[发明专利]运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法

说明书

本申请是于2008年9月24日提交的名称为“运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法”的发明专利申请200780010642.8的分案申请。

发明的优先权

根据35U.S.C§119(e)，本非临时申请要求享有于2006年1月25日提交的第60/743,173号美国临时专利申请的优先权的权益，该临时专利申请以引用的方式将其全部内容纳入本说明书中。

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且更具体而言，涉及运行具有封闭的燃料供给系统的被动、吸气式燃料电池的方法。本方法的实施方案可用来延长运行时间并获得高的燃料的利用率。

版权

本专利文件的公开内容中的一部分包含受到版权保护的资料。虽然版权所有者不反对任何人复制该专利文件或专利公开内容，如其在美国专利商标局的专利文件或记录中所发表的一样，否则将保留所有的版权权利。以下声明适用于如下面以及在构成本文件的一部分的附图中所述的软件和数据：版权2005，Angstrom Power Inc.版权所有。

背景技术

电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化成电能。固态聚合物电化学燃料电池通常使用放置在两个电极（一个阳极和一个阴极）之间的离子交换膜或别的某种固态聚合物电解质，每个电极都包括一层诱导产生预期电化学反应的催化剂。一种常规的氢燃料电池系统的实施方案在图1中用10示意地表示出来。它包括阳极12和氢气入口14，以及阴极18和空气入口20。氢气在入口14进入燃料电池，在阳极12被氧化而形成质子16和电子17。通常来自空气的氧气在阴极18被还原而形成水22。燃料电池系统也包括用于质子从阳极12通往阴极18的质子交换膜24。除了传导氢离子，膜24还将氢燃料流和氧化剂流隔离。常规的燃料电池也包括分别用于氧化剂和燃料的出口24和26。

在许多常规的燃料电池中，导电的反应物流场板用来引导加压的反应物流以流过在反应物流的入口和出口之间的阳极和阴极，该反应物流可以被加压。通常，此种反应物流场板具有至少一个形成在一面或两面上的流动通道或沟槽。流体流场板充当集电器，为电极提供支持，为燃料和氧化剂提供到达各自的阳极表面和阴极表面的访问沟槽或通道，以及为排出在电池运行期间生成的诸如水之类的反应产物提供通道。

如果整个电极没有被供给充足的反应物，那么燃料电池的性能会严重降低。因此，为确保在电极处有充足供给而向燃料电池提供过量反应物，这在常规的燃料电池中已成为一种常见的做法。对于阳极电极而言，这通常会浪费昂贵的燃料——结果降低了燃料的利用率，燃料的利用率即供给的燃料量与生产电能所实际消耗的燃料量的比值。理想情况是所有供给到燃料电池的燃料都被用来生产电能（燃料的利用率为1或100%）。

一些燃料电池被设计成在反应物侧的一侧或两侧以封闭模式运行，从而试图增加反应物的利用率。在这些情况下，在封闭侧所使用的反应物通常基本上是纯的。然而，与此类系统相关的问题之一便是非反应成分的积聚，该非反应成分往往会堆积在阳极上并稀释局部的燃料浓度。如果不能得到维持功率需求所需的燃料供给（即使在系统中个别燃料电池内的局部），那么燃料电池系统可能会遭受总体或局部的燃料不足。燃料不足可能会给燃料电池造成永久的、不能挽回的、实质性的损坏，结果导致系统的低性能或者使得系统完全损坏。

往往积聚在封闭的燃料系统中的阳极的非反应成分有多种来源。一个就是燃料流自身中的杂质——即使燃料基本上是纯的且其他成分的浓度很低，这些成分也会随着时间的推移而慢慢堆积在封闭系统中。同样，在阴极生成的水和空气中的氮气（在吸气式配置中）也会往往穿过电解质并积聚在阳极

一个典型的解决方法是在燃料通道的某处包括一个放气阀（它在封闭系统的运行中通常是封闭的），用来定期排出可能在封闭系统的运行中堆积在阳极的非反应成分的积聚物。在常规的燃料电池的放气系统中，放气阀有时被打开，例如，手动地或以规律的固定时间间隔，或者为响应一些监测参数而被打开。可替换地，一个连续的反应物的小排气孔可以被用来防止非反应成分的积聚。可以成形一个贯穿燃料电池系统的反应物流动路径，以使得非反应成分往往首先仅积聚在燃料电池组件中的一个或几个燃料电池上，而不是积聚在该组件中的每一个电池的出口区域中。

此种系统并非是完全没有出口（dead-ended），并且虽然进行放气或者用一个连续的排气孔可以提高具有封闭的燃料供给的系统的燃料电池性能，但它却浪费了昂贵的燃料——因此降低了燃料的利用率。如果需要放气设备的话，那么它同样增加了系统的附加负荷和复杂性。此外，将氢气释放到周围环境中可能也是不受欢迎的。