CN101227007B - 用于改进水去除、改善抗冻能力、改进清除能量效率和由关闭/开启循环引起的电压降的慢清除*** - Google Patents

用于改进水去除、改善抗冻能力、改进清除能量效率和由关闭/开启循环引起的电压降的慢清除*** Download PDF

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Abstract

一种燃料电池堆慢清除***。可使用泵保持冷却剂循环，从而使得该堆、相关的散热器和冷却剂泵之间温度保持一致。来自该堆、液体冷却剂和散热器的热量可以用于提供堆中液体蒸发的热量，并且液态水可以水蒸气的形式从堆中去除。由于空气流速相对较慢，有足够的时间使水蒸发并使空气温度与堆温度一致，其中高表面积有利于散热。清除空气可以穿过散热器通过清除空气鼓风机被吸入堆，清除空气鼓风机预热空气有助于避免冷空气接触堆。

Description

用于改进水去除、改善抗冻能力、改进清除能量效率和由关闭/开启循环引起的电压降的慢清除***
发明领域
本发明通常涉及燃料电池***，特别涉及具有提高电化学稳定性和水管理的双极板。
背景技术
燃料电池作为电源被应用于很多领域。例如，建议将燃料电池代替内燃机应用于电动汽车。在PEM型燃料电池中，氢供应到燃料电池的阳极，氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的质子传输非电子导电的固体聚合物电解质膜，在该电解质膜的一面具有阳极催化剂，相对的另一面具有阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，有时称为气体扩散介质(DM)元件，其(1)作为阳极和阴极的集流体；(2)在其中包含适当的开口，用于分散各阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池的气体反应物；(3)清除从电极到流体场通道的产品水蒸气或液态水；(4)是导热的以散热；和(5)具有机械强度。术语燃料电池通常为单个电池或多个电池(例如，堆(stack))，取决于上下文。多个单独的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆，并且通常为串联。堆中的每个燃料电池包括前述的MEA，并且每个上述的MEA提供电压增量。
在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应物(即，燃料)，而氧气是阴极反应物(即，氧化剂)。氧气可以是纯态(O2)，或空气(O2和N2的混合)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂，例如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括细分散的催化剂颗粒，其通常负载在碳颗粒上，并与质子导电树脂混合。催化颗粒通常是贵重的贵金属颗粒。这些膜电极组件的制造相对较贵，且需要一定的条件以有效操作，包括适当的水管理和湿润，以及催化剂污染成分，例如一氧化碳(CO)的控制。
涉及PEM和其它相关类型的燃料电池***的技术的例子可以在以下专利文献中找到，共同转让的Witherspoon等人的美国专利US3,985,578；Swathirajan等人的US5,272,017；Li等人的US5,624,769；Neutzler等人的US5,776,624；DiPiemo Bosco等人的US6,103,409；Swathirajan等人的US6,277,513；Woods，III等人的US6,350,539；Fronk等人的US6,372,376；Mathias等人的US6,376,111；Vyas等人的US6,521,381；Sompalli等人的US6,524,736；Senner的US6,528,191；Fly等人的US6,566,004；Forte等人的US6,630,260；Fly等人的US6,663,994；Senner的US6,740,433；Nelson等人的US6,777,120；Brady等人的US6,793,544；Rapaport等人的US6,794,068；Blunk等人的US6,811,918；Mathias等人的US6,824,909；Senner等人的美国专利申请公开No.2004/0229087；O`Hara的2005/0026012；O`Hara等人的2005/0026018；和O`Hara等人的2005/0026523，上述所有专利的全篇说明书在此特别引入以供参考。
在传统的PEM燃料电池堆中，电池反应产生水，且必须从电池堆中除去水。传统的技术使用快速机械清除工艺。其具有几个缺点，包括高能量损耗，并且最初通过“机械”方法清除水，即，将液态水对流循环出电池堆。并且，上述技术可以在脊下留下大量液体的水，可以有助于包括损害脊下DM和MEA的冻结耐久性问题。此外，由于不完全清除水提高了相对湿度(RH)，上述技术将提供较所需更高的碳腐蚀。
一种可替代的技术使用高功率的清除约100-120秒。但是，这项技术需要相对高的能耗，且对于清除液态水，特别是脊下的液态水不是很有效。例如，对于100kW总功率的堆来说，现有的120秒的清除能耗为5W×120秒＝600kJ。长时间清除需要约150kJ。长时间策略需要另一能量转换步骤(即，将电池充电)。
此外，需要一种新的改进的燃料电池***的慢清除工艺，使其改进水去除、冻结性、清除能量效率和/或由于停止/启动循环特性的电压降级。
发明内容
根据本发明的第一实施方案，提供一种从燃料电池堆中去除液态水或水蒸气的清除***，包括：(1)与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中清除空气出口可以允许清除空气排出燃料电池堆；(2)与燃料电池堆流体连通的散热器***；(3)与散热器***流体连通的空气清除入口，其中空气清除入口可以收集清除空气出口排出的空气；和(4)与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***(air blower system)，其中空气鼓风***选择性地可以将清除空气从散热器***传输到燃料电池堆，以清除液态水或水蒸气。
根据本发明第一可替代实施方案，提供一种清除燃料电池堆中的液态水或水蒸气的清除***，包括：(1)与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中清除空气出口可以允许清除空气排出燃料电池堆；(2)与燃料电池堆流体连通的散热器***；(3)与散热器***流体连通的清除空气入口，其中清除空气入口可以收集清除空气出口排出的清除空气；(4)与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***，其中空气鼓风***选择性地可以将清除空气从散热器***传输到燃料电池堆，以清除液态水或水蒸气；和(5)与燃料电池堆和散热器***流体连通的泵***，其中泵***选择性地可以泵送冷却剂流过燃料电池堆和散热器***。
根据本发明第二可替代实施方案，提供一种去除燃料电池堆液态水或水蒸气的清除***，包括(1)与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中清除空气出口可以允许清除空气排出燃料电池堆；(2)与燃料电池堆流体连通的散热器***，其中散热器***包括放气***，该放气***可以选择性地控制通过散热器***的气流；(3)与散热器***流体连通的清除空气入口，其中清除空气入口可以从外界环境收集清除空气，其中散热器***可以加热进来的清除空气；(4)与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***，其中空气鼓风***选择性地可以将清除空气从散热器***传输到燃料堆，以清除液态水或水蒸气；(5)与燃料电池堆和散热器***流体连通的包括导管***的泵***，其中泵***选择性地可以泵送冷却剂流过导管***、燃料电池堆和散热器***，其中冷却剂在导管***中、燃料电池堆中和散热器***中保持基本相同的温度。
由以下的详细说明，本发明的进一步的实用性的方面将变得显而易见。可以理解的是，当说明本申请的优选实施方案时，详细描述和具体实施例仅是以说明为目的，并不限制本发明的范围。
附图说明
参考详细说明和附图可以更全面地理解本发明，其中
附图1是根据本发明一般教导的以普通模式操作的燃料电池***清除***的示意图；和
附图2是根据本发明一般教导的以清除模式操作的燃料电池***清除***的示意图。
具体实施方式
参考图1和图2，根据本发明的一般的教导示出了用于与燃料电池***12，例如用于与燃料电池堆14连接的清除***10。例如，在这期间可以使用辅助的小功率液体冷却剂泵16以保持冷却剂的循环，使得堆14、散热器18和冷却剂泵20温度相同(例如，从散热器18到冷却剂泵16的导管20a，从冷却泵16到堆14的导管20b)。下面一般描述冷却剂流动路径。冷却剂从泵16流入导管20a再流入散热器18。冷却剂从散热器18流入导管20c，并被引入燃料电池堆14。然后冷却剂排出燃料电池堆14，进入导管20b，然后再引入泵16。堆14、液体冷却剂和散热器18的热量可以用于提供蒸发堆14中的液体的热，液态水可以以水蒸气的形式从堆14中去除，例如，从导管14a排出。由于气流速度相对较低，水有足够的时间蒸发并使空气与堆14温度相同，其也由用于热传导的大表面积来促进。
图1表示普通操作模式下运行的清除***。当清除***10以普通模式操作时，散热器18会从周围环境吸取清除气体。然后空气进入散热器风扇26并通过排气孔24回到外部环境。
现在参考图2，其表示了清除模式下操作的清除***10。清除空气可通过散热器18(例如，经由导管18a和18b)，例如，经由清除空气鼓风机22吸入堆14，清除空气鼓风机22预热空气以帮助避免冷空气在空气入口接触堆14。此刻关闭排气孔24以保证空气穿过散热器18，例如，通过选择性地关闭和/或开启。当清除***10以清除模式操作时，散热器18会从外界环境吸取清除空气。然后，通过导管18a和18b将空气引入堆14。空气流经堆后，流出到外界环境中。散热器风扇26和散热器18之间的空间是不必要的，但是，它可以用于允许均一空气流过散热器18。
根据本发明的一方面，清除堆需要相对长的时间，例如，半小时至一小时。但是，优选清除时间可以根据本发明的一般教导更改，例如，清除时间可以小于或大于前述的清除时间间隔。根据本发明的一方面，在长的清除过程之前，可以有一个相对短时间的高强度清除，以“机械去除”积存在通道中的液态水。
不限制于本发明操作的特殊原理，认为通过采用慢蒸发液态平衡水去除，而不是快速的对流水去除，这种类型的慢堆清除将从脊(land)下去除液态水，这会给薄膜更好的机会而免于多次结冰/解冻循环，具有小的或甚至没有降解。
如下所述，在其它情况中，执行几个样品的计算以确定堆的冷却时间、堆的温度下降、及一定量水所需的冷却剂、压力的下降和空气流量。
关于冷却堆的时间，认为冷却堆的时间将指示清除时间。例如，清除时间相对于所需的冷却堆的时间必须足够短，因为希望堆和冷却剂***的热量用于蒸发水，而不希望有热损失。如果估计自然对流HTC(热传导系数)是10W/m2-K，设定环境温度为0℃，堆和冷却剂***的mCp(质量乘以比热)为134000J/K(例如，来自GM Mainz-Kastel***团队)，是6小时。所以清除必须在小于1小时内发生，由此冷却导致的热损失是可以忽视的。应该注意到由于更高的自然对流HTC或冷却剂泵送导致的很大的热量损失，真实***的热损失可能高于这里估计的。如果是这种情况，需要一些小的额外的绝缘层围绕堆和冷却剂***，或比在此估计的半小时至1小时稍快的清除时间。
关于用于给定量水的堆和冷却剂的温度下降，本发明的一个预期是用于冷却堆和冷却剂***的显热(sensible heat)足够蒸发积聚在堆中的液态水。例如，堆和冷却剂***温度为60℃。设定堆和冷却剂***的mCp为134000J/K，从60℃降到20℃的显热为5.36MJ。如果蒸发热量为2400J/g，显热足够蒸发高达2230克水。由于还需要一些显热量来加热进来的冷的清除空气，因此上述数值是上限。
另一方面，并不必或甚至希望清除堆中所有的液态水。在任何情况下，获得的数据显示，在未清除而关闭之前，对于以91％出口RH运行的全S4.3堆(每个单元具有360cm2有源区的400个单元)，保留了1050克液态水，并且对于在未清除而关闭之前，以126％出口RH运行的全S4.3堆，有1600克水，因此，对于60℃起始温度的预想条件，显热处于正确的数量级以去除绝大部分，如果不是全部的液态水。
对于堆没有达到60℃的情况，例如，在相对寒冷的天气短时间工作，可以采用其它选择。例如，(1)在很多情况下，由于短时间的驱动中可能会在堆中产生较少量的水，温度低于60℃可能就足够了；(2)运算法则(algorithm)可以用于估算堆中液态水的量、和长时间清除所需初始温度，并且堆可以保留驱动冷却剂的热量，直到关闭前达到该温度；和/或(3)可以进行短时间、高流量的机械清除作为长时间清除的准备步骤。这有加热堆和机械去除部分水的双重好处。再一次，可以应用运算法则确定短时间高流量清除所需要的时间。即使在该情况下，长时间的清除的优点在于最小化了高流量清除的长度，并由此保存功率并提供较彻底干燥堆的潜能。
关于压降和空气流动功率，例如，对于S4.3堆，1kW的压缩机通常传送30g/s空气，相应的P降为10kPa。因为本发明使用片状流动方式，压降正比于质量流。对于长时间清除策略，需要3g/s的空气流。这意味着压降为1kPa数量级。以下关系式用于估计长时间清除所需功率。
功率＝a(Pin*Fin)/(1-a)((Pout/Pin)^((a-1)/a)-1
其中a是Cp/Cv的比例(例如，对空气来说，等于1.4)，其中Cp是恒压下的比热，Cv是等容时的比热，Pin是入口压力，Fin是入口体积流速，Pout是出口压力。使用上述关系式比较1千瓦下30g/s的情况与6g/s的情况，6g/s的情况下所需的功率估算为32W。即使流过散热器和入口管道的流会提供额外的压降，并且允许小泵在清除期间缓慢循环冷却剂，功率消耗应很小，例如，40瓦或更小。如果清除过程持续1小时，这时清除过程所需的总能量仅为144KJ，这可以由相对小且廉价的可充电电池提供。
总分析表模板的结果提供了一个单一的普通的微分方程式的分析结果，其帮助决定本发明的可行性。计算涉及解决其中冷空气带入被加热到高达堆温度的堆，然后完全饱和地离开堆的能量平衡。由于加热进入的冷空气且液态水蒸发，堆损失能量。模板还考虑了由于堆以及排出空气温度下降，饱和时空气保有的水较少。下面将示出几种样品计算结果：
初始堆温度T＝60℃，清除空气流速＝6g/s，进入空气温度T＝-20℃，当堆温度T分别＝42、35和29℃时，1/2、1以及3/2小时后清除的水分别＝900、1400和1700克。
初始堆温度T＝50℃，清除空气流速＝6g/s，进入空气温度T＝-20℃，当堆温度T分别＝36、29和23℃时，1/2、1以及3/2小时后清除的水分别＝580、900和11600克。
根据本发明的一方面，取代一个较大的散热器风扇，在普通操作期间，小风扇矩阵(例如，4×4＝16)可以用来推或拉空气穿过散热器。现在，在延长的关闭期间，每次只有一个风扇用于拉空气穿过散热器并将其送入堆。
根据本发明的一方面，可以使用热交换器来交换新鲜清除空气和排出清除空气之间的热量，从而对于给定空气流速，以使更多水流出堆。由于热交换器产生的额外的压降，需要更大的清除鼓风机。
根据本发明的一方面，在散热器中使用更大体积和更便宜的材料实际上利于长时间清除过程中的水去除。
根据本发明的一方面，由于流速相对较低，自然对流可以帮助空气清除和冷却剂的循环，这可以帮助降低可充电电池的成本。例如，设计细节可以鼓励自然对流。
如果此种清除方式对于干透阴极入口附近区域的薄膜的效率太高，则清除转换可以用于其中清除气体以特定的时间(例如，15秒)引入阴极入口，然后以相同的时间引入阴极出口。在这种情况下，薄膜会与全湿气体接触足够长时间，以在液态水从堆中清除后保持含水的状态。
本发明的几项优点在于以下。
通过使用液-气平衡的堆的更彻底的干燥具有更长防冻期的潜能。特别地，现有的机械清除***将清除通道中的水，但会在脊下留下大量水。而这可最终导致脊下的DM和MEA的降解。本发明提出的慢清除会清除脊下的水，这最终可证明是大量冷冻循环的耐久性的关键。
由于空气流速相对低(例如，堆在1/2至2小时的周期下清除)，穿过堆的空气压降非常低，例如，低于1kPa。结果，泵送这些数量空气所需的能量也就很低。
由于本发明的清除策略，现在可以从堆中清除较多液态水，开启了在更高出口RH条件下运作的可能，可进一步提高堆的耐久性和可接受操作范围。
本发明具有在关闭/开启循环中减轻碳腐蚀的优点。由于慢清除策略，用空气清除阳极侧之前，薄膜含水量降低并且堆被冷却。上述两个因素很好地改进了***开启和关闭循环期间产生的电压降。由于水是反应物之一，前者降低了离子交联聚合物的含水量，离子交联聚合物用于减慢阴极中的碳腐蚀反应。离子交联聚合物含水量越小，碳腐蚀反应速率越慢。由于阳极前部的空气/氢气的通道的温度越低，关闭/开启循环期间电压下降速率越低，后者将改善在燃料电池***开启和关闭期间，当空气/氢气穿过阳极前部时的电压降低。
该描述仅仅是本发明示例性描述，由此，各种不离开本发明主旨的改变均在本发明的范围之内。上述改变不视为背离本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种去除燃料电池堆中液态水或水蒸气的清除***，包括：
与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中清除空气出口可操作以允许清除空气排出燃料电池堆；
与燃料电池堆流体连通的散热器***；
与散热器***流体连通的清除空气入口，其中清除空气入口可操作以容纳来自外界环境的清除空气；以及
与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***，其中空气鼓风***可选择性地操作以将清除空气从散热器***传输到燃料电池堆，以从中去除液态水或水蒸气。
2.根据权利要求1的清除***，进一步包括与燃料电池堆和散热器***流体连通的泵***，其中泵***可操作以选择性地泵送冷却剂通过燃料电池堆和散热器***。
3.根据权利要求2的清除***，其中泵***包括与燃料电池堆和散热器***流体连通的导管***，其中泵***可操作以选择性地泵送冷却剂穿过导管***，其中导管***、燃料电池堆和散热器***中的冷却剂的温度保持基本相同。
4.根据权利要求1的清除***，其中散热器***包括放气***，其可选择性地操作以控制穿过散热器的空气流量。
5.根据权利要求1的清除***，其中散热器***可操作以加热进来的清除空气。
6.根据权利要求1的清除***，其中清除***操作时间为30分钟至120分钟。
7.根据权利要求1的清除***，其中清除***操作时间为30分钟至60分钟。
8.根据权利要求1的清除***，其中操作清除***所需功率根据公式P＝a(Pin*Fin)/(1-a)((Pout/Pin)∧((a-1)/a)-1)计算，其中P是功率，a是Cp/Cv的比例，其中Cp是恒压下的比热，Cv是等容时的比热，Pin是入口压力，Fin是入口体积流速，Pout是出口压力。
9.一种用于去除燃料电池堆中液态水或水蒸气的清除***，包括：
与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中该清除空气出口可操作以允许清除空气排出燃料电池堆；
与燃料电池堆流体连通的散热器***；
与散热器***流体连通的清除空气入口，其中清除空气入口可操作以收集清除空气出口排出的清除空气；
与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***，其中空气鼓风***可选择性地操作以将清除气体从散热器***传输到燃料电池堆，以从中去除液态水或水蒸气；以及
与燃料电池堆和散热器***流体连通的泵***，其中该泵***可操作以选择性地泵送冷却剂穿过燃料电池堆和散热器***。
10.根据权利要求9的清除***，其中泵***包括与燃料电池堆和散热器***流体连通的导管***，其中泵***可操作以选择性地泵送冷却剂穿过导管***，其中导管***、燃料电池堆和散热器***中的冷却剂的温度保持基本相同。
11.根据权利要求9的清除***，其中散热器***包括通风口***，其可选择性地操作以控制穿过散热器***的空气流量。
12.根据权利要求9的清除***，其中散热器***可操作以加热进来的清除空气。
13.根据权利要求9的清除***，其中清除***工作时间为30分钟至120分钟。
14.根据权利要求9的清除***，其中清除***工作时间为30分钟至60分钟。
15.根据权利要求9的清除***，其中操作清除***所需功率根据公式P＝a(Pin*Fin)/(1-a)((Pout/Pin)∧((a-1)/a)-1)计算，其中P是功率，a是Cp/Cv的比例，其中Cp是恒压时的比热，Cv是等容时的比热，Pin是入口压力，Fin是入口体积流速，以及Pout是出口压力。
16.一种用于去除燃料电池堆中的液态水或水蒸气的清除***，包括：
与燃料电池堆流体连通的清除空气出口，其中清除空气出口可操作以允许清除空气排出燃料电池堆；
与燃料电池堆流体连通的散热器***，其中散热器***包括可选择性地操作以控制通过散热器***的气流的放气***；
与散热器***流体连通的清除空气入口，其中清除空气入口可操作以收集清除空气出口排出的清除空气，其中散热器***可操作以加热进入的清除空气；
与燃料电池堆和散热器***流体连通的空气鼓风***，其中该空气鼓风***可选择性地操作以将清除气体从散热器***传输到燃料电池堆，以从中去除液态水或水蒸气；以及，
与燃料电池堆和散热器***流体连通的包括导管***的泵***，其中泵***可操作以选择性地泵送冷却剂穿过导管***、燃料电池堆和散热器***，其中导管***、燃料电池堆和散热器***中的冷却剂温度保持基本相同。
17.根据权利要求16的清除***，其中清除***工作时间为30分钟至120分钟。
18.根据权利要求16的清除***，其中清除***工作时间为30分钟至60分钟
19.根据权利要求18的清除***，其中操作清除***所需功率根据公式P＝a(Pin*Fin)/(1-a)((Pout/Pin)∧((a-1)/a)-1)计算，其中P是功率，a是Cp/Cv的比例，其中Cp是恒压下的比热，Cv是等容时的比热，Pin是入口压力，Fin是入口体积流速，Pout是出口压力。
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