CN101350411A - 用于改进水输运的带有微型槽的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改进水输运的带有微型槽的双极板。本发明的一个实施例包括具有基底的燃料电池双极板，所述基底包括第一面；限定在所述第一面中的反应物气体流场，所述反应物气体流场包括多个平台和通道；和在所述第一面中形成的多个微型槽。

Description

用于改进水输运的带有微型槽的双极板
技术领域
本公开总体上涉及的领域包括燃料电池的双极板，且更具体地涉及具有在其中形成的微型槽的双极板。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的且可用于在燃料电池中有效地产生电力。汽车工业在发展氢燃料电池作为车辆动力源中花费了大量的资源。这种车辆比现在采用内燃机的车辆更有效且产生更少的排放。
氢燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极，电解质位于阳极和阴极之间。阳极接收富含氢的气体或纯氢且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解产生自由质子和电子。质子通过电解质到阴极，在阴极，质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质。因此，在电子被送给阴极之前，电子引导通过载荷以做功。该功可用于例如操作车辆。
几个燃料电池通常组合成燃料电池组以产生希望的功率。燃料电池组包括一连串的双极板。燃料电池双极板包括用于所述组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上。燃料电池双极板也包括用于冷却流体的流动通道。
燃料电池双极板通常由导电材料制成，如碳复合材料或金属，从而它们将燃料电池产生的电从一个电池传向另一电池且传出所述组。燃料电池双极板从相对薄的金属基底加工或冲压，以提供反应物气体流场和冷却剂流体流场。
如本领域熟知的，燃料电池需要具有一定的相对湿度。在燃料电池操作期间，湿气可能进入阳极和阴极流动通道。在低电池功率需求时，通常低于0.2A/cm2，水积聚在流动通道内，因为反应物气体的流量太低而不能强制水离开通道。当水积聚时，它形成液滴，液滴由于板材料的疏水性继续膨胀。水滴的接触角通常大约90°，因为液滴在大致垂直于反应物气体流动方向的流动通道中形成。随着液滴尺寸增加，该流动通道封闭，且反应物气体转向其它流动通道，因为所述通道在公用的进口和出口歧管之间平行流动。由于反应物气体不流动通过用水阻塞的通道，反应物气体不能强制水离开通道。随着越来越多的流动通道被水阻塞，由燃料电池产生的电力减少。因为燃料电池串连电联接，如果一个燃料电池停止工作，整个燃料电池组可能停止工作。此外，燃料电池阳极侧上的通道内的水积聚在一定条件下可能引起燃料电池阴极侧上的催化剂降级，这最终减少组性能和耐用性。
通过周期性地强制反应物气体以较高的流量通过流动通道，通常可以清洗流动通道中的积聚水。然而，在阴极侧上，这增加了应用于空气压缩机的附加功率，从而减少总体系统效率。此外，存在不使用氢燃料作为清洗气体的许多理由，包括降低经济性、降低系统效率和增加系统复杂性以处理排气气流中氢的升高的浓度。
在通道中减少积聚水也可以通过减少进口湿度实现。然而，希望在阳极和阴极反应物气体中提供一些相对湿度，以便燃料电池的膜保持水合。干的进口气体对膜具有干燥效应，这可能增加电池的离子电阻，且限制膜的长期耐用性。
发明内容
本发明的一个实施例包括燃料电池双极板，其包括具有第一面的基底；限定在所述第一面中的反应物气体流场，所述反应物气体流场包括多个平台和通道；和在所述第一面中形成的多个微型槽。
本发明的其它示范性实施例从其后提供的详细说明显而易见。应当理解，详细说明和具体示例虽然阐述了本发明的示范性实施例，但是仅为了图示说明且不打算限定本发明的范围。
附图说明
本发明的示范性实施例从详细说明和附图更充分理解。
图1图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，在所述燃料电池双极板的基体部分中包括微型槽。
图2图示了截面为正方形或矩形的微型槽。
图3图示了截面为半圆形的微型槽。
图4图示了截面为V形(三角形)的微型槽。
图5图示了燃料电池双极板的通道。
图6图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，在叠置在所述燃料电池双极板的基体部分上的亲水性层中包括微型槽。
图7图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，所述燃料电池双极板包括叠置在所述燃料电池双极板的基体部分的至少部分上的亲水性层和叠置在所述燃料电池双极板的基体部分上的微型槽。
图8A图示了根据本发明一个实施例的包括在其中具有微型槽的燃料电池双极板的矩形截面通道的产品。
图8B图示了根据本发明一个实施例的包括在其中具有微型槽的燃料电池双极板的U形截面通道的产品。
图8C图示了根据本发明一个实施例的包括在其中具有微型槽的燃料电池双极板的V形截面通道的产品。
图9图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，在所述燃料电池双极板的基体部分中包括微型槽。
图10图示了根据本发明一个实施例的包括具有微型槽的燃料电池双极板的产品。
图11图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，所述燃料电池双极板包括在叠置所述燃料电池双极板的基体部分的至少部分上的亲水性层和在叠置在所述燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中的微型槽。
图12图示了根据本发明一个实施例的包括燃料电池双极板的产品，所述燃料电池双极板包括叠置在所述燃料电池双极板的基体部分的至少部分上的亲水性层和在叠置在所述燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中的微型槽。
图13图示了根据本发明一个实施例的包括多个燃料电池双极板和软物品部分的产品。
图14A图示了在带有微型槽的燃料电池双极板通道中的水滴。
图14B是沿图14A的线B-B截取的截面图，图示了在带有微型槽的燃料电池双极板通道中的水滴。
图15图示了根据本发明一个实施例的制造产品的过程，包括在其部分上选择性地沉积掩模材料和在叠置在燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中形成微型槽。
图16A图示了制造产品的过程，包括在叠置在燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中形成微型槽和在基体部分上沉积或形成一个或更多的导电层。
图16B图示了制造产品的过程，包括在叠置在燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中形成微型槽和在基体部分上沉积或形成一个或更多的导电层。
图16C图示了制造产品的过程，包括在叠置在燃料电池双极板的基体部分上的一个或更多的层中形成微型槽和在基体部分上沉积或形成一个或更多的导电层。
具体实施方式
下面的实施例描述实质上仅仅是示意性的，而不是限制本发明、及其应用或使用。
现在参考图1，本发明一个实施例包括具有燃料电池双极板12的产品10。燃料电池双极板12包括基底29。基底29包括基体部分28和可选的在基体部分28上的一个或更多的层。基体部分28包括多种材料，所述材料包括但不限于金属、金属合金和/或导电复合材料。基体部分28可包括一个或更多的层。
燃料电池双极板12包括第一面100和相对的第二面102。燃料电池双极板12包括至少部分由第一面100中的多个平台14和通道16限定的反应物气体流场。通道16由侧壁22和底面24限定。冷却通道26可在第二面102中形成。
燃料电池双极板12包括在其中形成的微型槽20。在此使用的术语“微型槽”意味着这样的槽，其中槽的至少一维具有显著小于通道特征长度的长度，通道长度通常小于100μm。微型槽可形成为多种形状，如图2-4所示。截面为V形(三角形)的微型槽具有小于50μm的宽度和/或深度；截面为正方形或矩形的微型槽具有小于50μm的宽度和/或深度；或截面为半圆形的微型槽具有小于50μm的半径。在另一实施例中(未示出)，微型槽可以为梯形或正弦形截面。
现在参见图5，在本发明一个实施例中，通道16具有从大约200μm到大约1mm范围的宽度，如线A所示；和从大约200μm到大约1mm范围的深度，如线B所示。如图4所示，在本发明一个实施例中，微型槽20具有从大约1μm到大约100μm范围的宽度，如线C所示；和从大约1μm到大约50μm范围的深度，如线D所示。在本发明一个实施例中，微型槽20的深度(线D)为通道16的深度(线B)的大约0.1％到30％范围，且微型槽20的宽度(线C)为通道16的宽度(线A)的大约0.1％到30％范围。
微型槽20可形成在基体部分28中、或在基体部分28上的一个或更多的层中或通过基体部分28上的一个或更多的层。例如，微型槽20可在通道的侧壁22中或上和/或通道的底面24中或上形成。优选地，微型槽仅在通道24的底面中或上形成。微型槽20通过使用含有形成微型槽的特征的冲压或模制模在基体部分28的至少部分中冲压或模制微型槽而形成。微型槽20也可以在基体部分28中加工通道16时形成。微型槽20也可以通过在第一面100的至少部分上使用高功率脉冲激光器激光微加工形成，其中激光头的计算机控制用于限制在限定通道16的表面的部分中或上的微型槽20的形成区域。如图15所示，微型槽20也可以通过化学蚀刻在基体部分28中形成，例如铬酸蚀刻。掩模106可选择性地沉积在燃料电池双极板12的基体部分28上，留下开口108暴露基体部分28的部分。其后，基体部分28的暴露部分与气体或液体蚀刻剂接触，以限制微型槽20的形成区域为基体部分28的不带掩模部分。微型槽20也可以通过机械刻划形成，其中微型槽20例如使用弹簧加载的刻划元件，如金刚石镶刃钢制品或碳化物镶刃钢制品刻入燃料电池双极板的第一面100的至少部分中。
在本发明另一实施例中，微型槽20在叠置在基体部分28上的一个或更多的层中形成。在一个实施例中，一个或更多的导电层104沉积或形成在基体部分28上，如图16A所示。掩模106可选择性地沉积在导电层104上，留下开口108暴露导电层104的一部分。导电层104的暴露部分可湿或干蚀刻以在导电层104中形成微型槽20，如图16B所示。可选地，亲水性层30可沉积或形成在导电层104上，如图16C所示。导电层104可包括但不限于金属、金属合金、导电聚合物或带有导电颗粒或纤维的聚合物。用于导电层104的合适材料的示例包括在Fronk等的美国专利号6,372,376中公开的材料和Vyas等的美国专利号6,866,958中公开的PVD(物理汽相沉积)金。
现在参见图6，在另一实施例中，亲水性层30沉积或形成在燃料电池双极板12的第一面100上。亲水性层30形成如下：在燃料电池双极板的第一面100的至少部分上沉积亲水性涂层，例如金属氧化物涂层，包括但不限于二氧化硅(SiO2)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、五氧化钽(Ta2O5)、五氧化铌(Nb2O5)、二氧化钼(MoO2)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)、亚稳氮氧化物、非化学计量的金属氧化物、或氮氧化物及其混合物，如美国专利申请号2006/0216571A1公开的；在燃料电池双极板的第一面100的至少部分上沉积亲水性涂层，例如导电材料和金属氧化物的组合物，如美国专利申请号2006/0194095A1公开的；在燃料电池双极板的第一面的至少部分上激光微加工小特征；在燃料电池双极板的第一面的至少部分上化学氧化处理，例如美国专利申请号2006/0040148A1公开的；在燃料电池双极板的第一面的至少部分上机械刻划；在燃料电池双极板的第一面的至少部分上化学蚀刻以提供表面粗糙度或提供表面官能团；或将官能团化学地附接到燃料电池双极板的第一面的至少部分。在一个实施例中，亲水性层30通过使用20％的硝酸和10％的氢氟酸化学蚀刻含有不锈钢的燃料电池双极板形成。亲水性层30也可以通过将细微结构合并入碳复合材料模制模或金属冲压模中形成。
具有亲水性特性的燃料电池双极板使得通道中的水以称为自然润湿或浸润的过程沿表面蔓延。得到的薄膜不太可能改变沿连接到公用进出和出口集管的通道阵列的流动分布。如果板材料具有足够高的表面能量，通过扩散媒介传输的水将接触通道壁且然后通过毛细力沿其长度传输到通道的底部角落中。在流动通道的角落中支持自然润湿的物理要求由Concus-Finn条件描述，
Figure A20081013197600111
其中β为在液体表面和固体表面之间形成的静态接触角，且α为通道角落角。对矩形通道α/2＝45°，这表示当静态接触角小于45°时将发生自然润湿。对于用于具有复合燃料电池双极板的当前燃料电池组设计中的粗略的矩形通道，设定大约上限给实现亲水性板表面对于通道水输运和低载荷稳定性的有益效果需要的接触角。
现在参见图7，亲水性层30在通道16的侧壁22上和微型槽20任一侧上但不包括微型槽的通道16的底面24的部分上形成。这可以通过例如在形成亲水性层30之前选择性地在燃料电池双极板的平台和/或通道上沉积掩模且随后去除所述掩模实现。
在本发明另一实施例中，通道16可为任何形状。如图8A所示，通道16为矩形截面，或如图8B所示，通道为U形截面，或如图8C所示，通道为V形截面。在另一实施例(未示出)中，通道16为梯形或正弦形截面。类似地，微型槽20可以具有任何适当的形状。例如，微型槽20可以为类似于图8A、8B和8C所示的通道16的矩形截面、U形截面、或V形截面。在另一实施例(未示出)中，微型槽20为梯形或正弦形截面。
现在参见图9，在本发明一个实施例中，微型槽20定向为大致平行于燃料电池双极板12的通道16的部分的纵轴线。
现在参见图10，本发明另一实施例包括燃料电池双极板12，燃料电池双极板12包括第一薄金属板40和第二薄金属板42，第一薄金属板40和第二薄金属板42每个冲压和结合以提供多个平台14和通道16。微型槽20可分别在第一金属板40和第二金属板42的第一面100和100’中形成。冷却通道26可分别设置在第一金属板40和第二金属板42的第二面102和102’中。
现在参见图11，在本发明另一实施例中，燃料电池双极板的第一面100和100’的亲水性特性通过在燃料电池双极板的第一面上形成亲水性层30提高，如上所述。
现在参见图12，在本发明另一实施例中，亲水性层30可在燃料电池双极板的第一面100和100’但不包括微型槽20上选择性地形成。这可以通过例如在形成亲水性层30之前选择性地在燃料电池双极板的平台14和/或通道16上沉积掩模且随后去除所述掩模实现。
在图13所示的本发明另一实施例中，产品10包括具有第一面100的第一燃料电池双极板112，所述第一面100具有由多个平台14和通道16在其中限定的反应物气体流场；具有第一面100的第二燃料电池双极板212，所述第一面100具有由多个平台14和通道16在其中限定的反应物气体流场；和设置在它们之间的软物品部分84。软物品部分84包括具有第一面64和第二面66的聚合物电解质膜62。阴极68叠置在聚合物电解质膜62的第一面64上。第一气体扩散媒介层76叠置在阴极68上，且可选地第一多微孔层72可置于第一气体扩散媒介层76和阴极68之间。第一燃料电池双极板112叠置在第一气体扩散媒介层76上。阳极70位于聚合物电解质膜62的第二面66之下。第二气体扩散媒介层78位于阳极层70之下，且可选地第二多微孔层74可置于第二气体扩散媒介层78和阳极70之间。第二燃料电池双极板212叠置在第二气体扩散媒介层78上。
图14A图示了在带有微型槽20的通道16中的水滴200。图14B为沿线B-B截取的截面图，图示了对具有0.6的宽-深纵横比的通道16和具有通道16深度的大约1/7的深度和45°的通道接触角的倒圆的三角形微型槽20的微型槽自然润湿(浸润)。
当术语“上”、“叠置”、“位于上方”或“下”、“位于下方”、“位于之下”关于第一部件或层相对于第二部件或层的相对位置使用时，其应当指的是第一部件或层与第二部件或层直接接触，或附加的层或部件置于所述第一部件或层和第二部件或层之间。
本发明实施例的以上描述实质上仅仅是示意性的，因此其变型并不认为是偏离了本发明的精神和范围。

Claims (45)

1.一种产品，其包括：
燃料电池双极板，其包括具有第一面的基底；限定在所述第一面中的反应物气体流场，所述反应物气体流场包括多个平台和通道；和在所述第一面中形成的多个微型槽。
2.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述基底包括基体部分，且其中所述多个微型槽延伸到所述基体部分中。
3.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述基底包括基体部分和在所述基体部分上的至少第一导电层，且其中所述多个微型槽形成在所述第一导电层中或通过所述第一导电层。
4.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述基底包括基体部分、在所述基体部分的至少部分上的至少第一导电层、和在所述第一导电层的至少部分上的亲水性层。
5.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，没有亲水性层叠置在微型槽上。
6.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，所述亲水性层叠置在微型槽上。
7.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，所述微型槽延伸通过所述第一导电层。
8.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，所述微型槽延伸通过所述第一导电层且延伸到所述基体部分中。
9.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，没有亲水性层且没有导电层叠置在所述微型槽上。
10.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的至少一个与所述通道中的一个连通。
11.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，每个通道通过底面和至少一个壁限定，且其中微型槽至少在所述底面中形成。
12.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽任意定向。
13.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽中的至少一个以大致平行于所述通道中的一个的纵轴线的方向形成。
14.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的截面结构为V形。
15.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的截面结构为矩形。
16.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的截面结构为半圆形。
17.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的截面结构为梯形。
18.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的截面结构为正弦形。
19.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的深度为所述通道的深度的0.1％到30％。
20.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述微型槽的宽度为所述通道的宽度的0.1％到30％。
21.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述通道的截面结构为U形。
22.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述通道的截面结构为矩形。
23.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述通道的截面结构为V形。
24.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述通道的截面结构为梯形。
25.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述通道的截面结构为正弦形。
26.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述产品还包括：
多个燃料电池双极板；和
位于相邻的燃料电池双极板之间且面向反应物气体流场的软物品部分，其中所述软物品部分包括在聚合物电解质膜的相对面上的阳极和阴极。
27.一种过程，其包括：提供燃料电池双极板，其包括基底，所述基底包括具有多个平台和通道的第一面；和在所述基底中形成微型槽。
28.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述基底还包括至少第一导电层。
29.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述基底还包括亲水性层。
30.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，形成微型槽包括在所述基底的至少部分上冲压、模制、加工、激光微加工、化学蚀刻、或机械刻划中的至少一种。
31.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述微型槽具有三角形、正方形、矩形、半圆形、梯形、或正弦形中的至少一种截面形状。
32.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述微型槽在限定通道的至少一个表面中形成。
33.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述通道每个通过至少一个壁和底面限定，且其中微型槽在所述底面中形成。
34.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述通道每个通过至少一个壁限定，且其中微型槽在所述壁中形成。
35.根据权利要求27所述的过程，其特征在于，所述通道具有矩形、U形、V形、梯形、或正弦形中的至少一种截面形状。
36.一种过程，其包括：形成多个燃料电池双极板，所述多个燃料电池双极板每个包括基底，所述基底包括具有多个平台和通道的第一面、和在所述基底中的微型槽。
37.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，还包括提供软物品部分，所述软物品部分位于相邻的燃料电池双极板之间且面向所述多个平台和通道，其中所述软物品部分包括在聚合物电解质膜的相对面上的阳极和阴极。
38.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述形成包括在所述基底的至少部分上冲压、模制、加工、激光微加工、化学蚀刻、或机械刻划中的至少一种以形成微型槽。
39.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述基底还包括至少第一导电层。
40.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述基底还包括亲水性层。
41.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述微型槽具有三角形、正方形、矩形、半圆形、梯形、或正弦形中的至少一种截面形状。
42.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述微型槽在限定通道的至少一个表面中形成。
43.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述通道每个通过至少一个壁和底面限定，且其中微型槽在所述底面中形成。
44.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述通道每个通过至少一个壁限定，且其中微型槽在所述壁中形成。
45.根据权利要求36所述的过程，其特征在于，所述通道具有矩形、U形、V形、梯形、或正弦形中的至少一种截面形状。
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