用于快速加热的热集成燃料电池加湿器

摘要

一种包括作为热集成组件一部分的燃料电池堆和端部单元的燃料电池堆模块。所述模块还包括集成在所述端部单元内的中冷器和WVT单元。使用泵将冷却流体泵送通过所述端部单元和所述燃料电池堆中的管线。所述冷却流体被泵送通过所述中冷器以便降低将要送到所述燃料电池堆中的阴极入口空气流的温度。将来自所述中冷器的温度已降低的阴极入口空气送到WVT单元进行加湿。也可以将来自燃料电池堆的阴极排气送到WVT单元以便提供加湿从而使所述阴极入口空气得到加湿。可以使用设置在所述端部单元内的旁通阀以便在冷启动期间引导绕过WVT单元。

权利要求

1.一种燃料电池堆模块，包括：

燃料电池堆；

与作为集成组件一部分的燃料电池堆相连接的电池堆端部单元；

位于所述电池堆端部单元内的中冷器；和

位于所述电池堆端部单元内的水蒸汽传送单元，其中所述中冷器接收阴极入口空气流并且降低所述阴极入口空气流的温度，所述水蒸汽传送单元接收来自所述中冷器的已冷却的阴极入口空气流并且将其送到所述燃料电池堆的阴极侧；

其中，所述燃料电池堆和电池堆端部单元被集成使得所述燃料电池堆、所述中冷器和所述水蒸汽传送单元被集成在一起。

2.如权利要求1所述的模块，还包括流过所述电池堆端部单元并且提供用于冷却所述燃料电池堆的冷却流体的冷却流体回路，流过所述冷却流体回路的所述冷却流体被所述中冷器所接收，从而降低了所述阴极入口空气流的温度。

3.如权利要求2所述的模块，还包括位于所述电池堆端部单元内的冷却流体泵，所述冷却流体泵泵送所述冷却流体通过所述冷却流体回路。

4.如权利要求2所述的模块，还包括用于选择性地使所述冷却流体在所述模块内进行再循环的位置可变的冷却流体旁通阀。

5.如权利要求4所述的模块，其中所述冷却流体旁通阀位于所述电池堆端部单元内。

6.如权利要求1所述的模块，其中所述水蒸汽传送单元接收来自所述燃料电池堆的阴极排气气流，从而提供加湿以对所述阴极入口空气进行加湿。

7.如权利要求1所述的模块，还包括用来阻止所述阴极入口空气流被加湿的水蒸汽传送单元旁通阀。

8.如权利要求7所述的模块，其中所述水蒸汽旁通阀阻止或减少了流过所述水蒸汽传送单元的加湿气体。

9.如权利要求7所述的模块，其中所述水蒸汽旁通阀阻止所述阴极入口空气流经所述水蒸汽传送单元。

10.如权利要求1所述的模块，其中所述燃料电池堆和所述电池堆端部单元被集成在保温罩壳内。

11.一种燃料电池堆模块，包括：

燃料电池堆；

与作为集成组件一部分的燃料电池堆相连接的电池堆端部单元；

封闭所述燃料电池堆和所述电池堆端部单元的保温罩壳；

位于所述电池堆端部单元内的中冷器，所述中冷器接收阴极入口空气流；

流过所述电池堆端部单元并且提供用于冷却所述燃料电池堆的冷却流体的冷却流体回路，流过所述冷却流体回路的所述冷却流体被所述中冷器所接收以便用来降低所述阴极入口空气流的温度；和位于所述电池堆端部单元内的水蒸汽传送单元，所述水蒸汽传送单元接收来自燃料电池堆的阴极排气和来自所述中冷器的已冷却的阴极入口空气流并且将已加湿的空气流送到所述燃料电池堆的阴极侧；

其中，所述燃料电池堆和电池堆端部单元被集成使得所述燃料电池堆、所述中冷器和所述水蒸汽传送单元被集成在一起。

12.如权利要求11所述的模块，还包括位于所述电池堆端部单元内的冷却流体泵，所述冷却流体泵泵送所述冷却流体通过所述冷却流体回路。

13.如权利要求12所述的模块，还包括用于选择性地使所述冷却流体在所述模块内进行再循环的位置可变的冷却流体旁通阀。

14.如权利要求13所述的模块，其中所述冷却流体旁通阀位于所述电池堆端部单元内。

15.如权利要求11所述的模块，还包括用于阻止所述阴极排气流动通过所述水蒸汽传送单元的水蒸汽传送单元旁通阀。

16.一种燃料电池堆模块，包括：

燃料电池堆；

中冷器；以及

水蒸汽传送单元，其中所述燃料电池堆、所述中冷器和所述水蒸汽传送单元被集成在一起且在一个公用的保温罩壳内。

17.如权利要求16所述的模块，还包括集成在所述保温罩壳内的冷却流体泵。

18.如权利要求16所述的模块，还包括集成在所述保温罩壳内的水蒸汽传送单元旁通阀。

19.如权利要求16所述的模块，还包括集成在所述保温罩壳内的位置可变的三通冷却流体再循环阀。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于对施加到燃料电池堆阴极侧的充入空气(chargeair)进行冷却和加湿的技术，特别是涉及一种燃料电池堆模块，所述燃料电池堆模块包括燃料电池堆、热集成在所述模块的端部单元内的中冷器(charge aircooler)和水蒸汽传送单元。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。该催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件(MEA)的生产成本相对较高且需要一定的条件以进行有效的工作。
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百个或更多个叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并术消耗空气中所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。
燃料电池堆中包括一系列位于燃料电池堆中多个MEAs之间的双极板，其中所述双极板和MEAs位于两个端板之间。双极板包括在燃料电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在所述双极板的阳极侧提供了阳极气体流动通道，从而允许阳极反应气体流入到各自的MEA。在双极板的阴极侧提供了阴极气体流动通道，从而允许阴极反应气体流入到各自的MEA。其中一个端板包含阳极气体流动通道，而另外一个端板包含阴极气体流动通道。双极板和端板由导电性材料制成，例如不锈钢或导电性复合物。端板将由燃料电池产生的电力导出堆。双极板也包含冷却流体流通的通道。
在本领域所公知的是，燃料电池膜操作在特定的相对湿度(RH)时可以使穿越膜的离子电阻足够低从而有效的传导质子。通过控制几个堆的工作参数，例如堆压力、温度、阴极化学计量关系和进入到堆的阴极空气的相对湿度，来典型控制来自燃料电池堆的阴极排气的相对湿度，从而控制所述膜的相对湿度。
如上所述，水是作为堆操作的副产物而生成的。因此，来自堆的阴极排气将包含水蒸汽和液态水。在本领域所公知的是，使用水蒸汽传输(WVT)单元来捕获存在于阴极排气中的水，并且使用所述水来加湿阴极输入气流。典型的是，WVT单元包含流动通道和膜。在阴极排气中的水流入到在膜一侧的流动通道而被膜吸收，并且将被传送到在膜另外一侧流入到流动通道的阴极空气流。
阴极入口空气通过压缩机而被加热。在本领域所公知的是，为了优化水蒸汽传送性能，在将阴极入口空气送到WVT单元前先使用中冷器来冷却所述阴极入口空气，从而使所述阴极入口空气设定在适当的温度。在已知系统中，用来冷却燃料电池堆的堆冷却流体也用来冷却阴极入口空气，从而使阴极入口空气的温度基本上与堆的温度相同。
如上所述，公知的燃料电池系统使用分立的中冷器和加湿器，它们绝大部分被环境空气所包围并且暴露于车辆前舱的空气流。基于这个原因，在系统启动时能够发生两件典型的事从而减慢或降低燃料电池堆的加热：第一，由于冷的冷却流体将来自于燃料电池堆的已压缩空气的热量带走，因此需要一段时间来使进入到中冷器的充入空气维持冷态。第二，在阴极气体出口和WVT单元之间的内部连接的管子和控制阀提供了一个需要加热的重要的热质，从而进一步减慢了WVT单元的加热。
此外，需要在燃料电池系统中抑制不同单元的热损耗，从而使热损耗不再导致不需要的凝缩。特别的是，系统中的液态水将导致系统中元件的老化问题，以及开始冷冻时的复杂性。因此，令人满意的是系统中各种气流尽可能保持单相水蒸汽状态。同样，所希望的是由于燃料电池堆具有相对高的效率以便使来自燃料电池系统的热损耗最小化，从而能够在低功率和/或低环境温度条件下提供高效的电池堆性能效果。

发明内容

根据本发明的教导，披露了一种燃料电池堆模块，所述模块包括作为热集成组件一部分的燃料电池堆和端部单元。所述燃料电池堆模块还包括集成在所述端部单元内的中冷器和WVT单元。使用泵将冷却流体泵送通过所述端部单元和所述燃料电池堆中的冷却流体管线，其中所述泵可以位于端部单元内。所述冷却流体被泵送通过所述中冷器以便降低将要送到所述燃料电池堆中的阴极入口空气流的温度。将来自所述中冷器的温度已降低的阴极入口空气送到WVT单元进行加湿。也可以将来自燃料电池堆的阴极排气送到WVT单元以便提供加湿从而使所述阴极入口空气得到加湿。可以使用设置在所述端部单元内的旁通阀以便在冷启动期间引导绕过WVT单元。
通过以下说明书和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。

附图说明

图1是包括WVT单元和中冷器的燃料电池系统的简要示意框图。
图2是根据本发明的一个实施例的包括位于模块端部构件中的中冷器和WVT单元的燃料电池模块的透视图。
图3是没有如图2所示的燃料电池堆模块的阳极子系统的机械示图。

具体实施方式

下面针对采用热集成在所述模块的端部构件内的中冷器和WVT单元的燃料电池模块对本发明的多个实施例进行的讨论在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的简要示意框图。压缩机14向阴极输入管线16上面的燃料电池堆12的阴极侧提供空气流。将来自压缩机18的空气流输送通过WVT单元18以便进行加湿。阴极排气从阴极输出管线20上的燃料电池堆12中输出。阴极排气中包含大量的在燃料电池堆12中进行电化学过程所生成的副产物水和水蒸汽。如本领域已公知的是：阴极排气可被输送到WVT单元18以便提供对经过管线16的阴极入口空气流进行加湿。燃料电池系统10中也可以包括降低阴极入口空气温度的中冷器(CAC)30，从而使WVT单元18能够更好地进行加湿。
如本领域的技术人员已公知地，燃料电池系统10中包括泵22和位于燃料电池堆12之外的冷却剂回路24，其中所述泵22用于泵送冷却流体通过燃料电池堆12中的冷却流体流动通道。来自燃料电池堆12的已加热冷却流体输送到CAC 30中以便降低阴极充入空气的温度。然后冷却流体流至三通阀28，所述三通阀28能够有选择地引导冷却流体流到散热器26，从而在冷却流体被送回到燃料电池堆12之前温度在散热器26中得到降低。本领域已公知的是：散热器26中可以包括风扇(图中未示出)，所述风扇驱动冷却空气通过散热器26以提供冷却。对于低温启动和类似情况而言，阀28能够引导绕过散热器并且直接将冷却流体送至泵22。
图2是根据本发明的一个实施例的包括燃料电池堆42的燃料电池堆模块40的透视图。燃料电池堆模块40还包括电池堆上部端部单元44、电池堆下部端部单元46和位于燃料电池堆42与下部端部单元46之间的电池堆基板48。泵和阀的组件50与下部端部单元46的外壳的外侧相连接。此外，冷却流体机构52与端部单元46的外壳相连接。燃料电池堆42、端部单元44和46以及基板48被集成为热组件的一部分。图中示出连接到模块40上的多个连接器、固定装置和管道附件，以便使多种液体进入和流出燃料电池堆模块40。
图3是燃料电池堆模块40的机械示图。由于阳极子系统和其相连接的管道不构成本发明的一部分，因此为了清楚起见没有将阳极子系统和其相连接的管道作为示意图的一部分进行显示。图中示出：上部端部单元44、燃料电池堆42、基板48和下部端部单元46被封闭在保温罩壳58中。根据本发明，WVT单元60和CAC 62被集成在下部端部单元46内。这里为了描述目的，WVT单元60和CAC 62可以是任何适合的设计，其中许多在本领域中已经公知。
燃料电池堆冷却流体通过管线64进入模块40中，并且通过管线66排出模块40。配置在端部单元46内的冷却流体泵68泵送冷却流体通过模块40和位于模块40外部的冷却剂回路24。冷却流体流过燃料电池堆42中的冷却流体流动通道。在端部单元44中设置冷却流体旁通阀70，并且冷启动时打开旁通阀70以便引导绕过燃料电池堆42中的流动通道。设置了存贮器72以便补充冷却流体。如上文中所述，将来自燃料电池堆42的加热冷却流体送到CAC 62，并且提供用于降低阴极入口空气温度的冷却流体。对于特定的操作条件例如系统启动、低环境温度和/或低功率而言，冷却流体能够被加热以便更加迅速地增加燃料电池堆42的温度，其也将加热流过CAC 62的阴极空气。位置可变的三通阀74允许冷却流体有选择地引导绕过冷却剂回路24。因此，如果其低于系统的操作温度，那么阀74允许冷却流体在保温罩壳58内进行再循环。
来自压缩机14的阴极入口空气通过管线80被送到CAC 62，并通过管线76中的燃料电池堆冷却流体来降低阴极入口空气的温度。然后将温度已降低的阴极入口空气送到WVT单元60的水蒸汽接收侧进行加湿。然后将已加湿的阴极入口空气通过管线82而送到燃料电池堆42中的阴极流动通道。如上文中所述，来自燃料电池堆42的湿阴极排气通过管线84而被输出，并且被送到WVT单元60的水蒸汽贡献侧从而用来提供对阴极入口空气的加湿。加湿器旁通阀86设置在管线84中并且能够被打开从而引导绕过WVT单元60并将阴极排气直接送到阴极排气出口管线88。阀86可以是位置可变阀，所述阀可以有选择地允许一些阴极排气流过WVT单元60的水蒸汽贡献侧以及允许一些阴极排气引导绕过WVT单元60的水蒸汽贡献侧。
如上文中所述，本发明提出在热集成组件中的燃料电池堆的端部构件中配置CAC62，WVT单元60和其它元件。因此，模块40中任何一个元件或流体温度的任何变化都会受到模块中其它元件和流体的温度的限制，从而使得整个热质是稳定的。
通过在端部单元44内集成CAC 62和WVT单元60并且使用低热导率材料的结构，CAC 62和WVT单元60将在系统关闭后相当长的时间内保持温暖，从而减少了下次系统冷启动的深度。在燃料电池系统启动期间，典型地位于燃料电池堆12端部单元活性区上方的端部单元加热器(未示出)将加热WVT单元60。也可以将所述端部单元加热器设置在基板48上。可以关闭流过燃料电池堆42的冷却流体直至燃料电池堆42已达到预定温度。直至这时，阴极排气将进行加热，通常在10秒内，并且开始加热WVT单元60。当打开泵68并且冷却流体开始流动时，热的冷却流体将热量传送进入CAC 62中以便加热进入到WVT单元60中的空气。此外，通过冷却流体通路传导的热量能够从外部加热WVT单元60。由于这种配置，只要冷却流体流过模块40就不会使WVT单元60产生过热。
当WVT单元60的温度接近燃料电池堆42的额定操作温度时，冷却流体的流动支配着温度控制。已经发现对于特定的加湿器材料而言，水蒸汽传送性能不受温度达到95℃时的负面影响。这类材料能够增强WVT单元60的性能从而有助于减小其尺寸并且降低其成本。
能够设计出WVT单元60以提供所需的阴极背压，从而使得有可能取消通常设置在燃料电池系统中的阴极背压阀(未示出)。
旁通阀86允许阴极排气引导绕过WVT单元60，从而使阴极入口空气流没有被显著加湿。另一种可选方式是，提供旁通阀(未示出)以允许阴极入口气体引导绕过WVT单元60从而使所述阴极入口气体保持基本上干燥。当需要干阴极入口空气时，操作条件能够包含燃料电池堆冷启动，这时引入到冷燃料电池堆中的水蒸汽可能冷凝成水。此外，在燃料电池堆关闭期间，也希望打开旁通阀86以吹扫燃料电池堆42的阴极流动通道，扩散介质和燃料电池堆42的MEAs中的水，以用来冷冻。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。