帶有冷卻與內部濕潤的PEM燃料電池制造技術

一種電化學發生器，包括：提供有網狀氣體反應物分配器的多個薄膜燃料電池，供給有液態水的多個冷卻池，用于供給干燥狀態下的氣體反應物的裝置，以及用于增濕所述氣體反應物的至少一種、并用于通過滲透一部分供給到所述冷卻池的所述液態水跨越將所述燃料電池與所述冷卻池隔開的多個金屬性多孔壁、以及通過蒸發滲透到所述燃料電池內部的所述液態水而撤消熱量的裝置。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】?帶有冷卻與內部濕潤的PEM燃料電池依靠燃料電池的直電流的產生是常規發電系統的眾所周知的備擇方案，其特征在于低的或零環境影響。取決于所要求的功率，存在幾種類型的燃料電池，其特征在于利用不同的電解質從而在于不同的工作溫度。聚合物薄膜燃料電池最適合于小規模系統(典型地低于500kW)，其中低的開動及到達額定功率的次數、容易關機及隨后啟動，以及能夠瞬時響應非常廣泛范圍的負載請求的變化是需要的：該類型電池的典型應用領域是汽車牽引和供家庭使用的地方電力制造。聚合物薄膜燃料電池一般地又可以分成兩種類型，取決于它們使用氣體燃料(例如純凈的或混合的氫)還是液體燃料(例如甲醇或其他輕酒精)作為陽極供給。在這兩種情況下，所使用的固態電解質，即一般地提供有酸性硫酸基官能團的質子交換薄膜，施加低于100℃的工作溫度，或者在最好情況下高于該閾值幾度。實際上，該類型薄膜中的質子傳導通過經由分解反應的官能團上的電荷分裂而發生，要求濕氣的存在以便以有效方式發生。在陽極供給有氫氣并且在陰極供給有氧氣或空氣的電池(PEMFC)更顯著地受當溫度增加時容易發生的脫水現象的影響，因為兩種反應物都是氣相的，從而薄膜水合作用僅能夠通過由總反應產生的水和氣體流的濕氣而發生。因為通過燃料氧化和陰極氧氣還原而實現的電流產生伴隨熱量的釋放而發生，有效的熱量消除的重要性是顯然的，以便不致出現經常不可逆轉地妨礙質子傳導機制的不希望的溫度增加。在單個燃料電池中，熱量可以通過從外壁的對流而容易撤消；然而，由于熱力學原因單個電池很難有用，因為其電極處的電壓將導致非常有限，在任何情況下低于1伏特，即使當產生非常合適的電流時。因此，燃料電池通常以電串聯層疊成模組排列，使得單個電池的電壓在所需尺寸的堆中加總。但是，類似的電池疊層使得熱量通過大氣的自然對流從壁撤消變得不可實施，尤其-->是關于中心部位的電池。由于上述原因，這些年來燃料電池模塊的工程技術已顯著聚焦于建立用于增濕氣體并撤消反應熱量的愈加有效的系統。根據常規類型的方法，兩種功能由不同的水力回路單獨地實施：例如，增濕可以通過使水合作用箱中的氣體反應物沸騰，或者將它從通常預熱的液態水在其中循環的隔箱中通過半透膜供給到單獨的腔室；而冷卻可以通過在限定每個單元電池的平板內部延伸的適當蛇形管中或者在相鄰電池之間所獲得的合適腔室中控制溫度下的液態水的流通來實現。這兩種功能必須以非常嚴格的方式控制并且相互很好地協調，以便保持適當的水合作用條件即從另一方面來說不會在電池內冷凝過量的液態水。事實上必須避免由于液體的存在氣體反應物被妨礙到達由多孔電極結構上的催化劑沉積物構成的反應部位。進入的或反應產生的水與由于蒸發作用或隨著廢氣流從電池撤出的水之間的平衡由于以下事實變得更困難：常規設計的電池提供由限定電池的雙極板的繞組肋條設計給出的預先確定的反應物擴散通路，這些反應物被強制橫穿過以便到達反應部位。板肋條內的小水滴的粘附可能容易導致阻擋反應物供給從而電流產生過程。基于該觀點，一種更有利的情形在更先進的電池設計時發生，其中氣體通路不被強制而是在包含網狀材料的腔室的整個體積內非定域，網狀材料用來建立相鄰電池之間的電流連續性而不限定敏感的流約束。該類型的設計例如在EP?0629015中公開。該類型的設計非常有利于獲得所謂的蒸發冷卻，也就是熱量消除通過電池內部水的蒸發優選地成霧狀并且減少與相轉變關聯的相關潛熱來獲得。該類型的解決方案例如在WO?00/63992中描述，其中水和氣體的同步供給在存在于電池內部的網狀集流器上提供；隨后發生的至少一部分供給水的蒸發有助于氣體增濕以及熱量撤消。因為蒸發水的量易于隨溫度增加而增加，系統在某種程度上趨向于自調節。可選地，通過蒸發的熱量撤消可以結合對流撤消，如WO?01/41241中所描述的，其中描述了將WO?00/63992的蒸發冷卻與在電池的外圍框架上實施冷卻劑的循環的單獨回路結合在一起的燃料電池堆。更有效的蒸發/對流熱量消-->除綜合系統最終在意大利專利申請MI2002A?001338中公開，其描述了與冷卻池交替地層疊的燃料電池的堆；水流在冷卻池中循環并通過其頂部上的一系列校準孔部分地轉移到相鄰的燃料電池。雖然最后提到的三個專利申請中所提出的解決方案相對于提供冷卻及增濕功能的完全分離的常規技術代表相當大的進步，但所涉及的不尋常的氣體流率，尤其是當電池在低壓下工作的情況下，使作為良好工作的基本條件的、所產生蒸汽與反應物氣體的完美混合有時成問題。特別地，MI2002A?001338的系統可能導致更有效，如果冷卻及燃料池之間的水交換不以這種需要流體在燃料電池內的有問題的重新分配的定域方式而是以包括整個反應區的方式發生。雖然在完全不同的上下文，但是已知本領域中的一些實施方案提供冷卻池及燃料電池之間的沿著整個有效表面的非定域物質交換。一個引起關注的例子由US2001/0004501中所公開的多孔碳結構給出，該多孔碳結構用于另外的目的，也就是用于將燃料電池的過量液態水撤向冷卻回路。在該情況下，氣體從輔助回路預先增濕地供給，因為所利用的用強制通路肋條板制成的電池結構使得正確的現場增濕不能實施。另一方面，如前所述，限定電池的板的肋條內水的積聚可能導致妨礙向催化劑部位的反應物轉移。當生成產物水時，或者在過程瞬時狀態期間可能的過量冷凝之后，危險的積聚現象在這種情況下被過量水通過薄石墨柵欄向冷卻回路的滲透所抵消。用于在燃料及冷卻池之間交換物質的多孔壁的使用在DE?10103568中描述，其中交替地在一個方向上或在相反方向上的水蒸汽的流通使與水混合的低揮發性的冷卻劑與相鄰燃料電池的隔箱中預先增濕的氣體反應物之間的電池不同點上的蒸汽壓平衡。這允許用不同于純水的但液體本身對保持大約恒定的濕化狀態有貢獻的冷卻液通過對流來冷卻燃料電池堆。這些結構顯然地與蒸發型冷卻不兼容，此外需要復雜的電池設計并使用石墨材料，石墨材料抵抗機械誘惑很差從而不利于某些應用例如作為PEMFC型電池的典型的汽車應用。此外，這些類型的結構不能使電池設計不受存在氣體反應物的預先增濕的輔助系統的束縛。-->本專利技術的一個目的在于提供一種包括聚合物薄膜燃料電池和冷卻池的交替的電化學發生器，其適合于實現氣體反應物的現場增濕而不需要輔助回路的貢獻并且具有比現有技術的系統更高的效率，并且其中反應熱量的至少一部分的同步撤消通過蒸發冷卻而進行。在第一個方面，本專利技術包括一種電化學發生器，其包括在模組疊層(modular?lamination)中與液態水供給冷卻池交替的薄膜燃料電池(membrane?fuel?cell)，其中冷卻池由相鄰的燃料電池通過金屬性整體多孔壁而分隔，允許控制壓力下的水沿著整個表面從冷卻池到相關燃料電池的流通；冷卻池優選地介于每對相鄰燃料電池之間。在第二個方面，本專利技術包括一種在發生器中產生直電流的方法，該發生器包括由金屬性整體多孔壁相互分隔的薄膜燃料電池和冷卻池的模組疊層，其中燃料電池供給有某個壓力下的氣體反應物并且冷卻池供給有受控的更高壓力下的液態水，以便增濕供給到燃料電池的氣體反應物或它們的至少一種并且撤消反應熱量的至少一部分。這些及其他方面將通過下面的描述來闡明，該描述打算作為示范而不是限制本專利技術并且其中將參考附圖。附圖說明圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種電化學發生器，包括：提供有網狀氣體反應物分配器的多個薄膜燃料電池，供給有液態水的多個冷卻池，用于供給干燥狀態下的氣體反應物的裝置，以及用于增濕所述氣體反應物的至少一種、并用于通過滲透一部分供給到所述冷卻池的所述液態水跨越將所述燃料電池與所述冷卻池隔開的多個金屬性多孔壁、以及通過蒸發滲透到所述燃料電池內部的所述液態水而撤消熱量的裝置。2.根據權利要求1的發生器，其中所述冷卻池的一個介于所述薄膜燃料電池的每個相鄰對之間。3.根據前面權利要求的發生器，其中所述多孔壁由具有可控滲透度的金屬燒結材料或者由金屬纖維織物構成，選擇地，其支撐在金屬篩網或發泡或穿孔片材上。4.根據前面權利要求的發生器，其中所述多孔壁包括外圍密封框架。5.根據前面權利要求的發生器，其中所述多孔壁在至少一個面上用憎水材料表面地改性。6.根據權利要求5的發生器，其中所述憎水材料是氟化聚合物。7.根據前面權利要求的發生器，其中所述網狀氣體反應物分配器具有基本上比所述多孔壁低的流體流通阻力。8.根據前面權利要求的發生器，其中所述網狀氣體反應物分配-->器是選自金屬海綿或泡沫、篩網、發泡或穿孔片材的元件，或者這些元件的重疊。9.根據前面權利要求的發生器，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：安東尼奧·托羅，
申請(專利權)人：紐韋拉燃料電池歐洲有限責任公司，
類型：發明
國別省市：