專利名稱：具有改進凝結(jié)和反應(yīng)產(chǎn)物處理能力的燃料電池的制作方法
美國政府可以享有在此公開的發(fā)明的授權(quán)以及在限定范圍內(nèi)要求專利權(quán)人在適當?shù)臈l件下授權(quán)給其他人的權(quán)利。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及燃料電池，尤其是涉及燃料電池內(nèi)部凝結(jié)和反應(yīng)產(chǎn)物的處理。
2.相關(guān)技術(shù)說明燃料電池將燃料和氧化劑(統(tǒng)稱“反應(yīng)物”)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骱头磻?yīng)產(chǎn)物。多個燃料電池使用氫氣作為燃料和氧氣作為氧化劑。在這種情況下，反應(yīng)產(chǎn)物是水。這樣的燃料電池如質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。在質(zhì)子交換膜燃料電池中每個單電池包括一個陽極和一個陰極，陽極和陰極之間被一個薄的離子導電膜隔開，通常將這些統(tǒng)稱為膜電極部件(MEA)。在離子導電膜兩相對側(cè)的陽極和陰極包括由一包含膜和氣體擴散層的薄層催化劑。將氫氣提供到陽極上，氧氣提供到陰極上。氣體擴散層確保氫氣有效地傳輸?shù)疥枠O催化劑上和確保氧氣有效地傳輸?shù)疥帢O催化劑上，氫氣在陽極催化劑上被電化學除去電子，由此產(chǎn)生的質(zhì)子通過導電膜遷移，并與陰極催化劑上的氧化劑反應(yīng)生成水。將單獨的膜電極部件疊加，彼此間用不可滲透的電子導電的雙極板電串聯(lián)連接，雙極板在某一膜電極部件的陽極和相鄰的膜電極部件的陰極之間傳導電流。雙極板具有在一側(cè)形成的多個用于在某一膜電極部件上傳輸燃料的通道，和在另一側(cè)形成的多個用于在相鄰的膜電極部件上傳輸氧化劑的通道。反應(yīng)物，例如氫氣和氧氣，由各自的進氣管道通過通道用泵傳輸?shù)礁髯缘某鰵夤艿馈?br> 由于許多原因，認為燃料電池是很有吸引力的能源。與常規(guī)電池相比，燃料電池的優(yōu)點在于只要連續(xù)不斷地提供燃料，燃料電池可以保持一定的輸出功率，而不受充/放電循環(huán)的阻礙。燃料電池還有相對較小、重量輕并且不污染環(huán)境的優(yōu)點。質(zhì)子交換膜燃料電池最為顯著的優(yōu)點是由于其工作溫度較低和使用非液體、非腐蝕性的電解質(zhì)。
盡管燃料電池具有上述優(yōu)點，仍然可對常規(guī)燃料電池進行改進。例如，反應(yīng)產(chǎn)物例如水可在通道內(nèi)積累，從而阻礙反應(yīng)物流動。在反應(yīng)物中的濕氣還能凝結(jié)，從而在通道內(nèi)積累。常規(guī)燃料電池通過在進氣管道和出氣管道之間產(chǎn)生壓力差(或壓降)以試圖從通道內(nèi)清除反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)的濕氣。理想的壓力差是大到可以防止反應(yīng)產(chǎn)物和/或凝結(jié)的濕氣在雙極板的一個或多個通道內(nèi)積累的一種壓差。取決于包括燃料電池工作條件(例如流量和溫度)、雙極板通道的材料和加工、和通道的幾何形狀等許多因素的這種必需的壓力差典型地是介于幾英寸水和15PSI之間。
在常規(guī)燃料電池內(nèi)，當反應(yīng)物通過通道時，通過壁摩擦力的影響使壓力降低。更特殊地是，產(chǎn)生足夠的基于壁摩擦力的壓力差的傳統(tǒng)方法是使在雙極板上的反應(yīng)物通道長和曲折或具有小的水壓直徑?？蛇x擇地，可以提高反應(yīng)物流量以產(chǎn)生較大的摩擦損失和壓降。
在這里，本發(fā)明人認為用長、曲折的反應(yīng)物流動通道來產(chǎn)生壓力差的方法并不是最理想的。例如，雖然在通道之間壓力差相同以確保反應(yīng)物流量相同很重要，但是制造一系列長、曲折、等長的通道不僅很難而且價格很高。還有，在某些情況下使用長、曲折的通道或者不實際或者不可能。例如，六邊形的雙極板經(jīng)常包括Z-形狀的氣流通道，這種通道不能很長或曲折。六邊形雙極板的幾何形狀需要很遠的長、曲折的通道以致于分開太遠而不能獲得滿意的反應(yīng)物到氣體擴散電極的擴散。正因如此，用常規(guī)長、曲折的通道方法很難獲得所需的壓力差。此外，在制造雙極板的技術(shù)上，近來的發(fā)展結(jié)果導致相對較直的反應(yīng)物流動通道。一種這樣的雙極板在當前共同申請的申請?zhí)枮?、名稱為“Fuel Cell and Bipolar Plate For Use WithSame”的專利文獻中公開，在此結(jié)合其內(nèi)容作為參考。
在這里，本發(fā)明人還認為通過使用具有小的水力直徑的反應(yīng)物通道來產(chǎn)生壓力差并是最不理想。使用小的水力直徑的反應(yīng)物通道要求很嚴格的制造公差，這是由于在沒有嚴格的公差的情況下，通道之間的摩擦力差別很大，這將導致不相同的反應(yīng)物流量。因此，雖然具有小水力直徑的雙極板容易獲得，但是其生產(chǎn)要求使用相對費力的和價格昂貴的生產(chǎn)過程。
在這里，本發(fā)明人還認為提高反應(yīng)物流量不是產(chǎn)生壓力差的最佳方法。提高燃料流量導致燃料浪費，因此降低了燃料電池的效率。提高氧化劑的流量更加降低燃料電池的效率，這是由于有關(guān)的壓縮機或風機需要額外的能量。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種能從反應(yīng)物通道中清除反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣的燃料電池。本發(fā)明的另一個目的就是提供一種雙極板部件，該雙極板部件在不采用長、曲折的通道的情況下，能在進氣和出氣管道之間產(chǎn)生足夠的壓力差以從反應(yīng)物通道中清除反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣。本發(fā)明再一個目的就是提供一種雙極板部件，該雙極板部件在不采用小水力直徑的通道的情況下，能在進氣和出氣管道之間產(chǎn)生足夠的壓降以從反應(yīng)物通道中清除反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣。本發(fā)明還有另一個目的就是提供一種能在通道之間和板之間產(chǎn)生相同壓力差的雙極板部件。
為了實現(xiàn)這些和其它的目的，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，雙極板部件包括多個限定各自入口和出口的反應(yīng)物通道，相鄰?fù)ǖ乐g的入口彼此相鄰，相鄰?fù)ǖ乐g的出口彼此相鄰，而且至少兩個流量限制器分別與至少兩個相鄰的反應(yīng)物通道相連。在一個實施例中，入口與通用的進氣管道相連，出口與通用的出氣管道相連。
本發(fā)明提供的雙極板和燃料電池比常規(guī)雙極板和燃料電池多許多優(yōu)點。例如，流量限制器產(chǎn)生壓降可以足夠從通道中清除反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)的濕氣，因此消除了在常規(guī)燃料電池中對長、曲折的通道、小水力直徑通道和產(chǎn)生壓降的過量流速的需要。裝配相同尺寸的流量限制器也相對容易，這在沒有很困難和價格昂貴地用嚴格的公差制造相同長度的通道的情況下產(chǎn)生了相同的壓力差和相同的流過通道的反應(yīng)物流量。
在本發(fā)明的那些實施例中，入口和出口與通用的進氣和出氣管道相連，壓力差將由流量限制器的流量和幾何形狀決定。如果某一通道堵塞，通過管道的壓力差將基本上保持不變，而且通過與堵塞通道相連的流量限制器的壓降將為零，因為流量為零。因此，通過堵塞通道自身的壓力差將與通過進氣和出氣管道的壓力差相等。這種壓力差將足夠大以清除所有通道內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣。
通過參照下面的詳細說明，結(jié)合附圖考慮時，本發(fā)明變得更易理解，本發(fā)明上面的描述和許多其它的特征以及附帶的優(yōu)點將變得顯而易見。
附圖簡要說明參照附圖，詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙極板部件的平面圖。
圖2是在圖1中所示的雙極板部件的部分放大圖。
圖3是在圖1中沿著直線3-3截取的局部剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的陰極板的平面圖。
圖5是在圖4中沿著直線5-5截取的局部剖面圖。
圖6是在圖4中所示的雙極板部件的部分放大圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃料電池組件的分解圖。
圖8是在圖7中在裝配狀態(tài)下所示的燃料電池組件的局部剖面圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池疊層的透視圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明下面是實施本發(fā)明的最為熟知的方法的詳細說明。不是在限制意義上采用這個說明，而是只為了示本發(fā)明的整個原理作出此說明。
正如在圖1-3中所示的，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙極板部件10包括雙極板12和框架14。雙極板12和框架14可以是分開的結(jié)構(gòu)部件，通過焊接、粘合或其它的機械式固定彼此相連，正如所示，或作為一個整體部件形成。典型的雙極板12包括具有交替連續(xù)的氧化劑通道18和氧化劑側(cè)隆起部20的氧化劑側(cè)16，以及具有交替連續(xù)的燃料通道24和燃料側(cè)隆起部26的燃料側(cè)22。氧化劑通道18包括入口28和出口30，燃料通道包括入口32和出口34。相鄰的通道由側(cè)壁36隔開。典型的框架14包括圍繞雙極板12四周延伸的框架部件38。燃料進氣和出氣管道40和42，氧化劑進氣和出氣管道44和46，以及冷卻劑進氣和出氣管道48和50在框架部件38上形成。每一管道優(yōu)選包括多個加強部件52。
如圖2中實施例所示，典型的雙極板12具有波狀的結(jié)構(gòu)。在相鄰的氧化劑通道18和燃料通道24之間基本上沒有重疊。產(chǎn)生小型、輕的雙極板的波狀結(jié)構(gòu)在上述命名為“Fuel Cell and Bipolar Plate ForUse With Same.”的申請中更加詳細地討論。此外，雖然可以采用其它的結(jié)構(gòu)，但是在截面上每個通道基本上是梯形形狀。選擇性地，可以采用基本上為方形形狀的橫截面作為能夠部分或完全彎曲的橫截面。盡管如此，對于最佳的集電而言，為了增大用于集電的接觸面積，隆起部20和26(其將和膜電極部件接觸)基本上應(yīng)當是平板狀。
在進氣管道40及44和出氣管道42及46之間產(chǎn)生壓力差的流量限制器至少與通道18和24中的一些，最好是所有相連。在圖1-3所示的典型實施例中，通過使用燃料進氣管54和氧化劑進氣管56來實現(xiàn)流量限制器，燃料進氣管54通過框架部件38并且將燃料進氣管道40與燃料通道入口32相連，氧化劑進氣管56通過框架部件并且將氧化劑進氣管道44與氧化劑通道入口28相連。燃料出氣管58將燃料通道出口34與燃料出氣管道42相連，氧化劑出氣管60將氧化劑通道出口30與氧化劑出氣管道46相連。進氣管54和56的橫截面(或流量)面積要足以產(chǎn)生流量限制，因此在進氣管道和通道入口之間產(chǎn)生壓力差。雖然可以使用其它的形狀，但是在所示的實施例中，進氣管54及56和出氣管58及60在橫截面上是圓的，而且出氣管的內(nèi)徑大約是進氣管內(nèi)徑的兩倍。同樣，出氣管58和60的流量面積大約是進氣管54和56的流量面積的四倍，使其足夠大以不能產(chǎn)生任何明顯的流量限制器。
流量限制器(在圖1-3中所示的實施例中的管54和56)產(chǎn)生壓降足以將反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣從通道18和24中清除。這消除了對常規(guī)長、曲折的通道，具有小水力直徑的通道和過量流速的需要。至少50％、最好是全部的壓降在流量限制器發(fā)生。此外，在通道入口和出口與通用的進氣和出氣管道相連的地方，管道之間的壓力差將由限制器的幾何形狀和反應(yīng)物流速來決定。當一個通道被反應(yīng)產(chǎn)物或凝結(jié)濕氣阻塞時，在阻塞通道內(nèi)的流動停止，在余下的沒有阻塞的通道內(nèi)流動繼續(xù)。由于正常流過阻塞通道的反應(yīng)物將流過余下的沒有阻塞的通道，所以進氣和出氣管道之間的壓力差提高。在阻塞通道內(nèi)，由于沒有流量，所以通過限制器沒有壓力差。因此，通過阻塞通道自身的壓力差與通過進氣和出氣管道的壓力差相等。這樣的壓力差將足以清除所阻塞的通道中的反應(yīng)產(chǎn)物和凝結(jié)濕氣。限制器最好還具有相同的尺寸，這將提供通過通道之間和板之間相同的壓力差和反應(yīng)物流量。
值得注意的是，流量限制器并不限于在圖1-3中所示的相對小的進氣管設(shè)置。例如，在圖4-6中所示的陰極板62包括一系列從進氣管道66延伸到出氣管道68的Z形狀的通道。比Z形狀通道64窄的縮頸70形成在每個通道的入口端72。在典型實施例中，縮頸70的橫截面積大約是通道64橫截面積的十分之一?？s頸70產(chǎn)生壓降的方式與在圖1-3中所示的進氣管54和56的方式相同。
也可以使用其它類型的流量限制器。例如，所有的進氣管和出氣管的流量面積足夠大以致于它們不會產(chǎn)生任何明顯的壓降。這里，可以將擋板固定在通道內(nèi)以作為流量限制器。也可以將擋板添加到在圖1-6中所示的實施例中的通道內(nèi)以提高進氣和出氣管道之間的壓力差。此外，雖然流量限制器的優(yōu)選位置是在反應(yīng)物通道的入口端或附近，但是位置可以隨著應(yīng)用需要而改變。
關(guān)于材料和加工，在圖1-3中所示的雙極板12和框架14最好由鋁、鈦或鋼形成，和用水壓成形、模壓、彎曲、沖壓或其它通用金屬的成形工藝制造。在圖4-6中所示的陰極板62最好由鋁、鈦、鋼、石墨或?qū)щ娝芰闲纬?，和可以通過機械加工、鑄造和澆鑄工藝制造。這些部件的表面積可以用防腐涂層例如金、鉑、鈀、氮化鈦或氮化鋁鈦覆蓋以適合質(zhì)子交換膜燃料電池的環(huán)境?？梢杂秒娀瘜W沉積或氣化沉積的方法沉積這些材料。管可以由金屬、塑料或其它適合的材料形成。
盡管其它的結(jié)構(gòu)在本發(fā)明保護范圍內(nèi)，但是在圖1-3中所示的典型雙極板部件10按如下配置?？蚣懿考?4在長度上約為10.3英寸，在寬度上約為9.6英寸(不包括突出部分56)，同時雙極板12在長度上約為8.0英寸和在寬度上約為8.0英寸。有50個等間隔的氧化劑通道18和50個等間隔的燃料通道24。每個通道的寬度約為0.055英寸，深度約為0.02英寸，隆起部20和26的厚度約為0.01英寸。因此，所示的雙極板12的厚度約為0.03英寸。側(cè)壁28約為0.01到0.03英寸厚，并限定與相連燃料或氧化劑通道底面的角度約為100°。
在圖4-6中所示的典型陰極板62在形狀上是六邊形，每邊約為2.0英寸長和厚度約為0.40英寸。通道64的寬度約為0.03英寸，深度約為0.01到0.03英寸。縮頸70的寬度約為0.008英寸，深度約為0.01英寸。
可以將本發(fā)明的雙極板結(jié)合到各種燃料電池裝置中。正如在圖7和8中所示的，在圖1-3中所示的雙極板部件10的一種用途是用在質(zhì)子交換膜燃料電池組件74中。質(zhì)子交換膜燃料電池組件最好由一到十個單電池構(gòu)成。在圖7和8中所描述的典型實施例中，燃料電池組件74由5個單電池構(gòu)成。具體而言，典型燃料電池組件74包括隔板76、冷卻劑板78、六個雙極板部件10(每個包括一個雙極板12和框架14)和五個膜電極部件80，這些以所示的方式層疊。在多組件疊層中，底部雙極板部件10典型地將放置在相鄰燃料電池組件的隔板上。在有些示例中，在個別組件包含在疊層中的底部組件或用在一個組件疊層中時，底部隔板(沒有示出)可以提供在底部雙極板部件10下面。
由例如鋁、鈦、鋼、石墨或?qū)щ娝芰线@些材料形成的典型隔板76包括燃料管道、氧化劑管道、冷卻劑管道以及相應(yīng)于典型雙極板部件10那些孔的裝配孔。典型的冷卻劑板78還包括燃料管道、氧化劑管道、冷卻劑管道和與典型雙極板部件10的那些孔相應(yīng)的裝配孔。冷卻劑板78的一面是平的，在另一面82上包括與冷卻劑管道48和50相連通的冷卻劑通道81。適合的冷卻劑包括水、乙二醇和聚α-石蠟。
對于膜電極部件80，可以將本發(fā)明用常規(guī)膜電極部件實施。例如，膜電解質(zhì)可以由E.I.DuPont de Nemours & Co.的名為NAFIONTM或W.L.Gore.的名為Gore-SelectTM的全氟化硫磺酸聚合物形成。陽極和陰極膜可以由在NAFIONTM或聚四氟乙烯粘結(jié)劑中的催化劑顆粒形成。用于氣體擴散層的適合物質(zhì)是由E-Tek生產(chǎn)的ELATTM和由W.L.Gore.生產(chǎn)的CarbelTM。在所示的實施例中，膜電極部件80包括在裝配過程中所使用的接片84。選擇性地，可以使用商業(yè)化的膜電極部件，例如由W.L.Gore.(PrimeaTM)、E-Tek和DeGussa-Huls所出售的那些膜電極部件。
如在圖9中所示實施例，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃料電池疊層86包括端板88、集電器90、在一和二百之間的燃料電池組件74、集電器92和包括端板96及密封墊98的端板部件94。端板88提供有燃料入口和出口100和102，氧化劑入口和出口104和106，冷卻劑入口和出口108和110。這些端口將燃料、氧化劑和冷卻劑源(沒示出)連接到燃料電池組件74的管道。這里，燃料是氫氣，氧化劑是氧氣。典型的燃料電池疊層86還提供有正極集電器終端112和負極集電器終端114。各種部件可以通過使用螺母和螺釘裝置116或其它的機械緊固件彼此固定。螺釘穿過在雙極板框架14上的突出部分120處所形成的一系列孔118和穿過在框架角落處的孔122(見圖1)，還穿過在所述疊層的其它部件中的對齊的孔。
雖然按照上面的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可顯而易見對上述優(yōu)選實施例進行的許多修改和/或補充。例如，根據(jù)本發(fā)明的雙極板可以包括與在陰極側(cè)上的每一個通道相連而不與在陽極側(cè)上的通道相連的流量限制器，或者可選擇地也可以包括與在陽極一側(cè)上的每一個通道相連而不與在陰極一側(cè)上的通道相連的流量限制器。本發(fā)明的范圍將擴展到所有這樣的改進和/或補充。
權(quán)利要求
1.用于燃料電池的雙極板部件，其中包括多個限定了各自入口(28，32)和出口(30，34)的反應(yīng)物通道(18，24)，相鄰的反應(yīng)物通道(18，24)的入口(28，32)彼此相鄰，而相鄰的反應(yīng)物通道(18，24)的出口(30，34)彼此相鄰，改進包括至少兩個流量限制器(54，56)分別與至少兩個相鄰反應(yīng)物通道(18，24)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，每個反應(yīng)物通道(18，24)包括流量限制器(54，56)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，流量限制器(54，56)與反應(yīng)物通道入口(28，32)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，流量限制器(54，56)基本上彼此相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，雙極板部件限定了第一側(cè)(16)和第二側(cè)(22)，多個反應(yīng)物通道包含在第一側(cè)(16)上的多個第一反應(yīng)物通道(18)和在第二側(cè)(22)上的多個第二反應(yīng)物通道(24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，多個通道包括多個第一反應(yīng)物通道(18)和多個第二反應(yīng)物通道(24)，雙極板部件進一步包括第一和第二進氣管道(44，40)分別與第一和第二反應(yīng)物通道(18，24)的入口(28，32)相連；和第一和第二出氣管道(30，34)分別與第一和第二反應(yīng)物通道(18，24)的出口(34，30)相連；其特征在于，至少兩個相鄰的反應(yīng)物通道包括第一反應(yīng)物通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極板部件，其特征在于，流量限制器包含從第一和第二進氣管道(44，40)延伸到第一和第二反應(yīng)物通道(18，24)的入口的第一流體連接器(54，56)，該第一流體連接器(54，56)限定各自的第一流量面積，雙極板部件進一步包括從第一和第二反應(yīng)物通道(18，24)的出口延伸到第一和第二出氣管道(46，44)的多個第二流體連接器(58，60)，第二流體連接器(58，60)限定各自的第二流量面積，第二流量面積比第一流量面積大。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙極板部件，其特征在于，第一和第二流體連接器(54，56，58，60)包括管狀部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的雙極板部件，其特征在于，多個反應(yīng)物通道(18，24)包括多個基本上線形的反應(yīng)物通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板部件，其特征在于，雙極限定為陽極側(cè)和陰極側(cè)，并且至少兩個相鄰的反應(yīng)物通道(18或24)位于同一側(cè)上。
全文摘要
燃料電池的雙極板包括多個限定各自入口和出口的反應(yīng)物通道(18,24),至少兩個流量限制器(54,56)分別與至少兩個相鄰的反應(yīng)物通道相連。
文檔編號H01M8/10GK1378709SQ00814014
公開日2002年11月6日 申請日期2000年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月16日
發(fā)明者J·楊, T·雷格, G·伍德科克, G·德桑蒂斯 申請人:聯(lián)合訊號公司