專利名稱：帶有部分封閉的端部的燃料電池流場(chǎng)通道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
燃料電池是熟知的且在各種應(yīng)用中用于發(fā)電。 一般的燃
料電池采用反應(yīng)物氣體產(chǎn)生電流，例如氫氣或天然氣和氧氣。 一般地， 燃料電池包括各接受一種反應(yīng)物氣體的相鄰的流場(chǎng)。每個(gè)流場(chǎng)將反應(yīng) 物氣體通過(guò)氣體分配層分配給相應(yīng)的靠近電解質(zhì)層的陽(yáng)極催化劑或陰 極催化劑，以產(chǎn)生電流。電解質(zhì)層可以為有效地傳送離子但不傳導(dǎo)離
子的任何層。 一些示范性的燃料電池電解質(zhì)包括堿性溶液(例如， K0H)、質(zhì)子交換膜(PEM)、磷酸、和固體氧化物。 —般的流場(chǎng)包括具有完全敞開(kāi)的開(kāi)口和完全敞開(kāi)的出口 的敞開(kāi)的或平行的通道。通過(guò)通道進(jìn)入的反應(yīng)物氣體通過(guò)氣體分配層 向催化劑擴(kuò)散。敞開(kāi)通道允許相對(duì)不受限制的反應(yīng)物氣體流動(dòng)且從而 產(chǎn)生相對(duì)低的反應(yīng)物氣體壓降。然而，相對(duì)低比例的流過(guò)通道的反應(yīng) 物氣體擴(kuò)散到催化劑，這不希望地導(dǎo)致反應(yīng)物氣體的低效率的利用。 用于燃料電池的一個(gè)示例設(shè)備包括具有通道進(jìn)口段和通 道出口段的燃料電池流場(chǎng)通道。所述通道進(jìn)口段或通道出口段中的至 少一個(gè)包括阻塞元件，阻塞元件部分地阻塞通過(guò)燃料電池流場(chǎng)通道的 流動(dòng)。 —個(gè)示例包括在細(xì)長(zhǎng)的通道壁之間的流動(dòng)通路。阻塞元 件延伸到細(xì)長(zhǎng)通道壁之間的流動(dòng)通路中，以部分地阻塞通過(guò)燃料電池 流場(chǎng)通道的流動(dòng)。上述示例并不旨在限定。在以下描述附加的示例。從以
下詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的各種特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)。 附隨詳細(xì)說(shuō)明的附圖簡(jiǎn)要地描述如下。


0011]圖1示意性地圖示了燃料電池堆的選擇部分。圖2是沿圖l所示的線截取的截面圖，圖示了具有通道
的實(shí)施例，通道具有部分地阻塞通過(guò)所述通道的流動(dòng)的示范性阻塞元件。圖3顯示了具有彎曲形狀的另一示例阻塞元件實(shí)施例。 圖5A顯示帶有開(kāi)口的示例性阻塞元件板，所述開(kāi)口延伸 通過(guò)所述板，其中板可相對(duì)于通道移動(dòng)以部分地阻塞通過(guò)所述通道的 流動(dòng)。圖5B顯示了圖5A的示例阻塞元件板的透視圖。 圖8圖解性地圖示了在阻塞元件尺寸范圍的預(yù)期的和實(shí) 際的電池電壓對(duì)壓降的示例。
具體實(shí)施例方式
0020圖1示意性地圖示了用于發(fā)電的示例燃料電池堆10的選 擇部分。在該示例中，陽(yáng)極側(cè)12接受反應(yīng)物氣體^且陰極側(cè)14接受 反應(yīng)物氣體R2以^便以已知的方式產(chǎn)生電流。陽(yáng)極側(cè)12和陰極側(cè)14的 每個(gè)包括流場(chǎng)板16,例如加工板、模制板、壓制板、實(shí)心板、多孔板、 或其它類(lèi)型的板，所述流場(chǎng)板16具有通道18，以將反應(yīng)物氣體Id和 R2分配在相應(yīng)的陽(yáng)極側(cè)12和陰極側(cè)14上。 在所示的示例中，氣體交換層20位于流場(chǎng)板16的每一 個(gè)的附近。電解質(zhì)層22在氣體交換層20之間將陽(yáng)極催化劑24與陰極 催化劑26隔開(kāi)。 在一個(gè)示例中，為了顯示燃料電池堆10的操作，反應(yīng)物 氣體R!和R2供應(yīng)到相應(yīng)的陽(yáng)極側(cè)12和陰極側(cè)14的通道18中.反應(yīng)物 氣體Ri和R2通過(guò)氣體交換層20向相應(yīng)的陽(yáng)極催化劑24或陰極催化劑 26擴(kuò)散或強(qiáng)制對(duì)流運(yùn)動(dòng)。電解質(zhì)層22以已知的方式操作以允許陽(yáng)極催 化劑24和陰極催化劑26之間的離子交換，從而產(chǎn)生通過(guò)外部電路(未 示出)的電流。 在所示示例中，阻塞元件46從細(xì)長(zhǎng)的通道壁40延伸到 通道18中。阻塞元件46部分地阻塞通道18，以限制反應(yīng)物氣體流入 通道18b和18d且限制反應(yīng)物氣體從通道18a和18c流出。 在一個(gè)示例中，阻塞元件46的至少一個(gè)的尺寸確定為通 道18 (最佳地見(jiàn)于圖1)的橫截面積的百分比，阻塞元件46延伸到所
述通道18中。較高的百分比阻塞較多的流動(dòng)，且較低的百分比阻塞較 少的流動(dòng)。 在一個(gè)示例中，阻塞元件46阻塞相應(yīng)通道18橫截面積 的大于大約0%且低于大約100%。在另一示例中，阻塞元件46阻塞 通道18橫截面積的大約70%和大約90%之間。在另一示例中，阻塞 元件46覆蓋通道18橫截面積的大約80% 。 上述示例的阻塞元件46通過(guò)各種方法的任何一種形成。 在一個(gè)示例中，已知的加壓模制過(guò)程用于形成流場(chǎng)板16。選擇的進(jìn)口 段42和出口段44模制成帶有完全封閉的端部。阻塞元件46然后從選 擇的進(jìn)口段42和出口段44的完全封閉的端部加工。在另一示例中， 阻塞元件46以近凈成形模制過(guò)程形成且需要很少的加工或不需要加 工。給定該說(shuō)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到適合具體需要的制造阻 塞元件46的附加方法。 阻塞元件46的尺寸控制越過(guò)燃料電池堆10的反應(yīng)物氣 體壓降和反應(yīng)物氣體利用效率之間的平衡。通道18a和18c通過(guò)完全 敞開(kāi)的進(jìn)口段42接收反應(yīng)物氣體。通道18a和18c的出口段44處的 阻塞元件46限制反應(yīng)物氣體流出。不受限制的流入和受限制的流出導(dǎo) 致通道18a和18c中的蓄壓，所述蓄壓促使反應(yīng)物氣體流入氣體交換 層20流向催化劑(對(duì)陽(yáng)極側(cè)12為24，或?qū)﹃帢O側(cè)14為催化劑26)。 反應(yīng)物氣體移動(dòng)通過(guò)氣體交換層20進(jìn)入相鄰的通道18b或18d,且通 過(guò)通道18b和18d的完全敞開(kāi)的出口段44排出。反應(yīng)物氣體以該方式 的強(qiáng)制對(duì)流提供反應(yīng)物氣體向催化劑24或26的更大的暴露的益處， 從而增加在催化劑24或26處的反應(yīng)物的濃度且從而降低稱為擴(kuò)散超 電勢(shì)的性能損失。然而，反應(yīng)物氣體流的限制和通道18a和18c中的 相關(guān)蓄壓導(dǎo)致越過(guò)燃料電池堆10的反應(yīng)物氣體的增加的壓降。 通道18a和18c的出口段44處的阻塞元件46允許反應(yīng) 物氣體從通道18a和18c受限制的流出，相對(duì)于在進(jìn)口或出口處完全 阻塞的交叉通道，這減少蓄壓且導(dǎo)致越過(guò)燃料電池堆IO的較低的壓降。 因而，受限制的流出提供蓄壓(由于強(qiáng)制對(duì)流)和越過(guò)燃料電池堆10 的壓降(由于高的蓄壓)之間的平衡。 在一個(gè)示例中，阻塞元件46的尺寸設(shè)計(jì)為在反應(yīng)物氣體 利用效率和越過(guò)燃料電池堆10的壓降之間獲得希望的平衡。使用相對(duì)
較小的阻塞元件46導(dǎo)致較低的效率(即，由于較少的強(qiáng)制對(duì)流)和越 過(guò)燃料電池堆10的較低壓降(即，由于較少的蓄壓)。使用相對(duì)較大 的阻塞元件46導(dǎo)致較高的效率(即，由于較大的強(qiáng)制對(duì)流)和越過(guò)燃 料電池堆10的較高壓降(即，由于在與較高利用率關(guān)聯(lián)的一些通道中 的較高蓄壓)。給定該說(shuō)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到滿足具體效 率和壓降需要的適當(dāng)?shù)淖枞?6尺寸。 參考圖4，通道壁40相對(duì)于彼此成角度，以在通道18中 提供錐形，而不是前述示例的相對(duì)一致的通道寬度。錐形通道18限制 反應(yīng)物氣體從通道18e和18g的進(jìn)口段42流向出口段44。反應(yīng)物氣體 限制導(dǎo)致通道18e和18g中的蓄壓。如上所述，這繼而導(dǎo)致反應(yīng)物氣 體向催化劑24或26且到相鄰的通道18f和18h中的強(qiáng)制對(duì)流。在該 示例中，阻塞元件46起到與上述阻塞元件類(lèi)似的功能，以促進(jìn)強(qiáng)制對(duì) 流同時(shí)允許受限制的流出。因而，阻塞元件46和通道18的錐形協(xié)作 實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物氣體效率和壓降之間的希望的平衡。 圖5A和5B顯示了阻塞元件46的實(shí)施例，其中阻塞元件 46包括具有開(kāi)口 58的板56a和56b,開(kāi)口 58延伸通過(guò)相應(yīng)的板56a 和56b。在該示例中，通道18i、 18j、 18k、 181、 18m和18n的每個(gè)和 通道壁40具有大約相同的寬度。致動(dòng)器60a和60b,如螺線管，將相 應(yīng)的板56a和56b沿移動(dòng)方向D來(lái)回移動(dòng)。在一個(gè)示例中，相應(yīng)的軌 道59引導(dǎo)板56a和56b的移動(dòng)且限制4黃向于移動(dòng)方向D的方向的移動(dòng)。 在一個(gè)示例中，為了顯示板56a和56b的操作，致動(dòng)器 60a和60b獨(dú)立地移動(dòng)相應(yīng)的板56a和56b，以在反應(yīng)物氣體效率和壓 降之間獲得相應(yīng)的平衡，如上所述。在該示圖所示的示例中，板56a 處于通道18i、 18k和18m的進(jìn)口段42處阻塞流動(dòng)通路38的大約50 %的位置。板56b處于通道18j、 181和18n的出口段44處阻塞流動(dòng) 通路38的大約50%的位置。致動(dòng)器60a和60b選擇性地移動(dòng)相應(yīng)的板 56a和56b，以阻塞流動(dòng)通路38橫截面積的更大或更小的百分比(例 如，在0%和100%之間)，以變換反應(yīng)物氣體效率和壓降之間的平衡。 參見(jiàn)圖6所示的示例，改進(jìn)的燃料電池堆10包括交叉流 場(chǎng)部分70。在所示示例中，交叉流場(chǎng)部分70包括進(jìn)口通道72和出口 通道74。進(jìn)口通道72包括完全敞開(kāi)的進(jìn)口段76和完全封閉的出口段 78。出口通道74各包括完全封閉的進(jìn)口段80和完全敞開(kāi)的出口段82。 反應(yīng)物氣體從采用阻塞元件46的通道18流向交叉流場(chǎng)部分70。 總體上，隨著反應(yīng)物氣體由催化劑24或26用完，反應(yīng) 物氣體濃度減少。因而，通道18的上游位置處，反應(yīng)物氣體濃度相對(duì) 高，且在交叉流場(chǎng)部分70的下游位置處，反應(yīng)物氣體濃度相對(duì)低。在 相對(duì)高的反應(yīng)物氣體濃度時(shí)，存在反應(yīng)物氣體向催化劑24或26的大 量的暴露而沒(méi)有高程度的強(qiáng)制對(duì)流(例如，由于反應(yīng)物氣體擴(kuò)散到氣 體交換層20中)。在相對(duì)低的反應(yīng)物氣體濃度時(shí)，存在反應(yīng)物氣體向 催化劑24或26的較少的暴露且較大程度的強(qiáng)制對(duì)流有益于增加暴露。 在該示例中，平行流場(chǎng)部分92提供;f艮少的強(qiáng)制對(duì)流或不 提供強(qiáng)制對(duì)流，這適于相對(duì)高的反應(yīng)物氣體濃度，同時(shí)減少(或在一 些示例中甚至最小化)壓降。通道18和阻塞元件46提供有限程度的 強(qiáng)制對(duì)流，以獲得從平行流場(chǎng)部分92接收的反應(yīng)物氣體流動(dòng)的相對(duì)較 低的濃度的有效利用。 圖6和7所示的結(jié)構(gòu)的另一有益效果在于，與如果例如 在流場(chǎng)下游部分具有較大程度的阻塞時(shí)的情況相比，反應(yīng)物氣體速度 在進(jìn)口段18和92中較低。較低的氣體速度可能是有益的，因?yàn)樗鼫p 少進(jìn)口區(qū)域中干燥的風(fēng)險(xiǎn)，其中進(jìn)口氣體通常不完全飽含水。較低的 進(jìn)口氣體速度允許相對(duì)小的濕潤(rùn)區(qū)域。 線110按照0 % (點(diǎn)X )和100 % (點(diǎn)Y )之間的阻塞百 分比表示阻塞元件尺寸的范圍內(nèi)的預(yù)期電池電壓對(duì)壓降的關(guān)系。線112 基于阻塞元件46尺寸范圍內(nèi)的電池電壓對(duì)壓降的實(shí)際數(shù)據(jù)。意外地， 對(duì)相同的壓降，線112顯示了與線110相比較高的電池電壓。應(yīng)當(dāng)理 解，通過(guò)實(shí)施在此教導(dǎo)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，可以獲得完全交叉流場(chǎng)的幾乎全 部性能益處，而與該種流場(chǎng)相關(guān)的壓降只有一小部分增加。 雖然在所示示例中顯示了特征的組合，但不是所有的特 征都需要組合以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的有益效果。換句話說(shuō)，根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不必包括在任何一個(gè)附圖中顯示的所有 特征或附圖中示意性顯示的所有部分。此外， 一個(gè)示例實(shí)施例的選擇
特征可以與其它示例實(shí)施例的選擇特征組合。 前述說(shuō)明性質(zhì)上是示范性的而不是限定性的。所披露的 示例的變型和改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，而不必偏離本發(fā)明的 實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的合法保護(hù)范圍可以僅通過(guò)研究所附權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池中的設(shè)備，其包括具有通道進(jìn)口段和通道出口段的燃料電池流場(chǎng)通道，其中所述通道進(jìn)口段或通道出口段中的至少一個(gè)包括阻塞元件，所述阻塞元件部分地阻塞通過(guò)燃料電池流場(chǎng)通道的流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，燃料電池流場(chǎng)通道包 括在細(xì)長(zhǎng)的通道壁之間的流動(dòng)通路，且阻塞元件延伸到細(xì)長(zhǎng)通道壁之 間的流動(dòng)通路中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述阻塞元件包括從 細(xì)長(zhǎng)通道壁中的 一個(gè)延伸到流動(dòng)通路中的第 一 凸起。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述阻塞元件包括從 細(xì)長(zhǎng)通道壁中的另一個(gè)延伸到流動(dòng)通路中的第二凸起。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，流動(dòng)通路具有額定橫 截面積，且阻塞元件阻塞額定橫截面積的大于0%且小于100%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，阻塞元件阻塞額定橫 截面積的大于大約70%且小于大約90%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，阻塞元件阻塞額定橫 截面積的大約80%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，阻塞元件包括第一封 閉元件，所述第一封閉元件靠近通道進(jìn)口段或通道出口段中的一個(gè)延 伸，以部分地阻塞通過(guò)流動(dòng)通路的流動(dòng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，第一封閉元件可選擇 性地移動(dòng)，以提供通過(guò)相應(yīng)段的流動(dòng)范圍。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，其包括第二封閉元 件，第二封閉元件靠近通道出口段或通道進(jìn)口段中的另一個(gè)延伸，以 部分地阻塞通過(guò)流動(dòng)通路的流動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，第二封閉元件可選 擇性地移動(dòng)，以提供通過(guò)相應(yīng)段的流動(dòng)范圍。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其特征在于，第一封閉元件和第 二封閉元件各包括具有至少一個(gè)開(kāi)口的板，其中，所述板可在第一位 置和第二位置之間移動(dòng)，在第一位置使開(kāi)口至少部分地與細(xì)長(zhǎng)通道壁 的至少一個(gè)對(duì)齊，在笫二位置使開(kāi)口至少部分地與流動(dòng)通路對(duì)齊。
13. —種控制通過(guò)權(quán)利要求12所述的設(shè)備的流動(dòng)的方法，其包括移 動(dòng)第一封閉元件和第二封閉元件，以響應(yīng)于從車(chē)輛起動(dòng)或車(chē)輛停止選 擇的車(chē)輛狀況而提供通過(guò)流動(dòng)通路的希望的流動(dòng)量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，通道出口段包括至 少部分地由阻塞元件形成的出口孔，且通道進(jìn)口段包括大于出口孔的 進(jìn)口孔。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，燃料電池流場(chǎng)通道 包括彎曲的通道表面。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，其包括具有不受阻 塞的通道進(jìn)口和不受阻塞的通道出口的平行燃料電池流場(chǎng)段，其中燃 料電池流場(chǎng)通道與平行的燃料電池流場(chǎng)段接收流動(dòng)地連通。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，其包括具有進(jìn)口通 道和出口通道的交叉燃料電池流場(chǎng)段，進(jìn)口通道帶有完全敞開(kāi)的進(jìn)口 和完全封閉的出口，出口通道帶有完全敞開(kāi)的出口和完全封閉的進(jìn)口， 其中交叉燃料電池流場(chǎng)段與燃料電池流場(chǎng)通道接收流動(dòng)地連通。
18. —種用于控制通過(guò)燃料電池流場(chǎng)的流動(dòng)的方法，其包括 阻塞燃料電池流場(chǎng)通路，以在燃料電池流場(chǎng)流動(dòng)特性之間提供希望的平衡，所述燃料電池流場(chǎng)流動(dòng)特性包括與在通路中流動(dòng)的流體相關(guān) 的效率和壓力。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，燃料電池流場(chǎng)流動(dòng) 特性包括通過(guò)燃料電池流場(chǎng)通路的反應(yīng)物氣體利用效率和反應(yīng)物氣體
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，其包括改變阻塞物 的尺寸，以在第一希望平衡和第二希望平衡之間變換。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，其包括阻塞流場(chǎng)通 路的至少一部分的額定橫截流動(dòng)面積的大約80% 。
全文摘要
一種用于燃料電池的設(shè)備(10)，其包括具有通道進(jìn)口段(42)和通道出口段(44)的燃料電池流場(chǎng)通道(18)。所述通道進(jìn)口段(42)或通道出口段(44)中的至少一個(gè)包括阻塞元件(46)，阻塞元件(46)部分地阻塞通過(guò)燃料電池流場(chǎng)通道(18)的流動(dòng)。
文檔編號(hào)H01M2/00GK101366130SQ200580052453
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者M·L·佩里, N·E·奇波利尼 申請(qǐng)人:Utc電力公司