[發(fā)明專利]燃料電池流動(dòng)溝道和流場

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380053699.1
• 申請日: 2013-08-14
• 公開（公告）號: CN104718651B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 大衛(wèi)·厄爾·勒格;雷戈·約翰·蒙太
• 申請（專利權(quán)）人: 環(huán)能源公司
• 主分類號: H01M8/1011
• 分類號: H01M8/1011;H01M8/026;H01M8/0265
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 王波波

相關(guān)申請的交叉引用

本申請涉及并要求保護(hù)2012年8月14日提交的美國臨時(shí)專利申請No.61/683,156、2012年10月10日提交的美國臨時(shí)專利申請No.61/712,010、以及2012年10月10日提交的美國臨時(shí)專利申請No.61/712,236的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其中每個(gè)臨時(shí)申請通過全文引用合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及燃料電池，具體地，涉及燃料電池的流場(flow field)設(shè)計(jì)和流場板。

背景技術(shù)

在典型的聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池中，膜電極組件(MEA)被布置在兩個(gè)導(dǎo)電隔板(separator plates)之間。氧化劑和燃料流場提供用于將氧化劑和燃料引導(dǎo)到MEA的各電催化劑層的裝置，具體地，引導(dǎo)到燃料側(cè)的陽極和MEA的氧化劑側(cè)的陰極。典型的反應(yīng)物流體(reactant fluid)流場具有至少一個(gè)溝道，其中反應(yīng)物流體流經(jīng)該溝道。通常通過將多個(gè)面向開口的溝道設(shè)置在隔板的一面或兩面上，來將流體流場與隔板相集成。面向開口的溝道面對電極，其中反應(yīng)物在該電極處進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。通常向電極提供比燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)際消耗的反應(yīng)物更多的反應(yīng)物。化學(xué)計(jì)量(stoichiometry)(或化學(xué)計(jì)量比)可以被定義為提供給燃料電池的反應(yīng)物的摩爾流率除以在燃料電池中消耗的反應(yīng)物的摩爾流率；反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量是反應(yīng)物利用率的倒數(shù)。

在單個(gè)電池布置中，將隔板設(shè)置在每個(gè)陽極和陰極側(cè)。將隔板用作集電器(current collectors)，提供電極的結(jié)構(gòu)支撐。在燃料電池組中，兩側(cè)具有反應(yīng)物流場的雙極板通常夾有MEA。

在傳統(tǒng)燃料電池流場中，反應(yīng)物流動(dòng)溝道沿其長度具有恒定的橫截面面積和形狀。通常，所述溝道的橫截面為方形或矩形。然而，流動(dòng)溝道的橫截面面積沿其長度變化的燃料電池是已知的。例如，申請人已授權(quán)的美國專利No.6,686,082和美國專利申請公開No.US2006/0234107(每個(gè)文獻(xiàn)通過全文引用合并于此)描述了梯形的燃料電池流場板，其中流動(dòng)溝道的橫截面是矩形，并橫截面積沿流動(dòng)方向連續(xù)減小。具體地，描述了多個(gè)實(shí)施例，其中，流動(dòng)溝道寬度沿流動(dòng)方向線性地減小。這種錐形溝道使得反應(yīng)速度沿溝道增加，并用于提供蛇形流動(dòng)溝道的一些優(yōu)點(diǎn)，而沒有顯著壓降以及通常與蛇形流動(dòng)溝道相關(guān)聯(lián)的寄生負(fù)載的相關(guān)增加。相對于大略覆蓋相同流場區(qū)域的傳統(tǒng)流場，蛇形流場提供更高的反應(yīng)速度和改善的溝道除水性能。

還已知的是：有可能通過沿陰極流動(dòng)溝道的長度改變它的橫截面面積，來增強(qiáng)燃料電池性能。燃料電池通常在陰極處對稀釋的氧化劑流(即，空氣)進(jìn)行操作。當(dāng)空氣沿著陰極流動(dòng)溝道流動(dòng)時(shí)，空氣流中的氧含量傾向于大量減少，空氣壓力傾向于下降。這可導(dǎo)致燃料電池性能降低和電流密度在燃料電池中不均勻。申請人已授權(quán)的美國專利No.7,838,169(該申請通過引用合并于此)描述了溝道橫截面具有更復(fù)雜變化的改善型陰極流場溝道，可以將該陰極流場溝道用來實(shí)現(xiàn)陰極處實(shí)質(zhì)上恒定的氧氣供應(yīng)。描述了多種實(shí)施例，其中溝道的橫截面面積沿溝道長度變化，使得對于給定溝道長度和空氣化學(xué)計(jì)量，氧氣供應(yīng)保持為實(shí)質(zhì)上恒定的。在一些實(shí)施例中，溝道寬度沿氧化劑流動(dòng)方向根據(jù)指數(shù)函數(shù)減小。由于沿著該溝道保持實(shí)質(zhì)上恒定的氧氣供應(yīng)，使用這種陰極流動(dòng)溝道已被證明提供改善的電流密度均勻性，并增強(qiáng)燃料電池性能。

在對PEM燃料電池的長時(shí)間操作期間，存在可以導(dǎo)致不可逆的性能損失和/或電化學(xué)表面積(surface area)的損失的許多因素。這種損失主要由于催化劑層劣化，包括鉑金屬溶解和對碳載體的腐蝕。碳腐蝕是由電池逆轉(zhuǎn)而引起的，而電池逆轉(zhuǎn)可以是由陽極區(qū)域中的不均勻反應(yīng)物分布和/或燃料不足而引起的。鉑溶解可以是由于在陰極或陽極處的高電勢而引起的，當(dāng)存在異構(gòu)電流分布時(shí)可以在陰極或陽極處發(fā)生高電勢。單獨(dú)地或相結(jié)合地，這些劣化速率可以是較大的，并且需要緩解以便進(jìn)行長期穩(wěn)定操作。用均勻電流密度操作燃料電池可以減少碳腐蝕和鉑溶解，這兩者對于燃料電池性能、壽命和耐久性都是不利的。可以推測：實(shí)現(xiàn)更均勻的電流密度會降低燃料電池劣化速率，從而改善燃料電池壽命。此外，增加溝道下游的速度可以減小在燃料電池啟停順序期間在陽極處氫氣/空氣前列在空氣凈化循環(huán)期間的停留時(shí)間，從而導(dǎo)致減小碳腐蝕速率和改善耐久性。