用于燃料电池堆的气体扩散法的制作方法

本公开一般涉及用于燃料电池和燃料电池堆的气体扩散。

背景技术：

1、燃料电池是一种通过化学反应产生电的装置。每个燃料电池具有两个电极，分别称为阳极和阴极。产生电的反应发生在电极上。

2、当排列成彼此相邻的燃料电池堆时，燃料电池具有最大的效用，其中共享歧管和流体燃料进出。

3、图1图示了传统燃料电池10的主要部件。部件包括mea“膜电极组件”20，其被配置为具有阳极侧22和阴极侧24以及分别面向阴极和阳极中的每一个的气体扩散层“gdl”。可以提供框架或再成形边缘23以在组装期间提高结构完整性。燃料电池通过传输电子产生电。在阳极侧，催化剂促进电子从氢分裂，从而形成质子和电子。质子穿过mea并与阴极侧的氧形成水，并且电子在mea周围流动，产生电。燃料电池的效率与两个过程直接相关。第一，gdl被配置为在阳极和阴极上均匀且扩散地散布流体，以在尽可能多的mea表面上催化反应。第二，水需要在保水性(保持膜导电性所需)和水释放之间保持平衡，以保持mea的孔隙打开，从而使氢气和氧气能够扩散到电极中。

4、在燃料电池堆中，如果堆中的一个或多个电池在标称范围外运行，则堆的效率会发生变化。如果性能变化导致过度使用燃料，则这种使用会导致效率降低。如果单个电池以不同的方式扩散气态流体燃料，并且该差异大于标称变化，则电池的有效面积由于死区而减小，死区导致效率降低。

5、由单个燃料电池形成燃料电池堆是一个乏味的过程，自动化可以提高效率。然而，在组装过程中，非常轻的部件很容易脱落，导致变化或错位，所有这些都导致了燃料电池部件的上述低效率或甚至泄漏。因此，需要消除这种变化和错位以提高燃料电池堆的效率。

技术实现思路

1、本文公开了示例性实施的各方面，其提供了提高的效率并减少了每个燃料电池中气体扩散插入件的移动，从而减少了组件的变化和流体流动的变化。

2、每个燃料电池由一对隔板封闭。这些隔板与密封垫圈接合以封闭电池，并且可以向电池的部件(例如gdl)提供压缩。在某些情况下，这些隔板是单极的，这意味着给定的板只与一个燃料电池接合，因此所需的隔板数量为每个电池2个。在其他实施方式中，可以使用双极隔板。在这种情况下，隔板在两个相邻电池之间共享，接触第一电池的阳极侧和相邻电池的阴极侧。在使用双极板的布置中，n个燃料电池的布置需要n+1个隔板。本领域技术人员将理解，所描述的发明适用于单极和双极架构。

3、本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室(plenum)来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室有效地引导流体流动通过扩散插入件的较大部分，从而导致至少氢燃料在与其邻近的阳极的较大部分上流动。

4、本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室包括具有有效流体分布的膜电极组件(mea)，该膜电极组件配置有离子转移膜和与气体扩散组件流体连通的阳极和阴极中的至少一个，气体扩散组件具有形成流体容纳空间的密封垫圈、第一界面、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个入口、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口、具有两个端壁的大致平面矩形多孔气体扩散插入件(40)，以及两个侧壁，其被配置为装配在流体容纳空间内，并由此第一界面可相对于离子转移膜密封，并且围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和空腔的环形壁形成至少一个入口充气室。沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力平衡，该气体扩散插入物被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。

5、在某些情况下，mea还包括围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和流体容纳空间的环形壁形成的至少一个出口充气室。

6、在某些情况下，垫圈形成矩形流体容纳空间。在一些情况下，mea进一步地，入口充气室在gdl的端部和垫圈的入口端部之间。在某些情况下，出口充气室位于gdl的端部和垫圈的出口端部之间。

7、在某些情况下，流体容纳空间是大体上矩形的，并配置有延伸到流体容纳空间中并将gdl部分密封在密封垫圈上的入口捕获部(catch)。在一些情况下，流体容纳空间是大体上矩形的，并配置有延伸到流体容纳空间中并将gdl部分密封在密封垫圈上的出口捕获部。

8、本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室包括具有有效流体分布的膜电极组件(mea)，该膜电极组件配置有离子转移膜和与气体扩散组件流体连通的阳极和阴极中的至少一个，气体扩散组件具有形成流体容纳空间的密封垫圈、第一界面、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个入口、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口、具有两个端壁的大致平面矩形多孔气体扩散插入件(40)，以及两个侧壁，其被配置为装配在流体容纳空间内，并由此第一界面可相对于离子转移膜密封，并且围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和空腔的环形壁形成至少一个入口充气室。沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力平衡，该气体扩散插入物被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。

9、在某些情况下，入口端壁纵槽(gallery)和侧向入口壁纵槽流体连接，形成入口充气室。在一些情况下，出口端壁纵槽和侧向出口壁纵槽流体连接，形成出口充气室。在一些情况下，入口捕获部和出口捕获部协作以在燃料电池堆中从一个电池到另一个电池一致地定位gdl。

10、在上述示例中的一些情况下，端壁入口纵槽与矩形gdl端壁的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

11、在上述示例中的一些情况下，端壁出口纵槽与矩形gdl端壁的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

12、在上述示例中的一些情况下，侧壁入口纵槽与矩形gdl侧壁(256)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

13、在上述示例中的一些实例中，侧向出口壁纵槽与矩形gdl侧壁(256)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

14、本文公开了在mea内有效流体分配的方法的各方面，包括用密封垫圈形成流体约束空间，该密封垫圈设置在燃料电池的阳极和阴极中的至少一个上，该垫圈配置有与流体容纳空间流体连通的至少一个入口和穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口；插入具有两个端壁和两个侧壁的大致平面的矩形多孔气体扩散层，该气体扩散层被配置为配合形成至少一个入口充气室以及一个出口充气室，入口充气室围绕气体扩散层的至少一个边缘和流体约束空间的环形壁形成；并且，其中沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力相平衡，该气体扩散插入件被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。