專利名稱：擴(kuò)大燃料電池堆的工作范圍的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及擴(kuò)大燃料電池堆的工作范圍的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中已經(jīng)采用燃料電池作為電源，例如，已建議在電動車輛動力裝置中使用燃料電池以取代內(nèi)燃機(jī)。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，將氫提供給燃料電池的陽極，將氧作為氧化劑提供給陰極。分別在1993年12月21日和1994年5月31日公開的美國專利No.5272017和No.5316871中描述了典型的PEM燃料電池及其膜電極組件(MEA)，這兩篇專利共同轉(zhuǎn)讓給通用汽車公司(General MotorsCorporation)。MEA包括薄的可傳輸質(zhì)子的非導(dǎo)電性的固體聚合物電解質(zhì)膜，在所述電解質(zhì)膜一面上具有陽極催化劑且在其另一面上具有陰極催化劑。
術(shù)語“燃料電池”通常根據(jù)上下文表示單個電池或多個電池(電池堆)。通常把多個單電池包在一起形成燃料電池堆。在電池堆中的每個電池包括膜電極組件，膜電極組件提供電壓增量。在轉(zhuǎn)讓給通用汽車公司的美國專利US5763113中描述了在電池堆中多個電池的典型排列方式。
夾住MEA的導(dǎo)電元件可包括在導(dǎo)電元件的表面中的通道或溝槽陣列，用于在相應(yīng)的陰極和陽極表面上分布燃料電池氣態(tài)反應(yīng)劑。在燃料電池堆中，多個電池在通過氣體可透過的導(dǎo)電雙極板彼此隔開的同時以電串聯(lián)的方式堆疊在一起。燃料電池堆的雙極板的實際體積流量調(diào)節(jié)能力(turndown capability)約為10∶1。當(dāng)電池堆流量降低時，通過降低進(jìn)口壓力和/或增加化學(xué)計量比，可部分地克服這種限制。利用約為3的壓力調(diào)節(jié)和為4的低流量陽極化學(xué)計量，人們可實現(xiàn)約120∶1的電池堆調(diào)節(jié)能力。遺憾地是，較高的進(jìn)口壓力(以高流量)和/或較高的反應(yīng)劑化學(xué)計量(以低流量)會帶來更多的連帶損失，降低系統(tǒng)效率。通過在管路的進(jìn)口和出口之間提供一定的壓降，完成在電池堆中反應(yīng)劑向每一個電池的分配。這種壓降使得在所有電池中流量的分布更為均勻。
因此，希望提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)在向?qū)τ诹髁坎煌母麟姵靥峁┳銐虻乃俣群头磻?yīng)劑濃度的同時保持適當(dāng)?shù)膲毫怠?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以串聯(lián)方式設(shè)置燃料電池堆部分并根據(jù)流量重新構(gòu)造電池堆流動路徑，使得在對每個電池提供足夠的流速和反應(yīng)劑濃度的同時保持適當(dāng)?shù)膲毫?。在燃料電池堆陽極和/或陰極管路的內(nèi)部設(shè)置閥陣列，這些閥以下述方式打開和關(guān)閉使得穿過電池堆各電池的各氣體流動路徑隨著電池堆的流量變化而變化。流動路徑隨電池堆流量而變化通過保持足夠高的氣體流速，從而保持通道中無水，由此改善了工作范圍；并以低流速提供了足夠的壓力降以維持流量分配；同時還以高流速提供了足夠的流動區(qū)域以防止壓力降下降過多。
根據(jù)下面所提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明在其它方面的應(yīng)用將更為明顯。應(yīng)理解，對本發(fā)明優(yōu)選實施方式和具體實施例的詳細(xì)描述僅以說明為目的，并不限定本發(fā)明的范圍。


根據(jù)具體描述和附圖更全面地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池堆的示意透視圖；圖2是具有在單通道流動位置中設(shè)置的回轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)的典型燃料電池堆的截面示意圖；圖3是圖2所示的典型燃料電池堆的截面示意圖，具有設(shè)置成使反應(yīng)氣體經(jīng)過串聯(lián)連接的燃料電池的三通道結(jié)構(gòu)的流動配置；圖4是圖2所示的典型燃料電池堆的截面示意圖，具有設(shè)置成使反應(yīng)氣體經(jīng)過串聯(lián)連接的燃料電池的五通道結(jié)構(gòu)的流動配置；圖5是圖2所示的典型燃料電池堆的截面示意圖，具有設(shè)置成使反應(yīng)氣體經(jīng)過串聯(lián)連接的燃料電池的七通道結(jié)構(gòu)的流動配置；圖6是圖2-5中所示的實施例中所采用的回轉(zhuǎn)閥構(gòu)件的端視圖；圖7A和7B是圖2-5中的實施例中所采用的回轉(zhuǎn)扇形閥的相對側(cè)的透視圖；圖8-11提供本發(fā)明第二實施例的示意圖，其中，燃料電池堆的所選雙極板設(shè)置有閘閥，這些閘閥以產(chǎn)生所需流動路徑的方式打開或關(guān)閉，圖8提供一通道結(jié)構(gòu)，圖9提供三通道結(jié)構(gòu)，圖10提供流動通道自始至終都較窄的三通道結(jié)構(gòu)，圖11提供五通結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
以下對優(yōu)選實施例的描述實際上僅是示意性的，決不表示對本發(fā)明、其用途或使用的限制。
參照圖1，示意性地以透視方式示出燃料電池堆10。廣義上講，將重整產(chǎn)品12和空氣14供應(yīng)到燃料電池堆10中，并從電池堆10排出已耗盡氧的空氣16和氫排出物18?？偟膩砜矗姵囟?0包括多個膜電極組件(MEA)20，每個組件設(shè)置在多個雙極板22之間。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，電池堆10還包括多個氣體分配層、多個陽極管路、多個陰極管路、多個冷卻劑管路和上下端板，它們都以疊層關(guān)系設(shè)置。重復(fù)MEA和雙極板的序列，以提供燃料電池堆10所需的電壓輸出。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，每一個MEA 20包括以較薄的質(zhì)子傳輸非導(dǎo)電固體聚合物電極的形式的薄膜。陽極催化劑層設(shè)置在薄膜的一面上，陰極催化劑層設(shè)置在薄膜的第二面上。雙極板22限定了用于使反應(yīng)氣體在相應(yīng)的陽極和陰極催化劑層的表面上分布的通道。
參見圖2-7，現(xiàn)在描述本發(fā)明的第一實施例。圖2-4示出了燃料電池堆30的示意圖，所述燃料電池堆30設(shè)有以疊層狀結(jié)構(gòu)設(shè)置的多個燃料電池和雙極板。在燃料電池20的相對側(cè)上設(shè)置反應(yīng)氣體管路，如陽極或陰極氣體管路36、38。上游反應(yīng)氣體管路36包括在其中設(shè)置的回轉(zhuǎn)式扇形閥40，而下游管路38還包括在其中設(shè)置的第二回轉(zhuǎn)式扇形閥42。如圖2-5所示，回轉(zhuǎn)式扇形閥40、42能夠改變穿過燃料電池堆的流動路徑結(jié)構(gòu)。尤其是，圖6、7A和7B中所示的回轉(zhuǎn)式扇形閥40、42設(shè)置有四個扇區(qū)A-D，各扇區(qū)設(shè)置有不同的隔壁布局，指引反應(yīng)氣體沿不同路徑流動。如圖2所示，閥構(gòu)件40、42的扇區(qū)A完全打開，因此，使空氣從管路腔室36的一端流向另一端，經(jīng)過在燃料電池堆中的氣體通道以到達(dá)下游管路腔室38，并通過廢氣通道52排出。如圖3所示，回轉(zhuǎn)式扇形閥構(gòu)件40、42的扇區(qū)B設(shè)置有單個隔壁54，該隔壁54引導(dǎo)反應(yīng)氣體在三通路串聯(lián)狀流動結(jié)構(gòu)中流動通過如圖3所示的燃料電池堆。
回轉(zhuǎn)式扇形閥構(gòu)件40、42的扇區(qū)C各設(shè)有兩個隔壁54，這些隔壁提供串聯(lián)狀流動路徑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供經(jīng)過圖4所示的燃料電池堆的五個通道。如圖5所示，回轉(zhuǎn)式扇形閥構(gòu)件40、42的扇區(qū)D各設(shè)有三個隔壁54，這些隔壁提供經(jīng)過燃料電池堆的七通道串聯(lián)狀流動路徑結(jié)構(gòu)。雖然為了說明，僅在一個管路中示出了回轉(zhuǎn)式扇形閥，但是圖2-5所示的回轉(zhuǎn)式扇形閥裝置可設(shè)置在陽極氣體管路和陰極氣體管路中。
回轉(zhuǎn)式扇形閥構(gòu)件40、42設(shè)置有致動機(jī)構(gòu)，例如馬達(dá)56，所述馬達(dá)致動以便調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)式扇形閥40、42的位置?？筛鶕?jù)檢測出的經(jīng)過燃料電池通道的反應(yīng)氣體流量由中央處理器58操作所述致動機(jī)構(gòu)如馬達(dá)56。在一個典型實施例中，可與中央處理單元58相連通地設(shè)置體積流量傳感器60，由此可監(jiān)測反應(yīng)氣體流量，并可根據(jù)檢測出的流量體積由中央處理單元58選擇適當(dāng)?shù)牧鲃勇窂浇Y(jié)構(gòu)。另一種可選擇的方法可采用用于檢測經(jīng)過傳感器62、64的壓降的壓降檢測系統(tǒng)，所述傳感器62、64分別設(shè)置在燃料電池30的進(jìn)口和出口，由此可根據(jù)在通過燃料電池堆30的壓降由中央處理單元58選擇適當(dāng)?shù)牧鲃勇窂浇Y(jié)構(gòu)。在圖2-7B中公開的本發(fā)明允許根據(jù)反應(yīng)氣體的流量重新構(gòu)造電池堆的流動路徑，使得通過燃料電池堆的壓降保持適當(dāng)，同時為各電池提供足夠的速度和反應(yīng)劑濃度。
回轉(zhuǎn)式扇形閥40、42的選擇性旋轉(zhuǎn)使得經(jīng)過電池堆電池的各氣體流動路徑隨著電池堆流量的變化而變化。通過將氣體流速保持得足夠高從而保持通道中無水，因此流動路徑結(jié)構(gòu)隨電池堆流量的變化改善了工作范圍。閥40、42一致旋轉(zhuǎn)，從而為每個流動路徑結(jié)構(gòu)提供適當(dāng)連接。雖然示出了直流馬達(dá)56，但是也可以采用其它致動裝置例如多位置旋轉(zhuǎn)螺線管和其它已公知的電的、電-機(jī)械的、機(jī)械的、液壓的、氣動的致動器。
在圖8-11中示出了本發(fā)明的其它可選的實施例。在所示實施例中，雙極板22設(shè)置在燃料電池20之間(示意性示出)。為了示意性實施例，每個第四雙極板22’還用作閥板22’。各閥板22’設(shè)置在串聯(lián)的燃料電池20和雙極板22之間并且雙極板22限定燃料電池部分70a-70f。燃料電池設(shè)置有進(jìn)口管路腔室36和出口管路腔室38。各雙極板/閥板22’設(shè)置有閥構(gòu)件72a-72e和閥構(gòu)件74a-74e，閥構(gòu)件72a-72e設(shè)置在進(jìn)口管路腔室36中，閥構(gòu)件74a-74e設(shè)置在出口管路腔室38中。以如下方式啟動以打開或關(guān)閉閥構(gòu)件72a-72e、74a-74e，從而得到通過燃料電池部分70a-70f所需的流動路徑結(jié)構(gòu)。
如圖8所示，通過將所有的閥構(gòu)件72a-72e、74a-74e保持在打開位置，設(shè)置了常規(guī)的流動路徑結(jié)構(gòu)。通過關(guān)閉在進(jìn)口管路腔室36中的閥構(gòu)件72b和在出口管路腔室38中的閥構(gòu)件74d，獲得了如圖9所示的三通道串聯(lián)狀流動路徑結(jié)構(gòu)，從而把進(jìn)口氣體的最初流動引向燃料電池部分70a、70b，然后回流通過燃料電池部分70c、70d、然后再使流動改變方向流過燃料電池部分70e、70f，并經(jīng)由廢氣通道78引向外部。
如圖10所示，通過關(guān)閉閥72c和74e，獲得了三通道流動路徑結(jié)構(gòu)，其中，流體最初流過三個燃料電池部分70a-70c，然后轉(zhuǎn)回來通過兩個燃料電池部分70d、70e，然后轉(zhuǎn)回來通過一個燃料電池部分70f。這種流動結(jié)構(gòu)讓最初進(jìn)入燃料電池部分70a-70d的較充足的燃料更緩慢地流過最初的燃料電池部分，并且當(dāng)反應(yīng)氣體的損耗完時，經(jīng)過下游燃料電池部分的流速增加。
如圖11所示，通過關(guān)閉閥72b、74c、72d和74e，形成了五通道流動路徑結(jié)構(gòu)，其中，進(jìn)口流體最初經(jīng)過燃料電池部分70a、70b，它們在出口管路腔室38處向后轉(zhuǎn)向通過燃料電池部分70c，在此處，反應(yīng)氣體從進(jìn)口管路腔室36改變方向流入回燃料電池部分70d。然后將反應(yīng)氣體重新被引入出口管路部分38中、向后經(jīng)過燃料電池部分70e，然后反應(yīng)氣體在進(jìn)口管路腔室36中轉(zhuǎn)向，向后經(jīng)過最終燃料電池部分70f，并通過廢氣通道78排出。正如從上述實例看出的那樣，通過不同閥構(gòu)件72a-72e、74a-74e的選擇操作獲得了許多不同的流動路徑結(jié)構(gòu)，從而引導(dǎo)流體以選擇方向通過燃料電池部分70a-70f。閥72、74可以是任何已公知的結(jié)構(gòu)，并可受機(jī)械、電子機(jī)械、液壓或氣動機(jī)構(gòu)驅(qū)動。
對本發(fā)明的描述實際上僅是示例性的，因此，不偏離本發(fā)明主題的變型都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。不應(yīng)認(rèn)為這種變型偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆，包括以層疊關(guān)系設(shè)置的多個燃料電池；在所述多個燃料電池之間設(shè)置的多個反應(yīng)氣體通道；和與所述多個反應(yīng)氣體通道相連的管路系統(tǒng)，所述管路系統(tǒng)包括流量控制機(jī)構(gòu)，所述控制機(jī)構(gòu)是可調(diào)節(jié)的，從而提供經(jīng)過所述多個反應(yīng)氣體通道的其它可選的流動路徑配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在所述管路系統(tǒng)中的至少一個閥構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池堆，其中所述至少一個閥包括在所述管路系統(tǒng)中設(shè)置的多個閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中所述管路系統(tǒng)包括上游和下游陽極氣體管路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)包括在所述上游和下游陽極氣體管路中的至少一個閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池堆，其中所述至少一個閥構(gòu)件包括多個閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池堆，其中所述至少一個閥構(gòu)件是回轉(zhuǎn)閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池堆，其中所述至少一個閥構(gòu)件是閘閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池堆，還包括連接到所述至少一個閥構(gòu)件的致動裝置，用于打開和關(guān)閉所述至少一個閥構(gòu)件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)能夠使通過所述反應(yīng)氣體通道的流動轉(zhuǎn)向，從而以其它可選擇的串聯(lián)流動路徑配置方式連接所述多個反應(yīng)氣體通道的不同的幾個通道。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池堆，其中所述其它可選擇的串聯(lián)流動路徑配置包括至少三種其它可選擇的串聯(lián)流動路徑配置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中所述管路系統(tǒng)包括上游和下游陰極氣體管路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)包括在所述上游和下游陰極氣體管路中的至少一個閥。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池堆，其中所述至少一個閥構(gòu)件包括多個閥。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆，還包括用于檢測所述燃料電池的反應(yīng)氣體流量水平的裝置、和用于根據(jù)所檢測出的反應(yīng)氣體流量水平控制所述流量控制機(jī)構(gòu)的控制處理器。
16.一種擴(kuò)大燃料電池堆的工作范圍的方法，所述燃料電池堆包括多個燃料電池，所述燃料電池具有多個在它們之間延伸的氣體通道以便向所述燃料電池提供反應(yīng)氣體；和管路系統(tǒng)，所述管路系統(tǒng)用于向所述多個氣體通道提供反應(yīng)氣體，所述方法包括以下步驟提供經(jīng)過所述多個氣體通道的第一流動結(jié)構(gòu)；將反應(yīng)氣體引過所述第一流動結(jié)構(gòu)；檢測經(jīng)過所述第一流動結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體的流量；和根據(jù)所檢測出的經(jīng)過所述第一結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體流量的變化而設(shè)置經(jīng)過所述多個氣體通道的第二流動結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述多個通道是陽極氣體通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述多個氣體通道是陰極氣體通道。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述第一和第二流動結(jié)構(gòu)中的至少一個包括以串聯(lián)方式連接所述多個氣體通道中的一部分。
20.一種燃料電池堆，包括多個燃料電池組件，各組件包括在第一表面上的陽極催化劑和在第二表面上的陰極催化劑；緊接所述多個燃料電池組件的所述第一表面設(shè)置的多個陽極氣體通道；緊接所述多個燃料電池組件的所述第二表面設(shè)置的多個陰極氣體通道；和管路系統(tǒng)，所述管路系統(tǒng)包括與所述多個陽極氣體通道相連的陽極氣體管路和與所述多個陰極氣體通道相連的陰極氣體管路，所述陽極氣體管路和所述陰極氣體管路各包括流量控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是可調(diào)節(jié)的以改變經(jīng)過所述陽極氣體通道和所述陰極氣體通道的流動路徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)包括在所述陽極氣體管路和所述陰極氣體管路中設(shè)置的至少一個閥構(gòu)件，用于使在至少兩個可選的流動路徑之間的流動轉(zhuǎn)向。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的燃料電池堆，其中所述至少一個閥包括在所述陽極氣體管路和所述陰極氣體管路中設(shè)置的多個閥。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池堆，其中所述管路系統(tǒng)包括上游和下游陽極氣體和陰極氣體管路。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)包括在所述上游和下游陽極氣體和陰極氣體管路中的至少一個閥。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的燃料電池堆，其中所述至少一個閥構(gòu)件包括在所述管路系統(tǒng)中設(shè)置的多個閥。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的燃料電池堆，還包括連接到所述至少一個閥構(gòu)件的致動裝置，用于打開和關(guān)閉所述至少一個閥構(gòu)件。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池堆，其中所述流量控制機(jī)構(gòu)能夠使通過所述多個陽極氣體通道和所述多個陰極氣體通道的流動轉(zhuǎn)向，以便以其它可選擇的串聯(lián)流動路徑配置方式連接所述多個陽極氣體通道和所述多個陰極氣體通道的不同幾個通道。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的燃料電池堆，其中所述其它可選擇的串聯(lián)流動路徑配置包括至少三種可選的串聯(lián)流動路徑配置。
全文摘要
一種裝置和方法，用于根據(jù)反應(yīng)氣體的流量重新構(gòu)建燃料電池堆中的流動路徑，從而在燃料電池堆的各電池中保持適當(dāng)壓降、足夠的速度和反應(yīng)劑濃度。
文檔編號H01M8/02GK1650447SQ03809848
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月1日
發(fā)明者G·W·斯卡拉, J·A·羅克 申請人:通用汽車公司