CN1663067A - 流场板几何结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池或电解器的流场板在至少一个面上包括通道组件，该通道组件包括一条或多条气体输送通道、一条或多条除气通道以及将其分隔的可渗透壁。这种可渗透壁可包括多条气体扩散通道。

Description

流场板几何结构
本发明涉及燃料电池和电解器，特别适用于质子交换膜燃料电池和电解器，但是并非专用于此。
燃料电池为燃料与氧化剂按照可控方式组合直接产生电能的装置。由于在没有中间燃烧和发电步骤的情况下直接产生电能，所以燃料电池的电效率就高于在传统发电机中使用燃料。这已是众所周知。燃料电池听起来既简单又理想，但是近年来已经耗费许多人年的工作来尝试生产实用的燃料电池系统。电解器实际上与燃料电池相反，其中使用电能来将水分解成氢与氧。
燃料电池和电解器都可能成为所谓“氢经济”的重要部分。下述内容参考燃料电池而做出，但是应当记住，同样的原理也适用于电解器。一种商业生产的燃料电池称作质子交换膜(PEM)燃料电池[有时称作聚合物电解器或固态聚合物燃料电池(PEFCs)]。这种电池使用氢作为燃料，并且包括具有置于两面上的多孔电极的电绝缘(但是传导离子)聚合物膜。这种膜通常为氟磺酸盐聚合物，而电极通常包括散布于碳粉衬底上的贵金属催化剂。这种电极与膜的组件通常被称作膜电极组件(MEA)。
氢燃料供应给一个电极(阳极)，在该电极处氢燃料被氧化从而释放电子到阳极并且释放氢离子到电解液。氧化剂(通常为空气或氧气)供应给另一个电极(阴极)，来自阴极的电子在此与氧和氢离子组合生成水。质子交换膜燃料电池的一个子类为供应甲醇作为燃料的直系甲醇燃料电池。本发明易于包含这种燃料电池和实际上的任何其它燃料电池。
在商业PEM燃料电池中，许多这种膜利用流场板(也称作双极板或隔离器)隔开而堆叠在一起。通常，流场板由金属或石墨形成，以便使得能够在一个膜的阳极与相邻膜的阴极之间进行良好的电子迁移。流场板的表面上具有槽的图案，用于供应流体(燃料或氧化剂)并将作为燃料电池反应产物生成的水去除。
目前已经描述了多种形成槽的方法，例如，已经提出通过机加工、压制或模塑(WO00/41260)以及通过保护层进行喷砂处理(WO01/04982)(这对于本发明特别有用)来形成此类槽。国际专利申请No.WO01/04982公开了一种流场板的机加工方法，其通过在板上涂敷保护层或掩模而后使用喷砂处理(或其它利用运动颗粒的动量来研磨表面的蚀刻方法，如水喷射加工)，以形成与掩模或保护层中所形成的图案相对应的特征。
WO01/04982中示出了这种过程，其能够形成穿过流场板的孔或位于流场板中的封闭底坑或通道。在本文中将WO01/04982的方法全部引入，以为本发明提供充分的背景。
实际上，到目前为止多数制做的板都是通过磨铣通道而形成。
WO00/41260公开了一种流场几何结构，其中提供了基本上为直线的平行通道，其宽度小于约0.75mm。
WO00/26981公开了一种相似的几何结构，其中使用了由小于800μm的脊面(land)隔开的宽度小于800μm的高度平行的流动通道，其中通道间的脊面面积小于流场的25％。优选的脊面宽度更窄。所述的这种几何结构用于改善气流分配，因为其减少了对通过MEA的侧向气体散布的需要(在WO00/26981中被称为DCC[扩散集电器])。所述的这种几何结构还减少了电阻，因为其减少了通向脊面区域的电路径长度。
WO00/26981中所述的电与气体特性之间存在矛盾，即减少脊面区域就会增加电阻。WO00/26981叙述了这些互相矛盾的需求可以进行优化。WO00/26981中叙述了高度平行的微通道的图案可能包含互连或分支点如在影线或网格图形中一样。所述的使用狭窄通道的一个优点是这促进了在横过通道中形成水滴，因此使得水能够被有效去除。然而，由于水滴两侧的压力可能基本上相等，所以在使用网格图形时，这种优点可能不会出现。
WO00/26981所引用的有：
·US 3814631，其公开了一种电极构造，其中在通向带纹理电极的框架边缘提供了宽度大于0.3mm的微通道，在这种带纹理的电极中，电极一个面上的突起与电极相反面中的凹陷相配。
·US 5108849，其公开了一种具有宽度为0.76mm(0.03inch)或更宽的蜿蜒轨道的板，其中脊面宽度为0.254mm(0.01inch)或更宽。
·WO94/11912，其公开了一种具有宽度和深度均为0.76mm(0.03inch)的不连续轨道的板。这些轨道可以互成角度配置。
·WO98/52242，其公开了用于湿润膜的装置。
狭窄通道已知用于其它装置中，例如WO94/21372公开了一种化学处理设备，其包括通过对准相邻盘中的部分通道而形成的三维曲折通道。这种构造尚未用于燃料电池。
没有涉及燃料电池的专利公开了通向精细气体通道的比较粗糙的气体输送通道的结构。
为了保证流体均匀散布于其相应的电极表面上，所谓的气体扩散层(GDL)安置于电极与流场板之间。气体扩散层为多孔材料并且通常包括碳素纸或布，常常一面具有碳粉的粘合层并涂敷着用于提高防水能力的疏水材料。已经提出在具有小孔尺寸范围为20-100μm的连通孔隙度的大孔隙材料(US-A-5641586)下方提供一种互成角度配置的流场，以容许减小气体扩散层的尺寸。这种设置允许气流在封闭的小孔周围存在，而这点很不利。这些小孔中可能发生反应产物(如水)的集结，从而降低气体输送效率。另外，这种结构增加了流场板的厚度。
申请人分析了燃料电池中会发生的情况，并得出如下结论，气体扩散层并不会如其名称所包含的意思那样做。得出的理论是气体扩散层用于使得气体能够跨过膜的整个表面扩散以便使得大部分的膜在电解反应中起作用。申请人发现，在简单的模型中，气体似乎并未进入通道之间的整个脊面，而只进入在通道上方的区域和通道周围的小边缘处，大部分的发电发生于这个受限的区域内。
通过观察证明由于迫使气体进入脊面上方的区域，所以互成角度配置的通道显示出较高的电效率。然而，气体扩散层实际上并未起作用来从通道上方的膜电极的那些区域向脊面传送电流，以及向膜电极提供机械支承以防止其被挤入通道中。有些人提出了加固膜电极。
气体扩散层在从那些发电的区域向脊面传送电流的过程中，由于气体扩散层存在电阻，因而确实造成了电损耗。现代的气体扩散层选定成在机械强度、导电率和透气性之间进行细致的平衡。
US-A-6037073中对组合式流场板与气体扩散层进行了描述，其包括按照选择浸渍的多孔碳材料主体，浸渍作用密封着部分板。这种设置的缺点在于其再现比较复杂并且其如US-A-5641586中一样允许气流位于阻塞处周围。
通常，带有相关燃料和氧化剂供应歧管的流场板和膜的组合体是指燃料电池组。
尽管上述技术的样机和一些有限的商业应用中已被证明有用，但为了实现更广泛的商业认可，目前需要减小燃料电池组的物理尺寸并减少其成本。因此，减少部件数量可能有益于尺寸与成本的减少(通过材料和装配成本的减少)。
同样，现有技术的流场板已提供了矩阵、蜿蜒、线性或互成角度配置的形式的流场，但是尚未注意用于改善气流路径的其它物理系统。矩阵型流场(其中提供了脊面网格以便用于支承脊面之间的气体扩散层和气流)理论上能提供良好的气流，但实际上却存在缺点，即水易于截留于矩阵内并将矩阵阻塞。而且，任何阻塞都可能会在流场中产生停滞区域。
线性与蜿蜒流场在水阻塞或停滞区域方面问题较少，但是在给定的压差下只有较少的气流穿过流场。蜿蜒流场图案还易于存在气体“短路”的问题，因为气体从一个通道流至具有低得多的压力的相邻通道。
互成角度配置的流场提供了高效率的气体输送，但是缺点在于需要高压力来迫使气体从引入流场穿过气体扩散层流至输出流场，这样就会引起高附加损失。
另外，申请人对常规流场板设计的行为进行了模拟，并且发现在高需求的情况下(如：电流为0.6A/cm2或更高)这种常规型板容易在流场板的大部分上损耗氧化剂和/或燃料。
气流场的已知要求为：
·足够的脊面区域，以便支承GDL并保持气体流动所需的腔
·足够狭窄的通道，以便防止GDL在用于将电池组保持在一起的压力下被挤入通道中从而阻塞通道
·以及，根据WO00/26981，足够狭窄的通道，以便减少从通道上方的区域至脊面的电流路径长度，和足够狭窄的脊面，以便减少通向脊面上方区域的气体扩散距离。
WO00/26981中没有解决的问题，除了将流场板分成分离的区域之外，在于狭窄的通道就意味着从通道的一端至另一端之间存在高压差和气体可用性上的明显差异。
在常规型流场板设计中，由于反应气体都在燃料电池的工作中消耗并且由于气流阻力，所以流场一端(进口端)处的压力明显低于另一端(出口端)处的压力。当对燃料或氧化剂的需求增加时，这种设置向反应气体出口有效输送反应气体的能力就减小。申请人已经认识到需要一种装置，其用于向整个燃料电池的工作表面提供有效的气体输送，尤其是在流场出口区域，以便使得不会发生反应物不足的现象。
申请人意识到通过留意生理学系统(肺)，可以实现改进型流场几何结构，其中由于其气流路径较短，所以可能具有较低的附加损失。在所考虑的几何结构中，气体通过气体输送通道被输送至可渗透壁，然后通过可渗透壁传递至除气通道。
申请人还意识到由于这种设置允许在低压差下具有高流动速度，所以这种几何结构发生气体短路的可能性较小。这种几何结构还允许流场上方的反应物更均匀地分布。
因此，本发明提供了一种用于燃料电池或电解器的流场板，该流场板包括一条或多条气体输送通道、一条或多条除气通道以及将其分隔的可渗透壁。
可渗透壁可包括多条气体扩散通道，并且可由非渗透性材料制成。
可渗透壁可为旋绕形式。
可渗透壁的长度可为流场最大宽度的10倍或更多倍。
本发明的更多特征将在权利要求中进行阐述，并且参看附图通过以下描述进行示例说明，图中：
图1示出了根据本发明的流场板设计的平面图；
图2示出了图1中区域A的放大平面图；
图3示出了五轨道蜿蜒流场的模拟结果；
图4示出了根据本发明和图1&2的设计的流场的模拟结果；以及
图5示出了使用喷砂技术的结果；
图6示出了根据本发明的替代型流场板设计；
图7示出了图1的区域E的放大平面图。
图1和2中示出了根据本发明的流场板。流场板1包括位于周边框架18中的歧管和紧固孔2，该框架18并未形成实际的流场的部分。板还包括气体供应通道3，反应气体通过歧管(未示出)输送至气体供应通道3。通道3与气体输送通道4相通。气体输送通道4自身连接于气体输送子通道5。按照类似的方式，气体排放通道6与除气通道7和除气子通道8连接。气体输送通道和子通道4、5与除气通道和子通道7、8之间限定了具有多个扩散通道10的壁9，这些扩散通道10提供了从气体输送通道和子通道4、5至除气通道和子通道7、8的流动路径。在典型的情况下，对于板尺寸为10cm×10cm而流场工作区域为6.5cm×6.5cm的小燃料电池而言，气体输送通道的宽度应当为约1.25mm，子通道的宽度为约0.5mm，扩散通道的宽度约为0.125mm。
壁按照两种尺度旋绕。
按照第一种尺度，壁按照折叠方式从气体供应通道3向气体排放通道6延伸，并且包括沿着壁的每个皱褶的壁段16和位于壁的每个转弯处的端壁段17。在所示的实例中，壁的每个皱褶的长度约为6cm。
按照第二种尺度，端壁段17之间的壁自身折叠形成气体输送和除气子通道5、8。在所示的实例中，气体输送和除气子通道的长度约为2.5mm。
这种图案可以按照更小或更大的尺度复制。
流场的这种不规则碎片型设置中，气体穿过逐渐变小的通道，其意味着在一定程度上，这种设置可以根据流场板的尺寸而缩放。这进一步保证了可渗透壁的较大表面积。
这种设置还保证了GDL得到流场的较好支承，同时确保了位于流场的脊面区域上面的MEA的部分仅距通道很短的距离(通常，对于所示的设置，壁段16距最近的通道在0.5mm内或更小，而端壁段17在1.25mm内或更小)。这种设置易于缩放从而使得可以使用较小的壁段16，从而使得气体更好地进入脊面上方的区域。优选地，没有流场部分(尤其是壁段16)距最近的气体输送或扩散通道超过0.25mm。
可以将流场视作通过可渗透膜9连接于一系列低流动阻力除气通道(7、8)上的一系列低流动阻力气体输送通道(4、5)，可渗透膜9可以由不可渗透壁中的一系列高流动阻力通道10形成。
还可以将流场视作一系列将气体输送至跨过流场面分布的区域的气体输送通道(4、5)，一系列将气体从跨过流场面分布的区域排出的除气通道(7、8)，以及控制着气体从所述输送通道(4、5)传送至所述除气通道(7、8)的速度的可渗透壁。
优选地，流场段的拐角为圆角以便减少成核的点和/或水滴的粘附。
在所示的流场中，壁19的长度比流场的最大宽度(对角线B-B)大得多，至少要比其大10倍。
申请人已经模拟了具有上述尺寸的试验板，其中板具有相同的流场工作区域并具有相同比例的脊面区域与通道之比，但是具有五通道蜿蜒构型。模拟显示，对于给定的流动速度而言，蜿蜒通道流场的压差为200Pa，而根据本发明的板的压差为53Pa。尽管压差都小，但是在大系统中这种压差的差异可能会对附加损失造成可观影响，本发明的设计与蜿蜒设计相比减少了能量需求。
另外，在高电流时，如图3所示，蜿蜒设置在流向出口的气流方面显示出显著的减少，其中较黑区域标明板的大部分缺乏反应物。相反地，在相同的条件下，本发明的设置显示出更少的气流损失，并且能够在板的更多部分上维持产生电流。
为了减少曾出现的这种损失，申请人在朝向板的出口端(区域C)处提供了比靠近板的进口端(区域D)处更宽的扩散通道，并且实际上通道宽度和/或深度可以根据需要沿着可渗透壁的长度变化从而在板上提供均匀流动。
替代地，或另外地，每单位长度上气体扩散通道的数量可以沿着可渗透壁的长度变化，以便为那些如果单位长度上的通道的数量不变则会耗尽气体的区域提供更多的通道。
另外，某些或所有气体扩散通道可为旋绕式以便为气流提供曲折的路径和如此高的阻力。旋绕通道的比例和/或其旋绕的程度可根据需要而沿着可渗透壁的长度变化。
为了形成气体输送和气体扩散通道，可以使用如喷砂处理之类的技术，其中图案模板或保护层靠着板的表面放置，模板或保护层的图案与所需通道几何结构相对应。WO01/04982中描述了这种技术，本文中将其全部引入以便实现本发明。利用这种技术，板可以由石墨/树脂合成物或其它不会与所使用的反应物发生明显反应的无孔导电材料形成。
已经发现，利用这种技术，不同宽度的通道的轮廓因掩模的投影而变化。图5中示出了具有形成于其内表面中的狭窄通道12的流场板11。由于在形成通道时所用的保护层的屏蔽效应，所以通道就被暴露于实际上只是直接来自上方的喷砂处理的砂粒中。这就造成基本上为半圆形的通道轮廓并且造成对通道的切割较浅。
对于逐渐变大的通道(13和14)，保护层投影较小，从而使得喷砂处理的砂粒从逐渐变宽的角度范围击打着流场板表面，这样就使得通道表面切割更深且底部逐渐变平。
因此，通过对板应用具有不同宽度通道的保护层并且使得板和保护层受到带有精细砂粒的喷砂处理，就可以应用不同宽度与深度的通道图案。
这点在本文范围内比较有利，因为壁中的通道不需要具有与气体输送通道相同的深度，并且实际上其起节流阻气作用以便限制气体流过壁。
替代地，壁可沉积于板上(例如通过丝网印刷等等)，并且在这种情况下可不使用气体扩散通道而由可透气材料形成。本发明所属领域的普通技术人员应当易于理解，有许多形成可渗透壁的方法。
虽然所示的壁9由气体通道和子通道限定，但是易于理解可以使用更多或更少的旋绕壁。
图6和7中示出了根据本发明原理的替代型流场板设计。流场板包括中央区域19(与图1中的周围框架18[未示出]一起使用)。这种流场板具有气体供应通道3和气体排放通道6以及端壁段17，与图1中一样。可渗透壁由一阵列脊面20限定，这些脊面之间形成了精细气体扩散通道的网络。尽管所示的为圆形脊面，但是申请人已经发现优选六边形脊面或在其间提供了比较恒定的通道宽度的其它脊面。
因此，本发明提出了一种流场，其保证：
·对于给定压差，具有比相同脊面区域的线性或蜿蜒流场更高的气流；
·气流可与矩阵流场相比，同时提供了足够的压差以用于清除水；
·性能可与互成角度配置的流场相比，而不具有互成角度配置的流场通常所带的高附加损失。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池或电解器的流场板(隔离器)，在至少一个面上包括通道组件，该通道组件包括一条或多条气体输送通道、一条或多条除气通道以及将其分隔的可渗透壁。
2.根据权利要求1所述的流场板，其中可渗透壁包括多条气体扩散通道。
3.根据权利要求2所述的流场板，其中可渗透壁的所有部分距离气体扩散通道都不大于1.25mm。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的流场板，其中可渗透壁包括非渗透性材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的流场板，其中可渗透壁为旋绕形式。
6.根据权利要求5所述的流场板，其中可渗透壁为折叠式，具有沿着壁的每个皱褶延伸的壁段和位于壁的每个转弯的端壁段。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的流场板，其中可渗透壁按照两种或更多种尺度旋绕。
8.根据权利要求6或7所述的流场板，其中从流场脊面区域的任一部分至最近的气体输送或气体扩散通道的最大距离小于1.25mm。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的流场板，其中从沿着壁的每个皱褶延伸的壁段的脊面区域的任一部分至最近的气体输送或气体扩散通道的最大距离都小于0.5mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流场板，其中从流场脊面区域的任一部分至最近的气体输送或气体扩散通道的最大距离都小于0.25mm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的流场板，其中可渗透壁的长度为流场最大宽度的10倍或更多倍。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的流场板，其中流场段的拐角为圆角。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的流场板，其中可渗透壁的可渗透性沿着其长度而变化从而提供比使用渗透性恒定的可渗透壁更均匀的气体分布。
14.根据权利要求13所述的流场板，其中可渗透壁包括气体扩散通道并且这些通道的宽度和/或深度沿着可渗透壁的长度而变化。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的流场板，其中可渗透壁包括气体扩散通道并且每单位长度上气体扩散通道的数量沿着可渗透壁的长度而变化。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的流场板，其中可渗透壁包括气体扩散通道，某些或全部的气体扩散通道为旋绕式以便提供曲折路径。
17.根据权利要求16所述的流场板，其中旋绕式气体扩散通道的比例沿着可渗透壁的长度而变化。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的流场板，其中旋绕式气体扩散通道的旋绕程度沿着可渗透壁的长度而变化。
19.根据前述权利要求中任一项所述的流场板，其中可渗透壁由一阵列脊面所限定，这些脊面之间形成了精细气体扩散通道的网络。
20.一种用于通过以下步骤制造根据权利要求1至19中任一项所述的流场板的方法：将具有不同宽度通道的带图案的保护层施加于板上，并且使板与保护层受到利用精细砂粒的喷砂处理，从而在流场板中产生不同宽度和深度的通道图案。
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