申请日2004.12.31
公开(公告)日2007.02.28
IPC分类号H01M8/02; H01M8/04
摘要
一种包括阳极、离子迁移膜和阴极的电化学燃料电池，其具有输送到阴极内流体流动通道的液态水，致使在整个流体流动通道中维持100%的相对湿度。本发明还描述了一种标定方法和设备，以确定在各种工作条件下输送给阴极流体流动通道的液态水的最佳量或液态水量的最佳范围。本发明也描述了一种操作方法和设备以确保在变化的工作条件下将最佳量的液态水输送到阴极流体流动通道。
权利要求书
1.一种使电化学燃料电池工作的方法，该燃料电池具有阳极、离子迁 移膜和阴极，所述方法包括以下步骤：
将流体燃料输送到所述阳极内的流体流动通道;
将流体氧化剂输送到所述阴极内的流体流动通道;
从所述阴极内的流体流动通道排出反应副产物和任何未利用的氧化 剂;和
将足够量的液态水输送到所述阴极内的流体流动通道，使得整个所述 流体流动通道中基本上维持100%的相对湿度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤 包括确定作为液态水流速的函数的电池电压最大值，和以相应于所述电池 电压最大值的至少最小水流速进行输送。
3.如权利要求1所述的应用于燃料电池堆中的多个这种电池的方法， 其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括确定作为液态水流速的函数的 堆叠体电压最大值，和以相应于所述堆叠体电压最大值的至少最小水流速 进行输送。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，还包括以下步骤：增加 作为电池或堆叠体电流的函数的输送的液态水量，以便为所述电池或堆叠 体正常工作范围内的所有电流维持水因数WF>1.0。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤 包括：
对于相应于电池工作条件正常范围的多个电池电流中的每一个确定作 为液态水流速的函数的电池电压最大值，
确定将最小液态水流速表示为电流和/或空气化学计量的函数的标定 函数;和
对于从所述电池和/或空气化学计量得到的电流，以由所述标定函数确 定的至少所述最小水流速进行输送。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤 包括：
针对相应于所述堆叠体工作条件正常范围的多个堆叠体电流中的每一 电流确定作为液态水流速的函数的堆叠体电压最大值，
确定将最小液态水流速表示为电流和/或空气化学计量的函数的标定 函数;和
针对从所述堆叠体和/或空气化学计量得到的电流，以由所述标定函数 确定的至少所述最小水流速进行输送。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，确定空气化学计量在1.1到 10范围内的所述标定函数。
8.如权利要求7所述的方法，其中，确定空气化学计量在1.4到4.0 范围内的所述标定函数。
9.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，所述输送足够量的液态 水的步骤包括水因数至少为1.5的输送。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步 骤包括水因数至少为3的输送。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水 的步骤包括水因数为小于40的输送。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步 骤包括水因数在3到6的范围内的输送。
13.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，还包括以下步骤：当 阴极排出温度低于相应于次优化工作温度的预定阈值时，暂时允许向所述 阴极内部的流体流动通道输送一些液态水，以维持相对湿度小于100%。
14.如权利要求13所述的方法应用于所述燃料电池或燃料电池堆的启 动。
15.如权利要求1所述的方法，其中，燃料电池工作，使得针对任何 测得的电池供给功率控制进入所述阴极的液态水注入速度和/或流过所述阴 极的气体，以确保在阴极表面的所有区域存在的液态水比在所述优势温度 和压力条件下可蒸发的液态水多。
16.如权利要求15所述的方法应用于具有共用的氧化剂供应总管和共 用的注水总管的燃料电池堆中的多个这种电池，致使针对任何测得的堆叠 体供给功率控制进入注水总管的液态水注入速度和/或在氧化剂供应总管中 的气体流速，以确保在所有电池的所述阴极表面的所有区域存在的液态水 比在所述优势温度和压力条件下可蒸发的液态水多。
17.一种电化学燃料电池组件，包括：
至少一个内部具有流体流动通道的阳极流体流场板;
至少一个离子迁移膜;
至少一个内部具有流体流动通道的阴极流体流场板;
用于将流体燃料输送到所述阳极流体流动通道的机构;
用于将流体氧化剂输送到所述阴极流体流动通道的机构;
注水机件，其用于将足够量的液态水输送到所述阴极内的流体流动通 道，致使在所述燃料电池正常工作期间，在整个所述流体流动通道中基本 维持100%的相对湿度。
18.如权利要求17所述的组件，其中，所述注水机件包括泵和控制器。
19.如权利要求18所述的组件，其中，所述控制器包括用于检测燃料 电池或燃料电池堆电压的电压传感器。
20.如权利要求19所述的组件，其中，所述控制器适用于以标定模式 进行操作，该标定模式包括针对多个正常的电池或电池堆工作电流中的每 一个确定作为液态水流速的函数的电池电压最大值。
21.如权利要求20所述的组件，其中，所述标定模式还包括确定将最 小液态水流速表示为电流和空气化学计量的函数的标定函数。
22.如权利要求18所述的组件，其中，还包括用于检测流过所述燃料 电池或燃料电池堆的电流的电流传感器，其中所述控制器适用于针对在正 常工作范围内的所有燃料电池或燃料电池堆电流控制注水速度，以维持水 因数WF>1.0的输送。
23.如权利要求22所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速 度，以维持水因数至少为1.5的输送。
24.如权利要求23所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速 度，以维持水因数低于40的输送。
25.如权利要求24所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速 度，以维持水因数至少为3的输送。
26.如权利要求18所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速 度，以维持水因数在3到6范围内的输送。
27.如权利要求17至26中任一项所述的组件，其中，还包括下述机 构，当所述阴极排出温度低于相应于次优化工作温度的预定阈值时，暂时 允许向所述阴极内部的流体流动通道输送一些液态水，以维持小于100%的 相对湿度。
28.基本上如参考附图所述的设备。
29.基本上如参考附图所述的方法。
说明书
燃料电池中的水处理
本发明涉及将燃料和氧化剂转换为电能和反应产物的电化学燃料电 池，如固体聚合物电解质燃料电池。
图1示出了传统燃料电池10的典型结构，其中，为了清楚起见，以分 解的形式示出各层。固体聚合物离子迁移膜11被夹于阳极12和阴极13之 间。一般而言，阳极12和阴极13都由导电的多孔材料形成，例如由多孔 碳形成，它们粘合有铂和/或其它贵金属催化剂小颗粒。阳极12和阴极13 常常直接分别粘合到膜11的相邻表面。这种组合通常称为膜电极组件或 MEA。
夹入的聚合物膜和多孔电极层是阳极流体流场板(fluid flow field plate) 14和阴极流体流场板15。在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地 在阴极流体流场板15和阴极13之间还可以采用中间垫层12a和13a。这些 垫层是多孔性的并被构成为能确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面以及 从阳极和阴极表面有效地扩散，并且有助于水蒸汽和液态水的处理。
流体流场板14、15由导电的非渗透(no-porous)材料形成，借助于这 种材料可与各阳极12或阴极13电性接触。同时，流体流场板必须有助于 将液体燃料、氧化剂和/或反应产物输送到多孔电极和/或从多孔电极中排 出。这通常通过在流体流场板的表面形成流体流动通路来实现，例如在所 述表面上设置提供给多孔电极12、13的凹槽或通道16。
参考图2a，如图2a所示，一种流体流动通道的传统结构是在具有入口 总管21和出口总管22的阳极14(或阴极15)的面上设置蛇形结构20。根 据传统设计，应该了解，蛇形结构20包括在板14(或15)表面的通道16， 同时每一总管21和22包括穿过所述板的孔，致使输送到通道16或从通道 16排出的液体可以在垂直于板的方向上穿过板的堆叠体(stack of plates) 的深度连通，具体如图2b示出的A-A横截面上的箭头所示。
可以为传送到这些板中的未示出的其它通道的燃料、氧化剂、其它流 体或排出物提供其它的总管孔23、25。
流体流场板14、15中的通道16两端可以是开口端，也就是说，如所 示出的那样，在入口总管21和出口总管22之间延伸的通道可使流体连续 通过，通常用于氧化剂供应和反应物排出。或者，可将通道16的一端封闭， 即，每一通道仅与入口总管21连通，以供给流体，这取决于气态物质完全 100%地传送到MEA的多孔电极或从多孔电极中传递出来。封闭的通道一 般可用于将氢燃料输送到梳型(comb type)结构中的MEA 11-13。
参考图3，该图为形成传统燃料电池组件30的板的堆叠体的部分横截 面图。在该结构中，相邻的阳极和阴极流体流场板以传统方式组合，以形 成一面具有阳极通道32而反面具有阴极通道33的单个双极板31，每一双 极板都与各个膜电极组件(MEA)34相邻。入口总管孔21和出口总管孔 22全部叠置(overlay)，以给整个堆叠体提供入口和出口总管。为了清楚起 见，尽管略微隔开地示出了所述堆叠体的多种元件，但应理解，如果需要， 可用密封垫圈将它们压在一起。
为了获得来自燃料电池的高而持续的功率供给能力，通常在膜电极组 件中、具体而言在膜中需要维持高含水量。
在现有技术中，这通常通过对经过总管21、22或23和通道16供应的 进给气体、或者燃料、空气或者这两者加湿来实现。换句话说，在通道16 中引入处于汽相的水{以下称为“含气水(gaseous water)”}。这多少也有 助于燃料电池组件内部的热处理。
另一种方法是将处于液相的水(以下称为“液态水”)直接输送给膜11、 34，例如直接输送给电极表面或者到双极板31的通道16内。这种技术的 优点是，不仅提供水以维持膜的高含水量，还可通过蒸发和提取(extract) 蒸发潜热来显著冷却燃料电池。在国际专利申请PCT/GB03/02973(提交本 申请时还未公开)中已经详细说明了用于将液相水直接引到电极表面或引 入通道16的技术。因此，在本申请的适当部分将重复该文件的相关部分。
这种通过排出气流提取热能的直接热转移过程(heat removal process) 具有明显的优点，即省去了在燃料电池堆(fuel cell stack)组件内部的中间 冷却板。
本发明的目的是提供一种方法和设备，以便通过在阴极电极的通道16 中引入余量水(excess water)改善蒸发冷却的燃料电池堆的工作。
根据本发明的一方面，提供一种使具有阳极、离子迁移膜和阴极的电 化学燃料电池工作的方法，该方法包括以下步骤：
向阳极内的流体流动通道输送流体燃料;
向阴极内的流体流动通道输送流体氧化剂;
从阴极内的流体流动通道排出反应副产物和任何未利用的氧化剂;及
输送足够量的液态水到阴极内的流体流动通道，使得整个流体流动通 道中基本维持100%的相对湿度。
根据本发明另一方面，提供一种电化学燃料电池组件，包括：
内部具有流体流动通道的至少一个阳极流体流场板;
至少一个离子迁移膜;
内部具有流体流动通道的至少一个阴极流体流场板;
用于向阳极流体流动通道输送流体燃料的机构;
用于向阴极流体流动通道输送流体氧化剂的机构;
注水机件，其用于向阴极内的流体流动通道输送足量的液态水，使得 在燃料电池的正常工作状态期间整个所述流体流动通道中基本维持100% 的相对湿度。