專利名稱：具有不均勻滲透性的流體分配層的電化學(xué)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及電化學(xué)燃料電池。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及至少具有一個(gè)從燃料電池入口到出口滲透性降低的流體分配層的電化學(xué)燃料電池。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池將反應(yīng)物，即燃料和氧化劑流體流，轉(zhuǎn)化成電能和反應(yīng)產(chǎn)物。固體聚合物燃料電池通常使用由位于兩個(gè)含有電催化劑的電極層，即陰極和陽(yáng)極之間的固體聚合物電解質(zhì)或離子交換膜(“PEM”)組成的膜電極組件(“MEA”)。除了是離子傳導(dǎo)的(典型地是質(zhì)子傳導(dǎo)的)外，膜還起著用來(lái)彼此隔離反應(yīng)物流的阻擋層的作用。MEA還典型地包括與電極層相鄰用來(lái)均勻地向電極分配反應(yīng)物的液體擴(kuò)散層。
在陽(yáng)極上，燃料流通過(guò)多孔的陽(yáng)極擴(kuò)散層運(yùn)動(dòng)，并且在陽(yáng)極電催化劑層上被氧化。在陰極上，氧化劑流通過(guò)多孔的陰極擴(kuò)散層運(yùn)動(dòng)并且在陰極電催化劑層上被還原，形成反應(yīng)產(chǎn)物。電催化劑的位置通常定義了電化學(xué)活性層。
在電化學(xué)燃料電池中，MEA典型地插在兩個(gè)基本上不滲透流體的隔板之間((陽(yáng)極和陰極板)。隔板典型地起著集電極的作用并且給MEA提供支撐。隔板中可以形成反應(yīng)物通道，并且起著使燃料和氧化劑分別進(jìn)入多孔陽(yáng)極和陰極擴(kuò)散層，并且除去電池工作期間形成的產(chǎn)物水的流場(chǎng)板的作用。
水的管理問(wèn)題在PEM燃料電池工作中是重要的，并且需要膜的增濕來(lái)維持最佳的性能。當(dāng)膜的含水量下降時(shí)，其傳輸質(zhì)子的能力損失，電阻增加，燃料電池性能降低并且可能發(fā)生膜的失效。為了確保膜充分地增濕，典型地增濕供給燃料電池組的一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)物流。這種增濕通常由外部增濕系統(tǒng)提供，但是這種外部系統(tǒng)增加了燃料電池系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性和尺寸。
美國(guó)專利第6,451,470號(hào)和加拿大專利申請(qǐng)第2,342,825號(hào)公開了使用氣體擴(kuò)散電極(每個(gè)包含“氣體擴(kuò)散阻擋層”或“GDB”)，其氣體滲透性梯度與膜垂直，而不是，或者除此之外，具有均勻的多孔陽(yáng)極和陰極襯底(每個(gè)“氣體擴(kuò)散層”或“GDL”)，從而抑制水從膜中擴(kuò)散出來(lái)。使用這種氣體擴(kuò)散電極能夠使燃料電池在沒(méi)有反應(yīng)物外部增濕的情況下工作。
另外，操作PEM燃料電池的條件隨著每根電極的電化學(xué)活性面積而顯著變化。舉例來(lái)說(shuō)，在傳統(tǒng)的燃料電池中，當(dāng)氧化劑被消耗時(shí)，產(chǎn)生水，總氣壓正常降低并且氧化劑分壓降低。這導(dǎo)致在前三分之一到一半電池比后面的一半電池具有更大的電流密度。電池的性能可能受高電流密度區(qū)的限制，從而導(dǎo)致總電壓低于如果電流密度均勻地電池中分配時(shí)獲得的總電壓。高電流密度還可能導(dǎo)致局部溫度增加，其趨向于導(dǎo)致更大程度的材料分解。更高的溫度還可能導(dǎo)致入口處濕度的降低，這就可能增加傳輸在膜間發(fā)展的泄漏的可能性并且引起性能損失。如果入口反應(yīng)物流很少或者沒(méi)有增濕，所述后者的效應(yīng)惡化。當(dāng)電池的入口部分可能太干時(shí)，電池出口部分可能具有太多的水，這會(huì)導(dǎo)致局部溢流、不穩(wěn)定的性能和增加的傳質(zhì)損失。因而，燃料電池電極的要求和所需性能將沿著燃料電池變化。
美國(guó)專利第5,840,438號(hào)公開了增加反應(yīng)物入口和出口之間燃料電池電極襯底的液體滲透性，從而便于產(chǎn)物水除去有利于提高性能。美國(guó)專利申請(qǐng)第US2003/0039876號(hào)和日本公開第2001-135326號(hào)也公開了滲透性梯度從燃料電池入口到出口增加的電極襯底。
相似地，國(guó)際公開第WO00/31813號(hào)公開使用插在隔板和相鄰的多孔流體分配層之間的附加穿孔板，其中在附加板上的穿孔在入口和出口之間尺寸增加。
盡管本領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)步了，但是仍需要一種能夠管理產(chǎn)物水積累并且維持最佳性能所需的增濕水平的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明提供了這些需求并且進(jìn)一步提供了相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明涉及具有至少一個(gè)滲透性從燃料電池入口到出口降低的流體分配層的電化學(xué)燃料電池。
在一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種電化學(xué)燃料電池，其包含陽(yáng)極電催化劑層、陰極電催化劑層、插在陽(yáng)極和陰極電催化劑層之間的聚合物電解質(zhì)膜、陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板、插在陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極電催化劑層之間的陽(yáng)極流體分配層，以及插在陰極流場(chǎng)板和陰極電催化劑層之間的陰極流體分配層，其中陽(yáng)極和陰極流體分配層至少之一的滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低。
本發(fā)明還公開了制造具有不均勻穿孔圖案的基本上不滲透流體的片材的方法。
本發(fā)明這些和其它的方面將在參考附圖和下面詳細(xì)的說(shuō)明時(shí)變得明顯。


圖1表示了三個(gè)點(diǎn)，在這些點(diǎn)處根據(jù)本文所述的數(shù)學(xué)模型可以評(píng)價(jià)水蒸氣和氧氣的質(zhì)量份數(shù)。
圖2是表示維持飽和所需的溫度和電流密度之間關(guān)系的圖。
圖3是表示維持飽和所需的最佳K值和聯(lián)合氧化劑-冷卻劑的燃料電池的電池溫度之間關(guān)系的圖。
圖4是電化學(xué)燃料電池的分解剖視圖。
圖5是具有一對(duì)氣體擴(kuò)散層和一對(duì)氣體擴(kuò)散阻擋層的電化學(xué)燃料電池的分解剖視圖。
圖6是具有一對(duì)流體分配層的電化學(xué)燃料電池的分解剖視圖，其中一個(gè)流體分配層包含在其電化學(xué)活性區(qū)中形成了大量穿孔的基本上不滲透流體的片材。
圖7A是穿孔的流體分配層的平面圖，其中穿孔的尺寸從入口到出口沿著流場(chǎng)通道以梯度方式降低。
圖7B是穿孔的流體分配層的平面圖，其中穿孔的尺寸從入口到出口沿著流場(chǎng)通道以分段方式(in a banded manner)而降低。
圖8A說(shuō)明了制備穿孔的流體分配層的方法，其中穿孔的尺寸從入口到出口沿著流場(chǎng)通道降低。
圖8B表示在穿孔的流體分配層中制造穿孔中使用的代表性端部平坦的突起元件。
具體實(shí)施例方式
氣體擴(kuò)散阻擋層電極結(jié)構(gòu)在通常在PEM燃料電池中維持充分的膜水化(hydration)和控制水的分配中起著重要的作用。如下面的模型所示，在聯(lián)合氧化劑-冷卻劑的燃料電池中可以使用這種氣體擴(kuò)散阻擋層來(lái)維持膜的水化。此處使用的“聯(lián)合氧化劑-冷卻劑的燃料電池”指其中氧化劑也用作冷卻劑并且其中氧化劑流場(chǎng)也用作冷卻劑通道的燃料電池。在這種燃料電池中，典型地以高的化學(xué)計(jì)量比供應(yīng)氧化劑，從而產(chǎn)生所需量的冷卻。此外，這種氣體擴(kuò)散阻擋層還用來(lái)在未增濕的燃料電池(即其中供給燃料電池組的反應(yīng)物流未增濕的燃料電池)中維持膜的水化。
根據(jù)燃料電池陰極和一維模型，可以在三個(gè)點(diǎn)處評(píng)價(jià)水蒸氣(mH2O)和氧氣(mO2)的質(zhì)量份數(shù)，即(1)在與催化劑層相鄰的氣相中(分別為m1H2O和m1O2)、(2)在GDB/空氣流界面(分別為m2H2O和m2O2)和(3)在空氣流中(分別為m3H2O和m3O2)。圖1進(jìn)一步闡述了這一點(diǎn)，該圖表示了與膜14、催化劑層21、GDB31、陰極流場(chǎng)板24和空氣流50的一般方向相關(guān)的三個(gè)點(diǎn)1、2和3。
假設(shè)均勻的已知電流密度；GDB/膜界面上均勻的已知電池溫度；僅在GDB內(nèi)通過(guò)擴(kuò)散的傳質(zhì)；具有已知有效擴(kuò)散常數(shù)的均勻GDB，對(duì)水蒸氣為DeffH2Oair并且對(duì)氧為DeffO2air；以及高的空氣化學(xué)計(jì)量，使得m2H2O≅m3H2O]]>并且m2O2≅m3O2,]]>使用下面的等式來(lái)評(píng)價(jià)m1H2O、m1O2、m2H2O和m2O2。
等式1ΦH2O=ρDeffH2Oair(m1H2O-m2H2O)t]]>ΦO2=ρDeffO2air(m2O2-m1O2)t]]>其中，Φ是通過(guò)GDB的水質(zhì)量通量(kg/m2s)，ρ是空氣的密度并且t是GDB的厚度。
等式2ΦH2O=i·MH2O2·e·NA]]>ΦO2=i·MO24·e·NA]]>其中，i是電流密度，MH2O、MO2是分子量，e是電子電荷并且NA是阿伏伽德羅常數(shù)。
結(jié)合等式1和等式2，得到下面表示m1H2O、m1O2、t、i和擴(kuò)散系數(shù)之間關(guān)系的等式3等式3m1H2O=m2H2O+tρDeffH2Oair[i·MH2O2·e·NA]]]>m1O2=m2O2-tρDeffO2air[i·MO24·e·NA]]]>進(jìn)一步假設(shè)DeffH2Oair=DH2Oair·P1.5]]>DeffO2air=DO2air·P1.5]]>其中，P是作為孔隙體積份數(shù)的孔隙率，等式3表示作為GDB孔隙率函數(shù)的水蒸氣和氧氣的質(zhì)量份數(shù)。催化劑層上的氧氣質(zhì)量份數(shù)隨著GDB孔隙率的降低而降低，直至其達(dá)到0，之后電流不再維持。催化劑層上的水蒸氣質(zhì)量份數(shù)隨著GDB孔隙率的降低而增加，直至達(dá)到飽和，在該點(diǎn)之后發(fā)生電極溢流。
如等式3所示，水蒸氣和氧氣的質(zhì)量份數(shù)也是電流密度的函數(shù)。此外，發(fā)生飽和的點(diǎn)取決于燃料電池的溫度。因此，對(duì)于給定的GDB厚度和孔隙率，并且對(duì)于任何給定的電流密度，將是與完全膜水化(即飽和或100％RH)相應(yīng)的燃料電池的溫度。通過(guò)下面的等式4給定了這種關(guān)系并且表示在圖2中。如圖2所示，對(duì)于在0.53A/cm2下操作的燃料電池，最佳溫度為65℃。此外，這種關(guān)系可以一般性地適用于任何所需目標(biāo)RH。
等式4Topt=Tsatm[m2H2O+tρDeffH2Oair[i·MH2O2·e·NA]]]]>其中，Tsatm是在電池壓力下評(píng)價(jià)(此處是絕對(duì)1atm)的與給定水蒸氣質(zhì)量份數(shù)相應(yīng)的飽和溫度。
考慮總的傳質(zhì)系數(shù)(Koverall)也是有用的，其包括GDB內(nèi)所有不同的傳質(zhì)方式，例如氣體對(duì)流、氣體擴(kuò)散和液態(tài)水芯吸(wicking)。就Koverall而言，等式1變成ΦH2O=Koverall·Δm]]>(其中Δm是水蒸氣質(zhì)量份數(shù)之間的差值)，并且假定只有氣體擴(kuò)散，或者是GDB內(nèi)傳質(zhì)的主要機(jī)制Koverall=ρDeffH2Oairt]]>對(duì)于燃料電池在完全膜水化(即飽和條件)下操作時(shí)，前面的等式可以寫作ΦH2O=Koverall·Δm=Koverall·(msat[Tmembrane]-mH2Oambient)]]>并且在膜飽和下的溫度可以用i和Koverall表示如下等式5Topt=Tsatm[ΦH2OKoverall+mH2Oambient]=Tsatm[i·MH2O2·e·NA·Koverall+mH2Oambient]]]>但是，在聯(lián)合氧化劑-冷卻劑燃料電池中，在氧化劑/冷卻劑流的方向上局部電池溫度增加。通常沿著氧化劑/冷卻劑通道長(zhǎng)度上的溫度變化是顯著的，即在5至20℃的范圍內(nèi)。因此，通過(guò)具有均勻孔隙率的GDB不能維持所需的水化水平。當(dāng)這種GDB在催化劑層維持均勻的水蒸氣質(zhì)量份數(shù)時(shí)，所需水化水平也取決于局部電池溫度。結(jié)果，只能在沿著氧化劑/冷卻劑流動(dòng)通道的某個(gè)特定的點(diǎn)(即某個(gè)溫度)下維持所需的水化水平。
但是，通過(guò)沿著氧化劑/冷卻劑通道Koverall值可變的GDB可以維持目標(biāo)水化水平。對(duì)于維持飽和所需的局部Koverall值，可以將等式5重寫成局部電池溫度的函數(shù)如下Koptimum,local=ΦH2O(msat[Tlocal]-mH2Oambient)]]>在此情況下，為了維持飽和，與孔隙率成正比的Koverall必須沿著反應(yīng)物流動(dòng)通道的長(zhǎng)度而降低。圖3中進(jìn)一步顯示了這種關(guān)系，該圖表示對(duì)于在0.53A/cm2下操作的聯(lián)合氧化劑-冷卻劑燃料電池，維持飽和所需的Koptimum，local相對(duì)電池溫度之間的關(guān)系。
圖4說(shuō)明燃料電池110。燃料電池110包括插在陽(yáng)極流場(chǎng)板122和陰極流場(chǎng)板124之間的膜電極組件112。膜電極組件112由插在兩個(gè)電極，即陽(yáng)極118和陰極119之間的聚合物電解質(zhì)膜114組成。在傳統(tǒng)的燃料電池中，陽(yáng)極118和陰極119每個(gè)都分別包含氣體擴(kuò)散層(即多孔導(dǎo)電片材的流體分配層)130和131。每個(gè)氣體擴(kuò)散層在與膜114的界面上的其表面上具有電催化劑120和121薄層，例如鉑黑或碳支撐的鉑催化劑，從而給每個(gè)電極提供電化學(xué)活性。在可選的結(jié)構(gòu)中，電催化劑層120和121可以分別位于在與氣體擴(kuò)散層130和131的界面上的膜114的相對(duì)表面上。陽(yáng)極流場(chǎng)板122至少具有一個(gè)在其面向陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層130的表面中形成的燃料通道123。陰極流場(chǎng)板124至少具有一個(gè)在其面向陰極氣體擴(kuò)散層131的表面中形成的氧化劑流通道125。當(dāng)對(duì)著氣體擴(kuò)散層130和131共同的表面裝配時(shí)，通道123和125形成分別用于燃料和氧化劑，或者在聯(lián)合氧化劑-冷卻劑燃料電池中分別用于燃料和氧化劑/冷卻劑的反應(yīng)物流場(chǎng)通道。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，流體分配層130和131每個(gè)都包含滲透性在燃料和/或氧化劑流的方向上(即從燃料電池110入口到出口)降低的氣體擴(kuò)散阻擋層(即滲透性降低的流體分配層)。
這種滲透性可變的氣體擴(kuò)散阻擋層可以通過(guò)以非均勻的方式將填料引入多孔導(dǎo)電片材中來(lái)形成。填料通過(guò)降低片材中的尺寸或者完全填充其孔隙而降低了片材的孔隙率。為了實(shí)現(xiàn)所需的滲透性梯度，可以用在燃料或氧化劑流方向中含量增加的填料來(lái)浸漬片材。舉例來(lái)說(shuō)，在燃料電池入口附近引入很少或者不引入填料，而在燃料電池出口附近引入足夠量的填料或者完全填充孔隙。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)適當(dāng)?shù)奶盍鲜悄切┛梢员灰肫目紫秲?nèi)并且在燃料電池工作條件下基本上維持不變的材料。
如前所述，在使用空氣或氧氣作為氧化劑的燃料電池中，在膜的陰極側(cè)形成產(chǎn)物水。因此并且如上面提出的數(shù)學(xué)模型所述，僅在陰極側(cè)使用氣體擴(kuò)散阻擋層是足夠的。可以根據(jù)電池中的溫度梯度按需要設(shè)置陰極GDB中的滲透性梯度，從而對(duì)流動(dòng)通道的長(zhǎng)度獲得最佳的Koverall值。當(dāng)上面的模型通常表明滲透性梯度從入口到出口降低是可取的時(shí)，實(shí)際上燃料電池在接近反應(yīng)物入口附近可能經(jīng)歷了干燥問(wèn)題。因而，可能有利的是僅在入口的緊鄰附近采用降低很多的GDB孔隙率，以緩解干燥問(wèn)題。在此情況下，優(yōu)選的GDB滲透性可能在接近入口的問(wèn)題區(qū)域開始較低，然后在直至入口附近的相鄰區(qū)域明顯增加，再在每個(gè)模型的其余流動(dòng)通道長(zhǎng)度上降低。
盡管前面的討論主要旨向于在燃料電池的陰極側(cè)使用具有滲透性梯度的GDB，但是應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)這種GDB的使用適用于在陰極和陽(yáng)極兩側(cè)控制水分配的目的(例如，如圖4所示)。
在圖5所示的另一個(gè)實(shí)施方案中，不是使用氣體擴(kuò)散阻擋層代替氣體擴(kuò)散層，而是陽(yáng)極和陰極流體分配層每個(gè)都包含氣體擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散阻擋層。圖5顯示了既包含氣體擴(kuò)散層230和231，又包含氣體擴(kuò)散阻擋層240和241的燃料電池210。與圖4的燃料電池110相似，燃料電池210包括膜電極組件212，其包括插在陽(yáng)極218和陰極219之間的聚合物電解質(zhì)膜214，每個(gè)電極進(jìn)一步分別包含氣體擴(kuò)散層230和231以及氣體擴(kuò)散阻擋層240和241。如圖4所示，每個(gè)流體分配層在流體分配層和膜214之間的界面上具有電催化劑薄層220和221，并且在具有燃料通道223的陽(yáng)極流場(chǎng)板222和具有氧化劑通道225的陰極流場(chǎng)板224之間插有膜電極組件212。
氣體擴(kuò)散阻擋層240和241每個(gè)都具有滲透性梯度并且燃料和/或氧化劑流的方向上(即從燃料電池220的入口到出口)降低。
在再另一個(gè)實(shí)施方案中，代替使用如上所述的氣體擴(kuò)散層和/或氣體擴(kuò)散阻擋層，流體分配層可以由基本上是不滲透流體的片材組成，通過(guò)穿孔所述片材至少在活性區(qū)中可以滲透流體。穿孔所述片材允許通過(guò)其兩個(gè)主平面表面并且到達(dá)電催化劑層的反應(yīng)物流體通道。在此情況下，將產(chǎn)生滲透性降低的流體分配層(即氣體擴(kuò)散阻擋層)。美國(guó)專利第5,976,726號(hào)和美國(guó)專利申請(qǐng)第2003/0039876號(hào)公開了使用這種基本上不滲透流體的片材，這兩篇專利引入本文作參考。
圖6是具有這種包含穿孔的基本上不滲透流體的材料的燃料電池310的分解剖視圖。燃料電池310包括膜電極組件312，其包括插在陽(yáng)極流體分配層318和陰極流體分配層319之間的聚合物電解質(zhì)膜314，每個(gè)流體分配層在電化學(xué)活性區(qū)330中與膜314的界面上分別具有大量位于層320和321中的電催化劑。膜電極組件312插在陽(yáng)極流場(chǎng)板322和陰極流場(chǎng)板324之間，每個(gè)流場(chǎng)板面對(duì)相應(yīng)的流體分配層318和319分別具有敞開面的通道323和325。
在圖6所示的實(shí)施方案中，流體分配層319包含至少在電化學(xué)活性區(qū)330中被穿孔的基本上不滲透流體的片材350。穿孔354使流體分配層至少在穿過(guò)面的方向中是可以滲透流體的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，穿孔354可以包含不會(huì)完全堵塞反應(yīng)物通過(guò)的穿孔的填料，例如特殊的碳或者親水或疏水材料。盡管在圖6中沒(méi)有顯示，但是可以理解流體分配層318可以相似地包含穿孔的基本上不滲透流體的片材350。
根據(jù)本發(fā)明，穿孔354的圖案沿著流體分配層是不均勻的。在此方式中，通過(guò)改變沿著活性區(qū)的穿孔分布、數(shù)量、尺寸、形狀或者其任何組合，可以控制電化學(xué)反應(yīng)速率和流體傳輸性質(zhì)。因此，根據(jù)前面所述的數(shù)學(xué)模型，可以設(shè)計(jì)出具有改進(jìn)的電流密度分布和沿著膜適當(dāng)?shù)臐穸鹊娜剂想姵亍?br> 圖7A說(shuō)明這種穿孔的流體分配層400的一個(gè)實(shí)施方案，其中當(dāng)沿著從燃料電池的入口到出口的反應(yīng)物流動(dòng)通道在面內(nèi)穿越層400時(shí)，穿孔401的尺寸以梯度方式降低(即每個(gè)穿孔逐漸小于前一個(gè)穿孔)。箭頭402表示反應(yīng)物流的一般方向。圖7B說(shuō)明可選的實(shí)施方案，其中穿孔尺寸以分段方式降低(即從一個(gè)穿孔到下一個(gè)尺寸并非逐漸降低，而是在大量具有相同尺寸的穿孔后面是具有較小尺寸的大量穿孔)。在另一個(gè)沒(méi)有顯示的實(shí)施方案中，當(dāng)沿著反應(yīng)物流動(dòng)通道在面內(nèi)穿越層400時(shí)，穿孔401的密度(即每單位面積上的穿孔數(shù)量)或者以梯度方式或者以分段方式降低。在再另一個(gè)也沒(méi)有顯示的實(shí)施方案中，流體分配層中的穿孔尺寸和密度都沿著從入口到出口的反應(yīng)物流動(dòng)通道以梯度或者分段的方式增加。
當(dāng)圖7A和7B表示了穿孔401基本上是圓柱形時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解可以使用其它形狀并且除了穿孔的尺寸和/或密度外，其形狀也可以沿著流動(dòng)通道變化。舉例來(lái)說(shuō)，這包括在沿著流動(dòng)通道穿過(guò)平面的方向中改變穿孔。此外，如果反應(yīng)物流動(dòng)通道在入口和出口之間基本上是線形的，那么流體分配層使用的穿孔的圖案也可以是線形的，如圖7A和7B所示。但是，如果舉例來(lái)說(shuō)反應(yīng)物流動(dòng)通道從入口到出口遵循蛇行路徑，則要求在流體分配層上沿著相似的蛇行路徑改變穿孔。
圖6基本上不滲透流體的片材350優(yōu)選從例如柔性石墨、碳樹脂或金屬的導(dǎo)電材料來(lái)形成，并且可以進(jìn)一步在活性區(qū)的穿孔內(nèi)包含填料。優(yōu)選使用也稱作石墨薄片、鱗片石墨和膨脹石墨的柔性石墨。美國(guó)專利第6,521,369號(hào)公開了通過(guò)圖案化軋輥(即具有大量能夠?qū)旧喜粷B透流體的片材穿孔的突起的軋輥)的機(jī)械沖擊在這種材料中形成均勻穿孔圖案的方法。根據(jù)本發(fā)明，可以按照下面所述改進(jìn)美國(guó)專利第6,521,369號(hào)公開的方法，生產(chǎn)出不均勻的穿孔圖案并且在燃料和/或氧化劑流的方向中賦予降低的滲透性梯度。
如圖8A所示，通過(guò)兩對(duì)軋輥620、630和660、670的機(jī)械沖擊在基本上不滲透流體的片材600中的許多位置上形成穿孔610。箭頭650表示通過(guò)兩對(duì)軋輥片材600進(jìn)料的一般方向。軋輥630具有大量能夠穿孔片材600的突起625。因此，當(dāng)片材600通過(guò)每對(duì)軋輥620、630進(jìn)料時(shí)，突起625形成穿孔610。圖8B表示了代表性的突起625，其橫截面在遠(yuǎn)離軋輥620的方向中降低，并具有平坦端部626。由于突起625橫截面的降低，穿孔610的開口在開始沖擊的片材600一側(cè)上較大。
為了形成不均勻的穿孔圖案，軋輥620在朝向端部A的壓力或位移偏移下運(yùn)轉(zhuǎn)。作為這種偏移的結(jié)果，朝向端部A的突起625比朝向端部B的突起625具有更深的沖擊。由于突起625橫截面的降低，這種從端部A到端部B沖擊的差異產(chǎn)生尺寸在片材600的寬度方向上以梯度方式降低的穿孔圖案610。在此情況下，片材600的寬度將等于反應(yīng)物流動(dòng)通道的長(zhǎng)度。此外，為了適應(yīng)突起625沖擊深度的變化，軋輥630的表面是可變形的。
如圖8A中進(jìn)一步所示，在通過(guò)第一對(duì)軋輥620、630穿孔后，片材600通過(guò)第二對(duì)軋輥660、670進(jìn)料。使用軋輥660、670的平滑表面來(lái)設(shè)置片材600最終的厚度并且保證穿孔610周圍沒(méi)有粗糙的邊緣。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，端部A和B施加的壓縮量是相等的，并且為了形成不均勻的穿孔圖案，施加的壓縮量周期性變化(通過(guò)改變軋輥壓力或位移)。如同在前面的實(shí)施方案中一樣，當(dāng)軋輥620施加的壓縮增加時(shí)，突起625在片材600中將具有更深的沖擊，并且由于突起625橫截面的降低，將產(chǎn)生更大的穿孔610。因此，將產(chǎn)生尺寸在片材600的長(zhǎng)度方向上以梯度方式降低的穿孔圖案610。
從前面的說(shuō)明中應(yīng)當(dāng)理解盡管本文中為了闡述已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明具體的實(shí)施方案，但是可以做出各種修改而不會(huì)背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明除了如附加的權(quán)利要求外是不受限制的。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)燃料電池，包括(a)陽(yáng)極電催化劑層；(b)陰極電催化劑層；(c)插在所述陽(yáng)極和陰極電催化劑層之間的聚合物電解質(zhì)膜；(d)陽(yáng)極流場(chǎng)板；(e)陰極流場(chǎng)板；(f)插在所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極電催化劑層之間的陽(yáng)極流體分配層；以及(g)插在所述陰極流場(chǎng)板和陰極電催化劑層之間的陰極流體分配層，其中所述陽(yáng)極和陰極流體分配層至少之一的滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低。
2.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低的所述至少一個(gè)流體分配層包括具有滲透性梯度的氣體擴(kuò)散阻擋層。
3.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低的所述至少一個(gè)流體分配層包括(a)氣體擴(kuò)散層；及(b)具有滲透性梯度的氣體擴(kuò)散阻擋層。
4.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低的所述至少一個(gè)流體分配層包括具有多個(gè)穿孔的基本上不滲透流體的片材，所述穿孔被配置使所述基本上不滲透流體的片材具有滲透性梯度。
5.權(quán)利要求4的電化學(xué)燃料電池，其中所述基本上不滲透流體的片材是柔性石墨。
6.權(quán)利要求4的電化學(xué)燃料電池，其中所述多個(gè)穿孔的尺寸從電化學(xué)燃料電池的入口到出口以梯度方式降低。
7.權(quán)利要求4的電化學(xué)燃料電池，其中所述多個(gè)穿孔的尺寸從電化學(xué)燃料電池的入口到出口以分段方式降低。
8.權(quán)利要求4的電化學(xué)燃料電池，其中所述多個(gè)穿孔的密度從電化學(xué)燃料電池的入口到出口以梯度方式降低。
9.權(quán)利要求4的電化學(xué)燃料電池，其中所述多個(gè)穿孔的密度從電化學(xué)燃料電池的入口到出口以分段方式降低。
10.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中從燃料電池的入口到出口所述燃料電池的溫度增加。
11.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中所述電化學(xué)燃料電池是聯(lián)合氧化劑-冷卻劑燃料電池。
12.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中所述電化學(xué)燃料電池是未增濕的燃料電池。
13.權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池，其中滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低的所述至少一個(gè)流體分配層是陰極流體分配層。
14.一種包括多個(gè)權(quán)利要求1的電化學(xué)燃料電池的燃料電池組。
15.一種電化學(xué)燃料電池，包括(a)陽(yáng)極電催化劑層；(b)陰極電催化劑層；(c)插在所述陽(yáng)極和陰極電催化劑層之間的聚合物電解質(zhì)膜；(d)陽(yáng)極流場(chǎng)板；(e)陰極流場(chǎng)板；(f)插在所述陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極電催化劑層之間的陽(yáng)極流體分配層；以及(g)插在所述陰極流場(chǎng)板和陰極電催化劑層之間的陰極流體分配層，其中所述陽(yáng)極和陰極流體分配層至少之一的滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到緊鄰入口的一點(diǎn)處增加并且從緊鄰入口的一點(diǎn)到電化學(xué)燃料電池的出口處降低。
16.一種制造具有不均勻穿孔圖案的基本上不滲透流體的片材的方法，其中所述穿孔使所述基本上不滲透流體的片材可以滲透流體，所述方法包括(a)在第一個(gè)軋輥和第二個(gè)軋輥之間供給所述基本上不滲透流體的片材，其中所述第一個(gè)軋輥包含多個(gè)突起，每個(gè)突起的橫截面在遠(yuǎn)離第一個(gè)軋輥的方向上降低并且適于對(duì)所述基本上不滲透流體的片材穿孔；以及(b)向所述第一個(gè)軋輥的一端施加偏移。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述基本上不滲透流體的片材是柔性石墨。
18.一種制造具有不均勻穿孔圖案的基本上不滲透流體的片材的方法，其中所述穿孔使所述基本上不滲透流體的片材可以滲透流體，所述方法包含(a)在第一個(gè)軋輥和第二個(gè)軋輥之間供給所述基本上不滲透流體的片材，其中所述第一個(gè)軋輥包含多個(gè)突起，每個(gè)突起的橫截面在遠(yuǎn)離第一個(gè)軋輥的方向上降低并且適于對(duì)所述基本上不滲透流體的片材穿孔；以及(b)改變所述第一個(gè)軋輥施加的壓縮量。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述基本上不滲透流體的片材是柔性石墨。
20.權(quán)利要求18的方法，其中周期性改變所述第一個(gè)軋輥施加的壓縮量。
全文摘要
一種電化學(xué)燃料電池，其包含陽(yáng)極電催化劑層、陰極電催化劑層、插在陽(yáng)極和陰極電催化劑層之間的聚合物電解質(zhì)膜、陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板、插在陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極電催化劑層之間的陽(yáng)極流體分配層、以及插在陰極流場(chǎng)板和陰極電催化劑層之間的陰極流體分配層，其中陽(yáng)極和陰極流體分配層至少之一的滲透性從電化學(xué)燃料電池的入口到出口降低。還提供了制造具有不均勻穿孔圖案的基本上不滲透流體的片材的方法。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1823443SQ200480019920
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者亞歷山大·莫斯曼, 艾默森·R.·加拉格 申請(qǐng)人:百拉得動(dòng)力系統(tǒng)公司