CN1918725A - 用于改进的水管理的流场几何构造 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料电池(2)中的组件，包括具有设置在该元件(68，70)的表面上的流场的导电流体分配元件(68，70)，其中所述流场包括多条用于输送燃料电池(2)的气态反应物的通道(74)。所述组件还包括设置在该元件(68，70)表面上用作扩散介质(34，40)的导电构件。所述元件(68，70)上的通道(74)包括在多个方向上形成的多个侧壁(78)，所述侧壁(78)的多个方向构成通道(74)的剖面几何结构，由此使得在导电流体分配元件(68，70)与导电构件的界面处以及在通道的底部形成水积聚区。

Description

用于改进的水管理的流场几何构造

技术领域

本发明涉及燃料电池。更具体而言，本发明涉及燃料电池双极板上的流场的通道构造。

背景技术

燃料电池已被建议用作电动车辆以及其它应用的电源。一种这样的燃料电池是质子交换膜(即PEM)燃料电池，所述PEM燃料电池包括所谓的“膜电极组件”(MEA)，在膜电极组件中具有薄的、固体聚合物膜-电解质，在该膜-电解质的相对表面上具有一对电极(即阳极和阴极)。膜电极组件被夹在一对导电流体分配元件(即双极板)之间，所述双极板作为电极的集流器并且包含所谓的“流场”，所述流场是形成在与膜电极组件接触的极板表面上的一排凸台(lands)和凹槽。

凸台传导来自电极的电流，同时位于凸台之间的凹槽用于在电极表面上均匀分配燃料电池的气态反应物。气体扩散介质位于每个导电流体分配元件与膜电极组件的电极表面之间，以在面对流场中的凹槽处支撑膜电极组件，并从这里将电流传导至相邻的凸台。

然而，燃料电池的一个缺点是水从膜电极组件中向外流出受阻的现象，通常被称为“溢阻现象”。当流经阴极流场板的空气流不足以驱动排水过程时，溢阻现象可能会妨碍燃料电池在低电流密度下的操作。过多的液态水也倾向于堵住气体扩散介质中的细孔，由此使反应物氧气流与催化部位隔离开。因此，需要一种用以将前述缺点最小化的改进的燃料电池设计。

发明内容

注意到上述缺点，本发明涉及一种用于包括导电流体分配元件的燃料电池的组件，所述导电流体分配元件具有设置在该元件的一个表面上的流场，其中所述流场包括多条用于输运燃料电池的气态反应物的通道。本发明的组件还包括设置在该元件的表面上以用作气体扩散介质的导电构件。所述元件中的通道包括在构成通道的剖面几何构造的不同方向上形成的多个侧壁，从而使得在导电流体分配元件和导电构件的界面处以及在通道的底部形成局部的水积聚区。

通过下文的详细描述，本发明的进一步的适用领域会变得更加明显。应该理解的是，表示本发明的优选实施方式的详细描述和具体实例旨在仅用于解释说明之目的，而绝不是意味着要由此限制本发明的范围。

附图说明

通过下面的详细描述并结合附图，能够更加充分的理解本发明，其中：

图1是根据本发明的PEM燃料电池堆(图中仅示出2个电池单元)的分解示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的燃料电池的分解放大视图；

图3A是根据本发明第一实施方式的通道的剖视图，图中示出了由燃料电池的电化学反应产生的水在通道中产生积聚的部位；

图3B是现有技术中的通道的剖视图，图中示出了水在通道中产生积聚的部位；

图4是根据本发明第一实施方式的通道的剖视图；

图5是示出了中子射线照相术的原理的示意图；

图6是在根据本发明的通道和在现有技术的通道中积聚的水量的对比曲线图；

图7是根据本发明第一实施方式的一种变型的通道的剖视图；

图8是根据本发明第一实施方式的另一种变型的通道的剖视图；

图9是根据本发明第二实施方式的通道的剖视图；

图10是根据本发明第三实施方式的通道的剖视图；和

图11是根据本发明第四实施方式的通道的剖视图。

具体实施方式

下面对优选实施方式的描述在本质上仅是示例性的，绝不是意味着要由此限制本发明以及本发明的应用或用途。

图1示出了两个电池单元的双极燃料电池堆2，所述燃料电池堆具有被导电流体分配元件8，在下文中称之为双极板8，彼此隔开的一对膜电极组件(MEA)4和6。膜电极组件4和6以及双极板8在夹板或端板10和12以及端部接触元件14和16之间堆叠在一起。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作表面上分别包含多条凹槽或通道18、20、22和24，用于向膜电极组件4和6分配燃料和氧化剂气体(即H₂和O₂)。

不导电垫圈26、28、30和32在燃料电池堆的多个部件之间提供密封和电绝缘。用于扩散介质34、36、38和40的气体可渗透的导电材料挤压到膜电极组件4和6的电极表面上。端部接触元件14和16分别挤压到扩散介质34和40上，而双极板8挤压在膜电极组件4阳极表面上的扩散介质36，并且挤压在膜电极组件6阴极表面上的扩散介质38。

氧气从贮罐46经由适当的供应管道42被供应至燃料电池堆的阴极侧，而氢气从贮罐48经由适当的供应管道44被供应至燃料电池堆的阳极侧。另一种可选方式是，环境空气可以作为氧源被供应至阴极侧，而氢由甲醇或汽油重整器等被供应至阳极。还要设置用于膜电极组件4和6的H₂侧和O₂侧的排气管道(未示出)。其它管道50、52和54被设置用于向双极板8以及端板14和16供应液体冷却剂。还要设置用于从双极板8以及端板14和16中排放冷却剂的适当管道，但图中未示出这些管道。

图2是根据本发明第一实施方式的燃料电池中的各部件的分解放大视图。如图2所示，该燃料电池包括具有夹在阳极60和阴极62之间的离子传导构件58的膜电极组件(MEA)56。膜电极组件56进一步被夹在双极板68的阳极表面和双极板70的阴极表面之间。请注意气体扩散介质优选被设置在双极板68和70以及膜电极组件56之间，但是对于本发明而言不是必需的，因此为了进行简化，在图中将其略去。

当纯H₂或氢的重整产物燃料流分散在阳极60上时，通过氢的氧化反应产生的电子传导一段较短的距离到达相邻设置的导电流体分配元件或双极板68。由于双极板68上的凸台72直接接触阳极60(或扩散介质，如果使用扩散介质的话)，由此导电性得到提高和增强。阳极反应产生的质子(H⁺)连同来自湿燃料流中的水流经阳极60到达并通过离子传导构件58，到达阴极62。在膜电极组件56的阴极侧，O₂流或含有氧的环境空气流被分散到阴极62上。氧发生还原反应，且产生的电子也传导一段较短距离到达另一相邻设置的双极板70。然后，被还原的氧与来自阳极60的质子发生反应，产生液体水。

根据本发明，为了进一步促进电化学反应并且改进从燃料电池中对流除水，双极板68和70上的通道74被构造用以提供局部的水积聚区。在这一方面，通道74(如图3A所示)的剖面与传统的矩形或正方形(如图3B所示)不同，其为三角形或V字形。更具体而言，通道74的侧壁78向上朝着扩散介质64和膜电极组件56呈楔形或倾斜，从而在扩散介质64与通道74的侧壁78之间形成锐角。

具有倾斜侧壁78的通道74的使用极大地改变了流经通道74的水的分配。也就是说，参照图3A可看到，例如当三角形剖面被用作通道74的几何结构时，水栓81倾向于积聚在位于扩散介质/气体通道界面处的通道74的拐角80处，由此形成局部水积聚区。这些区域分布在通道的剖面的周围，使得小的离散的水栓容纳在通道74内，同时又允许存在反应物气体流过的足够的面积。较小的被分布开的积聚水栓81的去除可通过与较大的积聚水栓相比较来说较低的速度和流量来实现。相反，参照图3B，较大的水栓81倾向于在矩形剖面中具有垂直侧壁的通道75中间积聚并阻塞通道75。

在确定倾斜侧壁的几何结构减小了积聚在双极板68和70的通道74中的水栓81的尺寸时，使用中子射线照相术。这种方法利用放射线(x-射线、γ射线或中子)通过物质的吸收或散射而被衰减的原理。由于不同的材料具有不同的衰减度，因此中子射线照相术可被用于给出非透明材料的图像或给出在一种结构内一种材料的厚度/浓度。基于以下关系式对中子射线照相术进行分析：

I＝I₀e^-Nσt

其中，I＝经过样品后的强度，I₀＝入射到样品的辐射强度，σ＝中子剖面面积(10^-24cm²)，N＝材料密度(原子数/cm³)，t＝样品剖面厚度(cm)。对于传输通过具有不同材料密度(N)的各种材料的“夹层结构”的中子束、中子剖面(σ)以及剖面厚度(t)，可使用下式：

$I=I_0{e}^{-\mathrm{\Σ}{N}_i{\mathrm{\σ}}_i{t}_i}$

其中i是“夹层结构”中各个层的标志。

为了得到在电池单元中液体水的分配数据，首先需要得到干燥的电池单元的“基准”图像。可以通过计算在中子射线照相装置的每个CCD像素处的至少100张图像的平均而得到，从而测得在电池单元每个点(像素)处的中子通量。

其中Al、C、Cu...代表铝、碳、铜和在燃料电池结构中使用的任何其它材料。

接下来，获取运行中的电池单元的图像。然后，计算运行中的电池单元的图像与干燥的电池单元的图像的比值。

基于它们的比值，接下来可以计算出在每个像素处的水的厚度或累积量。

这里，Nσ的乘积2.96这个数值是通过测量已知水厚度的中子束衰减度经过校准而得到的。

按照这种方式，积聚在传统电池中的具有垂直侧壁的通道中的水的量可与积聚在本发明的具有倾斜侧壁几何结构的通道74中的水的量进行比较。参照图6，图中示出了在传统的矩形通道中的水的积聚量与在具有改进几何结构的通道74中的水的积聚量的对比曲线图。在这个例子中，通道74包括三角形剖面。在不同的电流密度下测定水的积聚量。如图6所示，可以看到：具有垂直侧壁的矩形剖面积聚的水的量比具有倾斜侧壁的三角形剖面中积聚的水的量的多得多。

应注意的是：减少通道74中水的积聚量对于电池单元的整体性能是有利的。更具体而言，更低的水的积聚量会提高在低负载水平下的性能，这是因为更多的气态反应物可以与阳极和阴极60和62的电化学活性材料相接触。进一步，当过多的水存在于通道74中时，燃料电池会出现溢阻现象，溢阻现象降低了由燃料电池的电化学反应产生的电流密度。再进一步，更少的水的积聚量是有利的，原因在于其降低了在寒冷气候中水会在燃料电池中冻结的机会，水的冻结会损伤燃料电池中的敏感部件并且抑制启动。

还应理解的是，当通道74为倾斜侧壁的几何结构时，水会被吸到通道74的最小的拐角80内。例如，在图4所示的三角形通道74中，每个拐角的大小控制了水将积聚之处。同样，应进一步理解的是，水积聚部位可以通过任何预期的设计来控制。而且，在本发明这方面的利用上，液体水可以从扩散介质64中驱出，通过降低对反应物气体的流阻，进一步改进燃料电池的性能。也就是说，如上面所述，将会有更多量的气态反应物与阳极60和阴极62的电化学活性材料相接触，这将增大燃料电池的电化学活性。

依然结合图4，对本发明的第一种实施方式进行更详细地描述。在图4中，通道74的剖面为等边三角形。也就是说，位于扩散介质/气体通道界面处的每个界面角θ均为60°，且位于三角形剖面顶端84处的顶角也为60°。因此，水将倾向于通常同时地积聚在通道74的全部三个拐角80处。

此外，应理解的是，当使用等边三角形作为通道74的倾斜侧壁的样型时，形成了通道74的宽度和深度的几何关系。更具体而言，认识到tan(60°)＝2D/W，其中D和W分别表示通道74的深度和宽度，通道74的深度和宽度的深宽比可以由下式得到：

Tan(60°)＝2D/W

1.73＝2D/W

D/W＝0.87

基于这些深宽比，可以确定水将产生积聚的部位。同样，剖面几何结构可以根据设计的局部水积聚区来进行设计。例如，参照新的图7，图中所示为第一种实施方式的一种变型，其中D/W的比值小于0.866。为了将比值减小到低于0.866，通道74的宽度被增大以使得通道74的剖面变为图7中所示的等腰三角形，且界面角为45°，顶角为90°。由此，深宽比为0.5。通过增大通道74的宽度，与扩散介质64相邻的两个角θ均小于三角形剖面顶角84的角。由于这些角θ小于三角形剖面顶端84处的角，因此水将倾向于积聚在这些部位。这是因为，如上所述，水会倾向于积聚在具有剖面几何结构的最小的拐角80处。同样，可以控制水使其倾向于积聚在扩散介质64和通道74的界面82处。

下面参照图8，剖面几何形状的顶角的角度比与扩散介质64相邻的角θ的角度更小。这是通过增大通道74的深度和/或减小通道74的宽度以使深宽比大于0.866来实现的。对于图8所示的通道而言，界面角为约67°，顶角为约45°。因此，深宽比为1.2。这样的结构使得水积聚在三角形剖面的顶端部分84。这样将能够允许更多的气态反应物接触阳极60或阴极62，从而增强燃料电池的电化学反应。

下面参照图9，对双三角形通道74或“W”形通道74进行描述。在这种实施方式中，存在两个与扩散介质64相邻的具有界面角θ的拐角80，存在两个具有顶角的剖面的顶端84。通过使这四个角(θ和)中的每一个都等于60°，水将倾向于积聚在每个拐角80和剖面几何形状的顶端84中。另一种可选方式是，顶角可小于扩散介质/气体通道界面处的界面角θ。同样，这是通过减小通道74的宽度或者增大通道74的深度而实现的。同样，在水将倾向于积聚在通道74底部的“W”形剖面的顶端84中。如上面所述，这是有好处的，因为水会倾向于远离气体扩散介质64进行积聚，这允许更多的气体反应物靠近阳极60和阴极62的电极表面，由此增强燃料电池的电化学活性。

下面参照图10，对另一种剖面几何构造进行描述。在图10中，可以看到通道74的剖面形状为矩形，在矩形剖面的底部具有凹进部分88。在这种情况下，凹进部分88为三角形。由于该三角形部分的顶端84的角度小于剖面的矩形部分的直角，因此水将倾向于在这个三角形部分中积聚。同样，这种构造提供了局部的水积聚区，其允许水在通道74的底部积聚，远离电极60和62的活性区域。

下面参照图11，对另一种剖面几何构造进行描述。在图11中，通道74的剖面几何形状为梯形形状。该梯形形状包括在通道74底部的最小的拐角80或角度。由此，水的积聚部位将位于通道74的底部，即梯形剖面的最小角度所在之处。梯形剖面还可包括上述的在图10中所示的在通道74底部的凹进部分88。

在上述每种实施方式中，应理解的是水会被吸到剖面几何构造的最小的拐角80或角度处。在这一点上，用于积聚水的剖面几何构造的角度或拐角80优选为小于90°的锐角，更优选为10°-70°范围内的锐角，最优选的锐角范围是45°-60°。关于通过调节通道74的宽度和深度改变剖面的角度，优选的宽度范围是0.5-3mm，最优选的范围是0.5-2mm。深度优选的范围是0.3-2mm，最优选的范围是0.3-1mm。

另外，虽然特别优选带有阴极流场的双极板70包括具有倾斜的侧壁几何结构的通道74，当本发明用于阳极流场时也具有类似的优点。这是因为虽然水更多的是作为在膜电极组件58的阴极侧62上产生的燃料电池副产物，但是燃料电池的整体环境是湿的。同样的，水管理在膜电极组件58的阳极侧也是要关注的。

对于用于形成导电流体分配元件68和70，或双极板68和70的材料而言，可以尝试使用任何类型的材料。用于双极板68和70的优选的材料包括不锈钢、铝、钛、复合材料或聚合材料。复合材料可进一步包括碳纤维、石墨纤维、钢纤维或任何其它的能够促进导电性的导电材料。此外，用涂层例如贵金属、钛、铝、金属氧化物或其它已公知的提高导电性并进一步有助于耐蚀性的表面涂层涂覆双极板68和70并未超出本发明的范围。

当双极板68和70由金属例如钢、铝或钛制成时，优选使用冲压法来形成具有改进几何形状的通道74。在这一方面，当通道的几何形状相对简单时，冲压方法是最合适的优选方法。也就是说，当几何形状为三角形、“W”形或具有三角形顶端84的矩形时。当通道的几何形状相对复杂时，优选使用复合的或聚合的板。例如，如果所用的改进几何结构为图11所示的梯形几何构造，则优选使用通过压缩、注塑等方法形成的复合或聚合板。

关于包括具有倾斜侧壁几何形状的气体通道74的流场，应理解的是该流场可以任何所需的图案设置在元件上。例如，该流场可以呈蛇形图案设置在元件68和70上，通道74在元件68和70的表面上来回弯曲；在直线图案中，通道74则简单地穿过元件68和70的表面而不作任何弯转；或者以复杂的图案，通道74在各个方向上设置，以在距离提供气态反应物的入口距离更远/更近的区域增加/减小电极60和62的电化学活性。同样，从入口区域到排放区域，所述流场可为连续的或交叉指型的。

对本发明的描述在本质上仅是示例性的，因此，不偏离本发明要点的各种变型旨在落入本发明的范围。这些变型不被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1、一种用于燃料电池中的流体分配组件，包括：

具有主表面的隔板；

设置在所述主表面上的边界元件；以及

具有形成在所述隔板的所述主表面上的通道的流场，所述通道和所述边界元件限定出剖面结构，所述剖面结构提供沿着所述通道长度的水积聚区。

2、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述水积聚区被设置在所述剖面结构的锐角区域。

3、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述通道包括倾斜的侧壁，从而使得所述锐角形成在所述倾斜的侧壁与所述边界元件之间的界面角处。

4、根据权利要求3所述的流体分配组件，其中所述通道的所述剖面构造为v字形。

5、根据权利要求4所述的流体分配组件，其中所述剖面构造包括等边三角形剖面。

6、根据权利要求4所述的流体分配组件，其中所述三角形剖面构造包括等腰三角形剖面。

7、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述通道的所述剖面构造为w形。

8、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述通道的所述剖面构造为梯形。

9、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述通道的所述剖面构造包括凹进部分。

10、根据权利要求1所述的流体分配组件，其中所述剖面构造的所述凹进部分为v字形。

11、一种燃料电池，包括：

具有形成在其主表面上的流场的隔板，所述流场包括具有一对侧壁的通道；以及

设置在所述流场上的所述主表面上的膜电极组件；

其中所述对侧壁与所述膜电极组件相交从而形成具有水积聚区的剖面几何构造。

12、根据权利要求11所述的组件，其中所述对侧壁与所述膜电极组件相交呈锐角。

13、根据权利要求12所述的组件，其中所述锐角是通道宽度与通道深度的深宽比的函数。

14、根据权利要求13所述的组件，其中所述通道的所述深宽比的范围是大约0.25-10。

15、根据权利要求12所述的组件，其中所述水积聚区形成在所述剖面几何结构的至少一个拐角处，所述至少一个拐角具有不大于约75度的角度。

16、根据权利要求15所述的组件，其中所述至少一个拐角的角度的范围是10-60度。

17、根据权利要求11所述的组件，其中所述通道的所述剖面几何结构包括在通道底部的至少一个水积聚区。

18、根据权利要求16所述的组件，其中所述水积聚区包括形成在所述通道的所述底部的v字形凹进部。

19、一种燃料电池，包括：

膜电极组件，其包括离子传导构件和设置在所述离子传导构件上的至少一个电极；和

与所述电极相邻设置的导电流体分配元件，所述导电流体分配元件包括形成在其主表面上的多条通道；

其中所述多条通道中的每条通道包括形成在其底部的第一水积聚区和与所述膜电极组件相交以在它们之间的界面上形成第二和第三水积聚区的一对倾斜的侧壁。

20、根据权利要求19所述的燃料电池，其中所述第一、第二和第三水积聚区中的每一个均由在通道的所述底部和所述界面处的锐角限定出。

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