[发明专利]用于高分子膜燃料电池的湿润装置

说明书

本发明涉及一种燃料电池，更准确地说涉及一种使用高分子膜作为电解质的燃料电池。

燃料电池是直流电形式的电能的电化学发电机(electrochemicalgenerator)，也就是说，它们将燃料(例如或者含有氢或者含有如甲醇或乙醇这类轻质醇的气态混合物)和氧化剂(例如空气或氧)反应的自由能进行转换而不将它完全降解为热能，因此不受Carnot循环的限制。为了完成所需的化学能对电能的转换，燃料在电池的阳极被氧化，同时释放出电子和H⁺离子；而氧化剂则在阴极被还原，在那里H⁺离子被消耗；该发电机的两个极必须由合适的电解质隔离开，以允许H⁺离子连续从阳极流到阴极，与此同时阻止电子从一极转移到另一极，从而使它们的电位差达到最大。这个电位差事实上表示过程本身的推动力。燃料电池被认为是产生电力的常规系统的优异替代者，尤其是从极其有利的环境影响的观点来看(没有污染排放和噪声)，作为唯一的副产品而形成的只有水)，它们既用于各种规模的静止电力生产领域(发电站、备用发电机等)同时也用于移动应用领域(电动车应用、汽车能量生产或空间、潜艇及海军应用的辅助能源)。

高分子膜燃料电池比起其它燃料电池将提供更多的优点，这是因为它们的快速起动和迅速达到最优运行条件，高的功率密度，与既缺少运动部件又没有腐蚀现象和严峻的热力循环相联系的内在的可靠性；事实上，在所有已有技术的燃料电池中，聚合物电解质的燃料电池表现出总体上最低的工作温度(通常为70-100℃)。

为此目的使用的高分子电解质是一种离子交换膜，更准确地说是一种阳离子交换膜，这是一种化学上惰性的聚合物主链，部分地以官能团作了改性使其能够进行酸碱水解而导致电荷的分离；这种水解更准确地说包括释放正离子(阳离子)和在聚合物主链上形成固定的负电荷。多孔的电极加在膜的表面上，它允许反应剂在那里穿过并到达膜的界面。在电极及/或在膜一侧的这样的界面上施加催化剂，例如铂黑，它增加了燃料氧化或氧化剂还原的相应的半反应速率。这种安排当在膜的两个表面之间建立起电位梯度且外部的电路同时被闭合时还提供阳离子的连续流动；在这种情况下转移的阳离子是H⁺离子，如前面所述那样，在把具有较低电化学电位的物质送到阳极和把具有较高电化学电位的物质送到阴极所产生的电位差在外电路闭合时就立即建立起跨越膜的质子传导和跨越该外电路的电子流(即电流)。

质子传导是燃料电池工作的一个主要条件，并且是评估其效率的决定性参数之一。不充分的质子传导在电路与利用所产生的电力输出的外电阻负载接通时就引起燃料电池电极上的电位差的显著下降。这又引起热能反应中能量的加大的降解，因而导致燃料的转化效率的降低。

若干种表现最优质子传导特性的阳离子交换膜在市场上是可以得到的，并广泛用于工业化的燃料电池中，例如美国Dupont de Nemours生产的商标名为Nafion^、美国Gore的Gore Select^，日本的Asahi ChemicalsAciplex^等产品。所有这些膜都由于与它们的工作机理相关联的内在过程限制而受到负面的影响：使得质子传导成为可能的是由于水解作用所建立的电荷分离，因此这些膜只有在具有液态水时才能发挥它们的导电性。虽然水的生成是燃料电池工作的内在后果，但它的程度几乎总是不足以维持膜所需要的水合状态，尤其是工作在足够高的电流密度下。

在高电流密度下的运行涉及在给定的功率输出下降低投资成本，但是也会降低能量效率同时还产生更大量的热。工作在实际使用的电流密度(例如150和1500mA/cm²之间)的燃料电池中所产生的大量的热必须被有效地排出，以允许该系统热力调整，不仅是出于离子交换膜的有限的热稳定性的观点，它们通常不适于工作在100℃以上，而且也是为了尽可能限制产生的水的蒸发和随后因惰性成份和未转换的反应剂从电池内排放而引起的水的排出。此外，由于单个燃料电池的电压对于允许实际应用而言太低，所以这些电池通常是通过双极连接在电气上串联，并按压滤器结构组装而让反应剂并行馈入，如美国专利3,012,086中所说明的。在这样的燃料电池组结构中，即通常所述的堆中，排走热量的问题相对于单个电池的情况更加强化了，因为对于单个电池来说有可能利用通过外壁的热对流。