专利名称：用于电化学燃料电池的流场板的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学燃料电池，特别涉及用于流场板的流场通道特性。
背景技术：
燃料电池将燃料和氧化剂转换为电能和反应产物。质子交换膜燃料电池应用膜电极组件(“MEA”)，该膜电极组件具有被插入在阳电极和阴电极之间的质子交换膜(“PEM”)(也称为离子交换膜)。阳极典型地包括电化学催化剂和离聚物，或者电催化剂、离聚物以 及粘合剂的混合物。离聚物在电催化剂层中的存在有效地增加了电催化剂的电化学活性表面积，上述电催化剂需要连接阴极电催化剂的离子导电通道以产生电流。该阴电极可相似地包括电催化剂和粘合剂和/或离聚物。典型地，阳极和阴极中所用的电催化剂为钼或钼合金。每一个电极可进一步包括微孔的，导电的基板，例如碳纤维纸或碳布，该基板为所述膜提供结构支撑并作为气体扩散层(GDL)。阳电极和阴电极可被结合或密封于PEM以形成单一体的MEA单元。该膜电极组件被典型地插入到两个导电流场板或隔板之间。在工作期间，这些流场板作为集流体，为电极提供支撑，并提供供应例如燃料和氧化剂的反应物以及去除过量的反应物和所产生的例如水的产物的流场。在一些情况下，通过将被称为阳极流场板和阴极流场板的两个流场板结合在一起形成了双极流场板，使得阳极流场板形成在双极流场板的一个表面上，阴极流场板形成在双极流场板的相反的另一个表面上，并且制冷剂流场被形成在该阳极流场板和阴极流场板之间。在其它的情况下，双极流场板可以为在其一个表面上具有阳极板而在另一个表面上具有阴极板的单个板。流场典型地包括其间形成了流场通道并在被组装到燃料电池中时接触MEA的电极的多个台面(landing)。图1_4(现有技术)共同地说明了传统MEA5的典型设计，电极1，3之间夹有质子交换膜2(图I);包括在流场板11，12 (图2)之间的MEA5的电化学电池10(图3);电化学电池10的堆50(图3)；在端板17，18之间被压制的堆50 (图4)。图1-4的每一个也描述了在工作期间用于向燃料电池输送反应物和从燃料电池去除产物的阀组30。在燃料电池工作期间，主要负载从该燃料电池上抽取。在阳电极上，燃料(典型地以氢气的形式)在PEM的存在下在阳极电催化剂上反应以形成氢离子和电子。在阴电极上，氧化剂(典型地为空气中的氧气)在阴极催化剂的存在下与穿过PEM的氢离子反应以形成水。该PEM在方便了从阳极到阴极的氢离子的迁移的同时，也用于将燃料流与氧化剂流隔离。电子流过外部电路创建了维持主负载的电流。在实际中，燃料电池需要耐受改变工作状态，特别是液体水在流场通道中积累的条件。当存在液体水时，在燃料电池堆中的一些燃料电池可显示比燃料电池堆中其它的燃料电池显著高的流动电阻(例如对给定的压力降流过流通道较少气体)。结果，较低的流动阻力燃料电池将经历比较高流动阻力燃料电池更多的气体流，导致了该较高流动阻力燃料电池变的缺乏反应物并导致它们的电压的下降。由于在流通道中液体水的存在，该低流动阻力可能在不同电池之间不同并可在整个时间内随机地发生，导致了电压和/或压力的不稳定。许多技术被采用以去除流通道中的液体水或防止液体水的生成。在一个例子中，该燃料电池堆可在更高的温度下工作以减小或阻止液体水的形成。然而，由于元件的退化，例如质子交换膜和密封材料的退化，以及碳质元件的侵蚀，典型地限制了最大工作温度。在其它的例子中，流通道可被设计为对于给定的流速表现出更高的压力降和/或反应物能被以更高的流速供应(例如周期性地吹扫)使得液体水能被更容易的去除。然而，这些技术需要相对贵的燃料电池系统设计，更耐用的MEA元件，和/或增加的系统寄生损耗。由于调节工作状态以去除液体水的缺点，因此建议调整流通道特性使得水依靠毛 细作用从电极带走。例如，美国专利No. 6649297公开了一种用于燃料电池的双极板，其包括在其至少一面上，能够形成具有邻近的电极的表面的气体分散通道的沟道，其中，该气体分散通道具有一定形状或几何图形，使得在该通道中的两阶段流动的液体可以从电极的界面去除。在一个优选的几何图形中，该通道具有等腰梯形的横截面，该等腰梯形的边(除了底)是相等的并且它的小底由电极的表面限定。换句话说并如图5 (现有技术)中所示，电极附近的两个角(角Φ)都具有比两个相对的角(角β)大的角度值。然而，这样一个分散通道几何图形难以使用低成本板模铸，模压或机械加工大批量地制造。在另一个例子中，美国专利No. 7087337描述了用于燃料电池的组件，包括导电的液体分散单元，该单元具有配置在其上的流场，其中该流场包括用于承载燃料电池气态反应物的多个通道。该组件还包括配置在所述单元的表面上的导电体以作为气体扩散媒介。如图6中(现有技术)所示，所述单元的通道包括形成在不同方向上的多个侧壁出1，62)，并且该些侧壁的方向形成了通道的截面的几何图形，使得在导电液体分布单元和导电体的界面上以及在该通道的底部上形成了水收集区域。当通道使用倾斜的侧壁几何图形时，水被引入该通道的最尖的拐角处。然而，该气体扩散层是典型地憎水的，这使得它们形成不良的而形成锐角来聚集水。此外，因为水聚集在通道的底部，因此该通道的深度需是浅的，这受到可制造性所限制并限制了该流通道尺寸和设计灵活性。相应地，仍然需要改进技术以去除燃料电池中的液体水。本发明即着眼于该需要并提供进一步的相关优势。
发明内容
简要概述一种用于电化学燃料电池的流场板，包括第一流场；相对的第二流场；以及形成在所述第一流场上的至少一个流通道；该至少一个流通道包括由一个开放式顶和相对该顶具有深度(Df)的底表面所隔开的第一侧边和相对的第二侧边；第一侧边通道形成于沿着该至少一个流通道的连续长度延伸的该开放式顶的一部分和该第一侧边的一部分中，该第一侧边通道包括第一侧壁和相对该第一侧边通道的开放式顶具有深度(Ds)的第一底壁；其中该第一侧边通道的第一侧壁和该第一侧边通道的第一底壁在截面上相对于该至少一个流通道形成了钝角；该至少一个流通道的底表面的深度(Df)大于该第一侧边通道的第一底壁的深度(Ds)。在进一步地实施例中，一种燃料电池包括膜电极组件和流场板以及至少一个流通道；所述膜电极组件包括阳极、阴极和插入在它们之间的质子交换膜；所述流场板包括第一流场、相对的第二流场；所述至少一个流通道形成在第一流场中，该至少一个流通道包括被开放式的顶和相对所述顶具有深度(Df)的底表面所分隔开的第一侧边和相对的第二侧边；以及，第一侧边通道形成于所述开放式顶的一部分和沿着所述至少一个流通道的连续长度延伸的所述第一侧边的一部分中， 该第一侧边通道包括第一侧壁和相对所述第一侧边通道的开放式顶具有深度(Ds)的第一底壁；其中该所述第一侧边通道的第一侧壁和所述第一侧边通道的第一底壁在相对于所述至少一个流通道的截面中形成了钝角，该至少一个流通道的底表面的深度(Df)大于该第一侧边通道的第一底壁的深度(Ds)。在一些实施例中，所述至少一个流通道的开放式顶的截面宽度相对于所述第一侧边通道的开放式顶的截面宽度的比率为至少大约2 I。在其它的实施例中，该至少一个流通道的底表面的深度相对于该第一侧边通道的第一底壁的深度的比率大于大约I : I且小于大约2 I。在另一个其它的实施例中，所述至少一个流通道的截面积是所述第一侧边通道的截面积的至少约3倍。通过参照下面的详细说明以及所附的附图将明了本发明的这些以及其它的方面。
图I至4示出了根据现有技术的燃料电池堆结构。图5示出了根据现有技术的流通道结构的截面图。图6示出了根据现有技术的另一个流通道结构的截面图。图7示出了根据一个实施例的流场板的截面图。图8示出了根据一个实施例的流通道结构的分解截面图。图9示出了根据一个实施例的流通道结构的分解截面图。图10示出了工作在相同的状态下的5个燃料电池在不同的冷却剂出口温度下的压力降变化的差异。图11示出了工作在相同的状态下的5个燃料电池在不同的冷却剂出口温度下的压力降稳定性的差异。图12示出了工作在相同的状态下的2个燃料电池在不同的冷却剂出口温度下随时间的压力降稳定性。
具体实施例方式在下面的说明中，为了彻底的理解各个实施例，设定了具体的特殊细节。但是，本领域技术人员将明白本发明可在不具有这些细节的情况下实施。在其它的实例中，没有具体示出或描述与燃料电池、燃料电池堆以及燃料电池系统相关的公知结构以避免对这些实施例的不必要的模糊描述。除非上下文需要，否则，贯穿下面的说明书和权利要求书的词语“包括”以及它们的变体，例如“包括”和“具有”是开放式的限定，包含的意思，即“包括但不限于”。同样，贯穿本说明书的术语“一个实施例”或“实施例”意思是与该实施例相关的所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同地方所出现的术语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必总对应于相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以任何适宜的方式结合到一个或多个实施例中。在本发明中，“连续的流通道”意思是该流通道从燃料电池入口到燃料电池出口跨越而不具有任何间断，因此允许液体在其中从燃料电池入口到燃料电池出口流动。相似地，“连续的侧边通道”意思是该侧边通道从燃料电池入口到燃料电池出口跨越而不具有任何间断，因此允许液体在其中从燃料电池入口到燃料电池出口流动。如上所述，流通道中液体水的存在典型地在燃料电池中创建了随机的和变化的流动阻力，因为液体水阻碍或阻塞了气流通道。为了应对该难题，流场板被设计为具有形成在邻近气体扩散层(GDL)的流通道的上顶部部分中的连续的小侧边通道，以吸引液体水从流场板的台面下面和/或从主流通道到在该主流通道中的不明显地阻碍气流的部分，从而离开⑶L的表面。已经发现相比较于具有传统流场通道设计的燃料电池，具有这样连续侧边通道的燃料电池改进了流动阻力稳定性。这被由随时间的压力降变化的标准偏差而测量的改进的压力降稳定性所例证。不受理论所限制，压力降的更高的稳定性意味着在流场通道中具有更少的水，如果存在，将导致差的流动特性(例如更大的压力降“噪声”)，同时导致由于反应物缺乏不同电池之间的电压变化。例如，估计标准偏差3. 5%，为了维持所给定的负载而所最小需要的氧化剂化学计量可变化超过12%。因此供应到该燃料电池的最小氧化剂化学计量必须也增加至少12%以应对压力降的不稳定性。此外，发现对于利用这样的侧边通道的燃料电池，在不同温度下的压力降变化(和，因此，在燃料电池中的水含量)也较低。典型地，希望低变化的压力降，从而氧化剂吹风机或压缩机将经历更恒定的状态，并因此，该吹风机或压缩机能够更精确地确定大小。例如，如果氧化剂吹风机或压缩机太大，则附加损耗将会不必要的高。另一方面，如果氧化剂除风机或压缩机太小，将在具有较高流动阻力的电池中发生反应物不足。图7说明了根据一个实施例的流场板的截面(为了便于理解未示出侧边通道特征)。流场板100包括第一流场表面102和相对的第二流场表面104。(在燃料电池结构中，⑶L邻近第一流场表面102而设置)。第一流场表面102包括连续的流通道106，该流通道106由被开放式(open faced)顶112和底表面114所分隔开的第一侧边108和相对的第二侧边110而限定。每一个流通道106都被台面116所隔开。为了更好的可制造性，流通道的截面宽度应该在离开开放式顶112并朝着底表面114的方向总体上减小(例如，开放式顶112的截面宽度大于底表面114的截面宽度)。相似地，第二流场表面104也可包括流通道(未示出)。尽管在图7中未示出，但是典型的流场板将具有用于供应和去除反应物的集流管，例如图1-4中所示的集流管30。该集流管可以为内部集流管(形成在板内)或外部集流管(附接到该板上)。本领域技术人员将理解该流场通道典型地从流场管的入口集流管到出口集流管连续地延伸。参照图8，其是流通道106的截面分解图，该流通道106包括形成在开放式顶112的一部分中的第一侧边通道118，如图7中所示意的，所述第一侧边通道118典型地邻近并液体地连接至⑶L (未示出)，并在第一侧边108的沿着流通道106的连续长度的一部分中。第一侧边通道118液体地连接至流通道106的主流通道部分并由第一侧壁120和第一底壁122所限定。相似地，第二侧边通道124被形成在典型地也邻近并液体地连接至GDL(未示出)的开放式顶112的一部分中，并在第二侧边110(如图7所示)的沿着流通道106的连续长度的一部分中。第二侧边通道124也液体地连接至流通道106的主流通道部分并由第二侧壁126和第二底壁128所限定。优选地，第一侧壁120和第一底壁122在截面上形成钝角δ以有助于制造工艺，例如模压、机加工以及模铸。相似地，第二侧壁126和第二底壁128优选在截面上形成钝角δ。不受理论所限制，可在拐角处发生的毛细管-驱动流使得满足Concus-Finn条件，其中该Concus-Finn条件由公式(I)所限定Θ < Ji /2- α (I)其中Θ是表面的静接触角，α是所述拐角的半角。因此，该第一和第二侧边通道被设计为特定的尺寸、形状和位置，通过创建毛细管驱动拐角流以使水从GDL的表面上和 主通道中毛细作用地吸离。因为水被毛细作用地吸离而进入主流通道区域的外部的区域，因此，流动阻力变化性被降低了并且改进了压力降稳定性。例如，第一和第二侧边通道118，124的截面深度(Ds)应该足够深以使得液体水被从气体扩散层上轻微地引开并引入到侧边通道118，124(例如流通道106的主流通道区域的外部)，因此，去除了在GDL的表面上的可贡献于流动阻力变化和/或气体扩散阻碍的液体水滴。除此之外，该第一和第二侧边通道118，124的截面深度(Ds)应该小于流通道106的截面深度(Df)以使得水能够比进入主流通道区域更容易地被从GDL的表面引到侧边通道。不受理论所限制，如上所述并如实例部分的FC-5中所示，可认为水滴典型地不毛细作用地进入由流场板和气体扩散层形成的拐角，因为气体扩散层是大体上憎水的，这使得其是差的含水拐角(例如违反了 Conicus-Finn条件)。然而，通过提供位于离开气体扩散层的表面的拐角以及流通道的块体并恰当地赋予尺寸和形状，液体水能够通过毛细管驱动拐角流毛细作用地离开GDL的表面而流入拐角而不在流通道的块体聚集水。结果，流通道106的深度不受限制，因为它仅起到提供反应物流的作用。此外，第一和第二侧边通道118，124优选连续地和液体地连接至燃料电池的出口或出口集流管使得过量的液体水能被沿着流通道106的连续长度收集在第一和第二侧边通道118，124的任何位置，并且过量的水能够流动并被在流通道106的出口或出口集流管处从第一和第二侧边通道118，124去除。在一些实施例中，流通道106比第一和第二侧边通道118，124大很多。参照图9，流通道的截面深度Df (例如从流通道的开放式顶到流通道的底的距离)与第一侧边通道的截面深度Ds (例如从侧边通道的开放式顶到侧边通道的底的距离)的比率大于大约I : I但小于大约2 I。此外，流通道106的开放式顶的截面宽度Wf应该比该第一和第二侧边通道118，124的开放式顶的截面宽度Ws大。在一些实施例中，流通道106的开放式顶的截面宽度Wf与该第一侧边通道的开放式顶的截面宽度Ws的比率是至少大约5 1，并且在另外的实施例中，至少大约10 I。在其它的实施例中，主流通道的截面积Af是每个侧边流通道的总的截面积As的至少3倍，并且在另外的实施例中，是每个侧边流通道的截面积的至少5倍。在一些实施例中，第一和第二侧边通道118，124的钝角δ可以等于或小于流通道106的钝角Y。不受理论限制，通过在第一和第二侧边通道118，124中应用等于或小于流通道106的钝角Y的钝角δ，水更可能被引入进侧边通道118,124。在一个实施例中，第一主流场表面102可以是阳极或阴极流场，而第二主流场表面104可以是冷却剂流场。在另一个实施例中，第一主流场表面可以是一个阳极或阴极流场，而第二主流场表面可以是阴极或阳极流场中的另外一个。流场板100可以是任何合适的材料，例如但不限于石墨、碳质(carbonaceous)材料或金属性材料以及它们的组合。第一主流场可包括在其表面上的涂层，例如亲水涂层。不受理论限制，该涂层将降低形成在流通道中的任何水滴的表面张力(例如减小接触角)以使得水能够被更容易地毛细作用地进入侧边通道。作为本领域技术人员应当理解，流场板可通过在两个流场板之间设置膜电极组件而被结合到电化学燃料电池中，从而使得膜电极组件的气体扩散层邻近于流场板。将该电化学燃料电池进一步地结合进燃料电池堆和系统中将是本领域技术人员容易确定的。尽管所示出的侧边通道的拐角为锐角，但是也可使用圆角而不影响该侧边通道的功能，只要该侧边通道包括形成钝角的侧壁和底壁，并且底壁的深度小于流通道的深度。此外，第一侧边通道和第二侧边通道可以具有相同或不同的尺寸。例如，第二侧边通道的宽度 W’ 3和第二侧边通道的深度D’ s可以不同于第一侧边通道的宽度Ws和第一侧边通道的深度Ds。除此之外，虽然在图8和9中示出了两个侧边通道，但是预计即使流场通道结合仅一个这样的侧边通道时，也仍然能改进水管理。下面的实例是出于说明的目的，不作为限制。实例根据表I中的流场通道尺寸参数加工了六个阴极流场板。5个氧化剂流场板FC-I至FC-5在流场通道的两个侧边上都具有侧边通道而基线不含任何侧边通道。另外，该侧边通道FC-5在它的侧边通道中不具有侧壁和底壁，而是替代为具有倾斜壁(参见图6)。该流场板被组装进具有相同的阳极流场板和MEA的燃料电池中以评估它们的工作特性。表I.流场通道的几何尺寸
权利要求
1.一种用于电化学燃料电池的流场板，包括 第一流场表面； 相对的第二流场表面；以及 形成在所述第一流场表面中的至少一个流通道；所述至少一个流通道包括 由开放式顶和相对所述顶具有深度(Df)的底表面所隔开的第一侧边和相对的第二侧边； 第一侧边通道，沿着所述至少一个流通道的连续长度形成于所述开放式顶的一部分和所述第一侧边的一部分中，所述第一侧边通道包括第一侧壁和相对所述第一侧边通道的开放式顶具有深度(Ds)的第一底壁； 其中所述第一侧边通道的所述第一侧壁和所述第一侧边通道的所述第一底壁在相对于所述至少一个流通道的截面上形成钝角；以及 所述至少一个流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述第一侧边通道的所述第一底壁的所述深度(Ds)。
2.如权利要求I所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的所述开放式顶的截面宽度相对于所述第一侧边通道的所述开放式顶的截面宽度的比率为至少5 I。
3.如权利要求I所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的所述开放式顶的截面宽度相对于所述第一侧边通道的所述开放式顶的截面宽度的比率为至少10 I。
4.如权利要求I所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的底的所述深度(Df)相对于所述第一侧边通道的所述第一底壁的所述深度(Ds)的比率小于2 I。
5.如权利要求I所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的截面宽度在离开所述开放式顶并朝向所述底表面的方向上减小。
6.如权利要求I所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的截面面积大于所述第一侧边通道的截面面积。
7.如权利要求6所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的截面面积是所述第一侧边通道的截面面积的至少3倍。
8.如权利要求6所述的流场板，其中，所述至少一个流通道的截面面积是所述第一侧边通道的截面面积的至少5倍。
9.如权利要求I所述的流场板，其中，所述相对的第二流场是冷却剂流场。
10.如权利要求I所述的流场板，其中，所述第一流场是阴极流场而相对的第二流场为阳极流场。
11.如权利要求I所述的流场板，进一步包括石墨材料、碳质材料或金属性材料或它们的组合。
12.如权利要求I所述的流场板，其中，所述第一流场表面包括在其表面上的亲水材料。
13.如权利要求I所述的流场板，进一步包括 第二侧边通道，沿着所述至少一个流通道的连续长度形成于所述开放式顶的一部分和所述相对的第二侧边的一部分中，所述第二侧边通道包括第二侧壁和相对所述第二侧边通道的所述开放式顶具有深度Φ’ s)的第二底壁； 其中所述第二侧边通道的所述第二侧壁和所述第二侧边通道的所述第二底壁在相对于所述至少一个流通道的截面上形成钝角；以及 所述至少一个流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述第二侧边通道的所述第二底壁的所述深度Φ’ s)。
14.一种电化学燃料电池，包括 膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和插入在它们之间的质子交换膜； 流场板，所述流场板包括邻近于所述阳极或所述阴极的流场和形成在邻近于所述阳极或所述阴极的所述流场中的至少一个流通道，所述至少一个流通道包括 由开放式的顶和相对所述顶具有深度(Df)的底表面所隔开的第一侧边和相对的第二侧边；以及， 沿着所述至少一个流通道的连续长度形成在所述开放式顶的一部分中和所述第一侧边的一部分中的侧边通道，所述侧边通道包括侧壁和相对所述第一侧边通道的开放式顶具有深度(Ds)的底壁； 其中 所述侧边通道的所述侧壁和所述侧边通道的所述底壁在相对于所述至少一个流通道的截面中形成钝角；并且 所述至少一个流通道的所述底表面的所述深度(Df)大于所述侧边通道的所述底壁的所述深度(Ds)。
15.如权利要求14所述的电化学燃料电池，进一步包括 第二流场板，其包括邻近于所述阳极或所述阴极中的另一个的流场。
全文摘要
一种流场板，包括第一流场；相对的第二流场；以及形成在所述第一流场中的至少一个流通道；该至少一个流通道包括由一个开放式顶和相对该顶具有深度的底表面所隔开的第一侧边和相对的第二侧边；以及形成在该开放式的顶的一部分中并且在该第一侧边的一部分中沿着该至少一个流通道的连续长度的第一侧边通道，该第一侧边通道包括第一侧壁和相对该第一侧边通道的开放式顶具有深度的第一底壁；其中该第一侧边通道的第一侧壁和该第一侧边通道的第一底壁在截面上相对于该至少一个流通道形成了钝角；并且该至少一个流通道的底表面的深度大于该第一侧边通道的第一底壁的深度。
文档编号H01M8/10GK102884663SQ201180013123
公开日2013年1月16日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月8日
发明者J·D·格兰特, B·H·莫斯, D·B·玛凯 申请人:Bdf Ip控股有限公司