[發(fā)明專利]向燃料電池堆的電池提供反應流體和從中排除產物與惰性流體的方法及設備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01801420.8
• 申請日: 2001-04-04
• 公開（公告）號: CN1381075A
• 公開（公告）日: 2002-11-20
• 發(fā)明（設計）人: 特倫格·V·古延
• 申請（專利權）人: TVN系統(tǒng)公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 巫肖南,黃益芬

?????????????????????????發(fā)明背景

?????????????????????????發(fā)明領域

一般地，本發(fā)明涉及燃料電池領域，更具體地涉及控制向電池提供反應流體和從單個電池和/或電池堆的電池組中排除反應產物與惰性流體的方法及設備。特別地，本發(fā)明涉及適于向電池提供燃料和從中移除反應產物以滿足電池堆中每個電池和/或電池組的個別要求。

???????????????????????現有技術描述

燃料電池是將燃料型的化學能和氧化劑直接轉化成電能的機電裝置。燃料電池一般是根據提供陽極與陰極之間離子導電性的電解質(例如堿、磷酸、固體聚合物、熔融碳酸鹽、固體氧化物)的類型來分類的。使用的燃料電池包括PEM燃料電池、酸性燃料電池和堿性燃料電池。在這點上，PEM是聚合物電解質膜或質子交換膜的縮寫，而且這類膜是質子導電的，因而有利于用作從電池陽極向陰極傳送質子的電解質。本發(fā)明一般適用于這些類型電池的每一種。

燃料電池一般包括七個主要部件，即1)陽極集電體，作為引導電子離開電池的負極端子；2)分配和供給燃料于陽極并提供陽極集電體與陽極之間電接觸的流體板；3)陽極，包括多孔的擴散層和燃料在其中氧化(例如氧化氫燃料以形成質子和電子)的催化劑層；4)提供陽極與陰極之間離子導電性的電解質，對于PEM燃料電池，該電解質在所有電池中為質子導電膜；5)結構與陽極類似的陰極，在陰極中氧化劑被還原(例如氧與質子和電子反應形成水)；6)分配和供給氧化劑于陰極并且提供陰極與陰極集電體之間電接觸的流體分配器板；及7)陰極集電體，作為引導電子返回電池的正極端子。

在燃料電池運行期間，使燃料如氫通過燃料入口流入電池，并且通過位于燃料電池陽極一側的燃料分配器板分配該燃料。氫通過陽極擴散層由燃料分配器板擴散至陽極中的催化劑層，在這里氫被氧化生成質子和電子。電子通過燃料分配器板從陽極傳導至陽極集電體，并傳導出電池為電氣裝置提供動力。質子穿越PEM傳輸至陰極。

使氧化劑如氧通過氧化劑入口流入電池，并且通過位于電池陰極一側的氧化劑分配器板分配該氧化劑。氧通過陰極擴散層由氧化劑分配器板擴散至陰極中的催化劑層，在這里氧與陽極產生的質子和電子反應生成水。電子由電氣裝置引導回電池并通過陰極集電體和氧化劑流體分配器板傳導至陰極。在陰極催化劑層中生成的產物水通過陰極擴散層擴散至氧化劑流體分配器板中的流體通道，并且通過過量的氧化劑流和/或引入的氧化劑流中的惰性材料流從電池中除去。

燃料電池通常產生相當于約1.0V的電壓。因此，為了產生更大的電壓，需要將多個燃料電池串聯地堆疊，以形成燃料電池堆。對于給定電池堆的電池，通常安裝有共同的燃料(例如氫或甲醇和水)入口、共同的燃料出口、共同的氧化劑(例如氧或空氣)入口和共同的氧化劑出口。對于電池堆中的每個電池，燃料和氧化劑是通過這些共同的入口進料給各個電池的，而電池堆的每個電池中的產物水、惰性材料、過量的燃料和/或過量的氧化劑則通過這些共同的出口從各電池中除去。為了防止產物水、惰性材料、過量燃料和/或過量氧化劑在電池中累積，并且保持電池中所有反應物適當高的濃度，在過去通常需要連續(xù)或經常地排除燃料和/或氧化劑。這導致低的燃料和/或氧化劑利用率，從而需要大量的附加動力以將所需的燃料流和/或氧化劑流提供給電池堆。而且，基本上不可能提供尺寸和形態(tài)特性(例如孔隙度、彎曲度、潤濕特性)相同的燃料電池。因此，給定電池堆的各電池在運行期間的流阻性能是不均勻的。

這種電池堆電池之間的流阻不均勻性導致流入和通過電池的流體不均勻，致使電池到電池的性能不均勻和電池堆的性能不理想。具有如此大的流阻以至于不適當地限制了引入的燃料或氧化劑流和/或阻止了產物或惰性流體適當排除的電池，變得急需燃料和/或流體氧化劑，同時導致性能不良，甚至可能導致電池完全失效。不理想的性能還包括爆炸的危險。在燃料電池堆中，接收的反應物不足以抵抗得自電池堆電流的電池可能逆轉，從而在電池中產生潛在的爆炸混合物。例如，當氫-氧電池逆轉時，在存在氧的陰極產生氫，并且在存在氫的陽極產生氧，因而在兩個隔室中產生氫與氧的爆炸性流體混合物。