专利名称：一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的关键部件，尤其涉及一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达
阳极反应阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池发电系统必须包括燃料电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出等各个部分。质子交换膜燃料电池运行的稳定与可靠性对作为车、船动力系统或可移式发电装置的应用是非常重要的。其中提高燃料电池堆的运行稳定性与可靠性是关键。
目前，质子交换膜燃料电池堆在各流体通道的设计上通常采用牺牲极板的有效利用面积，在各膜电极与极板的相同位置开设流体孔，并将各块膜电极与极板经叠合组成各流体通道。也就是说，每块膜电极与极板上均设有燃料进、燃料出、氧化剂进、氧化剂出、冷却流体进、冷却流体出的流体孔，这些膜电极与导流极板经垂直叠合后就组成燃料电池组，而这些流体孔就组成了燃料电池组内部的燃料进、出；氧化剂进、出；冷却流体进、出的各流体导流通道，并将这些流体通道集合在燃料电池组前或后端板上组成燃料进口、燃料出口，氧化剂进口、氧化剂出口，冷却流体进口、冷却流体出口。
例如Ballard Power Systems公司，在US Patent 5,773,160及USPatent5,840,438等美国专利中所用的二种燃料电池导流极板的设计如图1、图2所示，其所用的膜电极如图3所示，其组装成相应的燃料电池组如图4所示，图5是图4燃料电池组的解剖图，图6是采用图2为导流极板的燃料电池组的解剖图。
上述燃料电池堆中导流极板的流体孔与导流槽的流场设计有如下特点1.为了增加电极二侧燃料氢气与氧化剂空气向电极反应区快速扩散，导流极板上的导流槽往往设计成蛇形或回旋绕曲的形状〔如图1〕，使流体通过形成紊流，有利于向电极内部反应区扩散。
2.所有燃料电池堆中的导流极板流场设计都采用冷却流体与氧化剂共流，以及燃料氢气与氧化剂空气逆流，如图7、8。
上述燃料电池堆中的导流极板流体孔道与导流槽设计有以下技术缺陷1.导流极板上的各流体孔面积较大，每种流体从进口流体孔流进，压力必须较大〔相对压力1～2个大气压〕，一般需要沿着多于一条的导流槽弯弯曲曲的绕遍整个导流场，各条导流槽并一同从出口流体孔流出。由于多于一条的导流槽弯曲性很大，而且导流槽长度较长，燃料电池生成的产物水很容易在电极阴极侧出现而将空气导流槽堵塞，而且燃料电池生成的产物水也很容易通过反渗透在电极阳极侧出现，将氢气导流槽堵塞。特别是燃料电池作为车、船动力系统或可移式发电装置应用时，由于动力系统的工况变化很大，燃料电池的输出功率也变化很大，这样燃料电池生成的水更容易将空气、氢气导流槽堵塞。另外，为了防止燃料电池生成的水堵塞导流槽，往往采用提高燃料电池运行的空气与氢气计量比，也就是加大空气、氢气流量，用过量的空气、氢气将产物水带出燃料电池，这种运行方法实际上是大大降低了燃料电池系统效率，因为过量的空气被浪费或过量的氢气被循环输送，必然造成输送空气或循环氢气的机械功耗增加，从而降低了燃料电池系统效率。
2.当运行中燃料电池导流极板空气导流槽或氢气导流槽堵塞时，会表现某个别堵塞电池电压很低甚至出现负值，导致燃料电池运行不稳定，严重时会将电极击穿，并使整个电池堆毁坏。
3.燃料电池堆必须采用高压运行〔相对压力大约在1～2个大气压左右〕。
4.上述燃料电池堆中的氧化剂、冷却流体与燃料氢气导流场设计都采用冷却流体与空气氧化剂共流，燃料氢气与空气氧化剂逆流的设计，其主要目的与功效如下〔1〕由于燃料电池堆采用高压运行〔运行的相对压力大约在1～2个大气压左右〕，当氧化剂空气刚从每块导流极板的空气流体孔流入时，一般是空气进入时的温度与相对湿度较低，但此时空气中的氧气浓度较高，随着空气沿着空气导流场弯弯曲曲的来回来不断流动，一方面空气中的氧气浓度不断降低；另一方面生产了大量的化学反应热与生成了大量的液态水，此时如果采用冷却流体导流场与空气导流场共流时，这二种流体沿着各自导流场不断流动，二者流体的温度都会不断升高，确实有利于燃料电池中阴极生成的液态水汽化，并随着空气带出燃料电池。
〔2〕氧化剂空气沿着导流场不断流动，相对湿度会不断提高，最明显的是空气导流场下半部比上半部湿得多。所以采用氢气导流场与空气氧化剂导流场逆流的设计，主要是达到氢气刚从每块导流极板的氢气流体孔流入时温度与相对湿度都较低，从空气导流场下半部流进，刚好可以利用膜电极的阴极面〔空气面〕下半部较湿，温度较高的好处，更有利于整块膜电极的温度与湿度的均衡。
但是当燃料电池采用低压运行，并且采用上海神力公司“一种燃料电池的导流板结构”〔专利号02283431.1〕以及“一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流板”〔专利号0215595.6〕适合低压或常压运行的燃料电池导流极板导流场设计技术时，燃料电池堆运行特点有〔a〕氧化剂空气及燃料氢气从每块导流极板流入压力及流出压力之差ΔP非常小；〔b〕由于空气压力低，在较高的运行温度下〔如70℃〕，燃料电池阴极面生成的水极易汽化带出燃料电池，从而使得燃料电池膜电极极易失水。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种导流场流体流进压力与流出压力之压差、流进温度与流出温度之温差均较小的可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，该导流极板上设有可供空气、氢气、冷却流体进出的流体孔，以及连接于空气、氢气、冷却流体一种或二种流体孔之间的导流槽，其特征在于，所述的空气、氢气进出的压力差很小，所述的冷却流体进出口的温度差较小；可以达到上述要求的适合低压运行的燃料电池的氢气及空气导流极板流场，其进出空气或进出氢气的流体孔为一对长条形的流体孔，或多对小方形、圆形及异形的流体孔，设置在该一对或多对进出流体孔之间的导流槽呈多条平行直条状或波浪状或弯曲状，这些导流槽一般实现进出流体口的直接连接，而不是在极板流场上经过多道回旋后绕弯的连接；或者可以达到上述要求的适合低压运行的燃料电池的另一种氢气及空气导流极板流场，其进出空气或进出氢气的流体孔为一对小方形或圆形及异形的流体孔，其中进空气的流体孔分出多条导空气流槽，该多条导空气流槽的每条各分出多条呈平行直条状或波浪状的支导空气流槽，分出的数条支导空气流槽又各自分别汇集到另一端的多条导空气流槽，该多条导空气流槽再一一与出空气的流体孔相连；其中进氢气的流体孔分出多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽每条各分出多条呈平行直条状或波浪状的支导氢气流槽，分出的多条支导氢气流槽又各自分别汇集到另一端的多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽再一一与出氢气的流体孔相连；所述的导氢气流槽与导空气流槽在同一块导流极板的正反面呈90°或平行或交叉取向，所述的导冷却流体槽与导空气流槽呈90°或平行或交叉取向，其中冷却流体与氧化剂空气采取逆流运行。
所述的空气、氢气进出的压力差至少小于0.2个大气压。
所述的冷却流体进出口的温度差至少小于5℃。
所述的冷却流体导流槽包括在进冷却流体的流体孔处连通一较宽的导流槽，再分配到多条较窄的导流槽，再重新汇集到另一条较宽的导流槽与出冷却流体的流体孔连通。
所述的冷却流体导流槽包括在进冷却流体的流体孔处连通一较宽的导流槽，该较宽的导流槽向两侧同比例地分配到多条较窄的导流槽，再分别重新汇集到两侧边的另两条较宽的导流槽，该两条较宽的导流槽再与出冷却流体的流体孔连通。
针对低压或常压运行的燃料电池，本发明在燃料电池冷却流体、氧化剂空气、燃料氢气导流极板流体孔及导流场设计上，进行了以下重大的改进，使导流极板流体孔及导流场设计技术更符合低压或常压运行的燃料电池堆。
氧化剂空气与燃料氢气的导流极板流体孔和导流场工程设计主要采用“一种燃料电池的导流板结构”〔专利号02283431.1〕以及“一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流板〔专利号02155095.6〕”的技术方案来实现。该技术的特点是导流极板上同一种流体的进口不是由单独一个很大面积的导流进口流体孔流入，并沿整个导流场弯弯曲曲地绕来绕去，然后由单独一个很大面积的导流出口流体孔流出；而是由许多个面积很小的导流进口，或由一条形状的导流进口流体孔流入，并沿许多条呈直条状或弯形状但平行的导流槽，一并流出分别进入许多个小的导流出口，或进入一条形状的导流出口，或二个进出流体孔之间的连接采取多条导流槽，其中每条各分出多条呈平行直条或波浪状的支导流槽，分出的多条支导流槽又各自分别汇集到另一出端的多条导流槽。这种设计技术适合低压或常压的燃料电池运行，导流场流体流进压力与流出压力之压力差ΔP较小，至少小于0.2个大气压。
2.冷却流体的导流板流体孔与导流场工程设计与上述氧化剂空气及燃料氢气的导流极板流体孔与导流场工程设计相似，其特点也是冷却流体流进压力与流出压力之压力差ΔP较小。从而会使整个冷却流体流场的温度分布较均匀，进、出冷却流体的温差也较小，温差至少小于5℃。
3.为了适应燃料电池堆低压或常压运行，本发明采用与高压运行的燃料电池堆设计与运行技术完全不同的方法，就是燃料氢气与氧化剂空气导流场在同一块双极板上呈90°或交叉取向，无所谓共流与逆流运行的区别；另外，冷却流体与空气氧化剂应采取逆流方法，更适合于低压与常压运行的燃料电池。因为常压运行的燃料电池堆膜电极的阴极面，大量常压空气可以带走大量的汽态水，膜电极很容易失水。常压空气进入导流极板导流场后，沿着导流场流动，反应温度不断升高，携带水蒸气能力不断加强，从膜电极上半部到下半部，下半部的温度明显高于上半部。冷却流体与空气采取逆流运行即从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水。
图1为现有的一种燃料电池导流极板的结构示意图；图2为现有的另一种燃料电池导流极板的结构示意图；图3为现有燃料电池膜电极的结构示意图；图4为采用图1所示导流极板组装而成的燃料电池堆的结构示意图；图5为图4的解剖图；图6为采用图2所示导流极板组装而成的燃料电池堆的结构示意图；图7为现有氧化剂空气导流场的结构示意图图8为现有冷却流体导流场的结构示意图；图9为本发明一种冷却流体导流场设计示意图；图10为本发明另一种冷却流体导流场设计示意图；图11为本发明一种燃料氢气导流场设计实施例1示意图；图12为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例1示意图；图13为本发明一种冷却流体导流场设计实施例1示意图；图14A为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例2示意图；
图14B为本发明一种燃料氢气导流场设计实施例2示意图；图15A为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例3示意图；图15B为本发明一种燃料氢气导流场设计实施例3示意图；图16A为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例4示意图；图16B为本发明一种燃料氢气导流场设计实施例4示意图；图17A为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例5示意图；图17B为本发明一种冷却流体导流场设计实施例5示意图；图18A为本发明一种氧化剂空气导流场设计实施例6示意图；图18B为本发明一种燃料氢气导流场设计实施例6示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图9～18B所示，一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，包括导流极板本体，该本体上设有可供进、出氢气流体孔1、1′，进、出空气流体孔2、2′，进、出冷却流体的流体孔3、3′，以及连接于进出氢气、空气、冷却流体流体孔之间的导流槽4、4′、4″，所述的进出氢气或进出空气的流体孔1、1′或2、2′为一对或多对，设置在该一对或多对进、出流体孔之间的导流槽4或4′呈多条平行直条状或波浪状或弯曲状，所述的进出冷却流体的流体孔3、3′为一对或多对，设置在该一对或多对进、出流体孔之间的导流槽4″呈多条平行直条状或波浪状或弯曲状，所述的燃料氢气导流槽4与氧化剂空气导流槽4′在同一块双极板上呈90°或平行或交叉取向，所述的冷却流体导流槽4″与氧化剂空气导流槽4′呈90°或平行或交叉取向，其中冷却流体与氧化剂空气采取逆流运行。
如图9所示，所述的冷却流体导流槽4″包括在进冷却流体的流体孔3处连通一较宽的导流槽4″a，再分配到多条较窄的导流槽4″b，再重新汇集到另一条较宽的导流槽4″c与出冷却流体的流体孔3′连通。
如图10所示，所述的冷却流体导流槽4″包括在进冷却流体的流体孔3处连通一较宽的导流槽4″a，该较宽的导流槽向两侧同比例地分配到多条较窄的导流槽4″b，再分别重新汇集到两侧边的另两条较宽的导流槽4″c，该两条较宽的导流槽再与出冷却流体的流体孔3′连通。
实施例1如图11～13所示，一种采用常压运行的燃料电池堆工程设计，导流极板长与宽为206mm与206mm，呈正方形状。该燃料电池堆中的燃料氢气与氧化剂空气导流场呈90°或交叉取向关系，并采取共流运行，冷却流体流场与空气导流场呈平行取向关系，但采取逆流运行。该燃料电池堆由110片双极板〔含冷却夹板〕组成，总长为50公分，空气、氢气完全在常压下运行，额定输出功率为10KW〔77V，130A〕运行温度为70℃。
该燃料电池堆在冷却流体与空气逆流后可以大大增加常压空气下运行的燃料电池堆的抗失水能力，从而增加燃料电池的稳定可靠性。
实施例2如图14A、14B所示，分别为一种导流极板的氧化剂空气、燃料氢气流体孔及导流场设计，其中，氧化剂空气导流场与燃料氢气导流场呈90°取向。其它与实施例1相同。
实施例3如图15A、15B所示，分别为一种导流极板的氧化剂空气、燃料氢气流体孔及导流场设计，其中，氧化剂空气导流场与燃料氢气导流场呈90°取向。其它与实施例1相同。
实施例4如图16A、16B所示，分别为一种导流极板的氧化剂空气、燃料氢气流体孔及导流场设计，其中，氧化剂空气导流场与燃料氢气导流场呈90°取向。其它与实施例1相同。
实施例5如图17A、17B所示，分别为一种导流极板的氧化剂空气、冷却流体流体孔及导流场设计，其中，氧化剂空气导流场与冷却流体导流场呈90°取向，但逆流运行。其它与实施例1相同。
实施例6如图18A、18B所示，分别为一种导流极板的氧化剂空气、冷却流体流体孔及导流场设计，其中，氧化剂空气导流场与冷却流体导流场呈90°取向，但逆流运行。其它与实施例1相同。
权利要求
1.一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，该导流极板上设有可供空气、氢气、冷却流体进出的流体孔，以及连接于空气、氢气、冷却流体一种或二种流体孔之间的导流槽，其特征在于，所述的空气、氢气进出的压力差很小，所述的冷却流体进出口的温度差较小；可以达到上述要求的适合低压运行的燃料电池的氢气及空气导流极板流场，其进出空气或进出氢气的流体孔为一对长条形的流体孔，或多对小方形、圆形及异形的流体孔，设置在该一对或多对进出流体孔之间的导流槽呈多条平行直条状或波浪状或弯曲状，这些导流槽一般实现进出流体口的直接连接，而不是在极板流场上经过多道回旋后绕弯的连接；或者可以达到上述要求的适合低压运行的燃料电池的另一种氢气及空气导流极板流场，其进出空气或进出氢气的流体孔为一对小方形或圆形及异形的流体孔，其中进空气的流体孔分出多条导空气流槽，该多条导空气流槽的每条各分出多条呈平行直条状或波浪状的支导空气流槽，分出的数条支导空气流槽又各自分别汇集到另一端的多条导空气流槽，该多条导空气流槽再一一与出空气的流体孔相连；其中进氢气的流体孔分出多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽每条各分出多条呈平行直条状或波浪状的支导氢气流槽，分出的多条支导氢气流槽又各自分别汇集到另一端的多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽再一一与出氢气的流体孔相连；所述的导氢气流槽与导空气流槽在同一块导流极板的正反面呈90°或平行或交叉取向，所述的导冷却流体槽与导空气流槽呈90°或平行或交叉取向，其中冷却流体与氧化剂空气采取逆流运行。
2.根据权利要求1所述的一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，其特征在于，所述的空气、氢气进出的压力差至少小于0.2个大气压。
3.根据权利要求1所述的一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，其特征在于，所述的冷却流体进出口的温度差至少小于5℃。
4.根据权利要求1所述的一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，其特征在于，所述的冷却流体导流槽包括在进冷却流体的流体孔处连通一较宽的导流槽，再分配到多条较窄的导流槽，再重新汇集到另一条较宽的导流槽与出冷却流体的流体孔连通。
5.根据权利要求1所述的一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，其特征在于，所述的冷却流体导流槽包括在进冷却流体的流体孔处连通一较宽的导流槽，该较宽的导流槽向两侧同比例地分配到多条较窄的导流槽，再分别重新汇集到两侧边的另两条较宽的导流槽，该两条较宽的导流槽再与出冷却流体的流体孔连通。
全文摘要
本发明涉及一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板，该导流极板上设有一对或多对分别可供空气、氢气、冷却流体进出的流体孔，二个进出流体孔之间的连接采用多条导流槽，其中每条各分出多条呈平行直条或波浪状的支导流槽，分出的多条支导流槽又各自分别汇聚到另一端的多条导流槽；所述的氢气导流槽与空气导流槽在同一块极板的正反面呈90°或平行或交叉取向，所述的冷却流体导流槽与氧化剂空气导流槽呈90°或平行或交叉取向，其中冷却流体与氧化剂空气采取逆流运行。与现有技术相比，本发明的导流场具有空气、氢气进出的压力差很小，冷却流体进出口的温度差较小等特点。
文档编号H01M8/02GK1630121SQ200310109489
公开日2005年6月22日 申请日期2003年12月17日 优先权日2003年12月17日
发明者胡里清, 夏建伟 申请人:上海神力科技有限公司