專利名稱：具有可變孔隙度氣體分布層的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，特別是一種具有多個消耗富H2氣體來產(chǎn)生能量的電池的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池已經(jīng)在許多應(yīng)用中被用作電源。例如，人們已經(jīng)提出將燃料電池用在電動車動力裝置中來代替內(nèi)燃發(fā)動機。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫被提供給燃料電池陽極，氧作為氧化劑被提供給陰極。PEM燃料電池包含一個膜電極組件(MEA)，MEA包括在其一個面上具有陽極催化劑而在另一面上具有陰極催化劑的質(zhì)子傳導(dǎo)性、非電子導(dǎo)電性固體聚合物電解質(zhì)薄膜。MEA夾在一對導(dǎo)電元件之間，所述導(dǎo)電元件(1)充當(dāng)陽極和陰極的集流器和(2)其中包含用于將燃料電池的氣體反應(yīng)物分布于相應(yīng)陽極和陰極催化劑表面的適當(dāng)?shù)墓艿篮?或孔。術(shù)語燃料電池，根據(jù)上下文，一般指單電池或多個電池(堆)。多個單電池通常捆在一起形成燃料電池堆且通常串聯(lián)排列。堆內(nèi)的各個電池都含有前述的膜電極組件(MEA)，且每個所述MEA都提供其電壓增值。堆內(nèi)相鄰的一組電池稱為一個簇。在通用汽車公司的美國專利US5,763,113中記述了多個電池在堆中的典型排列。
在PEM燃料電池中，氫(H2)是陽極反應(yīng)物(即燃料)，氧是陰極反應(yīng)物(即氧化劑)。氧可以是純氧(O2)也可以是空氣(O2和N2的混合物)。固體聚合物電解質(zhì)一般由離子交換樹脂如全氟磺酸制成。陽極/陰極一般含有細(xì)碎的催化顆粒，通常負(fù)載在碳顆粒上并與質(zhì)子傳導(dǎo)性樹脂混合在一起。催化顆粒一般為昂貴的貴金屬顆粒。膜電極組件制造起來相對比較昂貴，且其有效操作需要某些條件，包括適當(dāng)?shù)乃芾砗驮鰸褚约翱刂拼呋瘎┪蹞p組分如一氧化碳(CO)。
對于車輛應(yīng)用，可取的是以液體燃料如醇(例如甲醇或乙醇)或烴(例如汽油)作燃料電池的氫源。這些車用液體燃料容易儲存在車上，且具有全國性的液體燃料供給基礎(chǔ)設(shè)施。不過，這些燃料必須解離釋放其中的氫來向燃料電池提供燃料。解離反應(yīng)是在化學(xué)燃料處理裝置或重整裝置中完成的。燃料處理裝置包括一個或多個反應(yīng)器，燃料在反應(yīng)器中與蒸汽和有時是空氣反應(yīng)產(chǎn)生主要含有氫和二氧化碳的重整產(chǎn)物氣體。例如在蒸汽甲醇重整過程中，甲醇和水(作為蒸汽)理想地反應(yīng)生成氫和二氧化碳。實際上，還會產(chǎn)生一氧化碳和水。在汽油重整過程中，蒸汽、空氣和汽油在包括兩個部分的燃料處理裝置中反應(yīng)。一部分主要是部分氧化反應(yīng)器(POX)，另一部分主要是蒸汽重整器(SR)。燃料處理裝置產(chǎn)生氫、二氧化碳、一氧化碳和水。下游反應(yīng)器可以包括水/氣體轉(zhuǎn)換器(WGS)和選擇氧化器(PROX)反應(yīng)器。在PROX中，用來自空氣的氧作氧化劑由一氧化碳(CO)生成二氧化碳。在這里要選擇性地將CO氧化成CO2，控制空氣的供給很重要。
處理烴類燃料以產(chǎn)生富氫重整氣以供PEM燃料電池消耗的燃料電池系統(tǒng)是已知的，且在1997年11月提交的序列號為08/975,422和08/980,087的未決美國專利申請和1998年11月提交的序列號為09/187,125的美國專利申請中有記述，這兩件專利申請均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的所有人，通用汽車公司；并記述在1998年3月5日公開的國際申請WO98/08771中。在分別于1993年12月21日和1994年5月31日公開的轉(zhuǎn)讓給通用汽車公司的美國專利US5,272,017和US5,316,871中記述了一種典型的PEM燃料電池及其膜電極組件(MEA)。
將MEA夾在中間的導(dǎo)電元件包括在其表面上用來將燃料電池的氣體反應(yīng)物(即氫和空氣形式的氧)分布在相應(yīng)的陰極和陽極表面上的一排溝槽。在燃料電池堆中，多個電池以串聯(lián)形式堆在一起，但彼此間用不透氣的導(dǎo)電雙極板隔開。以前，雙極板起幾個作用，包括(1)作為兩個相鄰電池間的導(dǎo)電的氣體隔離元件；(2)將反應(yīng)氣體分布在膜的基本整個表面；(3)在堆中的一個電池的陽極和下一個相鄰電池的陰極之間傳導(dǎo)電流；(4)保持反應(yīng)氣體隔離以防自燃；(5)對質(zhì)子交換膜提供支撐；(6)在大多數(shù)場合下，提供其中由內(nèi)部熱交換面界定的內(nèi)冷卻通道，冷卻劑從中流過從而將熱量從堆中帶走。雙極板還承載了與重整過程有關(guān)的氣壓載荷以及加載在板上的壓力。例如，雙極板包括在一側(cè)的許多管道和在另一側(cè)的許多管道，在各側(cè)的管道被臺肩分開。臺肩和管道在兩個側(cè)面上的排列必須使雙極板可以承受加載的壓力，因此臺肩和通道排列成不會使雙極板塌陷或翹曲的形式。雙極板包含用來將氫和氧輸送到覆于雙極板之上的質(zhì)子交換膜組件的蛇形管道。在蛇形管道上放置一張石墨紙，以防止膜塌入管道阻塞氣流，并向雙極板提供一個從覆蓋管道的膜區(qū)域的電通路。
雙極板可以由金屬制成，不過也可以用其它材料制造。例如雙極板經(jīng)常由重量輕(與傳統(tǒng)的金屬板相比)、在PEM燃料電池環(huán)境中耐腐蝕的并且導(dǎo)電的石墨制成。不過，石墨非常脆，使其難以進(jìn)行機械加工，而且與金屬相比其導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率相對較低。最后，石墨非常多孔使得實際上不可能制造出重量輕、體積小、內(nèi)阻低的燃料電池所期望的非常薄的不透氣板。
Neutzler的美國專利US5,776,624公開了金屬雙極板和這種管道類型的PEM組件。這些現(xiàn)有技術(shù)的雙極板和PEM組件重、大、難以生產(chǎn)和組裝且制造成本高昂。
相比之下，燃料電池系統(tǒng)的有效運行取決于燃料電池在給定尺寸、重量和成本下產(chǎn)生大量電能的能力。在所有零部件的尺寸、重量和成本對于其有效地制造和運行都非常重要的電動車應(yīng)用中，使燃料電池在給定尺寸、重量和成本下電能輸出最大化尤其重要。因此，特別是對于電動車應(yīng)用，希望提供一種可以用給定尺寸、重量和成本的燃料電池產(chǎn)生更多電能的燃料電池結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池，它包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、在膜的一個面上的催化陽極層、在膜的另一個面上的催化陰極層、以及分別在陰極和陽極層上的氣體分布層，氣體分布層界定出一個延伸至每個催化部件的氣流場，其中膜、催化層和分布層形成具有第一和第二相對邊沿的夾層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，每個氣體分布層都包括一個被分成許多大致平行的段的導(dǎo)電多孔介質(zhì)，其中每個段都從夾層結(jié)構(gòu)的第一個邊沿延伸至第二個邊沿，從而界定出許多遍布每個催化層的大致平行的多孔反應(yīng)物通道。這種排列保證了在平行的各段之間只有很少或沒有交互滲移發(fā)生，從而確保了氣體基本均勻地分布于催化層表面。
根據(jù)發(fā)明的另一特征，多孔介質(zhì)包括泡沫介質(zhì)。使用泡沫介質(zhì)對本發(fā)明的排列的低成本、低重量方面做了進(jìn)一步貢獻(xiàn)。在本發(fā)明公開的實施方案中，泡沫介質(zhì)由開室泡沫介質(zhì)構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，每個氣體分布層含有一片多孔介質(zhì)，且每個分布層的各段通過空間地改變對由各片多孔介質(zhì)提供的氣流的阻力來界定。這種排列提供了一種簡單便宜的提供多孔介質(zhì)的各個平行段的方法。在本發(fā)明的一個實施方案中，通過空間地改變各片多孔介質(zhì)的孔隙度從而空間地改變了氣流阻力；在另一個實施方案中，通過空間地改變各片多孔介質(zhì)的厚度從而空間地改變了氣流阻力；在又一個實施方案中，通過空間地改變備片多孔介質(zhì)的厚度和孔隙度從而空間地改變了氣流阻力。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，泡沫介質(zhì)包括導(dǎo)電的石墨泡沫介質(zhì)或者導(dǎo)電的金屬泡沫介質(zhì)。使用這些相對便宜的導(dǎo)電泡沫介質(zhì)在不犧牲性能的同時進(jìn)一步降低了燃料電池的成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，該特征可適用于包含許多堆在一起的燃料電池的燃料電池堆，該燃料電池堆進(jìn)一步包含一個歧管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括分別沿每個燃料電池的多孔片的入口和出口邊沿布置的歧管帶，運行時將反應(yīng)氣體傳送到每個燃料電池的每個片的每個段的入口端并從每個燃料電池的每個片的每個段的出口端接收反應(yīng)氣體。這種歧管系統(tǒng)排列使得分段的氣體分布層可以有效地運行而不顯著增加燃料電池裝置的重量、成本和尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，歧管結(jié)構(gòu)包括位于沿每個燃料電池的每個片的各段的入口端的入口歧管帶和位于沿每個燃料電池的每個片的各段的出口端的出口歧管帶；每個入口歧管帶包括靠近各個段入口端的外沿和內(nèi)沿；每個入口帶靠近其外沿的外側(cè)部分界定出許多用來將各種流體(包括反應(yīng)氣體)傳送到各個段的串聯(lián)排列的垂直入口通道；每個入口帶接近其內(nèi)沿的內(nèi)側(cè)部分界定出一個與各個片的各段的入口端相通的水平通道；某個入口帶包括在某個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過上述那個入口通道和水平通道將第一反應(yīng)氣體送到相應(yīng)片的各段的入口端；某個其它入口帶包括位于另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過這個另外的入口通道和水平通道將第二反應(yīng)氣體送到相應(yīng)片的各段的入口端。這種特定的歧管結(jié)構(gòu)使得不同的反應(yīng)氣體被有選擇性和有效地傳送到燃料電池堆的不同層，并被有選擇性和有效地從燃料電池堆中除去。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，燃料電池堆還包括位于至少某些燃料電池之間的冷卻劑層；一個入口歧管帶，位于每個冷卻劑層的一個入口邊沿上，一個出口歧管帶位于每個冷卻劑層的一個出口邊沿上；位于每個冷卻劑層的入口邊沿上的入口歧管帶包括在另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時但封鎖了剩余入口通道和水平通道之間的連通，從而通過這個另外的入口通道和水平通道將冷卻液傳送到冷卻層。這種特殊的歧管結(jié)構(gòu)使得冷卻劑可以被有選擇性和有效地傳送到散布在燃料電池中間的冷卻劑層和從中除去。


參照以下說明和附圖，本發(fā)明的各個特征、優(yōu)點及其他用途將會更加明了，其中圖1是裝有根據(jù)本發(fā)明所述的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的簡圖；圖2是圖1所示的燃料電池連接在一個電動車應(yīng)用的圖例中的簡圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明所述的燃料電池堆的透視簡圖；圖4是沿圖3的4-4線所作的剖視圖；圖5是應(yīng)用于燃料電池中的MEA的剖視圖；圖6是燃料電池的部件分解圖；圖7是應(yīng)用于燃料電池中的氣體分布層的透視圖；圖8是沿圖7的8-8線所作的剖視圖；圖9是形成圖7的氣體分布層的方法；圖10和11是氣體分布層的替換形式；圖12是與歧管框架結(jié)合在一起的氣體分布層的透視圖；圖13、14和15是在燃料電池中所采用的歧管的局部透視圖；圖16是具有內(nèi)置冷卻的氣體分布層的替換形式的剖視圖；圖17是顯示燃料電池堆中所采用的氣體分布層與MEA以及與隔板的界面的局部剖視圖；圖18是沿圖13的18-18線所作的剖視圖。
優(yōu)選實施方案的詳述參照圖1所示的燃料電池系統(tǒng)(只起舉例作用)可以進(jìn)一步理解本發(fā)明。因此在進(jìn)一步說明本發(fā)明之前，了解本發(fā)明的燃料電池所運行的系統(tǒng)很有用。
圖1是燃料電池系統(tǒng)的一個例子。該系統(tǒng)可以用在車輛(未顯示)中作車輛驅(qū)動的動力源。在該系統(tǒng)中，烴類在燃料處理裝置中進(jìn)行處理，例如通過重整和選擇氧化處理，產(chǎn)生氫含量(體積或摩爾比)相對較高的重整產(chǎn)物氣體。因此，下文參照富氫或氫含量相對較高的情況。
下面將在以富H2的重整氣為燃料的燃料電池的范圍內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行說明，而不考慮這種重整氣是通過何種方法制得的。應(yīng)當(dāng)理解，在這里所表述的原則對于以從其它來源，包括可重整的烴和含氫的燃料如甲醇、乙醇、汽油、烯烴或其它脂族或芳族烴，得到的H2為燃料的燃料電池同樣適用。
如圖1所示，燃料電池裝置包括用來使可重整的烴類燃料流6和來自水流8的蒸汽形式的水進(jìn)行催化反應(yīng)的燃料處理裝置2。在某些燃料處理裝置中，空氣也一起被用于選擇氧化/蒸汽重整反應(yīng)中。在這種情況下，燃料處理裝置2還接受氣流9。燃料處理裝置包括一個或多個反應(yīng)器12，燃料流6中的可重整的烴類燃料在有水/蒸汽8有時還有空氣(在空氣流9中)存在的情況下在反應(yīng)器12中被分解生成富氫的重整氣。此外，每個反應(yīng)器12可以包含一個或多個反應(yīng)床。反應(yīng)器12可以具有一個或多個段或床，且有許多類型已知并可用。因此反應(yīng)器12的選擇和排列可以不同；下面緊接著對典型的燃料重整反應(yīng)器14和下游反應(yīng)器16進(jìn)行說明。
舉例來說，如前面在背景技術(shù)中所述，在典型的蒸汽/甲醇重整過程中，甲醇和水(以蒸汽形式)在反應(yīng)器14中理想地反應(yīng)產(chǎn)生氫和二氧化碳。實際上，還會產(chǎn)生一氧化碳和水。又例如，在典型的汽油重整過程中，蒸汽、空氣和汽油在包含具有兩個部分的反應(yīng)器14的燃料處理裝置中反應(yīng)。反應(yīng)器14的一部分主要是部分氧化反應(yīng)器(POX)，另一部分主要是蒸汽重整裝置(SR)。與甲醇重整的情況一樣，汽油重整產(chǎn)生所需的氫，但此外還產(chǎn)生二氧化碳、水和一氧化碳。因此，在每種重整之后，都需要降低產(chǎn)品流中的一氧化碳含量。
因此，如先前在背景技術(shù)中所述，燃料處理裝置一般還包含一個或多個下游反應(yīng)器16，如用來由一氧化碳制備二氧化碳的水/氣體轉(zhuǎn)化器(WGS)和選擇氧化(PROX)反應(yīng)器。優(yōu)選，最初的含有氫、二氧化碳、一氧化碳和水的重整產(chǎn)物氣流進(jìn)一步在選擇氧化(PROX)反應(yīng)器16中處理將其中的CO降低到可接受水平，例如低于20ppm。然后，在運行模式下，富H2的重整氣體20通過閥31輸入燃料電池堆22的陽極室。同時，來自氧化劑流24的氧(例如空氣)被輸入燃料電池22的陰極室。來自重整氣體流20的氫和來自氧化劑流24的氧在燃料電池22中反應(yīng)產(chǎn)生電。
來自燃料電池22的陽極一側(cè)的廢氣或排放物26包含一些來反應(yīng)的氫。來自燃料電池22的陰極一側(cè)的廢氣或排放物28包含一些未反應(yīng)的氧。氧化劑流24的空氣是由空氣供給源，優(yōu)選壓縮機30，提供的。來自空氣供給源(壓縮機30)的空氣在正常操作條件下通過閥32通往燃料電池22。不過，在啟動時，閥32將空氣直接提供給燃燒室34的進(jìn)料?？諝庥迷谌紵?4中與通過管路46所供給的燃料反應(yīng)。燃燒的熱量用來對燃料處理裝置2的不同部分進(jìn)行加熱。
應(yīng)當(dāng)注意到在燃料處理裝置2中發(fā)生的一些反應(yīng)是吸熱反應(yīng)因此需要加熱；其它反應(yīng)是放熱反應(yīng)需要排熱。一般PROX反應(yīng)器16需要排熱。在反應(yīng)器14中的一個或多個重整反應(yīng)一般是吸熱的，需要加熱。這通常是通過對反應(yīng)物，燃料6、蒸汽8和空氣9預(yù)熱，和/或加熱所選擇的反應(yīng)器來實現(xiàn)的。
在啟動時，來自燃燒室34的熱對燃料處理裝置2中所選擇的反應(yīng)器和反應(yīng)床進(jìn)行加熱。根據(jù)需要，燃燒室34通過間接熱傳遞完成對燃料處理裝置中所選擇的反應(yīng)器和反應(yīng)床的加熱。通常這種間接加熱的反應(yīng)器包括一個帶入口和出口的反應(yīng)室。在該反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)床以載體元件基板的形式存在，每個都具有一個載有用來完成所需的化學(xué)反應(yīng)的催化活性物質(zhì)的第一表面。跟第一表面相對的第二表面用來將來自熱氣體的熱傳遞給載體元件基板。此外，燃燒室34可用來對供給燃料處理裝置2作反應(yīng)物的燃料6、水8和空氣9進(jìn)行預(yù)熱。
應(yīng)注意到，提供給燃料處理裝置2的空氣9可以用在一個或多個反應(yīng)器12中。如果反應(yīng)器14是汽油重整反應(yīng)器，則來自管路9的空氣被提供給反應(yīng)器14。PROX反應(yīng)器16也使用空氣將CO氧化成CO2，同樣通過管路9從空氣供給源(壓縮機30)得到空氣。
燃燒室34界定了一個帶有入口端42、廢氣端44和位于兩端之間的催化劑區(qū)域48的室41。烴類燃料被注入燃燒室。烴類燃料，如果是液態(tài)的，優(yōu)選在注入燃燒室或在燃燒室的一個區(qū)域前汽化從而將燃料分散以便燃燒。汽化可以由電加熱器完成。一旦系統(tǒng)開始運行和燃燒室變熱，汽化就可以通過熱交換用燃燒室廢氣中的熱汽化進(jìn)入的燃料來進(jìn)行。優(yōu)選提供一個燃料流量表43以控制烴類燃料向燃燒室的供給速率。
烴類燃料46和陽極排放物26在燃燒室34的催化劑區(qū)域48反應(yīng)，催化劑區(qū)域48位于燃燒室34的入口端42與排氣端44之間。根據(jù)系統(tǒng)操作條件不同，氧或者通過閥32從空氣供給源(即壓縮機30)或者從第二空氣流，如陰極排放物流28提供給燃燒室34。在不需要加熱燃料處理裝置2中的反應(yīng)器時，閥50允許將燃燒室廢氣36排入大氣。
可以看出，烴類燃料流46補充陽極排放物26作為燃燒室34的燃料，以在需要時，滿足燃料電池裝置的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)需要。在某些情況下，廢氣在排入大氣之前要通過調(diào)節(jié)器38、截止閥39和消聲器48。圖1中各符號的含義如下V是閥，MFM是質(zhì)量流量計，T是溫度監(jiān)測器，R是調(diào)節(jié)器，C是燃料電池的陰極側(cè)，A是燃料電池的陽極側(cè)，INJ是注射器，COMP是壓縮機。
燃料處理裝置2內(nèi)所選擇的反應(yīng)器所需的熱量由燃燒室34所供給，該熱量取決于燃料和水的進(jìn)料量以及最終所需的燃料處理機2內(nèi)的反應(yīng)溫度。如前所述，有時空氣也用在燃料處理反應(yīng)器中，所以必須與燃料和水的進(jìn)料一起考慮。為供給燃料處理裝置2需求的熱量，燃燒室34需要利用所有的陽極廢氣或排放物且可能還需要一些烴類燃料。由熱焓方程式來確定為滿足燃燒室34所要求的溫度條件所要提供給燃燒室34的陰極廢氣的量，而燃燒室34最終滿足燃料處理裝置2所需的熱量。根據(jù)裝置是在其中只使用壓縮機氣流的啟動模式下操作還是在使用陰極排放物28和/或壓縮機空氣的運行模式下操作，提供給燃燒室34的氧或空氣包含陰極排放物廢氣28和壓縮機輸出氣流中的一種或全部兩種，其中陰極排放物廢氣28通常是提供給燃料電池22的陰極的總氧量的百分?jǐn)?shù)。在運行模式下，任何不是由陰極排放物28所滿足的燃燒室34所需的所有空氣、氧或稀釋劑需求，都由壓縮機30提供直到滿足燃燒室34和燃料處理裝置2分別所要求的溫度和熱量?？諝獾目刂剖峭ㄟ^空氣稀釋閥47來實現(xiàn)的，空氣稀釋閥47優(yōu)選是具有用來控制提供給燃燒室34的陰極廢氣28的泄放量的可變孔口的步進(jìn)電機驅(qū)動閥。
在此燃料電池裝置的示范模型中，其運行如下開始當(dāng)燃料電池裝置是冷的和啟動時(1)壓縮機30在由外部電源(例如，電池)供電的電動機的驅(qū)動下提供必要的系統(tǒng)空氣；(2)將空氣引入燃燒室34；將烴類燃料46(例如甲醇或汽油)注入燃燒室34；(3)空氣和燃料在燃燒室34中反應(yīng)，其中燃料基本上實現(xiàn)完全燃燒；(4)從燃燒室34出來的熱廢氣被輸送到燃料處理裝置2申所選擇的反應(yīng)器12。
一旦燃料處理裝置2中的反應(yīng)器已經(jīng)達(dá)到足夠的溫度，重整過程開始，該過程包括如下步驟(1)起動閥32將空氣導(dǎo)入燃料電池22的陰極側(cè)；(2)將燃料和水提供給燃料處理裝置2以使重整反應(yīng)開始；(3)將從燃料處理裝置2出來的重整產(chǎn)物輸送到燃料電池22的陽極側(cè)；(4)將來自燃料電池22的陽極排放物26導(dǎo)入燃燒室34；(5)將來自燃料電池22的陰極排放物28導(dǎo)入燃燒室34；(6)燃料、空氣、陰極排放物28和陽極排放物26在燃燒室34中燃燒。在一種優(yōu)選的順序中，步驟(2)是與直接向燃燒室供應(yīng)空氣一起最先實施的。然后，當(dāng)富氫流具有充分低的CO水平時，實施步驟(1)和(3)，繼之以步驟(4)、(5)和(6)。
在一定條件下，燃燒室34可以完全依靠陽極和陰極排放物運行，而不需要額外的烴類燃料46。在此條件下，向燃燒室34的燃料注入被中止。在其它條件下，例如能量需求增加時，提供額外的燃料46以補充輸入燃燒室34的Aout(26)?？梢娙紵?4接受多種燃料，如烴類燃料以及來自燃料電池22的陽極的陽極排放物26。來自燃料電池22的陰極的貧氧廢氣28和來自壓縮機30的空氣也提供給燃燒室34。
根據(jù)本燃料電池系統(tǒng)的例子，圖1所示的控制器52控制著圖1所示系統(tǒng)的運行的各個方面?？刂破?2可以包括任何適合的，具有能夠執(zhí)行控制程序和存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)的中央處理單元的微處理器、微控制器、個人電腦等?？刂破?2可以是圖1所示的任一部件的專用控制器，或者是在存儲于車輛電子控制主模塊中的軟件中實施。此外，盡管基于控制程序的軟件對于在上述各種工作狀態(tài)下控制系統(tǒng)部件很有用，還應(yīng)當(dāng)理解，所述控制也可以部分或全部通過專用電子線路來實現(xiàn)。
在一個優(yōu)選實施方案中，燃料電池系統(tǒng)包括作為車輛推進(jìn)系統(tǒng)60(參見圖2)的一部分的燃料電池22。在這里，系統(tǒng)60的一部分包括電池62、電動機64及相關(guān)驅(qū)動電子設(shè)備，其包括建造和安排來從燃料電池系統(tǒng)特別是燃料電池22的DC/DC轉(zhuǎn)換器61接受電能，并將其轉(zhuǎn)化為由發(fā)動機64產(chǎn)生的機械能的倒相器65。電池62的建造和排列是用來接受和儲存由燃料電池22供給的電能，接受和儲存再生制動時發(fā)動機64供給的電能，并提供給發(fā)動機64電能。發(fā)動機64偶聯(lián)在驅(qū)動軸66上以轉(zhuǎn)動車輛(未顯示)的車輪。電化學(xué)發(fā)動機操縱模塊(EECM)70和電池組模塊(BPM)71監(jiān)視各個工作參數(shù)，包括但不限于，電池堆的電壓和電流。例如，這是由電池組模塊(BPM)71或由BPM71和EECM70共同完成的，根據(jù)BPM71所監(jiān)視的情況向車輛控制器74傳送一個輸出信號(消息)。車輛控制器74控制電動機64、包含倒相器65的驅(qū)動電子設(shè)備、DC/DC轉(zhuǎn)換器61，并從EECM70請求一個功率水平。
本發(fā)明涉及燃料電池22，特別是在不犧牲性能的條件下將燃料電池造得更輕、更小和更便宜所憑借的燃料電池結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的燃料電池的透視示意圖如圖3，截面示意圖如圖4?？偟膩砜?，重整產(chǎn)物20和空氣24以前面所述的方式輸給燃料電池堆，貧氧空氣28和氫排放物26從堆中排出。
總的來看，電池堆包括多個MEA76、多個氣體分布層78、多個陽極歧管80、多個陰極歧管82、多個冷卻歧管84、多個墊片或隔板86、多個冷卻層88、上下集電板90、上下絕緣板91和上下端板92，全部以圖4所示的層疊關(guān)系排列。
具體地講，端板92構(gòu)成電池堆的基礎(chǔ)或底板；絕緣板91位于端板92上；集電極板90位于絕緣板91上；墊片86位于集電極板88上；陰極歧管82圍繞氣體分布層78，位于墊片86上；MEA76位于陰極歧管/氣體分布層上；陽極歧管80圍繞氣體分布層78，位于MEA上；墊片86位于陽極歧管上；冷卻歧管84圍繞冷卻層88，位于墊片86上；另一個墊片86位于冷卻歧管上，重復(fù)該序列以提供任意多的電池，電池堆的頂部是頂端集電極板90、位于集電極90上的絕緣板91和位于絕緣板91上的頂端端板92。所有部件都是通常的矩形形狀，電池堆中電池的數(shù)目由所需的燃料電池輸出電壓決定。
每個MEA76(圖5)包含一個薄的質(zhì)子傳導(dǎo)性、非電子導(dǎo)電性固體聚合物電解質(zhì)形式的膜94、一個位置靠著膜底面的密封墊或襯墊構(gòu)件96、另一個位置靠著膜頂面的密封墊或襯墊96、一個位于在上襯墊96之內(nèi)的膜的頂面上的陽極催化劑層98和一個位于在下襯墊96之內(nèi)的膜的底面上的陰極催化劑層。沿MEA的每條縱向邊沿提供了許多組重復(fù)的通道h、i和j(圖6)。
每個氣體分布層78由一片導(dǎo)電的多孔介質(zhì)特別是導(dǎo)電的泡沫介質(zhì)構(gòu)成。優(yōu)選的泡沫是開室的，且包括導(dǎo)電的泡沫石墨介質(zhì)或?qū)щ姷慕饘倥菽橘|(zhì)。導(dǎo)電的泡沫石墨介質(zhì)包括，例如石墨化的熱解石墨，金屬導(dǎo)電泡沫介質(zhì)包括優(yōu)質(zhì)不銹鋼或低接觸電阻的金屬合金如601鉻鎳鐵合金或310不銹鋼。
每個氣體分布層或片78被分成許多大致平行的段78a，各自從層的第一個邊沿78b伸向?qū)拥牡诙€邊沿78c，從而界定出許多遍布各個催化層的、大致平行的多孔反應(yīng)物通路。各個分布層的段通過空間地改變對由相應(yīng)的片提供的氣流的阻力來界定?？臻g地改變對流體的阻力可以通過空間地改變相應(yīng)片的孔隙度、空間地改變相應(yīng)片的厚度或既空間地改變片的厚度也空間地改變其孔隙度來實現(xiàn)。
在圖7、8和9所示的氣體分布層的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，通過空間地改變片的孔隙度從而空間地改變了孔隙度，具體地說，各片是以復(fù)合材料的形式制成的，包括交替放置的由高孔隙度泡沫材料制成的相對較寬的帶78d和由相對低孔隙度泡沫材料制成的窄帶78e。氣體分布層78可以通過先形成一個高孔隙度和低孔隙度泡沫層交替的塊，然后切除阻塞部分(如圖9中短劃線所示)從而形成氣體分布層的各片的方法制成(如圖9所示)。
或者，如圖10所示，空間地改變對由片提供的氣流的阻力可以通過空間地改變相應(yīng)多片的厚度，特別是提供交替的厚部分178a和薄部分178b來實現(xiàn)。又或者，如圖11所示，片內(nèi)的空間變化可以通過沿片壓出彼此隔開的帶，以形成厚的高孔隙度的未壓縮部分278a和薄的壓縮的低孔隙度部分278b交替排列的結(jié)構(gòu)來提供。在圖10或圖11的替換結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧帶或珠93可以位于層的厚薄部分之間的溝槽中。
又或者，分段的氣體分布層不是由單個分段的泡沫塑料片構(gòu)成的，而可能是由許多單個泡沫帶或段串聯(lián)地并列且在分隔的帶之間有適當(dāng)?shù)妮喞?delineations)構(gòu)成的。
每個陽極歧管80(圖6和13)優(yōu)選由模制塑料材料制成且具有敞式框架矩形外形。每個歧管80包含入口歧管帶部分80a、出口歧管帶部分80b以及端帶部分80c和80d。
每個入口歧管帶部分80a包括外沿80e和內(nèi)沿80f，在每個入口帶部分接近其外沿處的外側(cè)部分80g界定出許多串聯(lián)排列的垂直入口通道80h、80i和80j，用來向氣體分布層的各個段輸送各種流體，包括反應(yīng)氣體。在每個入口帶接近其內(nèi)沿處的內(nèi)側(cè)部分80k，界定了用于與氣體分布層的各段的入口端連通的水平通道80l。通道80l接著又被間隔排列的臺肩80n分成許多水平的子通道80m，每個子通道的排列都與氣體分布層的相應(yīng)段的入口端對準(zhǔn)并與之連通。垂直入口通道80j和通道80l之間的連通被壁80p阻斷，垂直入口通道80i和通道80l之間的連通被入口壁80q阻斷，但入口通道80h與水平通道80l導(dǎo)通，因此向上通過通道80h的流體可以自由地沿水平通道80l移動并穿過各個子通道80m，以與氣體分布層的相應(yīng)段相互作用。垂直入口通道80h、80i和80j與水平通道80l共同作用的子集沿入口歧管帶部分的長度方向重復(fù)，重復(fù)的次數(shù)取決于入口歧管部分的總長。
出口分配通道部分80b在布局上與入口部分80a相似，具體講包括入口通道80h’、80i’和80j’的子集、水平通道80l’和水平子通道80m’。
每個陰極歧管82與陽極歧管80相同，只不過(如圖14所示)連通是建立在垂直通道80j/80j’和水平通道80l/80l’之間，而垂直通道80h/80h’和水平通道80l/80l’之間以及垂直通道80i/80i’和水平通道80l/80l’之間的連通被阻斷。
各個冷卻歧管84與陰極和陽極歧管80和82總體上相同，只不過(如圖15所示)連通是建立在垂直入口通道84i/84i’和水平通道84l/84l’之間，而垂直入口通道84j/84j’和通道84l/84l’之間以及垂直入口通道84h/84h’和通道84l/84l’之間的連通被阻斷。
冷卻歧管直接結(jié)合在歧管的頂部和底部的隔板上。陽極和陰極歧管結(jié)合在歧管靠通道一側(cè)的隔板上。相對一側(cè)有一個結(jié)合在其上的密封墊，壓在MEA或相對的歧管上。
如圖18最清楚看到的，在每個歧管中，垂直通道h、i和j(以及h’、i’和j’)完全穿過相應(yīng)的歧管部分，而通道i/i’和子通道m(xù)/m’是通過除去相應(yīng)歧管部分的厚度方向的上半部分而形成的。
各個墊片或隔板86的形狀為矩形，且優(yōu)選由金屬材料如不銹鋼或鈦制成。每個墊片86包括許多沿相應(yīng)的對面縱向邊沿的、在尺寸和間隔上與陰極、陽極和冷卻歧管以及MEA中的垂直通道的子集相對應(yīng)的垂直通道86h、i和j(以及86h’、i’和j’)的子集。
應(yīng)當(dāng)明確，在每個歧管、MEA和墊片中的垂直通道h、i和j(以及h’、i’和j’)的子集在尺寸、形狀和間隔上相對應(yīng)，并垂直對齊，界定出許多垂直延伸穿過燃料電池堆的相對邊沿的通路H、I、J(以及H’、I’和J’)的子集，還應(yīng)清楚，通道h、i和j(以及h’、i’和j’)的尺寸根據(jù)要穿過這些通道的各種流體的量的需求而改變。具體地說，要用來處理陰極空氣的通道j/j’相對較寬，要用來處理冷卻液的通道l/l’相對較窄，而要用來處理陽極氫的通道h/h’寬度居中。
各個冷卻層88與氣體分布層78相同且，具體地說，包括許多大致平行的段88a，各段從層的第一個邊沿88b伸向?qū)拥牡诙€邊沿88c，從而界定出許多遍布燃料電池堆的大致平行的多孔冷卻劑通路。
集電板90的形狀和結(jié)構(gòu)已知，用來收集累積的由燃料電池堆中的電池產(chǎn)生的電能，以將其分配給適當(dāng)?shù)妮d荷如圖2中的車輛發(fā)動機64。
如果端板由導(dǎo)電材料制成，則用絕緣板91來將端板與集電板電絕緣。如果端板是不導(dǎo)電的，則可以省去絕緣板。
端板92用來為燃料電池堆提供上板和下板，從而可以向電池堆上適當(dāng)施加壓力荷載(例如由捆帶或夾具)，以在電池堆的所有層之間保持適當(dāng)?shù)姆纸缑?，保證電池堆內(nèi)部流體的恰當(dāng)分布，和保證電池堆內(nèi)部適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率。
在電池堆的各部件的裝配關(guān)系中，如圖4和圖6所示，在每個陽極歧管80內(nèi)有一個氣體分布層78；在每個陰極歧管82內(nèi)有一個氣體分布層78；在每個冷卻歧管84內(nèi)有一個冷卻層88；墊片86位于冷卻層的側(cè)面以防止反應(yīng)氣體和冷卻液混合，并保持穿過電池堆的電導(dǎo)率；每個層中的垂直通道子集h、i和j(以及h’、i’和j’)對齊從而界定出在電池堆兩側(cè)的向上(H、I和J)和向下(H’、I’和J’)延伸貫穿電池堆的垂直通路子集；每個氣體分布層的各個段78a的位置滿足其入口端78f與相應(yīng)的歧管的一個子通道80m/82m對齊、其出口端78g與相應(yīng)歧管的一個子通道80m’/82m’對齊；每個冷卻層88的各個段88a分別在其入口端與相應(yīng)的冷卻劑歧管對齊且在其出口端與相應(yīng)的冷卻劑歧管的一個子通道80m’對齊，每個氣體分布層中遠(yuǎn)離相鄰MEA的面可以結(jié)合到相鄰墊片86與之相向的一面。該結(jié)合可以通過燒結(jié)、釬焊或使用導(dǎo)電性粘合劑來實現(xiàn)。
在運行中，氫向上穿過垂直通路H，空氣向上穿過垂直通路J，冷卻液如乙二醇/水混合液、氟里昂或甲醇向上穿過垂直通路I。
向上穿過垂直通路H的氫在每個陽極歧管層轉(zhuǎn)向，穿過水平通道80l和子通道80m，爾后穿過相應(yīng)段78a到達(dá)出口歧管帶，在這里氫支流穿過子通道80m’、水平通道80l’并向下穿過通路H′，以通過管路26輸送到燃燒室42。在氫從段78a的入口端移向出口端時，氫基本上被低孔隙度的帶78e限制在相應(yīng)的段78a中，因此在平行段之間只有很少或沒有交互滲移發(fā)生，從而確保了氫在下層的陽極98的表面上基本均勻分布，而不考慮泡沫介質(zhì)的泡沫材料的孔隙度存在不可避免的和顯著的差異，從而使由氫和陽極之間的相互作用產(chǎn)生的電能最大化。氣流在相應(yīng)催化劑層上的分布基本均勻，因為流動阻力是沿各個段的限制的總和，因而孔隙度的變化在某個段的長度上是平均的而不允許局部擾動影響整個流場。
同時，陰極空氣向上穿過通路J，由于通道82j和水平通道82l之間連通，向上移動的陰極空氣在每個陰極歧管層轉(zhuǎn)向，從而該空氣穿過水平通道82l和子通道82m以穿過各個泡沫段78a，隨后通過排放通路J′排放，然后通過導(dǎo)管28收集貧氧空氣以按前述的方式進(jìn)行適當(dāng)分配。高孔隙度帶78d之間的低孔隙度帶78e又被用來阻止相鄰帶之間的空氣發(fā)生交互滲移，保證均勻供給的空氣和氧分配到其上覆蓋的陰極100的所有區(qū)域，從而使由空氣與電極100的反應(yīng)產(chǎn)生的電能最大化，而不考慮氣體分布層的泡沫材料存在固有的和顯著的孔隙度變化。
對于氫和氧的分配來說，與段78d相比帶78e較窄的寬度實際上保證了相應(yīng)的MEA電極的所有區(qū)域都暴露于相應(yīng)的反應(yīng)氣體下，因此使電能的產(chǎn)生最大化。由于窄分隔帶78e是多孔的，反應(yīng)氣體會擴散進(jìn)去，因此即使是帶下的小電極區(qū)域也會產(chǎn)生電能，從而進(jìn)一步使電池中電能的產(chǎn)生最大化。
同時，冷卻液向上移動穿過通路I，由于通道84i和水平通道84l連通，冷卻劑在每個冷卻劑歧管層轉(zhuǎn)向從而流過子通道84m和冷卻劑層的各個段88a，以在冷卻劑歧管的出口帶處集中，并向下通過通路I′流出，以適當(dāng)排放或再循環(huán)。高孔隙度帶88d之間的低孔隙度帶88e再次保證了冷卻液在其上層和下層墊片的相鄰面上的均勻分布，從而確保了相鄰電池在整個區(qū)域的均勻冷卻。
在圖16所示的備選氣體分布層結(jié)構(gòu)中，泡沫層378被有選擇性以一定的空間間隔壓縮，以提供分隔開高孔隙度區(qū)域378b的高密度低孔隙度的區(qū)域378a。由導(dǎo)電材料制成的板380位于泡沫378上，板上各個間隔的回旋380a分別覆蓋壓縮的低孔隙度區(qū)域378a，墊片或隔板382位于板380上，界定出覆蓋泡沫層的壓縮區(qū)域的橫向延伸的冷卻劑通道384。這種排列的優(yōu)點在于，冷卻劑通道與氣體分布層在同一水平上，從而消除了為向電池堆提供冷卻而形成隔離層和歧管系統(tǒng)的需要。
本發(fā)明應(yīng)被看作要提供一種比相應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池更輕、更小和更便宜、且同時不犧牲任何由燃料電池輸出的電能的燃料電池。具體地說，通過用泡沫氣體分布層替換具有蜿蜒的臺肩和通道的現(xiàn)有技術(shù)金屬雙極板，既減輕了燃料電池的重量又減小了燃料電池的體積。泡沫氣體分布層能將氣體分布于膜的基本全部區(qū)域，而不象現(xiàn)有技術(shù)雙極板的蜿蜒通道僅僅是將其分布于暴露于凹槽的區(qū)域，這種能力使得可以去掉在雙極板和膜之間的現(xiàn)有技術(shù)的石墨紙或布，因為這種布的氣體分布功能現(xiàn)在由泡沫層來滿足，還因為這種布的防止膜塌到通道中阻斷氣流的功能現(xiàn)在由泡沫來滿足(因為泡沫和膜之間的各個接觸點78之間的跨度遠(yuǎn)小于分隔現(xiàn)有技術(shù)蜿蜒通道的各個凹槽部分的臺肩區(qū)域的跨度(如圖17所示))。除去這種布進(jìn)一步減少了燃料電池的體積和重量，也進(jìn)一步降低了燃料電池的成本。泡沫沿泡沫層的一個面結(jié)合到相鄰墊片這上加上在泡沫層的另一面和MEA之間的多點和全面電接觸具有降低穿過電池的接觸電阻的效果，從而使為保持穿過電池的電導(dǎo)率所需的壓縮載荷最小化，端板的尺寸和強度也最小化，從而節(jié)約了成本、降低了重量和體積。所需壓縮載荷量的減少還使得端板可以采用更輕和更便宜的材料，例如合適的塑料。實際上，利用本發(fā)明的技術(shù)，已經(jīng)建造和測試了一個與現(xiàn)有技術(shù)燃料電池相比小、輕和便宜得多卻并沒有降低燃料電池每一單位面積的電能輸出水平的燃料電池堆。
盡管本發(fā)明已經(jīng)描述了目前所認(rèn)為的最實際的和最優(yōu)選的實施方案，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于所公開的實施方案，相反本發(fā)明將覆蓋附加的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)所包括的各種變型和等價排列，如法律所允許的，附加權(quán)利要求的范圍應(yīng)與最寬的解釋一致，以包含所有這些變體和等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、在膜的一個面上的催化陽極層、在膜的另一個面上的催化陰極層、以及在每個陰極和陽極層上的氣體分布層，氣體分布層界定了一個延伸到每個催化層的氣流場，其中膜、催化層和分布層形成具有第一和第二相對邊沿的夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于每個氣體分布層都包括一個被分成許多大致平行的段的導(dǎo)電多孔介質(zhì)，其中每個段都從夾層結(jié)構(gòu)的第一個邊沿延伸到第二個邊沿，從而界定出許多遍布每個催化層的大致平行的多孔反應(yīng)物通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中的多孔介質(zhì)包括泡沫介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中的泡沫介質(zhì)包括開室泡沫介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中每個氣體分布層包括片多孔介質(zhì)；每個分布層的各段是通過空間地改變對由相應(yīng)片提供的氣流的阻力來界定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池，其中的空間地改變對氣流的阻力是通過空間地改變相應(yīng)片的孔隙度來實現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池，其中的空間地改變對氣流的阻力是通過空間地改變相應(yīng)片的厚度來實現(xiàn)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池，其中的空間地改變對氣流的阻力是通過空間地改變相應(yīng)片的厚度和孔隙度來實現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中泡沫介質(zhì)包括導(dǎo)電石墨泡沫介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中泡沫介質(zhì)包括導(dǎo)電金屬泡沫介質(zhì)。
10.一種包含許多堆集在一起的燃料電池的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，每個燃料電池包括質(zhì)子交換膜；在膜的一個面上的催化陽極層；在膜的另一個面上的催化陰極層；和靠著每個催化層的一片多孔介質(zhì)，每個片都具有在縱向邊沿對面的入口和出口，對由每個片提供的氣流的阻力沿各片縱向變化將各分成許多從該片的入口邊沿延伸到出口邊沿的大致平行的段，從而界定出許多遍布每個催化層的大致平行的多孔反應(yīng)物通道。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池堆，其中燃料電池堆還包括一個歧管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括位于每個燃料電池的多孔片的每個入口和出口邊沿的歧管帶，其運行時將反應(yīng)氣體傳送到每個燃料電池的每個片的每段的入口端并從每個燃料電池的每個片的每段的出口端接收反應(yīng)氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池堆，其中歧管結(jié)構(gòu)包括位于沿每個燃料電池的每個片的各段的入口端的入口歧管帶和位于沿每個燃料電池的每個片的各段的出口端的出口歧管帶；每個入口歧管帶包括位于各段入口端附近的外沿和內(nèi)沿；每個入口帶接近其外沿的外側(cè)部分界定出許多用來將各種流體，包括反應(yīng)氣體，傳送到各個段的、串聯(lián)排列的垂直入口通道；每個入口帶接近其內(nèi)沿的內(nèi)側(cè)部分界定出一個與各個片的各個段的入口端相通的水平通道；某個入口帶包括在某個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過上述那個入口通道和水平通道將第一反應(yīng)氣體送到各個片的各段的入口端；某個其它入口帶包括位于另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過這個另外的入口通道和水平通道將第二反應(yīng)氣體送到各個片的各段的入口端。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池堆，其中燃料電池堆還包括位于至少某些燃料電池之間的冷卻劑層；一個入口歧管帶位于每個冷卻劑層的一個入口邊沿上，一個出口歧管帶位于每個冷卻劑層的一個出口邊沿上；位于每個冷卻劑層的入口邊沿上的入口歧管帶包括在另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余入口通道和水平通道之間的連通被封鎖，從而通過這個另外的入口通道和水平通道將冷卻液傳送到冷卻層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池堆，其中每個入口帶的每個水平通道被分成許多水平子通道，其中每個子通道與一個相應(yīng)段的入口端對齊并與之連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池堆，其中每個出口歧管帶包括靠近相應(yīng)段的出口端的外邊沿和內(nèi)邊沿；每個出口帶在靠近其外邊沿的外側(cè)部分界定出許多用來從各個段接收各種流體，包括反應(yīng)氣體，的串聯(lián)排列的垂直出口通道；每個出口帶在靠近其內(nèi)邊沿的內(nèi)側(cè)部分界定出與各個片的各段的出口端連通的水平通道；某個出口帶包括位于一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余出口通道和水平通道之間的連通，從而通過水平通道和這個出口通道將第一種反應(yīng)氣體從各個片的各個段的出口端排出。
16.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、在膜的一個面上的催化陽極層、在膜的另一個面上的催化陰極層、以及在每個陰極和陽極層上的氣體分布層，氣體分布層界定了一個延伸到每個催化層的氣流場，其中膜、催化層和分布層形成具有第一和第二相對邊沿的夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于每個氣體分布層都包含導(dǎo)電的泡沫介質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中泡沫介質(zhì)包括開室泡沫介質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中每個氣體分布層含有一片泡沫介質(zhì)；且每個分布層的各段通過空間地改變對由相應(yīng)片提供的氣流的阻力來界定。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池，其中的空間地改變對氣流的阻力是通過空間地改變相應(yīng)片的孔隙度來實現(xiàn)的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池，其中的空間地改變對氣流的阻力是通過空間地改變相應(yīng)片的厚度來實現(xiàn)的。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池，其中氣流阻力的空間地改變是通過空間地改變相應(yīng)片的厚度和孔隙度來實現(xiàn)的。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中泡沫介質(zhì)包括導(dǎo)電石墨泡沫介質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中泡沫介質(zhì)包括導(dǎo)電金屬泡沫介質(zhì)。
24.一種包含許多堆集在一起的燃料電池的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，每個燃料電池包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、在膜的一個面上的催化陽極層、在膜的另一個面上的催化陰極層、相對每個催化層的氣體分布層和歧管結(jié)構(gòu)，其中歧管結(jié)構(gòu)包括沿每個燃料電池的每個氣體分配的入口端的入口歧管帶和沿每個燃料電池的每個氣體分布層的出口端的出口歧管帶；其特征在于每個入口歧管帶包括位于相應(yīng)氣體分布層入口端附近的外沿和內(nèi)沿；每個入口帶接近其外沿的外側(cè)部分界定出許多串聯(lián)排列的垂直入口通道；各入口帶與垂直入口通道對齊堆集排列，界定出許多與串聯(lián)排列的垂直入口通道相應(yīng)的串聯(lián)排列的垂直入口通路；每個入口帶接近其內(nèi)沿的內(nèi)側(cè)部分界定出一個與相應(yīng)氣體分布層的入口沿相通的水平通道；某個入口帶包括在某個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了其它垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過與上述那個入口通道和水平通道相應(yīng)的通路將第一反應(yīng)氣體送到相應(yīng)氣體分布層的入口端；某個其它入口帶包括位于另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了其它垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過與這個另外的入口通道和水平通道相應(yīng)的通路將第二反應(yīng)氣體送到相應(yīng)氣體分布層的入口端。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的燃料電池堆，其中燃料電池堆還包括位于至少某些燃料電池之間的冷卻劑層；一個所述入口歧管帶位于每個冷卻劑層的一個入口沿上，與位于氣體分布層的入口沿上的入口歧管帶成垂直對齊關(guān)系堆集；和位于每個冷卻劑層的入口沿上的入口歧管帶包括在另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了其它入口通道和水平通道之間的連通，從而通過與這個另外的入口通道和水平通道相應(yīng)的通路將冷卻液輸送到冷卻層。
26.一種包含許多堆集在一起的燃料電池的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，每個燃料電池包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜；在膜的一個面上的催化陽極層；在膜的另一個面上的催化陰極層；和靠著每個催化層的對泡沫材料片，其中每個片具有與縱沿相對的入口和出口，對由每個片提供的氣流的阻力沿各片縱向變化將各片分成許多從其入口沿延伸到出口沿的大致平行的段，從而界定出許多遍布每個催化層的大致平行的多孔反應(yīng)物通道；歧管結(jié)構(gòu)包括位于沿每個燃料電池的每個片的各段的入口端的入口歧管帶和位于沿每個燃料電池的每個片的各段的出口端的出口歧管帶；每個入口歧管帶包括位于各段入口端附近的外沿和內(nèi)沿；每個入口帶接近其外沿的外側(cè)部分界定出許多用來將各種流體，包括反應(yīng)氣體，傳送到各個段的串聯(lián)排列的垂直入口通道；每個入口帶接近其內(nèi)沿的內(nèi)側(cè)部分界定出一個與各個片的各個段的入口端相通的水平通道；某個入口帶包括在某個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過上述那個入口通道和水平通道將第一反應(yīng)氣體送到各個片的各段的入口端；某個其它入口帶包括位于另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了剩余垂直入口通道和水平通道之間的連通，從而通過這個另外的入口通道和水平通道將第二反應(yīng)氣體送到各個片的各段的入口端。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的燃料電池堆，其中燃料電池堆還包括位于至少某些燃料電池之間的冷卻劑層；一個所述入口歧管帶位于每個冷卻劑層的一個入口沿上，與位于氣體分布層的入口沿上的入口歧管帶成垂直對齊關(guān)系堆集；位于每個冷卻劑層的入口沿上的入口歧管帶包括在另一個垂直入口通道和水平通道之間的連通裝置，同時封鎖了其它入口通道和水平通道之間的連通，從而通過與這個另外的入口通道和水平通道相應(yīng)的通路將冷卻液輸送到冷卻層。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池，－包括質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、在膜的一個面上的催化陽極層、在膜的另一個面上的催化陰極層、以及在每個陰極和陽極層上的氣體分布層，其中氣體分布層界定了一個延伸到每個催化部件的氣流場。每個氣體分布層包括一層開室導(dǎo)電泡沫材料，這層開室導(dǎo)電泡沫材料被分成許多從燃料電池的一個沿延伸至燃料電池的相對沿的大致平行的段，從而界定出許多遍布每個催化層的大致平行的多孔反應(yīng)物通路。段可以通過有選擇性地改變泡沫材料的孔隙度或有選擇性地改變泡沫材料的厚度來界定。反應(yīng)氣體通過歧管結(jié)構(gòu)傳送到泡沫氣體分布層，其中反應(yīng)氣體沿燃料電池一個沿在平行的通道中向上移動，通過選擇性的封鎖和分割結(jié)構(gòu)有選擇性地分布在堆內(nèi)希望的陰極或陽極層。利用陽極和陰極層中所使用的分段泡沫結(jié)構(gòu)還可以提供冷卻劑層。所得燃料電池與現(xiàn)有技術(shù)電池相比更輕、更小、更便宜，但每表面積單元電能輸出與之相當(dāng)。
文檔編號B60L11/18GK1625815SQ02828842
公開日2005年6月8日 申請日期2002年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者G·W·弗利, B·K·布拉迪 申請人:通用汽車公司