[发明专利]用于PEMFC电池组歧管的除水部件

说明书

技术领域

本发明通常涉及燃料电池系统，且特定地涉及用于燃料电池组的除 水系统。

背景技术

燃料电池作为能源已经在众多应用中得到使用。例如，已经提出了 在电动交通工具动力装置中使用燃料电池以替换内燃机。在PEM型燃料电池 中，将氢供应到燃料电池的阳极上并且将氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料 电池包括膜电极组件(MEA)，其包含薄的、质子传导性的、非导电的固体聚合 物电解膜，该膜的一个表面上具有阳极催化剂并且与该表面相对的表面上具有 阴极催化剂。该MEA夹在一对导电元件之间，有时候被称作气体扩散介质部件， 即：(1)作为阳极和阴极的电流收集器；(2)其中包含适当的开口，其用于在 各个阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应物；(3)把产物水蒸 气或液态水从电极移出到流场沟道；(4)对于排热来说是导热的；以及(5)具 有机械强度。通常使用术语燃料电池指代依据本文的单一电池或者多个电池(例 如，电池组)。多个分立的电池一般被绑定在一起以形成一燃料电池组并且一般 串联布置。电池组中的每一个电池包含前述MEA，并且每一个这种MEA提供 电压增量。

在PEM燃料电池中，氢气(H₂)是阳极反应物(即，燃料)以及氧 气是阴极反应物(即，氧化剂)。所述氧气可以是纯氧(O₂)，或空气(O₂和N₂的混合物)。固体聚合物电解液通常由诸如全氟璜酸(perfluoronated sulfonic acid) 的离子交换树脂制成。阳极/阴极通常包含精细分开的催化剂粒子，其通常被支 撑在碳粒子上，并且与质子传导树脂相混合。该催化剂粒子通常是昂贵的贵重 金属粒子。这些膜电极组件制造起来相对昂贵并且需要特定的条件用以进行有 效工作，特定的条件包括适当的水管理和加湿，以及对催化剂污染组分诸如一 氧化碳(CO)的有效控制。

可以参考如下文件而得知涉及到PEM的技术以及其它相关类型的燃 料电池系统的实例：共同转让的授予Witherspoon等的美国专利3985578；授予 Swathirajan等的5272017；授予Li等的5624769；授予Neutzler的5776624；授 予DiPierno Bosco等的的6103409；授予Swathirajan等的6277513；授予Woods  III等的的6350539；授予Fronk等的6372376；授予Mathias等的6376111；授 予Vyas等的6521381；授予Sompalli等的6524736；授予Senner的6528191； 授予Fly等的6566004；授予Forte等的6630260；授予Fly的6663994；授予Senner 的6740433；授予Nelson等的6777120；授予Brady等的6793544；授予Rapaport 等的6794068；授予Blunk的6811918；授予Mathias等的6824909；授予Senner 的美国专利申请公开2004/0229087；授予O’Hara的2005/0026012；授予O’Hara 等的2005/0026018；授予O’Hara等的2005/0026523，所有这些的全部说明被明 确地通过援引而合并入本文。

在常规PEM燃料电池组中，在电池反应中产生水。水必须同使用过 的反应气体一起从电池组中移除，并且通常流经相同的反应物流动沟槽和歧管。 当水朝着电池组的出口以液滴、块状、以及膜状的液态聚集时，这趋于阻碍反 应物气体的流动，因而导致在电池组工作中的不稳定和性能退化。本发明提出 了一种可以克服水在流场沟槽中的聚积的方法，即双极板的亲水涂层。使用这 种高可湿性的材料，包括二氧化硅、氧化钛、或其它类似金属氧化物，从气体 扩散介质流入到流场中的水将有助于形成薄的液体膜，而不会显著阻止反应气 体流。该方法表现出对燃料电池组的工作稳定性的显著改善，特别是在低功率 条件下难以实现在分立电池中反应物的平均分配的情况下。