[发明专利]PEM燃料电池堆氢分配插入件

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，并更特别地涉及包括置于其进口集管中的插入件的燃料电池堆，其促进了流体到燃料电池堆的燃料电池的均匀的流动。

背景技术

燃料电池能量系统将燃料和氧化剂（反应剂）转换成电能。其中一种燃料电池能量系统使用质子交换膜（PEM）催化地促进这种燃料（例如氢）和氧化剂（例如空气或氧气）的反应从而产生电能。水是电化学反应中的副产物。所述PEM是一种固体聚合物电解质，其可以促进燃料电池堆的每一个单独的燃料电池中的质子从阳极向阴极的转移，这种燃料电池堆一般配备在燃料电池能量系统中。

在典型的燃料电池组件中，各个单独的燃料电池包括带有通道的燃料电池板，不同的反应剂和冷却流体流过所述通道。各燃料电池板可以例如是单极或双极的。双极性板可以通过组合多个单极性板而形成。氧化剂通过阴极进口集管被提供至阴极，而燃料通过阳极进口集管被提供至阳极。水副产物从多个通道向出口集管的运动通常由通过燃料电池组件的反应剂的流动所导致。边界层的剪力和反应剂的压力辅助运送水通过这些通道，直到水通过出口集管从燃料电池中流出。

一种膜-电极-组件（MEA）被设置在相继的板之间以促进电化学反应。所述MEA包括阳极、阴极以及位于两者之间的电解质膜。多孔扩散介质（DM）位于MEA的两侧来促进用于电化学燃料电池反应的反应剂的传送。

当在燃料电池堆中启动电化学燃料电池反应时，基本上同时通常需要提供氢燃料，以这种方式导致单个燃料电池在其活化区域中接收氢。然而，进口集管典型地填充氢，以这种方式导致靠近进口集管的氢进口的燃料电池为接收氢的第一燃料电池。相反地，离进口集管的氢进口最远的燃料电池为接收氢的最后燃料电池。

当氢流入燃料电池板的活化区域时，可测量局部电压升高。当电负载施加到燃料电池堆时，电压升高产生电流，其通过燃料电池堆的其余燃料电池板驱动。不具有支持电流的足够氢量的燃料电池堆的燃料电池可经历局部反向电流，由此导致电极碳腐蚀。直到例如所有燃料电池被供给氢的电化学燃料电池反应的延迟开始通常导致通过燃料电池堆的排气集管的不希望的氢排放。

已经采用各种技术来在燃料电池堆的电化学燃料电池反应启动时向燃料电池的每个同步提供氢。一种此类技术包括提供进口集管放气阀，例如在美国专利申请公开No.2005/0129999中公开。放气阀使进口集管就在开始电化学燃料电池反应之前能够充溢氢。放气阀增加了燃料电池堆的成本并向系统引入了额外的运动部件。

替代技术已经采用了多个流体通道以形成外部集管，其向燃料电池堆的进口集管内的分布位置供给氢。美国专利No.6,924,056和美国专利申请公开No.2005/0118487和2006/0280995大体上示出了这种技术。外部集管可难以密封燃料电池堆，并增加了燃料电池堆的成本和总体尺寸。

将希望的是产生有成本效益的燃料电池堆的进口集管插入件，其促进了在电化学燃料电池反应开始时向燃料电池堆中的每个燃料电池氢燃料的基本上同步输送。

发明内容

与本发明兼容且协调地，已经令人惊讶地发现了用于燃料电池堆的有成本效益的进口集管插入件促进了在电化学燃料电池反应开始时在燃料电池堆中向每个燃料电池的氢燃料的基本上同步输送。

在一个实施例中，包括：具有第一端和第二端的中空插入件，所述中空插入件被接收在燃料电池组件的进口集管内；形成在所述中空插入件的第一端处的进口，所述进口适于在其中接收流体；形成在所述第一端和所述第二端中间处的多个出口；以及形成在所述中空插入件中的多个流道，其提供所述进口和所述出口之间的流体连通以将所述流体输送至所述燃料电池组件的多个燃料电池，其中所述流道提供了所述流体到所述燃料电池的基本上同步输送。

在另一个实施例中，用于燃料电池组件的流体分配插入件包括：具有第一端和第二端的中空插入件，所述中空插入件被接收在燃料电池组件的进口集管内；形成在所述中空插入件的第一端处的进口，所述进口适于在其中接收流体；第一联接构件，其形成在所述中空插入件的第一端附近，从而促进将所述中空插入件的进口联接到流体供给导管；第二联接构件，其形成在所述中空插入件的第二端附近，从而促进将所述中空插入件联接到所述燃料电池组件；形成在所述第一端和所述第二端中间处的多个出口；以及形成在所述中空插入件中的多个流道，其提供所述进口和所述出口之间的流体连通以将所述流体输送至所述燃料电池组件的多个燃料电池，其中所述流道提供了所述流体到所述燃料电池的基本上同步输送。