燃料电池的流场板构造制造技术

本发明专利技术公开了一种包括阳极和阴极流场板的燃料电池，所述流场板设有许多由槽脊部分隔开的流体导槽，其中阳极侧的槽脊部分比阴极侧的槽脊部分宽。本发明专利技术的流场板构造可使燃料电池实现更高的功率（每千瓦的成本降低），使用寿命延长，而且对装配对齐的要求不严格。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及电化学电池领域，具体地，涉及燃料电池膜电极组件的流场板构造。
技术介绍
燃料电池是将燃料中的氢气和通常来自空气的氧直接结合产生电和水的电化学装置。在现有技术中，包括氢气、天然气、甲醇、汽油和煤合成燃料的大范围的燃料可以转化成电能。燃料电池可用作建筑物和住宅中的固定电源设备，小汽车、公共汽车和卡车中的车辆动力源，以及摄像机、电脑等设备中的移动电源。其基本处理过程的效率高(40-75％)、无污染、低噪音、没有运动部件(除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器之外)，而且可以设计成只留下作为副产品的热量和水。由于单个燃料电池可以组装成具有不同尺寸的电池组，所以能够将系统设计成具有各种能量输出水平而满足许多应用的要求。存在若干不同类型的燃料电池，如磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、和质子交换膜(PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池的基本部分是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极的一侧涂覆薄催化剂层。电极、催化剂和隔膜共同构成膜电极组件(MEA)。在典型的PEM型燃料电池中，膜电极组件夹在“阳极”和“阴极”扩散介质(以下可简称为“DMs”)中间，扩散介质可用弹性和导电材料如碳织物或碳纸制成。阳极和阴极扩散介质用作质子交换膜的催化部位与燃料(如氢气)和氧化剂(如空气/氧气)之间的多孔导电体，燃料和氧化剂流入相应的“阳极”和“阴极”流场板。设置在流场板中的导槽将氢气和空气输送至质子交换膜两侧的电极。具体地，氢气经导槽流到阳极，催化剂促使氢气分离成为质子和电子。在质子交换膜的另一侧，空气经导槽流到阴极，空气中的氧吸引氢离子穿过质子交换膜。电子作为有用电流通过外部电路被捕获，并与质子和氧气结合而在阴极侧产生水蒸气。构成流场板的导槽具有截面宽度和隔开相邻导槽的槽脊。流场板的节距是导槽的截面宽度加上相邻槽脊的截面宽度。在本专利技术之前，所有流场板在阳极和阴极侧都用相同的节距。因此，在整个膜电极组件上必须槽脊与槽脊对齐，使得压缩载荷能够降低接触电阻。而且，对于这种现有技术的流场板，最好形成尽可能多的槽脊-槽脊接触，从而可以减小压应力(单位接触面积上的力)，以避免扩散介质(DM)和膜电极组件(MEA)局部损坏。然而，为了得到良好的电池性能，要求具有窄槽脊以提供最小的扩散距离。但是，窄槽脊的槽脊-槽脊精确对齐由于制造和装配公差难以实现。因此，本专利技术人认识到有必要改进燃料电池液流板的设计以提高电池性能。
技术实现思路
在一实施例中，本专利技术提供了一种改进的液流板构造，包括第一液流板和第二液流板，其中第一液流板包括若干个被第一槽脊隔开的第一导槽，第二液流板包括若干个被第二槽脊隔开的第二导槽。至少一个第二槽脊的截面宽度比至少一个第一槽脊的截面宽度宽。在另一实施例中，本专利技术提供了一种包括电化学电池的装置。这种电化学电池包括构成电池阳极侧和阴极侧的膜电极组件，以及电池阴极侧的第一流场板。第一流场板包括若干个被第一槽脊隔开的第一导槽。电化学电池还包括电池阳极侧的第二流场板。第二流场板包括若干个被第二槽脊隔开的第二导槽，其中，膜电极组件置于第一和第二流场板之间，且由第一流场板的节距小于第二流场板形成的节距。在还有一个实施例中，本专利技术提供了一种包括电化学电池的装置，这种电化学电池包括构成电池阳极侧和阴极侧的膜电极组件，以及电池阴极侧的第一流场板。第一流场板包括若干个被第一槽脊隔开的第一导槽。电化学电池还包括电池阳极侧的第二流场板。第二流场板包括若干个被第二槽脊隔开的第二导槽，其中，膜电极组件置于第一和第二流场板之间。第二导槽的截面宽度大致等于第一导槽的截面宽度。第二流场板形成的导槽节距比第一流场板的导槽节距大很多，且在平行于第二流场板的平面，至少第二槽脊设置成具有多个相对于第一槽脊的交变角。相应的导槽节距和截面宽度可确保有至少30％的槽脊-槽脊接触，且不受板间定位的影响。虽然本专利技术并不局限于特定的优点或功能，但是应当认识到，通过提供上述实施例所介绍的流场板对，可以实现高功率(每千瓦的成本降低)，使用寿命增加，而且对装配对齐的要求不严格。阴极流场板的窄槽脊区域使到达槽脊下活性区的气体增加，具有较高的电流密度。阴极和阳极板的窄导槽可提高每个导槽内活性区至相邻槽脊区域的热传导。通过在气体扩散不受限制的阳极流场板上使用宽槽脊区域，并使阳极槽脊区域相对阴极槽脊区域形成某角度，为了在整个膜电极组件上形成足够的槽脊-槽脊对齐而使相邻流场板严格对齐的苛刻要求可以降低。通过下面结合附图对本专利技术优选实施例所作的介绍，可充分地理解本专利技术的这些和其它的优点及特征。应当认识到权利要求的范围由本说明书中的复述内容所确定，而不是由对提出的特征和优点所作的具体讨论限定。附图说明参考以下附图进行阅读能够更好地理解下面对本专利技术实施例所作的详细介绍，在这些附图中相同的结构用相同的参考数字来表示，附图中图1是根据本专利技术原理的采用了流场板的燃料电池组件的实施例的侧向截面图；图2是根据本专利技术原理的燃料电池组件的阴极液流板实施例的外观平面图；图3是根据本专利技术原理的燃料电池组件的阳极液流板实施例的外观平面图；图4是根据本专利技术原理的液流板实施例的侧向局部截面图，其可用作图1的燃料电池组件的燃料电池流场板；图5是根据本专利技术原理的图2和3的流场板实施例的平面图，在燃料电池组件的燃料电池流场板表面上的流体导槽之间的轴线方向是偏离的；图6是根据本专利技术原理的表示槽脊与槽脊对齐方式的局部截面图，显示了液流板另一实施例，其可作为图1的燃料电池组件的燃料电池流场板；图7是电压与电流密度的关系曲线图，示出了根据本专利技术原理的燃料电池和对比燃料电池的极化曲线；和图8示出了根据本专利技术原理的用作车辆动力源的燃料电池实施例。所属领域的技术人员应当知道，为了简单清楚起见，附图中的部件并不一定是按比例绘制的。举例来说，附图中某些部件的尺寸相对于其它部件可进行放大，以便更好地理解本专利技术的实施例。具体实施例方式图1-8示出了结合了本专利技术新颖特征的燃料电池组件的实例，下面将详细加以介绍。文中的用语“基本上是直的”是指大体平行的导槽以非螺旋图形从入口延伸至出口。文中的用语“扩散介质”是指电化学电池中靠近活性催化部位的一层材料，其使得反应物和产物以及电流能够进入和离开活性部位，其最好是用多孔导电材料制成。文中的用语“流场板”是指电化学电池中的部件，允许流体，如反应物和废气废液，能够进入和离开反应区。在图1所示的第一个示范实施例中，燃料电池组件100包括端板102和104、绝缘层106和108、集电板/导电板110和112，其间有工作区114。如所属领域的技术人员都知道的，工作区114包括一个或多个活性区，而且还可以包括选定数目的冷却区。另一方面，一个或多个活性区还可用于对燃料电池组件进行冷却。多个结构件116如连接螺栓用来连接端板。工作区114包括很多成对的层118和120。在一实施例中，若干个成对层118，120是一个或多个PEM型燃料电池400(见图4)的部件。质子交换膜燃料电池的构造和应用在本
是已知的。通过将外部负载(未示出)连接在集电板/导电板110和112的电接触点(未示出)之间，可以完成使用所述一个或多个PEM型燃料电池所产生电流的一个回路。图2示出了工作区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一对液流板，包括：第一液流板，由若干个第一槽脊隔开的第一导槽构成，和第二液流板，由若干个第二槽脊隔开的第二导槽构成，其中，至少一个所述第二槽脊的截面宽度比至少一个所述第一槽脊的截面宽度宽。

【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：SG格贝尔，D米勒，MJ伯伊特尔，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]