CN101009377A - 用于燃料电池的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极板和具有这种双极板的燃料电池。该双极板包括用于燃料流动的多条流动通道，所述流动通道沿燃料流动方向被分为多个部分。经过这些部分的流动通道的总横截面积从燃料入口向燃料出口，减小。在这些部分之间形成多个凸起，这些凸起使经过这些流动通道的燃料混合。借助于本发明的双极板可提高空气在氧浓度减小的部分中的流速、减小流动通道的垂直高度、并通过加大流动通道的总宽度而增加对MEA的氧供应，从而可使双极板的通道中流动的流体浓度保持均匀。

Description

用于燃料电池的双极板
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极板结构。
背景技术
燃料电池是通过氧和如甲醇、乙醇或天然气之类的碳氢化合物材料中含有的氢之间的化学反应将化学能直接转换为电能的发电系统。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比具有高输出、低工作温度、快速启动和快速响应时间等优点，它是车用、便携式应用、家用和小型商用的优选燃料电池。
传统的PEMFCs主要在低温下工作，即在低于100℃、例如大约80℃下工作。由于传统PEMFCs的工作温度低，它们存在以下问题。即，通过重整如天然气或甲醇之类的有机燃料来获得用于PEMFCs、为代表性燃料的富氢气体。但是，富氢气体不仅包含二氧化碳，而且作为重整过程的副产物还包含一氧化碳。一氧化碳可使包含在阴极和阳极中的催化剂中毒。如果催化剂中毒，催化剂的电化学活性将大大降低，于是PEMFCs的工作效率严重降低，寿命显著缩短。PEMFCs的工作温度越低，一氧化碳引起的催化剂中毒越严重。
若PEMFCs的工作温度升高到高于150℃，由于一氧化碳引起的催化剂中毒可以减少，而且可以方便地控制PEMFCs的工作温度，所以可以使燃料重整器最小并可简化冷却装置，从而使整个PEMFC系统最小。
图1是直接液体供给燃料电池的基本结构的横截面图。如图1所示，传统的PEMFC具有包括阳极2、阴极3以及设置在两电极2和3之间的电解质膜1的结构。阳极2和阴极3分别包括用于提供和扩散燃料的扩散层22和32、发生燃料的氧化还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑层23和33。直接甲醇燃料电池(DMFC)的单元电池(unit cell)输出的理论电压大约为1.2V。但是，由于活性过载(active surcharge)和阻抗过载(resistance surcharge)引起的电压降，在室温和大气压下的开路电压降低到1V以下。实际上，单元电池的实际工作电压在0.4-0.7V的范围内。因此，为了获得更高的电压，需要串联多个单元电池。
通过叠置互相串联地电连接的多个单元燃料电池来形成燃料电池堆(fuel cell stack)。导电双极板4设置在相邻的单元电池之间以使单元电池彼此电连接。
双极板4主要由具有高机械强度、高导电性和良好的可加工性的石墨块形成。还可以使用包含金属或导电聚合物的复合材料的块体作为双极板4。独立地向接触双极板4的阳极2和阴极3提供燃料和空气的流动通道41和流动通道42分别形成于双极板4的两个表面上。设置在燃料电池堆中间的双极板4的两个表面包括流动通道41和42。在燃料电池堆的最上面和最下面设置有作为单极板的端板(未示出)，它们分别向阳极2和阴极3提供燃料或空气。这些端板分别包括用于向接触的单元电池提供燃料或空气的流动通道41或流动通道42(参见图1)。
图2是用于传统PEMFC的传统双极板4的表面、例如形成用于阴极的流动通道的表面的平面图。
参考图2，在传统双极板4中，上部开口的多条流动通道42形成在设置有膜电极组件(MEA)的电极区域47。电极区域47的区域外侧包括连接到流动通道41的入口或出口的总管46和燃料路径孔43a、43b、44a和44b，这些燃料路径孔是通过连接到总管46而用作提供或者排放氢燃料或氧化剂的通孔，它们贯穿双极板4。燃料路径孔43a、43b、44a和44b构成氢燃料的入口43a和出口43b以及氧化剂的入口44a和出口44b。附图标记48表示接触MEA的台肩(lands)。
可将图2所示的流动通道42形成为其中的流动通道具有相同横截面积(相同宽度和相同深度)的简单结构。在具有这种流动通道42的传统双极板4中，随着气体(空气或经重整的氢气)在流动通道42中流动，气体中的氧和氢浓度减小。因此，燃料电池的电流密度不均匀，并且反应热可能局部增加。而且，在与膜1接触(参见图1)的流动通道42的垂直横截面的一部分处的氧浓度(在阳极处为氢浓度)低于流动通道41底部的氧浓度，因而降低了燃料电池的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能使双极板的通道中流动的流体浓度保持均匀的直接液体供给燃料电池的双极板。
本发明另一目的是提供具有所述双极板的直接液体供给燃料电池。
根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池的双极板，该双极板具有用于燃料流动的多条流动通道，其中，这些流动通道沿燃料的流动方向分为多个部分，经过这些部分的流动通道的总横截面积从燃料入口向燃料出口减小，并且在这些部分之间形成多个凸起，这些凸起使经过这些流动通道的燃料混合。
可将所述流动通道形成为大致呈直线状。
所述部分的流动通道的总开口面积从燃料入口向燃料出口可以增加。
可将所述流动通道分为两或三部分。
根据本发明另一方面，提供一种直接液体供给燃料电池，其中，具有分别设置在电解质膜的每一表面上的阳极和阴极的膜电极组件(MEAs)被设置在多个双极板之间，其中，每一双极板包括分别向阳极和阴极提供氢燃料和氧化剂的多条流动通道，向阳极和阴极中至少之一提供燃料的流动通道沿燃料流动方向被分为多个部分，经过这些部分的流动通道的总横截面积从燃料入口向燃料出口减小，并在这些部分之间形成多个凸起，这些凸起使经过这些流动通道的氢燃料或氧化剂混合。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的所述和其它特点及优点将更加明显。附图中：
图1是直接液体供给燃料电池的基本结构的横截面图；
图2是用于传统PEMFC的双极板表面的平面图；
图3是本发明一实施方式的双极板表面的平面图；
图4和5的曲线分别示出了传统双极板和本发明一实施方式的双极板中的空气流动通道中的氧浓度(mol/m3)；
图6是本发明另一实施方式的双极板的局部透视图；
图7是本发明又一实施方式的双极板的局部透视图；
图8是本发明再一实施方式的双极板表面、例如提供空气的表面的平面图；
图9是本发明一实施方式的具有图3所示的双极板的直接液体供给燃料电池的横截面图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明一些示例性实施方式的附图对本发明进行更全面的说明。
图3是本发明一实施方式的双极板表面、如提供空气的表面的平面图。
参考图3，在双极板100的一表面上形成氧化剂(空气)流过的氧化剂流动通道121和122，在双极板100的另一表面上形成燃料流过的燃料流动通道(未示出)。氧化剂流动通道121和122形成于与膜电极组件(MEA)接触的电极区域110中。氧化剂流动通道121和122被分为第一部分111和第二部分112，在第一和第二部分111和112之间形成不与MEA接触的混合空间114。氧化剂流动通道121和122的上部以及混合空间114敞开。
电极区域110的区域外侧包括连接到第一部分111的入口和第二部分112的出口以及燃料路径孔141至144的总管130，这些燃料路径孔用于通过连接到总管130提供或者排放燃料(空气和氢燃料)，而且它们贯穿双极板100。燃料路径孔141和142构成氧化剂的入口141和出口142。附图标记143和144表示氢燃料路径孔，附图标记131和132表示与MEA接触的台肩。
第一部分111的氧化剂流动通道121的尺寸与第二部分112的氧化剂流动通道122不同。表1示出的是第一和第二部分111和112的氧化剂流动通道121和122的设计比例。
表1
    第一部分     第二部分
    宽度     1     0.8
    深度     0.7     0.5
    长度     1     1
    燃料通道数     2     3
参考表1，在第一部分111中每一氧化剂流动通道121的横截面积(宽度×深度×通道数)是1.4，而在第二部分112中每一氧化剂流动通道122的横截面积是1.2。因此，第二部分112中的流速高于第一部分111中的流速。而且，在第一部分111中氧化剂流动通道121的总开口面积比(宽度×通道数)(与MEA接触的面积比)是1，而在第二部分112中氧化剂流动通道121的总开口面积比是1.2。因此，在第二部分112中与MEA的接触面积比高于第一部分111中与MEA的接触面积比。这种设计的目的是为了提高第二部分112中的空气流速和与MEA的接触面积比，以便补偿第二部分112中比第一部分111中低的氧浓度。
图4和5的曲线分别示出了传统双极板4和本发明一实施方式的双极板100中的氧化剂流动通道121和122中的氧浓度(mol/m3)。
参考图4和5，在本实施方式的双极板100的第一部分111中，氧浓度降低的速率与传统双极板4中几乎相同。但是，在第二部分112中，本实施方式的双极板100中的氧浓度降低速率小于传统的双极板4。这是由于在第二部分112中氧化剂流动通道122的深度相对较浅、最终使氧化剂流动通道122的垂直横截面处的氧浓度差减小的缘故。
表2概括地列出的是具有传统双极板4的燃料电池和具有本发明一实施方式的双极板100的燃料电池的性能。
表2
    传统技术     本实施方式
平均电流密度，A/cm2     0.3367     0.3371
压力损失(阴极)，Pa     189     268
压力损失(阳极)，Pa     85     85
表3示出的是燃料电池的工作条件。
表3
    质量流量(阳极)，kg/s     4.0×10-8
    质量流量(阴极)，kg/s     2.0×10-6
    工作压力，atm     1.1
    阳极气体     H2＝100％
    阴极气体     O2∶N2＝0.2∶0.8
    电池电压，V     0.7
参考表2和3，使用本实施方式的双极板100的燃料电池具有更高的平均电流密度。在接触阴极的氧化剂流动通道121和122中增高的压力损失是由在第二部分112中氧化剂流动通道122的横截面积减小导致流速增加而引起的。在第二部分112中，流速提高和MEA之间的接触面积增加以及氧化剂流动通道122的垂直横截面处的浓度均匀性提高有助于第二部分112中氧的供应。结果，可获得良好的电流性能。另一方面，由于在接触阳极的双极板的两个表面上形成同样的流动通道，所以在接触阳极的双极板的表面没有发现压力损失的差别。
图6是本发明另一实施方式的双极板100′的局部透视图。该图中与图3所示基本相同的元件用相同的附图标记表示，并且不再重复对它们的详细说明。
参考图6，作为凸起部分的阻挡部分(obstacles)150形成在第一部分111和第二部分112之间的混合空间114中。流过第一部分111中的氧化剂流动通道121的流体溢过(flowing over)阻挡部分150进入第二部分112中的氧化剂流动通道122。这时，流体混合，因此可以获得均匀的燃料浓度。阻挡部分150可以形成为面对氧化剂流动通道121的出口。
图7是本发明又一实施方式的双极板100″的局部透视图。该图中与图3所示基本相同的元件用相同的附图标记表示，并且不再重复对它们的详细说明。
参考图7，在第一部分111和第二部分112之间的混合空间114中形成作为凸起的干扰部分(disturbers)160。干扰部分160可以呈圆柱形。流过第一部分111中的氧化剂流动通道121的流体绕过(flowing around)干扰部分160进入第二部分112中的氧化剂流动通道122。这时，流体混合，因此可以获得均匀的燃料浓度。
表4列出了分别具有传统双极板4和所提到的实施方式的双极板100′(实施方式1)和100″(实施方式2)的燃料电池的性能。此表采用与表3所示同样的工作条件。
表4
  传统技术   实施方式1   实施方式2
平均电流密度，A/cm2     0.3367     0.3373     0.3419
压力损失(阴极)，Pa     189     275     303
压力损失(阳极)，Pa     85     82     76
参考表4，使用本发明所提到的实施方式的双极板100′和100″的燃料电池比使用传统双极板4的燃料电池具有更高的平均电流密度。具体而言，使用具有干扰部分160的双极板100″的燃料电池的电流密度大大提高。接触阴极的氧化剂流动通道121和122中增高的压力损失是由经过第二部分112的氧化剂流动通道122的横截面积减小以及凸起150和160引起的，借此可提高第二部分112中的流速。在第二部分112中，流速提高和MEA之间的接触面积增加以及氧化剂流动通道122的垂直横截面处的浓度均匀性提高有助于在第二部分112中向阴极供应氧。结果，可获得良好的电流性能。
图8是本发明再一实施方式的双极板200表面、例如提供空气的表面的平面图。
参考图8，氧化剂流动通道221、222和223形成在双极板200的一表面上，而燃料流动通道(未示出)形成于双极板200的另一表面上。氧化剂流动通道221、222和223形成于与MEA接触的电极区域210中。电极区域210被分为第一、第二和第三部分211、212和213。与MEA不接触的混合空间214和215分别形成在第一部分211和第二部分212之间以及第二部分212和第三部分213之间。氧化剂流动通道221、222和223以及混合空间214和215的上部敞开，以用作流动通道。作为凸起的干扰部分160可以形成在混合空间214和215中。
电极区域210的区域外侧包括连接到第一部分211的入口和第三部分213的出口以及燃料路径孔241至244的总管230，这些燃料路径孔用于通过连接到总管230提供或者排放燃料(空气和氢燃料)，它们贯穿双极板200。燃料路径孔241和242构成氧化剂的入口241和出口242。附图标记243和244分别表示氢燃料路径孔，附图标记231、232和233表示与MEA接触的台肩。
表5示出了第一到第三部分211、212和213的氧化剂流动通道221、222和223的设计比例。
表5
    第一部分     第二部分     第三部分
    宽度     1     0.7     0.6
    深度     0.7     0.6     0.5
    长度     0.4     0.3     0.3
    通道数     2     3     4
参考表5，在第一至第三部分211、212和213中的氧化剂流动通道221、222和223的横截面积分别是1.4、1.32和1.2。因此，随着流体从第一部分211到第三部分213，其流速提高。
而且，在第一到第三部分211、212和213中的氧化剂流动通道221、222和223的总开口面积比(宽度×通道数)(与MEA接触的面积比)是2∶2.1∶2.4。在第二部分212和第三部分213中与MEA的接触面积比比第一部分211中高。这样设计的目的是为了提高第二部分212和第三部分213中的空气流速和与MEA的接触面积比，以补偿第二部分212和第三部分213中比第一部分211中低的氧浓度。
表6概括地列出了具有本实施方式的双极板200的燃料电池的性能。此表采用与表3所示相同的工作条件。
表6
    传统技术     本实施方式
平均电流密度，A/cm2     0.3367     0.3488
压力损失(阴极)，Pa     189     453
压力损失(阳极)，Pa     85     76
参考表6，使用本发明该实施方式的双极板200的燃料电池比使用传统双极板4的燃料电池的平均电流密度高。与阴极接触的氧化剂流动通道221、222和223中压力损失的增加是由第二部分212和第三部分213中横截面积减小引起的，借此提高第二部分212和第三部分213中空气的流速。第二部分212和第三部分213中空气流速的提高和MEA之间的接触面积增加以及氧化剂流动通道222和223的垂直横截面处的浓度均匀性提高有助于第二部分212和第三部分213中氧的供应。结果，可获得良好的电流特性。另一方面，由于在接触阳极的双极板的两个表面上形成同样的流动通道，所以与阳极接触的双极板的表面压力损失没有发现实质差别。
图9是本发明一实施方式的具有图3所示的双极板100的直接液体供给燃料电池的横截面图。在该图中用相同的附图标记表示与图3所示实质上相同的元件，并且不再重复对它们的详细说明。
参考图9，在燃料电池堆中堆叠多个MEAs，并将导电双极板100设置在MEAs之间。每一MEA具有电解质膜170，该电解质膜的一表面上具有阳极172，在相对表面上具有阴极174。导电端板180a和180b分别构成燃料电池堆的最上层和最下层。导电端板180a和180b只有一个表面与MEA接触，于是，导电端板180a和180b的此表面具有与双极板100的表面相同的形状，其功能与双极板100相同。MEA、在MEAs之间的双极板100、导电端板180a和180b以及集流板190a和190b可以通过螺钉用两个固定端板195a和195b来固定。
附图标记150表示密封件，例如垫圈，它可防止由燃料路径孔141至144提供的氢燃料或氧化剂(空气)接触阳极172或阴极174。
如上所述，本发明一实施方式的双极板可提高空气在氧浓度减小的部分中的流速、减小流动通道的垂直高度、并通过加大流动通道的总宽度而增加对MEA的氧供应。
在本发明一实施方式的PEMFC电池堆中，可以通过安装这种双极板而更方便地提供燃料，从而提高电流密度。
尽管已参考一些示例性实施方式具体示出和说明了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不超出由所附权利要求限定的构思和保护范围的前提下，可在形式和细节上对本发明作出各种变换。

Claims (8)

1.一种燃料电池的双极板，该双极板具有用于燃料流动的多条流动通道，其中，这些流动通道沿燃料流动方向被分为多个部分，
经过所述部分的所述流动通道的总横截面积从燃料入口向燃料出口减小，以及
在所述部分之间形成多个凸起，所述凸起使流过所述流动通道的燃料混合。
2.如权利要求1所述的双极板，其中，所述流动通道大致呈直线状。
3.如权利要求1所述的双极板，其中，所述部分的所述流动通道的总开口面积从所述燃料入口向所述燃料出口增加。
4.如权利要求1所述的双极板，其中，所述流动通道被分为两或三部分。
5.一种在多个双极板之间设置有膜电极组件(MEAs)的直接液体供给燃料电池，所述膜电极组件具有分别设置在电解质膜的每一表面上的阳极和阴极，其中，
每一双极板包括分别向所述阳极和阴极提供氢燃料和氧化剂的多条流动通道，
向所述阳极和阴极的至少之一提供燃料的所述流动通道沿燃料流动方向被分为多个部分，从燃料入口向燃料出口经过所述部分的所述流动通道的总横截面积减小，以及
在所述部分之间形成多个凸起，这些凸起使流过所述流动通道的氢燃料或氧化剂混合。
6.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述流动通道大致呈直线状。
7.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述部分的所述流动通道的总开口面积从所述燃料入口向所述燃料出口增加。
8.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述流动通道被分为两或三部分。
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