[发明专利]燃料电池流动沟道和流场

说明书

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。

技术领域

本发明总体上涉及燃料电池，具体地，涉及燃料电池的流场(flow field)设计和流场板。

背景技术

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(separator plates)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(reactant fluid)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(current collectors)，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(surface area)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。