專(zhuān)利名稱(chēng)：用于高分子膜燃料電池的濕潤(rùn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更準(zhǔn)確地說(shuō)涉及一種使用高分子膜作為電解質(zhì)的燃料電池。
燃料電池是直流電形式的電能的電化學(xué)發(fā)電機(jī)(electrochemicalgenerator)，也就是說(shuō)，它們將燃料(例如或者含有氫或者含有如甲醇或乙醇這類(lèi)輕質(zhì)醇的氣態(tài)混合物)和氧化劑(例如空氣或氧)反應(yīng)的自由能進(jìn)行轉(zhuǎn)換而不將它完全降解為熱能，因此不受Carnot循環(huán)的限制。為了完成所需的化學(xué)能對(duì)電能的轉(zhuǎn)換，燃料在電池的陽(yáng)極被氧化，同時(shí)釋放出電子和H+離子；而氧化劑則在陰極被還原，在那里H+離子被消耗；該發(fā)電機(jī)的兩個(gè)極必須由合適的電解質(zhì)隔離開(kāi)，以允許H+離子連續(xù)從陽(yáng)極流到陰極，與此同時(shí)阻止電子從一極轉(zhuǎn)移到另一極，從而使它們的電位差達(dá)到最大。這個(gè)電位差事實(shí)上表示過(guò)程本身的推動(dòng)力。燃料電池被認(rèn)為是產(chǎn)生電力的常規(guī)系統(tǒng)的優(yōu)異替代者，尤其是從極其有利的環(huán)境影響的觀點(diǎn)來(lái)看(沒(méi)有污染排放和噪聲)，作為唯一的副產(chǎn)品而形成的只有水)，它們既用于各種規(guī)模的靜止電力生產(chǎn)領(lǐng)域(發(fā)電站、備用發(fā)電機(jī)等)同時(shí)也用于移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域(電動(dòng)車(chē)應(yīng)用、汽車(chē)能量生產(chǎn)或空間、潛艇及海軍應(yīng)用的輔助能源)。
高分子膜燃料電池比起其它燃料電池將提供更多的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)樗鼈兊目焖倨饎?dòng)和迅速達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行條件，高的功率密度，與既缺少運(yùn)動(dòng)部件又沒(méi)有腐蝕現(xiàn)象和嚴(yán)峻的熱力循環(huán)相聯(lián)系的內(nèi)在的可靠性；事實(shí)上，在所有已有技術(shù)的燃料電池中，聚合物電解質(zhì)的燃料電池表現(xiàn)出總體上最低的工作溫度(通常為70-100℃)。
為此目的使用的高分子電解質(zhì)是一種離子交換膜，更準(zhǔn)確地說(shuō)是一種陽(yáng)離子交換膜，這是一種化學(xué)上惰性的聚合物主鏈，部分地以官能團(tuán)作了改性使其能夠進(jìn)行酸堿水解而導(dǎo)致電荷的分離；這種水解更準(zhǔn)確地說(shuō)包括釋放正離子(陽(yáng)離子)和在聚合物主鏈上形成固定的負(fù)電荷。多孔的電極加在膜的表面上，它允許反應(yīng)劑在那里穿過(guò)并到達(dá)膜的界面。在電極及/或在膜一側(cè)的這樣的界面上施加催化劑，例如鉑黑，它增加了燃料氧化或氧化劑還原的相應(yīng)的半反應(yīng)速率。這種安排當(dāng)在膜的兩個(gè)表面之間建立起電位梯度且外部的電路同時(shí)被閉合時(shí)還提供陽(yáng)離子的連續(xù)流動(dòng)；在這種情況下轉(zhuǎn)移的陽(yáng)離子是H+離子，如前面所述那樣，在把具有較低電化學(xué)電位的物質(zhì)送到陽(yáng)極和把具有較高電化學(xué)電位的物質(zhì)送到陰極所產(chǎn)生的電位差在外電路閉合時(shí)就立即建立起跨越膜的質(zhì)子傳導(dǎo)和跨越該外電路的電子流(即電流)。
質(zhì)子傳導(dǎo)是燃料電池工作的一個(gè)主要條件，并且是評(píng)估其效率的決定性參數(shù)之一。不充分的質(zhì)子傳導(dǎo)在電路與利用所產(chǎn)生的電力輸出的外電阻負(fù)載接通時(shí)就引起燃料電池電極上的電位差的顯著下降。這又引起熱能反應(yīng)中能量的加大的降解，因而導(dǎo)致燃料的轉(zhuǎn)化效率的降低。
若干種表現(xiàn)最優(yōu)質(zhì)子傳導(dǎo)特性的陽(yáng)離子交換膜在市場(chǎng)上是可以得到的，并廣泛用于工業(yè)化的燃料電池中，例如美國(guó)Dupont de Nemours生產(chǎn)的商標(biāo)名為Nafion、美國(guó)Gore的Gore Select，日本的Asahi ChemicalsAciplex等產(chǎn)品。所有這些膜都由于與它們的工作機(jī)理相關(guān)聯(lián)的內(nèi)在過(guò)程限制而受到負(fù)面的影響使得質(zhì)子傳導(dǎo)成為可能的是由于水解作用所建立的電荷分離，因此這些膜只有在具有液態(tài)水時(shí)才能發(fā)揮它們的導(dǎo)電性。雖然水的生成是燃料電池工作的內(nèi)在后果，但它的程度幾乎總是不足以維持膜所需要的水合狀態(tài)，尤其是工作在足夠高的電流密度下。
在高電流密度下的運(yùn)行涉及在給定的功率輸出下降低投資成本，但是也會(huì)降低能量效率同時(shí)還產(chǎn)生更大量的熱。工作在實(shí)際使用的電流密度(例如150和1500mA/cm2之間)的燃料電池中所產(chǎn)生的大量的熱必須被有效地排出，以允許該系統(tǒng)熱力調(diào)整，不僅是出于離子交換膜的有限的熱穩(wěn)定性的觀點(diǎn)，它們通常不適于工作在100℃以上，而且也是為了盡可能限制產(chǎn)生的水的蒸發(fā)和隨后因惰性成份和未轉(zhuǎn)換的反應(yīng)劑從電池內(nèi)排放而引起的水的排出。此外，由于單個(gè)燃料電池的電壓對(duì)于允許實(shí)際應(yīng)用而言太低，所以這些電池通常是通過(guò)雙極連接在電氣上串聯(lián)，并按壓濾器結(jié)構(gòu)組裝而讓反應(yīng)劑并行饋入，如美國(guó)專(zhuān)利3,012,086中所說(shuō)明的。在這樣的燃料電池組結(jié)構(gòu)中，即通常所述的堆中，排走熱量的問(wèn)題相對(duì)于單個(gè)電池的情況更加強(qiáng)化了，因?yàn)閷?duì)于單個(gè)電池來(lái)說(shuō)有可能利用通過(guò)外壁的熱對(duì)流。
上面所述由于排出相對(duì)于反應(yīng)所產(chǎn)生的水量來(lái)說(shuō)是過(guò)量的水而引起的離子交換膜變得太干，這在燃料電池是在低壓下被送入氣態(tài)反應(yīng)劑時(shí)變得更加突出。在這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)早期，高分子膜燃料電池工作在相對(duì)壓力為幾巴(從2到10巴，更常見(jiàn)的是從3到5巴)的條件下，這樣做尤其是為了要增加燃料的氧化和氧化劑的還原兩種半反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。隨著隨后技術(shù)的發(fā)展，在催化劑組成和電極制造方面的改進(jìn)促使燃料電池的制造者設(shè)計(jì)出能夠在較低壓力下有效地工作的電池堆，其目標(biāo)是讓氫和空氣工作在接近于大氣壓力下而同時(shí)將足夠的效率和電流密度作為最希望得到的目的之一，這是為了在發(fā)電系統(tǒng)的整體效率方面得到相應(yīng)的效果。雖然氫氣(不管是純的還是混合的)通常可以在壓力為幾個(gè)巴下得到，但是大氣中的空氣含有在電池中用作氧化劑的不到20％的氧和超過(guò)80％的惰性組分，對(duì)于它的壓縮涉及到極其嚴(yán)重的能量消耗。雖然燃料電池用的氣體擴(kuò)散電極和為它所用的催化劑的當(dāng)前發(fā)展水平已經(jīng)使它們適合于使反應(yīng)劑工作在基本上是大氣壓力之下(除了為克服該裝置的內(nèi)部壓降而需要的輕微的過(guò)壓以外，而且這個(gè)過(guò)壓在幾十毫巴的范圍的)，但是在低壓下這些膜的快速干燥使得這些工作條件幾乎難以持續(xù)。事實(shí)上，在恒定的克分子流量(flow rate)下，氣體的體積流量隨著它的絕對(duì)壓力的增加而按比例減??；這意味著非加壓反應(yīng)劑的供應(yīng)是和電池內(nèi)的氣體的相當(dāng)體積的流動(dòng)相關(guān)聯(lián)的。至于空氣，它的未經(jīng)轉(zhuǎn)化的體積分量即使在最佳情況下也明顯地高于80％，但是有時(shí)也考慮到燃料，例如在利用從蒸氣的重整生成的氫(其惰性分量一般在75-80％的范圍內(nèi))時(shí)，很明顯，出口的流量要抽走相當(dāng)大量的生產(chǎn)的水。
由于上述所有的理由，已有技術(shù)的電池堆裝有合適的液力回路以克服上述現(xiàn)象；特別是，至少一個(gè)液力回路用來(lái)通過(guò)與循環(huán)的流體進(jìn)行熱交換以抽出熱量，而第二個(gè)回路則用于在燃料電池中所產(chǎn)生的水以外再引入額外數(shù)量的水。
對(duì)于第一個(gè)回路，可以將溫控用的流體送入盤(pán)旋管的內(nèi)部，這些管裝在雙極板中或位于單個(gè)電池之間的中間腔內(nèi)并和它們?cè)陔姎馍线B結(jié)在一起；這些方案使電池堆的制造復(fù)雜化，增加了重量和體積，換句話說(shuō)，減少了功率密度，這個(gè)參數(shù)是一個(gè)其最大化是高度想要的參數(shù)，尤其是在移動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合。
這方面的一個(gè)比較不那么復(fù)雜的解決方法在國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)WO98/28809中有說(shuō)明，其中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)；不過(guò)在這種方式下會(huì)得到一橫向的溫度分布曲線，膜的中心區(qū)域工作在比其周?chē)貐^(qū)更高的溫度下，從而建立一熱力梯度，這對(duì)膜本身的整體性是潛在地很危險(xiǎn)的。
至于考慮到第二回路，反應(yīng)劑的予濕潤(rùn)通常是在燃料電池的陽(yáng)極和陰極部分的入口處進(jìn)行的，例如，通過(guò)將液態(tài)水生成氣泡或者通過(guò)將水蒸擴(kuò)散通過(guò)輔助電池中合適的膜。
這個(gè)第二回路同樣也涉及明顯地增加了重量、體積和投資成本；另外，要送入該系統(tǒng)的水的量必須嚴(yán)格控制，因?yàn)樵陔姵馗羰覂?nèi)過(guò)量的液體將導(dǎo)致阻礙氣態(tài)反應(yīng)劑對(duì)電極表面的接觸這樣的明顯后果。唯一可能達(dá)到的對(duì)提供給上述系統(tǒng)的水量的校正，盡管是間接的，是對(duì)水本身溫度的作用因而也就是對(duì)它的蒸汽壓的作用。這又導(dǎo)致需要對(duì)燃料電池堆的濕潤(rùn)回路的恒溫控制，進(jìn)一步使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，此外，這些方案中沒(méi)有一個(gè)能夠使氣態(tài)反應(yīng)劑的相對(duì)濕度達(dá)到接近于100％，而這是在極端的過(guò)程條件下所需要的。
為了保證對(duì)反應(yīng)劑流適當(dāng)?shù)乃止┙o的更加有利的方案公開(kāi)在歐洲專(zhuān)利公開(kāi)NO.316,626中，其中說(shuō)明了通過(guò)對(duì)其中注入霧化水來(lái)濕潤(rùn)上述流體，例如使用一個(gè)超聲波氣溶發(fā)生器。這個(gè)方案部分地減輕了需要由一個(gè)繁重的輔助熱交換回路來(lái)冷卻電池堆，因?yàn)榧拥侥抢锏囊徊糠炙陔姵貎?nèi)部汽化，從而帶走可觀數(shù)量的熱。但是這個(gè)系統(tǒng)受到一個(gè)基本缺點(diǎn)的負(fù)面影響，這個(gè)缺點(diǎn)就是與氣溶發(fā)生器相關(guān)聯(lián)的構(gòu)造上的復(fù)雜性，這種發(fā)生器除了昂貴以外，還消耗相當(dāng)一部分由燃料電池產(chǎn)生的電力輸出。
此外，水在電池中駐留的時(shí)間太短，不足以保證在回到輔助回路中去之前同時(shí)對(duì)膜的濕潤(rùn)和冷卻這個(gè)電池堆，尤其是在高電流密度和電池堆是由大量的電池構(gòu)成的情況下。
此外，在把上述的反應(yīng)劑送到入口管道之前使反應(yīng)劑濕潤(rùn)或加入霧化水可能會(huì)引起部分的水在其中凝結(jié)或形成水滴，其后果是向堆中的某些電池(一般是更靠近反應(yīng)劑入口處的那些電池)送入過(guò)量的水而向另外的一些電池(一般是離反應(yīng)劑入口更遠(yuǎn)的那些電池)則送入的水量不足。
在共同未決的意大利專(zhuān)利申請(qǐng)MI99A00829中公開(kāi)了用于燃料電池的冷卻和濕潤(rùn)回路的顯著改進(jìn)了的設(shè)計(jì)，其中使這兩種回路大體上合并成單個(gè)回路是通過(guò)引入一網(wǎng)狀導(dǎo)熱體并將液態(tài)水送入燃料電池內(nèi)部而實(shí)現(xiàn)的；由此上述的水的供應(yīng)就分布成跨越網(wǎng)狀體的整個(gè)厚度并在其中部分地蒸發(fā)。按照這樣的方式，保持在液態(tài)下的那部分水用來(lái)使膜濕潤(rùn)，而蒸發(fā)的那一部分則排出相當(dāng)于蒸發(fā)潛熱的那部分熱能，從而用作為電池的恒溫控制。這一方案提供了極為緊湊的電池堆的設(shè)計(jì)，它在送入加壓的氣態(tài)反應(yīng)劑的情況下能夠在效率和電流密度方面具有良好的性能。但是當(dāng)工作在接近大氣壓力和高電流密度的情況下將引起某些限制。在這種情況下，對(duì)水的需求是如此之高以致在電池內(nèi)部水和氣流的直接混合幾乎是不實(shí)際和不方便的。發(fā)生這種情況還因?yàn)闈駶?rùn)和冷卻回路的歸并，雖然在緊湊方面是有利的，卻對(duì)該系統(tǒng)的水和熱的安排減少了一個(gè)自由度；也就是說(shuō)，盡管在通常的電池堆中有可能用兩個(gè)不同的水流(即與冷卻和濕潤(rùn)回路相關(guān)聯(lián)的水流)來(lái)作用于它們的溫度以滿足由最嚴(yán)峻的過(guò)程條件所提的要求，而在單獨(dú)一個(gè)歸并的回路下必須找到一個(gè)折衷。具有單一濕潤(rùn)和冷卻回路的堆，盡管適合于在標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程參數(shù)下以良好的性能運(yùn)行，卻因此需要一個(gè)輔助的濕潤(rùn)裝置如果它必須工作在接近大氣壓力的情況下，尤其是在需要高電流密度輸出時(shí)。這個(gè)輔助裝置相對(duì)于已有技術(shù)的裝置必須有高得多的效率，因?yàn)楹笳咧挥性诔杀尽⒅亓亢腕w積方面都要大到不能接受的程度時(shí)才允許使堆工作在極端的過(guò)程條件下。
同樣，對(duì)于在壓力下的應(yīng)用，下述的情況也是很普遍的，在這種情況下存在一個(gè)用于使氣體尤其是空氣濕潤(rùn)的輔助系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)的總體效率和緊湊性是極其有益的。一個(gè)普通的實(shí)例就是那些周?chē)諝獾膽?yīng)用，利用常規(guī)的壓縮機(jī)將空氣壓縮到適中的過(guò)壓(例如相對(duì)壓力1巴)。這種壓縮導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的熱量，這是由于該系統(tǒng)的內(nèi)在的不可逆性。經(jīng)壓縮的空氣溫度可以很容易地超過(guò)100-150℃，使得它不適合于直接送入電池中。用來(lái)使壓縮機(jī)下游的空氣流和電池入口上游的空氣濕潤(rùn)的輔助裝置還可以用作空氣流本身的調(diào)節(jié)器；它可以運(yùn)行而不必考慮熱力調(diào)節(jié)的效率要取決于氣體流的實(shí)際飽和程度，也就是它的相對(duì)濕度?？諝夂退幕旌媳仨氃谶_(dá)到電池入口處之前完成，以便使相對(duì)濕度的水平達(dá)到接近100℃。
在某些情況下，使用水作為冷卻劑可能被認(rèn)為是太昂貴了；實(shí)際上必須使用去離子水或蒸餾水以防止金屬堆的腐蝕和避免形成水垢，這將很快的使它們無(wú)法使用。這個(gè)要求在該回路同時(shí)要用來(lái)濕潤(rùn)膜時(shí)就更為嚴(yán)格，因?yàn)橥饨珀?yáng)離子的存在將取代膜內(nèi)部的H+離子，從而將阻止相關(guān)的官能團(tuán)并急劇地降低它的傳導(dǎo)率。由于這些和其它原因，通常更希望用空氣取代水來(lái)冷卻這些電池堆；但是，這意味著需要一個(gè)合適的濕潤(rùn)裝置，它不受已有技術(shù)的系統(tǒng)的缺點(diǎn)所影響。
本發(fā)明提供一種用于薄膜燃料電池堆的濕潤(rùn)裝置，它比已有技術(shù)裝置更加有效且不太昂貴，并能總體上或部分地提供對(duì)燃料電池進(jìn)行熱力調(diào)節(jié)，或者可以和一個(gè)合適的恒溫裝置相結(jié)合，例如，在共同未決的意大利專(zhuān)利申請(qǐng)MI99A000829中所說(shuō)明的基于直接注入水的冷卻系統(tǒng)，或者常規(guī)的可以利用除水以外其它液體的冷卻系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該裝置可以歸并在一按照常規(guī)壓濾器設(shè)置的燃料電池的堆中。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，該濕潤(rùn)裝置可以作為一個(gè)獨(dú)立的裝置分別提供，例如為了改進(jìn)現(xiàn)有的按照已有技術(shù)教導(dǎo)制成的電池堆的性能。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，該裝置能夠濕潤(rùn)要被送到燃料電池堆中去的反應(yīng)劑氣態(tài)流，且同時(shí)對(duì)該同一個(gè)氣態(tài)流提供熱力調(diào)節(jié)。
該裝置包括一個(gè)腔室，完全或部分地填充以網(wǎng)狀的具有高表面積的導(dǎo)熱材料，送入需要被濕潤(rùn)的氣體和一定數(shù)量的液態(tài)水以便在蒸發(fā)和混合以后足以使上述氣體達(dá)到100％的飽和度。該網(wǎng)狀材料最好應(yīng)該有最小50％的孔隙率，它可以由單獨(dú)的一個(gè)三維元件，或者也可以由不同的元件并置而制成，后者也可以是二維的，例如金屬網(wǎng)。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，可以提供過(guò)量的水，使得在飽和之后水的一部分以液體狀態(tài)進(jìn)入電池內(nèi)，在那里蒸發(fā)并全部或部分地用于電池的熱力調(diào)節(jié)。
在另一個(gè)特定實(shí)施例中，需要濕潤(rùn)的氣體壓力被用來(lái)使供氣體本身濕潤(rùn)用的水流循環(huán)，并用于燃料電池的全部或部分的熱力調(diào)節(jié)而不必依賴(lài)輔助的泵。
氣體和水的饋送可以通過(guò)兩個(gè)分開(kāi)的入口提供給腔室，但最好是在氣體流中注入水后通過(guò)單獨(dú)一個(gè)入口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，在氣體流中注入水還提供對(duì)氣流進(jìn)行溫控到適當(dāng)?shù)臏囟龋允股鲜鰵饬鬟m合于送入燃料電池中。腔室可以按任意方向取向，但優(yōu)選是能得到總體上是垂直流這樣的方式。在這種情況下，該腔室優(yōu)選地從下部送入氣和水并從上部排出。網(wǎng)狀材料在需要潤(rùn)濕的氣體流中實(shí)現(xiàn)水的霧化，這個(gè)氣流起著載體的作用并建立起紊流運(yùn)動(dòng)以有利于兩種流體的密切混合。為了增加混合物在出口處的絕對(duì)濕度，此網(wǎng)狀元件最好經(jīng)過(guò)予熱，例如，在50℃和水在工作壓力下的蒸發(fā)溫度之間的溫度下。網(wǎng)狀元件優(yōu)選地利用燃料電池所產(chǎn)生的熱來(lái)加溫，更加優(yōu)選地是熱從電池到網(wǎng)狀元件的傳送主要是以傳導(dǎo)方式進(jìn)行。
該腔室可以具有和要被饋送經(jīng)濕潤(rùn)的氣體的燃料電池相同的幾何形狀，而且優(yōu)選可以插入形成燃料電池堆的同一個(gè)壓濾器裝置中。在這種情況下的液力連接是完全和壓濾器幾何形狀歸并在一起的，然后被饋送到濕潤(rùn)裝置并在其中被水所飽和的氣體，可以按照已有技術(shù)的教導(dǎo)通過(guò)合適的通道運(yùn)送到電池中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該腔室可以分別地提供并通過(guò)外壁和電池堆相接觸以允許熱的傳遞，而在腔室和堆之間的液力連接是在外部和分開(kāi)的。


圖1表示一按壓濾器配置組裝的膜燃料電池堆的總體示意圖。
圖2表示一按照本發(fā)明的濕潤(rùn)裝置。
圖3表示一按壓濾器幾何結(jié)構(gòu)組裝的膜燃料電池堆的示意圖，其中歸并有本發(fā)明的濕潤(rùn)裝置。
圖4表示一燃料電池密封襯墊的設(shè)計(jì)。
圖5表示一網(wǎng)狀元件可能的設(shè)計(jì)，該元件同時(shí)用于散布流體和在燃料電池堆內(nèi)部的雙極平板和電極之間的連接，也用作為本發(fā)明的濕潤(rùn)裝置的填充材料。
參見(jiàn)圖1，代表壓濾器配置中模塊組裝件的重復(fù)單元的每個(gè)單元電池(1)，包括，由內(nèi)向外一離子交換膜(2)，一對(duì)多孔電極(3)，在膜(2)和每個(gè)電極(3)之間的界面處形成的一對(duì)催化劑層(4)，一對(duì)導(dǎo)電的網(wǎng)狀元件(5)，用于外圍密封的一對(duì)襯墊(6)，一對(duì)限定單元電池(1)的邊界的雙極平板(7)。網(wǎng)狀元件(5)的最低孔隙率為50％，它起著在電氣上連接雙極平板(7)和電極(3)的作用，還起著散布?xì)鈶B(tài)反應(yīng)劑的作用。當(dāng)液態(tài)水加到氣態(tài)反應(yīng)劑中時(shí)，前者被細(xì)微地散布到網(wǎng)狀元件(5)的整個(gè)厚度中，而它的蒸發(fā)在由雙極平板(7)和電極(3)所界定的腔室的整個(gè)體積中也因此而變得更容易。在把上述部件堆疊起來(lái)之后，在雙極平板(7)和襯墊(6)的周?chē)鷧^(qū)域上的合適的小孔就形成了兩個(gè)上部導(dǎo)管(8)，在圖中只表示了其中之一，它們可被用來(lái)饋送反應(yīng)劑；還形成了兩個(gè)下部導(dǎo)管(9)，圖中只表示了其中之一，它們可被用來(lái)排放產(chǎn)生出來(lái)的水、惰性成份和廢料。換一種方式，下部導(dǎo)管(9)可被用作為送入導(dǎo)管而上部導(dǎo)管(8)作為排放導(dǎo)管。也可以將兩種反應(yīng)劑中的一種通過(guò)上部導(dǎo)管(8)之一送入，用相對(duì)的下部導(dǎo)管(9)作為排放通道，而另一種反應(yīng)劑則送入另一個(gè)下部導(dǎo)管(9)，用相應(yīng)的上部導(dǎo)管(8)作排放之用。
在按壓濾器配置堆疊的各單元電池(1)的組件之外側(cè)，提供兩個(gè)端板(10)，其中之一安裝有供液力連接到導(dǎo)管(8)和(9)上的裝備，在圖中未示出，兩塊端板都具有合適的孔用于供夾緊整個(gè)堆用的連結(jié)桿，在圖中也未示出。由于電池(1)是模塊組件中的重復(fù)單元，所以對(duì)可以按圖1所示的壓濾器配置組裝的電池?cái)?shù)量沒(méi)有限制。
參見(jiàn)圖2，其表示一濕潤(rùn)裝置(11)的示意圖，它以一對(duì)導(dǎo)熱的平板(7′)為界，并具有導(dǎo)熱的填充元件(5′)和襯墊(6′)。這個(gè)裝置可以從外部歸并到如圖1所示的堆上，或者任何一種設(shè)計(jì)的堆上，或者可以作為一個(gè)一體化元件插到任何壓濾器堆配置中，它的一個(gè)具體實(shí)例如圖3所示。
參見(jiàn)圖3，這個(gè)堆包括與圖1的堆中相同的元件，除此之外，一個(gè)相當(dāng)于圖2所示的濕潤(rùn)裝置被插入端板(10)之一和第一個(gè)單元電池(1)之間，其界限為金屬平板(7′)和堆的第一雙極平板(7)，并具有導(dǎo)熱的填充元件(5′)和襯墊(6′)。作為濕潤(rùn)裝置(11)的金屬平板(7′)，可以利用將燃料電池(1)分界的同一塊雙極平板(7)。同樣也可以利用在燃料電池(1)中所用的網(wǎng)狀元件(5)作為濕潤(rùn)裝置(11)中的網(wǎng)狀元件(5′)。進(jìn)一步還可以利用在燃料電池(1)中所用的同一個(gè)襯墊(6)作為濕潤(rùn)裝置(11)用的襯墊(6′)。根據(jù)這樣一個(gè)事實(shí)，即電池(1)是模塊系統(tǒng)的一個(gè)重復(fù)單元，因此，對(duì)于可以安裝在如圖3所示的壓濾器裝置中的電池?cái)?shù)量是沒(méi)有限制的，這同樣適用于濕潤(rùn)裝置(11)；連接成串聯(lián)或并聯(lián)的多個(gè)裝置(11)可以引入到堆的一端或者兩端，如果選擇的導(dǎo)熱元件(5′)允許在整個(gè)電池組件中所必需的電氣連續(xù)性，則甚至可以插入任何一對(duì)電池(1)之間。在這種情況下，濕潤(rùn)裝置(11)可以或者由兩塊金屬板(7′)或者由兩塊雙極平板(7)來(lái)分界，它們的結(jié)構(gòu)功能是等價(jià)的。
參考圖4，示出了用于燃料電池堆的襯墊(6)的可能性結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)上部孔(12)，通過(guò)按壓濾器配置并置，形成了上部導(dǎo)管(8)；還包括一個(gè)下部孔(13)，通過(guò)按壓濾器配置并置，形成了下部導(dǎo)管(9)，還包括用于網(wǎng)狀材料(5)的外殼(14)，以及任選的一個(gè)或多個(gè)注水用的通道(15)。
參見(jiàn)圖5，這里表示一個(gè)導(dǎo)熱網(wǎng)狀元件(5)的特定實(shí)施例，它由可變形的金屬材料制成，在特定情況下，這是一種海綿狀金屬。
本發(fā)明將利用幾個(gè)實(shí)例來(lái)作更好的說(shuō)明，它們并不用于限制本發(fā)明。
例1由30個(gè)燃料電池構(gòu)成的一個(gè)堆按照?qǐng)D1的方案制成，配備有以下部件—由Dupont de Nemours商品化的離子交換膜(2)Nafion115—由E-Tek公司商品化的電極(3)，其商標(biāo)名稱(chēng)為ELAT，其有效表面為200cm2，并利用支持在活性碳上的鉑微粒制成的催化劑層(4)被活化。
—網(wǎng)狀元件(5)，由圖5所示的海綿狀鎳制成，其孔隙尺寸在1至3mm之間。
—按照?qǐng)D4結(jié)構(gòu)的襯墊(6)。
—由2mm厚的不銹鋼片制成的雙極平板(7)—鋁端板(10)，電氣上連接到外部電池的雙極平板(7)上，并備有電流收集插座連接到可變電阻負(fù)載上。
這個(gè)堆通過(guò)在一個(gè)端板(10)上的合適裝備連接到提供氣態(tài)反應(yīng)劑用的管線上，并連接到一個(gè)外部回路，其中有利用熱交換器恒溫在予定溫度下的去除礦物質(zhì)的水在循環(huán)。利用這些連接，該電池堆在其負(fù)極(陽(yáng)極)被送入絕對(duì)壓力3巴的加壓純氫，而在正極(陰極)送入合成空氣，它來(lái)自氣瓶并經(jīng)減壓到絕對(duì)壓力3巴，兩者都要通過(guò)下導(dǎo)管(9)，它是由按壓濾器結(jié)構(gòu)并置下部孔(13)和雙極平板(7)中相應(yīng)的孔而得到的。一股去除礦物質(zhì)的水流(其流量按照需要被調(diào)節(jié))按照系統(tǒng)的運(yùn)行指示而從相應(yīng)的回路送到注入通道(15)。該堆沒(méi)有提供輔助冷卻，除了由注入通道(15)的水的蒸發(fā)所實(shí)現(xiàn)的冷卻之外。
該堆在電流密度為700mA/cm2下工作了12小時(shí)，調(diào)節(jié)電池溫度到75℃，并監(jiān)控單個(gè)電池的電壓。水的流量被人工調(diào)節(jié)而使單個(gè)電池的電壓達(dá)到最大。在這種人工調(diào)節(jié)之后，檢測(cè)到堆的所有電池上的電壓在680到700mV之間，并且是隨時(shí)間穩(wěn)定的。
同一個(gè)堆工作在以接近于大氣壓力(80毫巴的相對(duì)壓強(qiáng))下送入氣態(tài)反應(yīng)劑。初始的電池電壓檢測(cè)到540到620mV之間，并有隨時(shí)間降低的趨勢(shì)，其下降率隨堆中不同電池而不同。該測(cè)試在30分鐘后停止，這時(shí)某些電池的電壓下降到300mV以下。
重復(fù)后面這個(gè)測(cè)試，先將空氣送入圖2的濕潤(rùn)裝置中，然后再送入水，其溫度接近于堆的溫度。該裝置的外壁直接和堆的端板(10)接觸，以允許熱交換。其結(jié)果是，濕潤(rùn)裝置的工作溫度接近于堆的溫度。該堆以相對(duì)壓力80毫巴送入反應(yīng)劑并連續(xù)工作12小時(shí)，其電流密度為700mA/cm2，溫度則調(diào)節(jié)到75℃。在這些條件下，單個(gè)電池的電壓保持穩(wěn)定在620到640mV之間。
例2按照?qǐng)D3的方案制造了一有30個(gè)燃料電池的堆，它配備有下列部件—由Dupont de Nemours商品化的離子交換膜(2)Nafion115—由E-Tek公司商品化的電極(3)，其商標(biāo)名稱(chēng)為ELAT，有效表面為200cm2，由支持在活性碳上的鉑微粒制成的催化劑層(4)所活化。
—網(wǎng)狀元件(5)，由如圖5所示的海綿狀鎳所制成，其孔隙尺寸為1到3mm之間。
—按照?qǐng)D4的方案的襯墊(6)。
—雙極平板(7)，由2mm厚的不銹鋼片制成。
—兩個(gè)濕潤(rùn)裝置(11)，每一個(gè)連接到兩種反應(yīng)劑中之一的入口，包括一金屬板(7′)和由鎳鉻海綿體制成的網(wǎng)狀元件(5′)，如圖5所示，其孔的尺寸在1到3mm之間。
—鋁端板(10)，每一個(gè)都和外部電池的雙極平板(7)在電氣上相連接，并備有連接到可變電阻負(fù)載上的電流收集插座。
這個(gè)堆經(jīng)過(guò)在一個(gè)端板(10)上的合適的裝備連接到提供氣態(tài)反應(yīng)劑用的管線上，它的壓力部分地被用來(lái)沖擊從外部貯罐來(lái)的水流，以使其水量超過(guò)相對(duì)于飽和所需的量；由此而與水混合的氣態(tài)反應(yīng)劑流橫穿相對(duì)濕潤(rùn)裝置(11)，并在那里實(shí)現(xiàn)飽和。這兩股飽和的氣態(tài)反應(yīng)劑流和過(guò)量的水一起被送進(jìn)單個(gè)電池的相關(guān)腔室內(nèi)。利用這種配置，該堆在負(fù)極(陽(yáng)極)上被送入3巴絕對(duì)壓力的純氫，并在正極(陰極)上送入從壓縮機(jī)來(lái)的溫度為160℃絕對(duì)壓力為3巴的空氣，這兩者都通過(guò)下部導(dǎo)管(9)，它是由按壓濾器結(jié)構(gòu)將下部孔(13)和雙極板(7)中相對(duì)應(yīng)的孔并置而得到的。注入到壓縮空氣中的水流實(shí)現(xiàn)了將壓縮空氣冷卻到75℃。除了由和飽和的氣態(tài)反應(yīng)劑一起提供給單個(gè)電池的過(guò)量的水因蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)的冷卻外，這個(gè)堆沒(méi)有被提供輔助的冷卻。
這個(gè)堆在電流密度為700mA/cm2下工作了12小時(shí)，設(shè)定的電池溫度為75℃，并監(jiān)視單個(gè)電池的電壓。水的流量由人工調(diào)節(jié)以使單個(gè)電池的電壓達(dá)到最大，在這一人工調(diào)節(jié)后，檢測(cè)到的電壓在堆的所有電池上是在690到700mV之間，并且隨時(shí)間是穩(wěn)定的。
同樣的測(cè)試在反應(yīng)劑的壓力為300毫巴相對(duì)值時(shí)被重復(fù)，這時(shí)其過(guò)壓仍足以從外部貯罐中吸出水分。在這種條件下，電池電壓在電流密度為700mA/cm2的情況下全部是在660到675mV之間，并保持了8小時(shí)。
例3按照?qǐng)D3的方案制造了一有20個(gè)燃料電池的堆，它配備下列部件—由Dupont de Nemours商品化的離子交換膜(2)Nafion115—由E-Tek公司商品化的電極(3)，其商標(biāo)名稱(chēng)為ELAT，其有效表面為200cm2，由支持在活性碳上的鉑微粒制成的催化劑層(4)所活化。
—網(wǎng)狀元件(5)，由海綿狀鎳制成，其孔隙尺寸在1到3mm之間。
—襯墊(6)，它具有孔以送入反應(yīng)劑和排放產(chǎn)生的水和廢料。
—由鋁合金壓鑄而成的雙極平板(7)，其厚度為5mm并容納了不銹鋼的盤(pán)旋管以用于溫控流體的循環(huán)。
—濕潤(rùn)裝置(11)，連接到空氣饋送點(diǎn)，包括金屬板(7′)和網(wǎng)狀元件(5′)，后者由海綿狀鎳鉻制成，如圖5所示，并具有1到3mm的孔隙。
—鋁端板(10)，一塊板在電氣上連接到外部電池之一的雙極平板(7)上，另一塊連接到濕潤(rùn)裝置的板(7′)上，并具有連接到可變電阻負(fù)載上的電流收集插座。
該堆通過(guò)提供在端板(10)之一上的適當(dāng)?shù)难b備連接到氣態(tài)反應(yīng)劑供應(yīng)源上；在空氣一側(cè)，入口流的壓力被部分地用于從外部的水罐涌起(surge)一定量的潤(rùn)濕所需用水；這樣與水相混合的空氣流經(jīng)過(guò)溫潤(rùn)裝置(11)并在那里發(fā)生飽和然后進(jìn)入燃料電池。在燃料腔室內(nèi)設(shè)有提供濕潤(rùn)系統(tǒng)。
這個(gè)堆還連接到一個(gè)冷卻回路，該回路具有一熱交換器，其中有去除礦物質(zhì)的水在循環(huán)并且該水被送入容納在雙極平板(7)中的盤(pán)旋管，它們相互通過(guò)一合適的導(dǎo)管而互相串聯(lián)連接。
利用所述裝置，該堆在其負(fù)極(陽(yáng)極)上通過(guò)上部導(dǎo)管(8)送入相對(duì)壓力為300毫巴的純氫而在其正極(陰極)上送入同樣壓力的空氣。送到盤(pán)旋管的水流則允許將雙極平板(7)的溫度調(diào)節(jié)在70℃。
該堆在電流密度為700mA/cm2下工作了12小時(shí)，在這期間所有的電池都表現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓其值在630到650mV之間。
雖然本發(fā)明已參照特定的實(shí)施例作了說(shuō)明，但后者并不想要限定本發(fā)明，它的范圍是在所附的權(quán)利要求中限定的。
在說(shuō)明書(shū)的整個(gè)說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)中，詞“包括”(comprise)及該詞的變形例如“comprising”和“comprises”，并不是想要排除其它的添加物、部件、整體或步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于濕潤(rùn)在至少被送入一種氣態(tài)反應(yīng)劑的高分子膜燃料電池堆中的反應(yīng)劑的裝置，包括至少一個(gè)第一外壁和一個(gè)第二外壁以限定一腔室，其中包含一網(wǎng)狀材料并被送入至少一種氣態(tài)反應(yīng)劑和水。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述網(wǎng)狀材料具有至少為50％的孔隙率。
3.如權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述網(wǎng)狀材料是導(dǎo)熱的。
4.如權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)的裝置，其中所述網(wǎng)狀材料是海綿狀金屬。
5.如權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)的裝置，其中相對(duì)于為了使上述至少一種氣態(tài)反應(yīng)劑達(dá)到飽和所需的量而言為過(guò)量的水被送入上述的腔室內(nèi)，而且所述過(guò)量的水在高分子膜燃料電池中至少部分地蒸發(fā)，從而排放至少一部分在其中產(chǎn)生的熱。
6.如權(quán)利要求1到5中任何一項(xiàng)的裝置，其中所述水是從由上述至少一種氣態(tài)反應(yīng)劑加壓的貯罐中提供的。
7.如前述任一權(quán)利要求的裝置，其中所述至少一種氣態(tài)反應(yīng)劑是空氣。
8.如權(quán)利要求7的裝置，其中所述空氣在送入上述腔室中時(shí)其溫度超過(guò)100℃，并在進(jìn)入燃料電池之前在該腔室內(nèi)與所述水相接觸而冷卻到低于100℃的溫度。
9.如前述任一權(quán)利要求的裝置，其中所述至少一種氣態(tài)反應(yīng)劑和所述水大體上是垂直流動(dòng)的。
10.如權(quán)利要求9的裝置，其中所述氣態(tài)反應(yīng)劑和水的所說(shuō)垂直流動(dòng)其方向是朝上的。
11.一種按照壓濾器結(jié)構(gòu)設(shè)置的元件堆，其中該元件包括至少一個(gè)高分子膜燃料電池和至少一個(gè)權(quán)利要求1到6中任何一項(xiàng)所述的濕潤(rùn)裝置。
12.如權(quán)利要求11的元件堆，其中所述至少一個(gè)濕潤(rùn)裝置被加熱到在50℃和上述至少一個(gè)燃料電池的溫度之間的溫度。
13.一種按照壓濾器結(jié)構(gòu)設(shè)置的高分子膜燃料電池堆，具有多個(gè)外壁，包括至少一個(gè)配置在該電池堆外邊的如權(quán)利要求1到6中任何一項(xiàng)所述的濕潤(rùn)裝置。
14.如權(quán)利要求13的燃料電池堆，其中所述第一個(gè)外壁和該電池堆的一個(gè)外壁相接觸。
15.如權(quán)利要求14的燃料電池堆，其中所述網(wǎng)狀材料因至少一部分由上述燃料池內(nèi)所產(chǎn)生的熱的轉(zhuǎn)移而被加熱到50℃和燃料電池的溫度之間的溫度。
16.如權(quán)利要求15的燃料電池堆，其中所述轉(zhuǎn)移是由熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的。
17.一種按照權(quán)利要求1的濕潤(rùn)高分子膜燃料電池堆中反應(yīng)劑用的裝置，基本上如此前參照任何一個(gè)實(shí)例或附圖所描述。
全文摘要
公開(kāi)了一種被供以氣態(tài)反應(yīng)劑的高分子膜燃料電池堆用的濕潤(rùn)裝置。提供給該電池堆的氣體事先與一液態(tài)水流相混合而送入一充滿網(wǎng)狀材料的腔室內(nèi),網(wǎng)狀材料的高度分割的幾何形狀提供一有利于氣體飽和的擴(kuò)展的交換表面。本裝置比已知技術(shù)的裝置更有效和緊湊。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1351769SQ00807647
公開(kāi)日2002年5月29日 申請(qǐng)日期2000年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月18日
發(fā)明者加布里勒·馬祖奇利, 瑪斯莫·布拉姆比拉, 加恩·P·弗里巴, 安東尼奧·馬吉奧 申請(qǐng)人:紐韋拉燃料電池歐洲有限責(zé)任公司