一种包括阳极、离子迁移膜和阴极的电化学燃料电池，其具有输送到阴极内流体流动通道的液态水，致使在整个流体流动通道中维持１００％的相对湿度。本发明专利技术还描述了一种标定方法和设备，以确定在各种工作条件下输送给阴极流体流动通道的液态水的最佳量或液态水量的最佳范围。本发明专利技术也描述了一种操作方法和设备以确保在变化的工作条件下将最佳量的液态水输送到阴极流体流动通道。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及将燃料和氧化剂转换为电能和反应产物的电化学燃料电池，如固体聚合物电解质燃料电池。图1示出了传统燃料电池10的典型结构，其中，为了清楚起见，以分解的形式示出各层。固体聚合物离子迁移膜11被夹于阳极12和阴极13之间。一般而言，阳极12和阴极13都由导电的多孔材料形成，例如由多孔碳形成，它们粘合有铂和/或其它贵金属催化剂小颗粒。阳极12和阴极13常常直接分别粘合到膜11的相邻表面。这种组合通常称为膜电极组件或MEA。夹入的聚合物膜和多孔电极层是阳极流体流场板(fluid flow field plate)14和阴极流体流场板15。在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间还可以采用中间垫层12a和13a。这些垫层是多孔性的并被构成为能确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面以及从阳极和阴极表面有效地扩散，并且有助于水蒸汽和液态水的处理。流体流场板14、15由导电的非渗透(no-porous)材料形成，借助于这种材料可与各阳极12或阴极13电性接触。同时，流体流场板必须有助于将液体燃料、氧化剂和/或反应产物输送到多孔电极和/或从多孔电极中排出。这通常通过在流体流场板的表面形成流体流动通路来实现，例如在所述表面上设置提供给多孔电极12、13的凹槽或通道16。参考图2a，如图2a所示，一种流体流动通道的传统结构是在具有入口总管21和出口总管22的阳极14(或阴极15)的面上设置蛇形结构20。根据传统设计，应该了解，蛇形结构20包括在板14(或15)表面的通道16，同时每一总管21和22包括穿过所述板的孔，致使输送到通道16或从通道16排出的液体可以在垂直于板的方向上穿过板的堆叠体(stack of plates)的深度连通，具体如图2b示出的A-A横截面上的箭头所示。可以为传送到这些板中的未示出的其它通道的燃料、氧化剂、其它流体或排出物提供其它的总管孔23、25。流体流场板14、15中的通道16两端可以是开口端，也就是说，如所示出的那样，在入口总管21和出口总管22之间延伸的通道可使流体连续通过，通常用于氧化剂供应和反应物排出。或者，可将通道16的一端封闭，即，每一通道仅与入口总管21连通，以供给流体，这取决于气态物质完全100％地传送到MEA的多孔电极或从多孔电极中传递出来。封闭的通道一般可用于将氢燃料输送到梳型(comb type)结构中的MEA 11-13。参考图3，该图为形成传统燃料电池组件30的板的堆叠体的部分横截面图。在该结构中，相邻的阳极和阴极流体流场板以传统方式组合，以形成一面具有阳极通道32而反面具有阴极通道33的单个双极板31，每一双极板都与各个膜电极组件(MEA)34相邻。入口总管孔21和出口总管孔22全部叠置(overlay)，以给整个堆叠体提供入口和出口总管。为了清楚起见，尽管略微隔开地示出了所述堆叠体的多种元件，但应理解，如果需要，可用密封垫圈将它们压在一起。为了获得来自燃料电池的高而持续的功率供给能力，通常在膜电极组件中、具体而言在膜中需要维持高含水量。在现有技术中，这通常通过对经过总管21、22或23和通道16供应的进给气体、或者燃料、空气或者这两者加湿来实现。换句话说，在通道16中引入处于汽相的水{以下称为“含气水(gaseous water)”}。这多少也有助于燃料电池组件内部的热处理。另一种方法是将处于液相的水(以下称为“液态水”)直接输送给膜11、34，例如直接输送给电极表面或者到双极板31的通道16内。这种技术的优点是，不仅提供水以维持膜的高含水量，还可通过蒸发和提取(extract)蒸发潜热来显著冷却燃料电池。在国际专利申请PCT/GB03/02973(提交本申请时还未公开)中已经详细说明了用于将液相水直接引到电极表面或引入通道16的技术。因此，在本申请的适当部分将重复该文件的相关部分。这种通过排出气流提取热能的直接热转移过程(heat removal process)具有明显的优点，即省去了在燃料电池堆(fuel cell stack)组件内部的中间冷却板。本专利技术的目的是提供一种方法和设备，以便通过在阴极电极的通道16中引入余量水(excess water)改善蒸发冷却的燃料电池堆的工作。根据本专利技术的一方面，提供一种使具有阳极、离子迁移膜和阴极的电化学燃料电池工作的方法，该方法包括以下步骤向阳极内的流体流动通道输送流体燃料；向阴极内的流体流动通道输送流体氧化剂；从阴极内的流体流动通道排出反应副产物和任何未利用的氧化剂；及输送足够量的液态水到阴极内的流体流动通道，使得整个流体流动通道中基本维持100％的相对湿度。根据本专利技术另一方面，提供一种电化学燃料电池组件，包括内部具有流体流动通道的至少一个阳极流体流场板；至少一个离子迁移膜；内部具有流体流动通道的至少一个阴极流体流场板；用于向阳极流体流动通道输送流体燃料的机构；用于向阴极流体流动通道输送流体氧化剂的机构；注水机件，其用于向阴极内的流体流动通道输送足量的液态水，使得在燃料电池的正常工作状态期间整个所述流体流动通道中基本维持100％的相对湿度。下面将通过举例的方式并参考附图说明本专利技术的实施例。附图中图1为部分传统燃料电池的示意性横截面图；图2a和2b分别为图1所示的燃料电池的流体流场板的简化平面图和截面图；图3为具有双极板的传统燃料电池堆的横截面图；图4a为具有蛇形流体管道的燃料电池流体流场板的平面图，其概略地示出了水分配薄片和覆盖薄片的叠置位置；图4b示出具有交叉(interdigited)梳状流体管道的燃料电池流体流场板的平面图，其概略地示出水分配薄片和覆盖薄片的叠置位置；图5为水分配薄片的平面图；图6为图4和5所示的流体流场板、水分配薄片和覆盖薄片的横截面图；图7为图6所示组件的部分透视图；图8为水分配薄片和覆盖薄片的相对位置颠倒时的流体流场板、水分配薄片和覆盖薄片的横截面图；图9的示意性平面图示出了用于交叉的梳状通道结构的注水点；图10是说明燃料电池阴极的水冷却原理的示意图11的曲线示出了对于完全饱和的情况、即相对湿度为100％的情况作为温度的函数的单位质量空气中含气水的质量变化情况；图12的曲线示出了作为提供给阴极的液相水的流速的函数的燃料电池堆电压的变化情况；图13的曲线示出了作为燃料电池堆电流的函数所需的理论最小水流速；图14是包括水输送处理系统的燃料电池堆系统的部件示意图。在燃料电池堆组件30工作期间，作为电化学和电损失的结果，在燃料电池堆内部产生热量。在蒸发冷却的燃料电池10的一实例中，在堆叠体组件中，如图10示意地示出的那样，通过将排出产物100、101的温度提高超过反应物102、103的入口温度并通过使提供给阴极13和蒸发到阴极空气流103的液态水104蒸发来转移这种热量。除了最低功率电平外，人们发现蒸发冷却是转移热的主要机理。如果阴极空气流中含气水的分压足够低、即在相对湿度＜100％的情况下，液态水104将蒸发，并提供热量以汽化液态水。一旦局部条件使得水的相对湿度为100％、即空气被水蒸汽饱和，将不再发生蒸发，除非以下三个条件的任一条件占优势(i)空气流速提高，使得含气水的分压成反比地降低；(ii)总压力降低，使得含气水的分压成正比本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种使电化学燃料电池工作的方法，该燃料电池具有阳极、离子迁移膜和阴极，所述方法包括以下步骤：将流体燃料输送到所述阳极内的流体流动通道；将流体氧化剂输送到所述阴极内的流体流动通道；从所述阴极内的流体流动通道排出反应副产 物和任何未利用的氧化剂；和将足够量的液态水输送到所述阴极内的流体流动通道，使得整个所述流体流动通道中基本上维持１００％的相对湿度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米S马特查姆，内森格兰奇，保罗A本森，斯科特贝尔德，阿什利凯尔斯，乔纳森科尔，保罗阿德科克，彼得D胡德，西蒙E福斯特，
申请(专利权)人：智慧能量有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]
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