[发明专利]具有集成的水汽传递区域的燃料电池

说明书

本公开提供了一种具有水汽传递区域的集成燃料电池，其中集成燃料电池包括第一双极板、第二双极板和设置在第一和第二双极板之间的膜电极组件(MEA)。膜电极组件还包括水汽传递部分和至少一个活性区部分，所述活性区部分配置为在促进涉及含氢的输入流和含氧的输入流的反应的同时，产生电力并提供水副产物。

技术领域

本发明涉及一种改进的燃料电池，以及具有集成在每个燃料电池内的水汽传递区域的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池系统用作电动车辆、固定电源和其他应用的电源。一种已知的燃料电池堆系统是质子交换膜(PEM)燃料电池堆系统，其包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件包括薄的固态聚合物膜-电解质，其在一个面上具有负极而在相对面上具有正极。MEA夹在一对导电接触元件之间，所述导电接触元件用作负极和正极的集电器，其可在其中包含适当的通道和开口，用于将燃料电池堆系统的气态反应物(即，H2和O2或空气)分配在相应的负极和正极的表面上。

PEM燃料电池包括多个以电串联的形式堆叠在一起，同时又被称为双极板或集电器的不可渗透的导电接触元件隔开的MEA。燃料电池堆系统以使MEA保持在湿润状态的方式工作。MEA的湿度水平影响燃料电池堆系统的性能。另外，如果MEA在太干的状态下工作，则MEA的使用寿命可能会缩短。为了避免MEA变干，典型的燃料电池堆系统在MEA处于所需的湿度水平的条件下工作，其中在电力生产期间在燃料电池中形成液态水。另外，供应给燃料电池堆系统的正极和负极反应气体也被加湿，以防止反应气体入口附近的位置的MEA干燥。传统上，使用水汽传递(WVT)单元，在正极反应气体进入燃料电池之前对其加湿。参见，例如，Forte等人的美国专利第7,138,197号是一种操作燃料电池堆系统的方法，其全部内容通过引用并入本文。

PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极位于作为薄催化剂层的膜的相对侧。类似地，在与每个薄催化剂层相邻的组件的每一侧上提供有微孔层和气体扩散层。气体扩散层是膜电极组件(MEA)每一侧的最外层。气体扩散层(GDL)通常由非织造碳纤维纸或织造碳布组成。提供GDL主要用于实现导电性，并帮助气体与催化剂接触。GDL用作催化剂层的载体，提供良好的机械强度，并且易于气体进入催化剂并改善导电性。微孔层的目的是最小化GDL和催化剂层之间的接触电阻，限制催化剂至GDL内部的损失，并且有助于改善水管理，因为它提供有效的水传输。因此，电极(催化剂层)、膜、微孔层和气体扩散层一起形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在两个双极板之间，以形成燃料电池装置。

众所周知，氢被供应到燃料电池堆中的燃料电池，以引起必要的化学反应，以使用电力为车辆提供动力。传统的燃料电池中的这种化学反应的副产物之一是蒸汽和/或液体形式的水。还希望提供潮湿的空气作为燃料电池堆的输入，从而对于给定的燃料电池堆尺寸，使其性能输出最大化。潮湿的空气还可以防止燃料电池膜的过早的机械和化学降解。

输入的空气通常由压缩机供应，而电池堆外部的水传递装置传统上在燃料电池系统中实施，以向由压缩机供应的输入空气增加湿度，湿度来源通常来自载有产品-水的电池堆正极出口流。除了其他部件，传统燃料电池系统中的这些部件增加燃料电池系统的成本，并且还占用封装空间。在许多应用中，例如但不限于车辆，封装空间是有限的。

因此，需要在合理成本下尽可能集成燃料电池系统中的部件。

发明内容

在本公开的一个实施例中，提供了一种具有集成的水传递区域的燃料电池，其中集成燃料电池包括第一双极板、第二双极板和设置在第一和第二双极板之间的膜电极组件(MEA)。膜电极组件还包括水汽传递部分和燃料电池活性区部分。水汽部分配置为传输湿度，而活性区部分包括两个电极，并且配置为在促进涉及带氢的输入流和带氧的输入气流的反应的同时，产生电力并提供水副产物。