[发明专利]带有基于直接注入液态水的冷却系统的燃料电池

说明书

本发明涉及一种燃料电池，更准确地说，涉及一种使用高分子膜作为电解质的燃料电池。

燃料电池是直流形式的电能的电化学发生器；换句话说，它们在燃料没有完全降解为热能的情况下将燃料(例如含氢的气体混合物、或像甲醇或乙醇这类轻质酒精)与氧化剂(例如空气或氧)反应的自由能转化，因此它不受Carnot循环的限制。为了实现所需的将化学能转换成电能，燃料在电池的阳极被氧化并同时释放出电子和H⁺离子，而氧化剂则在阴极处被还原，并消耗掉H⁺离子；该发生器的两极必须用合适的电解质分隔开，以允许H⁺离子连续地由阳极流向阴极，同时阻止电子从一个极转移到另一极，从而使两个电极之间的电位差达到最大。这个电位差事实上代表着过程本身的驱动力。燃料电池被认为是传统的电力生产系统的优异的替代者，特别是从它们极其良好的对环境的影响这一观点来看(没有污染性排放和噪声，唯一的副产品是形成水)，它们既可用于不同规模的静止发电领域(电力站、备用电能发生器等)，也可用在移动应用的领域(电动车应用、汽车能量的产生或用于空间、潜艇及海军应用的辅助电源)。

和别的燃料电池相比，高分子膜燃料电池提供更多的优点，这是因为它们具有快速的启动和迅速达到最佳工作条件，高的功率密度，与没有运动部件和不存在腐蚀现象及剧裂的热工循环相联系的内在的可靠性等优点；事实上，在所有的已有技术的燃料电池中，聚合物电解质燃料电池表现出总体上最低的工作温度(通常为70-100℃)。

为此目的而用的聚合物电解质是一种离子交换膜，更准确说是一种阳离子交换膜，它是一种化学上惰性的聚合物，部分地按集群而起作用，这些集群能够进行酸碱水解而导致电荷的分离；所述水解更准确地说包含释放正离子(阳离子)和在构成膜的聚合物上形成固定的负电荷。在膜的表面上施加多孔的电极，该表面允许反应剂流过而到达膜的界面。催化剂加到上述的电极和/或膜一侧的界面上，该催化剂例如是铂黑，它有利于相应的燃料氧化或氧化剂还原的半反应。这种安排也用于当膜的两具表面之间建立起电位梯度和外电路同时闭合时提供阳离子连续流动；在这种情况下转移的阳离子是H⁺离子，如前所述，在阳极上馈送带有较低电化学电位以及在阴极上馈送带有较高电化学电位的物质而产生的电位差，一旦外电路闭合时，将立即在跨越外电路的电子流(即电流)中引起质子传导。

质子传导是燃料电池运行的一个主要条件，也是评估它的效率的决定性参数之一。一旦利用所产生的电力输出的外部电阻负载上的电路闭合时，不充分的质子传导将导致电池两极上的电位差(电池电压降)明显下降。这又转而使对热能反应的能量更加退化并由此引起燃料转换效率的下降。

在市场上可以得到若干阳离子交换膜，它们能提供优化的质子传导特性，并且已广泛用于工业化的燃料电池上，例如那些在商标名称下商品化的Nafion^是美国Dupont de Nemour的产品，Gore Select^是美国Gore的产品，Aciplex^是日本Asahi化学公司的产品等。所有这些膜都因它们的工作机理所带来的内在处理限制而具有负面影响：由于水解的机理而使电荷分离以使质子传导成为可能，这类膜只有在存在液态水时才能发挥它们的导电性。虽然水的形成是燃料电池工作的一个固有的后果，但它形成的程度几乎总是不足以导致维持膜的正确的水合状态，尤其是工作在足够高的电流密度的情况下。