[发明专利]用于增强基于PFSA的片材型水蒸气传送装置的耐久性的缓解策略

说明书

一种用于燃料电池应用的膜加湿器组件包括：第一流场板，其适于促进第一气体向其流动；第二流场板，其适于促进第二气体向其流动；以及聚合物膜，其设置在第一流场板和第二流场板之间。聚合物膜适于允许水的传送。为了防止全氟磺酸聚合物、加湿器膜结垢及其水蒸气传送性能降低，必须将氨和阳离子污染物从环境气流中去除。合适的阳离子和氨清除剂包括包含用羧酸基团、膦酸基团、磺酸基团、全氟磺酸基团或其组合进行官能化的聚合物的过滤器。

技术领域

在至少一个实施例中，本发明涉及用于减少燃料电池加湿器膜的降解的系统。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电源。特别地，燃料电池被提出代替内燃机在汽车中使用。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以提供阳极与阴极之间的离子传送。

在质子交换膜类型的燃料电池中，氢作为燃料被供应至阳极，且氧作为氧化剂被供应至阴极。氧可以为纯净形式(O2)或空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中，固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，且在相对面上具有阴极催化剂。通常的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料制成，例如编织石墨、石墨化片材或碳纸，以使得燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜表面上。每个电极均具有充分细碎的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，该催化剂颗粒承载在碳颗粒上，以促进氢在阳极处的氧化以及氧在阴极处的还原。质子从阳极通过离子导电聚合物膜流向阴极，它们在此与氧相结合以形成水，该水从电池中排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，反过来该对多孔气体扩散层又夹在一对无孔导电元件或板之间。该板用作用于阳极和阴极的集电器，且包括在其中形成的用于将燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上的适当的通道和开口。为了有效地产生电能，PEM燃料电池的聚合物电介质膜必须厚度薄、具备化学稳定性、不导电的且不透气。在通常的应用中，以许多成堆布置的单独的燃料电池的阵列形式来提供燃料电池，从而提供高电源量级。

在燃料电池中使用的内部膜通常保持在潮湿条件下。这有助于避免膜的损害或缩短寿命，以及有助于保持操作的期望效率。例如，较低的膜的水含量导致较高的质子传导电阻，因而造成更高的欧姆电压损失。需要加湿进料气体，特别是阴极入口，以便保持膜中足够的水含量，尤其是在入口区域。

为了保持期望的湿度水平，空气加湿器经常用于加湿燃料电池中使用的空气流。空气加湿器通常由圆形或箱型空气加湿模块组成，该空气加湿模块被安装进空气加湿器的壳体中。膜加湿器也已经被用于满足燃料电池加湿需求。针对汽车燃料电池加湿应用，这样一种膜加湿器有必要是紧凑的，具有低电压，并具有高性能特征。

尽管当前的加湿器技术很好用，但这些加湿器要遭受来自于各种环境污染的性能问题。例如，存在于空气中的氨降低了膜的水传送性能，因此需要使用稍厚的膜。

因此，燃料电池加湿器系统有必要降低氨的有害影响。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供一种燃料电池系统来解决现有技术中的一个或多个问题，提供了结合有膜加湿器组件和氨捕集器的燃料电池系统。该燃料电池系统包括具有阴极侧和阳极侧的燃料电池堆、膜加湿器组件和氨捕集器，该氨捕集器从含氧气源接收含氧气体。膜加湿器包括第一流场板、第二流场板和设置在该第一流场板与第二流场板之间的聚合物膜，该第一流场板适于促进输入含氧气体流至燃料电池堆的阴极侧的输入，该第二流场板适于从燃料电池堆的阴极侧的排气处接收潮湿的排出气体。聚合物膜允许水从潮湿的气体传送至含氧气体。该氨捕集器从输入含氧气体中去除氨，然后提供输入含氧气体至燃料电池堆。