燃料電池中的水處理的製作方法
2023-05-23 21:47:51
專利名稱：燃料電池中的水處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及將燃料和氧化劑轉換為電能和反應產物的電化學燃料電池，如固體聚合物電解質燃料電池。
圖1示出了傳統燃料電池10的典型結構，其中，為了清楚起見，以分解的形式示出各層。固體聚合物離子遷移膜11被夾於陽極12和陰極13之間。一般而言，陽極12和陰極13都由導電的多孔材料形成，例如由多孔碳形成，它們粘合有鉑和/或其它貴金屬催化劑小顆粒。陽極12和陰極13常常直接分別粘合到膜11的相鄰表面。這種組合通常稱為膜電極組件或MEA。
夾入的聚合物膜和多孔電極層是陽極流體流場板(fluid flow field plate)14和陰極流體流場板15。在陽極流體流場板14和陽極12之間以及類似地在陰極流體流場板15和陰極13之間還可以採用中間墊層12a和13a。這些墊層是多孔性的並被構成為能確保氣體有效地擴散到陽極和陰極表面以及從陽極和陰極表面有效地擴散，並且有助於水蒸汽和液態水的處理。
流體流場板14、15由導電的非滲透(no-porous)材料形成，藉助於這種材料可與各陽極12或陰極13電性接觸。同時，流體流場板必須有助於將液體燃料、氧化劑和/或反應產物輸送到多孔電極和/或從多孔電極中排出。這通常通過在流體流場板的表面形成流體流動通路來實現，例如在所述表面上設置提供給多孔電極12、13的凹槽或通道16。
參考圖2a，如圖2a所示，一種流體流動通道的傳統結構是在具有入口總管21和出口總管22的陽極14(或陰極15)的面上設置蛇形結構20。根據傳統設計，應該了解，蛇形結構20包括在板14(或15)表面的通道16，同時每一總管21和22包括穿過所述板的孔，致使輸送到通道16或從通道16排出的液體可以在垂直於板的方向上穿過板的堆疊體(stack of plates)的深度連通，具體如圖2b示出的A-A橫截面上的箭頭所示。
可以為傳送到這些板中的未示出的其它通道的燃料、氧化劑、其它流體或排出物提供其它的總管孔23、25。
流體流場板14、15中的通道16兩端可以是開口端，也就是說，如所示出的那樣，在入口總管21和出口總管22之間延伸的通道可使流體連續通過，通常用於氧化劑供應和反應物排出。或者，可將通道16的一端封閉，即，每一通道僅與入口總管21連通，以供給流體，這取決於氣態物質完全100％地傳送到MEA的多孔電極或從多孔電極中傳遞出來。封閉的通道一般可用於將氫燃料輸送到梳型(comb type)結構中的MEA 11-13。
參考圖3，該圖為形成傳統燃料電池組件30的板的堆疊體的部分橫截面圖。在該結構中，相鄰的陽極和陰極流體流場板以傳統方式組合，以形成一面具有陽極通道32而反面具有陰極通道33的單個雙極板31，每一雙極板都與各個膜電極組件(MEA)34相鄰。入口總管孔21和出口總管孔22全部疊置(overlay)，以給整個堆疊體提供入口和出口總管。為了清楚起見，儘管略微隔開地示出了所述堆疊體的多種元件，但應理解，如果需要，可用密封墊圈將它們壓在一起。
為了獲得來自燃料電池的高而持續的功率供給能力，通常在膜電極組件中、具體而言在膜中需要維持高含水量。
在現有技術中，這通常通過對經過總管21、22或23和通道16供應的進給氣體、或者燃料、空氣或者這兩者加溼來實現。換句話說，在通道16中引入處於汽相的水{以下稱為「含氣水(gaseous water)」}。這多少也有助於燃料電池組件內部的熱處理。
另一種方法是將處於液相的水(以下稱為「液態水」)直接輸送給膜11、34，例如直接輸送給電極表面或者到雙極板31的通道16內。這種技術的優點是，不僅提供水以維持膜的高含水量，還可通過蒸發和提取(extract)蒸發潛熱來顯著冷卻燃料電池。在國際專利申請PCT/GB03/02973(提交本申請時還未公開)中已經詳細說明了用於將液相水直接引到電極表面或引入通道16的技術。因此，在本申請的適當部分將重複該文件的相關部分。
這種通過排出氣流提取熱能的直接熱轉移過程(heat removal process)具有明顯的優點，即省去了在燃料電池堆(fuel cell stack)組件內部的中間冷卻板。
本發明的目的是提供一種方法和設備，以便通過在陰極電極的通道16中引入餘量水(excess water)改善蒸發冷卻的燃料電池堆的工作。
根據本發明的一方面，提供一種使具有陽極、離子遷移膜和陰極的電化學燃料電池工作的方法，該方法包括以下步驟
向陽極內的流體流動通道輸送流體燃料；向陰極內的流體流動通道輸送流體氧化劑；從陰極內的流體流動通道排出反應副產物和任何未利用的氧化劑；及輸送足夠量的液態水到陰極內的流體流動通道，使得整個流體流動通道中基本維持100％的相對溼度。
根據本發明另一方面，提供一種電化學燃料電池組件，包括內部具有流體流動通道的至少一個陽極流體流場板；至少一個離子遷移膜；內部具有流體流動通道的至少一個陰極流體流場板；用於向陽極流體流動通道輸送流體燃料的機構；用於向陰極流體流動通道輸送流體氧化劑的機構；注水機件，其用於向陰極內的流體流動通道輸送足量的液態水，使得在燃料電池的正常工作狀態期間整個所述流體流動通道中基本維持100％的相對溼度。
下面將通過舉例的方式並參考
本發明的實施例。附圖中圖1為部分傳統燃料電池的示意性橫截面圖；圖2a和2b分別為圖1所示的燃料電池的流體流場板的簡化平面圖和截面圖；圖3為具有雙極板的傳統燃料電池堆的橫截面圖；圖4a為具有蛇形流體管道的燃料電池流體流場板的平面圖，其概略地示出了水分配薄片和覆蓋薄片的疊置位置；圖4b示出具有交叉(interdigited)梳狀流體管道的燃料電池流體流場板的平面圖，其概略地示出水分配薄片和覆蓋薄片的疊置位置；圖5為水分配薄片的平面圖；圖6為圖4和5所示的流體流場板、水分配薄片和覆蓋薄片的橫截面圖；圖7為圖6所示組件的部分透視圖；圖8為水分配薄片和覆蓋薄片的相對位置顛倒時的流體流場板、水分配薄片和覆蓋薄片的橫截面圖；圖9的示意性平面圖示出了用於交叉的梳狀通道結構的注水點；圖10是說明燃料電池陰極的水冷卻原理的示意圖11的曲線示出了對於完全飽和的情況、即相對溼度為100％的情況作為溫度的函數的單位質量空氣中含氣水的質量變化情況；圖12的曲線示出了作為提供給陰極的液相水的流速的函數的燃料電池堆電壓的變化情況；圖13的曲線示出了作為燃料電池堆電流的函數所需的理論最小水流速；圖14是包括水輸送處理系統的燃料電池堆系統的部件示意圖。
在燃料電池堆組件30工作期間，作為電化學和電損失的結果，在燃料電池堆內部產生熱量。在蒸發冷卻的燃料電池10的一實例中，在堆疊體組件中，如圖10示意地示出的那樣，通過將排出產物100、101的溫度提高超過反應物102、103的入口溫度並通過使提供給陰極13和蒸發到陰極空氣流103的液態水104蒸發來轉移這種熱量。除了最低功率電平外，人們發現蒸發冷卻是轉移熱的主要機理。
如果陰極空氣流中含氣水的分壓足夠低、即在相對溼度＜100％的情況下，液態水104將蒸發，並提供熱量以汽化液態水。一旦局部條件使得水的相對溼度為100％、即空氣被水蒸汽飽和，將不再發生蒸發，除非以下三個條件的任一條件佔優勢(i)空氣流速提高，使得含氣水的分壓成反比地降低；(ii)總壓力降低，使得含氣水的分壓成正比地降低；和(iii)局部溫度上升，使得平衡點改變，因而將發生更多的蒸發直到空氣變為完全飽和為止。
因此，為了在燃料電池堆30中每一部位處陰極13具有餘量水的情況下燃料電池10工作，在恆定壓力和恆定的陰極空氣流速下，局部平衡條件使得空氣完全飽和，並且僅僅通過提高局部溫度可實現通過蒸發而進一步轉移熱量。
溫度的實際提高將影響蒸發，因而，在所述佔優勢的條件下冷卻取決於用於蒸發的平衡點的靈敏度以及所需的冷卻程度。圖11示意性地示出對於完全飽和的條件、即相對溼度為100％的條件以及在恆定的總壓力下，單位質量空氣中含氣水的質量隨溫度變化的情況。在這種方式中，藉助於實現冷卻所需的蒸發量、總壓力以及陰極空氣流的質量流速可很大程度地設定堆疊體的工作溫度。
如圖11所示，在較高溫度下，小的溫度增加ΔT可導致在空氣流中保持的含氣水的量Δm顯著增加，結果，在堆疊體內部產生的熱量可使蒸發量顯著增加。因此，對於熱負荷的大範圍而言，堆疊體的溫度將大致保持恆定，所述熱負荷包括全局的(即，總堆疊體功率改變)和局部的(即，對於給定的總堆疊體功率，由於局部發熱速率改變，結果使堆疊體內部不均勻)兩者。這使得對堆疊體工作溫度範圍內的控制的複雜(implicit)程度很高，但可保持整個堆疊體上良好的熱平衡。
此外，如下所述，在燃料電池堆組件30中的各通道16或通路內部存在餘量水可使每一通道內空氣流速的控制複雜程度提高。如果需要，如果給定的通路具有比平均空氣流速高的空氣流速，那麼額外的水可被蒸發到空氣流中，從而提供附加冷卻。這將導致比在流動通路出口的平均體積流量更高的流量，在通過所有流動通路的壓降一致時，其限制進入空氣流動調節複雜的電池通路中導致改善堆疊體熱平衡的空氣流速，因而可改善堆疊體電池電壓平衡。通常藉助於總管21、22和通道16的相對尺寸來使通過所有通道16的壓降一致。
如果需要，可以通過使陰極空氣流速適度和/或通過改變陰極空氣流的總壓力來實現堆疊體溫度的顯式控制(explicit control)。換句話說，通過增大水可蒸發於其中的空氣的體積，可以提高空氣流速，從而降低水蒸汽的分壓。因此，在出現飽和之前可使額外的水蒸發，產生附加冷卻，結果使堆疊體的工作溫度較低。
可供選擇的或附加的是，可以降低出口壓力。這樣通過降低總壓力，將再降低水蒸汽的分壓。這具有改變平衡點使得在達到飽和之前蒸發額外的水的效果，因而形成附加冷卻，結果使堆疊體的工作溫度較低。
其它的因素，例如陽極流速、燃料和氧化劑輸入溫度、表面損失(surfacelosses)等等都不太重要。
在流行的非增壓系統(predominantly unpressurised system)的優選實施例中，燃料電池堆的常規工作溫度在70℃到80℃的範圍內。但是，原則上通過調整陰極空氣流的空氣流速和/或總壓力，這個值可以在65℃到95℃的範圍內變化。在低功率電平時，蒸發冷卻不是主要的，堆疊體的工作溫度可以是有效的冷卻器。在較高或較低壓力下系統的操作在上面引入的溫度範圍內可以顯著變化。
實際上，提供給燃料電池堆的反應物和液態水的平均溫度可以低於堆疊體工作溫度。因此，可以通過將這些輸入流加熱到堆疊體工作溫度來提供一些冷卻。一旦輸入流達到堆疊體的工作溫度，通過使陰極空氣流中的液態水蒸發來提供剩餘冷卻。蒸發冷卻的比例取決於包括陰極空氣流速、水流速、燃料電池堆功率和入口流的溫度在內的許多因素。在大多數情況下，蒸發冷卻是引起上面解釋的高複雜程度的溫度控制的主要冷卻機理。但是，對於入口流的平均溫度低於堆疊體工作溫度的情況，將在堆疊體中輸入反應物和液態水的區域產生溫度梯度。
為了有效地蒸發冷卻，在燃料電池堆的每一部分必須存在充足的液態水。如果所存在的液態水不夠，堆疊體的性能將降低，這將導致潛在的嚴重後果。
可能存在的問題包括(i)膜乾燥，導致降低相關電池上的電壓；和(ii)由於缺少液態水和蒸發冷卻不足而引起的熱區(hotspots)將導致膜的損壞和縮短壽命。
為了確保存在充足的液態水，以通過蒸發實現冷卻，可以採用可供選擇的方案(i)精確計量流到陰極的液態水，確保充足的水，從而在陰極的整個表面和燃料電池堆的每個電池中維持100％的相對溼度；或(ii)給整個堆疊體提供過量的液態水，致使在陰極的整個表面和燃料電池堆的每個電池中總是存在餘量水。為了實現給陰極輸送充足的液態水，可以為各條和每一條陰極通道16設置注水點，這將在下面進行描述。
在實際的燃料電池中，很難精確計量流到燃料電池堆的每一部分的液態水。而且，製造公差和不均勻的工作條件將導致對燃料電池堆中各部位的冷卻需求不同，因而與精確計量相關的困難大大增加。
據此，由於可確保避免膜乾燥和出現熱區而提高堆疊體性能和延長壽命，向陰極提供過量的液態水，致使在陰極處在堆疊體內部的每一部位總存在餘量水是優選的方法。
因此，一個總的方面是向陰極提供過量的液態水，以確保陰極的整個流體流動通道基本維持100％的相對溼度。
另一方面，使燃料電池工作，致使針對任何測得的電池供給功率控制注入陰極的液態水注入速度和/或流過陰極的氣體，以確保在陰極表面的所有區域存在比優勢溫度(prevailing temperature)和壓力條件下可蒸發的液態水多的液態水。
再一方面，將所述條件應用於具有共用的氧化劑供應總管和共用的注水總管的燃料電池堆中的多個這種電池上，致使針對任何測得的堆疊體供給功率控制進入注水總管的液態水注入速度和/或氧化劑供應總管中的氣體流速，以確保在所有電池的陰極表面的所有區域存在比優勢溫度和壓力條件下可以蒸發的液態水多的液態水。
對於的確存在非均勻性並在水因數小於一(with a water factor of lessthan unity)的正常工作條件下的實際堆疊體，應重視的是，堆疊體的某些部分容納的液態水可能比在陰極的整個流體流動通道上基本保持100％的相對溼度所需的液態水少。相對地，堆疊體的某些部分容納的液態水也可能比陰極整個流體流動通道上基本保持100％的相對溼度所需的液態水多。因此，本發明的另一方面，選擇向堆疊體提供過量的液態水，使得堆疊體的所有部分至少容納在陰極的整個流體流動通道上基本保持100％的相對溼度所需的最少量的液態水，相應地堆疊體的水因數大於一。
圖12示意性地示出了在恆定電流和恆定陰極空氣流速下工作的典型蒸發冷卻燃料電池堆的作為向陰極提供的液態水的流速的函數的堆疊體電壓變化情況。在低的水流速下，整個堆疊體電壓降低，這說明堆疊體的某些部分可能沒有容納充足的液態水來確保充分冷卻和/或充分的膜水化(membrane hydration)作用。隨著水流速提高，堆疊體電壓達到最大(附圖標記120所示)，因此給燃料電池堆的所有部分輸送的水過量。在較高的水流速下，堆疊體電壓逐漸減小，這可能是陰極空氣流中的氧分壓降低(被水代替)的結果和/或可能是由於存在的液態水阻礙向膜輸送空氣或從膜中送出空氣的結果。
此外，在較高的流速下，電池平衡(通過監測電池電壓示出)可能使表示堆疊體可以使用的最大水因數的上限變差。也可通過使用適當的水泵而獲得最大值來設定最大水流速。
儘管有這些限制因素，業已確定，可以限定出大的工作範圍(operatingwindow)，其中可將大量的過量水提供給陰極，以確保充分水化和冷卻燃料電池堆的每一部分。
將輸送給陰極的水量表述為蒸發冷卻所需的理論最小量的倍數是有利的，即將「水因數」WF定義為WF＝mw/mw(最小)
其中，mw是輸送的液態水的質量流速，mw(最小)是液態水的理論最小質量流速，計算如下。
可以通過在燃料電池上實現熱平衡來計算蒸發冷卻所需的水的理論最小量，並假設(i)因為產生作為產物的含氣水(在沒有過量水時)，反應熱焓(enthalpy of reaction)等於燃料的較低熱值；(ii)從作為堆疊體電流的函數的燃料電池堆效率的實驗值得出燃料電池上的熱負荷；(iii)該熱負荷等於包括提供給陰極的液態水完全蒸發的過剩反應物(over reactants)產物的熱焓增加。
因此可以將給定工作點的實際水因數定義為這個值的倍數。
可以理解，可以根據限定的用途以與所述定義不同的其它方式定義水因數，這可以得到略微不同的水因數值的優選範圍。
圖13示意性地示出了作為堆疊體電流的函數的所需的理論最小液態水流速、即水因數為一、附圖標記為WF＝1的點的跡線。隨著堆疊體電流增加，所需的水量以非線性增加，因為堆疊體的效率在更高堆疊體電流下減小導致所產生的發熱量呈非線性增加。
正如所討論的那樣，對於性能最優(如圖12的線121和122之間所示)而言，堆疊體非均勻性和這些對水流速的影響表示不能分別計量輸送給堆疊體內每一部位的水的實際燃料電池堆必須在可以有非均勻性裕度的最小水因數下工作。換句話說，使用的水因數必須足夠地大於一，以確保堆疊體中的所有電池和堆疊體中每一電池的所有部分達到100％的相對溼度。使用的最大水因數用最大的可接受的性能下降來表示。在圖13中，作為堆疊體電流的函數的水因數WF的優選下限和上限示意性地表示為虛線130和131。
可以通過測試或標定相關燃料電池堆30來確定水因數的上限和下限130、131。可通過恆定電流下工作的陰極的水流速的變化和恆定空氣化學計量(air stoichiometry)來實現堆疊體的標定，從而確定由線121表示的最小水流速和由線122表示的最大水流速。在相應於堆疊體工作條件的正常範圍的可能的堆疊體電流範圍內(也可以是允許的空氣化學計量範圍內)反覆進行標定。因此，這種標定限定出作為堆疊體電流的函數的水因數的上限和下限。
這裡使用的「空氣化學計量」的表述是指由電化學反應中消耗的氧量標準化的在入口103提供的氧量。因此，對於空氣化學計量為1而言，空氣中所有氧與氫組合形成水。對於空氣化學計量為2而言，在電池10中消耗50％的氧，50％存在於陰極排出101中。反應所需的氧量是堆疊體功率、堆疊體效率和與反應相關的能量變化的正函數。
在批量生產的情況下，還可以測試一些有代表性的堆疊體，從而可以確定給定結構的所有堆疊體可以接受的具有適當允許誤差的單組限制(single set of limits)。
在一優選實施例中，與堆疊體電流成比例地調節陰極空氣流速103，因而堆疊體以通過電化學要求設定的大約為2的空氣化學計量工作。但是實際上，可以改變陰極空氣流速，使得空氣化學計量處於1.1到10的範圍內，更優選的是處於1.4到4的範圍內，這取決於燃料電池堆的實際需要。由於最低空氣流速受空氣壓縮機的最小輸送流速限制，在低電流下因而在電池中反應物的低消耗量的情況下，空氣化學計量可以遠高於這些值。
如圖13示意地示出的那樣，在一優選實施例中，水流速被設定為堆疊體電流的線性函數。用於這種控制方案的水因數通常在1.5到40的範圍內變化，更優選在3到6的範圍內變化。
實際上，可將水因數設定為在0到40的範圍內的任何值，這取決於堆疊體的工作條件和可接受的作為過量水的結果的堆疊體性能的最大下降(參見圖12)。例如，如果堆疊體在低功率輸出下工作，或者從冷的條件開始啟動並且因而沒達到其最大工作溫度，水流速可以設定為0或者低水因數，從而暫時提高堆疊體的加熱速度。
可以利用對陰極排出溫度的監測來表示堆疊體的工作溫度，並提供供水泵的反饋控制。因此，在一方面，當陰極排出溫度低於相應於次優化(sub-optimal)工作溫度的預定閾值時，或者在隨著燃料電池冷卻開始的預定周期內，該系統可以暫時向陰極內部的流體流動通道輸送一些(a quantityofliquid water)液態水，因而維持小於100％的相對溼度(水因數＜1)。
可以使用計量泵、流動控制器或壓力控制方法來調節水供給速度。在低功率電平下，需要的水量可能低於用水泵可獲得的最小流速。因此，在低功率電平下，可將最小水流速設定為相應於水泵的最低電壓設定點，以防止泵失速。圖13示意地示出了電流低於Icrit的值。
可以理解的是，原則上，輸送給燃料電池堆的水量可以服從於提供處於通過標定相關燃料電池堆或一些代表性的燃料電池堆確定的水因數的最小和最大值之間的流速的電流的任意函數。
一旦確定了水因數控制方案，就可以通過調整陰極空氣流速和/或陰極空氣總壓力來實現冷卻中的附加的靈活性。
此外，堆疊體可以具備電池電壓監測能力，致使可利用工作電壓作為不足或過量水的指示器實時地進行必要的調整。
現在將結合圖14說明在燃料電池堆中進行水處理的示例性配置。
燃料電池系統140包括燃料電池堆30，其具有燃料輸入管線102、陽極排出管線100、空氣供給管線103、注水管線104和陰極排出管線101。來自燃料源141的燃料流入燃料輸入管線，根據已知的原理，還可流過增溼器142。陽極排出管線100可以直接通向大氣143，或者可以根據已知的原理利用再循環操縱系統144至少部分再循環。空氣壓縮機145向空氣供給管線103供給空氣。水泵146向注水管線104提供水。水可以由適當的純化水源提供，或者可以通過合適的冷凝器(未示出)供給來自陰極排出裝置的再循環水。陰極排出管線101可以直接通到大氣，優選該管線包括至少檢測排出溫度的排出傳感器147。
陰極排出可以包括用於降低和/或控制陰極排出壓力的泵148。泵148可以是在來自壓縮機145的泵壓空氣源之外的泵，或者代替來自壓縮機的泵壓空氣源，換句話說，空氣源可以為大氣壓。
包括在燃料電池系統140中的控制器150優選接收相應於堆疊體電壓151、堆疊體電流152和排出溫度153的傳感器輸入。控制器150還通過適當的控制線連接到空氣壓縮機145和注水泵146。
控制器150可以設置成以兩種可能的模式進行操作。
在第一種模式中，控制器150可以適用於獲得用於隨後的燃料電池堆30工作的標定數據。在標定模式中，控制器150在恆定輸入空氣壓力和燃料電池堆輸出恆定電流的條件下改變注水泵146提供的水流，並接收檢測到的堆疊體電壓值，從而確定適當的最大和最小水因數121、122(圖12)。將這些值儲存在標定表154中。可以在一種或多種不同的電流負載、不同的輸入空氣壓力、不同的空氣化學計量下重複這種標定，從而彙編出綜合性的成套控制數據，以在燃料電池工作條件範圍內控制注水速度。
在第二種模式中，控制器150適用於使用在標定表154中儲存的標定數據，從而維持燃料電池堆的最佳運行條件。例如，控制器150適用於監測堆疊體電壓和電流，並且控制注水泵146(還可以是入口空氣壓縮機)，以維持適當的水因數，優化燃料電池的性能。在優選的配置中，水因數在1.5到40的範圍內，更優選在3到6的範圍內。
如上所述，控制器還可以通過傳感器147監測陰極排出溫度，並且當陰極排出溫度低於相應於次優化工作溫度的預定閾值時，例如在燃料電池啟動期間，輸送更少量的水。在另一實例中，「接通加溫器(warm-up)」階段可以通過定時器而不是通過排出溫度來控制。
在圖14的示例性實施例中，控制器適用於進行燃料電池堆的初始標定和維持最佳運行條件。當然，可以認為，對於已知的燃料電池類型，或者預先標定的系統，標定表154可以預加載水處理控制器150使用的操作數據。
儘管圖14的示例性實施例示出了通過控制器150對燃料電池堆30的「整體(global)」控制，但是可以理解，可以在水輸送給不同電池或者不同電池組之處實現更細微的控制(finer granularity of control)。例如，在用於燃料電池堆的具有多重獨立控制的輸送點之處，可以實現單獨的電壓和電流檢測，從而局部改變輸送到燃料電池堆每一部分的水。
可以採用一些機件來輸送液態水，精確控制流到陰極流體流場板中流體流動通道的量。在PCT/GB03/02973(在本申請提交時還沒有公開)中描述一些示例性機件，以下將參考圖4到9說明其細節。
參考圖4a和4b，本發明設有一系列在水入口總管25和流體流場板40a或40b的各通道16之間延伸的注水管道。一般來說，通過放在流體流場板40表面上的膜或層疊結構的方式來提供注水管道。注水管道帶有與水入口總管25連通的入口和在流體流場板中的通道16上方限定的預定注水點的出口。
在一優選配置中，以覆蓋板40的兩個薄片層41、42的形式來提供層疊結構，薄片的位置由圖4a和4b中虛線表示的輪廓線示出。
圖4a為具有蛇形通道16、薄片41a和42a的流體流場板40a的平面圖，薄片41a、42a具有與水入口總管25重合的第一邊緣43a、44a和位於通道16的預定注水點49之處或與之相鄰的第二邊緣45a、46a。
圖4b為具有兩個交叉梳狀通道47、48和薄片41b、42b的流體流場板40b的平面圖，每一交叉梳狀通道47、48與各總管21、22連通，薄片41b、42b具有與水入口總管25重合的第一邊緣43b、44b和位於通道47的預定注水點之處或與之相鄰的第二邊緣45b、46b。值得注意的是，可以在第二水入口總管25和通道48上的預定注水點之間的板40b的相對邊緣上重複設置薄片。
圖5為水分配薄片41的布局的詳細平面圖，該圖示出了注水管道50的優選路徑。管道50由第一系列通道51形成，該系列通道從位於水入口總管25的薄片41的第一邊緣43延伸到沿注水薄片41的長度方向延伸的壓力分配坑道或壓力室52。壓力分配坑道52與第二系列通道53連通，該系列通道延伸到薄片的第二邊緣45，用於和流體流場板中的通道16連通。為此，第二系列通道53成簇地終止於位於注水薄片41的第二邊緣45處的各個匯聚結構54。
在所示出的優選實施例中，匯聚結構54包括弓形凹部55，該弓形凹部切入適於與通道16上的預定位置重合的注水點49之處的薄片41的第二邊緣45，附圖中概略地示出。
壓力分配坑道52優選包括互連通道56的陣列，該互連通道陣列阻礙水從第一系列通道51進入並可沿薄片41的整個長度有效地分配水，致使每組第二系列通道53以基本上相同的壓力接收水。
回到圖4a和4b，覆蓋薄片42包括周邊形狀基本類似於下部薄片的周邊形狀的未構圖薄片(即沒有通道)。覆蓋薄片42至少在第二系列通道的端部延伸出分配薄片41的邊緣，以確保水直接向下流到所需的流體流場板通道16。最便利的是，通過在分配薄片41中而不是覆蓋薄片42中形成的凹部55實現重疊。因此，正如在圖6所示的放大形式的橫截面圖中清楚地看出的那樣，覆蓋薄片42形成通道51、52和53的頂部封閉部分，以形成注水管道50，剩餘的通道51和53的端部敞開。在所示的實施例中，覆蓋薄片42可以形成為略大於分配薄片41，因而它與第二邊緣45(也可以是第一邊緣43)重疊，從而實現類似的效果。
值得注意的是，與板40的厚度相比，薄片層非常薄，薄片層的厚度便於被MEA 34和插入在板之間的任何墊圈承受。為了清楚起見，雖然將圖6所示的部件略微分開，顯然也可將它們壓在一起。
圖7為處於流體流場板40上方位置中的水分配薄片41的透視圖，圖中示出了各通道和總管對準的情況。
可以看出，水分配通道51、52、53不必形成於下部薄片41中。在另一實施例中，如圖8所示，水分配通道80形成在上部薄片82的下表面，而下部薄片81用於形成通道80的封閉部分，以形成注水管道。換句話說，分配薄片82和覆蓋薄片81與圖6所示的配置相反。
在圖8的配置中，至少第二系列通道(相對於圖5中的通道53)未正好延伸到上部薄片的第二邊緣83，而是終止於第二邊緣附近的位置處。下部(覆蓋)薄片81幾乎延伸到通道80的端部，但優選略短於所述端部，以便從通道80的端部到注水點49之處的板通道16流體連通。
如上面所指出的那樣，下部(覆蓋)薄片81提供通道80的封閉部分，形成防止水洩漏到流體流動板40的下部通道16中的不希望的地方的障礙物，例如防止水洩漏到注水管道橫貫燃料和/或氧化劑通道16之處(例如在位置85處)。
優選的是，如上所述的薄片由金屬例如不鏽鋼形成。當然，可以使用具有適當的加壓水包容性能(containment properties)的任何適合的材料，並可對整個說明書使用的「薄片」的表述作出相應的解釋。優選的是，薄片是導電的，當然它們不必如此，因為它們不接觸MEA的活性區域。
在一優選實施例中，陽極或陰極板40中的流體流動通道16的寬度和深度通常在0.4mm和1.2mm之間。業已發現，在水分配薄片中經化學蝕刻的10μm的通道寬度和深度可提供需要程度的注水。
在使用時，對通過總管25輸送的水的壓力進行控制，以確保在水源和流體流動通道16中的氣壓之間大的壓差，實現在上千的流動路徑之間相等地分配水。在本優選實施例中，將表壓在0.5-3巴H2O的範圍的水輸送到總管。
這種方法的優點是水分配膜非常薄，並且可以方便地設置在雙極板內部或者墊圈區域中可獲得的空間內。
通過適當設計注水管道圖案和通道尺寸也可非常精確地控制體積水分配精確度。
如圖9所示，在送水通道(feeder channel)92之後，或者在進入點91之處將分配進流體流場板40中的交叉通道90中的水引入所述通道，或者可供選擇地在和送水總管相同的雙極板端部之處的注入點94進入出口導向裝置(exit track)93。
水注入出口導向裝置的優點是可減小反應物氣體流的壓降，因為水不流過引出遮避氣體通路的無用空間的擴散介質。與此類似，避免水流過擴散空間還將減小介質的損耗及減少其逐漸分裂和結構損壞。
蒸發冷卻過程在出口導向裝置中是有效的，並且由於空氣中飽和了水蒸汽可維持膜的水含量。
其它實施例也將落入所附權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種使電化學燃料電池工作的方法，該燃料電池具有陽極、離子遷移膜和陰極，所述方法包括以下步驟將流體燃料輸送到所述陽極內的流體流動通道；將流體氧化劑輸送到所述陰極內的流體流動通道；從所述陰極內的流體流動通道排出反應副產物和任何未利用的氧化劑；和將足夠量的液態水輸送到所述陰極內的流體流動通道，使得整個所述流體流動通道中基本上維持100％的相對溼度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括確定作為液態水流速的函數的電池電壓最大值，和以相應於所述電池電壓最大值的至少最小水流速進行輸送。
3.如權利要求1所述的應用於燃料電池堆中的多個這種電池的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括確定作為液態水流速的函數的堆疊體電壓最大值，和以相應於所述堆疊體電壓最大值的至少最小水流速進行輸送。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其中，還包括以下步驟增加作為電池或堆疊體電流的函數的輸送的液態水量，以便為所述電池或堆疊體正常工作範圍內的所有電流維持水因數WF＞1.0。
5.如權利要求2所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括對於相應於電池工作條件正常範圍的多個電池電流中的每一個確定作為液態水流速的函數的電池電壓最大值，確定將最小液態水流速表示為電流和/或空氣化學計量的函數的標定函數；和對於從所述電池和/或空氣化學計量得到的電流，以由所述標定函數確定的至少所述最小水流速進行輸送。
6.如權利要求3所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括針對相應於所述堆疊體工作條件正常範圍的多個堆疊體電流中的每一電流確定作為液態水流速的函數的堆疊體電壓最大值，確定將最小液態水流速表示為電流和/或空氣化學計量的函數的標定函數；和針對從所述堆疊體和/或空氣化學計量得到的電流，以由所述標定函數確定的至少所述最小水流速進行輸送。
7.如權利要求5或6所述的方法，其中，確定空氣化學計量在1.1到10範圍內的所述標定函數。
8.如權利要求7所述的方法，其中，確定空氣化學計量在1.4到4.0範圍內的所述標定函數。
9.如上面任一項權利要求所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括水因數至少為1.5的輸送。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括水因數至少為3的輸送。
11.如權利要求9或10所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括水因數為小於40的輸送。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述輸送足夠量的液態水的步驟包括水因數在3到6的範圍內的輸送。
13.如上面任一項權利要求所述的方法，其中，還包括以下步驟當陰極排出溫度低於相應於次優化工作溫度的預定閾值時，暫時允許向所述陰極內部的流體流動通道輸送一些液態水，以維持相對溼度小於100％。
14.如權利要求13所述的方法應用於所述燃料電池或燃料電池堆的啟動。
15.如權利要求1所述的方法，其中，燃料電池工作，使得針對任何測得的電池供給功率控制進入所述陰極的液態水注入速度和/或流過所述陰極的氣體，以確保在陰極表面的所有區域存在的液態水比在所述優勢溫度和壓力條件下可蒸發的液態水多。
16.如權利要求15所述的方法應用於具有共用的氧化劑供應總管和共用的注水總管的燃料電池堆中的多個這種電池，致使針對任何測得的堆疊體供給功率控制進入注水總管的液態水注入速度和/或在氧化劑供應總管中的氣體流速，以確保在所有電池的所述陰極表面的所有區域存在的液態水比在所述優勢溫度和壓力條件下可蒸發的液態水多。
17.一種電化學燃料電池組件，包括至少一個內部具有流體流動通道的陽極流體流場板；至少一個離子遷移膜；至少一個內部具有流體流動通道的陰極流體流場板；用於將流體燃料輸送到所述陽極流體流動通道的機構；用於將流體氧化劑輸送到所述陰極流體流動通道的機構；注水機件，其用於將足夠量的液態水輸送到所述陰極內的流體流動通道，致使在所述燃料電池正常工作期間，在整個所述流體流動通道中基本維持100％的相對溼度。
18.如權利要求17所述的組件，其中，所述注水機件包括泵和控制器。
19.如權利要求18所述的組件，其中，所述控制器包括用於檢測燃料電池或燃料電池堆電壓的電壓傳感器。
20.如權利要求19所述的組件，其中，所述控制器適用於以標定模式進行操作，該標定模式包括針對多個正常的電池或電池堆工作電流中的每一個確定作為液態水流速的函數的電池電壓最大值。
21.如權利要求20所述的組件，其中，所述標定模式還包括確定將最小液態水流速表示為電流和空氣化學計量的函數的標定函數。
22.如權利要求18所述的組件，其中，還包括用於檢測流過所述燃料電池或燃料電池堆的電流的電流傳感器，其中所述控制器適用於針對在正常工作範圍內的所有燃料電池或燃料電池堆電流控制注水速度，以維持水因數WF＞1.0的輸送。
23.如權利要求22所述的組件，其中，所述控制器適用於控制注水速度，以維持水因數至少為1.5的輸送。
24.如權利要求23所述的組件，其中，所述控制器適用於控制注水速度，以維持水因數低於40的輸送。
25.如權利要求24所述的組件，其中，所述控制器適用於控制注水速度，以維持水因數至少為3的輸送。
26.如權利要求18所述的組件，其中，所述控制器適用於控制注水速度，以維持水因數在3到6範圍內的輸送。
27.如權利要求17至26中任一項所述的組件，其中，還包括下述機構，當所述陰極排出溫度低於相應於次優化工作溫度的預定閾值時，暫時允許向所述陰極內部的流體流動通道輸送一些液態水，以維持小於100％的相對溼度。
28.基本上如參考附圖所述的設備。
29.基本上如參考附圖所述的方法。
全文摘要
一種包括陽極、離子遷移膜和陰極的電化學燃料電池，其具有輸送到陰極內流體流動通道的液態水，致使在整個流體流動通道中維持100％的相對溼度。本發明還描述了一種標定方法和設備，以確定在各種工作條件下輸送給陰極流體流動通道的液態水的最佳量或液態水量的最佳範圍。本發明也描述了一種操作方法和設備以確保在變化的工作條件下將最佳量的液態水輸送到陰極流體流動通道。
文檔編號B62M1/36GK1922749SQ200480042225
公開日2007年2月28日 申請日期2004年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者傑裡米·S·馬特查姆, 內森·格蘭奇, 保羅·A·本森, 斯科特·貝爾德, 阿什利·凱爾斯, 喬納森·科爾, 保羅·阿德科克, 彼得·D·胡德, 西蒙·E·福斯特 申請人:智慧能量有限公司