[发明专利]用于蒸发冷却式燃料电池的热天气操作的储蓄器

说明书

背景

本公开涉及针对水失衡的热的燃料电池条件使用水储蓄器的燃料电池。

一种类型的燃料电池使用必须被充分提供水(hydrate)以用于期望的燃料电池操作的多孔水输送板。燃料电池还必须充分地冷却，以用于期望的操作。燃料电池的蒸发式冷却依赖于燃料电池中的水，燃料电池中的水是内部产生的以及从外部作为冷却剂引入的，水蒸发到与燃料电池阴极相关联的空气流中。然后如通过利用冷凝器的冷凝那样，通常从潮湿空气流中回收该蒸发水，以使其返回到燃料电池以便于重新使用。

在燃料电池的热天气操作期间，由于周围空气和燃料电池排气之间的低得多的温差的原因，冷凝器在使水蒸气冷凝时变得不太高效。因此，当燃料电池内的可用来给多孔水输送板提供水以及冷却燃料电池的水降低到低于期望量时，可发生气吞(gas ingestion)和热耗散。在一个实例中，在全功率时，85kW蒸发冷却式燃料电池要求32g/s水返回燃料电池。如果冷凝器在热天气日子里只能冷凝这个量的80％，则在约二分半钟之后，燃料电池就会低于期望水量1升。

提供对于热天气条件具有足够的水的燃料电池引起了问题，因为燃料电池冷却系统对于冷天气条件必须是耐冻的。这需要使燃料电池冷却系统内的冻结水解冻。使如此大容量的水解冻需要不期望的大量功率。需要的是一种具有对于热天气条件而言可用的足够的水而不增加必须在燃料电池冷却系统中解冻的水容量的蒸发冷却式燃料电池。

发明概述

一种燃料电池系统包括具有阴极和阳极以及在它们之间的电解质(例如聚合物膜)的燃料电池。燃料电池中的水流场与阳极和/或阴极连通，以使用循环水和从电化学反应中产生的水且使水蒸发到阴极反应物通道中以产生潮湿空气来使燃料电池湿润和冷却。在该潮湿空气中的水由冷凝冷却系统回收，并且返回到燃料电池。冷凝冷却系统包括布置成接收潮湿空气排气且产生冷凝水的冷凝器。分离器布置成从排气中分离出冷凝水，以及从空气中分离出液体水。返回管路通常通过分离器将冷凝水以流体的方式连接到燃料电池水流场上。储蓄器具有附加的水，储蓄器至少部分时间与返回管路流体连通，以用于选择性地在失衡的热的燃料电池条件中将附加的水提供给水流场。储蓄器与冷却剂系统中的冷凝器处于并联流体关系，从而使得储蓄器中的水不需要在系统冻结时解冻。

用于燃料电池的冷却剂水由冷却回路提供，该冷却回路接收来自阴极空气流场的潮湿空气，以产生液体水。液体水返回到与阴极和/或阳极相关联的水流场。附加的水在预定的操作条件下选择性地供应到水流场。在冷天气条件期间，冷凝器、分离器和/或返回管路中的水可冻结，除非受到适当的防冻措施(例如加热器)的保护。另一方面，在冷天气条件期间通常不需要储蓄器中的附加的水，而且可允许附加的水冻结。附加的水在正常操作条件期间解冻，然后就可在如果需要时使用。在热天气条件(在其中燃料电池可在失衡的情况下操作)期间，将来自储蓄器的附加的水供应到燃料电池，从而确保燃料电池具有足够水来进行操作。来自储蓄器的附加的水可与返回管路选择性地连接或断开(以直接或间接的方式连接或断开)，以控制来自该源的水供应。

根据以下说明书和附图，可最佳地理解本公开的这些和其它特征，以下是简要描述。

附图简述

图1是具有储蓄器的燃料电池冷凝冷却系统的示意图。

图2是具有储蓄器的另一个燃料电池冷凝冷却系统的示意图。

优选实施例的详细描述

在图1中示意性地显示了带有冷凝冷却回路24的燃料电池系统12。系统12包括燃料电池10，该燃料电池10具有阴极14，该阴极14例如使用压缩机接收来自空气源18的空气。质子交换膜例如布置成阴极14和阳极16之间的膜电极组件15，以在堆(stack)19内形成产生电的电池，如现有技术中已知的那样。为了清楚起见，显示了仅一个电池。阳极16接收来自燃料源20的氢气。

燃料电池10包括冷却剂水和作为燃料电池内的电化学反应的一部分而产生的产物水。多孔水输送板21(显示了仅一个)布置在堆19内，以便以期望的方式管理水和使水运动，如已知的那样。水输送板21包括水流场22，并且使阴极14与下一个相邻的燃料电池(未显示)的阳极16分开，同时使反应物流湿润。