[发明专利]具有成角度的偏移流动通道的燃料电池单元

说明书

本公开提供了由以电堆配置设置的多个流动板组件形成的燃料电池单元，其中电堆配置中的相邻流动板组件相对于彼此以偏斜角设置。燃料电池电堆可由多个燃料电池单元形成，所述多个燃料电池单元放置成在没有偏移的情况下彼此对齐的电堆。本公开还提供了形成燃料电池单元、燃料电池电堆和包含前者的燃料电池系统的方法。

技术领域

本公开在电化学燃料电池领域中。具体地，本公开涉及用于在电化学燃料电池组件中使用的装置和方法，其包括允许多个流体流动通道及其布置的流体流动板。

背景技术

燃料电池电堆组件能够由与膜电极组件层交替的一系列流体流动板形成。在蒸发冷却(EC)质子交换膜(PEM)燃料电池中，通过阳极流体流动路径或阴极流体流动路径可将水引入燃料电池电堆中，以便水合膜以及冷却电池。与具有介于其间的密封液体冷却通路的液体冷却式燃料电池相比，因为简单的单板布置和减小的电池间距，EC电池可提供良好的质量功率密度和体积功率密度。在典型的EC燃料电池布置中，冷却水从沿燃料电池电堆的侧面向下延伸的一个或更多个公共歧管被喷射到阳极或阴极流体流动通道中。这种歧管内的水、阴极流体和阳极流体的流率会产生潜在的问题。水可被进给到歧管的一个端部处的入口中，水从该歧管被进给到电堆中的各个电池中。由于腐蚀风险增加，特别是在使用去离子水的情况下，以及细菌累积的风险增加，水流停滞或接近停滞的任何区域都可出现问题。EC燃料电池电堆将阴极流体和阳极流体上的压降施加为与通过活性区域相同的水平，这造成了对电池周边歧管的一致性和电池与电池性能一致性的合成压降的依赖性。

燃料电池电堆件中要解决的一些问题包括：确保用于燃料、氧化剂和冷却剂管线中的流体分布的均匀流场；使进气歧管上的压降最小化；使确保气密操作所需的密封压力最小化；考虑到需要在制造燃料电池电堆组件时精确地组装的大量单元，使得流体流动板的构造与机械化组装过程兼容；减少组成电堆的燃料电池的间距，同时将操作保持在期望参数内；减少部件的数量；减轻整体重量；减少材料使用和损耗；简化设计、制造和组装；以及大体上降低燃料电池电堆组件的总成本。

本发明的目的是解决上述问题中的一个或更多个。

发明内容

在典型的燃料电池电堆组件中，各个流动板以相同的取向对齐，以便为流入和流出电堆组件的流体流提供共用的入口歧管和出口歧管。典型的布置具有在流动板中形成的基本上平行的轨道或通道，或者作为跨越(across，在其上)板的面延伸的通道，或者作为在板的面上交替改变方向的蛇形路径。已经观察到，在这种布置中，使用相同组的基本平行的轨道或通道能够导致燃料电池电堆的性能降低。在膜电极组件的整个表面上的压缩会是不一致的，这是由于在机械压缩下通过电堆的刚性不足，导致电堆中的流动板的横向不稳定性、屈曲或弯曲。在这些配置中，膜电极组件能够在通道结构之间变形并且符合并嵌套在流场之间。该变形能够导致在膜电极组件上的较低的平均应力和最大应力，而这是不希望的，这是因为膜电极组件需要阈值量的接触压力以避免由于现实世界操作中通常发生的膨胀/收缩循环引起的针孔，并且提供电接触。通过在膜电极组件的表面上提供更高且更一致的接触压力可改善电性能。此外，膜电极组件寿命的一个因素是产生应力集中或局部应力。这些应力集中能够由几个来源引起，包括在某方面(in spots)由于来自气体扩散层的任何粗糙表面的膜内的较大压缩的区域或流动板的通道设计引起的薄膜电极组件的变薄。由于电堆中相邻流动板的冷却流体分布特征的紧密相邻，所以已经观察到了进一步的性能问题，这可在电池间距被最小化时限制流体流动通路。在一些现有系统中，附加的气体扩散层作为“间隙填充物”是必要的，以实现有效的电池高度，以便提供进入电池的必要的流体流。使用这种附加的气体扩散层增加了总的部件数目，并且使得自动装配和制造方法更成问题。