專利名稱：流場板幾何結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池和電解池，更具體而言，但不排它地，涉及質(zhì)子交換膜燃料電池和電解池。
燃料電池是一種以可控制的方式使燃料和氧化劑混合直接產(chǎn)生電能的裝置。通過直接產(chǎn)生電能而不存在中間的燃燒和生成步驟，燃料電池的電能效率高于在傳統(tǒng)發(fā)生器中使用燃料的效率。這是眾所周知的。燃料電池聽起來十分簡單并且是理想的，但是在近年來已經(jīng)花費了大量勞力和時間以試圖建立起實用的燃料電池系統(tǒng)。電解池實際上是一種相反的燃料電池，其中電能被用于將水分解為氫和氧。
燃料電池和電解池都可能成為所謂的“氫經(jīng)濟”的重要部分。下面，參照燃料電池進行描述，但是應(yīng)該記住相同的原理也適用于電解池。一種商業(yè)制造的燃料電池是所謂的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池[有時被稱作聚合物電解質(zhì)或者固體聚合物燃料電池(PEFCs)]。這樣的電池使用氫作為燃料，并且包括在其兩面上設(shè)置有多孔電極的電絕緣(但是離子導(dǎo)電的)聚合物膜。該膜一般為氟代磺酸鹽聚合物而電極一般包括分散在含碳粉末基體上的貴金屬催化劑。這個電極和膜的組件通常被稱為膜電極組件(MEA)。
氫燃料被供給一個電極(陽極)，在這里氫燃料發(fā)生氧化以將電子極釋放給陽極而將氫離子釋放給電解質(zhì)。氧化劑(一般為空氣或者氧)被供給另一個電極(陰極)，在這里來自陰極的電子與氧和氫離子結(jié)合生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池的一個子類是直接甲醇燃料電池，在這種電池中甲醇被提供作為燃料。本發(fā)明旨在覆蓋這樣的燃料電池以及任何種類的其它電池。
在商用PEM燃料電池中，多個這種膜電極組件相互疊置在一起且由流場板(也被稱作雙極板或者隔板)隔開。流場板一般由金屬、石墨或者碳纖維復(fù)合材料制成以在一個膜的陽極與另一個相鄰膜的陰極之間實現(xiàn)良好的電子傳輸。在流場板的表面上具有溝槽圖案以提供流體(燃料或者氧化劑)并除去作為燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物而生成的水。
已經(jīng)描述了多種形成溝槽的方法，比如有人提出可以通過機加工、壓紋或者模塑(WO00/41260)，以及(對于本發(fā)明尤為適用)通過一個保護層進行噴砂處理(WO01/04982)以形成這樣的溝槽。
申請?zhí)枮閃O01/04982的國際專利申請公開了一種機加工流場板的方法，即在板上施加保護層或者掩模，然后采用噴砂處理(或者其它利用移動顆粒的動量磨蝕表面的蝕刻方法，比如噴水機加工)以形成與在掩?；蛘弑Ｗo層上形成的圖案相應(yīng)的特征。
由WO01/04982公開的這種方法可以形成穿過流場板的孔，也可以在流場板上形成底部封閉的坑或者通道。在此整體引用WO01/04982的方法，作為實現(xiàn)本發(fā)明的足夠的背景技術(shù)。
在實踐中，到目前為止大多數(shù)板都是通過磨削通道而形成。
WO00/41260公開了一種流場板幾何結(jié)構(gòu)，其中提供了寬度小于0.75毫米左右的基本直的平行通道。
WO00/26981公開了一種相似的幾何結(jié)構(gòu)，其中使用了由小于800μm的凸臺所隔開的寬度小于800μm的高度平行的流動通道，并且其中內(nèi)部通道凸臺面積小于流場的25％。優(yōu)選凸臺的寬度更窄。由于減少了通過膜電極組件的橫向氣體彌散的需要(在WO00/26981中被稱作DCC[擴散集流器])，因此該幾何結(jié)構(gòu)表明能改進氣體分布。該幾何結(jié)構(gòu)還表明使電阻減小，這是因為減少了到達凸臺區(qū)域的電通路長度。
在WO00/26981中在電流和氣體性質(zhì)之間存在矛盾，即凸臺面積的減小表明電阻增加。WO00/26981表明這些矛盾的需求可得到優(yōu)化。WO00/26981表明高度平行的微通道圖案可以包括互連部分或者分支點比如陰影線或者網(wǎng)格圖案。使用狹窄通道的一個優(yōu)點表明這可以促使沿著通道形成水滴，這樣可以有效地除去水。但是當(dāng)使用網(wǎng)格圖案時這一優(yōu)點可能不見了，因為在水滴兩側(cè)的壓力可能基本相等。
除了WO00/26981之外的引用如下●US3814631，公開了一種電極結(jié)構(gòu)，其中寬度大于0.3毫米的微通道設(shè)置在框架邊緣通向有織紋的電極，其中電極一個表面上的凸起與電極相對表面的凹陷相匹配。
●US5108849，公開了一種板，所述板具有0.76毫米(0.03英寸)或以上寬度的蛇形軌道和0.254毫米(0.01英寸)或以上寬度的凸臺。
●WO94/11912，公開了一種板，所述板具有0.76毫米(0.03英寸)寬度和深度的不連續(xù)軌道。這些軌道可互成角度進行布置。
●WO98/52242，公開了一種使膜濕化的裝置。
窄通道已公知用于其它裝置，比如WO94/21372公開了一種化學(xué)處理裝置，其包括三個通過在相鄰盤中排列部分通道而形成的空間曲折通道。這樣的結(jié)構(gòu)還沒有用于燃料電池中。
沒有與燃料電池相關(guān)的專利公開了通向精細(xì)的氣體通道的相對較粗的氣體傳輸通道結(jié)構(gòu)。
為了確保流體均勻分散到它們各自的電極表面上，在電極和流場板之間設(shè)置所謂的氣體擴散層(GDL)。氣體擴散層為多孔材料并且一般包括碳紙或者布，通常在一個面上具有碳粉粘結(jié)層并涂覆有疏水材料以促進水的排斥。已提出在具有孔徑大小范圍為20-100μm的大孔隙材料(US-A-5641586)下面提供互成角度配置的流場，以減小氣體擴散層的尺寸。這種布置可以使氣體圍繞閉塞的孔流動，這是不利的。在這些孔中可能會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)物(諸如水)的累積從而降低氣體傳輸效率。此外，這種結(jié)構(gòu)增加了流場板的厚度。
流場板與具有連接燃料和氧化劑供給歧管的膜的組合體通常稱為燃料電池堆。
盡管上述技術(shù)已經(jīng)被證明在模型以及在一些有限的商業(yè)應(yīng)用中是成功的，但是為了獲得更廣泛的商業(yè)認(rèn)可現(xiàn)在還需要減少燃料電池堆的物理尺寸由此減少其成本。相應(yīng)地，減少部件的數(shù)量可能有利于尺寸和成本(在材料和組裝成本方面)。
同時，現(xiàn)有技術(shù)流場板已經(jīng)提供了矩陣、蛇形、直線或者互成角度布置的形狀的流場，但是還沒有注意到其它物理系統(tǒng)以改進氣體流動通路。矩陣流場(其中設(shè)置凸臺網(wǎng)格以支承氣體擴散層，而氣體在凸臺之間流動)理論上可以提供很好的氣體流動，但是實際上存在缺點，即水很容易被矩陣捕捉而發(fā)生堵塞。進而任何堵塞都能導(dǎo)致在流場中產(chǎn)生停滯區(qū)。
直線和蛇形流場存在更少的水堵塞或者停滯區(qū)問題，但是對于給定的通過流場的壓力降只有較低的氣體流量。蛇形流場圖案還易于因為在非常低的壓力下從一個通道到相鄰?fù)ǖ蓝a(chǎn)生氣體“短路”。
互成角度配置的流場提供了高效的氣體傳輸，但是存在缺點，即需要高壓以強迫氣體引入流場，通過氣體擴散層，到流出流場，這將導(dǎo)致產(chǎn)生較高的附加損失。
此外，申請人已發(fā)現(xiàn)在高需求條件下(比如0.6A/cm2或以上的電流密度)，這種常規(guī)板易于在大部分流場板上耗盡氧化劑和/或燃料。
已公知的對氣體流場板的要求是●足夠大的凸臺面積以支承GDL并保持氣體流動的空腔●足夠窄的通道以防止在為保持電池堆在一起的壓縮壓力下，GDL擠壓進入并堵塞通道●以及，根據(jù)WO00/26981，足夠窄的通道以減小電流從通道區(qū)域到達凸臺的路徑長度，以及足夠窄的凸臺以減小氣體到凸臺區(qū)域的擴散距離。
除了將流場板分隔形成隔開區(qū)域外，WO00/26981沒有解決的是窄通道意味著高壓力降以及由此產(chǎn)生的從通道一端到另一端氣體可獲得量的顯著區(qū)別。
在常規(guī)流場板設(shè)計中，在流場一端(出口端)的壓力顯著低于另一端(進口端)的壓力，這是因為在燃料電池操作中消耗兩種反應(yīng)氣體，也是因為存在氣體流動阻力。隨著氧化劑或燃料需求增加，這樣的配置有效地向反應(yīng)氣體出口傳輸反應(yīng)氣體的能力減弱了。申請人認(rèn)識到需要提供能有效地向整個燃料電池工作表面(那些有效產(chǎn)生電流的區(qū)域)傳輸氣體的裝置，尤其是在流場出口區(qū)域中，這樣不會出現(xiàn)反應(yīng)物不足的情況。
US5686199描述了一種布置，其中多個流場段傾斜形成整個流場從而使氣體能夠快速流到各個段，由此降低整體壓力降，并提高整個流場的流動均勻性。但是，US5686199采用了通道的平行布置以限制氣體的橫向流動，由此流場中僅存在有限混合。
申請人認(rèn)識到，通過觀察生理系統(tǒng)(肺)可以獲得改進的流場幾何結(jié)構(gòu)，由于具有更短的氣體流動通路以及反應(yīng)物在流場中更好的分布，所述改進的流場幾何結(jié)構(gòu)可能具有更低的附加損失。
在WO02/065566中，申請人要求保護具有逐漸變窄的通道圖案組件的流場板，其可以連接或者與相對的相似通道組件互成角度進行配置。
在共同申請而未審定的申請WO04/001874中，申請人公開了一種包括如下幾何結(jié)構(gòu)的流場，其中氣體通過氣體傳輸通道傳輸至可透過壁，然后通過可透過壁傳輸至氣體排出通道。圖中示出了其改進了氣體分布的均勻性，但是該申請沒有涉及水管理問題。
本申請人進一步試驗發(fā)現(xiàn)通過不同的氣體傳輸和氣體排出通道的布置可以改進WO04/001874的幾何結(jié)構(gòu)，而矩陣流場也可以通過類似方式加以改進。
因此，本發(fā)明提供一種用在燃料電池或者電解池中的流場板(隔板)，包括一個或者更多分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。
流體傳輸/排出通道以及流體擴散通道可以分別是氣體傳輸/排出通道和氣體擴散通道，在下文中，除了文中另有所指外這些術(shù)語可以相互替換。
分支流體傳輸通道可以簡單地向流體擴散通道供料，它們直接或者通過流體排出通道到達流體出口。
流場板優(yōu)選包括一個或者更多分支流體傳輸通道，與一個或者更多分支流體排出通道互成角度配置，和隔開由凸臺陣列形成的同樣結(jié)構(gòu)的可透過壁。
WO02/065566和WO04/001874中描述的幾何結(jié)構(gòu)具有相同的特征，即提供眾多的通過流場的流體分支路徑，以沿著流場更均勻地分布反應(yīng)物。但是申請人發(fā)現(xiàn)如此的幾何結(jié)構(gòu)在縮放比例上存在問題，即如果將該設(shè)計簡單放大到更大的尺寸，擴散路徑變長，進料通道寬度變得更大。
因此，本發(fā)明還提供了一種用于燃料電池或者電解池的流場板(隔板)，包括限定出反應(yīng)物流場的流場部段的平鋪式陣列，每個部段包括一個或者多個分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。流場部段可以并聯(lián)、串聯(lián)或者兩者結(jié)合的方式進行連接。優(yōu)選地，所述部段以串聯(lián)方式進行連接，或者并連布置串聯(lián)連接的部段。
所述流場還可包括分隔流場區(qū)域的不可透過的阻擋層，并在不可透過的阻擋層上具有孔洞、或者是由其限定出孔洞以提供流體通道的阻塞點。
本發(fā)明的進一步特征在權(quán)利要求中列出，并結(jié)合如下附圖進行示例性說明
圖1示出了根據(jù)WO04/001874發(fā)明的流場板設(shè)計的平面圖；圖2示出了圖1中區(qū)域A的放大平面圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明和WO04/001874的一個可選擇的流場板設(shè)計；圖4示出了圖3中區(qū)域E的放大平面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的具有六邊形陣列通道的陣列型流場的局部設(shè)計；圖6示出了根據(jù)發(fā)明WO04/001874的又一個設(shè)計；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)計；圖8示出了一些流場設(shè)計的極化曲線；圖9示出了一些流場設(shè)計的功率曲線；
圖10用圖形示出了由根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計以及常規(guī)設(shè)計測量的功率輸出的改進；圖11為在圖5的設(shè)計中使用的另一種可選通道布置；圖12示出了可與本發(fā)明結(jié)合使用的又一個設(shè)計；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的流場；圖14示出了圖13中的一部分流場的局部放大視圖；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的流場部段的平行陣列的另一種可選實施例；圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的流場部段的平行陣列的又一個實施例；圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的流場部段的串聯(lián)連接陣列；圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的流場部段的又一個串聯(lián)連接陣列；圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的包含并聯(lián)連接流場部段的組件的串聯(lián)連接陣列；圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的流場的又一個實施例；圖21為常規(guī)蛇形流場和根據(jù)本發(fā)明的流場的電壓和功率對電流密度的極化曲線；圖22為常規(guī)蛇形流場和根據(jù)本發(fā)明的流場的電壓對陰極化學(xué)計量的曲線圖；和圖23為常規(guī)蛇形流場和根據(jù)本發(fā)明的流場的沿著流場的壓力和電壓對“等效流量”的曲線圖。
圖1和圖2示出了根據(jù)發(fā)明WO04/001874的流場板。流場板1在不形成實際流場構(gòu)成部分的周邊框架18上包括歧管和緊固孔2。流場板還包括氣體供給通道3，通過歧管(未示出)反應(yīng)物氣體被傳輸至該通道。通道3與氣體傳輸通道4相連通。氣體傳輸通道4自身連接至氣體傳輸子通道5。以相似的方式，氣體排放通道6與氣體排出通道7和氣體排出子通道8相連接。
氣體傳輸通道和子通道4，5以及氣體排出通道和子通道7、8在它們之間限定出具有多個擴散通道10的壁9，所述擴散通道提供了從氣體傳輸通道和子通道4，5至氣體排出通道和子通道7、8的流動路徑。在一個典型實例中，對于一個板尺寸為～10厘米×10厘米且流場工作表面積為～6.5厘米×6.5厘米的小型燃料電池來說，氣體傳輸通道的寬度為1.25毫米左右，子通道大概為0.5毫米左右，而擴散通道為0.125毫米左右。
壁以兩種比例進行盤繞。
按照第一比例，壁以折疊或者可伸縮的方式從氣體供給通道3延伸至氣體排放通道6并包括沿著壁的每個折疊的壁部段16和在壁的每個轉(zhuǎn)向處的端壁部段17。在所示例子中壁的每個折疊的長度為大約6厘米。
按照第二比例，在端壁部段17之間的壁自身是折疊的或者可伸縮的以形成氣體傳輸和氣體排出子通道5、8。在所示例子中氣體傳輸和氣體排出子通道的長度為大約2.5毫米。
可在更小或更大范圍內(nèi)重復(fù)該圖案。
氣體通過逐漸縮小的通道的所述流場的該分形型布置意味著該布置在一定程度可以縮放到流場板的尺寸(盡管可能存在可通過重復(fù)流場來克服的縮放的限制，如下面進一步說明的)。這進一步確保了可透過壁的更大的表面積。
這一布置還確保了GDL得到流場的更好支持，同時確保了位于流場凸臺區(qū)域上的MEA部分與通道之間僅存在很短的距離(一般地，對于圖中所示的布置，對于壁部段16，距離最近的通道在0.5毫米或以內(nèi)，對于端壁部段17，在1.25毫米或以內(nèi))。該布置易于進行縮放以使更小的壁部段16被用于使氣體更好進入凸臺上的區(qū)域。優(yōu)選地，流場的每個部分(尤其是壁部段16)距離最近的流體傳輸或者擴散通道都不超過0.25毫米。
為了形成氣體傳輸和氣體擴散通道，可以使用諸如噴砂處理等技術(shù)，其中帶有圖案的樣板或者保護層被放置在板的表面上，樣板或者保護層具有相應(yīng)于所需通道幾何形狀的圖案。這樣的技術(shù)在WO01/04982中有所描述，在這里整體引用該文獻以能夠?qū)嵺`本發(fā)明。使用這種技術(shù)，板可以使用基本不與所用反應(yīng)物反應(yīng)的石墨/樹脂復(fù)合材料或者其它無孔導(dǎo)電材料來制備。
另一種可選方式是，壁可被沉積在板上(比如采用絲網(wǎng)印刷等技術(shù))，在這種情況下壁可由氣體可透過材料來制備而不需要使用氣體擴散通道。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見的是還存在很多生產(chǎn)可透過壁的方法。
這些方法可以用來制備這里所述的所有流場。
圖3和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明原理的另一種可選的流場板設(shè)計。流場板包括中心區(qū)域19(與如圖1中所示的周圍框架18[未示出]一起使用)。這個流場板具有如圖1所示的氣體供給通道3和氣體排放通道6以及端壁部段17。
可透過壁由在它們之間形成精細(xì)氣體擴散通道的凸臺20陣列所限定。盡管圖中示出了圓形的凸臺，但是申請人發(fā)現(xiàn)提供在其間通道寬度相對不恒定的六角形或者其它形狀的凸臺也是優(yōu)選的(比如多邊形凸臺)。凸臺的典型尺寸為～750μm±250μm，在凸臺之間具有～300μm±150μm的間距。
圖5示出了陣列型流場設(shè)計的一部分，其包括連接進口通道29和出口通道30的六角形陣列通道。陣列包括主氣體傳輸/排出通道31，所述主氣體傳輸/排出通道限定出一系列區(qū)塊32，每一個區(qū)塊包括多個互連的氣體擴散通道。在圖5中，氣體擴散通道自身形成六角形陣列，但是圖11顯示互連的氣體擴散通道的其它陣列也是可行的和預(yù)期的。如在圖3和圖4中，盡管使用了圓形凸臺，但申請人發(fā)現(xiàn)提供相對恒定通道寬度的六角形或者其它形狀的凸臺也是優(yōu)選的。同樣，凸臺的典型尺寸為～750μm±250μm，在凸臺之間具有～300μm±150μm的間距。
圖6示出了根據(jù)發(fā)明WO04/001874的又一個設(shè)計的相似視圖，其中可透過壁包括一系列以一定角度延伸至氣體傳輸通道的氣體擴散通道。氣體擴散通道的典型寬度為～400μm±250μm，但是可以小到10μm。
圖7更詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)計，其中進口通道21連接至分支氣體傳輸通道，所述分支氣體傳輸通道包括具有分支23的主干道22。分支23與分支24相對于進料至出口通道26的兩個分支氣體排出通道的主干道25互成角度進行配置。由凸臺限定出的可透過壁將分支氣體傳輸通道與分支氣體排出通道隔開。
輔助通道27和28分別從進口通道21和出口通道26延伸出，用以向分支氣體傳輸/排出通道沒有延伸到的區(qū)域提供附加的氣體傳輸/排出。
在圖12中，流場的另一種變型示出了一組扇形分布軌道22，所述分布軌道可以包括也可以不包括壓力平衡錐度。所示例子具有輔助連接軌道23以幫助氣體進行分散?？扇〈氖鞘褂谩芭欧拧避壍辣热鐖D7所示的通道27和28。由在其間限定出互連氣體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列形成通道之間的區(qū)域29，并且氣體通過這些通道的擴散將氣體送至流場板的剩余部分。氣體流動導(dǎo)致A-B的方向，氣體通過氣體排出通道30離開流場。
在一個例子中●主干道22從在進口端處的大約1.25毫米寬度漸縮到在遠(yuǎn)離進口的端部處的大約0.33毫米●主干道的深度從在進口端處的大約1毫米變?yōu)樵谶h(yuǎn)離進口的端部處的大約0.5毫米
●分支23大約0.45毫米寬區(qū)域29由鉆石或者菱形凸臺陣列形成，沿著設(shè)置在六角形陣列上最長的軸大約1.2毫米，在凸臺之間具有0.4毫米的間隔。
各種流場幾何結(jié)構(gòu)的性能與空氣-側(cè)面幾何結(jié)構(gòu)(將會揭示水管理的問題)的進行了比較，它們相對的性能顯示在圖8和圖9中，其中圖8為各種設(shè)計極化曲線的比較圖，而圖9為相應(yīng)的功率曲線。
用以獲得這些數(shù)據(jù)的設(shè)備包括使用Nafion膜和Toray氣體擴散介質(zhì)的Hydrogenics Corporation的Screener測試站。該設(shè)備在陽極濕度為80％的氫氣，濕度也在80％空氣的條件下運轉(zhuǎn)。所有的測試在單電池中恒溫在80℃。
所測試的幾何結(jié)構(gòu)顯示在表1中。所有的流場板大體上都是100毫米×100毫米的正方形，活性區(qū)域的尺寸為70毫米×70毫米。
從曲線圖中可以看出，Col設(shè)計是測試的所有設(shè)計中性能最差的。申請人認(rèn)為這是由于氣體擴散通道的橫截面積發(fā)生變化(如圖4所示圓點陣列導(dǎo)致通道沿著長度方向膨脹或者收縮)而使水被陣列的間隙捕獲所導(dǎo)致的。為了減少水被捕獲的危險，申請人制備了六邊形(Hex)矩陣，取得了顯著的改進。
相似地，由于存在水管理問題，Bio Orig設(shè)計與蛇形設(shè)計相比顯示出更差的性能(即使提供了良好的氣體擴散)。Bio1000設(shè)計試圖對此進行改進，但是再一次，使用圓柱導(dǎo)致存在水被捕獲的問題。
Bio2000設(shè)計試圖通過提供具有基本上均勻的橫截面積的氣體擴散通道，從而減少水被捕獲的機會?？梢钥吹?，在高電壓/低電流密度條件下以及在低電壓/高電流密度條件下這一設(shè)計與常規(guī)Serp設(shè)計相比可以提供改進的性能，但是在中間范圍性能很差。
葉形(Leaf)設(shè)計在低至中等電壓/電流條件下與Serp設(shè)計是可以相比較的，但是當(dāng)電池在高電流密度下深度負(fù)載時，葉形設(shè)計提供了明顯更大的功率(在超過1.5A.cm-2條件下運行時＞10％)。申請人自信地預(yù)期使用六角形凸臺的葉形設(shè)計將會超越該性能。
通過上述測試可發(fā)現(xiàn)，自身具有恒定寬度的氣體擴散通道有利于被捕獲的水滴的穩(wěn)定性。申請人因此發(fā)現(xiàn)通過強烈地改變通道的寬度可以增加水滴的不穩(wěn)定性。比如，通過使用不與凸臺布置(比如在六角形陣列上的菱形、方形或者三角形凸臺)對稱排列的非圓形凸臺，可以提供強烈變化的通道寬度，導(dǎo)致了水滴的不穩(wěn)定性，由此改進了水的處理。[在六角形陣列上并與六角形陣列對齊的六角形凸臺陣列提供了不具有這一優(yōu)點的恒定寬度的通道]。
燃料電池通常要進行管理以使其能在優(yōu)化的電壓/電流密度下進行工作，對于蛇形通道意味著低于0.6-0.8A.cm-2。葉形設(shè)計可以實現(xiàn)在更高的電流密度(比如1.6A.cm-2)下進行工作同時提供高功率(在流場的工作表面可以獲得超過750mW.cm-2或者甚至＞800mW.cm-2的功率密度)。即便是沒有優(yōu)化燃料電池管理系統(tǒng)以適應(yīng)這一流場幾何結(jié)構(gòu)，這樣的高負(fù)載性能對于經(jīng)受高間歇負(fù)載的應(yīng)用來說是特別重要的。
為了有助于壓力沿通道的平衡，它們可以是漸縮的，如在國際專利申請WO02/065565中描述的。
對于更大的流場板和其它不太簡單的幾何形狀比如高長寬比和其它多邊形流場板，可以使用重復(fù)單元或者單元電池方法平鋪所需流場。這部分是為了適應(yīng)形狀，但也是一種產(chǎn)生更均勻氣體流由此在整個流場更均勻地產(chǎn)生電流的有效途徑。圖13和圖14示出了小型流場板的例子，所述小型流場板具有包含基于葉形燃料電池的四個分隔的更小的流場的流場。更小的流場成對設(shè)置，每一對設(shè)有公共氣體進料并在流場的周邊處到達排放通道。
此外，干道和分支結(jié)構(gòu)可以有多種變型，所述變型包括如圖7、13、14所示的分支例子以及圖12所示的扇形結(jié)構(gòu)。電池如圖13和14那樣在中心進料或者如圖15所示對角進料。甚至可以使用蛇形流場。
更詳細(xì)地，在圖13、圖14中，流場板100包括四個流場部段101，每一個部段包含分支氣體傳輸通道102，以及圍繞著分支氣體傳輸通道的可透過區(qū)域103。
歧管104，以及主氣體傳輸通道105和相連的氣體傳輸通道106為分支氣體傳輸通道102供料。[在這個實施例中，相連的氣體傳輸通道106是分支的，但是可設(shè)置通向每個流場部段的分隔通道]。
可透過區(qū)域103部分被氣體排出通道107圍繞。氣體排出通道107連接至相連的氣體排出通道108，所述相連的氣體排除通道自身連接至主氣體排出通道109和氣體排出歧管110。
不可透過保護層111將主氣體傳輸通道105和相連的氣體傳輸通道106與相連的氣體排出通道108和主氣體排出通道109隔開。
增加輔助凸臺起到多種作用。凸臺112用作防止氣體擴散層進入通道。一般只有當(dāng)通道的寬度達到了產(chǎn)生嚴(yán)重危險或者氣體擴散層高度變形時才有用。在進料的中心干道中的凸臺112的另一個作用是作為氣體轉(zhuǎn)化裝置，在這里氣體氣流被分隔，由此有助于氣流向下沿分支進行擴散。
實際上，公共的氣體傳輸系統(tǒng)(主氣體傳輸通道105以及相連的氣體傳輸通道106)向多個流場部段101進料，所述多個流場部段自身排放進入公共的氣體排出系統(tǒng)(氣體排出通道107，相連的氣體排出通道108，以及主氣體排出通道109)。
燃料電池的配置與肺相類似。然而人類僅具有兩個肺，這種配置可以具有許多這樣的流場成組或者平鋪在一起以形成更寬的流場。
存在多種依據(jù)這一理念的裝置，兩個主要的分類是串聯(lián)和并聯(lián)連接部段電池。在并聯(lián)連接裝置中，每個流場部段并聯(lián)進行供應(yīng)，而且每一個都排放進入公共的排放通道。在串聯(lián)裝置中，從一個流場部段中的排出的流體作為另一個流場部段的來源。
圖15示出了并聯(lián)連接的電池的例子，其具有公共的進料裝置，其中114為氣體進口而113為氣體進口。提供5個更小的流場，如上所述包含主干道22，輔助進料分支23以及排放分支24和25。
圖16示出了具有直接供料至每個電池的并聯(lián)設(shè)計，這個例子具有四個電池。每個進口通道114由凸臺120分隔以形成通過主干道22為單個電池供料的單個通道121，其可以按照相似的方式分支為單個圖案設(shè)計。進口通道114的分隔部分可具有不同的橫截面積，從而在分隔部段中提供平衡的流速。每個部段或者重復(fù)單元也由凸臺帶111分隔，并且排放通道由作為可透過材料的柱陣列與進料通道隔開。
按照相似的方式，圖17示出了串聯(lián)設(shè)計的第一變型，由此流場陣列的流場部段的進口從另一個流場部段的出口進料。單個部段可以由上述的任何裝置形成。所示的例子適用于分支“葉”形進料裝置，具有由可透過材料103隔開的主干道22，輔助分支23和排放分支24。
流場部段被保護層111隔開，所述保護層尺寸優(yōu)選足夠大以分隔部段之間的主氣體流動，并足夠小以允許在凸臺區(qū)域上的膜處產(chǎn)生電流。這些重復(fù)部段帶可以構(gòu)成一個陣列以覆蓋圖17所示流場板的整個活性區(qū)域。這里兩列部段獨立串聯(lián)供料，這樣整個流場可被看作串聯(lián)連接的流場的并聯(lián)組件。
圖18示出了串聯(lián)設(shè)計的另一個變型，由此部段以如上述相同的方式被保護層111隔開，這里部段為六角形或者可以設(shè)計為與相鄰部段鑲嵌成花紋的形狀。每個部段進料至排放通道，并且這進料到隨后的下游部段。重新將氣流調(diào)整進入定向通道增加了氣體流速，并有助于水混合成為單相流體從而減少凝固和軌道發(fā)生阻塞的可能性。同樣，這種布置可被看作是串聯(lián)連接流場的并聯(lián)配置。
很明顯，其它可選的布置可以是并聯(lián)流場的串聯(lián)組件—比如如圖15所示穿過流場平鋪的多個組件，以使一個組件的排放通道113成為相鄰組件的源114。圖19示出了這樣的具有沿著箭頭方向流動的布置。
使用鑲嵌成花紋的流場顯示沿著部段表面分散氣流然后在將其傳輸至下一個區(qū)域之前重新聚集或者集合的布置具有主要的優(yōu)點。這種重新聚集表明提供了一定水平的有助于促進流體混合的反壓。
圖20所示的流場板中流體進入端口115與由不可透過保護層111隔開的分配軌道116相連通。分配軌道116與分支流體傳輸通道117相連通，由在其間形成互連流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列形成的不可透過保護層118限定了所述分支流體傳輸通道的邊界。在流場中分布更多的分隔流場區(qū)域以為流體通道提供阻塞點120的不可透過保護層。位于出口的凸臺121既防止氣體擴散層進入流場，又為系統(tǒng)提供反壓。
圖21-24示出了常規(guī)蛇形流場板與具有同樣面積的部段流場板之間的試驗比較結(jié)果(申請人的引用104R-相當(dāng)于圖17)。
如由圖21所看到的，部段流場板的電壓和功率輸出非常相似于蛇形系統(tǒng)以致于它們可以互換。
圖22為在電池電流為0.15Acm-2下“陰極化學(xué)計量”對電池電壓的曲線圖。陰極化學(xué)計量是提供給電池的氧化劑量與產(chǎn)生電流所需量的比，并且是需要提供的用來克服擴散效應(yīng)和其它阻礙完全反應(yīng)的過量空氣的指示器。從圖22中可以看出，部段流場板對于陰極化學(xué)計量的變化的敏感性與蛇形流場板相比大大降低。申請人沒有測量陽極化學(xué)計量的敏感性，但是設(shè)想具有相似的情況。
圖23為沿流場的壓力降對“等效流量”(為產(chǎn)生特定電流密度所需的流速，所述特定電流密度表示為給定化學(xué)計量下的電流密度)的曲線圖?？梢钥闯?，與蛇形流場板相比，部段流場板的壓力降有了很大的降低。
這表明根據(jù)本發(fā)明的流場與蛇形流場相比，對于等效電壓和功率輸出來說●提供了更小的輸出變化，由此減少了對電壓/電流進行調(diào)節(jié)的需要●需要更低的反應(yīng)物化學(xué)計量并且由此降低了用于泵送反應(yīng)物所需的功率，更少的燃料排放到空氣中●對于給定的電流所需的壓力降更少，由此降低了提供反應(yīng)物所需的功率。
這些因素是非常重要的，這是因為附加損耗以及通過電壓調(diào)節(jié)使用了燃料電池產(chǎn)生的大部分功率。
申請人已經(jīng)建立了廣泛的計算機模擬，表2給出了蛇形設(shè)計、104R部段流場設(shè)計、以及基于每邊300厘米的方形流場板的106設(shè)計(見圖20)的結(jié)果匯總。
對于在同樣電壓下操作的電池來說，依據(jù)本發(fā)明的設(shè)計較常規(guī)蛇形設(shè)計(其包括零電流區(qū)域)提供了更高的電流、具有更低的壓力降，以及沿流場更加均勻地產(chǎn)生電流。
這些因素轉(zhuǎn)化為反應(yīng)物供給裝置中的更低的附加損耗，以及持續(xù)時間更長的膜(因為更均勻的生成電流會引起更均勻的溫度分布)。
因為不需要冷卻劑具有能夠處理“過熱點”的能力，因此根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計所提供的更加均勻的溫度分布還降低了冷卻需求。
應(yīng)該指出的是104R和106設(shè)計不是等效的，并且本發(fā)明的設(shè)計哲學(xué)意味著多種力學(xué)特征(比如壓力降)，和電學(xué)特征(比如電壓和電流)可以在一定程度上依據(jù)應(yīng)用需要而單獨配置。結(jié)合上面提到的因素，根據(jù)本發(fā)明的流場板可以至少兩種方式使用1)直接取代蛇形流場，具有相似的壓力降，但是更高的功率輸出。
2)作為系統(tǒng)的一部分提供相當(dāng)于蛇形流場的功率輸出，但是具有更小的附加損耗。
本發(fā)明的流場設(shè)計的其它優(yōu)點將在不斷研發(fā)過程中變得越來越明顯。比如，在更低的電流密度下的更低的化學(xué)計量意味著更大的氣體傳輸優(yōu)勢。
本發(fā)明的流場與常規(guī)蛇形流場相比還具有優(yōu)點，即它們啟動響應(yīng)更快，因為流體以并聯(lián)的方式輸送通過流場板而不是沿著通道以串聯(lián)的方式進行輸送。
實際上，可以認(rèn)為本發(fā)明的流場包含矩陣流場，在所述矩陣流場內(nèi)具有多條通道，大于矩陣的通道，從而提供可更快的流體傳輸和矩陣排出速度。
盡管上面的描述集中于反應(yīng)物流場，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是相同的考慮也適用于冷卻劑流場。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池或者電解池的流場板(隔板)，包括一個或者多個分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流場板，其中所述流場包括限定出反應(yīng)物流場的流場部段的平鋪式陣列，每個部段包括一個或者多個分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流場板，其中流場部段以并聯(lián)方式進行布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流場板，其中流場部段以串聯(lián)方式進行布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流場板，其中流場部段被布置成串聯(lián)連接的流場部段的并聯(lián)組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流場板，其中流場部段被布置成并聯(lián)連接的流場部段的串聯(lián)組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的流場板，其中所述分支第一流體傳輸/排出通道包含通道的六邊形網(wǎng)絡(luò)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的流場板，包括與一個或者多個分支流體排出通道互成角度配置的一個或者多個分支流體傳輸通道，和隔開由凸臺陣列形成的同樣結(jié)構(gòu)的可透過壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流場板，其中所述可透過壁壓呈六角形狀，具有沿著壁的每個折疊延伸的壁部段，以及在壁的每個轉(zhuǎn)向處的端壁部段。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的流場板，其中設(shè)定凸臺的形狀以限定出大體上具有恒定寬度的流體擴散通道。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的流場板，其中設(shè)定凸臺的形狀以限定出通道寬度強烈可變的流體擴散通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流場板，其中凸臺為非圓形的并且沒有與凸臺布置對稱對正。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的流場板，其中凸臺為在六角形陣列上的菱形、方形或者三角形凸臺。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的流場板，其中凸臺為多邊形形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的流場板，其中凸臺為六邊形形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的流場板，其中所述流場包括分隔流場區(qū)域的不可透過的阻擋層，并在不可透過的阻擋層上具有孔洞、或者是由其限定出孔洞以提供流體通道的阻塞點。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的流場板，其中所述流體傳輸/排出通道和流體擴散通道分別為氣體傳輸/排出通道和氣體擴散通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的流場板，其中在氣體傳輸/排出通道中設(shè)置凸臺以阻擋氣體擴散層在使用中進入流場通道。
19.一種包括一個或者多個根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的流場板的燃料電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池，其中每一個流場板能夠輸送的功率按照流場板工作表面積計算超過750mW.cm-2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池或者電解池的流場板(隔板)，包括一個或者多個分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。流場傳輸/排出通道和流體擴散通道可以分別為氣體傳輸/排出通道和氣體擴散通道。分支流體傳輸通道可以簡單地向流體擴散通道供料，流體擴散通道自身直接或者通過流體排出通道通向流體出口。本發(fā)明還提供用于燃料電池或者電解池的流場板(隔板)，包括限定出反應(yīng)物流場的流場部段的平鋪式陣列，每個部段包括一個或者多個分支第一流體傳輸/排出通道，所述通道向由在其間形成互連的流體擴散通道網(wǎng)絡(luò)的凸臺陣列限定的更窄的第二流體擴散通道供料。流場部段可以并聯(lián)、串聯(lián)或者它們的結(jié)合的方式進行連接。優(yōu)選地，部段以串聯(lián)方式進行連接，或者并聯(lián)布置串聯(lián)連接的部段。
文檔編號H01M8/02GK1809939SQ200480017130
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者A·R·查普曼, S·雅邁, I·M·梅洛, M·C·圖爾平, A·茹夫雷 申請人:摩根坩堝有限公司