超短高压力梯度流动路径流场制造技术

本发明专利技术针对一种具有配置在两个偏离平面上的给进歧管和排出歧管的平面流场设计。相对较短的通路从给进歧管经排出歧管延伸并终止在膜电极组（ＭＥＡ）的反应面，以便提供从给进歧管经通路并跨越ＭＥＡ的反应面到达排出歧管的差异流动分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超短高压力梯度流动路径流场
本专利技术涉及PEM燃料电池，并且更具体地涉及一种其中需要相对较小的压降来实现必要流速的分离流场板。
技术介绍
燃料电池已经在许多应用中用作能源。例如，已经提议将燃料电池用于电车的动力设备中来代替内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢作为燃料供应到燃料电池的阳极，而氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组(MEA)，包括薄的透质子的非导电性固态聚合物电解质膜，其在一面上具有阳极催化剂，而反面为阴极催化剂。MEA夹在一对无孔导电元件或板之间，该板(1)作为阳极和阴极的集电器，以及(2)包含形成于其内部用于分配各阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池气态反应物的适当通道和/或开口。术语”燃料电池”根据情况通常用来指单个电池或多个电池(堆栈)。多个独立的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆栈并且一般配置成电串联。堆栈内的各电池包括上述的膜电极组(MEA)，并且每个这种MEA提供其电压增量。堆栈内相邻电池的群组称为簇。在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即，燃料)而氧是阴极反应物(即，氧化剂)。氧可以是纯净形式(O2)或空气(O2和N2的混合物)。固态聚合物电解质通常由离子交换树脂制成，例如全氟(perfluoronated)磺酸。阳极/阴极通常包括极细的催化粒子，该催化粒子经常支撑在碳粒子上，并且与导质子树脂混合。催化粒子通常是昂贵的贵金属粒子。由于这种MEA的制造成本相对高并且需要特定的条件来进行有效操作，包括适当的水分管理和湿度以及催-->化剂污垢成分的控制，例如一氧化碳(CO)。传统上，夹持MEA的导电板包含用于在各阳极和阴极表面(本申请中统称为有效区域)分配燃料电池气态反应物(即，气态形式的氢和氧)的反应物流场。这些反应物流场通常包括多个在其间限定多个流动通道的槽脊，气态反应物经该通道从位于流动通道一端的供应集管(header)流动到位于流动通道相对端的排气集管。对于性能良好的流场的要求可以表现为局部要求和整体要求。局部要求一般用于有效区域上的每个点，而整体需求用于整个流场设计。为了满足性能良好的流场的局部要求，流场应该(1)输送气体和湿度，(2)去除废气并且(3)去除液态水。为了满足性能良好的流场的整体要求，流场应该(4)在有效区域上的所有点处满足局部要求，(5)以合理低的总压降满足局部要求，(6)随时间始终满足局部要求因而产生稳定的流动，并且(7)在所有所需的流动和负荷条件下满足局部要求。对稳定流动的要求(6)是难以满足的要求。对于这种困难引用了两个原因。首先，很难精确确定何时已经实现了稳定流动，因为存在多个根据其能够成功完成稳定流动的条件。稳定流动需要恒定地去除液态水。然而，可以通过多种方式去除水。例如，在某些情况下，气体速度可能太高，以至于不可能收集液态水。在其它情况下，液态水可以收集并随后出现压力增大，使得液态水移出。在有些情况下，低气体速度以及无力构建压力产生不利的水去除条件以及不稳定的气体流动。稳定流动难以实现的第二个原因是：为了满足它，必须平衡其它的流场要求。例如，满足要求(3)和(6)的流场设计方面直接与满足要求(4)和(5)的设计方面竞争。后续三个实例示范了目前设计满足所有要求的流场的难度，包括建立恒定的水去除所需的两种可能稳定流动条件中的任意一种。在第一实例中，通过建立高气体速度条件可能实现稳定流动。通过设计具有高气压梯度的流动路径建立高气体速度条件。然而，对于-->均匀大小的有效区域，这种设计的后果是总流场压降高到无法接收的的流场。通过这种方式，实现了要求(3)、(4)和(6)，而(5)没有得到满足。在第二实例中，为了减小总压降，可以修改实例1以便获得长度更短的更多平行流动路径。然而，在达到可接受的低压降时，气体速度降低到允许形成液态水的水平。因而，随着建立许多平行流动路径，不再可能通过压力增大来去除液态水，因为不能形成压力增大。因而，实现了要求(4)和(5)，而(3)和(6)仍无法满足。在第三实例中，为了便于通过压力增大进行液体去除，可以通过取走某些平行流动路径来修改实例2。然而，如果要保持低的总压降要求，加到各流动路径以补偿去除的流动路径的长度是有限的。在这种情况下，可实现所有的要求，除了需要流场覆盖整个有效区域的要求。具体说来，可实现要求(3)、(5)和(6)，而(4)无法满足。
技术实现思路
本专利技术针对一种用于在存在液态水的情况下实现稳定气流以及用于提高催化剂层内的氧分压以便提升电池性能的流场设计。该流场设计包括配置在两个偏离平面内的给进歧管和排出歧管。相对较短的通路从给进歧管延伸到排出歧管并且终结在扩散介质处，以便提供从给进歧管经通路和扩散介质到达排出歧管的流体连通。因而，可以采用本专利技术还建立经扩散介质的对流的相互交叉流动，以便提高催化剂层的氧分压。在一方面中，本专利技术针对一种具有限定在膜电极组(MEA)和第一不透气元件之间的第一歧管的燃料电池，第一歧管内设置一组间隔物。第二歧管限定在第一平面元件和第二不透气元件之间。第一不透气元件和间隔物具有经其形成的孔口，以便建立从第一歧管横越MEA的反应面到达第二歧管的流动路径。-->在另一方面中，本专利技术针对一种燃料电池，具有MEA、与扩散介质片成间隔关系设置以便在其间限定第一歧管的第一隔离片以及设置在第一歧管内得第一组间隔物，第一组间隔物的每一个间隔物具有与形成于其中的第一歧管横向的孔口。第二隔离片与第一隔离片成间隔关系设置，以便在其间限定与该孔口横向的第二歧管，并且第二组间隔物设置在第二歧管内。在第一歧管和第二歧管之间限定经孔口跨越MEA反应面的流动路径。在又一方面中，本专利技术针对一种用于制造燃料电池的隔离板的方法，其中第一导电片层压在第一膜片上，并且所述第一导电片的一部分从第一膜片上去除，以便第一导电片的剩余部分限定第一间隔物阵列。经第一间隔物阵列中的各间隔物和第一膜片形成通路，以建立一系列平行的流动路径。第二导电片层压到第二膜片上，并且第二导电片的一部分从第二膜片去除，以使第二导电片的剩余部分限定第二间隔物阵列。第二间隔物阵列在第一间隔物阵列的对面层压到第一膜片，以使第一歧管形成在第一膜片和第二膜片之间。通过下文提供的详细描述，本专利技术实用性的更多领域显而易见。应该理解尽管显示了本专利技术的优选实施例，但详细描述和特定实例倾向于仅出于说明目的，并不倾向于限制本专利技术的范围。附图说明通过详细描述和所附附图能够更全面的理解本专利技术，其中：图1是PEM燃料电池堆栈中包括一对互补弹簧封口的燃料电池的等大分解示意图；图2是图1所示的双极板的部分分解透视图；图3A是根据本专利技术优选实施例的隔离板的排出侧的平面示意图；图3B是图3A的隔离板入口侧的平面示意图；图4A是沿线4-4的图3A的隔离板的部分截面示意图；图4B是显示流动路径的各输送、活性区域以及排出段的图4A-->的隔离板的部分截面示意图图4C是隔离板入口侧的细节；图4D是隔离板排出侧的细节；图5A是根据本专利技术备选实施例的隔离板入口侧的部分平面示意图；图5B是根据本专利技术另一备选实施例的隔离板入口侧的部分平面示意图；图6A是经入口集管的双极板的截面示意图；图6B是经排气集管的双极板的截面示意图；以及图7是显示用于根据本专利技术制造隔离板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：限定在第一不透气元件和活性元件之间的第一歧管；设置在所述第一歧管内的多个间隔物，各所述多个间隔物和所述第一不透气元件具有形成为通过其中的孔口；限定在所述第一不透气元件和第二不透气元件之间的第二歧管 ；其中：建立有从所述第一歧管经所述孔口越过所述活性元件到所述第二歧管的流动路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-1-16 10/758,8161.一种燃料电池，包括：限定在第一不透气元件和活性元件之间的第一歧管；设置在所述第一歧管内的多个间隔物，各所述多个间隔物和所述第一不透气元件具有形成为通过其中的孔口；限定在所述第一不透气元件和第二不透气元件之间的第二歧管；其中：建立有从所述第一歧管经所述孔口越过所述活性元件到所述第二歧管的流动路径。2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括经所述燃料电池延伸以提供从所述活性元件经所述多个间隔物和所述第一不透气元件到达所述第二不透气元件的连续性的导电路径。3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物是导电的。4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于：所述导电路径进一步包括设置在经所述第一不透气元件形成的通路内的导电填充物。5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述第一不透气元件设置为与所述第二不透气元件成基本平行间隔关系，以使所述第一歧管与所述第二歧管基本平行。6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括设置在所述第二歧管的多个第二间隔物。7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物包括设置在所述第一不透气元件上的嵌套的间隔物阵列。8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括插入在所述第一不透气元件和所述第二不透气元件之间的框架。9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述多个间隔物-->在所述第一歧管内的所述第一不透气元件上等距间隔。10.一种燃料电池，包括：活性元件；设置为与所述扩散介质片成间隔关系以便在其间限定第一歧管的第一隔离片；设置在所述第一歧管内的第一组间隔物，各所述第一组间隔物具有与形成于其中的所述第一歧管横向的孔口；设置为与所述第一隔离片成间隔关系以便在其间限定与所述孔口横向的第二歧管的第二隔离片；以及设置在所述第二歧管内的第二组间隔物；其中，在所述第一歧管和所述第二歧管之间限定有经所述孔口横越所述活性元件的流动路径。11.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括经所述燃料电池延伸以提供从所述活性元件经所述第一组间隔物、所述第一间隔片、所述第二组间隔物和所述第二间隔片的连续性的导电路径。12.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于：所述第一和第二组间隔物是导电的。13.如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于：所述导电路径进一步包括设置在分别经所述第一和第二隔离片形成的通路内的导电填充物。14.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一隔离片设置为与所述第二隔离片成基本平行间隔关系，以使所述第一歧管与所述第二歧管基本平行。15.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物包括设置在所述第一间隔片上的嵌套的第一间隔物阵列。16.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的一个子组至少部分叠放在由所述第一组间隔物的下层第一间隔-->物和插入其间的所述第一隔离片限定的区域上。17.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的子组完全叠放在由所述第一组间隔物的下层第一间隔物限定的区域上。18.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于：所述第二间隔物的子组包括叠放在由所述第一组间隔物的一对下层第一间隔物限定的区域上的间隔物。19.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括插入在所述第一隔离片和所述第二隔离片之间的框架，所述框架外接所述第二组间隔物。20.如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括形成在所述框架内并与所述第一歧管和所述第二歧管中的一个处于流体连通的集管。21.如权利要求20所述的燃料电池，其特征在于：进一步包括在所述集管与所述第一歧管和所述第二歧管中的一个之间形成在所述框架内的一组流道。22.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物中的各间隔物包括具有形成在其中心的所述孔口的盘。23.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：所述第一组间隔物在所述第一歧管内的所述第一隔离片上等距间隔。24.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于：各所述第一和第二隔离片包括聚酰亚胺薄膜。25.如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于：所述第一和第二组间隔物中的各所述间隔物包含不锈钢成分。26.一种燃料电池包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：MW默菲，顾文斌，LJ迪皮特罗，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]