專利名稱：燃料電池氣體分配的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及用于例如在固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中的陽極和/或陰極板的活性表面的流體傳送方法和裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化物轉(zhuǎn)化為電能和反應(yīng)產(chǎn)物。圖1示出傳統(tǒng)燃料電池10的典型結(jié)構(gòu)，圖中為清楚起見，以分解的形式示出了各層。固體聚合物離子交換膜11夾在陽極12和陰極13之間。通常，陽極12和陰極13都由結(jié)合有鉑和/或其它貴金屬催化劑的小顆粒、如多孔碳之類的導(dǎo)電、多孔材料構(gòu)成。陽極12和陰極13通常直接結(jié)合到膜11的各相鄰表面。這種組合部分通常稱為膜電極組件或MEA。
夾于聚合物膜和多孔電極層中間的是陽極流體流場(chǎng)板(flow field plate)14和陰極流體流場(chǎng)板15。還可以在陽極流體流場(chǎng)板14和陽極12之間以及類似地在陰極流體流場(chǎng)板15和陰極13之間使用中間墊層(backing layer)12a和13a。這些墊層具有多孔性并被制成為可確保氣體有效擴(kuò)散到陽極和陰極表面及從陽極和陰極表面擴(kuò)散，并有助于處理水蒸汽和液態(tài)水。
流體流場(chǎng)板14、15由可以和各陽極12或陰極13電接觸的導(dǎo)電、非多孔材料構(gòu)成。同時(shí)流體流場(chǎng)板有助于流體燃料、氧化劑和/或反應(yīng)產(chǎn)物傳送到多孔電極12、13和/或從所述多孔電極排出。這通常受到在流體流場(chǎng)板表面形成流體流動(dòng)通路如存在于多孔電極12、13的表面中的凹槽或通道16的影響。
還參考圖2(a)，流體流動(dòng)通道的一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成具有入口總管21和出口總管22的陽極14(或陰極15)的面中的蜿蜒結(jié)構(gòu)20，如圖2(a)所示。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以理解的是，蜿蜒結(jié)構(gòu)20包括在板14(或15)的表面中的通道16，同時(shí)總管21和22都包括穿過該板的孔，因而傳送到通道20或者從通道20排出的流體可以沿垂直于板的方向在板的堆疊體(stack)的整個(gè)深度上連通，如圖2(b)中沿A-A線剖切的橫截面中的箭頭所示。
可以設(shè)置與板中其它通道(未示出)連通的用于燃料、氧化劑、其它流體或排出物的總管孔23、25。
流體流場(chǎng)板14、15中的通道16的各種結(jié)構(gòu)是已知的。一種結(jié)構(gòu)為圖2所示的端部開口的蜿蜒圖形，其中在入口總管21和出口總管22之間延伸的通道可使流體連續(xù)流過，通常用于組合的氧化劑供應(yīng)和反應(yīng)物排出。在另一種結(jié)構(gòu)中，通道16可以一端封閉，即每條通道只和入口總管21連通以供應(yīng)流體，完全依賴于將氣體物質(zhì)100％的傳送到MEA的多孔電極或從MEA的多孔電極流出。封閉的通道通?？梢杂糜谠谑釥罱Y(jié)構(gòu)中將氫燃料傳送給MEA11-13。
參考圖3，在傳統(tǒng)燃料電池組件30中構(gòu)成板的堆疊體。在這種設(shè)置中，相鄰的陽極和陰極流體流場(chǎng)板以傳統(tǒng)的方式組合，以形成在一個(gè)面上具有陽極通道32在相對(duì)面上具有陰極通道33的單一雙極板31，每一雙極板相鄰于各膜電極組件(MEA)34。入口總管孔21和出口總管孔全部重疊，從而為整個(gè)堆疊體提供入口和出口總管。為清楚起見，略微分開地示出堆疊體的各種元件，但是可以理解，如果需要可用密封墊圈將它們擠壓在一起。
在流體流場(chǎng)板中形成流體流動(dòng)通道或管道16對(duì)工序的要求很嚴(yán)格，通常用化學(xué)蝕刻工藝或其它高精確度的工藝來實(shí)現(xiàn)，以對(duì)通道16的深度、寬度和圖形進(jìn)行精確控制，同時(shí)形成盡可能薄的流體流場(chǎng)板。在化學(xué)蝕刻工藝中導(dǎo)致流體流動(dòng)板的深度、寬度和圖形變化的任何不一致都可能嚴(yán)重影響流入MEA和從MEA流出的流體。
例如，在板和板之間，入口21和出口22之間的壓降可能明顯不同，因而使燃料電池組件內(nèi)的電池和電池之間也不同。性能不好的電池可能導(dǎo)致在電池工作期間更頻繁的陽極清潔操作(purging operations)，或者可能需要耗時(shí)且昂貴的特殊電池校準(zhǔn)技術(shù)。性能不好的電池限制了燃料電池堆的整體性能，通常燃料電池堆的整體性在很大程度上受最差電池的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使與流體流場(chǎng)板中形成流體流動(dòng)通道有關(guān)的問題和/或由于電池與電池之間這種流體流動(dòng)通道的性能變化引起的問題最少。
本發(fā)明另一目的是在不嚴(yán)重危及功率輸出的情況下通過減小陽極電場(chǎng)板(anode field plate)厚度來提高燃料電池堆的功率密度因數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池，包括具有陽極電極面的膜電極組件；與所述膜電極組件電極面相鄰并通過密封墊圈與之連接的陽極板；密封墊圈、電極面和陽極板一起限定出將陽極流體傳送到電極面的流體容納體積；及位于流體容納體積中的多孔擴(kuò)散材料片，該擴(kuò)散材料片具有限定在該擴(kuò)散材料片的至少一個(gè)側(cè)邊緣(lateral edge)和密封墊圈之間的至少一個(gè)壓力空間。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池，包括具有陽極電極面的膜電極組件；與所述膜電極組件電極面相鄰并通過密封墊圈與之連接的陰極板；密封墊圈、電極面和陰極板一起限定出將陰極流體傳送到電極面和/或從電極面排出陰極流體的流體容納體積；和位于流體容納體積中的多孔擴(kuò)散材料片，該擴(kuò)散材料片具有限定在該擴(kuò)散材料片的至少一個(gè)側(cè)邊緣和密封墊圈之間的至少一個(gè)壓力空間。


現(xiàn)在將通過實(shí)例并參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方式。附圖中圖1的橫截面圖示意地示出了傳統(tǒng)燃料電池的一部分；圖2(a)和2(b)分別為圖1所示的燃料電池的流體流場(chǎng)板的簡(jiǎn)化平面圖和截面圖；圖3為具有雙極板的傳統(tǒng)燃料電池堆的橫截面圖；圖4a為具有相對(duì)于密封墊圈以及流體進(jìn)入口和排出口設(shè)置的擴(kuò)散材料片的陽極結(jié)構(gòu)的平面圖，圖4b為沿線A-A剖切的相應(yīng)截面圖；圖5為圖4所示的陽極結(jié)構(gòu)的平面圖，它們分別示出了正常工作(圖5a)和陽極清潔(圖5b)期間的氣流情況；圖6示出了限定于擴(kuò)散材料片側(cè)邊緣和周邊密封墊圈之間的壓力空間的一些可供選擇的圖形；圖7示出了包括共享共用陽極板的多個(gè)共面半電池的陽極結(jié)構(gòu)；圖8示出了限定于擴(kuò)散材料片側(cè)邊緣和周邊密封墊圈之間的壓力空間的可供選擇的圖形。
具體實(shí)施例方式
上面已經(jīng)結(jié)合圖1到3討論了面中加入流體流動(dòng)通道的陽極和陰極流體流動(dòng)板(flow plate)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些流體流動(dòng)通道通常延伸并被用于這些板表面的整個(gè)重要部分上，從而確保充分地向MEA的活性表面?zhèn)魉完枠O和陰極流體。同樣如圖1所示，在傳統(tǒng)燃料電池中加入多孔擴(kuò)散材料12a、13a，以有助于從通道16傳送到MEA11，使得基本上呈交叉平面(cross-plane)擴(kuò)散(即垂直于或橫穿擴(kuò)散體的平面)和少量面內(nèi)(in-plane)擴(kuò)散(即平行于擴(kuò)散體平面)，從而使得陽極流體可以從每一單獨(dú)的通道16擴(kuò)散出去。這樣，可以順暢地實(shí)現(xiàn)進(jìn)出MEA的整個(gè)陽極活性表面的陽極流體的傳送和進(jìn)出MEA的整個(gè)陰極活性表面的陰極流體的傳送。
本發(fā)明認(rèn)為可以配合入口和出口之間的壓力差來使用一定形式的多孔擴(kuò)散材料以確保在擴(kuò)散體內(nèi)部的充分的面內(nèi)流體傳送，即在陽極板內(nèi)不使用流體流動(dòng)通道的情況下，流體可以傳送到膜的整個(gè)表面。
參考圖4，用密封墊圈41圍繞膜電極組件40的陽極面的周邊覆蓋該膜電極組件的陽極面。密封墊圈41包括在MEA40的陽極面周邊處圍繞流體進(jìn)入口44和流體排出口45的兩個(gè)凹陷部分42、43。導(dǎo)電陽極板46覆蓋密封墊圈(在圖4b中用虛線示出，并為了清楚而略微分開，但在圖4a中將其略去，以揭示下面的結(jié)構(gòu))。
MEA40的陽極面、密封墊圈41和陽極板46一起限定在流體進(jìn)入口44和流體排出口45之間的流體容納體積47。借助于陽極板46和密封墊圈41的非滲透性和MEA有限的滲透性(即基本上僅允許離子流動(dòng))一起可獲得流體容納體積。在流體容納體積47中放置擴(kuò)散材料片48。擴(kuò)散材料片被切割為形成限定出片48的側(cè)邊緣51、52和密封墊圈41之間的一或多個(gè)壓力空間49、50的形狀。更明確地說，在圖4所示的實(shí)施方式中，第一壓力空間49構(gòu)成入口壓力空間，該入口壓力空間圍繞擴(kuò)散材料片48的周邊側(cè)邊緣51的大部分(即三側(cè)的大部分)延伸。第二壓力空間50構(gòu)成出口壓力空間，該出口壓力空間圍繞擴(kuò)散材料片48的周邊側(cè)邊緣52的少部分延伸。
陽極板46在其面對(duì)電極40和擴(kuò)散片48的表面52中沒有任何凹槽或通道16，因?yàn)橥耆梢酝ㄟ^壓力空間49、50和擴(kuò)散材料48本身來實(shí)現(xiàn)流體傳送。圖5更詳細(xì)地對(duì)此作出了圖示。
圖5a示出了燃料電池正常工作期間流體的流動(dòng)圖形。在來自進(jìn)入口44的壓力下到達(dá)的入口流體沿入口壓力空間49分配，并如箭頭所示，進(jìn)入多孔擴(kuò)散片48的主體(和下面的MEA40)。在正常工作模式下，因?yàn)槌隹趬毫臻g50的主要功能是將流體燃料傳送到MEA40的陽極面的活性表面，其不需要獲取一部分流體(盡管它可以獲取一部分)。優(yōu)選的是，使足夠的燃料供到MEA40的陽極面的所有活性部分，致使在不引起局部熱點(diǎn)(hotspots)的情況下維持從電池傳送所需的電池能量。但是，這并不排除在燃料電池正常工作期間可能將比例相當(dāng)小的燃料或某些副產(chǎn)物清除到出口壓力空間50并因而清除到排出口45。
圖5b示出在燃料電池清潔操作期間流體的流動(dòng)圖形。在來自進(jìn)入口44的壓力下到達(dá)的入口流體沿入口壓力空間49分配，如箭頭所示，經(jīng)過多孔擴(kuò)散片48的主體(和下面的電極40)到達(dá)出口壓力空間50并因而到達(dá)排出口45。熟悉燃料電池工作的人員可以理解，作為系統(tǒng)處理方案的一部分，在燃料電池性能下降時(shí)(例如由于電極中水的積聚)，常常將燃料電池切換到清潔模式。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散片48的側(cè)邊緣和墊圈41的未形成壓力空間的邊緣之間形成的“局部密封”53足以防止流體直接圍繞擴(kuò)散材料從入口壓力空間49大量泄漏到出口壓力空間50。作為優(yōu)選方案，可通過在擴(kuò)散片48的邊緣和墊圈41的相應(yīng)邊緣之間緊密配合(close fit)或靜配合(interference fit)來實(shí)現(xiàn)“局部密封”。在堆疊體組裝期間使擴(kuò)散材料少許擠壓有助于這種局部密封的形成。
但是，圖4和5中所示出的擴(kuò)散片48和密封墊圈41的結(jié)構(gòu)只是一種選擇方案。圖6以透視“分解”圖(左側(cè)的那些圖)和平面圖(右側(cè)的那些圖)的方式示出了實(shí)現(xiàn)類似目的的其它一些可能的配置。
為了比較，圖6a示出了圖4的圖形。圖6b示出的是入口壓力空間61和出口壓力空間62的類似圖形，但在此配置中，將密封墊圈41成形為產(chǎn)生壓力空間61、62，而不是將擴(kuò)散片48成形為產(chǎn)生這些壓力空間。與其使用不規(guī)則形狀的擴(kuò)散材料片，不如使用這種更有利的矩形或方形擴(kuò)散材料片。
圖6c示出了入口壓力空間63和出口壓力空間64的對(duì)稱配置，同樣基于成形密封墊圈41而不成形擴(kuò)散片48的考慮，可使用矩形或方形的擴(kuò)散片。在這種結(jié)構(gòu)中，使入口壓力空間63和出口壓力空間64平衡，具有基本上相同的長(zhǎng)度，并且流過擴(kuò)散體介質(zhì)的面內(nèi)流體通常從一端到另一端。
圖6d示出類似于圖6b的配置，但是入口(較大的)壓力空間65僅僅沿?cái)U(kuò)散片48的兩個(gè)側(cè)邊緣延伸，并且出口壓力空間66略大于圖6b所示的出口壓力空間。在這種配置中，面內(nèi)流體流動(dòng)更斜一些也更均勻。
圖6e示出的配置中不需要單獨(dú)的出口壓力空間。整個(gè)擴(kuò)散片48周圍僅設(shè)置單一的圓周或周邊壓力空間67。壓力空間67的清潔仍然可以使用排出口45。通過向外擴(kuò)散進(jìn)入壓力空間67而不是通過橫過擴(kuò)散體的大的壓差的強(qiáng)制擴(kuò)散，可能擴(kuò)散體48和電極40達(dá)到清潔的范圍較小。這種配置具體應(yīng)用于陽極不需要經(jīng)常清潔的情況。
于是，應(yīng)理解的是，在一般情況下，多孔擴(kuò)散材料片可以具有在其周邊包括凹陷部分的不規(guī)則(非矩形)形狀，借此形成至少一個(gè)壓力空間。也可選擇多孔擴(kuò)散材料片具有矩形的周邊，而密封墊圈具有在其內(nèi)部周邊包括凹陷部分的不規(guī)則(非矩形)形狀，以形成至少一個(gè)壓力空間。
在圖7示出的配置中，利用單一的共用陽極板(未示出)和單一共用電極70形成共面燃料電池。在這種配置中，密封墊圈71被設(shè)置為形成三個(gè)單獨(dú)的流體容納體積72、73、74，每一流體容納體積72、73、74具有它自己相應(yīng)的擴(kuò)散材料片75、76、77。如結(jié)合圖6所討論的那樣，可以改變用于限定壓力空間的擴(kuò)散片和密封墊圈的結(jié)構(gòu)。
這種配置將燃料電池堆中的每個(gè)陽極半電池劃分為分開的流體供給和清潔區(qū)域，這可使流過大面積陽極的氣體的均勻性程度更高。明確地說，通過以這種方式限制擴(kuò)散片75、76、77的面積，使任何對(duì)入口和出口壓力空間之間的電極面上的流體擴(kuò)散速度限制的影響最小。
在圖8所示的配置中，不僅可將壓力空間80限定于擴(kuò)散片48的側(cè)邊緣81之間、而且也可通過切割出穿過擴(kuò)散片的主體并延伸到擴(kuò)散片的中心區(qū)域的狹縫82的方式來限定。圖8還示出了可以采用兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)入口83、84和/或兩個(gè)或多個(gè)排出口85、86的情況。
在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，將MEA40制成為夾在任何一側(cè)、分別形成陽極面和陰極面的電極層之間的薄聚合物層。MEA的這些面優(yōu)選包括被周邊區(qū)域(或“框架”)圍繞的中心“活性”區(qū)域，可加強(qiáng)這種周邊區(qū)域以便在破壞MEA結(jié)構(gòu)的完整性的風(fēng)險(xiǎn)減小的前提下形成進(jìn)入口和排出口(例如圖4所示的口44、45)和其它總管。在這種加強(qiáng)的周邊區(qū)域中，MEA可以比電極的薄活性區(qū)域更有效地應(yīng)對(duì)各種張力和力。
在使用加強(qiáng)的MEA之處，優(yōu)選周邊壓力空間(例如圖6a至6e所示的49、50和61至67)位于覆蓋MEA的加強(qiáng)的周邊區(qū)域，以有助于避免在組裝燃料電池堆期間擠壓燃料電池時(shí)由于MEA中心活性區(qū)域沒有支撐而在MEA中發(fā)生結(jié)構(gòu)破損的任何危險(xiǎn)。MEA的加強(qiáng)的周邊區(qū)域的結(jié)構(gòu)不受與膜電極組件的活性區(qū)域相同范圍的水含量的影響。否則，MEA的活性區(qū)域在濕潤(rùn)時(shí)可能脹大和部分阻塞壓力空間，或者如果由于所供給的氫而變干則產(chǎn)生弱結(jié)構(gòu)點(diǎn)(weak structural point)。
上面描述的所有配置都已經(jīng)通過參考燃料電池的陽極側(cè)(即陽極半電池)進(jìn)行了圖示說明。當(dāng)然，可以理解的是，相應(yīng)的陰極半電池可以利用結(jié)合圖4到6描述的類似的半電池結(jié)構(gòu)，或者可以使用其它傳統(tǒng)類型的半電池結(jié)構(gòu)，例如使用具有流體分配通道的流體流動(dòng)板。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，陰極半電池包括傳統(tǒng)的“開頂陰極(opencathode)”結(jié)構(gòu)，其中陰極通向大氣，以用于氧供應(yīng)及副產(chǎn)物排氣和電池冷卻兩者。優(yōu)選對(duì)陰極進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)(例如通過風(fēng)扇)，以便傳送氧和冷卻空氣以及用于排出水蒸汽副產(chǎn)物。
與流體流動(dòng)板14(圖1)相比，省去陽極板40中的通道或凹槽16可大大減小陽極板的厚度。在一種設(shè)計(jì)中，每個(gè)陽極板的厚度從0.85mm減小到只有0.25mm，結(jié)果可大大提高燃料電池堆的能量密度。在堆疊體中每一陽極板的厚度的減小將導(dǎo)致燃料電池堆的重量和體積兩者大大減小。
人們還發(fā)現(xiàn)，陽極板14中沒有通道16可減小板14和電極12之間不直接電接觸的板的面積。換句話說，在陽極板和擴(kuò)散材料之間的接觸區(qū)域幾乎為100％。在現(xiàn)有的電極中，在陽極板和電極之間電接觸的任何中斷都將局部增加通道之間的電流密度。
本發(fā)明可以避免通道16的非接觸區(qū)域，因此，由于通常在電極區(qū)域上的電流密度減小而減小歐姆損耗。
不需要在陽極板14中形成通道16還可簡(jiǎn)化制造過程。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，切割成形密封墊圈41和/或擴(kuò)散片48比在陽極板14中蝕刻或沖壓通道16容易得多。
在優(yōu)選的配置中，燃料電池是氫燃料電池，其中陽極流體燃料是氣體氫，陰極流體是空氣，副產(chǎn)物排出物是水蒸汽和貧化氧的空氣。入口流體還可以包括其它氣體{例如用于穩(wěn)定(ballast)、清潔或膜的水合作用}。還發(fā)現(xiàn)使用沒有通道并依賴于經(jīng)由壓力空間49、50的氣體分配和擴(kuò)散材料內(nèi)部的面內(nèi)擴(kuò)散的陽極板40對(duì)于將氫氣傳送到電極的催化劑部位是最有效的?？衫脷涞母邤U(kuò)散速度和在催化劑部位氫氧化反應(yīng)的低過電位。
為了確保順暢地向陽極電極的整個(gè)活性表面供應(yīng)流體燃料，與陽極電極40內(nèi)部(和其上的任何墊層12a)相對(duì)較低的擴(kuò)散速度相比通過擴(kuò)散片48的陽極氣體具有較高的擴(kuò)散率是有益的。
若在進(jìn)入口44和排出口45之間維持大的壓差從而獲得強(qiáng)制擴(kuò)散時(shí)，陽極結(jié)構(gòu)工作最好。這也表明可減少清潔時(shí)間。
優(yōu)選擴(kuò)散材料具有軸向相依滲透性(axially-dependent permeability)。換句話說，在一個(gè)面內(nèi)方向上的氣體傳送速度可能與另一面內(nèi)方向的氣體傳送速度不同。在這種情況下，可有利地使擴(kuò)散片取向?yàn)槭沟迷趬毫臻g之間或從入口壓力空間到擴(kuò)散片中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最有效和最均勻的氣體傳送。擴(kuò)散材料可以具有提供這種軸向相依性的纖維制品(例如織物墊)的取向，并且可優(yōu)選使纖維制品取向?yàn)椤皺M過電池(across-the-cell)”的方向，以有助于將氫傳送給半電池的中心。此外，在擴(kuò)散材料的面內(nèi)擴(kuò)散速度大于交叉平面的擴(kuò)散速度時(shí)，可以提高傳送到電池的氣體的均勻性。
為了確保最佳的橫過擴(kuò)散材料的擴(kuò)散速度，在組裝燃料電池期間，即將所有堆疊體板擠壓在一起形成燃料電池組件時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重壓碎或擠壓的現(xiàn)象。為此，優(yōu)選將密封墊圈41的材料選擇為比擴(kuò)散體48的材料更硬(更不可擠壓)。
用作擴(kuò)散片48的合適的材料是由Toray制造的氣體擴(kuò)散介質(zhì)TGP-H等級(jí)的碳纖維紙。
在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，密封墊圈41的厚度在100到400微米的范圍內(nèi)，擴(kuò)散片48的厚度在150到500微米的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，密封墊圈的厚度為225微米，擴(kuò)散片的厚度為300微米。
如上所述利用周邊壓力空間和擴(kuò)散材料的陽極氣體擴(kuò)散還可以具有對(duì)電極上水進(jìn)行處理的優(yōu)點(diǎn)。水的積聚引起電極浸水(flooding)。在利用板中的通道的傳統(tǒng)流體流動(dòng)板的設(shè)計(jì)中，在浸水期間，水淤積于其冷卻的電極活性區(qū)域的邊緣。在該活性區(qū)域的邊緣很少或者沒有電流產(chǎn)生，因而不產(chǎn)生熱量，且水保持靜止直到進(jìn)行清潔為止。
反之，在本發(fā)明中，水朝活性區(qū)域的中心區(qū)淤積。這可維持MEA的水合作用，但也有減少浸水區(qū)域中的電流的效果。在水沒有淤積的鄰近活性區(qū)域內(nèi)，電流較高，更快地消耗氫，因而形成更低壓力的區(qū)域。由于壓力梯度，氫和水都傾向于移到這個(gè)更低壓力的區(qū)域，借此可減少局部浸水。
其它實(shí)施方式亦落入所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括具有陽極電極面的膜電極組件；與所述膜電極組件電極面相鄰并通過密封墊圈與之連接的陽極板；所述密封墊圈、電極面和陽極板一起限定出將陽極流體傳送到電極面的流體容納體積；及位于所述流體容納體積中的多孔擴(kuò)散材料片，該多孔擴(kuò)散材料片具有限定在該擴(kuò)散材料片的至少一個(gè)側(cè)邊緣和所述密封墊圈之間的至少一個(gè)壓力空間。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述壓力空間被限定于所述擴(kuò)散材料片整個(gè)一個(gè)側(cè)邊緣和密封墊圈之間。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述壓力空間被限定于所述擴(kuò)散材料片的多于一個(gè)的側(cè)邊緣和所述密封墊圈之間。
4.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述壓力空間還包括延伸到所述擴(kuò)散材料片的主體內(nèi)的狹縫。
5.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述壓力空間是圍繞所述擴(kuò)散材料片整個(gè)側(cè)邊緣延伸的周邊壓力空間。
6.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，所述壓力空間是與所述燃料電池的周邊邊緣處的流體進(jìn)入口連通的第一壓力空間；還包括限定于所述擴(kuò)散材料片的至少一個(gè)側(cè)邊緣和所述密封墊圈之間的第二壓力空間，該第二壓力空間與所述燃料電池的周邊邊緣處的排出口連通，其中，所述第二壓力空間由所述擴(kuò)散材料與所述第一壓力空間隔開。
7.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述陽極板具有形成于所述電極面上的基本平滑的表面。
8.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述陽極板在其形成于所述電極面的表面中不形成流體分配通道。
9.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述擴(kuò)散材料片包括碳纖維墊。
10.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述擴(kuò)散材料片具有軸向相依滲透性。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中，所述擴(kuò)散材料被取向?yàn)槭棺罡邼B透性的方向被設(shè)置為有助于從所述壓力空間傳送到所述片的中心的氣體最多。
12.如從屬于權(quán)利要求6時(shí)的權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中，所述擴(kuò)散材料被取向?yàn)槭棺罡邼B透性的方向被設(shè)置為有助于從所述第一壓力空間傳送到所述第二壓力空間的氣體最多。
13.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，形成為多個(gè)共面電池的整體組件，所述多個(gè)共面電池共享共用的陽極板，但限定出多個(gè)獨(dú)立的共面流體容納體積，每一流體容納體積具有各自的擴(kuò)散材料片。
14.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，所述多孔擴(kuò)散材料片具有在所述周邊包括凹陷部分的不規(guī)則形狀，借此形成所述至少一個(gè)壓力空間。
15.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，所述多孔擴(kuò)散材料片具有矩形周邊，所述密封墊圈具有其內(nèi)部周邊包括凹陷部分的不規(guī)則形狀，借此形成所述至少一個(gè)壓力空間。
16.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池，其中，包括與所述膜電極組件電極面的陰極電極面相鄰的陰極板。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池，其中，所述陰極電極由開頂陰極結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
18.結(jié)合如權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的燃料電池的燃料電池堆。
19.一種燃料電池，包括具有陽極電極面的膜電極組件；與所述膜電極組件電極面相鄰并通過密封墊圈與之連接的陰極板；所述密封墊圈、電極面和陰極板一起限定出將陰極流體傳送到所述電極面和/或從所述電極面排出陰極流體的流體容納體積；及位于所述流體容納體積中的多孔擴(kuò)散材料片，該多孔擴(kuò)散材料片具有限定于該擴(kuò)散材料片的至少一個(gè)側(cè)邊緣和所述密封墊圈之間的至少一個(gè)壓力空間。
20.基本上如這里參考附圖所述的燃料電池。
全文摘要
一種燃料電池，包括具有陽極電極面的膜電極組件；與膜電極組件電極面相鄰并通過密封墊圈與之連接的陽極板。密封墊圈、電極面和陽極板一起限定出將陽極流體傳送到電極面的流體容納體積。流體容納體積中設(shè)有多孔擴(kuò)散材料片，該擴(kuò)散材料片具有限定于其的至少一個(gè)側(cè)邊緣和密封墊圈之間的至少一個(gè)壓力空間。用于傳送給膜電極組件的活性表面的流體可以通過壓力空間和通過在擴(kuò)散材料中擴(kuò)散到陽極板中不需要流體流動(dòng)通道的區(qū)域來傳送。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1998102SQ200580018809
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者保羅·A·本森 申請(qǐng)人:智慧能量有限公司