[发明专利]金属圈密封件和通道间的相互作用下形成更均匀接触压力分布的通道布局设计

说明书

一种提供均匀气体流动压力的燃料电池流场板包括第一金属板和第二金属板。第一金属板限定了第一开口，其用于向燃料电池提供第一反应气体，并具有围绕第一开口的第一金属圈。第一金属圈是限定第一槽道的第二金属板中的凸起。第一多个通道提供进出第一金属圈的流道。第一多个通道的每个通道具有通向第一金属圈的入口通道部分和从第一金属圈延伸的出口通道部分，来将第一反应气体提供给由第一金属板限定的第一反应气体流动槽道。特征地，入口通道部分与出口通道部分偏移。

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及提供均匀的密封接触压力分布的燃料电 池流场板。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电源。特别地，燃料电池正在用于汽车来 代替内燃发动机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”) 膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜(“PEM”)型燃料电池中，氢作为燃料供给到阳极，氧 气作为氧化剂供给阴极。氧气可以是纯氧形式(O2)或空气形式(O2和 N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体 聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂并且在相对面上有阴极催化剂。典型 的PEM燃料电池的阳极和阴极层由诸如编织石墨、石墨化片或碳纸的多 孔导电材料形成，以使燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜的表面上。 通常的，离子导电聚合物膜包括全氟磺酸(“PFSA”)离聚物。

MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，多孔气体扩散层又被 夹在称为流场的一对导电元件或板之间。流场用作阳极和阴极的集流器， 并且包含形成在其中的合适的槽道和开口，用于将燃料电池的气态反应物 分布在各自的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效发电，PEM燃料电池 的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可透过质子、不导电并且气体不可 渗透。在典型的应用中，为了提供高水平的电力，以多个单独的燃料电池 堆的阵列形式提供燃料电池。

在当前的流场设计中，通道与金属圈相交使冷却剂和反应物通过。通 常，通道/槽道具有近似正方形的梯形横截面(即，壁角大于45度)。主要 考虑冷却剂/反应物流来设计流动通道/槽道的横截面。金属圈的主要功能 是密封冷却剂或反应物，防止它们从集流管向外面泄漏。由金属圈上的接 触压力提供密封功能。理想情况下，最有利的情况是接触压力是均匀的。 然而，通道的存在导致金属圈和通道之间的相交处的接触压力有较大变 化。特别地，密封接触压力由于圈和通道的干扰而出现较大变化，并且在 通道壁附近发现了较高的密封接触压力，并且在通道中心处发现了相对较 低的密封接触压力。密封接触压力较低的位置可能会发生泄漏。接触压力 较大变化可能导致某些点的压力极低，这些点可能导致泄漏。

因此，本发明提供了改进的接触压力，其在金属圈密封件和流动槽道 之间的相交处具有较小的压力变化。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供设置有均匀接触压力/密封压力 的燃料电池流场板来解决现有技术的一个或多个问题。流场包括第一金属 板和第二金属板。第一金属板限定第一开口，其用于向燃料电池提供第一 反应气体，并具有围绕第一开口的第一金属圈。第一金属圈是第一金属板 中的凸起。第一多个通道提供进出第一金属圈的通路。第一多个通道的每 个通道具有通向第一金属圈的入口通道部分和从第一金属圈延伸的出口通道部分，来将第一反应气体提供给由第一金属板限定的第一反应气体流 动槽道。第一多个通道中的每个通道的入口通道部分和出口通道部分相对 于彼此偏移。通常地，第二金属板具有相似的设计。具体地，第二金属板 限定第二开口，其用于向燃料电池提供第二反应气体，并具有围绕第二开 口的第二金属圈。第二金属圈是第二金属板中的凸起。第二多个通道提供 进出第二圈的通路。第二多个通道的每个通道具有通向第二圈的入口通道 部分和从第二圈延伸的出口通道部分，来将第二反应气体提供给由第二金 属板限定的第二反应气体流动槽道。第二多个通道中的每个通道的入口通 道部分和出口通道部分相对于彼此偏移。