[發(fā)明專利]具有流體流量分配特征的燃料電池系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210178061.8
• 申請(qǐng)日: 2012-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN102810684A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: Y.張;S.R.法爾塔;S.D.伯奇;G.W.斯卡拉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 原紹輝;傅永霄

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，且更具體地涉及包括流體流量分配特征的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)

當(dāng)前，燃料電池系統(tǒng)被提出用作各種商業(yè)和非商業(yè)應(yīng)用的功率源。具體地，燃料電池系統(tǒng)被日益增加地用作機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的替代品。這種系統(tǒng)在共有的美國專利No.?7,459,227中被公開，該文獻(xiàn)以引用的方式全文結(jié)合到本文。典型地，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電力，該電力于是被用于向蓄電池充電或者向電動(dòng)馬達(dá)提供功率。燃料電池系統(tǒng)還能夠被用作建筑物和住所中的固定電站，以及用作攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等的便攜式電源。

燃料電池系統(tǒng)通常包括被捆扎在一起并且以電氣串聯(lián)的方式設(shè)置成堆的多個(gè)燃料電池。由于燃料電池被組裝成不同尺寸的堆，因此燃料電池系統(tǒng)能夠被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生期望能量輸出水平，從而提供對(duì)于不同應(yīng)用而言的設(shè)計(jì)靈活性。燃料電池是直接結(jié)合氣態(tài)反應(yīng)物（例如，燃料（例如，氫）和氧化劑（例如，氧氣））以產(chǎn)生電力的電化學(xué)裝置。氧氣通常由空氣流來供應(yīng)。氣態(tài)反應(yīng)物結(jié)合從而導(dǎo)致形成水。例如，還能夠使用其他燃料，例如天然氣、甲醇、汽油、以及煤衍生合成燃料。燃料電池系統(tǒng)所利用的基本過程是有效的、大致無污染的、安靜的、不存在可動(dòng)部件的（除了空氣壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇、泵和致動(dòng)器外），并且能夠構(gòu)造成僅留有熱量和水作為副產(chǎn)物。

能夠提供不同的燃料電池類型，例如，磷酸、堿、熔融碳酸鹽、固態(tài)氧化物和質(zhì)子交換膜（PEM）。PEM型燃料電池的基本部件是由聚合物電解質(zhì)膜分隔開的兩個(gè)電極。每個(gè)電極在一側(cè)上涂覆有薄催化劑層。電極、催化劑和膜一起形成膜電極組件（MEA）。

在典型PEM型燃料電池中，MEA被夾設(shè)在陽極和陰極擴(kuò)散介質(zhì)（下文稱為“DM”）或擴(kuò)散層之間，這些擴(kuò)散介質(zhì)或擴(kuò)散層由例如碳纖維或碳紙之類的彈性、導(dǎo)電且氣體可滲透的材料形成。DM用作陽極和陰極的主電流收集器，以及向MEA提供機(jī)械支承。另選地，DM能夠包含催化劑層并且與膜接觸。DM和MEA被壓制在一對(duì)導(dǎo)電板之間，該對(duì)導(dǎo)電板用作收集來自主電流收集器的電流的次級(jí)電流收集器。這些板在雙極板的情況下在該堆內(nèi)部的相鄰電池之間傳導(dǎo)電流，并且在該堆的末端處的單極板的情況下將電流傳導(dǎo)到該堆外。

次級(jí)電流收集器板每個(gè)均包含至少一個(gè)活性區(qū)域，該活性區(qū)域?qū)鈶B(tài)反應(yīng)物分配到陽極和陰極的主表面上。這些活性區(qū)域（也公知為流場(chǎng)）通常包括多個(gè)凸臺(tái)，這些凸臺(tái)接合主電流收集器并且在其間限定多個(gè)溝槽或流動(dòng)通道。這些通道將燃料和氧化劑供應(yīng)給在PEM任一側(cè)上的電極。具體地，燃料流經(jīng)通道到達(dá)陽極，在該陽極處，催化劑促進(jìn)其分離成質(zhì)子和電子。在PEM的相對(duì)側(cè)上，氧化劑流經(jīng)通道到達(dá)陰極，在該陰極處，氧化劑吸引通過PEM的質(zhì)子。電子被捕獲從而作為通過外部電路的有用能量，并且在陰極側(cè)與質(zhì)子和氧化劑結(jié)合以產(chǎn)生水汽。

為了在期望效率范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)施，期望的是將膜保持在濕化狀況下。因此，有必要提供一種將燃料電池膜保持在濕化狀況下的機(jī)構(gòu)。濕化狀況有助于避免膜壽命縮短并且有助于保持期望操作效率。例如，膜的低水含量導(dǎo)致更高的質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗，因此導(dǎo)致更高的歐姆電壓損耗。原料氣的濕化（尤其在陰極入口處）是期望的，以便保持膜中的足夠水含量。燃料電池的濕化在共有的美國專利No.?7,036,466、共有的美國專利申請(qǐng)公布No.?2006/0029837以及共有的美國專利No.?7,572,531中被討論，這些文獻(xiàn)都以引用的方式全文結(jié)合到本文。

為了保持期望水分含量，常常使用空氣濕化器來濕化用于燃料電池中的空氣供應(yīng)流。空氣濕化器通常包括圓形或盒形空氣濕化模塊，該空氣濕化模塊被安裝到空氣濕化器的殼體內(nèi)。這類空氣濕化器的示例在美國專利No.?7,156,379以及美國專利No.?6,471,195中被示出并描述，這些文獻(xiàn)都以引用的方式全文結(jié)合到本文。

膜濕化器（例如，水汽傳遞（WVT）單元）已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)燃料電池的濕化要求。對(duì)于汽車燃料電池濕化應(yīng)用而言，這種膜濕化器需要是緊湊的，具有低壓降，并且具有高性能特征。典型的WVT單元包括濕板，該濕板包括在其中形成的與擴(kuò)散介質(zhì)相鄰的多個(gè)流動(dòng)通道。濕板的流動(dòng)通道適于將潮濕流體從燃料電池的陰極傳送到排出口。典型的WVT單元還包括干板，該干板包括在其中形成的與擴(kuò)散介質(zhì)相鄰的多個(gè)流動(dòng)通道。干板的流動(dòng)通道適于將干燥流體從氣源傳送到燃料電池的陰極。類似的WVT單元能夠用于燃料電池的陽極側(cè)，或根據(jù)需要以其他方式被使用。