CN100508262C - 带有涂覆的流动分布网的pem燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池(2)和一种制造包括有膜电极组件(4，6)的燃料电池(2)的方法，该膜电极组件(4，6)包括离子传导部件(50)和设置在离子传导部件(50)上的电极(52，54)。此外，燃料电池(2)还包括导电部件和流场(57)，该导电部件相邻于所述电极并且包括金属片，该金属片具有主表面。该流场由设置在所述导电部件的所述主表面上的槽脊所限定并且包括分散在粘结剂中的传导粒子。

Description

带有涂覆的流动分布网的PEM燃料电池组
技术领域
本发明涉及质子交换膜(PEM)燃料电池，更具体地涉及这样的电池，其中分散在粘结剂中的传导材料设置成多个区域，以形成用于导电部件的流体槽道的流场。
背景技术
虽然流场极板(plate)技术在燃料电池领域已经得到了极大的发展，但是，在金属或复合材料极板上形成阳极和阴极流场仍存在许多固有的不足。首先也是最主要的是，每个极板的成本目标难以满足材料(不锈钢、铝、复合材料等)和制造方法(蚀刻、机械加工、冲压)的任何组合的要求。其次，因为极板和流场＂槽脊＂是刚性的，所以利用现有的任何压缩方法都难以在电池组平面上实现均匀压缩。最后，由于流场极板-扩散介质的界面处的固态接触，因此电池性能受到该位置的较大接触电阻的影响。因而，需要一种可消除上面所列举缺点的流场极板。
发明内容
本发明涉及一种包括膜电极组件的燃料电池，该膜电极组件包括离子传导部件和设置在离子传导部件处的电极。此外，燃料电池包括相邻于该电极并且具有金属极板的导电部件，和包括分散在粘结剂中的传导粒子的流场，该金属极板具有主表面，该流场由设置在该主表面上的槽脊所限定。
此外，本发明还涉及一种制造燃料电池的方法，包括：提供包含离子传导部件和至少一个电极的膜电极组件(MEA)，并提供与该膜电极组件设置成彼此相邻的导电流体分布元件。该导电流体分布元件通过将导电材料沉积在传导基底表面的至少两个间隔开的区域上来形成，从而在所述区域中限定了槽脊，该导电材料包括许多分散在粘结剂中的传导粒子，该导电基底包括金属极板。
从下文所提供的详细说明中，可以清楚本发明可适用的其它领域。应该理解，该详细说明和特定示例虽然显示了本发明的优选实施例，但只是用于示例性目的，而非试图限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图中将更完整地了解本发明，其中：
图1是PEM燃料电池组的示意性分解图(只显示了两个电池)；
图2是膜电极组件的剖面图；
图3是用于本发明的示例性导电流体分布元件的分解图；
图4是根据本发明第一实施例的燃料电池的剖面图；
图5是根据本发明第二实施例的燃料电池的剖面图；
图6是可结合本发明一起使用的蛇形流场的一个示例；
图7是透视图，其示例性地展示了可结合本发明一起使用的直接描绘(direct writing)技术；和
图8是根据本发明第三实施例的燃料电池的分解图。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述在本质上只是示例性的，并非试图限制本发明、其应用或用途。
图1大致显示了一种两个电池的双极燃料电池组2，其具有一对通过导电流体分布元件8(后文中称为双极板8)而彼此分开的膜-电极组件(MEA)4和6。MEA 4和6及双极板8堆叠在一起，而位于不锈钢夹板或端板10与12以及端部接触元件14与16之间。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作面分别包含多个凹槽或槽道18，20，22和24，其用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分布到MEA 4和6上。不导电的密封垫26，28，30和32提供了燃料电池组的若干部件之间的密封和电绝缘。气体可渗透的传导材料通常是碳/石墨扩散纸34，36，38和40，其被压在MEA 4和6的电极面上。端部接触元件14和16分别压在碳/石墨纸34和40上，而双极板8压在MEA 4的阳极面上的碳/石墨纸36上，并且压在MEA 6的阴极面上的碳/石墨纸38上。通过合适的供给管道42将氧气从储器46供给至燃料电池组的阴极侧，而通过合适的供给管道44将氢气从储器48供给至燃料电池的阳极侧。或者，可将周围空气作为氧气源而供给至阴极侧，并将氢气从甲醇或汽油转化炉等中供给至阳极。还提供了用于MEA 4和6的H2和O2侧的排气管道(未示出)。为了将液体冷却剂供给至双极板8和端板14及16，还提供了另外的管道51，53和55。此外，还提供了用于从双极板8和端板14及16中排出冷却剂的合适管道，但其没有显示出。
每个膜电极组件(MEA)4和6都包括夹在阳极电极52和阴极电极54中间的离子传导部件50(图2)。离子传导部件50优选为固体聚合物膜片电解质，优选是PEM。适用于这种膜片电解质的聚合物在本领域中是众所周知的，并在美国专利No.5,272,017和3,134,697以及其它专利和非专利文献中有所介绍。然而，应该注意，离子传导部件50的成分可包括任何传统上用于本领域中的质子传导聚合物。优选使用全氟磺酸聚合物如
Figure C200480033736D00071
另外，聚合物可以是单成分的膜片，或者可被携带在另一材料的孔隙内。阳极电极52和阴极电极54优选包括嵌在聚合物粘结剂中的涂覆上催化剂的碳或石墨粒子，其如同聚合物膜片一样为质子传导材料，例如催化剂优选选自铂、钯、铂-钌、Pt/过渡金属的合金，以及它们的组合。
图3是可结合本发明一起使用的示例性双极板56的透视图。双极板56包括第一外金属片58，第二外金属片60，以及处于第一金属片58及第二金属片60之间的内部金属隔片62。外金属片58和60优选是平坦的，并制造成尽可能地薄。此外，金属片58和60可由任何传统的金属片成形工艺来成形。
外金属片58具有位于其外侧的第一工作面59，其面对膜电极组件(未示出)，根据本发明，第一工作面59可修改成包括流场57(图4)。金属片60与金属片58是相似的。虽然在图中没有示出，但是应当理解，可设有多个凸脊(ridge)，在这些凸脊之间限定了多个槽道，冷却剂通过所述槽道而在金属片58和60之间流动，从双极板56的一侧69流向其另一侧71。如同金属片58一样，金属片60的外侧具有工作面63。金属片60也可修改成可提供流场57。内部金属隔片62定位在外金属片58和60之间，并包括多个开孔64，以允许冷却剂在金属片58和60之间流动，从而破坏层流边界层并提供紊流，这种紊流增强了与外金属片58和60的各自内侧面之间的热交换。
现在参看图4，在其之间限定了多个凹槽68的多个槽脊66构成了流场57，燃料电池的反应气体(即H2或O2)通过该流场而在流路中流动，从双极板56的一侧70流向其另一侧72。流场57的槽脊66压靠在多孔材料、碳/石墨扩散介质36和38上，其则压靠在MEA4上。如图3中所示，反应气体从沿着燃料电池一侧70设置的入口歧管74供给至凹槽68中，并经由设置成相邻于燃料电池相反侧72的另一歧管阵列76而离开凹槽68。
根据本发明，通过合适的涂覆方法可涂敷上最初为液态的材料而形成流场57，其将促进阳极和阴极反应剂在活性MEA表面上的分布。形成槽脊66的材料优选是分散在聚合物树脂粘结剂中的传导材料。在这方面，传导材料优选由碳黑组成，并且聚合物粘结剂优选是聚酰亚胺。然而应当理解，可以选择任何传导材料，只要其不是那种会污染燃料电池或在燃料电池中产生有害反应的材料即可。另外应当理解，可选择任何材料作为粘结剂，只要这类材料能够承受燃料电池的严苛环境即可。也就是说，粘结剂应该能够承受酸性的、潮湿的高温环境，而不会发生粘结剂的任何退化。
根据本发明的第一实施例，如图4中所示，流场57形成于双极板56的工作面59和63上。更具体地说，流场57的槽脊66设置在双极板56的工作面59和63上，以形成便于燃料电池的气态反应剂从中流过的多个凹槽68。应当理解，流场57的几何形状可形成任何所需的图案。也就是说，流场57可形成例如其中流场57的槽脊66和凹槽68在双极板56的表面上来回地蜿蜒的蛇形图案77(图6)，或者形成更简单的图案，其中凹槽68仅仅从双极板56表面一侧的横跨至另一侧。
由于流场57的槽脊66由分散在聚合物粘结剂中的传导材料组成，因此槽脊66不象由冲压、模制等成形的传统双极板那样地刚性。因而，当燃料电池的部件完全装配时，槽脊66可会压缩，这就减少了保持满意的电流密度所需的压紧压力。也就是说，为了有助于从燃料电池的反应中获得满意的电流密度，在高压下将燃料电池的部件压紧在一起，从而确保各部件之间的电连接不会失效。然而，这种高的压紧压力可能会损坏电池的灵敏部件，例如那些包括在膜电极组件4中的电池部件。由于本发明的流场57的槽脊66不是那么刚性的，因此压紧压力可保持为较小，因此就可避免对电池的灵敏部件造成损坏。
另外，当在传统的电池中使用高的压紧压力时，可能会形成接触电阻。由于在使用本发明时可减轻较高的压紧压力，因此还可实现较低的接触电阻，这进一步提高了燃料电池的整体性能，并提高了电流密度。这一目标这样来实现，即，槽脊66包括至少50％的传导粒子和至少50％聚合物粘结剂。通过利用至少50％的传导粒子，就可确保槽脊66中的粒子-粒子之间的接触，并可有助于电导率。而且，通过利用至少50％的导热聚合物粘结剂，那么作为燃料电池整体反应的副产物而产生的热量因而得以消散。因而，进一步提高了燃料电池的整体性能和寿命。
现在参看图5，将描述本发明的第二实施例。根据第二实施例，流场57的槽脊66形成于集电器或气体扩散介质36和38的背向MEA4的表面37和39上。气体扩散介质36和38可以是本领域中已知的任何气体扩散介质。气体扩散介质36和38优选是厚度范围为大约100-300μm的碳纸、碳织物或碳泡沫件。
如同在第一实施例中的情况一样，应当理解，流场57的几何形状可形成任何所需或所想的图案。也就是说，流场57可形成例如其中流场57的槽脊66和凹槽68在扩散介质36和38的表面37和39上来回地蜿蜒的蛇形图案77(图6)，或者形成更简单的图案，其中凹槽仅仅从扩散介质36和38的表面37和39的一边横跨至另一边。此外，应该注意，虽然流场57设置在扩散介质36和38的表面上，但是优选仍采用冷却的平极板56。通过这种方式，可将燃料电池的温度控制在所需且有效的温度上。另外，如同在第一实施例中的情况下那样，槽脊66并不象由冲压、模制等成形的传统双极板那样地刚性，因此槽脊66可压缩，从而减少了保持满意的电流密度所需的压紧压力。此外，由于减轻了较高的压紧压力，因此还可实现较低的接触电阻，这进一步提高了燃料电池的整体性能，并提高了电流密度。因此，就进一步提高了燃料电池的整体性能和寿命。
一种将流动分布网材料涂敷在双极板56或扩散介质36和38上的方法采用了＂直接描绘＂技术80，其利用薄的喷嘴尖82，将流体涂敷在较广范围的涂层宽度和厚度上(图7)。这类装置的制造商是MicroPen公司，其是Honeoye Falls，NY地区的Ohmcraft公司的子公司。这种直接描绘技术80的使用可实现在精密公差下对导电性胶进行描线的能力。更具体地说，直接描绘技术80可形成宽度为0.025＂至0.25＂的线条(槽脊66)，其中间距(凹槽68)小至0,0005＂，并且其公差为+/-0.00025＂。另外，直接描绘技术80每一次通过就可沉积上厚度为0至0.010＂并且其公差为+/-0.000025＂的槽脊66，并以每秒0.05＂至5.0＂的速度来进行描线。此外，这种技术可容许涂覆基本上任何粘度的材料，包括从水(1cP)至油灰(>100,000cP)。利用这种可涂覆上基本上任何粘性流体的延伸范围较广的能力，在材料包装设计中，就可赋予用于形成前述流场57的槽脊66的极大回旋余地。还应该注意并了解，涂层图案的设计可由电子格式的图纸而输入到MircoPen中。因此，例如通过简单地加载AutoCAD图纸，就可产生与流场极板凹槽68或其它所关心的几何形状相对应的复杂图案。
此外，由于MicroPen可喷涂较广范围物理性质的流体的能力，因此用于形成流场57(图4和5)的材料可进行′精细调整＂，以满足特定的功能要求。例如，为了替换在双极板中(通过机械加工、冲压、蚀刻等)成形的传统流场57，涂覆材料可具有例如较高的导电性和导热性，以促进电子迁移到冷却的平极板56上，以及促进从电池上有效传导走热量。而且，材料可进行精细调整，以提供一定程度的适应性，以用于降低接触电阻、减小压紧负载、以及使电池组组件对通过使用端板10和12进行压紧和/或边缘压紧的压紧负载的不均匀性很不敏感。
一种设置流场57的优选方法是利用直接描绘技术80并且结合本领域中众所周知的所谓贴花方法。在贴花方法中，将传导粒子、聚合物粘结剂和铸造溶剂的浆状物均匀地涂敷在特氟隆(Teflon)坯件上。之后，在烘箱中烘烤特氟隆坯件，并接着将其热压在基底上。之后从基底上剥离特氟隆坯件，并留下分散在聚合物粘结剂中的传导粒子。
出于将本发明的流场57应用于双极板56或扩散介质36和38上的目的，直接描绘技术80用于将传导材料的浆状物以所需的宽度和厚度，并按照流场57的槽脊66所需的图案而涂敷到特氟隆坯件上。用于本发明目的的示例性浆状物可包括但不限于大约20％的碳黑、20％的聚合物粘结剂、30％的异丙醇和30％的水。在将浆状物以所需的图案而设置在特氟隆坯件上之后，将坯件在80℃下烘干5分钟。之后，将特氟隆坯件在146℃的温度和400psig的压力下热压在双极板56或扩散介质36和38的表面上。接着，取下特氟隆坯件，而流场57保留在双极板56或扩散介质36和38上。
应当理解，虽然上述方法是优选的，但本发明并不局限于此。例如，可同时采用许多直接描绘装置来设置流场57。而且，还应当理解，根据浆状物的量和成分的变化，对于烘烤和热压步骤而言，可能需要不同的压力和温度。另一可能的变型可利用直接描绘技术80将流场57直接沉积在双极板56或扩散介质36和38上。
另外，将流场57设置在双极板56或扩散介质36和38上的其它方法包括挤出方法和掩膜方法。对于挤出方法而言，类似于直接描绘技术80，可将传导粒子和聚合物粘结剂的浆状物按所需的图案挤出到特氟隆坯件上，之后压在双极板56或扩散介质36和38上，或者直接挤出到双极板56或扩散介质36和38上。在这种方法中，还可独立地控制流场57的凹槽68的厚度和宽度。
在掩膜方法中，带有所需流场图案的掩模可设置在特氟隆坯件、双极板56或扩散介质36和38上，之后，利用辊子等将传导粒子和聚合物粘结剂的浆状物轧制在表面上。此外，可通过拉杆方法或任何其它本领域中已知的设置浆状物的方法，来设置浆状物。在根据所选的沉积方法来涂敷设浆状物之后，取下掩模，而流场57的槽脊66将留下来。
应当理解，在任何上述应用中，流场57的槽脊66的厚度或高度是可变的。也就是说，由于各个电池部件由可变厚度和尺寸的区域构成，因此燃料电池的每个部件在整个电池上将受到变化的压力。因而，压紧压力在整个电池上也将发生变化。在将流场57应用到双极板56或扩散介质36和38上之前，可利用各种测试方法来确定这些压力变化的区域。一旦确定了这些区域，流场57的槽脊66的厚度就可沿着双极板56或扩散介质36和38的表面发生变化，以便使电池中的压力均匀化，或将压力转移至电池中的相应减小或增大的点处。例如，在已知电池组压紧压力相对较低(导致局部较高的接触电阻)的区域中，可将该局部区域中所涂覆的槽脊66的厚度制造得较大。相反，在已知电池组压紧压力相对较高(导致局部较低的接触电阻)的区域中，可将该局部区域中所涂覆的槽脊66的厚度制造得较薄。通过这种方式，接触电阻和电池组压紧压力在整个燃料电池上可保持均衡，以便促进最佳的性能和寿命。
现在参看图8，其显示了本发明的第三实施例，其中，阳极电极和阴极电极52和54包括交替设置的催化材料和非催化材料形成的区域84和86。如图8中所示，该交替设置的催化材料和非催化材料形成的区域84和86与设置在双极板56上的流场57的相应凹槽68对准。通过将催化材料限制在与流场凹槽68对准的区域84上，就可消除对扩散介质的需要。这种概念的延伸是将流场直接地涂覆在非催化区域86上，以形成用于阳极和阴极反应剂的流动凹槽68。这种设计将使所有燃料电池的＂软件＂结合在单一的结构中，随后通过将这些结构放置在冷却的平极板之间来装配电池组。通过这种方式，可进一步控制和优化诸如电池组压紧压力和接触电阻等因素。
另外，由于双极板56的槽脊66与同样导电的阳极52和阴极54的非催化区域86直接接触，因此，当纯H2或氢重整产品的燃料流分散在阳极52的电化学活性区域84上时，由氢的氧化反应所产生的电子横向地传导通过一段较短距离，通过电化学活性区域84，而到达相邻地设置的导电区域86上。由于双极板56的槽脊66与阳极52的导电区域86直接接触，因此就促进和提高了电导率。阳极反应所产生的质子(H+)与来自潮湿燃料流的水相结合，通过电化学活性区域84而到达离子传导部件50，并从中穿过而到达阴极54上。
O2流或包含氧气的周围空气流分散在阴极54的电化学活性区域84上。氧气发生还原反应，并且所产生的电子也横向地传导一段较短距离，通过活性区域84而到达相邻的导电区域86。之后，还原的氧与来自阳极52的质子发生反应，并生成液态水。
应当理解，由于活性区域84与凹槽68基本上相对应或与之对准，并且具有比凹槽68的宽度更小的宽度，因此，燃料电池的电化学反应所产生的水将优先不在槽脊66上形成，而是被基本约束在凹槽68中。因此，凹槽68中的水与高速气流接触，高速气流将水从燃料电池中对流式地带走。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明主旨的变型都将属于本发明的范围内。这类变型并不被视为脱离了本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件，其包括离子传导部件和至少一个设置在所述离子传导部件上的电极；
导电部件，其相邻于所述电极并且包括金属极板，所述金属极板具有主表面；和
流场，所述流场由设置在所述导电部件的所述主表面上的槽脊所限定，所述流场包括分散在粘结剂中的传导粒子。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述传导粒子是导电的。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述传导粒子是导热的。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述传导粒子选自碳黑、石墨、金和铂。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述粘结剂选自聚酰亚胺、聚酯和环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述金属极板的所述主表面面向所述电极，气体扩散介质设置在所述主表面和所述电极之间，并且所述槽脊邻靠在所述气体扩散介质上。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述气体扩散介质选自碳纸、碳织物和碳泡沫件。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述流场包括多个槽脊，在所述槽脊之间限定了多个凹槽；并且所述流场的槽脊包括50％的传导粒子和50％的粘结剂。
9.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述槽脊中的至少两个的高度在所述导电部件的主表面的区域之间变化。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述高度根据分别施加在所述区域上的压紧力而在所述主表面的区域之间发生变化。
11.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，在承受相对较高压紧力的第一所述区域中，所述高度较低，而在承受相对较低压紧力的第二所述区域中，所述高度较高。
12.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述区域之间的接触电阻变化通过所述区域之间的高度变化而被减至最小。
13.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述导电部件包括气体扩散介质，所述气体扩散介质具有带所述流场的所述主表面。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述气体扩散介质选自碳纸、碳织物和碳泡沫件。
15.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述气体扩散介质的所述主表面背向所述电极，并且集电极板邻靠在所述气体扩散介质的所述主表面上所限定的所述槽脊上。
16.一种制造燃料电池的方法，包括：
通过将导电材料沉积在传导基底表面的至少两个间隔开的区域上来成形出导电的流体分布元件，从而在所述区域中限定了槽脊，所述导电材料包括分散在粘结剂中的传导粒子，并且所述传导基底包括金属极板；以及
将膜电极组件和所述流体分布元件设置成彼此相邻，以形成燃料电池组件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述成形是通过直接描绘方法、挤出方法、掩膜方法和转移贴花方法中的至少一种来进行的。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述沉积是通过改变其中至少一个槽脊的高度来进行的。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述膜电极组件包括电极，所述电极具有多个交替的催化区域和非催化区域，并且
所述设置是通过将所述槽脊与所述非催化区域对准来进行的。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述传导粒子选自碳黑、石墨、金和铂。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述粘结剂选自聚酰亚胺、聚酯和环氧树脂。
22.一种燃料电池，包括：
膜电极组件，其包括离子传导部件和至少一个设置在所述离子传导部件上的电极；以及
导电部件，其相邻于所述电极，并且具有主表面，所述主表面的上面沉积有材料，所述材料在所述主表面上形成了流场，所述导电部件包括金属极板并且所述流场包括分散在粘结剂中的传导粒子。
23.根据权利要求22所述的燃料电池，其特征在于，所述导电部件包括气体扩散介质，所述气体扩散介质具有带所述流场的所述主表面。
24.根据权利要求22所述的燃料电池，其特征在于，所述流场由所述金属极板的所述主表面上的槽脊来限定。
25.根据权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述金属极板的所述主表面面向所述电极，气体扩散介质设置在所述主表面和所述电极之间，并且所述金属极板的所述槽脊邻靠在所述气体扩散介质上。
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