开放流场燃料电池制造技术

本发明专利技术提供的是聚合物电解质膜燃料电池组，其包含第一双极板；第二双极板；包含阴极、阳极(103)和在阴极与阳极之间插入的聚合物膜的电化学部件(101)；布置在第一双极板与阳极之间的阳极室(109)，所述阳极室包含至少一个入口(108)和至少一个出口；布置在第二双极板与阴极之间的阴极室，所述阴极室包含至少一个入口和至少一个出口，且其中所述阳极室(109)的几何面积大于所述阳极(103)的几何面积，或其中所述阴极室的几何面积大于所述阴极的几何面积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】开放流场燃料电池本公开一般涉及聚合物电解质膜燃料电池的领域。典型的聚合物电解质膜(“PEM”)燃料电池包含电化学部件(ECP)，其包含用作电解质的聚合物膜、在该聚合物膜的一侧上的阳极、在膜的另一侧上的阴极。该阳极包含阳极电极催化剂。来自燃料气体例如氢的反应物与阳极电极催化剂接触并且离解产生质子。聚合物膜当充分水化时允许质子从阳极跨膜迁移至阴极。阴极包含阴极电极催化剂。来自阴极气体例如氧的反应物可在阴极电极催化剂上形成活性氧类物质，其与质子反应以形成水。此类单室燃料电池可被串联电连接以形成“燃料电池组(fuelcellstack)”。本公开提供了聚合物电解质膜燃料电池组，其包含第一双极板；第二双极板；包含阴极、阳极和在阴极与阳极之间插入的聚合物膜的电化学部件(ECP)。ECP布置在第一双极板和第二双极板之间。根据本公开，聚合物电解质膜燃料电池组包含布置在第一双极板与阳极之间的阳极室，以及布置在第二双极板与阴极之间的阴极室。阳极室包含至少一个入口和至少一个出口以使气体可进入和逸出室。在某些实施方案中，阳极室的几何面积大于阳极的几何面积。在其它实施方案中，阴极室的几何面积大于阴极的几何面积。在其它实施方案中，阳极室的几何面积大于阳极的几何面积，并且阴极室的几何面积大于阴极的几何面积。在某些实施方案中，有布置在阳极和/或阴极室内部的流场，且该流场可选自例如具有齿孔的成形金属薄片、金属泡沫、石墨泡沫、扩张金属网、金属丝网和烧结的多孔金属薄片。在某些其它实施方案中，布置在阳极室和/或阴极室内部的流场可包含至少两个元件，所述元件选自具有齿孔的成形金属薄片、金属泡沫、石墨泡沫、扩张金属网、金属丝网和烧结的多孔金属薄片。在本文公开的燃料电池的另一实施方案中，第一双极板是没有穿孔的成形金属薄片。此类成形薄片的实例包括包含与阳极直接接触的突起的成形金属薄片。在根据本公开的燃料电池组的一些实施方案中，阳极的几何面积与阴极的几何面积相同。在其它实施方案中，阳极的几何面积与阴极的几何面积不同。图1a-1c示出本公开中提供的燃料电池组的某些实施方案。图2示出燃料电池组的另一个实施方案。图3呈示比较燃料电池组的性能的实验数据。如本文所公开，膜电极组合件(“MEA”)包含包含在一侧上的阳极和在相反侧上的阴极的聚合物膜。称为气体扩散层(“GDL”)的导电介质可邻近MEA的两侧中的任一侧或两侧粘接或放置。气体扩散层可由复写纸、石墨布或其它多孔、挠性和导电材料或其复合集合体构成。在某些实施方案中，电极催化剂可直接地施加在聚合物膜的表面上。在额外的实施方案中，电极催化剂可掺合到邻近聚合物膜的催化剂层中。可选地，电极催化剂可施加在气体扩散层上，其然后邻近聚合物膜化学粘接、机械粘接或放置，以使电极催化剂插入在气体扩散层与聚合物膜之间。在某些实施方案中，气体扩散层对于燃料电池运行是不需要的。如本文所公开，电化学部件(“ECP”)是指包含MEA的组件，所述MEA：(1)具有粘接至两侧的气体扩散层；(2)仅具有一个与一侧粘接的气体扩散层；或(3)不具有与其粘接的气体扩散层。因此，阳极是指含有阳极催化剂的ECP的部分，且阴极是指含有阴极催化剂的ECP的部分，有或没有与其粘接的气体扩散层。电极是指阳极或阴极。如本文所用的，阳极在燃料电池中暴露于燃料气体(即，阳极气体)。来自燃料气体例如氢的反应物当与阳极催化剂接触时可经历催化反应。如本文所用的，阴极暴露于氧化剂气体(即，阴极气体)。来自阴极气体例如氧的反应物当与阴极催化剂接触时可经历催化反应。如本文所用的，燃料电池组件与ECP的电极直接接触，如果其可与催化剂直接接触，与催化剂层直接接触，或与气体扩散层直接接触。如本文所用的，阳极或阴极的几何面积是指投影的聚合物膜的被电极催化剂覆盖或以其它方式与直接接触的部分的投影平面，通常被燃料电池工业技术人员称为阳极或阴极的活性区。如本文所用的，分离板，也称为双极板，是指导电气体屏障。双极板可由例如石墨或金属组成。阳极室是指第一双极板与阳极之间的空间，而阴极室是指第二双极板与阴极之间的空间。如本文所用的，燃料电池室是指阳极室或阴极室。燃料电池室可在平面方向上被气封围封在其周围。气封具有用作燃料电池室的气体入口或出口的开口。室的入口和出口与气体歧管流体连接，其是连接入口和气体源或连接出口和气体逸出点的流体管道。气封的实例是具有允许气体进入或逸出阳极或阴极室的开口的垫圈。如本文所用的，流场是以与双极板平行的平面方向布置在ECP与双极板之间的结构元件，其允许气体流过并且被具有来自一个或多个气体歧管的入口和出口的气封围封在其周围。没有结构支撑，燃料电池室可在燃料电池组的装配期间于一定压力下塌陷，使电极的绝大部分难以接近反应物气体。因此流场应具有某种程度的结构整体性以使其在一定压力下不完全塌陷。流场还应促进反应物气体至电极的平均分布。流场与电极之间的接触区应该是小的以使电极的大部分面积易接近反应物气体但是仍保持良好的导电性。而且，可取的是流场在反应物气体流中不产生过量压力差。开放流场是指流场内的任何点可属于数个流体通道(即在该点交叉的多个流体通道)的结构。例如，在开放流场中，流体可跟随两个或更多个通道从流场内的任何点到出口。相反，在具有连接入口和出口的离散通路的流场中，一个通路内的流体可仅仅跟随由该通路限定的一个通道到出口。一种适用作开放流场的材料是多孔泡沫。一块泡沫具有网状结构，该网状结构具有由金属泡沫的外形限定的几何界面内的互连的系带网络和互连的空隙。因为这唯一结构，所以未压缩状态的泡沫材料可具有达到大于50%例如大于60%、大于70%、大于75%、大于80%、大于85%、大于90%、大于95%和大于98%的孔隙度。互连空隙的网络形成在整个泡沫中延伸的通道。因此，在其几何界面的一点进入多孔结构的流体可跟随数个不同的通道以达到在泡沫内或在泡沫另一边界处的位置。泡沫可由金属或石墨构成。例如，金属泡沫可从PorvairAdvancedMaterials,Inc商购。石墨泡沫还从例如PocoGraphite,Inc.,Decatur,TX商购。适用作开放流场的多孔结构的另一实例包括扩张金属网。扩张金属网由被不均匀纵切且延伸以产生某些几何形状如菱形的开口的固体金属薄片构成。在标准扩张金属中，每排菱形开口与下一排偏移，产生不均匀结构。标准扩张金属薄片被碾压以生成平展的扩张金属。金属丝网也是适用作开放流场的多孔结构。其可通过编织或焊接金属丝在一起而制备。金属丝网和扩张金属网两者例如从MechanicalMetals,Inc.ofNewtown,PA商购。当用作开放流场时，扩张金属网和金属丝网可首先被加工以形成非扁平几何形状。适用作开放流场的多孔结构的另一实例是具有齿孔的成形金属薄片。如本文所用的，成形金属薄片是指具有非扁平几何形状的金属薄片。其可具有隆起或凸出的表面。其可以是具有起伏的脊和槽的波状金属薄片。其还可具有不连续的凹痕和突起。一旦提供有足够数目的齿孔，成形金属薄片就可用作开放流场，允许流体在具有极小限制的燃料电池室中流动。这种穿孔的金属薄片可具有数列重复的齿孔，例如圆形孔、六角形孔、方形孔、长圆孔等。其可被模压以形成起伏的脊和槽，或凹痕和突起，或其它几何形状。可商购本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种聚合物电解质膜燃料电池组，其包含：第一双极板；第二双极板；电化学部件，其包含阴极、阳极和插入在所述阴极和所述阳极之间的聚合物膜；阳极室，包括布置在所述第一双极板和所述阳极之间的空间，所述阳极室包含至少一个入口和至少一个出口；阴极室，包括布置在所述第二双极板和所述阴极之间的空间，所述阴极室包含至少一个入口和至少一个出口；以及至少一个开放流场布置在阳极室和阴极室至少其中一个的内部，其中开放流场是指流场内的任何点可属于数个流体通道的结构，其中所述阳极室的几何面积大于所述阳极的几何面积；并且其中所述阳极室的至少一个入口中的任何入口至所述阳极之间的最短距离是m，所述阳极室的相同至少一个入口至所述阳极室的至少一个出口中的任何出口是L，且m/L为1%至30%的范围。2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中m/L为2%至25%的范围。3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中m/L为4%至15%的范围。4.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阳极室的至少一个出口中的任一个出口至所述阳极之间的最短距离是n，所述阳极室的至少一个入口中的任何入口至所述阳极室的相同至少一个出口是L，且n/L为1%至30%的范围。5.根据权利要求4所述的燃料电池组，其中n/L为1%至15%的范围。6.根据权利要求4所述的燃料电池组，其中n/L为2%至10%的范围。7.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中开放流场布置在所述阳极室内部。8.根据权利要求7所述的燃料电池组，其中所述流场选自具有齿孔的成形金属薄片、金属泡沫、石墨泡沫、扩张金属网、金属丝网和烧结的多孔金属薄片。9.根据权利要求8所述的燃料电池组，其中所述流场包含至少两种选自具有齿孔的成形金属薄片、金属泡沫、石墨泡沫、扩张金属网、金属丝网和烧结的多孔金属薄片的材料。10.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述第一双极板是没有齿孔的成形金属薄片。11.根据权利要求10所述的燃料电池组，其中所述没有齿孔的成形金属薄片还包含与所述阳极直接接触的突起。12.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中开放流场布置在所述阴极室内部。13.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阴极的几何面积等于所述阳极的几何面积。14.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阳极室的几何形状是大体矩形的，在所述矩形的一侧具有至少一个入口且在所述矩形的相反侧具有至少一个出口。15.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阳极室的几何形状是曲线的。16.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阳极室的几何面积为2cm2至2400cm2的范围。17.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中所述阳极的几何面积为2cm2至2000cm2的范围。18.一种聚合物电解质膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·C·布兰切特，詹姆斯·C·克罗斯III，
申请(专利权)人：努威拉燃料电池公司，
类型：发明
国别省市：