燃料电池流动沟道和流场的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请设及并要求保护2012年8月14日提交的美国临时专利申请 No. 61/683, 156、2012年10月10日提交的美国临时专利申请No. 61/712, 010、W及2012年 10月10日提交的美国临时专利申请No. 61/712, 236的优先权权益，其中每个临时申请通过 全文引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明总体上设及燃料电池，具体地，设及燃料电池的流场（flowfield)设计和 流场板。
【背景技术】
[0004] 在典型的聚合物电解质膜（PEM)燃料电池中，膜电极组件（MEA)被布置在两个导 电隔板（S巧aratorplates)之间。氧化剂和燃料流场提供用于将氧化剂和燃料引导到MEA 的各电催化剂层的装置，具体地，引导到燃料侧的阳极和MEA的氧化剂侧的阴极。典型的反 应物流体（reactantfluid)流场具有至少一个沟道，其中反应物流体流经该沟道。通常通 过将多个面向开口的沟道设置在隔板的一面或两面上，来将流体流场与隔板相集成。面向 开口的沟道面对电极，其中反应物在该电极处进行化学反应。通常向电极提供比燃料电池 中的电化学反应实际消耗的反应物更多的反应物。化学计量（stoichiometry)(或化学计 量比）可W被定义为提供给燃料电池的反应物的摩尔流率除W在燃料电池中消耗的反应 物的摩尔流率；反应物的化学计量是反应物利用率的倒数。
[0005] 在单个电池布置中，将隔板设置在每个阳极和阴极侧。将隔板用作集电器 (currentcollectors)，提供电极的结构支撑。在燃料电池组中，两侧具有反应物流场的双 极板通常夹有MEA。
[0006] 在传统燃料电池流场中，反应物流动沟道沿其长度具有恒定的横截面面积和形 状。通常，所述沟道的横截面为方形或矩形。然而，流动沟道的横截面面积沿其长度变化 的燃料电池是已知的。例如，申请人已授权的美国专利No. 6, 686, 082和美国专利申请公开 No.US2006/0234107(每个文献通过全文引用合并于此）描述了梯形的燃料电池流场板，其 中流动沟道的横截面是矩形，并横截面积沿流动方向连续减小。具体地，描述了多个实施 例，其中，流动沟道宽度沿流动方向线性地减小。该种锥形沟道使得反应速度沿沟道增加， 并用于提供蛇形流动沟道的一些优点，而没有显著压降W及通常与蛇形流动沟道相关联的 寄生负载的相关增加。相对于大略覆盖相同流场区域的传统流场，蛇形流场提供更高的反 应速度和改善的沟道除水性能。
[0007] 还已知的是；有可能通过沿阴极流动沟道的长度改变它的横截面面积，来增强燃 料电池性能。燃料电池通常在阴极处对稀释的氧化剂流（即，空气）进行操作。当空气 沿着阴极流动沟道流动时，空气流中的氧含量倾向于大量减少，空气压力倾向于下降。该 可导致燃料电池性能降低和电流密度在燃料电池中不均匀。申请人已授权的美国专利 No. 7, 838, 169(该申请通过引用合并于此）描述了沟道横截面具有更复杂变化的改善型阴 极流场沟道，可W将该阴极流场沟道用来实现阴极处实质上恒定的氧气供应。描述了多种 实施例，其中沟道的横截面面积沿沟道长度变化，使得对于给定沟道长度和空气化学计量， 氧气供应保持为实质上恒定的。在一些实施例中，沟道宽度沿氧化剂流动方向根据指数函 数减小。由于沿着该沟道保持实质上恒定的氧气供应，使用该种阴极流动沟道已被证明提 供改善的电流密度均匀性，并增强燃料电池性能。
[0008] 在对PEM燃料电池的长时间操作期间，存在可W导致不可逆的性能损失和/或电 化学表面积（surfacearea)的损失的许多因素。该种损失主要由于催化剂层劣化，包括销 金属溶解和对碳载体的腐蚀。碳腐蚀是由电池逆转而引起的，而电池逆转可W是由阳极区 域中的不均匀反应物分布和/或燃料不足而引起的。销溶解可W是由于在阴极或阳极处的 高电势而引起的，当存在异构电流分布时可W在阴极或阳极处发生高电势。单独地或相结 合地，该些劣化速率可W是较大的，并且需要缓解W便进行长期稳定操作。用均匀电流密度 操作燃料电池可W减少碳腐蚀和销溶解，该两者对于燃料电池性能、寿命和耐久性都是不 利的。可W推测；实现更均匀的电流密度会降低燃料电池劣化速率，从而改善燃料电池寿 命。此外，增加沟道下游的速度可W减小在燃料电池启停顺序期间在阳极处氨气/空气前 列在空气净化循环期间的停留时间，从而导致减小碳腐蚀速率和改善耐久性。
[0009] 最初研发了在"169专利中描述的流场沟道，并将其用于燃料电池阴极，并不期 望该流场沟道在阳极处提供特定优点，至少部分是因为对实质上纯净的氨气进行的燃料电 池操作不会导致大量传送损耗，该是由于氨分子具有较高的浓度和较高的扩散率。然而，申 请人现在确定可W对该种流场沟道进行修改W便用于阳极处，使得当燃料电池对稀释的燃 料进行操作时增强燃料电池性能，当燃料电池对实质上纯净的燃料进行操作时提供更多性 能优点。
[0010] 通常，将实质上纯净的燃料流（诸如氨气）用于燃料电池阳极，沿阳极流动沟道的 反应物耗尽和反应物供应的问题与阴极上的空气是不一样的。通常，对于对实质上纯净的 燃料的操作，阳极流场是"死端（dead-ended)"，燃料电池或燃料电池组装配有用于除去杂 质、污染物和/或水的排除阀或放气阀，由于在燃料电池的操作期间消耗燃料，杂质、污染 物和/或水往往积聚在阳极流动沟道的下游部分。该种"惰性"的积累可导致电流密度不均 匀，从而降低燃料电池性能。此外，在阳极流动沟道积累水可能导致其他问题，包括阻断燃 料访问阳极催化剂，从而导致与碳腐蚀和贵金属催化剂溶解二者相关的燃料不足条件。申 请人已确定可W修改与在"169专利中所述的流场沟道相似的流场沟道，W便用于阳极处 来减少在阳极处的一部分不利影响，增强甚至在实质上纯净的燃料上的燃料电池性能。该 种沟道可W用于增加燃料在沿沟道通过期间的燃料速度。据信该样可W提高燃料利用率， 由于提高在阳极上的流速可W提供更高的燃料供应量，引起在较低流速下电流密度的均 化。该可W减少针对给定功率输出的燃料消耗。此外，如果燃料电池对稀释的燃料流（如 含有氨的重整流，或甲醇水溶液）进行操作，则由于该燃料流沿流动沟道流动，因此所述流 中的氨含量趋于被耗尽，燃料流压力趋于下降。二者可导致燃料电池性能降低。本文所述 的阳极流场沟道可W用来补偿燃料的消耗，从而实现了对稀释燃料的实质上恒定的燃料供 应，从而提供了更均匀的电流密度。
[0011] 除了针对在阳极处使用的修改之外，"169专利和本文还描述了对流场沟道和流场 的其它改善和变型。具体地，描述了多种实施例，其中可w将该种流动沟道合并或改型到传 统矩形燃料电池在阳极和/或阴极处的几何形状（而不是梯形燃料电池）中，燃料电池活 性区域的利用率高并且有效地利用MEA和板材料。还描述了多种实施例，其中沟道的特性 随着沿沟道的距离而变化，根据与"169专利和本文所述的相同或相似原理，但是仅沿着沟 道长度的一部分。还描述了其它实施例，其中沟道的特性根据相同或相似原理随着沿沟道 的距离而变化，但是该种变化是W阶梯的或不连续的方式。可W将该种实施例可W用来实 现上述性能优势的至少一部分，还可W提供改善流场的选项，改善流场更易于制造或合并 到矩形燃料电池板几何形状中。
【发明内容】
[0012] 通过燃料电池阳极流场板，实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包 括：
[001引 （a)燃料入口；
[0014] 化）燃料出口；
[0015] (C)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底 板（floor)W