專利名稱：燃料電池流體分配板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，特別涉及適用于固體聚合物電解質燃料電池的 流體流場板，所述板作為燃料電池的電極表面的流體輸送管道。
背景技術：
常規(guī)電化學燃料電池將燃料和氧化劑轉化成電能和反應產(chǎn)物。在圖1
中顯示了常規(guī)燃料電池10的典型布局，為清楚起見，該圖1以分解的形 式示出了各個層。固體聚合物離子傳輸膜11被夾在陽極12和陰極13之 間。典型地，陽極12和陰極13都是由導電、多孔的材料例如多孔碳形成 的，所述材料上粘結了鉑和/或其它貴金屬催化劑的小顆粒。通常將陽極 12和陰極13直接粘結到膜11的各個相鄰表面上。 一般將此組合體統(tǒng)稱為 膜-電極組件，或MEA17。
將聚合物膜和多孔電極層夾在中間的是陽極流體流場板14和陰極流 體流場板15。中間的襯里層18和19，在此也稱作擴散層，也可以被用在 陽極流體流場板14和陽極12之間，以及類似地被用在陰極流體流場板15 和陰極13之間。襯里層具有多孔性，并且被制作為確保到達和來自陽極 和陰極表面的氣體的有效擴散，以及幫助水蒸氣和液態(tài)水的處理。
流體流場板14、 15是由導電性、非多孔材料形成的，通過該材料可 以與相應的陽極電極12或陰極電極13進行電接觸。同時，流體流場板促 進到達或來自多孔電極12、 13的流體燃料、氧化劑和/或反應產(chǎn)物的輸送 和/或排放。這在常規(guī)上是通過在流體流場板的表面中形成流體流動通路， 例如在朝多孔電極12、 13呈現(xiàn)的表面中的溝槽或通道16而實現(xiàn)的。
再參照圖2 (a)，流體流動通道的一種常規(guī)構造在陽極14 (或陰極15) 流體流場板的面中提供蛇形結構20，如圖2 (a)所示，該結構20具有入 口端21和出口端22。根據(jù)常規(guī)設計，應當理解該蛇形結構20包含在板 14 (或15)表面中的通道16，而端口 21和22各自包含穿過板的孔，使得輸送到蛇形結構20或者從蛇形結構20排放的流體可以在如具體由圖2
(b)中所示A-A橫截面中的箭頭表示、與板垂直的方向上的板的層疊體 (stack)的整個深度上連通。
參照圖3，在常規(guī)的燃料電池組件30中建立起板的層疊體。在此配置 中，相鄰的陽極和陰極流體流場板按常規(guī)方式組合，以形成單個雙極板31， 所述雙極板31具有在一個面上的陽極通道32和在相反面上的陰極通道 33，它們各自與相應的膜-電極組件(MEA) 34相鄰。入口端的孔21與出 口端的孔22全部重疊以提供整個層疊體的入口和出口歧管。層疊體的各 個元件是為了清楚起見而略微分開表示的，但是應理解，對于本發(fā)明來說， 它們是用密封墊圈壓縮在一起的。
其它的歧管孔23、 25可以被提供用于到板中的其它通道的燃料、氧 化劑、其它流體或排放物的連通，例如如圖2a中所示。
在流體流場板14、 15中的通道16可以在兩端均開口，即如所示那樣 在入口端21和出口端22之間延伸的通道，從而允許流體的連續(xù)通過量。 此開口的配置典型地用于組合的氧化劑供給和反應物排放。作為選擇，通 道16可以在一端封閉，即每一通道僅與入口端21連通以供給流體，完全 依賴于氣態(tài)物質進出MEA的多孔電極的100%傳輸。封閉的通道可以典型 地被用于對處于梳型結構的MEA 11-13輸送氫燃料。
為了從燃料電池中獲得高且持續(xù)的功率輸送能力，通常需要維持膜-電極組件中并且特別是膜中的高含水量。
在現(xiàn)有技術中，這在常規(guī)上是通過經(jīng)由端口 21、 22或23以及通道16 供給的進料氣，即燃料、空氣或兩者增濕而實現(xiàn)的。使用此技術的缺點是， 為了保持足夠的增濕水平，入口氣體流經(jīng)常需要加熱和輔助設備以向流動 氣體流中引入水蒸氣。
在現(xiàn)有技術中，已經(jīng)以許多方式實現(xiàn)了輔助設備。將燃料或氧化劑氣 體在引入燃料電池前穿過熱水柱進行鼓泡已得到應用。作為選擇，使用滲 透膜作為水傳輸介質，使得水從相鄰的容納液態(tài)水的集流室被運送到氣體 流中。類似地采用了吸液芯(wicks)作為從液相到氣相的水傳輸介質。
該附加的設備可以與燃料電池組分離或者形成其整體部分。在任一情 況下，總體上組件的尺寸和復雜性存在相關聯(lián)的增加。一種選擇性方法為將水直接輸送到膜ll、 34，例如直接輸送到電極表
面或雙極板31的通道16。此技術不僅具有供給水以保持高的膜含水量的
優(yōu)點，而且可以通過蒸發(fā)和吸取蒸發(fā)潛熱來冷卻燃料電池。
這種通過出口氣流提供能量的吸取的直接熱移除方法具有與消除燃
料電池組組件中的中間冷卻板相關的明顯優(yōu)點。
在現(xiàn)有技術中，通常采用在電化學活性板間散布熱交換板以吸取由燃
料電池的電阻和熱力學低效率導致的熱能的冷卻系統(tǒng)。這些熱交換板或冷
卻板利用再循環(huán)流體流或較不常見的單程(once-through)流體流，其從燃料 電池組中帶走熱量。冷卻板通常是對于活性板不同設計的冷卻板，并且因 此增加燃料電池組件的復雜性、尺寸和成本。
在水的直接引入中可能遇到的困難是向燃料電池組30中的許多流體 流場板通道16輸送精確量的水。典型地，這要求向數(shù)千個獨立位置輸送 精確量的水。為到此目的，需要流體流場板14、 15或31的復雜設計， 這更難實現(xiàn)并且增加生產(chǎn)成本。
如果水的輸送過程是不均勻的，則冷卻效果可能分布差，導致局部熱 點，在此過熱可能導致物理應力和膜11的機械性能的劣化以及最終的斷 裂。此效果既適用于跨過板表面的差(不均勻)的輸送，也適用于組成電 池組的每一獨立電池的不均勻輸送。換言之，在電池內部或電池與電池之 間可能出現(xiàn)溫度變化。
參照圖4 (a)和4 (b)，對上述問題的一種現(xiàn)有技術解決方案提供一 系列水注入管道，該水注入管道在流體流場板40a或40b的水入口端25 和各個通道16之間延伸。通常而言，通過位于流體流場板40a、 40b表面 上的膜或層狀結構提供水注入管道。水注入管道具有入口和出口，該入口 與入水歧管25連通，該出口限定流體流場板中通道16上預定的水注入點。
層狀結構通常是以覆蓋板40的兩個箔層41、 42的形式提供的，該箔 的位置在圖4 (a)和4 (b)中以虛線輪廓表示。
圖4 (a)示出了具有蛇形通道16和箔41a、 42a的流體流場板40a的 平面圖，該箔41a、 42a具有與入水歧管25—致的第一邊緣43a、 44a，以 及位于在通道16的預定水注入點49處或與之相鄰的第二邊緣45a、 46a。
圖4 (b)示出了流體流場板40b的平面圖，所述流體流場板40b具有各自與相應的歧管21 、 22連通的兩種交叉指型梳狀通道47、 48，和箔41b、 42b，該箔41b、 42b具有與入水歧管25—致的第一邊緣43b、 44b，以及 位于在通道47的預定水注入點處或與之相鄰的第二邊緣45b、 46b。
上述現(xiàn)有技術解決方案的箔層是結合到燃料電池組件中的附加部件。 該部件必須薄(典型地約40微米)，使其可密封在燃料電池的墊圈區(qū)域內。 在箔層內形成的水注入管道通常是通過蝕刻方法形成的。為了有效地向穿 過流體流場板(fluid flow plate)的各個通道輸送水冷卻劑，蝕刻的管道需 要具有一致的深度以及復雜、高度精確制造的圖案。這些因素的組合導致 燃料電池成本和復雜性的增加，以及對如此精巧設計的部件的質量控制的 潛在困難。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在燃料電池內允許具有降低的復雜性的冷卻劑分配。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的流體流場板，所述板 包含在其第一表面中形成并以預定圖案的形式延伸穿越第一表面的多個 第一通道，所述板沿側邊緣具有折疊區(qū)域，所述折疊區(qū)域包含集流室 (plenum)和界面區(qū)域，所述集流室具有與所述板的邊緣基本上平行的縱軸， 所述界面區(qū)域包含第一表面的兩個相鄰并且相面對的部分。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種形成用于燃料電池的流體流場板的方 法，所述方法包括
在所述板的第一表面中形成多個第一通道，所述通道以預定圖案的形 式延伸穿越所述表面；以及
沿所述板的側邊緣形成折疊區(qū)域，所述折疊區(qū)域包括集流室和界面區(qū)
域，
所述集流室具有與所述板的邊緣基本上平行的縱軸，所述界面區(qū)域包 括第一表面的兩個相鄰并且相面對的部分。
現(xiàn)在將通過實施例并參照附圖描述本發(fā)明的實施方案，附圖中 圖1顯示了貫穿常規(guī)燃料電池的一部分的示意性橫截面圖；圖2 (a)和(b)分別顯示了圖1的燃料電池的流體流場板的簡化平
面和截面圖3顯示了貫穿具有雙極板的常規(guī)燃料電池組的橫截面圖4 (a)顯示了具有蛇形流體管道的燃料電池流體流場板的平面圖， 以輪廓顯示了水分配箔和覆蓋箔的重疊位置；
圖4 (b)顯示了具有交叉指型梳狀流體管道的燃料電池流體流場板的 平面圖，以輪廓顯示了表示水分配箔和覆蓋箔的重疊位置；
圖5 (a)顯示了具有在其第一表面中形成的通道的流體流場板的部分 的透視圖5 (b)顯示了圖5 (a)的流體流場板的部分在對板進行折疊操作 后的透視圖6顯示了貫穿圖5的折疊流體流場板的示意性橫截面圖； 圖7顯示了折疊流體流場板的部分的等軸圖； 圖8顯示了折疊流體流場板的截面部分的等軸圖；以及 圖9顯示了包含折疊的流體流場板的部分組裝的燃料電池組的部分的 等軸圖。
具體實施例方式
圖1至4在前面涉及燃料電池組件及部件的現(xiàn)有技術實施方案時己描 述過。
圖5所示為流體流場板51a，其具有安置在其第一表面57上的多個通 道53。將第一折疊表面54a和第二折疊表面54b安置在第一表面57上。 折疊表面54a、 54b的一個或兩個可以配置有表面紋理。該表面紋理(其 功能將在后面描述)可以通過例如對折疊表面54a、 54b的一個或兩個進 行磨蝕、蝕刻或壓紋而形成。
當經(jīng)過折疊操作時，圖5的流體流場板51a轉變?yōu)槿鐖D5b所示的折 疊的流體流場板51b，其中在板51b中形成折疊區(qū)域52。折疊區(qū)域52包 含集流室55和界面區(qū)域56，該集流室55具有與板51b的邊緣58平行地 延伸的縱軸，該界面區(qū)域56由相鄰并互相靠近地面對的折疊表面54a、54b 形成。界面區(qū)域形成從集流室向第一表面57上的通道53延伸的流體連接。燃料或氧化劑流體可通過沿著與折疊區(qū)域相反的流體流場板51a的邊緣的
端口供給到通道53。作為選擇，可通過對表面57密封的一個或多個其它 部件，例如墊圈或分配歧管中的一個或多個流體分配特征，供給燃料或氧 化劑流體。
優(yōu)選地，界面區(qū)域56向通道53延伸，使得沿界面區(qū)域56穿過的冷 卻劑在出口邊緣56a離開，并且進入安置成與其最近的通道53。出口邊緣 56a可以任選地安置為使得冷卻劑離開界面區(qū)域直接進入通道內，例如通 過邊緣56a的適當成形將折疊表面54a部分覆蓋通道53或者選定數(shù)目的 通道53。例如出口邊緣56可以成扇形或另外成形以促使水集中點與通道 53相對應。例如，這樣的成形可以處于與同樣箔的邊緣46b (圖4b)相同 的方式。其它部件，例如位于距表面57最近的擴散層，可以提供將冷卻 劑從界面區(qū)域的出口邊緣56a分配到通道的功能。
圖6所示為雙極板型，即具有陽極側60和陰極側69的流體流場板51 的部分的橫截面圖。在這種情況下，在板51中通過可塑成型法，例如金 屬板坯的壓紋，形成陰極通道53 (未在圖6中顯示)以及陽極通道61。 在截面中，顯示了陽極流體流動通道61，燃料通過該通道流動，以箭頭 62表示。沿著陰極側69的氧化劑流以箭頭63表示。燃料流62和氧化劑 流63可以在可壓縮墊圈的開孔區(qū)域中，如在例如英國專利申請0601986.3 中所述。陽極側60和陰極側69通過雙極板51和墊圈68相互流體密封。 將陽極擴散層66安置在板51的陽極側60上，并且將陰極擴散層65安置 在陰極側69上。MEA65位于任意一側。以類似的單元重復該組件而構成 燃料電池組。
板51的折疊區(qū)域52包含集流室55和界面區(qū)域56。在集流室55中所 示為冷卻劑64，其優(yōu)選為水。冷卻劑64從集流室穿過界面區(qū)域56，并且 在由箭頭70表示的方向上，沿界面區(qū)域出口邊緣56a流出陰極側69上的 界面區(qū)域。隨后冷卻劑流過陰極擴散層65，并且沿著陰極側流體流動通道 53 (標于圖5a)流動。優(yōu)選通過在陰極側69內的冷卻劑蒸發(fā)來增強對板 51的冷卻。隨后冷卻劑與氧化劑進料和廢氣一起離開燃料電池，從燃料電 池吸取熱量。
界面區(qū)域56優(yōu)選地包含橫跨折疊表面54a、 54b的一個或兩個分布的多個管道。這些管道可以通過不同方法設計，最簡單的方法之一是將預定
水平的表面粗糙度施用于表面54a、 54b的一個或兩個上，以提供具有紋 理的表面。當折疊表面54a、 54b相遇時，將互相連接的管道網(wǎng)絡安置在 表面的表面特征峰之間。該管道優(yōu)選地具有提供足夠的越過界面區(qū)域的壓 降的平均橫截面尺寸(典型地約25微米或更小，并且更優(yōu)選5微米或更 小)，所述界面區(qū)域在集流室55與陰極通道53之間延伸。因此可以達到 穿過通道53的冷卻劑的均勻分配，將沿集流室55長度的壓降最小化。因 此界面區(qū)域形成調節(jié)(metering)界面，其提供對水流的阻力，反壓給水并且 確保橫跨板51寬度的均勻分配。
界面區(qū)域56的調節(jié)界面功能可以選擇性地通過壓紋、微蝕刻、噴砂 或任何其它合適的表面成型或磨蝕工藝提供。還可以將多孔介質夾入折疊 界面54a、 54b之間，使得調節(jié)功能由此介質執(zhí)行。合適的多孔介質可以 包括紙、織物(cloth)或發(fā)泡聚四氟乙烯(PTFE)。
圖7所示為流體流場板51的部分的等軸圖，在其中形成了折疊區(qū)域 52，該折疊區(qū)域52包含集流室55和界面區(qū)域56。在板51的第一表面57 中通過對板的壓紋形成了通道53。在板51的折疊邊緣58中可以安置一個 或多個孔71，以允許冷卻劑流體進入集流室55，所述孔71從折疊區(qū)域52 的外表面延伸到集流室55。
圖8中顯示了貫穿圖7的板51的截面，其中陽極通道61顯示在板51 的第二表面59上，與圖6的陽極側60相對應。
優(yōu)選在組裝到燃料電池組之前或在此過程中，折疊區(qū)域52中的集流 室55在兩端都被密封。密封可通過例如由模塑的彈性體化合物形成的塞 子實現(xiàn)，該塞子可以為分立部件?？梢赃x擇性地通過將板51的側邊緣共 同巻曲，或者通過板51邊緣周圍的密封墊圈的壓縮變形而形成密封件。
圖9所示為在部分組裝的燃料電池組90中板51的部分的等軸圖。雙 極流體流場板51被顯示為第二表面59面朝上，露出陰極側通道61。墊圈 91圍繞板51的邊緣。墊圈91包含多個部分延伸穿過墊圈厚度的空腔，該 空腔形成到開孔區(qū)域92和閉孔區(qū)域93內。墊圈可以根據(jù)英國專利申請 0601986.3的教導提供。開孔區(qū)域92包括相互連接的空腔，使得流體可以 沿墊圈的表面通過。閉孔區(qū)域93包括相互隔離的空腔，并且因此阻止流體流過墊圈的表面。板51的側邊緣94緊靠著墊圈91的閉孔區(qū)域93被密 封，因此密封包括集流室55和界面區(qū)域56的折疊區(qū)域52的邊緣。然而， 板51的折疊邊緣58至少部分地在墊圈的開孔區(qū)域92中，因此允許流體 流至邊緣58。在將一個或多個孔71 (示于圖7和8)安置在折疊邊緣58 中的情況下，可以通過墊圈91的開孔區(qū)域92將冷卻劑直接引入集流室55。 通過對墊圈91中的開孔區(qū)域和閉孔區(qū)域的配置的適當變型，冷卻劑可以
選擇性地或另外被引向集流室開口端的一個或兩個。
應當理解對本發(fā)明的流體流場板陰極側的冷卻的提及并不意在將本
發(fā)明僅限制在陰極冷卻。在適當變型的情況下，本發(fā)明的流體流場板也可 以包含陽極冷卻。
其它實施方案被視為在由后附權利要求所限定的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1. 一種用于燃料電池的流體流場板，所述板包含在其第一表面中形成并以預定圖案的形式延伸穿越第一表面的多個第一通道，所述板沿側邊緣具有折疊區(qū)域，所述折疊區(qū)域包含集流室和界面區(qū)域，所述集流室具有與所述板的邊緣基本上平行的縱軸，所述界面區(qū)域包含第一表面的兩個相鄰并且相面對的部分。
2. 權利要求1所述的流體流場板，其中在所述流體流場板的第二表面中形成多個第二通道。
3. 權利要求1所述的流體流場板，其中所述集流室從所述板的第一 邊緣延伸到相反的第二邊緣。
4. 權利要求1所述的流體流場板，其中所述界面區(qū)域包括從所述集 流室向所述多個第一通道延伸的多個管道。
5. 權利要求1所述的流體流場板，其中在第一表面的相鄰并且相面 對的部分中由經(jīng)壓紋、蝕刻或磨蝕的區(qū)域提供所述多個管道。
6. 權利要求1所述的流體流場板，其中由置于第一表面的所述相鄰 并且相面對的部分之間的多孔介質提供所述多個管道。
7. 權利要求6所述的流體流場板，其中所述多孔介質為選自紙、織 物和發(fā)泡聚四氟乙烯中的一種材料的多孔介質。
8. 權利要求1所述的流體流場板，其中安置從所述折疊區(qū)域的外表 面延伸到所述集流室的孔。
9. 權利要求3所述的流體流場板，其中在第一邊緣和第二邊緣通過 流體密封件密封所述集流室。
10. 權利要求9所述的流體流場板，其中由所述板的巻曲部分提供所 述流體密封件。
11. 權利要求9所述的流體流場板，其中由所述集流室內的一個或多 個密封部件提供所述流體密封件d
12. —種燃料電池組件，所述燃料電池組件包含 權利要求1所述的流體流場板；膜-電極組件，所述膜-電極組件與所述流體流場板的第一表面相鄰；以及擴散層，所述擴散層與所述流體流場板中的所述多個第一通道處于流 體連通之中，并且置于所述流體流場板的第一表面與所述膜-電極組件之 間，其中所述流體流場板的界面區(qū)域的出口邊緣與所述擴散層處于流體 連通之中。
13. —種形成用于燃料電池的流體流場板的方法，所述方法包括 在所述板的第一表面中形成多個第一通道，所述通道以預定圖案的形式延伸穿越所述表面；以及沿所述板的側邊緣形成折疊區(qū)域，所述折疊區(qū)域包括集流室和界面區(qū)域，所述集流室具有與所述板的邊緣基本上平行的縱軸，所述界面區(qū)域包 括第一表面的兩個相鄰并且相面對的部分。
14. 權利要求13所述的方法，所述方法還包括安置多孔介質，所述多孔介質置于第一表面的所述相鄰并且相面對的部分之間。
15. —種流體流場板，所述流體流場板基本上與本文中描述一樣，并 且參照圖5至9中的圖。
全文摘要
一種用于燃料電池的流體流場板，所述板包含在其第一表面中形成并以預定圖案的形式延伸穿越第一表面的多個第一通道，所述板沿側邊緣具有折疊區(qū)域，所述折疊區(qū)域包含集流室和界面區(qū)域，所述集流室具有與所述板的邊緣基本上平行的縱軸，所述界面區(qū)域包含第一表面的兩個相鄰并且相面對的部分。
文檔編號H01M8/04GK101438441SQ200780016212
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權日2006年5月5日
發(fā)明者彼得·戴維·胡德 申請人:智慧能量有限公司