包括阳极室且该阳极室中包括凝结和去除水的表面的燃料电池堆叠及凝结和去除形成在 ...的制作方法
【专利摘要】燃料电池堆叠包括氢管道（3）通入其中的阳极室（2）。分隔阳极室（2）的内部与其外部的壁（4）包括主区域（5）和促使水凝结的区域（6），主区域（5）具有对在阳极室（2）的外部和内部之间的热传导的第一热阻，促使水凝结的区域（6）具有对在阳极室（2）的外部和内部之间的热传导的第二热阻，第二热阻严格地小于热传导的第一热阻，从而界定阳极室（2）内用于凝结水的表面（7）。用于去除凝结水的通道（8）连接凝结表面（7）到阳极室（2）的外部。
【专利说明】包括阳极室且该阳极室中包括凝结和去除水的表面的燃料电池堆叠及凝结和去除形成在该室中的水的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括阳极室的燃料电池，其中该阳极室具有通向其中的氢入口。
【背景技术】
[0002]在能容放一个或几个阳极的阳极室型燃料电池中，由于氢型燃料在阳极上的氧化以及空气氧化型的氧化剂在阴极上的还原而发电。通常，阳极和阴极通过一般由Nafion ?制造的电解液隔膜分隔。在以氢作为燃料的具体示例中，氢在阳极分离(H2 — 2Η++2Θ—)以提供H+离子，H+离子穿过隔膜且在氧化剂流动的阴极发生反应以产生水
(1/o2 + 2H+ +2e-→H2O )。然而，阴极侧产生的部分水通过隔膜反向扩散，并且在阳极室2
以蒸气的形式结束。根据外部条件(温度、湿度)以及运行条件(效率、系统约束)，这样的反向扩散可能在阴极涉及到产生10%至40%的水。
[0003]此外，如果通过化学氢化物的水解在阳极的上游产生氢，该水解会导致一定负载的水以气体形式呈现并被带到阳极位置。
[0004]因此，在燃料电池运行期间，阳极室被水蒸气填充，水蒸气一点点凝结，由于凝结的水阻碍了氢向阳极的催化部位移动，导致燃料电池效率上的下降。
[0005]文献US2006/0121326描述了一种燃料电池，在阳极提供有氢进气道和排出没有反应的氢和杂质的通道。该排泄通道构造为清除杂质，该排泄通道包括在一段确定的时间内打开。
[0006]文献US2006/0121326的清除系统不能应用于具有阳极室类型的燃料电池。实际上，在这样的电池中，水会凝结在阳极室中且变得不流动。因为燃料电池可在任何位置运行，所以清除阀难以在去除不流动的水且不导致燃料电池效率显著下降的情况下被设置，这是由于还将有大量的氢排放到阳极室外部。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是形成一种无论燃料电池处于什么位置，均能对阳极室中所含有的水进行有效清除的燃料电池。该目的倾向于由所附权利要求实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]其它的优点和特征通过下面本发明特定实施例的描述将变得更加清楚易懂，本发明的特定实施例仅以非限定性示例的目的给出且表示在附图中，其中:
[0009]图1示出了燃料电池第一实施例的截面图；
[0010]图2示出了燃料电池第二实施例的截面图；
[0011]图3示出了燃料电池第二实施例的变型的截面图；
[0012]图4示出了集中在配备有水存在传感器的凝结区域的截面图；[0013]图5示出了集中在配备有水储存和蒸发元件的凝结区域的截面图；
[0014]图6示出了凝结区域的可替代实施例。
【具体实施方式】
[0015]下面描述的燃料电池能在其运行期间通过促使水凝结和凝结水去除二者的表面来去除凝结在阳极室中的，尤其是通过在燃料电池的阴极产生的水的反向扩散而凝结在阳极室中的水。
[0016]在图1至3中，燃料电池I包括具有通向阳极室2中的氢入口 3。壁4将阳极室2的内部与外部隔开。壁4包括主区域5，该主区域5具有在阳极室2的外部和内部之间的第一导热热阻。壁4还包括用于促使水凝结的特定区域6，该特定区域6具有在阳极室2的外部和内部之间的第二导热热阻，第二导热热阻严格地小于第一导热热阻，从而在阳极室2内界定水凝结面7。
[0017]用于排出凝结水的通道8将凝结表面7连接到阳极室2的外部。优选地，排泄通道8穿过水凝结区域6。排泄通道8可具有打开和关闭状态，打开状态时可去除水，关闭状态时阳极室2的内部可在所述排泄通道8的位置相对于阳极室2的外部密闭。排泄通道8可为毛细管。毛细管形成管子以在所述管子中通过过压将水从阳极室2的内部排到阳极室2的外部。
[0018]该特定构造能促使以蒸气形式呈现在阳极室2中水在凝结表面7上凝结。这可在当前的燃料电池中通过利用阳极室2的内部和外部之间的壁4上的温度差，使得阳极室2内表面的至少一点(这里为凝结面7)的温度比主区域5的其余部分的温度严格更低。
[0019]实际上，导热热阻能根据其对导热流在两个表面之间通过时的阻力来定义一个元件。因此，热阻越高，通过该元件的热量越少。通过定义，可以说绝热材料具有高导热热阻。因此，上面限定的主区域5和凝结区域6的具体特点能促使在燃料电池的特定点上凝结，优选当阳极室2的内部温度Tint严格地大于阳极室2的外部温度Trart时。
[0020]在图1至3的具体示例中，阳极室2可包括几个壁，与电解液隔膜9和/或至少一个阳极10 —起界定阳极室2的内部。壁包括界定阳极室2的内部的至少一部分的第一表面和界定阳极室2的外部的至少一部分的第二表面。例如由Nafion ?制造的隔膜9与设置在阳极室2内部的阳极10接触。与阳极相关的阴极11设置为在阳极室2的外部靠着隔膜
9。根据所示的示例，燃料电池I包括由多对电极(阳极/阴极)界定的几个单元电池(本示例中三个)，每一对由电解液隔膜9分隔。电解液隔膜9对于每个单元电池可为特定的。在此情况下，燃料电池包括几个单独的隔膜，每一个膈膜对应于一单元电池。根据一变型，同一电解液隔膜9对于至少两个单元电池是公用的。阳极全部设置在阳极室2中，从而氢可在阳极的催化部位上扩散以促发反应H2 — 2H++2e_。当燃料电池包括几个壁时，这些壁的每一个包括至少一个主区域。这些壁的至少一个包括具有上述特性的至少一个凝结区域6。优选地，隔膜的导热热阻大于凝结区域的导热热阻以避免水凝结在阳极室2中的阳极处。优选地，凝结区域6的在该室的内部和外部之间的导热热阻严格地小于所有主区域的在室的内部和外部之间的导热热阻。当然，壁可包括几个凝结区域和它们相关的排泄通道。此外，每一个不同的壁可包括一个或几个凝结区域和它们相关的排泄通道。
[0021]图1示出了第一实施例，其中凝结区域6由插件形成，该插件填充在使阳极室2的内部与阳极室2的外部相通的壁4的孔。
[0022]优选地，制造插件的材料的热导率大于用于界定主区域5的材料的热导率。例如，主区域5可由绝热塑料材料制造，而插件可由金属制造，例如，铝、不锈钢、铜、镍等。尽管插件优选具有圆柱或圆锥形状，但是任何能够填充壁4的对应孔中的形状都是适当的。优选插件还能保证阳极室2的密闭性以避免在关闭排泄通道8时氢在所述插件位置从阳极室2的内部损失到阳极室2的外部。插件可胶合或压入配合。插件优选覆盖有保护层以避免其在室2的内部和外部腐蚀。插件在阳极室2的内部所形成的凝结面7的表面优选在0.05mm2和Icm2之间的范围。这样的表面积基本上对应于在IOW燃料电池的阳极室中能通过凝结形成的水滴尺寸。
[0023]当排泄通道8为毛细管时，插件也可仅由排泄通道8形成，并且在此情况下，凝结表面7等于毛细管的截面。
[0024]在示出第二实施例的图2中，凝结区域6由阳极室2中壁4的局部薄区12形成。壁4的局部薄区可采用由制作在阳极室2内的壁4中的凹陷的形式。换言之，主区域5的厚度严格大于凝结区域6的厚度。因此，即使主区域5和凝结区域6由相同的材料制造，阳极室2的内部和阳极室2的外部之间的导热热阻也不同。在该实施例中，排泄通道8优选将薄区12的底部连接到阳极室2的外部。薄区12的底部形成凝结面7。
[0025]图3示出了第二实施例的变型。在该变型中，凝结区域6由局部薄区12和在阳极室2外部的位于局部薄区12位置的凸起13 二者形成。在该变型中，凸起13的作用是通过增加阳极室2的外部上的热交换表面积促使阳极室2的外部和凝结面7之间的热交换。
[0026]第二实施例及其变型在制造上比第一实施例更具优点。实际上，阳极室2的密闭性用阳极室2中的壁4的局部薄区比像图1那样在壁4的孔中设置插件更容易实现。
[0027]在上面考虑的不同实施例中，排泄通道8的关闭或打开状态可通过阀14实现(图1至3)。换言之，排泄通道8连接到用以控制凝结在凝结面7上的水通过所述排泄通道8而排出的阀14。
[0028]按照【具体实施方式】，对于提供约每小时I克水的IOW电池，阀14可每10秒打开I毫秒。然而，在凝结面7的位置没有凝结水的情况下，这样的连续实施方式会产生氢损耗。因此，在燃料电池I的运行期间需要限制氢损耗。
[0029]图4中，为了满足这样的需求，区域6的凝结面7装配有呈现所述凝结面7上的水的传感器15。存在传感器(presence sensor) 15连接到阀14,以在水16出现在凝结面7上时启动排泄。例如，存在传感器15连接到控制元件(未示出),该控制元件本身连接到阀
14。存在传感器15可包括彼此电隔离的两个导电端子15a、15b，并且设置在凝结面7的位置，从而在水出现在凝结面7上的情况下处于电接触。优选地，通道8包括开口，该开口设置在存在传感器15的端子15a、15b之间。通过测量端子15a、15b的导电率，能够检测液体水的存在或不存在。如果没有水，则端子15a、15b形成的电路断开，并且电阻为无穷大。如果水16存在(如图4)，则检测到端子15a、15b之间导电。因此，根据存在传感器15的信号，控制元件可决定打开或者不打开阀14。因此，在确定凝结面7上存在水时启动排泄是对氢损耗的限制。此外，由于存在传感器15，只要由端子15a、15b形成的电路再一次断开，则可停止排泄。存在传感器15可适合于所有描述的实施例和变型。
[0030]图5中，排泄通道8可连接到设置在阳极室2的外部的液体水储存和蒸发元件17，该液体水储存和蒸发元件17装配有排泄通道8，且优选装配有阀14，从而吸收从阳极室2的内部排出的水，上述结构总体上可应用于上述的所有实施例及其它们的变型。在图5的示例中，排泄通道8通向储存和蒸发元件17中，该储存和蒸发元件17安装为靠着阳极室2的壁4的外表面，优选靠着凝结区域6。换言之，储存和蒸发元件与第一实施例中的插件接触，并且与根据第二实施例及其变型的局部薄区或凸起位置的外表面上的壁接触。
[0031]当储存和蒸发元件17至少部分地注入有例如由于阀14而通过排泄通道8去除的水时，该水与阳极室2的外部空气接触、蒸发，因此会冷却储存和蒸发元件17。因此，与凝结区域6接触且更具体而言在壁4的外表面上的储存和蒸发元件17通过热传导将其温度传递到阳极室2内部的凝结面7。因此，凝结区域6和元件17之间的接触促使元件17和区域6之间的热传递。储存和蒸发元件17优选为足够的多孔以能使水连续蒸发。范围为I μ m和Imm之间的孔尺寸优选执行蒸发功能。孔的总体积优选足以吸收排泄期间去除的全部水，因此它是燃料电池的功率和反向扩散反应的函数。储存和蒸发元件17可具有任何形状，例如可为促使水蒸发的平行六面体泡沫材料。储存和蒸发元件17可由陶瓷、聚合物或优选由金属制造以形成优良的导热体。
[0032]实验上，已经形成了泡沫镍形式的储存和蒸发元件17，对于Icm2的表面面积上
1.6mm的泡沫厚度，该泡沫镍包括400微米的孔。对应于5W燃料电池运行所产生的水的水已经转移在泡沫镍中。对于泡沫位置处22°C的环境温度，泡沫镍位置处的温度下降为三摄氏度。这样的温度差足以在凝结面7形成冷却点，即使阳极室2的温度与阳极室2外部的温度相同。因此，优选设置储存和蒸发元件17靠着阳极室2外部的凝结区域6，以使储存和蒸发元件17的温度朝着凝结面7扩散以降低其温度。
[0033]因此，在阳极室2中的温度等于阳极室2外部的温度的情况下，当燃料电池启动时，初始状态是有水滴随机形成在阳极室2的内表面上，然后当水滴形成在凝结面7上时，该水滴在储存和蒸发元件17中被去除。只要第一滴水已经被去除，储存和蒸发元件17中的水由于被排出的凝结水的蒸发将导致储存和蒸发元件17温度上的降低，如前所述。由于与凝结区域6接触，储存和蒸发元件17的温度将降低阳极室2中凝结面7的温度。于是，水将仅凝结在凝结面7上的凝结区域6中，并且燃料电池将处于所谓的持久运行状态中。
[0034]当然，为了避免初始状态，可在燃料电池启动前预渗入储存和蒸发元件17，或者将燃料电池设置在一种环境中，使阳极室2内的温度Tint严格大于阳极室2外部的温度Traitt5
[0035]通常，对于所有的实施例及其变型，亲水多孔材料18 (图1)可设置在阳极室2中，以避免形成在除阳极10外的其内表面上的水滴在震动中分开且落在阳极上，从而避免该水滴填入催化部位且由此降低所述燃料电池效率的风险。
[0036]实际上，由于燃料电池的表面7促使凝结，所描述的燃料电池具有在所有条件和位置使用的特性。亲水多孔元件18可占据除了阳极10和隔膜9外的阳极室2的全部或部分内表面区域，并且可由聚合物材料、纤维素或者任何其它类型的亲水材料制造。有益地，亲水多孔材料18至少设置在凝结面7上以保持在所述凝结面7位置凝结的水，直至这些水通过通道8去除。
[0037]在去除凝结水期间，即使与现有技术相比最小化了氢损耗，该损耗也不能100%避免。实际上，在去除凝结水时，氢可从阳极室2出来，尤其是当阳极室2中的氢处于高于该室外部的环境空气压力的压力下(典型地，阳极室中的压力严格大于I巴)时。现在，出于生态的原因，优选避免将氢排放在大气中。为了满足环境安全的需要，如图5所示，储存和蒸发元件17可包括材料19，该材料19例如为能执行氢的催化燃烧的金属。
[0038]然而，因为氢的燃烧是发热反应，所以优选限制能产生氢燃烧的材料19和阳极室2的壁在凝结区域6的位置的外表面之间的导热性。为实现这一点，储存和蒸发元件17可包括两个部分，第一部分与阳极室2在凝结区域6的位置的外表面接触，并且第二部分包括能执行氢燃烧的材料19。优选地，第二部分19是末端或者远离该室与凝结区域6关联的所述外表面。第一部分优选为金属的(由不促使氢燃烧的金属制造)，并且第二部分优选由覆盖有例如钼、钮、镍的粒子的聚合物或者允许氢燃烧的任何其它元件形成。
[0039]在燃料电池的某些运行条件下，反向扩散至阳极室2的水量可大于单一凝结区域6能处理的量。因此，如图6所示，壁可包括与主区域5不同的几个凝结区域6a、6b、6c，其中每个区域可包括相关的凝结面7a、7b、7c。凝结区域6a、6b、6c必须遵守使阳极室2的外部和内部之间的导热热阻严格小于壁4的主区域5的热阻以在阳极室2的内部界定水凝结面7a、7b、7c的条件。每个凝结区域6a、6b、6c例如可与第一和第二实施例中描述的类型不同。
[0040]每个凝结区域可包括相关的通道和阀(未示出)。然而，为了避免阀数量上的倍增所带来的昂贵费用，可设想使凝结区域6a、6b、6c的网络与至少一个排泄通道8耦接(图6)。图6中，排泄通道8仅连接凝结面7a到阳极室2的外部。因此，可在凝结区域6a、6b、6c之间提供排泄系统，例如，将它们与在例如壁4中形成的微通道20a、20b连接。换言之，壁4包括由微通道20a、20b互连的凝结区域6a、6b、6c，排泄通道8连接凝结区域之一的至少一个凝结面7到阳极室2的外部。
[0041]具有几个凝结区域的实施方式可应用于上面描述的燃料电池的所有实施例和变型。
[0042]这样的实施方式也可应用于平面电池和堆叠电池。
[0043]一种用于去除形成在燃料电池的阳极室中的水的方法可包括如下步骤:
[0044]在阳极室2内部局部降低阳极室2的壁的至少一个凝结面的温度，
[0045]在凝结面7上凝结在燃料电池运行期间通过反向扩散获得的水蒸气，
[0046]通过排泄通道8去除凝结面7上凝结的水，其中排泄通道8连接所述凝结面7到阳极室2的外部。
[0047]此外，在去除步骤前，可执行检测凝结面7上凝结水存在的步骤，仅在凝结面7上检测到凝结水时执行去除步骤。
[0048]当然，该方法可用于燃料电池的所有实施例，凝结面由凝结区域6的一部分形成。
【权利要求】
1.一种燃料电池，包括阳极室(2)，该阳极室(2)具有通向其中的氢入口(3)，其特征在于，分隔该阳极室(2)的内部与其外部的壁(4)包括: 主区域(5)，该主区域具有在该阳极室(2)的外部和内部之间的第一导热热阻， 促使水(6)凝结的区域，该区域具有在该阳极室(2)的外部和内部之间的严格小于该第一导热热阻的第二导热热阻以在该阳极室(2)内界定水凝结面(7)， 并且，去除凝结水的排泄通道(8)将该凝结面(7)连接到该阳极室(2)的外部。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，该燃料电池包括由分别形成阳极(10)和阴极(11)的多对电极界定的多个单元电池，每对电极由电解液隔膜(9)分隔，该阳极全部设置在该阳极室(2)中。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，至少两个单元电池包括公共电解液隔膜(9)。
4.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，该燃料电池包括多个单独的电解液隔膜(9),每一个电解液隔膜(9)对应于一单元电池。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电池，其特征在于，该凝结区域(6)由该阳极室(2)中的壁(4)的局部减薄区(12)形成。
6.根据权利要求5所述 的电池，其特征在于，该凝结区域(6)包括设置在该阳极室(2)的外部、位于该减薄区(12)的位置的凸起(13)。
7.根据权利要求1至4任一项所述的电池，其特征在于，该凝结区域(6)包括填充该壁(4)中的孔的插件，使该阳极室(2)的内部与该阳极室(2)的外部相通。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，该插件由热导率大于用于界定该主区域(5 )材料的材料制造。
9.根据前述任一项权利要求所述的电池，其特征在于，该排泄通道(8)连接到用于控制该凝结水通过所述排泄通道(8 )去除的阀(14 )。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，该凝结面(7)安装有水存在传感器(15)，该传感器(15)连接到该阀(14)以在水(16)存在于该凝结面(7)上的情况下启动去除。
11.根据前述任一项权利要求所述的电池，其特征在于，该电池包括液体水储存和蒸发元件(17)，该液体水储存和蒸发元件(17)设置在该阳极室(2)的外部且安装有该排泄通道(8)以吸收从该阳极室(2)排出的水。
12.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，该储存和蒸发元件(17)与该凝结区域(6)接触。
13.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，该储存和蒸发元件包括配置来实现氢的催化燃烧的材料(19)。
14.根据前述任一项权利要求所述的电池，其特征在于，亲水多孔材料(18)设置在该阳极室(2)中。
15.根据前述任一项权利要求所述的电池，其特征在于，该壁(4)包括由微通道(20a、20b)互连的凝结区域(6a、6b、6c)，该排泄通道(8)连接该凝结区域之一的至少一个凝结面(7)到该阳极室(2)的外部。
16.一种凝结且去除形成在燃料电池的阳极室中的水的方法，其特征在于，包括步骤: 在该阳极室(2)的内部局部降低该阳极室(2)的壁(4)的至少一个凝结面(7)的温度，在该凝结面(7)上凝结在该燃料电池的运行期间通过反向扩散获得的水蒸气， 通过连接所述凝结面(7)到该阳极室(2)的外部的排泄通道(8)去除凝结在该凝结面(7)上的水。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在去除步骤前，执行检测该凝结面(7)上凝结水存在的步骤，仅在该凝 结面(7)上检测到凝结水(16)时执行该去除步骤。
【文档编号】H01M8/04GK103503214SQ201280021499
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年2月28日 优先权日:2011年3月2日
【发明者】V.福彻克斯, A.拉图尔, J.瑟里, B.瓦隆 申请人:原子能和代替能源委员会