CN100347878C - 燃料电池流场中的限流器 - Google Patents
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Abstract
用于质子交换膜燃料电池的流场具有多个流道，其包括策略地贯穿定位的限流器，以实现燃料和氧化剂供给和排放歧管之间，以及相邻的流道之间的需要的压差。优选的限流器包括在流道中的缩颈，其具有小于流道的截面积的截面积。
Description
相关申请
这是序号为10/356403(目前已放弃)的美国专利申请的部分继续，该申请以Jefffrey Rock的名义提交于2003年1月31日，并转让给本申请的受让人。
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，更详细地涉及用于其的反应物流场。
背景技术
燃料电池被建议作为电源用于多种用途。一种这样的燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池。质子交换膜燃料电池在本领域中已熟知，每个质子交换膜燃料电池包含所谓的“膜电极总成”(以下简称MEA)，该膜电极总成包括薄的(即大约0.0015-0.007英寸)的质子传导聚合物，在其一个表面具有阳极膜(即大约0.002英寸)、在其相对表面具有阴极膜(即大约0.002英寸)的膜电解质。此类膜电解质在本领域中已熟知，且尤其在例如美国专利5,272,017和3,134,697中，以及在Journal of Power Sources的29卷(1990)，367-387页中已描述。通常，此类膜电解质由离子交换树脂制成，且通常包括全氟化磺酸聚合物，例如由E.I.Dupont de Nemours & Co.提供的NAFIONTM。另一方面，阳极和阴极膜具有代表性地包括(1)细化分裂的碳微粒，附着在碳微粒的内外表面上的非常细化分裂的催化剂微粒，与催化剂微粒和碳微粒混合的质子传导材料(例如NAFIONTM)，或(2)仅催化剂微粒而无碳微粒分布在聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂中。一个此类的MEA和燃料电池在1993年12月21日颁发的美国专利5,272,017中有所论述，并已转让给本发明的受让人。
MEA夹在多片多孔的、透气性的、被称为“扩散层”的传导材料片之间，这些传导材料片压在MEA的阳极和阴极表面上，作为(1)阳极和阴极的初级集电器，并且(2)为MEA提供机械支持。合适的此类初级集电器片包括碳或石墨纸或织物，细网眼贵金属筛等，通过它气体可以扩散或被推动，以接触脊部下面的MEA，正如在本领域中已熟知。
以此形成的夹层物被压在一对导电板之间，这对导电板用作次级集电器，以收集来自初级集电器的电流并在电池堆内的临近电池之间传导电流(即，双极板情况下)，以及在电池堆外的临近电池之间传导电流(单级板情况下在电池堆的端部处)。每个次级集电板包括至少一个包含所谓“流场”的活性区，该流场在阳极和阴极表面上分配燃料电池的气态反应物(例如H2或O2/空气)。流场包括多个脊部，脊部接合初级集电器并在其间限定多个凹槽或流道，通过凹槽或流道，气态反应物在位于流道一端的板头部区的供给歧管与位于流道另一端的板头部区的排放歧管之间流动。
供给歧管和排放歧管之间的压力差(1)，以及临近的流道或同一流道不同部分之间的压力差(2)在设计燃料电池中十分重要。可通过采用蜿蜒流道来实现所需的歧管至歧管之间的压力差以及流道内部的压力差。蜿蜒流道具有奇数个支路，以之字形折返方式在电池堆的供给歧管和排放歧管之间延伸。蜿蜒流道采用不同的宽度、深度和长度，以改变供给歧管和排放歧管之间的压力差，且可设计为推动一些反应物气体在临近的流道之间，或在同一流道的临近部分之间通过集电扩散层越过脊部流动，以将面向分隔支路的脊部的MEA暴露在反应物前。例如，使得某些气流移动经过接合分隔上游支路和平行的下游支路的脊部的扩散层，可以使其从流道的上游支路(即，该处压力较高)流向平行的、同一流道的下游支路(即，该处压力较低)。提出了非蜿蜒流道，它或多或少地直接在供给歧管和排放歧管之间延伸，即其中没有任何急转弯/之字型转弯，因此比蜿蜒流道的长度更短。非蜿蜒流道的压力差处理比蜿蜒流道更加困难。
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池流场，其在供给歧管和排放歧管，相邻流道之间，和/或同一流道不同部分之间实现需要的压力差中提供相当大的设计灵活性。本发明利用策略地位于遍及流场的限流器来实现需要的压力差，且对于非蜿蜒流道特别有用。
发明内容
本发明涉及一种类型的质子交换膜燃料电池，其具有(1)质子交换膜，其具有相对的阴极和阳极表面，(2)接合所述表面的至少一个的透气的导电的集电器，以及(3)接合透气的集电器的集电板，该集电板在其上具有面对透气的集电器的气体流场。该流场包括多个接合透气的集电器并限定了多个气体流道的脊部，气态反应物(即，H2和O2)流过该气体流道。流道的每个具有(a)与以第一压力为流道供给反应物气体的供给歧管相连通的入口端部，(b)与以小于第一压力的第二压力从流道接收反应物气体的排放歧管相连通的出口端部。根据本发明，提供有：(1)在第一流道中的第一限流器，用于将第一压力降低到比第一压力小的在第一限流器下游的第二压力，以及(2)在邻近第一流道的第二流道中的第二限流器，用于维持在第二限流器的上游的第二流道内的第三压力充分大于第二压力，使得其驱动来自第二流道的气体中的一些通过接合分开两个流道的脊部的透气的集电器进入第一流道。限流器优选包括在流道中的缩颈，其具有比流道本身小的截面积。或者，限流器可以是流道的曲折部分，或者在进入流道和离开流道处的端口，其比流道本身小。限流器优选位于邻近流道的入口端部和出口端部，在此处，它们可以越过流道最长的长度影响上游和下游压力。
根据本发明的优选实施例，非蜿蜒流场具有多个流道，每个流道具有：(a)与供给歧管连通的入口支路，(b)与排放歧管连通的出口支路，(c)在入口支路和出口支路之间的至少一个中间支路，(d)在第一流道的入口支路中的第一限流器，用于产生在第一限流器下游的第二压力，该第二压力比供给歧管中的第一压力小，以及(e)在邻近第一流道的第二流道的出口支路中的第二限流器，用于维持在第二限流器的上游的第二流道内的第三压力，其足以驱动第一和第二流道之间的气体通过接合分开两个流道的脊部的透气的集电器。最优选的，每个流道具有分支的中央部分，使得提供中间支路，其具有至少第一和第二分支，每个分支具有与流道的入口支路相连通的第一端部和与流道的出口支路相连通的第二端部。在这个方面(即，具有分支的中央部分的流场)，(i)本发明的一个实施例具有仅位于流道的入口和出口支路中的限流器；(ii)另一个实施例具有仅位于分支的中央部分的分支中的限流器；以及(iii)在还有的实施例中，限流器位于入口/出口支路以及分支的中央部分的分支两者中。
附图说明
根据如下详细描述的本发明的某特定实施例，可以更好的理解本发明，该实施例将结合下列各图给出，其中：
图1是一个等角的分解示意图，描述了质子交换膜燃料电池堆(只绘出两个电池)；
图2是等角的分解视图，描述了质子交换膜燃料电池堆的MEA和双极板；
图3是图2的在其上指示的双极板的一部分的放大；
图4是图2中双极板的平面图；
图5是根据本发明的限流器的一个实施例(即，短缩颈)的放大的等角视图；
图6是根据本发明的限流器的另一个实施例(即，延长的缩颈)的等角视图；
图7是根据本发明的限流器的还有一个实施例(即，曲折路径)的放大的等角视图；
图8示意性地描绘了根据本发明的流场的一种规划，但是只显示了流道的每个的中心线和限流器的位置；
图9示意性地描绘了根据本发明的流场的另一种规划，但是只显示了流道的每个的中心线和限流器的位置；
图10示意性地描绘了根据本发明的流场的还有一种规划，但是只显示了流道的每个的中心线和限流器的位置。
具体实施方式
为简化，只图示了两电池的电池堆(即一个双极板)并在后文中描述，需要理解的是典型的电池堆可以具有更多的这样的电池和双极板。图1描述了两电池的双极质子交换膜燃料电池堆，该电池堆具有一对膜电极总成(MEA)4和6，二者被由导电的液体冷却的双极板8相互分隔开。MEA 4和6以及双极板8一起被堆在不锈钢夹板10和12以及单级端板14和16之间。夹板10和12与端板14和16之间通过衬垫或电介质涂层(未绘出)实现电绝缘。单极端板14和16以及双极板8的两个工作表面包含多个凹槽或通道18，20，22和24，限定出所谓的“流场”以将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配到MEA 4和6的表面上。不导电的衬垫26，28，30和32提供了燃料电池堆多个部件之间的密封和电绝缘。透气的碳/石墨扩散纸张34，36，38和40压在MEA 4和6的电极表面上。端板14和16分别压在碳/石墨纸34和40上，而双极板8压在MEA 4的阳极表面上的碳/石墨纸36上和MEA 6的阴极表面上的碳/石墨纸38上。
双极板8可以包括石墨，石墨填充的聚合物或金属。双极板可优选地包括两个分开的金属片/面板，它们被结合在一起以在其中提供冷却剂流过的通道。例如可通过钎焊、扩散结合或以导电粘合剂粘合的方式完成结合，如本技术领域中以熟知的方式。
图2是双极板8，第一初级多孔集电器42，MEA 43和第二初级多孔集电器44在燃料电池中堆在一起的等角分解图。第二双极板(未绘出)位于第二初级集电器44下方以形成一个完整的电池。类似地另一套初级集电器和MEA(未绘出)位于上片58的上方。双极板8包括第一外部金属片58，第二外部金属片60，和可选择的、打孔的、内部金属片62，该内部金属片钎焊于第一金属片58和第二金属片60中间。金属片58，60和62制成尽可能薄(例如厚度大约0.002-0.02英寸)，可通过冲压、光蚀刻(即通过光刻掩模)或任何其它传统过程用于成形片金属来形成。外部片58形成为提供反应物气体流场，其特征为多个脊部64，在其间限定了多个非蜿蜒的气体流道66，通过该流道，燃料电池反应物气体中的一种气体(即，O2)从双极板一边缘68附近流向双极板相对边缘70附近。当燃料电池组装完毕，脊部64压靠在放置在其上的初级集电器上(未绘出)，初级集电器又压靠在与其关联的MEA(未绘出)上。在运行中，电流从初级集电器通过脊部64并因此通过电池堆流动。O2气体由头部或供给歧管供给到流道66，该头部或供给歧管通过在几个板、衬垫等上的对齐的开口72而形成，并通过排放歧管从流道66流出，该排放歧管通过在几个板、衬垫等上对齐的开口74而形成。H2由头部或供给歧管供给到板60下侧的流道，该头部或供给歧管通过在几个板、衬垫等上对齐的开口76而形成，并通过排放歧管排出，该排放歧管通过在几个板、衬垫等上对齐的开口78而形成。来自入口歧管的冷却剂在片58和60之间通过，该入口歧管通过在几个板、衬垫等上的对齐开口75而形成，流向出口歧管，该出口歧管通过在几个板、衬垫等上的对齐开口77而形成。在这点上，双极板8(例如见图2)具有接合初级集电器的、并以非活性的头部区“B”和“C”为边界的中央活性区“A”。活性区A具有带阴极流场20的工作表面，该阴极流场包括多个流道66，以在其面对的MEA 4表面上分配O2。类似的双极板8的位于相对侧(即阳极侧)工作表面22(未绘出)用于在其面对的MEA 6表面上分配空气。双极板8的活性区A的侧面是两个非活性的、包含有几个经由其间的开口72、74、75、76、77和78的头部区或者边界部分B和C。当板堆在一起时，一个双极板上的开口与其它双极板上类似的开口对齐。堆的其它部件，例如衬垫26、28、30和32，MEA 4和6的膜，以及端板14、16具有相应的开口(见图1)，这些开口与堆的双极板的开口72、74、75、76、77和78对齐，并一起形成前述的用于为电池堆供给和从电池堆排放气态反应物和液态冷却剂的歧管。参考图1，氧气/空气通过适当的供给管道82供给到电池堆的空气供给歧管72，而氢气则通过供给管道80供给到氢气供给歧管76。H2的排放管道86和O2/空气的排放管道84也提供用于H2和空气排放歧管。另外的管道88和90分别用于为冷却剂入口歧管75供给液态冷却剂和从冷却剂出口歧管77排出液态冷却剂。
金属片60类似于片58。与片58相同，片60的下部具有接合第一集电器42的工作表面22。可选择的打孔内部金属片62可用于外部片58和60中间，并包括多个缝隙92，这些缝隙可使得冷却剂产生湍流，以分别与外部片58和60更有效的热交换。几个片58、60和62优选钎焊在一起。
图3和4分别是在图2上指示的板58的角部的放大等角视图和板58的平面图，更清楚地显示：在流道66的入口支路96中的几个限流器94；在流道66的出口支路100中的几个限流器98；以及在分岔的流道66的分支/中间支路104和106中的几个限流器102。在这个方面，每个流道具有与供给歧管72相连通的入口支路96，与排放歧管74相连通的出口支路100和位于流道中央部分的中间支路/分支104和106，它们与入口和出口支路96和100相连通，如在共同悬而未决的美国专利申请USSN10/654,504中更详细描述，其同时提交并意图在此合并作参考。入口支路96通过多个开口108和狭槽110与供给歧管72连通，该狭槽110通过位于板60的部分112下部的通路(未绘出)与歧管72连通。类似地，出口支路100通过多个开口114与排放歧管74连通，该开口114又通过狭槽116与排放歧管74连通，该狭槽116通过位于板60的部分118下部的通路(未绘出)与排放歧管74连通。限流器按所需有策略地布置/安放遍及流场，以实现其中所需的压力差。几个，但不是全部，这样的布置/安放在下面结合图8-10讨论。
限流器94、98、102优选包括在流道中的缩颈。在这方面，每个流道66具有第一截面积(即，横过其中的气流的方向)，其占遍及流道66的大部分长度，以及缩颈94、96、102具有比第一截面积小的第二截面积。理想地，几个缩颈定尺寸为导致在流道66的所有中间支路104、106中相同的流速，以及在流道66中的入口支路96和出口支路100中相同的流速。在一些情况下，限流器的一个或者多个必须具有与其它限流器不同的压降。因此，一个缩颈可以具有与其它缩颈不同的截面积。例如，入口和出口流速之间的差使得下游的缩颈比上游的缩颈更严格(即，更小)成为必须，以实现相同的总压降。
图5-7描绘了可选类型的限流器。图5描绘了根据本发明的限流器的优选实施例，示出了在流道66中的短缩颈120。图6的缩颈122类似于图5的缩颈，除了其被延长以实现对于如图5相同的截面跨过缩颈的稍微更大的压降。图7描绘了限流器124，其为流道66的曲折部分，其利用额外的流道长度和多个急转弯125，以在流道66的短的部分中提供需要的压降。流道66的入口支路96和出口支路100的另一种选择为使得到/来自流道66的进入端口和离开端口109和115(图4)比流道本身小。
图8是流场的简化表示，只示出了(a)供给歧管和排放歧管，(b)每个流道的中心线，以及(c)根据本发明的限流器的放置的一个实施例。更具体的，图8示出了供给歧管126、排放歧管128和在其间延伸的多个流道130(即，只显示了其中心线)。每个流道130具有与供给歧管126连通的入口端部132，以及与排放歧管128连通的出口端部134。多个限流器136、138有策略地定位在流道130中，以实现遍及流场的需要的压差。然而更具体的，限流器136定位在每隔一个流道130(例如，奇数编号的流道)的入口端部132附近。类似的，限流器138放置在所有其它流道130(例如，偶数编号的流道)的出口端部134附近。因此，第一流道130(a)在其入口端部132附近具有限流器136(a)，而下一个相邻的第二流道130(b)在其出口端部134附近具有限流器138(a)。反应物气体从供给歧管126以第一压力供给到流道。在第一流道中的限流器136a用于在限流器136a的下游立即降低第一流道130a中的压力，而在第二流道130b中的压力保持基本与供给歧管126中的压力相同(即，由于第二流道的长度产生任何损耗较小)，该压力比在第一流道130a中限流器136a下游的压力大。限流器的正确定尺寸导致：在第一和第二流道130a、130b之间的足够的压差，以驱动其间的气体通过介于其间的透气的集电器；以及第一和第二流道的入口端部132和出口端部134之间相等的压降。相同的原理应用到流场的剩余组的相邻流道。
像图8一样，图9是流场的简化表示，只示出了(a)供给歧管和排放歧管，(b)每个流道的中心线，以及(c)根据本发明的限流器的放置的另一个实施例。更具体的，图9示出了供给歧管140、排放歧管142和在其间延伸的多个流道144。每个流道144具有：具有与供给歧管140连通的入口端部148的入口支路143；具有与排放歧管142连通的出口端部152的出口支路150；以及至少一个中间支路146。在显示的实施例中，每个流道144在其中央部分分岔，使得为每个流道144提供两个分支或者中间支路146(a)和146(b)。中间支路/分支146(a)和146(b)每个与入口支路143和出口支路150连通，用于分别从供给歧管140接收反应物气体和将反应物气体排放到排放歧管142。在该实施例中，限流器154在入口支路143附近定位在分支/中间支路146(a)之一中，限流器156在出口支路150附近定位在另一个邻近的分支146b中。限流器154、156的正确定尺寸在相同的分岔流道144的相邻分支146a、146b之间建立压差，足以驱动其间的反应物气体通过介于其间的透气的集电器。相同的原理应用到流场的剩余的分岔流道。
图10是流场的简化表示，只示出了(a)供给歧管和排放歧管，(b)每个流道的中心线，以及(c)根据本发明的限流器的放置的还有一个优选的实施例。更具体的，图10示出了图8和9所示的实施例的限流器放置的组合。在这个方面，限流器158和160分别定位在入口支路162和出口支路164中，限流器166和168定位在相同的分岔流道144的一个中间支路146a的开始，以及另一个中间支路146b的端部。
当只使用流道144的分岔中央部分的分支146a、146b中的限流器154、156时(见图9)，入口支路143和出口支路150都没有压差。当只使用入口支路和出口支路中的限流器，而不是分岔流道的分支中的限流器时，分支中的一半与它们相邻的分支没有压差。当使用入口/出口支路以及分岔中央部分的分支两者中的限流器158、160、166、168时(见图10)，入口支路162和出口支路164具有均匀的压差，分岔分支146a、146b的一半比剩余的具有更大的压差。这被认为是优选的情况，因为压差的标准是，其应该驱动足够的流来提供比只通过经由透气的集电器扩散可获得的更好的堆性能，但是又没有太多的流使得膜变干。
根据流场设计者要获得的压差曲线，事实上对于几个限流器的位置存在未限制的放置可能性。因此，本发明不限于以上所述的特殊实施例，而只限制于在下面的权利要求书中阐述的范围。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池，其包括(1)质子交换膜，其在所述膜的相对侧上具有相对的阴极和阳极表面，(2)接合所述表面的至少一个的透气的导电的集电器，以及(3)接合所述的透气的集电器的集电板，所述集电板具有面对所述的透气的集电器的气体流场，所述的气体流场包括多个接合所述透气的集电器并将多个气体流道一个与下一个分开的脊部，每个所述气体流道具有(a)与以第一压力为所有所述的气体流道供给反应物气体的供给歧管相连通的入口端部，以及(b)与从所述的气体流道接收所述的气体的排放歧管相连通的出口端部，在第一气体流道中的第一限流器用于将所述第一压力降低到比所述第一压力小的在所述第一限流器下游的所述第一气体流道内的第二压力，以及在邻近所述第一流道的第二流道中的第二限流器用于维持在所述第二限流器的上游的所述第二气体流道内的第三压力，第三压力大于所述第二压力，且足以驱动来自所述第二气体流道的所述气体通过接合将所述第一气体流道与所述第二气体流道分开的脊部的所述透气的集电器进入所述第一流道。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中每个所述气体流道具有横过通过所述气体流道的气流方向的第一截面积，至少一个所述限流器包括在所述气体流道中的缩颈，其具有比所述第一截面积小的横过通过气体流道的气流方向的第二截面积。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中至少一个所述限流器包括所述气体流道的曲折部分。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中至少一个所述限流器为端口，其将所述歧管之一与所述气体流道之一连通，且定尺寸为提供所述第二和/或第三压力。
5.一种质子交换膜燃料电池，其包括(1)质子交换膜，其在所述膜的相对侧上具有相对的阴极和阳极表面，(2)接合所述表面的至少一个的透气的导电的集电器，和(3)接合所述的透气的集电器的集电板，所述集电板具有面对所述的透气的集电器的气体流场的集电板，所述的气体流场包括多个接合所述透气的集电器并将多个非蜿蜒气体流道一个与下一个分开的脊部，每个所述气体流道具有(a)与以第一压力为所有所述的气体流道供给反应物气体的供给歧管相连通的入口支路，(b)与从所述的气体流道接收所述的气体的排放歧管相连通的出口支路，以及(c)在所述入口支路和出口支路中间的至少一个中间支路，在所述流道的第一流道的入口支路中的第一限流器用于产生比所述第一压力小的在所述第一限流器下游的所述气体流道的所述第一气体流道内的第二压力，以及在邻近所述气体流道的所述第一气体流道的所述气体流道的第二气体流道的出口支路中的第二限流器用于维持在所述第二限流器的上游的所述气体流道的所述第二气体流道内的第三压力，第三压力大于所述第二压力，且足以驱动所述流道的所述第一和第二流道之间的所述气体通过接合将所述气体流道的所述第一气体流道与所述气体流道的所述第二气体流道分开的脊部的所述透气的集电器。
6.如权利要求5所述的质子交换膜燃料电池，其中每个所述流道在其中央部分分支，使得提供中间支路，其具有被接合所述透气的集电器的脊部相互分开的至少第一和第二分支，每个所述分支具有与所述入口支路相连通的第一端部和与所述出口支路相连通的第二端部。
7.如权利要求6所述的质子交换膜燃料电池，其中所述中间支路分岔，以及所述第一分支具有邻近所述第一端部的第三限流器，其将所述第三限流器下游的所述第一分支中的压力降低到低于所述第二压力的第四压力，以及所述第二分支具有邻近所述出口支路的第四限流器，用于维持所述第四限流器上游的所述第二分支中的第五压力足以驱动第一和第二分支之间的所述气体通过接合将所述第一分支与所述第二分支分开的脊部的所述透气的集电器。
8.一种质子交换膜燃料电池，其包括(1)质子交换膜，其在所述膜的相对侧上具有相对的阴极和阳极表面，(2)接合所述表面的至少一个的透气的导电的集电器，和(3)接合所述的透气的集电器的集电板，所述集电板具有面对所述的透气的集电器的气体流场，所述的气体流场包括多个接合所述透气的集电器并将多个非蜿蜒气体流道一个与下一个分开的脊部，每个所述气体流道具有(a)用于以第一压力从所有所述流道共同的供给歧管接收气体的入口支路，(b)用于将所述气体排到所有所述流道共同的排放歧管的出口支路，以及(c)在所述入口支路和出口支路中间且被脊部一个与下一个分开的的第一和第二中间支路，所述中间支路每个具有与所述入口支路连通的第一端部和与所述出口支路连通的第二端部，所述第一中间支路具有邻近所述第一入口支路的第一限流器，其将所述第一限流器下游的所述第一中间支路中的压力降低到低于所述第一压力的第二压力，以及所述第二中间支路具有邻近所述出口支路的第二限流器，用于维持在所述第二限流器上游的所述第二中间支路中的第三压力，第三压力大于所述第二压力，且足以驱动所述第一和第二中间支路之间的所述气体通过接合将所述中间支路分开的脊部的所述透气的集电器。
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