[发明专利]采用部分空气加湿的环境压力燃料电池系统

说明书

本申请是中国专利申请No.200480009794.2(申请日：2004年3月3日；发明名称：采用部分空气加湿的环境压力燃料电池系统)的分案申请。

技术领域

本发明涉及在或接近环境压力工作的燃料电池系统，特别涉及在或接近其中部分空气加湿的环境压力工作的燃料电池系统，以及这类系统的工作方法。

背景技术

在技术上人们都知道燃料电池。燃料电池使一种包括氢的燃料流和一种包括氧的氧化剂流发生电化学反应而产生电流。燃料电池已应用于交通、移动及固定电源应用中。

在聚合物电解质薄膜(FEM)燃料电池工作中，水控制问题是关键性的。要求薄膜加湿以保持最佳性能。因为薄膜水含量降低，可能使它失去迁移质子的能力，电阻提高，燃料电池性能降低，薄膜可能失效。为保证薄膜充分加湿，通常对输送到燃料电池组的反应物流进行加湿。同时，必须排除存在于阴极的水，这些水是在阴极产生的，或由于电渗牵引从阳极跨越薄膜传送来的，如不排除这些水，可能浸没阴极。

已采用多种方法加湿输送到燃料电池的反应物流。例如，使反应物流和液态水在一种透水薄膜的相反的侧面流动，可以加湿反应物。燃料电池产生的水可在反应物排气流中冷凝，然后用于加湿。水蒸气或雾化水滴也可注入到反应物流中。使氧化剂流和氧化剂排气流在一个综合热及湿度交换装置中的透水薄膜的相反侧面流动，也可使氧化剂流加热和加湿。在US6007931及共同转让的US6416895B1中，说明了这种装置的例子。

当然，在其他系统要求的范围内，也必须考虑水控制问题。例如，在诸如汽车系统的许多应用中，高功率密度(单位体积的功率输出能力)工作是必要的，这是操作局部载荷的能力。在这类动态载荷条件下，保持燃料电池中合适的水的平衡可能是技术上面临的一个特别挑战。

实现这些目标的一个途径是使燃料电池组在较高压力下工作。燃料电池中反应物较高的分压支持较高的功率密度工作和较高的工作温度。跨过反应物流场较高的压力降也允许从燃料电池中用机械方法清除液态水。然而，这种方法要求昂贵的空气压缩和氢再循环设备，因而使这种发电装置成本提高、更加复杂、尺寸增大，并带来明显的附加功率损失。反应物加湿系统也使动力装置成本提高、更加复杂、尺寸增大。还可使能在高压工作的电池组零件，如密封零件的成本提高。而且，液态水的控制问题也可导致电池在动态负载状态工作不稳定。

另一种方法是采用芯吸或类似的被动装置向薄膜供水。例如，UTC Fuel Cells，LLC发展的聚合物电解质薄膜燃料电池动力装置就采用这种方法。邻接多孔阳极和/或阴极支撑层的多孔传水板很容易把水输送到阳极和/或阴极表面。这样的动力装置可以在近环境压力工作，因而可以降低源于空气压缩机的成本和功率损失。

这个方法也有一些缺点。例如，传水板和冷却液回路很复杂。工作和控制系统也很复杂：所产生的水进入冷却液回路，而又必须清除；在反应物流场和冷却水循环通道之间产生一个压力差，以促使水输送通过多孔支撑层和电池；和/或采用双冷却液回路以保证在较高环境压力下的水平衡。这种动力装置也要求具有冷起动能力的复杂系统，如在停止工作时把甲醇或乙醇引入冷却液通道，以防止存在这里的水冻结，或者引入一种不挥发的有机防冻液到传水板中。而且，在具有多孔传水板的聚合物电解质薄膜燃料电池中采用零相对湿度反应物流进行工作，最终将导致聚合物电解质薄膜电解质的干燥；US2002/0068214A1公开了引入一种阳极和/或阴极电解质干燥阻挡层可以限制电解质中水的损失。为保持充分的水平衡所做的这些工作涉及到附加的成本、重量及体积的增加、以及燃料电池性能的损失，并往往要求复杂的控制装置。

US 6 451 470 B1和CA 2 342 825 A1公开了在垂直于薄膜方向具有透气性梯度的气体扩散层，这种扩散层阻止水透过薄膜扩散(一种“气体扩散阻挡层”，或GDB)。这使得燃料电池可在没有对反应物外部加湿的情况下工作。通过以较高的化学计量把空气输送到阴极流场，这种气体扩散阻挡层结构也可以对燃料电池进行空气冷却。例如，CA2 342 825 A1申请公开所采用的空气比，即化学计量为8-70。