[發(fā)明專利]用于改進水去除、改善抗凍能力、改進清除能量效率和由關閉/開啟循環(huán)引起的電壓降的慢清除系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710305176.8
• 申請日: 2007-11-09
• 公開（公告）號: CN101227007A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設計）人: J·C·費格利;張艷;余代強
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 呂彩霞;韋欣華

發(fā)明領域

本發(fā)明通常涉及燃料電池系統(tǒng)，特別涉及具有提高電化學穩(wěn)定性和水管理的雙極板。

背景技術

燃料電池作為電源被應用于很多領域。例如，建議將燃料電池代替內燃機應用于電動汽車。在PEM型燃料電池中，氫供應到燃料電池的陽極，氧作為氧化劑供應到陰極。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包括薄的質子傳輸非電子導電的固體聚合物電解質膜，在該電解質膜的一面具有陽極催化劑，相對的另一面具有陰極催化劑。MEA被夾在一對導電元件之間，有時稱為氣體擴散介質(DM)元件，其(1)作為陽極和陰極的集流體；(2)在其中包含適當?shù)拈_口，用于分散各陽極和陰極催化劑表面上的燃料電池的氣體反應物；(3)清除從電極到流體場通道的產(chǎn)品水蒸氣或液態(tài)水；(4)是導熱的以散熱；和(5)具有機械強度。術語燃料電池通常為單個電池或多個電池(例如，堆(stack))，取決于上下文。多個單獨的電池通常捆綁在一起形成燃料電池堆，并且通常為串聯(lián)。堆中的每個燃料電池包括前述的MEA，并且每個上述的MEA提供電壓增量。

在PEM燃料電池中，氫氣(H₂)是陽極反應物(即，燃料)，而氧氣是陰極反應物(即，氧化劑)。氧氣可以是純態(tài)(O₂)，或空氣(O₂和N₂的混合)。固體聚合物電解質通常由離子交換樹脂，例如全氟磺酸制成。陽極/陰極通常包括細分散的催化劑顆粒，其通常負載在碳顆粒上，并與質子導電樹脂混合。催化顆粒通常是貴重的貴金屬顆粒。這些膜電極組件的制造相對較貴，且需要一定的條件以有效操作，包括適當?shù)乃芾砗蜐駶櫍约按呋瘎┪廴境煞郑缫谎趸?CO)的控制。

涉及PEM和其它相關類型的燃料電池系統(tǒng)的技術的例子可以在以下專利文獻中找到，共同轉讓的Witherspoon等人的美國專利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等人的美國專利申請公開No.2004/0229087；O`Hara的2005/0026012；O`Hara等人的2005/0026018；和O`Hara等人的2005/0026523，上述所有專利的全篇說明書在此特別引入以供參考。

在傳統(tǒng)的PEM燃料電池堆中，電池反應產(chǎn)生水，且必須從電池堆中除去水。傳統(tǒng)的技術使用快速機械清除工藝。其具有幾個缺點，包括高能量損耗，并且最初通過“機械”方法清除水，即，將液態(tài)水對流循環(huán)出電池堆。并且，上述技術可以在脊下留下大量液體的水，可以有助于包括損害脊下DM和MEA的凍結耐久性問題。此外，由于不完全清除水提高了相對濕度(RH)，上述技術將提供較所需更高的碳腐蝕。

一種可替代的技術使用高功率的清除約100-120秒。但是，這項技術需要相對高的能耗，且對于清除液態(tài)水，特別是脊下的液態(tài)水不是很有效。例如，對于100kW總功率的堆來說，現(xiàn)有的120秒的清除能耗為5W×120秒＝600kJ。長時間清除需要約150kJ。長時間策略需要另一能量轉換步驟(即，將電池充電)。

此外，需要一種新的改進的燃料電池系統(tǒng)的慢清除工藝，使其改進水去除、凍結性、清除能量效率和/或由于停止/啟動循環(huán)特性的電壓降級。

發(fā)明內容