[发明专利]直接防冻的冷却燃料电池发电设备

说明书

发明领域

本发明涉及装配在一起的燃料电池，以形成适合用于运输工具、可移动发电设备或作为固定发电设备的燃料电池发电设备，本发明尤其涉及使防冻液经过装置以除去热量的燃料电池发电设备。

发明背景

燃料电池发电设备是众所周知的，它一般用于由还原和氧化液体产生电能以驱动用电设备，例如太空飞船。典型地，在这种发电设备中多个平面型燃料电池以叠层设置，在叠层周围由电绝缘框架结构围绕，这些框架结构限定了指引还原剂、氧化剂、冷却剂及产物流体流动的管道。通常，每个单电池包括由电解质隔开的阳极和阴极。反应物或还原流体例如氢气提供到阳极，氧化剂例如氧气或空气提供到阴极。在电池中采用质子交换膜(“PEM”)作为电解质，氢气在阳极的表面进行电化学反应以产生氢离子和电子。电子施加到外部负载电路并接着返回到阴极，同时氢离子由电解质转移到阴极，在此处它们与氧化剂和电子反应以产生水并释放热量。

根据燃料电池的工作需要和工作环境的限制，这种燃料电池的正负极由不同类型的电解质隔开。一种这样的电解质是上述质子交换膜(“PEM”)电解质，它由本领域中公知的固体聚合物构成。在燃料电池中采用的另一种常用的电解质包括保持在阴阳极之间的多孔、非导电基质中的磷酸或氢氧化钾。已经发现，PEM电池和液体酸或碱电解质相比的主要优点在于满意的具体工作参数，这是因为PEM薄膜在还原流体和氧化剂之间具有屏障，它比液体电解质更能忍受由多孔基质中的毛细作用力保持的压力差。因此，PEM电解质是固定的，不能从电解质中滤去，隔膜对于水的保持力具有相对稳定的容量。

采用PEM电解质的燃料电池的制造包括：在PEM的第一表面和第一或阳极多孔基板层之间固定适当的第一催化剂层以便在PEM的第一表面附近形成阳极；在与第一表面相反的PEM第二表面和第二或阴极多孔基板层之间固定第二催化剂层以便在PEM的相反的第二表面上形成阴极。以这种方式固定阳极催化剂、PEM、阴极催化剂是本领域的公知常识，通常称作“膜电极装配”，或“M.E.A”，在此称作膜电极装配。在PEM燃料电池的工作中，薄膜用水浸透，相邻薄膜的阳极必须保持湿润。在阳极中产生的氢离子通过电解质转移，它们拖曳着水分子以水合氢离子的形式从阳极到阴极或催化剂。通过渗透，水还从阴极转移回阳极。通过蒸发或夹带到处理氧化剂或还原流体的气流中，从电池中除去在阴极上形成的产物水。在含有多孔反应剂流动范围的燃料电池中，如由本发明所有权利的受让人所拥有的US4769297中所描述的，一部分水可以通过多孔反应剂流动范围选择性地作为流体去除以循环冷却流体。

在具有重要优点的同时，PEM电池还具有所知的明显局限性，尤其涉及液态水通过PEM的传输以及从PEM离开，还涉及气态还原流体和处理(process)氧化剂向/从与PEM的相反表面的相邻的电极的同时传输。原有技术包括许多减少那些局限性影响的举措。为了给运输工具输送能量而在已有的燃料电池组中与其它元件一起组装成的这种燃料电池的采用引起了与水处理有关的其它问题，例如防止产物水冷凝，无论在燃料电池驱动工具在凝固点以下工作的任何时候，在启动期间，快速溶解任何冻凝的水。已知的燃料电池发电设备典型地采用冷却剂或将冷却的流体流过燃料电池或其它装置元件的热处理系统，以将电池保持在优选的温度范围内并有效地分布热量。当冷的流体是包括水的溶液，还必须防冻。已知在这种冷却剂系统中利用防冻溶液例如乙二醇和水或丙二醇和水作为冷流体。

但是，已知这种防冻溶液被形成电极的催化剂吸收并污染。另外，那些防冻溶液表面张力低，导致了在溶液中弄湿了任何与电池催化剂相邻的防水支持层，从而阻止了反应剂流体向催化剂的扩散，这进一步降低了电极的性能。同时，这些防冻剂的蒸汽压太高，通过燃料电池排气流或由燃料电池发电设备的燃料处理元件的沸腾炉中产生的气流导致了防冻溶液过高的消耗速率。因此所知的利用防冻溶液的燃料电池冷却系统是与电极密封的，因此溶液并不是与电极直接连接的流动。