[發(fā)明專利]用于快速加熱的熱集成燃料電池加濕器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710093264.6
• 申請(qǐng)日: 2007-10-24
• 公開（公告）號(hào): CN101227005A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·W·斯卡拉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04;H01M8/24
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及一種用于對(duì)施加到燃料電池堆陰極側(cè)的充入空氣(chargeair)進(jìn)行冷卻和加濕的技術(shù)，特別是涉及一種燃料電池堆模塊，所述燃料電池堆模塊包括燃料電池堆、熱集成在所述模塊的端部單元內(nèi)的中冷器(charge?aircooler)和水蒸汽傳送單元。

背景技術(shù)

氫由于其清潔以及可用于在燃料電池中高效發(fā)電的性能而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及位于其間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極產(chǎn)生離解以產(chǎn)生自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在陰極與氧和電子進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，且因此在被傳送至陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載而作功。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種普遍采用的用于車輛的燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括擔(dān)載在碳顆粒上且與離聚物混合在一起的極細(xì)分散的催化顆粒，所述催化顆粒通常為鉑(Pt)。該催化混合物被沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定出膜電極組件(MEA)。膜電極組件(MEA)的生產(chǎn)成本相對(duì)較高且需要一定的條件以進(jìn)行有效的工作。

多個(gè)燃料電池通常被組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有兩百個(gè)或更多個(gè)疊置在一起的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，所述陰極輸入氣體通常為在壓縮機(jī)的作用下受力通過燃料電池堆的空氣流。燃料電池堆并未消耗空氣中所有的氧且一些空氣作為陰極排氣被輸出，所述陰極排氣可包括作為燃料電池堆副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收陽極氫輸入氣體，所述陽極氫輸入氣體流入燃料電池堆的陽極側(cè)。

燃料電池堆中包括一系列位于燃料電池堆中多個(gè)MEAs之間的雙極板，其中所述雙極板和MEAs位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括在燃料電池堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在所述雙極板的陽極側(cè)提供了陽極氣體流動(dòng)通道，從而允許陽極反應(yīng)氣體流入到各自的MEA。在雙極板的陰極側(cè)提供了陰極氣體流動(dòng)通道，從而允許陰極反應(yīng)氣體流入到各自的MEA。其中一個(gè)端板包含陽極氣體流動(dòng)通道，而另外一個(gè)端板包含陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由導(dǎo)電性材料制成，例如不銹鋼或?qū)щ娦詮?fù)合物。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電力導(dǎo)出堆。雙極板也包含冷卻流體流通的通道。

在本領(lǐng)域所公知的是，燃料電池膜操作在特定的相對(duì)濕度(RH)時(shí)可以使穿越膜的離子電阻足夠低從而有效的傳導(dǎo)質(zhì)子。通過控制幾個(gè)堆的工作參數(shù)，例如堆壓力、溫度、陰極化學(xué)計(jì)量關(guān)系和進(jìn)入到堆的陰極空氣的相對(duì)濕度，來典型控制來自燃料電池堆的陰極排氣的相對(duì)濕度，從而控制所述膜的相對(duì)濕度。

如上所述，水是作為堆操作的副產(chǎn)物而生成的。因此，來自堆的陰極排氣將包含水蒸汽和液態(tài)水。在本領(lǐng)域所公知的是，使用水蒸汽傳輸(WVT)單元來捕獲存在于陰極排氣中的水，并且使用所述水來加濕陰極輸入氣流。典型的是，WVT單元包含流動(dòng)通道和膜。在陰極排氣中的水流入到在膜一側(cè)的流動(dòng)通道而被膜吸收，并且將被傳送到在膜另外一側(cè)流入到流動(dòng)通道的陰極空氣流。

陰極入口空氣通過壓縮機(jī)而被加熱。在本領(lǐng)域所公知的是，為了優(yōu)化水蒸汽傳送性能，在將陰極入口空氣送到WVT單元前先使用中冷器來冷卻所述陰極入口空氣，從而使所述陰極入口空氣設(shè)定在適當(dāng)?shù)臏囟取Ｔ谝阎到y(tǒng)中，用來冷卻燃料電池堆的堆冷卻流體也用來冷卻陰極入口空氣，從而使陰極入口空氣的溫度基本上與堆的溫度相同。

如上所述，公知的燃料電池系統(tǒng)使用分立的中冷器和加濕器，它們絕大部分被環(huán)境空氣所包圍并且暴露于車輛前艙的空氣流。基于這個(gè)原因，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能夠發(fā)生兩件典型的事從而減慢或降低燃料電池堆的加熱：第一，由于冷的冷卻流體將來自于燃料電池堆的已壓縮空氣的熱量帶走，因此需要一段時(shí)間來使進(jìn)入到中冷器的充入空氣維持冷態(tài)。第二，在陰極氣體出口和WVT單元之間的內(nèi)部連接的管子和控制閥提供了一個(gè)需要加熱的重要的熱質(zhì)，從而進(jìn)一步減慢了WVT單元的加熱。

此外，需要在燃料電池系統(tǒng)中抑制不同單元的熱損耗，從而使熱損耗不再導(dǎo)致不需要的凝縮。特別的是，系統(tǒng)中的液態(tài)水將導(dǎo)致系統(tǒng)中元件的老化問題，以及開始冷凍時(shí)的復(fù)雜性。因此，令人滿意的是系統(tǒng)中各種氣流盡可能保持單相水蒸汽狀態(tài)。同樣，所希望的是由于燃料電池堆具有相對(duì)高的效率以便使來自燃料電池系統(tǒng)的熱損耗最小化，從而能夠在低功率和/或低環(huán)境溫度條件下提供高效的電池堆性能效果。

發(fā)明內(nèi)容