[发明专利]具有改进凝结和反应产物处理能力的燃料电池

说明书

美国政府可以享有在此公开的发明的授权以及在限定范围内要求专利权人在适当的条件下授权给其他人的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及燃料电池，尤其是涉及燃料电池内部凝结和反应产物的处理。

2.相关技术说明

燃料电池将燃料和氧化剂(统称“反应物”)转变为电流和反应产物。多个燃料电池使用氢气作为燃料和氧气作为氧化剂。在这种情况下，反应产物是水。这样的燃料电池如质子交换膜(PEM)燃料电池。在质子交换膜燃料电池中每个单电池包括一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间被一个薄的离子导电膜隔开，通常将这些统称为膜电极部件(MEA)。在离子导电膜两相对侧的阳极和阴极包括由一包含膜和气体扩散层的薄层催化剂。将氢气提供到阳极上，氧气提供到阴极上。气体扩散层确保氢气有效地传输到阳极催化剂上和确保氧气有效地传输到阴极催化剂上，氢气在阳极催化剂上被电化学除去电子，由此产生的质子通过导电膜迁移，并与阴极催化剂上的氧化剂反应生成水。将单独的膜电极部件叠加，彼此间用不可渗透的电子导电的双极板电串联连接，双极板在某一膜电极部件的阳极和相邻的膜电极部件的阴极之间传导电流。双极板具有在一侧形成的多个用于在某一膜电极部件上传输燃料的通道，和在另一侧形成的多个用于在相邻的膜电极部件上传输氧化剂的通道。反应物，例如氢气和氧气，由各自的进气管道通过通道用泵传输到各自的出气管道。

由于许多原因，认为燃料电池是很有吸引力的能源。与常规电池相比，燃料电池的优点在于只要连续不断地提供燃料，燃料电池可以保持一定的输出功率，而不受充/放电循环的阻碍。燃料电池还有相对较小、重量轻并且不污染环境的优点。质子交换膜燃料电池最为显著的优点是由于其工作温度较低和使用非液体、非腐蚀性的电解质。

尽管燃料电池具有上述优点，仍然可对常规燃料电池进行改进。例如，反应产物例如水可在通道内积累，从而阻碍反应物流动。在反应物中的湿气还能凝结，从而在通道内积累。常规燃料电池通过在进气管道和出气管道之间产生压力差(或压降)以试图从通道内清除反应产物和凝结的湿气。理想的压力差是大到可以防止反应产物和/或凝结的湿气在双极板的一个或多个通道内积累的一种压差。取决于包括燃料电池工作条件(例如流量和温度)、双极板通道的材料和加工、和通道的几何形状等许多因素的这种必需的压力差典型地是介于几英寸水和15PSI之间。

在常规燃料电池内，当反应物通过通道时，通过壁摩擦力的影响使压力降低。更特殊地是，产生足够的基于壁摩擦力的压力差的传统方法是使在双极板上的反应物通道长和曲折或具有小的水压直径。可选择地，可以提高反应物流量以产生较大的摩擦损失和压降。

在这里，本发明人认为用长、曲折的反应物流动通道来产生压力差的方法并不是最理想的。例如，虽然在通道之间压力差相同以确保反应物流量相同很重要，但是制造一系列长、曲折、等长的通道不仅很难而且价格很高。还有，在某些情况下使用长、曲折的通道或者不实际或者不可能。例如，六边形的双极板经常包括Z-形状的气流通道，这种通道不能很长或曲折。六边形双极板的几何形状需要很远的长、曲折的通道以致于分开太远而不能获得满意的反应物到气体扩散电极的扩散。正因如此，用常规长、曲折的通道方法很难获得所需的压力差。此外，在制造双极板的技术上，近来的发展结果导致相对较直的反应物流动通道。一种这样的双极板在当前共同申请的申请号为、名称为“Fuel Cell and Bipolar Plate For Use WithSame”的专利文献中公开，在此结合其内容作为参考。

在这里，本发明人还认为通过使用具有小的水力直径的反应物通道来产生压力差并是最不理想。使用小的水力直径的反应物通道要求很严格的制造公差，这是由于在没有严格的公差的情况下，通道之间的摩擦力差别很大，这将导致不相同的反应物流量。因此，虽然具有小水力直径的双极板容易获得，但是其生产要求使用相对费力的和价格昂贵的生产过程。

在这里，本发明人还认为提高反应物流量不是产生压力差的最佳方法。提高燃料流量导致燃料浪费，因此降低了燃料电池的效率。提高氧化剂的流量更加降低燃料电池的效率，这是由于有关的压缩机或风机需要额外的能量。

发明概要