[发明专利]用于燃料电池的多孔导电流体分配板

说明书

技术领域

本发明总体上涉及多孔导电流体分配板、制造多孔导电流体分配板的方法和利用根据本发明的多孔导电流体分配板的系统。更明确地来讲，本发明涉及在解决燃料电池和其它类型的装置中的水输送难题时多孔导电流体分配板的使用。

背景技术

正在开发燃料电池作为用于包括车辆用途的许多用途的电源。燃料电池的一种是质子交换膜或PEM燃料电池。PEM燃料电池是本领域中所公知的并在燃料电池中的每个单元中包括膜电极组件或MEA。MEA是具有阳极电极面和阴极电极面的薄质子传导聚合物膜电解质，阳极电极面在MEA的一个侧面上形成，阴极电极面在MEA的相对的侧面上形成。膜电解质的一个示例是用离子交换树脂制成的类型。示范性离子交换树脂包括全氟磺酸(perfluoronated sulfonicacid)聚合物，如可从E.I.DuPont de Nemeours & Co.得到的NAFION^TM。另一方面，阳极面和阴极面通常包括精细分离的碳粒子，支撑在碳粒子的内表面和外表面上的非常精细地分离的催化粒子，以及质子传导粒子，如与催化粒子和碳粒子混合的NAFION^TM；或者分散在整个聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂中的无碳催化粒子。

多单元PEM燃料电池包括多个MEA，这些MEA以电气串联方式堆叠在一起，并且由称为分隔板或双极板的不透气导电流体分配板相互分隔。这些多单元燃料电池称为燃料电池组。双极板具有两个工作面，一个工作面面对一个单元的阳极，另一个工作面面对电池组中的相邻的下一个单元上的阴极，并且在相邻的单元之间传导电流。在电池组的端部的导电流体分配板仅接触端部单元并称为端板。双极板含有在阳极和阴极的表面上方分配气体反应物(如H₂和O₂/空气)的流场。这些流场通常包括多个脊部(land)，这些脊部在它们之间限定多个流动通道，气体反应物通过这些流动通道在供给集管与排气集管之间流动，供给集管和排气集管位于流动通道的相对端部。

通常将称为“扩散介质”的高度多孔(即大约60％至80％)的导电材料(如布、滤网、纸、泡沫等)插在导电流体分配板与MEA之间，并用于(1)在导电流体分配板的脊部之间和下方在电极的整个面上分配气体反应物，和(2)从面对凹槽的电极的面采集电流并将电流输送到限定该凹槽的相邻的脊部。一种公知的扩散介质包括具有约70％的体积孔隙度和约为0.17mm的未压缩厚度的石墨纸，这种石墨纸可在商业上从Toray Company以Toray 060的名字获得。这种扩散介质还可包括本领域中所公知的细筛、贵金属滤网等。

在H₂-O₂/空气PEM燃料电池环境中，导电流体分配板通常可与含有F^-、SO₄^-、SO₃^-、HSO₄^-、CO₃^-和HCO₃^-等的弱酸溶液(pH3至5)恒定接触。而且，阴极通常在高度氧化的环境中运行，并且在暴露给增压空气时被极化至约+1V(与标称氢电极相比)的最大值。最后，阳极通常恒定地暴露给氢。因此，导电流体分配板应耐受燃料电池中的不利环境。

一种更普遍类型的适当的导电流体分配板包括用聚合物复合材料模制的那些导电流体分配板，这些材料通常包括50％至约90％体积的导电填料(如石墨粒子或丝)，这种导电填料分散在整个聚合物基料(热塑性或热固性的)中。近期在复合导电流体板的开发中的努力一直针对具有足够的导电和导热性的材料。材料供应商已开发出高碳载荷复合板，这些复合板在聚合物基料中包括体积范围在50％至90％之间的石墨粉，以实现必要的传导率目标。这种类型的板通常能够耐受腐蚀性燃料电池环境，并且，就大部分而言，满足成本和传导率目标。目前可得到的一种双极板是来自West Chicago，III.的BulkMolding Compound，Inc.的BMC板。