专利名称：用于电化学设备的流体流场的制作方法
技术领域：
本发明涉及新的电化学燃料电池，更具体地说，涉及一种用于导电板的流体流场的图样(design)。
背景技术：
燃料电池是一种原电池，它通过将供入电池的燃料的化学能，经由燃料在电池中的发生氧化的电化学过程，直接转化为电能而产生电能。典型的燃料电池包括容纳于壳体中的阳极、阴极、电催化剂和电解质。燃料和氧化剂连续、独立地分别供给阳极和阴极，其中燃料和氧化剂发生化学反应产生可利用的电流。反应的副产物从电池中除去。
燃料电池的一大优点是，它将化学能直接转化为电能，而无需经过任何中间步骤，例如，如热电站一样燃烧烃或碳质燃料的过程。燃料电池反应器可包括单电池，或者多个电池堆。在每种情况下，包括导质子膜(电解质)和阳极以及阴极的膜/电极组件(MEA)，通常夹在具有多重功能的高(电)传导性的流场板之间。首先，这些板可起到集流器的作用，在燃料电池电压接线端和电极之间提供电连接。另外，流场板为MEA提供机械支撑，并使反应物和水分布在MEA电极的活性区域中，这是通过印在每块板与MEA的电极直接接触的一侧的流场而实现的。众所周知，燃料电池的性能主要依赖于反应物向电极的有效传递、MEA的均匀增湿，以及电池中水分的适当控制，即供应和除去在电池运行过程中产生的水。由于流场的图样(design)控制着反应物浓度梯度、流速、压力降和水的分布，因此流场的图样影响燃料电池的性能。
横拉杆(tie rod)和端板(end plate)将燃料电池组件固定在一起。供料管线分别通过流体流场板向阳极供应燃料(如氢、重整甲醇或天然气)并向阴极供应氧化剂(如氧)。提供排料管线以排出多余的燃料和氧化剂气体和水以及阴极生成的其它副产物。
多电池结构包括两个或多个串连或并联连接的此种燃料电池组件，以根据需要增加燃料电池总的功率输出。在此种布置中，电池通常以串连连接，其中给定板的一侧是一个电池的阳极板，而该板的另一侧是相邻电池的阴极板，依此类推。
将流场印制在每个流场板与MEA的电极直接接触的一侧。流场提供分布/流动通路，以使反应物分布在MEA电极的活性区域中，并除去副产物和水。
燃料电池的性能高度依赖于反应物向电极的有效传质、从电极除去副产物和水的情况，以及对电池的流体的适当监控。流场图样影响电化学燃料电池的性能，这是由于流场图样控制反应物的浓度梯度、分布、流速、压力降和水/副产物除去情况。
近来，就流场图样和反应物流路结构而言，特别是在使用液体燃料如甲醇作为反应物的燃料电池中，在本领域中已认识到存在若干问题。这些现有技术图样中的主要问题包括燃料流分布不均、在MEA中的高压降以及副产物和水的去除差。
常规流场图样通常包括针或蛇纹图样。针型流场图样的一个例子公开在US4769297中，其中阳极流场板和阴极流场板均具有被称作针状的凸起。燃料通过凸起形成的中间凹槽而流过阳极板，同时氧化剂也流过阴极流场板上形成的中间凹槽。具有针型图样的流场的其它例子公开在US4826742中。针状图样流场导致在相应流场上的低反应物压力降，但是反应物流经此种流场时易经阻力最小的路径流过流场，这将导致沟流和滞留区域。这又将导致燃料电池性能差。
在US4988583中公开了一种单蛇纹图样的流场的例子。如US4988583的图2所示，在流场板的主平面上形成了单一连续的液流沟槽。反应物通过蛇纹流路的流体入口进入，在流过该板的主要部分后，通过流体出口排出。此种单蛇纹流场迫使反应物流穿过相应电极的整个活性区域，从而消除滞留区域。但是，反应物流经活性区域的这种沟流导致较高的反应物流路长度，由此在入口至出口之间产生明显的压力降和显著的浓度梯度。另外，使用单一沟槽从电极收集所有液体水产物会加速单蛇纹的液泛，特别是在高电流密度下更容易如此。
US4988583中还试图通过提供一个实施方案来对付压力降问题，其中有许多连续的分开的流路。在US5108849的图4中公开了多个蛇纹流场图样。
所述的流场图样具有某些缺点，特别是在使用甲醇作为反应物燃料的燃料电池中。在此种系统中，副产物是大量的二氧化碳气体和水。主要的缺点包括-整个流场上不利的压力降。如蛇纹图样中可见的长、窄的流路导致流路内侧高的压力降。在这些情况下，需要高的辅助(parasitic)功率给反应物增压。
-流场中的滞留区域。在滞留区域，燃料电池的反应速率通常较低，因此显著影响燃料电池性能。滞留区域的形成和存在导致不能有效利用电极催化剂。这发生在，当反应物为液体形式并且副产物为在运行条件下在该液体反应物中具有有限可溶性的气体时。副产物形成可吸附在电极表面上的气泡，并覆盖活性催化剂区域和/或打乱/阻止反应物在流场中的流动。
-电极的液泛。当反应物为气相，而副产物为液体时，电池内部的副产物的去除差和副产物的积累将加速液泛。液泛降低燃料电池的效率，这是由于暴露给电极中的催化剂的反应物较少所致。
-流经流场的反应物的高浓度梯度。长的流路会导致从燃料电池入口到出口的显著的浓度梯度，并导致燃料电池的电流分布不均匀。
这些和其它问题通过本发明图样的流场而得以解决。
发明概述本发明提供流体流场图样，包括斜槽(diagonal channel)和孔的结合。该斜槽提供将反应物燃料分配在流场的所有方向上的路径，并具有在入口和出口管线之间的燃料流路上使压力降最优化的孔，从而改进流动分配和副产物的去除。
因此，提供了一种用于质子交换膜燃料电池的流场板，所述流场板由适当的导电材料制成，并包括(a)基本上为平面的表面；(b)在基本上为平面的表面上形成的流场，该流场包括多个交错配置的区域(staggered land)，这些区域在流场中确定出基本上对称的互联孔和斜槽(interconnected orifice and diagonal channel)的网络；
(c)流体供料管线，通过该管线将燃料和氧化剂引入流场，以及流体排放管线，通过该管线将反应副产物和多余燃料以及氧化剂从流场中除去；由此燃料、氧化剂和反应副产物的物流连续地分离，并分流(divert)到分开的沟槽中，分开的物流然后与相邻沟槽的物流于孔中相混合。
在本发明的第二实施方案中，提供了一种燃料电池组件，包括(a)阳极；(b)阴极；(c)设置在阳极和阴极之间的固体聚合物电解质；以及(d)由适当的导电材料制成的一对相对的流场板，并包括(i)基本上为平面的表面；(ii)在基本上为平面的表面上形成的流场，该流场包括在该流场中确定出基本上对称的互联孔和斜槽的网络的多个交错配置的区域；(iii)流体供料管线，通过该管线将燃料和氧化剂引入流场，以及流体排放管线，通过该管线将反应副产物与过量的燃料和氧化剂从该流场中除去；由此，燃料流、氧化剂和反应副产物连续地分开并分流到分开的沟槽中，分开的物流然后与相邻沟槽中的物流在孔中相混合。
本发明优选的实施方案将参考附图进行描述，其中在多幅附图中相同的数字代表相同的部分。
图1说明的是本发明流场图样的两个实施例；图2说明的是本发明的一种典型的流场，即蜂窝状图样；图3展示的是用于图2中的流场的反应物(液体甲醇和CO2气)的压力降；以及图4说明的是用于图2的流场的两相压力梯度(液体甲醇和CO2气)。
优选实施方案一种典型的燃料电池反应器可包括单电池，或多电池堆。在两种情况下，包括导质子膜(电解质)和阳极以及阴极的膜/电极组件(MEA)通常夹在两个高导电的流场板之间。阴极和阳极通常包括由导电材料如碳纸、碳布或碳毡制成的多孔衬垫(backing)，以及粘合在该多孔衬垫上的电催化剂层。每个电极的电催化剂层包括电催化剂颗粒和导质子颗粒的混合物。
流场板是由导电材料制成的，并优选由非多孔性的核子级炭精块(nuclear grade carbon block)制成。但是，也使用其它常规导电材料如导电聚合物、耐蚀金属和石墨/聚合物组合物来制备流场板。如图2所示，板20包括基本上为平面的表面22，该表面具有中心部分24和在表面22中心部分24上形成的流场26。在所示实施方案中，流场板20和流场26均具有正方形的形状，这是工业标准流场和流场板的常规形状。然而，应能理解，本发明的流场板和所含的流场的新特征不限于特定的几何形状。还应理解，对于本发明而言，流场26不必位于如图2所示的板20的表面22的中心。
如图1A、1B和2所示，本发明涉及流场图样，包括斜槽和孔的结合或网络。在图1A和1B中示出了流场26的一部分，图2示出了完整的板20和流场26。
在图1A中，流场26包括形成蜂窝状图样的多个交错配置形状的八角形区域28。八角形区域28在流场26中确定出斜槽30的系列或网络。八角形区域28还确定出与斜槽30流体连通的多个孔32。图1A中的箭头示出了燃料、氧化剂和副产物在流场26中的流向。在该实施例中，物料的流向通常为由下至上。
箭头34示出了在孔32中流动的物料的一部分。而后，当该物料遇到区域28之一时，如箭头36所示，该物料被分成两股基本上相等的物流。因此，在图1A的图样中，当物料遇到区域28时，该物料流连续地分成两股基本上相等的物流。
而且，还注意到，随着物料流经沟槽30，它进入孔32，于孔32处该物料与在相邻沟槽30中流动的物料混合。换句话说，在具有蜂窝状图样的图1A中，当物料遇到区域28时，物料(燃料、氧化剂和副产物)被连续地分开，并分流到两个沟槽30中，而后，当物料进入孔32时，分开的物流与相邻沟槽流出的物流相混合。
在图1B所示的实施方案中，流场26包括多个交错配置的钻石形区域36，这些区域在互联斜槽38和孔40上确定出网络。在图1B的实施例中，物料流向通常也是自下而上。箭头42示出了物料物流遇到一个区域并被分成两股基本上相等的物流44。分开的物流流经它们各自的沟槽38并在孔40处汇合，于孔40处物料与来自相邻沟槽的物料相混合。因此，在本实施例中，当物料遇到区域36时，物料的流动也是连续地被分开并被分流到两个沟槽38中，而后，当物料进入孔40时，分开的物流与来自相邻沟槽的物流相混合。
在图2中，示出了具有基本上为平面的表面22的完整的板20，在其上在表面22的中心部分24设置流场26。图2所示为类似于图1A中所示的蜂窝状图样流场花纹。该板还包括流体供料管线，流体入口沟槽52由其延伸出来。反应物(燃料和氧化剂)进入管线50，反应物流被分开并被引入至多个入口沟槽52中。从入口沟槽52，反应物进入由多个交错配置的区域58确定出的斜槽54和孔56的网络。
随着反应物进入流场26，它们开始反应并产生副产物。燃料、氧化剂和副产物的流动通常由下至上地连续地通过流场26。在流场26的出口，有多个与流体排放管线62流体连通的出口沟槽60，过量的燃料、氧化剂和副产物由沟槽60排出。
随着物料从流场26经入口(底部)向出口(顶部)的移动，当物料遇到区域时，物料连续地被分开并被分流到两个沟槽54中，而后，当物料进入孔56时，分开的物流与相邻沟槽54中的物流相混合。该连续地分开和再次混合对于将反应物等量地分配在流场26的整个表面上有效，同时也对除去副产物有利。
在本发明的流场图样中，斜槽提供了在流场和孔内各方向上分配燃料反应物、氧化剂和副产物的路径，以使入口管线和出口管线之间的流体流动沟槽的压力降最佳化，从而提高了流体分配和副产物的清除。
斜槽还提供将反应物均匀地分配在电极的催化表面上的路径。沟槽的平均长度基本上相等，因此使流场的每个部分具有相同的流动条件和压力降。孔的特征是文丘里效应，即产生推-拉机理以提高反应物混合作用和副产物移除。
斜槽和孔由流场中的多个交错配置的“区域”(land)来确定。优选的是，交错的区域是八角形(如图1A和2所示)，但是诸如钻石(如图1B所示)的其它形状也可以。
另外，流场图样包括在燃料电池运行过程中用于有效地向流场提供燃料和氧化剂的多个供料管线和流路，以及用于有效接受流场排出的过量燃料和氧化剂以及副产物的多个排放管线和流路。
图3和4说明在本发明的典型流场中的理论(经验)压力降和压力梯度。在两种情况下，假定两相流动，即作为燃料的液体甲醇和作为副产物的二氧化碳。
由此，发现本发明的流场图样在燃料电池运行过程中，可有效地输送液体燃料或气体氧化剂。本发明提供·电池内部的最佳压力降，即，它提供压力降和燃料电池性能之间的最佳平衡·在燃料电池内部均匀的压力降·电池中最小的滞留区·在板上增强的燃料分配和最小的压力降·增进副产物的清除·改进的燃料电池性能，即，与现有技术的系统相比更好的系统性能本发明提供新的流场图样，包括由多个交错配置的区域确定出的互联沟槽和孔的网络。该沟槽通常是线性的并相互交错配置，而孔以交错配置的方式排布。沟槽通过横向/纵向沟槽相互流体连通。
流场图样是基于形成减小压力降的多个孔和沟槽，以通过推-拉机理保持流体连续流动并防止可能打乱物料流动的气泡形成。沟槽斜向配置以确保燃料和氧化剂的均匀分配，并减少在流场中形成滞留区域的可能性。最大可能地满足上述需求的优选图样包括如图1所示的钻石和蜂窝状图样，但不限于此。可以使用的其它图样包括将孔和斜槽相结合的八角形或其它多角形结构。
尽管本发明已经结合优选的实施方案进行了展示和说明，但是，本领域中的熟练人员应能理解可以作出其它的变化、改变、增加和删除而不偏离本发明所附权利要求书的实质和范围。
权利要求
1.一种用于质子交换膜燃料电池的流场板，该流场板由适当的导电材料制成，并包括(a)基本上为平面的表面；(b)在该基本上为平面的表面上形成的流场，该流场包括在该流场中确定出基本上对称的互联孔和斜槽的多个交错配置的区域；(c)流体供料管线，通过该管线将燃料和氧化剂引入该流场，以及流体排放管线，通过该管线将反应副产物与过量的燃料和氧化剂排出该流场；由此，燃料、氧化剂和反应副产物的物流被连续地分开并被分流到分开的沟槽中，分开的物流然后与来自相邻沟槽的物流在孔中相混合。
2.根据权利要求1的流场板，其中交错配置的区域是六角形的。
3.根据权利要求1的流场板，其中交错配置的区域是斜线形的。
4.根据权利要求1的流场板，其中该斜槽尺寸基本上相等、
5.一种燃料电池组件，包括(a)阳极；(b)阴极；(c)设置在阳极和阴极之间的固体聚合物电解质；以及(d)由适当的导电材料制成的一对相对的流场板，并包括(i)基本上为平面的表面；(ii)在该基本上为平面的表面上形成的流场，该流场包括在该流场中确定出基本上对称的互联孔和斜槽的网络的多个交错配置的区域；(iii)流体供料管线，通过该管线将燃料和氧化剂引入到流场中，以及流体排放管线，通过该管线将反应副产物与过量的燃料和氧化剂排出该流场；由此，燃料、氧化剂和反应副产物的物流被连续地分开并被分流到分开的沟槽中，分开的物流然后与来自相邻沟槽的物流在孔中相混合。
6.根据权利要求5的燃料电池组件，其中交错配置的区域是六角形的。
7.根据权利要求5的燃料电池组件，其中交错配置的区域是斜线形的。
8.根据权利要求5的燃料电池组件，其中斜槽尺寸基本上相等。
全文摘要
公开了一种用于固体聚合物电解质燃料电池的新流体流场板。该流体流场板由适当的导电材料制备，并且具有基本为平面的表面、在所述基本上为平面的表面上形成的流场和将燃料和氧化剂供入流场中的流体供料管线以及将反应副产物和过剩的燃料以及氧化剂从流场中排出的流体排放管线，所述流场包括多个交错布置的区域，在流场中确定出基本上对称且互连的孔和斜槽的网络。将燃料、氧化剂和反应副产物的物流连续地分开，并分流到分开的沟槽中，而后将分开的物流与相邻沟槽的物流于孔中相混合。
文档编号H01M8/02GK1610982SQ02805626
公开日2005年4月27日 申请日期2002年2月27日 优先权日2001年2月27日
发明者M·阿布杜, P·安德林, M·K·比萨里亚, 蔡玉奇 申请人:纳幕尔杜邦公司