专利名称：燃料电池中的水处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及将燃料和氧化剂转换为电能和反应产物的电化学燃料电池，如固体聚合物电解质燃料电池。
图1示出了传统燃料电池10的典型结构，其中，为了清楚起见，以分解的形式示出各层。固体聚合物离子迁移膜11被夹于阳极12和阴极13之间。一般而言，阳极12和阴极13都由导电的多孔材料形成，例如由多孔碳形成，它们粘合有铂和/或其它贵金属催化剂小颗粒。阳极12和阴极13常常直接分别粘合到膜11的相邻表面。这种组合通常称为膜电极组件或MEA。
夹入的聚合物膜和多孔电极层是阳极流体流场板(fluid flow field plate)14和阴极流体流场板15。在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间还可以采用中间垫层12a和13a。这些垫层是多孔性的并被构成为能确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面以及从阳极和阴极表面有效地扩散，并且有助于水蒸汽和液态水的处理。
流体流场板14、15由导电的非渗透(no-porous)材料形成，借助于这种材料可与各阳极12或阴极13电性接触。同时，流体流场板必须有助于将液体燃料、氧化剂和/或反应产物输送到多孔电极和/或从多孔电极中排出。这通常通过在流体流场板的表面形成流体流动通路来实现，例如在所述表面上设置提供给多孔电极12、13的凹槽或通道16。
参考图2a，如图2a所示，一种流体流动通道的传统结构是在具有入口总管21和出口总管22的阳极14(或阴极15)的面上设置蛇形结构20。根据传统设计，应该了解，蛇形结构20包括在板14(或15)表面的通道16，同时每一总管21和22包括穿过所述板的孔，致使输送到通道16或从通道16排出的液体可以在垂直于板的方向上穿过板的堆叠体(stack of plates)的深度连通，具体如图2b示出的A-A横截面上的箭头所示。
可以为传送到这些板中的未示出的其它通道的燃料、氧化剂、其它流体或排出物提供其它的总管孔23、25。
流体流场板14、15中的通道16两端可以是开口端，也就是说，如所示出的那样，在入口总管21和出口总管22之间延伸的通道可使流体连续通过，通常用于氧化剂供应和反应物排出。或者，可将通道16的一端封闭，即，每一通道仅与入口总管21连通，以供给流体，这取决于气态物质完全100％地传送到MEA的多孔电极或从多孔电极中传递出来。封闭的通道一般可用于将氢燃料输送到梳型(comb type)结构中的MEA 11-13。
参考图3，该图为形成传统燃料电池组件30的板的堆叠体的部分横截面图。在该结构中，相邻的阳极和阴极流体流场板以传统方式组合，以形成一面具有阳极通道32而反面具有阴极通道33的单个双极板31，每一双极板都与各个膜电极组件(MEA)34相邻。入口总管孔21和出口总管孔22全部叠置(overlay)，以给整个堆叠体提供入口和出口总管。为了清楚起见，尽管略微隔开地示出了所述堆叠体的多种元件，但应理解，如果需要，可用密封垫圈将它们压在一起。
为了获得来自燃料电池的高而持续的功率供给能力，通常在膜电极组件中、具体而言在膜中需要维持高含水量。
在现有技术中，这通常通过对经过总管21、22或23和通道16供应的进给气体、或者燃料、空气或者这两者加湿来实现。换句话说，在通道16中引入处于汽相的水{以下称为“含气水(gaseous water)”}。这多少也有助于燃料电池组件内部的热处理。
另一种方法是将处于液相的水(以下称为“液态水”)直接输送给膜11、34，例如直接输送给电极表面或者到双极板31的通道16内。这种技术的优点是，不仅提供水以维持膜的高含水量，还可通过蒸发和提取(extract)蒸发潜热来显著冷却燃料电池。在国际专利申请PCT/GB03/02973(提交本申请时还未公开)中已经详细说明了用于将液相水直接引到电极表面或引入通道16的技术。因此，在本申请的适当部分将重复该文件的相关部分。
这种通过排出气流提取热能的直接热转移过程(heat removal process)具有明显的优点，即省去了在燃料电池堆(fuel cell stack)组件内部的中间冷却板。
本发明的目的是提供一种方法和设备，以便通过在阴极电极的通道16中引入余量水(excess water)改善蒸发冷却的燃料电池堆的工作。
根据本发明的一方面，提供一种使具有阳极、离子迁移膜和阴极的电化学燃料电池工作的方法，该方法包括以下步骤
向阳极内的流体流动通道输送流体燃料；向阴极内的流体流动通道输送流体氧化剂；从阴极内的流体流动通道排出反应副产物和任何未利用的氧化剂；及输送足够量的液态水到阴极内的流体流动通道，使得整个流体流动通道中基本维持100％的相对湿度。
根据本发明另一方面，提供一种电化学燃料电池组件，包括内部具有流体流动通道的至少一个阳极流体流场板；至少一个离子迁移膜；内部具有流体流动通道的至少一个阴极流体流场板；用于向阳极流体流动通道输送流体燃料的机构；用于向阴极流体流动通道输送流体氧化剂的机构；注水机件，其用于向阴极内的流体流动通道输送足量的液态水，使得在燃料电池的正常工作状态期间整个所述流体流动通道中基本维持100％的相对湿度。
下面将通过举例的方式并参考
本发明的实施例。附图中图1为部分传统燃料电池的示意性横截面图；图2a和2b分别为图1所示的燃料电池的流体流场板的简化平面图和截面图；图3为具有双极板的传统燃料电池堆的横截面图；图4a为具有蛇形流体管道的燃料电池流体流场板的平面图，其概略地示出了水分配薄片和覆盖薄片的叠置位置；图4b示出具有交叉(interdigited)梳状流体管道的燃料电池流体流场板的平面图，其概略地示出水分配薄片和覆盖薄片的叠置位置；图5为水分配薄片的平面图；图6为图4和5所示的流体流场板、水分配薄片和覆盖薄片的横截面图；图7为图6所示组件的部分透视图；图8为水分配薄片和覆盖薄片的相对位置颠倒时的流体流场板、水分配薄片和覆盖薄片的横截面图；图9的示意性平面图示出了用于交叉的梳状通道结构的注水点；图10是说明燃料电池阴极的水冷却原理的示意图11的曲线示出了对于完全饱和的情况、即相对湿度为100％的情况作为温度的函数的单位质量空气中含气水的质量变化情况；图12的曲线示出了作为提供给阴极的液相水的流速的函数的燃料电池堆电压的变化情况；图13的曲线示出了作为燃料电池堆电流的函数所需的理论最小水流速；图14是包括水输送处理系统的燃料电池堆系统的部件示意图。
在燃料电池堆组件30工作期间，作为电化学和电损失的结果，在燃料电池堆内部产生热量。在蒸发冷却的燃料电池10的一实例中，在堆叠体组件中，如图10示意地示出的那样，通过将排出产物100、101的温度提高超过反应物102、103的入口温度并通过使提供给阴极13和蒸发到阴极空气流103的液态水104蒸发来转移这种热量。除了最低功率电平外，人们发现蒸发冷却是转移热的主要机理。
如果阴极空气流中含气水的分压足够低、即在相对湿度＜100％的情况下，液态水104将蒸发，并提供热量以汽化液态水。一旦局部条件使得水的相对湿度为100％、即空气被水蒸汽饱和，将不再发生蒸发，除非以下三个条件的任一条件占优势(i)空气流速提高，使得含气水的分压成反比地降低；(ii)总压力降低，使得含气水的分压成正比地降低；和(iii)局部温度上升，使得平衡点改变，因而将发生更多的蒸发直到空气变为完全饱和为止。
因此，为了在燃料电池堆30中每一部位处阴极13具有余量水的情况下燃料电池10工作，在恒定压力和恒定的阴极空气流速下，局部平衡条件使得空气完全饱和，并且仅仅通过提高局部温度可实现通过蒸发而进一步转移热量。
温度的实际提高将影响蒸发，因而，在所述占优势的条件下冷却取决于用于蒸发的平衡点的灵敏度以及所需的冷却程度。图11示意性地示出对于完全饱和的条件、即相对湿度为100％的条件以及在恒定的总压力下，单位质量空气中含气水的质量随温度变化的情况。在这种方式中，借助于实现冷却所需的蒸发量、总压力以及阴极空气流的质量流速可很大程度地设定堆叠体的工作温度。
如图11所示，在较高温度下，小的温度增加ΔT可导致在空气流中保持的含气水的量Δm显著增加，结果，在堆叠体内部产生的热量可使蒸发量显著增加。因此，对于热负荷的大范围而言，堆叠体的温度将大致保持恒定，所述热负荷包括全局的(即，总堆叠体功率改变)和局部的(即，对于给定的总堆叠体功率，由于局部发热速率改变，结果使堆叠体内部不均匀)两者。这使得对堆叠体工作温度范围内的控制的复杂(implicit)程度很高，但可保持整个堆叠体上良好的热平衡。
此外，如下所述，在燃料电池堆组件30中的各通道16或通路内部存在余量水可使每一通道内空气流速的控制复杂程度提高。如果需要，如果给定的通路具有比平均空气流速高的空气流速，那么额外的水可被蒸发到空气流中，从而提供附加冷却。这将导致比在流动通路出口的平均体积流量更高的流量，在通过所有流动通路的压降一致时，其限制进入空气流动调节复杂的电池通路中导致改善堆叠体热平衡的空气流速，因而可改善堆叠体电池电压平衡。通常借助于总管21、22和通道16的相对尺寸来使通过所有通道16的压降一致。
如果需要，可以通过使阴极空气流速适度和/或通过改变阴极空气流的总压力来实现堆叠体温度的显式控制(explicit control)。换句话说，通过增大水可蒸发于其中的空气的体积，可以提高空气流速，从而降低水蒸汽的分压。因此，在出现饱和之前可使额外的水蒸发，产生附加冷却，结果使堆叠体的工作温度较低。
可供选择的或附加的是，可以降低出口压力。这样通过降低总压力，将再降低水蒸汽的分压。这具有改变平衡点使得在达到饱和之前蒸发额外的水的效果，因而形成附加冷却，结果使堆叠体的工作温度较低。
其它的因素，例如阳极流速、燃料和氧化剂输入温度、表面损失(surfacelosses)等等都不太重要。
在流行的非增压系统(predominantly unpressurised system)的优选实施例中，燃料电池堆的常规工作温度在70℃到80℃的范围内。但是，原则上通过调整阴极空气流的空气流速和/或总压力，这个值可以在65℃到95℃的范围内变化。在低功率电平时，蒸发冷却不是主要的，堆叠体的工作温度可以是有效的冷却器。在较高或较低压力下系统的操作在上面引入的温度范围内可以显著变化。
实际上，提供给燃料电池堆的反应物和液态水的平均温度可以低于堆叠体工作温度。因此，可以通过将这些输入流加热到堆叠体工作温度来提供一些冷却。一旦输入流达到堆叠体的工作温度，通过使阴极空气流中的液态水蒸发来提供剩余冷却。蒸发冷却的比例取决于包括阴极空气流速、水流速、燃料电池堆功率和入口流的温度在内的许多因素。在大多数情况下，蒸发冷却是引起上面解释的高复杂程度的温度控制的主要冷却机理。但是，对于入口流的平均温度低于堆叠体工作温度的情况，将在堆叠体中输入反应物和液态水的区域产生温度梯度。
为了有效地蒸发冷却，在燃料电池堆的每一部分必须存在充足的液态水。如果所存在的液态水不够，堆叠体的性能将降低，这将导致潜在的严重后果。
可能存在的问题包括(i)膜干燥，导致降低相关电池上的电压；和(ii)由于缺少液态水和蒸发冷却不足而引起的热区(hotspots)将导致膜的损坏和缩短寿命。
为了确保存在充足的液态水，以通过蒸发实现冷却，可以采用可供选择的方案(i)精确计量流到阴极的液态水，确保充足的水，从而在阴极的整个表面和燃料电池堆的每个电池中维持100％的相对湿度；或(ii)给整个堆叠体提供过量的液态水，致使在阴极的整个表面和燃料电池堆的每个电池中总是存在余量水。为了实现给阴极输送充足的液态水，可以为各条和每一条阴极通道16设置注水点，这将在下面进行描述。
在实际的燃料电池中，很难精确计量流到燃料电池堆的每一部分的液态水。而且，制造公差和不均匀的工作条件将导致对燃料电池堆中各部位的冷却需求不同，因而与精确计量相关的困难大大增加。
据此，由于可确保避免膜干燥和出现热区而提高堆叠体性能和延长寿命，向阴极提供过量的液态水，致使在阴极处在堆叠体内部的每一部位总存在余量水是优选的方法。
因此，一个总的方面是向阴极提供过量的液态水，以确保阴极的整个流体流动通道基本维持100％的相对湿度。
另一方面，使燃料电池工作，致使针对任何测得的电池供给功率控制注入阴极的液态水注入速度和/或流过阴极的气体，以确保在阴极表面的所有区域存在比优势温度(prevailing temperature)和压力条件下可蒸发的液态水多的液态水。
再一方面，将所述条件应用于具有共用的氧化剂供应总管和共用的注水总管的燃料电池堆中的多个这种电池上，致使针对任何测得的堆叠体供给功率控制进入注水总管的液态水注入速度和/或氧化剂供应总管中的气体流速，以确保在所有电池的阴极表面的所有区域存在比优势温度和压力条件下可以蒸发的液态水多的液态水。
对于的确存在非均匀性并在水因数小于一(with a water factor of lessthan unity)的正常工作条件下的实际堆叠体，应重视的是，堆叠体的某些部分容纳的液态水可能比在阴极的整个流体流动通道上基本保持100％的相对湿度所需的液态水少。相对地，堆叠体的某些部分容纳的液态水也可能比阴极整个流体流动通道上基本保持100％的相对湿度所需的液态水多。因此，本发明的另一方面，选择向堆叠体提供过量的液态水，使得堆叠体的所有部分至少容纳在阴极的整个流体流动通道上基本保持100％的相对湿度所需的最少量的液态水，相应地堆叠体的水因数大于一。
图12示意性地示出了在恒定电流和恒定阴极空气流速下工作的典型蒸发冷却燃料电池堆的作为向阴极提供的液态水的流速的函数的堆叠体电压变化情况。在低的水流速下，整个堆叠体电压降低，这说明堆叠体的某些部分可能没有容纳充足的液态水来确保充分冷却和/或充分的膜水化(membrane hydration)作用。随着水流速提高，堆叠体电压达到最大(附图标记120所示)，因此给燃料电池堆的所有部分输送的水过量。在较高的水流速下，堆叠体电压逐渐减小，这可能是阴极空气流中的氧分压降低(被水代替)的结果和/或可能是由于存在的液态水阻碍向膜输送空气或从膜中送出空气的结果。
此外，在较高的流速下，电池平衡(通过监测电池电压示出)可能使表示堆叠体可以使用的最大水因数的上限变差。也可通过使用适当的水泵而获得最大值来设定最大水流速。
尽管有这些限制因素，业已确定，可以限定出大的工作范围(operatingwindow)，其中可将大量的过量水提供给阴极，以确保充分水化和冷却燃料电池堆的每一部分。
将输送给阴极的水量表述为蒸发冷却所需的理论最小量的倍数是有利的，即将“水因数”WF定义为WF＝mw/mw(最小)
其中，mw是输送的液态水的质量流速，mw(最小)是液态水的理论最小质量流速，计算如下。
可以通过在燃料电池上实现热平衡来计算蒸发冷却所需的水的理论最小量，并假设(i)因为产生作为产物的含气水(在没有过量水时)，反应热焓(enthalpy of reaction)等于燃料的较低热值；(ii)从作为堆叠体电流的函数的燃料电池堆效率的实验值得出燃料电池上的热负荷；(iii)该热负荷等于包括提供给阴极的液态水完全蒸发的过剩反应物(over reactants)产物的热焓增加。
因此可以将给定工作点的实际水因数定义为这个值的倍数。
可以理解，可以根据限定的用途以与所述定义不同的其它方式定义水因数，这可以得到略微不同的水因数值的优选范围。
图13示意性地示出了作为堆叠体电流的函数的所需的理论最小液态水流速、即水因数为一、附图标记为WF＝1的点的迹线。随着堆叠体电流增加，所需的水量以非线性增加，因为堆叠体的效率在更高堆叠体电流下减小导致所产生的发热量呈非线性增加。
正如所讨论的那样，对于性能最优(如图12的线121和122之间所示)而言，堆叠体非均匀性和这些对水流速的影响表示不能分别计量输送给堆叠体内每一部位的水的实际燃料电池堆必须在可以有非均匀性裕度的最小水因数下工作。换句话说，使用的水因数必须足够地大于一，以确保堆叠体中的所有电池和堆叠体中每一电池的所有部分达到100％的相对湿度。使用的最大水因数用最大的可接受的性能下降来表示。在图13中，作为堆叠体电流的函数的水因数WF的优选下限和上限示意性地表示为虚线130和131。
可以通过测试或标定相关燃料电池堆30来确定水因数的上限和下限130、131。可通过恒定电流下工作的阴极的水流速的变化和恒定空气化学计量(air stoichiometry)来实现堆叠体的标定，从而确定由线121表示的最小水流速和由线122表示的最大水流速。在相应于堆叠体工作条件的正常范围的可能的堆叠体电流范围内(也可以是允许的空气化学计量范围内)反复进行标定。因此，这种标定限定出作为堆叠体电流的函数的水因数的上限和下限。
这里使用的“空气化学计量”的表述是指由电化学反应中消耗的氧量标准化的在入口103提供的氧量。因此，对于空气化学计量为1而言，空气中所有氧与氢组合形成水。对于空气化学计量为2而言，在电池10中消耗50％的氧，50％存在于阴极排出101中。反应所需的氧量是堆叠体功率、堆叠体效率和与反应相关的能量变化的正函数。
在批量生产的情况下，还可以测试一些有代表性的堆叠体，从而可以确定给定结构的所有堆叠体可以接受的具有适当允许误差的单组限制(single set of limits)。
在一优选实施例中，与堆叠体电流成比例地调节阴极空气流速103，因而堆叠体以通过电化学要求设定的大约为2的空气化学计量工作。但是实际上，可以改变阴极空气流速，使得空气化学计量处于1.1到10的范围内，更优选的是处于1.4到4的范围内，这取决于燃料电池堆的实际需要。由于最低空气流速受空气压缩机的最小输送流速限制，在低电流下因而在电池中反应物的低消耗量的情况下，空气化学计量可以远高于这些值。
如图13示意地示出的那样，在一优选实施例中，水流速被设定为堆叠体电流的线性函数。用于这种控制方案的水因数通常在1.5到40的范围内变化，更优选在3到6的范围内变化。
实际上，可将水因数设定为在0到40的范围内的任何值，这取决于堆叠体的工作条件和可接受的作为过量水的结果的堆叠体性能的最大下降(参见图12)。例如，如果堆叠体在低功率输出下工作，或者从冷的条件开始启动并且因而没达到其最大工作温度，水流速可以设定为0或者低水因数，从而暂时提高堆叠体的加热速度。
可以利用对阴极排出温度的监测来表示堆叠体的工作温度，并提供供水泵的反馈控制。因此，在一方面，当阴极排出温度低于相应于次优化(sub-optimal)工作温度的预定阈值时，或者在随着燃料电池冷却开始的预定周期内，该系统可以暂时向阴极内部的流体流动通道输送一些(a quantityofliquid water)液态水，因而维持小于100％的相对湿度(水因数＜1)。
可以使用计量泵、流动控制器或压力控制方法来调节水供给速度。在低功率电平下，需要的水量可能低于用水泵可获得的最小流速。因此，在低功率电平下，可将最小水流速设定为相应于水泵的最低电压设定点，以防止泵失速。图13示意地示出了电流低于Icrit的值。
可以理解的是，原则上，输送给燃料电池堆的水量可以服从于提供处于通过标定相关燃料电池堆或一些代表性的燃料电池堆确定的水因数的最小和最大值之间的流速的电流的任意函数。
一旦确定了水因数控制方案，就可以通过调整阴极空气流速和/或阴极空气总压力来实现冷却中的附加的灵活性。
此外，堆叠体可以具备电池电压监测能力，致使可利用工作电压作为不足或过量水的指示器实时地进行必要的调整。
现在将结合图14说明在燃料电池堆中进行水处理的示例性配置。
燃料电池系统140包括燃料电池堆30，其具有燃料输入管线102、阳极排出管线100、空气供给管线103、注水管线104和阴极排出管线101。来自燃料源141的燃料流入燃料输入管线，根据已知的原理，还可流过增湿器142。阳极排出管线100可以直接通向大气143，或者可以根据已知的原理利用再循环操纵系统144至少部分再循环。空气压缩机145向空气供给管线103供给空气。水泵146向注水管线104提供水。水可以由适当的纯化水源提供，或者可以通过合适的冷凝器(未示出)供给来自阴极排出装置的再循环水。阴极排出管线101可以直接通到大气，优选该管线包括至少检测排出温度的排出传感器147。
阴极排出可以包括用于降低和/或控制阴极排出压力的泵148。泵148可以是在来自压缩机145的泵压空气源之外的泵，或者代替来自压缩机的泵压空气源，换句话说，空气源可以为大气压。
包括在燃料电池系统140中的控制器150优选接收相应于堆叠体电压151、堆叠体电流152和排出温度153的传感器输入。控制器150还通过适当的控制线连接到空气压缩机145和注水泵146。
控制器150可以设置成以两种可能的模式进行操作。
在第一种模式中，控制器150可以适用于获得用于随后的燃料电池堆30工作的标定数据。在标定模式中，控制器150在恒定输入空气压力和燃料电池堆输出恒定电流的条件下改变注水泵146提供的水流，并接收检测到的堆叠体电压值，从而确定适当的最大和最小水因数121、122(图12)。将这些值储存在标定表154中。可以在一种或多种不同的电流负载、不同的输入空气压力、不同的空气化学计量下重复这种标定，从而汇编出综合性的成套控制数据，以在燃料电池工作条件范围内控制注水速度。
在第二种模式中，控制器150适用于使用在标定表154中储存的标定数据，从而维持燃料电池堆的最佳运行条件。例如，控制器150适用于监测堆叠体电压和电流，并且控制注水泵146(还可以是入口空气压缩机)，以维持适当的水因数，优化燃料电池的性能。在优选的配置中，水因数在1.5到40的范围内，更优选在3到6的范围内。
如上所述，控制器还可以通过传感器147监测阴极排出温度，并且当阴极排出温度低于相应于次优化工作温度的预定阈值时，例如在燃料电池启动期间，输送更少量的水。在另一实例中，“接通加温器(warm-up)”阶段可以通过定时器而不是通过排出温度来控制。
在图14的示例性实施例中，控制器适用于进行燃料电池堆的初始标定和维持最佳运行条件。当然，可以认为，对于已知的燃料电池类型，或者预先标定的系统，标定表154可以预加载水处理控制器150使用的操作数据。
尽管图14的示例性实施例示出了通过控制器150对燃料电池堆30的“整体(global)”控制，但是可以理解，可以在水输送给不同电池或者不同电池组之处实现更细微的控制(finer granularity of control)。例如，在用于燃料电池堆的具有多重独立控制的输送点之处，可以实现单独的电压和电流检测，从而局部改变输送到燃料电池堆每一部分的水。
可以采用一些机件来输送液态水，精确控制流到阴极流体流场板中流体流动通道的量。在PCT/GB03/02973(在本申请提交时还没有公开)中描述一些示例性机件，以下将参考图4到9说明其细节。
参考图4a和4b，本发明设有一系列在水入口总管25和流体流场板40a或40b的各通道16之间延伸的注水管道。一般来说，通过放在流体流场板40表面上的膜或层叠结构的方式来提供注水管道。注水管道带有与水入口总管25连通的入口和在流体流场板中的通道16上方限定的预定注水点的出口。
在一优选配置中，以覆盖板40的两个薄片层41、42的形式来提供层叠结构，薄片的位置由图4a和4b中虚线表示的轮廓线示出。
图4a为具有蛇形通道16、薄片41a和42a的流体流场板40a的平面图，薄片41a、42a具有与水入口总管25重合的第一边缘43a、44a和位于通道16的预定注水点49之处或与之相邻的第二边缘45a、46a。
图4b为具有两个交叉梳状通道47、48和薄片41b、42b的流体流场板40b的平面图，每一交叉梳状通道47、48与各总管21、22连通，薄片41b、42b具有与水入口总管25重合的第一边缘43b、44b和位于通道47的预定注水点之处或与之相邻的第二边缘45b、46b。值得注意的是，可以在第二水入口总管25和通道48上的预定注水点之间的板40b的相对边缘上重复设置薄片。
图5为水分配薄片41的布局的详细平面图，该图示出了注水管道50的优选路径。管道50由第一系列通道51形成，该系列通道从位于水入口总管25的薄片41的第一边缘43延伸到沿注水薄片41的长度方向延伸的压力分配坑道或压力室52。压力分配坑道52与第二系列通道53连通，该系列通道延伸到薄片的第二边缘45，用于和流体流场板中的通道16连通。为此，第二系列通道53成簇地终止于位于注水薄片41的第二边缘45处的各个汇聚结构54。
在所示出的优选实施例中，汇聚结构54包括弓形凹部55，该弓形凹部切入适于与通道16上的预定位置重合的注水点49之处的薄片41的第二边缘45，附图中概略地示出。
压力分配坑道52优选包括互连通道56的阵列，该互连通道阵列阻碍水从第一系列通道51进入并可沿薄片41的整个长度有效地分配水，致使每组第二系列通道53以基本上相同的压力接收水。
回到图4a和4b，覆盖薄片42包括周边形状基本类似于下部薄片的周边形状的未构图薄片(即没有通道)。覆盖薄片42至少在第二系列通道的端部延伸出分配薄片41的边缘，以确保水直接向下流到所需的流体流场板通道16。最便利的是，通过在分配薄片41中而不是覆盖薄片42中形成的凹部55实现重叠。因此，正如在图6所示的放大形式的横截面图中清楚地看出的那样，覆盖薄片42形成通道51、52和53的顶部封闭部分，以形成注水管道50，剩余的通道51和53的端部敞开。在所示的实施例中，覆盖薄片42可以形成为略大于分配薄片41，因而它与第二边缘45(也可以是第一边缘43)重叠，从而实现类似的效果。
值得注意的是，与板40的厚度相比，薄片层非常薄，薄片层的厚度便于被MEA 34和插入在板之间的任何垫圈承受。为了清楚起见，虽然将图6所示的部件略微分开，显然也可将它们压在一起。
图7为处于流体流场板40上方位置中的水分配薄片41的透视图，图中示出了各通道和总管对准的情况。
可以看出，水分配通道51、52、53不必形成于下部薄片41中。在另一实施例中，如图8所示，水分配通道80形成在上部薄片82的下表面，而下部薄片81用于形成通道80的封闭部分，以形成注水管道。换句话说，分配薄片82和覆盖薄片81与图6所示的配置相反。
在图8的配置中，至少第二系列通道(相对于图5中的通道53)未正好延伸到上部薄片的第二边缘83，而是终止于第二边缘附近的位置处。下部(覆盖)薄片81几乎延伸到通道80的端部，但优选略短于所述端部，以便从通道80的端部到注水点49之处的板通道16流体连通。
如上面所指出的那样，下部(覆盖)薄片81提供通道80的封闭部分，形成防止水泄漏到流体流动板40的下部通道16中的不希望的地方的障碍物，例如防止水泄漏到注水管道横贯燃料和/或氧化剂通道16之处(例如在位置85处)。
优选的是，如上所述的薄片由金属例如不锈钢形成。当然，可以使用具有适当的加压水包容性能(containment properties)的任何适合的材料，并可对整个说明书使用的“薄片”的表述作出相应的解释。优选的是，薄片是导电的，当然它们不必如此，因为它们不接触MEA的活性区域。
在一优选实施例中，阳极或阴极板40中的流体流动通道16的宽度和深度通常在0.4mm和1.2mm之间。业已发现，在水分配薄片中经化学蚀刻的10μm的通道宽度和深度可提供需要程度的注水。
在使用时，对通过总管25输送的水的压力进行控制，以确保在水源和流体流动通道16中的气压之间大的压差，实现在上千的流动路径之间相等地分配水。在本优选实施例中，将表压在0.5-3巴H2O的范围的水输送到总管。
这种方法的优点是水分配膜非常薄，并且可以方便地设置在双极板内部或者垫圈区域中可获得的空间内。
通过适当设计注水管道图案和通道尺寸也可非常精确地控制体积水分配精确度。
如图9所示，在送水通道(feeder channel)92之后，或者在进入点91之处将分配进流体流场板40中的交叉通道90中的水引入所述通道，或者可供选择地在和送水总管相同的双极板端部之处的注入点94进入出口导向装置(exit track)93。
水注入出口导向装置的优点是可减小反应物气体流的压降，因为水不流过引出遮避气体通路的无用空间的扩散介质。与此类似，避免水流过扩散空间还将减小介质的损耗及减少其逐渐分裂和结构损坏。
蒸发冷却过程在出口导向装置中是有效的，并且由于空气中饱和了水蒸汽可维持膜的水含量。
其它实施例也将落入所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种使电化学燃料电池工作的方法，该燃料电池具有阳极、离子迁移膜和阴极，所述方法包括以下步骤将流体燃料输送到所述阳极内的流体流动通道；将流体氧化剂输送到所述阴极内的流体流动通道；从所述阴极内的流体流动通道排出反应副产物和任何未利用的氧化剂；和将足够量的液态水输送到所述阴极内的流体流动通道，使得整个所述流体流动通道中基本上维持100％的相对湿度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括确定作为液态水流速的函数的电池电压最大值，和以相应于所述电池电压最大值的至少最小水流速进行输送。
3.如权利要求1所述的应用于燃料电池堆中的多个这种电池的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括确定作为液态水流速的函数的堆叠体电压最大值，和以相应于所述堆叠体电压最大值的至少最小水流速进行输送。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，还包括以下步骤增加作为电池或堆叠体电流的函数的输送的液态水量，以便为所述电池或堆叠体正常工作范围内的所有电流维持水因数WF＞1.0。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括对于相应于电池工作条件正常范围的多个电池电流中的每一个确定作为液态水流速的函数的电池电压最大值，确定将最小液态水流速表示为电流和/或空气化学计量的函数的标定函数；和对于从所述电池和/或空气化学计量得到的电流，以由所述标定函数确定的至少所述最小水流速进行输送。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括针对相应于所述堆叠体工作条件正常范围的多个堆叠体电流中的每一电流确定作为液态水流速的函数的堆叠体电压最大值，确定将最小液态水流速表示为电流和/或空气化学计量的函数的标定函数；和针对从所述堆叠体和/或空气化学计量得到的电流，以由所述标定函数确定的至少所述最小水流速进行输送。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，确定空气化学计量在1.1到10范围内的所述标定函数。
8.如权利要求7所述的方法，其中，确定空气化学计量在1.4到4.0范围内的所述标定函数。
9.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括水因数至少为1.5的输送。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括水因数至少为3的输送。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括水因数为小于40的输送。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述输送足够量的液态水的步骤包括水因数在3到6的范围内的输送。
13.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，还包括以下步骤当阴极排出温度低于相应于次优化工作温度的预定阈值时，暂时允许向所述阴极内部的流体流动通道输送一些液态水，以维持相对湿度小于100％。
14.如权利要求13所述的方法应用于所述燃料电池或燃料电池堆的启动。
15.如权利要求1所述的方法，其中，燃料电池工作，使得针对任何测得的电池供给功率控制进入所述阴极的液态水注入速度和/或流过所述阴极的气体，以确保在阴极表面的所有区域存在的液态水比在所述优势温度和压力条件下可蒸发的液态水多。
16.如权利要求15所述的方法应用于具有共用的氧化剂供应总管和共用的注水总管的燃料电池堆中的多个这种电池，致使针对任何测得的堆叠体供给功率控制进入注水总管的液态水注入速度和/或在氧化剂供应总管中的气体流速，以确保在所有电池的所述阴极表面的所有区域存在的液态水比在所述优势温度和压力条件下可蒸发的液态水多。
17.一种电化学燃料电池组件，包括至少一个内部具有流体流动通道的阳极流体流场板；至少一个离子迁移膜；至少一个内部具有流体流动通道的阴极流体流场板；用于将流体燃料输送到所述阳极流体流动通道的机构；用于将流体氧化剂输送到所述阴极流体流动通道的机构；注水机件，其用于将足够量的液态水输送到所述阴极内的流体流动通道，致使在所述燃料电池正常工作期间，在整个所述流体流动通道中基本维持100％的相对湿度。
18.如权利要求17所述的组件，其中，所述注水机件包括泵和控制器。
19.如权利要求18所述的组件，其中，所述控制器包括用于检测燃料电池或燃料电池堆电压的电压传感器。
20.如权利要求19所述的组件，其中，所述控制器适用于以标定模式进行操作，该标定模式包括针对多个正常的电池或电池堆工作电流中的每一个确定作为液态水流速的函数的电池电压最大值。
21.如权利要求20所述的组件，其中，所述标定模式还包括确定将最小液态水流速表示为电流和空气化学计量的函数的标定函数。
22.如权利要求18所述的组件，其中，还包括用于检测流过所述燃料电池或燃料电池堆的电流的电流传感器，其中所述控制器适用于针对在正常工作范围内的所有燃料电池或燃料电池堆电流控制注水速度，以维持水因数WF＞1.0的输送。
23.如权利要求22所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速度，以维持水因数至少为1.5的输送。
24.如权利要求23所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速度，以维持水因数低于40的输送。
25.如权利要求24所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速度，以维持水因数至少为3的输送。
26.如权利要求18所述的组件，其中，所述控制器适用于控制注水速度，以维持水因数在3到6范围内的输送。
27.如权利要求17至26中任一项所述的组件，其中，还包括下述机构，当所述阴极排出温度低于相应于次优化工作温度的预定阈值时，暂时允许向所述阴极内部的流体流动通道输送一些液态水，以维持小于100％的相对湿度。
28.基本上如参考附图所述的设备。
29.基本上如参考附图所述的方法。
全文摘要
一种包括阳极、离子迁移膜和阴极的电化学燃料电池，其具有输送到阴极内流体流动通道的液态水，致使在整个流体流动通道中维持100％的相对湿度。本发明还描述了一种标定方法和设备，以确定在各种工作条件下输送给阴极流体流动通道的液态水的最佳量或液态水量的最佳范围。本发明也描述了一种操作方法和设备以确保在变化的工作条件下将最佳量的液态水输送到阴极流体流动通道。
文档编号B62M1/36GK1922749SQ200480042225
公开日2007年2月28日 申请日期2004年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者杰里米·S·马特查姆, 内森·格兰奇, 保罗·A·本森, 斯科特·贝尔德, 阿什利·凯尔斯, 乔纳森·科尔, 保罗·阿德科克, 彼得·D·胡德, 西蒙·E·福斯特 申请人:智慧能量有限公司