專利名稱：用于燃料電池組件的被動兩相冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于燃料電池堆中燃料電池部件和組件的被動兩相冷卻裝置和方法。
背景技術(shù)：
一般的燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池在其中產(chǎn)生電能的能量部分。燃料電池是將氫和氧轉(zhuǎn)換成水，同時(shí)在該過程中產(chǎn)生電和熱的能量轉(zhuǎn)換裝置。每個(gè)燃料電池單元可以包括處于中心的質(zhì)子交換部件，其中氣體擴(kuò)散層在該質(zhì)子交換部件的每一側(cè)。陽極催化層和陰極催化層分別設(shè)置在該氣體擴(kuò)散層的內(nèi)側(cè)。這種類型的燃料電池通常稱之為PEM燃料電池。
在單個(gè)燃料電池中的反應(yīng)通常產(chǎn)生小于一伏的電壓?？梢辕B加并且以串聯(lián)方式電連接多個(gè)燃料電池以得到所希望的電壓。電流從該燃料電池堆匯集并用于驅(qū)動負(fù)載。燃料電池可以用來為從汽車到膝上電腦的各種應(yīng)用供給電能。
在許多應(yīng)用中燃料電池系統(tǒng)的效能在很大程度上決定于為該燃料電池提供熱管理的冷卻設(shè)備。例如，在固定電能與牽引PEM燃料電池應(yīng)用中，由于需要減小該堆的尺寸而使其提高體積功率密度。較高的熱密度通常通過冷板或雙極板內(nèi)的通道抽出介質(zhì)熱傳輸液體而取走，該冷板或雙極板位于相鄰的薄膜電極組件(MEAs)之間。當(dāng)冷卻劑通過該堆時(shí)，它吸收反應(yīng)熱并且溫度升高。該冷卻劑然后被抽出到某些初級熱交換器，在那里熱量被擴(kuò)散到另一重流體流，即空氣、水等。由于該流體沒有改變相位，故這種技術(shù)稱之為“單相”冷卻。
這種單相技術(shù)具有若干明顯的缺點(diǎn)，例如包括，需要泵、管道、大量的熱傳輸液體，以及在啟動期間有效控制以調(diào)節(jié)電池堆的溫度，或適應(yīng)熱輸出和環(huán)境條件的變化，從而導(dǎo)致增加重量和成本。泵所消耗的電能必需由該電池堆提供并且被其熱系統(tǒng)耗散，因而減少可利用的能量并增加初級熱交換器的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總的涉及用于燃料電池堆中的燃料電池部件和組件的被動兩相冷卻裝置和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及如下的被動兩相冷卻設(shè)備，其包括表面涂層和/或特征，該表面涂層和/或特征有效地增大流場板冷卻劑通道的臨界熱通量和/或改善整個(gè)通道長度上的溫度均勻性，同時(shí)使通道的深度最小，以便減小冷卻板的厚度并減少冷卻劑的需求和重量?！芭R界熱通量”是指超過該熱通量后由于液體不再潤濕該表面而沸騰不能持續(xù)的熱通量?！霸龃笈R界熱通量”是指增加熱通量的值，超過該值由于液體不再潤濕該表面而沸騰不能持續(xù)。本發(fā)明還涉及為燃料電池組件、燃料電池堆和包括燃料電池的能源系統(tǒng)提供熱管理的被動兩相冷卻設(shè)備。
根據(jù)各種實(shí)施例，本發(fā)明的燃料電池堆組件包括至少一個(gè)薄膜電極組件(MEA)和冷卻設(shè)備。該冷卻設(shè)備包括熱傳輸流體和至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成當(dāng)該MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)促進(jìn)用于該MEA的基本上被動的兩相冷卻設(shè)備。
該流場板包括許多流體流動通道，該流動通道具有通道深度、通道間隔、通道長度和通道寬度，該通道寬度小于約5mm。該通道寬度、通道間隔、通道長度和通道深度根據(jù)本發(fā)明的原理確定尺寸，以在臨界熱通量以下促進(jìn)熱傳輸流體的成核沸騰并防止當(dāng)熱傳輸流體沿著該通道的長度通過時(shí)變干。在一種實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著熱傳輸流體流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
優(yōu)選，該通道寬度、通道間隔、通道長度和通道深度的尺寸形成為在該通道的入口處促進(jìn)該熱傳輸流體的開始，并防止當(dāng)該熱傳輸流體通過該通道的出口區(qū)域時(shí)該熱通量超過臨界熱通量。在一種結(jié)構(gòu)中，通道的長度大于10cm。在另一種結(jié)構(gòu)中，通道沿著熱傳輸流體流動的方向具有約60mm到約230mm的通道長度。在又一種結(jié)構(gòu)中，該通道的間隔為約1mm到約2mm，并且通道寬度為約1mm到約3mm。在再一種結(jié)構(gòu)中，該通道深度可以小于約1mm。通道長度對通道深度的比可以在約150和約1100之間的范圍內(nèi)。
在典型的實(shí)現(xiàn)中，MEA包括構(gòu)造成與流場板的表面接觸的表面，同時(shí)冷卻設(shè)備的熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比MEA表面的最大溫度低的值小于約3℃。該熱傳輸液體可以包括含氟化合物、介電的鹵化碳、水或碳?xì)浠衔铩?br> 在一些結(jié)構(gòu)中，流場板的流體流動通道具有包括納米結(jié)構(gòu)特征的多個(gè)內(nèi)通道表面。在另一種結(jié)構(gòu)中，流體流動通道具有包括微米結(jié)構(gòu)的多個(gè)通道內(nèi)表面。在一些結(jié)構(gòu)中，流場板的流體流動通道具有包括涂層的多個(gè)內(nèi)通道表面，該涂層包括包含不定域的π電子的基本上平面的有機(jī)分子。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的燃料電池堆組件包括至少一個(gè)MEA和包括至少一個(gè)流場板的冷卻設(shè)備，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該MEA的基本上被動的兩相冷卻設(shè)備。在這個(gè)實(shí)施例中，該流場板包括流體流動通道，該流體流動通道具有相對于冷卻劑流動方向限定的通道長度和小于約1mm的通道深度。當(dāng)該MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的燃料電池堆組件包括至少一個(gè)MEA和包括至少一個(gè)流場板的冷卻設(shè)備，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該MEA的基本上被動的兩相冷卻設(shè)備。在這個(gè)實(shí)施例中，該流場板包括流體流動通道，該流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面。每個(gè)內(nèi)通道表面包括納米結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
該納米結(jié)構(gòu)特征可以包括一致取向的納米結(jié)構(gòu)。該納米結(jié)構(gòu)特征包括具有預(yù)定的幾何形狀的納米結(jié)構(gòu)，例如桿狀、圓錐狀、圓柱狀、棱錐狀、管狀、薄片狀或其他形狀。該內(nèi)通道表面可以包括超過約一百萬納米結(jié)構(gòu)/cm2，例如超過約十億納米結(jié)構(gòu)/cm2。該納米結(jié)構(gòu)特征可以具有從約0.1微米到約3微米范圍內(nèi)的長度，但是可以是約6微米長。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燃料電池堆組件包括至少一個(gè)MEA和包括至少一個(gè)流體流場板的冷卻設(shè)備，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該MEA的基本上被動的兩相冷卻。在這個(gè)實(shí)施例中，該流場板包括具有多個(gè)內(nèi)通道表面的流體流動通道。每個(gè)內(nèi)通道表面包括微孔特征。當(dāng)MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。“微孔特征”是指由微粒的組件包圍的微孔。該微粒優(yōu)選包括微米級大小的顆粒，諸如金屬、二氧化硅、陶瓷或金剛石等。形成微孔的顆粒可以是有機(jī)的(例如，膠乳球)或其他類型的雜聚物或雜環(huán)材料。
根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的燃料電池堆組件包括至少一個(gè)MEA和包括至少一個(gè)流體流場板的冷卻設(shè)備，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該MEA的基本上被動的兩相冷卻。在該實(shí)施例中，該流體場板包括具有多個(gè)內(nèi)通道表面的流體通道。每個(gè)內(nèi)通道表面包括涂層，該涂層包括基本平面的有機(jī)分子，該平面有機(jī)分子包括不定域π電子。當(dāng)該MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。該有機(jī)分子可以包括鏈或環(huán)，在該鏈或環(huán)上π電子的密度廣泛地不定域。例如，涂層可以包括范德華固體(solids)。
本發(fā)明的上述內(nèi)容不是意圖描述本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例或每個(gè)實(shí)現(xiàn)。通過參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述和權(quán)利要求，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和完成將變得很清楚，并且將更加全面地理解本發(fā)明。


圖1a是燃料電池和其構(gòu)成層的例圖；圖1b示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有單極結(jié)構(gòu)的通用電池組件；圖1c示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有單極/雙極結(jié)構(gòu)的通用電池組件；圖2a是用于冷卻采用燃料電池的電源系統(tǒng)的被動兩相冷卻設(shè)備的方框圖；圖2b示出設(shè)置在適合于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的雙極流場板上的冷卻通道設(shè)置；圖2c是圖2b所示流場板的若干個(gè)冷卻劑通道的局部透視圖；圖3是圖2b和圖2c所示類型的兩個(gè)流場板的截面圖，其中相應(yīng)的冷卻劑通道的設(shè)置處于接觸關(guān)系；圖4是冷卻劑溫度對冷卻劑通道長度的曲線圖，其示出使用太大或太小的通道深度的影響；圖5是根據(jù)本發(fā)明的被動兩相冷卻方法的非常適合于涂覆流場板的冷卻劑通道的微孔材料(例如“微孔涂層”)的電子顯微圖；圖6是微觀結(jié)構(gòu)的催化劑傳輸基底(MCTS)的放大截面圖，該基底在該表面(例如“納米結(jié)構(gòu)”涂層)上具有有機(jī)顏料PR-149(商品名為“13-4000 PV FAST RED”，從Clariant，Coventry，RI可買到)晶須，其可以用作根據(jù)本發(fā)明的被動兩相冷卻方法的流場板的冷卻劑通道的涂層；圖7是MCTS的放大的截面圖，該MCTS在該表面上具有該鉑涂覆的PR-149晶須，其可以用作根據(jù)本發(fā)明的被動兩相冷卻方法的流場板的冷卻劑通道的涂層；圖8a示出下述情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道，(2)冷卻劑通道，其包括沒有晶須或鉑的PR-149涂覆的微通道，(3)冷卻劑通道，其包括具有晶須的PR-149涂覆微通道，該圖示出了“納米結(jié)構(gòu)效果”，其通過利用在冷卻劑通道中的納米結(jié)構(gòu)涂層提供更高的臨界熱通量；圖8b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖8a的數(shù)據(jù)；圖9a示出下述情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道，(2)冷卻劑通道，其包括沒有晶須或鉑的PR-149涂覆的微通道，(3)具有微通道的冷卻劑通道，其使用裸露的MCTS UV固化的丙烯酸鹽基底，該圖示出了“范德華固體效果”，其通過利用在冷卻劑通道中范德華固化的涂層提供更高的臨界熱通量；圖9b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖9a的數(shù)據(jù)；圖10a示出下述情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道，(2)冷卻劑通道，其包括具有晶須的PR-149涂覆微通道，(3)冷卻劑通道，其包括具有鉑涂覆的晶須的微通道，該圖增強(qiáng)了對納米結(jié)構(gòu)的冷卻劑通道表面的臨界熱通量的“范德華固體效果”；圖10b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖10a的數(shù)據(jù)；圖11a示出溫度對熱通量的曲線圖，用于各種不同深度的未涂覆的冷卻劑通道和各種不同的深度的微孔涂覆的冷卻劑通道，該圖示出微孔涂覆的冷卻劑通道相對于各種通道深度的裸露的通道提供較高的臨界熱通量；圖11b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖11a的數(shù)據(jù)；圖12a示出溫度對熱通量的曲線圖，用于各種不同深度和長度的未涂覆的冷卻劑通道，該圖示出了通道深度和長度對臨界熱通量的影響；
圖12b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖12a的數(shù)據(jù)。
雖然本發(fā)明可修改為各種修改和可選形式，但是其具體情況已經(jīng)通過附圖中的示例示出并將進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所描述的具體實(shí)施例。相反，本發(fā)明覆蓋由權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有的修改、等同物和各種替代。
具體實(shí)施例方式
在所示實(shí)施例的下列描述中，參考各附圖，該附圖構(gòu)成本發(fā)明的一部分，并且在附圖中以說明的方式示出能夠?qū)嵺`本發(fā)明的各種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，可以利用各實(shí)施例并且在不脫離本發(fā)明范圍的情況下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。
本發(fā)明涉及被動兩相冷卻設(shè)備，其通過沸騰從燃料電池組件的較大的表面消耗較少的熱通量。下面描述的具體的示例性實(shí)施例用于說明目的，而不是限制目的。
本發(fā)明的被動兩相冷卻方法可以包含在各種不同類型、結(jié)構(gòu)和技術(shù)的燃料電池組件和燃料電池堆中。典型的燃料電池示于圖1a中。燃料電池是結(jié)合氫燃料和空氣中的氧以產(chǎn)生電、熱和水的電化學(xué)裝置。燃料電池不需要燃燒，因此燃料電池如果產(chǎn)生任何排出物的話，其量也極少。燃料電池將氫燃料和氧直接轉(zhuǎn)換成電，并且，例如能夠以比內(nèi)燃發(fā)電機(jī)高得多的效率運(yùn)行。
圖1a所示的燃料電池包括鄰近陽極14的第一流體傳輸層(FTL)12。鄰近陽極14的是電解質(zhì)膜16。陰極18鄰近該電解質(zhì)膜16，而第二流體傳輸層19鄰近該陰極18。在運(yùn)行中，氫燃料通過第一流體傳輸層12并越過該陽極14引入該燃料電池10的陽極部分。在陽極14，氫燃料被分離成氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質(zhì)膜16只允許氫離子或質(zhì)子通過該電解質(zhì)膜16到燃料電池10的陰極部分。電子不能通過該電解質(zhì)薄膜16，而是以電流的形式流過外部電路。這種電流能夠驅(qū)動諸如電機(jī)的電載荷17，或者被引向諸如可再充電電池的能量儲存裝置。
氧氣經(jīng)由第二流體傳輸層19流進(jìn)燃料電池10的陰極側(cè)。當(dāng)氧氣流過陰極18時(shí)，氧、質(zhì)子和電子結(jié)合以產(chǎn)生水和熱。
諸如圖1a所示的單個(gè)燃料電池可以封裝成如下所述的通用的燃料電池組件。在這里稱作通用的電池組件(UCAs)的該通用的燃料電池組件能夠與許多其他的UCAs組合以形成燃料電池堆。該UCAs可以以串連方式與確定該堆的總電壓的該堆內(nèi)的許多UCAs電連接，并且每個(gè)電池的反應(yīng)表面面積確定總電流，由給定的燃料電池堆產(chǎn)生的總電能可通過總電流乘以總的堆電壓確定。
可以采用各種不同的電池技術(shù)構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明原理的UCAs。例如，可以用本發(fā)明的UCA封裝方法構(gòu)造質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池組件。PEM燃料電池以較低的溫度(約175/80℃)運(yùn)行，具有高能量密度，能夠快速地改變其輸出以滿足電能需求的變化，并且很好地適合于需要快速起動的應(yīng)用，諸如例如汽車中的快速起動。
可選地，本發(fā)明可以用于無UCA的燃料電池堆，例如包括與MEA的燃料電池堆交替疊放的雙極板(BPP′s)的燃料電池堆。
用于PEM燃料電池的質(zhì)子交換膜通常是薄固態(tài)聚合物電解質(zhì)片，其允許氫離子通過。該薄膜通常在兩側(cè)利用為活性催化劑的高擴(kuò)散金屬或金屬合金顆粒(例如，鉑或鉑/釕)涂覆。所用的電解質(zhì)通常是固態(tài)全氟磺酸聚合物。固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用是有利的，因?yàn)樗鼫p少腐蝕和電解質(zhì)保持問題。
氫輸送給燃料電池的陽極側(cè)，在陽極側(cè)催化劑促進(jìn)氫原子釋放電子并且變?yōu)闅潆x子(質(zhì)子)。電子在返回到輸入氧氣的燃料電池的陰極側(cè)之前以能夠被利用的電流形式流動。同時(shí)，氫核通過該薄膜擴(kuò)散到陰極，在陰極氫離子重新組合并且與氧反應(yīng)以生成水。
薄膜電極組件(MEA)是諸如氫燃料電池的PEA燃料電池的中心元件。如上所述，典型的MEAs包括作為固體電解質(zhì)的聚合物電解質(zhì)薄膜(PEM)(也稱作離子導(dǎo)電薄膜(ICM))。
該P(yáng)EM的一面與陽極電極層接觸，相反的一面與陰極電極接觸。每個(gè)電極層包括電化學(xué)催化劑，該電化學(xué)催化劑通常包括鉑金屬。流體傳輸層(FTL)促進(jìn)氣體輸送到陽極和陰極電極材料或從其輸送，并且傳導(dǎo)電流。
在典型的PEM燃料電池中，質(zhì)子經(jīng)由氫的氧化作用在陽極形成并輸送給陰極以與氧發(fā)生反應(yīng)，從而允許電流在連接電極的外部電路中流動。該FTL也可以稱作氣體擴(kuò)散層(GDL)或擴(kuò)散器/集電器(DCC)。該陽極電極層和陰極電極層在制造期間可以應(yīng)用于PEM或FTL，只要它們在完成的MEA中設(shè)置PEM或FTL之間。
任何合適的PEM可以用于實(shí)踐本發(fā)明。有用的PEM厚度在約200微米到約15微米之間的范圍內(nèi)。該P(yáng)EM通常包括其為酸性功能的含氟聚合物的聚合物電解質(zhì)，例如Nafion(特拉華州，Wilmingtong市的杜邦化學(xué)公司)、Flemion(日本東京的Asahi Glass Co.Ltd.)，和根據(jù)化學(xué)式Y(jié)OSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]具有高氟化的骨架和重復(fù)的側(cè)基的聚合物，其中Y是H+或其他單價(jià)陽離子，諸如堿金屬陽離子。后面的聚合物公開在WO2004062019中。在本發(fā)明中所用的聚合物電解質(zhì)通常優(yōu)選為四氟乙烯的共聚物和一個(gè)或多個(gè)氟化的、酸性功能的共聚單體。
通常，聚合物電解質(zhì)含有磺化官能團(tuán)。該聚合物電解質(zhì)的酸當(dāng)量通常為1200或更小，更典型為1100，最典型為1000?？墒褂玫椭?00或甚至700的當(dāng)量。
任何合適的FTL可以用于實(shí)踐本發(fā)明。通常，該FTL由包括碳纖維的片材構(gòu)成。該FTL通常是選自紡織和無紡碳纖維結(jié)構(gòu)的碳纖維結(jié)構(gòu)?？梢杂糜趯?shí)踐本發(fā)明的碳纖維結(jié)構(gòu)可包括Toray碳紙、SPectraCarb碳紙、AFN無紡碳布、Zoltek碳布等。該FTL可以用各種材料涂覆或浸漬，包括碳顆粒涂覆、諸如用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆的親水化處理和疏水化處理。
任何合適的催化劑可以用于實(shí)踐本發(fā)明，包括鉑墨或鉑粉、含碳支撐催化劑顆粒的油墨(ink)(如在US20040107869中公開)，或納米結(jié)構(gòu)的薄膜催化劑(如在US6482763和US5879827中公開)。該催化劑可以通過任何合適的方式施加于PEM或FTL，包括手工法和機(jī)器法，包括手刷、切口棒涂覆、液壓支撐模具(fluid bearing die)涂覆、線繞桿涂覆、液壓支撐涂覆、狹縫進(jìn)料刀涂覆、三輥涂覆、真空涂覆、絲網(wǎng)印刷或貼花法轉(zhuǎn)移。涂覆可以在一步或多步操作中實(shí)現(xiàn)。
直接甲醇燃料電池(DMFC)類似于PEM電池，其中兩者都是利用聚合物薄膜作為電解質(zhì)。然而，在DMFC中，陽極催化劑本身從液體甲醇燃料中提取氫，不需要燃料重整器。DMFCs通常在120-190/49-88℃之間的溫度下運(yùn)行。直接甲醇燃料電池可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行UCA封裝。
現(xiàn)在參考圖1b，圖1b示出根據(jù)PEM燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)的UCA的實(shí)施例。如圖1b所示，UCA20的薄膜電極組件(MEA)25包括五個(gè)部件層。PEA層22夾在，諸如例如擴(kuò)散集電器(DDCs)或氣體擴(kuò)散層(GDLs)的一對流體傳輸層24和26之間。陽極催化劑30位于第一FTL24和薄膜22之間，而陰極催化劑32位于該薄膜22和第二FTL26之間。
在一種結(jié)構(gòu)中，PEM層22制造成在一個(gè)表面上包括陽極催化劑涂層30，而在另一個(gè)表面上包括陰極催化劑涂層32。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常稱之為催化劑涂覆薄膜或CCM。根據(jù)另一種結(jié)構(gòu)，該第一FTL24和第二FTL26制造成分別包括陽極催化劑涂層30和陰極催化劑涂層32。在又一種結(jié)構(gòu)中，陽極催化劑涂層30可以部分地設(shè)置在第一FTL24上，并且部分地設(shè)置在PEM22的一個(gè)表面上，而陰極催化劑涂層32可以部分地設(shè)置在第二FTL26上，并且部分地設(shè)置在該P(yáng)EM22的另一個(gè)表面上。
該FTL24、26通常由碳纖維紙或無紡材料或紡織布制成。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，該FTL24、26在其一側(cè)可以具有碳顆粒涂層。如上所述該FTL24、26可以制造成包括或不包括催化劑涂層。
在圖1b所示的具體實(shí)施例中，所示的MEA25夾在第一邊緣密封系統(tǒng)34和第二邊緣密封系統(tǒng)36之間。該邊緣密封系統(tǒng)34、36在UCA封裝內(nèi)提供必要的密封，以使各種流體(氣體/液體)輸送和的反應(yīng)區(qū)不相互污染，以及防止不適當(dāng)?shù)赝顺鯱CA20，其還可在流場板40和42之間提供電絕緣和猛烈停止壓縮控制(hard stop compression control)。
流場板40、42分別設(shè)置成鄰接該第一邊緣密封系統(tǒng)34和第二邊緣密封系統(tǒng)36。每個(gè)流場板40、42包括氫和氧供給燃料通過的氣體場流動通道43和端口。該流場板40、42還包括構(gòu)造成促進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的被動兩相冷卻的冷卻劑通道和端口。該冷卻劑通道包含在與包含氣體流動通道43的表面相對的該流場板40、42的表面上。
在圖1b所示的結(jié)構(gòu)中，該流場板40、42構(gòu)造為單極流場板，其中單個(gè)的MEA25夾在其之間。在這個(gè)和另一個(gè)實(shí)施例中，該流場可以是公開在共有的美國專利No.US6,780,536的低橫向通量流場。
圖1c示出通過采用一個(gè)或多個(gè)雙極流場板56包括多個(gè)MEA25的UCA50。在圖1c所示的結(jié)構(gòu)中，UCA50包括兩個(gè)MEA25a和25b，以及單個(gè)雙極流場板56，該流場板56包括整體冷卻通道59。MEA25a包括夾在FTL66a和64a之間的陰極62a/薄膜61a/陽極60a的層壓結(jié)構(gòu)。該FTL66a鄰近流場端板52，該流場端板52可以構(gòu)造成單極流場板或雙極流場板，并具有如雙極板56所示的整體冷卻通道59。FTL 64a鄰近雙極流場板56的第一流場表面56a。同樣，MEA25b包括夾在FTL66b和64b之間的陰極62b/薄膜61b/陽極60的層壓結(jié)構(gòu)。FTL64b鄰近流場端板54，其可以構(gòu)造成單極流場板或雙極流場板，并具有如雙極板56所示的整體冷卻通道59。FTL66b鄰近雙極流場板56的第二流場表面56b。
圖1b和圖1c所示的UCA結(jié)構(gòu)代表兩種具體設(shè)置，該具體設(shè)置能夠在根據(jù)本發(fā)明的被動兩相冷卻的上下文中實(shí)現(xiàn)。這兩種設(shè)置僅供用于說明的目的，并不是想要代表屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有可能的結(jié)構(gòu)。相反，圖1b和圖1c旨在示出能夠選擇性地包含在具體燃料電池組件設(shè)計(jì)中的各種部件。
根據(jù)本發(fā)明，燃料電池組件、堆和電源系統(tǒng)的單相冷卻的另一種方法包含被動兩相或溫差環(huán)流冷卻。在包含燃料電池122的電源系統(tǒng)的上下文中，并且如圖2a大體所示，冷卻劑通過該燃料電池122(例如燃料電池堆，但是可以是單個(gè)的燃料電池)并且能夠沸騰，因此通過潛在過程消除反應(yīng)熱。從燃料電池堆122釋放的蒸氣被動地通過導(dǎo)管126流到冷凝器124。冷凝物在重力作用下經(jīng)由導(dǎo)管128從該冷凝器124流回燃料電池堆122，如圖2a所示。在圖2a所示的大體冷卻方法和其他相關(guān)冷卻方法的變化公開在美國專利Nos 6,355,368；6,146,779；5,411,077；5,064,732；4,824,740中。涉及燃料電池組件、堆和電源系統(tǒng)的兩相冷卻的這些冷卻裝置和其他冷卻裝置通過結(jié)合本發(fā)明的各種特征可以得到有利地改進(jìn)或提高。
執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的被動兩相冷卻方法與常規(guī)的冷卻方法相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，不需要主動控制和泵來維持等溫運(yùn)行。系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成在相當(dāng)嚴(yán)密的范圍內(nèi)維持燃料電池堆溫度均勻，諸如例如在2℃以內(nèi)?？梢悦黠@地減少包含在流場板內(nèi)的冷卻劑通道的厚度/深度。例如，很容易實(shí)現(xiàn)薄至4-8mil的冷卻劑通道，相對于常規(guī)的流場板結(jié)構(gòu)其能夠減小流場板(例如雙極流場板)的厚度。流場板厚度的減小伴隨著燃料電池堆厚度的減小。這種系統(tǒng)在大氣壓下或接近大氣壓下運(yùn)行并且減少滲漏的傾向。
本發(fā)明的兩相冷卻系統(tǒng)提供在略低于MEA溫度的溫度下運(yùn)行的等溫散熱片或熱源。例如，在一種實(shí)現(xiàn)中，合適的熱傳輸流體在工作壓力下可以具有低于MEA表面的最大溫度的值小于約3℃的沸點(diǎn)。這種散熱片對于控制輸入氣流的溫度和濕度具有很大的潛力。
可以用各種熱傳輸流體，包括水、碳?xì)浠衔铩⒎锘蚪殡姷柠u化碳。在一種結(jié)構(gòu)中，可以使用氫氟醚流體，例如3M NOVEC氫氟醚流體。這些流體具有極好的環(huán)保性、健康性、安全性和規(guī)則性，并且如果它們泄漏到該堆中，不損害薄膜/催化劑組件。這種流體是無腐蝕性，因此能夠利用諸如鋁和銅的普通材料以用于管道和熱交換。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，并且參考圖2b和2c，本發(fā)明的燃料電池堆組件包括至少一個(gè)薄膜電極組件和具有至少一個(gè)流場板的冷卻設(shè)備，該流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該MEA的基本被動兩相冷卻。通過非限制性示例，圖2b所示的流場板100的作用區(qū)包括多個(gè)流體流動通道102，每個(gè)流動通道具有相對于冷卻劑流動形成的通道長度L、通道深度d。該冷卻劑通道102具有寬度W，和通道間隔S。該流場板100還分別包括蒸氣口104和冷凝口106。通常該蒸氣口104大于冷凝口106，并且更通常地，蒸氣口104的橫截面面積至少比冷凝口106大10倍。當(dāng)MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向優(yōu)選保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。在另一種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，執(zhí)行該冷卻設(shè)備以沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
根據(jù)一種結(jié)構(gòu)，冷卻劑通道102的深度d優(yōu)選小于約1mm。例如，冷卻劑通道102可以具有小于約0.7mm的深度。通過另一示例，該冷卻劑通道102可以具有小于約0.5mm的深度。在另一種結(jié)構(gòu)中，該冷卻劑通道102可以具有小于約0.3mm的深度。在又一種結(jié)構(gòu)中，該冷卻劑通道102可以具有約0.1mm的深度。
在一些實(shí)現(xiàn)中，該冷卻劑通道102可以具有大于約10cm的通道長度L。在另一些實(shí)現(xiàn)中，該冷卻劑通道102的通道長度L可以在約60mm到約230mm的范圍內(nèi)。在一種具體結(jié)構(gòu)中，例如，該冷卻劑通道102可以具有約1mm到約2mm的通道間隔S，約1mm到約3mm的通道寬度W，以及在約60mm到約230mm的范圍內(nèi)的通道長度L。通道長度L對通道深度d的比通常在約150和約1100之間的范圍內(nèi)。
圖3是組件170的截面圖，其包括圖2b和圖2c所示類型的相互接觸的兩個(gè)流場板172、174。這種流場板的設(shè)置173在雙極流場板結(jié)構(gòu)的兩個(gè)流場板172、174之間有利地提供內(nèi)部冷卻。所示的第一MEA176接觸包括氣體流動通道180的流場板172的表面。所示的第二MEA178接觸包括氣體流動通道182的流場板174的表面。當(dāng)流場板172和174的冷卻表面對齊地相互接觸時(shí)形成封閉的冷卻通道184。
通過在冷卻劑通道中包含有利地增大臨界熱通量的表面涂層和/或特征，可以進(jìn)一步增強(qiáng)上述類型的流場板的熱傳輸特性?？梢圆捎酶鞣N表面涂層和特征以有效地增大臨界熱通量。能夠包含在流場板的冷卻劑通道中的這種表面涂層和特征的例子包括納米結(jié)構(gòu)特征、微孔特征以及包括基本上平面的有機(jī)分子的涂層，該有機(jī)分子包括例如存在于范德華固體顆粒中的不定域的π電子。
一種確保即便在低熱通量的情況下可靠地開始的技術(shù)是利用在加熱的表面上(例如，在冷卻劑通道中)的多孔涂層。這種涂層通過生成成核位置以促進(jìn)開始。在來自分散熱源的飽和沸騰中，涂覆的冷卻劑通道表面可以具有約0.2-0.5W/cm2的開始熱通量，比不涂覆的表面低80％，其中減少90％的開始過熱，并且增加300％以上的泡核沸騰熱傳輸系數(shù)。
對于規(guī)定的作用區(qū)寬度W、長度L和熱通量Q″，存在確定的通道寬度W、通道間隔S和通道深度d的值，這些值使得能夠適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行，如圖4所示。例如，如果S或W太小(150)，一些或全部通道102可能達(dá)到臨界熱通量并且在燃料電池達(dá)到全功率之前變干。這可能導(dǎo)致燃料電池內(nèi)的溫度梯度或快速溫度漂移和燒光。如果通道102太大(152)，可能開始不能發(fā)生，并且單向自然對流(convection)將導(dǎo)致溫度沿著通道102向上逐漸升高。如果開始發(fā)生在通道102的中間某個(gè)地方，那么在這個(gè)位置可以觀察到溫度快速下降。這些現(xiàn)像可以在燃料電池內(nèi)和燃料電池之間不統(tǒng)一地發(fā)生。由于溫度的統(tǒng)一性對燃料電池的正常運(yùn)行是非常重要，因此選擇合適的流場板的尺寸，以及包含根據(jù)本發(fā)明的表面涂覆/特征，將避免前述的現(xiàn)象(151)。
除了適當(dāng)?shù)谋砻嫱扛埠?或諸如微孔和納米結(jié)構(gòu)特征的特征之外，通過適當(dāng)?shù)剡x擇通道的尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)增大流場板冷卻通道的臨界熱通量，其詳細(xì)情況描述在下面給出的例子中。一般而言，納米結(jié)構(gòu)特征能夠均勻地取向納米結(jié)構(gòu)和/或具有預(yù)先形成的幾何形狀。該內(nèi)通道表面可以包括超過約一百萬納米結(jié)構(gòu)/cm2。例如，該內(nèi)通道表面可以包括超過約十億納米結(jié)構(gòu)/cm2。該納米結(jié)構(gòu)特征可以具有從約0.1微米到約3微米范圍內(nèi)的長度，并且縱橫比(長度對平均直徑)約大于3。適合用于本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)特征可包括有機(jī)顏料的金屬涂覆的晶須，最優(yōu)選，C.I.PIGMENT RED 149(PR-149二萘嵌苯紅)。結(jié)晶的晶須具有基本均勻的但是不相同的截面以及大的長寬比。微孔特征可包括如前所述的微顆粒組件。
實(shí)例以圖2a中的方塊圖形式總體示出的設(shè)備用于在一般流場冷卻劑板內(nèi)研究參數(shù)。加工包括7英寸×20英寸、厚1/16″的鋁加熱板，以容納5個(gè)平的背面有粘結(jié)劑的KAPTON加熱器(Micro Model 5466，3″×4″，標(biāo)稱電阻為4.1歐姆，Micro Inc.，Minneapolis MN)，該鋁加熱板具有4英寸×15英寸、深1/32的凹進(jìn)部分。其余的凹進(jìn)部分用橡皮泥(plasticiene clay)填充。該加熱板的背面配合同樣尺寸的0.75英寸的Plexiglas板。熱界面油脂(Wakefield Thermal Compound 120-2＜Wakefield Engineering，Inc.Wakefield，MA)的薄層將該板的前表面配合在另一個(gè)1/16″的鋁通道板的后面。該板的后面有1/32英寸深的槽，直徑為0.01英寸的T型熱電耦放置在其中，該熱電耦終止在水平的中心線和與作用區(qū)域的底部、中心、和頂部對應(yīng)的豎直位置，該作用區(qū)域通過1至5個(gè)前述加熱器的激活而形成，這些將在下面說明。
這個(gè)通道板的平的前部形成在該流體通道的里面。在需要形成希望的通道厚度t時(shí)，背面有粘結(jié)劑的薄膜(3M乙烯基薄膜，標(biāo)稱厚度為0.004″)以層的方式施加。應(yīng)當(dāng)注意，在該公開中，通道厚度t在這里可互換地稱之為通道深度d。該薄膜或薄膜層預(yù)先切割成使得當(dāng)施加于通道板時(shí)，它們形成通道間的肋。該通道間的肋只出現(xiàn)在加熱區(qū)。為了研究通道壁表面的影響，在對肋進(jìn)行下面表1所述的各種處理之前修改通道板。
表1 表面處理和參數(shù)評估


類似的組件形成該通道區(qū)的第二壁。雖然這個(gè)組件具有加熱器和如同第一壁的通道表面處理，但是它既沒有肋也沒有安裝熱電耦。而且，它包含直徑為0.25英寸的液體進(jìn)入孔和多對直徑為0.25英寸的蒸氣排出孔。該板組件用螺栓夾緊在一起。
該設(shè)備設(shè)計(jì)成使加熱區(qū)的寬度為4英寸，長度為76、152、299、305和381mm，各種長度分別對應(yīng)于第一至第五對激活的加熱器。在本研究中只使用前三個(gè)長度。對于所有的長度，液體的返回由液體返回孔提供。這個(gè)孔與黃銅軟管倒鉤(barb)連接。對于每個(gè)長度，只有加熱區(qū)緊接上方的兩個(gè)蒸氣通道敞開到同樣的軟管倒鉤。例如，該設(shè)備構(gòu)造成用于兩個(gè)加熱器(6英寸高的加熱區(qū))。因此，除了該激活區(qū)緊接上方的兩個(gè)蒸氣孔之外所有蒸氣孔被塞住。這兩個(gè)經(jīng)由軟軟管倒鉤連接于冷凝器組件。
該冷凝器是常規(guī)的水冷殼和由自來水冷卻的管熱交換器。將該設(shè)備連接于該冷凝器的歧管有透明部分，以能夠看到液體高度或作用在該液體返回管路上的液柱。為了試驗(yàn)的目的，調(diào)節(jié)設(shè)備以將液柱保持在該通道或激活區(qū)的頂部。
需要時(shí)將該加熱器以并聯(lián)方式連接于Kepco Model BOP20-20M(20V，20A)雙極運(yùn)行的電源/放大器，該運(yùn)行電源/放大器由NationalInstruments Labview數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的模擬連接控制。加熱器的電壓和熱電偶溫度由相同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)監(jiān)控。
該設(shè)備利用Fluorinert FC-87或全氟戊烷運(yùn)行。該流體在29℃沸騰并且具有288g/mol分子量。這類似于具有264g/mol分子量的HFE-7200，其沸點(diǎn)為76℃，其可以認(rèn)為是用于實(shí)際PEM燃料電池的優(yōu)選流體。使用FC-87是由于其30℃的沸點(diǎn)使得熱損失最小和Plexiglas中的應(yīng)力最小。
自動的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)通常編程為在4VDC開始，并且然后以每15分鐘0.5VDC的增加。前面的試驗(yàn)示出在這個(gè)時(shí)間周期達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在每個(gè)時(shí)間段末尾，該系統(tǒng)快速獲得100個(gè)測量數(shù)據(jù)，將它們平均，并記錄該結(jié)果。該數(shù)據(jù)包括測量的時(shí)間、加熱器電壓、頂部(T3)、底部(T1)和中間(T2)溫度。
下面討論的結(jié)果通常是以壁熱通量作為獨(dú)立變量給出。應(yīng)當(dāng)注意，存在三個(gè)熱通量，當(dāng)討論這種數(shù)據(jù)時(shí)可以參考。熱通量Q″gen是產(chǎn)生在一個(gè)MEA上產(chǎn)生的熱通量，其為電流密度和電池過電壓的乘積。假定每兩個(gè)相鄰的MEA之間有一個(gè)雙極或冷卻板，那么每個(gè)冷卻板在其兩個(gè)表面的每個(gè)上將接受大約1/2的Q″gen并且將耗散總的熱通量Q″gen。在下面的結(jié)果中所記錄的熱通量Q″是試驗(yàn)期間施加在每個(gè)板上的熱通量，因此，Q″≈Q″gen/2(1)用于與其他文獻(xiàn)比較的第三個(gè)熱通量是通道壁熱通量。假定肋是大致絕熱的，那么該熱通量等于Q″lit＝(W+S)Q″/W (2)熱電耦溫度T2和T3之間的差值作為該板上的溫度變化量。
溫度變化＝T3-T2 (3)
從上面討論的試驗(yàn)設(shè)置推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表示在圖8a至圖12b中。這些圖示出平均表面溫度和空間變化，該空間變化作為具有所示尺寸和表面處理(或沒有表面處理，如在裸露的冷卻劑通道中)的冷卻劑通道的熱通量Q″的函數(shù)。正如通過圖8a至圖12b曲線圖示出的數(shù)據(jù)清楚所示，冷卻劑通道涂層/特征的類型和通道的尺寸明顯地影響臨界熱通量。根據(jù)本發(fā)明認(rèn)真選擇的冷卻劑通道涂層/特征和尺寸能夠明顯地增強(qiáng)包含在流場板中的給定的冷卻設(shè)置的功效，該流場板沿著該板的冷卻劑通道的整個(gè)長度提供兩相冷卻。
圖8a-12a的Y軸表示溫度T3。T3指的是三個(gè)熱電耦中設(shè)置在該冷卻劑通道的頂部或遠(yuǎn)端的第三個(gè)熱電耦的溫度。提供T3以示出產(chǎn)生變干的時(shí)間。圖8b-12b的Y軸表示溫度差T3-T2。T2指的是三個(gè)熱電耦中設(shè)置在該冷卻劑通道大致中間位置的第二個(gè)熱電耦的溫度。T3和T2之間的差值示出該冷卻劑通道的T2和T3的溫度檢測位置之間的溫度不均勻性。
圖8a示出如下情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道(裸露的乙烯基/鋁通道，沒有任何表面改性)，(2)冷卻劑通道，其包括沒有晶須或鉑的PR-149涂覆微通道，(3)冷卻劑通道，其包括具有晶須的PR-149涂覆微通道。這些晶須稱作“納米結(jié)構(gòu)”特征，圖8a示出了所謂的“納米結(jié)構(gòu)效果”。在圖8a中容易看出，該納米結(jié)構(gòu)的效果通過在冷卻劑通道中使用納米結(jié)構(gòu)涂層提供較高的臨界熱通量。圖8b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖8a的數(shù)據(jù)。
圖9a示出如下情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道，(2)冷卻劑通道，其包括沒有晶須或鉑的PR-149涂覆的微通道，(3)具有微通道的冷卻劑通道，其使用裸露的微結(jié)構(gòu)催化劑傳輸基底(MCTS)的UV固化的丙烯酸鹽基底(“鋸片”特征)。圖9a示出了所謂的“范德華固化效果”。
正如圖9a圖示的數(shù)據(jù)所表明的，該“范德華固化效果”通過在冷卻劑通道中使用具有范德華固體的涂層提供較高的熱通量。各種可用的范德華固體包括在共同擁有的美國專利No.4,812,352公開的范德華固體。圖9b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖9a的數(shù)據(jù)。
圖10a示出如下情況的溫度對熱通量的曲線圖，(1)未涂覆的冷卻劑通道，(2)冷卻劑通道，其包括具有晶須或鉑的PR-149涂覆的微通道，(3)冷卻劑通道，其包括具有鉑晶須的微通道。圖10a所示的數(shù)據(jù)增強(qiáng)了“范德華固體”對納米結(jié)構(gòu)的冷卻劑通道表面的臨界熱通量的影響。圖10b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖10a的數(shù)據(jù)。
圖11a示出各種深度的未涂覆的冷卻劑通道和各種深度的微孔涂覆的冷卻劑通道的溫度對熱通量的曲線圖。圖11a示出微孔涂覆的冷卻劑通道相對于各種通道深度的裸露的通道提供較高的臨界熱通量。圖11b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖11a的數(shù)據(jù)。
圖12a示出各種深度和長度的未涂覆的冷卻劑通道的溫度對熱通量的曲線圖。圖12a示出了通道深度和長度對臨界熱通量的影響。圖12b示出根據(jù)在兩個(gè)通道長度位置的溫度差對熱通量繪制的圖12a的數(shù)據(jù)。
圖8a-12b表明，上述各種涂層當(dāng)包含在流場板的冷卻劑通道中時(shí)，能夠明顯地增加臨界熱通量。在這些涂層中，微孔涂層示出其增加最大，其次是納米結(jié)構(gòu)涂層?？蛇M(jìn)一步看出，雖然納米結(jié)構(gòu)涂層明顯地延遲變干，但是溫度不均勻性相當(dāng)大。相反，微孔涂層明顯地延遲變干，同時(shí)使溫度不均勻性最小。非常有趣的是，裸露的微通道和具有鉑涂覆的晶須的微通道沒有表示出明顯的增加。這意味著在二萘嵌苯和鉑表面之間存在差別。此外，值得注意的是微孔涂層當(dāng)從t＝0.508mm到t＝0.203mm變化時(shí)得到改善。當(dāng)厚度進(jìn)一步減小到t＝0.102mm時(shí)這種趨勢不再繼續(xù)。這意味著最佳的通道厚度。
為了舉例和說明的目的已經(jīng)給出本發(fā)明前述的描述。這不是意圖詳盡本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明限制在公開的確切形式。根據(jù)上述公開許多修改和變化是可能的。希望本發(fā)明的范圍不是由這些詳細(xì)的描述所限定而是由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；和冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該薄膜電極組件的基本上被動的兩相冷卻，該流場板包括多個(gè)流體流動通道，該流體流動通道具有相對于冷卻劑流動的方向限定的通道長度和小于約1mm的通道深度，當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該多個(gè)通道具有小于約0.7mm的深度。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該多個(gè)通道具有小于約0.5mm的深度。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該多個(gè)通道具有小于約0.3mm的深度。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該多個(gè)通道具有約0.1mm的深度。
6.如權(quán)利要求1所述的組件，其中當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該通道長度大于約10cm。
8.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該多個(gè)通道具有約1mm到約2mm的通道間隔，約1mm到約3mm的通道寬度，以及在從約60mm到約230mm范圍內(nèi)的通道長度。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該通道長度對通道深度的比在約150和約1100之間的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括含氟化合物。
11.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括介電的鹵化碳。
12.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括水。
13.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括碳?xì)浠衔铩?br> 14.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該薄膜電極組件包括構(gòu)造成接觸該流場板表面的表面，該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比該薄膜電極組件表面的最大溫度低的值小于約3℃。
15.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；和冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該薄膜電極組件的基本上被動的兩相冷卻，該流場板包括多個(gè)流體流動通道，該流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面包括納米結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
16.如權(quán)利要求15所述的組件，其中當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
17.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該納米結(jié)構(gòu)特征包括一致取向的納米結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該納米結(jié)構(gòu)特征包括具有預(yù)定幾何形狀的納米結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該內(nèi)通道表面包括超過約一百萬納米結(jié)構(gòu)/cm2。
20.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該內(nèi)通道表面包括超過約十億納米結(jié)構(gòu)/cm2。
21.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該納米結(jié)構(gòu)特征具有在從約0.1微米到約3微米范圍內(nèi)的長度。
22.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該多個(gè)通道具有大于約10cm的通道長度。
23.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括含氟化合物或介電的鹵化碳。
24.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括水或碳?xì)浠衔铩?br> 25.如權(quán)利要求15所述的組件，其中該薄膜電極組件包括構(gòu)造成接觸該流場板表面的表面，該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比該薄膜電極組件表面的最大溫度低的值小于約3℃。
26.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；和冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該薄膜電極組件的基本上被動的兩相冷卻，該流場板包括多個(gè)流體流動通道，該流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面包括微孔特征，當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
27.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該微孔特征包括微球。
28.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該微孔特征包括陶瓷微球。
29.如權(quán)利要求26所述的組件，其中當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
30.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該多個(gè)通道具有大于10cm的通道長度。
31.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括含氟化合物或介電的鹵化碳。
32.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括水或碳?xì)浠衔铩?br> 33.如權(quán)利要求26所述的組件，其中該薄膜電極組件包括構(gòu)造成接觸該流場板表面的表面，該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比該薄膜電極組件表面的最大溫度低的值小于約3℃。
34.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；和冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成促進(jìn)用于該薄膜電極組件的基本上被動的兩相冷卻，該流場板包括多個(gè)流體流動通道，該流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面具有涂層，該涂層包括基本上平面的有機(jī)分子，該有機(jī)分子包括不定域的π電子，當(dāng)該電極薄膜組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
35.如權(quán)利要求34所述的組件，其中該有機(jī)分子包括鏈或環(huán)，在該鏈或環(huán)上π電子的密度廣泛地不定域。
36.如權(quán)利要求34所述的組件，其中該涂層包括范德華固體。
37.如權(quán)利要求34所述的組件，其中當(dāng)該電極薄膜組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的冷卻劑的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著冷卻劑的流動方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
38.如權(quán)利要求34所述的組件，其中多個(gè)通道具有大于約10cm的通道長度。
39.如權(quán)利要求34所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括含氟化合物或介電的鹵化碳。
40.如權(quán)利要求34所述的組件，其中該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體包括水或碳?xì)浠衔铩?br> 41.如權(quán)利要求34所述的組件，其中該薄膜電極組件包括構(gòu)造成接觸該流場板表面的表面，該冷卻設(shè)備還包括熱傳輸流體，該熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比該電極薄膜組件表面的最大溫度低的值小于約3℃。
42.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；和冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備包括熱傳輸流體和至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成當(dāng)該電極薄膜組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)促進(jìn)用于該薄膜電極組件的基本上被動的兩相冷卻，該流場板包括多個(gè)流體流動通道，該多個(gè)通道具有通道深度、通道間隔、通道長度和通道寬度，該通道寬度小于約5mm；其中通道寬度、通道間隔、通道長度和通道深度的尺寸形成為在低于臨界熱通量之下促進(jìn)該熱傳輸流體的成核沸騰并且防止當(dāng)熱傳輸流體沿著該通道長度通過時(shí)變干。
43.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著熱傳輸流體流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
44.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)，該冷卻設(shè)備沿著熱傳輸流體流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
45.如權(quán)利要求42所述的組件，其中其中通道寬度、通道間隔、通道長度和通道深度的尺寸形成為在該通道的進(jìn)入?yún)^(qū)域促進(jìn)該熱傳輸流體的開始并且防止當(dāng)熱傳輸流體通過該通道的出口區(qū)域時(shí)該熱通量超過臨界熱通量。
46.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該通道長度大于約10cm。
47.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該通道間隔為約1mm到約2mm，該通道寬度為約1mm到約3mm。
48.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該多個(gè)通道沿著熱傳輸流體流動的方向具有約60mm到約230mm的通道長度。
49.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該多個(gè)通道具有通道長度，并且該通道長度對通道深度的比在約150和約1100之間的范圍內(nèi)。
50.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該通道深度小于約1mm。
51.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該熱傳輸流體包括含氟化合物。
52.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該熱傳輸流體包括介電的鹵化碳。
53如權(quán)利要求42所述的組件，該熱傳輸流體包括水或碳?xì)浠衔铩?br> 54.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該薄膜電極組件包括構(gòu)造成接觸該流場板表面的表面，該熱傳輸流體在工作壓力下的沸點(diǎn)比該薄膜電極組件表面的最大溫度低的值小于約3℃。
55.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該多個(gè)流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面包括納米結(jié)構(gòu)特征。
56.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該多個(gè)流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面包括微孔特征。
57.如權(quán)利要求42所述的組件，其中該多個(gè)流體流動通道具有多個(gè)內(nèi)通道表面，每個(gè)該內(nèi)通道表面具有包括基本上平面的有機(jī)分子的涂層，該有機(jī)分子包括不定域的π電子。
58.一種燃料電池堆組件，包括至少一個(gè)薄膜電極組件；與該薄膜電極組件熱接觸的至少一個(gè)流場板，該流場板包括流體流動通道；和當(dāng)該MEA經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)，通過基本上被動的兩相冷卻以冷卻該薄膜電極組件的裝置，該冷卻裝置包括在臨界熱通量以下促進(jìn)該熱傳輸流體成核沸騰的裝置，以防止當(dāng)熱傳輸流體沿著該流體流動通道長度通過時(shí)變干。
59.如權(quán)利要求58所述的組件，其中該冷卻裝置包括一種裝置，該裝置用于該當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm2到約1.5W/cm2的熱傳輸流體的熱通量變化時(shí)，沿著熱傳輸流體流動的方向保持小于約0.2℃/cm的最大溫度梯度。
60.如權(quán)利要求58所述的組件，其中該冷卻裝置包括一種裝置，該裝置用于在該通道的進(jìn)入?yún)^(qū)域促進(jìn)該熱傳輸流體的開始，并且用于當(dāng)該熱傳輸流體通過該通道的出口區(qū)域時(shí)防止該熱通量超過臨界熱通量。
61.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
62.如權(quán)利要求15所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
63.如權(quán)利要求26所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
64.如權(quán)利要求34所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
65.如權(quán)利要求42所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
66.如權(quán)利要求58所述的組件，其中所述流場板額外地包括蒸氣口和冷凝口，其中所述蒸氣口大于所述冷凝口。
全文摘要
一種用于燃料電池組件的冷卻設(shè)備，包括熱傳輸流體和至少一個(gè)流體流場板，該流體流場板構(gòu)造成當(dāng)該薄膜電極組件經(jīng)受從約0W/cm
文檔編號H01M8/04GK101048905SQ200580036735
公開日2007年10月3日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月25日
發(fā)明者菲利普·E·圖瑪, 克日什托夫·A·萊溫斯基, 馬克·K·德貝 申請人:3M創(chuàng)新有限公司