CN101656324A - 在pem燃料电池双极板上通过水基冷却剂最小化分路电流影响的方法 - Google Patents

在pem燃料电池双极板上通过水基冷却剂最小化分路电流影响的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在PEM燃料电池双极板上通过水基冷却剂使最小化分路电流的影响最小化的方法。具体地，提供了一种燃料电池，包括第一阀金属流场板。该第一阀金属流场板具有第一冷却通道，其适于接收水冷却剂，并且当该燃料电池结合在燃料电池组中时，该第一冷却通道适于在禁止形成分路电流的位置处接触该水冷却剂。场组件包括第一金属流场板，其具有适于接收水冷却剂的第一冷却通道。在该流场组件中，将阀金属板设置在该第一金属流场板上。还提供了使用包含阀金属的流场板的燃料电池组。

Description

在PEM燃料电池双极板上通过水基冷却剂最小化分路电流影响的方法
技术领域
[0001]在至少一个实施例中，本发明涉及在PEM燃料电池中使用的双极板。
背景技术
[0002]在许多应用中都将燃料电池用作电源。更具体地，燃料电池被提议供车辆使用，以替代内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以提供阳极与阴极之间的离子传输。
[0003]在质子交换膜型燃料电池中，将氢作为燃料供应至阳极，并将氧作为氧化剂供应至阴极。氧可呈纯净态形式(O2)，或者为空气(O2与N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固态聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，并在相反面上具有阴极催化剂。通常PEM燃料电池的阳极和阴极层由诸如石墨织物、石墨化片材、或碳纸等多孔的导电材料形成，以使得燃料能分散在面对燃料供应电极的膜表面上。各电极具有支撑于碳粒子上的细碎的催化剂粒子(例如，铂粒子)，以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极通过离子传导的聚合物膜流动至阴极，在该阴极处，它们与氧结合以形成水，所述水从电池排出。将MEA夹在一对多孔的气体扩散层(“GDL”)之间，并且又将该对多孔气体扩散层(“GDL”)夹在一对无孔的导电元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集电器，并包含形成在其中的合适的通道和开口，用于将燃料电池的气体反应剂分散在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必需薄、化学稳定、可透质子、不导电并且不透气。在通常的应用中，以许多单独的燃料电池组的阵列的形式来提供燃料电池，以便提供高电平的电源。
[0004]当前在燃料电池中使用的导电板提供了改善燃料电池性能的许多机会。例如，这些金属板在它们表面上通常包括钝化氧化膜，需要导电涂层以使接触电阻最小化。这样的导电涂层包括金和聚合物碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了完成的双极板的成本。此外，金属双极板在操作期间还经受腐蚀。退化机理包括从聚合物电解质释放氟离子。双极板的金属溶解通常导致释放呈各种氧化态的铁离子、铬离子和镍离子。
[0005]PEM燃料电池的效率由于流过冷却剂的湿端分路电流而降低。这样的分路电流取决于水基冷却剂的离子导电性以及跨过该水基冷却剂的电压降。冷却剂导电性的微小改变可导致产生显著的分路电流，如果湿端板由诸如不锈钢那样的易于腐蚀的材料制成，则该显著的分路电流随后能损坏该湿端板。该分路电流主要归因于在湿端冷却剂端口区域上的氧排出和在干燥端板上的氢排出。
[0006]对于水管理，金属双极板在双极板/水边界处需要具有小的接触角，即，小于40°的接触角。已提出氮化钛涂层作为用于双极板的耐蚀镀层。尽管氮化钛涂层节省成本，但这样的涂层没有为双极板材料提供令人满意的保护。此外，氮化钛涂层在接近60°的接触角的情况下具有相对低的亲水性。
[0007]因此，存在对改进的方法的需求，以降低在燃料电池应用中使用的双极板的表面处的接触电阻。
发明内容
[0008]本发明通过在至少一个实施例中提供具有改进的耐蚀性的燃料电池来解决了现有技术的一个或多个问题，该燃料电池包括第一阀金属(valve metal)流场板。该第一阀金属流场板具有第一冷却通道，其适于接收水冷却剂，并且当燃料电池结合在燃料电池组中时，该第一冷却通道适于在禁止形成分路电流的位置处接触水冷却剂。本实施例利用了比不锈钢更耐蚀的阀金属(valve metal)。这些金属生长出厚的氧化膜，该氧化膜能保护在下面的金属免受环境进一步的侵蚀，并且比不锈钢能耐受更高的电压。根据本发明，在靠近电池组的湿端处使用优选为钛的阀金属薄片材。该片材仍具有与规则的不锈钢双极板上的冷却剂和气体的端口区域类似的冷却剂和气体的端口区域。如果使阀金属片材的前端区域完全钝化，则分路电流仍然能够在干燥端和接触平面钛片材的不锈钢板之间流动；电流总是在电阻最小的方向上流动。为了避免该问题，将贵金属薄层涂布在阀金属片材的冷却剂端口区域上。这允许分路电流在干燥端不锈钢冷却剂端口区域与涂有贵金属的钛片材的冷却剂端口区域之间流动。
[0009]在另一实施例中，流场组件包括第一金属流场板，其具有适于接收水冷却剂的第一冷却通道。在该实施例中，将阀金属板设置在第一金属流场板上。
[0010]本发明的其它示例性实施例将通过在下文中提供的详细描述而变得明显。应理解的是，尽管公开了本发明的示例性实施例，但详细的描述和特定的示例仅用于说明目的，并且不用于限制本发明的范围。
附图说明
[0011]通过详细描述和附图将能够更加完全地理解本发明的示例性实施例，附图中：
[0012]图1提供了具有由阀金属制成的流场板的燃料电池的示意性侧视图；
[0013]图2提供了具有流场板组件的燃料电池的示意性侧视图，该流场板组件包括由阀金属制成的板；
[0014]图3是使用了图1A的燃料电池的燃料电池组的示意图；以及
[0015]图4是使用了图2的燃料电池的燃料电池组的示意图。
具体实施方式
[0016]现在将对本发明目前优选的构成、实施例和方法进行详细参考，其构成当前为发明人所知的实践本发明的最佳方式。附图不一定按比例。然而，应理解的是，公开的实施例仅是可以以各种形式和替代形式来具体化的本发明的示例。因此，在此公开的具体细节不被解释成限制性的，而仅作为本发明任意方面的代表性基础和/或用于教导本领域的技术人员以不同方式使用本发明的代表性基础。
[0017]除非在实例中，或者以其它的方式明确指示，由词“大约”修饰时，在该说明书中指示材料的量的所有数字量、或反应和/或使用的条件应当被理解为描述本发明的最广范围。在所声明的数字界限范围内的实践通常是优选的。此外，除非进行了相反地明确声明，否则百分数、“一部分”和比例值都是按重量计算；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；结合本发明，作为对于给定目的合适或优选的材料的组或类别的描述暗示该组或类别的成员中的任何两种或多种的混合物同样为合适或优选的；化学术语中成分的描述指的是在添加到描述中具体指定的任何化合物的时候的成分，并且不一定排除一旦混合时混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩写词或其它缩写词的第一定义适用于相同缩写词在本文中的所有随后使用，并将对初始定义的缩写词的正常语法变体加以必要的变更；以及，除非进行了相反地明确声明，否则特性的衡量由先前或随后对于相同特性所引用的相同技术来确定。
[0018]还应理解的是，本发明不局限于以下描述的特定实施例和方法，这是因为具体的组分和/或条件当然可以改变。此外，在此使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，并且不以任何方式加以限制。
[0019]此外，必须指出的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文以其它方式明确指出，否则单数形式“一”和“该”都包括复数指示物。例如，对单数形式的组分的提及也意味着包括多种组分。
[0020]遍及引用了公开出版物的该申请，这些公开出版物的公开内容由此通过引用被全部结合到本申请中，以更充分地描述本发明所属技术领域的状态。
[0021]在示例性实施例中，提供了一种燃料电池，其具有改善的耐蚀性的流场板。该实施例的流场板包括用于水冷却剂通过其流过的冷却通道。该流场板包括阀金属，当将燃料电池结合到燃料电池组中时，该阀金属在禁止形成分路电流的位置处接触水冷却剂。
[0022]参考图1，提供了包括阀金属流场板的燃料电池。燃料电池10包括部分地或完全地由阀金属或它们的合金制成的流场板12。合适的阀金属的实例包括但不局限于钛、钽、铌、和它们的合金。流场板12包括用于将第一气体引入燃料电池10的多个通道32。通常，该第一气体为氧。钛被发现特别有用。将扩散层14设置在流场板12上。将第一催化剂层16设置在扩散层14上。燃料电池10还包括设置在第一催化剂层16上的离子导体层20。将第二催化剂层22设置在离子导体层20上。燃料电池10还包括流场板30，并且气体扩散层28介于第二催化剂层22与该流场板30之间。在一改进中，流场板30由诸如不锈钢的金属制成。
[0023]仍然参考图1，流场板12包括形成冷却系统36的一部分的冷却通道34。流场板12的至少一部分涂有包括贵金属的贵金属层38。在一改进中，贵金属层38的厚度形成为大约5至50nm。合适的贵金属的实例包括但不局限于铂、金、和它们的组合。在一改进中，流场板12几乎全部涂有贵金属层38。在另一改进中，涂覆流场板12，使得贵金属层38的厚度在进口39附近较厚(例如，10-50nm)。在该改进中的其余区域可涂有大约1至10nm的厚度。
[0024]参考图2，提供了包括具有阀金属板的流场组件的燃料电池。燃料电池50包括流场组件52。流场组件包括流场板54，该流场板54包括用于将第一气体引至燃料电池50的多个通道56。通常，该第一气体包括氧。流场组件52还包括阀金属板58。将扩散层64设置在流场板54上。将第一催化剂层66设置在扩散层64上。燃料电池50还包括设置在第一催化剂层66上的离子导体层68。将第二催化剂层70设置在离子导体层68上。燃料电池50还包括流场板70，并且气体扩散层72介于第二催化剂层70与该流场板74之间。在一改进中，流场板74由诸如不锈钢的金属制成。
[0025]仍然参考图2，流场组件52包括形成冷却系统80的一部分的冷却通道78。水冷却剂接触阀金属板58的至少一部分。在一改进中，冷却通道78的至少一部分由阀金属板58限定。冷却通道可部分地或完全地由阀金属板58限定。在另一改进中，阀金属板58的至少一部分涂有包括贵金属的贵金属层82。在一改进中，贵金属层82的厚度为大约5至50nm。合适的贵金属的实例包括但不局限于铂、金、和它们的组合物。在一改进中，阀金属板58几乎全部涂有贵金属层82。在另一改进中，阀金属板58仅在冷却通道78的进口83附近涂有贵金属层82。
[0026]参考图3，提供了包括多个燃料电池的燃料电池组的示意图。当前使用中的燃料电池组通常具有大约10至200个单独的燃料电池。燃料电池组100包括第一燃料电池102，其具有在图1中所描绘的燃料电池的一般设计。同样地，第一燃料电池102包括第一端板组件104，其包括流场板106。流场板106包括如上所述的阀金属。在示例性变体中，流场板106由钛制成。第一端板组件104包括接触该阀金属的第一端板冷却通道108。燃料电池102包括气体扩散层110和第一催化剂层112。将第一催化剂层112设置在气体扩散层110上。燃料电池102还包括第一离子导体层114和第二催化剂层116。将第一离子导体层114设置在第一催化剂层112上，同时将第二催化剂层116设置在该第一离子导体层114上。燃料电池102还包括设置在第二催化剂层116上的气体扩散层118。气体扩散层118与也作为燃料电池130的一部分的第一双极板120邻接。
[0027]燃料电池组100还包括多个中间燃料电池组件130-138。各中间燃料电池包括也作为相邻燃料电池组件的一部分的中间燃料电池双极板140。中间燃料电池双极板140包括中间冷却通道142和第一中间扩散层144。将第一中间扩散层144设置在中间燃料电池双极板140上。燃料电池136还包括位于第一中间扩散层144上的第一中间催化剂层146。在将第二中间扩散层152设置在第二中间催化剂层150上的情况下，将燃料电池离子导体层148定位于第一中间催化剂层146与第二中间催化剂层150之间。
[0028]仍然参考图3，燃料电池组100还包括最后的燃料电池组件160。最后的燃料电池160包括也作为相邻燃料电池组件的一部分的最后的双极板162。双极板162包括最后的双极板冷却通道164。最后的燃料电池160还包括第一扩散层166和第一催化剂层168。将第一扩散层166设置在最后的双极板162上，同时将第一催化剂层168设置在该第一扩散层166上。燃料电池160还包括最后的离子导体层170、第二催化剂层172、以及第二扩散层174。在将第二催化剂层172设置在离子导体层170与第二扩散层174之间的情况下，将离子导体层170设置在第一催化剂层168上。燃料电池160包括最后的端板180，该最后的端板180包括最后的端板冷却通道182。
[0029]仍然参考图3，燃料电池组100还包括冷却系统36，其与该第一端板冷却通道、中间双极板冷却通道、该最后的双极板冷却通道、以及该最后的端板冷却通道连通。冷却系统36包括用于向燃料电池组100提供水冷却剂的循环系统186。
[0030]参考图4，提供了包括多个燃料电池的燃料电池组的示意图。当前使用中的燃料电池组通常具有大约10至200个单独的燃料电池。燃料电池组100′包括第一燃料电池102′，其具有在图2中描绘的燃料电池的一般设计。同样地，第一燃料电池102′包括第一端板组件104′，其包括流场板106′以及阀金属板107，该阀金属板107包括如上所述的阀金属。第一端板组件104′包括接触该阀金属的第一端板冷却通道108′。燃料电池102′包括气体扩散层110和第一催化剂层112。将第一催化剂层112设置在气体扩散层110上。燃料电池102还包括第一离子导体层114和第二催化剂层116。将第一离子导体层114设置在第一催化剂层112上，同时将第二催化剂层116设置在该第一离子导体层114上。燃料电池102′还包括设置在第二催化剂层116上的气体扩散层118。气体扩散层118与也作为燃料电池130的一部分的第一双极板120邻接。
[0031]燃料电池组100′还包括多个中间燃料电池组件130-138。各中间燃料电池包括也作为相邻燃料电池组件的一部分的中间燃料电池双极板140。中间燃料电池双极板140包括中间冷却通道142和第一中间扩散层144。将第一中间扩散层144设置在中间燃料电池双极板140上。燃料电池136还包括位于第一中间扩散层144上的第一中间催化剂层146。在将第二中间扩散层152设置在第二中间催化剂层150上的情况下，将燃料电池离子导体层148定位于第一中间催化剂层146与第二中间催化剂层150之间。
[0032]仍然参考图4，燃料电池组100′还包括最后的燃料电池组件160。最后的燃料电池160包括也作为相邻燃料电池组件的一部分的最后的双极板162。双极板162包括最后的双极板冷却通道164。最后的燃料电池160还包括第一扩散层166和第一催化剂层168。将第一扩散层166设置在最后的双极板162上，同时将第一催化剂层168设置在第一扩散层166上。燃料电池160还包括最后的离子导体层170、第二催化剂层172、以及第二扩散层174。在将第二催化剂层172设置在离子导体层170与第二扩散层174之间的情况下，将离子导体层170设置在第一催化剂层168上。燃料电池160包括最后的端板180，其包括最后的端板冷却通道182。
[0033]仍然参考图4，燃料电池组100′还包括冷却系统36，其与该第一端板冷却通道、中间双极板冷却通道、该最后的双极板冷却通道、以及该最后的端板冷却通道连通。冷却系统36包括用于向燃料电池组100′提供水冷却剂的循环系统186。
[0034]尽管已图示和描述了本发明的实施例，但并不意味着这些实施例图示和描述了本发明的所有可能形式。相反，在说明书中所使用的词是描述性的词而非限制性的词，并且应理解的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出各种改变。

Claims (27)

1.一种在燃料电池组中所包括的燃料电池，所述燃料电池包括：
第一阀金属流场板，所述第一阀金属流场板具有第一冷却通道，所述第一冷却通道适于接收水冷却剂，并且当所述燃料电池结合在燃料电池组中时，所述第一冷却通道适于在禁止形成分路电流的位置处接触所述水冷却剂；
第一催化剂层，设置在所述第一阀金属流场板上；
第一离子导体层，设置在所述第一催化剂层上；
第二催化剂层，设置在所述第一离子导体层上；以及
第二流场板，设置在所述第二催化剂层上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阀金属选自由钛、钽、铌、以及它们的合金构成的组。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阀金属为钛。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，还包括贵金属层，所述贵金属层设置在所述阀金属流场板的至少一部分上。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述阀金属板在接近所述冷却通道的入口的位置处接触所述水冷却剂。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述贵金属层包括从铂、钯、金、以及它们的组合物所构成的组中所选择的金属。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，所述贵金属为金。
8.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述贵金属层具有5至50nm的厚度。
9.一种燃料电池组，其包括根据权利要求1所述的燃料电池。
10.一种在燃料电池组中所包括的燃料电池，所述燃料电池包括：
第一金属流场板，所述第一阀金属流场板具有适于接收水冷却剂的第一冷却通道；
阀金属板，其设置在所述第一金属流场板上，当所述燃料电池结合在燃料电池组中时，所述阀金属板适于在禁止形成分路电流的位置处接触所述水冷却剂；
第一催化剂层，设置在所述第一阀金属流场板上；
第一离子导体层，设置在所述第一催化剂层上；
第二催化剂层，设置在所述第一离子导体层上；以及
第二流场板，设置在所述第二催化剂层上。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述阀金属选自由钛、钽、铌、以及它们的合金构成的组。
12.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述阀金属为钛。
13.根据权利要求10所述的燃料电池，还包括贵金属层，所述贵金属层设置在所述阀金属流场板的至少一部分上。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中所述贵金属层包括从铂、钯、金、以及它们的组合物所构成的组中所选择的金属。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述贵金属为金。
16.根据权利要求13所述的燃料电池，其中，所述贵金属层具有5至50nm的厚度。
17.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述阀金属板在接近所述冷却通道的入口的位置处接触所述水冷却剂。
18.一种燃料电池组，其包括根据权利要求10所述的燃料电池。
19.一种燃料电池组，包括：
第一燃料电池组件，包括：
包括阀金属的第一端板组件，所述第一端板具有第一端板冷却通道，所述第一端板冷却通道适于接收水冷却剂，并且适于在所述燃料电池组中禁止形成分路电流的位置处接触所述水冷却剂；
第一扩散层，设置在所述第一端板上；
第一催化剂层，设置在所述第一扩散层上；
第一离子导体层，设置在所述第一催化剂层上；
第二催化剂层，设置在所述第一离子导体层上；
第二扩散层，设置在所述第二催化剂层上；以及
第一双极板，设置在所述第二扩散层上；
多个中间燃料电池组件，各中间燃料电池包括：
第一中间燃料电池双极板；
第一中间扩散层，设置在所述中间燃料电池双极板上；
第一中间催化剂层，设置在所述第一中间扩散层上；
中间燃料电池离子导体层，其设置在所述第一中间催化剂层上；
第二中间催化剂层，设置在所述中间燃料电池离子导体层上；
第二扩散层，设置在所述第二中间催化剂层上；以及
第二中间燃料电池双极板，设置在所述第二扩散层上，最后的燃料电池组件，包括：
最后的双极板；
第一扩散层，设置在所述最后的双极板上；
第一催化剂层，设置在所述第一扩散层上；
最后的离子导体层，设置在所述第一扩散层上；
第二催化剂层，设置在所述最后的离子导体层上；
第二扩散层，设置在所述第二催化剂层上；以及
最后的端板，设置在所述第二扩散层上，所述最后的端板具有最后的端板冷却通道；以及
冷却系统，与所述第一端板冷却通道和所述最后的端板冷却通道连通。
20.根据权利要求19所述的燃料电池组，其中还包括贵金属层，所述贵金属层设置在所述阀金属的至少一部分上。
21.根据权利要求19所述的燃料电池组，其中，所述阀金属选自由钛、钽、铌、以及它们的合金构成的组。
22.根据权利要求19所述的燃料电池组，其中，所述贵金属层具有5至50nm的厚度。
23.根据权利要求21所述的燃料电池组，其中，所述贵金属层包括从铂、钯、金、以及它们的组合物所构成的组中所选择的组分。
24.根据权利要求19所述的燃料电池组，其中，所述第一端板包括流场板。
25.根据权利要求24所述的燃料电池组，其中，所述流场板包括所述阀金属。
26.根据权利要求25所述的燃料电池组，其中，所述第一端板包括接触所述流场板的阀金属板。
27.根据权利要求19所述的燃料电池组，其中，所述冷却系统向所述第一端板冷却通道、中间双极板冷却通道、所述最后的双极板冷却通道、以及所述最后的端板冷却通道提供水冷却剂。
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