[發明專利]運行具有被動反應物供給的燃料電池系統的方法

有效

• 申請號: 201210199694.7
• 申請日: 2007-01-25
• 公開（公告）號: CN102820479A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: J·齊默爾曼;J·羅伯茨;J·施魯特恩
• 申請（專利權）人: 法商BIC公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/24
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 楊勇;鄭建暉

本申請是于2008年9月24日提交的名稱為“運行具有被動反應物供給的燃料電池系統的方法”的發明專利申請200780010642.8的分案申請。

發明的優先權

根據35U.S.C§119(e)，本非臨時申請要求享有于2006年1月25日提交的第60/743,173號美國臨時專利申請的優先權的權益，該臨時專利申請以引用的方式將其全部內容納入本說明書中。

技術領域

本發明涉及燃料電池，并且更具體而言，涉及運行具有封閉的燃料供給系統的被動、吸氣式燃料電池的方法。本方法的實施方案可用來延長運行時間并獲得高的燃料的利用率。

版權

本專利文件的公開內容中的一部分包含受到版權保護的資料。雖然版權所有者不反對任何人復制該專利文件或專利公開內容，如其在美國專利商標局的專利文件或記錄中所發表的一樣，否則將保留所有的版權權利。以下聲明適用于如下面以及在構成本文件的一部分的附圖中所述的軟件和數據：版權2005，Angstrom?Power?Inc.版權所有。

背景技術

電化學燃料電池將燃料和氧化劑轉化成電能。固態聚合物電化學燃料電池通常使用放置在兩個電極（一個陽極和一個陰極）之間的離子交換膜或別的某種固態聚合物電解質，每個電極都包括一層誘導產生預期電化學反應的催化劑。一種常規的氫燃料電池系統的實施方案在圖1中用10示意地表示出來。它包括陽極12和氫氣入口14，以及陰極18和空氣入口20。氫氣在入口14進入燃料電池，在陽極12被氧化而形成質子16和電子17。通常來自空氣的氧氣在陰極18被還原而形成水22。燃料電池系統也包括用于質子從陽極12通往陰極18的質子交換膜24。除了傳導氫離子，膜24還將氫燃料流和氧化劑流隔離。常規的燃料電池也包括分別用于氧化劑和燃料的出口24和26。

在許多常規的燃料電池中，導電的反應物流場板用來引導加壓的反應物流以流過在反應物流的入口和出口之間的陽極和陰極，該反應物流可以被加壓。通常，此種反應物流場板具有至少一個形成在一面或兩面上的流動通道或溝槽。流體流場板充當集電器，為電極提供支持，為燃料和氧化劑提供到達各自的陽極表面和陰極表面的訪問溝槽或通道，以及為排出在電池運行期間生成的諸如水之類的反應產物提供通道。

如果整個電極沒有被供給充足的反應物，那么燃料電池的性能會嚴重降低。因此，為確保在電極處有充足供給而向燃料電池提供過量反應物，這在常規的燃料電池中已成為一種常見的做法。對于陽極電極而言，這通常會浪費昂貴的燃料——結果降低了燃料的利用率，燃料的利用率即供給的燃料量與生產電能所實際消耗的燃料量的比值。理想情況是所有供給到燃料電池的燃料都被用來生產電能（燃料的利用率為1或100%）。

一些燃料電池被設計成在反應物側的一側或兩側以封閉模式運行，從而試圖增加反應物的利用率。在這些情況下，在封閉側所使用的反應物通常基本上是純的。然而，與此類系統相關的問題之一便是非反應成分的積聚，該非反應成分往往會堆積在陽極上并稀釋局部的燃料濃度。如果不能得到維持功率需求所需的燃料供給（即使在系統中個別燃料電池內的局部），那么燃料電池系統可能會遭受總體或局部的燃料不足。燃料不足可能會給燃料電池造成永久的、不能挽回的、實質性的損壞，結果導致系統的低性能或者使得系統完全損壞。

往往積聚在封閉的燃料系統中的陽極的非反應成分有多種來源。一個就是燃料流自身中的雜質——即使燃料基本上是純的且其他成分的濃度很低，這些成分也會隨著時間的推移而慢慢堆積在封閉系統中。同樣，在陰極生成的水和空氣中的氮氣（在吸氣式配置中）也會往往穿過電解質并積聚在陽極

一個典型的解決方法是在燃料通道的某處包括一個放氣閥（它在封閉系統的運行中通常是封閉的），用來定期排出可能在封閉系統的運行中堆積在陽極的非反應成分的積聚物。在常規的燃料電池的放氣系統中，放氣閥有時被打開，例如，手動地或以規律的固定時間間隔，或者為響應一些監測參數而被打開。可替換地，一個連續的反應物的小排氣孔可以被用來防止非反應成分的積聚。可以成形一個貫穿燃料電池系統的反應物流動路徑，以使得非反應成分往往首先僅積聚在燃料電池組件中的一個或幾個燃料電池上，而不是積聚在該組件中的每一個電池的出口區域中。

此種系統并非是完全沒有出口（dead-ended），并且雖然進行放氣或者用一個連續的排氣孔可以提高具有封閉的燃料供給的系統的燃料電池性能，但它卻浪費了昂貴的燃料——因此降低了燃料的利用率。如果需要放氣設備的話，那么它同樣增加了系統的附加負荷和復雜性。此外，將氫氣釋放到周圍環境中可能也是不受歡迎的。