[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及PEM燃料电池，并且更具体地涉及一种其中需要相对较小的压降来实现必要流速的分离流场板。

背景技术

燃料电池已经在许多应用中用作能源。例如，已经提议将燃料电池用于电车的动力设备中来代替内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢作为燃料供应到燃料电池的阳极，而氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组(MEA)，包括薄的透质子的非导电性固态聚合物电解质膜，其在一面上具有阳极催化剂，而反面为阴极催化剂。MEA夹在一对非多孔导电元件或板之间，该板(1)作为阳极和阴极的集电器，以及(2)包含形成于其内部用于分配各阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池气态反应物的适当通道和/或开口。

术语”燃料电池”根据情况通常用来指单个电池或多个电池(堆栈)。多个独立的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆栈并且一般配置成电串联。堆栈内的各电池包括上述的膜电极组(MEA)，并且每个这种MEA提供其电压增量。堆栈内相邻电池的群组称为簇。

在PEM燃料电池中，氢(H₂)是阳极反应物(即，燃料)而氧是阴极反应物(即，氧化剂)。氧可以是纯净形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。固态聚合物电解质通常由离子交换树脂制成，例如全氟(perfluoronated)磺酸。阳极/阴极通常包括极细的催化粒子，该催化粒子经常支撑在碳粒子上，并且与导质子树脂混合。催化粒子通常是昂贵的贵金属粒子。由于这种MEA的制造成本相对高并且需要特定的条件来进行有效操作，包括适当的水分管理和湿度以及催化剂污垢成分的控制，例如一氧化碳(CO)。

传统上，夹持MEA的导电板包含用于在各阳极和阴极表面(本申请中统称为有效区域)分配燃料电池气态反应物(即，气态形式的氢和氧)的反应物流场。这些反应物流场通常包括多个在其间限定多个流动通道的槽脊，气态反应物经该通道从位于流动通道一端的供应集管(header)流动到位于流动通道相对端的排气集管。

对于性能良好的流场的要求可以表现为局部要求和整体要求。局部要求一般用于有效区域上的每个点，而整体需求用于整个流场设计。为了满足性能良好的流场的局部要求，流场应该(1)输送气体和湿度，(2)去除废气并且(3)去除液态水。为了满足性能良好的流场的整体要求，流场应该(4)在有效区域上的所有点处满足局部要求，(5)以合理低的总压降满足局部要求，(6)随时间始终满足局部要求因而产生稳定的流动，并且(7)在所有所需的流动和负荷条件下满足局部要求。

对稳定流动的要求(6)是难以满足的要求。对于这种困难引用了两个原因。首先，很难精确确定何时已经实现了稳定流动，因为存在多个根据其能够成功完成稳定流动的条件。稳定流动需要恒定地去除液态水。然而，可以通过多种方式去除水。例如，在某些情况下，气体速度可能太高，以至于不可能收集液态水。在其它情况下，液态水可以收集并随后出现压力增大，使得液态水移出。在有些情况下，低气体速度以及无力构建压力产生不利的水去除条件以及不稳定的气体流动。

稳定流动难以实现的第二个原因是：为了满足它，必须平衡其它的流场要求。例如，满足要求(3)和(6)的流场设计方面直接与满足要求(4)和(5)的设计方面竞争。

后续三个实例示范了目前设计满足所有要求的流场的难度，包括建立恒定的水去除所需的两种可能稳定流动条件中的任意一种。在第一实例中，通过建立高气体速度条件可能实现稳定流动。通过设计具有高气压梯度的流动路径建立高气体速度条件。然而，对于均匀大小的有效区域，这种设计的后果是总流场压降高到无法接收的的流场。通过这种方式，实现了要求(3)、(4)和(6)，而(5)没有得到满足。

在第二实例中，为了减小总压降，可以修改实例1以便获得长度更短的更多平行流动路径。然而，在达到可接受的低压降时，气体速度降低到允许形成液态水的水平。因而，随着建立许多平行流动路径，不再可能通过压力增大来去除液态水，因为不能形成压力增大。因而，实现了要求(4)和(5)，而(3)和(6)仍无法满足。

在第三实例中，为了便于通过压力增大进行液体去除，可以通过取走某些平行流动路径来修改实例2。然而，如果要保持低的总压降要求，加到各流动路径以补偿去除的流动路径的长度是有限的。在这种情况下，可实现所有的要求，除了需要流场覆盖整个有效区域的要求。具体说来，可实现要求(3)、(5)和(6)，而(4)无法满足。

发明内容