[发明专利]单板PEM燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合电解质、质子交换膜PEM燃料电池，其具有一个单隔离板，该板包括燃料反应气体通道和氧化剂反应气体通道，并且在板的相同边上的一些反应气体通道之间布置水芯吸材料。

背景技术

在一种已知的PEM燃料电池中，反应物流场通道是在隔离的板中(通常称为“水传输板”)，其同样在与反应气流通道相对的一个或两个板的表面上具有水通道。这种多孔且亲水的板允许产生的水从阴极移到水通道，同时允许水从水通道移到阳极以保证均匀的潮湿度。燃料电池的冷却通常是通过水通道里的水来完成的，水在燃料电池堆外循环到一热交换器，其是选择性的通过以维持一定的水温。也可以使用稍冷的板。

当燃料电池电源设备在电动车辆中使用的时候，在达到水冰点以下的温度环境中其将不会起作用。外部的水管、水泵和受液器会因为冰形成后的膨胀而损坏，或者需要用很多的手段去排干和再储存水，维持温度在冰点以上，或者保护设备不会被冻坏。

在车辆中，空间和重量都受到高度关注。外部水管理器件，如水泵和受液器，会增加车辆的重量并占用空间。

在2005年4月15日申请的待审PCT专利申请序列(No.US05/13040)中公开了最近的改造，使用蒸发冷却把阴极的水蒸发到阴极气流中，并在空气排放冷凝；冷凝物通过微小水通道，或者里面的芯，或者水传输板之间返回到电池中。然而，在两极间提供微小水通道(或者阴极和阳极之间等效的多孔芯吸材料)，即使只需几个的需要，也要生产两个板，这是因为在它们中的至少一个的两侧具有通道，为保持物理完整性需要特定的最小厚度。

发明内容

本发明的目的包括燃料电池的提供：其需要最小的空间；其比以前技术的水传输板便宜；虽然比以前成对的水传输板更薄但强度更高；和改进燃料电池和燃料电池电源设备的提供。虽然在说明书中描述的是多孔板技术，但这种方法可以适用于实心隔离板。

根据本发明，燃料电池具有单个多孔、至少实质亲水的板，该板包括燃料反应气体流场和氧化剂反应物气体流场，每N(N是一到若干之间的一个整数)个氧化物和/或燃料反应气体流场通道之间有芯吸条带把阴极产生的水运走，且通过同一个多孔板在燃料和空气入口增湿，以确保电池在整个顶部平面有相同的水合作用。

本发明非常适合用在蒸发冷却类型的燃料电池电源设备上，产生的水蒸发到氧化剂反应物气流中，在氧化剂排放冷凝，冷凝物返回到含有空气流通道和燃料流通道的多孔板中的芯吸条带处。

本发明对于要求更冷板的任何实施例来说同样是有效的，更冷的板通常装配在每两到四个燃料电池之间，比如当使用长寿命的冷却剂(如：乙二醇)的时候。当使用冷却液板的情况时，燃料电池堆会变得非常长；本发明的使用可以显著降低燃料电池的尺寸，因此可以减少整个堆叠体的长度。

本发明可以使用亲水的且有相对高的平面水渗透性的材料制成的芯。这种材料可以是石墨纤维纸，或者可以是其他的一些通常被用作燃料电池扩散媒介的材料，正如需要对其进行亲水的一般处理。

在下面具体实施例的详细描述和相关附图的说明中，本发明的其它的目的，特征和优点将会变得更加的显而易见。

附图说明

图1是具有本发明电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。

图2是在内部给其提供了电池内芯吸条带的图1燃料电池的透视图。

图3是使用了图2中的燃料电池和芯吸的燃料电池电源设备的经简化、形式化并部分剥离后的透视示意图。

图4是具有与氧化剂和燃料通道相邻的电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。

图5和图6是在氧化剂流动通道中具有电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。

图7是具有被芯吸条带空间隔离而形成氧化剂流动通道的一对燃料电池的局部透视图。

具体实施方式

参照图1，一对燃料电池8、9，每个都包括形成氧化剂反应气体流场通道12-15的多个垂直凹槽11，在通道13-14之间的槽中、在导电、多孔、隔离板17中布置电池内芯吸条带16，其优选是基本亲水的。在这个实施例中，每个板17均有水平的燃料反应气体流场通道19。

在这个实施例中，每个燃料电池8、9也包括组合电极组件20，这个组件包括聚合电解质质子交换膜(PEM)21、具有气体扩散层(GDL)的阴极22和具有GDL的阳极23，在PEM与每个GDL之间有催化剂。如图2箭头所示，在这个实施例中，空气会向上流过通道12-15；通常在一半的通道19中燃料会从右往左流(或相反)而在另一半的通道中(图中未显示)中燃料会从左往右流(或相反)。