[发明专利]用于电化学燃料电池的流场板

说明书

流场板包括第一流场表面、相对第二表面、以及形成在第一流场表面中的至少一个流动通道和至少一个凸台，其中，凸台包括主表面、从主表面延伸的至少第一凸起和第二凸起，第一凸起和第二凸起中的每一个设置在凸台的主表面的边缘处。凸台的主表面优选地具有弯曲形状，并且从主表面延伸的凸起优选地具有圆形形状。

技术领域

本公开涉及电化学燃料电池，尤其涉及流场板凸台的新颖设计。

背景技术

燃料电池系统将反应物(即燃料和氧化剂)转化为电能，并因此在例如汽车和固定发电厂之类的许多应用中用作电源。这种系统是经济地提供具有环境益处的动力的良好解决方案。

燃料电池通常采用了设置在两个电极(即阴极和阳极)之间的电解质。催化剂通常在电极处诱导电化学反应。优选的燃料电池类型包括固体聚合物电解质燃料电池，其包括固体聚合物电解质，例如质子交换膜，并且在相对较低的温度下操作。质子交换膜燃料电池采用了具有插置于阳极电极和阴极电极之间的质子交换膜(PEM)(也称为离子交换膜)的膜电极组件(MEA)。阳极电极通常包括催化剂和离聚物，或者催化剂、离聚物和粘合剂的混合物。催化剂层中离聚物的存在有效地增加了催化剂的电化学活性表面积，这需要通向阴极催化剂的离子传导路径以产生电流。阴极电极可以类似地包括催化剂和粘合剂和/或离聚物。通常，在阳极和阴极中使用的催化剂是铂或铂合金。每个电极通常包括具有微孔的导电基底，例如碳纤维纸或碳布，其为膜提供机械支撑并用于反应物分布从而用作气体扩散层(GDL)。

膜电极组件通常设置在两个导电流场板或分隔板之间，从而形成燃料电池。这些流场板用作集电器，为电极提供支撑，并为反应物(例如燃料和氧化剂)的供应和在操作期间形成的过量反应物和产物(例如产物水)的去除提供流场。流场包括由凸台分隔开的流体分配通道，所述凸台在组装成燃料电池时与MEA的电极接触。凸台用作气体扩散层的机械支撑并提供与气体扩散层的电接触。燃料电池组包括压缩在端板之间的多个燃料电池。

在努力减小燃料电池堆的尺寸和降低与燃料电池的制造相关的成本同时改善燃料电池性能的过程中，存在通过采用用于气体扩散层(GDL)的更薄、更多孔的材料来减小流场板的厚度和/或减小膜电极组件的厚度的趋势。

减小流场板的厚度可能涉及减小流场通道的深度，这可能需要增加流场通道的宽度以确保反应物通过通道进行适当的流动。为了防止材料在压缩载荷下偏转到流场通道中以及确保GDL和膜之间的适当接触压力，这与采用较不硬的较薄或较多孔的气体扩散层的趋势相结合，可能引发对GDL材料提供更多支撑的需求。如果没有防止扩散层材料的偏转，通道将被阻塞，从而不利于反应物的分布和/或反应产物的去除并且不利地影响燃料电池的性能。此外，如J.Kleemann,F.Finsterwalder和W.Tillmetz在“Characterisation ofmechanical behavior and coupled electrical properties of polymer electrolyticfilm fuel cell gas diffusion layers”(Journal of Power Sources 190(2009)pg.92-102)中所讨论的，在燃料电池内的电损耗方面，在与通道中央对应的区域中GDL和膜之间的最小接触压力被认为是关键的。

气体扩散层进入流场通道的问题以及保持催化剂涂覆膜(CCM)和气体扩散层之间的适当接触压力通常通过控制流场板中的凸台的尺寸(宽度)和相应的流动通道的尺寸来解决。在流场设计中简单地增加凸台面积和/或凸台数量或减小流动通道的宽度可以改善相邻流体扩散层的机械支撑，但是这也不利地影响流体进入和离开流体扩散层。