[发明专利]用于电化学燃料电池的无源微冷却剂回路

说明书

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