專利名稱：使用表面活性劑的pem燃料電池堆的水管理的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及在燃料電池堆的流場通道中提供水管理的系統和方法，更具體地說，涉及在燃料電池堆的流場通道中提供水管理的系統和方法，其包括使表面活性劑與增濕水結合來使陰極輸入空氣流和陽極輸入氫氣增濕從而降低流場通道內的水的表面張力，使得水在毛細作用下離開。
背景技術：
氫氣是很有吸引力的燃料，因為它清潔并且可在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是電化學裝置，其包括陽極和陰極以及其間的電解質。陽極接收氫氣而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解而產生自由質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧和電子反應而產生水。陽極的電子不能通過電解質，并且因而在被送到陰極前，通過載荷而完成工作。該工作用于使交通工具運轉。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是普遍的交通工具用燃料電池。PEMFC通常包括固態聚合物-電解質質子-傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括細小的催化顆粒，通常是鉑(Pt)，負載在碳顆粒上并且與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相反側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的結合限定了膜電極組件(MEA)。
典型地，若干燃料電池在燃料電池堆中結合以產生期望的功率。對于上述汽車燃料電池堆來說，該堆可以包括200個或以上燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應性氣體，典型地，通過壓縮機的作用，使空氣流通過所述堆。并非全部的氧被所述堆消耗，一些空氣作為陰極尾氣輸出，所述廢氣可能包括作為堆副產品的水。燃料電池堆還接收流入堆的陽極側的陽極氫氣反應氣體。
燃料電池堆包括一系列流場或位于堆中若干MEA間的雙極板。對于堆中相鄰的燃料電池，雙極板包括陽極側和陰極側。在雙極板的陽極側上提供了陽極氣流通道，其使得陽極氣體流到MEA的陽極側。在雙極板的陰極側上提供了陰極氣流通道，其使得陰極氣體流到MEA的陰極側。雙極板還包括使冷卻流體流過的流道。
圖1是燃料電池10的剖視圖，該燃料電池是上述類型的燃料電池堆的一部分。燃料電池10包括陰極側12和陽極側14，其被全氟磺酸膜16隔離。在陰極側12上提供陰極側擴散介質層20，在膜16和擴散介質層20之間提供陰極側催化劑層22。同樣地，在陽極側14上提供陽極側擴散介質層24，和在膜16和擴散介質層24之間提供陽極側催化劑層26。催化劑層22和26與膜16限定了MEA。擴散介質層20和24是多孔層，其提供了注入氣體至MEA的輸送和來自MEA的水分輸送。用于將催化劑層22和26分別沉積在擴散介質層20和24或者膜16上的各種技術在本領域中是已知的。
在陰極側12上提供陰極側流場板或雙極板18和在陽極側14上提供陽極側流場板或雙極板30。在燃料電池堆中的燃料電池之間提供雙極板18和30。在雙極板30中，來自流道28的氫氣反應氣流與催化劑層26反應以使氫氣離解為離子和電子。在雙極板18中，來自流道32的空氣流與催化劑層22反應。氫離子能夠通過膜16擴散，其中它們將離子電流載運過該膜。最終產品是水，其對環境沒有任何負面影響。導電涂層50可以被沉積在雙極板18上，而導電涂層52可以被沉積在雙極板30上以降低在板18和擴散介質層20以及板30和擴散介質層24之間的接觸電阻。
在此非限制性實施方案中，雙極板18包括兩片薄板34和36，其被模壓并且焊合在一起。薄板36限定了流道32，而薄板34限定了對于與燃料電池10相鄰的燃料電池的陽極側而言的流道38。如所示，在薄板34和36之間提供了冷卻流體流道40。同樣地，雙極板30包括限定流道28的薄板42、限定對于相鄰的燃料電池的陰極側而言的流道46的薄板44、和冷卻流體流道48。在本文所述的實施方案中，薄板34、36、42和44由導電材料如不銹鋼、鈦、鋁、聚合碳纖維復合材料等制成。
如本領域目前所掌握的，在燃料電池堆內的膜需要具有一定的相對濕度以便使膜兩端的離子阻力足夠的低以有效地傳導質子。在燃料電池運轉過程中，來自MEA和外部增濕作用的濕氣可以進入陽極和陰極流場通道。在低電池功率需求下，通常低于0.2A/cm2，氣體速度是較低的，而由于反應氣體的流速太低以致不能將水驅除出通道，所以水可能積聚在流道內。由于水的積聚而形成液滴，因為板材料的相對疏水性，液滴持續蔓延。水滴的接觸角通常約90度，因為液滴在流道中以基本上垂直于反應氣體流動的方向形成，并且在通道內起到提高流動阻力的作用。當液滴尺寸增加時，流道被阻塞，并且反應氣體被轉移到其它流道，因為通道在公用入口和出口的歧管間是平行的。因為反應氣體不能流過由水阻塞的通道，反應氣體不能將水驅除出通道。由于通道被阻塞而未接收反應氣體的膜的那些區域將不會發電，因而導致不均勻的電流分配并使燃料電池總效率下降。由于越來越多的流道被水阻塞，由燃料電池產生的電減少，其中低于200mV的電池電壓被看作是電池損壞。因為燃料電池串聯電連接，如果燃料電池中一個停止工作，那么整個燃料電池堆可能停止工作。
通常，在較高流速下周期性地使反應氣體強制通過流道，可以清除流道內積聚的水。然而，在陰極側上，這提高了對空氣壓縮機所施加的附加功率，由此使整個系統的效率降低。而且，存在著許多不使用氫燃料作為吹掃氣的理由，包括經濟性下降、系統效率下降和要處理在尾氣物流中高濃度的氫而增加的系統復雜性。
減少在通道中積聚的水還可以通過減少入口增濕來實現。然而，期望在陽極和陰極反應氣體中提供一定的相對濕度，以便燃料電池中的膜保持含水狀態。干燥入口氣體對膜有干燥作用，其可能提高電池的離子阻力并且限制膜的長期耐用性。

發明內容
根據本發明的教導，公開了一種燃料電池系統，其使用降低流場通道內水的表面張力的表面活性劑。該燃料電池系統包括增濕器，其使陰極入口空氣流和氫陽極氣體增濕。在增濕器中表面活性劑與增濕水混合，以便表面活性劑進入流場通道來降低其中水的表面張力。這將使得水在毛細作用下通過通道，由此，需要更小的力將水推到通道以外。在一個非限制性實施方案中，該表面活性劑是乙醇。在燃料電池的催化劑層中，釕可以被添加到鉑中，以減輕由乙醇的氧化產物造成的鉑中毒。
由以下說明書和所附權利要求并參考附圖，本發明的其它特點將變得更加清楚。


圖1是燃料電池堆中的燃料電池的剖視圖；和圖2是燃料電池系統的平面圖，該燃料電池系統將表面活性劑與增濕水混合，所述增濕水使被送到燃料電池堆中流場通道的氣體增濕。
具體實施例方式
以下討論的本發明的實施方案涉及了在燃料電池堆的流場通道內使用表面活性劑來降低水的表面張力，這種討論在本質上僅僅是示范性的，決不意味著限制本發明或者其應用或用途。
圖2是包括燃料電池堆62的燃料電池系統60的示意圖。在管路66上，壓縮機64向堆62的陰極側提供了壓縮空氣流。在管路66上，來自壓縮機64的空氣流被導向通過增濕器70以增濕空氣流來防止膜16干燥。同樣地，在管路76上，氫氣源74向堆62的陽極側提供了氫氣。如上所述，氫氣還被導向通過增濕器78以增濕氫氣來防止膜16干燥。增濕器70和78可以是任何合適的用于本文所述目的的增濕器。在一個已知設計中，由循環通過堆62的冷卻流體加熱增濕器70和78內的去離子水至堆的工作溫度以便水被汽化而與空氣流和氫氣流混合。在一個實施方案中，增濕器70和78是本領域技術人員所熟知的水蒸汽阱(water vapor trap)。
本發明建議使用添加到增濕器70和78的去離子水內的濕潤劑或表面活性劑，其將被輸送到陰極側流場通道32和陽極側流場通道28中并且起到降低其中水的表面張力的作用。特別地，將來自源80的合適的表面活性劑提供給增濕器70，以與其中的水混合并且被管路66上的空氣流載運。同樣地，將來自源82的合適的表面活性劑提供給增濕器78，以與其中的水混合并且被管路72上的氫氣載運。選擇性控制分別被添加到增濕器70和78的來自源80和82的表面活性劑的量以便適當量的表面活性劑被引入流場通道28和32以提供在流場通道28和32中形成的水的期望的接觸角。初步結果已經表明，通過使用合適的表面活性劑，對于碳纖維復合材料和金屬雙極板來說，在流場通道內的水的接觸角可以小于10度。
潤濕劑可以是任何合適的具有降低固體基質上水的表面張力的能力和適于燃料電池環境的表面活性劑(surface active agent)。這些材料包括但不局限于洗滌劑、聚合物基超支化潤濕劑、其它不發泡劑如CoatOSil、表面活性劑(surfactant)、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜堿、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二鈉(disodium laureth sulfosuccinate)、烷基二甲基甜菜堿等。
在一個實施方案中，表面活性劑是乙醇，其眾所周知在幾乎任何材料上降低水的表面張力。因為乙醇在大約堆62的工作溫度汽化，所以它能夠通過降低其中水的表面張力而起作用以降低在流場通道表面上形成的水滴的接觸角。因此，在堆62的工作溫度，乙醇不會顯著地汽化，但是將提供一些汽化。
眾所周知乙醇將在堆62的陰極側在燃料電池條件下氧化。乙醇的氧化將釋放一氧化碳，其可能使催化劑層22和26中毒。為了緩和這個問題，本發明建議在催化劑層22和26中將釕與鉑混合。釕還將減少裝填到催化劑層22和26中的鉑。天然存在的鉑礦石已顯示包括約1/10的釕。
以上討論公開并描述了本發明僅僅示范性的實施方案。本領域技術人員將容易地從上述討論和附圖以及權利要求中認識到在不背離如以下權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下在其中做出各種變化、變體和變動。
權利要求
1.一種燃料電池系統，其包括燃料電池堆，其包括陰極側和陽極側；壓縮機，其向燃料電池堆的陰極側提供壓縮空氣流；陰極側增濕器，其從壓縮機接收空氣流，所述陰極側增濕器使陰極空氣流增濕；和用于向陰極側增濕器提供表面活性劑的表面活性劑源，所述表面活性劑與陰極側增濕器中的水混合，以便在堆的陰極側上表面活性劑降低流場通道內水的表面張力。
2.根據權利要求1的系統，其中表面活性劑是洗滌劑。
3.根據權利要求1的系統，其中表面活性劑是乙醇。
4.根據權利要求1的系統，其中表面活性劑是聚合物基超支化表面活性劑。
5.根據權利要求1的系統，其中表面活性劑選自CoatOSil、表面活性劑、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜堿、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二鈉和烷基二甲基甜菜堿。
6.根據權利要求1的系統，其中燃料電池堆包括多個燃料電池，每個燃料電池包括催化劑層，其中該催化劑層包括釕和鉑的混合物。
7.根據權利要求1的系統，其還包括氫源，其向燃料電池堆的陽極側提供氫氣，陽極側增濕器，其接收和增濕氫氣，和表面活性劑源，其向陽極側增濕器提供表面活性劑，所述表面活性劑在陽極側增濕器中與水混合從而表面活性劑在該堆的陽極側上降低流場通道內水的表面張力。
8.根據權利要求1的系統，其中該燃料電池系統是交通工具用的。
9.一種燃料電池系統，其包括燃料電池堆，其包括陰極側和陽極側；壓縮機，其向燃料電池堆的陰極側提供壓縮空氣流；陰極側增濕器，其接收來自壓縮機的空氣流，所述陰極側增濕器增濕陰極空氣流，所述陰極側增濕器包括表面活性劑，該表面活性劑在該堆的陰極側上降低流場通道內水的表面張力；氫氣源，其向燃料電池堆的陽極側提供氫氣；和陽極側增濕器，其接收來自氫氣源的氫氣，所述陽極側增濕器增濕氫氣，所述陽極側增濕器包括表面活性劑，其在該堆的陽極側上降低流場通道內水的表面張力。
10.根據權利要求9的系統，其中表面活性劑是洗滌劑。
11.根據權利要求9的系統，其中表面活性劑是乙醇。
12.根據權利要求11的系統，其中燃料電池堆包括多個燃料電池，每個燃料電池包括催化劑層，其中該催化劑層包括釕和鉑的混合物。
13.根據權利要求9的系統，其中表面活性劑是聚合物基超支化表面活性劑。
14.根據權利要求9的系統，其中表面活性劑選自CoatOSil、表面活性劑、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜堿、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二鈉和烷基二甲基甜菜堿。
15.一種增濕輸入到燃料電池堆的陰極空氣流和氫氣陽極的方法，所述方法包括混合表面活性劑與增濕陰極空氣流的增濕水，以降低陰極側流道內水的表面張力；和混合表面活性劑與增濕氫氣的增濕水，以降低陽極側流道內水的表面張力。
16.根據權利要求15的方法，其中表面活性劑是洗滌劑。
17.根據權利要求15的方法，其中表面活性劑是乙醇。
18.根據權利要求15的方法，其還包括將釕添加到燃料電池堆內的催化劑層中。
19.根據權利要求15的方法，其中表面活性劑是聚合物基超支化表面活性劑。
20.根據權利要求15的方法，其中表面活性劑選自CoatOSil、表面活性劑、EnviroGem AD01、Photomer 8127、Flexitane CA 6000、醇乙氧基化物、月桂基二甲基甜菜堿、磷酸烷基酯、聚氧乙烯烷基磺基丁二酸二鈉和烷基二甲基甜菜堿。
全文摘要
一種燃料電池系統，其使用表面活性劑，該表面活性劑降低流場通道內水的表面張力。該燃料電池系統包括增濕器，其使陰極入口空氣流和氫陽極氣體增濕。在增濕器中表面活性劑與增濕水混合，以便表面活性劑進入流場通道來降低其中水的表面張力，因而使得水通過毛細作用離開通道。在一個非限制性實施方案中，該表面活性劑是乙醇。在燃料電池的催化劑層中，釕可以被添加到鉑中，以減輕由一氧化碳(在燃料電池的陰極側上乙醇的氧化產物之一)造成的鉑中毒。
文檔編號H01M8/24GK1971994SQ20061016056
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月23日 優先權日2005年11月23日
發明者M·H·阿布德埃爾哈米德, G·維亞斯, Y·M·米克海爾 申請人:通用汽車環球科技運作公司