CN1998102A - 燃料电池气体分配 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，包括：具有阳极电极面的膜电极组件；与膜电极组件电极面相邻并通过密封垫圈与之连接的阳极板。密封垫圈、电极面和阳极板一起限定出将阳极流体传送到电极面的流体容纳体积。流体容纳体积中设有多孔扩散材料片，该扩散材料片具有限定于其的至少一个侧边缘和密封垫圈之间的至少一个压力空间。用于传送给膜电极组件的活性表面的流体可以通过压力空间和通过在扩散材料中扩散到阳极板中不需要流体流动通道的区域来传送。

Description

燃料电池气体分配
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于例如在固体聚合物电解质燃料电池中的阳极和/或阴极板的活性表面的流体传送方法和装置。
背景技术
传统的电化学燃料电池将燃料和氧化物转化为电能和反应产物。图1示出传统燃料电池10的典型结构，图中为清楚起见，以分解的形式示出了各层。固体聚合物离子交换膜11夹在阳极12和阴极13之间。通常，阳极12和阴极13都由结合有铂和/或其它贵金属催化剂的小颗粒、如多孔碳之类的导电、多孔材料构成。阳极12和阴极13通常直接结合到膜11的各相邻表面。这种组合部分通常称为膜电极组件或MEA。
夹于聚合物膜和多孔电极层中间的是阳极流体流场板(flow field plate)14和阴极流体流场板15。还可以在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间使用中间垫层(backing layer)12a和13a。这些垫层具有多孔性并被制成为可确保气体有效扩散到阳极和阴极表面及从阳极和阴极表面扩散，并有助于处理水蒸汽和液态水。
流体流场板14、15由可以和各阳极12或阴极13电接触的导电、非多孔材料构成。同时流体流场板有助于流体燃料、氧化剂和/或反应产物传送到多孔电极12、13和/或从所述多孔电极排出。这通常受到在流体流场板表面形成流体流动通路如存在于多孔电极12、13的表面中的凹槽或通道16的影响。
还参考图2(a)，流体流动通道的一种传统结构被设计成具有入口总管21和出口总管22的阳极14(或阴极15)的面中的蜿蜒结构20，如图2(a)所示。根据传统设计，可以理解的是，蜿蜒结构20包括在板14(或15)的表面中的通道16，同时总管21和22都包括穿过该板的孔，因而传送到通道20或者从通道20排出的流体可以沿垂直于板的方向在板的堆叠体(stack)的整个深度上连通，如图2(b)中沿A-A线剖切的横截面中的箭头所示。
可以设置与板中其它通道(未示出)连通的用于燃料、氧化剂、其它流体或排出物的总管孔23、25。
流体流场板14、15中的通道16的各种结构是已知的。一种结构为图2所示的端部开口的蜿蜒图形，其中在入口总管21和出口总管22之间延伸的通道可使流体连续流过，通常用于组合的氧化剂供应和反应物排出。在另一种结构中，通道16可以一端封闭，即每条通道只和入口总管21连通以供应流体，完全依赖于将气体物质100％的传送到MEA的多孔电极或从MEA的多孔电极流出。封闭的通道通常可以用于在梳状结构中将氢燃料传送给MEA11-13。
参考图3，在传统燃料电池组件30中构成板的堆叠体。在这种设置中，相邻的阳极和阴极流体流场板以传统的方式组合，以形成在一个面上具有阳极通道32在相对面上具有阴极通道33的单一双极板31，每一双极板相邻于各膜电极组件(MEA)34。入口总管孔21和出口总管孔全部重叠，从而为整个堆叠体提供入口和出口总管。为清楚起见，略微分开地示出堆叠体的各种元件，但是可以理解，如果需要可用密封垫圈将它们挤压在一起。
在流体流场板中形成流体流动通道或管道16对工序的要求很严格，通常用化学蚀刻工艺或其它高精确度的工艺来实现，以对通道16的深度、宽度和图形进行精确控制，同时形成尽可能薄的流体流场板。在化学蚀刻工艺中导致流体流动板的深度、宽度和图形变化的任何不一致都可能严重影响流入MEA和从MEA流出的流体。
例如，在板和板之间，入口21和出口22之间的压降可能明显不同，因而使燃料电池组件内的电池和电池之间也不同。性能不好的电池可能导致在电池工作期间更频繁的阳极清洁操作(purging operations)，或者可能需要耗时且昂贵的特殊电池校准技术。性能不好的电池限制了燃料电池堆的整体性能，通常燃料电池堆的整体性在很大程度上受最差电池的影响。
发明内容
本发明的目的是使与流体流场板中形成流体流动通道有关的问题和/或由于电池与电池之间这种流体流动通道的性能变化引起的问题最少。
本发明另一目的是在不严重危及功率输出的情况下通过减小阳极电场板(anode field plate)厚度来提高燃料电池堆的功率密度因数。
根据本发明的一方面，本发明提供一种燃料电池，包括：
具有阳极电极面的膜电极组件；
与所述膜电极组件电极面相邻并通过密封垫圈与之连接的阳极板；
密封垫圈、电极面和阳极板一起限定出将阳极流体传送到电极面的流体容纳体积；及
位于流体容纳体积中的多孔扩散材料片，该扩散材料片具有限定在该扩散材料片的至少一个侧边缘(lateral edge)和密封垫圈之间的至少一个压力空间。
根据另一方面，本发明提供一种燃料电池，包括：
具有阳极电极面的膜电极组件；
与所述膜电极组件电极面相邻并通过密封垫圈与之连接的阴极板；
密封垫圈、电极面和阴极板一起限定出将阴极流体传送到电极面和/或从电极面排出阴极流体的流体容纳体积；和
位于流体容纳体积中的多孔扩散材料片，该扩散材料片具有限定在该扩散材料片的至少一个侧边缘和密封垫圈之间的至少一个压力空间。
附图说明
现在将通过实例并参考附图来描述本发明的实施方式。附图中：
图1的横截面图示意地示出了传统燃料电池的一部分；
图2(a)和2(b)分别为图1所示的燃料电池的流体流场板的简化平面图和截面图；
图3为具有双极板的传统燃料电池堆的横截面图；
图4a为具有相对于密封垫圈以及流体进入口和排出口设置的扩散材料片的阳极结构的平面图，图4b为沿线A-A剖切的相应截面图；
图5为图4所示的阳极结构的平面图，它们分别示出了正常工作(图5a)和阳极清洁(图5b)期间的气流情况；
图6示出了限定于扩散材料片侧边缘和周边密封垫圈之间的压力空间的一些可供选择的图形；
图7示出了包括共享共用阳极板的多个共面半电池的阳极结构；
图8示出了限定于扩散材料片侧边缘和周边密封垫圈之间的压力空间的可供选择的图形。
具体实施方式
上面已经结合图1到3讨论了面中加入流体流动通道的阳极和阴极流体流动板(flow plate)的传统设计。这些流体流动通道通常延伸并被用于这些板表面的整个重要部分上，从而确保充分地向MEA的活性表面传送阳极和阴极流体。同样如图1所示，在传统燃料电池中加入多孔扩散材料12a、13a，以有助于从通道16传送到MEA11，使得基本上呈交叉平面(cross-plane)扩散(即垂直于或横穿扩散体的平面)和少量面内(in-plane)扩散(即平行于扩散体平面)，从而使得阳极流体可以从每一单独的通道16扩散出去。这样，可以顺畅地实现进出MEA的整个阳极活性表面的阳极流体的传送和进出MEA的整个阴极活性表面的阴极流体的传送。
本发明认为可以配合入口和出口之间的压力差来使用一定形式的多孔扩散材料以确保在扩散体内部的充分的面内流体传送，即在阳极板内不使用流体流动通道的情况下，流体可以传送到膜的整个表面。
参考图4，用密封垫圈41围绕膜电极组件40的阳极面的周边覆盖该膜电极组件的阳极面。密封垫圈41包括在MEA40的阳极面周边处围绕流体进入口44和流体排出口45的两个凹陷部分42、43。导电阳极板46覆盖密封垫圈(在图4b中用虚线示出，并为了清楚而略微分开，但在图4a中将其略去，以揭示下面的结构)。
MEA40的阳极面、密封垫圈41和阳极板46一起限定在流体进入口44和流体排出口45之间的流体容纳体积47。借助于阳极板46和密封垫圈41的非渗透性和MEA有限的渗透性(即基本上仅允许离子流动)一起可获得流体容纳体积。在流体容纳体积47中放置扩散材料片48。扩散材料片被切割为形成限定出片48的侧边缘51、52和密封垫圈41之间的一或多个压力空间49、50的形状。更明确地说，在图4所示的实施方式中，第一压力空间49构成入口压力空间，该入口压力空间围绕扩散材料片48的周边侧边缘51的大部分(即三侧的大部分)延伸。第二压力空间50构成出口压力空间，该出口压力空间围绕扩散材料片48的周边侧边缘52的少部分延伸。
阳极板46在其面对电极40和扩散片48的表面52中没有任何凹槽或通道16，因为完全可以通过压力空间49、50和扩散材料48本身来实现流体传送。图5更详细地对此作出了图示。
图5a示出了燃料电池正常工作期间流体的流动图形。在来自进入口44的压力下到达的入口流体沿入口压力空间49分配，并如箭头所示，进入多孔扩散片48的主体(和下面的MEA40)。在正常工作模式下，因为出口压力空间50的主要功能是将流体燃料传送到MEA40的阳极面的活性表面，其不需要获取一部分流体(尽管它可以获取一部分)。优选的是，使足够的燃料供到MEA40的阳极面的所有活性部分，致使在不引起局部热点(hotspots)的情况下维持从电池传送所需的电池能量。但是，这并不排除在燃料电池正常工作期间可能将比例相当小的燃料或某些副产物清除到出口压力空间50并因而清除到排出口45。
图5b示出在燃料电池清洁操作期间流体的流动图形。在来自进入口44的压力下到达的入口流体沿入口压力空间49分配，如箭头所示，经过多孔扩散片48的主体(和下面的电极40)到达出口压力空间50并因而到达排出口45。熟悉燃料电池工作的人员可以理解，作为系统处理方案的一部分，在燃料电池性能下降时(例如由于电极中水的积聚)，常常将燃料电池切换到清洁模式。
业已发现，在扩散片48的侧边缘和垫圈41的未形成压力空间的边缘之间形成的“局部密封”53足以防止流体直接围绕扩散材料从入口压力空间49大量泄漏到出口压力空间50。作为优选方案，可通过在扩散片48的边缘和垫圈41的相应边缘之间紧密配合(close fit)或静配合(interference fit)来实现“局部密封”。在堆叠体组装期间使扩散材料少许挤压有助于这种局部密封的形成。
但是，图4和5中所示出的扩散片48和密封垫圈41的结构只是一种选择方案。图6以透视“分解”图(左侧的那些图)和平面图(右侧的那些图)的方式示出了实现类似目的的其它一些可能的配置。
为了比较，图6a示出了图4的图形。图6b示出的是入口压力空间61和出口压力空间62的类似图形，但在此配置中，将密封垫圈41成形为产生压力空间61、62，而不是将扩散片48成形为产生这些压力空间。与其使用不规则形状的扩散材料片，不如使用这种更有利的矩形或方形扩散材料片。
图6c示出了入口压力空间63和出口压力空间64的对称配置，同样基于成形密封垫圈41而不成形扩散片48的考虑，可使用矩形或方形的扩散片。在这种结构中，使入口压力空间63和出口压力空间64平衡，具有基本上相同的长度，并且流过扩散体介质的面内流体通常从一端到另一端。
图6d示出类似于图6b的配置，但是入口(较大的)压力空间65仅仅沿扩散片48的两个侧边缘延伸，并且出口压力空间66略大于图6b所示的出口压力空间。在这种配置中，面内流体流动更斜一些也更均匀。
图6e示出的配置中不需要单独的出口压力空间。整个扩散片48周围仅设置单一的圆周或周边压力空间67。压力空间67的清洁仍然可以使用排出口45。通过向外扩散进入压力空间67而不是通过横过扩散体的大的压差的强制扩散，可能扩散体48和电极40达到清洁的范围较小。这种配置具体应用于阳极不需要经常清洁的情况。
于是，应理解的是，在一般情况下，多孔扩散材料片可以具有在其周边包括凹陷部分的不规则(非矩形)形状，借此形成至少一个压力空间。也可选择多孔扩散材料片具有矩形的周边，而密封垫圈具有在其内部周边包括凹陷部分的不规则(非矩形)形状，以形成至少一个压力空间。
在图7示出的配置中，利用单一的共用阳极板(未示出)和单一共用电极70形成共面燃料电池。在这种配置中，密封垫圈71被设置为形成三个单独的流体容纳体积72、73、74，每一流体容纳体积72、73、74具有它自己相应的扩散材料片75、76、77。如结合图6所讨论的那样，可以改变用于限定压力空间的扩散片和密封垫圈的结构。
这种配置将燃料电池堆中的每个阳极半电池划分为分开的流体供给和清洁区域，这可使流过大面积阳极的气体的均匀性程度更高。明确地说，通过以这种方式限制扩散片75、76、77的面积，使任何对入口和出口压力空间之间的电极面上的流体扩散速度限制的影响最小。
在图8所示的配置中，不仅可将压力空间80限定于扩散片48的侧边缘81之间、而且也可通过切割出穿过扩散片的主体并延伸到扩散片的中心区域的狭缝82的方式来限定。图8还示出了可以采用两个或多个进入口83、84和/或两个或多个排出口85、86的情况。
在一些优选实施方式中，将MEA40制成为夹在任何一侧、分别形成阳极面和阴极面的电极层之间的薄聚合物层。MEA的这些面优选包括被周边区域(或“框架”)围绕的中心“活性”区域，可加强这种周边区域以便在破坏MEA结构的完整性的风险减小的前提下形成进入口和排出口(例如图4所示的口44、45)和其它总管。在这种加强的周边区域中，MEA可以比电极的薄活性区域更有效地应对各种张力和力。
在使用加强的MEA之处，优选周边压力空间(例如图6a至6e所示的49、50和61至67)位于覆盖MEA的加强的周边区域，以有助于避免在组装燃料电池堆期间挤压燃料电池时由于MEA中心活性区域没有支撑而在MEA中发生结构破损的任何危险。MEA的加强的周边区域的结构不受与膜电极组件的活性区域相同范围的水含量的影响。否则，MEA的活性区域在湿润时可能胀大和部分阻塞压力空间，或者如果由于所供给的氢而变干则产生弱结构点(weak structural point)。
上面描述的所有配置都已经通过参考燃料电池的阳极侧(即阳极半电池)进行了图示说明。当然，可以理解的是，相应的阴极半电池可以利用结合图4到6描述的类似的半电池结构，或者可以使用其它传统类型的半电池结构，例如使用具有流体分配通道的流体流动板。
在一优选实施方式中，阴极半电池包括传统的“开顶阴极(opencathode)”结构，其中阴极通向大气，以用于氧供应及副产物排气和电池冷却两者。优选对阴极进行强制通风(例如通过风扇)，以便传送氧和冷却空气以及用于排出水蒸汽副产物。
与流体流动板14(图1)相比，省去阳极板40中的通道或凹槽16可大大减小阳极板的厚度。在一种设计中，每个阳极板的厚度从0.85mm减小到只有0.25mm，结果可大大提高燃料电池堆的能量密度。在堆叠体中每一阳极板的厚度的减小将导致燃料电池堆的重量和体积两者大大减小。
人们还发现，阳极板14中没有通道16可减小板14和电极12之间不直接电接触的板的面积。换句话说，在阳极板和扩散材料之间的接触区域几乎为100％。在现有的电极中，在阳极板和电极之间电接触的任何中断都将局部增加通道之间的电流密度。
本发明可以避免通道16的非接触区域，因此，由于通常在电极区域上的电流密度减小而减小欧姆损耗。
不需要在阳极板14中形成通道16还可简化制造过程。业已发现，切割成形密封垫圈41和/或扩散片48比在阳极板14中蚀刻或冲压通道16容易得多。
在优选的配置中，燃料电池是氢燃料电池，其中阳极流体燃料是气体氢，阴极流体是空气，副产物排出物是水蒸汽和贫化氧的空气。入口流体还可以包括其它气体{例如用于稳定(ballast)、清洁或膜的水合作用}。还发现使用没有通道并依赖于经由压力空间49、50的气体分配和扩散材料内部的面内扩散的阳极板40对于将氢气传送到电极的催化剂部位是最有效的。可利用氢的高扩散速度和在催化剂部位氢氧化反应的低过电位。
为了确保顺畅地向阳极电极的整个活性表面供应流体燃料，与阳极电极40内部(和其上的任何垫层12a)相对较低的扩散速度相比通过扩散片48的阳极气体具有较高的扩散率是有益的。
若在进入口44和排出口45之间维持大的压差从而获得强制扩散时，阳极结构工作最好。这也表明可减少清洁时间。
优选扩散材料具有轴向相依渗透性(axially-dependent permeability)。换句话说，在一个面内方向上的气体传送速度可能与另一面内方向的气体传送速度不同。在这种情况下，可有利地使扩散片取向为使得在压力空间之间或从入口压力空间到扩散片中心区域实现最有效和最均匀的气体传送。扩散材料可以具有提供这种轴向相依性的纤维制品(例如织物垫)的取向，并且可优选使纤维制品取向为“横过电池(across-the-cell)”的方向，以有助于将氢传送给半电池的中心。此外，在扩散材料的面内扩散速度大于交叉平面的扩散速度时，可以提高传送到电池的气体的均匀性。
为了确保最佳的横过扩散材料的扩散速度，在组装燃料电池期间，即将所有堆叠体板挤压在一起形成燃料电池组件时，不应出现严重压碎或挤压的现象。为此，优选将密封垫圈41的材料选择为比扩散体48的材料更硬(更不可挤压)。
用作扩散片48的合适的材料是由Toray制造的气体扩散介质TGP-H等级的碳纤维纸。
在一些优选实施方式中，密封垫圈41的厚度在100到400微米的范围内，扩散片48的厚度在150到500微米的范围内。在一优选实施方式中，密封垫圈的厚度为225微米，扩散片的厚度为300微米。
如上所述利用周边压力空间和扩散材料的阳极气体扩散还可以具有对电极上水进行处理的优点。水的积聚引起电极浸水(flooding)。在利用板中的通道的传统流体流动板的设计中，在浸水期间，水淤积于其冷却的电极活性区域的边缘。在该活性区域的边缘很少或者没有电流产生，因而不产生热量，且水保持静止直到进行清洁为止。
反之，在本发明中，水朝活性区域的中心区淤积。这可维持MEA的水合作用，但也有减少浸水区域中的电流的效果。在水没有淤积的邻近活性区域内，电流较高，更快地消耗氢，因而形成更低压力的区域。由于压力梯度，氢和水都倾向于移到这个更低压力的区域，借此可减少局部浸水。
其它实施方式亦落入所附权利要求的保护范围内。

Claims (20)

1.一种燃料电池，包括：
具有阳极电极面的膜电极组件；
与所述膜电极组件电极面相邻并通过密封垫圈与之连接的阳极板；
所述密封垫圈、电极面和阳极板一起限定出将阳极流体传送到电极面的流体容纳体积；及
位于所述流体容纳体积中的多孔扩散材料片，该多孔扩散材料片具有限定在该扩散材料片的至少一个侧边缘和所述密封垫圈之间的至少一个压力空间。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述压力空间被限定于所述扩散材料片整个一个侧边缘和密封垫圈之间。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其中，所述压力空间被限定于所述扩散材料片的多于一个的侧边缘和所述密封垫圈之间。
4.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述压力空间还包括延伸到所述扩散材料片的主体内的狭缝。
5.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述压力空间是围绕所述扩散材料片整个侧边缘延伸的周边压力空间。
6.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池，其中，所述压力空间是与所述燃料电池的周边边缘处的流体进入口连通的第一压力空间；
还包括限定于所述扩散材料片的至少一个侧边缘和所述密封垫圈之间的第二压力空间，该第二压力空间与所述燃料电池的周边边缘处的排出口连通，
其中，所述第二压力空间由所述扩散材料与所述第一压力空间隔开。
7.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述阳极板具有形成于所述电极面上的基本平滑的表面。
8.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述阳极板在其形成于所述电极面的表面中不形成流体分配通道。
9.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述扩散材料片包括碳纤维垫。
10.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述扩散材料片具有轴向相依渗透性。
11.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述扩散材料被取向为使最高渗透性的方向被设置为有助于从所述压力空间传送到所述片的中心的气体最多。
12.如从属于权利要求6时的权利要求10所述的燃料电池，其中，所述扩散材料被取向为使最高渗透性的方向被设置为有助于从所述第一压力空间传送到所述第二压力空间的气体最多。
13.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，形成为多个共面电池的整体组件，所述多个共面电池共享共用的阳极板，但限定出多个独立的共面流体容纳体积，每一流体容纳体积具有各自的扩散材料片。
14.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述多孔扩散材料片具有在所述周边包括凹陷部分的不规则形状，借此形成所述至少一个压力空间。
15.如权利要求1至13中任一项所述的燃料电池，其中，所述多孔扩散材料片具有矩形周边，所述密封垫圈具有其内部周边包括凹陷部分的不规则形状，借此形成所述至少一个压力空间。
16.如上面任一项权利要求所述的燃料电池，其中，包括与所述膜电极组件电极面的阴极电极面相邻的阴极板。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其中，所述阴极电极由开顶阴极结构构成。
18.结合如权利要求16或权利要求17所述的燃料电池的燃料电池堆。
19.一种燃料电池，包括：
具有阳极电极面的膜电极组件；
与所述膜电极组件电极面相邻并通过密封垫圈与之连接的阴极板；
所述密封垫圈、电极面和阴极板一起限定出将阴极流体传送到所述电极面和/或从所述电极面排出阴极流体的流体容纳体积；及
位于所述流体容纳体积中的多孔扩散材料片，该多孔扩散材料片具有限定于该扩散材料片的至少一个侧边缘和所述密封垫圈之间的至少一个压力空间。
20.基本上如这里参考附图所述的燃料电池。
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