[发明专利]用于电化学燃料电池的流场板

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求根据条款35U.S.C.119(e)要求在2010年3月8日提交的美国临时专利申请No.61/311450的优先权。该临时申请在此以引文的形式完整包含在本申请中。

技术领域

本发明涉及电化学燃料电池，特别涉及用于流场板的流场通道特性。

背景技术

燃料电池将燃料和氧化剂转换为电能和反应产物。质子交换膜燃料电池应用膜电极组件(“MEA”)，该膜电极组件具有被插入在阳电极和阴电极之间的质子交换膜(“PEM”)(也称为离子交换膜)。阳极典型地包括电化学催化剂和离聚物，或者电催化剂、离聚物以及粘合剂的混合物。离聚物在电催化剂层中的存在有效地增加了电催化剂的电化学活性表面积，上述电催化剂需要连接阴极电催化剂的离子导电通道以产生电流。该阴电极可相似地包括电催化剂和粘合剂和/或离聚物。典型地，阳极和阴极中所用的电催化剂为铂或铂合金。每一个电极可进一步包括微孔的，导电的基板，例如碳纤维纸或碳布，该基板为所述膜提供结构支撑并作为气体扩散层(GDL)。阳电极和阴电极可被结合或密封于PEM以形成单一体的MEA单元。

该膜电极组件被典型地插入到两个导电流场板或隔板之间。在工作期间，这些流场板作为集流体，为电极提供支撑，并提供供应例如燃料和氧化剂的反应物以及去除过量的反应物和所产生的例如水的产物的流场。在一些情况下，通过将被称为阳极流场板和阴极流场板的两个流场板结合在一起形成了双极流场板，使得阳极流场板形成在双极流场板的一个表面上，阴极流场板形成在双极流场板的相反的另一个表面上，并且制冷剂流场被形成在该阳极流场板和阴极流场板之间。在其它的情况下，双极流场板可以为在其一个表面上具有阳极板而在另一个表面上具有阴极板的单个板。流场典型地包括其间形成了流场通道并在被组装到燃料电池中时接触MEA的电极的多个台面(landing)。图1-4(现有技术)共同地说明了传统MEA5的典型设计，电极1，3之间夹有质子交换膜2(图1)；包括在流场板11，12(图2)之间的MEA5的电化学电池10(图3)；电化学电池10的堆50(图3)；在端板17，18之间被压制的堆50(图4)。图1-4的每一个也描述了在工作期间用于向燃料电池输送反应物和从燃料电池去除产物的阀组30。

在燃料电池工作期间，主要负载从该燃料电池上抽取。在阳电极上，燃料(典型地以氢气的形式)在PEM的存在下在阳极电催化剂上反应以形成氢离子和电子。在阴电极上，氧化剂(典型地为空气中的氧气)在阴极催化剂的存在下与穿过PEM的氢离子反应以形成水。该PEM在方便了从阳极到阴极的氢离子的迁移的同时，也用于将燃料流与氧化剂流隔离。电子流过外部电路创建了维持主负载的电流。

在实际中，燃料电池需要耐受改变工作状态，特别是液体水在流场通道中积累的条件。当存在液体水时，在燃料电池堆中的一些燃料电池可显示比燃料电池堆中其它的燃料电池显著高的流动电阻(例如对给定的压力降流过流通道较少气体)。结果，较低的流动阻力燃料电池将经历比较高流动阻力燃料电池更多的气体流，导致了该较高流动阻力燃料电池变的缺乏反应物并导致它们的电压的下降。由于在流通道中液体水的存在，该低流动阻力可能在不同电池之间不同并可在整个时间内随机地发生，导致了电压和/或压力的不稳定。

许多技术被采用以去除流通道中的液体水或防止液体水的生成。在一个例子中，该燃料电池堆可在更高的温度下工作以减小或阻止液体水的形成。然而，由于元件的退化，例如质子交换膜和密封材料的退化，以及碳质元件的侵蚀，典型地限制了最大工作温度。在其它的例子中，流通道可被设计为对于给定的流速表现出更高的压力降和/或反应物能被以更高的流速供应(例如周期性地吹扫)使得液体水能被更容易的去除。然而，这些技术需要相对贵的燃料电池系统设计，更耐用的MEA元件，和/或增加的系统寄生损耗。

由于调节工作状态以去除液体水的缺点，因此建议调整流通道特性使得水依靠毛细作用从电极带走。例如，美国专利No.6649297公开了一种用于燃料电池的双极板，其包括在其至少一面上，能够形成具有邻近的电极的表面的气体分散通道的沟道，其中，该气体分散通道具有一定形状或几何图形，使得在该通道中的两阶段流动的液体可以从电极的界面去除。在一个优选的几何图形中，该通道具有等腰梯形的横截面，该等腰梯形的边(除了底)是相等的并且它的小底由电极的表面限定。换句话说并如图5(现有技术)中所示，电极附近的两个角(角)都具有比两个相对的角(角β)大的角度值。然而，这样一个分散通道几何图形难以使用低成本板模铸，模压或机械加工大批量地制造。