[发明专利]双极板流场中的流动通道的分叉

说明书

技术领域

本发明的披露内容涉及燃料电池系统，且更特别地，本发明的披露内容涉及一种在燃料电池堆的双极板中形成的流场。

背景技术

燃料电池已被提出作为用于电动车辆和其它各种应用的一种清洁、高效且对环境负责的动力源。燃料电池的一种实例是质子交换膜(PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件通常包括薄的固体聚合物膜电解质，所述薄的固体聚合物膜电解质具有位于膜电解质的两面上的催化剂和电极。

膜电极组件通常包括多孔传导材料，所述多孔传导材料还已公知地被称作气体扩散介质，所述气体扩散介质将反应剂分布在电极层的表面上。燃料如氢气被引导在阳极处，在所述阳极处，所述燃料在存在催化剂的情况下进行电化学反应从而产生电子和氢阳离子。电子通过设置在阳极与阴极之间的电路而从阳极被传导至阴极。同时，氢阳离子通过电解质到达阴极，在所述阴极处，氧化剂如氧或空气在存在电解质和催化剂的情况下进行电化学反应从而产生氧阴离子。氧阴离子与氢阳离子进行反应从而形成了作为反应产物的水。

膜电极组件通常被插置在一对导电接触元件或双极板之间以便完成单个质子交换膜燃料电池。双极板用作阳极和阴极的集电器，且具有在其中形成的用于将燃料电池的气体反应物(即H₂和O₂/空气)分布在相应的电极的表面上的适当流动通道和开口。可通过将两块单极板连结在一起而组装双极板，所述单极板具有在其上形成的流分布场。通常情况下，双极板还包括入口集管和出口集管，当所述入口集管和出口集管在燃料电池堆中被对齐时，所述入口集管和出口集管形成了用于分别将燃料电池的气体反应剂和液体冷却剂引导至多个阳极和阴极并且用于分别将所述气体反应剂和液体冷却剂从所述多个阳极和阴极引导出来的内部供应歧管和排出歧管。

正如本领域众所周知地，燃料电池内的膜需要具有一定的相对湿度以便将穿过膜的离子阻力保持在所需范围内从而有效地传导质子。在燃料电池的运行过程中，来自膜电极组件和外部湿化装置的湿气可进入阳极流动通道和阴极流动通道。通常情况下，湿气会在气体反应剂的压力作用下沿流动通道受力，且该压力是从流动通道中进行除水的主要机理。然而，如果压力不足，则水可能在一种已公知地被称作滞流的现象中进行积聚。滞流的水可能阻塞流动通道并且降低燃料电池的总效率。水的积聚还可能导致阳极电极和阴极电极的腐蚀速率更高并且导致在冷冻条件下的耐久性更差。高度的水积聚或滞流可能会导致燃料电池失效。

考虑到产生水滞流的潜在可能性，在设计燃料电池的过程中，供应歧管与排出歧管之间以及相邻的流动通道之间或者相同的流动通道的部段之间速度的降低是很重要的考虑因素。沿从反应剂入口至出口的流场，气体反应剂的分压随着反应剂在燃料电池反应中的消耗而降低。特别地，在阳极流场上，由于在燃料电池运行过程中发生了氢的消耗，因此使得供应歧管与排出歧管之间速度的降低尤其成为问题。此外，在阳极上使用的氢不如O₂/空气那么密集且阳极上的化学计量比要低于阴极上的化学计量比，这两种情况都使得进一步妨碍了在阳极流场上进行的除水。

将水滞流减至最小程度是可能的，所述将水滞流减至最小程度例如是通过用处于更高流速下的反应剂气体对通道进行周期性吹扫或者通过具有大体上更高的反应剂再循环速率而实现的。然而，在膜电极组件的阴极上，这增加了被施加到空气压缩机上的寄生功率并且降低了总的系统效率。此外，由于上述原因而使得并不希望将氢气用作膜电极组件的阳极上的吹扫气体。将氢用作膜电极组件的阳极上的吹扫气体可能导致降低经济性、导致系统效率更差并且增加系统复杂性。

还可通过减轻入口湿化而减少通道中积聚的水。然而，需要在阳极反应剂和阴极反应剂中提供至少一些相对湿度以便使燃料电池膜水化。干燥的入口气体对于膜电解质产生了干燥效应且可能会增加燃料电池的离子阻力。该方法还对膜电解质的长期耐久性产生了负面影响。

具有抑制了流动通道中特别是阳极流动通道中的水滞流的流场的双极板仍然是所需要的。所希望的是，该流场还使得实现了优化的电流密度、减轻了电极腐蚀并且使得在燃料电池的运行过程中燃料电池的稳定性和冷冻性能(freeze capability)最大化。

发明内容

根据本发明的披露内容，令人惊讶地开发了一种双极板，所述双极板具有流场，所述流场抑制了水滞流，由此使得实现了优化的电流密度、减轻了电极的碳腐蚀并且使得燃料电池的稳定性和冷冻性能最大化。