高分子电解质-燃料电池的冷却与润湿制造技术

高分子电解质－燃料电池（１），使用较低超压的空气为氧化剂，和不同的燃气，特别是氢气，通过将液态水直接送入燃烧空气及燃气的气体通道（５，９）中进行冷却。被送入气体通道中的水同时起到润湿固体电解质（４）的作用。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池，它具有固体高分子电解质膜片，优选氢气作为燃气，用低压空气或氧气作为氧化剂。本专利技术此外还涉及一种方法，能同时冷却燃料电池和润湿高分子电解质膜片。高分子电解质-燃料电池，通常情况下被用于产生电流。它包括一个阳极，一个阴极，和一个安置于它们之间的离子交换膜片。多个燃料电池构成一个燃料电池组，其中单个的燃料电池被双极板彼此隔开，后者起集流管的作用。为了产生电力，在阳极区通入燃气，如氢气，而在阴极区通入氧化剂，如氧气或空气。阳极与阴极分别有一个催化剂层，它们处于与高分子电解质膜片接触的区域。在阳极催化剂层上，燃料被氧化，转变成阳离子和自由电子；在阴极催化剂层上氧化剂得到电子被还原。阳离子通过离子交换膜片向阴极迁移，并且与被还原的氧化剂反应，在燃气为氢、氧化剂为氧的情况下，生成水。在燃气与氧化剂反应过程中，释放出大量的热量，必须要通过冷却将其排出。至今为止，该冷却过程是由双极板内设置的冷却通道中流动的去电离水实现的。这种冷却方式带来巨大的材料问题。典型情况是，大约50至300个双极板串接在一起，而冷却水将不同的电势在电方面连起来。其后果是材料的腐蚀。要想避免腐蚀，能选择作为双极板的材料就只有石墨，或者镀金的金属。此外，还必须保持高分子膜片湿润，因为膜片的电导强烈依赖于其水含量。为了防止膜片变干，一直需要一个很复杂的系统使反应气体湿润。本专利技术的任务是，提供一种高分子电解质-燃料电池以及高分子电解质-燃料电池组，其中一个燃料电池的高分子电解质膜片在工作过程中始终具有最佳的水份含量，同时保证足够的冷却。本专利技术的任务的另一项任务是提供一种方法，能够使高分子电解质-燃料电池的高分子电解质膜片在燃料电池工作过程中始终具有最佳的水份含量，同时对燃料电池进行足够的冷却。这些任务通过权利要求1的高分子电解质-燃料电池、权利要求11的高分子电解质-燃料电池组、权利要求12的高分子电解质-燃料电池的润湿与冷却的方法以及权利要求22的方法加以解决。高分子电解质膜片需要高的水份含量，以保证其H+离子的最佳电导率。水的含量原则上只能通过供应水来维持。否则，流过电池的燃料气流及氧化剂气流将使膜片脱水变干。通过供给超量的水来对付可能的脱水，是没有实际意义的，因为过多的水会涌入电极，也就是将电极的孔堵塞。至今还没有一种简单的方法能确定并调节必需的水量。优选的实施例在各个从属权利要求中给出。在附图中示出附图说明图1本专利技术燃料电池的一个优选实施例，图2是一个燃料电池阻抗的测量线路图，图3是一个Nafion一膜片的电导率对其水含量的依赖关系。本专利技术的高分子电解质-燃料电池，使用低过压的空气或氧气作为氧化剂。过压值优先选择不超过2巴(bar)，最好在0.5巴以下。所需的压差也可通过抽吸实现。燃气优选氢气，不过原则上也可使用其它燃气。高分子电解质膜片优选Nafion。电池组中，向每个燃料电池通入氢气，通过气体通道在阳极区分布。同时，输入空气，并通过气体通道在阴极区分布。氢气扩散至阳极催化剂层上，在那里形成阳离子，阳离子穿过电解质、一个质子交换膜片、向阴极迁移。在阴极上，氧扩散至阴极催化剂层上，在那被还原。在与阳离子反应时生成反应产物水。受反应热的作用，生成的水被汽化，形成一定的冷却作用。不过，其冷却效果一方面不够强，另一方面，随燃料电池工作过程的进行，使得膜片湿度不断降低。如图3所示，作为Nafion的NE 105(30℃)离子导电型膜片的电导率随H2O含量的增加而升高。N(H2O)/N(SO3H)表示膜片中每一个磺酸根的水分子数目。燃料电池中固体高分子电解质膜片的水份含量减少，其后果是它的内电阻增加，即，其电导降低。膜片的电导特别强烈地依赖于它的水含量。高分子电解质-燃料电池具有高工作效率的关键在于，高分子电解质膜片一直具有最佳的湿度，与其具体的工作条件(温度、负荷、空气量)相匹配。依据本专利技术，为了维持最佳湿度，燃料电池工作时，可以特别是定期地或连续地确认膜片是否得到最佳润湿或是否有必要补充水份以及需要补充多少水份。原则上，补充水量可以在很大范围内变化。它依赖于燃料电池的具体工作条件，还特别依赖于燃料电池的冷却方式。为了冷却经常需要向燃料电池输水，在一定程度上，膜片也就同时得到润湿，这完全取决于燃料电池的构造。这样，一般来说补充的水量少于完全由空气冷却的电池。膜片的电导依赖于其水含量。不过，在燃料电池工作期间，膜片的电导并不能直接进行测量。本专利技术主要测量燃料电池的阻抗(阻抗的大小，特别是阻抗的实部)。由于膜片的电导是该量的连续、单调函数，因而能基于阻抗对必要的水量进行调节。图2所示为测量燃料电池阻抗的一种线路。用频率在1至20kHz范围的交流信号对电池的电压进行调制，完成阻抗测量，以此来直接测定燃料电池高分子电解质膜片的电导并进而确定其湿度。对电池组，相应地测量多个膜片的平均水含量。交流电压与由它引起的电流之比值，是湿度的衡量参量。图2中BZ代表燃料电池，RL代表负载电阻。与负载电阻并联的是由电容C、电阻R及交流电压源U构成的电路，它能够产生低交流电压(大约10mV量级)及大电流(大约10A量级)。燃料电池的电压受到交流电压源的交流信号(大约1--20kHz)调制。交流电压部分U的作用使燃料电池电流上附加一个交流电流I。交流电压与交流电流的比值是燃料电池的阻抗的衡量参量，因而是高分子电解质膜片的湿度或者需要的供水量的参量，水必须依据此量输入。不过，阻抗的大小除依赖于膜片的电导率，还与其它参数有关与膜片接触的催化剂层表面的大小，电极的欧姆性电阻，以及异类离子对膜片的“毒害”作用。这些参数在燃料电池寿命期内都发生一定程度的变化，其中由于电极的欧姆电阻的改变和异类离子导致的膜片“中毒”所造成的偏差一般都比较小，可以忽略不计。在燃料电池寿命期内，在所给工作条件下与膜片最佳湿度匹配的阻抗大小(阻抗大小的额定值)会发生变化。这样，需要保持的阻抗大小的额定值应当在进行维护工作过程中重新调节。新的额定值由燃料电池输出功率的最大条件确定。在燃料电池工作过程中，也可通过专业技术人员常用的模糊逻辑或者类似的方法确定最佳额定值，使之与变化后的条件重新达到匹配。如果我们在观察阻抗的大小的同时也注意到其相位角，就得到一个关于膜片的导电性的参量，它与催化剂层的表面积在很大程度上无关(而这个表面积的变化是引起阻抗的额定值变化的主要原因)。将阻抗的电子测量结果中的实部作为调节量，能在燃料电池的整个寿命期限内使用唯一确定的额定值。燃料电池工作期间，能连续地、或在确定的时间间隔内对阻抗(大小或其实部)进行测量。如果由测量结果计算得出的膜片电导偏低，即向系统供水，例如通过常见的电子控制开启进水阀门，直到阻抗达到额定值。由多个燃料电池组成的燃料电池组中，合理的方法不是对每个膜片阻抗的大小或实部单个进行测量，而代之以对电池组中多个电池、甚至组内所有电池的平均值共同进行测量，之后进行必要的水份补充。不依赖于膜片的最佳水份含量的确定方法以及供水的调节，根据本专利技术，能够将膜片润湿用水同时用来冷却燃料电池，从而保证足够的冷却能力。依据本专利技术，其实现途径是在一个上面所构想的燃料电池内，将液态的去离子水直接通入到燃烧空气的气体通道中。另一种方式是将水直接通本文档来自技高网...

【技术保护点】
高分子电解质－燃料电池（１），具有一个阳极区（３），一个阴极区（２），一个配置于它们之间的高分子电解质膜片（４），一个将空气作为氧化剂送入阴极区的装置，将空气在阴极区分布的多个气体通道（５），一个将燃气送入阳极区的装置，和使燃气在阳极区分布的多个气体通道（９），其特征为，具有一个装置，它将液态的水直接通入到阴极区空气的气体通道（５）中，和／或送入到阳极区燃气的气体通道（９）中；以及构成电池阳极和／或阴极侧边界的双极板（１０，６），该双极板至少部分区域呈波浪状，并且具有 凸起（１１，７）与凹陷（１２，８），其中，位于阴极侧的凹陷（８）构成气体通道（５），使空气在阴极区分布，阳极侧的凹陷（１２）构成气体通道（９），使燃气在阳极区内分布。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔图尔科沙尼，克里斯蒂安卢卡斯，托马斯施韦西格，
申请(专利权)人：磁电机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]