[发明专利]燃料电池系统

说明书

本发明涉及燃料电池系统，特别地，尽管不是排他地，涉及具有改进的流体流动特性的燃料电池系统。

常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。图1中示出了常规燃料电池10的一个示例性布局，为了清楚起见，它示出了分解形式的各种层。固体聚合物离子转移膜11夹在阳极12和阴极13之间。通常，阳极12和阴极13都由导电多孔材料诸如多孔碳形成，铂和/或其它贵金属催化剂的小颗粒与导电多孔材料诸如多孔碳结合。阳极12和阴极13通常直接结合到膜11的各自的相邻表面。这种组合通常被称为膜电极组件或MEA。

将聚合物膜和多孔电极层夹在中间的是阳极流体流场板(fluid flow field plate)14和阴极流体流场板15。也可以在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间使用中间背衬层15a和13a。背衬层15a具有多孔性质并且制造成确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面和从阳极和阴极表面扩散，并且有助于管理水蒸汽和液态水。因此，背衬层15a有时也称为气体扩散层(GDL)。

流体流场板14、15由导电的无孔材料形成，通过该材料可以对各自的阳极电极12或阴极电极13进行电接触。同时，流体流场板促进向或从多孔电极12、13递送和/或排出流体燃料、氧化剂和/或反应产物。这常规地通过在流体流场板的表面中形成流体流动通道，例如呈现给多孔电极12、13的表面中的凹槽或通道16来实现。

还参考图2a，流体流动通道的一个常规构造在具有入口歧管21和出口歧管22的阳极14(或阴极15)的表面中提供蛇形结构20，如图2a所示。根据常规设计，应当理解，蛇形结构20在板14(或15)的表面中包括通道16，而歧管21和22各自包括穿过板的孔，以便用于递送到通道20或从通道20排出的流体可以在垂直于板的方向的一堆板的整个深度连通，如图2b所示的A-A上的横截面中的箭头所特别指出的。

参考图3，在常规燃料电池组件30的实例中，一堆板被叠加。在这种布置中，以常规方式组合相邻的阳极和阴极流体流场板，以形成一个双极板31，该双极板31在一个面上具有阳极通道32，而在相对的面上具有阴极通道33，每个与各自的膜-电极组件(MEA)34相邻。入口歧管孔21和出口歧管孔22都被覆盖，以将入口和出口歧管提供给整个堆叠。为了清楚起见，堆叠的各种元件被略微分开显示，尽管为了本发明的目的，将理解的是它们将使用密封垫圈被压缩在一起。可选地，各个燃料电池组件30可以分开地提供，例如，排成一列。

水管理是这种燃料电池操作中的重要考虑因素。在燃料电池操作期间，在MEA的催化部位形成来自氢和氧之间的反应的产物水。这种水必须通过阴极扩散结构从MEA中排出，同时将氧气输送到MEA的阴极面。然而，同样重要的是，MEA保持适当的水合以确保电池的内部电阻保持在可容许的极限内。不能控制MEA加湿导致热点和潜在的电池故障和/或不良的电池性能。

根据本发明的第一方面，提供具有至少第一表面区域和第二表面区域的燃料电池系统，其中第一表面区域比第二表面区域更亲水，其中第一和第二表面区域根据燃料电池系统的参数分布来排列，以控制燃料电池系统中的流体流动。第一和第二表面区域的布置与参数分布之间的相关性使得能够调整燃料电池堆的疏水特性以更好地满足使用期间遇到的状况。像这样，在例如功率输出效率、冷却效率和防止局部故障方面，可以提高系统的性能。

第一表面区域和第二表面区域可以提供在单个部件上。部件的一个或多个表面可以被配置为接收流体流动。第一和第二区域可以被配置为控制跨过一个或多个表面的流体流动。第一表面区域和第二表面区域可以提供在单个部件的单个表面上。

第一表面区域可以提供在与第二表面区域不同的部件上。在这种情况下，在其上提供第一表面区域的第一部件可以是与在其上提供第二表面区域的第二部件相同类型的部件或不同类型的部件。第一和/或第二表面区域可以是连续区域。第一和/或第二表面区域可以是不连续区域。