稳定化的燃料电池流场的制作方法

专利名称：稳定化的燃料电池流场的制作方法
技术领域：
本发明广义上涉及燃料电池，更具体而言，涉及燃料电池的流场。
背景技术：
燃料电池广为人知并在很多领域都用来发电。 一般的;^料电、池利用反应气 体，例如氢气和氧气(例如，来自空气)来产生电流。 一般地，燃料电池包含 相邻的具有气流道的流场来接收各自的反应气体。^流场通过气体扩散层来 分配反应气体到各自的与离子导电聚合物交换膜(PEM)相邻的阳，及催化剂或 阴极催化剂以产生电流。 一般地，碳粒子的网状结构担载每一阴极和阳极催化 剂并为电流形成部分外电路。
一般的燃料电池通过其中氧化剂， 一般是来自空气的氧气，和燃料， 一般 是氢气，化合形成副产物水的电化学反应来产生电流。氧气持续S51阴极催化 剂，氢气通过阳极催化剂。阳极氧化齐鹏氢气的质子和电子分离。质子通过聚 合物効奂膜，而电子流过外电路。质子和电子再次结合并在阳极催化剂处和氧 气反应生成副产物水。
在某些情况下，例如阳极氧化剂局部区域的氢气分压低盼瞎况，在该区域 无充足的氢气来维持电化学反应。这可能导致之前描述的通常的燃料电池工作 模式的局部电流反向，并且导致阴极催化剂、碳载体或者这两者都降解的反应 条件。例如，在阳极的水电解形成氧气、氢气以及自由电子。氢质子穿过聚合 物交换膜，在负极的富燃料区域中释放的电子流向负极的燃料不足的区域。在 燃料不足区域不存在低电位的质子和电子源，这增加了阴极催化剂的电位，因 而导致水和碳载体间的糊 反应而生成二氧化碳。糊 最终导致催化性能和电 性能的损失，并随之导致降低的燃料电池效率。
本发明致力于降低或消除燃料电池的催化剂糊军以保持燃料电池稳定工作 的需要。
发明简述
用于燃料电池的一个实施例装置包括用于接收第一反应物的阴极催化剂和用于接收预期量的第二反应物的阳极催化剂。阴极催化齐诉,极催化剂分别催 化第一反应物和第二反应物以产生电化学反应，该电化学反应在阳极催化齐诉口 阴极催化剂之间产生电子流。由于氢气氧化的动力学很容易实现，燃料电池反 应的速率通常受限于第一反应物到达阴极催化齐啲速率和通过燃料电池导电层 的电导率。第一反应物在电化学反应中消耗的量对应于产生从阳丰及催化剂到阴 极催化剂的正向电流所需要的第二反应物的阈值量。 一部分燃料电池流场包括 下列特征，即限制第一反应物消耗量以维持第二反应物的阈健低于预期量。
一个实施例方法包挪艮制在燃料电池阴极催化剂上消耗的第一反应物的 量来降低在阳极催化剂上产生从阳极催化剂到阴，及催化剂的正向电子流所需要 的第二反应物的阈H4。
J^实施例不是限制性的。另外的实施例如下所述。下面的详细描述将使 本发明的各种特征和优势对于本领域技术人员显而易见。伴随详细描述的附图 可简述如下。
附图简述


图1为燃料电池组选定部分的示意图。
图2为沿着图1所示的线的横截面示意图，其图示了具有限制反应物气体
消耗量这4寺征的实施方案。
图3为對以图1所示的另一示例性实施方案的丰纖面示意图。 图4为具有i真钭的气体扩散层的实施方案的横截面示意图。 图5为含有减少量的催化材料的催化剂的实 案的横截面示意图。 图6为具有不同宽度通道的实皿案的横截面示意图。 图7A为具有効旨型iM和平纟fffl道的实施方案的横截面示意图。 图7B为沿图6A所示的截面线的横截面示意图，其图示了平行通道的M 深度。
图7C为沿图6A所示的截面线的横截面示意图，其图示了交指fflit的鹏 深度。
图8为具有7賴卩Mil的实M^案的横截面示意图。
具体实施方式
详述
图1为用于发电的示例性MI斗电池10的选定部分的示意图。在该实施例中， 阴极侧12接收反应气体R!，阳极侧14接收一反应气体R2， i!31已知的反应产生电流。阴极侧12和阳极侧14都包括流场板16，例如模压板、多孔板或其它 鄉的板，该流场板16具有鹏壁17和延伸在鹏壁17间的鹏18，用于将 反应气体I^和R2分配到相应的阴极侧12和阳禾及侧14。
在该实施例中，气体交换层20与^流场板16相邻设置。聚合物交换膜 (PEM) 22将气体交换层20间的阴极催化剂24与阳极催化剂26间隔开。在某 些实施例中，阴极催化剂24和阳极催化剂26都包括沉积在载体例如碳布上的 催化材料。
图2为根据图1中所示的截面线的阳极侧14的流场板16，示出了jt料电 池10的一个工作特征。反应气体R2M31A口 38供AM道18，并M51Mit 18 流向出口40。衝直18中的反应气体R2至少部分ffl31气体^J奂层20 (图l)向 阳极催化剂26扩散。同样地，反应气体RjM阴极侧12上的M 18并向阴 极催化剂24扩散。阴极催化剂24和阳极催化剂26分别催化反应气体R！和R2 以产生电化学反应，该反应使得阴极催化剂24和阳极催化剂26之间产生电流 (即，电子流)。
一般而言，沿着通道18 /AA口 38到出口 40反应气体R!和R2的分压(或 者例如是浓度)斷氐，这是由于阴极催化剂24和阳极催化剂26在电化学反应 中分别消耗反应气体R！和R2。反应气体R！和R2^^W 18的分压、浓度或 其它含量指标可用已知的方式估算。
燃料电池10的某些部分中，例如入口38的Pf贩，分压较高并产生会导致 所需的从阳极催化剂26到阴极催化剂24的正向电子流的电化学反应。被阴极 催化剂24消耗的反应气体R的量对应于在阳极催化剂26处产生正向电子流所 需要的第二反应气体R2的阈髓。在燃料电池10的其它部分中，例如出口40 的附鹏反应气体局部分布不均处附近，至少反应气体R2的分压较低。如果反 应气体R2的分压低于阈值(例如，燃料缺乏)，则电化学反应将产生不希望的 从阴极催化剂24到阳极催化剂26的反向电流。
在所示实施例中，燃料电池10的部分42所接收的反应气体R2的预期分压 或浓度通制氐于邻駄口 38处的分压。在该实施例中，部分42包括限制在电 化学反应中在阴极催化剂24处消耗的反应气体&的量以维持反应气体R2的阈 髓低于反应气体R2的预期分压这Ht征。这益于维持从阳极催化剂26至鹏 极催化剂24的正向电子流。图3所示为控制反应气体&的消耗的一个示例性特征。在该实施例中，阴 极侧12包括在聚合物^J奂膜22和阴极催化剂24之间的阻挡层54。在一个实施 例中，该阻挡层54包括碳离子交麟合物材料。
该阻挡层54阻止已经催化的反应气体^从阴极催化剂24至驟合物交^IM 22的大规模传输(即，限制氧气舰聚合物効奂膜22)。这会降低电化学反应 中已经催化的反应气体R,的量，并随之降低产生正向电子流所需的反应气体R2
的阈值量。这益于在部分42中保持反应气体R2的阈na低于预期量，以避免
不需要的反向电流，从而斷氐催化齐诉喊载体,的可能性。
图4所示为控制反应气体Ri的消耗的另一特征。在该实施例中，在阴极侧 12上的气体交换层20是多孔布层56，例如含有纤维58的碳无纺织物。纤维58 间的气 L在纤维58间提供鹏59，以4贩应气体& /AMit 18扩散到阴极催化 剂24。 i真料60至少部分阻碍反应气体R!扩fMl气孔。在该实施例中，填料 60 M强制反应气体&沿着环绕填料60的较长路径扩t^阻碍扩散。
在一实施例中，填料60包括适合限制反应气体R！流动的相对惰性的材料。 在另一实施例中，填料60包,化物材料，例如氧化锡或其^^属氧化物。在 另一实施例中，填料60包括聚合物材料，例如聚四氟乙烯。在另一实施例中， 糊60包括石墨材料。
在一实施例中，填料60 M已知方式沉积在布层56上，例如通过云塔 (cloud tower)或丝网印刷法。
在另一实施例中，布层56覆盖部分42和燃料电池10的至少另一部分。该 另一部分在填料60沉积之前被遮盖，以便填料60选择性i也仅仅沉积、在布层56 的部分42上。
图5为另一实施例，相比于;)t料电池10中的阴极催化剂24的其它部分62， 阴极催化剂24在催化部分61中包括^1>量的催化材料，例如铂。这会降低电 化学反应的已经催化的反应气体I^的量，并随之如前所述斷氐了产生正向电子 流所需的反应气体R2的阈ftt。
在一实施例中，催化材料ffi31已知的方式沉积在碳载体上。例如，ffi31控 制沉积的速率来沉积预期量的催化材料在碳载体上。在某些实施例中，遮盖碳 载体的选定部分以实现碳载体的不同区域中不同的催化材料量。
图6为改良的流场部分42的一个实施例。在该实施例中，部分42的fflif18，包括第一宽度Wi。在流场位于部分42上游的另一部分66中，鹏18具 有的第二宽度W2小于第一宽度W！。在一个实施例中，部分42和部分66具有 相同的间距(pitch)(即P所示的M18和通道壁17的总宽度)但是不同的通 道宽度。
在该实施例中，部分42中的较宽通道18，和较窄通it壁17，减少了可供 电化学反应的已经催化的反应气体R的量，并随之降低了产生正向电子流所需 的反应气体R2的阈H4。
众所周知，电化学反应产生副产物水。对于多孔流场板16， M31己知的方 式除去通道壁17面积上的水以允许反应气体R！扩散到阴极催化剂24，并且除 7jC的驗与鹏壁17的面积有关。因此，OT啲zK会限制反应气体R扩離lj 阴极催化剂24。在该实施例中，相比于部分66的较宽通道壁17,部分42中较 窄的通道壁17，将阻碍水的除去，并因而阻碍反应气体R]到阴极催化剂24的 扩散，以限制反应气体R！的消耗量并因此保持部分42中反应气体R2的阈f疆 低于其预期的分压。
图7A为另一示例性部分42。在该实施例中，部分42的鹏18，是平行 的。X^f周知，反应气体A在平fiWI阵列中大规模传输到阴极催化剂24的 主要手段是扩散。在流场位于部分42上游的另一部分70中，通道18是交指型 的。X)^f周知，反应气体R在効^M阵列中大规模传输至,极催化剂24的 主要手段是强制对流。
图7B示出了示例性部分42的通道18'的鹏深度D！，图7C示出了根据 图7A所示的截面线的部分70的鹏深度D2。在该实施例中，fflit深度D！比
M深度D2浅。
在该实施例中，沿着部分42在所选择的fflif中平行阵列和较浅的通道深度 D！使得流入部分42的反应气体R！与流入部分70的反应气体R！相比较少，因 而斷氏了可供电化学反应的反应气体R！的量，并随之陶氏了产生正向电流所需 的反应气体R2的阈H4。
在某些实施例中，部分42的平行阵列和较浅的M18'招氐电流密度时 对燃料电池10的性能影响可以忽略，但是在较高的电流水平时，对部分42的 电流密度有限制作用。
图8为改良的燃料电池10的一个实施例。在该实施例中，燃料电池10包^送已知冷却剂的冷却逾道80。冷却剂MA口 82进入7賴口逾道80并从出 口84流出。在该实施例中，7賴卩通道80所示为蛇形排列。在某些实施例中， 如图1中幻像所示，冷却通道80形鹏流场板16中。
i^f述实施例中，^4口齐iM^賴口通道80并带走电化学反应产生的热量。 一般地，燃料电池10的^^AA口38到出口40是升高的。^Ml向增加电化 学反应的速度，而化学反^I度的加决增加产生正向电子流所需的反应气体R2 的阈f鍾。在该实施例中部分42靠ifiA口82，第二部分86远离入口82。由于 7賴卩剂从其周围吸收热量，冷却齐IJ^J^一般从入口82到出口84是增加的。因 为部分42誕入口82，所以部分42接收较冷的)t4卩抓而非接收己经被燃料 电池10的其它部分预热的y賴卩剂。在一实施例中，7转卩ffiit80保持部分42比 部分86更凉，部分86沿着反应物R2的流向位于部分42的上游。这提供与传 统设置相反的温度变化。此外，该实施例减缓了部分42中的电化学反应，并随
之降低了维持正向电子流所需的反应气体R2的阈值量。
所示实施例限制预期具有较低的反应气体R2分压的燃料电池部分中反应 气体^的消耗量，以维持从阳极催化剂26到阴极催化剂24的所需的正向电子 流。在某些所示的实施例中，通过降低燃料不足的阈值在较高的燃料禾佣率下 所述特征增强燃料电池10的工作稳定性，并且在低至中等电流密度情况下对性 能不产生重大不良影响。
虽然所示实施例已经显示了特征的组合，但是并非所有特征都需要组合来 实现本发明各种实施方案的优点。换句话来说，根据本发明实施方案设计的系 统并不一定需要包括任意一张附图中所示的所有特征或附图中所示的所有部 分。 一个示例性实施方案中所选择的特征可能与其它示例性实施方案中所选择 的特征组合。
之前的描述仅仅是示例性的而不是实质上柳艮制。所示实施例的变化和改 进对于本领域技术人员可以是显然的，并不必偏离本发明的本质。本发明的法 定保护范围仅可由如下的禾又利要求来限定。
权利要求
1、一种用于燃料电池中的装置，包括接收第一反应物的阴极催化剂；接收预期量第二反应物的阳极催化剂，该阴极催化剂和阳极催化剂分别催化第一反应物和第二反应物发生电化学反应在阳极催化剂和阴极催化剂之间产生电流，其中，电化学反应消耗的第一反应物的量对应于为产生所需电子流所需要的第二反应物的阈值量；以及第一燃料电池部分，其特征包括限制第一反应物的消耗以维持所述阈值量在第二反应物预期量的所需范围内。
2、 如权利要求l所述的装置，其中第」燃料电池部分和燃料电池的另一部 分都包括具有让第一反应物流入阴极催化剂的开口的多 L层，而且其特征包括 部分阻塞开口的填料。
3、 如权利要求2所述的體，其中i辩斗选自氧化物材料、聚合物材料或碳 材料中的至少一种。
4、 如权利要求1所述的装置，其中该第一燃料电池部，括相同尺寸的第 一M，其特征在于包括至少一个与第一通道尺寸不同的第^J13t。
5、 如^^利要求1所述的装置，其特征包括该第一燃料电池部分具有接收第 一反应物的平行通道，并且其中燃料电池另一部分的流场包括接收第一反应物 的交指通道。
6、 如权利要求1所述的，，其包括催化材料，其特征包括相对于S^燃 料电池另一部分的催化材料的量，^a第一燃料电池部分的催化材料量更多。
7、 如权利要求l所述的體，其特征包括相比于燃料电池的另一部分，所 述第一燃料电池部分保持在更凉的a^
8、 如权利要求7所述的體，其中，该體包括具有^4卩剂入口和^4卩剂 出口的冷却鹏，比起7賴口齐咄口，織Ht料电池部分更^e冷却剂入口。
9、 如权利要求1所述的装置，其中第一燃料电池部分包括具有让第一反应 物流入阴极催化剂的开口的多孑L层，其特征在于織一燃料电池部分在邻近该 多孑L层处具有阻挡层来限制第一 反应物流向该阴极催化剂。
10、 如权利要求9所述的装置，包括在阴极催化齐诉,极催化剂之间的离子膜，并且所述阻挡层位于阴极催化剂和离子膜之间。
11、 一种用于it料电池的方法，包括限制^M料电池的阴极催化剂处的第一反应物的消耗，以M^、阳极催化剂 ^0f需的第二反应物的阈ttt。
12、 如权利要求ll所述的方法，包挪蹄U燃料电池组的所选部分中的第一反应物的消耗量。
13、 如权利要求12所述的方法，包括在燃料电池所选部分中{顿相对于在燃料电池其它部分中减少的催化材料量。
14、 如权利要求12所述的方法，包括在燃料电池所选部分中^ffi相对于在 燃料电池其它部分中减小的通道尺寸。
15、 如权利要求12所述的方法，包括在燃料电池所选部分中^顿平行的流 场通道，并且在燃料电池的其它部分中使用効旨的流场通道。
16、 如权禾腰求12所述的方法，包括相对于燃料电池的其它部分，将所选 部分维持在较低的》鹏。
17、 如权利要求ll所述的方法，包挪蹄悌一反应物流向阴极催化剂。
18、 如权利要求17所述的方法，包括部分阻塞第一反应物流向阴极催化剂。
19、 如权利要求18所述的方法，包括用:t辩斗部分卩腺流经阴极催化剂Pf逝 的多 L层的开口。
20、 如权利要求18所述的方法，包括用隔离层和布层部分P腺流动。
全文摘要
燃料电池(10)包括接收第一反应物的阴极催化剂(26)和接收预期量第二反应物的阳极催化剂(24)。该阴极催化剂(26)和阳极催化剂(24)分别催化第一反应物和第二反应物发生电化学反应在阴极催化剂(26)和阳极催化剂(24)之间产生电流。电化学反应中消耗的第一反应物的量对应于为产生从阳极催化剂(24)到阴极催化剂(26)正向电子流所需要的第二反应物的阈值量。燃料电池流场部分(42)包括限制第一反应物消耗量的特征(54，60，80，W₁，D₁)。
文档编号H01M8/00GK101416335SQ200580052429
公开日2009年4月22日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者J·P·迈尔斯 申请人:Utc电力公司