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带有部分封闭的端部的燃料电池流场通道制造技术

技术编号:3240794 阅读:311 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
一种用于燃料电池的设备(10),其包括具有通道进口段(42)和通道出口段(44)的燃料电池流场通道(18)。所述通道进口段(42)或通道出口段(44)中的至少一个包括阻塞元件(46),阻塞元件(46)部分地阻塞通过燃料电池流场通道(18)的流动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
燃料电池是熟知的且在各种应用中用于发电。 一般的燃料电池采用反应物气体产生电流,例如氢气或天然气和氧气。 一般地, 燃料电池包括各接受一种反应物气体的相邻的流场。每个流场将反应 物气体通过气体分配层分配给相应的靠近电解质层的阳极催化剂或阴 极催化剂,以产生电流。电解质层可以为有效地传送离子但不传导离子的任何层。 一些示范性的燃料电池电解质包括碱性溶液(例如, K0H)、质子交换膜(PEM)、磷酸、和固体氧化物。 —般的流场包括具有完全敞开的开口和完全敞开的出口 的敞开的或平行的通道。通过通道进入的反应物气体通过气体分配层 向催化剂扩散。敞开通道允许相对不受限制的反应物气体流动且从而 产生相对低的反应物气体压降。然而,相对低比例的流过通道的反应 物气体扩散到催化剂,这不希望地导致反应物气体的低效率的利用。 用于燃料电池的一个示例设备包括具有通道进口段和通 道出口段的燃料电池流场通道。所述通道进口段或通道出口段中的至 少一个包括阻塞元件,阻塞元件部分地阻塞通过燃料电池流场通道的 流动。 —个示例包括在细长的通道壁之间的流动通路。阻塞元 件延伸到细长通道壁之间的流动通路中,以部分地阻塞通过燃料电池 流场通道的流动。上述示例并不旨在限定。在以下描述附加的示例。从以下详细说明,本专利技术的各种特征和优势对本领域技术人员显而易见。 附随详细说明的附图简要地描述如下。附图说明0011]图1示意性地图示了燃料电池堆的选择部分。图2是沿图l所示的线截取的截面图,图示了具有通道的实施例,通道具有部分地阻塞通过所述通道的流动的示范性阻塞元件。图3显示了具有弯曲形状的另一示例阻塞元件实施例。 图5A显示带有开口的示例性阻塞元件板,所述开口延伸 通过所述板,其中板可相对于通道移动以部分地阻塞通过所述通道的 流动。图5B显示了图5A的示例阻塞元件板的透视图。 图8图解性地图示了在阻塞元件尺寸范围的预期的和实 际的电池电压对压降的示例。具体实施例方式0020图1示意性地图示了用于发电的示例燃料电池堆10的选 择部分。在该示例中,阳极侧12接受反应物气体^且阴极侧14接受 反应物气体R2以^便以已知的方式产生电流。阳极侧12和阴极侧14的 每个包括流场板16,例如加工板、模制板、压制板、实心板、多孔板、 或其它类型的板,所述流场板16具有通道18,以将反应物气体Id和 R2分配在相应的阳极侧12和阴极侧14上。 在所示的示例中,气体交换层20位于流场板16的每一 个的附近。电解质层22在气体交换层20之间将阳极催化剂24与阴极 催化剂26隔开。 在一个示例中,为了显示燃料电池堆10的操作,反应物 气体R!和R2供应到相应的阳极侧12和阴极侧14的通道18中.反应物 气体Ri和R2通过气体交换层20向相应的阳极催化剂24或阴极催化剂 26扩散或强制对流运动。电解质层22以已知的方式操作以允许阳极催 化剂24和阴极催化剂26之间的离子交换,从而产生通过外部电路(未 示出)的电流。 在所示示例中,阻塞元件46从细长的通道壁40延伸到 通道18中。阻塞元件46部分地阻塞通道18,以限制反应物气体流入 通道18b和18d且限制反应物气体从通道18a和18c流出。 在一个示例中,阻塞元件46的至少一个的尺寸确定为通 道18 (最佳地见于图1)的横截面积的百分比,阻塞元件46延伸到所述通道18中。较高的百分比阻塞较多的流动,且较低的百分比阻塞较 少的流动。 在一个示例中,阻塞元件46阻塞相应通道18横截面积 的大于大约0%且低于大约100%。在另一示例中,阻塞元件46阻塞 通道18横截面积的大约70%和大约90%之间。在另一示例中,阻塞 元件46覆盖通道18横截面积的大约80% 。 上述示例的阻塞元件46通过各种方法的任何一种形成。 在一个示例中,已知的加压模制过程用于形成流场板16。选择的进口 段42和出口段44模制成带有完全封闭的端部。阻塞元件46然后从选 择的进口段42和出口段44的完全封闭的端部加工。在另一示例中, 阻塞元件46以近净成形模制过程形成且需要很少的加工或不需要加 工。给定该说明,本领域技术人员应当认识到适合具体需要的制造阻 塞元件46的附加方法。 阻塞元件46的尺寸控制越过燃料电池堆10的反应物气 体压降和反应物气体利用效率之间的平衡。通道18a和18c通过完全 敞开的进口段42接收反应物气体。通道18a和18c的出口段44处的 阻塞元件46限制反应物气体流出。不受限制的流入和受限制的流出导 致通道18a和18c中的蓄压,所述蓄压促使反应物气体流入气体交换 层20流向催化剂(对阳极侧12为24,或对阴极侧14为催化剂26)。 反应物气体移动通过气体交换层20进入相邻的通道18b或18d,且通 过通道18b和18d的完全敞开的出口段44排出。反应物气体以该方式 的强制对流提供反应物气体向催化剂24或26的更大的暴露的益处, 从而增加在催化剂24或26处的反应物的浓度且从而降低称为扩散超 电势的性能损失。然而,反应物气体流的限制和通道18a和18c中的 相关蓄压导致越过燃料电池堆10的反应物气体的增加的压降。 通道18a和18c的出口段44处的阻塞元件46允许反应 物气体从通道18a和18c受限制的流出,相对于在进口或出口处完全 阻塞的交叉通道,这减少蓄压且导致越过燃料电池堆IO的较低的压降。 因而,受限制的流出提供蓄压(由于强制对流)和越过燃料电池堆10 的压降(由于高的蓄压)之间的平衡。 在一个示例中,阻塞元件46的尺寸设计为在反应物气体 利用效率和越过燃料电池堆10的压降之间获得希望的平衡。使用相对较小的阻塞元件46导致较低的效率(即,由于较少的强制对流)和越 过燃料电池堆10的较低压降(即,由于较少的蓄压)。使用相对较大 的阻塞元件46导致较高的效率(即,由于较大的强制对流)和越过燃 料电池堆10的较高压降(即,由于在与较高利用率关联的一些通道中 的较高蓄压)。给定该说明,本领域技术人员应当认识到满足具体效 率和压降需要的适当的阻塞元件46尺寸。 参考图4,通道壁40相对于彼此成角度,以在通道18中 提供锥形,而不是前述示例的相对一致的通道宽度。锥形通道18限制 反应物气体从通道18e和18g的进口段42流向出口段44。反应物气体 限制导致通道18e和18g中的蓄压。如上所述,这继而导致反应物气 体向催化剂24或26且到相邻的通道18f和18h中的强制对流。在该 示例中,阻塞元件46起到与上述阻塞元件类似的功能,以促进强制对 流同时允许受限制的流出。因而,阻塞元件46和通道18的锥形协作 实现反应物气体效率和压降之间的希望的平衡。 图5A和5B显示了阻塞元件46的实施例,其中阻塞元件 46包括具有开口 58的板56a和56b,开口 58延伸通过相应的板56a 和56b。在该示例中,通道18i、 18j、 18k、 181、 18m和18n的每个和 通道壁40具有大约相同的宽度。致动器60a和60b,如螺线管,将相 应的板56a和56b沿移动方向D来回移动。在一个示例中,相应的轨 道59引导板56a和56b的移动且限制4黄向于移动方向D的方向的移动。 在一个示例中,为了显示板56a和56b的操作,致动器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池中的设备,其包括: 具有通道进口段和通道出口段的燃料电池流场通道,其中所述通道进口段或通道出口段中的至少一个包括阻塞元件,所述阻塞元件部分地阻塞通过燃料电池流场通道的流动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员:ML佩里NE奇波利尼
申请(专利权)人:UTC电力公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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