CN109193005B - 泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池。其中，泡沫金属流场板包括：第一泡沫金属层，所述第一泡沫金属层由第一泡沫金属形成；第二泡沫金属层，所述第二泡沫金属层形成在所述第一泡沫金属层的至少一部分表面上，所述第二泡沫金属层包括交替布置多个第一部分和多个第二部分，所述第一部分由第二泡沫金属形成，所述第二部分由第三泡沫金属形成；其中，所述第三泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第一泡沫金属的疏水性依次减弱。该泡沫金属流场板可有效促进燃料电池中生成水的排出，从而提高电池性能。

Description

泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，本发明涉及泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效率、高能量密度和低污染等优点，从而受到许多领域研究者的广泛关注。其中能量密度是衡量PEMFC性能的重要指标，要想进一步提高电池的能量密度，一方面依赖于膜电极组件(MEA)的设计，另一方面则取决于合理的流场板设计。流场板设计主要有以下目标：保证反应气体在流道面内分布均匀，并且有利于反应气体向气体扩散层中输运，同时促进阴极反应生成水的排出。
质子交换膜燃料电池由膜电极、气体扩散层和双极板组成。双极板一侧为阳极流道，另一侧阴极流道，中间为冷却液流道。传统的气体流道一般为肋板式结构，其缺点在于阴极生成的水容易在肋板下面积累，在大电流密度下，有可能出现水淹现象，导致气体输运通道受阻，气体传质阻力引起电池浓差损失增大，严重影响电池性能。
因而，现有的用于燃料电池的流场板仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池。该泡沫金属流场板可有效促进燃料电池中生成水的排出，从而提高电池性能。
在本发明的一个方面，本发明了提出了一种泡沫金属流场板。根据本发明的实施例，该泡沫金属流场板包括：第一泡沫金属层，所述第一泡沫金属层由第一泡沫金属形成；第二泡沫金属层，所述第二泡沫金属层形成在所述第一泡沫金属层的至少一部分表面上，所述第二泡沫金属层包括交替布置多个第一部分和多个第二部分，所述第一部分由第二泡沫金属形成，所述第二部分由第三泡沫金属形成；其中，所述第三泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第一泡沫金属的疏水性依次减弱。
由此，根据本发明实施例的泡沫金属流场板包括上下两层泡沫金属。其中，第一泡沫金属层具有亲水特性，在应用中与燃料电池的双极板接触；第二泡沫金属层具有疏水特性，并由疏水性强弱不同的多个第一部分和多个第二部分交替排列组成，在应用中与燃料电池中的气体扩散层接触，且用于形成第二部分的第三泡沫金属的疏水性相对于用于形成第一部分第二泡沫金属较强。由此，电池反应生成的水更容易进入第二泡沫金属层中疏水性弱的第一部分，而疏水性强的第二部分中的水能够向第一部分进行扩散；在毛细压力的驱动下，水进一步向疏水性更弱的亲水性第一泡沫金属层输运，从而形成与气体输运通道分隔开的水输运通道，使生产水可以在更低的阻力下从电池气体扩散层到达流道，实现生成水的快速排出。通过采用本发明的泡沫金属流场板，可有效避免大电流密度工况下流道的水淹现象，保持气体输运通道的通畅，进一步提高电池性能。
另外，根据本发明上述实施例的泡沫金属流场板还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述第一泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第三泡沫金属分别独立地为镍、钛、铜、铝和不锈钢中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述第三泡沫金属的接触角为130°～150°，所述第二泡沫金属的接触角为95°～110°，所述第一泡沫金属的接触角为30°～85°。
在本发明的一些实施例中，所述第一泡沫金属层的厚度为0.2～0.5mm，孔隙率为85～95％，每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量(PPI)为5～40；所述第二泡沫金属层的厚度为0.8～1.0mm，孔隙率为85～95％，每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量为5～40。
在本发明的一些实施例中，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属的孔隙率保持不变，而每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量逐渐减少。
在本发明的一些实施例中，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量保持不变，而孔隙率逐渐增加。
在本发明的一些实施例中，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属的接触角逐渐增大。
在本发明的一些实施例中，所述第一部分和所述第二部分的宽度相等。
在本发明的一些实施例中，所述第一泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第三泡沫金属的孔隙率相等。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种燃料电池。根据本发明的实施例，该燃料电池包括：上述实施例的泡沫金属流场板。本发明的燃料电池通过采用上述实施例的流场板，可使电池反应中的气体和生成水分别通过分隔开的通道进行输运，在大电流密度工况下可以有效促进排水，避免流道局部出现水淹现象，保持气体输运通道的通畅，进一步提高电池性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明实施例的泡沫金属流场板的结构示意图；
图2显示了根据本发明实施例的泡沫金属流场板的前视图；
图3显示了根据本发明实施例的泡沫金属流场板的俯视图；
图4显示了根据本发明实施例的泡沫金属流场板的侧视图；
图5显示了实施例1中燃料电池的结构示意图；
图6显示了实施例1中燃料电池的泡沫金属流场板不同部位的接触角与电池中气体流动方向的变化关系。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明了提出了一种泡沫金属流场板。根据本发明的实施例，参考图1～4，该泡沫金属流场板包括：第一泡沫金属层100和第二泡沫金属层200。其中，第一泡沫金属层100由第一泡沫金属形成；第二泡沫金属层200形成在第一泡沫金属层100的至少一部分表面上，第二泡沫金属层200包括交替布置多个第一部分210和多个第二部分220，第一部分210由第二泡沫金属形成，第二部分220由第三泡沫金属形成；其中，第三泡沫金属、第二泡沫金属和第一泡沫金属的疏水性依次减弱。
由此，根据本发明实施例的泡沫金属流场板包括上下两层泡沫金属。其中，第一泡沫金属层具有亲水特性，在应用中与燃料电池的双极板接触；第二泡沫金属层具有疏水特性，并由疏水性强弱不同的多个第一部分和多个第二部分交替排列组成，在应用中与燃料电池中的气体扩散层接触，且用于形成第二部分的第三泡沫金属的疏水性相对于用于形成第一部分第二泡沫金属较强。由此，电池反应生成的水更容易进入第二泡沫金属层中疏水性弱的第一部分，而疏水性强的第二部分中的水能够向第一部分进行扩散；在毛细压力的驱动下，水进一步向疏水性更弱的亲水性第一泡沫金属层输运，从而形成与气体输运通道分隔开的水输运通道，使生产水可以在更低的阻力下从电池气体扩散层到达流道，实现生成水的快速排出。通过采用本发明的泡沫金属流场板，可有效避免大电流密度工况下流道的水淹现象，保持气体输运通道的通畅，进一步提高电池性能。
根据本发明的实施例，第一泡沫金属、第二泡沫金属和第三泡沫金属分别独立地为镍、钛、铜、铝和不锈钢中的至少之一。第一泡沫金属、第二泡沫金属和第三泡沫金属既可以采用镍、钛、铜、铝或不锈钢，也可以采用镍、钛、铜、铝和不锈钢中至少之一组成的合金。
根据本发明的实施例，第三泡沫金属、第二泡沫金属和第一泡沫金属的疏水性依次减弱，由此，可形成适于将电池反应生成水排出的水输运通道。根据本发明的优选实施例，第三泡沫金属的接触角为130°～150°，第二泡沫金属的接触角为95°～110°，第一泡沫金属的接触角为30°～85°。由此，第三泡沫金属与第二泡沫金属的疏水性差异明显，而第一泡沫金属表现出亲水特性，从而更利于水输运通道的形成，使采用本发明泡沫金属流场板的燃料电池在大电流密度工况下的生成水更高效的排出，避免流道局部出现水淹现象，提高电池的性能。
根据本发明的实施例，为了进一步促进第一泡沫金属层100和第二泡沫金属层200中形成独立于气体输运通道的水输运通道，以便促进大电流密度工况下生成水的排出，第一泡沫金属层100的厚度可以为0.2～0.5mm，孔隙率为可以85～95％，每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量(PPI)可以为5～40；第二泡沫金属层200的厚度为可以0.8～1.0mm，孔隙率可以为85～95％，每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量可以为5～40。当PPI的值过小(PPI<5)，对气体扩散层的支撑作用不足；当PPI的值过大(PPI>40)，气体的渗透系数太小，反而不利于气体扩散。
根据本发明的实施例，沿泡沫金属流场板上气体的流动方向，第一泡沫金属的接触角逐渐增大。也即是说，沿泡沫金属流场板上气体的流动方向，第一泡沫金属层100的疏水性逐渐增强。由此，在毛细压力的驱动下，进入第一泡沫金属层100的生产水倾向于向与泡沫金属流场板上气流动的相反方向(即流道的入口方向)扩散，从而对电池反应气体起到加湿功能，使反应气体保持适宜的湿度，有效避免电池工作中因质子交换膜因干燥所导致的内阻急剧增加、电池性能下降的问题。
根据本发明的实施例，沿泡沫金属流场板上气体的流动方向，第一泡沫金属的孔隙率保持不变，而每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量逐渐减少，在毛细压力的驱动下有利于液态水从流道出口向入口方向扩散，起到加湿气体的作用。
根据本发明的实施例，沿泡沫金属流场板上气体的流动方向，第一泡沫金属每2.54厘米(每英寸)长度上孔隙的数量保持不变，而孔隙率逐渐增加，在毛细压力的驱动下有利于液态水从流道出口向入口方向扩散，起到加湿气体的作用。
根据本发明的实施例，第二泡沫金属层200的第一部分210和第二部分220的宽度可以相等，如图3所示，第一部分210的宽度d1与第二部分220的宽度d2相等。由此，可进一步有利于水输运通道的形成，使采用本发明泡沫金属流场板的燃料电池在大电流密度工况下的生成水更高效的排出，避免流道局部出现水淹现象，提高电池的性能。
根据本发明的实施例，第一泡沫金属、第二泡沫金属和第三泡沫金属的孔隙率可以相等，由此，可进一步有利于水输运通道的形成，使采用本发明泡沫金属流场板的燃料电池在大电流密度工况下的生成水更高效的排出，避免流道局部出现水淹现象，提高电池的性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种燃料电池。根据本发明的实施例，该燃料电池包括：上述实施例的泡沫金属流场板。本发明的燃料电池通过采用上述实施例的流场板，可使电池反应中的气体和生成水分别通过分隔开的通道进行输运，在大电流密度工况下可以有效促进排水，避免流道局部出现水淹现象，保持气体输运通道的通畅，进一步提高电池性能。
需要说明的是，前文针对流场板所描述的特征和优点同样适用于上述燃料电池，在此不再一一赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
利用本发明的泡沫金属流场板作为阴极流场板制备得到质子交换膜燃料电池，其结构如图5所示。图5中，1-上层疏水性弱的泡沫金属(第二泡沫金属层的第一部分)，2-上层疏水强的泡沫金属(第二泡沫金属层的第二部分)，3-下层亲水泡沫金属(第一泡沫金属层)，4-阴极极板，5-阴极气体扩散层，6-阴极催化层，7-质子交换膜，8-阳极催化层，9-阳极气体扩散层，10-阳极流道，11-阳极极板，12-阴极，13-阳极)。
在本实施例中，泡沫金属材料为铜(Cu)，孔隙率为90％，PPI为40，上层泡沫金属1和2厚度为0.8mm，下层泡沫金属3厚度为0.4mm，上层泡沫泡沫金属1和2宽度相等，均为1.0mm。
关于亲疏水性不同泡沫铜的制备方法可参考文献(International Journal ofRefrigeration79(2017):101-113)。制备亲水泡沫铜的方法为碱性辅助表面氧化方法，通过控制泡沫铜在氢氧化钠(NaOH)和过硫酸铵((NH4)2S2O8)混合溶液中的浸泡时间可获得不同接触角的亲水泡沫铜。制备疏水泡沫铜的方法为自组装单层涂覆方法，涂覆材料可选择硬脂酸和正十二烷基硫醇。
根据以上制备方法，上层疏水性弱的泡沫金属1接触角为100°，上层疏水强的泡沫金属2接触角为140°。下层变接触角的亲水泡沫金属3可通过浸泡时间的不同来制备。下层亲水泡沫金属3接触角为50°～75°，沿反应气体流动方向接触角逐渐变大，如图6所示，每隔5cm接触角增加5°，虚线所示位置接触角为90°。
在本实施例中，该泡沫金属流场板中水的具体输运过程为：阴极气体扩散层5中的水更容易进入上层疏水性弱的泡沫金属1，同时也有少量的水进入上层疏水强的泡沫金属2，疏水性强的泡沫金属2中的水会往左右两边疏水性弱的泡沫金属1和下层的亲水泡沫金属3中进行输运。如图6所示，由于下层亲水的泡沫金属3的接触角始终小于上层疏水泡沫金属1的接触角，在毛细压力的驱动下，上层疏水泡沫金属1中的水不断向下层的亲水泡沫金属3中进行扩散。同时下层的亲水泡沫金属3沿流动方向接触角变大，水可以向流道入口方向扩散。由此，一方面气体可以不断向上输运进入气体扩散层，水能够从气体扩散层向上层泡沫金属中输运，电池中形成单独的气体输运通道和水输运通道，从而可以避免因水积累在气体扩散层或扩散层与流道交界面处引起的传质阻力增加，有利于提高电池发电性能；另一方面通过下层亲水的泡沫金属对反应气体起到自加湿的功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种泡沫金属流场板，其特征在于，包括：
第一泡沫金属层，所述第一泡沫金属层由第一泡沫金属形成；
第二泡沫金属层，所述第二泡沫金属层形成在所述第一泡沫金属层的至少一部分表面上，所述第二泡沫金属层包括交替布置多个第一部分和多个第二部分，所述第一部分由第二泡沫金属形成，所述第二部分由第三泡沫金属形成；
其中，所述第三泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第一泡沫金属的疏水性依次减弱。
2.根据权利要求1所述的泡沫金属流场板，其特征在于，所述第一泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第三泡沫金属分别独立地为镍、钛、铜、铝和不锈钢中的至少之一。
3.根据权利要求1所述的泡沫金属流场板，其特征在于，所述第三泡沫金属的接触角为130°～150°，所述第二泡沫金属的接触角为95°～110°，所述第一泡沫金属的接触角为30°～85°。
4.根据权利要求1～3任一项所述的泡沫金属流场板，其特征在于，所述第一泡沫金属层的厚度为0.2～0.5mm，孔隙率为85～95％，每2.54厘米长度上孔隙的数量为5～40；所述第二泡沫金属层的厚度为0.8～1.0mm，孔隙率为85～95％，每2.54厘米长度上孔隙的数量为5～40。
5.根据权利要求4所述的泡沫金属流场板，其特征在于，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属的孔隙率保持不变，而每2.54厘米长度上孔隙的数量逐渐减少。
6.根据权利要求4所述的泡沫金属流场板，其特征在于，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属每2.54厘米长度上孔隙的数量保持不变，而孔隙率逐渐增加。
7.根据权利要求4所述的泡沫金属流场板，其特征在于，沿所述泡沫金属流场板上气体的流动方向，所述第一泡沫金属的接触角逐渐增大。
8.根据权利要求4所述的泡沫金属流场板，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分的宽度相等。
9.根据权利要求4所述的泡沫金属流场板，其特征在于，所述第一泡沫金属、所述第二泡沫金属和所述第三泡沫金属的孔隙率相等。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括：权利要求1～9任一项所述的泡沫金属流场板。
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