[发明专利]改进的燃料电池阴极流场

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃料电池，特别涉及燃料电池的阴极流场的制造方法以及具有该阴极流场的燃料电池。

背景技术

在典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，膜电极装置(MEA)设置在两导电隔板之间。氧化剂和燃料流场提供了将氧化剂和燃料导向各自的MEA的电催化剂层的手段，具体地，导向在燃料侧的阳极以及在MEA的氧化剂侧的阴极。典型的反应物液体流场具有至少一个在入口和出口之间的液体流从其中流过的流道。典型地，通过在隔板面上设置多个无遮盖的(open-faced)通道，将液体流场与隔板集成在一起。该无遮盖的通道面向电极表面，反应物在该电极表面上产生电化学反应。在单个电池装置中，隔板设置在阳极和阴极侧的每一侧上。该隔板充当集流器并且为电极提供结构支撑。

标准的工业实践是，使氧化剂空气以比发生电化学反应理论上所需的更高的流速流过阴极燃料流板。换句话说，燃料电池内的空气化学计量比大于1，并且典型地在大约为2的范围内。燃料电池以这样的空气化学计量比工作，除其它因素之外，以避免燃料电池内的局部或者系统的氧气匮乏。氧气匮乏是当阴极流场内的一个或多个部位的氧气分压降到临界水平之下时发生的复杂现象。当电池电压快速下降时可以观察到氧气匮乏的影响，该影响在严重的情况下会在膜表面上产生过热点。

随着空气沿着流场从入口流到出口，空气流中的氧含量趋向于被消耗并且空气压力趋向于下降，导致燃料电池性能下降。申请人自己的申请PCT CA 02/00816公开了一种阴极流场，该阴极流场具有宽度从入口到出口连续逐渐变小的划界(delineating)流道。该逐渐变小是成直线的，并且随着空气从入口流向出口而导致流速增加和压降减小。流道内给定位置增加的空气流速稍微补偿了电化学反应在该位置引致的空气中的氧消耗。因此，渐缩通道内给定位置的氧的可用性大于具有恒定横截面面积的流道内的氧的可用性。

虽然PCT CA 02/00816申请中的直线渐缩通道确实在流场的出口端提供了改进的氧的可用性，但它们没有实现整个流场的氧的可用性基本恒定。理论上来说，维持整个流场的氧的可用性恒定有助于获得整个燃料电池有效面积内的均匀电流密度。

发明内容

PEM燃料电池设计的一个难题是获得燃料电池的整个有效面积内的均匀电流密度；均匀电流密度是获得高效的燃料电池性能所希望的。本发明的总体目的是提供一种阴极流场，该阴极流场提供了改进的燃料电池性能。本发明的具体目的是提供一种流场，该流场能够在特定的工作条件下保持整个燃料电池流场内氧的可用性基本恒定。

根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池阴极流道，该阴极流道包括根据流道长度变化的横截面面积，以使得对于给定的通道长度和空气化学计量比，在沿通道每一纵向位置的氧的可用性保持基本恒定。特别的，提供一种燃料电池阴极流道，它包括：入口；出口；在入口和出口之间纵向延伸的深度基本恒定的底板(floor)；以及一对从底板向上延伸的对置的侧壁，该对置的侧壁限定在它们之间的通道宽度，该通道宽度根据从入口到出口的通道长度按指数规律减小。在所选纵向位置的通道宽度可以与在通道入口处的通道宽度成正比。

通道宽度可以依据自然指数函数减小。在这种情况下，在通道选定纵向位置处的通道宽度可以与该选定纵向位置的自然指数函数成正比。该自然指数函数也可以是常数函数，该常数根据包括该流道的燃料电池的空气化学计量比导出。该常数可以是所述空气化学计量比的函数的自然对数。

根据本发明的另一方面，提供一种包括至少一个上述流道的燃料电池隔板。可选地，隔板包括多个这样的阴极流道，其中所述流道被隔肋(rib)彼此横向隔开。所述流道共同限定可排列为总体梯形形状的流场。所述隔肋可具有基本恒定的宽度以使这样的梯形形状能够实现。所述隔板还可包括位于每一流道入口的局部隔肋。

附图说明

图1是具有在某些工作条件下获得基本恒定的氧的可用性的几何形状的阴极流道的示意性立体图；

图2是在具有几何形状如图1所示的流道的隔板上的阴极流场的示意性平面图；

图3是图2中所示的阴极流场的示意性立体图；

图4是说明作为具有图2和图3中阴极流场的燃料电池的电流密度函数的电池性能的图表；

图5是说明作为具有图2和图3中阴极流场的燃料电池的阴极化学计量的函数的电池性能的图表；

图6是说明阴极流道侧壁轮廓的图表。

具体实施方式