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CN102318115A - 高性能质子交换膜(pem)燃料电池 - Google Patents

高性能质子交换膜(pem)燃料电池 Download PDF

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CN102318115A
CN102318115A CN2009801425843A CN200980142584A CN102318115A CN 102318115 A CN102318115 A CN 102318115A CN 2009801425843 A CN2009801425843 A CN 2009801425843A CN 200980142584 A CN200980142584 A CN 200980142584A CN 102318115 A CN102318115 A CN 102318115A
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Abstract

一种燃料电池，其包括膜电极组件(MEA)、布置在MEA的第一侧上的至少一个隔板和布置在MEA的第二侧上的至少一个隔板。在MEA的第一侧上的隔板可以形成用于引导第一反应物的第一组通道。布置在MEA的第二侧上的隔板可以形成用于引导第二反应物的第二组通道。第一组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道。第一套通道中的每个都定位在第二套通道附近。两套通道中的每个都包括通过输入阀控制的输入和通过输出阀控制的输出。第一组通道通过关闭两套通道中的一套通道的输入阀并且关闭两套通道中的另一套通道的输出阀而形成交指型流场，并且第一组通道通过打开输入阀和输出阀二者而形成常规流场。

Description

高性能质子交换膜(PEM)燃料电池
本申请要求享有2008年9月25日提交的美国专利申请No.12/238,263的优先权，其整个内容由此通过参考包含于此。
技术领域
本发明总体上涉及一种质子交换膜(PEM)燃料电池，并且更加具体地，本发明涉及一种具有可在交指型流场(interdigitated flowfield)(IDFF)构型和常规流场(CFF)构型之间变化的流场的PEM燃料电池。
背景技术
质子交换膜(PEM)燃料电池，还已知为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，使用诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂，以便产生电，将燃料和氧化剂的电化学反应过程中所释放的化学能转化为电能。PEM燃料电池通常采用膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件(MEA)包括布置在两个多孔的导电电极层之间的PEM。在每个膜/电极层界面处典型地布置有电催化剂以诱导期望的电化学反应。在典型的PEM燃料电池中，MEA布置在两个导电隔板之间。每个隔板都采用流体流场，所述流体流场将燃料或氧化剂导引到相应的电催化剂层。
简单的流体流场可以包括敞开到相邻的多孔电极层的室，所述室具有用作流体入口的第一端口和用作流体出口的第二端口。更加复杂的流体流场包括在入口和出口之间用于导引与电极层接触的流体流的至少一个流体通道或用于控制穿过流场的反应物的流动路径的导向屏障。被燃料流场导引到阳极的燃料流迁移穿过多孔的阳极，并且在阳极电催化剂层处被氧化。被氧化剂流场导引到阴极的氧化剂流迁移穿过多孔的阴极，并且在阴极电催化剂层处被还原。
已经开发出多种流场设计。例如，常规流场(CFF)设计在输入和输出之间使用多个通道，并且构造成在电极上提供比较均匀的反应物分布。在该常规构造中，通道中流动的反应物可以分配到电极中而与其它反应物起反应。然而，某些反应物可以从输入直接流到输出，而没有进入电极中，并且因此，反应物利用率较低。为了提高反应物利用效率，已经开发出交指型流场(IDFF)设计。IDFF包括一套入口流动通道和一套出口流动通道，并且入口流动通道不连接到出口流动通道。在IDFF中，入口流动通道中的反应气体被压入相邻的多孔电极中，增加了反应气体与催化剂接触的机会，并且由此提高了反应物利用效率。随着燃料气体更加高效地扩散到电极，IDFF构型可以提供更高的电池性能和较低的燃料消耗。然而，IDFF构型也具有一些缺点。例如，在IDFF中，膜电极组件可能更加容易变干，尤其当燃料电池在高温下操作时。
因此，需要一种可以增加燃料电池总体性能的、用于燃料电池的新的流场设计。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及一种燃料电池。燃料电池包括膜电极组件、布置在膜电极组件的第一侧上的至少一个隔板、和布置在膜电极组件的第二侧上的至少一个隔板。布置在膜电极组件的第一侧上的隔板可以在膜电极组件上形成用于引导第一反应物的第一组通道。第一组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道。第一套通道中的每个都定位成与第二套通道中的通道相邻。布置在膜电极组件的第二侧上的至少一个隔板可以在膜电极组件的第二侧上形成用于引导第二反应物的第二组通道。两套通道中的每个都包括通过输入阀控制的输入和通过输出阀控制的输出。第一组通道可以通过关闭两套通道中的一套通道的输入阀并且关闭两套通道中的另一套通道的输出阀而形成交指型流场，并且第一组通道可以通过打开输入阀和输出阀二者而形成常规流场。
根据另一方面，燃料电池组件包括堆叠在一起的多个燃料电池。每个燃料电池都包括膜电极组件。在膜电极组件的第一侧上形成用于引导第一反应物的第一组通道。第一组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道。第一套通道连接在第一输入歧管和第一输出歧管之间。第二套通道连接在第二输入歧管和第二输出歧管之间。每个歧管都通过阀控制。在膜电极组件的第二侧上形成用于引导第二反应物的第二组通道。第一组通道可以通过打开全部歧管而构造成常规流场，并且第一组通道通过关闭第一输出歧管和第二输入歧管而构造成交指型流场。
附图说明
本发明包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中且构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的优选实施例，并且与本发明的优选实施例一起写入详细的说明中以用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的优选实施例的燃料电池系统的一部分的透视图；
图2是沿着图1的线A-A得到的根据本发明的优选实施例的燃料电池的一部分的剖视图；
图3是沿着图2的线B-B得到的根据本发明的优选实施例的一组通道的剖视图；
图4是沿着图2的线C-C得到的根据本发明的优选实施例的另一组通道的剖视图；
图5是根据本发明的优选实施例的采用常规流场构型的示例性公开的燃料电池的平面图；以及
图6是根据本发明的优选实施例的采用交指型流场构型的示例性公开的燃料电池的平面图。
具体实施方式
根据本发明，在此一般地具体实施的PEM燃料电池组件包括多个燃料电池，所述多个燃料电池串联地电连接在一起。根据本发明，每个燃料电池都可以由隔板和布置在隔板之间的膜电极组件构成。图1大致示出包括堆叠在一起的三个隔板120、130和140的燃料电池100的截面。图2大致示出沿着图1的线A-A得到的图1中所示的两套隔板以及膜电极组件的剖视图。如图2中所示，燃料电池100可以包括如图1中所示的两套隔板，所述两套隔板在其之间布置有膜电极组件150的情况下堆叠在一起。隔板和膜电极组件之间形成通道，反应气体和冷却剂可以穿过所述通道。
在优选实施例中，大致如图1和2中所示，每个隔板都具有基本梯形波状形状的横截面。三个隔板120、130和140以及膜电极组件150形成分为三个组的多个通道，即：形成在膜电极组件的第一侧上以用于引导第一反应物的第一组通道108和128；形成在膜电极组件的第二侧上以用于引导第二反应物的第二组通道138；和用于引导冷却剂的第三组通道118。通道108由第一隔板120和与第一隔板120相邻设置的膜电极组件150形成。通道108包括交替定位的通道108a和通道108b。通道128由第二隔板130和第三隔板140形成。通道128包括交替定位的通道128a和通道128b。第一组通道108和128包括第一套通道108a和128a以及第二套通道108b和128b。第一套通道108a和128a包括第一子组(subset)通道108a和第二子组通道128a。第二套通道108b和128b包括第一子组通道108b和第二子组通道128b。第二组通道138由第三隔板140和与第三隔板140相邻设置的膜电极组件150形成。第三组通道118由第一隔板120和第二隔板130形成。
作为示例，梯形波状形状的隔板120可以限定一系列基本梯形的凹槽，所述一系列基本梯形的凹槽包括面向第一方向(例如，在图2中面朝上)的第一套凹槽和面向第二方向(例如，在图2中面朝下)的第二套凹槽。面朝上的凹槽和面朝下的凹槽交替地定位。如图2中所示，面朝上的凹槽与隔板120上方相邻的膜电极组件150一起限定通道108，并且面朝下的凹槽与相邻的第二隔板130一起限定通道118。以与如图2中所示以及如上所述相类似的方式限定其它通道。
图3示出沿着图2的线B-B得到的通道108的剖视图。如图3中所示，通道108包括通道108a和通道108b。如图3中所示，通道108a和通道108b交替地定位，以便使通道108a中的每个通道都与通道108b中的通道相邻。通道108中的每个都在第一端部112和第二端部114之间延伸。通道108a的第一端部112限定开口，而通道108a的第二端部114被堵塞住。通道108b的第一端部112被堵塞住，而通道108b的第二端部114限定开口。
图4是沿着图2的线C-C得到的通道128的剖视图。如图4中所示，通道128包括通道128a和通道128b。通道128中的每个都在第一端部132和第二端部134之间延伸。通道128a的第一端部132被堵塞住，而通道128a的第二端部134限定开口。通道128b的第一端部132限定开口，而通道128b的第二端部134被堵塞住。第二组通道138中的每个都在两个敞开的端部之间延伸。类似地，第三组通道118中的每个都在两个敞开的端部之间延伸。
通道108a中的每个都通过孔154而与相邻的通道128a流体连通，所述孔154限定在靠近通道108a和128a的第二端部的点处。通道108b中的每个都通过孔152而与相邻的通道128b流体连通，所述孔152限定在靠近通道108b和128b的第一端部的点处。
大致如图5和6中所示，通道108a和128a连接在第一输入歧管M1和第一输出歧管M3之间。通道108b和128b连接在第二输入歧管M2和第二输出歧管M4之间。如图1和5中的实线箭头指示，通道108a的第一端部112连接到输入歧管M1，而通道108b的第二端部114连接到输出歧管M4。如图1和5中的虚线箭头指示，通道128b的第一端部连接到输入歧管M2，而通道128a的第二端部连接到输出歧管M3。歧管M1由阀313控制，歧管M2由阀315控制，歧管M3由阀317控制，并且歧管M4由阀319控制。第一组通道108和128可以通过打开全部歧管而构造成CFF，或者第一组通道108和128可以通过关闭一个输入歧管(例如，M2)和一个输出歧管(例如，M3)而构造成IDFF。
膜电极组件150可以是用在燃料电池中的典型的膜电极组件，例如包括质子交换膜(PEM)、催化剂和电极。电极可以形成在多孔的基板上。PEM被夹持在两个嵌入有催化剂的电极之间。PEM形成可透过质子的、但电绝缘的屏障。电极通过PEM彼此电绝缘。一个电极构成燃料电池100的阳极156，而另一个电极构成燃料电池100的阴极158。PEM允许质子从阳极156穿过膜传输到阴极158，但是迫使电子在传导路径附近行进到阴极158。
在使用中，一种反应物，例如加压的氢气(H2)，通过通道138进入燃料电池100而到达膜电极组件150的阳极侧156。另一种反应物，例如氧气(O2)，通过通道108和128进入燃料电池100而到达膜电极组件150的阴极侧158。阳极侧156和阴极侧158中的每个都包括催化剂。氢气和氧气在膜电极组件150处起反应并且反应产生电和水。通道118是冷却通道。冷却剂可以通过通道118流动以冷却燃料电池100。
图5示出CFF构型的燃料电池100的示意图。如图5中所示，在CFF构型中，阀313和315二者可以是打开的，并且输入歧管M1和M2二者可以将反应气体供给到燃料电池100。阀317和319二者可以是打开的，并且输出歧管M3和M4二者可以允许反应气体从燃料电池100流出来。具体地，一种反应气体，例如氧气，可以从输入歧管M1流到通道108a中，并且通过通道108a和通道128a之间的孔154进入通道128a中。通道108a中的氧气可以扩散到膜电极组件150的阴极侧158，并且与通过通道138引入到膜电极组件150的阳极侧156的氢气起反应。通道108a和128a中的氧气可以通过连接到通道128a的输出歧管M3离开。氧气还可以从第二输入歧管M2流入通道128b中，并且通过通道128b和相对应的通道108b之间的孔152进入通道108b中。通道108b中的氧可以扩散到膜电极组件150中而与氢起反应。通道108b和128b中的氧可以从第二输出歧管M4离开燃料组件100。
燃料组件100还可以构造成IDFF构型。例如，如图6中所示，在IDFF构型中，阀315和317关闭，并且阀313和319打开。结果，输入歧管M1打开，输入歧管M2关闭，输出歧管M3关闭，并且输出歧管M4打开。一种反应气体，例如氧气，可以从输入歧管M1流到通道108a中，并且继而通过通道108a和通道128a之间的孔154进入通道128a中。因为通道108a的第二端部114被堵塞住，并且连接到通道128a的第二端部134的输出歧管M3关闭，所以氧气不能通过通道108a或通道128a流出来。由此，氧气被强迫扩散到相邻的膜电极组件150的阴极电极158中。膜电极组件150中的氧可以扩散到相邻的通道108b和128b中，并且通过输出歧管M4离开通道108b和128b。当氧气扩散到膜电极组件150中时，氧气可以与膜电极组件150的阴极侧158处的催化剂接触并且与氢起反应。因为在IDFF构型中，氧气被强迫扩散到膜电极组件150中，在所述膜电极组件150处氧气可以与催化剂接触，所以氧气的利用率明显高于CFF构型。
图1至6示出，膜电极组件150的仅一侧(例如，阴极侧)采用可在CFF构型和IDFF构型之间互换的流场设计。膜电极组件150的另一侧(例如，阳极侧)使用CFF构型。然而，本领域的技术人员将认识到，另一侧也可以使用可互换的设计或IDFF构型。另外，图1至6仅示出一个燃料电池。本领域的技术人员将认识到，多个如图1至6中所示的燃料电池可以堆叠在一起以建立起燃料电池发电设备。
根据本发明的燃料电池100相对于传统的燃料电池具有若干优点。燃料电池100的阳极侧和阴极侧中的任一侧或两侧可以在IDFF构型和CFF构型之间切换。IDFF构型可以提高燃料或氧化剂效率。在高温下，在IDFF构型下，膜电极组件会变干。为了防止膜电极组件变干，燃料电池100的阳极侧和阴极侧中的任一侧或两侧可以被切换到CFF构型。在低温下，燃料电池100的阳极侧和阴极侧中的任一侧或两侧可以被切换到IDFF构型。例如，燃料电池100可以在低温下，例如0℃以下，在阳极侧和阴极侧中的任一侧或两侧上切换到IDFF构型。燃料电池100可以在高温下，例如80℃以上，在阳极侧和阴极侧中的任一侧或两侧上切换到CFF构型。可以通过打开和关闭控制歧管的阀而执行IDFF构型和CFF构型之间的切换。例如，燃料电池通过打开歧管上的全部阀而处于CFF构型，并且燃料电池通过关闭两套通道中的一套通道的输入阀并且关闭两套通道中的另一套通道的输出阀而处于IDFF构型中。
对于本领域的技术人员来说将明显的是，可以对燃料电池系统进行多种修改和改变。其它实施例对于本领域的技术人员来说在考虑到所公开的燃料电池系统的说明和实践时将是明显的。说明和示例可以认为仅是示例性的，通过以下权利要求及其等同物指定本发明的真实范围。

Claims (23)

1.一种燃料电池，其包括：
膜电极组件；
布置在所述膜电极组件的第一侧上的至少一个隔板，所述至少一个隔板在所述膜电极组件上形成用于引导第一反应物的第一组通道，所述第一组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道，其中，所述第一套通道中的每个都定位成与所述第二套通道中的通道相邻；
布置在所述膜电极组件的第二侧上的至少一个隔板，布置在所述膜电极组件的第二侧上的所述至少一个隔板在所述膜电极组件的第二侧上形成用于引导第二反应物的第二组通道，
其中，所述两套通道中的每个都包括由输入阀控制的输入和由输出阀控制的输出，其中，所述第一组通道通过关闭所述两套通道中的一套通道的输入阀并且关闭所述两套通道中的另一套通道的输出阀而形成交指型流场，并且通过打开所述输入阀和所述输出阀二者而形成常规流场。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在所述膜电极组件的第一侧上的所述至少一个隔板包括多个第一凹槽，所述多个第一凹槽与所述膜电极组件一起形成所述第一组通道。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在所述膜电极组件的第二侧上的所述至少一个隔板包括多个第二凹槽，所述多个第二凹槽与所述膜电极组件一起形成所述第二组通道。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述两套通道中的每个都连接到输入歧管和输出歧管，并且其中，所述输入阀和所述输出阀分别控制所述输入歧管和所述输出歧管。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一组通道的第一套通道包括第一子组通道和第二子组通道，并且其中，所述第一子组通道中的每个都通过孔与所述第二子组通道中相对应的通道连通。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第一套通道的第一子组通道连接到由所述输入阀控制的输入歧管，并且所述第一套通道的第二子组通道连接到由所述输出阀控制的输出歧管。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，在所述第一套通道中，将所述第一子组通道中的每个通道和所述第二子组通道中相对应的通道流体地连接起来的所述孔限定成与所述输出歧管相邻。
8.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第一组通道的第二套通道包括第一子组通道和第二子组通道，并且其中，所述第一子组通道中的每个都通过孔与所述第二子组通道中相对应的通道连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述第二套通道的第二子组通道连接到由所述输入阀控制的输入歧管，并且所述第二套通道的第一子组通道连接到由所述输出阀控制的输出歧管。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中，在所述第二套通道中，将所述第一子组通道中的每个通道和所述第二子组通道中相对应的通道流体地连接起来的所述孔限定成与所述输入歧管相邻。
11.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述在所述膜电极组件的第一侧上的至少一个隔板包括第一隔板、第二隔板和第三隔板，
其中，所述第一隔板与所述第一膜电极组件一起形成所述第一套通道和第二套通道的第一子组通道，所述第二隔板与所述第一隔板一起形成用于引导冷却剂的第三组通道，并且所述第三隔板与所述第二隔板一起形成所述第一套通道和第二套通道的第二子组通道。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述第三隔板还与相邻的膜电极组件一起形成用于引导所述第二反应物的一组通道。
13.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第二组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道，其中，所述第一套通道中的每个都定位成与所述第二套通道中的通道相邻，
并且其中，所述两套通道中的每个都包括由输入阀控制的输入和由输出阀控制的输出，其中，所述第二组通道通过关闭所述两套通道中的一套通道的输入阀并且关闭所述两套通道中的另一套通道的输出阀而形成交指型流场，并且所述第二组通道通过打开所述输入阀和所述输出阀二者而形成常规流场。
14.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料电池的隔板中的所述至少一个是由从由C、Fe、Ni、Cr、Al、Ti、Au和Pt组成的组中选出的材料制成。
15.一种燃料电池组件，其包括堆叠在一起的多个根据权利要求1所述的燃料电池。
16.一种燃料电池组件，其包括堆叠在一起的多个燃料电池，每个所述燃料电池都包括：
膜电极组件；
第一组通道，其形成在所述膜电极组件的第一侧上以用于引导第一反应物，所述第一组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道，所述第一套通道连接在第一输入歧管和第一输出歧管之间，并且所述第二套通道连接在第二输入歧管和第二输出歧管之间，其中，每个歧管都由阀控制；
第二组通道，其形成在所述膜电极组件的第二侧上以用于引导第二反应物，
其中，所述第一组通道通过打开全部所述歧管而构造成常规流场，并且所述第一组通道通过关闭所述第一输出歧管和所述第二输入歧管而形成交指型流场。
17.根据权利要求16所述的燃料电池组件，其中，所述第一组通道的第一套通道包括第一子组通道和第二子组通道，并且其中，所述第一子组通道中的每个都通过孔与所述第二子组通道中相对应的通道连通。
18.根据权利要求17所述的燃料电池组件，其中，所述第一套通道的第一子组通道连接到所述输入歧管，并且所述第一套通道的第二子组通道连接到所述输出歧管。
19.根据权利要求18所述的燃料电池组件，其中，在所述第一套通道中，将所述第一子组通道中的每个通道和所述第二子组通道中相对应的通道流体地连接起来的所述孔限定成与所述输出歧管相邻。
20.根据权利要求16所述的燃料电池组件，其中，所述第一组通道的第二套通道包括第一子组通道和第二子组通道，并且其中，所述第一子组通道中的每个都通过孔与所述第二子组通道中相对应的通道连通。
21.根据权利要求20所述的燃料电池组件，其中，所述第二套通道的第二子组通道连接到所述第二套通道的输入歧管，并且所述第二套通道的第一子组通道连接到所述第二套通道的输出歧管。
22.根据权利要求21所述的燃料电池组件，其中，在所述第二套通道中，将所述第一子组通道中的每个通道和所述第二子组通道中相对应的通道流体地连接起来的所述孔限定成与所述输入歧管相邻。
23.根据权利要求16所述的燃料电池组件，其中，所述第二组通道包括交替定位的第一套通道和第二套通道，并且其中，所述两套通道中的每个都连接在输入歧管和输出歧管之间，每个歧管都由阀控制。
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