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CN100536214C - 用于电化学燃料电池的无源微冷却剂回路 - Google Patents

用于电化学燃料电池的无源微冷却剂回路 Download PDF

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CN100536214C CNB2005800440710A CN200580044071A CN100536214C CN 100536214 C CN100536214 C CN 100536214C CN B2005800440710 A CNB2005800440710 A CN B2005800440710A CN 200580044071 A CN200580044071 A CN 200580044071A CN 100536214 C CN100536214 C CN 100536214C
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Abstract

通过具有使用两个齿轮泵头的无源冷却剂微回路，可以观察到电化学燃料电池系统的凝固和凝固点以下启动时间的改进。在冷启动中，堆阀最初被完全关闭，并导致到达模块的所有系统冷却剂通过驱动齿轮泵头。这导致被驱动齿轮泵头使冷却剂在模块内再循环。在实施例中，堆阀是当冷却剂开始变热时开始打开的恒温阀。这能够使得很少的系统冷却剂流入模块中并减少微回路再循环的百分比。当达到操作温度时，恒温阀完全打开，并且驱动齿轮泵头上的系统冷却剂入口压力抵消被驱动齿轮泵头上的压力，由此停止再循环。

Description

用于电化学燃料电池的无源微冷却剂回路
技术领域
本发明涉及电化学燃料电池，特别是涉及用于在启动过程中控制燃料电池系统的温度的子系统和方法。
背景技术
电化学燃料电池转变反应剂即燃料和氧化剂流体流，以产生电力和反应产物。电化学燃料电池使用设置在两个电极即阴极和阳极之间的电解质。电极分别包含设置在电解质和电极之间的界面上以引起希望的电化学反应的电催化剂。电催化剂的位置一般限定电化学活性区域。
聚合物电解质膜(PEM)燃料电池一般使用包含设置在两个电极层之间的离子交换膜的膜电极组件(MEA)，该离子交换膜包含作为流体扩散层的多孔导电片材料，诸如碳纤维纸或碳布。在典型的MEA中，电极层为一般薄而且柔软的离子交换膜提供结构支撑。膜具有离子导电性(一般为质子导电性)，并且还用作用于使反应剂流相互隔开的阻挡层。膜的另一功能是用作两个电极层之间的电绝缘体。电极应相互电绝缘以防止短路。典型的商业PEM是E.I.Du Pont deNemours and Company以商业牌号
Figure C20058004407100051
出售的磺化全氟碳(sulfonated perfluorocarbon)膜。
MEA包含一般包含设置在各膜/电极层界面上的层中的细碎的铂粒子的电催化剂，以引起希望的电化学反应。电极被电耦合以提供通过外部负载在电极之间传导电子的路径。
在燃料电池堆(stack)中，MEA一般被插入反应剂流体流基本上不能渗透的两个隔板之间。这些板用作电流收集器并为电极提供支撑。为了控制反应剂流体流在电化学活性区域中的分布，面对MEA的板的表面可具有在其中形成的露面(open-faced)的通道。这些通道限定一般与相邻的电化学活性区域对应的流场区。这些其中形成反应剂通道的隔板一般被称为流场板。在燃料电池堆中，多个燃料电池一般以串联的方式被连在一起，以增加组件的总体输出功率。在这种配置中，给定板的一侧可用作一个电池的阳极板，该板的另一侧可用作相邻的电池的阴极板。在这种配置中，这些板可被称为双极板。
供给阳极的燃料流体流一般包含氢气。例如，燃料流体流可以是诸如基本上纯的氢气的气体或含氢的重整油流(reformate stream)。作为替代方案，可以使用诸如含水甲醇的液体燃料流。供给阴极的氧化剂流体流一般包含氧气，诸如基本上纯的氧气或诸如空气的稀释氧气流。在燃料电池堆中，反应剂流一般通过各个供给和排放歧管被供给和排放。歧管端口被提供以使歧管与流场区和电极流体连接。还可以提供用于使冷却剂流体通过内部通路在堆内循环以吸收由发热的燃料电池反应产生的热量的歧管和相应的端口。PEM燃料电池的优选的操作温度范围一般为50℃～120℃，更一般为75℃～85℃。
在典型的条件下，电化学燃料电池堆的启动是在较高的环境温度下，并且燃料电池堆可在合理的时间量内被启动并被迅速带到优选的操作温度。在一些燃料电池应用中，可能必须或希望在堆芯温度低于水的凝固温度甚至处于低于-25℃的凝固点以下的温度时开始电化学燃料电池堆的操作。但是，在这种低温下，燃料电池堆操作不佳，并且燃料电池堆的迅速启动更加困难。因此使电化学燃料电池堆从较冷的低于水的凝固温度的启动温度转为有效操作会花费大量的时间和/或能量。
在美国专利No.6358638中，公开了加热冷MEA以加速PEM燃料电池的冷启动的方法。在‘638专利中，燃料被引入氧化剂流中或氧化剂被引入燃料流中。电极上的铂催化剂的存在促进氢气和氧气之间的发热的化学反应，该化学反应将离子交换膜从低于凝固点的温度局部加热到适当的操作温度。但是，如果该过程没有被仔细控制，那么它会损坏MEA，并且，在本领域中需要更有效的用于在低温和凝固点以下的温度下启动燃料电池堆的方法。
在美国专利申请No.10/774748中，公开了包含标准冷却剂回路和启动冷却剂回路并且其中启动泵与电化学燃料电池堆流体连接的冷却子系统。在启动中，堆阀(stack valve)被关闭，使得电化学燃料电池堆与标准冷却剂回路流体隔开。启动回路中的冷却剂通过燃料电池堆循环并帮助将该堆的温度迅速带到希望的温度。但是，单独的启动回路会需要附加的昂贵的部件，诸如启动泵、隔离阀和控制电路。
本发明满足上述的对于更有效的用于在低温和凝固点以下的温度下有效启动燃料电池堆的方法的需求。本发明还允许与单独的微回路相比具有紧凑尺寸、更低的成本和更低的复杂性的子系统，并提供其它的相关的优点。
发明内容
通过使用无源微冷却剂回路(passive microcoolant loop)冷却子系统，可以实现从凝固或凝固点以下温度的启动时间的大大改进。例如，在电化学燃料电池系统中，冷却子系统可包含：与电化学燃料电池堆流体连接的启动冷却剂回路，该启动冷却剂回路包含安装在共轴上的齿轮泵头的驱动和被驱动组；包含标准泵和堆阀的标准冷却剂回路；和标准冷却剂回路中的驱动回路，该驱动回路使得标准冷却剂回路中的冷却剂流过启动冷却剂回路的驱动齿轮泵头。
在启动中，堆阀被关闭，使得电化学燃料电池堆与标准冷却剂回路上流体隔开。标准冷却剂回路中的冷却剂通过驱动回路循环通过启动冷却剂回路的驱动齿轮泵头。驱动齿轮泵头反过来驱动被驱动齿轮泵头。由于不存在给驱动齿轮泵头提供动力所需要的附加马达，因此启动冷却剂回路也可被描述为无源冷却剂回路。被驱动齿轮泵头使冷却剂在燃料电池堆中再循环，并帮助迅速将电池堆的温度带到希望的温度。如果冷却剂不流过电池堆，那么电池堆内的局部化的加热会对电池堆造成有害影响。通过使启动回路中的冷却剂体积最少化，特别是通过具有比标准冷却剂回路少的冷却剂体积，可产生更有效的加热。这样，启动冷却剂回路也可被描述为无源微冷却剂回路。
一种用于在启动过程中操作电化学燃料电池系统的冷却剂子系统的方法包括：a)在标准冷却剂回路中引导冷却剂通过驱动齿轮泵头，该泵驱动启动冷却剂回路；b)在启动回路中引导冷却剂通过燃料电池堆；和c)当电化学燃料电池堆或启动回路中的冷却剂的温度达到第一预定温度时，引导冷却剂通过燃料电池堆。标准冷却剂回路中的冷却剂在初始步骤(a)中与启动冷却剂回路中的冷却剂流体隔开。当燃料电池堆或启动回路中的冷却剂的温度达到了预定的阈值时，堆阀可被打开，使得电化学燃料电池堆变为与标准冷却剂回路流体连接，并由此允许燃料电池堆的附加冷却。
在实施例中，当堆阀打开时，来自标准冷却剂回路中的冷却剂与启动回路中的冷却剂混合。堆阀的这种打开减少可用于驱动驱动齿轮泵头的来自标准冷却剂回路的冷却剂的量；由此冷却剂回路中的冷却剂再循环的百分比减少。一旦达到燃料电池堆的操作温度，堆阀就被完全打开并提供最小的压降。随着阀完全打开，驱动齿轮泵头上的标准冷却剂回路中的冷却剂的压力基本上等于并抵消在被驱动齿轮泵头上施加的压力；由此，驱动和被驱动齿轮泵头停止旋转，并且启动冷却剂回路中的再循环停止。
在实施例中，第一预定温度是燃料电池系统的希望的操作温度，例如60～80℃。在另一实施例中，预定温度低于希望的操作温度，例如低于60℃，特别是低于50℃。一般地，这种预定温度会大于30℃或大于40C。
启动回路还可包含加热器以帮助迅速将冷却剂的温度带到希望的温度。为了进一步使启动冷却剂回路中的冷却剂体积最少化，包含驱动和被驱动齿轮泵头的回路可被集成到堆歧管中。冷却剂子系统中的其它部件可包含压缩机、阴极供给热交换器或散热器。如果燃料电池系统被用于机动车辆中，那么冷却剂子系统还可包含推进系统和/或汽车加热系统。
参照附图阅读以下详细说明，本发明的这些和其它方面将变得十分明显。
附图说明
提供的附图示出本发明的某些非最佳的方面，但不应被解释为以任何方式限定。
图1是电化学燃料电池系统的现有冷却剂子系统的示意图。
图2是电化学燃料电池的冷却剂子系统的实施例的示意图。
具体实施方式
图1是常规的现有的电化学燃料电池系统冷却剂子系统10的示意图。电化学燃料电池系统冷却剂子系统10可包含与燃料电池堆20、压缩机30、阴极供给热交换器40和冷却剂池60流体连接的泵50。来自冷却剂池60的冷却剂从而可通过燃料电池堆20、压缩机30和阴极供给热交换器40被循环以帮助这些部件的温度调节。特别地，对于压缩机30，会希望单个地或同时对压缩机马达和压缩机逆变器(未示出)进行温度调节。温度传感器(未示出)可测量燃料电池堆20的温度和/或通过电化学燃料电池系统冷却剂子系统10循环的冷却剂的温度。电化学燃料电池系统冷却剂子系统10还可包含散热器70和散热器阀75。一旦燃料电池堆20或冷却剂的温度超过某个预定的阈值，那么散热器阀75会引导循环冷却剂通过散热器70以实现燃料电池系统的附加冷却。
其它部件，特别是在汽车应用中使用的那些，也可根据需要与电化学燃料电池系统冷却剂子系统10耦合。例如，推进系统80可通过推进阀85与电化学燃料电池系统冷却剂子系统10以可逆向流动的方式连接。类似地，汽车加热系统90可通过汽车加热阀95与电化学燃料电池系统冷却剂子系统10以可逆向流动的方式连接。因此，用于调节燃料电池堆20的温度的同一电化学燃料电池系统冷却剂子系统10可被用于根据需要调节多个其它部件的温度。
图2是电化学燃料电池系统冷却剂子系统100的实施例的示意图。泵50可使来自冷却剂池60的冷却剂循环，以使其通过诸如压缩机30、阴极供给热交换器40的燃料电池系统的部件，并使其如在图1所示的冷却剂子系统中那样可逆向地通过诸如散热器70、推进系统80和汽车加热系统90的其它部件。这在图2中被示为标准冷却剂回路B。另外，泵50还可使冷却剂循环通过驱动齿轮泵头53。这在图2中被示为驱动回路C。
电化学燃料电池系统冷却剂子系统100另外包含启动冷却剂回路A，该启动冷却剂回路A可通过堆阀65以可逆向流动的方式与标准冷却剂回路B和驱动回路C隔开。堆阀65可以为例如恒温阀或比例阀。特别地，启动冷却剂回路A可包含燃料电池堆20、被驱动回路C的驱动齿轮泵头53驱动的安装在共轴(common shaft)54上的被驱动齿轮泵头55、和任选的加热器25。齿轮泵头例如可以是可被反向驱动的任意容积式泵(positive displacement pump)。只有驱动齿轮泵头中的一个驱动齿轮可以以扭转的方式与被驱动齿轮泵头的泵齿轮中的一个连接；其它驱动齿轮和泵齿轮组可以是自由旋转的。
在燃料电池系统的启动过程中，特别是当系统经受凝固温度或凝固点以下温度时，堆阀65可被关闭，使得冷却剂回路B中的冷却剂驱动驱动回路C的驱动齿轮泵头53。驱动齿轮泵头然后通过共轴54的机械连接操作被驱动齿轮泵头55。被驱动齿轮泵头然后使冷却剂循环通过冷却剂回路A。当堆阀65保持关闭时，冷却剂回路B与冷却剂回路A以及与燃料电池堆20流体隔开。在启动过程中，尽管当堆阀65保持关闭时回路B中的冷却剂不通过燃料电池堆被加热，但冷却剂回路A和冷却剂回路B中的冷却剂的温度均会上升。
特别是与冷却剂回路B中的冷却剂相比，冷却剂回路A中的相对较少的体积的冷却剂允许迅速有效地加热。这可减少将燃料电池堆20带到适当的温度所需要的时间量。事实上，由于采用冷却剂回路A中的减少的体积，因此在一些实施例中可不再需要预热，并且燃料电池堆20可在凝固温度下自启动。一般地，可从燃料电池堆20中提取(pull)电力的适当温度为约5℃。在其它实施例中，加热器25也可被用于加热冷却剂回路A中的冷却剂并帮助将燃料电池堆20带到该温度。
在非常冷的温度下，冷却剂回路A和B中的冷却剂的粘度比在更温暖的温度下高。这种更高的粘度会影响冷却剂流率，并且应注意冷却剂回路B向驱动齿轮泵头53提供足够的动力以在冷却剂回路A中维持足够的冷却剂流率。否则会在燃料电池堆20中出现局部加热，从而导致各单个电池由于局部过热而受损。但是，当在凝固温度和凝固点以下温度下时，堆20中的单个燃料电池会吸收大量的所产生的热，因此，即使具有更高的粘度，冷却剂流率也可大大低于正常操作条件下所需要的流率。所需要的流率强烈依赖于堆设计和材料，并依赖于燃料电池堆20中的发热量，并可很容易地由本领域技术人员确定。尽管如此，典型汽车燃料电池系统的冷启动阶段中的冷却剂回路A中的冷却剂流率可低至5～25slpm(标准升每分钟)，更特别地，对于85kW总燃料电池堆，为15～25slpm，并仍在没有局部热点的情况下满足电池冷却要求。
随着冷却剂回路A中的冷却剂变热，它会膨胀，并且冷却剂回路A中的膨胀储器(reservoir)(未示出)可被用于容纳增加的冷却剂体积。在图2所示的实施例中，由于只有一个阀即堆阀65将冷却剂回路A与冷却剂回路B分开，因此任何过量的体积可直接泄漏到冷却剂回路B中，因此这种膨胀储器不是必要的。在任何情况下都期望由于冷却剂体积增加导致的冷却剂回路A中的压力增加最小。
加热器25也可被用于加热冷却剂回路A中的冷却剂并帮助将燃料电池堆20带到操作温度。加热器也可被用于常规的冷却剂设计或冷却剂回路B(未示出)中。虽然加热器25在一些燃料电池系统中会是有用的，但一些加热器不具有必要的用于补偿容纳加热器本身所需要的冷却剂的增加的热质量的热通量。
通过将冷却剂回路A集成到燃料电池堆歧管(未示出)中，冷却剂回路A中的冷却剂的热质量可被进一步最小化。
当冷却剂回路A或燃料电池堆20中的冷却剂的温度达到阈值温度时，堆阀65会打开以开始使冷却剂从冷却剂回路B进入燃料电池堆20中。堆阀65的这种打开减少可用于驱动驱动齿轮泵头53的冷却剂B的量；由此冷却剂回路A中的冷却剂再循环的百分比减少。在冷却剂回路A中再循环的冷却剂与从冷却剂回路B到达电池堆的冷却剂的比率是堆阀65两端的压降的函数。堆阀65开始打开的阈值温度可以为例如30～80℃。在实施例中，阈值温度为60～80℃，即，燃料电池堆20的正常操作温度。在本实施例中，燃料电池堆20以最少的时间量达到其希望的操作温度，从而允许在更早的时间从燃料电池堆20提取更大的功率密度。
在较低的温度下，燃料电池堆20一般可经受更高的温度梯度(例如，最高为30℃的温度梯度)而没有任何不利影响。但是，在60～80℃，典型的燃料电池堆20只能安全地经受更小的温度梯度，例如，小于10℃。因此，通过具有较低的用于使冷却剂从冷却剂回路B进入燃料电池堆20中的阈值温度(即30～60℃而不是60～80℃)，可以减少燃料电池堆20由于热冲击而受损的危险。不管阈值温度如何，都应注意减少热冲击的危险。可以通过例如控制来自冷却剂回路B的冷却剂被引入冷却剂回路A中的速率完成这一点。
当达到燃料电池堆20的正常操作温度时，堆阀65应完全打开并提供最小的压降。随着阀完全打开，驱动齿轮泵头53上的冷却剂回路B中的冷却剂的压力基本上等于并抵消在被驱动齿轮泵头55上施加的压力；由此，驱动和被驱动齿轮泵头停止旋转，并且冷却剂回路A中的再循环停止。在该配置中，只有可漏过齿轮泵头的非旋转齿轮的冷却剂才可绕在燃料电池堆周围短接(short)。通过使部件容限足够紧凑，可使这种泄漏最小化，并由此进一步减少寄生负载。
从以上说明可以理解，虽然这里为了解释对本发明的特定实施例进行了说明，但在不背离本发明的精神和范围的情况下可以提出各种变更方式。因此，本发明除了由所附的权利要求限制外不受限制。
在本说明书中提到和/或在申请数据表(Application Data Sheet)中列出的以上所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开在这里以它们的全部内容被包含作为参考。

Claims (24)

1.一种用于具有电化学燃料电池堆的电化学燃料电池系统的冷却子系统，该冷却子系统包括：
标准冷却剂回路，该标准冷却剂回路包含标准泵和堆阀，使得当堆阀打开时标准冷却剂回路与电化学燃料电池堆流体连接，当堆阀关闭时标准冷却剂回路与电化学燃料电池堆流体隔开；
包含驱动齿轮泵头的驱动回路；和
与电化学燃料电池堆流体连接的启动冷却剂回路，该启动冷却剂回路包含与驱动齿轮泵头一起安装在共轴上的被驱动齿轮泵头，
其中，当堆阀关闭时，标准冷却剂回路中的冷却剂流向驱动启动回路的被驱动齿轮泵头的驱动回路的驱动齿轮泵头。
2.根据权利要求1的冷却子系统，其中，启动冷却剂回路中的冷却剂体积比标准冷却剂回路中的冷却剂体积少。
3.根据权利要求2的冷却子系统，其中，当堆阀完全打开时，启动冷却剂回路与标准冷却剂回路流体断开。
4.根据权利要求2的冷却子系统，其中，当堆阀完全打开时，启动冷却剂回路与电化学燃料电池堆流体断开。
5.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含与标准泵流体连接的压缩机。
6.根据权利要求2的冷却子系统，其中，启动冷却剂回路还包含加热器。
7.根据权利要求2的冷却子系统，其中，堆阀是恒温阀。
8.根据权利要求2的冷却子系统，其中，堆阀是比例阀。
9.根据权利要求2的冷却子系统，其中，电化学燃料电池堆包含堆歧管，并且启动冷却剂回路被集成到堆歧管中。
10.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含阴极供给热交换器。
11.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含冷却剂池。
12.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含散热器。
13.根据权利要求12的冷却子系统，还包括散热器阀，使得当散热器阀打开时，散热器与标准冷却剂回路流体连接，并且，当散热器阀关闭时，散热器与标准冷却剂回路流体隔开。
14.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含推进系统。
15.根据权利要求14的冷却子系统，还包括推进阀，使得当推进阀打开时，推进系统与标准冷却剂回路流体连接，并且，当推进阀关闭时，推进系统与标准冷却剂回路流体隔开。
16.根据权利要求2的冷却子系统，其中，标准冷却剂回路还包含汽车加热系统。
17.根据权利要求16的冷却子系统，还包括汽车加热阀，使得当汽车加热阀打开时，汽车加热系统与标准冷却剂回路流体连接，并且，当汽车加热阀关闭时，汽车加热系统与标准冷却剂回路流体隔开。
18.一种包括权利要求2的冷却子系统的电化学燃料电池系统。
19.一种用于在启动过程中操作电化学燃料电池系统的冷却剂子系统的方法，该方法包括：
a)引导来自标准冷却剂回路的冷却剂通过驱动回路中的驱动齿轮泵头，其中，驱动齿轮泵头驱动引导启动冷却剂回路中的冷却剂通过燃料电池堆的启动冷却剂回路中的被驱动齿轮泵头；和
b)当电化学燃料电池堆或启动回路中的冷却剂的温度达到第一预定温度时，引导来自标准冷却剂回路的冷却剂通过燃料电池堆。
20.根据权利要求19的方法，其中，启动之前的燃料电池堆的温度低于0℃。
21.根据权利要求19的方法，其中，启动之前的燃料电池堆的温度低于-25℃。
22.根据权利要求19的方法，其中，第一预定温度为30～60℃。
23.根据权利要求19的方法，其中，第一预定温度低于50℃。
24.根据权利要求19的方法，其中，第一预定温度为60～80℃。
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