CN102017259A - 用于燃料电池的分离器板构造 - Google Patents

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Abstract

燃料电池包括由夹在阳极催化剂结构和阴极催化剂结构之间的膜组成的膜电极组件。阳极分离器板和阴极分离器板邻近膜电极组件彼此相对布置。阳极分离器板和阴极分离器板包括相对两侧，其中阳极和阴极的相对两侧中的一侧分别具有与膜连通的燃料流场和氧化剂流场。阳极分离器板是具有第一透水性的结构并且构造成允许水在阳极分离器板的相对两侧之间通过并具有水的流场，阴极分离器板包括具有比阳极分离器板的第一透水性更差的第二透水性的结构。在一个示例中，阳极由多孔分离器板提供，阴极由无孔板或实心板提供。

Description

用于燃料电池的分离器板构造
技术领域
本申请涉及燃料电池，并且更具体地，本申请涉及用于燃料电池的分离器板构造。
背景技术
一种类型的燃料电池包括夹在阴极与阳极之间的质子交换膜(PEM)。在PEM燃料电池中，如所已知的，典型地通过反应物通路和/或气体扩散层，含氢燃料和氧化剂被引导到膜的相对两侧。在相邻电池的阳极与阴极之间的分离器板防止反应物气体的混合。分离器板典型地由阳极侧部分和阴极侧部分组成，这两部分可分离地形成和装配，并且为了方便，经常分别单独地称为阳极分离器板和阴极分离器板。本文中采用这种后者提及的俗称。产物水通过在燃料电池的阴极侧上的电化学反应形成，并且产物水必须从电池的阴极侧抽走，否则它将阻塞至电化学反应部位的通道，称为溢流(flooding)。
此外，在具有固体聚合物电解质膜的典型PEM燃料电池中，电化学反应的热量倾向于使膜脱水，因此增加电阻并且降低性能。当操作燃料电池时，关键的挑战是保持膜湿润。典型地，必须以将防止质子交换膜变干的量提供补充水。补充水可通过反应气体的外部或内部湿润提供。
一些系统利用在相邻电池之间的多孔分离器板，通常称为水传输板(WTP)。在一个构造中，反应物气体流过在每个板的一侧上的槽道并且冷却剂水在另一侧上流动。在板中的孔在尺寸方面构造成使得孔中水的毛细压力防止反应物气体横跨板至冷却剂流，从而产生液封，然而如果受到压差，则允许液体横跨板传递。这些多孔板具有诸如气泡压力和透水性的特征，其用于控制横跨板的水流。使用多孔分离器板的现有技术燃料电池典型地利用具有关于气泡压力和透水性以及因此还关于孔尺寸的相同特征的板，不管与阳极相关还是与阴极相关。气泡压力和透水性是逆向相关的，使得当制造多个WTP时它们必须被平衡。典型地，气泡压力和透水性两者被最大化直到达成可接受的妥协，这可使制造困难并且更加昂贵。这在Gorman的共同拥有的美国专利6,197,442中进行讨论。
上面讨论的分离器板典型地用于依靠全面水管理(TWM)用于冷却的燃料电池系统中，其中冷却剂通过泵进行循环并且压差横跨板产生。其它类型的燃料电池可利用防止水流横跨板的无孔(本文中称为“实心”)分离器板。类似于多孔分离器板，实心分离器板在一侧上提供反应物流场并且在相对侧上提供冷却剂流场。
所需要的是具有以下特征的分离器板或水传输板，即实现起来更加便宜同时提供希望的燃料电池性能。
发明内容
燃料电池包括由质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)组成的膜电极组件(MEA)，其中阳极催化剂和阴极催化剂分别在膜电极组件的相对两侧上。阳极侧结构和阴极侧结构邻近MEA彼此相对布置，并且共同地形成燃料电池的工作部分的大部分。阳极侧结构和阴极侧结构分别更加精确地确定为阳极分离器板和阴极分离器板，并且包括相对两侧，其中阳极分离器板和阴极分离器板中的每个的相对两侧中的一侧具有与膜电极组件连通的相应的燃料流场和氧化剂流场。阳极分离器板和阴极分离器板中的一个包括透水结构，其构造成允许水在它的相对两侧之间往返于水的流场。阳极分离器板和阴极分离器板中的另一个包括比那一个可透过相对更少水的结构，并且构造成与可透过更多水的分离器板相比，相对地减小或抑制水在它的相对两侧之间通过。在一个示例中，阳极由多孔分离器板提供，阴极由相对更少孔的分离器板提供，如由无孔分离器板，即“实心”分离器板提供。与全面水管理系统对比，具有不同透水性的这种分离器板的使用在依靠包括蒸发冷却的天然水管理的燃料电池系统中是特别有利的。
本申请的这些和其它特征可从以下的说明书和附图中最好地理解，以下是附图说明。
附图说明
图1是示例蒸发冷却式燃料电池系统的示意图。
图2是在燃料电池堆内的燃料电池的分解图。
具体实施方式
图1示意性地示出蒸发冷却式燃料电池系统10。不同于依靠泵以使水循环并且还产生横跨分离器板或穿过分离器板的厚度的更大压差的全面水管理(TWM)冷却系统，蒸发冷却式系统10称为天然水管理(NWM)系统，其依靠蒸发以驱散热量并且典型地利用低很多的压差进行操作。这使它可能使用具有不同于用于TWM系统的气泡压力和透水性的分离器板，并且分离器板可根据它们与阳极相关还是与阴极相关进行构造。
系统10包括由许多燃料电池11组成的燃料电池堆12。燃料电池11包括MEA 60，其由分别在质子交换膜(PEM)19的相对面上的阴极或阴极催化剂15和阳极或阳极催化剂17组成。稀薄气体扩散层(GDL)(图1和图2中未详细示出)也典型地邻近阴极15和阳极17中的每个以形成组合电极组件(UEA)。如本文中另外所描述的，MEA 60将设想包括那些GDL并且设想是UEA的等同物。
阴极15接收穿过进口14的诸如空气的氧化剂。使用例如鼓风机16将空气传送到阴极15。阳极17从燃料进口18接收诸如氢的燃料。
每个燃料电池11包括冷却剂水和产物水，产物水作为在燃料电池内的电化学反应的一部分而生成。分离器板，有时也称为水传输板(WTP)，38和44布置在燃料电池12内。阴极分离器板38邻近MEA60的阴极面15定位，而阳极分离器板44邻近MEA的阳极面17定位。大孔薄片21邻近分离器板38和44并且典型地在分离器板38和44之间布置，用于从电池中的水中收集和移除气体。
燃料电池系统10采用冷却回路23作为燃料电池堆的热管理系统的一部分。作为电化学反应的副产物形成的水以及通过质子牵引穿过PEM 19的水，离开阴极15蒸发进入在阴极分离器板38处的阴极空气流，在此处当它在空气出口20处离开燃料电池11和堆12时，示意性地示出为湿空气并且进入冷却回路23。
在空气出口20处的湿空气在回路23中循环到换热器22，换热器22借助于风扇24使湿空气冷凝，如现有技术中所已知的。冷却剂水和空气的两相混合物26离开换热器22并且循环到水分离器/贮藏器28，冷却剂水在此处聚集。由蒸发冷却回路23吸入的气体穿过控制冷却剂进口压力的背压阀30排出。冷却剂水从水分离器/贮藏器28流到冷却剂进口32进入燃料电池堆12。
在示例蒸发冷却式燃料电池系统10中，燃料电池11依靠蒸发以驱散热量，而不是依靠泵以使冷却剂水循环(有时称为“显热冷却(sensible cooling)”)。在蒸发冷却式系统中，燃料电池的阴极侧不如此取决于阴极分离器板38中的透水性，这是因为它不必类似于一些燃料电池构造地提供用于产物水到冷却剂的路径。相反地，由于在该类型的示例燃料电池中缺乏横跨阳极分离器板的显著的压差，故阳极侧不如此取决于阳极分离器板44中的气泡压力和透水性。
图2示出围绕MEA 60布置的分离器板38和44以及多孔薄片21的分解图。阴极分离器板38具有在面向MEA 60的阴极面的一侧上的空气流场40和在它的相对侧上的冷却剂流场42。多孔薄片21邻近冷却剂流场42布置，用于允许在冷却剂中捕集的或携带的气泡经由图1的排出口36移除。电池11构造成使得多孔薄片21布置在阴极分离器板38与阳极分离器板44之间，使得流场42中的冷却剂也可接触阳极分离器板44。
阳极分离器板44包括布置在面向MEA 60的阳极面的一侧上的燃料流场46。如上面所讨论的，阴极分离器板38和阳极分离器板44仅需要执行以满足放置在它们上用于特殊燃料电池设计的要求。因此，通过避免对于气泡压力和透水性的最大化，在此处那些特征中的仅仅一个比另一个更加重要，阴极分离器板38和阳极分离器板44可更加有效地和便宜地进行建造。为此，示例燃料电池堆12的燃料电池11使用每个具有不同特征的不同阴极分离器板38和阳极分离器板44。
在通常示例中，阳极分离器板44从该可透过的大孔薄片21和冷却剂流场42中吸收水以便于PEM 19的板中水分配和水合。可选地，来自多孔薄片21和阴极分离器板38中的冷却剂流场42中的一些水在它被携带向外穿过空气出口20并且进入冷却回路23以被冷凝并且返回到堆中之前可迁移穿过分离器板38并且蒸发进入空气流场40。一些水朝后移动穿过PEM 19，这也使阳极侧湿润。
在一个示例中，阴极分离器板38比阳极分离器板44具有更少的孔或者可透过更少的水。例如，极端地，阴极分离器板38是无孔的，即本文中称为“实心”(防止水横穿板)，而阳极分离器板44是多孔的。以另一个方式陈述，在允许水在它的相对两侧之间穿过方面，阴极分离器板38比阳极分离器板可透过更少的水。实心板比多孔板便宜相当多地进行制造。而且，不需要高气泡压力和高透水性的多孔板也更加便宜。
通常，分离器板38和44是由至少石墨化的粉末和聚合物基树脂形成，并且可根据需要额外包括纤维和其它材料。而且，选择阴极分离器板38和阳极分离器板44的诸如孔结构、阻力、颗粒尺寸、树脂含量和屈服强度的各种参数，以获得对于相应的板所希望的气泡压力特征和透水性。重要地，那些气泡压力和透水性特征可以并且典型地将在阳极分离器板44相对阴极分离器板38之间有所不同，其中阴极分离器板38在特征上比阳极分离器板44可透过更少的水。这些特征的值以及它们之间的差别，根据燃料电池系统的特殊规格和需要，从系统到系统将有所改变。
尽管公开了本申请的优选实施例，但是本领域技术人员将认识到某些改变将处于权利要求的范围内。例如，尽管薄片21通常是存在的，但是它们可能不在所有布置中都需要。为此，应研究权利要求以确定它们的真正范围和内容。

Claims (8)

1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件；和
邻近所述膜电极组件彼此相对布置的阳极分离器板和阴极分离器板，所述阳极分离器板和所述阴极分离器板包括相对两侧，其中，所述阳极分离器板和所述阴极分离器板中的每个的所述相对两侧中的一侧具有与所述膜电极组件连通的相应的燃料流场和氧化剂流场，所述阳极分离器板包括具有第一透水性的结构并且构造成允许水在所述阳极分离器板的相对两侧之间通过并具有水的流场，所述阴极分离器板包括具有比所述阳极分离器板的第一透水性更差的第二透水性的结构。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极分离器板是实心板，从而防止水在所述阴极分离器板的相对两侧之间通过。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括布置在所述阳极分离器板和所述阴极分离器板之间的多孔薄板。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极分离器板包括在与所述氧化剂流场相对的一侧上的冷却剂流场，所述冷却剂流场邻近所述多孔薄板。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，至少所述阳极分离器板是多孔的以至少部分地提供所述第一透水性。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极分离器板和所述阴极分离器板构造成包括彼此不同的气泡压力。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池是蒸发冷却的，并且所述燃料电池还包括冷却回路，所述冷却回路包括与布置在所述氧化剂流场和水分离器之间的冷凝器处于流体连通的所述氧化剂流场，所述水分离器流体地连接到冷却剂进口，所述冷却剂进口与所述阳极分离器板和所述阴极分离器板中的至少一个的冷却剂流场处于流体连通。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极分离器板包括多孔分离器板，所述阴极分离器板包括实心分离器板。
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