CN101366130A - 带有部分封闭的端部的燃料电池流场通道 - Google Patents

带有部分封闭的端部的燃料电池流场通道 Download PDF

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Abstract

一种用于燃料电池的设备(10)，其包括具有通道进口段(42)和通道出口段(44)的燃料电池流场通道(18)。所述通道进口段(42)或通道出口段(44)中的至少一个包括阻塞元件(46)，阻塞元件(46)部分地阻塞通过燃料电池流场通道(18)的流动。

Description

带有部分封闭的端部的燃料电池流场通道
技术领域
[0001]本发明总体上涉及一种燃料电池，且更具体地涉及燃料电池的流场。
背景技术
[0002]燃料电池是熟知的且在各种应用中用于发电。一般的燃料电池采用反应物气体产生电流，例如氢气或天然气和氧气。一般地，燃料电池包括各接受一种反应物气体的相邻的流场。每个流场将反应物气体通过气体分配层分配给相应的靠近电解质层的阳极催化剂或阴极催化剂，以产生电流。电解质层可以为有效地传送离子但不传导离子的任何层。一些示范性的燃料电池电解质包括：碱性溶液(例如，KOH)、质子交换膜(PEM)、磷酸、和固体氧化物。
[0003]一种流场包括与出口通道交叉的进口通道。进口通道具有完全敞开的进口和完全封闭的出口，且出口通道具有完全封闭的进口和完全敞开的出口。进口通道的完全封闭的出口促使进入进口通道的反应物气体流动通过气体分配层流入相邻的出口通道。这导致反应物气体向催化剂的强制对流和反应物气体对催化剂的相对较大的暴露。然而，强制对流增加反应物气体越过流场的压降且因而需要反应物气体的较高的增压，这不希望地消耗由燃料电池产生的一些电能且降低总体效率。
[0004]一般的流场包括具有完全敞开的开口和完全敞开的出口的敞开的或平行的通道。通过通道进入的反应物气体通过气体分配层向催化剂扩散。敞开通道允许相对不受限制的反应物气体流动且从而产生相对低的反应物气体压降。然而，相对低比例的流过通道的反应物气体扩散到催化剂，这不希望地导致反应物气体的低效率的利用。
[0005]本发明解决对在压降和有效的反应物气体利用之间的改进的平衡的需要。
发明内容
[0006]用于燃料电池的一个示例设备包括具有通道进口段和通道出口段的燃料电池流场通道。所述通道进口段或通道出口段中的至少一个包括阻塞元件，阻塞元件部分地阻塞通过燃料电池流场通道的流动。
[0007]一个示例包括在细长的通道壁之间的流动通路。阻塞元件延伸到细长通道壁之间的流动通路中，以部分地阻塞通过燃料电池流场通道的流动。
[0008]另一示例包括封闭元件，所述封闭元件靠近通道出口段或通道进口段延伸，以部分地阻塞相应的出口或进口流动。
[0009]一个示例包括具有开口的板，所述开口延伸通过所述板。板相对于燃料电池流场通道可移动，以部分地阻塞通过燃料电池流场通道的流动。
[0010]上述示例并不旨在限定。在以下描述附加的示例。从以下详细说明，本发明的各种特征和优势对本领域技术人员显而易见。附随详细说明的附图简要地描述如下。
附图说明
[0011]图1示意性地图示了燃料电池堆的选择部分。
[0012]图2是沿图1所示的线截取的截面图，图示了具有通道的实施例，通道具有部分地阻塞通过所述通道的流动的示范性阻塞元件。
[0013]图3显示了具有弯曲形状的另一示例阻塞元件实施例。
[0014]图4显示了示例阻塞元件和锥形通道。
[0015]图5A显示带有开口的示例性阻塞元件板，所述开口延伸通过所述板，其中板可相对于通道移动以部分地阻塞通过所述通道的流动。
[0016]图5B显示了图5A的示例阻塞元件板的透视图。
[0017]图6图示了实施例，其中带有阻塞元件的通道在交叉流场上游串连设置。
[0018]图7图示了实施例，其中带有阻塞元件的通道在平行流场下游串连设置。
[0019]图8图解性地图示了在阻塞元件尺寸范围的预期的和实际的电池电压对压降的示例。
具体实施方式
[0020]图1示意性地图示了用于发电的示例燃料电池堆10的选择部分。在该示例中，阳极侧12接受反应物气体R1且阴极侧14接受反应物气体R2以便以已知的方式产生电流。阳极侧12和阴极侧14的每个包括流场板16，例如加工板、模制板、压制板、实心板、多孔板、或其它类型的板，所述流场板16具有通道18，以将反应物气体R1和R2分配在相应的阳极侧12和阴极侧14上。
[0021]在所示的示例中，气体交换层20位于流场板16的每一个的附近。电解质层22在气体交换层20之间将阳极催化剂24与阴极催化剂26隔开。
[0022]在所示示例中，通道18具有矩形横截面轮廓。在另一示例中，通道18具有弯曲轮廓，如28处虚线所示。给定本说明，本领域技术人员将认识到什么通道形状将满足其具体需要。
[0023]在一个示例中，为了显示燃料电池堆10的操作，反应物气体R1和R2供应到相应的阳极侧12和阴极侧14的通道18中。反应物气体R1和R2通过气体交换层20向相应的阳极催化剂24或阴极催化剂26扩散或强制对流运动。电解质层22以已知的方式操作以允许阳极催化剂24和阴极催化剂26之间的离子交换，从而产生通过外部电路(未示出)的电流。
[0024]图2显示了根据图1所示的剖面线的流场板16之一。在该示例中，通道18在相对的通道壁40之间延伸。通道18的每个包括进口段42和出口段44。反应物气体流入进口段42，通过通道18且流出出口段44。在该示例中，通道18a和18c的出口段44和通道18b和18d的进口段42各包括阻塞元件46。
[0025]在所示示例中，阻塞元件46从细长的通道壁40延伸到通道18中。阻塞元件46部分地阻塞通道18，以限制反应物气体流入通道18b和18d且限制反应物气体从通道18a和18c流出。
[0026]在一个示例中，阻塞元件46的至少一个的尺寸确定为通道18(最佳地见于图1)的横截面积的百分比，阻塞元件46延伸到所述通道18中。较高的百分比阻塞较多的流动，且较低的百分比阻塞较少的流动。
[0027]在一个示例中，阻塞元件46阻塞相应通道18横截面积的大于大约0％且低于大约100％。在另一示例中，阻塞元件46阻塞通道18横截面积的大约70％和大约90％之间。在另一示例中，阻塞元件46覆盖通道18横截面积的大约80％。
[0028]上述示例的阻塞元件46通过各种方法的任何一种形成。在一个示例中，已知的加压模制过程用于形成流场板16。选择的进口段42和出口段44模制成带有完全封闭的端部。阻塞元件46然后从选择的进口段42和出口段44的完全封闭的端部加工。在另一示例中，阻塞元件46以近净成形模制过程形成且需要很少的加工或不需要加工。给定该说明，本领域技术人员应当认识到适合具体需要的制造阻塞元件46的附加方法。
[0029]阻塞元件46的尺寸控制越过燃料电池堆10的反应物气体压降和反应物气体利用效率之间的平衡。通道18a和18c通过完全敞开的进口段42接收反应物气体。通道18a和18c的出口段44处的阻塞元件46限制反应物气体流出。不受限制的流入和受限制的流出导致通道18a和18c中的蓄压，所述蓄压促使反应物气体流入气体交换层20流向催化剂(对阳极侧12为24，或对阴极侧14为催化剂26)。反应物气体移动通过气体交换层20进入相邻的通道18b或18d，且通过通道18b和18d的完全敞开的出口段44排出。反应物气体以该方式的强制对流提供反应物气体向催化剂24或26的更大的暴露的益处，从而增加在催化剂24或26处的反应物的浓度且从而降低称为扩散超电势的性能损失。然而，反应物气体流的限制和通道18a和18c中的相关蓄压导致越过燃料电池堆10的反应物气体的增加的压降。
[0030]通道18a和18c的出口段44处的阻塞元件46允许反应物气体从通道18a和18c受限制的流出，相对于在进口或出口处完全阻塞的交叉通道，这减少蓄压且导致越过燃料电池堆10的较低的压降。因而，受限制的流出提供蓄压(由于强制对流)和越过燃料电池堆10的压降(由于高的蓄压)之间的平衡。
[0031]在一个示例中，阻塞元件46的尺寸设计为在反应物气体利用效率和越过燃料电池堆10的压降之间获得希望的平衡。使用相对较小的阻塞元件46导致较低的效率(即，由于较少的强制对流)和越过燃料电池堆10的较低压降(即，由于较少的蓄压)。使用相对较大的阻塞元件46导致较高的效率(即，由于较大的强制对流)和越过燃料电池堆10的较高压降(即，由于在与较高利用率关联的一些通道中的较高蓄压)。给定该说明，本领域技术人员应当认识到满足具体效率和压降需要的适当的阻塞元件46尺寸。
[0032]所示实施例中的阻塞元件46显示为矩形形状。在图3所示的另一示例中，阻塞元件46具有圆形形状。给定该说明，本领域技术人员应当认识到，各种不同的阻塞元件46形状可以用于实现所披露的有益结果且满足它们应用的具体需要。
[0033]参考图4，通道壁40相对于彼此成角度，以在通道18中提供锥形，而不是前述示例的相对一致的通道宽度。锥形通道18限制反应物气体从通道18e和18g的进口段42流向出口段44。反应物气体限制导致通道18e和18g中的蓄压。如上所述，这继而导致反应物气体向催化剂24或26且到相邻的通道18f和18h中的强制对流。在该示例中，阻塞元件46起到与上述阻塞元件类似的功能，以促进强制对流同时允许受限制的流出。因而，阻塞元件46和通道18的锥形协作实现反应物气体效率和压降之间的希望的平衡。
[0034]图5A和5B显示了阻塞元件46的实施例，其中阻塞元件46包括具有开口58的板56a和56b，开口58延伸通过相应的板56a和56b。在该示例中，通道18i、18j、18k、181、18m和18n的每个和通道壁40具有大约相同的宽度。致动器60a和60b，如螺线管，将相应的板56a和56b沿移动方向D来回移动。在一个示例中，相应的轨道59引导板56a和56b的移动且限制横向于移动方向D的方向的移动。
[0035]在一个示例中，为了显示板56a和56b的操作，致动器60a和60b独立地移动相应的板56a和56b，以在反应物气体效率和压降之间获得相应的平衡，如上所述。在该示图所示的示例中，板56a处于通道18i、18k和18m的进口段42处阻塞流动通路38的大约50％的位置。板56b处于通道18j、181和18n的出口段44处阻塞流动通路38的大约50％的位置。致动器60a和60b选择性地移动相应的板56a和56b，以阻塞流动通路38横截面积的更大或更小的百分比(例如，在0％和100％之间)，以变换反应物气体效率和压降之间的平衡。
[0036]在另一示例中，板56a和56b提供这样的有益效果：能够响应于不同的状况动态地调节通过流动通路38的反应物气体流动。在一个示例中，在燃料电池起动期间，板56a和56b移动以阻塞仅仅流动通路38面积的小百分比(例如，几乎0％的阻塞)。在另一示例中，板56a在示图中向右移动以在通道18i、18k和18m的进口段42处阻塞流动通路38的大的百分比(例如，几乎100％的阻塞)。响应于燃料电池起动的结束，板56b在示图中向左移动以在通道18j、181和18n的出口段44处阻塞流动通路38的大的百分比(例如，几乎100％)。
[0037]在一个示例中，该特征提供减少称为“起停损失”的现象的有益效果。当燃料电池堆不活动时(例如，停机)，通道18的封闭阻止空气渗入通道18。这在起动时最小化空气和反应物气体燃料(例如，H2)的初始流动存在于阳极侧12上的状况，所述状况可能导致寄生的电化学反应、腐蚀、催化剂分解和阴极侧14中的氧排出。
[0038]参见图6所示的示例，改进的燃料电池堆10包括交叉流场部分70。在所示示例中，交叉流场部分70包括进口通道72和出口通道74。进口通道72包括完全敞开的进口段76和完全封闭的出口段78。出口通道74各包括完全封闭的进口段80和完全敞开的出口段82。反应物气体从采用阻塞元件46的通道18流向交叉流场部分70。
[0039]总体上，随着反应物气体由催化剂24或26用完，反应物气体浓度减少。因而，通道18的上游位置处，反应物气体浓度相对高，且在交叉流场部分70的下游位置处，反应物气体浓度相对低。在相对高的反应物气体浓度时，存在反应物气体向催化剂24或26的大量的暴露而没有高程度的强制对流(例如，由于反应物气体扩散到气体交换层20中)。在相对低的反应物气体浓度时，存在反应物气体向催化剂24或26的较少的暴露且较大程度的强制对流有益于增加暴露。
[0040]在所示示例中，带有阻塞元件46的通道18提供相对低程度的强制对流(与交叉流场部分70相比)，这适于相对高的反应物气体浓度，同时减少(或在一些示例中甚至最小化)压降，如上所述。交叉流场部分70提供相对高程度的强制对流，以获得从通道18接收的反应物气体流动的相对较低的浓度的有效利用。
[0041]参见图7，另一改进的燃料电池堆10示例包括平行流场部分92。平行流场部分92包括通道94，通道94各具有完全敞开进口段96和完全敞开出口段98。完全敞开的进口段96和出口段98允许通过通道94的不受限制的反应物气体流动。这导致反应物气体向催化剂24或26扩散，而没有反应物气体的强制对流。
[0042]在该示例中，平行流场部分92提供很少的强制对流或不提供强制对流，这适于相对高的反应物气体浓度，同时减少(或在一些示例中甚至最小化)压降。通道18和阻塞元件46提供有限程度的强制对流，以获得从平行流场部分92接收的反应物气体流动的相对较低的浓度的有效利用。
[0043]图6和7所示的结构的另一有益效果在于，与如果例如在流场下游部分具有较大程度的阻塞时的情况相比，反应物气体速度在进口段18和92中较低。较低的气体速度可能是有益的，因为它减少进口区域中干燥的风险，其中进口气体通常不完全饱含水。较低的进口气体速度允许相对小的湿润区域。
[0044]图8图示了示意性曲线图100，在垂直轴102上示出了电池电压(在1300mA/cm2的电流密度时测量)，且在水平轴104上示出了压降。点X表示电池电压对平行流场(如图7的平行流场部分92)的压降。点Y表示电池电压对交叉流场(如图6所示的交叉流场部分70)的压降。这两种电池的所有其它方面是相同的。对这两种已知的流场，从该曲线图可以看出电池性能和压降之间的权衡。
[0045]线110按照0％(点X)和100％(点Y)之间的阻塞百分比表示阻塞元件尺寸的范围内的预期电池电压对压降的关系。线112基于阻塞元件46尺寸范围内的电池电压对压降的实际数据。意外地，对相同的压降，线112显示了与线110相比较高的电池电压。应当理解，通过实施在此教导的流场设计，可以获得完全交叉流场的几乎全部性能益处，而与该种流场相关的压降只有一小部分增加。
[0046]虽然在所示示例中显示了特征的组合，但不是所有的特征都需要组合以实现本发明的各个实施例的有益效果。换句话说，根据本发明的实施例设计的系统不必包括在任何一个附图中显示的所有特征或附图中示意性显示的所有部分。此外，一个示例实施例的选择特征可以与其它示例实施例的选择特征组合。
[0047]前述说明性质上是示范性的而不是限定性的。所披露的示例的变型和改进对本领域技术人员显而易见，而不必偏离本发明的实质。本发明的合法保护范围可以仅通过研究所附权利要求确定。

Claims (21)

1.一种用于燃料电池中的设备，其包括：
具有通道进口段和通道出口段的燃料电池流场通道，其中所述通道进口段或通道出口段中的至少一个包括阻塞元件，所述阻塞元件部分地阻塞通过燃料电池流场通道的流动。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，燃料电池流场通道包括在细长的通道壁之间的流动通路，且阻塞元件延伸到细长通道壁之间的流动通路中。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述阻塞元件包括从细长通道壁中的一个延伸到流动通路中的第一凸起。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述阻塞元件包括从细长通道壁中的另一个延伸到流动通路中的第二凸起。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，流动通路具有额定横截面积，且阻塞元件阻塞额定横截面积的大于0％且小于100％。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，阻塞元件阻塞额定横截面积的大于大约70％且小于大约90％。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，阻塞元件阻塞额定横截面积的大约80％。
8.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，阻塞元件包括第一封闭元件，所述第一封闭元件靠近通道进口段或通道出口段中的一个延伸，以部分地阻塞通过流动通路的流动。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，第一封闭元件可选择性地移动，以提供通过相应段的流动范围。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，其包括第二封闭元件，第二封闭元件靠近通道出口段或通道进口段中的另一个延伸，以部分地阻塞通过流动通路的流动。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，第二封闭元件可选择性地移动，以提供通过相应段的流动范围。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，第一封闭元件和第二封闭元件各包括具有至少一个开口的板，其中，所述板可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置使开口至少部分地与细长通道壁的至少一个对齐，在第二位置使开口至少部分地与流动通路对齐。
13.一种控制通过权利要求12所述的设备的流动的方法，其包括移动第一封闭元件和第二封闭元件，以响应于从车辆起动或车辆停止选择的车辆状况而提供通过流动通路的希望的流动量。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通道出口段包括至少部分地由阻塞元件形成的出口孔，且通道进口段包括大于出口孔的进口孔。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，燃料电池流场通道包括弯曲的通道表面。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括具有不受阻塞的通道进口和不受阻塞的通道出口的平行燃料电池流场段，其中燃料电池流场通道与平行的燃料电池流场段接收流动地连通。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括具有进口通道和出口通道的交叉燃料电池流场段，进口通道带有完全敞开的进口和完全封闭的出口，出口通道带有完全敞开的出口和完全封闭的进口，其中交叉燃料电池流场段与燃料电池流场通道接收流动地连通。
18.一种用于控制通过燃料电池流场的流动的方法，其包括：
阻塞燃料电池流场通路，以在燃料电池流场流动特性之间提供希望的平衡，所述燃料电池流场流动特性包括与在通路中流动的流体相关的效率和压力。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，燃料电池流场流动特性包括通过燃料电池流场通路的反应物气体利用效率和反应物气体压降。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其包括改变阻塞物的尺寸，以在第一希望平衡和第二希望平衡之间变换。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其包括阻塞流场通路的至少一部分的额定横截流动面积的大约80％。
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