CN1183618C - 具有改进凝结和反应产物处理能力的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

燃料电池的双极板包括多个限定各自入口和出口的反应物通道(18，24)，至少两个流量限制器(54，56)分别与至少两个相邻的反应物通道相连。

Description

具有改进凝结和反应产物处理能力的燃料电池
美国政府可以享有在此公开的发明的授权以及在限定范围内要求专利权人在适当的条件下授权给其他人的权利。
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及燃料电池，尤其是涉及燃料电池内部凝结和反应产物的处理。
2.相关技术说明
燃料电池将燃料和氧化剂(统称“反应物”)转变为电流和反应产物。多个燃料电池使用氢气作为燃料和氧气作为氧化剂。在这种情况下，反应产物是水。这样的燃料电池如质子交换膜(PEM)燃料电池。在质子交换膜燃料电池中每个单电池包括一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间被一个薄的离子导电膜隔开，通常将这些统称为膜电极部件(MEA)。在离子导电膜两相对侧的阳极和阴极包括由一包含膜和气体扩散层的薄层催化剂。将氢气提供到阳极上，氧气提供到阴极上。气体扩散层确保氢气有效地传输到阳极催化剂上和确保氧气有效地传输到阴极催化剂上，氢气在阳极催化剂上被电化学除去电子，由此产生的质子通过导电膜迁移，并与阴极催化剂上的氧化剂反应生成水。将单独的膜电极部件叠加，彼此间用不可渗透的电子导电的双极板电串联连接，双极板在某一膜电极部件的阳极和相邻的膜电极部件的阴极之间传导电流。双极板具有在一侧形成的多个用于在某一膜电极部件上传输燃料的通道，和在另一侧形成的多个用于在相邻的膜电极部件上传输氧化剂的通道。反应物，例如氢气和氧气，由各自的进气管道通过通道用泵传输到各自的出气管道。
由于许多原因，认为燃料电池是很有吸引力的能源。与常规电池相比，燃料电池的优点在于只要连续不断地提供燃料，燃料电池可以保持一定的输出功率，而不受充/放电循环的阻碍。燃料电池还有相对较小、重量轻并且不污染环境的优点。质子交换膜燃料电池最为显著的优点是由于其工作温度较低和使用非液体、非腐蚀性的电解质。
尽管燃料电池具有上述优点，仍然可对常规燃料电池进行改进。例如，反应产物例如水可在通道内积累，从而阻碍反应物流动。在反应物中的湿气还能凝结，从而在通道内积累。常规燃料电池通过在进气管道和出气管道之间产生压力差(或压降)以试图从通道内清除反应产物和凝结的湿气。理想的压力差是大到可以防止反应产物和/或凝结的湿气在双极板的一个或多个通道内积累的一种压差。取决于包括燃料电池工作条件(例如流量和温度)、双极板通道的材料和加工、和通道的几何形状等许多因素的这种必需的压力差典型地是介于250Pa的几倍(几英寸水柱)和1.0348×105Pa(15PSI)之间。
在常规燃料电池内，当反应物通过通道时，通过壁摩擦力的影响使压力降低。更特殊地是，产生足够的基于壁摩擦力的压力差的传统方法是使在双极板上的反应物通道长和曲折或具有小的水压直径。可选择地，可以提高反应物流量以产生较大的摩擦损失和压降。
在这里，本发明人认为用长、曲折的反应物流动通道来产生压力差的方法并不是最理想的。例如，虽然在通道之间压力差相同以确保反应物流量相同很重要，但是制造一系列长、曲折、等长的通道不仅很难而且价格很高。还有，在某些情况下使用长、曲折的通道或者不实际或者不可能。例如，六边形的双极板经常包括Z-形状的气流通道，这种通道不能很长或曲折。六边形双极板的几何形状需要很远的长、曲折的通道以致于分开太远而不能获得满意的反应物到气体扩散电极的扩散。正因如此，用常规长、曲折的通道方法很难获得所需的压力差。此外，在制造双极板的技术上，近来的发展结果导致相对较直的反应物流动通道。
在这里，本发明人还认为通过使用具有小的水力直径的反应物通道来产生压力差并是最不理想。使用小的水力直径的反应物通道要求很严格的制造公差，这是由于在没有严格的公差的情况下，通道之间的摩擦力差别很大，这将导致不相同的反应物流量。因此，虽然具有小水力直径的双极板容易获得，但是其生产要求使用相对费力的和价格昂贵的生产过程。
在这里，本发明人还认为提高反应物流量不是产生压力差的最佳方法。提高燃料流量导致燃料浪费，因此降低了燃料电池的效率。提高氧化剂的流量更加降低燃料电池的效率，这是由于有关的压缩机或风机需要额外的能量。
发明概要
因此，本发明的一个目的就是提供一种能从反应物通道中清除反应产物和凝结湿气的燃料电池。本发明的另一个目的就是提供一种双极板部件，该双极板部件在不采用长、曲折的通道的情况下，能在进气和出气管道之间产生足够的压力差以从反应物通道中清除反应产物和凝结湿气。本发明再一个目的就是提供一种双极板部件，该双极板部件在不采用小水力直径的通道的情况下，能在进气和出气管道之间产生足够的压降以从反应物通道中清除反应产物和凝结湿气。本发明还有另一个目的就是提供一种能在通道之间和板之间产生相同压力差的双极板部件。
为了实现这些和其它的目的，根据本发明的优选实施例，双极板部件包括多个限定各自入口和出口的反应物通道，相邻通道之间的入口彼此相邻，相邻通道之间的出口彼此相邻，而且至少两个流量限制器分别与至少两个相邻的反应物通道相连。在一个实施例中，入口与通用的进气管道相连，出口与通用的出气管道相连。改进包括：流量限制器分别与至少两个相邻反应物通道相连，该流量限制器包含从第一和第二进气管道延伸到第一和第二反应物通道的入口的第一流体连接器，该第一流体连接器限定各自的第一流通面积，双极板部件进一步包括：从第一和第二反应物通道的出口延伸到第一和第二出气管道的多个第二流体连接器，第二流体连接器限定各自的第二流通面积，第二流通面积比第一流通面积大。
本发明提供的双极板和燃料电池比常规双极板和燃料电池多许多优点。例如，流量限制器产生压降可以足够从通道中清除反应产物和凝结的湿气，因此消除了在常规燃料电池中对长、曲折的通道、小水力直径通道和产生压降的过量流速的需要。装配相同尺寸的流量限制器也相对容易，这在没有很困难和价格昂贵地用严格的公差制造相同长度的通道的情况下产生了相同的压力差和相同的流过通道的反应物流量。
在本发明的那些实施例中，入口和出口与通用的进气和出气管道相连，压力差将由流量限制器的流量和几何形状决定。如果某一通道堵塞，通过管道的压力差将基本上保持不变，而且通过与堵塞通道相连的流量限制器的压降将为零，因为流量为零。因此，通过堵塞通道自身的压力差将与通过进气和出气管道的压力差相等。这种压力差将足够大以清除所有通道内的反应产物和凝结湿气。
通过参照下面的详细说明，结合附图考虑时，本发明变得更易理解，本发明上面的描述和许多其它的特征以及附带的优点将变得显而易见。
附图简要说明
参照附图，详细说明本发明的优选实施例。
图1是根据本发明优选实施例的双极板部件的平面图。
图2是在图1中所示的双极板部件的部分放大图。
图3是在图1中沿着直线3-3截取的局部剖面图。
图4是根据本发明优选实施例的阴极板的平面图。
图5是在图4中沿着直线5-5截取的局部剖面图。
图6是在图4中所示的双极板部件的部分放大图。
图7是根据本发明优选实施例的燃料电池组件的分解图。
图8是在图7中在装配状态下所示的燃料电池组件的局部剖面图。
图9是根据本发明的优选实施例的燃料电池叠层的透视图。
优选实施例的详细说明
下面是实施本发明的最为熟知的方法的详细说明。不是在限制意义上采用这个说明，而是只为了示本发明的整个原理作出此说明。
正如在图1-3中所示的，根据本发明优选实施例的双极板部件10包括双极板12和框架14。双极板12和框架14可以是分开的结构部件，通过焊接、粘合或其它的机械式固定彼此相连，正如所示，或作为一个整体部件形成。典型的双极板12包括具有交替连续的氧化剂通道(又称为第一反应物通道)18和氧化剂侧隆起部20的氧化剂侧16，以及具有交替连续的燃料通道(又称为第二反应物通道)24和燃料侧隆起部26的燃料侧22。氧化剂通道18包括入口28和出口30，燃料通道包括入口32和出口34。相邻的通道由侧壁36隔开。典型的框架14包括围绕双极板12四周延伸的框架部件38。燃料进气和出气管道40和42，氧化剂进气和出气管道44和46，以及冷却剂进气和出气管道48和50在框架部件38上形成。每一管道优选包括多个加强部件52。
如图2中实施例所示，典型的双极板12具有波状的结构。在相邻的氧化剂通道18和燃料通道24之间基本上没有重叠。此外，虽然可以采用其它的结构，但是在截面上每个通道基本上是梯形形状。选择性地，可以采用基本上为方形形状的横截面作为能够部分或完全弯曲的横截面。尽管如此，对于最佳的集电而言，为了增大用于集电的接触面积，隆起部20和26(其将和膜电极部件接触)基本上应当是平板状。
在进气管道40及44和出气管道42及46之间产生压力差的流量限制器至少与通道18和24中的一些，最好是所有相连。在图1-3所示的典型实施例中，通过使用燃料进气管54和氧化剂进气管56来实现流量限制器，燃料进气管54通过框架部件38并且将燃料进气管道40与燃料通道入口32相连，氧化剂进气管56通过框架部件并且将氧化剂进气管道44与氧化剂通道入口28相连。燃料出气管58将燃料通道出口34与燃料出气管道42相连，氧化剂出气管60将氧化剂通道出口30与氧化剂出气管道46相连。进气管54和56的横截面(或流量)面积要足以产生流量限制，因此在进气管道和通道入口之间产生压力差。虽然可以使用其它的形状，但是在所示的实施例中，进气管54及56和出气管58及60(它们又称为流体连接器)在横截面上是圆的，而且出气管的内径大约是进气管内径的两倍。同样，出气管58和60(它们又称为第二流体连接器)的流通面积大约是进气管54和56(它们又称为第一流体连接器)的流通面积的四倍，使其足够大以不能产生任何明显的流量限制器。
流量限制器(在图1-3中所示的实施例中的管54和56)产生压降足以将反应产物和凝结湿气从通道18和24中清除。这消除了对常规长、曲折的通道，具有小水力直径的通道和过量流速的需要。至少50％、最好是全部的压降在流量限制器发生。此外，在通道入口和出口与通用的进气和出气管道相连的地方，管道之间的压力差将由限制器的几何形状和反应物流速来决定。当一个通道被反应产物或凝结湿气阻塞时，在阻塞通道内的流动停止，在余下的没有阻塞的通道内流动继续。由于正常流过阻塞通道的反应物将流过余下的没有阻塞的通道，所以进气和出气管道之间的压力差提高。在阻塞通道内，由于没有流量，所以通过限制器没有压力差。因此，通过阻塞通道自身的压力差与通过进气和出气管道的压力差相等。这样的压力差将足以清除所阻塞的通道中的反应产物和凝结湿气。限制器最好还具有相同的尺寸，这将提供通过通道之间和板之间相同的压力差和反应物流量。
值得注意的是，流量限制器并不限于在图1-3中所示的相对小的进气管设置。例如，在图4-6中所示的阴极板62包括一系列从进气管道66延伸到出气管道68的Z形状的通道。比Z形状通道64窄的缩颈70形成在每个通道的入口端72。在典型实施例中，缩颈70的横截面积大约是通道64横截面积的十分之一。缩颈70产生压降的方式与在图1-3中所示的进气管54和56的方式相同。
也可以使用其它类型的流量限制器。例如，所有的进气管和出气管的流通面积足够大以致于它们不会产生任何明显的压降。这里，可以将挡板固定在通道内以作为流量限制器。也可以将挡板添加到在图1-6中所示的实施例中的通道内以提高进气和出气管道之间的压力差。此外，虽然流量限制器的优选位置是在反应物通道的入口端或附近，但是位置可以随着应用需要而改变。
关于材料和加工，在图1-3中所示的双极板12和框架14最好由铝、钛或钢形成，和用水压成形、模压、弯曲、冲压或其它通用金属的成形工艺制造。在图4-6中所示的阴极板62最好由铝、钛、钢、石墨或导电塑料形成，和可以通过机械加工、铸造和浇铸工艺制造。这些部件的表面积可以用防腐涂层例如金、铂、钯、氮化钛或氮化铝钛覆盖以适合质子交换膜燃料电池的环境。可以用电化学沉积或气化沉积的方法沉积这些材料。管可以由金属、塑料或其它适合的材料形成。
尽管其它的结构在本发明保护范围内，但是在图1-3中所示的典型双极板部件10按如下配置。框架部件14在长度上约为261.62mm(10.3英寸)，在宽度上约为243.84mm(9.6英寸)(不包括突出部分56)，同时双极板12在长度上约为203.20mm(8.0英寸)和在宽度上约为203.20mm(8.0英寸)。有50个等间隔的氧化剂通道18和50个等间隔的燃料通道24。每个通道的宽度约为1.40mm(0.055英寸)，深度约为0.51mm(0.02英寸)，隆起部20和26的厚度约为0.25mm(0.01英寸)。因此，所示的双极板12的厚度约为0.76mm(0.03英寸)。侧壁28约为0.25mm-0.76mm(0.01到0.03英寸)厚，并限定与相连燃料或氧化剂通道底面的角度约为100°。
在图4-6中所示的典型阴极板62在形状上是六边形，每边约为50.80mm(2.0英寸)长和厚度约为10.16mm(0.40英寸)。通道64的宽度约为0.76mm(0.03英寸)，深度约为0.25mm-0.76mm(0.01到0.03英寸)。缩颈70的宽度约为0.20mm(0.008英寸)，深度约为0.25mm(0.01英寸)。
可以将本发明的双极板结合到各种燃料电池装置中。正如在图7和8中所示的，在图1-3中所示的双极板部件10的一种用途是用在质子交换膜燃料电池组件74中。质子交换膜燃料电池组件最好由一到十个单电池构成。在图7和8中所描述的典型实施例中，燃料电池组件74由5个单电池构成。具体而言，典型燃料电池组件74包括隔板76、冷却剂板78、六个双极板部件10(每个包括一个双极板12和框架14)和五个膜电极部件80，这些以所示的方式层叠。在多组件叠层中，底部双极板部件10典型地将放置在相邻燃料电池组件的隔板上。在有些示例中，在个别组件包含在叠层中的底部组件或用在一个组件叠层中时，底部隔板(没有示出)可以提供在底部双极板部件10下面。
由例如铝、钛、钢、石墨或导电塑料这些材料形成的典型隔板76包括燃料管道、氧化剂管道、冷却剂管道以及相应于典型双极板部件10那些孔的装配孔。典型的冷却剂板78还包括燃料管道、氧化剂管道、冷却剂管道和与典型双极板部件10的那些孔相应的装配孔。冷却剂板78的一面是平的，在另一面82上包括与冷却剂管道48和50相连通的冷却剂通道81。适合的冷却剂包括水、乙二醇和聚α-石蜡。
对于膜电极部件80，可以将本发明用常规膜电极部件实施。例如，膜电解质可以由E.I.DuPont de Nemours & Co.的名为NAFIONTM或W.L.Gore.的名为Gore-SelectTM的全氟化硫磺酸聚合物形成。阳极和阴极膜可以由在NAFIONTM或聚四氟乙烯粘结剂中的催化剂颗粒形成。用于气体扩散层的适合物质是由E-Tek生产的ELATTM和由W.L.Gore.生产的CarbelTM。在所示的实施例中，膜电极部件80包括在装配过程中所使用的接片84。选择性地，可以使用商业化的膜电极部件，例如由W.L.Gore.(PrimeaTM)、E-Tek和DeGussa-Huls所出售的那些膜电极部件。
如在图9中所示实施例，根据本发明优选实施例的燃料电池叠层86包括端板88、集电器90、在一和二百之间的燃料电池组件74、集电器92和包括端板96及密封垫98的端板部件94。端板88提供有燃料入口和出口100和102，氧化剂入口和出口104和106，冷却剂入口和出口108和110。这些端口将燃料、氧化剂和冷却剂源(没示出)连接到燃料电池组件74的管道。这里，燃料是氢气，氧化剂是氧气。典型的燃料电池叠层86还提供有正极集电器终端112和负极集电器终端114。各种部件可以通过使用螺母和螺钉装置116或其它的机械紧固件彼此固定。螺钉穿过在双极板框架14上的突出部分120处所形成的一系列孔118和穿过在框架角落处的孔122(见图1)，还穿过在所述叠层的其它部件中的对齐的孔。
虽然按照上面的优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说可显而易见对上述优选实施例进行的许多修改和/或补充。例如，根据本发明的双极板可以包括与在阴极侧上的每一个通道相连而不与在阳极侧上的通道相连的流量限制器，或者可选择地也可以包括与在阳极一侧上的每一个通道相连而不与在阴极一侧上的通道相连的流量限制器。本发明的范围将扩展到所有这样的改进和/或补充。

Claims (9)

1.用于燃料电池的双极板部件，其中包括多个限定了各自入口(28，32)和出口(30，34)的反应物通道(18，24)，相邻的反应物通道(18，24)的入口(28，32)彼此相邻，而相邻的反应物通道(18，24)的出口(30，34)彼此相邻，改进包括：流量限制器(54，56)分别与至少两个相邻反应物通道(18，24)相连，该流量限制器包含从第一和第二进气管道(44，40)延伸到第一和第二反应物通道(18，24)的入口的第一流体连接器(54，56)，该第一流体连接器(54，56)限定各自的第一流通面积，双极板部件进一步包括：从第一和第二反应物通道(18，24)的出口延伸到第一和第二出气管道(46，42)的多个第二流体连接器(58，60)，第二流体连接器(58，60)限定各自的第二流通面积，第二流通面积比第一流通面积大。
2.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，每个反应物通道(18，24)包括流量限制器(54，56)。
3.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，流量限制器(54，56)与反应物通道入口(28，32)相连。
4.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，流量限制器(54，56)彼此相同。
5.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，双极板部件限定了第一侧(16)和第二侧(22)，多个反应物通道包含在第一侧(16)上的多个第一反应物通道(18)和在第二侧(22)上的多个第二反应物通道(24)。
6.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，多个通道包括多个第一反应物通道(18)和多个第二反应物通道(24)，双极板部件进一步包括：
第一和第二进气管道(44，40)分别与第一和第二反应物通道(18，24)的入口(28，32)相连；和
第一和第二出气管道(46，42)分别与第一和第二反应物通道(18，24)的出口(34，30)相连；
至少两个相邻的反应物通道包括第一反应物通道。
7.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，第一和第二流体连接器(54，56，58，60)包括管状部件。
8.根据权利要求1中所述的双极板部件，其特征在于，多个反应物通道(18，24)包括多个线形的反应物通道。
9.根据权利要求1所述的双极板部件，其特征在于，双极限定为阳极侧和阴极侧，并且至少两个相邻的反应物通道(18或24)位于同一侧上。
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