專利名稱：雙極板流場中的流動通道的分叉的制作方法
技術領域：
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，背景技術燃料電池已被提出作為用于電動車輛和其它各種應用的一種清 潔、高效且對環(huán)境負責的動力源。燃料電池的一種實例是質(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材料，所述多孔傳導材料還已公知 地被稱作氣體擴散介質(zhì)，所述氣體擴散介質(zhì)將反應劑分布在電極層的 表面上。燃料如氫氣被引導在陽極處，在所述陽極處，所述燃料在存 在催化劑的情況下進行電化學反應從而產(chǎn)生電子和氫陽離子。電子通 過設置在陽極與陰極之間的電路而從陽極被傳導至陰極。同時，氫陽 離子通過電解質(zhì)到達陰極，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行電化學反應從而產(chǎn)生氧陰離子。氧陰離子與氫陽離子進行反應從而形成了作為反應產(chǎn)物的水。膜電極組件通常被插置在一對導電接觸元件或雙極板之間以便完 成單個質(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物(即Hz和02/空氣)分布 在相應的電極的表面上的適當流動通道和開口 ?？赏ㄟ^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。 通常情況下，雙極板還包括入口集管和出口集管，當所述入口集管和 出口集管在燃料電池堆中被對齊時，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劑和液體冷卻劑引導至多個陽極和陰 極并且用于分別將所述氣體反應劑和液體冷卻劑從所述多個陽極和陰極引導出來的內(nèi)部供應歧管和排出歧管，正如本領域眾所周知地，燃料電池內(nèi)的膜需要具有一定的相對濕度以便將穿過膜的離子阻力保持在所需范圍內(nèi)從而有效地傳導質(zhì)子。 在燃料電池的運行過程中，來自膜電極組件和外部濕化裝置的濕氣可 進入陽極流動通道和陰極流動通道。通常情況下，濕氣會在氣體反應 劑的壓力作用下沿流動通道受力，且該壓力是從流動通道中進行除水 的主要機理。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)象中進行積聚。滯流的水可能阻塞流動通道并且降低燃料電 池的總效率。水的積聚還可能導致陽極電極和陰極電極的腐蝕速率更 高并且導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 導致燃料電池失效?？紤]到產(chǎn)生水滯流的潛在可能性，在設計燃料電池的過程中，供 應歧管與排出歧管之間以及相鄰的流動通道之間或者相同的流動通道 的部段之間速度的降低是很重要的考慮因素.沿從反應劑入口至出口 的流場，氣體反應劑的分壓隨著反應劑在燃料電池反應中的消耗而降 低。特別地，在陽極流場上，由于在燃料電池運行過程中發(fā)生了氫的 消耗，因此使得供應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計量比要低于陰極上的化學計量比，這兩種情況都使得進一步妨礙了在陽極 流場上進行的除水。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劑氣體對通道進行周期性吹掃或者 通過具有大體上更高的反應劑再循環(huán)速率而實現(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 氣體可能導致降低經(jīng)濟性、導致系統(tǒng)效率更差并且增加系統(tǒng)復雜性.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 極反應劑和陰極反應劑中提供至少 一些相對濕度以便使燃料電池膜水 化。干燥的入口氣體對于膜電解質(zhì)產(chǎn)生了干燥效應且可能會增加燃料 電池的離子阻力。該方法還對膜電解質(zhì)的長期耐久性產(chǎn)生了負面影響。具有抑制了流動通道中特別是陽極流動通道中的水滯流的流場的 雙極板仍然是所需要的.所希望的是，該流場還使得實現(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，所述流場抑制了水滯流，由此使得實現(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。在一個實施例中， 一種用于燃料電池的雙極板包括具有活性表面的 流場，所述流場具有入口區(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 動通道。所述至少一條流動通道在所述出口區(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 條流動通道，其中與所述入口區(qū)域連通的流動通道的數(shù)量比與所述出口 區(qū)域連通的流動通道的數(shù)量更多。在又一實施例中，用于燃料電池的所述雙極板具有沿所述活性表面 的長度交替地分叉和合并的多條流動通道。進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燃料 電池，所迷至少一個燃料電池具有被設置在一對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)域的氣體反應劑流速的降低的流場。
通過下面的詳細描述，特別是當結(jié)合下文所示的附圖進行考慮時， 本領域的技術人員將易于理解本發(fā)明的披露內(nèi)容的上述優(yōu)點以及其它 優(yōu)點。圖1示出了質(zhì)子交換膜燃料電池堆(圖中僅示出了兩個電池)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是具有分叉的流動通道和合并的流動通道的雙極板流場的頂部平面圖；圖4是具有連續(xù)分叉的流動通道的雙極板流場的頂部平面圖； 圖5是具有偏移的分叉的流動通道和合并的流動通道的雙極板流 場的頂部平面圖；和圖6是圖5所示的流場的一部分的局部頂部平面圖。
具體實施方式
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)容及其應用或使用。還應該理解在所有附圖中，相應的附圖標記表 示相似或相應的部件和特征。為簡便起見，下文僅對由兩個電池構(gòu)成的燃料電池堆(即一塊雙極 板)進行了圖示和描述，但應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示出了具有一對膜電極組件(MEA) 4、 6的由兩個電池構(gòu)成的 質(zhì)子交換膜燃料電池堆2，所述一對膜電極組件通過導電流體分布元件 8而彼此隔開，所述導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上的多條流動路徑或流動通道18、 20、 22、 24。不導電 墊團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 傳導材料如碳/石墨擴散紙或擴散介質(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劑的電極38鄰接。含氧反應劑通過適當?shù)墓?應導管42而從儲罐46被供應至燃料電池堆2的陰極側(cè)，而含氫反應劑 通過適當?shù)墓獙Ч?4而從儲罐48被供應至燃料電池堆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劑被供應至陰極側(cè)，且氫 可從甲醇或汽油重整器或類似裝置被供應至陽極側(cè)。還設置了用于膜電 極組件4、 6的陽極側(cè)和陰極側(cè)的排出導管(未示出)。設置了用于將 冷卻劑供應至雙極板8和端板14、 16的附加導管50、 52、 54,還設置了用于從雙極板8和端板14、 16中排出冷卻劑的適當導管(未示出)。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實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通常是通過用于對板片金屬進行成形的任何 常規(guī)工藝而形成的，所述任何常規(guī)工藝例如是沖壓、機加工、模制成型 或者通過光致抗蝕掩模進行的光刻，在一個特定實施例中，單極板200、 202是通過沖壓形成的。應該認識到可獲得適用于本發(fā)明的單極板200、 202的多種標號 (gauge)的板片金屬。在特定的實施例中，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，應該理解可根據(jù)需要使用具有其它厚度的板片金屬。應該進一步理解也可使用 其它材料。在其它實施例中，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的運行過程中流動通過該多條通道。第二單極板202具有外表面204，所述外表面面對著膜電極組件(未 示出)且被成形以便提供流場206。流場206由多條槽脊208限定.多 條槽脊208在其間限定出多條流動通道210,所迷多條流動通道構(gòu)成了 供反應劑氣體流動通過的"流場"。例如，反應劑氣體可從雙極板的第 一端212流動至所述雙極板的第二端214,當燃料電池被完全組裝起來 時，槽脊208與多孔的碳/石墨擴散介質(zhì)36、 38鄰接，所述多孔的碳/ 石墨紙進一步與膜電極組件4、 6鄰接。通常情況下，槽脊208和流動通道210被形成于單極板200、 202 的與碳/石墨擴散介質(zhì)36、 38鄰接的外表面中，流動通道210被構(gòu)造成 接收來自供應孔口 216、 217的反應劑氣體。供應孔口 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，流動通 道210被進一步構(gòu)造成通過排出孔口 220、 221排出過量的反應刑氣體 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。應該理解單極板200的外面大體上對應于單極板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(未示出)。正 如流場206那樣，位于單極板200的外面上的流場由在所述單極板上形 成的進一步限定出多條流動通道(未示出)的多條槽脊(未示出)限定， 所述多條槽脊和多條流動通道構(gòu)成了供反應劑氣體通過的位于單極板 200的外面上的流場，應該理解位于單極板200的外面上的流場的設 計可與流場206的設計大體上相似。單極板200、 202進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劑和反應產(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^本領域眾所周知的釬焊、擴散結(jié)合、 激光焊接或通過傳導粘結(jié)劑進行的膠粘而實現(xiàn)所述連結(jié).適當?shù)恼澈蟿τ诒绢I域的技術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206包括與入口區(qū)域302如供應孔口 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進一步包括至少一條流動通道306。該至少一條流動通道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。應該理解，流動通道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。在一個實施例中，至少一條流動通道306具有至少一個分叉部308。 分叉部308形成了子通道310。子通道310可具有比流動通道306的剖 面面積更小的剖面面積。在特定實施例中，至少一條流動通道306可包 括具有設置在分叉部308之前的流動通道部分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和具有設置在該至少兩條子通道 310的合并部318之后的流動通道部分317的笫三區(qū)域316。作為一個 非限制性實例，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中的流動通道部分313的剖面面積。在一個實施例中，子通道310的剖面面積為流動通道部分313的剖面面積的約一半，示例性地，設置 在第三區(qū)域316中的流動通道部分317的剖面面積可小于第一區(qū)域312 中的流動通道部分313的剖面面積.在本發(fā)明的披露內(nèi)容的特定實施例中，流動通道部分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通道313的剖面面積. 兩條子通道310可隨后進行合并以形成流動通道部分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。在另一實施例中，流動通道306可沿活性表面300的長度320交替 地分叉和合并。例如，流動通道306可包括多個分叉部308和多個合并 部318。在具有一條以上的流動通道306的情況下，應該意識到分叉 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206 中的每條分叉的流動通道306的長度320位于相同位置處。在運行中，應該意識到以恒定的反應劑流而4于進通過流動通道 306的反應劑氣體的速度隨著流動通道306剖面面積的減少而增加。作 為非限制性的實例，當?shù)诙^(qū)域314中的子通道310具有約一半的第一 區(qū)域312中的流動通道313的剖面面積時，流動通過所述子通道的反應 劑氣體的速度可加倍(假設反應劑流恒定的情況下)。特別地，在與陽 極鄰接的流場206上，流動通道306抑制了要不然由于氫氣的消耗而導 致通常會在入口區(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.應該理解，對速度降低的抑制可有利于從流場206中去除液體 水和水蒸汽并由此改進燃料電池堆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)明的另一實施例包括被連續(xù)分叉的至少一條流動 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通道306 被重復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。應該理解以所述方式進行的流動通道306的分叉可根據(jù)需要 進行重復。在一個實施例中，連續(xù)分叉的流動通道306可包括笫一數(shù)量400的流動通道306和第二數(shù)量402的流動通道306。示例性地，第一數(shù)量400 的流動通道306可與流場206的入口區(qū)域302連通。第二數(shù)量403的流 動通道306可與流場206的出口區(qū)域304連通。在特定實施例中，第一 數(shù)量400大于第二數(shù)量402,流動通道306的分叉量可例如基于流場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 流動通道306數(shù)量的減少來選擇分叉量。作為一個非限制性實例，具有連續(xù)分叉的流動通道306可包括具有 設置在分叉部408之前的流動通道部分407的第一區(qū)域406和設置在分 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。在一個實施例中，子通道404可具有與流動通道407的剖面面積 大體上相等的剖面面積，在另外的實施例中，子通道404的剖面面積可 小于流動通道407的剖面面積.在特定實施例中，子通道404的剖面面 積為流動通道306的剖面面積的約一半。如上所述，子通道404還可被 分叉。應該意識到如圖4所示，至少一條流動通道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 通道306的第一數(shù)量400可大于與流場206的出口區(qū)域304連通的流動 通道306的笫二數(shù)量402.作為非限制性實例，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。在運行中，本領域技術人員應該i人識到以恒定的反應劑流速行進 通過流動通道306的反應劑氣體的速度可增加。因此，在連續(xù)分又的流 動通道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，當反 應劑氣體在燃料電池反應中被消耗時，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劑氣體的速度，例如，在與陽極鄰接的流場 206上，連續(xù)分叉的流動通道306抑制了要不然通常會在入口區(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206那樣，圖4所示的流場206也有利于從流 動通道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)明的另一實施例包括具有至少一條笫一流動通道 500和至少一條第二流動通道502的多條流動通道306,第一流動通道 500和第二流動通道502可在活性表面300上彼此偏移且^皮設置成彼此 相鄰。第一流動通道500和第二流動通道502中的每條流動通道可包括 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包括設置 在分叉部308之前的流動通道部分313。第二區(qū)域314包括設置在分叉 部308之后的至少兩條子通道310。第三區(qū)域316包括設置在至少兩條 子通道310的合并部318之后的流動通道部分317。在特定的實施例中， 第一流動通道500與第二流動通道502偏移兩個節(jié)距。笫一流動通道500 相對于笫二流動通道502產(chǎn)生偏移使得將第一流動通道500的第一區(qū)域 312或第三區(qū)域316設置成與第二流動通道502的笫二區(qū)域314相鄰。 偏移的第一流動通道500和第二流動通道502限定出設置在其間的槽脊 208。在運行中，應該理解在子通道310中流動的反應劑氣體與在流動 通道313、 317中流動的反應劑氣體之間形成了壓力梯度。分叉使得形 成了流的"膨脹(expansion)"且降低了隨著反應劑向下游行進反應 劑氣體的壓力變化所處的變化率.此外，當發(fā)生合并時，形成了流"瓶 頸"且壓力變化率隨著反應劑向下游行進而增加。在相鄰的流動通道 500、 502中同時出現(xiàn)的分叉和合并導致形成了壓力梯度。因此，子通道 310中的壓力可低于相鄰的流動通道313、 317中的壓力。如圖6所示，壓力梯度促進了在槽脊208上的對流600。對流600提供了槽脊上的反應劑氣體流。槽脊上的反應劑氣體流的作用是用來平 衡壓力梯度。應該意識到為了保持壓力梯度，第一流動通道500、 502 進一步產(chǎn)生分叉和合并。合并和分叉的流動通道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的對流600。本領域的技術人員應該理解本發(fā)明的分叉和合并的流動通道306 有效地實現(xiàn)了氣體反應劑在活性表面300上的均勻分布。分叉和合并的 流動通道306優(yōu)化了活性表面300的槽脊208中的水管理，原因在于對 流600克服了典型的流動機理，例如擴散(該機理依賴于在沒有對流的 情況下來移動水)。應該進一步理解槽脊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提供了更少的流動通道306，流動通道306因此具有更大的剖面面積。具有更大的剖面面積的流動通道 306降低了通常會阻抑通道306中的水移動的毛細管力。除了此處所述的分叉的流動通道206以外，流場206還可包括一個 或多個U形彎管(未示出)和/或混合區(qū)域(未示出)以便進一步分布 反應劑氣體。本領域中已公知的用來有利于反應劑氣體的分布的這些和 其它構(gòu)型可與本發(fā)明的流場206 —起使用。本領域的技術人員還可為沿活性表面206的長度320的第一流動通 道500和第二流動通道502的分叉和合并選擇優(yōu)化的頻度，以便獲得所 需的對流。反應劑氣體的這種均勻分布優(yōu)化了燃料電池的性能.應該進 一步認識到對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行的動力系統(tǒng)中。特別地，當作為燃料電池堆2 的一部分而處于運4亍中時，流場206可阻抑或抑制從入口區(qū)域302至出 口區(qū)域304的氣體反應劑的流速的降低。作為圖示性的實例，氣體反應 劑可包括氫氣且流場206可與陽極鄰接以便分布氫氣。保持了最小化的 氫氣流速使得抑制了陽極流場206中的水滯流。正如所述，水滯流的阻 抑導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行過程中的冷凍性能得以最大化。由于 在活性表面300上實現(xiàn)了氣體反應劑的均勻分布，因此流場206進一步 提供了優(yōu)化的電流密度。盡管已經(jīng)出于對本發(fā)明進行說明的目的而對特定的代表性實施例 和細節(jié)進行了描述，但本領域的技術人員應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，在下面的所附權利要求書限 定出范圍內(nèi)對所述多種變型進行了進一步描述。
權利要求
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，所述流場具有入口區(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通道，所述至少一條流動通道在所述出口區(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)權利要求1所述的雙極板，其中所述至少一條流動通道是 分叉的。
3、 根據(jù)權利要求2所述的雙極板，其中所述至少一條流動通道形 成了子通道。
4、 根據(jù)權利要求3所述的雙極板，其中所述子通道具有比所述流 動通道的剖面面積更小的剖面面積。
5、 根據(jù)權利要求2所述的雙極板，其中所述至少一條流動通道包 括具有設置在分叉部之前的流動通道的第一區(qū)域、具有至少兩條子通道 的第二區(qū)域、和具有設置在所述至少兩條子通道的合并部之后的流動通 道的第三區(qū)域.
6、 根據(jù)權利要求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)域中的所述流動通道的剖面面積。
7、 根據(jù)權利要求5所述的雙極板，其中所述笫三區(qū)域中的所述流 動通道的剖面面積小于所述第一區(qū)域中的所述流動通道的剖面面積.
8、 根據(jù)權利要求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，所述流場具有入口區(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 形成的多條流動通道，所述多條流動通道的至少一部分是分叉的。
10、 根據(jù)權利要求9所述的雙極板，其中與所述入口區(qū)域連通的流 動通道的數(shù)量大于與所述出口區(qū)域連通的流動通道的數(shù)量。
11、 根據(jù)權利要求9所述的雙極板，其中所述分叉的流動通道包括 具有設置在分叉部之前的流動通道的第一區(qū)域和設置在分叉部之后的 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)權利要求IO所迷的雙極板，其中子通道是分叉的。
14. 根據(jù)權利要求9所述的雙極板，其中所述多條流動通道沿所述 活性表面的長度交替地分叉和合并。
15. 根據(jù)權利要求14所迷的雙極板，其中所述多條流動通道形成 了多條槽脊，所述槽脊中的每條槽脊被設置在一對所述流動通道之間.
16. 根據(jù)權利要求14所迷的雙極板，其中所述多條流動通道包括笫一流動通道和第二流動通道，每條流動通道具有設置在分叉部之前的 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)權利要求16所述的雙極板，其中所迷第一流動通道相對 于所述笫二流動通道產(chǎn)生偏移，其中所述第一流動通道的所述第二區(qū)域 被設置成與所述第二流動通道的所述笫一區(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置在一對雙極板之間，每塊雙極板包括 具有入口區(qū)域和出口區(qū)域的流場，在所述入口區(qū)域處，氣體反應劑被供 應至所述流場，在所述出口區(qū)域處，所述氣體反應劑被排出所迷流場， 所述流場具有活性表面，所述活性表面具有在其中形成的至少一條流動 通道，所述至少一條流動通道與所述入口區(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)域的所述氣體反應劑流速 的降低，
19. 根據(jù)權利要求18所述的燃料電池堆，其中所述氣體反應劑包 括氫。
20. 根據(jù)權利要求18所述的燃料電池堆，其中所述流場在所述第 一流動通道與所述第二流動通道之間形成了壓力梯度，由此促進了在所 迷槽脊上的所述氣體反應劑的對流。
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，所述流場具有入口區(qū)域和出口區(qū)域。所述流場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通道。所述至少一條流動通道進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。在特定實施例中，所述至少一條流動通道是分叉的。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H01M8/02GK101267042SQ200810083590
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權日2007年3月12日
發(fā)明者D·J·達加, 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 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司