專利名稱：用于電化學燃料電池的流場板的制作方法
技術領域：
本發明涉及電化學燃料電池，特別涉及用于流場板的流場通道特性。
背景技術：
燃料電池將燃料和氧化劑轉換為電能和反應產物。質子交換膜燃料電池應用膜電極組件(“MEA”)，該膜電極組件具有被插入在陽電極和陰電極之間的質子交換膜(“PEM”)(也稱為離子交換膜)。陽極典型地包括電化學催化劑和離聚物，或者電催化劑、離聚物以 及粘合劑的混合物。離聚物在電催化劑層中的存在有效地增加了電催化劑的電化學活性表面積，上述電催化劑需要連接陰極電催化劑的離子導電通道以產生電流。該陰電極可相似地包括電催化劑和粘合劑和/或離聚物。典型地，陽極和陰極中所用的電催化劑為鉬或鉬合金。每一個電極可進一步包括微孔的，導電的基板，例如碳纖維紙或碳布，該基板為所述膜提供結構支撐并作為氣體擴散層(GDL)。陽電極和陰電極可被結合或密封于PEM以形成單一體的MEA單元。該膜電極組件被典型地插入到兩個導電流場板或隔板之間。在工作期間，這些流場板作為集流體，為電極提供支撐，并提供供應例如燃料和氧化劑的反應物以及去除過量的反應物和所產生的例如水的產物的流場。在一些情況下，通過將被稱為陽極流場板和陰極流場板的兩個流場板結合在一起形成了雙極流場板，使得陽極流場板形成在雙極流場板的一個表面上，陰極流場板形成在雙極流場板的相反的另一個表面上，并且制冷劑流場被形成在該陽極流場板和陰極流場板之間。在其它的情況下，雙極流場板可以為在其一個表面上具有陽極板而在另一個表面上具有陰極板的單個板。流場典型地包括其間形成了流場通道并在被組裝到燃料電池中時接觸MEA的電極的多個臺面(landing)。圖1_4(現有技術)共同地說明了傳統MEA5的典型設計，電極1，3之間夾有質子交換膜2(圖I);包括在流場板11，12 (圖2)之間的MEA5的電化學電池10(圖3);電化學電池10的堆50(圖3)；在端板17，18之間被壓制的堆50 (圖4)。圖1-4的每一個也描述了在工作期間用于向燃料電池輸送反應物和從燃料電池去除產物的閥組30。在燃料電池工作期間，主要負載從該燃料電池上抽取。在陽電極上，燃料(典型地以氫氣的形式)在PEM的存在下在陽極電催化劑上反應以形成氫離子和電子。在陰電極上，氧化劑(典型地為空氣中的氧氣)在陰極催化劑的存在下與穿過PEM的氫離子反應以形成水。該PEM在方便了從陽極到陰極的氫離子的遷移的同時，也用于將燃料流與氧化劑流隔離。電子流過外部電路創建了維持主負載的電流。在實際中，燃料電池需要耐受改變工作狀態，特別是液體水在流場通道中積累的條件。當存在液體水時，在燃料電池堆中的一些燃料電池可顯示比燃料電池堆中其它的燃料電池顯著高的流動電阻(例如對給定的壓力降流過流通道較少氣體)。結果，較低的流動阻力燃料電池將經歷比較高流動阻力燃料電池更多的氣體流，導致了該較高流動阻力燃料電池變的缺乏反應物并導致它們的電壓的下降。由于在流通道中液體水的存在，該低流動阻力可能在不同電池之間不同并可在整個時間內隨機地發生，導致了電壓和/或壓力的不穩定。許多技術被采用以去除流通道中的液體水或防止液體水的生成。在一個例子中，該燃料電池堆可在更高的溫度下工作以減小或阻止液體水的形成。然而，由于元件的退化，例如質子交換膜和密封材料的退化，以及碳質元件的侵蝕，典型地限制了最大工作溫度。在其它的例子中，流通道可被設計為對于給定的流速表現出更高的壓力降和/或反應物能被以更高的流速供應(例如周期性地吹掃)使得液體水能被更容易的去除。然而，這些技術需要相對貴的燃料電池系統設計，更耐用的MEA元件，和/或增加的系統寄生損耗。由于調節工作狀態以去除液體水的缺點，因此建議調整流通道特性使得水依靠毛 細作用從電極帶走。例如，美國專利No. 6649297公開了一種用于燃料電池的雙極板，其包括在其至少一面上，能夠形成具有鄰近的電極的表面的氣體分散通道的溝道，其中，該氣體分散通道具有一定形狀或幾何圖形，使得在該通道中的兩階段流動的液體可以從電極的界面去除。在一個優選的幾何圖形中，該通道具有等腰梯形的橫截面，該等腰梯形的邊(除了底)是相等的并且它的小底由電極的表面限定。換句話說并如圖5 (現有技術)中所示，電極附近的兩個角(角Φ)都具有比兩個相對的角(角β)大的角度值。然而，這樣一個分散通道幾何圖形難以使用低成本板模鑄，模壓或機械加工大批量地制造。在另一個例子中，美國專利No. 7087337描述了用于燃料電池的組件，包括導電的液體分散單元，該單元具有配置在其上的流場，其中該流場包括用于承載燃料電池氣態反應物的多個通道。該組件還包括配置在所述單元的表面上的導電體以作為氣體擴散媒介。如圖6中(現有技術)所示，所述單元的通道包括形成在不同方向上的多個側壁出1，62)，并且該些側壁的方向形成了通道的截面的幾何圖形，使得在導電液體分布單元和導電體的界面上以及在該通道的底部上形成了水收集區域。當通道使用傾斜的側壁幾何圖形時，水被引入該通道的最尖的拐角處。然而，該氣體擴散層是典型地憎水的，這使得它們形成不良的而形成銳角來聚集水。此外，因為水聚集在通道的底部，因此該通道的深度需是淺的，這受到可制造性所限制并限制了該流通道尺寸和設計靈活性。相應地，仍然需要改進技術以去除燃料電池中的液體水。本發明即著眼于該需要并提供進一步的相關優勢。
發明內容
簡要概述一種用于電化學燃料電池的流場板，包括第一流場；相對的第二流場；以及形成在所述第一流場上的至少一個流通道；該至少一個流通道包括由一個開放式頂和相對該頂具有深度(Df)的底表面所隔開的第一側邊和相對的第二側邊；第一側邊通道形成于沿著該至少一個流通道的連續長度延伸的該開放式頂的一部分和該第一側邊的一部分中，該第一側邊通道包括第一側壁和相對該第一側邊通道的開放式頂具有深度(Ds)的第一底壁；其中該第一側邊通道的第一側壁和該第一側邊通道的第一底壁在截面上相對于該至少一個流通道形成了鈍角；該至少一個流通道的底表面的深度(Df)大于該第一側邊通道的第一底壁的深度(Ds)。在進一步地實施例中，一種燃料電池包括膜電極組件和流場板以及至少一個流通道；所述膜電極組件包括陽極、陰極和插入在它們之間的質子交換膜；所述流場板包括第一流場、相對的第二流場；所述至少一個流通道形成在第一流場中，該至少一個流通道包括被開放式的頂和相對所述頂具有深度(Df)的底表面所分隔開的第一側邊和相對的第二側邊；以及，第一側邊通道形成于所述開放式頂的一部分和沿著所述至少一個流通道的連續長度延伸的所述第一側邊的一部分中， 該第一側邊通道包括第一側壁和相對所述第一側邊通道的開放式頂具有深度(Ds)的第一底壁；其中該所述第一側邊通道的第一側壁和所述第一側邊通道的第一底壁在相對于所述至少一個流通道的截面中形成了鈍角，該至少一個流通道的底表面的深度(Df)大于該第一側邊通道的第一底壁的深度(Ds)。在一些實施例中，所述至少一個流通道的開放式頂的截面寬度相對于所述第一側邊通道的開放式頂的截面寬度的比率為至少大約2 I。在其它的實施例中，該至少一個流通道的底表面的深度相對于該第一側邊通道的第一底壁的深度的比率大于大約I : I且小于大約2 I。在另一個其它的實施例中，所述至少一個流通道的截面積是所述第一側邊通道的截面積的至少約3倍。通過參照下面的詳細說明以及所附的附圖將明了本發明的這些以及其它的方面。
圖I至4示出了根據現有技術的燃料電池堆結構。圖5示出了根據現有技術的流通道結構的截面圖。圖6示出了根據現有技術的另一個流通道結構的截面圖。圖7示出了根據一個實施例的流場板的截面圖。圖8示出了根據一個實施例的流通道結構的分解截面圖。圖9示出了根據一個實施例的流通道結構的分解截面圖。圖10示出了工作在相同的狀態下的5個燃料電池在不同的冷卻劑出口溫度下的壓力降變化的差異。圖11示出了工作在相同的狀態下的5個燃料電池在不同的冷卻劑出口溫度下的壓力降穩定性的差異。圖12示出了工作在相同的狀態下的2個燃料電池在不同的冷卻劑出口溫度下隨時間的壓力降穩定性。
具體實施例方式在下面的說明中，為了徹底的理解各個實施例，設定了具體的特殊細節。但是，本領域技術人員將明白本發明可在不具有這些細節的情況下實施。在其它的實例中，沒有具體示出或描述與燃料電池、燃料電池堆以及燃料電池系統相關的公知結構以避免對這些實施例的不必要的模糊描述。除非上下文需要，否則，貫穿下面的說明書和權利要求書的詞語“包括”以及它們的變體，例如“包括”和“具有”是開放式的限定，包含的意思，即“包括但不限于”。同樣，貫穿本說明書的術語“一個實施例”或“實施例”意思是與該實施例相關的所描述的特定特征、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施例中。因此，在貫穿本說明書的不同地方所出現的術語“在一個實施例中”或“在實施例中”不必總對應于相同的實施例。此外，特定的特征、結構或特性可以任何適宜的方式結合到一個或多個實施例中。在本發明中，“連續的流通道”意思是該流通道從燃料電池入口到燃料電池出口跨越而不具有任何間斷，因此允許液體在其中從燃料電池入口到燃料電池出口流動。相似地，“連續的側邊通道”意思是該側邊通道從燃料電池入口到燃料電池出口跨越而不具有任何間斷，因此允許液體在其中從燃料電池入口到燃料電池出口流動。如上所述，流通道中液體水的存在典型地在燃料電池中創建了隨機的和變化的流動阻力，因為液體水阻礙或阻塞了氣流通道。為了應對該難題，流場板被設計為具有形成在鄰近氣體擴散層(GDL)的流通道的上頂部部分中的連續的小側邊通道，以吸引液體水從流場板的臺面下面和/或從主流通道到在該主流通道中的不明顯地阻礙氣流的部分，從而離開⑶L的表面。已經發現相比較于具有傳統流場通道設計的燃料電池，具有這樣連續側邊通道的燃料電池改進了流動阻力穩定性。這被由隨時間的壓力降變化的標準偏差而測量的改進的壓力降穩定性所例證。不受理論所限制，壓力降的更高的穩定性意味著在流場通道中具有更少的水，如果存在，將導致差的流動特性(例如更大的壓力降“噪聲”)，同時導致由于反應物缺乏不同電池之間的電壓變化。例如，估計標準偏差3. 5%，為了維持所給定的負載而所最小需要的氧化劑化學計量可變化超過12%。因此供應到該燃料電池的最小氧化劑化學計量必須也增加至少12%以應對壓力降的不穩定性。此外，發現對于利用這樣的側邊通道的燃料電池，在不同溫度下的壓力降變化(和，因此，在燃料電池中的水含量)也較低。典型地，希望低變化的壓力降，從而氧化劑吹風機或壓縮機將經歷更恒定的狀態，并因此，該吹風機或壓縮機能夠更精確地確定大小。例如，如果氧化劑吹風機或壓縮機太大，則附加損耗將會不必要的高。另一方面，如果氧化劑除風機或壓縮機太小，將在具有較高流動阻力的電池中發生反應物不足。圖7說明了根據一個實施例的流場板的截面(為了便于理解未示出側邊通道特征)。流場板100包括第一流場表面102和相對的第二流場表面104。(在燃料電池結構中，⑶L鄰近第一流場表面102而設置)。第一流場表面102包括連續的流通道106，該流通道106由被開放式(open faced)頂112和底表面114所分隔開的第一側邊108和相對的第二側邊110而限定。每一個流通道106都被臺面116所隔開。為了更好的可制造性，流通道的截面寬度應該在離開開放式頂112并朝著底表面114的方向總體上減小(例如，開放式頂112的截面寬度大于底表面114的截面寬度)。相似地，第二流場表面104也可包括流通道(未示出)。盡管在圖7中未示出，但是典型的流場板將具有用于供應和去除反應物的集流管，例如圖1-4中所示的集流管30。該集流管可以為內部集流管(形成在板內)或外部集流管(附接到該板上)。本領域技術人員將理解該流場通道典型地從流場管的入口集流管到出口集流管連續地延伸。參照圖8，其是流通道106的截面分解圖，該流通道106包括形成在開放式頂112的一部分中的第一側邊通道118，如圖7中所示意的，所述第一側邊通道118典型地鄰近并液體地連接至⑶L (未示出)，并在第一側邊108的沿著流通道106的連續長度的一部分中。第一側邊通道118液體地連接至流通道106的主流通道部分并由第一側壁120和第一底壁122所限定。相似地，第二側邊通道124被形成在典型地也鄰近并液體地連接至GDL(未示出)的開放式頂112的一部分中，并在第二側邊110(如圖7所示)的沿著流通道106的連續長度的一部分中。第二側邊通道124也液體地連接至流通道106的主流通道部分并由第二側壁126和第二底壁128所限定。優選地，第一側壁120和第一底壁122在截面上形成鈍角δ以有助于制造工藝，例如模壓、機加工以及模鑄。相似地，第二側壁126和第二底壁128優選在截面上形成鈍角δ。不受理論所限制，可在拐角處發生的毛細管-驅動流使得滿足Concus-Finn條件，其中該Concus-Finn條件由公式(I)所限定Θ < Ji /2- α (I)其中Θ是表面的靜接觸角，α是所述拐角的半角。因此，該第一和第二側邊通道被設計為特定的尺寸、形狀和位置，通過創建毛細管驅動拐角流以使水從GDL的表面上和 主通道中毛細作用地吸離。因為水被毛細作用地吸離而進入主流通道區域的外部的區域，因此，流動阻力變化性被降低了并且改進了壓力降穩定性。例如，第一和第二側邊通道118，124的截面深度(Ds)應該足夠深以使得液體水被從氣體擴散層上輕微地引開并引入到側邊通道118，124(例如流通道106的主流通道區域的外部)，因此，去除了在GDL的表面上的可貢獻于流動阻力變化和/或氣體擴散阻礙的液體水滴。除此之外，該第一和第二側邊通道118，124的截面深度(Ds)應該小于流通道106的截面深度(Df)以使得水能夠比進入主流通道區域更容易地被從GDL的表面引到側邊通道。不受理論所限制，如上所述并如實例部分的FC-5中所示，可認為水滴典型地不毛細作用地進入由流場板和氣體擴散層形成的拐角，因為氣體擴散層是大體上憎水的，這使得其是差的含水拐角(例如違反了 Conicus-Finn條件)。然而，通過提供位于離開氣體擴散層的表面的拐角以及流通道的塊體并恰當地賦予尺寸和形狀，液體水能夠通過毛細管驅動拐角流毛細作用地離開GDL的表面而流入拐角而不在流通道的塊體聚集水。結果，流通道106的深度不受限制，因為它僅起到提供反應物流的作用。此外，第一和第二側邊通道118，124優選連續地和液體地連接至燃料電池的出口或出口集流管使得過量的液體水能被沿著流通道106的連續長度收集在第一和第二側邊通道118，124的任何位置，并且過量的水能夠流動并被在流通道106的出口或出口集流管處從第一和第二側邊通道118，124去除。在一些實施例中，流通道106比第一和第二側邊通道118，124大很多。參照圖9，流通道的截面深度Df (例如從流通道的開放式頂到流通道的底的距離)與第一側邊通道的截面深度Ds (例如從側邊通道的開放式頂到側邊通道的底的距離)的比率大于大約I : I但小于大約2 I。此外，流通道106的開放式頂的截面寬度Wf應該比該第一和第二側邊通道118，124的開放式頂的截面寬度Ws大。在一些實施例中，流通道106的開放式頂的截面寬度Wf與該第一側邊通道的開放式頂的截面寬度Ws的比率是至少大約5 1，并且在另外的實施例中，至少大約10 I。在其它的實施例中，主流通道的截面積Af是每個側邊流通道的總的截面積As的至少3倍，并且在另外的實施例中，是每個側邊流通道的截面積的至少5倍。在一些實施例中，第一和第二側邊通道118，124的鈍角δ可以等于或小于流通道106的鈍角Y。不受理論限制，通過在第一和第二側邊通道118，124中應用等于或小于流通道106的鈍角Y的鈍角δ，水更可能被引入進側邊通道118,124。在一個實施例中，第一主流場表面102可以是陽極或陰極流場，而第二主流場表面104可以是冷卻劑流場。在另一個實施例中，第一主流場表面可以是一個陽極或陰極流場，而第二主流場表面可以是陰極或陽極流場中的另外一個。流場板100可以是任何合適的材料，例如但不限于石墨、碳質(carbonaceous)材料或金屬性材料以及它們的組合。第一主流場可包括在其表面上的涂層，例如親水涂層。不受理論限制，該涂層將降低形成在流通道中的任何水滴的表面張力(例如減小接觸角)以使得水能夠被更容易地毛細作用地進入側邊通道。作為本領域技術人員應當理解，流場板可通過在兩個流場板之間設置膜電極組件而被結合到電化學燃料電池中，從而使得膜電極組件的氣體擴散層鄰近于流場板。將該電化學燃料電池進一步地結合進燃料電池堆和系統中將是本領域技術人員容易確定的。盡管所示出的側邊通道的拐角為銳角，但是也可使用圓角而不影響該側邊通道的功能，只要該側邊通道包括形成鈍角的側壁和底壁，并且底壁的深度小于流通道的深度。此外，第一側邊通道和第二側邊通道可以具有相同或不同的尺寸。例如，第二側邊通道的寬度 W’ 3和第二側邊通道的深度D’ s可以不同于第一側邊通道的寬度Ws和第一側邊通道的深度Ds。除此之外，雖然在圖8和9中示出了兩個側邊通道，但是預計即使流場通道結合僅一個這樣的側邊通道時，也仍然能改進水管理。下面的實例是出于說明的目的，不作為限制。實例根據表I中的流場通道尺寸參數加工了六個陰極流場板。5個氧化劑流場板FC-I至FC-5在流場通道的兩個側邊上都具有側邊通道而基線不含任何側邊通道。另外，該側邊通道FC-5在它的側邊通道中不具有側壁和底壁，而是替代為具有傾斜壁(參見圖6)。該流場板被組裝進具有相同的陽極流場板和MEA的燃料電池中以評估它們的工作特性。表I.流場通道的幾何尺寸
權利要求
1.一種用于電化學燃料電池的流場板，包括 第一流場表面； 相對的第二流場表面；以及 形成在所述第一流場表面中的至少一個流通道；所述至少一個流通道包括 由開放式頂和相對所述頂具有深度(Df)的底表面所隔開的第一側邊和相對的第二側邊； 第一側邊通道，沿著所述至少一個流通道的連續長度形成于所述開放式頂的一部分和所述第一側邊的一部分中，所述第一側邊通道包括第一側壁和相對所述第一側邊通道的開放式頂具有深度(Ds)的第一底壁； 其中所述第一側邊通道的所述第一側壁和所述第一側邊通道的所述第一底壁在相對于所述至少一個流通道的截面上形成鈍角；以及 所述至少一個流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述第一側邊通道的所述第一底壁的所述深度(Ds)。
2.如權利要求I所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的所述開放式頂的截面寬度相對于所述第一側邊通道的所述開放式頂的截面寬度的比率為至少5 I。
3.如權利要求I所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的所述開放式頂的截面寬度相對于所述第一側邊通道的所述開放式頂的截面寬度的比率為至少10 I。
4.如權利要求I所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的底的所述深度(Df)相對于所述第一側邊通道的所述第一底壁的所述深度(Ds)的比率小于2 I。
5.如權利要求I所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的截面寬度在離開所述開放式頂并朝向所述底表面的方向上減小。
6.如權利要求I所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的截面面積大于所述第一側邊通道的截面面積。
7.如權利要求6所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的截面面積是所述第一側邊通道的截面面積的至少3倍。
8.如權利要求6所述的流場板，其中，所述至少一個流通道的截面面積是所述第一側邊通道的截面面積的至少5倍。
9.如權利要求I所述的流場板，其中，所述相對的第二流場是冷卻劑流場。
10.如權利要求I所述的流場板，其中，所述第一流場是陰極流場而相對的第二流場為陽極流場。
11.如權利要求I所述的流場板，進一步包括石墨材料、碳質材料或金屬性材料或它們的組合。
12.如權利要求I所述的流場板，其中，所述第一流場表面包括在其表面上的親水材料。
13.如權利要求I所述的流場板，進一步包括 第二側邊通道，沿著所述至少一個流通道的連續長度形成于所述開放式頂的一部分和所述相對的第二側邊的一部分中，所述第二側邊通道包括第二側壁和相對所述第二側邊通道的所述開放式頂具有深度Φ’ s)的第二底壁； 其中所述第二側邊通道的所述第二側壁和所述第二側邊通道的所述第二底壁在相對于所述至少一個流通道的截面上形成鈍角；以及 所述至少一個流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述第二側邊通道的所述第二底壁的所述深度Φ’ s)。
14.一種電化學燃料電池，包括 膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和插入在它們之間的質子交換膜； 流場板，所述流場板包括鄰近于所述陽極或所述陰極的流場和形成在鄰近于所述陽極或所述陰極的所述流場中的至少一個流通道，所述至少一個流通道包括 由開放式的頂和相對所述頂具有深度(Df)的底表面所隔開的第一側邊和相對的第二側邊；以及， 沿著所述至少一個流通道的連續長度形成在所述開放式頂的一部分中和所述第一側邊的一部分中的側邊通道，所述側邊通道包括側壁和相對所述第一側邊通道的開放式頂具有深度(Ds)的底壁； 其中 所述側邊通道的所述側壁和所述側邊通道的所述底壁在相對于所述至少一個流通道的截面中形成鈍角；并且 所述至少一個流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述側邊通道的所述底壁的所述深度(Ds)。
15.如權利要求14所述的電化學燃料電池，進一步包括 第二流場板，其包括鄰近于所述陽極或所述陰極中的另一個的流場。
全文摘要
一種流場板，包括第一流場；相對的第二流場；以及形成在所述第一流場中的至少一個流通道；該至少一個流通道包括由一個開放式頂和相對該頂具有深度的底表面所隔開的第一側邊和相對的第二側邊；以及形成在該開放式的頂的一部分中并且在該第一側邊的一部分中沿著該至少一個流通道的連續長度的第一側邊通道，該第一側邊通道包括第一側壁和相對該第一側邊通道的開放式頂具有深度的第一底壁；其中該第一側邊通道的第一側壁和該第一側邊通道的第一底壁在截面上相對于該至少一個流通道形成了鈍角；并且該至少一個流通道的底表面的深度大于該第一側邊通道的第一底壁的深度。
文檔編號H01M8/10GK102884663SQ201180013123
公開日2013年1月16日 申請日期2011年3月7日 優先權日2010年3月8日
發明者J·D·格蘭特, B·H·莫斯, D·B·瑪凱 申請人:Bdf Ip控股有限公司