燃料電池流動溝道和流場的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請設(shè)及并要求保護2012年8月14日提交的美國臨時專利申請 No. 61/683, 156、2012年10月10日提交的美國臨時專利申請No. 61/712, 010、W及2012年 10月10日提交的美國臨時專利申請No. 61/712, 236的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其中每個臨時申請通過 全文引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及燃料電池，具體地，設(shè)及燃料電池的流場（flowfield)設(shè)計和 流場板。
【背景技術(shù)】
[0004] 在典型的聚合物電解質(zhì)膜（PEM)燃料電池中，膜電極組件（MEA)被布置在兩個導(dǎo) 電隔板（S巧aratorplates)之間。氧化劑和燃料流場提供用于將氧化劑和燃料引導(dǎo)到MEA 的各電催化劑層的裝置，具體地，引導(dǎo)到燃料側(cè)的陽極和MEA的氧化劑側(cè)的陰極。典型的反 應(yīng)物流體（reactantfluid)流場具有至少一個溝道，其中反應(yīng)物流體流經(jīng)該溝道。通常通 過將多個面向開口的溝道設(shè)置在隔板的一面或兩面上，來將流體流場與隔板相集成。面向 開口的溝道面對電極，其中反應(yīng)物在該電極處進行化學(xué)反應(yīng)。通常向電極提供比燃料電池 中的電化學(xué)反應(yīng)實際消耗的反應(yīng)物更多的反應(yīng)物?；瘜W(xué)計量（stoichiometry)(或化學(xué)計 量比）可W被定義為提供給燃料電池的反應(yīng)物的摩爾流率除W在燃料電池中消耗的反應(yīng) 物的摩爾流率；反應(yīng)物的化學(xué)計量是反應(yīng)物利用率的倒數(shù)。
[0005] 在單個電池布置中，將隔板設(shè)置在每個陽極和陰極側(cè)。將隔板用作集電器 (currentcollectors)，提供電極的結(jié)構(gòu)支撐。在燃料電池組中，兩側(cè)具有反應(yīng)物流場的雙 極板通常夾有MEA。
[0006] 在傳統(tǒng)燃料電池流場中，反應(yīng)物流動溝道沿其長度具有恒定的橫截面面積和形 狀。通常，所述溝道的橫截面為方形或矩形。然而，流動溝道的橫截面面積沿其長度變化 的燃料電池是已知的。例如，申請人已授權(quán)的美國專利No. 6, 686, 082和美國專利申請公開 No.US2006/0234107(每個文獻通過全文引用合并于此）描述了梯形的燃料電池流場板，其 中流動溝道的橫截面是矩形，并橫截面積沿流動方向連續(xù)減小。具體地，描述了多個實施 例，其中，流動溝道寬度沿流動方向線性地減小。該種錐形溝道使得反應(yīng)速度沿溝道增加， 并用于提供蛇形流動溝道的一些優(yōu)點，而沒有顯著壓降W及通常與蛇形流動溝道相關(guān)聯(lián)的 寄生負載的相關(guān)增加。相對于大略覆蓋相同流場區(qū)域的傳統(tǒng)流場，蛇形流場提供更高的反 應(yīng)速度和改善的溝道除水性能。
[0007] 還已知的是；有可能通過沿陰極流動溝道的長度改變它的橫截面面積，來增強燃 料電池性能。燃料電池通常在陰極處對稀釋的氧化劑流（即，空氣）進行操作。當(dāng)空氣 沿著陰極流動溝道流動時，空氣流中的氧含量傾向于大量減少，空氣壓力傾向于下降。該 可導(dǎo)致燃料電池性能降低和電流密度在燃料電池中不均勻。申請人已授權(quán)的美國專利 No. 7, 838, 169(該申請通過引用合并于此）描述了溝道橫截面具有更復(fù)雜變化的改善型陰 極流場溝道，可W將該陰極流場溝道用來實現(xiàn)陰極處實質(zhì)上恒定的氧氣供應(yīng)。描述了多種 實施例，其中溝道的橫截面面積沿溝道長度變化，使得對于給定溝道長度和空氣化學(xué)計量， 氧氣供應(yīng)保持為實質(zhì)上恒定的。在一些實施例中，溝道寬度沿氧化劑流動方向根據(jù)指數(shù)函 數(shù)減小。由于沿著該溝道保持實質(zhì)上恒定的氧氣供應(yīng)，使用該種陰極流動溝道已被證明提 供改善的電流密度均勻性，并增強燃料電池性能。
[0008] 在對PEM燃料電池的長時間操作期間，存在可W導(dǎo)致不可逆的性能損失和/或電 化學(xué)表面積（surfacearea)的損失的許多因素。該種損失主要由于催化劑層劣化，包括銷 金屬溶解和對碳載體的腐蝕。碳腐蝕是由電池逆轉(zhuǎn)而引起的，而電池逆轉(zhuǎn)可W是由陽極區(qū) 域中的不均勻反應(yīng)物分布和/或燃料不足而引起的。銷溶解可W是由于在陰極或陽極處的 高電勢而引起的，當(dāng)存在異構(gòu)電流分布時可W在陰極或陽極處發(fā)生高電勢。單獨地或相結(jié) 合地，該些劣化速率可W是較大的，并且需要緩解W便進行長期穩(wěn)定操作。用均勻電流密度 操作燃料電池可W減少碳腐蝕和銷溶解，該兩者對于燃料電池性能、壽命和耐久性都是不 利的?？蒞推測；實現(xiàn)更均勻的電流密度會降低燃料電池劣化速率，從而改善燃料電池壽 命。此外，增加溝道下游的速度可W減小在燃料電池啟停順序期間在陽極處氨氣/空氣前 列在空氣凈化循環(huán)期間的停留時間，從而導(dǎo)致減小碳腐蝕速率和改善耐久性。
[0009] 最初研發(fā)了在"169專利中描述的流場溝道，并將其用于燃料電池陰極，并不期 望該流場溝道在陽極處提供特定優(yōu)點，至少部分是因為對實質(zhì)上純凈的氨氣進行的燃料電 池操作不會導(dǎo)致大量傳送損耗，該是由于氨分子具有較高的濃度和較高的擴散率。然而，申 請人現(xiàn)在確定可W對該種流場溝道進行修改W便用于陽極處，使得當(dāng)燃料電池對稀釋的燃 料進行操作時增強燃料電池性能，當(dāng)燃料電池對實質(zhì)上純凈的燃料進行操作時提供更多性 能優(yōu)點。
[0010] 通常，將實質(zhì)上純凈的燃料流（諸如氨氣）用于燃料電池陽極，沿陽極流動溝道的 反應(yīng)物耗盡和反應(yīng)物供應(yīng)的問題與陰極上的空氣是不一樣的。通常，對于對實質(zhì)上純凈的 燃料的操作，陽極流場是"死端（dead-ended)"，燃料電池或燃料電池組裝配有用于除去雜 質(zhì)、污染物和/或水的排除閥或放氣閥，由于在燃料電池的操作期間消耗燃料，雜質(zhì)、污染 物和/或水往往積聚在陽極流動溝道的下游部分。該種"惰性"的積累可導(dǎo)致電流密度不均 勻，從而降低燃料電池性能。此外，在陽極流動溝道積累水可能導(dǎo)致其他問題，包括阻斷燃 料訪問陽極催化劑，從而導(dǎo)致與碳腐蝕和貴金屬催化劑溶解二者相關(guān)的燃料不足條件。申 請人已確定可W修改與在"169專利中所述的流場溝道相似的流場溝道，W便用于陽極處 來減少在陽極處的一部分不利影響，增強甚至在實質(zhì)上純凈的燃料上的燃料電池性能。該 種溝道可W用于增加燃料在沿溝道通過期間的燃料速度。據(jù)信該樣可W提高燃料利用率， 由于提高在陽極上的流速可W提供更高的燃料供應(yīng)量，引起在較低流速下電流密度的均 化。該可W減少針對給定功率輸出的燃料消耗。此外，如果燃料電池對稀釋的燃料流（如 含有氨的重整流，或甲醇水溶液）進行操作，則由于該燃料流沿流動溝道流動，因此所述流 中的氨含量趨于被耗盡，燃料流壓力趨于下降。二者可導(dǎo)致燃料電池性能降低。本文所述 的陽極流場溝道可W用來補償燃料的消耗，從而實現(xiàn)了對稀釋燃料的實質(zhì)上恒定的燃料供 應(yīng)，從而提供了更均勻的電流密度。
[0011] 除了針對在陽極處使用的修改之外，"169專利和本文還描述了對流場溝道和流場 的其它改善和變型。具體地，描述了多種實施例，其中可w將該種流動溝道合并或改型到傳 統(tǒng)矩形燃料電池在陽極和/或陰極處的幾何形狀（而不是梯形燃料電池）中，燃料電池活 性區(qū)域的利用率高并且有效地利用MEA和板材料。還描述了多種實施例，其中溝道的特性 隨著沿溝道的距離而變化，根據(jù)與"169專利和本文所述的相同或相似原理，但是僅沿著溝 道長度的一部分。還描述了其它實施例，其中溝道的特性根據(jù)相同或相似原理隨著沿溝道 的距離而變化，但是該種變化是W階梯的或不連續(xù)的方式?？蒞將該種實施例可W用來實 現(xiàn)上述性能優(yōu)勢的至少一部分，還可W提供改善流場的選項，改善流場更易于制造或合并 到矩形燃料電池板幾何形狀中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 通過燃料電池陽極流場板，實現(xiàn)上述和其它優(yōu)點，所述燃料電池陽極流場板包 括：
[001引 （a)燃料入口；
[0014] 化）燃料出口；
[0015] (C)至少一個溝道，形成在所述陽極流場板的主表面中，所述至少一個溝道具有底 板（floor)W