帶有偏移特徵的雙極板的製作方法
2023-07-09 02:31:56 1
專利名稱：帶有偏移特徵的雙極板的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及PEM燃料電池，特別是涉及結合了用於增強水管理的交錯排列特徵(features)的PEM燃料電池雙極板。
背景技術：
燃料電池包括三個部件，即陰極、陽極和被夾在陰極與陽極之間且僅通過質子的電解質。每一個電極的一側上典型地塗覆有催化劑。在運行過程中，陽極上面的催化劑將氫分解成電子和質子。電子作為電流自陽極通過電力負載(例如驅動馬達)隨後被分配至陰極，而質子自陽極通過電解質遷移至陰極。陽極上面的催化劑使質子與從電力負載(例如驅動馬達)返回的電子和空氣中的氧相結合從而形成水。單個燃料電池可以串聯疊置在一起，從而產生更大量的電力(即電壓)。
在聚合物電解質膜(PEM)燃料電池中，聚合物電極膜在陰極與陽極之間用作電解質。當前在燃料電池應用中所使用的聚合物電極膜需要具有一定的溼度以利於進行質子的傳導。因此，通過溼度-水管理保持膜中具有適當的溼度對於燃料電池進行正常(或最優化)工作和延長燃料電池的耐久性(壽命)而言是所希望的。
為了防止被供應至所述電極的氫氣和氧氣發生洩漏並且為了防止所述氣體發生混合，在電極周邊布置氣體密封材料和墊圈，而將聚合物電解質膜夾在其間。密封材料和墊圈與電極和聚合物電解質膜一起被組裝形成單個部件，從而形成膜電極組件(MEA)。在膜電極組件的外側設置了用於機械緊固膜電極組件並且串聯電連接相鄰的膜電極組件的導電隔板。隔板被設置與膜電極組件相接觸的部分上設有用於將氫或氧燃料氣體供應至電極表面且除去生成的水的氣體通路。
由於在燃料電池工作過程中會產生大量的作為電化學反應副產物的水，因此在汽車燃料電池中存在液體水是典型的。另外，燃料電池膜中的水產生飽和可能是由於溫度、相對溼度、運行和關閉狀態發生快速變化而導致產生的。膜的過度水化可能會導致產生溢流、膜發生過度膨脹且在燃料電池堆中形成差壓梯度。
電池性能受到形成液體水或離子交換膜的水化作用的影響。水管理和反應物分布主要影響燃料電池的性能和耐久性。由於水管理較差而導致形成的電池劣化和傳質損失依然是汽車和其它一些應用中的關注點。所述膜長時間暴露於液體水中還可導致產生不可逆的材料降解。水管理策略如壓降(例如氣體流速和/或膜兩端的壓降)、溫度梯度和逆流運行已得到實施並且已被發現，特別是在大電流密度條件下，在一些程度上改進了傳質。然而，良好的水管理對於燃料電池堆的最佳性能和耐久性而言依然是所需要的。
發明內容
根據本發明的一個實施例，本發明提供一種用於燃料電池中的雙極板。所述雙極板包括位於所述極板上面且端部交錯排列的多條通道。
根據本發明的另一個實施例，本發明提供一種用於燃料電池中的雙極板。所述雙極板包括位於所述極板上面且端部交錯排列的多條流道。
根據本發明的又一個實施例，本發明提供一種用於燃料電池中的雙極板。所述雙極板包括陽極板。所述雙極板進一步包括陰極板。陽極板和陰極板中的一塊極板的一部分分別懸於陽極板和陰極板中的另一塊極板的一部分之上。
根據本發明的一個方面，提供一種燃料電池，所述燃料電池包括包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板，其中所述通道包括端部部分，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
根據本發明的另一個方面，提供一種燃料電池，所述燃料電池包括(1)包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板，其中所述通道包括端部部分，其中所述通道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；和(2)至少兩條在所述極板的所述表面上形成的流道，其中所述流道包括端部部分，其中所述流道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
根據本發明的又一個方面，提供一種燃料電池，所述燃料電池包括(1)包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板，其中所述通道包括端部部分，其中所述通道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；(2)至少兩條在所述極板的所述表面上形成的流道，其中所述流道包括端部部分，其中所述流道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；(3)陽極部分；和(4)陰極部分，其中所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的一部分懸於所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的另一部分之上。
從下文提供的詳細描述中將易於理解本發明的其它可應用領域。應該理解，儘管通過詳細描述和特定實例示出了本發明的優選實施例，但它們僅旨在用於說明的目的且不旨在限制本發明的範圍。
通過詳細描述和附圖將更充分地理解本發明，其中圖1是根據本發明的一般教導的PEM燃料電池堆的分解示意圖；圖2是根據本發明的一般教導的局部不完整的雙極板的平面圖；圖3是根據本發明的一般教導的圖2中所示區域3的放大視圖；圖4是根據本發明的一般教導的局部不完整的雙極板的剖面視圖；圖5是根據本發明的一般教導的局部不完整的雙極板的平面圖；和圖6是根據本發明的一般教導的沿圖5中線6-6進行截取的剖面視圖。
具體實施例方式
對優選實施例進行的下列描述在本質上僅是示例性的且絕不旨在限制本發明、其應用或使用。
參見圖1，圖中示意性地示出了具有一對通過無孔導電雙極隔板8彼此隔開的膜電極組件(MEA)4，6的部分PEM燃料電池堆。膜電極組件4，6與隔板8在夾板10，12與單極隔板14，16之間被疊置在一起。夾板10，12可包含多種材料，例如但不限於金屬，例如但不限於不鏽鋼。隔板8，14，16各自包括具有在極板面上形成的多條通道用於將燃料和氧化劑氣體(即H2和O2)分配至膜電極組件4，6的反應面的流場18，20，22，24。不導電的墊圈或密封件26，28，30，32密封和電絕緣燃料電池堆中的隔板8，14，16。初級集流器34，36，38，40由壓靠在膜電極組件4，6的反應面上的多孔氣體可透過的導電板片形成。初級集流器34，36，38，40特別是在膜電極組件4，6未受支承地跨過流場中的流動通道的部位處還對膜電極組件4，6提供機械支承。適合的初級集流器包括碳/石墨紙/布、細篩孔貴金屬篩、開室貴金屬泡沫材料等，所述這些材料傳導來自電極的電流，同時允許燃料和氧化劑氣體從其中流過，並且允許進行液體水和水蒸氣的傳輸。
隔板14，16分別壓靠在初級集流器34，40上，而隔板8壓靠在位於膜電極組件4陽極面上的初級集流器36和位於膜電極組件6陰極面上的初級集流器38上。氧從貯罐46通過適當的供應管路42被供應至燃料電池堆的陰極側，而氫從貯罐48通過適當的供應管路44被供應至燃料電池的陽極側。可以取消O2貯罐46且空氣由周圍環境中被供應至陰極側，可以取消H2貯罐48且氫從由液態或氣態烴(例如甲醇、天然氣或汽油)催化產生氫的重整系統中被供應至陽極。在膜電極組件4，6的H2和O2/空氣側設置排氣管路(圖中未示出)，用於除去來自陽極流場的貧H2的陽極氣體和來自陰極流場的貧O2的陰極氣體(以及從兩種流中除去副產物H2O)。設置附加管路50，52，54用以使液體冷卻劑可根據需要循環通過極板8，14，16。
眾所周知的是，在燃料電池堆中陰極側處，燃料電池在催化劑層中產生水。水必須從電極中排出。典型地，水通過元件或雙極板8中的多條通道而排出電極。典型地，空氣流過所述通道並且推動水通過所述通道。可能存在的問題是所述水在通道中形成水栓，且空氣不能到達電極。當出現這種現象時，位於水栓附近的催化劑層將不起作用。當形成水栓時，位於水栓附近的催化劑層失效。該狀態有時被稱作燃料電池產生溢流。溢流的結果是在燃料電池堆中形成低電壓電池的電壓降。
相似現象適用於電池的陽極側。在電池的陽極側上，氫可推動水通過元件或雙極板8的通道。
通常來說，當出現電壓降時，電壓降會繼續惡化。當極板8中的一條通道發生阻塞時，流動通過同一電池堆內的該電池或其它電池中的其它通道的氧或氫的流速增大。最終，燃料電池中充滿水且可能產生溢流。由於電池堆電串聯在一起，因此最終整個燃料電池堆中的水可能產生溢流，最終損壞燃料電池。因此，所希望的是儘量改進燃料電池上的水管理，從而提高燃料電池的效率。
解決這一問題的一種嘗試是增大氣體即在一側上的空氣或在另一側上的氫的速度，從而使水移動通過通道。然而，對於將水從通道中清除出去而言，在系統級別方面，這是一種效率較低的方法。如下文中更加詳細論述地，所希望的是結合通道或流道端部的偏置特徵並且使所述陰極的一部分相對於所述陽極偏置或懸於所述陽極之上從而增大流過雙極板的水的毛細管彎月面，進而降低推動來自雙極板的水所需的毛細壓力。在此所使用的術語「彎月面」意味著水頭前沿面的跨度或區域。
圖2是大體上用附圖標號60表示的雙極板的平面圖。圖3是圖2中所示區域3的放大視圖。雙極板60在其表面上包括至少兩條和/或多條通道62，所述通道被限定在相鄰隆起部66之間，最佳如圖3所示。在靠近通道62端部的位置處設置供氣開口64。供氣開口64包括燃料電池堆的集管容積(header volume)。
最佳如圖3所示，通道62的端部以交錯或偏置方式進行布置。這是通過使隆起部66a延伸至比下一個相鄰的隆起部66b相對更靠近供氣開口64的位置處而實現的。下一個相鄰的隆起部66c再一次延伸至一個更靠近供氣開口64的位置處。可重複該模式從而使通道62的各端部相互交錯。通道的端部交錯排列從而使離開流動通道62的水滴或水栓產生更大的毛細管彎月面。在圖3中用附圖標號68示意性地示出了增大的毛細管彎月面。在圖3中用附圖標號69示意性地示出了通道彎月面。
通過增大通道排出口的毛細管半徑，降低了推動所述彎月面通過通道62出口所需的合力或氣體壓力。這有助於減小通道排出口處的水的釘扎點效應。
優選隆起部66的長度相等。這樣就形成了等長的通道62且有助於保持通道與通道之間的壓力降相等。由於每一條通道的長度相等，因此通道進口端部(圖中未示出)也以與上述出口端部相同的方式交錯排列。然而，應該意識到還可以按照以下方式實踐本發明，其中通道的進口端部不交錯布置。還可以意識到雖然隆起部66的長度優選相等，但是交替隆起部66可比下一個相鄰的隆起部更長，從而實現通道排出口的交錯布置。
圖4示出了大體上用附圖標號70表示的雙極板的剖面視圖。雙極板包括陰極72和陽極74。隆起部66被設置在陰極72與陽極74之間。如圖中所示，通道62的端部按照上述方式交錯布置。至少兩個和/或多個流場開口76被設置在鄰近通道62端部的位置處。如此設置流場開口76，以使得從其中流過的流體可以僅向上進行流動，如圖4和圖6所示。流體不能向下流過陽極74。然而，應該意識到流體流動方向可能會被反轉，即流體可能會從通向流場開口76的鄰近通道62/隆起部66的區域流至供氣開口64，或者從供氣開口64流至通向通道62/隆起部66的流場開口76。在任一種流動狀況下，陽極74相應地引導進行流動。
陰極72包括用於接收在圖中未示出的墊圈的溝槽78。相似地，陽極74包括用於接收在圖中未示出的墊圈的溝槽80。被設置在溝槽78、80中的墊圈分別在陰極和陽極與下一個相鄰的燃料電池元件之間提供了密封件。
如圖4中所示，供氣開口64與流場開口76隔開。在流場開口76與供氣開口64之間保持流體連通。為了保持這種流體連通，至少兩個和/或多個隆起部86被設置在陰極72與陽極74之間。至少兩條和/或多條流道88被設置在相鄰隆起部86之間。與如上所述的偏置或交錯的通道62端部的方式一樣，流道88的端部可偏置或交錯進行布置。流道88端部的相互交錯形成更大的毛細管彎月面用於使水滴或水栓離開所述流道。再一次，這樣使得推動彎月面通過流道出口所需的合力或流體的壓力減小，由此減弱了在流道排出口處的水的釘扎點效應。
如圖4中所示，優選流道88的進口端部和出口端部均交錯進行布置，然而應該意識到可能存在優選保持流道進口均勻同時使排出口交錯的情況。這樣有助於保持通道與通道間的壓力降相等。這是通過使用長度相同的隆起部86並且使所述隆起部86按照圖中所示方式進行偏置而實現的。然而應意識到隆起部86可具有不同的長度。
圖5是局部不完整的雙極板70的平面圖。圖6是沿圖5中線6-6進行截取的剖面視圖。圖5和圖6中示出了本發明的另一個特徵。陰極72與陽極74之間的界面是偏移的。如圖中所示，陰極72的邊緣90自鄰近供氣開口64的陽極74的邊緣92產生偏移並且懸於鄰近供氣開口64的陽極74的邊緣92之上。該偏移量在圖5和圖6中用附圖標記O來表示。
排出口邊緣90、92的偏移產生懸置，所述懸置還產生了更大的邊緣到邊緣的距離，所述更大的邊緣到邊緣的距離進而允許在水滴或水栓從電池的主區域流向電池堆的集管容積的過程中存在更長的彎月面距離。在圖6中用附圖標號94象徵性地示出了水滴彎月面。這樣就使得推動所述彎月面進入電池堆的集管容積中所需的壓力減小了。
還優選的是氣體、蒸氣和/或液體流可自凹進邊緣92朝向懸出邊緣90進行引導。這樣就有效地形成了水滴的剪切邊緣。
如圖5和圖6中所示，陰極72的邊緣90懸於陽極74的邊緣92之上。應意識到所述偏移可能是沿相反方向的。也就是說，陽極74的邊緣92可能懸於陰極72的邊緣90之上。應意識到在每種情況下，流動方向也可反轉。
已經結合通道62的端部、流道88的端部以及陰極72和陽極74的邊緣90、92分別對以上的交錯或偏置特徵進行了討論，但是應該意識到無論何處出現釘扎點，均可實施該特徵。
雖然已對本發明的多個特定實施例進行了披露和描述，但是這些優選實施例不是旨在限制由下面的權利要求書限定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種燃料電池，包括包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板；其中所述通道包括端部部分；其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
2.根據權利要求1所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條通道。
3.根據權利要求2所述的發明，其中所述各條通道包括端部部分。
4.根據權利要求3所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
5.根據權利要求1所述的發明，進一步包括至少兩條在所述極板的所述表面上形成的流道；其中所述流道包括端部部分；其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
6.根據權利要求5所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條流道。
7.根據權利要求6所述的發明，其中所述各條流道包括端部部分。
8.根據權利要求7所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
9.根據權利要求1所述的發明，其中所述極板進一步包括陽極部分；和陰極部分；其中所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的一部分懸於所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的另一部分之上。
10.一種燃料電池，包括包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板；其中所述通道包括端部部分；其中所述通道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；和至少兩條在所述極板的所述表面上形成的流道；其中所述流道包括端部部分；其中所述流道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
11.根據權利要求10所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條通道。
12.根據權利要求11所述的發明，其中所述各條通道包括端部部分。
13.根據權利要求12所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
14.根據權利要求10所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條流道。
15.根據權利要求14所述的發明，其中所述各條流道包括端部部分。
16.根據權利要求15所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
17.根據權利要求10所述的發明，其中所述極板進一步包括陽極部分；和陰極部分；其中所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的一部分懸於所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的另一部分之上。
18.一種燃料電池，包括包含至少兩條在所述極板表面上形成的通道的燃料電池雙極板，其中所述通道包括端部部分；其中所述通道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；至少兩條在所述極板的所述表面上形成的流道；其中所述流道包括端部部分；其中所述流道的所述端部部分相對於彼此交錯進行布置；陽極部分；和陰極部分；其中所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的一部分懸於所述陽極部分或所述陰極部分中的任一個的另一部分之上。
19.根據權利要求18所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條通道。
20.根據權利要求19所述的發明，其中所述各條通道包括端部部分。
21.根據權利要求20所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
22.根據權利要求18所述的發明，進一步包括在所述極板的所述表面上形成的多條流道。
23.根據權利要求22所述的發明，其中所述各條流道包括端部部分。
24.根據權利要求23所述的發明，其中所述端部部分相對於彼此交錯進行布置。
全文摘要
披露了一種用於PEM燃料電池的雙極板(70)。所述極板包括多條通道(62)，其中所述通道的端部交錯排列。所述極板還包括多條流道(88)，其中所述流道的端部交錯排列。所述極板進一步包括陰極和陽極，其中一部分陰極懸於一部分陽極之上。這些交錯排列/偏置特徵使得能夠增大從其中流動通過的水滴的毛細管彎月面，使得能夠減小使水流過所述電池並且排出到達電池堆的集管容積中所需的壓力。
文檔編號H01M8/02GK101069312SQ200580037996
公開日2007年11月7日 申請日期2005年9月2日 優先權日2004年9月3日
發明者M·伯伊特爾, D·J·達加 申請人:通用汽車公司