CN115275253A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池，包括一对流场板，每个流场包括由平台隔开的多个反应物流动通道，其中在至少一个流场板中的至少一个平台具有带有弯曲的顶部横截面。特别地，阴极板可以具有部分或连续弯曲横截面的平台。在一些实施例中，平台的顶部的横截面是圆弧。燃料电池进一步包括具有阴极气体扩散层的膜电极组件，该阴极气体扩散层具有可压缩表面，当组装燃料电池时，该可压缩表面在与阴极板平台接触时受压缩，使得阴极GDL表面的压缩区域紧贴平台的弯曲顶部。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及氢燃料电池的流场板。

背景技术

燃料电池将氢燃料和氧化剂（例如空气中的氧气）电化学转化为电能和反应产物。一种称为聚合物电解质膜(“PEM”)燃料电池的燃料电池通常采用膜电极组件(“MEA”)，该膜电极组件(“MEA”)包含固体聚合物离子交换膜，催化剂层施加在离子交换膜两侧以形成催化剂涂层膜(“CCM”），催化剂涂层膜设置在两个气体扩散层（“GDL”）之间。催化剂层包含催化剂，例如精细粉碎的铂，以引发所需的电化学反应。GDL有效地充当促进反应物有助于反应物在CCM上扩散，并且通常包含多孔导电片材，例如碳纤维纸或碳布。在操作中，电极被电耦合以提供电路，该电路用于通过外部电路在电极之间传导电子。

在典型的燃料电池中，MEA设置在两个导电的流体流场板或隔板之间。流体流场板具有至少一个形成在其主要平面表面中的至少一个中的流体流动通道。流体流场板充当集电器，为电极提供支撑，为燃料和氧化剂提供进入相应阳极和阴极表面的通道，并提供用于去除反应产物（例如水）的通道，这些反应产物是在燃料电池运行过程中形成的。一个称为阳极板的流体板具有将氢燃料引导到MEA阳极侧的开放式燃料流动通道，而另一个称为阴极板的流体板具有将氧化剂（例如空气）引导到MEA的阴极侧的开放式氧化剂流动通道。

阳极板和阴极板通常都具有由细长平台隔开的多个平行流道，这些流道通常包括与相邻GDL表面接触的平坦顶面，包含流道和平台的流场板部分通常称为流场区域，与流场区域流体连通的与GDL相邻的CCM部分通常称为CCM的活性区域，即发生电化学反应的CCM部分。最佳燃料电池性能取决于到达发生电化学反应的CCM活性区域的反应物。以阴极为例，氧化剂供应必须从阴极板的氧化剂通道通过相邻的GDL迁移到CCM的活性区域。然而，传统的平台设计倾向于阻碍反应物从流动通道流到CCM的邻近平台的那些部分，从而降低燃料电池的性能。燃料电池性能对阴极催化剂区域的氧浓度特别敏感，尤其是当空气用作氧化剂时，因为空气中的氧浓度仅为约21%。

因此，本发明的目的是提供一种改进的燃料电池流场板，其解决了现有技术流场板设计的一些缺点。

发明内容

根据一个方面，燃料电池包括阳极板、阴极板和夹在阳极板和阴极板之间的膜电极组件。阳极板包括具有带有燃料流场的活性侧的隔板，其中燃料流场具有至少一个平台的开放面燃料流道。阴极板包括具有带氧化剂流场的活性侧的隔板，其中氧化剂流场具有开口的氧化剂流道和至少一个平台。膜电极组件包括被阳极和阴极气体扩散层夹在中间的涂有催化剂的离子交换膜。阳极板和阴极板的至少一个平台具有弯曲横截面的顶部。在一些方面，阳极板和阴极板都具有带有弯曲横截面的顶部的平台。

阳极和阴极气体扩散层中的至少一个是可压缩的并且围绕具有弯曲横截面的顶部的平台的至少一部分压缩。

氧化剂流场可以包括多个沿长度方向直的平行的平台，该平台具有带弯曲横截面的顶部。弯曲的横截面可以是连续弯曲的，并且例如可以具有固定半径（全圆）以限定圆形部分，或者可以具有可变半径以限定具有变化曲率的部分。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的PEM燃料电池的阴极板的活性侧的透视图。

图2是图1所示的阴极板的非活性侧的透视图。

图3是图1所示的阴极板的端部的俯视图。

图4是沿剖面线B-B的剖面图，示出了阴极板的流场的一部分。

图5是阴极板流场的一个通道和两个相邻平台的区域C的详细视图。

图6是包括根据本发明的实施方式的阴极板的燃料电池的一部分以及相邻的两个燃料电池的一部分的剖视图。

图7是区域D的图像的详细视图，显示了MEA的一部分与阴极板的平台接触。

具体实施方式

本文公开的实施例总体上涉及包括一对流场板的燃料电池，每个流场板具有流体流场，所述流体流场包括由平台隔开的多个反应物流动通道，其中流场板中的至少一个中的至少一个平台具有连续弯曲横截面的顶部。在一些实施例中，阴极流场包括多个平行的直线流动通道，其对应的平台具有连续弯曲的横截面。平台顶部的横截面可以具有固定半径，从而限定圆形部分，或可变半径，从而限定具有变化曲率的部分。燃料电池还进一步包括具有阴极GDL的MEA，该阴极GDL具有在组装燃料电池时在与阴极板平台接触时压缩的可压缩表面，使得阴极GDL表面的压缩区域符合平台的弯曲顶部。

参考图1-7，根据一个实施例，燃料电池10包括夹在阴极板14和阳极板16之间的MEA 12(见图6)。多个燃料电池10可以堆叠在一起以形成燃料电池堆(图6中示出了一个相邻燃料电池的阳极板16A和另一个相邻燃料电池的阴极板14A)。

阴极板14具有大致平面的隔板，在称为“活性侧”的一个表面上具有氧化剂流场18(见图1)。相对的表面被称为“非活性侧”（参见图2），并且在相邻的燃料电池阳极板16A的冷却剂侧上面对冷却剂通道20。氧化剂流场18包括由多个开放面氧化剂通道22，开放面氧化剂通道22被平台24(见图4)隔开。在该实施例中，氧化剂流场18包括多个沿长度方向平行的且直的氧化剂通道以及相应的平台；然而，其他实施例可以以具有不同通道几何形状的流场为特征，例如蛇形。

在阴极板14的一端，流体入口26、28和30分别将燃料(氢气)、氧化剂(空气)和冷却剂流引入燃料电池10。在阴极板14的另一端，流体出口32、34、36分别从燃料电池10排出燃料、氧化剂和冷却剂流。流体出口端口32、34、36通过燃料电池10内的流道与对应的流体入口端口26、28、30流体耦合。特别地，燃料从燃料入口26经由阴极板14的非活性侧上的间隔开的燃料回送通道40流到相邻阳极板16A中的阳极流场通道38中。回流通道40从燃料入口26延伸到阳极板16A中的燃料回流槽(未示出)；燃料回流槽延伸穿过阳极板16A的厚度并且流体耦合到阳极流场通道38。氧化剂从氧化剂入口28经由阴极板14的非活性侧上的间隔开的氧化剂回流通道42流到氧化剂流场通道22，所述氧化剂回流通道42从氧化剂入口28延伸到阴极板14中的回流槽44；氧化剂回流槽44延伸穿过阴极板14的厚度并通过过渡区45连接到氧化剂流场通道22。冷却剂从冷却剂入口30经由阴极板14的非活动侧上的冷却剂后场通道46流到相邻阳极板16A的冷却剂通道20。同样地，燃料、氧化剂和冷却剂出口32、34、36通过回流通道流体耦合到它们各自的阳极流场通道38、氧化剂流场通道22和冷却剂通道20。周边密封件（未显示）围绕端口和反馈通道以防止泄漏。

特别参考图4至5所示，氧化剂流场18的特征在于具有弯曲横截面平台顶部52的平台24。不受理论束缚，理论上理想的阴极流场应该具有尽可能窄的流场平台，以使平台下方的氧扩散量最大化，同时提供足够的电连接以确保足够的电流分布和低电阻损耗。期望提供具有弯曲横截面的顶部的平台，并期望平台24的宽度最小化且相反地氧化剂通道22的宽度最大化。在该实施例中，平台顶部52是完全圆形的，即以固定半径R连续弯曲，从而限定圆形部分。平台半径的合适范围在0.05到0.5毫米之间。利用全圆形设计可最大限度地减少平台宽度，并且还有望简化可制造性，因为通道和平台可以指定为全圆形尺寸。或者，可以提供其他实施例（未示出），其中平台顶部具有其他连续弯曲的几何形状，例如卵形或椭圆形。在又一些实施例中，平台顶部52可以具有可变半径的连续弯曲横截面以限定具有变化曲率的部分。

平台24还各自具有平台底部54，该平台底部54向下延伸到相邻氧化剂通道22的氧化剂通道底部56。在本实施例中，平台底部54为相邻氧化剂通道22提供倾斜壁。倾斜壁的倾斜角定义为顶部半径R与平台底宽度W的比值，可以在0.1到0.5之间。

流道壁通过圆角58连接到氧化剂通道底部56以易于制造；然而，在其他实施例中，氧化剂通道22可以具有其他横截面几何形状，例如，氧化剂通道22可以具有限定圆形段(未示出)的圆形横截面。

阴极板14可以由膨胀石墨构成，并且通过对空白板进行压印以形成所需结构，然后进行合适的后处理来制造。或者，阴极板14可由本领域已知的其他合适材料构成，并通过本领域已知的其他合适技术制造(例如，模制石墨颗粒/树脂复合材料，加工成诸如模制石墨颗粒/树脂复合材料的成形导电材料，冲压成金属板）。

如前所述，平台的设计应提供足够的导电连接，以确保足够的电流分布和低电阻损耗。具有连续弯曲顶部的平台可能会减少与MEA电接触的可利用表面积。为了确保充分的电接触，MEA12配备有可压缩的GDL。参考图7，GDL （图中未示出）与平台24接触的部分被压缩，与弯曲的平台顶部52一致并保持良好的电接触。适当可压缩的 MEA 的一个例子包括涂有催化剂的全氟磺酸 (PFSA) 膜，全氟磺酸膜被一对碳纤维纸 GDL 夹在中间。

根据又一实施例，阳极板16包括具有平台的燃料流场，该平台具有弯曲横截面的顶部。平台顶部的横截面可以部分地或连续地弯曲，并且例如可以是完全圆形的以限定圆形部分。

本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并非旨在限制。相应地，如本文所用，单数形式“a”、“an”和“the”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和“包含”指定存在一个或多个所述特征、整数、步骤、操作、元件和组件，但不排除存在或一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和组的添加。以下描述中使用的诸如“顶部”、“底部”、“向上”、“向下”、“垂直”和“横向”等方向性术语仅用于提供相对参考，并不旨在暗示任何限制任何物品在使用期间如何定位，或如何安装在组件中或与环境有关。此外，除非另有说明，否则本说明书中使用的术语“耦合”及其变形旨在包括间接和直接连接。例如，如果第一设备耦合到第二设备，则该耦合可以是通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接。类似地，如果第一设备通信耦合到第二设备，则通信可以通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接进行。

如本文所用，提及“大约”或“大致”一个数字或“基本上”等于一个数字是指在该数字的正负10％以内。

可推测本说明书中讨论的任何方面或实施例的任何部分可以与本说明书中讨论的任何其他方面或实施例的任何部分实施或组合。

权利要求的范围不应受实施例中阐述的优选实施例的限制，而应给予与整个描述一致的最广泛的解释。

Claims (9)

1.燃料电池包括：阳极板，其包括具有带燃料流场活性侧的隔板，所述燃料流场包括具有至少一个平台的开放面燃料流道；

阴极板，其包括具有带氧化剂流场活性侧的隔板，所述氧化剂流场包括开口的氧化剂流道和至少一个平台；和夹在阳极板和阴极板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括被阳极和阴极气体扩散层夹在中间的涂有催化剂的离子交换膜；其特征在于，所述阳极板和所述阴极板的所述平台中的至少一个具有弯曲横截面的顶部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层中的至少一个是可压缩的，并且围绕具有弯曲横截面的顶部的平台的至少一部分进行压缩。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氧化剂流场包括多个沿长度方向平行的直的平台，所述平台具有弯曲横截面的顶部。

4.根据权利要求1中所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个平台的顶部具有连续弯曲的横截面。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述连续弯曲的横截面为一个给定半径的圆弧段。

6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述半径在0.05和0.5mm之间。

7.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述连续弯曲的横截面由多段曲线段组成，各曲线段的曲率对应与不同半径。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个平台的顶部横截面为为椭圆形或者类椭圆形的曲线段。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极板平台和所述阳极板平台都具有具有弯曲横截面的顶部。

Images