CN100461521C - 使用表面活性剂的pem燃料电池堆的水管理 - Google Patents

使用表面活性剂的pem燃料电池堆的水管理 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统，其使用表面活性剂，该表面活性剂降低流场通道内水的表面张力。该燃料电池系统包括增湿器，其使阴极入口空气流和氢阳极气体增湿。在增湿器中表面活性剂与增湿水混合，以便表面活性剂进入流场通道来降低其中水的表面张力，因而使得水通过毛细作用离开通道。在一个非限制性实施方案中，该表面活性剂是乙醇。在燃料电池的催化剂层中，钌可以被添加到铂中，以减轻由一氧化碳(在燃料电池的阴极侧上乙醇的氧化产物之一)造成的铂中毒。

Description

使用表面活性剂的PEM燃料电池堆的水管理
技术领域
本发明通常涉及在燃料电池堆的流场通道中提供水管理的系统和方法，更具体地说，涉及在燃料电池堆的流场通道中提供水管理的系统和方法，其包括使表面活性剂与增湿水结合来使阴极输入空气流和阳极输入氢气增湿从而降低流场通道内的水的表面张力，使得水在毛细作用下离开。
背景技术
氢气是很有吸引力的燃料，因为它清洁并且可在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是电化学装置，其包括阳极和阴极以及其间的电解质。阳极接收氢气而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解而产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应而产生水。阳极的电子不能通过电解质，并且因而在被送到阴极前，通过载荷而完成工作。该工作用于使交通工具运转。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是普遍的交通工具用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物-电解质质子-传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细小的催化颗粒，通常是铂(Pt)，负载在碳颗粒上并且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的结合限定了膜电极组件(MEA)。
典型地，若干燃料电池在燃料电池堆中结合以产生期望的功率。对于上述汽车燃料电池堆来说，该堆可以包括200个或以上燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应性气体，典型地，通过压缩机的作用，使空气流通过所述堆。并非全部的氧被所述堆消耗，一些空气作为阴极尾气输出，所述废气可能包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢气反应气体。
燃料电池堆包括一系列流场或位于堆中若干MEA间的双极板。对于堆中相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供了阳极气流通道，其使得阳极气体流到MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧上提供了阴极气流通道，其使得阴极气体流到MEA的阴极侧。双极板还包括使冷却流体流过的流道。
图1是燃料电池10的剖视图，该燃料电池是上述类型的燃料电池堆的一部分。燃料电池10包括阴极侧12和阳极侧14，其被全氟磺酸膜16隔离。在阴极侧12上提供阴极侧扩散介质层20，在膜16和扩散介质层20之间提供阴极侧催化剂层22。同样地，在阳极侧14上提供阳极侧扩散介质层24，和在膜16和扩散介质层24之间提供阳极侧催化剂层26。催化剂层22和26与膜16限定了MEA。扩散介质层20和24是多孔层，其提供了注入气体至MEA的输送和来自MEA的水分输送。用于将催化剂层22和26分别沉积在扩散介质层20和24或者膜16上的各种技术在本领域中是已知的。
在阴极侧12上提供阴极侧流场板或双极板18和在阳极侧14上提供阳极侧流场板或双极板30。在燃料电池堆中的燃料电池之间提供双极板18和30。在双极板30中，来自流道28的氢气反应气流与催化剂层26反应以使氢气离解为离子和电子。在双极板18中，来自流道32的空气流与催化剂层22反应。氢离子能够通过膜16扩散，其中它们将离子电流载运过该膜。最终产品是水，其对环境没有任何负面影响。导电涂层50可以被沉积在双极板18上，而导电涂层52可以被沉积在双极板30上以降低在板18和扩散介质层20以及板30和扩散介质层24之间的接触电阻。
在此非限制性实施方案中，双极板18包括两片薄板34和36，其被模压并且焊合在一起。薄板36限定了流道32，而薄板34限定了对于与燃料电池10相邻的燃料电池的阳极侧而言的流道38。如所示，在薄板34和36之间提供了冷却流体流道40。同样地，双极板30包括限定流道28的薄板42、限定对于相邻的燃料电池的阴极侧而言的流道46的薄板44、和冷却流体流道48。在本文所述的实施方案中，薄板34、36、42和44由导电材料如不锈钢、钛、铝、聚合碳纤维复合材料等制成。
如本领域目前所掌握的，在燃料电池堆内的膜需要具有一定的相对湿度以便使膜两端的离子阻力足够的低以有效地传导质子。在燃料电池运转过程中，来自MEA和外部增湿作用的湿气可以进入阳极和阴极流场通道。在低电池功率需求下，通常低于0.2A/cm2，气体速度是较低的，而由于反应气体的流速太低以致不能将水驱除出通道，所以水可能积聚在流道内。由于水的积聚而形成液滴，因为板材料的相对疏水性，液滴持续蔓延。水滴的接触角通常约90度，因为液滴在流道中以基本上垂直于反应气体流动的方向形成，并且在通道内起到提高流动阻力的作用。当液滴尺寸增加时，流道被阻塞，并且反应气体被转移到其它流道，因为通道在公用入口和出口的歧管间是平行的。因为反应气体不能流过由水阻塞的通道，反应气体不能将水驱除出通道。由于通道被阻塞而未接收反应气体的膜的那些区域将不会发电，因而导致不均匀的电流分配并使燃料电池总效率下降。由于越来越多的流道被水阻塞，由燃料电池产生的电减少，其中低于200mV的电池电压被看作是电池损坏。因为燃料电池串联电连接，如果燃料电池中一个停止工作，那么整个燃料电池堆可能停止工作。
通常，在较高流速下周期性地使反应气体强制通过流道，可以清除流道内积聚的水。然而，在阴极侧上，这提高了对空气压缩机所施加的附加功率，由此使整个系统的效率降低。而且，存在着许多不使用氢燃料作为吹扫气的理由，包括经济性下降、系统效率下降和要处理在尾气物流中高浓度的氢而增加的系统复杂性。
减少在通道中积聚的水还可以通过减少入口增湿来实现。然而，期望在阳极和阴极反应气体中提供一定的相对湿度，以便燃料电池中的膜保持含水状态。干燥入口气体对膜有干燥作用，其可能提高电池的离子阻力并且限制膜的长期耐用性。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用降低流场通道内水的表面张力的表面活性剂。该燃料电池系统包括增湿器，其使阴极入口空气流和氢阳极气体增湿。在增湿器中表面活性剂与增湿水混合，以便表面活性剂进入流场通道来降低其中水的表面张力。这将使得水在毛细作用下通过通道，由此，需要更小的力将水推到通道以外。在一个非限制性实施方案中，该表面活性剂是乙醇。在燃料电池的催化剂层中，钌可以被添加到铂中，以减轻由乙醇的氧化产物造成的铂中毒。
由以下说明书和所附权利要求并参考附图，本发明的其它特点将变得更加清楚。
附图说明
图1是燃料电池堆中的燃料电池的剖视图；和
图2是燃料电池系统的平面图，该燃料电池系统将表面活性剂与增湿水混合，所述增湿水使被送到燃料电池堆中流场通道的气体增湿。
具体实施方式
以下讨论的本发明的实施方案涉及了在燃料电池堆的流场通道内使用表面活性剂来降低水的表面张力，这种讨论在本质上仅仅是示范性的，决不意味着限制本发明或者其应用或用途。
图2是包括燃料电池堆62的燃料电池系统60的示意图。在管路66上，压缩机64向堆62的阴极侧提供了压缩空气流。在管路66上，来自压缩机64的空气流被导向通过增湿器70以增湿空气流来防止膜16干燥。同样地，在管路76上，氢气源74向堆62的阳极侧提供了氢气。如上所述，氢气还被导向通过增湿器78以增湿氢气来防止膜16干燥。增湿器70和78可以是任何合适的用于本文所述目的的增湿器。在一个已知设计中，由循环通过堆62的冷却流体加热增湿器70和78内的去离子水至堆的工作温度以便水被汽化而与空气流和氢气流混合。在一个实施方案中，增湿器70和78是本领域技术人员所熟知的水蒸汽阱(water vapor trap)。
本发明建议使用添加到增湿器70和78的去离子水内的湿润剂或表面活性剂，其将被输送到阴极侧流场通道32和阳极侧流场通道28中并且起到降低其中水的表面张力的作用。特别地，将来自源80的合适的表面活性剂提供给增湿器70，以与其中的水混合并且被管路66上的空气流载运。同样地，将来自源82的合适的表面活性剂提供给增湿器78，以与其中的水混合并且被管路72上的氢气载运。选择性控制分别被添加到增湿器70和78的来自源80和82的表面活性剂的量以便适当量的表面活性剂被引入流场通道28和32以提供在流场通道28和32中形成的水的期望的接触角。初步结果已经表明，通过使用合适的表面活性剂，对于碳纤维复合材料和金属双极板来说，在流场通道内的水的接触角可以小于10度。
润湿剂可以是任何合适的具有降低固体基质上水的表面张力的能力和适于燃料电池环境的表面活性剂(surface active agent)。这些材料包括但不局限于洗涤剂、聚合物基超支化润湿剂、其它不发泡剂如CoatOSil、表面活性剂(surfactant)、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜碱、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二钠(disodium laureth sulfosuccinate)、烷基二甲基甜菜碱等。
在一个实施方案中，表面活性剂是乙醇，其众所周知在几乎任何材料上降低水的表面张力。因为乙醇在大约堆62的工作温度汽化，所以它能够通过降低其中水的表面张力而起作用以降低在流场通道表面上形成的水滴的接触角。因此，在堆62的工作温度，乙醇不会显著地汽化，但是将提供一些汽化。
众所周知乙醇将在堆62的阴极侧在燃料电池条件下氧化。乙醇的氧化将释放一氧化碳，其可能使催化剂层22和26中毒。为了缓和这个问题，本发明建议在催化剂层22和26中将钌与铂混合。钌还将减少装填到催化剂层22和26中的铂。天然存在的铂矿石已显示包括约1/10的钌。
以上讨论公开并描述了本发明仅仅示范性的实施方案。本领域技术人员将容易地从上述讨论和附图以及权利要求中认识到在不背离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下在其中做出各种变化、变体和变动。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆，其包括阴极侧和阳极侧；
压缩机，其向燃料电池堆的阴极侧提供压缩空气流；
阴极侧增湿器，其从压缩机接收空气流，所述阴极侧增湿器使阴极空气流增湿；和
用于向阴极侧增湿器提供表面活性剂的表面活性剂源，所述表面活性剂与阴极侧增湿器中的水混合，以便在堆的阴极侧上表面活性剂降低流场通道内水的表面张力。
2.根据权利要求1的系统，其中表面活性剂是洗涤剂。
3.根据权利要求1的系统，其中表面活性剂是乙醇.
4.根据权利要求1的系统，其中表面活性剂是聚合物基超支化表面活性剂。
5.根据权利要求1的系统，其中表面活性剂选自CoatOSil、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜碱、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二钠和烷基二甲基甜菜碱.
6.根据权利要求1的系统，其中燃料电池堆包括多个燃料电池，每个燃料电池包括催化剂层，其中该催化剂层包括钌和铂的混合物。
7.根据权利要求1的系统，其还包括
氢源，其向燃料电池堆的阳极侧提供氢气，
阳极侧增湿器，其接收和增湿氢气，和
表面活性剂源，其向阳极侧增湿器提供表面活性剂，
所述表面活性剂在阳极侧增湿器中与水混合从而表面活性剂在该堆的阳极侧上降低流场通道内水的表面张力。
8.根据权利要求1的系统，其中该燃料电池系统是交通工具用的.
9.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆，其包括阴极侧和阳极侧；
压缩机，其向燃料电池堆的阴极侧提供压缩空气流；
阴极侧增湿器，其接收来自压缩机的空气流，所述阴极侧增湿器增湿阴极空气流，所述阴极侧增湿器包括表面活性剂，该表面活性剂在该堆的阴极侧上降低流场通道内水的表面张力；
氢气源，其向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；和
阳极侧增湿器，其接收来自氢气源的氯气，所述阳极侧增湿器增湿氢气，所述阳极侧增湿器包括表面活性剂，其在该堆的阳极侧上降低流场通道内水的表面张力。
10.根据权利要求9的系统，其中表面活性剂是洗涤剂。
11.根据权利要求9的系统，其中表面活性剂是乙醇.
12.根据权利要求11的系统，其中燃料电池堆包括多个燃料电池，每个燃料电池包括催化剂层，其中该催化剂层包括钌和铂的混合物。
13.根据权利要求9的系统，其中表面活性剂是聚合物基超支化表面活性剂。
14.根据权利要求9的系统，其中表面活性剂选自CoatOSil、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜碱、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二钠和烷基二甲基甜菜碱.
15.一种增湿输入到燃料电池堆的阴极空气流和阳极氢气流的方法，所述方法包括：
混合表面活性剂与增湿阴极空气流的增湿水，以降低阴极侧流道内水的表面张力；和
混合表面活性剂与增湿氢气的增湿水，以降低阳极侧流道内水的表面张力。
16.根据权利要求15的方法，其中表面活性剂是洗涤剂.
17.根据权利要求15的方法，其中表面活性剂是乙醇。
18.根据权利要求15的方法，其还包括将钌添加到燃料电池堆内的催化剂层中.
19.根据权利要求15的方法，其中表面活性剂是聚合物基超支化表面活性剂.
20.根据权利要求15的方法，其中表面活性剂选自CoatOSil、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜碱、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二钠和烷基二甲基甜菜碱.
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