专利名称：改进的燃料电池阴极流场的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及燃料电池，特别涉及燃料电池的阴极流场的制造 方法以及具有该阴极流场的燃料电池。
背景技术：
在典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，膜电极装置(MEA) 设置在两导电隔板之间。氧化剂和燃料流场提供了将氧化剂和燃料导 向各自的MEA的电催化剂层的手段，具体地，导向在燃料侧的阳极以 及在MEA的氧化剂侧的阴极。典型的反应物液体流场具有至少一个在 入口和出口之间的液体流从其中流过的流道。典型地，通过在隔板面
上设置多个无遮盖的(open-faced)通道，将液体流场与隔板集成在 一起。该无遮盖的通道面向电极表面，反应物在该电极表面上产生电 化学反应。在单个电池装置中，隔板设置在阳极和阴极侧的每一侧上。 该隔板充当集流器并且为电极提供结构支撑。
标准的工业实践是，使氧化剂空气以比发生电化学反应理论上所 需的更高的流速流过阴极燃料流板。换句话说，燃料电池内的空气化 学计量比大于1，并且典型地在大约为2的范围内。燃料电池以这样 的空气化学计量比工作，除其它因素之外，以避免燃料电池内的局部 或者系统的氧气匮乏。氧气匮乏是当阴极流场内的一个或多个部位的 氧气分压降到临界水平之下时发生的复杂现象。当电池电压快速下降 时可以观察到氧气匮乏的影响，该影响在严重的情况下会在膜表面上 产生过热点。
随着空气沿着流场从入口流到出口 ，空气流中的氧含量趋向于被 消耗并且空气压力趋向于下降，导致燃料电池性能下降。申请人自己 的申请PCT CA 02/00816公开了一种阴极流场，该阴极流场具有宽度 从入口到出口连续逐渐变小的划界(delineating )流道。该逐渐变小 是成直线的，并且随着空气从入口流向出口而导致流速增加和压降减 小。流道内给定位置增加的空气流速稍微补偿了电化学反应在该位置
引致的空气中的氧消耗。因此，渐缩通道内给定位置的氧的可用性大 于具有恒定横截面面积的流道内的氧的可用性。
虽然PCT CA 02/00816申请中的直线渐缩通道确实在流场的出口 端提供了改进的氧的可用性，但它们没有实现整个流场的氧的可用性 基本恒定。理论上来说，维持整个流场的氧的可用性恒定有助于获得 整个燃料电池有效面积内的均匀电流密度。
发明内容
PEM燃料电池设计的一个难题是获得燃料电池的整个有效面积内 的均匀电流密度；均匀电流密度是获得高效的燃料电池性能所希望的。 本发明的总体目的是提供一种阴极流场，该阴极流场提供了改进的燃 料电池性能。本发明的具体目的是提供一种流场，该流场能够在特定 的工作条件下保持整个燃料电池流场内氧的可用性基本恒定。
根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池阴极流道，该阴极流
道包括根据流道长度变化的横截面面积，以使得对于给定的通道长度
和空气化学计量比，在沿通道每一纵向位置的氧的可用性保持基本恒
定。特别的，提供一种燃料电池阴极流道，它包括入口；出口；在 入口和出口之间纵向延伸的深度基本恒定的底板(floor);以及一对从
底板向上延伸的对置的侧壁，该对置的侧壁限定在它们之间的通道宽 度，该通道宽度根据从入口到出口的通道长度按指数规律减小。在所 选纵向位置的通道宽度可以与在通道入口处的通道宽度成正比。
通道宽度可以依据自然指数函数减小。在这种情况下，在通道选 定纵向位置处的通道宽度可以与该选定纵向位置的自然指数函数成正 比。该自然指数函数也可以是常数函数，该常数根据包括该流道的燃 料电池的空气化学计量比导出。该常数可以是所述空气化学计量比的 函数的自然对数。
根据本发明的另一方面，提供一种包括至少一个上述流道的燃料 电池隔板。可选地，隔板包括多个这样的阴极流道，其中所述流道被 隔肋(rib)彼此横向隔开。所述流道共同限定可排列为总体梯形形状 的流场。所述隔肋可具有基本恒定的宽度以使这样的梯形形状能够实 现。所述隔板还可包括位于每一流道入口的局部隔肋。
图1是具有在某些工作条件下获得基本恒定的氧的可用性的几何
形状的阴极流道的示意性立体图2是在具有几何形状如图1所示的流道的隔板上的阴极流场的 示意性平面图3是图2中所示的阴极流场的示意性立体图4是说明作为具有图2和图3中阴极流场的燃料电池的电流密 度函数的电池性能的图表；
图5是说明作为具有图2和图3中阴极流场的燃料电池的阴极化 学计量的函数的电池性能的图表；
图6是说明阴极流道侧壁轮廓的图表。
具体实施例方式
根据本发明的一个实施方案，提供了 PEM燃料电池的阴极流场的 制造方法，该制造方法基于设计一种流道，对于给定的通道长度和空 气化学计量比，该流道保持整个通道的长度内燃料电池电化学反应的 氧的可用性基本恒定。
我们推理，氧的可用性与燃料电池性能成正比，并且氧的可用性 均匀促进电流密度均匀，均匀的电流密度对于高效的燃料电池工作和 改进的性能是所希望的。
氧的可用性是氧质量流量和速度的函数，并定义如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
在位置x的流速 [m/s] ^afr 空气密度 [kg/m3]
" 电流密度(恒定)[A/m2]
/ 整个通道电流载荷 [A]
Sto/'ch 空气化学计量比
力W 在位置x处通道内的(流量)面积 [m]
假设。为推导方程式l(b)，作了如下假设
1. 均匀电流密度目的是制造可以获得均匀电流密度的阴极流道；
2. 单一相态(气体形态)为减少热力学的复杂性，反应所产生 的任意液态水被认为是液体形式的唯一流体；所有其他的物质被认为 是气体形态；
3. 均匀分布的氧浓度、速度和穿过流量截面的质量流量为了降 低质量流量的复杂性，不考虑复杂的流态；
4. 反应被认为仅在流道的局部该模型不考虑在肋以上 (above-rib)的活动；
5. 稳态系统反应和流量被认为是稳态的，或者是不变的。
02可用性方程式推导。以下描述从方程式l(a)推导方程式l(b): 在推导中使用的变量定义
x 沿通道长度的位置[m] <力 在位置x的流速 [m/s]
AW/L02W在位置x的氧可用性 [kg m/s2]
在位置x的氧质量流速 [kg/s] 自，/力 直到位置x所消耗的氧质量流速 [kg/s〗
体积流速 [SLPM] / 整个通道电流载荷 [A]
/a"W 直到位置x积聚的电流 [A]
" 电流密度(常量)[A/m2]
Sto/'cA) 空气化学计量比 Pair 空气密度 [kg/m3]
W力 在位置x处的横截面流量面积 [m2]D (x) 在位置x处的通道深度 [m]
W(x) 在位置x处的通道宽度 [m]
L 通道长度 [m]
氧可用性被定义为氧质量流速乘以速度[kg m/s2]: <formula>formula see original document page 9</formula>
在阴极流道中，氧质量流速随着空气沿流道平移而被消耗。在沿 着流道的给定位置x处的氧质量流速为
在x处的02质量流速-起点处的02质量流速-到达x处所消耗的 氧质量流速
其中 (0) = (2.78 x 10-7 )(22%) p。,r/5to.cA [紐/s] 其中<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula>2(a)) 这些方程式基于公知的根据经验推导的燃料电池反应基本原理，
即
空气体积流速(以每分钟标准升[SLPM]为单位)=0. 0167 x空气 化学计量(Stoich) x电流载荷(i)。通过将0. 0167 SLPM的空气转 换成mVs得到数值2. 78x10—7。
在沿着通道的给定位置x处的氧的速度(也等于空气速度)为 在x处的速度=在x处的空气体积流速/在x处的流动面积
<formula>formula see original document page 9</formula>(2<b)) 然后将方程式2(a)和(b)組合得出
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中
<formula>formula see original document page 10</formula>
方程式1 (b)显示出，可以通过以下方式实现氧可用性的量均匀 增加(氧化性能增加) *增大电流密度(Id)
*增大氧化剂化学计量比
*增大通道长度(L) *增大平均通道宽度(『) 增大空气密度() *减小通道深度(D)
如上文所述，制造具有均匀电流密度的燃料电池是所希望的。假 定通过在阴极流道的整个长度(x)内保持氧的可用性均匀，可以实现电 流密度均匀，方程式Ub)显示出根据x保持氧的可用性恒定需要改变 流量面积。可以通过用如下文的方程式7所示的方考呈式1 (b)求解出A(x) 来确定沿着通道长度的每一位置的流量面积A(x)。对于矩形的流量面 积剖面(即直的底板和侧壁)，通过将面积A(x)定义为宽度W(x)和深 度D(x)的乘积，然后根据通道长度x改变通道宽度或深度(W或D), 可以确定在通道内任意给定的纵向位置x处的通道宽度和深度<formula>formula see original document page 10</formula>
具有变化的深度轮廓的阴极流道
阴极流道可被制造为具有恒定的宽度和变化的深度轮廓，以获得 整个管道(stack)恒定的氧可用性。这样的通道轮廓计算如下
使用如在方程式3中先前推导出的氧可用性方程式<formula>formula see original document page 11</formula>并且求解出通道深度D (x)
<formula>formula see original document page 11</formula>
假定氧可用性Avail。2和宽度W恒定，获得以下方程式4:
其中<formula>formula see original document page 11</formula>其中 <formula>formula see original document page 11</formula>该结果是深度轮廓与x成线性。
对于变化深度的通路(approach )，为了增加整体均匀的02可用 性(提高氧化性能)，需要下列按性能排列的 *增大电流密度(Id); *增大化学计量； *增大通道长度(L); *增大通道宽度(W); *增大空气密度(P );或者 *减小平均深度(万)
具有变化宽度轮廓的阴极流道
假定需要使隔板的厚度最小，保持通道的深度为浅是所希望的。
因此，不改变通道的深度，这将需要足够厚度的隔板来容纳通道的最 深部分，我们建议保持通道深度恒定而仅改变通道的宽度来实现整个 通道长度的氧可用性恒定。
.同样，02可用性方程式为
<formula>formula see original document page 12</formula>
应用恒定的氧可用性Ava i 1Q2和通道深度D
<formula>formula see original document page 12</formula> (3)
其中 <formula>formula see original document page 12</formula>求解W ( X )
<formula>formula see original document page 12</formula>将方程式(5)简化可得
<formula>formula see original document page 12</formula> (6)
参照图1，给定具体的工作空气化学计量STOICH和通道长度L， 并且假定恒定的平面通道底板，可以通过在方程式6中求解W(x)来确 定沿着通道长度每一位置(x)处的通道轮廓。所得到的阴极通道10 具有带有中凸弯曲的侧壁14的恒定深度的底板l2，该侧壁l4从入口 到出口向内逐渐变小。侧壁14向内朝向出口端16扩张，入口 18具有 最大的宽度，通道轮廓以递减率形成(delineating)。即，才艮据方程
式6通道宽度根据通道长度从入口到出口按指数规律减小。
参照图2,具有图1中示出的通道轮廓的多个通道10可^C应用到 隔板20上，以形成阴极流场22。该流场22^皮排列成总体梯形的形状 以使得隔肋24具有从入口 18到出口 16相对均匀的宽度；可见使用具 有逐渐变细的流道的常规矩形流场形状将需要肋也具有逐渐变细的轮 廓。该锥形的肋轮廓将导致大量的MEA接触肋，导致膜有效面积减少 并且降低膜材料的有效使用。由于MEA材料相对较贵，所以希望使用 总体均匀的肋宽度来使MEA的有效面积最大化。利用总体梯形的流场 几何形状也使得流场"能够安装到梯形的隔板20上；或者安装到常 规矩形隔板上，在隔板上留有用于诸如歧管装置(未示出)的其它部 件的空间。
隔板20包括位于每一通道10的入口处的局部肋26。该局部肋26 用于缩短通道侧壁14之间的距离，以及用作覆盖MEA (未示出)的桥 接结构。
具有变化的横截面面积的阴极流道
如果使用替代的方法来产生非矩形的通道横截面(平面底板、竖 直侧壁)的恒定的02可用性轮廓，则在方程式l(b)中引入新的变量 Wa(x)。 W〃x)被定义为通道内给定纵向位置x处的氧反应区的宽度(对 于正方形的通道横截面，由于棵露的MEA/GDL反应宽度与通道宽度相 等则WR(x) -W(x))。然后通过基于通道轮廓迭代计算出A(x)。该方 程式允许沿着通道长度保持恒定的02可用性的各种通道横截面流量 形状。例如，替代的通道横截面的流量轮廓可以包括但不限于U形 通道、多边形通道、半圆形通道、圆角变化的通道弯管、倒角变化的 通道弯管、侧壁斜角变化的通道或者底板斜角变化。<formula>formula see original document page 13</formula>示例
使用具有变化电流密度的类似氢的FCATS试验站，在下述条件下
测试阴极隔板20的样品 空气化学计量2.5 燃料化学计量1.5 相对湿度(RH) : 80 - 100% 电池温度 65°C 外部背压 无 MEA:
*材料Gore PRIMEA系列5510
*设计25微米厚、0.4 Pt/0. 4 Pt CM负载
GDL:
參材料SGL碳30BC
*设计0. 32毫米厚，77%孔隙率、被切割成匹配MEA有 效面积。 阴极通道轮廓
*材料SGL碳BBP 4石墨
*设计对于1. 295空气Stoich设定值在5. 7mm -〉 1. 3mm
宽度的恒定02可用性通道、19通道划界、0. 3mm通道深 度、1 一 0. 6mm(入口 一出口 )的通道宽度(land width)、 0. 75mm x 50mm (WxL)入口通道肋，以及86cm2有效面 积
阳极通道轮廓
*材料SGL碳BBP 4石墨
争设计尺寸l咖x 1, x 1052mm (W x D x L )的4条通
道、以13弯曲的蛇形配置、覆盖86cm'的有效面积 图6示出了基于方程式6的用于隔板20内阴极流道的侧壁轮廓。 参照图4，试验结果显示了具有阴极隔板20的燃料电池，其相比 于使用宽度成直线逐渐减小/恒定深度的通道的燃料电池提高了 11 % 的峰值电能，该宽度成直线逐渐减小/恒定深度的通道基于申请人的第 PCT CA 02/00816号的PCT申请中公开的设计。也期望的是，相对于 具有类似深度、长度和平均宽度的成直线非逐渐缩小的流道的隔板的 燃料电池，具有阴极隔板20的燃料电池将获得性能利益。
改变阴极化学计量并且在以下条件下进行阴极隔板20的第二次 试验
空气化学计量变化 燃料化学计量1.5 电流 30和86A 相对湿度(RH) : 80 - 100%
电池温度 65 °C
背压 无 ME A:
*材料Gore PRIMEA系列5510
*设计25微米厚、0.4 Pt/0. 4 Pt C&A负栽
GDL:
材料SGL碳30BC
*设计0. 32毫米厚，77%孔隙率、被切割成匹配MEA有 效面积 阴极通道轮廓
*材料SGL碳BBP 4石墨
设计对于1. 295空气Stoich设定值在5. 7mm -> 1. 3mm 宽度的恒定的02可用性通道、19通道划界、0. 3mm通道 深度、1 - 0. 6mm(入口 -出口 )的通道宽度(land width )、 0. 75mm x 50mm ( Wx L)入口通道肋，以及86cm2有效面 积
阳极通道轮廓
*材料SGL碳BBP 4石墨
參设计尺寸lmmx l咖x 1052mm(Wx Dx L)的4条通道、 以13弯曲的蛇形配置、覆盖86cm'的有效面积 参照图5,当与才艮据申请人的第PCT CA 02/00816号PCT申请的 具有宽度成直线逐渐缩小/恒定深度的通道设计的阴极流场以及具有 成直线非逐渐缩小流道的常规流场进行比较时，具有隔板20的燃料电 池的试验结果显示出提高的空气化学计量(流速)回弹(resilience)。 空气Stoich回弹提高表明整个有效面积的氧可用性提高。
虽然在此通过优选实施方案对本发明进行了描述，但是本领域普 通技术人员应该理解的是，可以对本发明进行和增加各种改变。这些 改变和替代被j人为在本发明的精神和范围之内。例如，我们预期，本
发明的阴极流场也可应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)应用中。
权利要求
1.一种燃料电池阴极流道，包括(a)入口；(b)出口；(c)在所述入口和出口间纵向延伸的深度基本恒定的底板；和(d)一对对置的侧壁，其从底板向上延伸并且限定在它们之间的通道宽度，该通道宽度根据从入口到出口的通道长度按指数规律减小。
2. 如权利要求1所述的燃料电池阴极流道，其中所述通道宽度根 据自然指数函数减小。
3. 如权利要求2所述的燃料电池阴极流道，其中在所述通道选定 纵向位置处的通道宽度与该选定纵向位置的自然指数函数成正比。
4. 如权利要求3所述的燃料电池阴极流道，其中所述自然指数函 数也是常数函数，该常数根据其中包括所述流道的燃料电池的空气化 学计量比导出。
5. 如权利要求4所述的燃料电池阴极流道，其中所述常数是所述 空气化学计量比的函数的自然对数。
6. 如权利要求4所述的燃料电池阴极流道，其中在选定纵向位置 的所述通道宽度也与在所述通道入口处的通道宽度成正比。
7. 如权利要求1所述的燃料电池阴极流道，其中在选定纵向位置 的所述通道宽度等于其中x是该选定纵向位置，W(O)是在入口处的通道宽度，L是通 道长度，以及ST0ICH是其中包括所述流道的燃料电池的空气化学计量 比。
8. —种燃料电池隔板，其包括至少一个如权利要求1所述的流道。
9. 如权利要求8所述的燃料电池隔板，包括多个如权利要求1所 述的阴极流道，所述流道^皮隔肋彼此4黄向隔开。
10. 如权利要求9所述的燃料电池隔板，其中所述流道共同限定流 场，该流场被排列为总体梯形的形状。
11. 如权利要求9所述的燃料电池隔板，其中所述隔肋具有基本恒 定的宽度。
12. 如权利要求11所述的燃料电池隔板，还包括位于每一流道入 口的局部隔肋。
13. —种燃料电池阴极流道，包括根据通道长度变化的4黄截面面 积，以使得对于给定的空气化学计量比和通道长度，在沿通道每一纵 向位置的氧的可用性保持基本恒定。
14. 一种如权利要求13所述的燃料电池阴极流道，还包括(a) 入口 ；(b) 出口 ；(c) 在所述入口和出口间纵向延伸的深度基本恒定的底板；以及(d) —对对置的侧壁，其从底板向上延伸并且限定在它们之间的通 道宽度，该通道宽度根据从入口到出口的通道长度按指数规律减小。
15. 如权利要求14所述的燃料电池阴极流道，其中在通道选定纵 向位置的通道宽度与指数取幂的底成正比，该幂是该选定纵向位置的 函数。
16. 如权利要求15所述的燃料电池阴极流道，其中所述底是自然 对数底e。
17. 如权利要求16所迷的燃料电池阴极流道，其中在所述选定纵 向位置的通道宽度也与在通道入口处的通道宽度成正比。
18. 如权利要求17所述的燃料电池阴极流道，其中所述幂也是其 中包括所述流道的燃料电池的空气化学计量比的函数。
19. 如权利要求18所述的燃料电池阴极流道，其中在选定纵向位 置的通道宽度等于竭/I te^IJ其中"x"是该选定纵向位置，"W(0)"是在通道开始位置的通道 宽度，"L"是通道长度，以及"ST0ICH"是其中包括所述流道的燃料 电池的空气化学计量比。
20.如权利要求13所述的燃料电池阴极流道，其中在选定纵向位 置处的通道面积"A(x)"等于麟=(1.7 x 10、")~"^-^-^-. m / ]其中"x"是选定的纵向位置，"I"是整个通道的电流载荷， "stoich"是其中包括所述流道的燃料电池的空气化学计量比，"Id" 是电流密度，W"x)是在选定纵向位置"x"处的氧反应区域的宽度， 以及"AVAIU(x)"是在选定纵向位置"x"处的氧的可用性。
全文摘要
一种具有多个通道的燃料电池阴极流场，其中每一通道具有根据通道长度变化的横截面面积，以使得对于给定的通道长度和空气化学计量比，在沿通道每一纵向位置的氧的可用性保持基本恒定。每一通道包括具有深度基本恒定的底板和一对从底板向上延伸的侧壁；该侧壁的每一个以相对于通道中心线的凸曲线从通道入口至出口向内逐渐减小。实现整个流场的氧的可用性基本均匀，由此导致整个流场的电流密度基本均匀，这对于高效的燃料电池运转和改进的性能是理想的。
文档编号H01M4/86GK101099253SQ200580046031
公开日2008年1月2日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年1月5日
发明者D·E·莱杰, G·蒙蒂, R·B·雷德利克 申请人:动力磁盘发展有限公司