CN100459254C - 流场板几何结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池或者电解器的流场板，至少在一个表面上包括一个沟槽部件，该沟槽部件包括一个或多个气体传输沟槽，以及与其连接的宽度小于0.2mm的多个气体扩散沟槽。

Description

流场板几何结构
技术领域
本发明涉及燃料电池和电解器，更具体讲，不过非排它地，适用于质子交换膜燃料电池和电解器。
背景技术
燃料电池是在其中将燃料和氧化剂按照受控的方式混合以便直接产生电的设备。通过在没有中间燃烧以及生成步骤的情况下直接产生电，燃料电池的电效率比在传统的发电机中使用燃料更高。这方面的许多情况是广为人知的。燃料电池听起来简单并且理想，但是，近些年已经付出了许多人-年的工作量，试图生产出实用的燃料电池系统。反过来，电解器是一种有效的燃料电池，其中，用电将水分解为氢气和氧气。
燃料电池和电解器这二者很可能成为所谓“氢经济”的重要部分。在下文中，参考燃料电池，但是应该记住将相同的原理应用到电解器。在商业生产中的一种燃料电池就是所谓的质子交换膜(PEM)燃料电池[有时称为聚合物电解质或者聚合物固体燃料电池(PEFC)]。这种电池将氢气用作燃料，并且包括具有位于两个表面上的多孔电极的电绝缘(但离子导电)的聚合物膜。该膜是典型的氟三氯甲烷(fluorosulphonate)聚合物，并且该电极典型地包括散布在含碳粉末基底上的贵金属催化剂。电极和膜的这种装配通常称为膜电极部件(MEA)。
将氢燃料提供给一个电极(阳极)，在这里氢燃料被氧化，从而向阳极释放电子并且向电解质释放氢离子。将氧化剂(典型的是空气或者氧气)提供给另一个电极(阴极)，在这里，来自阴极的电子与氧气和氢离子结合产生水。质子交换膜燃料电池的次级分类是在其中将甲醇作为燃料进行提供的直接甲醇燃料电池。本发明旨在覆盖这种燃料电池、甚至利用质子交换膜的任何其它燃料电池。
在商用PEM燃料电池中，将许多这样的膜叠放在一起，利用流场板(也称为双极板)将它们彼此分开。典型的流场板由金属或者石墨构成，使得在一个膜的阳极与相邻膜的阴极之间的电子能够进行良好的传输。该流场板具有在其表面上有凹槽的图案，从而提供流体(燃料或者氧化剂)并且清除作为燃料电池的反应产物所产生的水。
已经对制作凹槽的各种方法进行了描述，例如，已经提出通过机械加工、压花或者铸造(WO00/41260)以及(对于本发明来说尤其有用)利用通过保护层进行喷沙(WO01/04982)来形成这样的凹槽。序列号为WO01/04982的国际专利申请披露了通过利用给板施加一个保护层或者掩模然后利用喷沙来对流场板进行机械加工的方法(或者另一种利用运动颗粒的动量来磨掉表面的蚀刻方法，例如，喷水(waterjet)加工)，形成与在掩模或者保护层上形成的图案相对应的特征。
这种过程由WO01/04982示出，它能够形成通过流场板的孔或者在流场板中的闭合的凹坑或沟槽。这里将WO01/04982的过程全部引用，作为实现本发明给出的充足的背景。
实际上，到目前为止，多数板已经通过铣出沟槽而被制成的。
WO00/41260披露了流场的几何结构，其中，提供了宽度大约小于0.75mm的大致平行的直线沟槽。
WO00/26981披露了相似的几何结构，其中，使用了由小于800μm的凸区分开的宽度小于800μm的高度平行的流动沟槽。说明了这种几何结构由于减少了对横向通过MEA的气体散布的需要而改进了气体分布(参照WO00/26981中的DDC[diffusion current collector(扩散电流集中器)])。还说明了这种几何结构由于减少了到凸区区域的电路径长度而减小了电阻。在WO00/26981中所描述的电气特性与气体特性之间的矛盾在于说明了凸区的区域的减少增加了电阻。WO00/26981说明了可以对这些矛盾的要求进行最优化。WO00/26981说明了这种高度平行的微型沟槽图案可以包含如按照影阴线或者栅格图案的相互连接或者分支点。说明了利用窄沟槽的一个优点是这样促进了形成越过沟槽的水滴，因此，能够有效地排除水。但是，由于在水滴任一侧的压力很可能大致相等，因此在使用栅格图案的场合可能看不出这个优点。
对照WO00/26981而引用的是：
US 3814631，它披露了一种这样的电极结构，其中，在框架边缘提供宽度大于0.3mm的微型沟槽，形成具有纹理的电极，在这种电极中，在该电极的一个表面上的凸起与在该电极的相对表面的凹下相匹配。US 5108849，它披露了具有宽度为0.76mm(0.03英寸)或更宽的曲折轨迹并且凸区的宽度为0.254mm(0.01英寸)或更宽的板。
WO94/11912，它披露了一种具有宽度和深度为0.76mm(0.03英寸)的不连续轨迹的板。可以使这种轨迹互相交叉。
WO98/52242，它披露了一种用于使膜湿润的装置。
已知窄沟槽用于其它设备，例如，WO94/21372披露了一种化学处理装置，包括由在相邻圆盘中的定位部分构成的三维曲折沟槽。还没有将这种结构用于燃料电池。
没有一个涉及燃料电池的专利披露了通向细的气体扩散沟槽的粗的气体传输沟槽的结构。
为了确保将流体均匀地分散到它们相应的电极表面，将所谓的气体扩散层(GDL)放置在电极与流场板之间。该气体扩散层是一种多孔材料并且一般包括炭纸或布，通常在一个表面上具有碳粉粘合层并且涂有疏水材料，以有利于阻止水。它还提出了在大孔材料(US-A-5641586)之下提供互相交叉的流场，大孔材料具有孔尺寸在20-100μm范围内的连接孔，因而能够减小气体扩散层的尺寸。这种结构允许气体围绕阻塞的孔流动，这是不利的。在这些减少气体传送效率的孔中可以出现反应物产品(如水)的聚集。此外，这种结构增加了流场板的厚度。本发明人已经分析了在燃料电池中所发生的，并且已经得出了气体扩散层没有起到其名字暗示的作用的结论。该理论曾经是气体扩散层起到使气体能够扩散到膜的整个表面的作用，从而该膜的大部分在电池反应中是起作用的。本发明人已经发现，在简单的模型中，气体出现不能到达沟槽之间的整个凸区，而只能到达该沟槽之上的区域和围绕该沟槽的小的边缘部分，多数发电发生在这个有限的区域中。这是由通过对由于气体被强迫进入该凸区之上的区域而使互相交叉沟槽显示出更高的电效率进行观察而支持的。但是，该气体扩散层实际上在将来自该沟槽之上的膜电极的这些区域的电流传送到该凸区，以及给该膜电极提供机械支撑，以防止它被压进该沟槽等方面是有用的。若干发明人已经提出了使该膜电极变硬。
由于该气体扩散层的电阻，在将电流从生成电的那些区域传送到该凸区的过程中，该气体扩散层当然的确导致了电损耗。目前，按照对机械强度、电气导电性以及气体渗透性等的需要之间的微妙的平衡来对该气体扩散层进行选择。
在US-A-6037073中已经对组合的流场板与气体扩散层进行了描述，并且包括一种多孔碳材料的选择性浸渍体，该浸渍封闭地将该板的部分密封。这种结构的缺陷在于：它对于可再生地制造而言是复杂的，并且它使气体能够像在US-A-5641586中一样围绕堵塞流动。
通常将与燃料有关的流场板和膜以及氧化剂供应总管的组合体称为燃料电池堆。
尽管已经在样板中以及某些有限的商业应用中证明了上述技术很有用，但是，为了取得更广泛的商业认可，目前需要减小燃料电池堆的物理尺寸并且减少其成本。因此，减少元件的数量在尺寸和成本(通过材料和配件的成本)方面可能会具有有益的效果。
此外，现有技术的流场板已经提供了曲折的、线性的或者互相交叉形式的流场，但是，还没有考虑到用于改进气体流动途径的其它物理系统。由于通过从一个沟槽到达压力足够低的邻近沟槽，这种现有的流场图案往往具有气体“短路“的问题。
本发明人已经实现了在不使用分开的气体扩散层的情况下，通过在流场板的表面上形成足够精细的沟槽，就可以达到使气体均匀散布通过电极的目的。通过使用变硬的膜或者适当的较低的箝位压力，能够防止膜落入到沟槽中。
另外，本发明人已经实现了通过顾及生理系统(肺)，可以将改进的流场几何结构实现为很可能由于它们的较短的气体流动途径而具有较低的寄生损耗。他们还实现了使这种几何结构不太可能出现气体短路。
此外，由于从膜电极的电活跃区域到沟槽之间的凸区的途径较短，因此，本发明人已经实现了利用窄轨迹使在气体扩散层中的电阻性电损耗减小。反过来，由于从膜电极的电活跃区域到沟槽之间的凸区的途径较短，于是能够容许电阻较高的气体扩散层，因此允许考虑用于该气体扩散层的更宽的材料范围。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于燃料电池的流场板，包括在沟槽部件的至少一个表面上包括一个或多个气体传输沟槽以及与其连接的宽度小于0.2mm的多个气体扩散沟槽。
该气体传输沟槽可以包括一个或多个宽度大于1mm的主沟槽和与其连接的宽度小于1mm的多个附属气体扩散沟槽。
该气体扩散沟槽可以构成分支结构。
该气体扩散沟槽的宽度可以变化，形成与肺中的血管和空气通道的分支结构相似的沟槽宽度逐渐减小的分支结构。
根据本发明另一方面，提供一种电解器流场板，至少在一个表面上包括逐渐变细的沟槽的网络，该逐渐变细的沟槽的网络包括一个或多个气体传输沟槽以及与其连接的宽度小于0.2mm的多个气体扩散沟槽。
附图说明
在以下参照附图进行的描述中，利用非限制性例子对本发明进行了说明，其中：
图1示意性地展示了通过喷沙形成的、并入了气体传输沟槽和气体扩散沟槽的流体流动板的一部分的部分断面；
图2示意性示出了并入了气体传输沟槽和气体扩散沟槽的流体流动板的局部平面图；
图3示意性示出了现有技术设计的流场板，表示出了短路问题；
图4示意性示出了现有技术的沟槽安排；以及
图5示出了按照本发明的分支流场图案的部分截面。
具体实施方式
为了形成气体传输和气体扩散沟槽这二者，可以使用一种如喷沙这样的技术，其中，靠着板的表面布置模板或保护层，该模板或保护层具有与希望的沟槽的几何结构相对应的图案。在WO01/04982中对这种技术进行了描述，这里按照实现本发明而将其全部引用。利用这种技术，可以由石墨/树脂复合材料或者与所使用的反应物不发生明显反应的其它非多孔导电材料构成板。
已经发现，利用这种技术，由于掩模引起的遮盖而导致不同宽度的沟槽的轮廓的变化。图1示出了在其表面形成窄沟槽2的流场板1。由于在形成沟槽的过程中使用的保护层的遮蔽效果，将该沟槽暴露给仅有效地来自正上方的喷沙粗沙。这样就使沟槽形成了大体半圆形的轮廓并且削出一个浅沟槽。
对于逐渐变大的沟槽(3或4)，遮盖较少的保护层允许来自逐渐加宽的角的喷沙粗沙冲击该流场板的表面，从而能够既更深地切削表面又使沟槽的底部逐渐变平。
因此，通过将具有不同宽度的沟槽的保护层施加到板上并且将该板和保护层暴露以使用细颗粒进行喷沙，能够应用不同宽度和深度的沟槽图案。
应用这种宽度和深度变化的沟槽图案具有几个优点。在流场板中，常规地应用沟槽的目的是尝试保证均匀地给电极提供反应物材料并且保证迅速清除反应的产物。但是，由于一般使用曲折路径，因此，材料必须通过的通道的长度很大。
目的在于给反应物表面均匀提供反应物并且清除反应产物的另一种系统是肺。在肺中，提供了逐渐变细的沟槽的结构，从而使空气在肺中具有到达其反应物地点的较短路径，并且同样使二氧化碳也具有短的外出路径。通过将逐渐变细的沟槽的网络提供到流场板中，而使反应物气体具有短的到达它们的反应物地点的路径。
最细的沟槽可以仅流入宽的气体清除沟槽，或者，像在肺中一样，可以在该流场板之外提供逐渐变宽的沟槽的相应网络。在后一种情况下，可以将逐渐变细的沟槽和逐渐变宽的沟槽这两个网络端对端连接，或者按照通过气体扩散层或通过提供连通性的电极材料进行扩散的互相交叉网络进行布置。端对端连接提供了如下优点：使得高的压力通过该沟槽得到保持，有助于清除阻塞。
图2用示意图示出了流场板的一部分，该流场板具有宽的主气体传输沟槽4，该主气体传输沟槽4分叉为附属气体传输沟槽3，该附属气体传输沟槽3分叉为气体扩散沟槽2。如果需要，气体扩散沟槽5也可以终止于主气体传输沟槽4。主和附属气体传输沟槽每个都可形成逐渐变细的沟槽网络，气体扩散沟槽也可如此，并且该沟槽的排列可以类似分形排列。
该主气体传输沟槽的宽度可以大于1mm，例如，大约2mm。这样的沟槽的深度仅受在形成了该沟槽之后的流场板中具有足够强度的需要的限制。典型的沟槽大约是该板厚度的40％。对于通用板(6mm厚)，该沟槽典型地为2.5mm深。随着该板变薄，该沟槽的深度将减小。但是，催化剂和GDL是将进入具有低的外观比(深与宽)的沟槽的软材料。因此，优选地是，该沟槽的外观比典型地在0.5与2之间。附属气体传输沟槽的宽度可以小于1mm，例如，0.5mm，并且可以比主气体传输沟槽更浅。该气体扩散沟槽的宽度小于0.2mm，例如大约100μm，并且还可以更浅。
通过提供这样的结构，与常规板的设计相比，反应物的产物具有短的传送距离并且可以被有效清除。此外，在典型的双极板中，气体沟槽为方形或者矩形截面并且尺寸是毫米级的。例如，BallardTM板具有2.5mm的方形截面沟槽。APSTM板具有0.9mm宽乘0.6mm深的沟槽。每单位长度压力降落越多则沟槽越小是越有益的，并且该压力降落就正好驱动该反应物进入该扩散介质。
如图3所示，在常规的流场板6中，气体(燃料或氧化剂)从第一端口7进入并且从第二端口8排出。该气体在曲折的沟槽9中从端口7向端口8流动，压力随着流动的进行而减小。应该明白，在该轨迹的确定部分10，相邻轨迹之间的压力差很高，这可以导致气体将沟槽短路，因而使另一部分11缺少燃料或者氧化剂。这种短路是由于气体在该膜电极与该流场板表面之间经过而造成的。多数通用板在空气侧的入口与出口之间的压力差(ΔP)小于100mbar。相互交叉的板具有高的ΔP，典型情况大约为大气压的3倍。
相反，在本发明中，可以将相邻的轨迹设计为具有大致相似的压力，从而减少短路的风险。
WO00/41260对流场的设计进行了广泛的讨论，但是，还没有意识到提供非常细的沟槽(小于0.2mm)以及通过将这样的沟槽作为宽度逐渐减小的网络的一部分加以提供，会使相邻沟槽之间的压力降落最小，从而避免流场短路。
该主沟槽的尺寸必须足以传输该电池所需要的气体的工作体积。这大约是工作功率的每kW为25L/min。
该流场板可以与气体扩散层一起使用，或者，可以在该流场板表面之上按照足够的密度提供该气体扩散沟槽，以便提供足够的可以忽略气体扩散层的或者显著减小厚度的气体传输。由于在电池中，GDL元件是产生电阻损耗的主要元件，因此，认为这种减小非常有利。
对沟槽宽度的限值是在喷沙过程中使用的掩模厚度的函数。ImageProTM材料(Chromaline Corp.US)非常厚，为125微米。这些掩模将轨迹的宽度限制为大约100微米。可以将其它掩模材料喷涂到基底上并且原地暴露。这些材料更有弹性并且因此可以更薄。Chromaline SBXTM可以被用于进行宽度小到10-20微米的蚀刻特性。
WO00/26981对具有平行沟槽的流场的使用进行了讨论，这种流场可以有分支或互连点，如剖面线或栅格图案。这种图案有严重的缺点并且在图4中示意性地示出。如图4所示，提供了栅格形沟槽12。如果一个小滴水13堵塞了一个沟槽，则反应物气体能够很容易顺着箭头14绕过水滴。这将导致水滴下游(A)的压力与上游的压力非常接近，并且因此将只有很小的驱动力来清除水滴。
与此相反，按照如图5所示的具有分支的流场，气体在分支图案15中流动，对于反应物气体，从水滴13的上游侧到水滴13的下游侧的路径很长—有效地到达流场的末端并且再返回。这意味着该水滴上游(B)的压力将明显地比下游(A)的压力高，从而提供了用于清除水的驱动力。
众所周知，(例如，见WO00/41260)不需要将相同图案的凹槽应用到流场板的两个表面，并且本发明不限于这种方式。
已知提供了包括导电芯和不导电框架的流场板(例如，WO97/50139、WO01/89019和US 3278336)。将本发明的流场可以用在这样的结构中，在该结构中，整个流场位于该导电芯上，或者一部分在该不导电框架上并且一部分在该导电芯上。

Claims (18)

1.一种燃料电池流场板，至少在一个表面上包括逐渐变细的沟槽的网络，该逐渐变细的沟槽的网络包括一个或多个气体传输沟槽以及与其连接的宽度小于0.2mm的多个气体扩散沟槽。
2.如权利要求1所述的流场板，其中，所述气体传输沟槽包括一个或多个宽度大于1mm的主沟槽和与其连接的宽度小于1mm的多个附属气体传输沟槽。
3.如权利要求1所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽形成分支结构。
4.如权利要求2所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽形成分支结构。
5.如权利要求3所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽的宽度是变化的，形成了沟槽宽度逐渐减小的分支结构。
6.如权利要求4所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽的宽度是变化的，形成了沟槽宽度逐渐减小的分支结构。
7.如权利要求1-6中的任何一个所述的流场板，包括所述流场板之外的相应的逐渐变宽的沟槽的网络，由此逐渐变细的沟槽和逐渐变宽的沟槽的两个网络端对端连接。
8.如权利要求1-6中的任何一个所述的流场板，其中，所述气体传输沟槽和所述气体扩散沟槽的深度随着宽度的减小而减小。
9.如权利要求7所述的流场板，其中，所述气体传输沟槽和所述气体扩散沟槽的深度随着宽度的减小而减小。
10.如前述权利要求1-6中的任何一个所述的流场板，其中所述气体扩散沟槽形成整体的气体扩散层。
11.如前述权利要求1-6中的任何一个所述的流场板，包括导电芯和不导电框架。
12.一种包括如权利要求10所述的多个流场板的燃料电池堆。
13.一种电解器流场板，至少在一个表面上包括逐渐变细的沟槽的网络，该逐渐变细的沟槽的网络包括一个或多个气体传输沟槽以及与其连接的宽度小于0.2mm的多个气体扩散沟槽。
14.如权利要求13所述的流场板，其中，所述气体传输沟槽包括一个或多个宽度大于1mm的主沟槽和与其连接的宽度小于1mm的多个附属气体传输沟槽。
15.如权利要求13所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽形成分支结构。
16.如权利要求14所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽形成分支结构。
17.如权利要求15所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽的宽度是变化的，形成了沟槽宽度逐渐减小的分支结构。
18.如权利要求16所述的流场板，其中，所述气体扩散沟槽的宽度是变化的，形成了沟槽宽度逐渐减小的分支结构。
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