[发明专利]具有流体流量分配特征的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及包括流体流量分配特征的燃料电池系统。

背景技术

当前，燃料电池系统被提出用作各种商业和非商业应用的功率源。具体地，燃料电池系统被日益增加地用作机动车辆中的内燃发动机的替代品。这种系统在共有的美国专利No. 7,459,227中被公开，该文献以引用的方式全文结合到本文。典型地，燃料电池系统产生电力，该电力于是被用于向蓄电池充电或者向电动马达提供功率。燃料电池系统还能够被用作建筑物和住所中的固定电站，以及用作摄像机、计算机等的便携式电源。

燃料电池系统通常包括被捆扎在一起并且以电气串联的方式设置成堆的多个燃料电池。由于燃料电池被组装成不同尺寸的堆，因此燃料电池系统能够被设计成产生期望能量输出水平，从而提供对于不同应用而言的设计灵活性。燃料电池是直接结合气态反应物（例如，燃料（例如，氢）和氧化剂（例如，氧气））以产生电力的电化学装置。氧气通常由空气流来供应。气态反应物结合从而导致形成水。例如，还能够使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油、以及煤衍生合成燃料。燃料电池系统所利用的基本过程是有效的、大致无污染的、安静的、不存在可动部件的（除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器外），并且能够构造成仅留有热量和水作为副产物。

能够提供不同的燃料电池类型，例如，磷酸、碱、熔融碳酸盐、固态氧化物和质子交换膜（PEM）。PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物电解质膜分隔开的两个电极。每个电极在一侧上涂覆有薄催化剂层。电极、催化剂和膜一起形成膜电极组件（MEA）。

在典型PEM型燃料电池中，MEA被夹设在阳极和阴极扩散介质（下文称为“DM”）或扩散层之间，这些扩散介质或扩散层由例如碳纤维或碳纸之类的弹性、导电且气体可渗透的材料形成。DM用作阳极和阴极的主电流收集器，以及向MEA提供机械支承。另选地，DM能够包含催化剂层并且与膜接触。DM和MEA被压制在一对导电板之间，该对导电板用作收集来自主电流收集器的电流的次级电流收集器。这些板在双极板的情况下在该堆内部的相邻电池之间传导电流，并且在该堆的末端处的单极板的情况下将电流传导到该堆外。

次级电流收集器板每个均包含至少一个活性区域，该活性区域将气态反应物分配到阳极和阴极的主表面上。这些活性区域（也公知为流场）通常包括多个凸台，这些凸台接合主电流收集器并且在其间限定多个沟槽或流动通道。这些通道将燃料和氧化剂供应给在PEM任一侧上的电极。具体地，燃料流经通道到达阳极，在该阳极处，催化剂促进其分离成质子和电子。在PEM的相对侧上，氧化剂流经通道到达阴极，在该阴极处，氧化剂吸引通过PEM的质子。电子被捕获从而作为通过外部电路的有用能量，并且在阴极侧与质子和氧化剂结合以产生水汽。

为了在期望效率范围内进行实施，期望的是将膜保持在湿化状况下。因此，有必要提供一种将燃料电池膜保持在湿化状况下的机构。湿化状况有助于避免膜寿命缩短并且有助于保持期望操作效率。例如，膜的低水含量导致更高的质子传导阻抗，因此导致更高的欧姆电压损耗。原料气的湿化（尤其在阴极入口处）是期望的，以便保持膜中的足够水含量。燃料电池的湿化在共有的美国专利No. 7,036,466、共有的美国专利申请公布No. 2006/0029837以及共有的美国专利No. 7,572,531中被讨论，这些文献都以引用的方式全文结合到本文。

为了保持期望水分含量，常常使用空气湿化器来湿化用于燃料电池中的空气供应流。空气湿化器通常包括圆形或盒形空气湿化模块，该空气湿化模块被安装到空气湿化器的壳体内。这类空气湿化器的示例在美国专利No. 7,156,379以及美国专利No. 6,471,195中被示出并描述，这些文献都以引用的方式全文结合到本文。

膜湿化器（例如，水汽传递（WVT）单元）已经被用于实现燃料电池的湿化要求。对于汽车燃料电池湿化应用而言，这种膜湿化器需要是紧凑的，具有低压降，并且具有高性能特征。典型的WVT单元包括湿板，该湿板包括在其中形成的与扩散介质相邻的多个流动通道。湿板的流动通道适于将潮湿流体从燃料电池的阴极传送到排出口。典型的WVT单元还包括干板，该干板包括在其中形成的与扩散介质相邻的多个流动通道。干板的流动通道适于将干燥流体从气源传送到燃料电池的阴极。类似的WVT单元能够用于燃料电池的阳极侧，或根据需要以其他方式被使用。