[发明专利]对带有金属板的燃料电池的补充的冷却剂加热

说明书

技术领域

本发明大体上涉及一种系统及方法，用于在冷堆启动时对燃料电池堆的冷却流体入口区段内的冷却流体进行加热，并且更具体地涉及一种系统及方法，用于在冷堆启动时对燃料电池的冷却流体入口区段内的冷却流体进行加热，其中该系统及方法包括位于入口区域的阴极流场内且具有催化剂的覆层结构，并且在启动时将氢引入阴极入口导向器内，以便导致产生热量的化学反应。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且可用于有效地在料电池内产生电能。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极与阴极，且两者之间具有电解液。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极内离解，以便产生自由质子及电子。质子穿过电解液而到达阴极。质子与阴极内的氧气及电子反应，从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解液，并且因此通过负载而被导向，从而在被发送到阴极之前进行工作。

质子交换隔膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的流行的燃料电池。质子交换隔膜燃料电池大体上包括固体聚合物-电解液质子-传导隔膜，比如全氟磺酸隔膜。阳极和阴极典型地包括精细地分割的催化颗粒通常为铂(Pt)，其支撑于碳颗粒上并且与含离子键的聚合物混合起来。催化混合物沉积在隔膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物与隔膜的结合限定了隔膜电极组件(MEA)。隔膜电极组件制造起来相对昂贵并且要求用于有效运行的一定条件。

多个燃料电池典型地结合在燃料电池堆内，以便产生所需要的能量。对于上述汽车燃料电池堆，堆可以包括两百个或者更多燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，典型地为借助压缩机而推动通过堆的空气流。并不是所有的氧气都由堆所消耗，并且空气中的一部分作为阴极废气而输出，该废气可以包括作为堆副产品的水。燃料电池堆也接受流入到堆的阳极侧内的阳极氢气反应物气体。

燃料电池堆包括放置在堆内的多个隔膜电极组件之间的一系列流场或双极板。双极板包括阳极侧和阴极侧，用于堆内相邻的燃料电池。双极板的阳极侧上设置有阳极气流通道，其允许阳极气体流动到隔膜电极组件的阳极侧。双极板的阴极侧上设置有阴极气流通道，其允许阴极气体流动到隔膜电极组件的阴极侧。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。

过度的堆温度可损坏隔膜及堆内的其它材料。因此，燃料电池系统采用热子系统(sub-system)来控制燃料电池堆的温度。特别地，冷却流体被泵送经过堆的双极板内的冷却流体流动通道，以便将堆的余热吸走。在燃料电池堆的常规运行过程中，泵的速度基于堆负载、周围温度与其它因素而得以控制，从而使堆的运行温度维持于优化的温度，比如80度。散热器典型地设置在冷却流体环路内，该环路位于堆的外部，其降低了被堆加热的冷却流体的温度，在那里，冷却后的冷却流体向后循环穿过堆。

对于常规温度的燃料电子系统启动，即在0度以上，冷却流体泵典型地立刻启动，从而使堆构件没有作为由燃料电池反应产生的热量的结果而被损坏。然而，如果冷却剂环路内及堆内的冷却流体在系统启动时非常冷，而泵被启动的话，那么冷的冷却流体对燃料电池反应产生猝灭的影响，该影响导致堆的输出电压及功率显著地下降。特别地，尤其对于高功率启动，冷却流体的低于0度的温度显著地减小了堆产生所需要功率的能力。该猝灭可能持续几秒钟，并且根据泵送速度与冷却流体的体积而可能地持续几十秒种。

这在业界是已知的：在冷系统启动时延迟泵的启动，直到堆产生显著的余热。然而，当泵启动的时候，冷却流体将最终地进入堆内，这将对温热的燃料电池产生相同的猝灭影响。此外，非常冷的冷却流体流在冷启动时，可冻结由堆产生的产品水，该冻结可能阻塞流动通道并且导致其它严重的问题。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种燃料电池堆，其包括位于堆的非活性入口区域的阴极流场内催化的结构。在冷系统启动时，氢气被引入到阴极入口导向器内，以便与空气混合，从而使催化剂提供化学反应，该化学反应产生热量，以便将非活性入口区域内的冷却流体温热。因此，当冷却流体泵启动的时候，进入堆的活性区域内的冷却流体将不会太冷以至猝灭化学反应。在备选实施例中，非活性入口区域内的阳极流场内的结构也可以被催化，在那里空气将在冷启动时被引入到阳极流场内。而且，催化结构也可以设置在燃料电池堆的非活性出口区域内的阴极流场内和/或阳极流场内。

从下列描述及附加权利要求出发，并结合附图，本发明的额外特征将变的清楚。

附图说明

图1为燃料电池堆的截面图，燃料电池堆包括非活性(non-active)区域与活性(active)区域；以及