专利名称：电化学发生器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及电能的电化学发生器，尤其是涉及聚合物膜燃料电池堆。
背景技术：
燃料电池长期以来一直被认为是这种用途的装置，即燃料，例如氢，与氧化剂，例如空气组合的化学能直接转化为电能。燃料电池不受已知的卡诺循环的限制，因而燃料电池的特征是具有与存在中间热阶段的传统电能生产装置相比较而言的特别高的效率。
在各种已知类型的燃料电池中，离聚物离子交换膜燃料电池(下文中的质子交换膜燃料电池，即PEMFC)由于其所具有的下列特征而得到特别的关注，即响应快速功率需求的能力，以及相关辅助系统的简单性，特别是在汽车应用，以及在家庭用具或较小社区中产生较小的固定功率。
PEMFC包含电化学单元，其中电化学单元通常适合于依照压滤型模块结构与其它相同的单元层压，一般被称为电池堆。PEMFC通常包含离聚物膜(本领域中已知的全氟类离聚物膜，例如，在美国杜邦公司出售的商标为Nafion的碳氢化合物，其来源于聚合物，例如聚苯乙烯或聚醚醚酮)，在膜表面上贴上两个电极，即采用含有适当催化剂的多孔膜形式的负阳极和正阴极。电极外表面周边要与通常为平面的多孔结构接触，其中多孔结构适合于建立最佳电导和反应物，例如氢和空气均匀分布，通常都知道，这是由于多孔结构作为集流器或分配器的双重功能。与集流器有关的电化学单元形成总组件(下文中是通过膜电极组件，即MEA来限定的)在最后被封闭在一对双极板之间，其中该对双极板是由两个形状合适的薄片组成，不会被反应物渗透，并且是导电的。燃料和氧化物是通过双极板上的合适孔口来提供的，并且通过集流器分别分配到阳极和阴极。燃料，例如氢被氧化，生成质子和电子。质子通过迁移穿过离聚物膜，并且参与阴极的氧还原反应，形成了水。还原反应所需要的电子通过外部电路来自阳极。反应的化学能到电能的转化效率虽然显著高于传统发生器的转化效率，但是远远低于100％没有转化成电能的那部分化学能作为热能而被耗散，这必须要通过适当的冷却装置来回收这部分热能，以便于使电池内温度通常保持在60-100℃左右。为了较高的紧凑性，对于小功率系统，冷却装置优选为强迫通风型，并且对于功率较高的系统使用软化水循环。冷却是通过，例如使水沿着其中一个双极板流动来进行的，因此该双极板是由双层空壳组成。为确保PEMFC正常运行的另一个必要措施是通过反应物的预湿来提供的。预湿的目的是要向PEMFC提供一定量的水，用来保持膜的最高水化程度，其中最高水化程度对应最高的质子迁移能力，和最低欧姆电阻，以及最高工作电压。
根据现有技术，限定电池边界的双极板可以由石墨来制作，或者更广泛地，是由石墨-聚合物粘合剂复合物来制作。在一个主要的优选选项中，双极板同样可以由金属，优选为铬/镍/钼系列的不锈钢来制作。有水穿过的组内支管中的局部高压所引起的杂散电流，在这种情况中会引起不锈钢的腐蚀，特别是在与冷却水接触的双极板局部表面。这种腐蚀通常不是很强烈，从而不会引起双极板的结构损坏，但是会导致金属离子，基本上是循环水中的Ni++，Cr+++和Fe+++离子的逐渐增加。可以通过在冷却循环水路中引入含阳离子交换树脂过滤器，来限制浓度增加，但是该过滤器的运行会引起整个系统的操作复杂化。作为一个选项，通过使用具有较高耐蚀性的高合金钢，可以有效地降低金属离子的释放。高合金钢的特征是铬，镍和钼的含量高，这种高合金钢的价格昂贵，因此会使电池堆的制作成本显著增加。金属离子也可以借助整个系统的辅助元件来释放，例如树脂过滤器容器，循环水的集水槽，所需的热交换器，多种通道和控制传感器。但是，这些元件没有受到对金属分解有明显的加速作用的电池堆高压，因此它们对循环水中离子增加的作用通常可以忽略。值得提起的是，加速的金属离子释放和金属离子增加机理在有强度可变的反应气体和废物通过的电池堆支管中也是部分有效的，这取决于被分离的液态水所在区域的范围。
虽然石墨也要经受杂散电流的化学侵蚀，但是它生成二氧化碳作为腐蚀产物，因此如果产生的二氧化碳不在杂质中石墨含量所对应的最低水平，就不会引起金属离子的增加。该确定优势远不仅会通过不锈钢获得的双极板的减小的厚度，例如0.1-0.5mm抵消，而且允许制作具有金属的高弹性特征的紧凑得多的电池堆，通常会确保特别满意的机械和热冲击阻力。
已经观察到，在大约为200-300小时的可变工作时间之后，通过不锈钢双极板制作的电池堆显示出末端电池的性能衰退。这种衰退已被归因于成为末端电池较高的特征热散，末端电池的温度因此可能会低于电池堆中电池的平均温度。较低的温度决定了反应气体中所含水蒸汽的过分凝结，由此确保了催化膜孔的溢流。催化膜孔中存在的液态水阻碍反应气体朝位于离聚物膜界面的反应点的扩散。因此已经有人提议插入与每个末端电池外表面接触的加热元件通过合适的控制装置，可以提高末端电池的温度，从而使末端电池的温度与电池堆中其它电池的平均温度一致。
一种可选的修改方案是包含下列操作，即依照与用来冷却单个电池的结构相同的构造，使由有循环水通过的空壳组成的合适过热保护装置与每个末端电池的外表面接触通过适当地调整循环水的温度，可以保持一定水平的末端电池温度，该温度足以避免有害的水蒸汽凝结。
性能衰退机理的另一提议是基于末端电池内的不均匀电流分布作为一种解决方案，已经提议扩大外部电路的接点尺寸。但是，发明者已经证实，现有技术中的改进工艺只能将电池堆性能衰退的开始延迟到500-1000小时的工作时间。特别地，发明者注意到，在提高操作时间之后，又会出现一种新类型的性能衰退，只限于在负端侧的电池堆末端的少数电池。意外的是，位于正端侧的电池堆末端的电池性能，以及电池堆中其它电池的性能，都保持在完全符合要求的级别中保持不变。性能衰退表现为电池电压的逐渐减少，其中电池电压在末期还将经受极具破坏性的正负极逆转。为了避免这种严重情况，有必要对电池进行监视，对于那些电压下降到预定的临界值以下的电池，要及时提供短路。要注意的是，短路趋向于使邻近的电池衰退更加恶化。
从长远的角度看，这些问题在提供有了末端电池加热装置的电池堆中也会出现，邻近电池的衰退在短路时会更加恶化，并且衰退只会出现在电池堆的负端侧，这些事实清楚地表明了现有技术的失败分析的确不适用于发明者所观察到的衰退类型。因此可以断定，现有技术并不能解释和解决用不锈钢双极板制作的电池堆负端侧附近的电池性能的长期衰退。
本发明的目标是要提供一种用不锈钢板制作的电池堆设计，其中该设计克服了现有技术的局限性，避免了位于电池堆负端侧附近的电池性能衰退。
发明内容
在一方面，本发明包含用金属双极板制作的电池堆的设计，借助该电池堆设计，避免了冷却流体中所包含的金属离子在离聚物膜内部的横向迁移。
在优选实施例中，本发明包含用不锈钢双极板制作的电池堆的设计，其中该不锈钢双极板优选为AISI 316L型(DIN X 2 CrNiMo 1712或1713，16-18％铬/10-14％镍/2是由-3％钼)，依照该设计，通过使用外围尺寸减少的离聚物膜，避免了金属离子向膜迁移。特别地，周边必须局限于外围密封垫片的中间区域，该密封垫片包括在活性区域边缘和冷却水的给水孔和排水孔外围之间。作为一种选项，结构材料优选使用镍和铬含量较高的无钼不锈钢，例如依照DIN标准的CrNi2520系列的不锈钢(19-22％镍，24-26％铬)。
在另一个优选实施例中，通过使用一种离聚物膜，来阻止金属离子向膜活性区域横向迁移，其中该离聚物膜的尺寸与双极板相同，水和任选的反应气体和废物的进料孔和排出孔的外围提供于优选为有弹性的非导电材料上，是以平面垫片，O形圈或可固化液膜的形式提供的。
在另一个优选实施例中，本发明通过在安装没有进料孔的双极板作为末端电池的外部双极板，使在电池堆负端侧的冷却水注入支管和排水支管内的电场均匀化，解决了金属离子朝膜活性区域迁移的问题。
在下文中将要参照附图，对本发明进行描述，其中这些附图只起到例证的作用，而没有限制性的功能。
图1示出根据现有技术的PEMFC电池堆的横截面示意图；图2分开示出图1的电池堆中第一个电池的不同部件；图3分开示出根据本发明的第一实施例的电池堆中第一个电池的不同部件；图4分开示出根据本发明的第二实施例的电池堆中第一个电池的不同部件；图5示出图3和图4的电池堆中杂散电流的分布；图6分开示出根据本发明的第三实施例的电池堆中第一个电池的不同部件；图7示出图6的电池堆中杂散电流的分布。
具体实施例方式
参照现有技术，例如美国5,482,792中所描述的，图1示出了PEMFC电池堆的纵断面示意图，其中(1)标识了MEA组件，组件中的每一个都包含离聚物膜(2)，阳极(3)，阴极(4)和集流器(5)，双极板(6)，每一个电池(7)都包含封闭在提供有周边密封衬垫(8)的两块双极板(6)之间的MEA单位(1)，冷却装置(9)包含一个外罩，其中该外罩装有软化水，通过提供有周边密封衬垫(10)的两个相邻的双极板(6)来限定边界，并且包含定向的导电隔板(11)以保持两个相邻双极板之间的纵向电连续性，用来将电池堆与外部电路连接的两片导电材料(12)，每一片都通过导电元件(13)与末端双极板接触，其中导电元件(13)借助于衬垫(14)与外部环境隔离。此外，(15)表示两块柔性较低的板，这两块板允许多个电池(7)和冷却装置(9)保持在压缩的状态，确保在被提供有非导电涂层的连接杆(16)作用下接触电阻低，并且以适当的数目沿着板(15)，双极板(6)，导电材料片(12)以及衬垫(8)，(10)和(14)的周边分布，上述的两块板(15)选择性地提供有了用来补偿电池堆部件的热膨胀/收缩的弹簧(未示出)，(17)表示用于电池堆板(15)电气绝缘的一片非导电材料，(18)表示位于电池堆正端侧板(15)上的连接到外部电路的连接，用于提供燃料和氧化剂气体，例如氢和空气，提取残余气体和反应产物水，以及注入和排出冷却水。来自外部线路，通过连接(18)提供的燃料和氧化剂，借助分配通道分别被提供到阳极和阴极，其中分配通道是在例如，衬垫(8)层中获得，并且与通过各种部件的合适并列孔形成的电池堆中的纵向支管连接。冷却水以相同的方式被注入到装置(9)中，与反应产物水混合的残余气体被提取出来，并且冷却水被排出。
为了更好的理解，图2通过相应于层压顺序的从(a)到(p)的连续视图，示出了位于负端侧的第一电池以及有关的冷却装置的部件。尤其地(a)通过示意图示出了具有用于连接杆(16)通道的相关孔(19)的压缩板(15)前视图，(b)示出了优选有弹性的非导电材料板(17)，例如EPDM橡胶，该非导电材料板用于确保电池堆板(15)的电气绝缘，并且也要提供有用于连接杆(16)通道的孔(19)，(c)示出了高导电性材料的连接片(12)，例如铝或铜，连接片可选提供有适合于及时防止接触电阻增加的涂层，例如银镀层，另外还提供有孔(19)，(d)示出了尺寸与电池活性区域相同的导电元件(13)，且具有残余变形性和弹性，以便于在表面不规则程度小，或偏差小的情况下，实现片(12)和第一双极板(6)之间的完全接触，(e)示出了衬垫(14)，该衬垫用于将包含元件(13)的空间与外部环境绝缘，从而避免由于氧和空气中所包含的水蒸汽引起的氧化过程造成的可能的接触质量退化。在(f)中示出了第一双极板(6)的前视图，其中(20a)和(20b)表示用于提供燃料和氧化剂气体的孔，(20c)和(20d)表示燃料和氧化剂废物抽取孔，(20e)和(20f)表示冷却水的注入和排放孔，而最后(19)表示用作连接杆(16)通道的孔。要注意的是，与和冷却水接触的孔(20e)和(20f)的环形表面相对应，导致布置在电池堆负端侧附近的电池衰退的腐蚀现象被明确地局部化了，这一点将在下文中更为详细地解释。孔(19)以及孔(20a)到(20f)也会出现在图2g中描绘的第一周边密封衬垫(8)中，其中中空部分(21)限定了再次作为前视图的图2h中所图解的第一集流器(5)的位置。与观察者相对的图2g中的衬垫表面与第一双极板接触，并且具有除图示的孔以外的分布通道(22)和(23)，其中分布通道(22)和(23)获得有厚度并如图中虚线所示，并且在图中用虚线标示。分布通道(22)和(23)使孔(20a)和(20d)分别与衬垫的中间部分(21)连接，其中第一集流器(5)容纳在衬垫中，进而与附在膜表面的第一多孔催化膜接触。以该方式，燃料气体，例如氢气被提供给集流器，并由此分布到催化多孔膜上。废气从孔(20d)中排放，也可选择与水一起排放。在图2i中描绘了带有催化多孔膜的膜，其尺寸与集流器(5)和附在两个面中部(活性区域，只有一个是可见的)的周边密封衬垫(8)中空部分(21)的尺寸相同。在图2m中示出了第二周边密封衬垫(8)，提供有孔(19)和已在第一衬垫的情况中看到的孔(20a)到(20f)。
与观察者相对的图2I中第二周边密封衬垫(8)表面通过布置与第二双极板(6)直接接触，并且具有分布通道(22)和(23)，除了其中有偏移以外(用实线表示)，与在第一衬垫中看到的通道完全相同通道实际上将孔(20b)和(20c)与第二周边衬垫的中间部分(21)连接，其中中间部分(21)包含与附在膜上面的第二催化多孔膜接触的第二集流器(5)(如图21中所描绘的)。氧化剂气体，例如空气就以这种方式，通过通道(22)被提供给第二集流器，并且由此分布到第二催化多孔膜上。剩余的氧化剂气体与反应生成的水混合在一起，通过提取孔(20c)中的通道(23)排放。
在图2n中示出了第二双极板(6)的前视图，与图2f中的第一双极板完全相同。最后图2o和2p示出了导电隔板(11)和冷却装置的周边密封衬垫(10)。衬垫(10)特别具有冷却水的注入和排放通道(24)和(25)。
图2f到图2p中的元件层压形成了重复模块，该模块与相关的冷却装置一起组成了一个电池。图1中的电池堆是由封闭在两个压缩板(15)和两个连接片(12)之间的多个重复模块组成的从(20a)到(20f)的不同孔的叠加决定了纵向支管的形成，每个纵向支管都提供有用来连接到外部线路的连接(18)，并且每个支管都依靠自身的功能，分别与阳极或阴极或冷却装置连接。
上面的说明解释了在正常的工作条件下通过孔(20e)和(20f)的叠加形成的纵向支管要完全充满循环冷却水，其中循环冷却水依靠导电率的水平，并且在不同电池的电压总和所产生的高电压的作用下，允许通过被称为寄生电流或杂散电流的较强或较弱的电流通过。该电流实际上表示电效率的损耗，通过使冷却水软化来减少到最低限度。杂散电流不可能降低到零，这是因为由于软化作用的不完全，以及各种原因的离子增加，循环水总是保持一定的导电率。在通过孔(20a)，(20b)，(20c)和(20d)的叠加形成的反应物和废物通道中也会出现相似的情况在这种情况中，通过较小的杂散电流的条件是由存在的液态水产生的，其中液态水是通过电池堆向外部环境的热散逸，以及将反应生成的水从残余气体中分离引起的潮湿水蒸汽凝结而形成的。
图3示出本发明的第一实施例，其中与图2中的情况相比较，相同的部件要用相同的参考数字来表示。(2)表示外围位于周边密封衬垫表面区域的离聚物膜，该周边密封衬垫表面区域包含在活性区域边缘和进料孔，注入孔，提取孔和排出孔外围之间。该区域可以是与膜接触的面上的平面，因而与包含分布通道(22)，(23)，(24)和(25)的表相对作为一个选项，为了以更可靠的方式避免气体，反应产生的水以及冷却水泄漏到外部环境中，以及冷却水与膜边缘接触，该区域可以提供有一个或多个隆起或环。
图4示出本发明的第二实施例中的单个电池的部件，其中与图2相比较，未改变的部件用相同的参考数字表示。(2)表示外围与双极板一致的离聚物膜，该膜具有进料孔，注入孔，提取孔和排出孔，这些孔与衬垫上相应孔相比较，具有更大的截面。膜上的孔的外围提供有例如，由EPDM制成平面环(26)。还可以使用EPM橡胶和通常低硬度的弹性聚合物材料。环(26)的用途是要密封与孔对应的每对密封衬垫的界面，从而排除了出现这些情况的可能性，即气体，反应产生的水和冷却水泄漏到外部，以及冷却水与膜之间的接触。作为一个选项，可以用O形圈来代替平面环。作为另一个选项，在膜上的孔，以及周边衬垫上的孔的外围限定的周边密封衬垫区域，涂上一层可以借助催化剂，或者紫外线辐射或热处理固化和聚合化的液体材料。是液态硅树脂是一种合适材料，其在完成固化处理后还保持较低硬度和良好的弹性。作为平面环，O形圈或固化的聚合物膜的一个选项，可以提供本领域中已知的合适唇缘(lips)或台阶。
图5示出电池堆负端侧沿着一个支管纵切面的每个双极板孔的环形表面所发出的杂散电流的径向和纵向分布方案，其中支管是通过双极板，衬垫和膜上的合适的孔(20e)和(20f)相对于图3和图4的电池堆有序叠加而形成的(27)表示与冷却水接触的双极板上的孔的环形表面(28)所发出的杂散电流，以及所得到的等势面(29)，其余的部件是通过与前面的图中相同的参考数字来表示的。
图6示出本发明第三实施例的负端侧第一电池的部件，这些电池部件的特征为具有负端侧的第一双极板，该双极板完全没有用于气体反应物和废物，以及冷却水的进料孔，注入孔，提取孔和排出孔。
图7示出相对于图6的电池堆的杂散电流径向和纵向分布方案。
实例1发明者试图解决位于用不锈钢双极板制作的电池堆负端侧的电池性能衰退问题，已经通过使用图1中所示类型的电池堆进行了一系列试验，该电池堆由五十个电池组成，且该电池堆插有相同数目的软化水供给冷却装置。所使用的不锈钢名为AISI 316L(DINX2CrNiMo17132，16-18％铬/10-14％镍/2-3％钼，碳≤0.03％，硅和镁，平衡铁的百分含量较小)的那种类型的不锈钢。对于离聚物膜，总是使用美国杜邦公司提供的Nafion 112型的。催化多孔膜是由美国De Nora North America，E-TEK部门提供，并且包含铂的量为1mg/cm2。
如US 5,482,792中所公开的那样，使用涂上耐化学铬层的金属网状材料作为集流器。
正如下文中要指出的，试验中所使用的电池堆的内部设计是有差异的电池堆A(参照现有技术)图2中所示的部件。特别地，膜尺寸与双极板的尺寸一致，并且提供有进料孔，注入孔，提取孔和排出孔，其中这些孔可以与双极板以及周边密封衬垫上的相同孔准确地叠加。
电池堆B(本发明的第一实施例)如图3中所示的单个电池的部件。
电池堆C(本发明的第二实施例)如图4中所示的单个电池的部件。
在膜所采用的两种尺寸中，与电池堆B相关的尺寸确定有降低所使用的特别昂贵的材料数量的优势。另一方面，因为外围与双极板和周边密封衬垫一致，允许快速而精确的对准中心，所以电池堆C所使用的膜尺寸或许更适合于电池堆自动装配程序。
三个电池堆都提供有与插入在电连接板和正负端侧的两个外部电池中的每一个之间的冷却装置等价的元件，以便将其温度保持在接近其余电池的温度。
在供给纯氢(1.3巴绝对压力，70℃下的预湿，20％的化学计量过剩)和空气(1.2巴绝对压力，60℃下的预湿，50％的化学计量过剩)，且在残余气体出口处测量时，三个电池堆都在70℃的温度下运行。电流在电阻板上产生，其中电阻板上电流密度为0.5A/cm2的区域为活性区域。在运行期间，对每个电池堆的电池电压进行监控，并且电压≤0.2伏的电池要被短路(s.c.)。
下面，对于每个电池堆，记录了负端侧的前八个电池电压(伏)，正端侧后三个电池电压，以及其余电池的平均电压。
电池堆A100小时
250小时
500小时
750小时
1000小时[s.c.，0.25，0.30，0.40，0.52，0.60，0.65，0.71]
1250小时[s.c.，s.c.，s.c.，0.30，0.40，0.55，0.60，0.67]
1500小时[s.c.，s.c.，s.c.，s.c.，0.30，0.35，0.45，0.55]
电池堆B100小时
250小时无显著变化，电压振荡≤0.1伏500小时如上所述750小时如上所述1000小时如上所述1250小时如上所述1500小时如上所述电池堆C100小时
250小时无显著变化，电压振荡≤0.1伏500小时如上所述1000小时如上所述
1250小时如上所述1500小时如上所述这些数据的分析清楚地表明了电池堆B和C实际上至少在所选的测试时间内无性能衰退。相反地，电池堆A于500小时后在负端侧第一电池表现出严重不稳定。当单个电池电压下降到确定的临界阈值以下，正如所述的，即0.20伏以下时，电压衰减逐步增加，并且迫使操作员执行短路操作(s.c.)。同样重要的是要注意到，电池的短路会严重危害电压，加速附近电池的衰退，且无法阻止地向电池堆中心的衰退进程。电压衰减的特征允许排除现有技术分析中提出的将引起问题的原因归结为对外部环境的热损耗，或尺寸不正确的外部电路连接片所引起的电流分布。如果情况正是这样，那么事实上，问题就会只出现在第一电池上，并且任何情况下在电池堆的两端，正极和负极都是如此。为了阐明出现在电池堆A上的衰退机理，发明者对短路电池以及仍然正确运行的电池进行一系列的测试。通过膜的分析给出一个最恰当的指示，该指示说明了金属离子含量的显著差别。在表1中记录了在负端侧的第一短路电池(PEMFC 1)，与短路电池邻近的非短路电池(PEMFC 8)，以及中央电池(PEMFC 20)的活性区域的外围区域和中央区域中检测到的镍和钙的平均含量。
表1
这些数据清楚地表明了在电池上观测到的电压衰减与来自冷却水的金属离子在膜中的增加直接相关，正如存在的钙所显示的。事实上冷却水的特征为存在包括铁和铬的其它污染物质之外的镍(7.5ppm)和钙(2ppm)。
当考虑到位于负端侧的电池堆末端的惊人的在膜局部增加时，在不希望本发明受到任何特殊理论的限制的情况下，可以假设原因在于冷却水注入和排出支管内存在的电势分布。
该电势分布是通过每个双极板孔的环形表面发出的杂散电流的径向和纵向分布得到的，正如图5中相对电池堆负端侧邻近区段所图示的那样。在电池堆正端侧上的相同支管区段中的电流线和电势分布是相等的。电流发射峰值要与相应地位于电池堆负端侧和正端侧第一双极板相一致(图5中较长的箭头)，在朝电池堆中心的方向逐渐减小(图5中较短的箭头)。由此引起的电势分布的特征是在与中央电池对应的支管区域中大体上均匀分布，而在末端区域中严重不对称分布。两个支管端部在几何学观点上相同的不对称性会导致电势梯度的形成，该电势梯度在位于负端侧的电池堆末端的电池负极有相应的最大值，而相反地，在位于正端侧上的相对端的电池正极有相应的最小值。支管内的电势与单个电池电势的结合确定了膜中的横向电势梯度，其中该电势梯度在负端侧似乎对冷却水中的离子朝膜中央区域的迁移有利，而在正端侧看来好像阻碍了上述离子迁移。在电势大体上均匀分布的支管中央部分，将不会存在特殊的离子迁移加速或延缓作用，离子因而会主要依靠扩散来渗入到膜内部，这是一个慢得多的过程。在预湿气体反应物和包含反应生成的水的残余气体的进料和提取支管中，原则上也可以进行相似的离子向膜内部的横向渗透过程。但是，倘若以正确的方式执行预湿操作，气体反应物由于热损耗凝结形成的水肯定只以尺寸限的小滴水存在，并且反应生成的水必然占据小部分的提取支管区段，因此不阻碍废物的释放。而且，可以推测冷凝水和反应生成的水中离子的含量是有限的。因此对离子向膜内迁移的作用很有可能忽略不计。
实例2通过考虑上文中所述的膜离子增加过程的假设，发明者装配了一种新的电池堆，也就是下文中的电池堆D，该电池堆除了这一事实，即负端侧的第一双极板完全没有用于气体反应物，残余气体和冷却水的进料孔，注入孔，提取孔和排出孔以外，与电池堆A是相同的，如图6所示，图6示出了电池堆D负端侧的第一电池的部件。其余的部件(第一双极板以外的所有双极板，衬垫，MEA单位，电连接片，压缩板，连接杆)与构造电池堆A所使用的部件完全相同。电池堆D是通过与电池堆A，B和C完全相同的方式运行的。在1500个小时以后，没有观测到电池电压的显著衰减，其中电池电压大约保持在0.71伏的平均电压值，具有大约0.1伏的波动范围。电池堆负端侧的第一电池的膜分析示出了在外围区域和中央区域之间没有特别的差异的情况下可以忽略的离子增加。在不希望本发明受到任何特殊理论限制的情况下，发明者假设没有孔的第一双极板的存在更改了支管内的电势分布，使得电势在与电池堆负端侧的第一电池对应的部分大体上均匀分布，如图7所示。因此，关于金属离子的增加，位于电池堆负端侧的电池的特征是行为与一个中央电池相符合，其中，支管电势分布在机能上是一致的。
在电池堆正端侧上使用没有孔的双极板明显是行不通的，这是因为冷却水和气体反应物以及废气的循环将会被中途阻止。因此电势分布没有发生变化，并且是不对称的。然而这种情况决不是有害的，这是因为，正如测试所证实的，支管电势与电池堆正端侧上的电池电压的叠加阻碍了金属离子向膜内的迁移。
使用与其余双极板不同设计的双极板，不会使电池堆组装中引入任何特殊的复杂。此外，考虑到使大规模生产所必须的电池堆装配自动化的必要性，基于使用没有孔的负端侧第一双极板的解决方案或许比前文中所述的用于电池堆B和C的解决方案更可取。
显然通过使用完全没有金属离子的水，将会消除掉任何不便利之处但是通过使用具有与水接触的金属部件(在离散电流的加速作用下的双极板，不同的管件，循环泵，控制仪器，热交换器和存储箱)的封闭循环冷却水系统，不可避免的金属离子释放会导致在水中的逐渐积累，只能通过插入带有离子交换树脂的过滤器来对该过程进行部分抑制。由于循环水的分析已经证实了大约只有几个ppm量级的浓度足以在相对缩短的时间内引起不能接受的电压衰减，或许需要至少低一个数量级的浓度来确保充分的运行稳定性。除非采用尺寸过大的过滤器通过非常频繁的吸收/再生循环，很难用离子交换树脂将水中金属离子保持在相似的水平，但是这两个措施与电池系统管理不相容，相反地，电池系统管理必须要尽可能地简化。
对于本领域中的专家来说很明显的是，可以通过本发明的实践来对所引用的实例做出变更或修改。
因此要理解的是，前面的说明并不是为了对本发明做出限制，在不脱离本发明的范围的前提下，可以根据不同的实施例来利用本发明，本发明的范围是通过附加权利要求来明确限定的。
在本申请的说明和权利要求中，用语“包括”以及它的变更，例如“包含”和“由......构成”并不指示要排除其它元件或更多的部件的存在。
权利要求
1.一种由压滤型模块结构构成的电池堆，压滤型模块结构包含多个单质子交换膜燃料电池及冷却装置，每个电池都是通过一对金属双极板来限定边界，并且包含离子交换膜和周边密封衬垫，其中周边密封衬垫被定形为这样的框架，即适合于在它们的中空中央部分容纳集流器，双极板和衬垫都具有通道开口，其中通道开口包括馈送气体反应物的孔、提取带有反应产物的残余气体的孔、注入和排放恒温流体的孔，其特征在于，从所述离子交换膜内的所述恒温流体发生的离子横向迁移被防止。
2.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于与负端最接近的双极板没有通道开口。
3.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于借助所述离子交换膜与所述恒温流体的物理隔离，防止所述的离子横向迁移。
4.根据权利要求1到3中的任何一条所述的电池堆，其特征在于所述金属双极板的结构材料是包含16-26％的铬，10-22％的镍以及可选包含钼的不锈钢。
5.根据权利要求4所述的电池堆，其特征在于所述不锈钢是在AISI 316L以及依照DIN的CrNi 2520系列的钢之中选出的。
6.根据前面权利要求中的任何一条所述的电池堆，其特征在于所述恒温流体是在闭合线路中循环的软化水。
7.根据前面权利要求中的任何一条所述的电池堆，其特征在于离子交换膜的外围位于周边密封衬垫中间区域，其中周边密封衬垫包含在中央中空部分的边缘和通道开口的外围之间。
8.根据权利要求7所述的电池堆，其特征在于离子交换膜借助位于所述中间区域的密封元件与恒温流体隔离，其中所述中间区域可选地包含隆起或环。
9.根据前面权利要求中的任何一条所述的电池堆，其特征在于所述离子交换膜具有与所述衬垫的通道开口相匹配、并且具有比所述开口更大的截面的通道孔，其中这些通道孔借助位于所述膜的通道孔边缘和所述衬垫的通道开口之间的密封元件与恒温流体隔离，其中所述衬垫可选地包含平面衬垫或O形圈形式的非导电材料的隆起或环。
10.根据权利要求9所述的电池堆，其特征在于所述非导电材料环是由低硬度橡胶，可选为EPM或EPDM制成的。
11.根据权利要求9所述的电池堆，其特征在于所述非导电材料环包括液膜，该液膜是在装配电池堆时涂上的，并且通过液膜中所包含的催化剂，或者借助紫外线辐射或热处理来进行聚合。
12.根据权利要求11所述的电池堆，其特征在于所述膜具有弹性，并且在聚合以后硬度降低。
13.根据权利要求11或12中的任何一条所述的电池堆，其特征在于所述液膜包含硅树脂基可聚材料。
14.一种电池堆，如基本参照附图所描述的。
全文摘要
本发明描述了一种新的离聚物燃料电池堆设计，其包含多个不锈钢双极板，电极，膜和封闭在压缩板之间的周边密封衬垫。新的设计旨在避免膜内的金属离子增加，以及随之发生的电压衰减；为了这个目的，就要避免冷却液体内所包含的金属离子在离聚物膜内的横向迁移。
文档编号H01M8/10GK1864294SQ200480029236
公开日2006年11月15日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月14日
发明者卢卡·梅罗, 达尼埃莱·法基, 安东尼奥·马焦雷, 朱塞佩·法伊塔 申请人:纽韦拉燃料电池欧洲有限责任公司