CN101807679B - 燃料电池结构及在其中使用的分隔板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃料电池组的分隔板，其具有基本上圆形或椭圆形的主表面，在该主表面上流体流动路径由基本上相互平行地延伸的多条通道限定，并且将流体从流体供给口导向流体排放口。相邻的通道进行合并从而从所述供给口至排放口减少平行通道的数量，从而降低流体路径的横截面积。所述多条平行的通道包括以下各段：-第一段，起始于流体供给口，其中所述多条平行通道沿着主表面的外轮廓以曲线形式曲线延伸，-第二段，其中所述多条平行通道在离弯曲的所述外轮廓一定距离处以平行于所述外轮廓的曲线的形式延伸，-C形第三段，-中央马蹄铁形的第四段，其环绕着主表面的中心延伸，该C形第四段的取向与C形第三段的取向相反，-第五段，其中所述多条平行通道被导回该主表面的外轮廓，以及-尾段，其中所述多条平行通道沿着主表面的外轮廓以曲线形式延伸，直到到达流体排放口。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池结构及在其中使用的分隔板。
背景技术
包含燃料分隔板的燃料电池结构、夹在各个板之间的氧化剂分隔板和膜电极组件(MEA)在本领域中是公知的。在固态聚合物电解质型燃料电池结构中，MEA典型地包括夹在两个多孔导电电极之间的固态聚合物电解质膜，所述两个电极中的一个构成阳极，另一个构成阴极。在所述膜和和电极的界面上设置有催化剂，例如，铂。
将燃料气体，例如，氢气，提供给阳极，同时，将氧化剂气体，例如，空气(含有氧气)或氧气提供到阴极侧。所述氢气将移动穿过多孔的阳极并在阳极催化剂处被转化成质子和电子。所述质子经过湿润的聚合物电解质向着阴极移动。所述氧气移动穿过多孔的阴极，并与已经移动穿过所述膜的质子反应以生成水。所产生的电子被引导穿过外部电路。如此产生的电流能够被直接用作电能。所述分隔板由导电材料制成，并用作集电器。在MEA和该分隔板之间的界面处，由在所述板中形成的通道限定的流体流动路径将反应物流体引向所述电极，同时将所述流体从供给口导向排放口。
典型地，多个燃料电池结构被叠置在一起以形成燃料电池组。然后，一个燃料电池结构的氧化剂分隔板与相邻燃料电池结构的氧化剂分隔板背靠背排列，在这两个板之间是这里没有描述的冷却流路径，使得电流能够从一个燃料电池结构流到另一个燃料电池结构，从而贯穿整个所述电池组。
该分割器板还在相邻的燃料电池结构之间提供流体屏障，从而使提供给一个电池的阳极的反应物流体避免污染提供给另一电池的阴极的反应物流体。
在分隔板上的流体流动路径，即，所谓的流场，对于燃料电池的性能是至关重要的。重要的一点是反应的均匀性。在被从供给口导向排放口的同时，反应物流体在电极表面被消耗。每单位面积的反应分子数朝着出口方向递减。但是，希望在整个流体路径上保持恒定压力和恒定流速以在整个板上获得均匀的反应分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种分隔板，能够确保在整个分隔板上从而在整个电极上的均匀反应分布。另外，本发明的目标是使用这种板来提高燃料电池结构的性能并阻止气体泄露。
这些以及其他的目标通过权利要求1所述的分隔板来实现。
根据本发明，用于燃料电池组中的分隔板具有基本上圆形或椭圆形的主表面，在该主表面上流体流动路径由基本上相互平行地延伸的多条通道限定，并且将流体从流体供给口导向流体排放口。所述流体既可以是燃料，例如氢气，也可以是氧化剂，例如纯氧气。根据本发明，相邻的通道进行合并从而从所述供给口至排放口减少平行通道的数量，从而降低流体路径的横截面积。由此，能够在整个流体流动路径上保持压力梯度基本恒定，因为被消耗掉的反应剂被流体路径的减小的横截面补偿。根据本发明，所述多条平行的通道包括以下各段：
-第一段，起始于流体供给口，其中所述多条平行通道沿着主表面的外轮廓以曲线形式延伸，
-第二段，其中所述多条平行通道在离弯曲的所述外轮廓一定距离处以平行于所述外轮廓的曲线的形式延伸，
-C形第三段，
-中央马蹄铁(horse iron)形的第四段，其环绕着主表面的中心延伸，该第四段的取向与C形第三段的取向相反，
-第五段，其中所述多条平行通道被导回该主表面的外轮廓，以及
-尾段，其中所述多条平行通道沿着主表面的外轮廓以曲线形式延伸，直到到达流体排放口。
本发明的另一个目标是燃料电池结构，其包括氧化剂分隔板、燃料分隔板以及夹在氧化剂分隔板和燃料分隔板之间的膜电极组件(MEA)。该膜电极组件包括燃料电极、氧化剂电极和质子交换膜。根据本发明，各分隔板是以上描述的分隔板。
申请人所进行的多个实验表明，在按照本发明的分隔板上的流场的设计导致了在燃料电池结构性能上的出色的结果。
在根据本发明的燃料电池结构中，各分隔板可具有相同的结构，这意味着氧化剂分隔板和燃料分隔板上的流体路径的形状可以是完全一样的。但是，通道的深度可以不同。当使用纯氧和纯氢时，燃料分隔板的通道的深度例如可以浅于氧化剂分隔板的通道的深度。对于一摩尔的氧需要两摩尔的氢，因此燃料侧的气体体积较大。但是，由于各种气体的不同动力粘度，采用氧化剂分隔板中的更深的通道能够在整个流体路径上获得相似的压力梯度。
优选地，所述通道的宽度在流体路径上发生变化，例如，从供给口到排放口递增。不同段的通道宽度可以不一样，例如，第一段的通道宽度小于后续各段的通道宽度，或者在一个段内该宽度也发生变化。所述通道典型地由脊分开，并且当通道的宽度减小时，优选通过增加脊的宽度来补偿。在流动路径开始处具有窄的宽度的通道提高了对膜中的水的管理，同时，当所述流动路径接近排放口时的更宽的通道提高了对氧化剂的传输。因此这种设计提高了性能。
根据本发明的优选实施方式，通过在第一段和第二段之间以及在第五段和尾段之间合并相邻的通道，形成所述流动路径的平行通道的数量被减少。优选在第一段和第二段之间以及在第五段和尾段之间将形成所述流动路径的平行通道的数量分别除以2。本发明人已发现，这种设置导致在流动路径上的基本均匀的流速，并因此导致在整个分隔板上和整个电极上的均匀的反应。均匀的流速和均匀的压力梯度将有助于传输已经在出口处产生的水。
根据本发明的一个优选实施方式，相邻通道被脊分隔开，其中分隔同一段中的相邻通道的脊的宽度小于分隔不同段中的相邻通道的脊的宽度。尤其如果电池中的局部条件为非冷凝，即，当多孔的气体扩散层的液体饱和度较低时并且其渗透性相对较高时，不同段的相邻通道间的更宽的脊避免了从一个段到另一个段气体扩散穿过这些脊，即，它们阻止了流动路径的不期望的短路。
优选至少一个所述通道的横截面积沿着所述流动路径的方向减小。横截面积的这种减小具有和合并相邻通道相同的效果，因为在这两种情况中，流动路径的横截面积都减小了，从而能够在整个流动路径上保持均匀流速。
所述通道可以具有矩形横截面，所述通道的深度从供给口向排放口递减。其他的横截面，例如，梯形横截面也是可以的。
对于流动路径的所有通道，压力梯度优选为基本相同。这一点可通过各通道的均一的长度或通过改变相应通道的横截面积来补偿长度上的差异来实现。
为了提供均一长度的通道，将流动路径中的相邻两个通道分隔开的脊的宽度在所述流动路径上是变化的。例如，当相邻通道形成曲线时，位于外侧和位于内侧的通道的长度差异可以通过人为地延长内侧通道的长度来补偿，因此，这两个通道在整个流动路径上不完全保持平行。
在以下结合附图进行的描述中，本发明的以上和其他目标、特征和优点将会变得显而易见，在附图中通过说明性的例子的方式示出了本发明的优选实施方式。
附图说明
在各个附图中：
图1是根据本发明的分隔板的俯视图；以及
图2是图1中的分隔板的主表面示意性俯视图。
具体实施方式
如图1所示，所述分隔板包括基本上圆形的由框架16环绕的主表面10，在该框架上设置有开口18，用于组装燃料电池组。图1示出了该分隔板的俯视图。典型地，形成冷却剂流动路径的通道被形成在所述板的背侧。但是这些冷却剂流动路径是本领域公知的，因而不在这里介绍。
从图1可以看到，允许燃料气体(如氢气)或氧化剂气体(如氧气)通过的流体供给口12设置在所述主表面10的外轮廓11上。在主表面10的相对的一侧设置有流体排放口14。流动路径28从流体供给口12延伸到流体排放口14。
该流体流动路径28由多条平行的通道20限定，该多条平行的通道20被脊22分隔开。如图2所示意性示出的，流体流动路径28包括多个段。
第一段A起始于流体供给口12并沿着主表面10的外轮廓11以180°的曲线的形式延伸。
在流动方向(参见箭头30)，第一段A的后面是第二段B，该第二段B距离外轮廓11特定的距离，但仍然是平行于所述外轮廓的曲线的形式。从图2可以看到，段B中的流动路径28的宽度W2小于段A中的宽度W1，这是由于段A和段B之间的相邻的通道对合并为一条通道(参见图1)。在第一段A的开始处和在第二段B的结尾处形成流动路径28的平行通道的数量因此被除以了2。
在第二段B之后接着是C形第三段C，其中各平行通道形成U形弯，并被导向中心处的马蹄铁形第四段D，该马蹄铁形第四段D环绕着主表面10的中心26延伸。
在C形第三段C中，流动路径28的各通道20不是严格平行的，位于C形曲线外层的通道20被略大一些的脊22分隔开。因此，流动路径的与流动方向垂直的方向上的宽度W3稍大于接下来的第四段D中的流动路径的宽度W4，尽管通道20的数量保持不变。在所述第四段D中，各通道20与相邻的在径向上位于中间的第四段D的外侧的段A和B中的通道20平行地延伸，但流动方向(箭头30)相反。为了避免流体直接从段A流到段D，将段A与段D分隔开的脊24比在同一段中将相邻通道分隔开的脊22更宽。
跟随在段D之后的是第五段E，段E中的平行通道被导回主表面10的外轮廓11。和在第三段3一样，在就要到达外轮廓11之前，相邻的通道20被略微更宽的脊25分隔开，并且流动路径28的宽度W5由此再一次地比之前的段D中的通道宽度稍大，尽管通道20的数量仍是相同的。
最后，在段E中在被导回到主表面的外轮廓11之后，在尾段F中通道20再次沿着主表面10的外轮廓11平行地延伸，直到到达流体排放口14。从图1可以看到，通过将相邻通道合并为一个通道，在段E和F之间平行通道的数量再次被除以了2。段F中的流动路径28的宽度W6因此相当于段D中的流动路径的宽度W4的一半，并且相当于段A中的流动路径28的宽度W1的四分之一。
由于根据本发明的分隔板的流动路径28的这种特定设计，所述板的表面能够被完全利用。压力梯度能够保持恒定，并且气体流动速度在整个流动路径28上是均匀的。
图1所示的通道在其整个长度上均具有相同的宽度。选择这种陈述方式是为了简单，并且，根据本发明的优选实施方式，所述通道的宽度实际上从流体供给口向着流体排放口增加。所述宽度可以阶梯式地增加，例如，在流动路径的第一段A中所述宽度可以是最小的，在流动路径地第二段B中所述宽度增加，并且在尾段F中再次增加。所述宽度也可以在整个流动路径上平滑地增加，可以构想出在流动路径上修改通道宽度的无数种可能性，这些可能性均包含在本发明的权利要求之中。在流动路径的开始处的较窄的通道，其邻接流体供给口，提高了对膜中水的管理。在靠近流动路径尾部的被较窄的脊分隔开的较大的通道提高了氧化剂的传输。通过将合并相邻通道与改变通道宽度相结合，就获得了具有非常好的性能的燃料电池结构。
附图标记：
10主表面
11外轮廓
12流体供给口
14流体排放口
16框架结构
18开口
20通道
22脊
24脊
25脊
26中心
28流动路径
30流动方向
A第一段
B第二段
C第三段
D第四段
E第五段
F尾段
Claims (11)
1.一种分隔板，用于具有基本上圆形或椭圆形主表面(10)的燃料电池组中，其中流体流动路径(28)由多条通道(20)限定，所述多条通道(20)在流体供给口(12)和流体排放口(14)之间基本上相互平行地延伸并适合于导引通过所述流体供给口(12)供给的流体并通过所述流体排放口(14)排放所述流体，其中相邻通道(20)进行合并，从而从所述流体供给口(12)向所述流体排放口(14)减少平行通道(20)的数量，因此减小所述流动路径(28)的横截面积，其中所述通道的宽度在所述流动路径上变化，从所述流体供给口(12)到所述流体排放口(14)增加，并且其中所述多条平行通道(20)包括以下各段：
-第一段(A)，起始于流体供给口12，其中所述多条平行通道(20)沿着主表面(10)的外轮廓(11)以曲线的形式延伸，
-第二段(B)，其中多条平行通道(20)在距所述外轮廓(11)一定距离处以平行于所述外轮廓(11)的曲线形式延伸，
-C形第三段(C)，
-中央马蹄铁形的第四段(D)，其环绕着所述主表面(10)的中心(26)延伸，该马蹄铁形的第四段(D)的取向与所述C形第三段(C)的取向相反，
-第五段(E)，其中所述多条平行通道(20)被导回该主表面(10)的外轮廓(11)，以及
-尾段(F)，其中所述多条平行通道(20)沿着主表面(10)的外轮廓(11)以曲线形式延伸，直到到达流体排放口(14)。
2.根据权利要求1的分隔板，其特征在于，通过在第一段(A)和第二段(B)之间合并相邻通道(20)以及在第五段(E)和尾段(F)之间再次合并相邻通道(20)，形成所述流动路径(28)的平行通道(20)的数量被减少。
3.根据权利要求2的分隔板，其特征在于，在第一段(A)和第二段(B)之间以及在第五段(E)和尾段(F)之间，形成所述流动路径(28)的平行通道(20)的数量分别被除以2。
4.根据权利要求1的分隔板，其特征在于，相邻通道(20)被脊(22，24)分隔开，其中分隔开同一段中的相邻通道的所述脊(22)的宽度小于分隔开不同段中的相邻通道的所述脊(24)的宽度。
5.根据权利要求1的分隔板，其特征在于，对于所述流动路径(28)的所有通道(20)，压力梯度基本相同。
6.根据权利要求1的分隔板，其特征在于，在所述流动路径(28)中分隔开两个相邻通道(20)的脊(22)的宽度在所述流动路径上是变化的。
7.一种燃料电池结构，包括氧化剂分隔板、燃料分隔板和夹在其中的电池单元，所述电池单元包括膜电解质组件，该膜电解质组件具有燃料气体扩散层、催化剂层、氧化剂气体扩散层和催化剂层，以及膜，其特征在于，所述分隔板是根据上述权利要求1-6中任一个的分隔板。
8.根据权利要求7所述的燃料电池结构，其特征在于，所述氧化剂分隔板和所述燃料分隔板具有相同的结构，所述氧化剂分隔板和所述燃料分隔板的唯一不同是所述通道的深度。
9.根据权利要求7所述的燃料电池结构，其特征在于，至少一个所述分隔板包括，在与气体流场所在的所述板的主表面相反的所述板的主表面上的用于冷却剂的流场。
10.根据权利要求1的分隔板，其特征在于，通过在第一段(A)和所述尾段(F)之间在大于一个的步骤中并且在大于一个的位置处合并一些通道(20)，构成所述流动路径(28)的所述平行通道(20)的数量被减少，从而使平均气体流速均衡。
11.根据权利要求10的分隔板，其特征在于，在第一段(A)和所述尾段(F)之间的减少了通道的位置处，构成所述流动路径(28)的所述平行通道(20)的数量被除以小于等于2的数。
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