[发明专利]燃料电池结构及在其中使用的分隔板

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池结构及在其中使用的分隔板。

背景技术

包含燃料分隔板的燃料电池结构、夹在各个板之间的氧化剂分隔板和 膜电极组件(MEA)在本领域中是公知的。在固态聚合物电解质型燃料电 池结构中，MEA典型地包括夹在两个多孔导电电极之间的固态聚合物电解 质膜，所述两个电极中的一个构成阳极，另一个构成阴极。在所述膜和和 电极的界面上设置有催化剂，例如，铂。

将燃料气体，例如，氢气，提供给阳极，同时，将氧化剂气体，例如， 空气(含有氧气)或氧气提供到阴极侧。所述氢气将移动穿过多孔的阳极 并在阳极催化剂处被转化成质子和电子。所述质子经过湿润的聚合物电解 质向着阴极移动。所述氧气移动穿过多孔的阴极，并与已经移动穿过所述 膜的质子反应以生成水。所产生的电子被引导穿过外部电路。如此产生的 电流能够被直接用作电能。所述分隔板由导电材料制成，并用作集电器。 在MEA和该分隔板之间的界面处，由在所述板中形成的通道限定的流体 流动路径将反应物流体引向所述电极，同时将所述流体从供给口导向排放 口。

典型地，多个燃料电池结构被叠置在一起以形成燃料电池组。然后， 一个燃料电池结构的氧化剂分隔板与相邻燃料电池结构的氧化剂分隔板背 靠背排列，在这两个板之间是这里没有描述的冷却流路径，使得电流能够 从一个燃料电池结构流到另一个燃料电池结构，从而贯穿整个所述电池组。

该分割器板还在相邻的燃料电池结构之间提供流体屏障，从而使提供 给一个电池的阳极的反应物流体避免污染提供给另一电池的阴极的反应物 流体。

在分隔板上的流体流动路径，即，所谓的流场，对于燃料电池的性能 是至关重要的。重要的一点是反应的均匀性。在被从供给口导向排放口的 同时，反应物流体在电极表面被消耗。每单位面积的反应分子数朝着出口 方向递减。但是，希望在整个流体路径上保持恒定压力和恒定流速以在整 个板上获得均匀的反应分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种分隔板，能够确保在整个分隔板上从而在整 个电极上的均匀反应分布。另外，本发明的目标是使用这种板来提高燃料 电池结构的性能并阻止气体泄露。

这些以及其他的目标通过权利要求1所述的分隔板来实现。

根据本发明，用于燃料电池组中的分隔板具有基本上圆形或椭圆形的 主表面，在该主表面上流体流动路径由基本上相互平行地延伸的多条通道 限定，并且将流体从流体供给口导向流体排放口。所述流体既可以是燃料， 例如氢气，也可以是氧化剂，例如纯氧气。根据本发明，相邻的通道进行 合并从而从所述供给口至排放口减少平行通道的数量，从而降低流体路径 的横截面积。由此，能够在整个流体流动路径上保持压力梯度基本恒定， 因为被消耗掉的反应剂被流体路径的减小的横截面补偿。根据本发明，所 述多条平行的通道包括以下各段：

-第一段，起始于流体供给口，其中所述多条平行通道沿着主表面的外 轮廓以曲线形式延伸，

-第二段，其中所述多条平行通道在离弯曲的所述外轮廓一定距离处以 平行于所述外轮廓的曲线的形式延伸，

-C形第三段，

-中央马蹄铁(horse iron)形的第四段，其环绕着主表面的中心延伸， 该第四段的取向与C形第三段的取向相反，

-第五段，其中所述多条平行通道被导回该主表面的外轮廓，以及

-尾段，其中所述多条平行通道沿着主表面的外轮廓以曲线形式延伸， 直到到达流体排放口。

本发明的另一个目标是燃料电池结构，其包括氧化剂分隔板、燃料分 隔板以及夹在氧化剂分隔板和燃料分隔板之间的膜电极组件(MEA)。该膜 电极组件包括燃料电极、氧化剂电极和质子交换膜。根据本发明，各分隔 板是以上描述的分隔板。

申请人所进行的多个实验表明，在按照本发明的分隔板上的流场的设 计导致了在燃料电池结构性能上的出色的结果。

在根据本发明的燃料电池结构中，各分隔板可具有相同的结构，这意 味着氧化剂分隔板和燃料分隔板上的流体路径的形状可以是完全一样的。 但是，通道的深度可以不同。当使用纯氧和纯氢时，燃料分隔板的通道的 深度例如可以浅于氧化剂分隔板的通道的深度。对于一摩尔的氧需要两摩 尔的氢，因此燃料侧的气体体积较大。但是，由于各种气体的不同动力粘 度，采用氧化剂分隔板中的更深的通道能够在整个流体路径上获得相似的 压力梯度。