[发明专利]操作燃料电池系统的方法及可相应地操作的燃料电池系统

说明书

本发明涉及操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括至少一个活性膜片，该活性膜片夹在一个阳极层和一个阴极层之间，并包括催化剂；以及一个通向阳极层的燃料源和一个通向阴极层的空气源，其中空气源供应的空气借助压力引入燃料电池系统，沿阴极层通过，然后离开燃料电池系统，用作氧化剂和冷却剂，本发明也涉及燃料电池系统，该燃料电池系统按照上述方向操作且包括至少一个活性膜片，该活性膜片夹在一个阳极层和一个阴极层之间，并包括催化剂；以及一个通向阳极层的燃料源和一个通向阴极层的空气源。它涉及到反应物源和冷却气体流的功能组合，特别是在具有空气流通过的阴极结构的质子交换膜片(PEM)电化学燃料电池系统中。

发明背景

美国专利第5,595,834号描述了一种圆筒形电池叠，其中包括必要的氧气的空气流从圆周向着圆筒形中空区域。该空气流向燃料电池提供单一电池中反进所必要的氧气的功能。为了冷却在电池间的隔板，这些隔板超越叠的圆周延伸一定距离，以便从所述电池向环境空气散热。氢气的通道是在电池中心附近的中央区域中，并且为输送燃料而连接于电池中的燃料流场。

美国专利第5,470,671号描述了一种燃料电池结构，其中电池(在一直线上布置的、串联的单个电池，或双电池)的所有阴极侧布置在电池装置的圆周上。阴极是每个单个的电池的圆周。因此能够使膜片电极组件中放出的全部热量散至大气中，并在同一流动路径中向膜片供应反应空气流。反应和冷却空气流是相同的。这种现有技术的结构的问题在于，由于不能采用传统的双极堆叠结构，必须有大的体积。另外，必须有复杂的气源和电连接，这一般不允许有产生高电压所需要大量的电池。重量和体积的能量密度，甚至这种结构的效率都很低。

EP 0 929 112描述了一种空气冷却式氢气空气聚合物电解燃料电池，它具有一个双重通道结构冷却板。这种冷却通道结构从板的第一侧至第二侧穿过板，其中这种向燃料电池供应反应物空气的空气通道结构从阴极流场的一个表面伸入冷却板的冷却通道。冷却空气流和反应物空气流有代表性地(cross-sectionally)流动。

DE 196 00 200 C1描述了一种燃料电池，其中两种干燥的或只部分湿化的反应气体之一平行于反应气体进口和反应气体出口之间的温度梯度流动。另外，一个空气流用于冷却目的。

另一方面，DE 40 28 339 A1公开了一种燃料电池系统，其中过量的氢气同时用作反应气体和冷却剂。这需要回收未反应的氢气并将其循环通过燃料电池系统的附加装置，这又导致高的复杂度和低的重量和体积能量密度。

发明内容

通过本发明，可以是单一电池或一叠电池或类似结构的燃料电池系统的冷却可以被简化，同时，系统的关于能量转换、体积和重量的效率可保持有利。

本发明使用具有高化学计量比的空气流。这种空气流含有在阴极催化剂层电化学反应的反应气体氧气，而且，在空气流中含有的氮气主要用作冷却气体。反应和冷却空气流是相同的，并以上述高化学计量比直接送至阴极室。取决于工作条件和电极结构，化学计量比在25至140的范围内，最好在45至90的范围内。由于如此大的空气流量，燃料电池被最佳地且在整个阴极表面上相同地供送氧气。另外，废热被直接从阴极除去。空气流最好在整个有效面积上在通道结构中散布。无需附加的冷却流体和冷却室或冷却片。

按照本发明，冷却板的通道系统得以显著简化，无需带有双重通道结构的专门的冷却板。另外，在膜片表面上的气体分布很均匀、有效，因为反应氧化从冷却空气流通过扩散而带走。这种均匀性导致膜片的恒定温度，因而导致不变的高功率输出。只使用两种气体流，冷却和反应空气流是同一的。这就可尽量减小周边聚集并降低燃料电池量的复杂度。在本发明的一个推荐实施例中，设有一个圆筒形的电池，其中有从中央区域至圆周或反向的空气流。

借助通过适当的、最好是多层的阴极扩散结构，反应氧气离开空气流。如果电流由电池产生，那么驱动氧气扩散流的浓度梯度是由阴极催化剂的氧气消耗产生的。

在这个方面，化学计量比被定义为下述系数，根据这个系数，在实际应用的空气流中的氧气量高于为产生实际电力输出的化学反应所需要的氧化量。

燃料电池可以是矩形几何形状的单一电池或堆叠。矩形形状的优点在于，如果空气流的方向平行于矩形的短边，那么，空气流内的压降相对较小。每个单个电池包括一个膜片、一个多层的、扩散有限的阳极和一个多层的扩散有限的阴极。为反应和冷却空气流而设的阴极空气引导层可以具有通道。空气引导层可由多孔或非多孔材料制成。