CN100541884C - 流场 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用在燃料电池中的具有流场的制品，例如分配板。该制品的活性部分，即具有流场的制品部分，包括至少两个子部分：第一中央子部分和第二外围子部分；其中在第一子部分内的沟道具有与在第二子部分内的沟道不同的横截面轮廓。典型地，第一子部分的沟道具有更浅的深度、更大的斜度或更大的斜度/深度比。此外，提供具有流场的制品，其中流场包括斜度不同的至少两个沟道部分。此外，提供具有流场的制品，该流场包括至少一个沟道部分，所述沟道部分包括斜度不同的第一和第二沟道壁。

Description

流场
技术领域
本发明涉及用作燃料电池元件的含流场的制品，该制品利用流场沟道的斜度和深度的变化来提高可制造性，对电接触区没有不利影响。
背景技术
在许多参考文献中介绍了用于在电化学电池中分配流体的流场。一些参考文献中记载了具有蛇形沟道的流场，包括：美国专利US4631239；4686159；4853301；4988583；5108849；5252410；5683828；5750281；5773160；5846668；5858567；5858569；5922485；5945232；6071635；和6099984。一些参考文献中记载了具有多条交错蛇形沟道的流场，包括美国专利US5683828；5750281；5773160；5804326；5840438；5858567；5998055；6071635；和6093502。一些参考文献记载了交指形流场，包括美国专利US5252410；5641586；和6207312。在交指形流场中，具有进口但没有出口的沟道与具有出口但没有进口的沟道相互交替。美国专利US586189描述了具有串并联排列沟道的流场。美国专利US6048634介绍了这样的流场图形：多对相邻沟道承载相反方向的流体，包括螺旋形图形和蛇状图形。此外，在例如美国专利US4855193；5798187；6037072和6207310中讲述了采用金属屏作为流场。
美国专利申请U.S.S.N9/430568公开了一种用于电化学电池的流场，该流场具有特定宽度、深度、和/或间距的微流体沟道，它还可以包括在沟道内的微观部件。
美国专利申请U.S.S.N9/954601公开了一种用于分配流体的流场，该流场提供穿过流场的表面区(land areas)的均匀的横向流体流速。在一个实施例中，流场包括蛇形沟道，蛇形沟道包括非平行的连续的主要部分。
EP1184923A2公开了一种流场，该流场包括具有大于0度、优选至少7度、更优选在约7度和约15度之间的斜度(draft angle)的沟道。
美国专利US4292379描述了在双极板任一侧上的流场，其中，平行沟道的深度和/或间隔发生变化，从而形成与由双极板的相反面形成的不均匀分配相匹配的不均匀分配。
发明内容
简言之，本发明提供一种具有流场的制品，该流场包括一条或多条沟道，该制品的活性部分即该制品具有流场的部分包括至少两个子部分；第一子部分包括几何中心、不包括活性部分的外围，第二子部分不包括几何中心，包括活性部分的外围；其中，在第一子部分内的沟道具有与在第二子部分内的沟道不同的横截面轮廓。典型地，第一子部分的沟道具有更浅的深度、更大的斜度(draft)、或更大的斜度/深度比。此外，本发明提供一种包括这种制品的燃料电池。
另一方面，本发明提供一种带有流场的制品，该流场包括至少两个斜度不同的沟道。此外，本发明提供一种包括这种制品的燃料电池。
在另一方面，本发明提供一种具有包括一条或多条沟道的流场的制品，该流场包括至少一个沟道部分，该至少一个沟道部分包括斜度不同的第一和第二沟道壁。此外，本发明提供一种包括这种制品的燃料电池。
在本领域中没有描述过的、由本发明提出的是一种流场设计，这种设计利用斜度和深度的变化来提高可制造性，对电接触区没有不利影响。
在本申请中：
“成形”表示用于在成形工艺中使制品具有一定形状的模子、冲压机、冲模或模板，上述成形工艺可包括冲压、压模、注模、落锤锻造、压花等；
“深度”表示，对于板中的沟道，在板顶表面之下的深度；以及
“斜度”表示，对于在板中沟道的不同部分的一个或两个壁，在垂直于板顶表面的直线和在板顶表面之下并具有为沟道的最大深度一半的深度的点处正切于沟道壁的直线之间的最小角度。沟道两壁的斜度通常基本相等，但还可以不相等。
本发明的优点在于提供一种包括流场的制品，所述流场容易由成形方法制成并提供足够的电接触面积。
附图说明
图1是根据本发明的流场板。
图2是根据本发明的流场板。
图3A、3B和3C是根据本发明的流场板的横截面。
图3A’、3B’和3C’分别是图3A、3B和3C的细化。
具体实施方式
本发明提供一种具有流场的制品，该流场由一条或多条沟道形成。制品的活性部分，即该制品具有流场的部分包括至少两个子部分；第一子部分包括几何中心、不包括活性部分的外围，第二子部分不包括几何中心，包括活性部分的外围。在第一子部分内的沟道具有与在第二子部分内的沟道不同的横截面轮廓，典型地，第一子部分的沟道具有更浅的深度、更大的斜度、或更大的斜度-深度比。根据本发明的制品通常是燃料电池的分配板。
燃料电池通过燃料如氢气和氧化剂如氧气的反应产生电流。两种化学反应物均与含有催化剂的电极接触。离子交换元件位于电极之间，从而防止两种反应物直接发生化学反应，并在电极之间传导离子。在常见的氢燃料电池中，离子交换元件是“离子导电膜”(ICM)。ICM也可称作“质子交换膜”或“聚合物电解质膜”，都简称为PEM。ICM将质子(H+)从氢电极(阳极)传导到氧电极(阴极)。电子沿不同的外电路而行，由此产生电流。在阴极，质子(H+)与电子与氧结合，生成水。ICM与两电极的组合通常称作“膜电极组件”(MEA)。催化剂电极材料可直接涂覆在ICM上，形成“催化剂-涂覆膜”(CCM)。通常，将流体传输层(FTL)施加于ICM的每一侧。FTL也称作“气体扩散层”(GDL)或“扩散体/集流体”(DCC)。FTL是导电性多孔材料层，并且它允许反应物和生成物流体通过。通常，气体扩散层包括一般以纸或布形式的碳纤维。术语MEA表示连接有或没连接FTL的CCM。术语5层MEA专门表示连接有FTL的CCM。可在制造过程中将催化剂电极层提供给ICM或FTL，只要将它们设置在ICM和FTL之间，因此所得到的5层MEA依次包括：FTL、催化剂、ICM、催化剂、FTL。在本发明的实践中，可采用任何适当的MEA。
在本发明的实践中可采用任何适当的ICM。ICM典型具有小于50μm的厚度，更典型小于40μm，再典型小于30μm，最好约为25μm。ICM典型由作为酸功能氟聚物(acid-functional fluoropolymer)的聚合物电解质构成，例如
Figure C20038010944000071
(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi Glass有限公司，日本，东京)。可用在本发明中的聚合物电解质通常优选是四氟乙烯与一种或多种氟化的酸功能共聚用单体的共聚物。通常，聚合物电解质具有磺酸盐官能团。最好该聚合物电解质是
Figure C20038010944000072
该聚合物电解质典型具有1200或更低的酸当量，更典型为1100或更低，再典型为1050或更低，最好约为1000。
在本发明的实践中可采用任何适当的FTL。典型地，FTL由含碳纤维的板材料构成。通常，FTL是选自纺织或非纺织碳纤维结构的碳纤维结构。可用于本发明实践中的碳纤维结构可包括：TorayTM碳纸、SpectraCarbTM碳纸、AFNTM非纺织碳布、ZoltekTM碳纸等。FTL可涂覆有或注有各种材料，包括碳颗粒涂层、亲水性处理和疏水性处理如涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)。
在本发明的实践中可采用任何适当的催化剂。典型地，采用碳-支撑催化剂颗粒。典型的碳-支撑粗化剂颗粒是50-90重量％碳和10-50重量％催化剂金属，催化剂金属典型包括用于阴极的Pt和用于阳极的2∶1重量比的Pt和Ru。通常，催化剂以催化剂油墨(ink)的形式施加于ICM或FTL。催化剂油墨典型包括聚合物电解质材料，可以是包括ICM的同一聚合物电解质材料，也可以不是。该聚合物电解质典型是酸功能氟聚物，例如(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi Glass有限公司，日本，东京)。用在本发明的油墨中的聚合物电解质通常优选是四氟乙烯与一种或多种氟化的酸功能共聚用单体的共聚物。通常，聚合物电解质具有磺酸盐官能团。最好该聚合物电解质是
Figure C20038010944000082
该聚合物电解质典型具有1200或更低的当量，更典型为1100或更低，再典型为1050或更低，最好约为1000。催化剂油墨典型包括在聚合物电解质分散体中的催化剂颗粒的分散体。油墨典型包含5-30％的固体(即，聚合物和催化剂)，更优选为10-20％的固体。电解质分散体通常是水性分散体，可附加地包含乙醇或多元醇如丙三醇和乙二醇。可调节水、乙醇和多元醇的含量，以改变油墨的流变性质。油墨典型含有0-50％乙醇和0-20％多元醇。此外，油墨可含有0-2％的适当分散剂。油墨通常有以下方式制备：加热搅拌；接着稀释到可涂覆的稠度。
可通过任何适当的方式将催化剂施加于ICM或FTL，包括手工和机械方法，具体包括手刷、凹口杆涂覆(notch bar coating)、液压轴承模具涂覆、线绕杆涂覆、液压轴承涂覆、槽送刀涂覆(slot-fed knifecoating)、三辊涂覆或贴花转印。在一次应用或多次应用中实现涂覆。
作为选择，CCM可利用纳米结构的催化剂制成，正如在美国专利US5338430(嵌入固体聚合物电解质中的纳米结构电极)或美国专利US5879828(具有含纳米结构元件的电极层的MEA)中描述的那样。
通常将MEA夹在两个刚性板之间，这两个刚性板是已知的分配板。分配板还可以被称作双极板(BPP)或单极板。像FTL那样，分配板必须是导电的。分配板通常由碳复合材料、金属或镀金属材料制成。分配板一般通过在面对MEA的表面中形成的一条或多条流体传送通道向/从MEA电极表面分配反应物或产物流体。这些沟道包括流场。在分配板表面上的沟道之间的区域被称作“表面区”。这些表面区与MEA电接触，将电流传导至MEA的电极并从MEA的电极传导电流。分配板可向/从电池堆中两个连续的MEA分配流体，分配板的一面将燃料引向第一MEA的阳极，另一面将氧化剂引向相邻MEA的阴极(并除去生成水)，由此称作“双极板”。在此情况下，第一个MEA的阳极直接电连接到下一个MEA的阴极，因此相连的MEA是串联的。作为选择，分配板可仅在一侧上具有沟道，从而仅在那一侧上向/从MEA分配流体。这可称作“单极板”。在本领域中采用的术语双极板通常也包括单极板。一般的燃料电池堆包括与双极板交替堆叠的多个MEA。作为选择，可利用在美国专利申请10/295292和10/295518中公开的燃料电池组件构成单电池或多单电池燃料电池。根据本发明的制品典型是燃料电池分配板，这些燃料电池分配板可以是在那些参考文献中描述的流场板。
分配板还可以包括用于传导冷却流体的第二组沟道。冷却流体沟道可适合于气体(空气)或液体冷却剂。在使用中，冷却流体沟道不直接开在MEA上。
分配板向MEA的各不同部分提供了与MEA接近的传导电流用沟道以及传导反应物和产物流体用沟道，因此分配板的设计必须提供足够的表面区和足够的沟道体积。并且，表面区和沟道体积必须很好地配合，使得两者充分接近于MEA的各不同部分。这种构思容易导致每单位面积的板面具有高表面积的回旋设计方式(convoluteddesign)。对于这些构思的每一种可考虑适当的设计方式，此外，还应便于制品的制造。
可通过任何适当的方法制造根据本发明的制品，但典型地由方便的成形工艺制成，例如冲压、压模、注模、落锤锻造、压花等。由于典型的成形工艺需要在没有损坏所形成的或成形的制品的条件下从成形装置中取出所形成的制品，因此在这种制品设计中避免底切。此外，由于成形物的表面粗糙度通常不为零，因此还应避免垂直壁以减少在从成形装置中取出成形制品的过程中的戳扎。可通过在压模部件的壁上设置一定量的斜度来避免垂直壁部分。越深的部件需要越大的斜度，以避免戳扎，提供一致的制造工艺。分配板的高表面积设计例如回旋表面更难以从模具上取出，还需要额外考虑。
对分配板沟道引入斜度可允许利用常规的成形工艺的更大可制造性。然而，虽然斜度有助于模压性，但是它在分配板中不起作用，由于它必须减少表面区和沟道体积之一，却没有相应的增加另一个，也就是说，如果增加斜度而不减少表面区，那么沟道体积减少，如果增加斜度而不减少沟道体积，那么表面区减少。根据本发明的制品包括流场，在该流场中将斜度分配为使成形工艺具有更大制造性，而没有造成不适当的功能无效。
参见图1-3，根据本发明的制品-燃料电池分配板包括具有由表面区(30)分隔开的一个或多个流场沟道(20)的板(10)。该板可由任何适当的材料制成，包括石墨、碳复合材料、金属或镀金属材料。该板材典型具有良好导电性。该板材典型是下述一种：可在包括冲压、压模、注模、落锤锻造、压花等的成形工艺中进行加工的板材。该流场可包括单条沟道或多条沟道。沟道可以是任何适当形状，包括平行图形、蛇形图形、Z字图形、交指状图形及其组合。流场包括中央第一子部分(41)，该第一子部分(41)包括该板活性部分的几何中心，即，具有流场的板部分。图3C’表示在第一子部分中沟道的横截面，这里沟道壁(21、22)具有15度的斜度。流场包括外围第二子部分(42)，该部分(42)包括板活性部分的外围。图3A’表示在第二子部分中沟道的横截面，这里沟道壁(21、22)具有5度的斜度。在第一和第二子部分之间的第三子部分(43)中的沟道具有10度的斜度。
将根据本发明的流场分为沟道轮廓不同的至少两个区域。如在图1-3中所描述的实施例中所示，可添加第三中间区。可添加另外的中间区。在一个实施例中，沟道轮廓从流场的外围向中心连续地变化。
典型地，沟道轮廓以下述方式变化：朝向流场的中心减小沟道深度；朝向流场的中心增加沟道斜度；或者朝向流场的中心增加斜度与深度之比。具体而言，通过朝向流场中心增加沟道斜度或朝向流场中心增加斜度与深度之比的方式，改变沟道轮廓。
包括在根据本发明的流场内的沟道在相对的沟道壁上可具有不同的斜度。参见图3A’、3B’和3C’，沟道具有第一壁(21)和第二壁(22)，第一壁是更接近该制品活性部分几何中心的壁，第二壁更接近外围。在本发明的一个实施例中，第一沟道壁(21)具有比第二沟道壁(22)更大的斜度。在此实施例中，该制品可由在与成形装置分离前表现出一定程度的收缩的材料形成。在此实施例中，第二沟道壁的斜度可以为零。
本发明可用于采用流场板的燃料电池或包括流场板的类似制品的制造过程中。
通过以下实施例进一步描述本发明的目的和优点，但在此实施例中描述的特定材料及其数量以及其它条件和细节均不构成对本发明的限制。
例子
为了将各种设计的性能进行比较，制造出三对流场板。由BMC 940碳复合材料(BMC Inc.，West Chicago，Illinois)通过标准方法机械加工上述流场板。所有六个板具有100平方厘米的流场区域。所有六个板具有根据图1的沟道设计，仅在斜度上不同。在不改变沟道体积的条件下改变斜度。板组1(对比例)的斜度为0。根据图1-3C’的设计制成板组2。以15度的恒定斜度制成板组3(对比例)。
按如下方式测量各组板的电池电阻。在各对板之间放置MEA(3M公司，St，Paul，Minnesota)，制成电池。对于各组板每次操作(every run)采用一种MEA。将这些电池放置在由Fuel Cell Technologies(Albuquerque，NM)制造的氢燃料电池测试站中。将氢气以环境压力供应至MEA的两侧，将电池温度保持在70℃。对于每次操作，将10-100mV的电压施加于电池，在几个电压测量电流，相对于电压绘出电流。直线与绘出数据匹配，直线的斜率作为电池电阻列于表I中。
表I
电池电阻(mOhm)
  板1(对比例)没有斜度   板2可变斜度   板1(对比例)恒定斜度
  操作1   .614   .612   .674
  操作2   .611   .605   .673
  操作3   .608   .608   .675
  操作4   .604   .672
  平均   .611   .607   .674
在不脱离本发明的范围和原理的条件下，本领域的技术人员很容易对本发明进行各种修改和变化，应理解，本发明不过分局限于上面列出的实施方式。

Claims (7)

1.一种包括流场的制品，该流场包括一条或多条沟道，其中所述流场包括至少一个沟道部分，该沟道部分包括第一和第二沟道壁，其中所述第一和第二沟道壁在斜度上不同。
2.根据权利要求1的制品，其中所述制品包括活性部分，该活性部分为带有所述流场的所述制品部分，其中所述活性部分具有几何中心和外围，其中所述第一沟道壁比所述第二沟道壁更接近于所述几何中心，其中第一沟道壁比所述第二沟道壁具有更大的斜度。
3.一种包括流场的制品，该流场包括一条或多条沟道，所述制品包括活性部分，该活性部分为带有所述流场的所述制品部分，其中所述活性部分具有几何中心和外围，其中所述活性部分包括第一子部分，第一子部分包括所述几何中心、不包括所述外围，其中所述活性部分包括第二子部分，第二子部分不包括所述几何中心，包括所述外围，其中，在所述第一子部分内的沟道具有第一横截面轮廓，其中在所述第二子部分内的沟道具有第二横截面轮廓，其中所述第一横截面轮廓与所述第二横截面轮廓不同；
其中所述流场包括至少一个沟道部分，该沟道部分包括第一和第二沟道壁，其中所述第一和第二沟道壁斜度不同。
4.根据权利要求3的制品，其中所述第一沟道壁比所述第二沟道壁更接近于所述几何中心，其中第一沟道壁比所述第二沟道壁具有更大的斜度。
5.一种包括具有一条或多条沟道的流场的制品，该流场包括斜度不同的至少两个沟道部分，其特征在于，所述流场包括至少一个这样的沟道部分，该沟道部分包括第一和第二沟道壁，其中所述第一和第二沟道壁斜度不同。
6.根据权利要求5的制品，其中所述制品包括活性部分，该活性部分为带有所述流场的所述制品部分，其中所述活性部分具有几何中心和外围，其中所述第一沟道壁比所述第二沟道壁更接近于所述几何中心，其中第一沟道壁比所述第二沟道壁具有更大的斜度。
7.一种包括根据权利要求1-6任意一项的制品的燃料电池。
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