專利名稱：燃料電池堆疊的冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及燃料電池，具體地涉及燃料電池堆疊的冷卻系統(tǒng)，其允許冷卻液在燃料電池堆疊內(nèi)進行相變，以便減少冷卻液循環(huán)所需要的泵送能量，并使燃料電池堆疊的各個單元電池內(nèi)具有更均勻的溫度。
背景技術(shù)：
燃料電池已經(jīng)作為一種能源用于許多場合。例如，燃料電池已用于電動汽車的發(fā)電裝置，代替內(nèi)燃機。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫氣在燃料電池的陽極，氧氣作為氧化劑供應(yīng)到陰極。氧可以是純氧形式(O2)或是空氣(氧氣和氮氣的混合物)。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，其包括薄的、質(zhì)子可通過的、非電導的、氣體可滲透的固體聚合電解膜，一個表面上有陽極觸媒，相對的表面上有陰極觸媒。MEA夾在一對無孔導電件或板之間，導電件(1)可用作陽極和陰極的集電器；(2)其中形成適當?shù)耐ǖ篮?或開口，以分配各陽極和陰極觸媒表面上的燃料電池的氣體反應(yīng)物。
術(shù)語“燃料電池”一般是指單個電池或多個電池單元(堆疊)，取決于其實際構(gòu)成。多個電池單元通常連接到一起，以形成燃料電池堆疊。通常設(shè)置成電串聯(lián)。堆疊中的電池單元包括前面介紹的膜電極組件(MEA)，各個MEA提供電壓增量。作為示例，美國專利No.5,663,113顯示和介紹了電池堆疊中的多個電池的一些典型設(shè)置。
夾住MEA的導電板可在表面上設(shè)置成排的槽，形成反應(yīng)物的流場，在各陰極和陽極表面上分配燃料電池的氣體反應(yīng)物(如氣態(tài)的氫氣和氧氣)。這些反應(yīng)物的流場一般包括其間形成多個流體通道的多個凸起，通過這些通道氣體反應(yīng)物從位于流道一端的供應(yīng)集管流到位于流道相對端的排出集管。
在燃料電池堆疊中，多個電池單元以電串聯(lián)的方式疊置到一起，同時通過氣體不能滲透的導電雙極板分開電池單元。在某些情況下，雙極板是通過固定一對薄金屬片形成的組件。金屬片具有在其外表面形成的反應(yīng)物流場。一般地，內(nèi)部冷卻液流場設(shè)置在雙極板組件的金屬板之間。用于PEM燃料電池的雙極板組件的各種示例在共同擁有的美國專利No.5,766,624顯示和介紹。
燃料電池堆疊高效和可靠地產(chǎn)生電能。但是，隨著電能的生產(chǎn)，燃料電池在電化學反應(yīng)中損耗，組成堆疊的元件的電阻產(chǎn)生余熱(發(fā)熱)，該熱能必須從堆疊中清除，以保持恒定的最佳溫度。一般地，燃料電池堆疊的冷卻系統(tǒng)包括循環(huán)泵，可使單相冷卻液循環(huán)通過燃料電池堆疊到達熱交換器，余熱能(即熱量)通過熱交換器傳遞到環(huán)境中。兩種最常用的冷卻液是去離子水和乙二醇與去離子水的混合物。這些典型的冷卻液的熱性質(zhì)要求有較大的循環(huán)數(shù)量通過系統(tǒng)以排出足夠的余熱，以便保持恒定的堆疊操作溫度，尤其在最大功率條件下。冷卻液循環(huán)需要大量的電能，這樣就減少了燃料電池能量系統(tǒng)的總體效率。為此，希望減少冷卻燃料電池堆疊所需的冷卻液數(shù)量，從而使所需的泵送能量減少。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種傳送冷卻液通過燃料電池的冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括板，其第一側(cè)面形成反應(yīng)液的流場，第二側(cè)面形成冷卻液的流場。冷卻液的流場具有入口和出口通道，帶有連接到入口通道的冷卻液源。設(shè)有壓力控制機構(gòu)，可保持冷卻液流場的出口通道的壓力處于可使冷卻液在冷卻液流場中沸騰的水平。允許冷卻液在堆疊中相變?yōu)闅怏w，使冷卻燃料電池堆疊所需的冷卻液數(shù)量減少。液體相變?yōu)闅怏w所需的能量大大高于液體的載熱量。結(jié)果是，冷卻堆疊所需的冷卻液數(shù)量減少，以及必須泵送通過系統(tǒng)的冷卻液數(shù)量減少，因為這是系統(tǒng)的寄生負荷(parasitic load)。
本發(fā)明能夠改進溫度的均勻性，提高散熱器/冷凝器的效率。
應(yīng)用本發(fā)明的其他領(lǐng)域可從下面的詳細介紹清楚了解。應(yīng)當知道，詳細的介紹和特定的示例，盡管是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，只是用于說明，不能用于限制本發(fā)明的范圍。


根據(jù)下面的詳細介紹和附圖，可充分了解本發(fā)明。附圖中圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池的分解透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明原理的用于圖1所示質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻系統(tǒng)的示意圖；圖3用圖表顯示了水/甲醇冷卻液混合物的溫度和壓力的沸騰曲線關(guān)系；圖4是堆疊中冷卻液通道的透視圖。
具體實施例方式
下面對優(yōu)選實施例的介紹具有示例性的性質(zhì)，不能用于限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。
在進一步介紹本發(fā)明之前，有必要了解本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)操作的示例性燃料電池系統(tǒng)。具體地，圖1示意性地顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池，其具有一對膜電極組件(MEAs)4和6，通過無孔的、導電的、液體冷卻的雙極板組件8互相分開。各個MEA 4和6具有對應(yīng)的陰極表面4a，6a和陽極表面4b，6b。MEA 4和6及雙極板表面組件8在無孔的、導電的、液體冷卻的單極端板組件14和16之間堆疊到一起。鋼制的夾緊板10，12設(shè)置成可密封示例性的燃料電池堆疊。連接件(未顯示)連接到夾緊板10和12，提供了燃料電池堆疊的正和負端子。雙極板組件8和端板組件14，16包括對應(yīng)的流場20，22，18和24，分別具有在表面形成的多個流道，可分配燃料和氧化氣體(如H2和O2)到MEAs 4和6的反應(yīng)表面。不導電的墊圈或密封件26、28、30和32在多個燃料電池堆疊的板之間提供密封和電絕緣。
繼續(xù)參考圖1，多孔的氣體可滲透的導電片34、36、38和40顯示出可壓在MEAs 4和6的電極表面上，用作電極的主集電器。主集電器34、36、38、40還提供了對MEAs 4和6的機械支承，特別是在MEAs在流場中沒有支承的位置。
端板14和16分別壓到MEA 4的陰極表面4a的主集電器34和MEA 6的陽極表面6b的主集電器40，同時雙極板組件8壓到MEA 4的陽極表面4b的主集電器36以及壓到MEA 6的陰極表面6a的主集電器38。氧化性氣體，比如氧氣或空氣，從儲罐46通過適當?shù)墓苈?2供應(yīng)到燃料電池堆疊的陰極側(cè)。類似地，燃料，比如氫氣，從儲罐48通過適當?shù)墓苈?4供應(yīng)到燃料電池堆疊的陽極側(cè)。在優(yōu)選的實施例中，氧氣罐46可撤消，可從環(huán)境中供應(yīng)周圍空氣到陰極側(cè)。同樣，可不采用氫氣罐48，從重整裝置供應(yīng)氫氣到陽極側(cè)。重整裝置可從甲醇或液體碳氫化合物(如汽油)通過催化生產(chǎn)氫氣。盡管圖中未顯示，還設(shè)置了MEA 4和6的氫氣和氧氣/空氣側(cè)的排放管路，從陽極反應(yīng)物的流場清除消耗氫氣的陽極氣體，從陰極反應(yīng)物流場清除消耗氧氣的陰極氣體。
設(shè)置了冷卻液供應(yīng)管路50，52和54以從燃料電池堆疊的入口集管(未顯示)提供冷卻液到雙極板組件8和端板14及16的冷卻液流場。雙極板組件8和端板14及16的冷卻液流場包括在板8、14和16形成冷卻液通道的細長槽56。如圖1所示，設(shè)置了冷卻液排出管路58，60和62排放從燃料電池堆疊的雙極板組件8和端板14及16排出的加熱的冷卻液。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理的相變冷卻系統(tǒng)的示意圖。如圖2所示，設(shè)有燃料電池堆疊70，如圖1所示的那種。冷卻系統(tǒng)72包括泵74，可通過冷卻液通道76向燃料電池堆疊70提供冷卻液。在燃料電池堆疊70的排放端設(shè)有壓力控制閥78，散熱器/冷凝器80設(shè)置在壓力控制閥78的下游，對冷卻劑(具有液體和氣體混合物的形式)進行冷卻，使其冷凝成液體形式，返回到泵74。儲罐86設(shè)置在泵74的上游，以從泵前面74的冷卻液流體中清除氣泡。儲罐86可選擇設(shè)置脫水器功能來清除水，如果所選擇的流體與水產(chǎn)生負面反應(yīng)(即當與水混合時所需的性質(zhì)改變)的話?？刂破?2用于控制壓力控制閥78，對溫度傳感器84確定的堆疊70的溫度作出反應(yīng)。對壓力進行控制，對于測得的溫度水平，壓力保持在可使堆疊中的冷卻液沸騰?？刂破?2還包括處理器(CPU)或?qū)Ｓ秒娐穲?zhí)行這個功能。
冷卻液具有提高的壓力離開冷卻液泵74，進入燃料電池堆疊70。盡管在堆疊中，一部分冷卻液在由冷卻液的壓力決定的溫度下沸騰。如圖4清楚的顯示，堆疊內(nèi)的冷卻液通道90設(shè)計成可容納某些液體變成氣態(tài)的膨脹，使雙相流的體積流量增加所導致的壓降提高最小化。冷卻液通道90包括窄的液體入口92和一系列改變方向的曲折的通道部分94a-e，這些通道從入口92到出口96逐漸增大。增大的通道設(shè)計可保證均勻的冷卻液分布，進而避免了出現(xiàn)冷卻液完全沸騰形成熱點的區(qū)域。冷卻液在堆疊中顯示出成為液體和氣體冷卻劑的兩相混合物?；旌衔镞M入用于控制系統(tǒng)壓力的壓力控制閥78。接下來，冷卻劑進入散熱器/冷凝器80，在此冷卻劑變回到液體。當離開散熱器/冷凝器后，冷卻劑返回到冷卻液泵74。
本發(fā)明通過在堆疊中使液體冷卻劑進行相變成為氣體，減少了用于冷卻燃料電池堆疊所需的冷卻液數(shù)量。液體變?yōu)闅怏w所需的能量遠大于液體的載熱量。結(jié)果是，必須泵送通過系統(tǒng)的冷卻液數(shù)量減少。因此通常泵送大量冷卻液所要求的系統(tǒng)的寄生負荷得到減少。
測試結(jié)果顯示出水中含40％甲醇的混合物，導致了85千瓦燃料電池能量系統(tǒng)的泵送能量從1000瓦減少到200瓦，其中混合物可在燃料電池堆疊中進行相變。換句話，當冷卻液的壓力進行調(diào)節(jié)使一些冷卻液在根據(jù)本發(fā)明的原理的燃料電池堆疊中進行相變時，所需的泵送功率只有1/5。
使用冷卻液可沸騰的冷卻系統(tǒng)，除了可減少系統(tǒng)寄生損失外，還具有其它優(yōu)點。這些優(yōu)點包括改進溫度控制、改進溫度均勻性，和提高散熱器/冷凝器的效率。當液體變?yōu)闅怏w，即進行沸騰時，在一定溫度下進行。液體的局部壓力決定了液體沸騰的溫度。因此，控制壓力控制閥保持堆疊的預定壓降確定了溫度梯度，改變冷卻循環(huán)中的壓力將改變堆疊的溫度。增加壓力將增加堆疊溫度，降低壓力將減少堆疊溫度，堆疊的溫度梯度始終保持不變。水和甲醇混合物的壓力和沸騰溫度之間的關(guān)系在圖3顯示。應(yīng)當知道，其它具有類似沸騰特性的液體也可使用。
使用可進行相變的冷卻液還具有其他優(yōu)點，可增加將余熱排放到環(huán)境的散熱器/冷凝器的效率。效率的增加是由于冷凝流體的恒定的溫度關(guān)系。散熱器/冷凝器的恒定溫度意味著冷卻液和用于散熱的空氣中間的溫差得到保證，而不是減少，如進行單相熱傳遞時的情形。冷卻液和空氣之間的溫差是決定散熱器/冷凝器效率的主要因素。
本發(fā)明的介紹僅僅是示例性的，因此未脫離本發(fā)明要旨進行的變化屬于本發(fā)明的范圍。這些變化不應(yīng)被認為脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆疊的冷卻方法，其中燃料電池堆疊設(shè)有冷卻液通道，所述方法包括步驟泵送冷卻液流體通過冷卻液通道，所述冷卻液流體具有預定壓力范圍內(nèi)的預定沸點溫度；保持冷卻液通道的壓力處于所述預定壓力范圍，使所述冷卻液流體在所述冷卻液通道中沸騰；和冷卻所述冷卻液流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液流體包括水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液流體包括甲醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液流體包括甲醇和水的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液通道從入口端到出口端逐漸變寬，可實現(xiàn)流體到氣體的膨脹。
6.一種質(zhì)子交換膜型燃料電池，包括雙極板組件，具有內(nèi)部冷卻液流場，帶有入口和出口通道；冷卻液源，可傳送冷卻液到所述內(nèi)部冷卻液流場的入口通道；壓力控制機構(gòu)，可控制所述出口通道的壓力處于預定壓力水平，使所述內(nèi)部冷卻液流場中的冷卻液在燃料電池的操作溫度下沸騰。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜型燃料電池，其特征在于，所述內(nèi)部冷卻液流場包括多個細長的冷卻液通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜型燃料電池，其特征在于，所述燃料電池還包括冷凝器，可冷卻來自所述壓力控制機構(gòu)的冷卻液。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜型燃料電池，其特征在于，所述冷卻液源包括泵。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜型燃料電池，其特征在于，所述內(nèi)部冷卻液流場包括多個冷卻液通道，從入口到出口端逐漸變寬，可實現(xiàn)液體到氣體的膨脹。
11.一種冷卻系統(tǒng)，包括熱交換器，其中形成冷卻液通道，所述冷卻液通道具有入口端和出口端；冷卻液源，可傳送冷卻液到所述冷卻液通道的所述入口端；壓力控制機構(gòu)，可控制所述冷卻液通道的所述出口端的壓力處于預定壓力水平，使所述冷卻液通道中的冷卻液在冷卻系統(tǒng)的操作溫度下沸騰。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻液通道包括多個細長的通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括熱交換器，可冷卻來自所述壓力控制機構(gòu)的冷卻液。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力控制機構(gòu)包括壓力控制閥。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻液源包括泵。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻液通道從入口端到出口端逐漸變寬，可實現(xiàn)液體到氣體的膨脹。
全文摘要
提出了一種燃料電池冷卻系統(tǒng)(72)，其帶有冷卻液泵(74)，可通過燃料電池堆疊(70)中冷卻液流場通道(76)泵送流體。設(shè)有壓力控制機構(gòu)以保持燃料電池堆疊(70)的壓力水平，以使冷卻液在堆疊(70)中進行相變，允許冷卻液在堆疊(70)中相變成氣體，減少了冷卻燃料電池堆疊(70)所需的冷卻液數(shù)量，因此減少了泵送冷卻液通過燃料電池堆疊(70)所需的能量。
文檔編號H01M8/24GK1656629SQ03811468
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者J·H·李, G·W·斯卡拉 申請人:通用汽車公司