CN1643711A - 燃料电池的收敛/发散流道 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池包括蛇形的流场流道(66)，每个流道有一个入口引线(76)，一个出口引线(78)，至少一根连接出口引线和入口引线的中间引线(80)，以及将中间引线(80)与单元(A－H)的其它引线相连的U形弯头。每个引线被下一个锥形的槽脊(64)分开，以至于流道中气体收敛/发散进入或流出下一个邻近的引线(即，上述流道的纵向中心线与邻近引线的纵向中心线相互交叉)。

Description

燃料电池的收敛/发散流道
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，特别是其中的反应物流场。
背景技术
燃料电池已经用作各种应用的能源。其中一种就是众所周知的PEM(即，质子交换膜)燃料电池。质子交换膜燃料电池包括一个所谓的“膜电极组件”(以后简称MEA)，而这个“膜电极组件”包括一个极薄的(约0.0015-0.007英寸)、可进行质子传导的聚合物电解质膜，在电解质的一表面形成一个阳极膜(约0.002英寸)，相对的另一面形成一个阴极膜(约0.002英寸)。这种电解质膜在本领域是众所周知的，其在美国专利5,272,017和3,134,697中公开过，也曾被《能源》杂志收录，刊登在第二十九卷(1990)367-387页，等等。总的来讲，这种电解质膜由离子交换树脂制成，其主要包括一种全氟磺酸聚合物(比如，杜邦公司的NAFIONTM)。另一方面，阳极膜和阴极膜主要包括(1)细分碳微粒、碳微粒上支承的非常细分的催化剂微粒以及和碳微粒、催化剂微粒混合在一起的质子传导物质(比如，NAFIONTM)，(2)或者是散布到聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂中的不含碳的催化剂粒子。US5,272,017已经在1993年12月21日公布了这种“膜电极组件”及燃料电池，并已将这项专利转让给本发明的受让人。
这种膜电极组件被夹在一种所谓的“扩散层”的薄片之间，这种扩散层是由一种多孔的透气的传导材料组成，上述扩散层压靠在膜电极组件的阳极膜和阴极膜之间，主要充当(1)阳极和阴极的主要集流器和(2)“膜电极组件”的机械支撑。适当的主要集流器薄片是由碳或石墨纸，或者布或者细网眼的贵重金属筛，以及类似的东西组成，气体可以在其中流动并与膜电极组件相接触，这是本领域都知道的。
这个夹层结构被挤压在一对导电极板之间，主要是作为一个次集电器收集来自主集电器的电流，它们一起组成一个独立的电池。多个电池连接组成一个电池组。极板在电池组的两个相邻电池(就双极板而言)之间内部传导电流，并且也在电池组的两端之间外部传导电流(就双极板而言)。每块次集电板都至少有一个所谓的“流场”，这个流场给阳极面和阴极面分配气体反应物(如氢气和氧气/空气)。这个流场包括许多接合主集电器和其中限定许多流道的槽脊组成，气体反应物通过流道，在流道一端的供气集管与流道另一端的排气集管之间流动。我们知道蛇形的流道是仅在制出许多的“U”形弯头和之字形回转之后连接供气集管和排气集管的，以使每个蛇形流道的引线分别与相同蛇形流道的至少另一个引线相连(比如，见专利US6,099,984)。
供气集管和排气集管之间的压力降在设计燃料电池时是一个相当重要的问题。一种得到理想压力降的方法是改变在供气集管和排气集管之间延伸的流道长度。在此以前使用蛇形的流道来改变流道的长度。蛇形的流道是根据限定的几种跨越槽脊的气体在同一流道的相邻引线之间的流动设计的，这些气体流经扩散层，可使面临分开各引线的槽脊的MEA暴露在反应物中。在这点上，气体能够经过槽脊上/下的扩散层从流道的上流引线(该处压力大)流回同一流道的下流引线(该处压力较小)，该槽脊将流道的上流引线和下流引线分开。然而，在流道的引线很长的时候，在同一流道的相邻引线之间会产生一个过压力降。反过来，这个过压力降又将导致气体反应物在相邻引线之间的过短路，而不是在整个流道长度之间流动。如果气体超过了可以在与引线之间的槽脊相对的膜电极组件上反应的反应物的量，气体在相邻引线之间的这种跨越槽脊的流动是多余的。
发明内容
本发明提出了一种流道结构，这种结构可以减少同一流道中相邻引线之间反应物气体的短路现象。本发明通过提供一个流场克服了前述的跨越槽脊的短路问题，这个流场具有带有不平行的引线的流道，引线的纵向中心线相互收敛或者发散，从而相邻引线的中心线在流道外侧相交。更具体而言，这项发明是对基本类型的PEM燃料电池的一种改进，燃料电池一般包括：(1)在其相对侧具有相对的阴极面和阳极面的质子交换膜，(2)接合阴极面的可透气的导电的阴极集电器，(3)接合阳极面的可透气的导电的阳极集电器，和(4)接合至少一个透气集电器并形成与可透气的集电器相对的气体流场的集电板。这些改进适合于那些包括多个槽脊的流场，这些槽脊与集电器接合并形成了许多气体流道，每个气体流道至少包括一个与供气集管和排气集管流体流通的弯曲单元。每个单元有：在第一压力下接受气体进入单元的入口引线；在比第一压力小的第二压力下从上述单元排气的出口引线；至少一个在入口引线和出口引线之间的中间引线。经常使用几根中间引线来增加流道一端与另一端的压力降。每个流道的入口引线、出口引线和中间引线被一个锥形槽脊分开，所以每一个引线的纵向中心线和同一流道的下一个相邻引线的纵向中心线相交。流道的中间引线每一端的回转弯头(比如，U形弯曲)将中间引线与同一流道的相邻引线相连。本发明的流场可包括一个这样的单元，或者，包括许多以在供气集管和排气集管之间延伸的总体方向串联安装的单元。
附图说明
根据如下特定具体方案中的详细说明可更好地理解本发明，这些具体方案在下文中结合几个附图进行描述，这些附图中：
图1是一幅PEM燃料电池的分解的立体示意图；
图2是一幅MEA和具有本发明的流场的双极板的分解立体图；
图3是一幅图2中3-3方向的放大剖面图；
图4是一幅图2中双极板平面图；
图5是一幅图4中环形部分的放大图；
图6是一幅本发明的类似图4的另一种实施例的视图；
图7是一幅本发明的类似图4的又一种实施例的视图。
具体实施方式
图1是一个双电池双电极的PEM燃料电池组，有一对膜电极组件(MEA)4和6，彼此由一用液体冷却的导电双极板8分开。膜电极组件4和6以及双电极8堆放在不锈钢夹板10和12与单电极终端接触板14和16之间，单电极终端接触板14、16和双极板8分别都含有流场18、20、22和24，这些流场包括在该极板的面上形成的许多流道，而该极板将燃料和氧化性气体(如氧气和氢气)分配到膜电极组件4和6的阳极面和阴极面上。绝缘体垫圈26、28、30和32在燃料电池组的几个极板之间提供密封和电流绝缘。透气的多孔导电薄层34、36、38和40，就是所谓的扩散层，紧压在膜电极组件4和6的电极表面，并充当电极的主集电器和膜电极组件的机械支持，特别是在膜4和6横跨流场中的流道，并且另外没有支撑的地方。适当的主集电器包括碳/石墨纸/布、细网眼的贵重金属筛网、开孔贵重金属泡沫和类似的东西，它传导电极之间的电流并允许气体在电极上发生反应。终端接触板14和16分别紧紧挤压主集电器34和40，而双极板8被膜电极组件4的阳极面上的主集电器36紧紧挤压，也被膜电极组件6上的阴极面上的主集电器38紧紧挤压。氧气从储罐46经适当的输送泵42被输送到燃料电池组的阴极侧，而氢气从储罐48经适当的输送泵44被输送到燃料电池组的阳极侧。优选是，清空储氧罐46，将空气从周围输送到阴极侧。类似地，清空储氢罐48，从一个重整装置或一个由甲醇、甲烷以及液态烃(如汽油)催化制取氢气的装置将氢气输送到阳极。设备用于膜电极组件的氢气和氧气/空气侧的抽气泵(未示出)将耗尽氢气的阳极气体和耗尽氧气的阴极气体分别从阳极和阴极流场抽走。附加泵50、52和54在需要的时候向双极板8和端板14和16供给液体冷却剂。还应该有适当的泵用来从双极板8和端板14和16抽出冷却剂，但没有示出。
图2是双极板56的等体积分解图。第一个多孔主集电器57，MEA59和第二个多孔主集电器61都被堆积在一个燃料电池里。第二个双极板(未示出)应该位于第二个多孔主集电器61的下面，从而组成一个完整的电池。同样地，另一组主集电器和MEA(未示出)位于上面的薄层58之上。双极板56包括第一个外部金属薄层58，第二个外部金属薄层60和一个在第一个外部金属薄层58和第二个外部金属薄层60之间的可选择的内部隔板金属薄层62。金属薄层58、60和62做得尽可能薄(约0.002-0.02英寸厚)，它或许是通过锻压、光刻(比如，通过照相平版印刷术)或其他常规的制成成形金属薄片的技术。外部金属薄层58的形成是为了提供一个反应气体流场，这个流场的特征是许多锥形的槽脊(land)64，这些槽脊之间形成多个蛇形的气体流道66，燃料电池的反应气体(比如，氢气或氧气)通过这些流道流入曲折的通道，这个通道从双极板边缘68附近延伸到另一端70附近。当一个燃料电池完全安装好的时候，槽脊紧压主集电器61，主集电器61又紧压着MEA 59。当电池工作的时候，电流经槽脊64从主集电器流出，然后从那里起经过电池组。反应气体从一集管或位于在流场一端的极板56的边缘68附近的供气集管凹槽72进入气体流道66，经过位于在流场另一端的燃料电池的相对边缘70附近的排气集管凹槽74流出气体流道66。二者择一地，供气集管和排气集管与极板56的同一边缘(即68或70)相邻。金属薄层58(未示出)的底侧构造成使冷却剂能够在电池工作时流过。
金属薄层60与金属薄层58相似。金属薄层60的内侧(冷却剂一侧)在图2中标出，但不很详细。金属薄层58和60的冷却剂侧构成一个薄薄的小腔，冷却剂通过小腔从双极板的边缘69流道的相对边缘71。和金属薄层58一样，金属薄层60的外侧(反应物一侧，未示出)上有许多锥形的槽脊，这些槽脊构成反应气体经过的多个流道。一个穿孔的内部隔板金属薄层62应该位于外部薄层58和60中间，用于减少薄层58和60的冷却剂侧之间的冷却剂湍流，以相应地增强外部薄层58和60内表面的热交换效果。几个薄层58、60以及62优选被焊接在一起。
图3是图2中极板58的3-3方向的剖面图，而图2示出了限定反应物流道66的槽脊64。
图4清楚地表示了本发明的流场结构，结合已被转让给本发明受让人的专利号为USPN ROCK 6,309,773的主题。图4是图2中极板58的二维平面图(从图5中可以看到图4的弧形部分的放大)。流场包括许多锥形的槽脊64，这些槽脊构成流道66a-66L，一端与分配气体反应物(如空气)给流道66a-66L的供气集管凹槽72相连，另一端与收集气体反应物流出流道66a-66L的排气集管74相连。每个流道66a-66L包含许多相互串连的单元A-E，这些单元在供气集管凹槽与排气集管凹槽之间的总体方向延伸，于是，从供气集管凹槽72进入一个给定的流道66a-66L的气体，依次流经全部的串联的单元A-E，直到流出流道66a-66L，抵达排气集管74。每个单元A-E自身就是一个蛇形的结构，还包括一个气体流入单元A-E所经的进口引线76，一个气体流出单元A-E所经的出口引线78和至少一根位于进口引线和出口引线之间的中间引线。一个给定流道的每根引线(进口引线、出口引线或中间引线)至少和同一流道的另一根引线(leg)相连。中间引线和同一流道上的两根引线相连。中间引线80每端的回转弯头82、86、88和90将中间引线80和同一流道的下一个相邻的引线相连，无论是和进口引线76、出口引线78还是和另外一根中间引线80相连。每个单元的几根引线(进口引线、出口引线和中间引线)被一个锥形的槽脊64相互分开，便于相邻引线的相互收敛和发散，于是它们的纵向中心线65、67、71、73、75、77、79、81和83在适当的时候在流道的外侧彼此相交。当相邻引线之间的压力降最大时，锥形的槽脊64最宽，反之，压力降最小时，最窄，从而，当压力降最大的时候，阻碍在跨越槽脊的引线之间的不利的气体短路现象。
如图4所示，蛇形单元A-E通过一个桥接组件92被连接到同一串联组的下一个单元，这个桥接组件将下流单元的出口引线和上流单元的入口引线连接起来。如图所示，桥接组件92延伸的方向与流道(从供气集管凹槽到排气集管凹槽)延伸的总体方向相互垂直。中间引线的每个反向回转弯头82，86，88和90与桥接组件92都有不同的间隔，以便减少短路现象。这种短路现象在前面的USPN ROCK 6,309,773B1已做详细描述。
图6表示了发明的另一个实施例，每个流道只有两个串联排列的单元F和G，而不是图4中所示的(A-E)五个单元。同样，图7表示了发明的又一个实施例，每个流道只有一个单元H，而不是图4和图6中所示的(A-E)多个单元。单元A-E，F和G，以及H都具有本发明的收敛/发散流道的特征。
尽管，本发明在以上叙述中仅提及其中一种特殊设备，但本发明并不受其限制，而是受限于所附的权利要求书的范围。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池，包括(1)质子交换膜，并且所述膜的相对两侧有相对的阴极面、阳极面，(2)接合所述阴极面的透气的导电的阴极集电器，(3)接合所述阳极面的透气的导电的阳极集电器，和(4)集流板，它至少接合所述透气的阴极集电器和阳极集电器中的一个，构成一个面对所述透气的集电器的气体流场，所述流场包含许多接合所述所述集电器并形成多个蛇形流道的槽脊，其改进为，所述的每个流道包括至少一个流体连通着供气集管和排气集管的蛇形单元，所述单元有一个入口引线，以便在第一压力下接收气体进入单元，一个出口引线，以便在小于第一压力的第二压力下从所述单元排出气体，和至少一根连接出口引线和入口引线的中间引线，每个流道的每根出口引线、入口引线和中间引线都有一个纵向中心线，这个纵向中心线与同一流道的下一个相邻的引线的纵向中心线相交，所述中间引线每端的回转弯头将所述中间引线与同一流道的下一个相邻的引线相连。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述的每个单元包括多个在所述出口引线、入口引线之间的中间引线。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述的每个流道还包括多个串联的所述单元。
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