CN101488579A - 用于无源低负载稳定性的双极板设计 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池，所述燃料电池包括具有流动通道的流场板，其中所述流动通道包括为每组预定数量的更小的流动通道设置的一条扩大的稳定性流动通道。该稳定性通道提供了通过其中的更大的体积流量，这样就防止了在低负载下出现积水。

Description

用于无源低负载稳定性的双极板设计

技术领域

本发明主要涉及一种用于燃料电池堆的流场板，且特别是，本发明涉及一种用于燃料电池堆的流场板，其中所述流场板包括至少一条扩张的流动通道以便防止在较低的燃料电池堆负载下在该扩张的流动通道中出现水堵塞现象。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。汽车工业在将氢燃料电池开发用作车辆电源方面花费了大量的资源。与目前采用内燃机的车辆相比，这种车辆将会更为高效且产生的排放物也会更少。

氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载而作功。该功用来供车辆运行。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆普遍采用的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为高昂且需要特定的条件才能实现有效的运行。这些条件包括适当的水管理和湿化，以及对催化剂中毒组分如一氧化碳(CO)进行的控制。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气中可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板。所述双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流动通道允许阳极气体流至每个膜电极组件的阳极侧。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流动通道允许阴极气体流至每个膜电极组件的阴极侧。双极板由导电材料如不锈钢制成，从而将燃料电池产生的电力从一个电池传导至下一个电池并传导到燃料电池堆之外。双极板还包括供冷却流体流动通过的流动通道。

图1是上述类型的燃料电池10的剖视图。燃料电池10包括通过电解质膜16而彼此分开的阴极侧12和阳极侧14。阴极侧扩散介质层20被设置在阴极侧12处，且阴极侧催化剂层22被设置在膜16与扩散介质层20之间。同样，阳极侧扩散介质层24被设置在阳极侧14处，且阳极侧催化剂层26被设置在膜16与扩散介质层24之间。催化剂层22和26以及膜16限定出了膜电极组件。扩散介质层20和24是多孔层，所述多孔层用于使输入气体被输运至膜电极组件且用于将水从膜电极组件输运出来。所属领域中已公知地存在着多种将催化剂层22和26分别沉积在扩散介质层20和24上或沉积在膜16上的技术。

阴极侧流场或双极板18被设置在阴极侧12上且阳极侧流场或双极板30被设置在阳极侧14上。双极板18和30位于燃料电池堆中的多个燃料电池之间，正如所属领域已公知地那样。来自双极板30中的平行的流动通道(图1中未示出)的氢气流28与催化剂层26产生反应以便离解出氢离子和电子。来自双极板18中的平行的流动通道(图1中未示出)的空气流36与催化剂层22产生反应。氢离子能够被传送穿过膜16，在该膜处所述氢离子在催化剂层22中与空气流36和返回电子产生电化学反应而产生水。

图2是阴极侧双极板18的部分剖视图。双极板18由金属如不锈钢或碳复合材料制成且包括在槽脊52之间形成的流动通道50，空气流36通过所述流动通道而被供应至燃料电池10的阴极侧12。流动通道50是在入口歧管与出口歧管(未示出)之间延伸的平行通道。

目前的燃料电池堆设计通常关注的是通过减少燃料电池的活性区域并提高电流密度的方式来实现高体积功率密度。确保双极板18的设计特征能够实现该目的的关键点包括：消除阴极侧12上的蛇形流动通道从而避免液体水积聚在通道50的U形弯曲部分中并且减少通道与通道的间距从而使得在没有明显的通道至通道的压力梯度的情况下也能使槽脊52下方的催化剂层22的利用率最大化。在该设计中，阴极侧双极板18包括108条近似呈矩形的通道50，所述通道具有0.55mm的宽度和0.29mm的深度以及0.65mm的槽脊宽度。这些流场板具有在1.5A/cm²的电流密度下在高于600mV的电位下运行的性能。在于2003年9月24日申请的序号为No.10/669,479的题目为“用于燃料电池的流场板布置”的美国专利申请中披露了这种流场板的一个实例。

一些流场板设计缺乏低负载(<0.4A/cm²)下的电压稳定性，在所述低负载下气体速度相对较低。在燃料电池堆中存在液体水的情况下，水会形成延伸穿过整个通道剖面且造成膜的下游活性区域中出现缺氧的“条形堵塞部分(slug)”。

已经观察到这样的现象，即单独的燃料电池的电压稳定性以及多电池燃料电池堆中的最高和最低电压差在很大程度上取决于阴极空气流的速度。还已经观察到这样的现象，即电压稳定性随着气体速度接近约5m/s而升高。这种趋势可能与从该条形堵塞部分向着环形流出现的两相流动状态的过渡有关。在后一种情况下，液体沿通道壁在薄膜中进行输运。因此，相邻通道之间的液体体积差别导致流阻产生了较小的差别，且因此在通道之间的分流不会受到很大的影响。用于非圆形小通道的两相流量数据表明：对于极低的液体体积通量(表观速度)来说，从该条形堵塞部分向着环形流状态的过渡出现在4m/s至6m/s的范围内。

已经证明的是：造成这种燃料电池堆设计缺乏运行稳定性的原因是在其中的一个或多个燃料电池中积聚了水。对在低负载的不稳定性条件下出现了闪冻的燃料电池堆进行红外成像所得到的图像表明：在一些燃料电池中，在阴极和阳极流场双极板的相当大的区域内都存在液体水。对于性能最差的电池而言，在除一条阴极通道以外的所有阴极通道中都出现了水的条形堵塞部分。具有倒数第二低电压的电池则具有少得多的总水量，但仍有绝大多数阴极通道出现了充满了整个剖面的至少一条条形堵塞部分。此外，已经发现：在某些燃料电池运行条件下，在阳极侧流动通道中出现的积水也对电池性能产生了负面影响。

发明内容

根据本发明的教导，披露了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有流动通道的双极板，其中所述流动通道包括为每组预定数量的更小的流动通道设置的一条扩大的稳定性流动通道。该稳定性通道提供了通过其中的更大的体积流量，这防止了在低负载下出现积水。在一个实施例中，为每十条更小的流动通道设置有一条稳定性流动通道。

通过结合附图并阅读以下说明书和所附权利要求书将易于理解本发明的附加优点和特征。

附图说明

图1是所属领域已公知类型的燃料电池堆中的燃料电池的平面剖视图；

图2是所属领域已公知的阴极侧流场板的部分剖视图；

图3是曲线图，该曲线图的横轴为堵塞阴极通道分数，且纵轴为电池电压，该曲线图示出了在出现低负载不稳定性事件的过程中电池电压与阴极通道堵塞之间的关系；

图4是根据本发明的一个实施例的包括流动通道的阴极侧流场板的部分剖视图；和

图5是根据本发明的另一实施例的包括流动通道的阴极侧流场板的部分剖视图。

具体实施方式

下文中针对在与燃料电池相关的流场板中设置一条或多条扩大的流动通道而对本发明的多个实施例进行的描述在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。

本发明提出了这样的技术方案，即改变流场板的流场板几何结构从而提供少量的“稳定性通道”，对于所述稳定性通道来说，即便是流场中的所有其它通道都可能被堵塞，这些稳定性通道能够保持处于无水状态。这可通过增加这些稳定性通道的尺寸以便支持更大比例的气体体积流量来实现。

图3是曲线图，该曲线图的横轴为堵塞阴极通道分数，且纵轴为电池电压，该曲线图示出了在出现低负载不稳定性事件的过程中电池电压与阴极通道堵塞之间的关系。如图3所示，电池电压与被水堵塞的阴极通道的分数之间存在一定关系。尽管这种关系尚不明确，但如果水在扩散介质层与流场板之间发生迁移的话，则潜在地观察到的是：在阴极侧上出现的积水是导致在低负载下出现不稳定性的主要原因。进一步地，如图3所示，仅当占较大分数的阴极通道(>85％)被水堵塞时才会出现明显的电压降低。因此，本文提出的技术方案是：可通过仅在占较小分数的活性区域上设置流动路径来改进低负载下的运行稳定性，所述活性区域在存在大量液体水的条件下仍保持打开状态。

为了对本发明进行说明，考虑被连接至共用的入口和出口歧管的五条相同的流动通道的情况。由于所有的通道都具有相同的压力降，因此流体在通道之间以同等程度被分流。现在考虑如下情况：即这五条通道中的中心通道更宽和/或更深从而使其液压直径D_h是其它四条通道的液压直径的β倍。由此可得到以下关系式：

$D_{h,1}=D_{h,2}=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}{D}_{h,3}=D_{h,4}=D_{h,5}---\left(1\right)$

ΔP₁＝ΔP₂＝ΔP₃＝ΔP₄＝ΔP₅                   (2)

对于每条通道来说，压力降与平均气体速度之间的关系为：

$\mathrm{\&Delta;P}=2f\frac{L}{D_h}\mathrm{\&rho;}{V}^2---\left(3\right)$

在等式(3)中，f是摩擦系数，L是通道长度，ρ是流体密度且V是平均气体速度。即便是对于不同尺寸的通道来说，压力降都是均匀的，且因此对于长度相同的通道来说：

$2f_1\frac{L}{D_{h,1}}\mathrm{\&rho;}{V}_1^2=2f_3\frac{L}{D_{h,3}}\mathrm{\&rho;}{V}_3^2---\left(4\right)$

重新整理等式(4)得出：

$\frac{f_1{D}_{h,3}}{f_3{D}_{h,1}}=\frac{V_3^2}{V_1^2}---\left(5\right)$

正如所述领域已公知地，对于目前的流场设计来说，通道的雷诺数远小于1000。对于层流情况来说，摩擦系数可被表示为：

$f=\frac{16}{\mathrm{Re}}=\frac{16\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&rho;}{D}_{h}V}---\left(6\right)$

在等式(6)中，Re是雷诺数且μ是流体粘度。

将等式(6)代入等式(5)中可得：

$\frac{V_3}{V_1}=\frac{D_3^2}{D_1^2}={\mathrm{\&beta;}}^2---\left(7\right)$

因此，从等式(7)可以推知，为了使中心稳定性通道中的速度加倍，则有必要使该通道中的液压直径增加为

倍，或增加约41％。尽管图中所示的实例是结合5条共流通道的这种简单情况而例示出来的，但很显然，该技术方案还可应用于被连接至共用入口歧管和出口歧管的任何数量的通道。

本发明提出了这样的技术方案，即设置更大的流场通道或稳定性通道的通道子组以便实现更优良的运行稳定性。进一步地，本发明还考虑到了涉及通道积水的情况。这种状况可能出现在冷启动过程中或者出现在暂态运行过程中，在所述冷启动过程中，水蒸气冷凝现象是在燃料电池堆达到其完全运行温度之前出现的，在所述暂态运行过程中，相对湿度会暂时超过100％。本文考虑到了单个水滴充满了水平流场通道的整个剖面的情况。如果假设流场和扩散介质层的表面性质是相同的，则在液滴开始运动时，跨过条形堵塞部分的压力通过表面张力而得到了平衡，该平衡关系如下：

ΔPA＝γp(cosθ_R-cosθ_A)                (8)

在等式(8)中，A是通道剖面面积，γ是水的表面张力，p是通道周长且θ_R和θ_A分别是后退接触角和前进接触角。表面张力和接触角是材料的性质且在整个通道上都是恒定的。因此，为使停滞的液体条形堵塞部分移动所需的压力梯度随着通道周长与剖面面积之比的变化而变化。对于给定的剖面几何结构来说，该比率随着通道越来越大而变得更小。进一步地，可以看出：稳定性通道与标准通道之间的不同压力比与参数β成反比地产生变化。在稳定性通道的速度为标准通道速度的两倍的情况下，为使水的条形堵塞部分移动所需的压力为标准通道的约70％，即 $1/\sqrt{2}.$

为了有助于设计本发明的稳定性通道，适宜的做法是使标准通道的尺寸与稳定性通道的那些尺寸相关。可使用上面的关于液压直径的等式(1)来获取任何通道几何结构/形状的这种关系，所述液压直径即为通道剖面面积/润湿参数之比：

D_h，3＝β·D_h，4                 (9)

对于矩形流动通道的情况来说，可得出下列表达式：

$\mathrm{wr}=\frac{\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{dr}\&CenterDot;\mathrm{AR}}{((1+\mathrm{AR})\&CenterDot;\mathrm{dr}-\mathrm{\&beta;})}---\left(10\right)$

其中稳定通道与标准通道的宽度比为：

$\mathrm{wr}=\frac{w_3}{w_1}---\left(11\right)$

稳定通道与标准通道的深度比为：

$\mathrm{dr}=\frac{d_3}{d_1}---\left(12\right)$

标准通道的纵横比为：

$\mathrm{AR}=\frac{d_1}{w_1}---\left(13\right)$

对于给定的通道形状而言，对于给定的β而言，深度与宽度之间的关系也是一定的。对于矩形通道来说，数值范围可以是0.7<wr<2和1<dr<2。应该注意到：通道的变大和速度的增加并非必须借助于增加宽度的方式来实现。其它通道形状，如三角形或半圆形通道应该落入所选择的数值范围内。然而，这将会限制稳定性通道带来的速度增加。

从设计的角度来看，包装方面的约束会将深度比限制为2，且与扩散介质的通道侵入方面相关的限制会将宽度比限制为2。因此，宽度比的范围可以是0.7-2，且深度比可处在1-2的范围内，如果包装条件允许的话，则可能更大。

图4是根据本发明的一个实施例的可用来代替燃料电池10中的流场板18的阴极侧流场板60的部分剖视图。流场板60包括流动通道62，所述流动通道彼此通过槽脊66而分开且包括上述类型的中心稳定性通道64。根据一个实施例，约15％的通道62是稳定性通道。在这种设计中，为每十条更小的通道62构成的每组通道设置了一条稳定性通道64。然而，该实例仅是非限制性的实例。进一步地，在该设计中，通过提供放大的稳定性通道64而使得减少了通道62的总数量，但通过通道62的总流量是大约相同的。

稳定性通道64具有超过其它通道62的宽度的适当宽度，从而使得稳定性通道64在低负载条件下将不会被水的条形堵塞部分堵塞，所述低负载例如为至少低至0.02A/cm²的负载。然而，该增加的宽度不会大到导致扩散介质层侵入通道64内。在一个实施例中，设置了108条通道62，其中每条稳定性通道64比其它通道62宽30-50％，且特别地比所述其它通道62宽41％。

图5是根据本发明的另一实施例的可用来代替燃料电池10中的流场板18的阴极侧流场板70的部分剖视图。在该实施例中，流场板70包括比其它流动通道74更深的稳定性通道72从而提供增加的流速且防止在低负载条件下在稳定性通道72中出现积水，这与上面讨论的内容是一致的。

上面的讨论是结合作为阴极侧流场板的流场板60和70而做出的。然而，还已经观察到的是：在某些燃料电池运行条件下，在阳极侧流场通道中会出现积水，从而导致燃料电池性能的劣化。因此，根据本发明的另一实施例，流场板60和70可以是阳极侧流场板，其中稳定性通道64和72防止了在阳极侧流动通道中出现积水。在本实施例中，通过燃料电池活性区域中的一部分来提供增加的氢流或者借助于该部分而通过对氢原料进行处理从而产生重整物，由此进一步改进了在较低燃料电池负载下的水管理性能和运行稳定性。

前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。

Claims (20)

1、一种燃料电池，所述燃料电池包括：

膜；和

被定位在与所述膜相邻的位置处的流场板，所述流场板包括多条平行的流动通道，所述多条平行的流动通道对气体做出响应从而将所述气体输送至所述膜，其中所述多条流动通道中的多条通道具有预定尺寸且所述多条流动通道中的至少一条流动通道是具有比所述预定尺寸更大的尺寸的稳定性通道。

2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述流场板是阴极侧流场板，其中所述流动通道对空气做出响应。

3、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述流场板是阳极侧流场板，其中所述流动通道对氢或氢重整物做出响应。

4、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述至少一条稳定性通道是为每十条其它通道所设置的一条稳定性通道。

5、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述至少一条稳定性通道比所述其它通道更宽。

6、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽30-50％。

7、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽约41％。

8、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述至少一条稳定性通道比所述其它通道更深。

9、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述至少一条稳定性通道的尺寸大到足以在至少低至0.02A/cm²的燃料电池负载下有效地防止在所述稳定性通道中出现积水。

10、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的数量占通道总数量的约15％。

11、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述燃料电池是车辆上的燃料电池堆的一部分。

12、一种燃料电池，所述燃料电池包括：

膜；和

被定位在与所述膜相邻的位置处的流场板，所述流场板包括多条平行的流动通道，所述多条平行的流动通道对流量做出响应从而将所述流体输送至所述膜，其中所述多条流动通道中的多条通道具有预定宽度且所述多条流动通道中的至少一条流动通道是稳定性通道，所述稳定性通道具有比所述多条流动通道中的所述多条通道的宽度更大的宽度，且其中所述至少一条稳定性通道的宽度大到足以在至少低至0.02A/cm²的燃料电池负载下有效地防止在所述稳定性通道中出现积水。

13、根据权利要求12所述的燃料电池，其中所述至少一条稳定性通道是为每十条其它通道所设置的一条稳定性通道。

14、根据权利要求12所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽30-50％。

15、根据权利要求14所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽约41％。

16、根据权利要求12所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的数量占通道总数量的约15％。

17、根据权利要求12所述的燃料电池，其中所述燃料电池是车辆上的燃料电池堆的一部分。

18、一种燃料电池，所述燃料电池是车辆上的燃料电池堆的一部分，所述燃料电池包括：

膜；和

被定位在与所述膜相邻的位置处的流场板，所述流场板包括多条平行的流动通道，所述多条平行的流动通道对流量做出响应从而将所述流体输送至所述膜，其中所述多条流动通道中的多条通道具有预定宽度且每十条流动通道中有一条流动通道是稳定性通道，所述稳定性通道具有比所述多条流动通道中的所述多条通道的宽度更大的宽度，且其中所述稳定性通道的宽度大到足以在至少低至0.02A/cm²的燃料电池负载下有效地防止在所述稳定性通道中出现积水。

19、根据权利要求18所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽30-50％。

20、根据权利要求19所述的燃料电池，其中所述稳定性通道的宽度比所述其它通道宽约41％。

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