專利名稱：雙極板流場(chǎng)中的流動(dòng)通道的分叉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的披露內(nèi)容涉及燃料電池系統(tǒng)，且更特別地，本發(fā)明的披露 內(nèi)容涉及一種在燃料電池堆的雙極板中形成的流場(chǎng)，背景技術(shù)燃料電池已被提出作為用于電動(dòng)車輛和其它各種應(yīng)用的一種清 潔、高效且對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的動(dòng)力源。燃料電池的一種實(shí)例是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池包括膜電極組件(MEA)，所 述膜電極組件通常包括薄的固體聚合物膜電解質(zhì)，所述薄的固體聚合 物膜電解質(zhì)具有位于膜電解質(zhì)的兩面上的催化劑和電極，膜電極組件通常包括多孔傳導(dǎo)材料，所述多孔傳導(dǎo)材料還已公知 地被稱作氣體擴(kuò)散介質(zhì)，所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)將反應(yīng)劑分布在電極層的 表面上。燃料如氫氣被引導(dǎo)在陽極處，在所述陽極處，所述燃料在存 在催化劑的情況下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電子和氫陽離子。電子通 過設(shè)置在陽極與陰極之間的電路而從陽極被傳導(dǎo)至陰極。同時(shí)，氫陽 離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極，在所述陰極處，氧化劑如氧或空氣在存在 電解質(zhì)和催化劑的情況下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生氧陰離子。氧陰離子與氫陽離子進(jìn)行反應(yīng)從而形成了作為反應(yīng)產(chǎn)物的水。膜電極組件通常被插置在一對(duì)導(dǎo)電接觸元件或雙極板之間以便完 成單個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池。雙極板用作陽極和陰極的集電器，且具 有在其中形成的用于將燃料電池的氣體反應(yīng)物(即Hz和02/空氣)分布 在相應(yīng)的電極的表面上的適當(dāng)流動(dòng)通道和開口 。可通過將兩塊單極板 連結(jié)在一起而組裝雙極板，所述單極板具有在其上形成的流分布場(chǎng)。 通常情況下，雙極板還包括入口集管和出口集管，當(dāng)所述入口集管和 出口集管在燃料電池堆中被對(duì)齊時(shí)，所述入口集管和出口集管形成了用于分別將燃料電池的氣體反應(yīng)劑和液體冷卻劑引導(dǎo)至多個(gè)陽極和陰 極并且用于分別將所述氣體反應(yīng)劑和液體冷卻劑從所述多個(gè)陽極和陰極引導(dǎo)出來的內(nèi)部供應(yīng)歧管和排出歧管，正如本領(lǐng)域眾所周知地，燃料電池內(nèi)的膜需要具有一定的相對(duì)濕度以便將穿過膜的離子阻力保持在所需范圍內(nèi)從而有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。 在燃料電池的運(yùn)行過程中，來自膜電極組件和外部濕化裝置的濕氣可 進(jìn)入陽極流動(dòng)通道和陰極流動(dòng)通道。通常情況下，濕氣會(huì)在氣體反應(yīng) 劑的壓力作用下沿流動(dòng)通道受力，且該壓力是從流動(dòng)通道中進(jìn)行除水 的主要機(jī)理。然而，如果壓力不足，則水可能在一種已公知地被稱作 滯流的現(xiàn)象中進(jìn)行積聚。滯流的水可能阻塞流動(dòng)通道并且降低燃料電 池的總效率。水的積聚還可能導(dǎo)致陽極電極和陰極電極的腐蝕速率更 高并且導(dǎo)致在冷凍條件下的耐久性更差。高度的水積聚或滯流可能會(huì) 導(dǎo)致燃料電池失效?？紤]到產(chǎn)生水滯流的潛在可能性，在設(shè)計(jì)燃料電池的過程中，供 應(yīng)歧管與排出歧管之間以及相鄰的流動(dòng)通道之間或者相同的流動(dòng)通道 的部段之間速度的降低是很重要的考慮因素.沿從反應(yīng)劑入口至出口 的流場(chǎng)，氣體反應(yīng)劑的分壓隨著反應(yīng)劑在燃料電池反應(yīng)中的消耗而降 低。特別地，在陽極流場(chǎng)上，由于在燃料電池運(yùn)行過程中發(fā)生了氫的 消耗，因此使得供應(yīng)歧管與排出歧管之間速度的降低尤其成為問題.此外，在陽極上使用的氫不如02/空氣那么密集且陽極上的化學(xué)計(jì)量比要低于陰極上的化學(xué)計(jì)量比，這兩種情況都使得進(jìn)一步妨礙了在陽極 流場(chǎng)上進(jìn)行的除水。將水滯流減至最小程度是可能的，所述將水滯流減至最小程度例 如是通過用處于更高流速下的反應(yīng)劑氣體對(duì)通道進(jìn)行周期性吹掃或者 通過具有大體上更高的反應(yīng)劑再循環(huán)速率而實(shí)現(xiàn)的。然而，在膜電極 組件的陰極上，這增加了被施加到空氣壓縮機(jī)上的寄生功率并且降低 了總的系統(tǒng)效率。此外，由于上述原因而使得并不希望將氫氣用作膜 電極組件的陽極上的吹掃氣體，將氬用作膜電極組件的陽極上的吹掃 氣體可能導(dǎo)致降低經(jīng)濟(jì)性、導(dǎo)致系統(tǒng)效率更差并且增加系統(tǒng)復(fù)雜性.還可通過減輕入口濕化而減少通道中積聚的水.然而，需要在陽 極反應(yīng)劑和陰極反應(yīng)劑中提供至少 一些相對(duì)濕度以便使燃料電池膜水 化。干燥的入口氣體對(duì)于膜電解質(zhì)產(chǎn)生了干燥效應(yīng)且可能會(huì)增加燃料 電池的離子阻力。該方法還對(duì)膜電解質(zhì)的長(zhǎng)期耐久性產(chǎn)生了負(fù)面影響。具有抑制了流動(dòng)通道中特別是陽極流動(dòng)通道中的水滯流的流場(chǎng)的 雙極板仍然是所需要的.所希望的是，該流場(chǎng)還使得實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的電 流密度、減輕了電極腐蝕并且使得在燃料電池的運(yùn)行過程中燃料電池的穩(wěn)定性和冷凍性能(freeze capability)最大化。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的披露內(nèi)容，令人驚訝地開發(fā)了一種雙極板，所迷雙極 板具有流場(chǎng)，所述流場(chǎng)抑制了水滯流，由此使得實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的電流密 度、減輕了電極的碳腐蝕并且使得燃料電池的穩(wěn)定性和冷凍性能最大 化。在一個(gè)實(shí)施例中， 一種用于燃料電池的雙極板包括具有活性表面的 流場(chǎng)，所述流場(chǎng)具有入口區(qū)域和出口區(qū)域。所述活性表面與所述入口區(qū) 域和所述出口區(qū)域連通并且具有在所述活性表面中形成的至少一條流 動(dòng)通道。所述至少一條流動(dòng)通道在所述出口區(qū)域處具有比在所述入口區(qū) 域處的剖面面積更小的剖面面積，在另一實(shí)施例中，用于燃料電池的所述雙極板包括被連續(xù)分叉的多 條流動(dòng)通道，其中與所述入口區(qū)域連通的流動(dòng)通道的數(shù)量比與所述出口 區(qū)域連通的流動(dòng)通道的數(shù)量更多。在又一實(shí)施例中，用于燃料電池的所述雙極板具有沿所述活性表面 的長(zhǎng)度交替地分叉和合并的多條流動(dòng)通道。進(jìn)一步提供了一種燃料電池堆，所述燃料電池堆具有至少一個(gè)燃料 電池，所迷至少一個(gè)燃料電池具有被設(shè)置在一對(duì)雙極板之間的膜電極組 件。每塊雙極板具有入口區(qū)域和出口區(qū)域，且進(jìn)一步包括抑制了從所述 入口區(qū)域至所述出口區(qū)域的氣體反應(yīng)劑流速的降低的流場(chǎng)。


通過下面的詳細(xì)描述，特別是當(dāng)結(jié)合下文所示的附圖進(jìn)行考慮時(shí)， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解本發(fā)明的披露內(nèi)容的上述優(yōu)點(diǎn)以及其它 優(yōu)點(diǎn)。圖1示出了質(zhì)子交換膜燃料電池堆(圖中僅示出了兩個(gè)電池)的示 意性分解透視圖；圖2是用于質(zhì)子交換膜燃料電池堆中的由一對(duì)單極板組裝而成的 示例性雙極板的分解透視圖；圖3是具有分叉的流動(dòng)通道和合并的流動(dòng)通道的雙極板流場(chǎng)的頂部平面圖；圖4是具有連續(xù)分叉的流動(dòng)通道的雙極板流場(chǎng)的頂部平面圖； 圖5是具有偏移的分叉的流動(dòng)通道和合并的流動(dòng)通道的雙極板流 場(chǎng)的頂部平面圖；和圖6是圖5所示的流場(chǎng)的一部分的局部頂部平面圖。
具體實(shí)施方式
下面的描述在本質(zhì)上僅是示例性的且并不旨在限制本發(fā)明的披露 內(nèi)容及其應(yīng)用或使用。還應(yīng)該理解在所有附圖中，相應(yīng)的附圖標(biāo)記表 示相似或相應(yīng)的部件和特征。為簡(jiǎn)便起見，下文僅對(duì)由兩個(gè)電池構(gòu)成的燃料電池堆(即一塊雙極 板)進(jìn)行了圖示和描述，但應(yīng)該理解典型的燃料電池堆中將具有更多 的這種電池和雙極板。圖1示出了具有一對(duì)膜電極組件(MEA) 4、 6的由兩個(gè)電池構(gòu)成的 質(zhì)子交換膜燃料電池堆2，所述一對(duì)膜電極組件通過導(dǎo)電流體分布元件 8而彼此隔開，所述導(dǎo)電流體分布元件在下文被稱作雙極板8。膜電極 組件4、 6和雙極板8在端板10、 12之間且在端部接觸元件14、 16之 間被疊置在一起。端部接觸元件14、雙極板8的兩個(gè)活性表面以及端部 接觸元件16分別包含用于將燃料如&和氧化劑氣體如02分布到例如膜 電極組件4、 6上的多條流動(dòng)路徑或流動(dòng)通道18、 20、 22、 24。不導(dǎo)電 墊團(tuán)26、 28、 30、 32提供了燃料電池堆2的部件之間的密封和電絕緣。膜電極組件4、 6的電極34、 36、 38、 40通常例如由氣體可透過的 傳導(dǎo)材料如碳/石墨擴(kuò)散紙或擴(kuò)散介質(zhì)形成。電極34、 36、 38、 40與膜 電極組件4、 6的電極面鄰接.端部接觸元件14、 16分別受力靠在電極 34、 4G上，而雙極板8與膜電極組件4的陽極面上的被構(gòu)造以便接收含 氬反應(yīng)劑的電極36鄰接，且所述雙極板與膜電極組件6的陰極面上的 被構(gòu)造以便接收含氧反應(yīng)劑的電極38鄰接。含氧反應(yīng)劑通過適當(dāng)?shù)墓?應(yīng)導(dǎo)管42而從儲(chǔ)罐46被供應(yīng)至燃料電池堆2的陰極側(cè)，而含氫反應(yīng)劑 通過適當(dāng)?shù)墓?yīng)導(dǎo)管44而從儲(chǔ)罐48被供應(yīng)至燃料電池堆2的陽極側(cè)。 另一種可選方式是，環(huán)境空氣可作為含氧反應(yīng)劑被供應(yīng)至陰極側(cè)，且氫 可從甲醇或汽油重整器或類似裝置被供應(yīng)至陽極側(cè)。還設(shè)置了用于膜電 極組件4、 6的陽極側(cè)和陰極側(cè)的排出導(dǎo)管(未示出)。設(shè)置了用于將 冷卻劑供應(yīng)至雙極板8和端板14、 16的附加導(dǎo)管50、 52、 54,還設(shè)置了用于從雙極板8和端板14、 16中排出冷卻劑的適當(dāng)導(dǎo)管(未示出)。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性雙極板8的分解透視圖. 雙極板8包括第 一外部金屬板片或單極板200和第二外部金屬板片或單 極板202。單極板200、 202通常是通過用于對(duì)板片金屬進(jìn)行成形的任何 常規(guī)工藝而形成的，所述任何常規(guī)工藝?yán)缡菦_壓、機(jī)加工、模制成型 或者通過光致抗蝕掩模進(jìn)行的光刻，在一個(gè)特定實(shí)施例中，單極板200、 202是通過沖壓形成的。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到可獲得適用于本發(fā)明的單極板200、 202的多種標(biāo)號(hào) (gauge)的板片金屬。在特定的實(shí)施例中，金屬板片的厚度為約0. 002 英寸(約0. 05 mm)至約0.02英寸(約0. 5咖)。然而，應(yīng)該理解可根據(jù)需要使用具有其它厚度的板片金屬。應(yīng)該進(jìn)一步理解也可使用 其它材料。在其它實(shí)施例中，雙極板8可包括非金屬材料如石墨或填充 石墨的聚合物。圖2示出了第一單極板200的內(nèi)面224。在內(nèi)面224中形成了多條 脊部226，所述多條脊部在其間限定出多條通道228。多條脊部226被 構(gòu)造成用于使冷卻劑從雙極板的第一邊緣230流至第二邊緣232。單極 板202的內(nèi)面(未示出)也包括多條脊部(未示出)，所述多條脊部在 其間限定出多條通道(未示出)。該多條通道(未示出)被構(gòu)造成用于 使冷卻劑在燃料電池堆2的運(yùn)行過程中流動(dòng)通過該多條通道。第二單極板202具有外表面204，所述外表面面對(duì)著膜電極組件(未 示出)且被成形以便提供流場(chǎng)206。流場(chǎng)206由多條槽脊208限定.多 條槽脊208在其間限定出多條流動(dòng)通道210,所迷多條流動(dòng)通道構(gòu)成了 供反應(yīng)劑氣體流動(dòng)通過的"流場(chǎng)"。例如，反應(yīng)劑氣體可從雙極板的第 一端212流動(dòng)至所述雙極板的第二端214,當(dāng)燃料電池被完全組裝起來 時(shí)，槽脊208與多孔的碳/石墨擴(kuò)散介質(zhì)36、 38鄰接，所述多孔的碳/ 石墨紙進(jìn)一步與膜電極組件4、 6鄰接。通常情況下，槽脊208和流動(dòng)通道210被形成于單極板200、 202 的與碳/石墨擴(kuò)散介質(zhì)36、 38鄰接的外表面中，流動(dòng)通道210被構(gòu)造成 接收來自供應(yīng)孔口 216、 217的反應(yīng)劑氣體。供應(yīng)孔口 216、 217被形成 于入口集管218、 219中且被i殳置在雙極板8的第一端212處，流動(dòng)通 道210被進(jìn)一步構(gòu)造成通過排出孔口 220、 221排出過量的反應(yīng)刑氣體 和水。排出孔口 220、 221被形成于出口集管"2、 223中且被i殳置在雙極板的笫二端214處。應(yīng)該理解單極板200的外面大體上對(duì)應(yīng)于單極板202的外面.例 如，與單極板202相似地，單極板200的外面具有活性表面(未示出)。 單極板200被形成以便在單極板200的外面上提供流場(chǎng)(未示出)。正 如流場(chǎng)206那樣，位于單極板200的外面上的流場(chǎng)由在所述單極板上形 成的進(jìn)一步限定出多條流動(dòng)通道(未示出)的多條槽脊(未示出)限定， 所述多條槽脊和多條流動(dòng)通道構(gòu)成了供反應(yīng)劑氣體通過的位于單極板 200的外面上的流場(chǎng)，應(yīng)該理解位于單極板200的外面上的流場(chǎng)的設(shè) 計(jì)可與流場(chǎng)206的設(shè)計(jì)大體上相似。單極板200、 202進(jìn)一步具有在出口集管222、 223中形成的排出開 口 236、 237。排出開口 236、 237在被對(duì)齊且組裝起來的雙極板8中形 成了排出歧管，所述排出歧管提供了供排出反應(yīng)劑和反應(yīng)產(chǎn)物例如液體 水和水蒸汽被排出燃料電池堆2的通路。通常情況下，單極板200、 202例如通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起以便 形成組裝的雙極板8?？衫缤ㄟ^本領(lǐng)域眾所周知的釬焊、擴(kuò)散結(jié)合、 激光焊接或通過傳導(dǎo)粘結(jié)劑進(jìn)行的膠粘而實(shí)現(xiàn)所述連結(jié).適當(dāng)?shù)恼澈蟿?duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是已公知的且可根據(jù)需要被選擇。參見圖3，流場(chǎng)206包括與入口區(qū)域302如供應(yīng)孔口 217連通的活 性表面300?；钚员砻?00還與出口區(qū)域304如排出孔口 221連通.活 性表面300進(jìn)一步包括至少一條流動(dòng)通道306。該至少一條流動(dòng)通道306 被形成于活性表面300中且為清晰目的起見而在圖3至圖6中以交叉影 線表示。至少一條流動(dòng)通道306可在出口區(qū)域304處具有比在入口區(qū)域 302處的剖面面積更小的剖面面積。應(yīng)該理解，流動(dòng)通道306的剖面面 積的減少可以是連續(xù)的或者可包括離散的剖面面積減少的梯級(jí)。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一條流動(dòng)通道306具有至少一個(gè)分叉部308。 分叉部308形成了子通道310。子通道310可具有比流動(dòng)通道306的剖 面面積更小的剖面面積。在特定實(shí)施例中，至少一條流動(dòng)通道306可包 括具有設(shè)置在分叉部308之前的流動(dòng)通道部分313的笫一區(qū)域312、具 有至少兩條子通道310的第二區(qū)域314和具有設(shè)置在該至少兩條子通道 310的合并部318之后的流動(dòng)通道部分317的笫三區(qū)域316。作為一個(gè) 非限制性實(shí)例，第二區(qū)域314中的子通道310的剖面面積可小于笫一區(qū) 域312中的流動(dòng)通道部分313的剖面面積。在一個(gè)實(shí)施例中，子通道310的剖面面積為流動(dòng)通道部分313的剖面面積的約一半，示例性地，設(shè)置 在第三區(qū)域316中的流動(dòng)通道部分317的剖面面積可小于第一區(qū)域312 中的流動(dòng)通道部分313的剖面面積.在本發(fā)明的披露內(nèi)容的特定實(shí)施例中，流動(dòng)通道部分317的剖面面 積大體上等于子通道310的剖面面積。因此，流動(dòng)通道313可分叉成兩 條子通道310，每條所述子通道具有約一半的流動(dòng)通道313的剖面面積. 兩條子通道310可隨后進(jìn)行合并以形成流動(dòng)通道部分317并保持子通道 310中的一條子通道的剖面面積。因此，至少一條流動(dòng)通道306可在出 口區(qū)域304處具有比在入口 302處的剖面面積更小的剖面面積。在另一實(shí)施例中，流動(dòng)通道306可沿活性表面300的長(zhǎng)度320交替 地分叉和合并。例如，流動(dòng)通道306可包括多個(gè)分叉部308和多個(gè)合并 部318。在具有一條以上的流動(dòng)通道306的情況下，應(yīng)該意識(shí)到分叉 部308和合并部318的位置并不需要以相同的次數(shù)出現(xiàn)或者沿流場(chǎng)206 中的每條分叉的流動(dòng)通道306的長(zhǎng)度320位于相同位置處。在運(yùn)行中，應(yīng)該意識(shí)到以恒定的反應(yīng)劑流而4于進(jìn)通過流動(dòng)通道 306的反應(yīng)劑氣體的速度隨著流動(dòng)通道306剖面面積的減少而增加。作 為非限制性的實(shí)例，當(dāng)?shù)诙^(qū)域314中的子通道310具有約一半的第一 區(qū)域312中的流動(dòng)通道313的剖面面積時(shí)，流動(dòng)通過所述子通道的反應(yīng) 劑氣體的速度可加倍(假設(shè)反應(yīng)劑流恒定的情況下)。特別地，在與陽 極鄰接的流場(chǎng)206上，流動(dòng)通道306抑制了要不然由于氫氣的消耗而導(dǎo) 致通常會(huì)在入口區(qū)域302與出口區(qū)域304之間出現(xiàn)的速度降低。在特定 的示例性實(shí)例中，可大體上保持從入口區(qū)域302至出口區(qū)域304的氫氣 的速度.應(yīng)該理解，對(duì)速度降低的抑制可有利于從流場(chǎng)206中去除液體 水和水蒸汽并由此改進(jìn)燃料電池堆2的性能.例如，本文所述的限流被 用于抑制氫速度的降低.以這種方式實(shí)現(xiàn)的除水還阻抑了膜電極組件4、 6的電極的腐蝕并改進(jìn)了燃料電池堆2的冷凍耐久性。如圖4所示，本發(fā)明的另一實(shí)施例包括被連續(xù)分叉的至少一條流動(dòng) 通道306。正如本文所使用地，連續(xù)分叉被定義為意味著流動(dòng)通道306 被重復(fù)分叉以便提供至少兩條子通道404，所述至少兩條子通道隨后也 被分叉。應(yīng)該理解以所述方式進(jìn)行的流動(dòng)通道306的分叉可根據(jù)需要 進(jìn)行重復(fù)。在一個(gè)實(shí)施例中，連續(xù)分叉的流動(dòng)通道306可包括笫一數(shù)量400的流動(dòng)通道306和第二數(shù)量402的流動(dòng)通道306。示例性地，第一數(shù)量400 的流動(dòng)通道306可與流場(chǎng)206的入口區(qū)域302連通。第二數(shù)量403的流 動(dòng)通道306可與流場(chǎng)206的出口區(qū)域304連通。在特定實(shí)施例中，第一 數(shù)量400大于第二數(shù)量402,流動(dòng)通道306的分叉量可例如基于流場(chǎng)206 的尺寸。相似地，還可利用所需要的從入口區(qū)域302至出口區(qū)域304的 流動(dòng)通道306數(shù)量的減少來選擇分叉量。作為一個(gè)非限制性實(shí)例，具有連續(xù)分叉的流動(dòng)通道306可包括具有 設(shè)置在分叉部408之前的流動(dòng)通道部分407的第一區(qū)域406和設(shè)置在分 叉部408之后的第二區(qū)域410。第二區(qū)域410可包括兩條或多條子通道 404。在一個(gè)實(shí)施例中，子通道404可具有與流動(dòng)通道407的剖面面積 大體上相等的剖面面積，在另外的實(shí)施例中，子通道404的剖面面積可 小于流動(dòng)通道407的剖面面積.在特定實(shí)施例中，子通道404的剖面面 積為流動(dòng)通道306的剖面面積的約一半。如上所述，子通道404還可被 分叉。應(yīng)該意識(shí)到如圖4所示，至少一條流動(dòng)通道306的連續(xù)分叉可從 出口區(qū)域304延伸至入口區(qū)域306.因此，與入口區(qū)域302連通的流動(dòng) 通道306的第一數(shù)量400可大于與流場(chǎng)206的出口區(qū)域304連通的流動(dòng) 通道306的笫二數(shù)量402.作為非限制性實(shí)例，第一數(shù)量的通道400可 以比笫二數(shù)量的通道402多兩倍或更多倍。在特定實(shí)施例中，第一數(shù)量 的通道400比第二數(shù)量的通道402多約三倍。在運(yùn)行中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該i人識(shí)到以恒定的反應(yīng)劑流速行進(jìn) 通過流動(dòng)通道306的反應(yīng)劑氣體的速度可增加。因此，在連續(xù)分又的流 動(dòng)通道306的剖面面積大體上并未沿循分叉部產(chǎn)生改變的情況下，當(dāng)反 應(yīng)劑氣體在燃料電池反應(yīng)中被消耗時(shí)，出口區(qū)域304處通道402數(shù)量的 降低使得大體上保持了反應(yīng)劑氣體的速度，例如，在與陽極鄰接的流場(chǎng) 206上，連續(xù)分叉的流動(dòng)通道306抑制了要不然通常會(huì)在入口區(qū)域302 與出口區(qū)域304之間出現(xiàn)的速度降低。該速度的降低主要是由于氫氣的 消耗造成的。如同圖3所示的流場(chǎng)206那樣，圖4所示的流場(chǎng)206也有利于從流 動(dòng)通道306中除水。水的去除優(yōu)化了燃料電池堆2的性能、阻抑了膜電 極組件4、 6上的電極層的腐蝕并且使燃料電池堆2的冷凍耐久性最大 化。參見圖5，本發(fā)明的另一實(shí)施例包括具有至少一條笫一流動(dòng)通道 500和至少一條第二流動(dòng)通道502的多條流動(dòng)通道306,第一流動(dòng)通道 500和第二流動(dòng)通道502可在活性表面300上彼此偏移且^皮設(shè)置成彼此 相鄰。第一流動(dòng)通道500和第二流動(dòng)通道502中的每條流動(dòng)通道可包括 笫一區(qū)域312、第二區(qū)域314和笫三區(qū)域316。第一區(qū)域312包括設(shè)置 在分叉部308之前的流動(dòng)通道部分313。第二區(qū)域314包括設(shè)置在分叉 部308之后的至少兩條子通道310。第三區(qū)域316包括設(shè)置在至少兩條 子通道310的合并部318之后的流動(dòng)通道部分317。在特定的實(shí)施例中， 第一流動(dòng)通道500與第二流動(dòng)通道502偏移兩個(gè)節(jié)距。笫一流動(dòng)通道500 相對(duì)于笫二流動(dòng)通道502產(chǎn)生偏移使得將第一流動(dòng)通道500的第一區(qū)域 312或第三區(qū)域316設(shè)置成與第二流動(dòng)通道502的笫二區(qū)域314相鄰。 偏移的第一流動(dòng)通道500和第二流動(dòng)通道502限定出設(shè)置在其間的槽脊 208。在運(yùn)行中，應(yīng)該理解在子通道310中流動(dòng)的反應(yīng)劑氣體與在流動(dòng) 通道313、 317中流動(dòng)的反應(yīng)劑氣體之間形成了壓力梯度。分叉使得形 成了流的"膨脹(expansion)"且降低了隨著反應(yīng)劑向下游行進(jìn)反應(yīng) 劑氣體的壓力變化所處的變化率.此外，當(dāng)發(fā)生合并時(shí)，形成了流"瓶 頸"且壓力變化率隨著反應(yīng)劑向下游行進(jìn)而增加。在相鄰的流動(dòng)通道 500、 502中同時(shí)出現(xiàn)的分叉和合并導(dǎo)致形成了壓力梯度。因此，子通道 310中的壓力可低于相鄰的流動(dòng)通道313、 317中的壓力。如圖6所示，壓力梯度促進(jìn)了在槽脊208上的對(duì)流600。對(duì)流600提供了槽脊上的反應(yīng)劑氣體流。槽脊上的反應(yīng)劑氣體流的作用是用來平 衡壓力梯度。應(yīng)該意識(shí)到為了保持壓力梯度，第一流動(dòng)通道500、 502 進(jìn)一步產(chǎn)生分叉和合并。合并和分叉的流動(dòng)通道500、 502的型式提供 了在槽脊208上的穿過燃料電池的活性表面300的對(duì)流600。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解本發(fā)明的分叉和合并的流動(dòng)通道306 有效地實(shí)現(xiàn)了氣體反應(yīng)劑在活性表面300上的均勻分布。分叉和合并的 流動(dòng)通道306優(yōu)化了活性表面300的槽脊208中的水管理，原因在于對(duì) 流600克服了典型的流動(dòng)機(jī)理，例如擴(kuò)散(該機(jī)理依賴于在沒有對(duì)流的 情況下來移動(dòng)水)。應(yīng)該進(jìn)一步理解槽脊208可具有比本發(fā)明的活性表面300上的常 規(guī)槽脊更大的寬度。更寬的槽脊208提供了更少的流動(dòng)通道306，流動(dòng)通道306因此具有更大的剖面面積。具有更大的剖面面積的流動(dòng)通道 306降低了通常會(huì)阻抑通道306中的水移動(dòng)的毛細(xì)管力。除了此處所述的分叉的流動(dòng)通道206以外，流場(chǎng)206還可包括一個(gè) 或多個(gè)U形彎管(未示出)和/或混合區(qū)域(未示出)以便進(jìn)一步分布 反應(yīng)劑氣體。本領(lǐng)域中已公知的用來有利于反應(yīng)劑氣體的分布的這些和 其它構(gòu)型可與本發(fā)明的流場(chǎng)206 —起使用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可為沿活性表面206的長(zhǎng)度320的第一流動(dòng)通 道500和第二流動(dòng)通道502的分叉和合并選擇優(yōu)化的頻度，以便獲得所 需的對(duì)流。反應(yīng)劑氣體的這種均勻分布優(yōu)化了燃料電池的性能.應(yīng)該進(jìn) 一步認(rèn)識(shí)到對(duì)流通過阻抑水的滯流而抑制了在寒冷條件下的結(jié)水。本發(fā)明的雙極板8可用于燃料電池堆2中。這種燃料電池堆2可用 于用來使車輛如汽車運(yùn)行的動(dòng)力系統(tǒng)中。特別地，當(dāng)作為燃料電池堆2 的一部分而處于運(yùn)4亍中時(shí)，流場(chǎng)206可阻抑或抑制從入口區(qū)域302至出 口區(qū)域304的氣體反應(yīng)劑的流速的降低。作為圖示性的實(shí)例，氣體反應(yīng) 劑可包括氫氣且流場(chǎng)206可與陽極鄰接以便分布?xì)錃狻１３至俗钚』?氫氣流速使得抑制了陽極流場(chǎng)206中的水滯流。正如所述，水滯流的阻 抑導(dǎo)致減輕了膜電極組件4、 6的催化電極層的腐蝕的發(fā)生。本發(fā)明還 使得燃料電池在寒冷條件下的運(yùn)行過程中的冷凍性能得以最大化。由于 在活性表面300上實(shí)現(xiàn)了氣體反應(yīng)劑的均勻分布，因此流場(chǎng)206進(jìn)一步 提供了優(yōu)化的電流密度。盡管已經(jīng)出于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明的目的而對(duì)特定的代表性實(shí)施例 和細(xì)節(jié)進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解可在不偏離本發(fā)明 的披露內(nèi)容的范圍的情況下作出多種改變，在下面的所附權(quán)利要求書限 定出范圍內(nèi)對(duì)所述多種變型進(jìn)行了進(jìn)一步描述。
權(quán)利要求
1、一種用于燃料電池的雙極板，所述雙極板包括包括活性表面的流場(chǎng)，所述流場(chǎng)具有入口區(qū)域和出口區(qū)域，所述活性表面與所述入口區(qū)域和所述出口區(qū)域連通且具有在所述活性表面中形成的至少一條流動(dòng)通道，所述至少一條流動(dòng)通道在所述出口區(qū)域處具有比在所述入口區(qū)域處的剖面面積更小的剖面面積。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板，其中所述至少一條流動(dòng)通道是 分叉的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極板，其中所述至少一條流動(dòng)通道形 成了子通道。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板，其中所述子通道具有比所述流 動(dòng)通道的剖面面積更小的剖面面積。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極板，其中所述至少一條流動(dòng)通道包 括具有設(shè)置在分叉部之前的流動(dòng)通道的第一區(qū)域、具有至少兩條子通道 的第二區(qū)域、和具有設(shè)置在所述至少兩條子通道的合并部之后的流動(dòng)通 道的第三區(qū)域.
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙極板，其中所述笫二區(qū)域中的子通道 的剖面面積小于約一半的所述笫一區(qū)域中的所述流動(dòng)通道的剖面面積。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙極板，其中所述笫三區(qū)域中的所述流 動(dòng)通道的剖面面積小于所述第一區(qū)域中的所述流動(dòng)通道的剖面面積.
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙極板，其中所述笫三區(qū)域的所述剖面 面積和所述笫二區(qū)域中的子通道的所述剖面面積大體上相等。
9、 一種用于燃料電池的雙極板，所迷雙極板包括 包括活性表面的流場(chǎng)，所述流場(chǎng)具有入口區(qū)域和出口區(qū)域，所述活性表面與所迷入口區(qū)域和所迷出口區(qū)域連通且具有在所述活性表面中 形成的多條流動(dòng)通道，所述多條流動(dòng)通道的至少一部分是分叉的。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙極板，其中與所述入口區(qū)域連通的流 動(dòng)通道的數(shù)量大于與所述出口區(qū)域連通的流動(dòng)通道的數(shù)量。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙極板，其中所述分叉的流動(dòng)通道包括 具有設(shè)置在分叉部之前的流動(dòng)通道的第一區(qū)域和設(shè)置在分叉部之后的 第二區(qū)域，所述第二區(qū)域具有至少兩條子通道。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙極板，其中所述第一區(qū)域中的所述 流動(dòng)通道的剖面面積和所述第二區(qū)域中的子通道的剖面面積大體上相 等。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所迷的雙極板，其中子通道是分叉的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙極板，其中所述多條流動(dòng)通道沿所述 活性表面的長(zhǎng)度交替地分叉和合并。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所迷的雙極板，其中所述多條流動(dòng)通道形成 了多條槽脊，所述槽脊中的每條槽脊被設(shè)置在一對(duì)所述流動(dòng)通道之間.
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所迷的雙極板，其中所述多條流動(dòng)通道包括笫一流動(dòng)通道和第二流動(dòng)通道，每條流動(dòng)通道具有設(shè)置在分叉部之前的 第一區(qū)域、具有至少兩條子通道的第二區(qū)域和設(shè)置在所述至少兩條子通 道的合并部之后的第三區(qū)域。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的雙極板，其中所迷第一流動(dòng)通道相對(duì) 于所述笫二流動(dòng)通道產(chǎn)生偏移，其中所述第一流動(dòng)通道的所述第二區(qū)域 被設(shè)置成與所述第二流動(dòng)通道的所述笫一區(qū)域或笫三區(qū)域相鄰.
18. 一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括具有膜電極組件的至少一個(gè)燃料電池，所述膜電極組件具有陽極層 和陰極層，所述膜電極組件被設(shè)置在一對(duì)雙極板之間，每塊雙極板包括 具有入口區(qū)域和出口區(qū)域的流場(chǎng)，在所述入口區(qū)域處，氣體反應(yīng)劑被供 應(yīng)至所述流場(chǎng)，在所述出口區(qū)域處，所述氣體反應(yīng)劑被排出所迷流場(chǎng)， 所述流場(chǎng)具有活性表面，所述活性表面具有在其中形成的至少一條流動(dòng) 通道，所述至少一條流動(dòng)通道與所述入口區(qū)域和所述出口區(qū)域連通以便 將所述氣體反應(yīng)劑分布到所述陽極層和所述陰極層中的一種上，其中所 迷流場(chǎng)抑制了從所迷入口區(qū)域至所述出口區(qū)域的所述氣體反應(yīng)劑流速 的降低，
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述氣體反應(yīng)劑包 括氫。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述流場(chǎng)在所述第 一流動(dòng)通道與所述第二流動(dòng)通道之間形成了壓力梯度，由此促進(jìn)了在所 迷槽脊上的所述氣體反應(yīng)劑的對(duì)流。
全文摘要
提供了一種用于燃料電池的雙極板，所述雙極板包括具有活性表面的流場(chǎng)，所述流場(chǎng)具有入口區(qū)域和出口區(qū)域。所述流場(chǎng)的所述活性表面與所述入口區(qū)域和所述出口區(qū)域連通且具有在所述活性表面中形成的至少一條流動(dòng)通道。所述至少一條流動(dòng)通道進(jìn)一步地在所述出口區(qū)域處具有比在所述入口區(qū)域處的剖面面積更小的剖面面積。在特定實(shí)施例中，所述至少一條流動(dòng)通道是分叉的。還提供了一種包括燃料電池和所述雙極板的燃料電池堆。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101267042SQ200810083590
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者D·J·達(dá)加, J·A·羅克, J·P·奧維彥, P·A·拉帕波特, T·A·特拉波德, T·W·蒂赫 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司