具有进出水管理特征的双极板的制作方法

专利名称：具有进出水管理特征的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池板，更具体地涉及这样的燃料电池板，其具 有与其内形成的出口相邻的疏水部以及与该疏水部相邻地形成在燃料
电池板的流道上的亲水部，其中所述亲水部和所述疏水部利于液态水 从该燃料电池板输送。此外，与其内形成的入口相邻的疏水部防止液 态水进入该燃料电池板。
背景技术：
燃料电池动力系统将燃料和氧化剂转换成电。
一种燃料电池动力
系统采用质子交换膜(以下称为"PEM")以催化方式利于燃料(例如 氢)和氧化剂(例如空气或氧气)反应而发电。PEM是一种固体聚合 物电解质，其利于质子在燃料电池动力系统通常采用的 一组燃料电池 的每一个体燃料电池中从阳极迁移到阴极。
在燃料电池动力系统的典型燃料电池组中，个体燃料电池形成供 各种反应物和冷却流体流过的通道。借助于反应物流过燃冲牛电池组件 的流动来使水从这些通道移动到燃料电池板的出口歧管。曳力拉动液 态水经过通道，直至液态水通过出口歧管退出燃料电池。然而，当燃 料电池在低功率输出下操作时，气流速度太低而不能产生有效的曳力 来输送液态水，从而液态水在流道中积聚。
利用气流曳力移除液态水的另 一限制在于，这些水可能会遇到具 有高表面能或低表面能的各种表面不规则部，或者水可能会遇到流道 表面上的钉扎点。由于曳力有可能不够强而不能有效输送液态水，因 而钉扎点有可能使水积聚成池，从而阻挡水流。这样的钉扎点为通常 位于通道入口和通道出口与燃料电池组件歧管相会之处的4丁扎点。
在各燃料电池板的出口孔处，水必须克服其边缘的钉扎力。而且， 对于亲水表面来说，存在沿液态水和水蒸汽的界面的小曲率半径方向 作用的毛细力。液态水和水蒸汽倾向于从产生具有曲率半径的水蒸汽 气体/液态水界面的区域(例如歧管)向产生具有小曲率半径的气/液界 面的区域(例如流道)流动。气/液界面的曲率半径根据其中形成界面的区域的尺寸而变化。例如，当该区域的宽度或其他尺寸增大时，界
面的曲率半径也增大。毛细力由以下等式表示
^ =尸未沾湿—尸沾湿=
x co" 其中
尸未w =气(空气或氬气)相^力 尸雄=液(水)相压力
cr =液体表面张力
6 =4争态接触角
i =气/液界面曲率半径
对于具有亲水表面(即，e<90°)的燃^牛电池双才及板来说，在不存 在反应气流的情况下，残留水可被从出口歧管拉入流道。此外，在冷 操作环境下，有可能在各燃料电池板的入口孔上游的入口歧管中形成 冷凝物。反应气流和毛细力可致使冷凝物从入口歧管流入流道。为了 移除积聚的水，可使反应物通过燃料电池组件的流速或者各燃料电池 板的压降增大。然而，增大的流速或压降降低了燃料电池系统的效率。
此外，积聚在燃料电池板上的水有可能在燃料电池组件中结水。 水和水的存在会影响燃料电池组件的性能。在燃料电池组件的典型操 作期间，来自燃料电池反应的废热加热组件并妨碍组件中的蒸汽凝结 和结水。在水点下在燃料电池组件的起始操作或低动力操作期间，燃 料电池板的流道中以及出口歧管边缘处的冷凝水有可能在燃料电池组 件内结水。结水现象会限制反应物流，从而引起燃料电池系统的电压 损失和不良操作。
为了进一步利于除水，有些燃料电池组件利用具有亲水涂层或亲 水结构(例如，泡沫、纱布条或筛网)的板。观察到水在亲水材料的 表面上形成膜。该膜倾向于积聚在流道的出口和板的周边。水膜会阻 塞气流，这又会降低用于移除液态水的驱动力，从而妨碍从燃料电池 组件移除液态水。在具有适度疏水表面的燃料电池板的情况下，观察 到水形成大的水滴突入到燃料电池组件的出口歧管中，阻塞燃料电池 板的通道出口。观察到水滴留在板边缘处，直到可被气体剪力间歇性 地移除。水积聚可致使气流阻塞或者流动失稳，这会致使燃料电池组
6件不良操作。具有亲水涂层的燃料电池板制造起来会比较昂贵。通常， 利用真空方法将亲水涂层布置在燃料电池板上，所述真空方法例如为
等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法、溶胶-凝胶方法以及原 子层淀积(ALD)方法。亲水泡沫、亲水纱布条(wick)或亲水筛网 (mesh)的使用增加了燃料电池组件的材料成本、组装成本以及组装 时间。
期望开发一种用于燃料电池组件的燃料电池板，其具有用于从燃 料电池板的流道移除液态水的改进装置，从而使燃料电池组件内的液 态水积聚最少。

发明内容
根据本发明，公开了一种用于燃料电池组件的燃料电池板，其具 有用于从燃料电池板的流道移除液态水的改进装置，从而使燃料电池 组件内的液态水积聚最少。
在一个实施方式中，燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和 出口孔，并具有形成在所述入口孔和出口孔之间并与所述入口孔和出 口孔流体连通的多个流道；在所述流道上与所述出口孔相邻形成的疏 水部；以及在所述流道上与所述疏水部相邻形成的亲水部，在所述疏 水部和所述亲水部之间形成界面，其中所述疏水部和所述亲水部利于
水从所述流道向所述出口孔的输送。
在另一实施方式中，燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和 出口孔，并具有形成在所述入口孔和出口孔之间并与所述入口孔和出 口孔流体连通的多个流道；在所述流道的至少一部分上与所述入口孔 和出口孔相邻形成的疏水部；以及在所述流道上与所述疏水部相邻形 成的亲水部，在所述疏水部和所述亲水部之间形成界面，其中所述疏 水部和所述亲水部利于水离开所述流道的输送。
在另一实施方式中，燃料电池组包括多个燃料电池板，每个所述 燃料电池板具有其内形成的入口孔和出口孑L,以及形成在所述入口 孔和出口孔之间并与所述入口孔和出口孔流体连通的多个流道；在所 述流道上至少与所述出口孔和所述入口孔相邻形成的疏水部；以及在 所述流道上与所述疏水部相邻形成的亲水部，在所述疏水部和所述亲 水部之间形成界面，其中所述疏水部和所述亲水部利于水从所述流道向所述出口孔的输送。


根据附图考虑优选实施方式的以下详细说明，本领域技术人员将
会很容易清楚本发明的以上及其他优点，在附图中
图1是包括根据本发明实施方式的多个燃料电池板的燃料电池组
件的剖切平面图2是根据本发明实施方式的包括与疏水部相邻的亲水部的燃料
电池板的俯一见图3是图2所示的燃料电池板的出口孔的局部放大俯视图； 图4是图2所示的燃料电池板的入口孔的局部放大俯视图； 图5是根据本发明另一实施方式的燃料电池板的出口孔的局部放
大俯-见图6是根据本发明另一实施方式的燃料电池板的出口孔的局部放 大俯一见图7是根据本发明另 一 实施方式的燃料电池板的局部俯视图。
具体实施例方式
以下详细说明及附图描述并图示了本发明的各种示例性实施方 式。这些描述和附图用于使本领域技术人员能够制造并使用本发明， 而不旨在以任何方式限制本发明的范围。对于所公开的方法而言，所 提供的步骤在本质上是示例性的，因而步骤的顺序既非必须也非关键。
图2示出由一对单极板形成的双极燃料电池板10的俯视图。燃料 电池板10包括多个入口孔12、多个出口孑L 14以及多个流道16。燃料 电池板10包括形成在其上的亲水部18和疏水部20。如图1所示，当 多个燃料电池板10堆叠在燃料电池组件11的燃料电池組中时，各燃 料电池板10的入口孑L 12共同形成入口歧管13,各燃料电池板10的出 口孑L 14共同形成出口歧管15。入口歧管13与燃料电池组件11的入口 17流体连通，并且出口歧管15与燃料电池组件11的出口 19流体连通。
应理解，燃料电池组件11中的板10的构成材料、尺寸、形状、 数量及类型以及组件11内的燃料电池板10的构造可根据设计参数而 异，这些参数例如为发电量、由燃料电池组件11提供动力的机器尺寸、气体经过燃料电池组件11的体积流率以及其他类似因素。燃料电池板
IO可由例如石墨、碳化合物或冲压金属之类的传统材料形成。图2所 示的燃料电池板IO可用于燃料电池组件11的阳极侧或阴极侧。
如图2所示，燃并牛电池寺反10具有三个入口孔12和三个出口孔14。 入口孔12和出口孔14适于通过燃料电池组件11分布反应气体和冷却 剂。燃料电池板10可根据需要具有任何数量的入口孔12和出口孔14 以及孔12、 14的任何构造。在燃料电池板10的外表面上形成反应物 流道16,在相邻流道之间形成流道岸(land) 21。然而，流道16还可 形成为介于燃料电池寺反10的内表面之间的通^各。如所示，流道16和 流道岸21基本上是线性的，但根据需要也可以是波形、蛇形或具有其 他构造。还应理解，根据需要，流道16可与贯通燃料电池板10的表 面形成的流动孔连通，这些流动孔与孔12、 14相邻并与其连通。流动 孔利于在相邻燃料电池板IO之间设置垫圈的应用，因为其在垫圏周围 提供用于使流道16与孔12、 14之间流体连通的路径。
亲水部18通常为燃料电池板10的活性区26的流道16上由亲水 材料形成的涂层。亲水部18与疏水部20相邻地形成。应理解，所述 亲水材料可以是硅氧化物(SiOx)、钛氧化物或其他金属氧化物。根据 需要，所述亲水材料可通过溶胶-凝胶工艺或其他化学方法制备。还 应理解，亲水部18可才艮据需要伸出活性区26外，并且可通过例如表 面处理之类的其他方法形成。还应理解，亲水部18可施加到双极板10 的阳极侧或阴极侧。另选的是，可在冲压操作而形成板之前，在期望 部位将亲水部18施加至整体供应的金属片材，从而在冲压操作并结合 单极板之后，亲水部18形成为图2中所示。
疏水部20通常为由疏水材料形成的涂层。疏水部形成在流道16 上，介于亲水部18和出口孔14之间。疏水部20延伸至燃料电池板10 的与孔12、 14相邻的边缘22。疏水部20基本上抵接亲水部18,在它 们之间限定界面24。在所示实施方式中，界面24为直线形；然而应理 解，根据需要，界面24可为三角形、圆形、线性形状或其他形状。应 理解，根据需要，疏水涂层可以是通过溶胶-凝胶工艺或其他化学方 法制备的硅烷、硅树脂、矽烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙 烯、碳氟化合物。还应理解，疏水部20可根据需要延伸到活性区26 内，还可通过例如表面处理之类的其他方法形成。
9为了在燃料电池板10上形成亲水部18和疏水部20，可利用多种 工艺。在一种工艺中，可将燃料电池板10及其入口孔12浸在亲水材 料中，直到与出口孔14相邻的期望界面24。然后，将燃料电池板10 转过180°，浸在疏水材料中，直到期望界面24。在一个实施方式中， 在入口孔12和出口孑L 14附近都形成疏水部20。为了利于该实施方式， 可施加适当掩模以覆盖入口孔12和出口孔14。然后将整个被掩盖的燃 料电池板10浸在亲水材料中。可将掩模移除，将燃料电池板10浸在 疏水材料中，直到与出口孔14相邻的期望界面24。之后，将板10转 过180°,浸在疏水材料中，直到与入口孔12相邻的期望界面24。除这 些实施方式之外，为了利于亲水至疏水涂层过渡24,燃料电池板10的 一部分可不具有布置在亲水部18和疏水部20之间的涂层。而且，亲 水部18和疏水部20可重叠以容许位置公差。
可选的是，可通过利用喷涂或刷涂工艺施加亲水材料而在燃料电 池板10上形成亲水部18。接着，将多个燃料电池板10堆叠在燃料电 池组件11中，且燃料电池板IO被压缩。然后，将疏水材料喷涂到燃 料电池组件11的入口歧管13和出口歧管15中或以其他方式致^使疏水 材料流入到入口歧管13和出口歧管15中，从而使其粘附到燃料电池 板10的与歧管13、 15相邻的一部分上，从而形成各燃料电池板10的 疏水部20。为了最大化疏水部20的面积，可在压缩燃料电池^反10之 前使疏水材料流入歧管13、 15中。
还可通过利用化学气相淀积(CVD)工艺施加亲水材料而在燃料 电池^反10上形成亲水部18。亲水部18形成在燃诗牛电池+反10的活性区 26的流道16上。在燃料电池板10上布置适当掩才莫以阻碍亲水材料施 加在燃料电池板10的疏水部20上。然后，将掩^t移除，将疏水材料 施加到燃料电池板10以形成疏水部20。在亲水部18与疏水部20纟氐接 之处形成界面24。对于某些CVD工艺，可通过在淀积工艺之后施加纯 气体等离子体而使亲水材料疏水或者使疏水材料亲水。因此，可利用
CVD工艺使整个燃料电池板10涂覆有疏水材料，然后可利用纯气体等 离子体使燃料电池板10的期望部位亲水而形成亲水部18。
而且，可通过利用常压空气等离子体工艺的等离子体聚合而在燃 料电池板IO上形成亲水部18。将呈粉末、液态或悬浮物形式的硅氧化 物(SiOx)、钛氧化物或其他金属氧化物原材料引入赋能的等离子体羽辉(plasma plume )中，使其聚合并施加到燃料电池板10。等离子体羽 辉通常为压缩空气，但是根据需要，等离子体羽辉也可以是氮气、氧 气或其他惰性气体。可选的是，可在利用常压空气等离子体羽辉进行 处理之前使燃料电池板10涂覆有珪前体(silica precursor )。来自等离 子体羽辉的能量从硅前体去除有机污染物并进行聚合，从而致使在燃 料电池板IO上形成硅氧化物亲水部18。根据需要，所述硅前体可以是 六曱基二硅醚(HMDSO)、六甲基二硅胺烷(HMDSN)、四乙基原硅 酸盐(TEOS)或任何其他合适的硅前体。前体原材料颗粒与等离子体 羽辉及燃料电池板10的相互作用可根据工艺参数而异，这些工艺参数 诸如为原材料类型、等离子体气体组分、等离子体羽辉流速、输入等 离子体羽辉的能量大小、等离子体源与燃料电池板10的距离等。在
SiOx淀积之后，可使燃料电池板10经受后处理工艺，其中利用常压空 气等离子体处理涂覆有SiOx的燃料电池板10，以利用烃基修改SiOx 而获得期望的亲水性。
利用以下示例性工艺形成具有亲水部18的燃冲牛电池^反10,该亲水 部18具有期望的亲水特性。利用赋能的等离子体羽辉处理燃料电池板 10以从其去除有机材料。等离子体羽辉的电流可以在2.5至3安的范 围内，并且为130至150伏。然后，将燃料电池板IO浸入HMDSO中， 或刷涂HMDSO,并使其干燥二至五分钟。然后利用赋能的常压空气等 离子体羽辉对浸有HMDSO的燃料电池板10进行处理。来自等离子体 羽辉的能量从前体移除有机污染物，从而致使在燃料电池板10上形成 硅氧化物亲水部18。产生的亲水部18的厚度在0.1至1微米之间。通 过直径为2mm并以10mm/s的速率在燃料电池板10的表面上移动的喷 嘴来发射等离子体羽辉。
通常，在燃料电池动力系统的操作期间，氢反应物被供应到燃料 电池组件11的阳才及。同时，氧反应物^皮供应到燃料电池组件11的阴 极。在阳极侧，氬被催化裂解成原子和电子。半电池氧化反应表示为 //2 e2/T + 2e-。在聚合物电解质膜燃料电池中，原子透过该膜至阴极侧。 电子沿外部加载电流移动到阴极侧，形成燃料电池组件11的电流。在 阴极侧，氧与透过膜的原子以及来自外部电流的电子反应而形成水分
子。该半电池还原反应表示为4/T+4e-+02 e2i/20。来自阳极侧的阳
极排气经过背压控制阀流至燃烧室，或者可选地回收到阳极入口歧管13。来自阴极侧的阴极排气经过第二背压控制阀流至燃烧室，或者流 至外界环境。控制模块通常通过响应于来自燃料电池组件11所连接的 压力传感器和电力传感器的信号操作各种控制阀、背压控制阀和压缩 器，来调节氢气流、氧气流和排气流的状态。
在燃料电池组件11的操作期间，在燃料电池组件11的阴极侧，
在燃4+电池板10的流道16中形成液态水水滴。 一些水也可能会纟皮输 送到阳极流道中，或者可能通过由于氢的消耗而导致的冷凝形成在阳 极通道中。应理解，这里针对阴极侧所述的操作与燃料电池组件11的 阳极侧的操作类似。 一旦水接触亲水部18,就会横穿亲水部18扩散而 阻碍水冲击形成。流过阴极侧的空气流致使水滴朝向出口歧管15流过 流道16。水蒸汽也朝向出口歧管15流动。
毛细力沿着/人歧管13、 15至流道16的方向作用，这是因为毛细 力倾向于从具有产生水蒸汽气体/液态水界面(该界面具有曲率半径) 的宽度的区域(例如歧管13、 15)向具有产生气/液界面(该界面具有 较小的曲率半径)的较窄宽度的区域(例如流道16)流动。然而，在 存在疏水部20的情况下， 一旦液态水和水蒸汽^ 皮强制经过疏水部20 而进入出口歧管15，疏水部20就会阻碍水从出口歧管15流入流道16 中。形成在入口歧管13附近的疏水部20也阻碍水从入口歧管13流入 流道16中。由于经过入口歧管13的反应物流通常具有小于百分之一 的相对湿度，因而积聚在入口歧管13中的水在燃料电池组件11的操 作期间将会蒸发。
图5示出除以下描述外与图2的燃料电池板10类似的、根据本发 明实施方式的燃料电池板10'。图5中与图2重复的相同结构包括相同 的附图标记以及撇号角标(')。燃料电池板10'包括形成在其上的亲水 部18'和疏水部20'。疏水部20'与出口孔14'相邻并与其流体连通。
与燃料电池板10类似，燃料电池板10'具有形成在其外表面上的 流道16'。在相邻的流道16'之间形成有流道岸21'。流道16'还可形成 为介于燃料电池板10'的内表面之间的通路。
亲水部18'通常为燃料电池板10'的活性区的流道16'上由亲水材料 形成的涂层。亲水部18'与疏水部20'相邻地形成。亲水部18'的流道16' 和流道之间形成的流道岸21'具有基本均勻的宽度。亲水材料可以是硅 氧化物(SiOx)、钛氧化物或其他金属氧化物。根据需要，所述亲水材料可通过溶胶-凝胶工艺或其他化学方法制备。还应理解，亲水部18'
可根据需要伸出活性区外，并且可通过例如表面处理之类的其他方法 形成。
疏水部20'通常为由疏水材料形成的涂层。疏水部形成在流道16' 上，介于亲水部18'和出口孔14'之间。疏水部20'的各个流道16'至少 具有这样的部分，该部分的宽度W大于亲水部18'的流道16'的宽度。 在所示的实施方式中，宽度W沿出口孔14'的方向逐渐增大，而疏水部 20'的流道16'之间形成的流道岸21'的宽度W'沿出口孔14'的方向逐渐 减小。应理解，根据需要，疏水部20'的流道16'的宽度W可以是均勻 的。疏水部20'延伸至燃料电池板10'的与出口孑L 14'相邻的边缘22'。 疏水部20'基本上^氐接亲水部18',在它们之间限定界面24'。在所示实 施方式中，界面24'为直线形；然而，应理解，根据需要，界面24'可 为三角形、圆形、线性形状或其他形状。还应理解，通道宽度W开始 增大的部位可以与^1的亲水部18和疏水部20之间的界面24重合。还 应理解，根据需要，疏水涂层可以是由溶胶-凝胶或其他化学涂层法 制备的硅烷、硅树脂、矽烷、氟硅烷、聚二曱基硅氧烷、聚四氟乙烯 或碳氟化合物。还应理解，疏水部20'可根据需要延伸到活性区内，并 且可通过例如表面处理之类的其他方法形成。
在燃料电池组件的操作期间，在燃料电池组件的阴极侧，在燃料 电池板10'的流道16'中形成液态水水滴。 一些水也可能会被输送到阳 极流道中，或者可能通过由于氢的消耗而导致的冷凝形成在阳极通道
操作i似。 一旦水接触亲水部18':就会一tfi水部18'扩散而阻碍水 冲击形成。流过阴极側的空气流致使水滴朝向燃料电池组件的出口歧 管流过活性区的流道16'。水蒸汽也朝向出口歧管流动。
毛细力沿着从歧管至流道16'的方向作用，这是因为毛细力倾向于 从具有产生水蒸汽气体/液态水界面(该界面具有曲率半径)的宽度的 区域(例如歧管)向具有产生气/液界面(该界面具有较小的曲率半径) 的较窄宽度的区域(例如流道16')流动。然而，在存在疏水部20'的 情况下， 一旦液态水和水蒸汽被强制经过疏水部20'而进入出口歧管， 疏水部20'就会阻碍水从出口歧管流入流道16'中。形成在入口歧管附 近的疏水部20'也阻碍水从入口歧管流入流道16'中。由于经过入口歧
13管的反应物流通常具有小于百分之一 的相对湿度，因而积聚在入口歧 管中的水在燃料电池组件操作期间将会蒸发。
图6示出除以下描述外与图2的燃料电池板10类似的、根据本发 明实施方式的燃料电池板10〃。图6中与图2相同的结构包括相同的附 图标记以及双撇号角标(〃)。燃料电池板10〃包括形成在其上的亲水部 18〃和疏水部20〃。疏水部20〃与出口孔14〃相邻并与其流体连通。
亲水部18〃为燃料电池板10〃的活性区的流道16〃上由亲水材料形 成的涂层。亲水部18〃与疏水部20〃相邻地形成。亲水部18〃的各个流 道16〃的一部分具有宽度W。亲水部18〃的各个流道16〃的第二部分具 有宽度W',宽度W'小于宽度W。流道16〃的具有宽度W'的第二部分 形成在疏水部20〃附近。在所示实施方式中，流道16〃的第二部分具有 沿出口孔14〃的方向逐渐减小的宽度W'。根据需要，亲水部18〃的流道 16〃的所述一部分的宽度W可以是均匀的或者可以变化。而且，根据需 要，流道16〃的第二部分可具有比宽度W大的均匀宽度W'。根据需要， 所述亲水材料可以是硅氧化物(SiOx)、钛氧化物、其他金属氧化物、 溶胶-凝胶或其他化学涂层。还应理解，亲水部18〃可根据需要延伸出 活性区外。
疏水部20〃通常为由疏水材料形成的涂层。疏水部形成在流道16〃 上，介于亲水部18〃和出口孑L 14〃之间。疏水部20〃的各个流道16〃至少 具有这样的部分，该部分的宽度W〃大于亲水部18〃的流道16〃的宽度 W'。在所示的实施方式中，宽度W〃沿出口孔14〃的方向逐渐增大。疏 水部20〃的流道16〃之间形成的流道岸21〃的宽度W'〃沿出口孑L 14〃的方 向逐渐减小。应理解，根据需要，疏水部20〃的流道16〃的宽度W〃可 以是均匀的。疏水部20"延伸至燃料电池板10〃的与出口孔14〃相邻的 边缘22"。疏水部20〃基本上抵接亲水部18"，在它们之间限定界面24〃。 界面24〃可以位于收敛(或者不变的)通道宽度与发散(或者不变的) 通道宽度的区域之间的过渡处，如图5和图6所示；或者根据需要位 于其他部位。在所示实施方式中，界面24〃为直线；然而应理解，根据 需要，界面24〃可为三角形、圆形、线性形状或其他形状。应理解，根 据需要，疏水涂层可以是通过溶胶-凝胶或其他化学涂层法制备的硅 烷、硅树脂、矽烷、氟硅烷、聚二曱基硅氧烷、聚四氟乙烯或碳氟化 合物。还应理解，疏水部20〃可根据需要延伸到活性区内，并且可通过例如表面处理之类的其他方法形成。
在燃料电池组件的操作期间，在燃料电池组件的阴极侧，在燃料
电池板10〃的流道16〃中形成液态水水滴。 一些水也可能会^皮输送到阳
极流道中，或者可能通过由于氢的消耗而导致的冷凝形成在阳极通道
操作类似。 一旦水接触亲水部18":就会一tf';水部18〃扩散而阻碍水 冲击形成。流过阴极侧的空气流致使水滴朝向燃料电池组件的出口歧 管流过活性区的流道16〃。水蒸汽也朝向出口歧管流动。燃料电池组件 中的水蒸汽和液态水之间形成气/液界面。为了进一步利于液态水和水 蒸汽朝出口歧管流动，毛细力沿从流道16〃的亲水部18〃的第一部分至 亲水部18〃的第二部分的方向作用。由于毛细力倾向于从具有产生气/ 液界面(该界面具有曲率半径)的宽度的区域(例如流道16〃的所述一 部分)向具有产生气/液界面(该界面具有较小曲率半径)的较窄宽度 的区域(例如流道16〃的第二部分)流动，因而液态水和水蒸汽从第一 部分流向第二部分。
毛细力沿着从歧管至流道16〃的方向作用，这是因为毛细力倾向于 从具有产生气/液界面(该界面具有曲率半径)的宽度的区域(例如歧 管)向具有产生气/液界面(该界面具有较小曲率半径)的较窄宽度的 区域(例如流道16〃)流动。然而，在存在疏水部20〃的情况下， 一旦 液态水和水蒸汽^皮强制经过疏水部20〃而进入出口歧管，疏水部20〃就 会阻碍水从出口歧管流入流道16〃中。形成在入口歧管附近的疏水部 20〃也阻碍水从入口歧管流入流道16〃中。由于经过入口歧管的反应物 流通常具有小于百分之一的相对湿度，因而积聚在入口歧管中的水在 燃料电池组件操作期间将会蒸发。
亲水部18与疏水部或未涂覆部之间的过渡或界面24的构造必须 考虑到双极板10的具体尺寸特征。例如，某些双极板具有使反应物流 出入所述板的电化学活性部分的几何形状，如图7所示的燃料电池板 110,而不是如图2至图6中所示的具有突然开始并终止于公共歧管处 的流道16。燃泮牛电池^反110包4舌位于入口孔112和出口孑L 114处的非 电化学活性区117,以利于反应物气体在由相邻孔112、 114形成的歧 管之间向燃^l"电池活性区126流动。在活性区，阳才及反应物流和阴扨^ 反应物流主要以并4亍方式并流或对流。而且，燃料电池板110的几何特征可包括流道(未示出)，这些流道允许气体在燃料电池板110的单
极板之间流动。亲水部118与疏水区120或未涂覆部之间的界面124 可与活性区26的与孔112、 114相邻的边缘对准或者位于非活性区117 的与孔112、 114相邻的边缘处。
与端口流体连通的管道121利于反应物气体在入口孔112与出口 孔114之间向双极板110的流道116流动。附加实施方式涉及制备其上 基本上涂覆有亲水涂层的燃料电池板110。根据需要，管道121的一部 分可包括疏水涂层，或者管道121可不被涂覆。另选的是，除了管道 121的一部分具有疏水涂层以外，整个燃料电池板110可不被涂覆。
应理解，这里所述的燃料电池板的亲水部、疏水部和未涂覆部的 各种构造可应用于燃料电池板的阳极侧或阴极侧，或应用于燃料电池 板的两侧。双极板的阳极侧和阴极侧上的涂层构造可以不同。而且， 可在单极板上施加涂层，使得在结合单极板时，可在最终的双极板上 形成一个或多个涂层构造。
根据以上描述，本领域技术人员可容易地得知本发明的主要特征， 并且可在不背离本发明的精神和范围的情况下，对本发明进行各种变 更和修改以使其适于各种应用和各种情况。
权利要求
1.一种燃料电池板，该燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和出口孔，并具有在所述入口孔和出口孔之间形成并与所述入口孔和出口孔流体连通的多个流道；在所述流道上与所述出口孔相邻形成的未涂覆部和疏水部中的一个；以及在所述流道上与所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个相邻形成的亲水部，在所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个与所述亲水部之间形成界面，其中所述亲水部以及所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个利于水从所述流道向所述出口孔输送。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述界面为三角形、 圆形、线性形状和曲线形状中的一种形状。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池板，还包括介于所述孔和所述 亲水部之间布置的非活性区，其中所述疏水部和所述未涂覆部中的所 述一个形成在所述非活性区上。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述疏水部和所述未 涂覆部中所述一个的流道的宽度大于所述亲水部的流道的宽度。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述亲水部的一部分 小于所述亲水部的其余部分的宽度。
6. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述亲水部的一部分 小于所述亲水部的其余部分的宽度，并且所述疏水部和所述未涂覆部 中的所述一个的流道宽度大于所述亲水部的所述一部分流道的宽度。
7. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述亲水部为从金属 氧化物混合物和金属氧化物中的 一种选择的涂层。
8. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述疏水部为硅烷、 硅树脂、矽烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和碳氟化合物 中的一种。
9. 根据权利要求1所述的燃料电池板，还包括与所述入口孔相邻 地形成在所述流道上的疏水部。
10. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述板为具有阴极侧 和阳极侧的双极板。
11. 根据权利要求10所述的燃料电池板，其中所述亲水部以及所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个形成在所述阴才及侧或所述阳招^ 侧上，或者形成在所述阴极侧和所述阳极侧二者上。
12. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述亲水部和所述疏水部重叠。
13. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述未涂覆部和所述 疏水部中的所述 一 个为疏水部，并且在所述亲水部和所述疏水部之间形成未涂覆部。
14. 根据权利要求1所述的燃料电池板，还包括在所述板中形成的 多个管道，这些管道在所述流道与所述入口孔和所述出口孔的至少之 一之间形成流体连通。
15. 根据权利要求14所述的燃料电池板，其中所述多个管道中的 一部分包括疏水涂层。
16. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中所述未涂覆部和所述 疏水部中的所述 一 个为疏水部，并且所述亲水部和所述疏水部均通过 喷涂工艺、浸渍工艺、刷涂工艺、化学气相淀积工艺、等离子体增强 化学气相淀积(PECVD)中的至少一种，借助于利用常压空气等离子 体工艺进行等离子体聚合而通过溶胶-凝胶形成在所述流道上，并且 在冲压所述板之前形成在整体供应的金属片材上。
17. —种燃料电池板，该燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和出口孔，并具有在所述入口孔和出口孔 之间形成并与所述入口孔和出口孔流体连通的多个流道；多个管道，这些管道形成在所述板中，并在所述流道与所述入口 孔和所述出口孔至少之一之间形成流体连通；以及在所述多个管道的 一 部分或所述流道上形成的涂层。
18. 根据权利要求17所述的燃料电池板，其中所述涂层为在所述 流道上形成的亲水涂层或者在所述多个管道的所述一部分上形成的疏 水涂层。
19. 根据权利要求18所述的燃料电池板，其中所述涂层通过喷涂 工艺、浸渍工艺、刷涂工艺、化学气相淀积工艺、等离子体增强化学 气相淀积(PECVD)中的至少一种，借助于利用常压空气等离子体工 艺进行等离子体聚合而通过溶胶-凝胶形成，并且在冲压所述板之前 形成在整体供应的金属片材上。
20. —种燃妹牛电池组，该燃并牛电池组包4舌多个燃料电池板，每个所述板均具有形成在其内的入口孔和出口 孔，以及形成在所述入口孔和出口孔之间并与所述入口孔和出口孔流 体连通的多个流道；至少与所述出口孔和所述入口孔相邻地形成在所述流道上的未涂 覆部和疏水部中的一个；以及在所述流道上与所述未涂覆部和所述疏水部中的所述一个相邻形 成的亲水部，在所述疏水部和所述未涂覆部中的所述 一 个与所述亲水 部之间形成界面，其中所述亲水部以及所述未涂覆部和所述疏水部中 的所述一个利于水从所述流道向所述出口孔输送。
全文摘要
本发明涉及具有进出水管理特征的双极板。公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件利用这样的燃料电池板，该燃料电池板具有与其内形成的入口和出口相邻的疏水部以及与该疏水部相邻地形成在燃料电池板的流道中的亲水部，其中所述亲水部和所述疏水部利于液态水从燃料电池板的输送。
文档编号H01M4/86GK101582516SQ20091014092
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者G·V·达赫奇, J·A·洛克, J·P·奥维简, S·J·斯潘塞, T·A·特拉博尔德 申请人:通用汽车环球科技运作公司