CN102142562A - 具有减少的冷却剂体积和不对称的热排除的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有减少的冷却剂体积和不对称的热排除的双极板。具体而言，描述了一种双极板组件。阳极侧或阴极侧上的冷却剂通道包括具有低导热率的材料。还描述了包括所述双极板组件的燃料电池以及制造所述双极板组件的方法。

Description

具有减少的冷却剂体积和不对称的热排除的双极板
相关案件的声明
本申请涉及2009年9月28日提交的、名称为“Fuel Cell With Anode And Cathode Plate Temperature Difference”、序号为12/567,842的美国申请，通过引用将上述申请并入本文。
技术领域
本发明总体涉及燃料电池，更具体地涉及在燃料电池中使用的双极板。
背景技术
通常称为燃料电池的电化学转化电池通过处理第一反应物和第二反应物例如通过氢和氧的氧化和还原来产生电能。通过举例而非限制方式，典型的聚合物电解质燃料电池包括位于一对催化剂层之间的聚合物膜（例如，质子交换膜），其中，一对气体扩散介质层在催化剂层外。阴极板和阳极板位于与气体扩散介质层相邻的最外侧，前述组件被紧密地压缩，从而形成电池单元。
由单个电池单元提供的电压对于有用的应用而言通常太小。因此，多个电池通常以“堆”的形式布置并连续地连接，从而提高电化学转化组件或燃料电池的电输出。燃料电池堆通常在相邻的MEA之间使用双极板。
在传统的燃料电池的操作中，阳极侧上的跨平面（through-plane）水蒸气浓度梯度导致过度的凝结。净水通量通常不到达阴极侧。然而，与阳极相比，阴极能够更好地处理液态水。另外，为了获得最佳的冷启动性能，希望减少双极板内的冷却剂体积。
因此，需要一种具有改善的水管理的燃料电池。
发明内容
本发明满足这一需要。本发明的一方面是一种双极板组件。在一个实施例中，双极板组件具有第一侧和第二侧。第一子板具有在第一侧上开放的反应物通道和与反应物通道相邻的槽脊区域。第二子板具有在第二侧上开放的反应物通道和与第二子板中的反应物通道相邻的槽脊区域。第一子板中的槽脊区域填充有具有低导热率的材料，第二子板中的槽脊区域在使用期间填充有冷却剂。
在另一实施例中，第一侧具有反应物通道和与反应物通道相邻的冷却剂通道。冷却剂通道的至少一个壁由具有低导热率的材料制成。第二侧具有反应物通道，并且没有冷却剂通道。在第一侧上的冷却剂通道在使用期间填充有冷却剂。
本发明的另一方面是一种制造双极板组件的方法。在一个实施例中，该方法包括：提供第一子板，第一子板具有在第一侧上开放的反应物通道和与第一子板中的反应物通道相邻的槽脊区域；提供第二子板，第二子板具有在第二侧上开放的反应物通道和与第二子板中的反应物通道相邻的槽脊区域；使用具有低导热率的材料填充第一子板中的槽脊区域；以及将第一子板密封为与第二子板相邻。
本发明的另一方面涉及一种使用双极板组件的燃料电池。在一个实施例中，燃料电池包括：彼此由距离隔开的至少两个膜电极组件，每个膜电极组件具有阳极侧和阴极侧；位于膜电极组件中其中一个的阳极侧和膜电极组件中另一个的阴极侧之间的至少一个双极板组件，双极板组件具有：第一子板，第一子板具有对所述一对膜电极组件中的一个膜电极组件的阳极侧开放的反应物通道和与第一子板中的反应物通道相邻的槽脊区域；第二子板，第二子板具有对膜电极组件中另一个的阴极侧开放的反应物通道和与第二子板中的反应物通道相邻的槽脊区域；其中，第一子板中的槽脊区域或第二子板中的槽脊区域填充有具有低导热率的材料，并且其中，第一子板或第二子板中的另一个的槽脊区域填充有冷却剂。
本发明还提供如下方案：
1、一种具有第一侧和第二侧的双极板组件，所述双极板组件包括：
第一子板，所述第一子板具有在所述第一侧上开放的反应物通道和与所述反应物通道相邻的槽脊区域；
第二子板，所述第二子板具有在所述第二侧上开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；并且
其中，所述第一子板中的所述槽脊区域填充有具有低导热率的材料，并且其中，所述第二子板中的所述槽脊区域在使用期间填充有冷却剂。
2、根据方案1所述的双极板组件，其中，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
3、根据方案1所述的双极板组件，其中，具有低导热率的所述材料为闭孔氨基甲酸乙酯泡沫或闭孔聚苯乙烯泡沫。
4、根据方案1所述的双极板组件，还包括：在所述第一子板和所述第二子板之间密封的第三子板。
5、根据方案4所述的双极板组件，其中，所述第三子板由传导材料制成。
6、根据方案4所述的双极板组件，其中，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
7、根据方案4所述的双极板组件，其中，具有低导热率的所述材料为气体，并且其中，所述气体为空气、氮、氦、氩、二氧化碳或它们的组合。
8、一种具有第一侧和第二侧的双极板组件，所述双极板组件包括：
所述第一侧具有反应物通道和与所述反应物通道相邻的冷却剂通道，所述冷却剂通道的至少一个壁由具有低导热率的材料制成；以及
所述第二侧具有反应物通道，并且没有冷却剂通道；
其中，在所述第一侧的所述冷却剂通道在使用期间填充有冷却剂。
9、根据方案8所述的双极板组件，其中，具有低导热率的所述材料为辐射敏感材料。
10、根据方案9所述的双极板组件，其中，所述辐射敏感材料为光聚合物。
11、根据方案8所述的双极板组件，其中，所述双极板组件由光聚合物制成，并且其中，所述冷却剂通道的所述至少一个壁比所述冷却剂通道的其它壁厚。
12、根据方案8所述的双极板组件，其中，所述冷却剂通道的所述至少一个壁包括由空间隔开的内壁和外壁，所述空间填充有气体。
13、一种制造具有第一侧和第二侧的双极板组件的方法，所述方法包括：
提供第一子板，所述第一子板具有在所述第一侧上开放的反应物通道和与所述第一子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
提供第二子板，所述第二子板具有在所述第二侧上开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
使用具有低导热率的材料填充所述第一子板中的所述槽脊区域；以及
将所述第一子板密封为与所述第二子板相邻。
14、根据方案13所述的方法，其中，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
15、根据方案13所述的方法，其中，具有低导热率的所述材料为闭孔泡沫。
16、根据方案13所述的方法，还包括：将第三子板定位在所述第一子板和所述第二子板之间，并将所述第一子板和所述第二子板密封到所述第三子板。
17、根据方案16所述的方法，其中，在使用具有低导热率的所述材料填充所述第一子板的所述槽脊区域之后将所述第三子板密封到所述第一子板。
18、一种燃料电池，其包括：
一对端板，所述一对端板具有反应物流动通道；
彼此由距离隔开的至少两个膜电极组件，每个膜电极组件具有阳极侧和阴极侧；
位于所述膜电极组件中其中一个的阳极侧和所述膜电极组件中另一个的阴极侧之间的至少一个双极板组件，所述双极板组件具有：
第一子板，所述第一子板具有对所述膜电极组件中所述一个的所述阳极侧开放的反应物通道和与所述第一子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
第二子板，所述第二子板具有对所述膜电极组件中另一个的所述阴极侧开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
其中，所述第一子板中的所述槽脊区域或所述第二子板中的所述槽脊区域填充有具有低导热率的材料，并且其中，所述第一子板或所述第二子板中的另一个的所述槽脊区域填充有冷却剂。
19、根据方案18所述的燃料电池，其中，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
20、根据方案18所述的燃料电池，还包括在所述第一子板和所述第二子板之间密封的第三子板。
附图说明
图1是双极板的一个实施例的示图。
图2是用于隔热的阳极槽脊（land）的简化的热传递电路的示图。
图3是双极板的另一实施例的示图。
图4是双极板的另一实施例的示图。
图5是双极板的另一实施例的示图。
具体实施方式
改善的水管理可以通过调节燃料电池的跨平面温度梯度来实现。这可以通过提供双极板组件来实现，其中，一侧上的冷却剂通道包括具有低导热率的材料，而另一侧上的冷却剂通道在使用期间容纳冷却剂。可选地，双极板可以仅在一侧上具有冷却剂通道，并且冷却剂通道的一个或多个壁可以由具有低导热率的材料制成。
图1示出了根据本发明的燃料电池10的一个实施例。燃料电池10具有位于MEA 20的相对侧的一对非嵌套双极板15。双极板15具有阳极侧25和阴极侧30。双极板15由通过例如焊接、弹力密封或通过粘接结合而密封在一起的两个波状传导板35、40制成。适合的传导板可以由包括、但不限于金属、碳复合材料、传导聚合物或镀金属聚合物的材料制成。
阳极侧25具有对MEA 20的阳极侧开放的阳极反应物通道45。阳极反应物通道45由阳极槽脊50隔开。阴极侧30具有对MEA 20的阴极侧开放的阴极反应物通道55。阴极反应物通道55由阴极冷却剂通道60隔开。冷却剂流经阴极冷却剂通道60。
在将两个波状板35、40密封在一起之前，使用具有低导热率的材料（部分地或完全地）填充阳极槽脊50。对于低导热率，我们是指导热率远小于不锈钢的导热率（大约15W/mK），例如小于大约0.5W/mK，或小于大约0.3W/mK，或小于大约0.2W/mK，或小于大约0.1W/mK，或小于大约0.05W/mK，或小于大约0.03W/mK。
通常，具有低导热率的适当材料包括、但不限于聚合物、泡沫和气体。
在图1的阳极槽脊暴露于冷却剂的布置中，期望的是具有低导热率的材料对于冷却剂应具有不渗透性。否则，冷却剂将渗透材料，这会降低其效力。然而，这并不是所必需的。具有低传导性的适当的不渗透性材料包括、但不限于闭孔泡沫和聚合物。适当的泡沫的一个示例为闭孔氨基甲酸乙酯泡沫（例如，k为0.022W/mK的闭孔氨基甲酸乙酯泡沫）或闭孔泡沫聚苯乙烯。适当的聚合物包括、但不限于聚烯烃、聚乙烯、聚氨基甲酸乙酯和聚苯乙烯。聚合物通常具有大约0.2W/mK的导热率。
这些隔热的双极板的使用允许系统的导热率改变而不改变电导率。
另外，快速成型技术可以用于形成槽脊隔热层。这些工艺可以包括、但不限于立体光刻或3D印刷。
图2示出了用于隔热的阳极槽脊的简化的热传递线路。该双极板设计将以高电流密度下的对称的扩散介质（DM）使得阳极热通量降低大约20%。与较电流密度为1.5A/cm2的冷却剂高大约3-6℃的典型MEA温度（依赖于DM导热率）相比，这使得膜温度升高大约0.5℃。此外，在槽脊被隔热的情况下，其在阳极上的温度将升高1.5℃，由此将阳极跨平面温差降低了大约1℃，并将阴极差升高了大约0.5℃。在80℃下，这会有效地将阳极水蒸气浓度梯度降低12%，而将阴极升高9%，因此将更多的水蒸气输送迁移到阴极。这些计算是使用隔热的双极板组件可以获得的示例性改变类型。计算非常依赖于结构的长度尺度。例如，如果阳极通道的深度提高，使得隔热层变厚，则温度梯度的幅值将增大。
还可以使用导热率和厚度改变的不对称DM来改变水平衡迁移。其示例包括、但不限于在以下文献中所描述的：2009年9月28日提交的、名称为“Fuel Cell With Anode And Cathode Plate Temperature Difference”、序号为12/567,842的美国申请；名称为“Fuel Cell Stack With Asymmetric Diffusion Media On Anode And Cathode”的第2009/0104476号美国公布文献；以及名称为“Fuel Cell with Thermal Conductance of Cathode Greater than Anode”的第7,429,429号美国专利，通过引用将上述每篇文献并入本文。
图3示出了根据本发明的燃料电池110的另一实施例。燃料电池110具有位于MEA 120的相对侧的一对非嵌套双极板115。双极板115具有阳极侧125和阴极侧130。双极板115由位于中心板143的相对侧上的两个波状板135、140制成。中心板由传导材料制成，如上所述。
阳极侧125具有对MEA 120的阳极侧开放的阳极反应物通道145。阳极反应物通道145由阳极槽脊150隔开。阴极侧130具有对MEA 120的阴极侧开放的阴极反应物通道155。阴极反应物通道155由阴极冷却剂通道160隔开。冷却剂在使用期间流经阴极冷却剂通道160。
当将中心板密封至波状板135和140时，用低传导性材料填充阳极槽脊150。可以通过任何适当的方法通常通过焊接将中心板密封至波状板。金属箔可以用作为中心板。
用于该实施例的具有低传导性的适当材料包括、但不限于泡沫、聚合物和气体。因为中心板将冷却剂密封为远离具有低导热率的材料，所以不需要不渗透性材料，但是期望时可以使用。可以使用开孔或闭孔泡沫。适当的聚合物包括、但不限于聚烯烃、聚乙烯、聚氨基甲酸乙酯和聚苯乙烯。适当的气体包括、但不限于空气、氮、氦、氩、二氧化碳。还可以使用真空，但是生产带有真空的双极板将是更加困难的。
中心板布置的优点是可以将气体用作为具有低传导性的材料。尽管其需要另外的金属层，但是不需要另外的隔热材料（除了气体以外）。空气是优选的气体。
金属中心板的使用允许产生具有有利特征的其它结构和使用其它低传导性材料。然而，这应当相对于增加的成本和额外金属片的质量进行权衡。如果期望的话，则中心板可以在隧道和交叉流动区域具有模压特征。
图4示出了双极板的另一实施例。使用该制造工艺，通过使用用于传导性的金属涂镀的光聚合工艺将双极板形成为单个部件。槽脊隔热通过添加聚合物或通过产生气体填充层来实现，如上所述。在下述文献中描述了双极板的光聚合工艺：2008年12月22日提交的、名称为“Fuel Cell Fabrication Using Photopolymer Based Processes”的代理人案号P004461；以及2009年5月15日提交的、名称为“Separator Plates Formed by Photopolymer Based Processes”的代理人案号P006017，通过引用将上述各文献并入本文。
使用光聚合物工艺，可以产生图案，从而形成反应物和冷却剂通道。然后，光聚合物部件将进行金属涂镀，从而赋予部件导电性和导热性。在图4中示出了使用较厚的聚合物层将冷却剂通道与一侧隔离的光聚合物板200。如下将板200形成在金属箔202上：使光聚合物材料曝光并显影，以形成用于反应物通道212和214的构架204以及用于冷却剂通道210的壁206。用于冷却剂通道210的壁206较厚，以减少来自一个反应物侧的热通量。聚合物结构涂镀有金属208。还示出了不是以剖视图形式的涂镀构架216。在图5中示出了使用气体层进行隔热的光聚合物板300的示例，其中将相同的部件标记为3xx。如下将板300形成在金属箔302上：使光聚合物材料曝光并显影，以形成用于反应物通道312和314的构架304以及用于冷却剂通道310和气体层318的壁306，如图所示。因为光聚合物曝光工艺在视线内，所以冷却剂通道310的壁306延伸通过气体层318。气体层318提供隔热，以减少来自一个反应物侧的热通量。聚合物结构涂镀有金属308。还示出了不是以剖视图形式的涂镀构架316。
虽然描述了在阳极槽脊中低传导性材料的使用，但是可选地阴极槽脊可以用改变跨平面温度梯度的材料。
这些双极板的优点在于，与标准的燃料电池相比，冷却剂的体积减小了。
如果期望的话，则这种类型的双极板可以结合在序号为12/567,842的美国申请中讨论的在燃料电池上获得温差的方法而使用，通过引用将上述美国申请并入本文。
应当指出，类似“优选地”、“常常”和“通常”的术语在这里并不用于限制所要求保护的本发明的范围或者并不用于暗示特定特征对于所要求保护的本发明的结构或功能是关键的、基本的或至关重要的。而是，这些术语仅旨在强调在本发明的具体实施例中可以使用也可以不使用的可选或附加的特征。
为了描述并限定本发明的目的，应当指出术语“装置”在此用于表示组件的组合和单独的组件，而不管组件是否与其它组件组合。例如，根据本发明的“装置”可以包括电化学转化组件或燃料电池、包括根据本发明的电化学转化组件的车辆等等。
为了描述并限定本发明的目的，应当指出术语“基本上”在此用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的不确定性的固有程度。术语“基本上”在此还用于表示在不引起所述主题的基本功能的改变的情况下定量表示可以与表述的参考不同的程度。
已经详细地并参照本发明的特定实施例描述了本发明，但将显而易见的是，在不脱离在所附权利要求书限定的本发明的范围的基础上，可以做出修改和改变。更具体地说，虽然这里将本发明的一些方面标识为优选的或特别有利的，但应当预想到，本发明未必局限于本发明的这些优选方面。

Claims (10)

1. 一种具有第一侧和第二侧的双极板组件，所述双极板组件包括：
第一子板，所述第一子板具有在所述第一侧上开放的反应物通道和与所述反应物通道相邻的槽脊区域；
第二子板，所述第二子板具有在所述第二侧上开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；并且
其中，所述第一子板中的所述槽脊区域填充有具有低导热率的材料，并且其中，所述第二子板中的所述槽脊区域在使用期间填充有冷却剂。
2. 根据权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
3. 根据权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，具有低导热率的所述材料为闭孔氨基甲酸乙酯泡沫或闭孔聚苯乙烯泡沫。
4. 根据权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，其还包括：在所述第一子板和所述第二子板之间密封的第三子板。
5. 根据权利要求4所述的双极板组件，其特征在于，所述第三子板由传导材料制成。
6. 根据权利要求4所述的双极板组件，其特征在于，具有低导热率的所述材料为聚合物、泡沫、气体或它们的组合。
7. 根据权利要求4所述的双极板组件，其特征在于，具有低导热率的所述材料为气体，并且其中，所述气体为空气、氮、氦、氩、二氧化碳或它们的组合。
8. 一种具有第一侧和第二侧的双极板组件，所述双极板组件包括：
所述第一侧具有反应物通道和与所述反应物通道相邻的冷却剂通道，所述冷却剂通道的至少一个壁由具有低导热率的材料制成；以及
所述第二侧具有反应物通道，并且没有冷却剂通道；
其中，在所述第一侧的所述冷却剂通道在使用期间填充有冷却剂。
9. 一种制造具有第一侧和第二侧的双极板组件的方法，所述方法包括：
提供第一子板，所述第一子板具有在所述第一侧上开放的反应物通道和与所述第一子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
提供第二子板，所述第二子板具有在所述第二侧上开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
使用具有低导热率的材料填充所述第一子板中的所述槽脊区域；以及
将所述第一子板密封为与所述第二子板相邻。
10. 一种燃料电池，其包括：
一对端板，所述一对端板具有反应物流动通道；
彼此由距离隔开的至少两个膜电极组件，每个膜电极组件具有阳极侧和阴极侧；
位于所述膜电极组件中其中一个的阳极侧和所述膜电极组件中另一个的阴极侧之间的至少一个双极板组件，所述双极板组件具有：
第一子板，所述第一子板具有对所述膜电极组件中所述一个的所述阳极侧开放的反应物通道和与所述第一子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
第二子板，所述第二子板具有对所述膜电极组件中另一个的所述阴极侧开放的反应物通道和与所述第二子板中的所述反应物通道相邻的槽脊区域；
其中，所述第一子板中的所述槽脊区域或所述第二子板中的所述槽脊区域填充有具有低导热率的材料，并且其中，所述第一子板或所述第二子板中的另一个的所述槽脊区域填充有冷却剂。
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