用于电化学燃料电池的流场板的制作方法

本公开涉及电化学燃料电池，尤其涉及流场板凸台的新颖设计。

背景技术：

燃料电池系统将反应物(即燃料和氧化剂)转化为电能，并因此在例如汽车和固定发电厂之类的许多应用中用作电源。这种系统是经济地提供具有环境益处的动力的良好解决方案。

燃料电池通常采用了设置在两个电极(即阴极和阳极)之间的电解质。催化剂通常在电极处诱导电化学反应。优选的燃料电池类型包括固体聚合物电解质燃料电池，其包括固体聚合物电解质，例如质子交换膜，并且在相对较低的温度下操作。质子交换膜燃料电池采用了具有插置于阳极电极和阴极电极之间的质子交换膜(pem)(也称为离子交换膜)的膜电极组件(mea)。阳极电极通常包括催化剂和离聚物，或者催化剂、离聚物和粘合剂的混合物。催化剂层中离聚物的存在有效地增加了催化剂的电化学活性表面积，这需要通向阴极催化剂的离子传导路径以产生电流。阴极电极可以类似地包括催化剂和粘合剂和/或离聚物。通常，在阳极和阴极中使用的催化剂是铂或铂合金。每个电极通常包括具有微孔的导电基底，例如碳纤维纸或碳布，其为膜提供机械支撑并用于反应物分布从而用作气体扩散层(gdl)。

膜电极组件通常设置在两个导电流场板或分隔板之间，从而形成燃料电池。这些流场板用作集电器，为电极提供支撑，并为反应物(例如燃料和氧化剂)的供应和在操作期间形成的过量反应物和产物(例如产物水)的去除提供流场。流场包括由凸台分隔开的流体分配通道，所述凸台在组装成燃料电池时与mea的电极接触。凸台用作气体扩散层的机械支撑并提供与气体扩散层的电接触。燃料电池组包括压缩在端板之间的多个燃料电池。

在努力减小燃料电池堆的尺寸和降低与燃料电池的制造相关的成本同时改善燃料电池性能的过程中，存在通过采用用于气体扩散层(gdl)的更薄、更多孔的材料来减小流场板的厚度和/或减小膜电极组件的厚度的趋势。

减小流场板的厚度可能涉及减小流场通道的深度，这可能需要增加流场通道的宽度以确保反应物通过通道进行适当的流动。为了防止材料在压缩载荷下偏转到流场通道中以及确保gdl和膜之间的适当接触压力，这与采用较不硬的较薄或较多孔的气体扩散层的趋势相结合，可能引发对gdl材料提供更多支撑的需求。如果没有防止扩散层材料的偏转，通道将被阻塞，从而不利于反应物的分布和/或反应产物的去除并且不利地影响燃料电池的性能。此外，如j.kleemann,f.finsterwalder和w.tillmetz在“characterisationofmechanicalbehaviorandcoupledelectricalpropertiesofpolymerelectrolyticfilmfuelcellgasdiffusionlayers”(journalofpowersources190(2009)pg.92-102)中所讨论的，在燃料电池内的电损耗方面，在与通道中央对应的区域中gdl和膜之间的最小接触压力被认为是关键的。

气体扩散层进入流场通道的问题以及保持催化剂涂覆膜(ccm)和气体扩散层之间的适当接触压力通常通过控制流场板中的凸台的尺寸(宽度)和相应的流动通道的尺寸来解决。在流场设计中简单地增加凸台面积和/或凸台数量或减小流动通道的宽度可以改善相邻流体扩散层的机械支撑，但是这也不利地影响流体进入和离开流体扩散层。

例如，在第6,007,933号美国专利中解决了气体扩散层进入流场通道的问题，该专利描述了使用诸如网孔或延展金属的支撑构件来为扩散层提供增强的稳定性。支撑构件的第一侧邻接流场板表面，支撑构件的第二侧邻接弹性气体扩散层。支撑构件形成有多个开口。由于附加的支撑构件位于流场板和气体扩散层之间，所以在施加到燃料电池组件的压缩力的作用下弹性气体扩散层进入流场板的敞开的流动通道受到限制。然而，这种方法涉及使用额外的部件，这会增加单元的厚度、单元的复杂性和成本。

在另一个示例中，第6,541,145号美国专利描述了一种用于流场板的流场设计，该流场板包括具有平均宽度w并被凸台隔开的流体流动通道，该流体流动通道被构造成使得流体扩散层的未支撑的矩形表面具有长度l和宽度w，其中比率l/w小于约3。这种方法解决了针对弱的流体扩散层改善机械支撑的问题，但是涉及更复杂的流体流场配置，并且不解决维持膜和电极之间的接触压力的问题。

因此，仍然需要解决气体扩散层进入流场通道的问题，同时确保ccm和气体扩散层之间的充分接触压力。本发明的实施方式解决了这种察觉到的需求并提供了更多相关的优点。

技术实现要素：

简言之，用于电化学燃料电池的流场板包括：第一流场表面；相对第二表面；形成在第一流场表面中的至少一个流动通道；以及形成在第一流场表面中的与流动通道相邻的至少一个凸台，其中，凸台包括主表面、在凸台的第一边缘处从主表面延伸的第一凸起和在凸台的第二边缘处从主表面延伸的第二凸起。

在特别有利的实施方式中，第一流场表面的至少一个凸台的主表面具有弯曲的形状。在一些其它实施方式中，第一流场表面的至少一个凸台的主表面具有平坦形状。

在特别有利的实施方式中，从凸台的主表面延伸的第一凸起具有包括预定曲率半径的圆形形状。在一些实施方式中，从凸台的主表面延伸的两个凸起具有圆形形状，其中第一凸起具有第一预定曲率半径，第二凸起具有第二预定曲率半径。第一凸起的第一半径优选地等于第二凸起的第二半径。

在一些其它实施方式中，从第一流场表面的至少一个凸台的主表面延伸的第一凸起具有圆形形状，并且从该凸台的主表面延伸的第二凸起具有平坦形状。或者，从第一流场表面的至少一个凸台的主表面延伸的第一凸起和第二凸起都具有平坦形状。

此外，在一些实施方式中，第一流场表面的至少一个凸台或第一流场表面的每个凸台包括至少一个第三凸起，该第三凸起从凸台的位于第一凸起和第二凸起之间的主表面延伸。在一些实施方式中，该第三凸起具有平坦形状，并且在一些其它实施方式中，其可以具有圆形形状。从凸台的主表面延伸的第三凸起可以具有与在凸台的边缘处从凸台的主表面延伸的第一凸起和第二凸起相同的尺寸和形状，或者其可以具有不同的尺寸和/或形状。

根据本发明实施方式的流场板可包括石墨、碳或金属材料，或其组合。

在一些实施方式中，流场板的相对第二表面还设置有由凸台分隔的流动通道，其中至少一个凸台包括主表面、在凸台的第一边缘处从主表面延伸的第一凸起和在凸台的第二边缘处从主表面延伸的第二凸起。

在流场板的相对第二表面上的至少一个凸台的主表面可以具有弯曲形状或平坦形状，并且在该凸台上的第一凸起和第二凸起可以各自具有圆形形状或平坦形状。在流场板的相对第二表面上的至少一个凸台的主表面可进一步包括在第一凸起和第二凸起之间的至少一个第三凸起，该第三凸起具有平坦形状或圆形形状。每个凸台的第三凸起可以具有与从该凸台的主表面延伸的第一凸起或第二凸起相同的尺寸和形状。

还公开了一种电化学燃料电池，所述燃料电池包括：

膜电极组件，包括阳极、阴极和置于其间的质子交换膜；

以及

流场板，与阳极或阴极接触，所述流场板包括：

-第一流场表面；

-相对第二表面；

-至少一个流动通道，形成在第一流场表面中；以及

-至少一个凸台，邻近流动通道地形成在第一流场表面中，

其中，凸台包括主表面、在其第一边缘处从主表面延伸的第一凸起和在其第二边缘处从主表面延伸的第二凸起。

凸台的主表面可以具有弯曲形状或平坦形状。从凸台延伸的第一凸起或第二凸起可以具有圆形形状或平坦形状。在一些实施方式中，第一凸起和第二凸起可以具有相同的形状和尺寸。

在一些实施方式中，凸台的主表面还可包括在第一凸起和第二凸起之间延伸的至少一个第三凸起。

通过参考以下详细描述和附图，本发明的实施方式的这些和其它方面将是显而易见的。

附图说明

图1示出了根据现有技术的单元电池配置的剖视图。

图2示出了根据本发明的特别有利的实施方式的单元电池配置的剖视图。

图3a示出了根据图2所示的实施方式的流场板的剖视图。

图3b、图3c和图3d示出了根据本发明的可选实施方式的具有不同凸台设计的一些其它可能的流场板配置。

图4示出了ccm和gdl之间的接触压力沿着具有根据本发明的特别有利的实施方式的配置的流场板的二分之一个凸台和二分之一个相邻通道的建模结果。

图5示出了gdl的横向迁移沿着具有根据本发明的特别有利的实施方式的配置的流场板的二分之一个凸台和二分之一个相邻通道的建模结果。

具体实施方式

在以下描述中，阐述某些具体细节以提供对各种实施方式的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践本发明的实施方式。在其它情况下，没有详细示出或描述与燃料电池、燃料电池堆和燃料电池系统相关的公知结构，以避免不必要地模糊对实施方式的描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”及其变体，例如“包含”和“含有”应被解释为开放的、包括性的含义，即，“包括，但不限于”。此外，贯穿本说明书，提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指相同的实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

图1示出了现有技术的单元电池100的剖视图。mea101包括催化剂涂覆膜(ccm)102、阳极气体扩散层(gdl)104、阴极gdl106、靠近阳极gdl的第一流场板108和靠近阴极gdl的第二流场板110。流场板108具有第一流场表面103和相对表面105，第一流场表面103设置有供燃料流过的流动通道112、触及阳极gdl104的表面、并且设置有与阳极gdl104接触的凸台(landing)114。在该实施方式中，相对表面105也是具有流动通道和凸台的流场表面，其具有与流动通道112和凸台114类似的结构，并且在燃料电池堆内，相对表面105的流动通道和凸台与相邻mea的阴极接触。流场板110具有与流场板108类似的结构，其具有第一流场表面107以及包括与第一流场表面107类似结构的第二流场表面109，其中第一流场表面107设置有供氧化剂流过的流动通道116和与阴极gdl106接触的凸台118。在由叠层压缩系统施加到流场板上的压缩力的作用下，凸台114和118确保ccm与阳极gdl和阴极gdl之间的接触。图1所示的流场板的凸台114和118具有完全平坦的表面，使得凸台的整个表面分别与阳极gdl和阴极gdl接触。

图2中示出了根据本发明所述的单元电池的特别有利的实施方式的流场板。单元电池200包括与图1所示的现有技术的单元电池100相同的部件。mea201包括催化剂涂覆膜(ccm)202、阳极气体扩散层(gdl)204、阴极gdl206、靠近阳极gdl204的第一流场板208和靠近阴极gdl206的第二流场板210。本实施方式的流场板208和210的设计与现有技术中已知的流场板108和110的设计之间的差别在于：分别从第一流场板208的第一流场表面203延伸到阳极gdl204和从第二流场板210的第一流场表面207延伸到阴极gdl206的凸台218不是完全平坦的，而是替代地，如图3a的放大详细视图中更好地示出的那样，具有曲化形状并且在凸台的边缘处设置有凸起。凸起220a和220b在凸台的边缘处从凸台的曲面222延伸，并且如图4中进一步示出和下面进一步解释的那样，这样的凸起确保了在对应于流动通道212和216的区域中，并且特别是在对应于流动通道的中央的区域中，ccm202、阳极gdl204和阴极gdl206之间的接触压力增加。曲面222具有曲率半径r1。凸起220a和220b具有曲率半径为r2的圆形轮廓。在图2和图3a所示的实施方式中，凸起220a和220b都具有包括相同半径r2的圆形形状。在其它实施方式中，凸起220a的半径可以具有与凸起220b的半径不同的值。此外，在图2所示的实施方式中，流场板208的相对表面205和流场板210的相对表面209分别具有与流场表面203和207相同的结构。

根据本发明的各方面，通过流场板凸台的凸起分别在阳极gdl和阴极gdl上产生的压力防止了阳极gdl和阴极gdl进入流场通道。这在图5中示出，并在下面进一步解释。

图3b示出了根据本发明的流场板的另一个实施方式。流场板308的凸台的形状与图3a所示的流场板的凸台的形状不同。凸台314具有平坦表面322并设置有在其边缘处从平坦表面322延伸的凸起320a和320b。凸起320a和320b具有曲率半径为r3的圆形形状。在图3b所示的实施方式中，流场板308具有第一流场表面303和相对表面305，第一流场表面303设置有由凸台314分开的流动通道312，相对表面305是平的并且没有设置通道或凸台。这说明，在一些实施方式中，燃料电池堆包括将堆中的膜电极组件分开的流场板组件，流场板组件包括两个流场板，每个流场板包括第一流场表面和相对的平坦表面，第一流场表面设置有流动通道和凸台，两个板彼此相邻放置并且它们各自的平坦表面彼此接触以形成流场板组件。这种设计特征可以在本文描述的所有实施方式中实现。

图3c示出了根据本发明的流场板的又一实施方式，该流场板包括两个流场表面403和405。如前述实施方式那样，流场板408的凸台414具有平坦表面422和在凸台边缘处从平坦表面延伸的两个凸起420a和420b。在本实施方式中，两个凸起420a和420b中的每一个都是具有平坦表面的形状，该平坦表面连接到凸台的平坦表面422。

本发明的另一个实施方式涉及具有两个流场表面503和505的流场板508，流场表面503和505设置有具有图3d所示形状的凸台。凸台514包括在凸台的边缘处的两个凸起520a和520b以及在两个凸起520a和520b之间的凸起520c，凸起520c例如放置在凸台的中央。两个平坦表面522a和522b连接凸起520a、520c和520b以形成连续表面。凸起520a和520b具有圆形轮廓，该圆形轮廓具有曲率半径r4和r5，而位于凸台中央的凸起520c是平坦表面。第一凸起的半径r4可以等于第二凸起的半径r5，或者它们可以具有不同的值。

相关领域的技术人员容易理解，在其它实施方式中，流场板凸台可以具有多于三个的凸起。凸起的数量取决于流场板凸台的尺寸，更多的凸起优选地用于具有较大宽度w的凸台。在一些实施方式中，在凸台周边的凸起可以具有平坦的形状，而在凸台中央的凸起可以具有圆形形状。凸起形状的任何变型都是可能的，在所述变型中，更多或所有的凸起具有圆形形状，或者更多或所有的凸起具有平坦形状。

图4中示出对于图2所示的实施方式以及对于凸台宽度为0.6mm、通道宽度为1mm、通道深度为0.27mm的流场板，在ccm与阳极gdl和阴极gdl之间的界面处产生的接触压力。对于包括现有技术中已知的、具有平坦凸台的常规设计的燃料电池以及对于根据本发明的燃料电池，gdl和ccm之间的接触压力是沿着mea的长度测量的，该长度从凸台的中心(与“长度”轴上的点0相对应)开始、直到凸台的末端(与“长度”轴上的点0.3相对应)、并且继续直到与凸台相邻的流动通道的中点(与“长度”轴上的点0.8相对应)。如图4所示，由曲线402示出的、对于流场板的当前设计而言在ccm/gdl界面处沿着流场通道(其对应于在“长度”轴上的在0.3mm和0.8mm之间的值)的接触压力高于由曲线401示出的、本领域中已知的流场板的接触压力，并且总体上高于0.1mpa，其中该0.1mpa在实验上被确定为对于所使用的gdl和ccm材料类型而言的最小所需接触压力。

此外，如图5中示出的针对如图2所示的流场板进行的并且对于沿“长度”轴的点保持相同的惯例的模拟结果所示，本发明的流场板设计减少了gdl进入流场通道的情况。图5示出了燃料电池内的gdl相对于流场板上的gdl的理论平直位置(该位置以“0”值示出)的横向迁移。如图5所示，相对于包括现有技术中已知的具有平坦凸台的流场板的燃料电池中的gdl的横向迁移(由曲线501示出)而言，对于本发明的特别有利的实施方式，gdl相对于gdl的平坦位置的横向迁移(由曲线502示出)减小。对于具有0.6mm的凸台宽度和1.0mm的流动通道宽度的流场板设计，在1.6mpa的凸台压力下，gdl进入流动通道的横向迁移(transversedisplacement)在流场通道的中心(在长度轴上示为在点0.8(mm)处)从现有技术设计的约39μm减小到当前设计的约17μm，并且平均横向迁移从现有技术设计的约32μm减小到当前设计的约8μm。

在本发明的所有实施方式中，所示的流场板可以由石墨或金属制成。

类似于图3b所示的实施方式，在本发明的所有实施方式中，燃料电池可以包括由两个流场板制成的流场板组件，每个流场板具有流场表面，该流场表面设置有凸台和流动通道，该流场表面具有结合相应实施方式描述的结构和平坦的相对表面。

在任何所述的实施方式中，流场板的凸台上的一些凸起可以具有平坦表面，而其它凸起可以具有圆形形状。相关领域的技术人员将很容易理解，圆形凸起优于平坦凸起，因为它们允许gdl和流场板之间更好的接触。

在任何所述的实施方式中，阳极和阴极催化剂可以分别沉积在阳极gdl上和阴极gdl上，而不是沉积在膜(ccm)上以形成mea。

本发明的实施方式具有允许增加gdl和ccm之间的接触压力的优点(不依赖于gdl材料(软的或更硬的))，这降低了它们之间的接触电阻并因此改善了燃料电池的工作性能。

另一个优点是，因为流场板的实施方式的本设计显示出gdl和ccm之间具有提高的接触压力，所以可以将流动通道做得更宽，这允许流场板具有更薄的结构。此外，压缩gdl和ccm所需要的压缩力较小。

本说明书中所引用的所有附图针对所表示的实施方式中的具有相同或相似功能的元件使用相似的标号。

从上文可以理解，尽管本文出于说明的目的描述了具体实施方式，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。2017年8月28日提交的美国临时申请62/551109以全文引用的方式并入本文中。因此，除了受所附权利要求限制之外，本发明不受限制。