CN1961444A - 超短高压力梯度流动路径流场 - Google Patents

超短高压力梯度流动路径流场 Download PDF

Info

Publication number
CN1961444A
CN1961444A CNA2004800404955A CN200480040495A CN1961444A CN 1961444 A CN1961444 A CN 1961444A CN A2004800404955 A CNA2004800404955 A CN A2004800404955A CN 200480040495 A CN200480040495 A CN 200480040495A CN 1961444 A CN1961444 A CN 1961444A
Authority
CN
China
Prior art keywords
manifold
fuel cell
sept
spacer
spacer array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2004800404955A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100446311C (zh
Inventor
M·W·默菲
顾文斌
L·J·迪皮特罗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motors Liquidation Co
Original Assignee
Motors Liquidation Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Motors Liquidation Co filed Critical Motors Liquidation Co
Publication of CN1961444A publication Critical patent/CN1961444A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100446311C publication Critical patent/CN100446311C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0256—Vias, i.e. connectors passing through the separator material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

本发明针对一种具有配置在两个偏离平面上的给进歧管和排出歧管的平面流场设计。相对较短的通路从给进歧管经排出歧管延伸并终止在膜电极组(MEA)的反应面，以便提供从给进歧管经通路并跨越MEA的反应面到达排出歧管的差异流动分布。

Description

超短高压力梯度流动路径流场
技术领域
本发明涉及PEM燃料电池，并且更具体地涉及一种其中需要相对较小的压降来实现必要流速的分离流场板。
背景技术
燃料电池已经在许多应用中用作能源。例如，已经提议将燃料电池用于电车的动力设备中来代替内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢作为燃料供应到燃料电池的阳极，而氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组(MEA)，包括薄的透质子的非导电性固态聚合物电解质膜，其在一面上具有阳极催化剂，而反面为阴极催化剂。MEA夹在一对无孔导电元件或板之间，该板(1)作为阳极和阴极的集电器，以及(2)包含形成于其内部用于分配各阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池气态反应物的适当通道和/或开口。
术语”燃料电池”根据情况通常用来指单个电池或多个电池(堆栈)。多个独立的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆栈并且一般配置成电串联。堆栈内的各电池包括上述的膜电极组(MEA)，并且每个这种MEA提供其电压增量。堆栈内相邻电池的群组称为簇。
在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即，燃料)而氧是阴极反应物(即，氧化剂)。氧可以是纯净形式(O2)或空气(O2和N2的混合物)。固态聚合物电解质通常由离子交换树脂制成，例如全氟(perfluoronated)磺酸。阳极/阴极通常包括极细的催化粒子，该催化粒子经常支撑在碳粒子上，并且与导质子树脂混合。催化粒子通常是昂贵的贵金属粒子。由于这种MEA的制造成本相对高并且需要特定的条件来进行有效操作，包括适当的水分管理和湿度以及催化剂污垢成分的控制，例如一氧化碳(CO)。
传统上，夹持MEA的导电板包含用于在各阳极和阴极表面(本申请中统称为有效区域)分配燃料电池气态反应物(即，气态形式的氢和氧)的反应物流场。这些反应物流场通常包括多个在其间限定多个流动通道的槽脊，气态反应物经该通道从位于流动通道一端的供应集管(header)流动到位于流动通道相对端的排气集管。
对于性能良好的流场的要求可以表现为局部要求和整体要求。局部要求一般用于有效区域上的每个点，而整体需求用于整个流场设计。为了满足性能良好的流场的局部要求，流场应该(1)输送气体和湿度，(2)去除废气并且(3)去除液态水。为了满足性能良好的流场的整体要求，流场应该(4)在有效区域上的所有点处满足局部要求，(5)以合理低的总压降满足局部要求，(6)随时间始终满足局部要求因而产生稳定的流动，并且(7)在所有所需的流动和负荷条件下满足局部要求。
对稳定流动的要求(6)是难以满足的要求。对于这种困难引用了两个原因。首先，很难精确确定何时已经实现了稳定流动，因为存在多个根据其能够成功完成稳定流动的条件。稳定流动需要恒定地去除液态水。然而，可以通过多种方式去除水。例如，在某些情况下，气体速度可能太高，以至于不可能收集液态水。在其它情况下，液态水可以收集并随后出现压力增大，使得液态水移出。在有些情况下，低气体速度以及无力构建压力产生不利的水去除条件以及不稳定的气体流动。
稳定流动难以实现的第二个原因是：为了满足它，必须平衡其它的流场要求。例如，满足要求(3)和(6)的流场设计方面直接与满足要求(4)和(5)的设计方面竞争。
后续三个实例示范了目前设计满足所有要求的流场的难度，包括建立恒定的水去除所需的两种可能稳定流动条件中的任意一种。在第一实例中，通过建立高气体速度条件可能实现稳定流动。通过设计具有高气压梯度的流动路径建立高气体速度条件。然而，对于均匀大小的有效区域，这种设计的后果是总流场压降高到无法接收的的流场。通过这种方式，实现了要求(3)、(4)和(6)，而(5)没有得到满足。
在第二实例中，为了减小总压降，可以修改实例1以便获得长度更短的更多平行流动路径。然而，在达到可接受的低压降时，气体速度降低到允许形成液态水的水平。因而，随着建立许多平行流动路径，不再可能通过压力增大来去除液态水，因为不能形成压力增大。因而，实现了要求(4)和(5)，而(3)和(6)仍无法满足。
在第三实例中，为了便于通过压力增大进行液体去除，可以通过取走某些平行流动路径来修改实例2。然而，如果要保持低的总压降要求，加到各流动路径以补偿去除的流动路径的长度是有限的。在这种情况下，可实现所有的要求，除了需要流场覆盖整个有效区域的要求。具体说来，可实现要求(3)、(5)和(6)，而(4)无法满足。
发明内容
本发明针对一种用于在存在液态水的情况下实现稳定气流以及用于提高催化剂层内的氧分压以便提升电池性能的流场设计。该流场设计包括配置在两个偏离平面内的给进歧管和排出歧管。相对较短的通路从给进歧管延伸到排出歧管并且终结在扩散介质处，以便提供从给进歧管经通路和扩散介质到达排出歧管的流体连通。因而，可以采用本发明还建立经扩散介质的对流的相互交叉流动，以便提高催化剂层的氧分压。
在一方面中，本发明针对一种具有限定在膜电极组(MEA)和第一不透气元件之间的第一歧管的燃料电池，第一歧管内设置一组间隔物。第二歧管限定在第一平面元件和第二不透气元件之间。第一不透气元件和间隔物具有经其形成的孔口，以便建立从第一歧管横越MEA的反应面到达第二歧管的流动路径。
在另一方面中，本发明针对一种燃料电池，具有MEA、与扩散介质片成间隔关系设置以便在其间限定第一歧管的第一隔离片以及设置在第一歧管内得第一组间隔物，第一组间隔物的每一个间隔物具有与形成于其中的第一歧管横向的孔口。第二隔离片与第一隔离片成间隔关系设置，以便在其间限定与该孔口横向的第二歧管，并且第二组间隔物设置在第二歧管内。在第一歧管和第二歧管之间限定经孔口跨越MEA反应面的流动路径。
在又一方面中，本发明针对一种用于制造燃料电池的隔离板的方法，其中第一导电片层压在第一膜片上，并且所述第一导电片的一部分从第一膜片上去除，以便第一导电片的剩余部分限定第一间隔物阵列。经第一间隔物阵列中的各间隔物和第一膜片形成通路，以建立一系列平行的流动路径。第二导电片层压到第二膜片上，并且第二导电片的一部分从第二膜片去除，以使第二导电片的剩余部分限定第二间隔物阵列。第二间隔物阵列在第一间隔物阵列的对面层压到第一膜片，以使第一歧管形成在第一膜片和第二膜片之间。
通过下文提供的详细描述，本发明实用性的更多领域显而易见。应该理解尽管显示了本发明的优选实施例，但详细描述和特定实例倾向于仅出于说明目的，并不倾向于限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和所附附图能够更全面的理解本发明，其中：
图1是PEM燃料电池堆栈中包括一对互补弹簧封口的燃料电池的等大分解示意图；
图2是图1所示的双极板的部分分解透视图；
图3A是根据本发明优选实施例的隔离板的排出侧的平面示意图；
图3B是图3A的隔离板入口侧的平面示意图；
图4A是沿线4-4的图3A的隔离板的部分截面示意图；
图4B是显示流动路径的各输送、活性区域以及排出段的图4A的隔离板的部分截面示意图
图4C是隔离板入口侧的细节；
图4D是隔离板排出侧的细节；
图5A是根据本发明备选实施例的隔离板入口侧的部分平面示意图；
图5B是根据本发明另一备选实施例的隔离板入口侧的部分平面示意图；
图6A是经入口集管的双极板的截面示意图；
图6B是经排气集管的双极板的截面示意图；以及
图7是显示用于根据本发明制造隔离板的步骤的流程图。
具体实施方式
后续的优选实施例描述实质上仅是示范性的，并且决不倾向于限制本发明及其应用或使用。
图1示意性描述具有由无孔导电双极板20彼此分离的膜电极组(MEA)14、16的部分PEM燃料电池堆栈10。MEA14和16以及双极板20在无孔导电双极板22和24之间堆叠到一起。作为多孔、透气并导电片的流动干扰介质26、28、30和32相对MEA14和16的电极面挤压并作为电极的主集电器。流动干扰介质26、28、30和32还为MEA14和16提供机械支撑，特别是在MEA在流场内未通过其它方式支撑的位置。流动干扰介质26、28、30和32进一步提供从入口歧管跨越MEA反应面到达排出歧管的流体传送机构。
双极板22和24将主集电器26挤压在MEA14的反应阴极面14c上并将主集电器32挤压在MEA16的反应阳极面16a上。双极板20将扩散介质28挤压在MEA14的反应阳极面14a上并将主集电器或扩散介质30挤压在MEA16的反应阴极面16c上。氧化剂气体(例如氧或空气)从氧或空气源38经适当的供应管件40供应到燃料电池堆栈10的阴极侧。类似的，燃料(例如氢)从氢源48通过适当的管件50供应到燃料电池堆栈10的阳极侧。
现参照图2、3A、3B和4A，更详细地描述根据本发明的隔离板60。隔离板60配置为将一种反应物气体携带到MEA16的各面。应该知道，各双极板20、22和24包括两个以背对背方位平放的隔离板60(图5A和5B)。隔离板60包括沿不透气片66配置的第一导电间隔物或盘64阵列。经间隔物64和片66形成孔口72。隔离板60还包括沿不透气片76配置的第二导电间隔物或柱阵列68，如图6A和6B最佳看到的，入口集管80A、80C将反应物气体从适当的供应管件40、50连通到隔离板60内。排气集管82A、82C以将要描述的方式从隔离板60去除废气。
作为目前优选的，第一阵列中的间隔物64是以嵌套阵列设置在第一片66上的直径为大约0.375”的圆盘，以使邻近行/列内的间隔物64的中心相对另一个偏离。经间隔物64形成的孔口72为大约0.050”(50密耳)。间隔物64以大约每平方英寸6.25个间隔物的密度分布在第一片66上。作为目前优选的，第二阵列内的柱68也是设置在第一片66上的直径为大约0.125”的圆盘，以使四个柱68的子组等角叠放在由下层间隔物64限定的区域的至少一部分上。柱68以每平方英寸大约25个柱的密度分布在第一片66上。
尽管上述的间隔物64和柱68的配置目前是优选的，但本领域技术人员应承认根据给定燃料电池应用的规格和操作参数可以选定燃料电池内的间隔物和柱的尺寸、形状、密度、分布以及位置。例如，如图5A中所示的，间隔物64’配置为具有经其形成的孔口72’的嵌套六边形。一组柱68’配置为三角形，并且六个三角形的子组叠放在由下层间隔物64’限定的区域的一部分上。在图5B所示的另一实例中，间隔物64”配置为具有经其形成的孔口72’的嵌套正方形。一组柱68”配置为正方形，其中四个正方形的子组叠放在由多个下层间隔物64”限定的区域上。术语“叠放”和“下层”在本申请中以相对条件使用，并且本领域技术人员应该承认燃料电池60内相邻部件的次序可以颠倒。
再次参照图2、图3A-图3B、图4A-图4D以及图6A-图6B，将更详细地描述隔离板60。第一片66的内侧主面84以及第二片76的内侧主面88在其间限定了入口歧管90。入口歧管90和入口集管80之间的流体连通由形成于框架122内的多个流道92建立。入口歧管90的高度由柱68的高度限定。排出歧管100限定在第一片66的外面104和扩散介质30的相邻面108之间。通过这种方式，入口歧管90和排出歧管100作为其全部范围内压力基本恒定的充压元件，即歧管区域内的压力差非常小。通过直接将该歧管连接到大气实现了从排出歧管100到堆栈外部的流体连通。换句话说，歧管100沿其周边完全开放到大气。排出歧管100的高度由盘64的高度限定。作为目前优选的，入口集管80沿隔离板60的一个边际形成。除了存在歧管100到大气的直接连接，不存在排气集管。然而，本领域技术人员应该承认可以以任何适当的方式配置入口集管和排气集管，以便提供反应物气体进入和排出流场的流体连通。
导电连接器110设置为通过经第一片66、柱68和第二片76形成的通道112。连接器110对准成将柱68与对应的盘64电连接。
连接器110提供从扩散介质30到第二片76的外侧面116的电连续性，由此允许携带电流跨越整个隔离板60的厚度并因而跨越整个燃料电池堆栈10。连接器110可以包括通道，这些通道具有例如完全设置于其中或者作为备选方案的设置在其内周壁上的导电材料。例如，这些导电材料可以包括石墨。
接着参考图4B-图4D以及6A-6B，将描述隔离板60的操作。反应物气体的流动路径的特征在于三个独特的流动部分，也就是输送段(D)、有效区域段(A)以及排出段(E)。在输送段(D)的过程中，反应物气体在入口集管80进入隔离板60并流经入口歧管90。反应物气体在各柱68周围相对自由的流动，(即，没有明显的压降并没有预定的路径)并且包含在由框架122的内部边缘120限定的入口歧管90内的横向边界内(图3)。从入口歧管90，反应物气体导引通过盘64和第一片66的各孔口72。
有效区域段(A)设计为具有可控压降。因为有效区域段(A)几乎占据流动路径的所有压降，它包括具有可极好控制的渗透性、长度和截面区域的流动干扰介质。流动干扰介质具有相对入口/出口歧管90、100内的空间更低的渗透性，以便保证有效区域段(A)的压降明显高于输送段(D)和排出段(E)。在有效区域段(A)过程中，反应物气体从通过MEA的面(未图示)孔口72流过流动干扰介质30并在间隔物64的外边界126流出流动干扰介质30。
如图2和图4D所示，有效区域段(A)从与间隔物64的表面相邻的孔口72成放射状。与槽形或一维流场相比，通过这种方式，提供了能够在MEA的反应面上形成差异流动分布的平面或二维流场。间隔物64的尺度确定流动路径(A)的长度。间隔物64的数量确定平行路径的数量。因而，平面流场类似于相互交叉的通道流场，但对更少影响到水流阻挡，因为并不限制反应物气体在通道的一维方向内流动。这种类相互交叉的流场是有利的，因为通过对流而不是扩散携带氧通过主集电器，允许明显更低的质量输运损失。
由扩散介质厚度增加的间隔物64的周边确定流动路径(A)的截面积。扩散介质的渗透性确定流动路径的渗透性。因而，这些参数确定有效区域段(A)的压力梯度和总压降，这取决于有效区域上平行路径的数量。各平行通道上所获得的平均流动分布的程度由这些参数所能保持的公差确定。因而，与扩散介质渗透性差异相比，尺寸偏差(半径和厚度)最有可能小，扩散介质的渗透性确定流动如何平均分布。本发明流场对于去除水非常有效，因而压降集中在相对短的有效区域段上。结果，这部分流动路径内的气体速度非常高，使得液态水在远离MEA的速度方向上强有力地移动并进入将其从燃料电池排出的排出歧管内。
现在回到图4B和图4D，从反应物流在间隔物64的边缘126离开流动干扰介质30的点到气流经排气集管82流出隔离板60的点限定排出路径(E)。排气流相对自由地(即，没有明显的压降或预定路径)通过间隔物64的外边界126周围，并包含在框架或封口130内(图2)。
现在转向图6A和图6B，两个如本申请所描述的隔离板60以背对背结构配置并形成双极板20。应该知道，如图4A中所表示的第二片76在配置在双极板20内时可以包括单个片。为了清楚其见，第二隔离板显示为具有类似元件并且由200递增的数字所表示。在所示的结构中，隔离板60配置为输送阴极反应物到流动干扰介质30。并且隔离板260配置为输送阳极反应物到流动干扰介质28。电连接器110与互补电连接器210对准，以便在相邻MEA14和16之间提供电连通。
现在参考图7，在一般为附图标记300的流程图中以图解方式展示了制造隔离板60的方法。使用柔性电路材料以及制造技术完成流场的结构。在步骤302中，第一片导电材料层压到不透气聚合物薄膜，例如聚酰亚胺薄膜上。例如，导电材料优选是厚度为0.010”(10密耳)的不锈钢。聚酰亚胺薄膜优选为0.002”(2密耳)厚的材料片。适当的聚酰亚胺薄膜包括由E.I.DuPont公司制造Kapton。在步骤304中，导电材料蚀刻成所需要的图案，例如盘阵列。蚀刻之后，盘阵列优选从聚酰亚胺延伸0.010”。
在步骤306中，在盘内形成通路。通路可通过任何适当的技术形成，例如蚀刻。在步骤308中，第二片导电材料层压到第二片不透气聚合物薄膜上。作为目前优选的，第二片导电材料0.010”(10密耳)的不锈钢并且第二片聚合物薄膜是0.002”(2密耳)的Kapton薄膜。在步骤312中，蚀刻导电层以便与相对盘所描述的类似方式形成柱。在步骤318中，第二片聚酰亚胺薄膜的柱侧层压到第一片聚酰亚胺薄膜与盘相反的表面上。在第一和第二聚酰亚胺片之间所产生的空间限定了输送路径或入口歧管。在步骤324中，通路合成到隔离板内并经第二片聚酰亚胺、经各柱并经第一片聚酰亚胺延伸。
在步骤330中，经过通路设置导电材料，以形成导电路径。导电路径可以通过用导电材料完全填充通路或通过用导电材料涂覆通路的周壁形成。导电路径允许在整个流场上以及在相邻隔离板和最终作为整体的燃料电池堆栈之间携带电流。
本领域技术人员现在能够从上面的描述中知道可以以各种形式时间本领域的广泛教导。例如，在隔离板60上所示的间隔物64的数量确定平行流动路径的数量并且可以配置有更少或更多的盘。作为备选方案，间隔物64的几何构型可以包括其它形状，例如矩形、三角形或梯形。此外，限定入口歧管90高度的柱68可以包括上述备选形状。另外，尽管显示了四个柱68配合单个间隔物64，但可以类似采用其它比例。因而，尽管结合其特定实例描述了本发明，但本发明的真实范围并不受此限制，因为对于本领域技术人员在学习附图、说明书以及后续权利要求后，其它的修改显而易见。

Claims (49)

1.一种燃料电池，包括：
限定在第一不透气元件和活性元件之间的第一歧管；
设置在所述第一歧管内的多个间隔物，各所述多个间隔物和所述第一不透气元件具有形成为通过其中的孔口；
限定在所述第一不透气元件和第二不透气元件之间的第二歧管；
其中：建立有从所述第一歧管经所述孔口越过所述活性元件到所述第二歧管的流动路径。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括经所述燃料电池延伸以提供从所述活性元件经所述多个间隔物和所述第一不透气元件到达所述第二不透气元件的连续性的导电路径。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物是导电的。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于：所述导电路径进一步包括设置在经所述第一不透气元件形成的通路内的导电填充物。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述第一不透气元件设置为与所述第二不透气元件成基本平行间隔关系，以使所述第一歧管与所述第二歧管基本平行。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括设置在所述第二歧管的多个第二间隔物。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物包括设置在所述第一不透气元件上的嵌套的间隔物阵列。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括插入在所述第一不透气元件和所述第二不透气元件之间的框架。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物在所述第一歧管内的所述第一不透气元件上等距间隔。
10.一种燃料电池，包括：
活性元件；
设置为与所述扩散介质片成间隔关系以便在其间限定第一歧管的第一隔离片；
设置在所述第一歧管内的第一组间隔物，各所述第一组间隔物具有与形成于其中的所述第一歧管横向的孔口；
设置为与所述第一隔离片成间隔关系以便在其间限定与所述孔口横向的第二歧管的第二隔离片；以及
设置在所述第二歧管内的第二组间隔物；
其中，在所述第一歧管和所述第二歧管之间限定有经所述孔口横越所述活性元件的流动路径。
11.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括经所述燃料电池延伸以提供从所述活性元件经所述第一组间隔物、所述第一间隔片、所述第二组间隔物和所述第二间隔片的连续性的导电路径。
12.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于：所述第一和第二组间隔物是导电的。
13.如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于：所述导电路径进一步包括设置在分别经所述第一和第二隔离片形成的通路内的导电填充物。
14.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一隔离片设置为与所述第二隔离片成基本平行间隔关系，以使所述第一歧管与所述第二歧管基本平行。
15.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物包括设置在所述第一间隔片上的嵌套的第一间隔物阵列。
16.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的一个子组至少部分叠放在由所述第一组间隔物的下层第一间隔物和插入其间的所述第一隔离片限定的区域上。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的子组完全叠放在由所述第一组间隔物的下层第一间隔物限定的区域上。
18.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的子组包括叠放在由所述第一组间隔物的一对下层第一间隔物限定的区域上的间隔物。
19.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括插入在所述第一隔离片和所述第二隔离片之间的框架，所述框架外接所述第二组间隔物。
20.如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括形成在所述框架内并与所述第一歧管和所述第二歧管中的一个处于流体连通的集管。
21.如权利要求20所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括在所述集管与所述第一歧管和所述第二歧管中的一个之间形成在所述框架内的一组流道。
22.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物中的各间隔物包括具有形成在其中心的所述孔口的盘。
23.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物在所述第一歧管内的所述第一隔离片上等距间隔。
24.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：各所述第一和第二隔离片包括聚酰亚胺薄膜。
25.如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于：所述第一和第二组间隔物中的各所述间隔物包含不锈钢成分。
26.一种燃料电池包括：
具有反应面的膜电极组；
与所述反应面相邻的平面歧管；
插入所述平面歧管和所述膜电极组之间以便在所述反应面上提供差异流动分布的平面流场。
27.如权利要求26所述的燃料电池，其特征在于：所述平面流场包括流动干扰介质。
28.如权利要求26所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括定位成处于间隔关系以便在其间限定所述平面歧管的一对不透气片。
29.如权利要求28所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括在所述不透气片对之间设置在所述平面歧管内的多个间隔物。
30.如权利要求29所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物包括嵌套的间隔物阵列。
31.如权利要求28所述的燃料电池，其特征在于：所述平面歧管包括与所述膜电极组相邻设置的排出歧管部分和与所述排出歧管部分相邻的入口歧管部分。
32.如权利要求28所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括定位成间隔关系以便在其间限定所述入口歧管部分的第一不透气片和第二不透气片，所述膜电极组和所述第二不透气片定位成间隔关系以限定所述排出歧管部分。
33.如权利要求32所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括设置在所述排出歧管部分内的多个间隔物。
34.如权利要求33所述的燃料电池，其特征在于：各所述多个间隔物和所述第二不透气片具有经其形成的在所述入口歧管部分和所述平面流场之间提供流体连通的通路。
35.如权利要求34所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物包括嵌套的间隔物阵列。
36.如权利要求33所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括在所述平面入口歧管内设置在所述第一不透气片和所述第二不透气片之间的多个第二间隔物。
37.一种制造用于燃料电池的隔离板的方法，包括：
将第一导电片层压到第一膜片上；
从所述第一膜片去除所述第一导电片的一部分，以使所述第一导电片的剩余部分限定第一间隔物阵列；
形成经所述第一间隔物阵列内的各所述间隔物和所述第一膜片的通路以便建立多个流动路径；
将第二导电片层压到第二膜片上；
从所述第二膜片去除所述第二导电片的一部分以使所述第二导电片的剩余部分限定第二间隔物阵列；并且
将所述第二间隔物阵列层压到所述第一膜片与所述第一间隔物阵列相对的一面上，以便在所述第一膜片和所述第二膜片之间形成第一歧管。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：进一步包括将扩散介质片叠放在所述第一间隔物阵列上，以便在所述第一膜片和所述扩散介质片之间限定第二歧管。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于：进一步包括在所述第一间隔物阵列和所述第二间隔物阵列之间形成经所述第一膜片的电连接。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于：进一步包括：
在所述第一间隔物阵列的各间隔物处形成经所述第一膜片的通路；并且
将导电材料设置在所述通路内，以便提供经所述第一膜片的电连续性。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于：进一步包括：
在所述第二间隔物阵列的各间隔物处形成经所述第二膜片的通路；并且
将导电材料设置在所述通路内以提供经所述第二膜片的电连续性。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于：进一步包括：
为所述第一膜片提供聚酰亚胺膜片；并
为所述第二膜片提供聚酰亚胺膜片。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于：从所述第一膜片去除所述第一导电片的一部分包括以预定的图案从所述第一膜片蚀刻所述第一导电片的所述部分，以形成所述第一间隔物阵列。
44.如权利要求37所述的方法，其特征在于：从所述第二膜片去除所述第二导电片的一部分包括以预定图案从所述第二膜片蚀刻所述第二导电片的所述部分，以形成所述第二间隔物阵列。
45.如权利要求37所述的方法，其特征在于：进一步包括对准所述第二间隔物阵列，以便由所述第一间隔物阵列至少部分支撑。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于：对准所述第二间隔物阵列包括将所述第二间隔物阵列的子组至少部分对准在由所述第一间隔物阵列的下层间隔物限定的区域上。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于：对准所述第二间隔物阵列进一步包括将所述第二间隔物阵列的所述子组完全对准在由所述下层间隔物限定的所述区域上。
48.如权利要求45所述的方法，其特征在于：对准所述第二间隔物阵列包括将所述第二间隔物对准在由所述第一间隔物阵列的一对下层第一间隔物部分限定的区域上。
49.如权利要求37所述的方法，其特征在于：进一步包括在所述第一膜片和所述第二膜片之间将框架层压，所述框架外接所述第二间隔物阵列。
CNB2004800404955A 2004-01-16 2004-12-03 超短高压力梯度流动路径流场 Expired - Fee Related CN100446311C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/758,816 2004-01-16
US10/758,816 US7655340B2 (en) 2004-01-16 2004-01-16 Ultra short high pressure gradient flow path flow field

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200810127207XA Division CN101335361B (zh) 2004-01-16 2004-12-03 燃料电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1961444A true CN1961444A (zh) 2007-05-09
CN100446311C CN100446311C (zh) 2008-12-24

Family

ID=34749579

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200810127207XA Expired - Fee Related CN101335361B (zh) 2004-01-16 2004-12-03 燃料电池
CNB2004800404955A Expired - Fee Related CN100446311C (zh) 2004-01-16 2004-12-03 超短高压力梯度流动路径流场

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200810127207XA Expired - Fee Related CN101335361B (zh) 2004-01-16 2004-12-03 燃料电池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7655340B2 (zh)
JP (1) JP4740880B2 (zh)
CN (2) CN101335361B (zh)
DE (1) DE112004002652B8 (zh)
WO (1) WO2005069772A2 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5076359B2 (ja) * 2006-05-16 2012-11-21 日産自動車株式会社 燃料電池スタックおよび燃料電池セパレータ並びにその製造方法
JP5076360B2 (ja) * 2006-05-16 2012-11-21 日産自動車株式会社 燃料電池スタック並びにその製造方法
CN102047431A (zh) * 2008-06-04 2011-05-04 索莱克山特公司 具有单片集成和背面接触器的薄膜太阳能电池

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0992307A (ja) * 1994-11-11 1997-04-04 Toshiba Corp 溶融炭酸塩型燃料電池
RU2182737C2 (ru) * 1995-10-06 2002-05-20 Дзе Дау Кемикал Компани Электрохимический топливный элемент (варианты), узел мембрана - электрод (варианты), композиция (варианты), способ получения электрохимического топливного элемента и способ получения узла мембрана - электрод (варианты)
US5776624A (en) * 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
EP1100140B1 (en) * 1997-12-18 2005-09-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell and separator for the same
GB9814123D0 (en) * 1998-07-01 1998-08-26 British Gas Plc Electrochemical fuel cell
FR2781606B1 (fr) * 1998-07-21 2000-10-13 Sorapec Nouveau collecteur bipolaire pour pile a combustible
JP2002008682A (ja) * 2000-06-27 2002-01-11 Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2002063915A (ja) * 2000-08-22 2002-02-28 Sony Corp 固体高分子型燃料電池
US7592089B2 (en) * 2000-08-31 2009-09-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
FR2818791A1 (fr) * 2000-12-08 2002-06-28 Commissariat Energie Atomique Membrane conductrice ionique organique pour pile a combustible et son procede de fabrication
JP4453201B2 (ja) * 2000-12-28 2010-04-21 三菱マテリアル株式会社 燃料電池
AU2002254223A1 (en) * 2001-02-27 2002-09-12 E.I. Dupont De Nemours And Company Fluid flow field plates for electrochemical devices
JP3559246B2 (ja) * 2001-03-09 2004-08-25 大同メタル工業株式会社 携帯型燃料電池
CA2445747A1 (en) * 2001-05-03 2002-11-14 The Morgan Crucible Company Plc Fuel cell or electrolyser construction
CA2401915C (en) * 2001-09-11 2007-01-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer elecrolyte fuel cell
EP1482585B1 (en) * 2002-03-04 2012-06-20 Mitsubishi Materials Corporation Solid oxide type fuel cell and separator
US6924052B2 (en) * 2002-04-24 2005-08-02 General Motors Corporation Coolant flow field design for fuel cell stacks
US6695881B2 (en) * 2002-04-29 2004-02-24 Alcon, Inc. Accommodative intraocular lens
JP4324348B2 (ja) * 2002-06-28 2009-09-02 本田技研工業株式会社 燃料電池
DE10233982B4 (de) * 2002-07-25 2007-08-16 Forschungszentrum Jülich GmbH Bipolare Platte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
US6960403B2 (en) * 2002-09-30 2005-11-01 The Regents Of The University Of California Bonded polyimide fuel cell package and method thereof
US20040151971A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Rock Jeffrey Allan PEM fuel cell with flow-field having a branched midsection
EP1896053B1 (en) * 2004-07-06 2018-10-31 ZymoGenetics, Inc. Pharmaceutical composition comprising fgf18 and il-1 antagonist and method of use

Also Published As

Publication number Publication date
DE112004002652T5 (de) 2006-11-30
WO2005069772A3 (en) 2006-08-24
CN101335361B (zh) 2011-05-04
JP4740880B2 (ja) 2011-08-03
US20050158603A1 (en) 2005-07-21
CN101335361A (zh) 2008-12-31
JP2007519187A (ja) 2007-07-12
DE112004002652B8 (de) 2017-04-20
US7655340B2 (en) 2010-02-02
CN100446311C (zh) 2008-12-24
DE112004002652B4 (de) 2017-03-02
WO2005069772A2 (en) 2005-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109904484B (zh) 一种燃料电池双极板结构及燃料电池
US7566511B2 (en) Solid polymer cell assembly
CN101420043B (zh) 具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆
US9472824B2 (en) Fuel cell stack
CN107251300B (zh) 平板型燃料电池
US7695845B2 (en) Fuel cell
US6495279B1 (en) Ultrahigh power density miniaturized solid-oxide fuel cell
US20050186459A1 (en) Fuel cell
US20110300465A1 (en) Fuel cell stack
US9373853B2 (en) Fuel cell employing multiple reactant supply passages
US20040081873A1 (en) Fuel cell
CN101036249A (zh) 用于燃料电池的反应物输送的模压桥接件以及板
CN103534855A (zh) 固体氧化物型燃料电池
EP0436127B1 (en) Fuel cell
US9680164B2 (en) Current collector for fuel cell and stack structure including the same
US8409767B2 (en) Fuel cell
US20150180075A1 (en) Stacked structure fur fuel cell
US20100209820A1 (en) Fuel cell
CN100446311C (zh) 超短高压力梯度流动路径流场
US8409763B2 (en) Modified planar cell (MPC) and stack based on MPC
US20090042081A1 (en) Solid Oxide Fuel Cell
CN1674337A (zh) 燃料电池系统及其中使用的叠层
CN1186843C (zh) 用于固体氧化物燃料电池叠堆的改进设计
US8268506B2 (en) Fuel cell structure and separator plate for use therein
KR20110059029A (ko) 연료전지 스택용 분리판

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20081224

Termination date: 20201203

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee