[發明專利]雙極板流場中的流動通道的分叉

有效

• 申請號: 200810083590.3
• 申請日: 2008-03-12
• 公開（公告）號: CN101267042A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: T·W·蒂赫;J·P·奧維彥;D·J·達加;P·A·拉帕波特;J·A·羅克;T·A·特拉波德
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬;廖凌玲

技術領域

本發明的披露內容涉及燃料電池系統，且更特別地，本發明的披露內容涉及一種在燃料電池堆的雙極板中形成的流場。

背景技術

燃料電池已被提出作為用于電動車輛和其它各種應用的一種清潔、高效且對環境負責的動力源。燃料電池的一種實例是質子交換膜(PEM)燃料電池。質子交換膜燃料電池包括膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件通常包括薄的固體聚合物膜電解質，所述薄的固體聚合物膜電解質具有位于膜電解質的兩面上的催化劑和電極。

膜電極組件通常包括多孔傳導材料，所述多孔傳導材料還已公知地被稱作氣體擴散介質，所述氣體擴散介質將反應劑分布在電極層的表面上。燃料如氫氣被引導在陽極處，在所述陽極處，所述燃料在存在催化劑的情況下進行電化學反應從而產生電子和氫陽離子。電子通過設置在陽極與陰極之間的電路而從陽極被傳導至陰極。同時，氫陽離子通過電解質到達陰極，在所述陰極處，氧化劑如氧或空氣在存在電解質和催化劑的情況下進行電化學反應從而產生氧陰離子。氧陰離子與氫陽離子進行反應從而形成了作為反應產物的水。

膜電極組件通常被插置在一對導電接觸元件或雙極板之間以便完成單個質子交換膜燃料電池。雙極板用作陽極和陰極的集電器，且具有在其中形成的用于將燃料電池的氣體反應物(即H₂和O₂/空氣)分布在相應的電極的表面上的適當流動通道和開口。可通過將兩塊單極板連結在一起而組裝雙極板，所述單極板具有在其上形成的流分布場。通常情況下，雙極板還包括入口集管和出口集管，當所述入口集管和出口集管在燃料電池堆中被對齊時，所述入口集管和出口集管形成了用于分別將燃料電池的氣體反應劑和液體冷卻劑引導至多個陽極和陰極并且用于分別將所述氣體反應劑和液體冷卻劑從所述多個陽極和陰極引導出來的內部供應歧管和排出歧管。

正如本領域眾所周知地，燃料電池內的膜需要具有一定的相對濕度以便將穿過膜的離子阻力保持在所需范圍內從而有效地傳導質子。在燃料電池的運行過程中，來自膜電極組件和外部濕化裝置的濕氣可進入陽極流動通道和陰極流動通道。通常情況下，濕氣會在氣體反應劑的壓力作用下沿流動通道受力，且該壓力是從流動通道中進行除水的主要機理。然而，如果壓力不足，則水可能在一種已公知地被稱作滯流的現象中進行積聚。滯流的水可能阻塞流動通道并且降低燃料電池的總效率。水的積聚還可能導致陽極電極和陰極電極的腐蝕速率更高并且導致在冷凍條件下的耐久性更差。高度的水積聚或滯流可能會導致燃料電池失效。

考慮到產生水滯流的潛在可能性，在設計燃料電池的過程中，供應歧管與排出歧管之間以及相鄰的流動通道之間或者相同的流動通道的部段之間速度的降低是很重要的考慮因素。沿從反應劑入口至出口的流場，氣體反應劑的分壓隨著反應劑在燃料電池反應中的消耗而降低。特別地，在陽極流場上，由于在燃料電池運行過程中發生了氫的消耗，因此使得供應歧管與排出歧管之間速度的降低尤其成為問題。此外，在陽極上使用的氫不如O₂/空氣那么密集且陽極上的化學計量比要低于陰極上的化學計量比，這兩種情況都使得進一步妨礙了在陽極流場上進行的除水。

將水滯流減至最小程度是可能的，所述將水滯流減至最小程度例如是通過用處于更高流速下的反應劑氣體對通道進行周期性吹掃或者通過具有大體上更高的反應劑再循環速率而實現的。然而，在膜電極組件的陰極上，這增加了被施加到空氣壓縮機上的寄生功率并且降低了總的系統效率。此外，由于上述原因而使得并不希望將氫氣用作膜電極組件的陽極上的吹掃氣體。將氫用作膜電極組件的陽極上的吹掃氣體可能導致降低經濟性、導致系統效率更差并且增加系統復雜性。

還可通過減輕入口濕化而減少通道中積聚的水。然而，需要在陽極反應劑和陰極反應劑中提供至少一些相對濕度以便使燃料電池膜水化。干燥的入口氣體對于膜電解質產生了干燥效應且可能會增加燃料電池的離子阻力。該方法還對膜電解質的長期耐久性產生了負面影響。

具有抑制了流動通道中特別是陽極流動通道中的水滯流的流場的雙極板仍然是所需要的。所希望的是，該流場還使得實現了優化的電流密度、減輕了電極腐蝕并且使得在燃料電池的運行過程中燃料電池的穩定性和冷凍性能(freeze?capability)最大化。

發明內容

根據本發明的披露內容，令人驚訝地開發了一種雙極板，所述雙極板具有流場，所述流場抑制了水滯流，由此使得實現了優化的電流密度、減輕了電極的碳腐蝕并且使得燃料電池的穩定性和冷凍性能最大化。