CN106415904A - 用于燃料电池板的卸荷设计 - Google Patents

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Abstract

固相聚合物电解质燃料电池中的流场板在开始结冰期间可能在某些区域例如在一些流场板设计中所用的将用于反应物的出口通风通道连接至反应物出口的反馈端口和反馈槽中遭受冰阻塞。通过结合了其中卸荷通风通道通过梯台与出口通风通道隔开的、相似且相邻的卸荷反馈端口、卸荷反馈槽和卸荷通风通道配置，经由相邻的气体扩散层提供了用于反应物的卸荷出口。

Description

用于燃料电池板的卸荷设计
技术领域
本发明涉及用于在固相聚合物电解质燃料电池中采用的反应物流场板的设计，并且更具体地涉及在结冰起动期间承受冰堵塞的用于反应物流场板的设计。
背景技术
比如为固相聚合物电解质燃料电池或质子交换膜燃料电池的燃料电池将反应物，即燃料(比如氢气)和氧化剂(比如氧气或空气)，进行电化学转换以产生电力。固相聚合物电解质燃料电池一般在阴极电极和阳极电极之间采用质子导电固态聚合物膜片电解质。包括夹在这两个电极之间的固态聚合物膜片电解质的结构被称为膜电极组件(MEA)。在典型的燃料电池中，包括用于反应物的多个流体分配通道的流场板设置在MEA的两侧上以将燃料和氧化剂分配至相应的电极，以及去除发生在燃料电池内的电化学反应的副产物。水是基于氢气和空气反应物运转的电池中的主要副产物。由于单个电池的输出电压具有1V的数量级，因此多个电池通常串联地堆叠在一起用于商业应用以便提供更高的输出电压。燃料电池组还可以以排列形式串联和/或并联地相互堆叠连接，用于汽车应用等。
与水一起，热是来自发生在燃料电池内的电化学反应的重要副产物。因此通常需要用于冷却燃料电池组的装置。设计成获得高功率密度(例如汽车电池组)的电池组一般使液体冷却剂在整个电池组中循环以便快速且有效地去除热。为了实现上述目的，包括多个冷却剂通道的冷却剂流场一般还结合在电池组的电池的流场板中。冷却剂流场可以形成在流场板的电化学惰性表面上并且因此可以在整个电池上均匀地分配冷却剂，同时保持冷却剂与反应物可靠地分离。通过适当的设计，当燃料侧板和氧化剂侧板两者在一起匹配成双极板组件时形成密封的冷却剂流场。密封冷却剂流场因此可以用于在整个电池上均匀地分配冷却剂，同时保持冷却剂与反应物可靠地分离。
为了向电池组中的单独的电池提供反应物和冷却剂以及从电池组中的单独的电池提供反应物和冷却剂，通常在单独的电池的相反的端部处设置一系列出口和入口，使得当电池堆叠在一起时其形成用于这些流体的歧管。进一步需要的设计特点则是板中的通路，以将这些形成的歧管中的大量流体分配至板中的反应物和冷却剂流场中的各个通道，以及在这些形成的歧管中分配来自板中的反应物和冷却剂流场中的各个通道的大量流体。在此，这些通路区域被称为过渡区域。过渡区域自身可以包括多个流体分配通道，例如氧化剂和/或燃料过渡通道。
流场板中的另一个期望的特征可以包括使用本领域已知的反馈端口。这种端口允许大量流体初始地从所形成的歧管分配至流场板的“后”侧或惰性侧，并且然后通过反馈端口被供给至板的活跃侧。反应物反馈端口由此经由形成在板的冷却剂表面中的一些适当的通路流体地连接至用于该反应物的歧管入口或出口。并且，反应物反馈端口还经由相关过渡区域的通路流体地连接至板的反应物表面上的反应物流场。
例如US2008/0311461公开了采用反馈特征的示例性流场板构造。此外，US2008/0311461公开了流场板的实施例，在该实施例中，形成反应物歧管的各个入口和出口定位在流场板的侧面上(即，这些反应物入口和出口不与流场自身成直线)。入口和/或出口的这种结构在本领域已知为侧馈结构。
在固相聚合物电解质燃料电池的操作期间，可能由于各种原因而不希望地出现液态水积聚在流场板内的各个位置中的情况。各种设计已被开发来解决由本领域的这种积聚引起的问题。JP2004207039例如公开了一种当燃料电池的流场中的通路由水滴阻塞时使得反应气体可能流动的方案。在此，凹入的凹槽状气体通路安装在流场中以用作旁通通路，使得当其他通路由水滴阻塞时反应气体能够替代地通过气体扩散层旁通。
在承受结冰温度的燃料电池组中，液态水的积聚可能是另外的问题，这是因为当水结冰时，所形成的冰可能不希望地阻塞流体流动或者固体冰的相关膨胀可能对电池造成破坏。因此一般通过首先防止积聚或可替代地通过在液态水具有结冰机会之前去除液态水来避免可能遭受结冰的液态水的相当大体积的积聚。例如，US2008/0113254中所采用的方案试图通过利用定位在板之间的适当的多孔介质防止不希望的积水。可替代地，本领域公开了在停机并且存储在零下温度之前从燃料电池组去除水的各种技术。
在其他方案中，目标可以是临时允许冰在板中的形成并且以其他方式处理相关的问题。作为示例，在US20130089802中，公开了用于承受结冰温度的燃料电池组中的流场板结构。在具有内部冷却剂流场和反应物反馈端口的设计中，卸荷管道设置在包围反馈端口的支承壁中以便允许结冰并且因此防止板的破裂。
然而，仍然需要处理与在承受零度以下温度的燃料电池的流场板中结冰相关的问题的更多的选项和改进。本发明满足了这些需要并且提供另外的相关优势。
发明内容
在包括位于流场板中的反馈结构的固相聚合物电解质燃料电池中，本发明在阻塞发生在反馈区域(例如在结冰起动期间出现冰阻塞)的情况下提供反应物卸荷流。
相关固相聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，膜电极组件包括固相聚合物电解质以及位于固相聚合物电解质的相对侧上的阳极和阴极，阳极气体扩散层用于与阳极相邻的燃料，阴极气体扩散层用于与阴极相邻的氧化剂。以及卸荷特征结合在燃料电池中的反应物流场板中的至少一个中。这种卸荷特征可以用于燃料流场板或氧化剂流场板中或者用于两者中。因此，燃料电池还包括用于从由燃料和氧化剂组成的组中选择的反应物的至少一个反应物流场板。反应物流场板包括与用于反应物的气体扩散层相邻定位的反应物流场。反应物流场包括多个反应物流场通道，多个反应物流场通道在反应物流场的入口端处流体地连接至入口通风通道并且在反应物流场的出口端处流体地连接至出口通风通道。出口通风通道配置成以便横向于所述多个反应物流场通道。
反应物流场板还包括反应物入口、反应物出口、反应物反馈槽和反应物反馈端口。反应物入口靠近反应物流场的入口端并且流体地连接至入口通风通道。反应物出口靠近反应物流场的出口端并且就位在所述多个反应物流场通道的一侧。反应物反馈槽位于反应物流场板的与用于反应物的气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至反应物出口。以及，反应物反馈端口将反应物反馈槽流体地连接至出口通风通道。
结合在反应物流场板中的卸荷特征包括梯台、卸荷通风通道、卸荷反馈槽和卸荷反馈端口。梯台与用于反应物的气体扩散层邻接并被构造成横向于所述多个反应物流场通道以及定位在出口通风通道的与所述多个反应物流场通道相反的一侧上。卸荷通风通道与用于反应物的气体扩散层相邻并被构造成横向于所述多个反应物流场通道以及定位在梯台的与出口通风通道相反的一侧上。卸荷反馈槽定位在反应物流场板的与用于反应物的气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至反应物出口。最后，卸荷反馈端口将卸荷反馈槽流体地连接至卸荷通风通道。
当这些卸荷特征结合到如上所述的反应物流场板内时，用于反应物的气体扩散层将出口通风通道流体地连接至卸荷通风通道，并且因此在传统反馈结构中发生阻塞的情况下用作用于反应物的卸荷出口。具体地，这在当反应物反馈槽被冰堵塞时的冰点以下温度下时用作用于反应物的卸荷出口。
这种卸荷特征特别适用于其中所述多个反应物流场通道基本平行和线性的燃料电池中。并且，如上所述，卸荷特征可被应用于氧化剂和/或燃料流场板。在前者的情况下，反应物因此是氧化剂，反应物流场板是氧化剂流场板，反应物入口是氧化剂入口，反应物出口是氧化剂出口，反应物反馈槽是氧化剂反馈槽，反应物反馈端口是氧化剂反馈端口，以及用于反应物的气体扩散层是阴极气体扩散层。在后者的情况下，反应物是燃料，反应物流场板是燃料流场板，反应物入口是燃料入口，反应物出口是燃料出口，反应物反馈槽是燃料反馈槽，反应物反馈端口是燃料反馈端口，以及用于反应物的气体扩散层是阳极气体扩散层。
本发明适用于固相聚合物电解质燃料电池，并且特别适用于高功率密度应用(例如汽车)的这种燃料电池组。
在参照附图以及随后的详细说明时，本发明的这些以及其他方面是显而易见的。
附图说明
图1示出用于固相聚合物电解质燃料电池的示例性现有技术的氧化剂流场板的氧化剂流场侧的示意性视图。
图2示出包括本发明的卸荷特征的氧化剂流场板的氧化剂流场侧的示意性视图。
图3示出图2的氧化剂流场板的沿着截面A-A和相邻的阴极气体扩散层的示意性剖面图。
具体实施方式
在该说明书中，比如为“一种”和“包括”的词语被以开放式方式解释，并被认为指代至少一个而不限于仅一个。
在此，在定量的背景下，术语“大约”应被解释为在上限增加10％和下限减少10％的范围内。
在本文中的各个位置处，要素“出口通风通道”、“梯台”和“卸荷通风通道”表示为“横向”于多个反应物流场通道。在该上下文中，“横向”被解释为指代交叉于多个反应物流场通道的方向定位。虽然这些要素可能通常基本垂直于反应物流场通道，但是其不必如此以及例如可替代地与多个反应物流场通道的方向处于从80度至100度(或甚至超出该范围)的角度。
关于反应物流场板中的反应物入口和出口的位置，术语“就位于…的一侧”指的是本领域已知的侧馈结构。在这种结构中，入口或出口不与反应物流场通道的方向成直线地定位，而是与反应物流场通道的方向不成直线地定位，并且因此通向反应物流场通道的侧面。
适用于汽车用途的燃料电池组设计一般包括一系列叠层的大致矩形平面固相聚合物电解质燃料电池。在相对侧上具有氧化剂和燃料流场并且在其内形成冷却剂流场的双极板组件一般应用于这种叠层中。图1示出用于这种燃料电池的示例性现有技术的氧化剂流场板的氧化剂流场侧的示意性视图。
氧化剂流场板1采用具有侧馈结构并且连接至其具有反馈结构的相应的流场的反应物入口和出口。用于冷却剂的入口和出口与流场成直线并且不具有侧馈结构。氧化剂流场板1包括氧化剂流场3，氧化剂流场3包含由多个梯台分开的多个基本平行的线性通道，以将氧化剂分配至阴极气体扩散层以及从阴极气体扩散层去除副产物，该阴极气体扩散层在组装的燃料电池中邻接梯台。在板1的另一侧上，惰性侧，是在图1中不可见的冷却剂流场。反应物入口和出口包括燃料入口5、燃料出口7、氧化剂入口9和氧化剂出口11。板1还包括冷却剂入口13和冷却剂出口15。当组装成完整的燃料电池以及然后还与其他相似的这种电池串联地堆叠时，用于反应物和冷却剂流体的这些相同的入口和出口对准以形成这些流体在整个电池组中的大量分配的歧管。
氧化剂流场3与各个反应物入口和出口之间的区域是板1的过渡区域。在入口过渡区域中是入口通风通道17和氧化剂反馈端口18。入口通风通道17流体地连接至氧化剂流场3中的多个氧化剂流场通道的入口端，并且还连接至氧化剂反馈端口18。在图1所示的实施例中，入口通风通道17横向于所述多个反应物流场通道构造。氧化剂反馈槽存在于板1的将氧化剂反馈端口18流体地连接至氧化剂入口9的另一侧(在图1中不可见)上。然后集合地，氧化剂入口9经由氧化剂反馈槽(不可见)、氧化剂反馈端口18和入口通风通道17流体地连接至氧化剂流场3。
以相似方式，出口通风通道19和氧化剂反馈端口20出现在出口过渡区域中。出口通风通道19流体地连接至氧化剂流场3中的所述多个氧化剂流场通道的出口端，并且还连接至氧化剂反馈端口20。出口通风通道19横向于所述多个反应物流场通道配置。再次，氧化剂反馈槽存在于板1的将氧化剂反馈端口20流体地连接至氧化剂出口11的另一侧上(在图1中不可见)。然后集合地，氧化剂出口11经由氧化剂反馈槽(不可见)、氧化剂反馈端口20和出口通风通道19流体地连接至氧化剂流场3。
在正常操作中，当在氧化剂流场板1中的任何通路中不存在严重阻塞时，氧化剂气体以Z形图案从氧化剂入口9通过反馈结构流入入口通风通道17内，并且均匀地流过氧化剂流场3。携带副产物水蒸汽和液态水的残余的氧化剂气体继续通过氧化剂流场3流入出口通风通道19内，向外通过氧化剂反馈端口20和板2的另一侧(不可见)上的氧化剂反馈槽，并且最终流入反应物出口11内。该氧化剂气流在图1中由粗箭头22示意性地示出。然而，在导致出口反馈区域中的氧气流被阻塞的任何情况下(例如氧化剂反馈端口20中结冰)，残余的氧化剂流被限制，可能是完全限制。在无法到达其他位置的情况下，流动或者被减缓或者可能停止。
另一方面，图2示出本发明的实施例，其中在出口反馈区域的氧气流中存在任何阻塞的情况下已设置用于卸荷的装置。在此，示出用于氧化剂流场板的示意图与图1相似，除图2的实施例包括本发明的卸荷特征之外。
为了用作卸荷特征，在出口过渡区域中，氧化剂流场板2另外包括梯台23、卸荷通风通道25、卸荷反馈端口21和位于板2的另一侧上的卸荷反馈槽(在图2中不可见)。以与出口通风通道19、氧化剂反馈端口20和将后者连接至氧化剂出口11的氧化剂反馈槽的布置类似的方式，卸荷通风通道25流体地连接至卸荷反馈端口21并被横向于所述多个反应物流场通道构造。再次，卸荷反馈槽存在于板2的另一侧上(在图2中不可见)并且将卸荷反馈端口21流体地连接至氧化剂出口11。然后总体上，氧化剂出口11经由卸荷反馈槽(不可见)和卸荷反馈端口21流体地连接至卸荷通风通道25。梯台23横向于所述多个氧化剂流场通道延伸并且将出口通风通道19与卸荷通风通道25隔开。在组装的燃料电池中，梯台23接触相邻的阴极气体扩散层。
在图2的实施例中，因此存在用于使残余的氧化剂气体从出口通风通道19流向卸荷通风通道25，即经由相邻的阴极气体扩散层本身流向卸荷通风通道25的路径。然而，穿过该路径的气流阻力远远大于出口通风通道19的气流阻力。在正常操作中，当在氧化剂流场板2的任何通路中不存在严重阻塞时，仅少量气流从出口通风通道19流动至卸荷通风通道25。并且渗透的任何气体在氧化剂出口11处以常用方式并入排出燃料电池的残余的氧化剂气体的其余部分。
现在，如果出口反馈区域中的氧气流中的阻塞将出现在图2的实施例中，则用于残余的氧化剂气体的卸荷路径可以通过接触梯台23的阴极气体扩散层实现。图3以氧化剂流场板2的沿着截面A-A的剖面图示意性地示出卸荷路径。图3示出将存在于组装的燃料电池中的阴极气体扩散层30和相邻的梯台23。通过阴极气体扩散层30的卸荷气流是在图3中由粗箭头27描绘的气流。
例如当温度在结冰温度以下并且氧化剂反馈槽20可能被冰阻塞时，由此设置用于氧化剂的卸荷出口。可以通过将梯台23的宽度调整成与阴极气体扩散层30的穿透率相协调而将有效的卸荷范围调整至一定程度。
虽然前述说明涉及本发明在氧化剂流场板中的应用，但是本发明可以类似地应用于燃料流场板。如对于本领域技术人员来说明显的是，本发明可被应用于由不同的材料(例如碳、金属)制成的板。此外，可以考虑除包括多个线性平行反应物通道的流场以外的流场。仍然进一步地，在可替代实施例中，入口和出口、通风通道和反馈端口的形状和尺寸可以不同于附图中所示出的。并且在反馈槽(在附图中不可见)需要位于反应物流场板的与气体扩散层(即惰性侧面)相反的侧面上时，槽不一定需要形成在该板自身中。例如，用于氧化剂流场板的反馈槽或多个反馈槽可以替代地完全或部分形成在燃料流场板中，燃料流场板匹配至氧化剂流场板以获得双极板组件。
本说明书中引用的全部上述美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开的全部内容通过参引方式结合到本文中。
虽然已经示出和说明了本发明的具体要素、实施例和应用，但是当然将理解的是，本发明不限于此，这是因为在不脱离本公开的精神和范围的情况下，特别是按照上述教导，本领域技术人员可以做出变型。这些变型被认为落入随附权利要求的权限和范围内。

Claims (9)

1.一种固相聚合物电解质燃料电池，包括：
膜电极组件，所述膜电极组件包括固相聚合物电解质以及位于固相聚合物电解质的相对侧上的阳极和阴极；
用于与所述阳极相邻的燃料的阳极气体扩散层；
用于与所述阴极相邻的氧化剂的阴极气体扩散层；
用于从由燃料和氧化剂组成的组中选择的反应物的反应物流场板，所述反应物流场板包括与用于反应物的所述气体扩散层相邻的反应物流场，其中，所述反应物流场包括多个反应物流场通道，所述多个反应物流场通道在所述反应物流场的入口端处流体地连接至入口通风通道并且在所述反应物流场的出口端处流体地连接至出口通风通道，其中，所述出口通风通道横向于所述多个反应物流场通道；
反应物入口，所述反应物入口靠近所述反应物流场的入口端地位于所述反应物流场板中并且流体地连接至所述入口通风通道；
反应物出口，所述反应物出口靠近所述反应物流场的出口端并就位在所述多个反应物流场通道的一侧地位于所述反应物流场板中；
反应物反馈槽，所述反应物反馈槽位于所述反应物流场板的与用于所述反应物的所述气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至所述反应物出口；以及
反应物反馈端口，所述反应物反馈端口将所述反应物反馈槽流体地连接至所述出口通风通道地位于所述反应物流场板中；
其特征在于，所述燃料电池还包括：
梯台，所述梯台位于所述反应物流场板中并且与用于所述反应物的所述气体扩散层邻接，其中，所述梯台横向于所述多个反应物流场通道并且定位在所述出口通风通道的与所述多个反应物流场通道相反的一侧上；
卸荷通风通道，所述卸荷通风通道位于所述反应物流场板中并且与用于所述反应物的所述气体扩散层相邻，其中，所述卸荷通风通道横向于所述多个反应物流场通道并且定位在所述梯台的与所述出口通风通道相反的一侧上；
卸荷反馈槽，所述卸荷反馈槽位于所述反应物流场板的与用于所述反应物的所述气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至所述反应物出口；以及
卸荷反馈端口，所述卸荷反馈端口将所述卸荷反馈槽流体地连接至所述卸荷通风通道地位于所述反应物流场板中。
2.根据权利要求1所述的固相聚合物电解质燃料电池，其中，用于所述反应物的所述气体扩散层将所述出口通风通道流体地连接至所述卸荷通风通道。
3.根据权利要求1所述的固相聚合物电解质燃料电池，其中，所述多个反应物流场通道是基本平行和线性的。
4.根据权利要求1所述的固相聚合物电解质燃料电池，其中，所述反应物是氧化剂，所述反应物流场板是氧化剂流场板，所述反应物入口是氧化剂入口，所述反应物出口是氧化剂出口，所述反应物反馈槽是氧化剂反馈槽，所述反应物反馈端口是氧化剂反馈端口，以及用于所述反应物的所述气体扩散层是阴极气体扩散层。
5.根据权利要求1所述的固相聚合物电解质燃料电池，其中，所述反应物是燃料，所述反应物流场板是燃料流场板，所述反应物入口是燃料入口，所述反应物出口是燃料出口，所述反应物反馈槽是燃料反馈槽，所述反应物反馈端口是燃料反馈端口，以及用于所述反应物的所述气体扩散层是阳极气体扩散层。
6.一种固相聚合物电解质燃料电池组，包括串联堆叠的多个根据权利要求1所述的固相聚合物电解质燃料电池。
7.一种提供用于固相聚合物电解质燃料电池中的反应物的卸荷出口的方法，所述燃料电池包括：
膜电极组件，所述膜电极组件包括固相聚合物电解质以及位于固相聚合物电解质的相对侧上的阳极和阴极；
用于与所述阳极相邻的燃料的阳极气体扩散层；
用于与所述阴极相邻的氧化剂的阴极气体扩散层；
用于从由燃料和氧化剂组成的组中选择的反应物的反应物流场板，所述反应物流场板包括与用于反应物的所述气体扩散层邻接的反应物流场，其中，燃料流场包括多个燃料流场通道，所述多个燃料流场通道在所述反应物流场的入口端处流体地连接至入口通风通道并且在所述反应物流场的出口端处流体地连接至出口通风通道，其中，所述出口通风通道横向于所述多个反应物流场通道；
反应物入口，所述反应物入口靠近所述反应物流场的入口端地位于所述反应物流场板中并且流体地连接至所述入口通风通道；
反应物出口，所述反应物出口靠近所述反应物流场的出口端并就位在所述多个反应物流场通道的一侧地位于所述反应物流场板中；
反应物反馈槽，所述反应物反馈槽位于所述反应物流场板的与用于所述反应物的所述气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至所述反应物出口；以及
反应物反馈端口，所述反应物反馈端口将所述反应物反馈槽流体地连接至所述出口通风通道地位于反应物流场板中；
以及所述方法包括：
提供梯台，所述梯台位于所述反应物流场板中并且与用于所述反应物的所述气体扩散层邻接，其中，所述梯台横向于所述多个反应物流场通道并且定位在所述出口通风通道的与所述多个反应物流场通道相反的一侧上；
提供卸荷通风通道，所述卸荷通风通道位于所述反应物流场板中并且与用于所述反应物的所述气体扩散层相邻，其中，所述卸荷通风通道横向于所述多个反应物流场通道并且定位在所述梯台的与所述出口通风通道相反的一侧上；
提供卸荷反馈槽，所述卸荷反馈槽位于所述反应物流场板的与用于所述反应物的所述气体扩散层相反的一侧上并且流体地连接至所述反应物出口；以及
提供卸荷反馈端口，所述卸荷反馈端口将所述卸荷反馈槽流体地连接至所述卸荷通风通道地位于反应物流场板中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，用于所述反应物的所述气体扩散层提供用于所述反应物的从所述出口通风通道通向所述卸荷通风通道的卸荷出口。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于所述反应物的所述气体扩散层在当所述反应物反馈槽被冰堵塞时的冰点以下温度下时提供用于所述反应物的卸荷出口。
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