燃料电池流动沟道和流场制造技术

一种燃料电池阳极流场包括横截面积沿着其长度的至少一部分改变的至少一个流动沟道。在一些实施例中，沟道宽度根据自然指数函数沿着沟道长度的至少一部分减小。这种类型的阳极流场可以改善性能，减少燃料消耗和/或减小不良影响，诸如碳腐蚀和催化剂劣化，从而改善燃料电池的寿命和持久性。当对实质上纯净的或稀释的燃料流进行燃料电池操作时，这种类型的阳极流场可以提供更均匀的电流密度，这是进行高效燃料电池操作及改善燃料电池性能和寿命所需要的。描述了非传统反应物流动沟道的变型，以及将这种流动沟道合并到反应物流场板、燃料电池和燃料电池组的示例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池流动沟道和流场相关申请的交叉引用本申请涉及并要求保护2012年8月14日提交的美国临时专利申请No.61/683,156、2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,010、以及2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,236的优先权权益，其中每个临时申请通过全文引用合并于此。
本专利技术总体上涉及燃料电池，具体地，涉及燃料电池的流场(flowfield)设计和流场板。
技术介绍
在典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，膜电极组件(MEA)被布置在两个导电隔板(separatorplates)之间。氧化剂和燃料流场提供用于将氧化剂和燃料引导到MEA的各电催化剂层的装置，具体地，引导到燃料侧的阳极和MEA的氧化剂侧的阴极。典型的反应物流体(reactantfluid)流场具有至少一个沟道，其中反应物流体流经该沟道。通常通过将多个面向开口的沟道设置在隔板的一面或两面上，来将流体流场与隔板相集成。面向开口的沟道面对电极，其中反应物在该电极处进行化学反应。通常向电极提供比燃料电池中的电化学反应实际消耗的反应物更多的反应物。化学计量(stoichiometry)(或化学计量比)可以被定义为提供给燃料电池的反应物的摩尔流率除以在燃料电池中消耗的反应物的摩尔流率；反应物的化学计量是反应物利用率的倒数。在单个电池布置中，将隔板设置在每个阳极和阴极侧。将隔板用作集电器(currentcollectors)，提供电极的结构支撑。在燃料电池组中，两侧具有反应物流场的双极板通常夹有MEA。在传统燃料电池流场中，反应物流动沟道沿其长度具有恒定的横截面面积和形状。通常，所述沟道的横截面为方形或矩形。然而，流动沟道的横截面面积沿其长度变化的燃料电池是已知的。例如，申请人已授权的美国专利No.6,686,082和美国专利申请公开No.US2006/0234107(每个文献通过全文引用合并于此)描述了梯形的燃料电池流场板，其中流动沟道的横截面是矩形，并横截面积沿流动方向连续减小。具体地，描述了多个实施例，其中，流动沟道宽度沿流动方向线性地减小。这种锥形沟道使得反应速度沿沟道增加，并用于提供蛇形流动沟道的一些优点，而没有显著压降以及通常与蛇形流动沟道相关联的寄生负载的相关增加。相对于大略覆盖相同流场区域的传统流场，蛇形流场提供更高的反应速度和改善的沟道除水性能。还已知的是：有可能通过沿阴极流动沟道的长度改变它的横截面面积，来增强燃料电池性能。燃料电池通常在阴极处对稀释的氧化剂流(即，空气)进行操作。当空气沿着阴极流动沟道流动时，空气流中的氧含量倾向于大量减少，空气压力倾向于下降。这可导致燃料电池性能降低和电流密度在燃料电池中不均匀。申请人已授权的美国专利No.7,838,169(该申请通过引用合并于此)描述了沟道横截面具有更复杂变化的改善型阴极流场沟道，可以将该阴极流场沟道用来实现阴极处实质上恒定的氧气供应。描述了多种实施例，其中沟道的横截面面积沿沟道长度变化，使得对于给定沟道长度和空气化学计量，氧气供应保持为实质上恒定的。在一些实施例中，沟道宽度沿氧化剂流动方向根据指数函数减小。由于沿着该沟道保持实质上恒定的氧气供应，使用这种阴极流动沟道已被证明提供改善的电流密度均匀性，并增强燃料电池性能。在对PEM燃料电池的长时间操作期间，存在可以导致不可逆的性能损失和/或电化学表面积(surfacearea)的损失的许多因素。这种损失主要由于催化剂层劣化，包括铂金属溶解和对碳载体的腐蚀。碳腐蚀是由电池逆转而引起的，而电池逆转可以是由阳极区域中的不均匀反应物分布和/或燃料不足而引起的。铂溶解可以是由于在阴极或阳极处的高电势而引起的，当存在异构电流分布时可以在阴极或阳极处发生高电势。单独地或相结合地，这些劣化速率可以是较大的，并且需要缓解以便进行长期稳定操作。用均匀电流密度操作燃料电池可以减少碳腐蚀和铂溶解，这两者对于燃料电池性能、寿命和耐久性都是不利的。可以推测：实现更均匀的电流密度会降低燃料电池劣化速率，从而改善燃料电池寿命。此外，增加沟道下游的速度可以减小在燃料电池启停顺序期间在阳极处氢气/空气前列在空气净化循环期间的停留时间，从而导致减小碳腐蚀速率和改善耐久性。最初研发了在″169专利中描述的流场沟道，并将其用于燃料电池阴极，并不期望该流场沟道在阳极处提供特定优点，至少部分是因为对实质上纯净的氢气进行的燃料电池操作不会导致大量传送损耗，这是由于氢分子具有较高的浓度和较高的扩散率。然而，申请人现在确定可以对这种流场沟道进行修改以便用于阳极处，使得当燃料电池对稀释的燃料进行操作时增强燃料电池性能，当燃料电池对实质上纯净的燃料进行操作时提供更多性能优点。通常，将实质上纯净的燃料流(诸如氢气)用于燃料电池阳极，沿阳极流动沟道的反应物耗尽和反应物供应的问题与阴极上的空气是不一样的。通常，对于对实质上纯净的燃料的操作，阳极流场是“死端(dead-ended)”，燃料电池或燃料电池组装配有用于除去杂质、污染物和/或水的排除阀或放气阀，由于在燃料电池的操作期间消耗燃料，杂质、污染物和/或水往往积聚在阳极流动沟道的下游部分。这种“惰性”的积累可导致电流密度不均匀，从而降低燃料电池性能。此外，在阳极流动沟道积累水可能导致其他问题，包括阻断燃料访问阳极催化剂，从而导致与碳腐蚀和贵金属催化剂溶解二者相关的燃料不足条件。申请人已确定可以修改与在“169专利中所述的流场沟道相似的流场沟道，以便用于阳极处来减少在阳极处的一部分不利影响，增强甚至在实质上纯净的燃料上的燃料电池性能。这种沟道可以用于增加燃料在沿沟道通过期间的燃料速度。据信这样可以提高燃料利用率，由于提高在阳极上的流速可以提供更高的燃料供应量，引起在较低流速下电流密度的均化。这可以减少针对给定功率输出的燃料消耗。此外，如果燃料电池对稀释的燃料流(如含有氢的重整流，或甲醇水溶液)进行操作，则由于该燃料流沿流动沟道流动，因此所述流中的氢含量趋于被耗尽，燃料流压力趋于下降。二者可导致燃料电池性能降低。本文所述的阳极流场沟道可以用来补偿燃料的消耗，从而实现了对稀释燃料的实质上恒定的燃料供应，从而提供了更均匀的电流密度。除了针对在阳极处使用的修改之外，“169专利和本文还描述了对流场沟道和流场的其它改善和变型。具体地，描述了多种实施例，其中可以将这种流动沟道合并或改型到传统矩形燃料电池在阳极和/或阴极处的几何形状(而不是梯形燃料电池)中，燃料电池活性区域的利用率高并且有效地利用MEA和板材料。还描述了多种实施例，其中沟道的特性随着沿沟道的距离而变化，根据与“169专利和本文所述的相同或相似原理，但是仅沿着沟道长度的一部分。还描述了其它实施例，其中沟道的特性根据相同或相似原理随着沿沟道的距离而变化，但是这种变化是以阶梯的或不连续的方式。可以将这种实施例可以用来实现上述性能优势的至少一部分，还可以提供改善流场的选项，改善流场更易于制造或合并到矩形燃料电池板几何形状中。
技术实现思路
通过燃料电池阳极流场板，实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包括：(a)燃料入口；(b)燃料出口；(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板(fl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池阳极流场板，包括：(a)燃料入口；(b)燃料出口；(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在所述底板与所述主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将所述燃料入口和所述燃料出口流动性互连的长度，所述侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，所述底板和所述主表面相隔的距离定义了沟道深度，其中所述至少一个沟道的横截面面积沿沟道长度的至少一部分呈指数减小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.14 US 61/683,156;2012.10.10 US 61/712,236;1.一种燃料电池反应物流场板，包括：(a)反应物入口；(b)反应物出口；(c)至少一个沟道，形成在所述反应物流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在所述底板与所述主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将所述反应物入口和所述反应物出口流动性互连的长度，所述侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，所述底板和所述主表面相隔的距离定义了沟道深度，其中所述至少一个沟道的横截面面积沿所述沟道长度的第一部分是实质上恒定的，沿所述沟道长度的第二部分呈指数减小，其中沿着所述沟道长度的所述第二部分，所述沟道深度是实质上恒定的，并且所述沟道宽度呈指数减小。2.根据权利要求1所述的反应物流场板，其中所述横截面面积呈指数减小的沟道部分接近所述反应物入口，所述横截面面积实质上恒定的沟道部分接近所述反应物出口。3.根据权利要求1所述的反应物流场板，其中所述横截面面积实质上恒定的沟道部分接近所述反应物入口，所述横截面面积呈指数减小的沟道部分接近所述反应物出口。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·厄尔·勒格，雷戈·约翰·蒙太，
申请(专利权)人：动力盘开发有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA