[发明专利]燃料电池堆及其操作方法

说明书

燃料电池堆包括每个都具有阳极和阴极的多个堆叠的单电池、公共燃料入口通道、公共燃料出口通道、公共氧化剂入口通道、公共氧化剂出口通道以及至少一个微波源，至少一个微波源配置成选择性地产生微波辐射，微波辐射引导到公共燃料出口通道和/或公共氧化剂出口通道中，以管理其中包含的水来熔化冰和/或促进蒸发。

技术领域

本公开涉及具有多个单电池的燃料电池堆，该燃料电池堆包括用于管理燃料供应通道和空气供应通道中的水的相关的微波辐射源。

背景技术

燃料电池(例如质子交换膜燃料电池PEMFC，Proton Exchange Membrane FuelCell)转化反应物，即燃料(例如氢)和氧化剂(如氧气，例如大气氧)以产生用于电负载的电能。PEMFC通常在两个电极(即阴极和阳极)之间使用质子传导聚合物电解质膜。包括布置在两个电极之间的质子传导聚合物膜的组件也称为膜电极组件(MEA，Membran–Elektroden–Anordnung)。在典型的燃料电池中，在MEA的每一侧提供流场板。该流场板包括用于反应物的分配通道，从而将燃料和氧化剂分配到各个电极，并且从而去除在燃料电池内发生的电化学反应的副产物。水是用氢气和空气作为反应物来操作的电池中的主要副产物。由于单个电池的输送电压低(约为1V)，因此通常将多个电池串联堆叠在一起以用于商业应用。燃料电池堆可以进一步串联和/或并联连接成互连堆叠组，以用于汽车应用等。

在特定应用中，PEMFC堆会经历开关操作的重复循环，这种循环包括在不同时间段和不同温度下的存储。通常所期望的是能够在短时间内可靠地启动这种堆。特定的应用(例如汽车应用)可能需要从远低于结冰的存储条件的相对快速和可靠的启动。由于电池的转化率方面的相对较低的功率容量，以及电池中的水管理，这代表了相当大的挑战。为了燃料电池的正常运行(例如加湿电解质膜)，可能需要一定量的水。因此，一方面水由于提供电能而产生(产物水)，另一方面由于反应物的有意加湿或者由于空气(氧化剂)中含有的水蒸气，水可能进入并积聚在燃料电池中。如果液态水存在于相应的温度接近或低于冰点的电池中时，会形成冰。电池中(例如在阳极侧和阴极侧的流场板的通道中)冰的存在可能是有问题的，这取决于在存储或启动期间存在多少冰。

水滴结冰会阻塞或堵塞在阳极和/或阴极侧流场板中的通道，这可能导致阳极或阴极处的流体流动的部分或完全中断，以及因此减少了活性反应面积并导致燃料电池功率的降低。如果燃料电池继续由连接的电负载汲取电能，电池电压将破坏甚至可能达到负电平(伴随着电解的开始)，其后果是损坏或破坏催化剂。因此，燃料电池或整个燃料电池堆可能被损坏并且需要更换。

发明内容

根据本公开的实施例包括燃料电池堆和用于操作燃料电池堆的方法，从而在所有预期的操作条件下(尤其是在机动车辆中使用时)提供堆的期望的功率和长寿命的操作。在这种情况下，即使在接近或低于水的结冰点的操作条件下，燃料电池堆和该操作方法也提供快速启动或快速调试时间。此外，根据本公开的燃料电池堆的各种实施例应该以成本有效的方式制造成简单的结构。

应当注意，单独列出的特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了可能未明确描述或说明的所要求保护的主题的进一步的实施例。还应注意，在下文中使用并且彼此链接的两个特征之间的连接“和/或”应解释为在第一实施例中可以仅存在第一特征，在第二实施例中可以仅存在第二特征，而在第三实施例中可以存在第一和第二特征。