CN1507666A - 燃料电池或电解池结构 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池或电解池组件,其在膜电极组件的每一侧上具有对流的径向导向的燃料和氧化剂流场。第一反应气体从电池组中的歧管径向向外流向第一反应物排水管,第二反应气体从流场边缘向内流向第二反应物排水管。

Description

燃料电池或电解池结构
本发明涉及燃料电池和电解池,虽然不是专用于,但是具体而言是用于质子交换膜燃料电池和电解池。
燃料电池是其中燃料和氧化剂以受控的方式组合以直接产生电力的装置。由于没有中间燃烧和发电步骤就直接产生电力,燃料电池的电效率高于在传统发电机中使用燃料的效率。这些大多数是众所周知的。燃料电池看起来是简单和理想的,但是近年来在制造实用的燃料电池系统方面耗费了大量的人力和多年的工作。反过来,电解池实际上也是一种燃料电池,其中电用于将水分解成氢气和氧气。燃料电池和电解池都可能成为所谓的“氢经济”的重要组成部分。下面以燃料电池为例进行说明,但是应该记住同样的原理也适用于电解池。
所谓的质子交换膜(PEM)燃料电池(有时称为聚合物电解质或固体聚合物燃料电池(PEFC))是一种已商业化生产的燃料电池制品。这种电池使用氢气作为燃料并且包括电绝缘(但是离子导电)聚合物膜,该聚合物膜在两面上均放置有多孔电极。典型地,该膜是氟磺酸酯聚合物,电极通常包括分散在含碳粉末基片上的贵金属催化剂。电极和膜的这种组合通常称作膜电极组件(MEA)。
燃料(典型地是氢气)被供应到一个电极(阳极),在该电极处它被氧化,从而将电子释放到阳极,并且将氢离子释放到电解质。氧化剂(典型地是空气或氧气)被供应到另一个电极(阴极),在该电极处来自阴极的电子与氧气和氢离子结合,从而产生水。质子交换膜燃料电池的一小类是直接的甲醇燃料电池,其中甲醇作为燃料供应。本发明将包括这样的燃料电池和实际上使用质子交换膜的任何其它的燃料电池。
在商用PEM燃料电池中,很多这样的膜层由流场板(也称作双极板)分隔开并被堆叠在一起。流场板典型地由金属或石墨构成以允许电子在一个膜层的阳极和邻近膜层的阴极之间进行良好的传递。
流场板表面上具有沟槽形式以供应流体(燃料或氧化剂)和除去所产生的作为燃料电池的反应产物的水。已经记述过多种方法用以产生沟槽,例如提议过通过机加工、压纹或模塑法(WO00/41260),以及通过一保护层进行喷砂来形成这种沟槽。在喷砂系统中,颗粒(如砂、砂砾、细小球体或冻结材料由一股喷气流载送直接喷向待处理物体。颗粒高速运动,作用在该物体上磨损其表面。
为了确保流体均匀分散到它们相应的电极表面,在电极和流场板之间放置一所谓的气体扩散层(GDL)。该气体扩散层为多孔材料,并且典型地包括碳纸或碳布,通常在一面上具有粘结的碳粉层并且被涂覆有疏水材料以提高抗水性。
燃料和氧化剂流场典型地具有螺旋形的形状,从流体入口岐管向流体出口岐管延伸。但是也可以使用其它的流场形状。在一些公开出版物(如US5773160,US6087033和US-A2001/0005557)中已经表明,将提供一种对流结构作为目标,在该结构中,在膜电极组件的一侧上的氧化剂相对于在膜电极组件的另一侧上的燃料反向移动。这样的结构没有提供流体流的全对流和提供压力的对称分布,这将引起操作问题(如下所述)。
申请人认识到可通过提供燃料和氧化剂流场的径向会聚/扩散流场来克服该问题,意指一个流场向外扩散,另一个流场向内会聚。因此,本发明提供一种燃料电池或电解池组件,其在膜电极组件的任一侧上具有对流的径向导向的燃料和氧化剂流场。
这种结构的其它优点在于可以减少流体接口的数量。在一个有利的结构中,第一反应气体从电池组中的歧管向外流向第一反应物排水管,并且第二反应气体从流场边缘向内流向第二反应物排水管。
以下参照附图通过实施例对本发明进行说明,其中:
图1示意地示出电池组的部分区域;
图2示意地示出按照图1的大量电池组装在腔室中的侧视图;
图3示意地示出按照图1的大量电池组装在腔室中的平面图;
图4示意地示出本发明使用的流体流场板的顶视图;
图5示出图4的流体流场板的底视图;
图6示意地示出本发明的包括有一密封机构的一对流体流场板;
图7示出本发明使用的另一种形式的流体流场板的顶视图;
电池组1(图1)包括大量的流体流场板2。该流体流场板具有对齐的形成燃料供应孔3的孔403(图4和5)。该电池组的一端由包括一电连接器5的端板4端接。端板4封闭燃料供应孔3的端部。该电池具有用作燃料出口6,氧化剂出口7,冷却剂入口8和冷却剂出口9的接口。
几个电池组1被安装在具有歧管系统的腔室101中,该歧管系统用于连接燃料出口6,氧化剂出口7,冷却剂入口8和冷却剂出口9。该腔室101还具有用于连接电池组的电连接器5的电连接系统103。形成部分歧管系统102的相应的电连接系统与每个电池的基部相连。在该腔室101和电池组1之间限定了一间隙空间104。
该流场板2为圆环形,并且如上所述,具有一中心孔403。燃料入口404从孔403导向增湿区407。流场408从增湿区407导向燃料排出管405(仅示出部分流场,几个通道被设置成从增湿区407径向向外延伸)。孔409穿过流场板1并使得电池组中的对齐的孔409形成一排出线路以将过剩燃料导向燃料出口6。
联结盘406构造成接收密封件,并且该结构可以与流场的形成一起产生,或者在一独立步骤中产生。
在流场板2的下侧上的氧化剂流场是反向的,氧化剂从流场板402的外边缘径向向内流向与孔410相连的内排水管407。电池组中对齐的孔410形成一排出线路以将过剩氧化剂导向氧化剂出口7。冷却剂通道411从冷却剂入口孔412向冷却剂出口孔413延伸。在邻近板中对齐的冷却剂入口孔412用于从冷却剂入口8中接收冷却剂,并且在邻近板中对齐的冷却剂出口孔413用于将冷却剂传到冷却剂出口9中。
冷却剂通道411被放置在位于邻近的流场板的相对的增湿区407中。通过在冷却剂通道411和增湿通道407之间放置透水膜,可以对进入的氢气增湿。需要充分增湿以防止膜层干燥。
可以使用类似的结构,使用在相对的流场板的燃料侧上的冷却剂线路对进入的氧化剂增湿。在氧化剂侧增湿的要求小于在燃料侧增湿的要求,这是由于在膜电极组件的氧化剂侧产生水。对氧化剂稍微增湿是理想的(以防止在氧化剂进入膜的地方的水损失),但是增湿过度是不理想的,这是因为这限制了氧化剂的水载送能力。
透水膜可由例如薄膜硅橡胶制成。膜电极组件的膜可以用于这种作用。
在间隙空间104中的氧化剂的压力将用于在图1中箭头A的方向向下压电池组。电池组内的气体压力在如箭头B所示方向向外压电池组,其趋向于将电池组的板分开。沿A方向的压缩力将趋向于抵消B方向的气体压力。实际上,如果适当地选择所使用的压力和面积,电池组有可能处于压缩状态下。该原理可以应用到腔室中的单个电池组,也可以用于例举的多个电池组。
当然,整个结构可以反向(氧化剂在中上部,燃料在外侧),但是出于安全原因,所示的结构是优选的。
虽然所描述和说明的结构不限于圆形的流场板,但是传统的流场板是矩形结构,这会使角部密封产生问题。圆形或椭圆的几何结构对于密封是有利的。但是圆形结构对于对齐不是理想的,如图4和5所示,可以方便地使用六角形的板,在角部具有安装孔以接收螺纹杆或用于对齐或固定电池组的其它装置。但是,由于电池组中的气体压力至少部分被电池组外侧的压力补偿,可以使用轻的固定装置。
由于以下几个原因,径向气体流结构是有利的。首先是在燃料和氧化剂之间具有对流,和传统的趋向于具有交叉流结构的双电极相比,其在膜电极的方向上保持较均匀的压差。这样的较均匀的压差意味着膜处于相对减小的应力下。其次,压力在电池组的宽度方向上较均匀地分布,这意味着作用在双电极板上的力是均匀分布的,减小板破裂或变形的风险。此外,压力分布的均匀度导致改进在膜电极的方向上发电的均匀性。
图7示出一种不同形式的径向对流流场双电极,其中流场板702为六角环形,具有燃料供应孔703。分支流场结构704(部分示出)将燃料供应孔703连接到导向燃料排出口708的燃料排出管705。联结盘706构造成接收密封件,并且该结构可以与流场的形成一起产生,或者在一独立步骤中产生。
在邻近流场板上的氧化剂流场是反向的,氧化剂从流场板的外边缘流向与氧化剂排出口709相连通的内排水管。冷却剂线路在氧化剂流场板的反向上。冷却剂入口孔711通过该冷却剂线路连通到冷却剂出口孔712。
在该结构中燃料流是发散的,而氧化剂流是会聚的,从而在膜电极的每一侧提供对流的径向导向的流体流(使用“径向”,是在朝一点移动或从一点辐射的意义上,而不是指在圆的半径上的有限意义上)。板的优选材料是石墨,碳-碳复合物或碳-树脂复合物。但是本发明不限于这些材料,可以使用任何具有合适的物理特性的材料。
本发明由以上各独立的部分及组合构成。

Claims (3)

1.一种燃料电池或电解池组件,其在膜电极组件的每一侧上具有对流的径向导向的燃料和氧化剂流场。
2.如权利要求1所述的燃料电池或电解池组件,其特征在于,第一反应气体从电池组中的歧管径向向外流向第一反应物排水管,第二反应气体从流场边缘向内流向第二反应物排水管。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池或电解池组件,其特征在于,在流场板上的进入气体将密封圈压向邻近流场板上的密封槽,该密封槽相对于该进入气体维持在较低的压力。
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