[发明专利]用于改进水去除、改善抗冻能力、改进清除能量效率和由关闭/开启循环引起的电压降的慢清除系统

说明书

发明领域

本发明通常涉及燃料电池系统，特别涉及具有提高电化学稳定性和水管理的双极板。

背景技术

燃料电池作为电源被应用于很多领域。例如，建议将燃料电池代替内燃机应用于电动汽车。在PEM型燃料电池中，氢供应到燃料电池的阳极，氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的质子传输非电子导电的固体聚合物电解质膜，在该电解质膜的一面具有阳极催化剂，相对的另一面具有阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，有时称为气体扩散介质(DM)元件，其(1)作为阳极和阴极的集流体；(2)在其中包含适当的开口，用于分散各阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池的气体反应物；(3)清除从电极到流体场通道的产品水蒸气或液态水；(4)是导热的以散热；和(5)具有机械强度。术语燃料电池通常为单个电池或多个电池(例如，堆(stack))，取决于上下文。多个单独的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆，并且通常为串联。堆中的每个燃料电池包括前述的MEA，并且每个上述的MEA提供电压增量。

在PEM燃料电池中，氢气(H₂)是阳极反应物(即，燃料)，而氧气是阴极反应物(即，氧化剂)。氧气可以是纯态(O₂)，或空气(O₂和N₂的混合)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂，例如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括细分散的催化剂颗粒，其通常负载在碳颗粒上，并与质子导电树脂混合。催化颗粒通常是贵重的贵金属颗粒。这些膜电极组件的制造相对较贵，且需要一定的条件以有效操作，包括适当的水管理和湿润，以及催化剂污染成分，例如一氧化碳(CO)的控制。

涉及PEM和其它相关类型的燃料电池系统的技术的例子可以在以下专利文献中找到，共同转让的Witherspoon等人的美国专利US3,985,578；Swathirajan等人的US5,272,017；Li等人的US5,624,769；Neutzler等人的US5,776,624；DiPiemo Bosco等人的US6,103,409；Swathirajan等人的US6,277,513；Woods，III等人的US6,350,539；Fronk等人的US6,372,376；Mathias等人的US6,376,111；Vyas等人的US6,521,381；Sompalli等人的US6,524,736；Senner的US6,528,191；Fly等人的US6,566,004；Forte等人的US6,630,260；Fly等人的US6,663,994；Senner的US6,740,433；Nelson等人的US6,777,120；Brady等人的US6,793,544；Rapaport等人的US6,794,068；Blunk等人的US6,811,918；Mathias等人的US6,824,909；Senner等人的美国专利申请公开No.2004/0229087；O`Hara的2005/0026012；O`Hara等人的2005/0026018；和O`Hara等人的2005/0026523，上述所有专利的全篇说明书在此特别引入以供参考。

在传统的PEM燃料电池堆中，电池反应产生水，且必须从电池堆中除去水。传统的技术使用快速机械清除工艺。其具有几个缺点，包括高能量损耗，并且最初通过“机械”方法清除水，即，将液态水对流循环出电池堆。并且，上述技术可以在脊下留下大量液体的水，可以有助于包括损害脊下DM和MEA的冻结耐久性问题。此外，由于不完全清除水提高了相对湿度(RH)，上述技术将提供较所需更高的碳腐蚀。

一种可替代的技术使用高功率的清除约100-120秒。但是，这项技术需要相对高的能耗，且对于清除液态水，特别是脊下的液态水不是很有效。例如，对于100kW总功率的堆来说，现有的120秒的清除能耗为5W×120秒＝600kJ。长时间清除需要约150kJ。长时间策略需要另一能量转换步骤(即，将电池充电)。

此外，需要一种新的改进的燃料电池系统的慢清除工艺，使其改进水去除、冻结性、清除能量效率和/或由于停止/启动循环特性的电压降级。

发明内容