具有交指型液流通路和水输送板的燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池发电装置（１０），它包括燃料电池（１２），其具有膜电极装置（１６），设置在阳极支撑板（１７）阴极支撑板（１９）之间，和与阳极和阴极相邻的多孔水输送板（８４’、８６’）。该多孔水输送板具有交指型液流通路用于反应气体（１１０）从其中流过，和常规液流通路用于冷却剂物流（９８）从其中流过。该燃料电池发电装置还具有用来在反应气体物流和冷却剂物流间形成压差的装置，使反应气体物流的压力大于冷却剂物流的压力。将交指型液流通路引入多孔水输送板中，并在压差中运转燃料电池，使冷却剂水饱和水输送板，从而迫使反应气体进入到阳极和阴极支撑板中。它反过来会提高这类气体进入支撑板中的传质，从而提高燃料电池的电生产能力。在空气化学计量不超过２．５０时，可获得约１．６安培／平方米的电流密度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池发电装置，更具体地说，是涉及利用一种其中具有交指型液流通路的水输送板从而为所述燃料电池供应反应气的燃料电池发电装置。
技术介绍
燃料电池发电装置是固定和移动两种应用的电化学选择性电源。作为这类发电装置核心的燃料电池，它由阳极、阴极和隔离阳极与阴极的电解液所组成。阳极是表示负电极，而阴极是表示正电极。在燃料电池的运转过程中，燃料反应气(它典型地为富氢气流)进入与阳极相邻的支撑板中。这类支撑板，下文称之为阳极支撑板。而氧化反应气(它通常为空气)进入与阴极相邻的支撑板中。这类支撑板在下文中称之为阴极支撑板。当所述富氢气流流过所述阳极支撑板时，放置在阳极支撑板与电解液之间的催化剂，将使所述氢发生氧化，从而形成氢离子和电子。在当氢离子经过电解液迁移到阴极时，电子经过一个外部电路迁移到阴极上。另一种在电解液阴极一侧的催化剂，使氧与在阳极释放出来的氢离子和电子进行反应，从而形成水。这些在催化剂和电解液附近进行的反应，将会在燃料电池中形成电位。电子流过与燃料电池相连接的外部电路，将会产生有用功，如为汽车的发动机提供动力。存在有各种不同类型的燃料电池，它们根据其电解液而变化。电解液是存在于阳极和阴极之间的的离子化导电物质。一种类型的燃料，它包括一种固体聚合物电解液或也称作质子交换膜(PEM)。结合有一种固体聚合物电解液(质子交换膜)的燃料电池，下文称之为PEM燃料电池。在PEM燃料电池中的催化剂层，典型地是附着在所述膜的两侧，从而形成膜电极装置(MEA)。如上所述，当氢离子流过所述MEA时，在氢离子、电子和氧化反应气之间的电化学反应，会在阴极中形成水。这种水通常称之为“产物水”。另外，水也可能聚集在阴极中，这是由于水分子运动迟缓，它在燃料电池运转过程中与氢离子一起流过MEA。这类水通常称之为“质子迟缓水”。从阳极到阴极的质子迟缓会导致在PEM阳极一侧比其阴极一侧具有较低的水含量。在阳极和阴极两侧水含量的差值，将会产生渗透压力，它促进水流从PEM的阴极一侧向阳极一侧流动。不过，如果PEM(即电解液)不能对水保持高度饱和，则PEM阻力会增大，由燃料电池得到的有用功降低。另外，如果产物水和迟缓水聚集在阴极中，则聚集的水可能会阻止并抑制氧与氢离子和电子反应。在阴极中水的聚集这样就会降低在燃料中形成的电位，从而限制了燃料电池的性能。而且，如果阴极水含量不能降低，则阴极将会被淹没，燃料电池将会最终停止发电并关闭。为了帮助氧化反应气到达MEA上的催化剂，阴极支撑板通常包括一个扩散层和一个基质层。扩散层和基质层通常由多孔的疏水性碳层所构成。疏水性是表示对水是不相容的，因而通常也称之为抗湿的。不过，采用亲水性基质替代疏水性基质也是公知的。亲水性表示能够吸收水，因而通常称之为可湿的。例如，US5641586公开了一种阴极支撑板，它包括一个亲水性基质层和一个疏水性扩散层。US5641586的目的包括提供一种多孔支撑板，在当氧化气体流过这类支撑板时，它可降低氧化气体的压力降，使这类支撑板中水的聚集最小化，并使氧化反应气最大可能地接近所述催化剂。尽管亲水性基质可能会降低氧化反应气流过阴极的压力降，但是，亲水性基质由于其固有的性能，它会较疏水性基质吸收更多的水。因此，除非这些水能够适当地从阴极支撑板中移走，否则，亲水性基质将会吸收这些水，这反过来将会最终淹没阴极支撑板。淹没阴极支撑板从而就否定了US5641586的一个专利技术目的即，使水聚集最小化的目的。淹没阴极支撑板还将会抑制氧化反应气到达催化剂。US5641586公开了一种在较高压力下运转的电池，在这类电池中的产物水通常是经由氧化反应气废气物流作为水蒸气和携带的液态水的混合物流出所述电池的。携带液态水沿着反应物液流通路，从电池内部移动到氧化反应气废气物流中。这种设计很好地适合于采用疏水性基质和固体反应物支撑板的电池结构。不过，US5641586公开了一种采用亲水性基质的电池，它将会吸收液态水并淹没所述基质，从而阻止氧传送到阴极催化剂上。US5641586还公开了一种与亲水性基质一侧相邻的扩散层或PEM层，和一种与亲水性基质另一侧相邻的固体流域板。所述固体流域板，它也称作隔板，限定反应气流过的液流通路。由于所述流域板是固态的(即，非多孔性的)，不能渗透气体和液体，所以，所述通路不仅能够为燃料电池提供氧化反应气，而且，还能用作产物水的流出通道。不过，为了促进产物水流过所述通路，所述氧化反应气物流的压力必须是相对很高的(在该专利中为5大气压)，而这是一种不受人欢迎的操作条件。专利技术的描述本专利技术的目的包括一种燃料电池发电装置，它可有效合适地从阴极移走产物水和质子迟缓水，从而保护最大数量的氧能够从所述反应气物流到达位于MEA的阴极一侧的催化剂上，并与催化剂进行反应。本专利技术涉及燃料电池发电装置，它包括一种具有膜电极装置(MEA)的燃料电池，它放置在一个阳极支撑板和一个阴极支撑板之间，其中，所述阳极和/或阴极支撑板包括一个亲水性基质层。所述燃料电池发电装置还包括一路燃料反应气物流(它与所述阳极支撑板的亲水性基质层流体连通)，和一路氧化反应气物流(它与所述阴极支撑板的亲水性基质层流体连通)，和一路冷却水物流(它与所述阳极和阴极支撑板亲水性基质层都是流体连通的)。阳极支撑板中的亲水性基质可促进冷却水迁移到所述MEA阳极一侧，而阴极支撑板中的亲水性基质提高水从所述MEA的阴极一侧流出。在所述阳极和阴极支撑板中的疏水性基质层，具有预定水平的孔隙率(即孔隙数目)和孔隙尺寸。本专利技术的专利技术人认识到，不控制所述含有水新水性基质中的孔隙数目，则水将充满100％可利用的孔隙，从而阻止所述反应气体的所有迁移。为此，本专利技术的专利技术人认识到，反应气体物流和冷却剂物流的压力，控制着含水或反应气体的孔隙的百分比。本专利技术利用所述冷却剂物流和反应气体物流的压差，来控制亲水性基质孔隙中所述物流的各自分布。所述压差是确定的，它可使得更大百分比的所述亲水性基质层孔隙含有反应气体而不是水。为此，本专利技术提供一种用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成压差的装置，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。在这种压差下操作所述燃料电池，可保证在所述阴极催化剂层形成的产物和质子迟缓水，迁移流过所述阴极支撑板并从所述MEA流出。控制所述MEA的阳极一侧的冷却剂和燃料反应气体物流，也可保证所述冷却水能连续地从所述冷却剂物流向所述MEA的阳极一侧迁移，从而防止所述膜变成是干燥的。在所述阴极和阳极支撑板中合适的水平衡，可保证所述PEM能保持潮湿，从而延长所述燃料电池的寿命，并提高其电效率。合适的水移走，也可有利于提高所述燃料电池中氧的利用率。特别地，如果没有合适的水移走，则可利用氧的减少部分到达所述催化剂。提高在所述催化剂可利用氧的数量，可以提高所述燃料电池的性能和/或降低所述燃料电池的整体尺寸，以产生确定的额定功率。尽管US5641586认识到，用一种亲水性基质层替代所述阴极疏水性基质层，能提高电池电压，但是该专利没有论述从所述阴极中移走水的重要性。而且，该专利没有教导控制所述反应气体物流与所述冷却剂物流间的压力，以控制所述亲水性基质的填充孔隙率，以及降低所述催化剂层的水含量。相反，本专利技术提供一种用来阻止所述阴极支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池发电装置，包括：一个燃料电池，它包括一个阳极支撑板、一个阴极支撑板和一个设置在所述支撑板之间的膜电极装置，所述阳极支撑板含有一个多孔基质层，它具有一个交指型通道用于燃料反应气体物流进入到其中并从中流出，所述阴极支撑板含有一个多孔基质层，它具有一个交指型通道用于氧化剂气体物流进入到其中并从中流出，所述膜电极装置包括一种设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜；第一多孔水输送板，它与所述阴极支撑板相邻，所述第一多孔支撑板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，和一个交指型通道用于氧化剂气体物流进入到其中并从中流出；第二多孔水输送板，它与所述阳极支撑板相邻，所述第二多孔支撑板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，和一个交指型通道用于燃料反应物流进入到其中并从中流出；用来在所述氧化剂气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述氧化剂气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力；和用来在所述燃料反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述燃料反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JS伊，J普哈尔斯基，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]