[发明专利]质子交换膜燃料电池出口中恒定的通道横截面

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，且更特别地，本发明涉及一种用于燃料电池的双极板。

背景技术

燃料电池已在多种应用中被越来越多地用作电源。例如，已经提出将燃料电池系统用于车辆中例如作为内燃机的换代产品。在共有的公开号为No.2004/0209150的美国专利申请中披露了这样一种系统，所述专利申请的整体内容在此作为参考被引用。燃料电池还可被用作建筑物和住宅中的固定不动的电功率设备、用作摄像机、计算机和类似装置中的便携功率设备。通常情况下，燃料电池产生了用来为蓄电池充电或用来为电动马达提供功率的电力。

燃料电池是电化学装置，所述电化学装置使燃料如氢与氧化剂如氧直接结合从而产生电力。氧通常是由空气流供应的。氢和氧相结合而形成水。可利用其它燃料如天燃气、甲醇、汽油和从煤中提取的合成燃料。

本领域中已公知的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池的基本部件是通过聚合物膜电解质而被分开的两个电极。每个电极在一侧上涂覆有催化剂薄层。电极、催化剂和膜一起形成了膜电极组件(MEA)。

在一种典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极组件被夹在由具有弹性、具有传导性且气体可透过的材料如碳织物或碳纸形成的“阳极”与“阴极”扩散介质(DM’s)或扩散层之间。扩散介质用作用于阳极和阴极的初级集电器，并且为所述膜电极组件提供了机械支承。扩散介质和膜电极组件被压在一对传导电子的板之间，所述一对传导电子的板也被称作双极板，所述双极板用作用于收集来自初级集电器的电流的次级集电器。对于双极板的情况而言，所述板在燃料电池堆内部的相邻电池之间传导电流，且对于位于燃料电池堆的端部处的单极板的情况而言，所述板在所述燃料电池堆外部传导电流。

双极板分别包括将气体反应剂分布在阳极和阴极的主要面上的至少一个活性区域。也被称作流场的这些活性区域通常包括多条槽脊，所述多条槽脊与扩散介质接合且在其间限定出多条沟槽或流动通道。所述通道将来自入口歧管的氢和氧供应至位于质子交换膜的任一侧上的电极。特别地，氢流动通过所述通道到达阳极，在所述阳极处，催化剂促进其分离成质子和电子。在质子交换膜的相对侧上，氧流动通过通道到达阴极，在所述阴极处，氧吸引氢质子通过质子交换膜。电子被捕获作为有用能量通过外部电路并且与质子和氧结合而在阴极侧处产生水蒸气。

反应剂通常包括以水蒸气形式存在的水以便使质子交换膜湿化。在双极板的阳极侧上，由于电池中氢燃料的消耗而使得增加了出口区域处的水蒸气的浓度。同样，由于随着氢的氧化而形成了水，因此使得增加了双极板的阴极侧上的水蒸气的浓度。必须对水蒸气进行管理以便抑制在流动通道内发生的液体水的积聚。

流动通过流动通道的反应剂所具有的速度使得水蒸气通常被推进通过流动通道并进入出口歧管内。在出口区域处渐增的水蒸气浓度有利于流动通道中液体水的形成。在流动通道中形成的任何液体水通常被推进通过流动通道并进入出口歧管内。

典型的流场包括适于将水排入共用孔口内的一定数量的独立的流动通道。该一定数量的独立的流动通道可进行结合以便在出口区域中形成更大的通道。该孔口和更大的通道通常通往出口歧管内且与流场中独立的流动通道相比占据了增加的横截面积。由所述孔口和所述更大的通道所占据的增加的横截面积使得允许液体水产生积聚。然而，流动通过流场的反应剂所具有的速度通常不足以推进液体水通过所述孔口和通道并进入出口歧管内。因此，积聚的水可能会阻塞通过通道的反应剂流。通道中水的积聚通常被称作“溢流(flooding)”或“停滞(stagnation)”。由于被阻塞的通道使燃料电池缺少了满足所需电输出所需的反应剂，因此发生溢流的燃料电池可能具有降低的电功率输出。

所希望的是生产一种用于燃料电池的板，其中所述板的流场适于使所述板的出口区域处的液体水的积聚最小化。

发明内容

与本发明相容且相协调地，已经令人惊讶地发现了一种用于燃料电池的板，所述板具有适于使所述板的出口区域处的液体水的积聚最小化的流场。