[发明专利]燃料电池流体分配板

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及适用于固体聚合物电解质燃料电池的流体流场板，所述板作为燃料电池的电极表面的流体输送管道。

背景技术

常规电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。在图1中显示了常规燃料电池10的典型布局，为清楚起见，该图1以分解的形式示出了各个层。固体聚合物离子传输膜11被夹在阳极12和阴极13之间。典型地，阳极12和阴极13都是由导电、多孔的材料例如多孔碳形成的，所述材料上粘结了铂和/或其它贵金属催化剂的小颗粒。通常将阳极12和阴极13直接粘结到膜11的各个相邻表面上。一般将此组合体统称为膜-电极组件，或MEA17。

将聚合物膜和多孔电极层夹在中间的是阳极流体流场板14和阴极流体流场板15。中间的衬里层18和19，在此也称作扩散层，也可以被用在阳极流体流场板14和阳极12之间，以及类似地被用在阴极流体流场板15和阴极13之间。衬里层具有多孔性，并且被制作为确保到达和来自阳极和阴极表面的气体的有效扩散，以及帮助水蒸气和液态水的处理。

流体流场板14、15是由导电性、非多孔材料形成的，通过该材料可以与相应的阳极电极12或阴极电极13进行电接触。同时，流体流场板促进到达或来自多孔电极12、13的流体燃料、氧化剂和/或反应产物的输送和/或排放。这在常规上是通过在流体流场板的表面中形成流体流动通路，例如在朝多孔电极12、13呈现的表面中的沟槽或通道16而实现的。

再参照图2(a)，流体流动通道的一种常规构造在阳极14(或阴极15)流体流场板的面中提供蛇形结构20，如图2(a)所示，该结构20具有入口端21和出口端22。根据常规设计，应当理解该蛇形结构20包含在板14(或15)表面中的通道16，而端口21和22各自包含穿过板的孔，使得输送到蛇形结构20或者从蛇形结构20排放的流体可以在如具体由图2(b)中所示A-A横截面中的箭头表示、与板垂直的方向上的板的层叠体(stack)的整个深度上连通。

参照图3，在常规的燃料电池组件30中建立起板的层叠体。在此配置中，相邻的阳极和阴极流体流场板按常规方式组合，以形成单个双极板31，所述双极板31具有在一个面上的阳极通道32和在相反面上的阴极通道33，它们各自与相应的膜-电极组件(MEA)34相邻。入口端的孔21与出口端的孔22全部重叠以提供整个层叠体的入口和出口歧管。层叠体的各个元件是为了清楚起见而略微分开表示的，但是应理解，对于本发明来说，它们是用密封垫圈压缩在一起的。

其它的歧管孔23、25可以被提供用于到板中的其它通道的燃料、氧化剂、其它流体或排放物的连通，例如如图2a中所示。

在流体流场板14、15中的通道16可以在两端均开口，即如所示那样在入口端21和出口端22之间延伸的通道，从而允许流体的连续通过量。此开口的配置典型地用于组合的氧化剂供给和反应物排放。作为选择，通道16可以在一端封闭，即每一通道仅与入口端21连通以供给流体，完全依赖于气态物质进出MEA的多孔电极的100％传输。封闭的通道可以典型地被用于对处于梳型结构的MEA11-13输送氢燃料。

为了从燃料电池中获得高且持续的功率输送能力，通常需要维持膜-电极组件中并且特别是膜中的高含水量。

在现有技术中，这在常规上是通过经由端口21、22或23以及通道16供给的进料气，即燃料、空气或两者增湿而实现的。使用此技术的缺点是，为了保持足够的增湿水平，入口气体流经常需要加热和辅助设备以向流动气体流中引入水蒸气。

在现有技术中，已经以许多方式实现了辅助设备。将燃料或氧化剂气体在引入燃料电池前穿过热水柱进行鼓泡已得到应用。作为选择，使用渗透膜作为水传输介质，使得水从相邻的容纳液态水的集流室被运送到气体流中。类似地采用了吸液芯(wicks)作为从液相到气相的水传输介质。

该附加的设备可以与燃料电池组分离或者形成其整体部分。在任一情况下，总体上组件的尺寸和复杂性存在相关联的增加。

一种选择性方法为将水直接输送到膜11、34，例如直接输送到电极表面或双极板31的通道16。此技术不仅具有供给水以保持高的膜含水量的优点，而且可以通过蒸发和吸取蒸发潜热来冷却燃料电池。

这种通过出口气流提供能量的吸取的直接热移除方法具有与消除燃料电池组组件中的中间冷却板相关的明显优点。