[发明专利]用于改善质子交换膜燃料电池的效率的双极板

说明书

本发明涉及一种用于具有质子交换膜(113)的燃料电池的双极板(5)，其包括：‑氧化剂入口歧管和氧化剂出口歧管；‑活性区域(54)的氧化剂流动通道(541)；‑入口均质化区域(52)；‑排出均质化区域；对于排出均质化区域中的1000至2000的氧化剂的流动的雷诺数：‑通过排出均质化区域的线性压力损失占活性区域(54)和氧化剂排出歧管之间压力损失dP2的80％以上；‑dP2/dP1的值至少等于2，其中dP1为氧化剂入口歧管和活性区域(54)之间的压力损失。

本发明涉及具有诸如低温燃料电池的膜电极组件的电化学反应器。本发明特别涉及具有质子交换膜的燃料电池的能量效率的优化。

例如，设想燃料电池作为将来大规模生产的机动车辆以及大量应用的供电系统。燃料电池是可将化学能直接转换为电能的电化学装置。诸如二氢或甲醇的燃料用作燃料电池的燃料。

在二氢的情况下，二氢在电池的一个电极上被氧化和离子化，氧化剂在电池的另一个电极上被还原。化学反应在阴极产生水，氧气被还原并与质子反应。燃料电池的最大优点是避免在发电场所排放空气污染化合物。

被称为PEM的质子交换膜燃料电池在低温下运行，并具有特别有利的紧凑性。每个单元都包含电解质膜，所述电解质膜仅允许质子通过而不允许电子通过。该膜包括在第一面上的阳极和在第二面上的阴极，以形成称为AME的膜/电极组件。

在阳极处，二氢被离子化以产生穿过膜的质子。该反应产生的电子迁移到流板，然后通过单元外部的电路以形成电流。在阴极处，氧气被还原并与质子反应以形成水。

燃料电池可以包括彼此堆叠的多个所谓的双极板，例如由金属制成的双极板。该膜布置在两个双极板之间。双极板可包括流动通道和流动孔，以将反应物和产物引导至膜/从膜引导出、引导冷却液以及分隔不同的隔室。双极板也是导电的，以形成在阳极处产生的电子的歧管。根据相对常用的设计，双极板由通过焊接组装的两个金属片材形成，并且通常在所述两个金属之间提供用于冷却液的流动通道。

双极板还具有机械功能，用于传递堆叠的紧固力，这对于电接触的质量是必需的。气体扩散层介于电极和双极板之间，并与双极板接触。电子传导通过双极板进行，离子传导通过膜获得。

随着反应物的消耗，双极板连续地向电极的反应性表面供应反应物。双极板具有流动通道网络以确保反应物在反应区中的分布。流动通道网络连接在入口歧管和出口歧管之间，通常直接从一边穿过堆叠到另一边。每个歧管都被密封件围绕，以避免在电池中循环的各种流体的混合。均质化区域通常将入口歧管或出口歧管连接到流动通道。均质化区域的功能是获得以尽可能均匀的压力和流量穿过不同流动通道的反应物流动。反应物从入口歧管通过活性区的流动通道到出口歧管的通道引起压力损失。

阴极通道中的压力损失通常具有足够高的水平以允许排出反应产生的液态水。

燃料电池的效率随着活性区域的流动通道中的氧化剂压力而增加。因此，泵通常压缩氧化剂以在压力下为入口歧管供应氧化剂，并至少补偿阴极管线的压力损失。为了优化燃料电池系统的能源效率，氧化剂的压力不得达到过高的水平，泵的电耗会随着所施加的氧化剂的压力水平而增加。因此，存在使燃料电池系统的效率最大化的最佳工作压力。

由于在氧化剂入口歧管和阴极流动通道之间的入口均质化区域中的压力损失，由压缩机施加在氧化剂入口歧管的入口处的压力必须对应于从这些压力损失的幅度中得出活性区域中的最佳压力。为了能够在活性区域中保持该最佳压力，还必须在活性区域的下游保持较高的压力损失。

由于排出均质化区域中管线的压力损失不足以确保活性区域中的最佳压力，因此已知将背压阀置于氧化剂出口歧管的下游。

然而，这种阀意味着在氧化剂出口岐管和所述阀之间包括水冷凝器和气/水分离器，以便能够调节干燥气体上的氧化剂压力。另外，当启动燃料电池时，这种阀在活性区域中引起大的压力振荡。