專利名稱：具有可變孔隙率氣體分配層的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，特別涉及包括燃料電池的系統(tǒng)，所述燃料電池具有可變孔隙率的泡沫氣體分配介質(zhì)，所述分配介質(zhì)用于傳輸氣體至膜電極組件的反應(yīng)面或用于傳輸冷卻劑通過所述燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池已在許多應(yīng)用中被用作電源，其中包括燃料電池替代內(nèi)燃機作為電動車輛的電源。在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，氫被提供到燃料電池陽極，同時作為氧化劑的氧被提供到燃料電池陰極。PEM燃料電池中包括膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件具有較薄的、能傳送質(zhì)子的非導(dǎo)電型固體聚合物電解質(zhì)隔膜，在所述隔膜的一側(cè)上有陽極催化劑，在所述隔膜的相對側(cè)上有陰極催化劑。所述膜電極組件被夾在一對導(dǎo)電元件或雙極板組件之間。
燃料電池堆包括數(shù)個串聯(lián)疊放在一起且相互間被雙極板組件隔開的燃料電池。所述雙極板組件一般包括能透氣的、導(dǎo)電擴散介質(zhì)和能透氣的、導(dǎo)電隔板。所述雙極板組件具有多項功能，包括(1)在所述隔膜的幾乎整個表面上分配反應(yīng)氣體；(2)在燃料電池堆中的一個電池的陽極和另一相鄰電池的陰極之間傳導(dǎo)電流；(3)保持反應(yīng)氣體相互間隔開，以防止發(fā)生自燃；(4)提供對質(zhì)子交換膜的支承；(5)承載與重整工藝相關(guān)的內(nèi)部壓力載荷和施加在燃料電池堆上的外部載荷；(6)提供內(nèi)部冷卻通道以從燃料電池堆中除去熱量。
所述隔板在其表面中包括一排脊面和凹槽，所述脊面和凹槽限定了用于分配反應(yīng)氣體(即氫和空氣形式的氧)的流場。在兩側(cè)上的脊面和凹槽的布置使得所述隔板能夠承受住所述壓縮載荷。在所述流場上放置一張石墨紙或其它擴散介質(zhì)用以防止膜電極組件跌落到通道中并阻塞氣流，并且用以提供跨過覆蓋所述通道的隔膜表面至隔板的導(dǎo)電通路。
隔板由金屬制成。然而，所述金屬相對較重且腐蝕性環(huán)境要求所述金屬板上帶有較昂貴的涂層。隔板還可以由石墨制成，所得石墨隔板重量輕于傳統(tǒng)的金屬板，并且所得石墨隔板在PEM燃料電池環(huán)境中耐蝕和導(dǎo)電。但是，石墨很脆，使得難于進行加工，且與金屬相比，石墨的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)率相對較低。同時，石墨是多孔性的，這使得提供具有燃料電池堆所需重量和體積特征的較薄的不透氣板比較困難且成本較高。
燃料電池系統(tǒng)的高效運行取決于給定尺寸、重量和成本的燃料電池所能產(chǎn)生電量的能力。使給定尺寸、重量和成本的燃料電池的電能輸出最大化在機動車輛應(yīng)用中特別重要，其中車輛中各種部件的尺寸、重量和成本對于車輛的高效制造和運行特別關(guān)鍵。因此特別是在車輛應(yīng)用中所希望的是提供一種燃料電池結(jié)構(gòu)，所述燃料電池結(jié)構(gòu)可以增加給定尺寸、重量和成本的燃料電池的電能輸出量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有改進的雙極板組件的燃料電池。所述燃料電池包括質(zhì)子傳輸隔膜。所述質(zhì)子傳輸隔膜具有在所述隔膜的一個表面上的陽極催化層和在所述隔膜的另一個表面上的陰極催化層。雙極板組件包括氣體分配層，所述氣體分配層被設(shè)置在膜電極組件的每一側(cè)上并限定了延伸在所述催化劑構(gòu)件之上的反應(yīng)氣體流場。膜電極組件被設(shè)置在氣體分配層之間，以形成具有第一和第二相對邊緣的夾層結(jié)構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明，所述氣體分配層包括被分成數(shù)個基本上平行的段的導(dǎo)電多孔介質(zhì)或橫向延伸通過所述介質(zhì)的支路。每一條支路限定了延伸通過催化層表面的流動通路。這種布置使在所述平行段之間的交叉流動減至最少，以便在所述催化層的表面上提供基本上均勻的氣體分布。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述多孔介質(zhì)包括開孔泡沫介質(zhì)。泡沫介質(zhì)的使用還有助于本發(fā)明裝置的低成本和較輕的重量。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述氣體分配層為多孔介質(zhì)薄板，其中通過薄板在空間中改變氣體流動的阻力而限定所述支路。所述可變流阻提供了一種簡單且便宜的方式，通過所述方式提供由多孔介質(zhì)構(gòu)成的單獨的平行支路。在本發(fā)明的一種實施方案中，通過在空間中改變所述薄板的孔隙率來改變流阻。在本發(fā)明的另一種實施方案中，通過在空間中改變所述薄板的厚度來改變流阻。在另一種實施方案中，通過在空間中改變所述薄板的厚度和孔隙率來改變流阻。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述多孔介質(zhì)為導(dǎo)電石墨或金屬開孔泡沫介質(zhì)的形式。使用這些相對廉價的導(dǎo)電泡沫介質(zhì)還有助于在保持燃料電池性能的同時降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述氣體分配層包括隔板和結(jié)合到所述隔板上的多孔介質(zhì)。所述多孔介質(zhì)具有形成至少一個通道的第一部分，所述多孔介質(zhì)的平均孔徑大小小于或等于0.25毫米(0.010英寸)且孔隙度等于或大于85％。這種氣體分配層裝置保證通過在聚合物電介質(zhì)隔膜整個表面上的多孔介質(zhì)中的通道的氣體基本上分布均勻。這種裝置廉價且易于制造。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，具有數(shù)個層疊的燃料電池的燃料電池堆包括沿每一燃料電池多孔薄板的進口和出口邊緣設(shè)置的歧管。所述歧管輸送反應(yīng)氣體通過所述燃料電池的每一塊薄板。這種歧管裝置有助于被分成段的氣體分配層在不明顯增大燃料電池裝置的重量、成本或尺寸的條件下能夠高效運行。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述燃料電池堆還包括在相鄰電池之間的冷卻劑層和沿每一冷卻劑層的進口和出口邊緣設(shè)置的歧管。在所述冷卻劑層內(nèi)設(shè)置冷卻劑通道以將冷卻流體輸送至冷卻劑層。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述膜電極組件和氣體分配層被構(gòu)造成互補的彎繞構(gòu)形，以使在給定燃料電池堆表面積條件下的反應(yīng)物層的有效平面面積達到最大。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，形成PEM燃料電池的氣體分配層的方法包括將隔板結(jié)合到多孔介質(zhì)上。所述多孔介質(zhì)形成一個部分，所述部分限定了至少一條通道和數(shù)個孔，且所述多孔介質(zhì)的平均孔徑大小小于或等于0.25毫米(0.010英寸)且孔隙度等于或大于85％。這種形成氣體擴散層的方法保證通過在膜電極組件整個表面上的多孔介質(zhì)中的通道的氣體基本上分布均勻，且所述膜電極組件廉價且易于制造。


通過以下說明并參考附圖，本發(fā)明的各種特征、優(yōu)點或其它用途變得更加明顯，其中圖1是包括了根據(jù)本發(fā)明所述的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明所述的燃料電池堆的透視示意圖；圖3是沿圖2中線3-3的剖視圖；圖4是在燃料電池中所使用的膜電極組件(MEA)的剖視圖；圖5是燃料電池的分解視圖；圖6是在燃料電池中所使用的氣體分配層的第一優(yōu)選形式的透視圖；圖7是沿圖6中線7-7的剖視圖；圖8是單個重復(fù)單元和冷卻劑分配層的局部剖視圖；圖9是具有在膜電極組件和所述氣體分配層之間的中間層的單個重復(fù)單元和冷卻劑分配層的局部剖視圖；圖10是所述氣體分配層的第二優(yōu)選形式的剖視圖；圖11是所述氣體分配層的第三優(yōu)選形式的剖視圖；圖12是具有內(nèi)置冷卻功能的所述氣體分配層的第四優(yōu)選形式的剖視圖；圖13是所述燃料電池的第五優(yōu)選形式的剖視圖；圖14是如圖13所示的第五優(yōu)選實施方案的第一備選形式的剖視圖；圖15是如圖13所示的第五優(yōu)選實施方案的第二備選形式的剖視圖；圖16是如圖13所示的第五優(yōu)選實施方案的第三備選形式的剖視圖；和圖17是如圖13所示的第五優(yōu)選實施方案的第四備選形式的剖視圖。
具體實施例方式
可比照普通燃料電池系統(tǒng)進一步理解本發(fā)明。因此，在對本發(fā)明作進一步描述之前，提供所述系統(tǒng)的總體概述，在所述系統(tǒng)中工作著根據(jù)本發(fā)明所述的改進型燃料電池。在于2000年8月31日提交的美國專利申請No.09/541,934中提出了與本發(fā)明相關(guān)的燃料電池系統(tǒng)的更詳細說明，所述專利申請已轉(zhuǎn)讓給通用汽車公司，并且所述專利申請的公開內(nèi)容在此作為參考而被直接引用。
在所述系統(tǒng)中，在燃料處理器中例如采用重整和優(yōu)先氧化工藝，對烴燃料進行處理，以產(chǎn)生具有相對較高氫的體積或摩爾含量的重整氣。因此，下文主要參照的是富氫或相對較高氫含量的情況。下文中，在添加富H2重整燃料，而不考慮這種重整燃料的制造方法的前提下，對本發(fā)明進行描述。應(yīng)理解在此包含的原理可適用于加H2燃料的燃料電池的情況，所述H2燃料可由任何燃料源獲得，例如可進行重整的烴和含有氫的燃料，例如甲醇、乙醇、汽油、堿、或其它脂肪族烴或芳香族烴。
如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)10包括燃料處理器12，所述燃料處理器用于使可重整性烴燃料流14和來自水流16的以蒸汽形式存在的水進行催化反應(yīng)。在一些燃料處理器中，在優(yōu)先氧化/蒸汽重整組合反應(yīng)中還使用空氣。在這種情況下，燃料處理器12還接收空氣流18。所述燃料處理器12包含一個或多個反應(yīng)器，其中燃料流14中的可重整性烴燃料在存在水流16形式的蒸汽和空氣流18形式的空氣的條件下發(fā)生裂解，以生成富氫重整燃料，所述富氫重整燃料從燃料處理器12中以重整燃料流20的形式被排出。燃料處理器12一般還包括一個或多個下游反應(yīng)器，例如水/氣轉(zhuǎn)化(WGS)和/或優(yōu)先氧化(PrOx)反應(yīng)器，所述這些反應(yīng)器被用于將重整燃料流20中的一氧化碳含量降低至可接受的水平，例如低于20ppm。富H2重整燃料20被引入到燃料電池堆22的陽極室。同時，以氣流24中的空氣的形式存在的氧被引入到燃料電池22的陰極室。源于重整燃料流20的氫和源于氧化劑流24的氧在燃料電池22中進行反應(yīng)產(chǎn)生電能。
燃料電池22陽極側(cè)的陽極廢氣或排放物26中包含一些未反應(yīng)的氫。燃料電池22陰極側(cè)的陰極廢氣或排放物28中可包含一些未反應(yīng)的氧。這些未反應(yīng)的氣體是能夠以熱能的形式被回收到燃燒器30中用于系統(tǒng)10內(nèi)各種熱量需要的附加能源。
具體而言，根據(jù)系統(tǒng)工作條件，烴燃料32和/或陽極排放物26在燃燒器30中可與或是通過空氣流34，或是通過陰極排放物流28供給到燃燒器30中的氧以催化或放熱的方式進行燃燒。燃燒器30將廢氣流34排放到環(huán)境中，并且由此產(chǎn)生的熱量可根據(jù)需要被引至燃料處理器12中。
參見圖2-5，本發(fā)明涉及燃料電池22，且特別涉及燃料電池22的結(jié)構(gòu)，以改進其重量、體積和成本參數(shù)。從廣義方面進行考慮，重整燃料20和空氣24以如前所述的方式被輸送到燃料電池堆22中，并且氫排放物26和耗盡氧的空氣28從燃料電池22中排出。
總體上說，燃料電池22包括多個重復(fù)的單元或電池40，所述單元或電池具有膜電極組件42和一對設(shè)置在所述膜電極組件42相對側(cè)上的雙極板組件44。每一個雙極板組件44由設(shè)置在兩個氣體分配層46之間的冷卻劑分配層54組成。所述冷卻劑分配層54被包繞在冷卻劑歧管板56中，所述冷卻劑歧管板將冷卻劑引入所述冷卻劑分配層54。在冷卻劑歧管板56和冷卻劑分配層54的每一側(cè)上是一塊不可滲透的隔板48，所述隔板含有冷卻劑并分隔開陽極和陰極氣流。陽極歧管板50和陰極歧管板52分別將反應(yīng)氣體引導(dǎo)至陽極和陰極氣體分配層46a，46c。當(dāng)膜電極組件42插入到一個電池的陽極氣體分配層46a和相鄰電池的陰極氣體分配層46c之間時，形成電池。燃料電池堆22的每一端設(shè)有集電板58、絕緣板60和端板62。按照這種方式，多個包括冷卻劑層54的重復(fù)單元40按照層疊方式進行布置，如圖3所示。熟練的專業(yè)人員將意識到如果提供了足夠的熱傳遞以將電池保持在所需工作范圍內(nèi)，那么可從重復(fù)單元中略去所述冷卻劑層。由此，術(shù)語燃料電池堆被用來指代多電池裝置。
在所述燃料電池堆的各種部件裝配好時，最佳效果如圖3和5所示，陽極分配層46a位于每一塊陽極歧管板50內(nèi)，陰極分配層46c位于每一塊陰極歧管板52內(nèi)，冷卻分配層54位于每一塊冷卻歧管板54內(nèi)。隔板48位于冷卻層54側(cè)面，以在保持通過所述電池堆22的導(dǎo)電性的同時，阻止反應(yīng)氣體和冷卻流體相混合。
現(xiàn)在參見圖4-5和圖8，膜電極組件42包括以薄層質(zhì)子傳輸非導(dǎo)電型固體聚合物電解質(zhì)形式存在的隔膜64，一對緊貼在隔膜64表面上的密封件或墊圈構(gòu)件66。陽極催化層68形成在隔膜64的上表面上，陰極催化層70形成在隔膜64的下表面上。最佳效果如圖5所示，沿雙極板組件44的側(cè)緣設(shè)置了多個進入孔和排出孔，以允許反應(yīng)氣體和冷卻劑軸向流動通過如下文所述的燃料電池堆22。
現(xiàn)在參見圖3和圖6-8，氣體分配層46由導(dǎo)電泡沫介質(zhì)制成。優(yōu)選泡沫材料為開孔泡沫材料，其具有連續(xù)分散的孔并且可包含導(dǎo)電石墨泡沫介質(zhì)或?qū)щ娊饘倥菽橘|(zhì)。所述導(dǎo)電石墨泡沫介質(zhì)可包括例如石墨化的熱解石墨。所述導(dǎo)電金屬泡沫介質(zhì)可包括高級(即高鉻/高鎳)不銹鋼如SS310或SS904L不銹鋼，或者具有低接觸電阻的金屬合金如Inconel 601，或鈦基合金，或FeCrAlY合金。各種合適的導(dǎo)電泡沫材料可從俄亥俄州辛辛那提的Astromet，或北卡羅來納州Hendersonville的Porvair Advanced Materials，或加利福尼亞州Pacoima的Ultramet得到。
所述導(dǎo)電泡沫介質(zhì)46由這樣一種材料制成，所述材料耐流經(jīng)燃料電池22的反應(yīng)物和冷卻劑的腐蝕相對較好，且還具有以下性能，如下表1所示

在這里，表觀面積被定義為在泡沫介質(zhì)46和膜電極組件42之間的接觸面積總和。體電阻率指的是包含導(dǎo)電泡沫介質(zhì)46的單根帶的電阻率。
為了提高所述燃料電池堆22中的體積功率密度，將重復(fù)單元40的間距減至最小。目前，對于要求多孔介質(zhì)46的厚度約為0.475毫米的未冷卻的電池，優(yōu)選單個電池之間距離為1.0毫米。此外，所述多孔介質(zhì)46必須具有至少兩個穿過其厚度的孔，以保持足夠的結(jié)構(gòu)完整性。因此，所需的是平均孔徑≤0.25毫米和孔隙率≥85％的多孔介質(zhì)，優(yōu)選的是平均孔徑≤0.125毫米和孔隙率≥90％的泡沫介質(zhì)。在這里術(shù)語孔隙率指的是空隙體積或氣隙與所述氣體分配層總體積的比值。
由于膜電極組件42被支承在帶上(即在泡沫介質(zhì)中鄰近孔的材料)，因此所述帶之間的距離隨孔徑減小而成比例地減小，從而使膜電極組件42上的應(yīng)力集中較小。因此，優(yōu)選泡沫介質(zhì)在全部三個方向上具有高孔密度，使得不需要在所述泡沫和所述膜電極組件之間的中間層。
如前所述，對于泡沫介質(zhì)進行適當(dāng)?shù)倪x擇應(yīng)進一步考慮的是其低接觸電阻。具有足夠低的接觸電阻和高耐蝕性的獨立泡沫介質(zhì)是最經(jīng)濟的解決方案。然而，可在膜電極組件和泡沫介質(zhì)之間任選設(shè)置多孔中間層。所述中間層的厚度優(yōu)選在25-50微米范圍內(nèi)并用于將接觸電阻減少至如表1所列出的所需或優(yōu)選范圍內(nèi)，以在膜電極組件上分配壓縮載荷和/或增加控制通過電池的壓力降的靈活性。
如前所述，對于泡沫介質(zhì)進行適當(dāng)?shù)倪x擇應(yīng)進一步考慮的是所述泡沫材料的電導(dǎo)率或換句話說，體電導(dǎo)率。在這方面，可在所述泡沫介質(zhì)中加入導(dǎo)電帶或?qū)щ娎w維以增大體電導(dǎo)率(減小體電阻)。所述帶優(yōu)選是長股導(dǎo)電材料例如高鎳含量合金或碳，其平均厚度小于25微米。
現(xiàn)在參見圖9，重復(fù)電池40’包括膜電極組件42和一對設(shè)置在所述膜電極組件42相對側(cè)上的雙極板組件44’。每一塊雙極板組件44’包括氣體分配層46’和隔板或墊片48’，所述氣體分配層具有形成在面對膜電極組件42的表面上或結(jié)合在面對膜電極組件42的表面上的中間層46.2’，所述隔板或墊片與所述中間層46.2’相對地被結(jié)合到氣體分配層44’的表面上。所述中間層46.2’可采取蝕刻箔片或細孔濾網(wǎng)形式覆蓋在泡沫介質(zhì)上，由低接觸電阻材料制成，并且通過燒結(jié)、銅焊、擴散結(jié)合或其他適當(dāng)?shù)牟粫黠@增大結(jié)合界面處電阻的工藝進行結(jié)合。當(dāng)前優(yōu)選貴金屬層，例如金鍍層、高合金不銹鋼或鎳合金如Inconel601鍍層、或多孔金屬材料從如北卡羅來納州Hendersonville的Porvair Advanced Materials公司購買的GPM的鍍層。所述多孔金屬材料比其它優(yōu)選材料更具優(yōu)勢，原因在于在多孔金屬材料的燒結(jié)階段就可將所述中間層46.2’結(jié)合到泡沫介質(zhì)上。另一種選擇是，所述泡沫介質(zhì)和所述多孔金屬材料可同時進行燒結(jié)，由此形成具有統(tǒng)一中間層46.2’的氣體分配層46’。
再次參見圖5-8，氣體分配層或薄板46被分成多段或多個支路72，所述支路從第一邊緣74橫向延伸至第二邊緣76，限定了多條基本上平行的多孔反應(yīng)物通路或通道。通過在空間中改變薄板46內(nèi)氣體交叉流動(即大體垂直于支路72流動)的阻力而限定支路72?？梢酝ㄟ^在空間中改變所述薄板的孔隙率、在空間中改變所述薄板的厚度以及在空間中改變所述薄板的厚度和孔隙率，從而在空間中改變交叉流動的阻力。
冷卻層54基本上與所述氣體分配層46相似。冷卻劑層54包括多個支路，每一支路從第一邊緣延伸至第二邊緣。所述支路限定了多條大體上平行的橫向延伸穿過所述燃料電池堆的多孔冷卻劑通路。熟練的專業(yè)人員易于認識到由于二者之間的相似性，因此在此對氣體分配層44的討論同樣適用于冷卻劑層54。
在雙極板組件44的第一優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，氣體分配層46如圖6和7所示，通過在空間中改變所述薄板的孔隙率而形成支路72。所述導(dǎo)電氣體分配層46包括一行一行交替布置的由高孔隙率泡沫材料制成的相對較寬的寬條46.4和由低孔隙率泡沫材料制成的相對較窄的窄條46.6。低孔隙率泡沫材料46.6在高孔隙率泡沫材料46.4的兩側(cè)上形成阻擋層，以渠化通過膜電極組件42表面的反應(yīng)氣體流。由此形成了基本上平行的反應(yīng)氣體流動通路。低孔隙率泡沫介質(zhì)可以由相似的材料制成，但是低孔隙率泡沫介質(zhì)的平均孔徑小于或等于0.1毫米(0.004英寸)且優(yōu)選小于或等于0.05毫米(0.002英寸)。換一種說法，所述高孔隙率導(dǎo)電泡沫介質(zhì)的滲透率比低孔隙率導(dǎo)電泡沫介質(zhì)的滲透率至少大250％。
本發(fā)明可考慮使用各種制造所述氣體分配層的方法。在第一優(yōu)選制造方法中，可以通過組合裝配一塊交替排列的高孔隙率和低孔隙率泡沫層，并如虛線所示分割開所述塊體截面以形成單獨的分配層薄板，從而制造出氣體分配層46?，F(xiàn)有的多種分割方法包括鋸切、磨削、放電加工(EDM)、層切和噴水切割。在第二優(yōu)選制造方法中，已分割開的分配層可由并排布置的數(shù)個單獨的泡沫帶或段構(gòu)成，在分隔開的帶之間顯示出適當(dāng)?shù)妮喞?。然后將所述段結(jié)合在一起以形成氣體分配層。在第三優(yōu)選制造方法中，將泡沫坯件前體切至適當(dāng)?shù)某叽?應(yīng)考慮到在燒結(jié)過程中產(chǎn)生收縮)，然后將所述泡沫坯件在高溫和任選的高壓條件下進行涂布和燒結(jié)。在涂布工藝中可使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，或另一種選擇是使用淤漿法，其中所述泡沫坯件在干燥過程中壓制成形。
在雙極板組件144的第二優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，氣體分配層146如圖10所示，通過在空間中改變相應(yīng)薄板的厚度而形成支路。所述薄板包括交替排列的厚部分146.4和薄部分146.6以形成分配層。所述泡沫材料的薄部分146.6在所述泡沫材料厚部分146.4的兩側(cè)上形成阻擋層，以渠化通過膜電極組件42表面的反應(yīng)氣體流。環(huán)氧條或小珠146.8可設(shè)置在凹槽中，在厚部分146.4和薄部分146.6之間限定出所述凹槽。由此形成大致平行的反應(yīng)氣流通路。
在雙極板組件244的第三優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，氣體分配層246如圖11所示，通過沿所述薄板壓縮彼此隔開的條，從而形成交替排列的較厚的、具有高孔隙率的未壓縮的部分246.4和較薄的、具有低孔隙率的經(jīng)壓縮的部分246.6而形成支路。所述較薄的、具有低孔隙率的泡沫材料246.6在所述較厚的、具有高孔隙率泡沫材料246.4的兩側(cè)上形成阻擋層，以渠化通過膜電極組件42表面的反應(yīng)氣體流。環(huán)氧條或小珠246.8可設(shè)置在凹槽中，在所述層的厚部分246.4和薄截面246.6之間限定出所述凹槽。由此形成大致平行的反應(yīng)氣流通路。
現(xiàn)參見圖12，圖中示出了所述雙極板組件344的第四優(yōu)選結(jié)構(gòu)。有選擇地以一定間隔距離壓縮泡沫層346，以形成隔開高孔隙率區(qū)346.4的高密度、低孔隙率的區(qū)域346.6。導(dǎo)電材料板346.8置于泡沫材料346上面，具有分別位于經(jīng)壓縮的低孔隙率區(qū)346.6之上的單獨的被隔開的彎繞部346.10。隔板348被定位在板346.8上面以限定橫向延伸的冷卻劑通道354，所述通道位于經(jīng)過壓縮的區(qū)域346.6之上。這種布置的優(yōu)點在于將冷卻劑通道354和氣體分配層設(shè)置在同一水平上，由此減少所述燃料電池堆的總厚度。
在本發(fā)明的第五優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，如圖13所示，膜電極組件42橫截面具有彎繞的構(gòu)形。具體而言，它具有不平的或不對稱的梯形構(gòu)形，所述構(gòu)形中包括交替布置的相對較寬的彎繞部442.4和相對較窄的彎繞部442.2。所述膜電極組件彎繞構(gòu)形的一個重要特征在于使得隔膜表面積與燃料電池的有效平面面積的比值最大，由此增大了在給定燃料電池表面積條件下的燃料電池的電力輸出。
氣體分配層446的橫截面具有與膜電極組件的梯形構(gòu)形相一致的梯形構(gòu)形，所述氣體分配層446與膜電極組件442互補以便以拼板的方式嵌套或配合在一起。具體而言，上氣體分配層446具有對應(yīng)于膜電極組件442的梯形構(gòu)形的梯形下表面446.2，并且下氣體分配層446具有對應(yīng)于膜電極組件442的梯形構(gòu)形的梯形上表面446.6和大致平的下表面446.8。隔板448具有平面構(gòu)形，且優(yōu)選由導(dǎo)電金屬材料如不銹鋼或鈦構(gòu)成。
在燃料電池22的裝配關(guān)系中，上氣體分配層446的梯形下表面446.2被定位貼在膜電極組件的梯形上表面442.6上，下氣體分配層446的梯形上表面446.6被定位貼在膜電極組件的梯形下表面442.8上，上氣體分配層446的上平面446.4被定位貼在上隔板448的下平底面上，且下氣體分配層446的下平面446.8被定位貼在下氣體隔板448的上平面上。使用燒結(jié)、銅焊工藝或?qū)щ娬澈蟿⒏舭?48結(jié)合到氣體分配層446的相鄰面上。
如圖13可見膜電極組件442的最高沿442.10被定位接近上氣體隔板448處，以限定一系列平行隔開的橫向延伸穿過氣體分配層的通道或支路472.2，且膜電極組件的最低沿442.12被定位接近下氣體隔板448處，以限定一系列平行隔開的橫向延伸穿過氣體分配層的通道或支路472.4。由于膜電極組件的梯形構(gòu)形具有不平或非對稱的特性，所述平行隔開的通道472.4比所述平行隔開的通道472.2寬，由此提供更大的氣體流量。根據(jù)目前優(yōu)選方式，膜電極組件的所述非對稱構(gòu)形使傳輸?shù)侥る姌O組件陰極的空氣量比傳送到膜電極組件陽極的H2或重整氣的量要多，從而補償由于空氣中僅含有21％的氧氣造成的問題。
如圖13所示的燃料電池結(jié)構(gòu)包括層疊的兩個燃料電池440的一部分，所述兩個燃料電池被位于燃料電池氣體隔板448之間的冷卻層454分隔開。冷卻層454可包括與冷卻劑分配層54中所用結(jié)構(gòu)相似的開孔泡沫結(jié)構(gòu)，且通過位于彼此隔開的點處沿冷卻層的相對密實的泡沫構(gòu)件454.2可將所述冷卻層分成橫向延伸穿過冷卻劑分配層454的平行段。
在使用中，如下文所述，富氫重整物20經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠绻苎b置被輸送通過小通道472.2，用以與膜電極組件442的陽極產(chǎn)生反應(yīng)，而同時空氣經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠绻苎b置通過相對較大的通道472.4，用以與膜電極組件442的陰極產(chǎn)生反應(yīng)。富氫重整物移動通過通道442.2時受到膜電極組件442的彎繞構(gòu)形的限制，使得在平行通道之間幾乎不發(fā)生或不存在遷移。不管泡沫介質(zhì)中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明顯的變化，在陽極電極表面上均保證了氫的大致均勻的分布，由此使基于氫與陽極電極之間的相互作用而產(chǎn)生的電能最大化。由于沿每條通道流阻為主要約束，并且由此孔隙率的變化在通道長度上得到平均，而不是使局部擾動影響整個流場，因此在陽極電極上的氣流分布大致是均勻的。
與之相似，移動通過所述寬通道472.4的空氣受到相應(yīng)通道中膜電極組件442的彎繞構(gòu)形的限制，使得在平行通道之間幾乎不發(fā)生或不存在遷移。不管泡沫介質(zhì)中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明顯的變化，在陰極電極表面上均保證了氧的大致均勻的分布，由此使基于氧與陰極電極之間的相互作用而產(chǎn)生的電能最大化。
除膜電極組件542具有均一或均勻的梯形構(gòu)形以外，如圖14所示的第五優(yōu)選實施方案的第一備選燃料電池結(jié)構(gòu)大體上相應(yīng)于如圖13所示的結(jié)構(gòu)。所述均一或均勻的梯形構(gòu)形使得由膜電極組件542所限定的通道572.2和572.4的體積大致相等，從而使大致相同量的重整物和空氣分別被輸送至陽極和陰極電極處。
除了膜電極組件642具有均勻的正弦曲線構(gòu)形以及氣體分配層646具有互補形狀，所述互補形狀又產(chǎn)生出用于傳送重整物和空氣通過所述燃料電池的較小尺寸的通道以外，如圖15所示的第五優(yōu)選實施方案的第二備選燃料電池結(jié)構(gòu)與如圖13所示的結(jié)構(gòu)大體上相對應(yīng)。所述冷卻劑分配層654還由多條形成在氣體隔板648中的通道654.2和654.4所限定。如此，通道654.2和654.4以同樣的方式起如圖13所示出的平行段的作用，以將冷卻流體分配到燃料電池堆的單個電池中。
除膜電極組件742具有均勻的三角形構(gòu)形以外，如圖16所示的第五優(yōu)選實施方案的第三備選燃料電池結(jié)構(gòu)與如圖13所示的結(jié)構(gòu)大體上相對應(yīng)。所述均勻的三角形構(gòu)形還提供了使重整物和空氣流過大致相同大小的燃料電池的通道。
除了形成泡沫氣體分配層846，使得所述泡沫氣體分配層846的密度從接近膜電極組件842最大密度(最小孔隙率)的峰值842.10變化到與峰值842.10相對的最小密度(最大孔隙率)以外，如圖17所示的第五優(yōu)選實施方案的第四備選燃料電池結(jié)構(gòu)與如圖8所示的結(jié)構(gòu)大體上相對應(yīng)。結(jié)果是最大密度區(qū)域進一步增強了在連續(xù)的平行氫重整物通道872.2之間和在連續(xù)的平行氧通道872.4之間的分隔，由此進一步將在平行通道之間的交互滲移減至最少并且確保通過相應(yīng)電極表面的重整物和氧的大致均勻分配。
應(yīng)理解的是在歧管板50，52，56中、在膜電極組件42中以及在隔板48中形成進口和排放口，其尺寸、形狀、間距和排列相一致，從而限定出數(shù)個軸向延伸穿過燃料電池堆22的通道。在美國專利申請No.09/541,934中可以找到關(guān)于歧管和進入端口的其它細節(jié)，所述申請在此引入作為參考。還應(yīng)理解的是這些端口的尺寸根據(jù)通過其中的不同流體的流速和壓力要求而變化。例如，連通陰極空氣的陰極端口相對較寬；而連通冷卻液體的冷卻端口相對較窄；連通陽極氫的陽極端口窄于所述陰極端口，但是寬于所述冷卻端口。
具有傳統(tǒng)構(gòu)形和結(jié)構(gòu)的集電板58收集燃料電池堆22中由電池40產(chǎn)生的累積電能，用以分配給適當(dāng)?shù)呢撦d例如車輛馬達。同樣具有傳統(tǒng)構(gòu)形和結(jié)構(gòu)的絕緣板60將端板62與集電板58電絕緣。具有傳統(tǒng)構(gòu)形結(jié)構(gòu)的端板92賦予用于保持在所述燃料電池堆的所有層之間適當(dāng)接口的壓縮載荷，以確保在所述燃料電池堆中適當(dāng)分配流體和適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率。若端板92不導(dǎo)電，那么可省去絕緣板60。
在操作中，氫沿軸向通過陽極進口并在每一陽極歧管進口部分80處轉(zhuǎn)向通過所述橫向通道的通道和通至支路72的次通道，此后流動至陽極歧管出口部分82，在該處氫的匯流通過所述橫向次通道和所述通道流至陽極排放口。在氫從支路72的進口端74移動到出口端76時，氫被低孔隙率的條46.6大致限制在相應(yīng)段46.4中，使得在所述平行段之間幾乎沒有或不發(fā)生交叉流動，由此不管泡沫介質(zhì)中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明顯的變化，均保證氫大致均勻分布在下面的陽極表面上。所述氫的均勻分布使基于氫與陽極電極之間的相互作用而產(chǎn)生的電能最大化。
同時，陰極空氣沿軸向通過陰極進口并在每一陰極歧管層處轉(zhuǎn)向通過所述橫向通道和通至支路的次通道，然后通過陰極排氣口進行排放。在高孔隙率的條46.4之間的所述低孔隙率的條46.6起到防止相鄰條之間的空氣發(fā)生交互滲移的作用，由此確?？諝夂脱醯墓┙o在陰極電極之上的整個表面上均勻分布。由于沿每一段的流阻為主要約束，并且由此孔隙率的變化在各段長度上得到平均，而不是使局部擾動影響整個流場，因此在催化層上的氣流分布基本上是均勻的。此外，與條46.4相比，條46.6較窄的寬度確保了相應(yīng)膜電極組件電極的幾乎全部面積都將被暴露于相應(yīng)的反應(yīng)氣體中，其結(jié)果是使產(chǎn)生的電能最大化。且由于反應(yīng)氣體將擴散進入較窄的多孔分隔條46.6中，即使所述條下面較小的電極面積也會產(chǎn)生電能，由此進一步使電池中電能的產(chǎn)生最大化。
同時，冷卻流體沿軸向通過冷卻劑進口并在每一冷卻劑歧管層處轉(zhuǎn)向，在此冷卻劑流過所述橫向通道和次通道，然后流經(jīng)單獨支路至冷卻劑排放歧管并排出冷卻劑排放口。在高孔隙率的條46.4之間的所述低孔隙率的條46.6再一次確保冷卻流體均勻分布在隔板上方和下方的相鄰表面上，由此確保相鄰電池總面積的均勻冷卻。
可以看到，本發(fā)明提供一種比現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池更輕、更小且更便宜的燃料電池，同時不需要犧牲燃料電池的電能輸出。具體而言，使用泡沫氣體分配層代替現(xiàn)有技術(shù)中具有蛇形脊面和通道的金屬雙極板同時減小了燃料電池的重量和體積。所述泡沫氣體分配層在所述隔膜的大致整個面積上分配氣體的能力與現(xiàn)有技術(shù)中的雙極板僅在暴露于蛇形通道凹槽的面積上分配氣體形成對比，這還使得可以省去現(xiàn)有技術(shù)中在所述雙極板和隔膜之間的石墨紙或石墨布，這是由于現(xiàn)在泡沫層已可以滿足這種布的氣體分配和隔膜支承功能。去掉這種石墨紙或石墨布還減小了燃料電池的體積、重量和成本。
沿泡沫層的一面將所述泡沫結(jié)合到相鄰隔離物上以及在所述泡沫層的另一表面和膜電極組件之間的多點和全面電接觸減小了通過燃料電池的接觸電阻。因此，需要用以保持通過燃料電池的電導(dǎo)率的壓縮載荷減小，使得端板的尺寸和強度可減至最小，由此節(jié)省體積、重量和成本。在這方面，較低的壓縮載荷要求使得端板可以使用較輕的、較便宜的材料，例如適當(dāng)?shù)乃芰蟻碇苽?。本發(fā)明技術(shù)的最終目的在于提供一種明顯比現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池更輕、更小且更便宜的燃料電池，同時不減少燃料電池單位面積的電能輸出水平。
雖然已經(jīng)通過目前被認為是最實際的和優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了說明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開的實施方案，而是相反，本發(fā)明旨在包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種變型和等效裝置。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括膜電極組件，所述膜電極組件具有隔膜，在所述隔膜的第一表面上的第一催化層和在所述隔膜的第二表面上的第二催化層；第一雙極板組件，所述第一雙極板組件鄰近所述第一催化層并與其電接觸，所述第一雙極板組件包括第一氣體分配層，所述氣體分配層具有數(shù)條沿基本上平行的方向橫向延伸通過所述第一氣體分配層的多孔流動通道，所述第一氣體分配層的第一表面面對所述第一催化層；和第一無細孔的導(dǎo)電隔板，所述隔板被固定到所述第一氣體分配層的第二表面上；第二雙極板組件，所述第二雙極板組件鄰近所述第二催化層并與其電接觸，所述第二雙極板組件包括第二氣體分配層，所述氣體分配層具有數(shù)條沿基本上平行的方向橫向延伸通過所述第二氣體分配層的多孔流動通道，所述第二氣體分配層的第一表面面對所述第二催化層；和第二無孔的導(dǎo)電隔板，所述隔板被固定到所述第二氣體分配層的第二表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔流動通道中的每一條中所含有的多孔介質(zhì)的平均孔徑大小不大于0.25毫米且孔隙度不小于85％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔流動通道中的每一條都包括一橫向段的所述氣體分配層，所述氣體分配層具有一個中間部分和一對鄰接所述中間部分的側(cè)邊緣部分，所述中間部分的滲透率比所述的一對側(cè)邊緣部分的滲透率至少要高200％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述中間部分中含有平均孔徑大小不大于0.25毫米且孔隙度不小于85％的多孔介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔流動通道中的每一條都包括一橫向段的所述氣體分配層，所述氣體分配層具有一個中間部分和一對鄰接所述中間部分的側(cè)邊緣部分，所述側(cè)邊緣部分的厚度小于所述中間部分的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中所述中間部分的滲透率比所述的一對側(cè)邊緣部分的滲透率至少要高200％。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中所述的一對側(cè)邊緣部分中的每一個限定了接納設(shè)置于其中的低孔隙率小珠的凹槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述膜電極組件具有彎繞的構(gòu)形，并且其中所述第一氣體分配層的所述第一表面具有與所述第一催化表面并排設(shè)置的彎繞的表面，且其中所述第二氣體分配層的所述第一表面具有與所述第二催化表面并排設(shè)置的彎繞的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔流動通道中的每一條都具有在面速度為5m/s時不大于10kPa/cm的氣體滲透率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔流動通道中的每一條都具有不大于50mΩ·cm2的接觸電阻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，還包括設(shè)置在所述第一和第二氣體分配層中的至少一個和所述第一和第二催化層中的至少一個之間的多孔導(dǎo)電中間層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池，其中所述中間層選自蝕刻箔片、細孔濾網(wǎng)和GPM。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述第一和第二氣體分配層由金屬泡沫介質(zhì)構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其中所述金屬泡沫介質(zhì)選自高合金不銹鋼、高鎳合金、鈦基合金和FeCrAlY。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述第一和第二氣體分配層由基于石墨的泡沫介質(zhì)構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池，其中所述基于石墨的泡沫介質(zhì)為石墨化的熱解石墨。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，還包括鄰近所述第一雙極板組件并與其熱接觸的冷卻劑分配層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池，其中所述冷卻劑分配層包括數(shù)條沿基本平行的方向橫向延伸通過所述冷卻劑分配層的多孔冷卻劑流動通道。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述數(shù)條多孔冷卻劑流動通道中的每一條都具有一橫向段的所述冷卻劑分配層，所述冷卻劑分配層具有一個中間部分和一對鄰接所述中間部分的側(cè)邊緣部分，所述中間部分的孔隙率高于所述一對側(cè)邊緣部分的孔隙率。
全文摘要
一種燃料電池，所述燃料電池具有設(shè)置在一對雙極板組件(44)之間的膜電極組件(MEA)(42)。所述膜電極組件具有彎繞的構(gòu)形，以使給定平面面積條件下的膜電極組件的有效表面積最大。每一個雙極板組件(44)都包括由開孔傳導(dǎo)性泡沫材料(46)構(gòu)成的氣體分配層，所述氣體分配層被分割成多個平行段以限定出數(shù)條基本平行的多孔反應(yīng)通路。通過選擇性地改變所述泡沫材料的孔隙率和/或所述泡沫材料的厚度來限定所述段。所述泡沫材料可以是導(dǎo)電石墨泡沫材料或?qū)щ娊饘倥菽牧?。每一個雙極板組件(44)還包括無孔的導(dǎo)電隔板(48)。所述雙極板組件分配通過在整個膜電極組件表面上的歧管結(jié)構(gòu)輸送的反應(yīng)氣體。還可以設(shè)置冷卻劑層(54)。
文檔編號H01M8/02GK1639896SQ02828792
公開日2005年7月13日 申請日期2002年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月22日
發(fā)明者G·W·弗利, B·K·布拉迪 申請人:通用汽車公司