分的經過簡化的、程式化的透視圖。