專利名稱：帶有基于直接注入液態(tài)水的冷卻系統(tǒng)的燃料電池的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更準確地說，涉及一種使用高分子膜作為電解質(zhì)的燃料電池。
燃料電池是直流形式的電能的電化學發(fā)生器；換句話說，它們在燃料沒有完全降解為熱能的情況下將燃料(例如含氫的氣體混合物、或像甲醇或乙醇這類輕質(zhì)酒精)與氧化劑(例如空氣或氧)反應的自由能轉(zhuǎn)化，因此它不受Carnot循環(huán)的限制。為了實現(xiàn)所需的將化學能轉(zhuǎn)換成電能，燃料在電池的陽極被氧化并同時釋放出電子和H+離子，而氧化劑則在陰極處被還原，并消耗掉H+離子；該發(fā)生器的兩極必須用合適的電解質(zhì)分隔開，以允許H+離子連續(xù)地由陽極流向陰極，同時阻止電子從一個極轉(zhuǎn)移到另一極，從而使兩個電極之間的電位差達到最大。這個電位差事實上代表著過程本身的驅(qū)動力。燃料電池被認為是傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)異的替代者，特別是從它們極其良好的對環(huán)境的影響這一觀點來看(沒有污染性排放和噪聲，唯一的副產(chǎn)品是形成水)，它們既可用于不同規(guī)模的靜止發(fā)電領域(電力站、備用電能發(fā)生器等)，也可用在移動應用的領域(電動車應用、汽車能量的產(chǎn)生或用于空間、潛艇及海軍應用的輔助電源)。
和別的燃料電池相比，高分子膜燃料電池提供更多的優(yōu)點，這是因為它們具有快速的啟動和迅速達到最佳工作條件，高的功率密度，與沒有運動部件和不存在腐蝕現(xiàn)象及劇裂的熱工循環(huán)相聯(lián)系的內(nèi)在的可靠性等優(yōu)點；事實上，在所有的已有技術(shù)的燃料電池中，聚合物電解質(zhì)燃料電池表現(xiàn)出總體上最低的工作溫度(通常為70-100℃)。
為此目的而用的聚合物電解質(zhì)是一種離子交換膜，更準確說是一種陽離子交換膜，它是一種化學上惰性的聚合物，部分地按集群而起作用，這些集群能夠進行酸堿水解而導致電荷的分離；所述水解更準確地說包含釋放正離子(陽離子)和在構(gòu)成膜的聚合物上形成固定的負電荷。在膜的表面上施加多孔的電極，該表面允許反應劑流過而到達膜的界面。催化劑加到上述的電極和/或膜一側(cè)的界面上，該催化劑例如是鉑黑，它有利于相應的燃料氧化或氧化劑還原的半反應。這種安排也用于當膜的兩具表面之間建立起電位梯度和外電路同時閉合時提供陽離子連續(xù)流動；在這種情況下轉(zhuǎn)移的陽離子是H+離子，如前所述，在陽極上饋送帶有較低電化學電位以及在陰極上饋送帶有較高電化學電位的物質(zhì)而產(chǎn)生的電位差，一旦外電路閉合時，將立即在跨越外電路的電子流(即電流)中引起質(zhì)子傳導。
質(zhì)子傳導是燃料電池運行的一個主要條件，也是評估它的效率的決定性參數(shù)之一。一旦利用所產(chǎn)生的電力輸出的外部電阻負載上的電路閉合時，不充分的質(zhì)子傳導將導致電池兩極上的電位差(電池電壓降)明顯下降。這又轉(zhuǎn)而使對熱能反應的能量更加退化并由此引起燃料轉(zhuǎn)換效率的下降。
在市場上可以得到若干陽離子交換膜，它們能提供優(yōu)化的質(zhì)子傳導特性，并且已廣泛用于工業(yè)化的燃料電池上，例如那些在商標名稱下商品化的Nafion是美國Dupont de Nemour的產(chǎn)品，Gore Select是美國Gore的產(chǎn)品，Aciplex是日本Asahi化學公司的產(chǎn)品等。所有這些膜都因它們的工作機理所帶來的內(nèi)在處理限制而具有負面影響由于水解的機理而使電荷分離以使質(zhì)子傳導成為可能，這類膜只有在存在液態(tài)水時才能發(fā)揮它們的導電性。雖然水的形成是燃料電池工作的一個固有的后果，但它形成的程度幾乎總是不足以導致維持膜的正確的水合狀態(tài)，尤其是工作在足夠高的電流密度的情況下。
工作在高電流密度下實際上涉及到在給定的功率輸出下投資成本的減少，但是也涉及能量效率的降低和在產(chǎn)生更高的熱量。工作在實際應用的電流密度下(例如在150到1500mA/cm2之間)的燃料電池中所產(chǎn)生的大量的熱必須能有效地排出以允許該系統(tǒng)的熱力調(diào)整，這不僅出于離子交換膜的有限的熱穩(wěn)定性的觀點，它通常不適合于工作在100℃以上，而且也是為了盡可能減少所產(chǎn)生的水份的蒸發(fā)以及隨后的因惰性成份和未轉(zhuǎn)換的反應物的流動而使水從電池中逸出。此外，由于在一單體燃料電池的電極上的電壓太小而難以供實際使用，故所述電池通常以雙板連接的方式在電氣上串連并按壓濾器配置組合起來以并聯(lián)方式饋送反應劑，如美國專利第3,012,086所說明的。在這樣一種通常稱之為“堆”的燃料電池組的裝置中，排放熱量的問題相對于單體電池的情況而言是被強化了，因為后者可以利用通過外壁的熱對流。由于這一原因，已有技術(shù)的燃料電池的所有設計都提供合適的液動循環(huán)管路以便通過與循環(huán)流體的熱交換而移走熱量；這種流體可以饋送到在雙極平板中形成的蛇形管內(nèi)或者饋送到與其有電氣連接的嵌在單體電池之間的適當部位的蛇形管中；這兩種方案都增加了堆構(gòu)造的復雜性，增加了重量和體積，從而降低了功率密度，而這個參數(shù)是高度希望其能達到最大化的，尤其是在移動應用的情況下。
在這方面比較不那么繁重的解決方法是在PCT專利申請WO98/28809號中所說明的，其中的冷卻流體是在鄰近于電池的活性表面的雙極平板的外圍部分中循環(huán)的；但是，在這種情況下會得到一個橫向的溫度分布，膜的中心區(qū)工作在比外圍區(qū)更高的溫度下，從而造成了一個溫度梯度，而這對膜本身的整體性是潛在地非常危險的。
最后，即使為使系統(tǒng)溫度設定在100℃以下而需要排放的熱量盡管相當迫切，但仍然是在可以達到的范圍之內(nèi)，但是，從燃料電池堆中同時排出的水對于為了使膜本身維持足夠的水解水平而產(chǎn)生的水來說仍然是太高了；因此，已有技術(shù)的堆的設計除了冷卻系統(tǒng)之外又引入了第二套輔助系統(tǒng)，它用來向該電能發(fā)生器內(nèi)注入所需的額外數(shù)量的水。這個回路通常用來在燃料電池的陽極和陰極空間的入口處提供予先潤濕反應劑，例如使水中形成氣泡或通過輔助電池中合適的膜使水蒸汽擴散。而且這個第二回路同樣也涉及重量、體積和投資成本的明顯增加；此外，要饋送到系統(tǒng)中水的數(shù)量必須嚴格控制，因為在電池空間中過多的液體將導致嚴重的后果，即阻塞氣態(tài)反應劑對電極表面的接觸。對由上述系統(tǒng)所提供的水量實現(xiàn)校正的唯一可能，雖然不是直接的，是對水本身溫度的作用因而也就是它的蒸汽壓。這轉(zhuǎn)而又帶來對燃料電池堆中濕潤系統(tǒng)恒溫的需要，更使結(jié)構(gòu)設計復雜化。
為保持對反應劑流的適當?shù)乃抗囊粋€更加有利的方案公開于歐洲專利公開NO.316626中，其中說明了通過向其中注入霧化的水來濕潤所述反應劑流，例如利用一個超聲氣溶發(fā)生器。這個方案部分地解決了需要由繁復的輔助熱交換回路來冷卻電池堆，因為送到其中的一部分水在電池內(nèi)部被汽化，從而帶走了相當量的熱。但是，這個系統(tǒng)由于由與氣溶發(fā)生器相關聯(lián)的構(gòu)造復雜性所代表的基本缺點而受到負面影響，這種發(fā)生器除了昂貴以外，還消耗相當一部分由燃料電池產(chǎn)生的電輸出。
此外，水在電池中的持續(xù)時間太短不足以保證同時對膜保持濕潤和冷卻電池堆而不重新進入輔助回路，尤其是在高電流密度和堆是由大量電池構(gòu)成的情況下。
另外，在將所述反應劑送進輸入管道之前使反應濕潤或加入霧化水可能會引起在其中水的凝結(jié)或形成水滴，其后果是對堆中的某些電池(一般是靠近反應劑入口處的電池)送進過量的水而對另外一些電池(一般是遠離入口處的電池)則送入水量不足。
本發(fā)明是一種燃料電池堆，包括置于雙極平板和電極表面之間的成網(wǎng)狀的導電和導熱的材料，例如在美國專利5,482,792號中所說明的，其中反應劑的濕潤和熱力控制是通過一個單回路直接注入適當?shù)乃鞫玫降?，這引起水份利用網(wǎng)狀材料的大面積表面和它的導熱性而在其內(nèi)部被部分蒸發(fā)，這允許從電極上有效地抽取熱量。
在本發(fā)明的一個實施例中，在氣體流中水的注入點位于反應劑輸入導管的下游。
在另一個實施例中，所述注入點對應于網(wǎng)狀材料的周圍定位在實際上與被供以反應劑的區(qū)域相隔開的區(qū)域里。
在另一實施例中，水被對應于網(wǎng)狀材料內(nèi)部所形成的下陷(depression)而注入。
在另一實施例中，水被對應于在網(wǎng)狀材料內(nèi)部提供的并沿著它的整個表面布置的盤旋狀下陷處而注入。
在另一實施例中，水被對應于在網(wǎng)狀材料內(nèi)部提供的偏置的雙梳狀下陷而注入。
本發(fā)明現(xiàn)將參照下列附圖進行說明，其中

圖1表示本發(fā)明的膜式燃料電池堆的總體方案，它按壓濾器配置進行組裝。
圖2A表示已有技術(shù)的膜式燃料電池堆的總體方案，它按壓濾器配置進行組裝；圖2B表示已有技術(shù)的雙極平板。
圖3、4、5和6表示燃料電池用的各種類型的密封墊片。
圖7、8、9和10表示用于分配流體的各種類型的網(wǎng)狀元件和在燃料電池堆內(nèi)部的雙極平板和電極之間的連接。
參見圖1，代表著壓濾器配置的模塊組件中的重復單元的每個單元電池(1)，包括，按由內(nèi)向外的順序的離子交換膜(2)，一對多孔電極(3)，在膜(2)和每個電極(3)之間的界面5上形成的一對催化層(4)，一對導電的網(wǎng)狀元件(5)，一對用于周圍密封的墊片(6)，一對雙極平板(7)，它們限定了單元電池(1)的界限。網(wǎng)狀元件(5)的最低孔隙率為50％，并起著如下的作用在電氣上把雙極平板(7)連接到電極(3)上，并將氣態(tài)反應劑和濕潤用水散布，細微地將后者細分以通過網(wǎng)狀元件(5)的整個厚度，從而有利于在由雙極板(7)和電極(3)限定的腔室的整個體積中的蒸發(fā)作用。在使上述部件并置后，由雙極平板(7)和墊片(6)的周圍地區(qū)上的適宜小孔形成兩個上部的導管(8)，在圖中僅示出了其中之一，它們可以用來饋送反應劑，還形成兩個下部導管(9)，它們可以用來排放所產(chǎn)生的水、氣態(tài)惰性物質(zhì)和反應劑中未轉(zhuǎn)換的部分，圖中也只顯示了其中之一。換一種方式，下部導管(9)可以用作饋送通道而上部導管(8)作為排放通道。也可能將兩種反應劑中的一種利用相應的下部導管(9)作為出口通過上部導管(8)之一饋送，而使用對應的上部管道(8)作為出口通過另外的下部管道(9)饋送另一種反應劑。
按壓濾器配置的單元電池(1)組合的外部有兩塊端板(10)其中之一裝有裝配件以便與導管(8)和(9)作液力連接，在圖中未示出，兩塊端板都備有用于連結(jié)棒的合適的孔，這種棒用于夾緊整個堆，它們也設有在圖中示出。參照圖2A和2B，構(gòu)成壓濾器配置的模塊組件的重復單元的每個單元電池(1′)，包括按由內(nèi)向外的順序的離子交換膜(2′)，一對多孔電極(3′)，在膜(2′)和每個電極(3′)之間的界面上形成的一對催化劑層(4′)，一對用于液力密封的平面密封墊片(6′)，一對雙極平板(7′)，它們限定了單元電池(1′)的界限。雙極平板(7′)具有帶肋的外形(11)，它的凸起部分保證了在整個堆中的電的連續(xù)性，而下陷的部分允許氣和水的循環(huán)。在使上述部件并置后，由雙極平板(7′)的外圍地區(qū)上的合適的小孔形成兩個上部導管(8′)，圖中只顯示了其中之一，它可用于饋送反應劑，并形成兩個下部導管(9′)，它們可以用來排放所產(chǎn)生的水、氣態(tài)的惰性物和反應劑的未轉(zhuǎn)化部分，圖中只顯示了其中之一。在這種情況下，上部和下部導管的作用也是可能顛倒的。
按壓濾器配置的單元電池(1′)組合件的外部有兩塊端板(10′)，其中之一備有裝配件以便對導管(8′)和(9′)進行液力連接，在圖中沒有示出，兩塊端板都具有供連結(jié)棒用的合適的孔，這些棒夾緊整個堆，它們沒有在圖中示出。
參照圖3、4、5和6，這里表示了密封墊片(6)的幾種實施例，該墊片包括一個上部孔(12)，它通過按壓濾器配置并置而形成上部導管(8)，還包括下部孔(13)，它通過按壓濾器配置并置而形成下部導管(9)，還包括供網(wǎng)狀元件(5)用的外殼(14)以及任選的一個或多個用于注入水的通道(15)。
參照圖7A，它表示網(wǎng)狀元件(5)的一個實施例，它由具有偏菱形網(wǎng)眼的整平延展的片構(gòu)成；在圖7B中表示具有方形網(wǎng)眼的平面細網(wǎng)。
參照圖8、9和10，這里表示網(wǎng)狀元件(5)的某些實施例，它們由可變形的金屬材料例如海綿狀金屬制成；在圖9和10的實施例中，下陷區(qū)(16)用作為注水的優(yōu)選的通道，它們是用例如冷壓法在所述金屬材料內(nèi)部形成的。
例1兩個燃料電池堆、一個由15個另一個由30個單元電池(1)構(gòu)成，按照圖1的方案制成，并裝備有下列部件
—Nafion115離子交換膜，由Dupont de Nemours形成商品。
—由E-Tek公司商品化的電極(3)，其商標為ELAT，由催化劑層(4)激活，催化劑層由支持在活性碳上的鉑微粒構(gòu)成，其有效面積為200cm2。
—由海綿狀鎳制成的網(wǎng)狀元件(5)，如圖8所示，它具有1到3mm之間的微孔。
—按照圖3方案的密封墊片(6)—由2mm厚的不銹鋼片制成的雙極平板(7)。
—鋁的端板(10)，電連接到外端電池的雙極平板(7)上，備有連接到可變電阻性負載上的電流收集插座。
這個堆通過安裝在端板(10)之一上的合適的裝配件連接到氣態(tài)反應劑供應源和一個外部回路上，在那里除去礦物質(zhì)的水通過利用熱交換器以進行溫度控制而達到所需的溫度并進行循環(huán)。通過這些連接，該堆在負極(陽極)處送入含有70％氫的混合物，而在正極(陰極)則送入空氣，這是利用上導管(8)進行的，這個導管是由按壓濾器配置的并置上部孔(12)和在雙極平板(7)中相應的小孔而得到的。同一個導管(8)從相應的回路中饋送以去掉礦物質(zhì)的水流，其流量是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應按需要而調(diào)節(jié)的。除了由注入到導管(8)中的水的蒸發(fā)所提供的冷卻外，該堆并沒有配備輔助冷卻。
該堆在電流密度300mA/cm2的情況下工作了12小時，電池溫度調(diào)節(jié)在70℃，并監(jiān)測單個電池的電壓。水的流量是人工調(diào)節(jié)的以使單個電池的電壓為最大。在人工調(diào)節(jié)結(jié)束時，在兩個堆上都檢測到每個電池的電壓是在715到745mV之間。在30個電池的堆中，具有最低電壓值的電池在統(tǒng)計上都分布在遠離連接到反應劑和水流入口處的端板的地方(尾部電池)；在第一小時的運行后，單個電池的電壓趨于保持大致穩(wěn)定。
然后對加在端板(10)上的電阻負載加以變化，以便從兩個堆中取出600mA/cm2的電流密度；15個電池的堆保持了穩(wěn)定的運行條件，其單個電池的電壓為600到670mV之間，最低值在統(tǒng)計上是分布在尾部電池之間；30個電池的堆則在約1小時之后關閉，因為出現(xiàn)在尾部電池的電壓持續(xù)下降，最可能是局部過熱的后果。
同樣的測試在用一個超聲氣溶發(fā)生器以霧化水的情況下被重復，這是在將同樣的水注入上部導管(8)之前進行的。在所有情況下，沒有觀察到性能上的變化。
比較例1按照圖2的方案，制成了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)教導的15個燃料電池的堆。
該堆裝有下列部件-Nafion115離子交換膜，由Dupont de Nemours形成商品-E-Tek公司商品化的ELAT電極(3′)，由催化劑層(4′)激活，催化劑層是由支持在活性碳上的鉑微粒構(gòu)成，其有效面積為200cm2。
-平面的密封墊片(6′)、具有與電極(3′)相同的厚度-由帶肋的石墨片制成的雙極平板(7′)，其厚度為5mm。
-銅的端板(10′)，電連接到外端電池的雙極平板(7′)上，具有連接到可變電阻負載上的電流收集插座。
和前面的例子相似，這個堆通過在端板(10′)之一上提供的合適的裝配件連接到氣態(tài)反應劑的供應回路和一外部回路上，在那里去除礦物質(zhì)的水由利用熱交換器以進行溫度控制而達到所需的溫度，并進行循環(huán)。通過這些連接，該堆在負極(陽極)處送入含有70％氫的混合物，而在正極(陽極)處送入含有70％氫的混合物，而在正極(陰極)送入空氣，這是利用上導管(8′)進行的；從相應的回路到同一導管(8′)送入去除礦物質(zhì)的水流。除了由注入到導管(8′)中的水蒸發(fā)所提供的冷卻以外，該堆并設有裝備輔助冷卻。盡管嘗試了所有和前面例子所說明的同樣方式的各種水流調(diào)節(jié)，仍然不可能達到300mA/cm2的電流密度，因為某些隨機分布的電池的電壓由于過熱而趨于隨時間而降低。通過降低電流密度有可能獲得在70mA/cm2的穩(wěn)定運行，在這樣的電流值下，每一單個的電池電壓分布在包括800和550mV之間的范圍內(nèi)；當用前面的例子中超聲氣溶發(fā)生器使水霧化時，有可能將電流密度增加到最高100mA/cm2，但不可能進一步增加電流輸出。這些測試的結(jié)果表示在堆的各個電池之間的注水缺乏均勻性，而且在每個電池內(nèi)部，在帶肋的結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的不規(guī)則分布，使水在上游霧化能稍微減輕這一問題，但仍達不到由前面那個例子的網(wǎng)狀元件所產(chǎn)生的在整個電池體積內(nèi)該細分碎裂(the fine fragmentation)所達到的效率。
例2例1的兩個堆通過下部導管(9)被送入氣態(tài)的反應劑和水，并使用上部導管(8)供排放用。在這些條件下，有可能讓30個電池的堆也工作在600mA/cm2，盡管5個尾部電池的電壓保持在600mV以下。在同樣的電流密度下，15個電池的堆的電壓分布在包括650和670mV之間的范圍內(nèi)；雖然最大值相對于前面的測試的最大值是接近的，在那個測試中注入是通過上部導管進行的，但所得的電池電壓值的分布要均勻得多。其解釋在于這樣的事實，當多個電池通過位于更高水平的導管并行地送入時，就有可能部分的水聚集在導管本身的底部，隨后下落而通過更靠近水的注入點的電池組的入口處。在由下部注水的情況下。水并不下落到電池上，而是相反地被輸入的氣體所抽吸從而在每一單個電池內(nèi)部提供更均勻的流動。
例3例1和2的測試在送入純氫作為燃料的情況下被重復，同時關閉在陽極側(cè)的出口導管并只對空氣入口導管注入水份。在兩種情況下都觀察到堆的性能和前面的情況基本上相同，檢測到的電池電壓的少量增加是因為燃料的體積克分子數(shù)(molar fraction)的增加。此外，還觀察到，在陽極處的純?nèi)剂媳煌耆牡那闆r下(空端運行)，只要濕潤氧化劑流就已足夠。在這種情況下，用超聲氣溶發(fā)生器在上游霧化水份并不產(chǎn)生任何正面效果。
例4前面各例子中的30個電池的堆相對于它的主軸轉(zhuǎn)動了35°，使得每個送入空氣的墊片(6)下面的孔(13)相對于它的初始位置而言是放在較下的水平上，因此在空氣側(cè)的整個下面的導管(9)相對于它的初始位置是處在一個較低的水平上。然后該堆從相應的下部導管(9)送入空氣，而水則和前面各例一樣在那里被注入。從相應的下部導管(9)送入純氫達到總消耗，且沒有任何濕潤，并按照空端方式運行而關閉相關的上部導管(8)。
例5根據(jù)圖1的方案，按照已有技術(shù)的教導制造了45個燃料電池的堆，它裝備下列各部件-離子交換膜(2)，由美國的Gone形成商品，其商標為Gore Select-由美國E-Tek公司商品化的電極(3)，其商標為ELAT，由催化劑層(4)激活，該催化劑層由支持在活性碳上的鉑微粒制成，其有效面積為900cm2網(wǎng)狀元件(5)，它按下法制成將如圖7A所示的整平擴展的片疊加在雙極平板(7)上，它的偏菱形網(wǎng)的側(cè)邊長度為3mm，以及將平面細網(wǎng)加在由極(3)上，如圖7B所示，它具有方形的網(wǎng)孔，其邊長為1mm；擴展的片和平面網(wǎng)孔都是由AISI 316L不銹鋼制成的。
-按照如圖4所示方案的密封墊片(6)-由2mm厚的不銹鋼片制成的雙極平板(7)-由鋁制成的端板，它在堆的每一端都和雙極平板(7)電氣連接，并備有連接到可變電阻負載上的電流收集插座。
這個堆通過在端板(10)之一上提供的合適的裝配件連接到氣態(tài)反應劑的供應回路和外部回路上，在該回路中有去除礦物質(zhì)并用熱交換器把溫度控制在所需要值的水在循環(huán)。通過這些連接，在堆的負極(陽極)處送入純氫而在正極(陰極)送入空氣，這要利用通過并置按壓濾器配置的下部孔(13)和在雙極平板(7)中相應的孔而得到的下部導管(9)。去礦物質(zhì)的水流從相關的回路提供給注水通道(15)，其流速按照系統(tǒng)的動態(tài)響應并根據(jù)需要來調(diào)節(jié)。除了由注水通道(15)送入的水因蒸發(fā)而造成的冷卻外該堆設有裝備輔助冷卻。
該堆在電流密度為700mA/cm2下運行12個小時，電池溫度調(diào)節(jié)在75℃并監(jiān)測單個電池的電壓。水的流量是人工調(diào)節(jié)的以使單個電池的電壓達到最大值。在這種人工調(diào)節(jié)的末尾，堆中所有的電池都顯示出包括在680到700mV之間的電壓，它們隨時間保持穩(wěn)定。這個測試可以證明，與在前面各例子中所用的墊片類型相比較，由于墊片確定了在入口導管中氣與水的混合，使用圖4所示的墊片是更加有利的，在其中這兩種流體的混合發(fā)生在較小的通道中，這位于入口導管的下游。
在這一情況中還證明注入到提供給通道(15)的空氣流中的水的霧化并不提供任何有益的效果。
例6組裝了一個45個燃料電池的堆，它和前面例子中的堆相似，唯一例外是所用墊片，它對應于圖5的墊片。這種類型的設計為氣流和水流提供了分開但相互間沿平行方向的饋送，它們是在引入到網(wǎng)狀元件(5)之后混合的，從而保證水在單個電池內(nèi)有更加均勻的分布。這個堆工作在與例5相同的條件下，其電流密度為700mA/cm2，所顯示的電池電壓值包括在700和715mV之間。
例7組裝了一個45個燃料電池的堆，與前例子中的堆相似，唯一例外是墊片，其對應于圖6的那種，另外就是網(wǎng)狀元件(5)，它是與例1相似由海綿狀鎳制成的。堆是這樣連接的，使反應劑從上部導管(8)送入而從下部導管(9)把它們排出。在這種墊片設計下，注入的氣體和水流，除了在導入到網(wǎng)狀元件(5)之前一直是分開的之外，它們是以相互垂直的方向混合的。在這種情況下，為了保證網(wǎng)狀元件的上面區(qū)域有足夠的濕潤，水流被分裂以便讓大部分進入通道(15)，而較小部分進入上部導管(8)中去送給電池。注入通道(15)的那部分水流被設定在90％左右，并且在任何情況下不低于80％。這個堆在與例5和6相同的工作條件下運行在700mA/cm2，所顯示的電池電壓值包括在710和730mV之間。
例8組裝了一個45個燃料電池的堆，它與例6的堆相似，唯一例外是網(wǎng)狀元件(5)，它如圖9所示是用海綿狀鎳制成的。在這種情況下，利用海綿狀金屬的可變形性質(zhì)來產(chǎn)生兩個小的通道或下陷(16)以便優(yōu)選地使水流的分布相對于氣流是基本上平行的，上述的通道具有盤旋形式，它穿過海綿金屬的整個表面。為了形成下陷(16)，只要在海綿金屬中冷壓進一根具有所需厚度的金屬絲就可以了。在這種情況下，通過冷壓壓進一根3mm寬的鋼絲就可以得到同樣寬度的盤旋形的下陷。很明顯，可以形成單獨一個盤旋形(16)，以便從單獨一個通道(6)送入，或者也可以有多于兩個盤旋形。這個堆在與例5、6和7相同的工作條件下運行在700mA/cm2，所顯示的電池電壓值包括在715到730mV之間。
例9組裝了一個45個燃料電池的堆，它與例7的堆相似，唯一的例外是墊片(6)和網(wǎng)狀元件(5)，前者相當于圖6的墊片，后者是如圖10所表示的由海綿狀鎳制成。在這一情況下，同樣利用海綿狀金屬的永久可變形性質(zhì)來產(chǎn)生兩個小通道用來優(yōu)選地散布水，不過，在這種情況下選擇了偏移的雙梳形幾何形狀以便產(chǎn)生一系列平行的溝道，它們基本上以與該氣流方向成垂直的方向送入水流。這增大了在網(wǎng)狀元件(5)內(nèi)部的總體壓力降，并強迫氣態(tài)反應劑沿著更加曲折的途徑行進，把反應劑散布在電池的整個有效表面上并避免滯止或耗盡的區(qū)域。這個堆在與例5、6和7相同的工作條件下運行在700mA/cm2，所顯示的電池電壓值包括在730和740mV之間。
雖然本發(fā)明已參照特定的實施例作了說明，但后者并不想要限制本發(fā)明，它的范圍是在下面所附的如權(quán)利要求中限定的。
權(quán)利要求
1.一種被供以氣態(tài)反應劑的高分子膜燃料電池堆，其中所述將陽極空間和陰極空間隔開的隔膜，包括雙極平板，任選地備有用于饋送和排放流體的通道的密封墊片，有孔隙的電極，置于隔膜和電極之間的催化劑層，用于饋送反應劑流的導管，用于排放反應劑中未轉(zhuǎn)化部分、惰性物部分和所產(chǎn)生的水份的導管，以及至少一個注入點，它連接到液動循環(huán)管路以便將水流注入到電池的至少一個空間的內(nèi)部，其特征在于所述水流同時用來使該膜濕潤和移走所產(chǎn)生的熱。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池堆，其特征在于電池的至少一個被供以反應劑和來自注入點的水的空間包括一導電和導熱的網(wǎng)狀元件插在電極和雙極平板之間，它將所述水流散布以通過由氣態(tài)反應劑所占據(jù)的整個體積。
3.如權(quán)利要求2的燃料電池堆，其特征在于水的注入點位于所述至少一個空間的外面。
4.如權(quán)利要求3的燃料電池堆，其特征在于所述水的注入點位于用來饋送反應劑流的導管的入口處。
5.如權(quán)利要求4的燃料電池堆，其特征在于所述用于饋送反應劑流的導管是下部的導管。
6.如權(quán)利要求5的燃料電池堆，其特征在于所述燃料電池堆是相對于它的主軸旋轉(zhuǎn)的，而且所述導管在最下面的位置。
7.如前述各權(quán)利要求的燃料電池堆，其特征在于該電池的僅僅一個空間要被供以水。
8.如權(quán)利要求7的燃料電池堆，其特征在于所述僅僅一個被供以水的空間是陰極空間。
9.如權(quán)利要求3的燃料電池堆，其特征在于所述水注入點位于在墊片中形成的通道中，在用來饋送反應劑流的導管的下游。
10.如權(quán)利要求2的燃料電池堆，其特征在于上述的水注入點位于電池的內(nèi)部。
11.如權(quán)利要求9的燃料電池堆，其特征在于水注入的取向基本上平行于反應劑流的方向。
12.如權(quán)利要求9的燃料電池堆，其特征在于水注入的取向基本上垂直于反應劑流的方向。
13.如權(quán)利要求2的燃料電池堆，其特征在于所述網(wǎng)狀元件是可以由冷壓而變形的。
14.如權(quán)利要求13的燃料電池堆，其特征在于上述的可由冷壓而變形的網(wǎng)狀元件是一種海綿狀金屬。
15.如權(quán)利要求14的燃料電池堆，其特征在于所述海綿狀金屬含有鎳。
16.如權(quán)利要求13的燃料電池堆，其特征在于所述網(wǎng)狀元件包括至少一個用于散布水的下陷。
17.如權(quán)利要求16的燃料電池堆，其特征在于所述至少一個下陷是由冷壓得到的。
18.如權(quán)利要求16的燃料電池堆，其特征在于所述至少一個下陷的取向基本上平行于反應劑流的方向。
19.如權(quán)利要求18的燃料電池堆，其特征在于所述下陷具有盤旋的形狀。
20.如權(quán)利要求16的燃料電池堆，其特征在于所述至少一個下陷的取向基本上垂直于反應劑流的方向。
21.如權(quán)利要求20的燃料電池堆，其特征在于所述下陷是按照偏移的雙梳形幾何形狀配置的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高分子膜燃料電池堆,其中由產(chǎn)生電能而生成的熱量的排除和濕潤用作電解質(zhì)的離子交換膜,是由將從單一液動循環(huán)管路來的水流直接注入而得到的。這樣所產(chǎn)生的堆更緊湊、不那么昂貴而且更易于操作。
文檔編號H01M8/04GK1347575SQ00806454
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月21日
發(fā)明者瑪斯莫·布拉姆比拉, 加布里勒·馬祖奇利 申請人:紐韋拉燃料電池歐洲有限責任公司