CN101048905A - 用于燃料电池组件的被动两相冷却 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池组件的冷却设备，包括热传输流体和至少一个流体流场板，该流体流场板构造成当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，促进用于该薄膜电子组件(MEA)的基本上被动的两相冷却。该流场板包括具有通道深度、通道间隔、通道长度和通道宽度的流体流动通道，其尺寸形成为在临界热通量以下促进该热传输流体的成核沸腾并且防止当热传输流体沿着该通道的长度通过时变干。该通道可以包括涂层和/或特征，例如增大临界热通量并防止在流体流动通道的远端变干的微孔或纳米结构涂层。

Description

用于燃料电池组件的被动两相冷却
技术领域
本发明总的涉及用于燃料电池堆中燃料电池部件和组件的被动两相冷却装置和方法。
背景技术
一般的燃料电池系统包括一个或多个燃料电池在其中产生电能的能量部分。燃料电池是将氢和氧转换成水，同时在该过程中产生电和热的能量转换装置。每个燃料电池单元可以包括处于中心的质子交换部件，其中气体扩散层在该质子交换部件的每一侧。阳极催化层和阴极催化层分别设置在该气体扩散层的内侧。这种类型的燃料电池通常称之为PEM燃料电池。
在单个燃料电池中的反应通常产生小于一伏的电压。可以叠加并且以串联方式电连接多个燃料电池以得到所希望的电压。电流从该燃料电池堆汇集并用于驱动负载。燃料电池可以用来为从汽车到膝上电脑的各种应用供给电能。
在许多应用中燃料电池系统的效能在很大程度上决定于为该燃料电池提供热管理的冷却设备。例如，在固定电能与牵引PEM燃料电池应用中，由于需要减小该堆的尺寸而使其提高体积功率密度。较高的热密度通常通过冷板或双极板内的通道抽出介质热传输液体而取走，该冷板或双极板位于相邻的薄膜电极组件(MEAs)之间。当冷却剂通过该堆时，它吸收反应热并且温度升高。该冷却剂然后被抽出到某些初级热交换器，在那里热量被扩散到另一重流体流，即空气、水等。由于该流体没有改变相位，故这种技术称之为“单相”冷却。
这种单相技术具有若干明显的缺点，例如包括，需要泵、管道、大量的热传输液体，以及在启动期间有效控制以调节电池堆的温度，或适应热输出和环境条件的变化，从而导致增加重量和成本。泵所消耗的电能必需由该电池堆提供并且被其热系统耗散，因而减少可利用的能量并增加初级热交换器的尺寸。
发明内容
本发明总的涉及用于燃料电池堆中的燃料电池部件和组件的被动两相冷却装置和方法。更具体地说，本发明涉及如下的被动两相冷却设备，其包括表面涂层和/或特征，该表面涂层和/或特征有效地增大流场板冷却剂通道的临界热通量和/或改善整个通道长度上的温度均匀性，同时使通道的深度最小，以便减小冷却板的厚度并减少冷却剂的需求和重量。“临界热通量”是指超过该热通量后由于液体不再润湿该表面而沸腾不能持续的热通量。“增大临界热通量”是指增加热通量的值，超过该值由于液体不再润湿该表面而沸腾不能持续。本发明还涉及为燃料电池组件、燃料电池堆和包括燃料电池的能源系统提供热管理的被动两相冷却设备。
根据各种实施例，本发明的燃料电池堆组件包括至少一个薄膜电极组件(MEA)和冷却设备。该冷却设备包括热传输流体和至少一个流体流场板，该流体流场板构造成当该MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时促进用于该MEA的基本上被动的两相冷却设备。
该流场板包括许多流体流动通道，该流动通道具有通道深度、通道间隔、通道长度和通道宽度，该通道宽度小于约5mm。该通道宽度、通道间隔、通道长度和通道深度根据本发明的原理确定尺寸，以在临界热通量以下促进热传输流体的成核沸腾并防止当热传输流体沿着该通道的长度通过时变干。在一种实现中，当MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时，该冷却设备沿着热传输流体流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
优选，该通道宽度、通道间隔、通道长度和通道深度的尺寸形成为在该通道的入口处促进该热传输流体的开始，并防止当该热传输流体通过该通道的出口区域时该热通量超过临界热通量。在一种结构中，通道的长度大于10cm。在另一种结构中，通道沿着热传输流体流动的方向具有约60mm到约230mm的通道长度。在又一种结构中，该通道的间隔为约1mm到约2mm，并且通道宽度为约1mm到约3mm。在再一种结构中，该通道深度可以小于约1mm。通道长度对通道深度的比可以在约150和约1100之间的范围内。
在典型的实现中，MEA包括构造成与流场板的表面接触的表面，同时冷却设备的热传输流体在工作压力下的沸点比MEA表面的最大温度低的值小于约3℃。该热传输液体可以包括含氟化合物、介电的卤化碳、水或碳氢化合物。
在一些结构中，流场板的流体流动通道具有包括纳米结构特征的多个内通道表面。在另一种结构中，流体流动通道具有包括微米结构的多个通道内表面。在一些结构中，流场板的流体流动通道具有包括涂层的多个内通道表面，该涂层包括包含不定域的π电子的基本上平面的有机分子。
根据另一个实施例，本发明的燃料电池堆组件包括至少一个MEA和包括至少一个流场板的冷却设备，该流体流场板构造成促进用于该MEA的基本上被动的两相冷却设备。在这个实施例中，该流场板包括流体流动通道，该流体流动通道具有相对于冷却剂流动方向限定的通道长度和小于约1mm的通道深度。当该MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
根据又一个实施例，本发明的燃料电池堆组件包括至少一个MEA和包括至少一个流场板的冷却设备，该流体流场板构造成促进用于该MEA的基本上被动的两相冷却设备。在这个实施例中，该流场板包括流体流动通道，该流体流动通道具有多个内通道表面。每个内通道表面包括纳米结构特征。当MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
该纳米结构特征可以包括一致取向的纳米结构。该纳米结构特征包括具有预定的几何形状的纳米结构，例如杆状、圆锥状、圆柱状、棱锥状、管状、薄片状或其他形状。该内通道表面可以包括超过约一百万纳米结构/cm2，例如超过约十亿纳米结构/cm2。该纳米结构特征可以具有从约0.1微米到约3微米范围内的长度，但是可以是约6微米长。
根据另一个实施例，燃料电池堆组件包括至少一个MEA和包括至少一个流体流场板的冷却设备，该流体流场板构造成促进用于该MEA的基本上被动的两相冷却。在这个实施例中，该流场板包括具有多个内通道表面的流体流动通道。每个内通道表面包括微孔特征。当MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。“微孔特征”是指由微粒的组件包围的微孔。该微粒优选包括微米级大小的颗粒，诸如金属、二氧化硅、陶瓷或金刚石等。形成微孔的颗粒可以是有机的(例如，胶乳球)或其他类型的杂聚物或杂环材料。
根据又一个实施例，本发明的燃料电池堆组件包括至少一个MEA和包括至少一个流体流场板的冷却设备，该流体流场板构造成促进用于该MEA的基本上被动的两相冷却。在该实施例中，该流体场板包括具有多个内通道表面的流体通道。每个内通道表面包括涂层，该涂层包括基本平面的有机分子，该平面有机分子包括不定域π电子。当该MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。该有机分子可以包括链或环，在该链或环上π电子的密度广泛地不定域。例如，涂层可以包括范德华固体(solids)。
本发明的上述内容不是意图描述本发明的每个实施例或每个实现。通过参考下面结合附图的详细描述和权利要求，本发明的优点和完成将变得很清楚，并且将更加全面地理解本发明。
附图说明
图1a是燃料电池和其构成层的例图；
图1b示出根据本发明实施例的具有单极结构的通用电池组件；
图1c示出根据本发明实施例的具有单极/双极结构的通用电池组件；
图2a是用于冷却采用燃料电池的电源系统的被动两相冷却设备的方框图；
图2b示出设置在适合于实现本发明实施例的双极流场板上的冷却通道设置；
图2c是图2b所示流场板的若干个冷却剂通道的局部透视图；
图3是图2b和图2c所示类型的两个流场板的截面图，其中相应的冷却剂通道的设置处于接触关系；
图4是冷却剂温度对冷却剂通道长度的曲线图，其示出使用太大或太小的通道深度的影响；
图5是根据本发明的被动两相冷却方法的非常适合于涂覆流场板的冷却剂通道的微孔材料(例如“微孔涂层”)的电子显微图；
图6是微观结构的催化剂传输基底(MCTS)的放大截面图，该基底在该表面(例如“纳米结构”涂层)上具有有机颜料PR-149(商品名为“13-4000 PV FAST RED”，从Clariant，Coventry，RI可买到)晶须，其可以用作根据本发明的被动两相冷却方法的流场板的冷却剂通道的涂层；
图7是MCTS的放大的截面图，该MCTS在该表面上具有该铂涂覆的PR-149晶须，其可以用作根据本发明的被动两相冷却方法的流场板的冷却剂通道的涂层；
图8a示出下述情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道，(2)冷却剂通道，其包括没有晶须或铂的PR-149涂覆的微通道，(3)冷却剂通道，其包括具有晶须的PR-149涂覆微通道，该图示出了“纳米结构效果”，其通过利用在冷却剂通道中的纳米结构涂层提供更高的临界热通量；
图8b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图8a的数据；
图9a示出下述情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道，(2)冷却剂通道，其包括没有晶须或铂的PR-149涂覆的微通道，(3)具有微通道的冷却剂通道，其使用裸露的MCTS UV固化的丙烯酸盐基底，该图示出了“范德华固体效果”，其通过利用在冷却剂通道中范德华固化的涂层提供更高的临界热通量；
图9b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图9a的数据；
图10a示出下述情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道，(2)冷却剂通道，其包括具有晶须的PR-149涂覆微通道，(3)冷却剂通道，其包括具有铂涂覆的晶须的微通道，该图增强了对纳米结构的冷却剂通道表面的临界热通量的“范德华固体效果”；
图10b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图10a的数据；
图11a示出温度对热通量的曲线图，用于各种不同深度的未涂覆的冷却剂通道和各种不同的深度的微孔涂覆的冷却剂通道，该图示出微孔涂覆的冷却剂通道相对于各种通道深度的裸露的通道提供较高的临界热通量；
图11b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图11a的数据；
图12a示出温度对热通量的曲线图，用于各种不同深度和长度的未涂覆的冷却剂通道，该图示出了通道深度和长度对临界热通量的影响；
图12b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图12a的数据。
虽然本发明可修改为各种修改和可选形式，但是其具体情况已经通过附图中的示例示出并将进行详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所描述的具体实施例。相反，本发明覆盖由权利要求限定的本发明范围内的所有的修改、等同物和各种替代。
具体实施方式
在所示实施例的下列描述中，参考各附图，该附图构成本发明的一部分，并且在附图中以说明的方式示出能够实践本发明的各种实施例。应当理解，可以利用各实施例并且在不脱离本发明范围的情况下对结构进行改变。
本发明涉及被动两相冷却设备，其通过沸腾从燃料电池组件的较大的表面消耗较少的热通量。下面描述的具体的示例性实施例用于说明目的，而不是限制目的。
本发明的被动两相冷却方法可以包含在各种不同类型、结构和技术的燃料电池组件和燃料电池堆中。典型的燃料电池示于图1a中。燃料电池是结合氢燃料和空气中的氧以产生电、热和水的电化学装置。燃料电池不需要燃烧，因此燃料电池如果产生任何排出物的话，其量也极少。燃料电池将氢燃料和氧直接转换成电，并且，例如能够以比内燃发电机高得多的效率运行。
图1a所示的燃料电池包括邻近阳极14的第一流体传输层(FTL)12。邻近阳极14的是电解质膜16。阴极18邻近该电解质膜16，而第二流体传输层19邻近该阴极18。在运行中，氢燃料通过第一流体传输层12并越过该阳极14引入该燃料电池10的阳极部分。在阳极14，氢燃料被分离成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜16只允许氢离子或质子通过该电解质膜16到燃料电池10的阴极部分。电子不能通过该电解质薄膜16，而是以电流的形式流过外部电路。这种电流能够驱动诸如电机的电载荷17，或者被引向诸如可再充电电池的能量储存装置。
氧气经由第二流体传输层19流进燃料电池10的阴极侧。当氧气流过阴极18时，氧、质子和电子结合以产生水和热。
诸如图1a所示的单个燃料电池可以封装成如下所述的通用的燃料电池组件。在这里称作通用的电池组件(UCAs)的该通用的燃料电池组件能够与许多其他的UCAs组合以形成燃料电池堆。该UCAs可以以串连方式与确定该堆的总电压的该堆内的许多UCAs电连接，并且每个电池的反应表面面积确定总电流，由给定的燃料电池堆产生的总电能可通过总电流乘以总的堆电压确定。
可以采用各种不同的电池技术构造根据本发明原理的UCAs。例如，可以用本发明的UCA封装方法构造质子交换膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池以较低的温度(约175/80℃)运行，具有高能量密度，能够快速地改变其输出以满足电能需求的变化，并且很好地适合于需要快速起动的应用，诸如例如汽车中的快速起动。
可选地，本发明可以用于无UCA的燃料电池堆，例如包括与MEA的燃料电池堆交替叠放的双极板(BPP′s)的燃料电池堆。
用于PEM燃料电池的质子交换膜通常是薄固态聚合物电解质片，其允许氢离子通过。该薄膜通常在两侧利用为活性催化剂的高扩散金属或金属合金颗粒(例如，铂或铂/钌)涂覆。所用的电解质通常是固态全氟磺酸聚合物。固态电解质的应用是有利的，因为它减少腐蚀和电解质保持问题。
氢输送给燃料电池的阳极侧，在阳极侧催化剂促进氢原子释放电子并且变为氢离子(质子)。电子在返回到输入氧气的燃料电池的阴极侧之前以能够被利用的电流形式流动。同时，氢核通过该薄膜扩散到阴极，在阴极氢离子重新组合并且与氧反应以生成水。
薄膜电极组件(MEA)是诸如氢燃料电池的PEA燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEAs包括作为固体电解质的聚合物电解质薄膜(PEM)(也称作离子导电薄膜(ICM))。
该PEM的一面与阳极电极层接触，相反的一面与阴极电极接触。每个电极层包括电化学催化剂，该电化学催化剂通常包括铂金属。流体传输层(FTL)促进气体输送到阳极和阴极电极材料或从其输送，并且传导电流。
在典型的PEM燃料电池中，质子经由氢的氧化作用在阳极形成并输送给阴极以与氧发生反应，从而允许电流在连接电极的外部电路中流动。该FTL也可以称作气体扩散层(GDL)或扩散器/集电器(DCC)。该阳极电极层和阴极电极层在制造期间可以应用于PEM或FTL，只要它们在完成的MEA中设置PEM或FTL之间。
任何合适的PEM可以用于实践本发明。有用的PEM厚度在约200微米到约15微米之间的范围内。该PEM通常包括其为酸性功能的含氟聚合物的聚合物电解质，例如Nafion(特拉华州，Wilmingtong市的杜邦化学公司)、Flemion(日本东京的Asahi Glass Co.Ltd.)，和根据化学式YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]具有高氟化的骨架和重复的侧基的聚合物，其中Y是H+或其他单价阳离子，诸如碱金属阳离子。后面的聚合物公开在WO2004062019中。在本发明中所用的聚合物电解质通常优选为四氟乙烯的共聚物和一个或多个氟化的、酸性功能的共聚单体。
通常，聚合物电解质含有磺化官能团。该聚合物电解质的酸当量通常为1200或更小，更典型为1100，最典型为1000。可使用低至800或甚至700的当量。
任何合适的FTL可以用于实践本发明。通常，该FTL由包括碳纤维的片材构成。该FTL通常是选自纺织和无纺碳纤维结构的碳纤维结构。可以用于实践本发明的碳纤维结构可包括：Toray碳纸、SPectraCarb碳纸、AFN无纺碳布、Zoltek碳布等。该FTL可以用各种材料涂覆或浸渍，包括碳颗粒涂覆、诸如用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆的亲水化处理和疏水化处理。
任何合适的催化剂可以用于实践本发明，包括铂墨或铂粉、含碳支撑催化剂颗粒的油墨(ink)(如在US20040107869中公开)，或纳米结构的薄膜催化剂(如在US6482763和US5879827中公开)。该催化剂可以通过任何合适的方式施加于PEM或FTL，包括手工法和机器法，包括手刷、切口棒涂覆、液压支撑模具(fluid bearing die)涂覆、线绕杆涂覆、液压支撑涂覆、狭缝进料刀涂覆、三辊涂覆、真空涂覆、丝网印刷或贴花法转移。涂覆可以在一步或多步操作中实现。
直接甲醇燃料电池(DMFC)类似于PEM电池，其中两者都是利用聚合物薄膜作为电解质。然而，在DMFC中，阳极催化剂本身从液体甲醇燃料中提取氢，不需要燃料重整器。DMFCs通常在120-190/49-88℃之间的温度下运行。直接甲醇燃料电池可以根据本发明的原理进行UCA封装。
现在参考图1b，图1b示出根据PEM燃料电池技术实现的UCA的实施例。如图1b所示，UCA20的薄膜电极组件(MEA)25包括五个部件层。PEA层22夹在，诸如例如扩散集电器(DDCs)或气体扩散层(GDLs)的一对流体传输层24和26之间。阳极催化剂30位于第一FTL24和薄膜22之间，而阴极催化剂32位于该薄膜22和第二FTL26之间。
在一种结构中，PEM层22制造成在一个表面上包括阳极催化剂涂层30，而在另一个表面上包括阴极催化剂涂层32。这种结构经常称之为催化剂涂覆薄膜或CCM。根据另一种结构，该第一FTL24和第二FTL26制造成分别包括阳极催化剂涂层30和阴极催化剂涂层32。在又一种结构中，阳极催化剂涂层30可以部分地设置在第一FTL24上，并且部分地设置在PEM22的一个表面上，而阴极催化剂涂层32可以部分地设置在第二FTL26上，并且部分地设置在该PEM22的另一个表面上。
该FTL24、26通常由碳纤维纸或无纺材料或纺织布制成。根据产品结构，该FTL24、26在其一侧可以具有碳颗粒涂层。如上所述该FTL24、26可以制造成包括或不包括催化剂涂层。
在图1b所示的具体实施例中，所示的MEA25夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。该边缘密封系统34、36在UCA封装内提供必要的密封，以使各种流体(气体/液体)输送和的反应区不相互污染，以及防止不适当地退出UCA20，其还可在流场板40和42之间提供电绝缘和猛烈停止压缩控制(hard stop compression control)。
流场板40、42分别设置成邻接该第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36。每个流场板40、42包括氢和氧供给燃料通过的气体场流动通道43和端口。该流场板40、42还包括构造成促进根据本发明的被动两相冷却的冷却剂通道和端口。该冷却剂通道包含在与包含气体流动通道43的表面相对的该流场板40、42的表面上。
在图1b所示的结构中，该流场板40、42构造为单极流场板，其中单个的MEA25夹在其之间。在这个和另一个实施例中，该流场可以是公开在共有的美国专利No.US6,780,536的低横向通量流场。
图1c示出通过采用一个或多个双极流场板56包括多个MEA25的UCA50。在图1c所示的结构中，UCA50包括两个MEA25a和25b，以及单个双极流场板56，该流场板56包括整体冷却通道59。MEA25a包括夹在FTL66a和64a之间的阴极62a/薄膜61a/阳极60a的层压结构。该FTL66a邻近流场端板52，该流场端板52可以构造成单极流场板或双极流场板，并具有如双极板56所示的整体冷却通道59。FTL 64a邻近双极流场板56的第一流场表面56a。同样，MEA25b包括夹在FTL66b和64b之间的阴极62b/薄膜61b/阳极60的层压结构。FTL64b邻近流场端板54，其可以构造成单极流场板或双极流场板，并具有如双极板56所示的整体冷却通道59。FTL66b邻近双极流场板56的第二流场表面56b。
图1b和图1c所示的UCA结构代表两种具体设置，该具体设置能够在根据本发明的被动两相冷却的上下文中实现。这两种设置仅供用于说明的目的，并不是想要代表属于本发明范围内的所有可能的结构。相反，图1b和图1c旨在示出能够选择性地包含在具体燃料电池组件设计中的各种部件。
根据本发明，燃料电池组件、堆和电源系统的单相冷却的另一种方法包含被动两相或温差环流冷却。在包含燃料电池122的电源系统的上下文中，并且如图2a大体所示，冷却剂通过该燃料电池122(例如燃料电池堆，但是可以是单个的燃料电池)并且能够沸腾，因此通过潜在过程消除反应热。从燃料电池堆122释放的蒸气被动地通过导管126流到冷凝器124。冷凝物在重力作用下经由导管128从该冷凝器124流回燃料电池堆122，如图2a所示。在图2a所示的大体冷却方法和其他相关冷却方法的变化公开在美国专利Nos 6,355,368；6,146,779；5,411,077；5,064,732；4,824,740中。涉及燃料电池组件、堆和电源系统的两相冷却的这些冷却装置和其他冷却装置通过结合本发明的各种特征可以得到有利地改进或提高。
执行根据本发明的燃料电池的被动两相冷却方法与常规的冷却方法相比具有许多优点。例如，不需要主动控制和泵来维持等温运行。系统可以设计成在相当严密的范围内维持燃料电池堆温度均匀，诸如例如在2℃以内。可以明显地减少包含在流场板内的冷却剂通道的厚度/深度。例如，很容易实现薄至4-8mil的冷却剂通道，相对于常规的流场板结构其能够减小流场板(例如双极流场板)的厚度。流场板厚度的减小伴随着燃料电池堆厚度的减小。这种系统在大气压下或接近大气压下运行并且减少渗漏的倾向。
本发明的两相冷却系统提供在略低于MEA温度的温度下运行的等温散热片或热源。例如，在一种实现中，合适的热传输流体在工作压力下可以具有低于MEA表面的最大温度的值小于约3℃的沸点。这种散热片对于控制输入气流的温度和湿度具有很大的潜力。
可以用各种热传输流体，包括水、碳氢化合物、氟化物或介电的卤化碳。在一种结构中，可以使用氢氟醚流体，例如3M NOVEC氢氟醚流体。这些流体具有极好的环保性、健康性、安全性和规则性，并且如果它们泄漏到该堆中，不损害薄膜/催化剂组件。这种流体是无腐蚀性，因此能够利用诸如铝和铜的普通材料以用于管道和热交换。
根据一个实施例，并且参考图2b和2c，本发明的燃料电池堆组件包括至少一个薄膜电极组件和具有至少一个流场板的冷却设备，该流场板构造成促进用于该MEA的基本被动两相冷却。通过非限制性示例，图2b所示的流场板100的作用区包括多个流体流动通道102，每个流动通道具有相对于冷却剂流动形成的通道长度L、通道深度d。该冷却剂通道102具有宽度W，和通道间隔S。该流场板100还分别包括蒸气口104和冷凝口106。通常该蒸气口104大于冷凝口106，并且更通常地，蒸气口104的横截面面积至少比冷凝口106大10倍。当MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向优选保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。在另一种结构中，当MEA经受从约0W/cm2到约1W/cm2的冷却剂的热通量变化时，执行该冷却设备以沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
根据一种结构，冷却剂通道102的深度d优选小于约1mm。例如，冷却剂通道102可以具有小于约0.7mm的深度。通过另一示例，该冷却剂通道102可以具有小于约0.5mm的深度。在另一种结构中，该冷却剂通道102可以具有小于约0.3mm的深度。在又一种结构中，该冷却剂通道102可以具有约0.1mm的深度。
在一些实现中，该冷却剂通道102可以具有大于约10cm的通道长度L。在另一些实现中，该冷却剂通道102的通道长度L可以在约60mm到约230mm的范围内。在一种具体结构中，例如，该冷却剂通道102可以具有约1mm到约2mm的通道间隔S，约1mm到约3mm的通道宽度W，以及在约60mm到约230mm的范围内的通道长度L。通道长度L对通道深度d的比通常在约150和约1100之间的范围内。
图3是组件170的截面图，其包括图2b和图2c所示类型的相互接触的两个流场板172、174。这种流场板的设置173在双极流场板结构的两个流场板172、174之间有利地提供内部冷却。所示的第一MEA176接触包括气体流动通道180的流场板172的表面。所示的第二MEA178接触包括气体流动通道182的流场板174的表面。当流场板172和174的冷却表面对齐地相互接触时形成封闭的冷却通道184。
通过在冷却剂通道中包含有利地增大临界热通量的表面涂层和/或特征，可以进一步增强上述类型的流场板的热传输特性。可以采用各种表面涂层和特征以有效地增大临界热通量。能够包含在流场板的冷却剂通道中的这种表面涂层和特征的例子包括纳米结构特征、微孔特征以及包括基本上平面的有机分子的涂层，该有机分子包括例如存在于范德华固体颗粒中的不定域的π电子。
一种确保即便在低热通量的情况下可靠地开始的技术是利用在加热的表面上(例如，在冷却剂通道中)的多孔涂层。这种涂层通过生成成核位置以促进开始。在来自分散热源的饱和沸腾中，涂覆的冷却剂通道表面可以具有约0.2-0.5W/cm2的开始热通量，比不涂覆的表面低80％，其中减少90％的开始过热，并且增加300％以上的泡核沸腾热传输系数。
对于规定的作用区宽度W、长度L和热通量Q″，存在确定的通道宽度W、通道间隔S和通道深度d的值，这些值使得能够适当地运行，如图4所示。例如，如果S或W太小(150)，一些或全部通道102可能达到临界热通量并且在燃料电池达到全功率之前变干。这可能导致燃料电池内的温度梯度或快速温度漂移和烧光。如果通道102太大(152)，可能开始不能发生，并且单向自然对流(convection)将导致温度沿着通道102向上逐渐升高。如果开始发生在通道102的中间某个地方，那么在这个位置可以观察到温度快速下降。这些现像可以在燃料电池内和燃料电池之间不统一地发生。由于温度的统一性对燃料电池的正常运行是非常重要，因此选择合适的流场板的尺寸，以及包含根据本发明的表面涂覆/特征，将避免前述的现象(151)。
除了适当的表面涂覆和/或诸如微孔和纳米结构特征的特征之外，通过适当地选择通道的尺寸，能够实现增大流场板冷却通道的临界热通量，其详细情况描述在下面给出的例子中。一般而言，纳米结构特征能够均匀地取向纳米结构和/或具有预先形成的几何形状。该内通道表面可以包括超过约一百万纳米结构/cm2。例如，该内通道表面可以包括超过约十亿纳米结构/cm2。该纳米结构特征可以具有从约0.1微米到约3微米范围内的长度，并且纵横比(长度对平均直径)约大于3。适合用于本发明的纳米结构特征可包括有机颜料的金属涂覆的晶须，最优选，C.I.PIGMENT RED 149(PR-149二萘嵌苯红)。结晶的晶须具有基本均匀的但是不相同的截面以及大的长宽比。微孔特征可包括如前所述的微颗粒组件。
实例
以图2a中的方块图形式总体示出的设备用于在一般流场冷却剂板内研究参数。加工包括7英寸×20英寸、厚1/16″的铝加热板，以容纳5个平的背面有粘结剂的KAPTON加热器(Micro Model 5466，3″×4″，标称电阻为4.1欧姆，Micro Inc.，Minneapolis MN)，该铝加热板具有4英寸×15英寸、深1/32的凹进部分。其余的凹进部分用橡皮泥(plasticiene clay)填充。该加热板的背面配合同样尺寸的0.75英寸的Plexiglas板。热界面油脂(Wakefield Thermal Compound 120-2＜Wakefield Engineering，Inc.Wakefield，MA)的薄层将该板的前表面配合在另一个1/16″的铝通道板的后面。该板的后面有1/32英寸深的槽，直径为0.01英寸的T型热电耦放置在其中，该热电耦终止在水平的中心线和与作用区域的底部、中心、和顶部对应的竖直位置，该作用区域通过1至5个前述加热器的激活而形成，这些将在下面说明。
这个通道板的平的前部形成在该流体通道的里面。在需要形成希望的通道厚度t时，背面有粘结剂的薄膜(3M乙烯基薄膜，标称厚度为0.004″)以层的方式施加。应当注意，在该公开中，通道厚度t在这里可互换地称之为通道深度d。该薄膜或薄膜层预先切割成使得当施加于通道板时，它们形成通道间的肋。该通道间的肋只出现在加热区。为了研究通道壁表面的影响，在对肋进行下面表1所述的各种处理之前修改通道板。
表1  表面处理和参数评估
  表面   说明 S＝W(mm)   d(mm)   L(mm)
  裸露   未处理的光滑的乙烯基/铝板材   1.59   0.203，0.508   76，152，229
  微孔   用3M公司的G-200陶瓷微球(1-20微米)代替铝进行ABM涂覆。所用的溶剂是甲醇-t-二丁基甲酮以限制挥发性。轻轻地使用气刷。电子显微图示于图5   1.59   0.102，0.203，0.508   152
  微通道   平行于流体通道取向的6微米高，12微米间距的微通道。在聚亚酰胺基底上微复制通道。称之为微结构催化剂传输基底(MCTS)。用3M的喷射固定粘结剂将基底施加在铝板上。   1.59   0.203，0.508   152
  具有二萘嵌苯涂层的微通道   如上相同，但是利用二萘嵌苯二羧酰亚胺颜料(产品代码PR149)在通道表面上复合涂覆   1.59   0.203，0.508   152
  微通道W/晶须(纳米结构涂层)   如上相同，但是利用转换成0.6微米长，270-600埃宽的晶须的二萘嵌苯二羧酰亚胺。电子显微图示于图6   1.59   0.203，0.508   152
  微W/Pt晶须(纳米结构涂层)   如上相同，但是利用铂坡莫合金在晶须上以0.27mg/cm2的质量加载。电子显微图示于图7   1.59   0.203，0.508   152
类似的组件形成该通道区的第二壁。虽然这个组件具有加热器和如同第一壁的通道表面处理，但是它既没有肋也没有安装热电耦。而且，它包含直径为0.25英寸的液体进入孔和多对直径为0.25英寸的蒸气排出孔。该板组件用螺栓夹紧在一起。
该设备设计成使加热区的宽度为4英寸，长度为76、152、299、305和381mm，各种长度分别对应于第一至第五对激活的加热器。在本研究中只使用前三个长度。对于所有的长度，液体的返回由液体返回孔提供。这个孔与黄铜软管倒钩(barb)连接。对于每个长度，只有加热区紧接上方的两个蒸气通道敞开到同样的软管倒钩。例如，该设备构造成用于两个加热器(6英寸高的加热区)。因此，除了该激活区紧接上方的两个蒸气孔之外所有蒸气孔被塞住。这两个经由软软管倒钩连接于冷凝器组件。
该冷凝器是常规的水冷壳和由自来水冷却的管热交换器。将该设备连接于该冷凝器的歧管有透明部分，以能够看到液体高度或作用在该液体返回管路上的液柱。为了试验的目的，调节设备以将液柱保持在该通道或激活区的顶部。
需要时将该加热器以并联方式连接于Kepco Model BOP20-20M(20V，20A)双极运行的电源/放大器，该运行电源/放大器由NationalInstruments Labview数据获取系统的模拟连接控制。加热器的电压和热电偶温度由相同的数据获取系统监控。
该设备利用Fluorinert FC-87或全氟戊烷运行。该流体在29℃沸腾并且具有288g/mol分子量。这类似于具有264g/mol分子量的HFE-7200，其沸点为76℃，其可以认为是用于实际PEM燃料电池的优选流体。使用FC-87是由于其30℃的沸点使得热损失最小和Plexiglas中的应力最小。
自动的数据获取系统通常编程为在4VDC开始，并且然后以每15分钟0.5VDC的增加。前面的试验示出在这个时间周期达到稳态。在每个时间段末尾，该系统快速获得100个测量数据，将它们平均，并记录该结果。该数据包括测量的时间、加热器电压、顶部(T3)、底部(T1)和中间(T2)温度。
下面讨论的结果通常是以壁热通量作为独立变量给出。应当注意，存在三个热通量，当讨论这种数据时可以参考。热通量Q″gen是产生在一个MEA上产生的热通量，其为电流密度和电池过电压的乘积。假定每两个相邻的MEA之间有一个双极或冷却板，那么每个冷却板在其两个表面的每个上将接受大约1/2的Q″gen并且将耗散总的热通量Q″gen。在下面的结果中所记录的热通量Q″是试验期间施加在每个板上的热通量，因此，
Q″≈Q″gen/2            (1)
用于与其他文献比较的第三个热通量是通道壁热通量。假定肋是大致绝热的，那么该热通量等于
Q″lit＝(W+S)Q″/W       (2)
热电耦温度T2和T3之间的差值作为该板上的温度变化量。
温度变化＝T3-T2          (3)
从上面讨论的试验设置推导出的数据表示在图8a至图12b中。这些图示出平均表面温度和空间变化，该空间变化作为具有所示尺寸和表面处理(或没有表面处理，如在裸露的冷却剂通道中)的冷却剂通道的热通量Q″的函数。正如通过图8a至图12b曲线图示出的数据清楚所示，冷却剂通道涂层/特征的类型和通道的尺寸明显地影响临界热通量。根据本发明认真选择的冷却剂通道涂层/特征和尺寸能够明显地增强包含在流场板中的给定的冷却设置的功效，该流场板沿着该板的冷却剂通道的整个长度提供两相冷却。
图8a-12a的Y轴表示温度T3。T3指的是三个热电耦中设置在该冷却剂通道的顶部或远端的第三个热电耦的温度。提供T3以示出产生变干的时间。图8b-12b的Y轴表示温度差T3-T2。T2指的是三个热电耦中设置在该冷却剂通道大致中间位置的第二个热电耦的温度。T3和T2之间的差值示出该冷却剂通道的T2和T3的温度检测位置之间的温度不均匀性。
图8a示出如下情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道(裸露的乙烯基/铝通道，没有任何表面改性)，(2)冷却剂通道，其包括没有晶须或铂的PR-149涂覆微通道，(3)冷却剂通道，其包括具有晶须的PR-149涂覆微通道。这些晶须称作“纳米结构”特征，图8a示出了所谓的“纳米结构效果”。在图8a中容易看出，该纳米结构的效果通过在冷却剂通道中使用纳米结构涂层提供较高的临界热通量。图8b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图8a的数据。
图9a示出如下情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道，(2)冷却剂通道，其包括没有晶须或铂的PR-149涂覆的微通道，(3)具有微通道的冷却剂通道，其使用裸露的微结构催化剂传输基底(MCTS)的UV固化的丙烯酸盐基底(“锯片”特征)。图9a示出了所谓的“范德华固化效果”。
正如图9a图示的数据所表明的，该“范德华固化效果”通过在冷却剂通道中使用具有范德华固体的涂层提供较高的热通量。各种可用的范德华固体包括在共同拥有的美国专利No.4,812,352公开的范德华固体。图9b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图9a的数据。
图10a示出如下情况的温度对热通量的曲线图，(1)未涂覆的冷却剂通道，(2)冷却剂通道，其包括具有晶须或铂的PR-149涂覆的微通道，(3)冷却剂通道，其包括具有铂晶须的微通道。图10a所示的数据增强了“范德华固体”对纳米结构的冷却剂通道表面的临界热通量的影响。图10b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图10a的数据。
图11a示出各种深度的未涂覆的冷却剂通道和各种深度的微孔涂覆的冷却剂通道的温度对热通量的曲线图。图11a示出微孔涂覆的冷却剂通道相对于各种通道深度的裸露的通道提供较高的临界热通量。图11b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图11a的数据。
图12a示出各种深度和长度的未涂覆的冷却剂通道的温度对热通量的曲线图。图12a示出了通道深度和长度对临界热通量的影响。图12b示出根据在两个通道长度位置的温度差对热通量绘制的图12a的数据。
图8a-12b表明，上述各种涂层当包含在流场板的冷却剂通道中时，能够明显地增加临界热通量。在这些涂层中，微孔涂层示出其增加最大，其次是纳米结构涂层。可进一步看出，虽然纳米结构涂层明显地延迟变干，但是温度不均匀性相当大。相反，微孔涂层明显地延迟变干，同时使温度不均匀性最小。非常有趣的是，裸露的微通道和具有铂涂覆的晶须的微通道没有表示出明显的增加。这意味着在二萘嵌苯和铂表面之间存在差别。此外，值得注意的是微孔涂层当从t＝0.508mm到t＝0.203mm变化时得到改善。当厚度进一步减小到t＝0.102mm时这种趋势不再继续。这意味着最佳的通道厚度。
为了举例和说明的目的已经给出本发明前述的描述。这不是意图详尽本发明或将本发明限制在公开的确切形式。根据上述公开许多修改和变化是可能的。希望本发明的范围不是由这些详细的描述所限定而是由权利要求限定。

Claims (66)

1.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；和
冷却设备，该冷却设备包括至少一个流体流场板，该流体流场板构造成促进用于该薄膜电极组件的基本上被动的两相冷却，该流场板包括多个流体流动通道，该流体流动通道具有相对于冷却剂流动的方向限定的通道长度和小于约1mm的通道深度，当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
2.如权利要求1所述的组件，其中该多个通道具有小于约0.7mm的深度。
3.如权利要求1所述的组件，其中该多个通道具有小于约0.5mm的深度。
4.如权利要求1所述的组件，其中该多个通道具有小于约0.3mm的深度。
5.如权利要求1所述的组件，其中该多个通道具有约0.1mm的深度。
6.如权利要求1所述的组件，其中当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
7.如权利要求1所述的组件，其中该通道长度大于约10cm。
8.如权利要求1所述的组件，其中该多个通道具有约1mm到约2mm的通道间隔，约1mm到约3mm的通道宽度，以及在从约60mm到约230mm范围内的通道长度。
9.如权利要求1所述的组件，其中该通道长度对通道深度的比在约150和约1100之间的范围内。
10.如权利要求1所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括含氟化合物。
11.如权利要求1所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括介电的卤化碳。
12.如权利要求1所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括水。
13.如权利要求1所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括碳氢化合物。
14.如权利要求1所述的组件，其中该薄膜电极组件包括构造成接触该流场板表面的表面，该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体在工作压力下的沸点比该薄膜电极组件表面的最大温度低的值小于约3℃。
15.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；和
冷却设备，该冷却设备包括至少一个流体流场板，该流体流场板构造成促进用于该薄膜电极组件的基本上被动的两相冷却，该流场板包括多个流体流动通道，该流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面包括纳米结构特征，当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
16.如权利要求15所述的组件，其中当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
17.如权利要求15所述的组件，其中该纳米结构特征包括一致取向的纳米结构。
18.如权利要求15所述的组件，其中该纳米结构特征包括具有预定几何形状的纳米结构。
19.如权利要求15所述的组件，其中该内通道表面包括超过约一百万纳米结构/cm2。
20.如权利要求15所述的组件，其中该内通道表面包括超过约十亿纳米结构/cm2。
21.如权利要求15所述的组件，其中该纳米结构特征具有在从约0.1微米到约3微米范围内的长度。
22.如权利要求15所述的组件，其中该多个通道具有大于约10cm的通道长度。
23.如权利要求15所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括含氟化合物或介电的卤化碳。
24.如权利要求15所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括水或碳氢化合物。
25.如权利要求15所述的组件，其中该薄膜电极组件包括构造成接触该流场板表面的表面，该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体在工作压力下的沸点比该薄膜电极组件表面的最大温度低的值小于约3℃。
26.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；和
冷却设备，该冷却设备包括至少一个流体流场板，该流体流场板构造成促进用于该薄膜电极组件的基本上被动的两相冷却，该流场板包括多个流体流动通道，该流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面包括微孔特征，当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
27.如权利要求26所述的组件，其中该微孔特征包括微球。
28.如权利要求26所述的组件，其中该微孔特征包括陶瓷微球。
29.如权利要求26所述的组件，其中当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
30.如权利要求26所述的组件，其中该多个通道具有大于10cm的通道长度。
31.如权利要求26所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括含氟化合物或介电的卤化碳。
32.如权利要求26所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括水或碳氢化合物。
33.如权利要求26所述的组件，其中该薄膜电极组件包括构造成接触该流场板表面的表面，该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体在工作压力下的沸点比该薄膜电极组件表面的最大温度低的值小于约3℃。
34.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；和
冷却设备，该冷却设备包括至少一个流体流场板，该流体流场板构造成促进用于该薄膜电极组件的基本上被动的两相冷却，该流场板包括多个流体流动通道，该流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面具有涂层，该涂层包括基本上平面的有机分子，该有机分子包括不定域的π电子，当该电极薄膜组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
35.如权利要求34所述的组件，其中该有机分子包括链或环，在该链或环上π电子的密度广泛地不定域。
36.如权利要求34所述的组件，其中该涂层包括范德华固体。
37.如权利要求34所述的组件，其中当该电极薄膜组件经受从约0W/cm2到约1W/cm2的冷却剂的热通量变化时，该冷却设备沿着冷却剂的流动方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
38.如权利要求34所述的组件，其中多个通道具有大于约10cm的通道长度。
39.如权利要求34所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括含氟化合物或介电的卤化碳。
40.如权利要求34所述的组件，其中该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体包括水或碳氢化合物。
41.如权利要求34所述的组件，其中该薄膜电极组件包括构造成接触该流场板表面的表面，该冷却设备还包括热传输流体，该热传输流体在工作压力下的沸点比该电极薄膜组件表面的最大温度低的值小于约3℃。
42.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；和
冷却设备，该冷却设备包括热传输流体和至少一个流体流场板，该流体流场板构造成当该电极薄膜组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时促进用于该薄膜电极组件的基本上被动的两相冷却，该流场板包括多个流体流动通道，该多个通道具有通道深度、通道间隔、通道长度和通道宽度，该通道宽度小于约5mm；
其中通道宽度、通道间隔、通道长度和通道深度的尺寸形成为在低于临界热通量之下促进该热传输流体的成核沸腾并且防止当热传输流体沿着该通道长度通过时变干。
43.如权利要求42所述的组件，其中该当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时，该冷却设备沿着热传输流体流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
44.如权利要求42所述的组件，其中该当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1W/cm2的热传输流体的热通量变化时，该冷却设备沿着热传输流体流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
45.如权利要求42所述的组件，其中其中通道宽度、通道间隔、通道长度和通道深度的尺寸形成为在该通道的进入区域促进该热传输流体的开始并且防止当热传输流体通过该通道的出口区域时该热通量超过临界热通量。
46.如权利要求42所述的组件，其中该通道长度大于约10cm。
47.如权利要求42所述的组件，其中该通道间隔为约1mm到约2mm，该通道宽度为约1mm到约3mm。
48.如权利要求42所述的组件，其中该多个通道沿着热传输流体流动的方向具有约60mm到约230mm的通道长度。
49.如权利要求42所述的组件，其中该多个通道具有通道长度，并且该通道长度对通道深度的比在约150和约1100之间的范围内。
50.如权利要求42所述的组件，其中该通道深度小于约1mm。
51.如权利要求42所述的组件，其中该热传输流体包括含氟化合物。
52.如权利要求42所述的组件，其中该热传输流体包括介电的卤化碳。
53如权利要求42所述的组件，该热传输流体包括水或碳氢化合物。
54.如权利要求42所述的组件，其中该薄膜电极组件包括构造成接触该流场板表面的表面，该热传输流体在工作压力下的沸点比该薄膜电极组件表面的最大温度低的值小于约3℃。
55.如权利要求42所述的组件，其中该多个流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面包括纳米结构特征。
56.如权利要求42所述的组件，其中该多个流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面包括微孔特征。
57.如权利要求42所述的组件，其中该多个流体流动通道具有多个内通道表面，每个该内通道表面具有包括基本上平面的有机分子的涂层，该有机分子包括不定域的π电子。
58.一种燃料电池堆组件，包括：
至少一个薄膜电极组件；
与该薄膜电极组件热接触的至少一个流场板，该流场板包括流体流动通道；和
当该MEA经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时，通过基本上被动的两相冷却以冷却该薄膜电极组件的装置，该冷却装置包括在临界热通量以下促进该热传输流体成核沸腾的装置，以防止当热传输流体沿着该流体流动通道长度通过时变干。
59.如权利要求58所述的组件，其中该冷却装置包括一种装置，该装置用于该当该薄膜电极组件经受从约0W/cm2到约1.5W/cm2的热传输流体的热通量变化时，沿着热传输流体流动的方向保持小于约0.2℃/cm的最大温度梯度。
60.如权利要求58所述的组件，其中该冷却装置包括一种装置，该装置用于在该通道的进入区域促进该热传输流体的开始，并且用于当该热传输流体通过该通道的出口区域时防止该热通量超过临界热通量。
61.如权利要求1所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
62.如权利要求15所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
63.如权利要求26所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
64.如权利要求34所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
65.如权利要求42所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
66.如权利要求58所述的组件，其中所述流场板额外地包括蒸气口和冷凝口，其中所述蒸气口大于所述冷凝口。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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