[发明专利]向燃料电池堆的电池提供反应流体和从中排除产物与惰性流体的方法及设备

说明书

                         发明背景

                         发明领域

一般地，本发明涉及燃料电池领域，更具体地涉及控制向电池提供反应流体和从单个电池和/或电池堆的电池组中排除反应产物与惰性流体的方法及设备。特别地，本发明涉及适于向电池提供燃料和从中移除反应产物以满足电池堆中每个电池和/或电池组的个别要求。

                       现有技术描述

燃料电池是将燃料型的化学能和氧化剂直接转化成电能的机电装置。燃料电池一般是根据提供阳极与阴极之间离子导电性的电解质(例如碱、磷酸、固体聚合物、熔融碳酸盐、固体氧化物)的类型来分类的。使用的燃料电池包括PEM燃料电池、酸性燃料电池和碱性燃料电池。在这点上，PEM是聚合物电解质膜或质子交换膜的缩写，而且这类膜是质子导电的，因而有利于用作从电池阳极向阴极传送质子的电解质。本发明一般适用于这些类型电池的每一种。

燃料电池一般包括七个主要部件，即1)阳极集电体，作为引导电子离开电池的负极端子；2)分配和供给燃料于阳极并提供阳极集电体与阳极之间电接触的流体板；3)阳极，包括多孔的扩散层和燃料在其中氧化(例如氧化氢燃料以形成质子和电子)的催化剂层；4)提供阳极与阴极之间离子导电性的电解质，对于PEM燃料电池，该电解质在所有电池中为质子导电膜；5)结构与阳极类似的阴极，在阴极中氧化剂被还原(例如氧与质子和电子反应形成水)；6)分配和供给氧化剂于阴极并且提供阴极与阴极集电体之间电接触的流体分配器板；及7)阴极集电体，作为引导电子返回电池的正极端子。

在燃料电池运行期间，使燃料如氢通过燃料入口流入电池，并且通过位于燃料电池阳极一侧的燃料分配器板分配该燃料。氢通过阳极扩散层由燃料分配器板扩散至阳极中的催化剂层，在这里氢被氧化生成质子和电子。电子通过燃料分配器板从阳极传导至阳极集电体，并传导出电池为电气装置提供动力。质子穿越PEM传输至阴极。

使氧化剂如氧通过氧化剂入口流入电池，并且通过位于电池阴极一侧的氧化剂分配器板分配该氧化剂。氧通过阴极扩散层由氧化剂分配器板扩散至阴极中的催化剂层，在这里氧与阳极产生的质子和电子反应生成水。电子由电气装置引导回电池并通过阴极集电体和氧化剂流体分配器板传导至阴极。在阴极催化剂层中生成的产物水通过阴极扩散层扩散至氧化剂流体分配器板中的流体通道，并且通过过量的氧化剂流和/或引入的氧化剂流中的惰性材料流从电池中除去。

燃料电池通常产生相当于约1.0V的电压。因此，为了产生更大的电压，需要将多个燃料电池串联地堆叠，以形成燃料电池堆。对于给定电池堆的电池，通常安装有共同的燃料(例如氢或甲醇和水)入口、共同的燃料出口、共同的氧化剂(例如氧或空气)入口和共同的氧化剂出口。对于电池堆中的每个电池，燃料和氧化剂是通过这些共同的入口进料给各个电池的，而电池堆的每个电池中的产物水、惰性材料、过量的燃料和/或过量的氧化剂则通过这些共同的出口从各电池中除去。为了防止产物水、惰性材料、过量燃料和/或过量氧化剂在电池中累积，并且保持电池中所有反应物适当高的浓度，在过去通常需要连续或经常地排除燃料和/或氧化剂。这导致低的燃料和/或氧化剂利用率，从而需要大量的附加动力以将所需的燃料流和/或氧化剂流提供给电池堆。而且，基本上不可能提供尺寸和形态特性(例如孔隙度、弯曲度、润湿特性)相同的燃料电池。因此，给定电池堆的各电池在运行期间的流阻性能是不均匀的。

这种电池堆电池之间的流阻不均匀性导致流入和通过电池的流体不均匀，致使电池到电池的性能不均匀和电池堆的性能不理想。具有如此大的流阻以至于不适当地限制了引入的燃料或氧化剂流和/或阻止了产物或惰性流体适当排除的电池，变得急需燃料和/或流体氧化剂，同时导致性能不良，甚至可能导致电池完全失效。不理想的性能还包括爆炸的危险。在燃料电池堆中，接收的反应物不足以抵抗得自电池堆电流的电池可能逆转，从而在电池中产生潜在的爆炸混合物。例如，当氢-氧电池逆转时，在存在氧的阴极产生氢，并且在存在氢的阳极产生氧，因而在两个隔室中产生氢与氧的爆炸性流体混合物。