專利名稱：微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在諸如燃料電池等電化電池中膜電極組件的流場(chǎng)。本發(fā)明的流場(chǎng)包括大量的微流通道，這些微流通道最好由相同尺寸的槽脊特征物隔開并且最好具有微結(jié)構(gòu)化特征。在燃料電池中，本發(fā)明的流場(chǎng)增強(qiáng)了燃料分布、改進(jìn)了水份操縱，并且改進(jìn)了電和熱擴(kuò)散。
背景技術(shù)：
美國專利5,108,849涉及一種7通道的蛇形流場(chǎng)設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中，7條蛇形通道平行排列。該蛇形設(shè)計(jì)使得通道是流場(chǎng)活動(dòng)部分的實(shí)際長度的5-15倍。但是，這卻增加了板上的壓降。已知的蛇形流場(chǎng)還傾向于沿通道產(chǎn)生反應(yīng)物消耗，因通道長度以及相對(duì)較短的反應(yīng)物停留時(shí)間而發(fā)生抑止(當(dāng)一層停滯的消耗氣體起擴(kuò)散屏障作用時(shí))，以及發(fā)生隆起(當(dāng)DCC材料膨脹進(jìn)入流場(chǎng)板通道中時(shí))。在目前的理論研究中，Yi和Nguyen(Y.S.Yi和T.Nguyen，論文參見1995年，Proc.lst Internat.Symp.PEM燃料電池，第66-75頁，編者為S.Gottesfeld，G.Halpert和A.Landgrebe)還披露，對(duì)于經(jīng)典的蛇形流場(chǎng)，使反應(yīng)物在槽脊區(qū)域下擴(kuò)散遇到的困難度會(huì)極大地影響可以從一給定燃料電池中獲得的最大電流密度。
McElroy(美國專利4,855,193)，Wilson(美國專利5798187)和Zawodzinski等人(C.Zawodzinski，M.S.Wilson和S.Gottesfeld，論文參見1995年，Proc.lst Internat.Symp.PEM燃料電池，第57-65頁，編者為S.Gottesfeld，G.Halpert和A.Landgrebe)評(píng)價(jià)了對(duì)傳統(tǒng)蛇形流設(shè)計(jì)增加方形組織金屬篩網(wǎng)型的流分配器的情況。這些流場(chǎng)可以包括金屬鋼絲織物或篩網(wǎng)，其中金屬鋼絲形成一系列的卷繞、組織、卷曲或其它波狀外形。此方法有若干缺點(diǎn)，包括反應(yīng)物分布不均勻、水份操縱問題和腐蝕。
同樣，美國專利5,641,586涉及一種兩層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，是一個(gè)多孔層覆蓋在一層具有叉指狀流體通道的層上。
發(fā)明簡述本發(fā)明提供一種改進(jìn)的用于電化電池的流場(chǎng)，該流場(chǎng)包括一條或多條微流通道，通道的深度或?qū)挾?或者最好兩者)均小于800μm，宜小于650μm、更好是小于250μm，最好在125和250μm之間。這些微流通道的間距小于800μm，宜小于650μm，更好是小于250μm，最好在125和250μm之間。本發(fā)明的微流通道還可在通道內(nèi)包括許多微特征物，這些微特征物的深度和寬度尺寸小于通道深度和寬度尺寸的80％，宜小于50％，更好是小于20％。微特征物的尺寸宜小于160μm，更好是小于100μm。帶微特征物的流場(chǎng)可以具有深度或?qū)挾冗_(dá)到3mm的通道，并且仍保持本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。在一較佳實(shí)施例中，這些微流通道用的是一種高度平行的圖案，該圖案中可以包有許多互連部分或分枝點(diǎn)。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供包含本發(fā)明微通道流場(chǎng)的流場(chǎng)板。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供包含本發(fā)明微通道流場(chǎng)的擴(kuò)散體-集電器(DCC)。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供包含本發(fā)明微通道流場(chǎng)的燃料電池，或者包含本發(fā)明微通道流場(chǎng)的DCC。
本發(fā)明的流場(chǎng)通過使用帶附加的更小特征物的且高度平行的微流體通道，可以獲得更為均勻的反應(yīng)物分布、更為均勻的壓力分布，改善了燃料電池堆疊中的水份操縱，提高了性能。另外，本發(fā)明的流場(chǎng)可以減小流場(chǎng)板和/或DCC的厚度，可以減小堆疊的重量、體積、成本和內(nèi)電阻。
如本文中所用的，“擴(kuò)散體-集電器”或“DCC”是指電化電池中與催化劑活性部位相鄰的一個(gè)層，可以供反應(yīng)物和生成物以及電流傳輸?shù)竭@些活性部位和離開這些活性部位，所述層宜為多孔的導(dǎo)電材料；“高度平行”是指包含許多具有相同功能的元件，具體是指具有許多與同一入口與同一出口相連的通道。
“無分枝縱橫比”是無分枝通道段的長度與其水力半徑的比；“水力半徑”是通道截面積除以截面周長，例如圓形通道的水力半徑是其直徑的1/4；“流場(chǎng)”是指電化電池的一個(gè)部件，它允許諸如反應(yīng)物氣體和廢氣和液體等流體出入反應(yīng)區(qū)域。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種流場(chǎng)，它通過改進(jìn)水和反應(yīng)氣物體的的分布來改善燃料電池的性能。
附圖概述

圖1是本發(fā)明三種燃料電池極化曲線的電壓與電流密度的曲線圖。
圖2是本發(fā)明兩種燃料電池以及一種比較用燃料電池極化曲線的電壓與電流密度曲線圖。
圖3是本發(fā)明一種燃料電池與一種比較用燃料電池極化曲線的電壓與電流密度曲線圖。
圖4是本發(fā)明三種燃料電池極化曲線的電壓與電流密度的曲線圖。
圖5是本發(fā)明兩種燃料電池與一種比較用燃料電池的極化曲線的電壓與電流密度的曲線圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明為諸如燃料電池等電化電池提供了一種改進(jìn)的流場(chǎng)。燃料電池是利用燃料和氧化劑產(chǎn)生電流的電化電池。這兩種化學(xué)反應(yīng)物，即燃料和氧化劑，分別在含催化劑的兩個(gè)隔開的電極上起反應(yīng)。離子交換元件被放在電極之間，用于防止兩種反應(yīng)物直接反應(yīng)，并傳導(dǎo)離子。離子交換元件與電極的組合通常被稱為“膜電極組件”或MEA。在傳統(tǒng)的燃料電池中，MEA位于兩個(gè)剛性的導(dǎo)電性分隔板之間，每塊分隔板在其面向MEA的表面上至少有一個(gè)雕刻、銑削或模壓成的流體通道即槽3，這些分隔板還稱為流場(chǎng)板，一般由石墨制成。這兩塊分隔板中的流體通道將燃料和氧化劑分別導(dǎo)向各自的電極，即燃料側(cè)的陽極和氧化劑側(cè)的陰極。在一個(gè)電池堆疊中，分隔板串聯(lián)地電連接，在相鄰電池的電極之間提供導(dǎo)電通路。
MEA的優(yōu)點(diǎn)是可以在大約大空氣壓力條件下工作。但是，較低的工作壓要求設(shè)計(jì)更佳的流場(chǎng)，以便消除在低壓降狀況下反應(yīng)物分布不均勻以及在低壓降條件下水從通道中除去等問題。
本發(fā)明的微通道流場(chǎng)使用尺寸縮小的流場(chǎng)特征物，添加的水份操縱表面，以及高度平行的流場(chǎng)圖案。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以制作基本上較小尺寸的平行流體通道，同時(shí)保持非常低的壓降。通道的深度小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之間。通道的寬度小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之間。如果按微通道流場(chǎng)實(shí)施的話，對(duì)于活性面積為500cm2的MEA，寬度在125-250μm之間的平行通道將仍具有幾十個(gè)kPa的壓降?？梢詫⑤^大的電池分成多個(gè)子部分，以保持較低的壓降。
在一個(gè)較佳實(shí)施方案中，這些微流通道是高度平行圖案的。這些圖案可以包含互連部分或枝點(diǎn)。這類圖案包括通道的平行線、斜斷面線和網(wǎng)格線。微流通道可以具有能提供所需流體傳輸?shù)娜魏谓孛嫘螤?，并且最好其形狀容易?fù)制。最好，通道壁是傾斜的，使得在表面上的通道寬度大于通道底部的寬度。壁呈傾斜形狀可以使通道排列緊，并且從理論上講可以使通道間的槽脊區(qū)域縮小到零的極限，例如，這時(shí)通道只在峰即槽脊的位置相鄰。
在一個(gè)較佳實(shí)施方案中，這些微流通道靠得很近，間距小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之間。這里的間距是在相鄰?fù)ǖ乐苯訉?duì)應(yīng)的部位之間的最小距離，例如峰與峰的距離，或邊與邊的距離。
另外還發(fā)現(xiàn)，在通道底部添加更小的特征物(微特征物)可以為水的除去提供新的機(jī)制，并且可以改進(jìn)與擴(kuò)散體的電接觸和熱接觸。這些微特征物的深度和寬度尺寸小于通道之深度和寬度的80％，宜小于其50％，小于20％更好。微特征物的尺寸宜小于160μm，更好小于100μm。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，微特征化流場(chǎng)之通道的深度和寬度可以達(dá)到3mm，仍能保持本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的流場(chǎng)可以用任何合適的方法形成，所述方法包括授予Johnston等人的美國專利5,728,446，以及待批的美國專利申請(qǐng)09/099,269，它們的全部內(nèi)容參考結(jié)合于此。這兩個(gè)專利文獻(xiàn)設(shè)想使用一種液體管理薄膜，薄膜包括許多平行通道，在每個(gè)通道底部嵌入了實(shí)質(zhì)上具有尺度更精密細(xì)的凹槽?？梢哉J(rèn)為，這些輔助通道可以使水在通道底部的非常薄的薄膜中優(yōu)先冷凝。微紋槽兩個(gè)表面的交線是用于從蒸氣進(jìn)行吸附成為液膜的活性部位，并且它啟動(dòng)著連續(xù)液膜沿微紋槽長度的生長，液體受液膜上外界壓力勢(shì)的不相交壓力梯度的推動(dòng)(該壓力梯度依賴于膜厚梯度以及毛細(xì)管壓力梯度)。然后，毛細(xì)管壓力梯度將此薄膜移動(dòng)至通道末端，為水的再分布產(chǎn)生一個(gè)非常有效的通路。另外，小尺寸的通道促使在通道上形成液滴，這有助于從通道中有效地去除水份。相反，較大的通道不利用這種水份去除行為，因?yàn)檫@種行為要求通過磨擦力在移動(dòng)氣體流與液層之間產(chǎn)生動(dòng)量傳遞。這就導(dǎo)致了液體去除的效率較低，并且催化劑利用率較差。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用本發(fā)明的方法，可以積極地使水移動(dòng)通過具有較窄深度或?qū)挾鹊耐ǖ?，這些通道幾乎沒有水壓降，從而使反應(yīng)物可以到達(dá)整個(gè)電池的活性區(qū)域。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠更好地分配機(jī)械支撐，并減少“隆起”，其中“隆起”是DCC材料擴(kuò)展到流場(chǎng)中的結(jié)果。當(dāng)每條流體通道的跨度減小時(shí)，作用在DCC上的壓縮力將分布在更加均勻的面積上。當(dāng)每個(gè)無支撐區(qū)的尺寸縮小時(shí)，隆起程度將同樣減小。對(duì)于較軟的DCC材料來說，降低隆起趨勢(shì)尤其重要。
當(dāng)槽脊特征物的橫向尺寸縮小時(shí)，便縮小了反應(yīng)氣體為到達(dá)所有有用的催化劑活動(dòng)場(chǎng)所而必須在槽脊區(qū)下面通過的橫向距離。另外，縮小通道尺寸會(huì)縮小電子從活性區(qū)到槽脊區(qū)必須通過的橫向距離。較小的槽脊尺寸會(huì)改善氣體分布，或者有機(jī)會(huì)減小DCC的總厚度，因?yàn)榻档土藲怏w橫向擴(kuò)散通過DCC的需要(參見后面的例5)。由于通過DCC的總傳輸速率與其厚度有關(guān)，所以反應(yīng)物和產(chǎn)物水的擴(kuò)散速率都提高了。這進(jìn)一步減小了DCC層的重量、體積、成本和電阻。
本發(fā)明流場(chǎng)板的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是它允許使用更薄的DCC層。(參見后面的例5)。這可能是部分因?yàn)橐勒毡景l(fā)明可以獲得較小的槽脊區(qū)尺寸和較小的間距。這就可能減小DCC的厚度，同時(shí)保持最佳的槽脊寬度與DCC厚度的比。使用本發(fā)明流場(chǎng)板的有效MEA可以用厚度小于50μm或者甚至厚度小于25μm的DCC層來制成。
改善的擴(kuò)散特性可以有用于電的傳輸和氣體的傳輸這兩者的擴(kuò)散路徑長度來表達(dá)。通過DCC傳導(dǎo)的電流必須到達(dá)流場(chǎng)板的槽脊區(qū)，才能被傳導(dǎo)到燃料電池的電路中。因此，較窄的通道寬度會(huì)縮短電路長度，并因此提高電導(dǎo)率。類似地，通過DCC傳導(dǎo)的氣體必須到達(dá)流場(chǎng)板的一個(gè)通道，因此較窄的槽脊區(qū)可以縮短通向該通道的氣體傳輸路徑的長度，從而更好地傳輸氣體，盡管可能會(huì)有較大的電阻?？梢詢?yōu)化槽脊寬度和通道寬度，以便獲得最佳的質(zhì)量分布和電流分布。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例將槽脊區(qū)的比例減小到電阻將上升到不可接受程度的比例。本發(fā)明流場(chǎng)的槽脊區(qū)宜小于燃料電池活性區(qū)的50％。較好小于25％，更好小于20％、15％、乃至10％，最好小于5％。這些具有較小槽脊區(qū)比例的實(shí)施方案可以根據(jù)本發(fā)明采用壁傾斜的通道來實(shí)現(xiàn)。如果使用較大通道，那么上述情況是不可能的，必然會(huì)出現(xiàn)隆起問題。
因此，本發(fā)明的較佳實(shí)施方案可以同時(shí)改進(jìn)機(jī)械力的分布、電導(dǎo)和氣體分布。
通道的最小無分枝縱橫比(長度/水力半徑)宜為5∶1，更好超過約10∶1，甚至超過100∶1，最好至少約1000∶1。在頂端，無分枝縱橫比可以無限大，但一般小于約1,000,000∶1。
本發(fā)明的流場(chǎng)最好在一流場(chǎng)板中實(shí)施。流場(chǎng)板用諸如金屬等導(dǎo)電材料制成較為有利。另一種方法是，使用導(dǎo)電的碳材料。另外，可以對(duì)材料進(jìn)行電鍍、濺射或者用濕式法、真空法或任何合適的方法涂覆導(dǎo)電層。
作為一種替代辦法，也可以在MEA的擴(kuò)散體-集電器(DCC)層上，切割形成或以其它方式形成本發(fā)明的流場(chǎng)。這樣一片單層材料就能起DCC和流場(chǎng)這兩者的作用。本發(fā)明可用于構(gòu)造諸如燃料電池等電化電池。
以下一些例子進(jìn)一步說明了本發(fā)明的諸多目的和優(yōu)點(diǎn)，但這些例子中使用的具體材料及其數(shù)量，還有其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)該被解釋成不適當(dāng)?shù)貙?duì)本發(fā)明起限制作用。
例子流場(chǎng)和端板在以下一些例子中，流場(chǎng)插入件安裝在不銹鋼316制成的端板中。端板的加工精度非常高，它具有許多矩形空腔，用于容納流場(chǎng)插入件和流體通道，這些流體通道是引導(dǎo)反應(yīng)氣體來往于流場(chǎng)插入件的。流場(chǎng)本身是根據(jù)美國專利5,728,446所述例1的方法，將Ni用作構(gòu)造材料，從相應(yīng)的底版電鑄形成的，所述專利的內(nèi)容參考結(jié)合于此。對(duì)于陽極和陰極兩者來說，以下所有例子中使用的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)都是平行的，并且對(duì)應(yīng)于′446專利中表1的圖案2。該圖案包括許多平行的線狀槽，槽深635μm，間距為330μm，每個(gè)槽壁相對(duì)于垂直方向傾斜5°。流場(chǎng)插入件是從較大的電鑄片材切割成方形(22.36mm×22.36mm)，以便配合下述例子中所用的活性區(qū)為5cm2的MEA。
比較例使用市場(chǎng)上可購買的活性區(qū)為5cm2的電池，它具有相同的陽極和陰極平行流場(chǎng)，該流場(chǎng)由石墨端板(新墨西哥州Albuquerque市的燃料電池技術(shù)公司)銑削而成。流場(chǎng)包括13個(gè)方形的底槽，790μm寬，790μm深，2.10mm長。槽脊區(qū)為790μm寬。這些流場(chǎng)在其開口端通過平行的方形底槽相連，這些底槽寬1.57mm，深1.57μm，長2.10mm。
催化劑和膜電極組件(MEA)以下一些例子說明將催化劑裝入膜電極組件的幾種不同方法，如以下描述的，所用的催化劑稱為分散催化劑、納米結(jié)構(gòu)催化劑和梯度催化劑。
在以下每個(gè)例子中，用于制作MEA的離子傳導(dǎo)膜(ICM)是NafionTM膜(杜邦化學(xué)產(chǎn)品，Wilmington，DE，可以向MA州Woburn市的電化公司以及WI州Milwaukee市的Aldrich化學(xué)股份有限公司購買)，這是全氟化的(perfluorinated)磺酸官能化的聚合物。除非另外指出，ICM是Nafion 112膜，該膜是單軸拉伸的，將膜厚從50微米減小到25微米。
在以下每個(gè)例子中，電極襯墊層或擴(kuò)散體-集電器(DCC)是0.45mm或0.42mm厚的DS(雙面)ELATTM電極襯墊材料。
如下制備兩面(D-D)都具有分散催化劑的MEA用一種油墨涂覆ELATTM電極襯墊材料(400微米)，所述油墨包含0.67g Pt/C和0.7g甘油，它們懸浮在重量為6.7g的含5wt％NafionTM1000的異丙醇/水混合物溶液中，然后在真空爐中、將襯墊材料93℃干燥10分鐘，在DCC上形成一層催化劑。將覆有催化劑的5cm2DCC方形片放在經(jīng)拉伸的NafionTM膜的兩面。然后，將所得的這個(gè)組件的中心置于涂覆了566微米厚(總共)TeflonTM的玻璃纖維墊圈(CT州New Haven市的Furon有限公司，CHR部門)5cm2的方形孔中，該方形孔是切來與催化劑區(qū)域相配的。將一片50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺放在其每一面上。將所得組件放在兩個(gè)鋼墊板之間，用Carver實(shí)驗(yàn)室壓機(jī)(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃溫度和10Mpa壓力下壓制。剝除掉聚酰亞胺片，留下5層頭的MEA，有分散催化劑位于其兩個(gè)表面上。以30.5％壓縮度將上述MEA裝在燃料電池測(cè)試架中。使用原始未壓縮材料作為參照。
如下制備有納米結(jié)構(gòu)催化劑的MEA依照美國專利5,338,430所述的工藝制備用作催化劑支撐件的微結(jié)構(gòu)體，所述專利的內(nèi)容參考結(jié)合于此。用美國專利4,812,352和5,039,561所述的技術(shù)，通過熱蒸發(fā)和真空退火，制出位于聚酰亞胺襯底上納米結(jié)構(gòu)的苝紅色薄膜，即C.I.顏料紅149或者N，N′-二(3，5-二甲苯基)苝-3，49，10-雙(二甲酰亞胺)(PR149，NJ州Somerset市的American Hoechst有限公司)的薄膜。在其沉積和退火后，形成高定向縱橫比較大的晶體結(jié)構(gòu)，其可控長度約為0.5-2微米，寬度約為0.03-0.05微米，聳出晶須數(shù)密度(aerial number density)大約為每平方微米上30個(gè)晶須，這些晶須取向基本上垂直于聚酰亞胺襯底。用納米顆粒的金屬催化劑涂覆這些微結(jié)構(gòu)催化劑支撐件，并將其加壓成離子傳導(dǎo)膜(ICM)，之后剝除掉聚酰亞胺襯底，留下納米結(jié)構(gòu)催化劑支撐件鑲嵌在ICM中。
然后，如下制備在兩個(gè)電極表面上具有納米結(jié)構(gòu)元件的MEA用握持輥軋制法制出活性區(qū)面積為5cm2的三層頭MEA。將兩汽位于微紋理催化劑傳遞聚酰亞胺襯底(MCTS)上的5cm2方形納米結(jié)構(gòu)元件(一個(gè)用于陽極，另一個(gè)用于陰極)，分別放在如上制備的7.6cm×7.6cm NafionTM膜的中心的兩面，該微紋理催化劑傳遞聚酰亞胺襯底是如共同待批申請(qǐng)09/369,619描述的方法制備的，該專利的內(nèi)容參考結(jié)合于此。陽極催化劑由Pt和Pu組成，它們按0.22mg/cm2濺射在MCTS晶須上。陰極催化劑由Pt組成，它以0.28mg/cm2濺射在MCTS晶須上。將50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺片和20cm×28cm的涂覆紙片(優(yōu)質(zhì)噴墨光面紙，Item#HP C3836A，加州Palo Alto市的Hewlett-Packard股份有限公司)分別放在由涂覆了催化劑的襯底/NafionTM/涂覆催化劑的襯底這三者所構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)的兩面上，紙有光澤的那個(gè)面向著涂有催化劑的襯底。將所得的組件在135℃和6.9Mpa的條件下，以0.33m/分鐘的速度，在兩個(gè)鋼軋輥之間進(jìn)行軋制。剝除掉紙和原始的5cm2聚酰亞胺襯底，留下表面上固定有催化劑的NafionTM膜。為了制備5層頭的MEA，用0.45mm厚的DS(雙面)ELATTM電極襯墊材料覆蓋在上述三層頭的ICM上。在固定之前，用200厚的Pt濺射在DS ELATTM電極襯墊材料和3層頭ICM這兩者上。將所得的這個(gè)組件的中心置于涂覆了200微米厚的TeflonTM的玻璃纖維墊圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部門)上的5cm2的方形孔中，該方形孔是切來與催化劑區(qū)域相配的。將50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺片放在其每一面上。將所得組件放在兩個(gè)鋼墊板之間，用Carver實(shí)驗(yàn)室壓機(jī)(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃和10Mpa條件下壓制。剝除掉聚酰亞胺片，在兩個(gè)電極表面上留下具有納米結(jié)構(gòu)元件的5層頭MEA。以38.5％壓縮度將上述MEA裝在燃料電池測(cè)試架中，使用原始未壓縮材料作為參照。
在一個(gè)電極表面上具有納米結(jié)構(gòu)元件，而在另一表面上具有納米結(jié)構(gòu)催化劑和分散催化劑的MEA被稱為它有梯度催化劑(N-G)。這些MEA是共同待批的美國專利申請(qǐng)09/312,514(該專利的內(nèi)容參考結(jié)合此)中所述的6層結(jié)構(gòu)，所述6層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)陽極DCC層、一個(gè)陽極催化劑層、一個(gè)膜電解質(zhì)、兩個(gè)陰極催化劑層和一個(gè)陰極DCC層。
如下制備梯度MEA(N-G)將兩片有納米結(jié)構(gòu)元件的5cm2方形，MCTS聚酰亞胺襯底(一個(gè)用于陽極，一個(gè)用于陰極)，分別放在如上制備的7.6cm×7.6cmNafionTM膜的中心的兩面上。陽極催化劑由Pt和Pu組成，它們按0.22mg/cm2的量濺射在MCTS晶須上。陰極催化劑由Pt組成，它以0.28mg/cm2的量濺射在MCTS晶須上。將50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺片放在由涂覆了催化劑的襯底/Nafion/涂覆了催化劑的襯底這三者所構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)的兩個(gè)面上。將這所得的組件在135℃溫度和6.9Mpa壓力下，以0.33米/分鐘的速度，在兩個(gè)鋼軋輥之間進(jìn)行軋制。然后，剝除掉5cm2的原始聚酰亞胺襯底，留下表面上固定有催化劑的NafionTM膜。然后，對(duì)陰極面添加一層分散催化劑。用一種油墨涂覆DS ELATTM電極襯墊材料(420微米)，所述油墨包含0.67g Pt/C和0.7g甘油，它們分散在重量為6.7g的含5wt％NafionTM1000的異丙醇/水混合物溶液中，然后在真空爐中，將襯墊材料93℃干燥10分鐘，在DCC上形成一層催化劑。
用0.42mm厚覆有催化劑的DS ELATTM電極襯墊材料覆蓋在有催化劑的三層頭的膜的陰極面上，用0.51mm厚無催化劑的DS ELATTM覆蓋在該膜的陽極面上。在覆蓋之前，在陽極(無催化劑)面，用含4％Nafion 1100E.W.的甘油溶液，以每平方厘米0.03mg Nafion的量潤濕該ELATTM電極襯墊材料。然后，將所得的這個(gè)使組件的中心置于涂覆了200微米厚TeflonTM的玻璃纖維墊圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部門)上的5cm2的方形孔中，該方形孔是切來與催化劑區(qū)域相配的。將50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺片放在其每一面上。將此組件放在兩個(gè)鋼墊板之間，用Carver實(shí)驗(yàn)室壓機(jī)(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃溫度和10Mpa壓力下壓制。然后，剝除掉聚酰亞胺片，在一個(gè)電極表面上留下具有納米結(jié)構(gòu)元件的6層MEA，在另一表面上留下納米結(jié)構(gòu)催化劑和分散的催化劑。
薄的DCC MEA如下所述，用23μm厚的DCC材料并在其兩個(gè)表面上分散催化劑的辦法來制作例5中使用的薄的DCC MEA(tD-Dt)用0.67g Pd/C催化劑和0.7g甘油在6.7g的異丙醇含水溶液中的懸浮液涂覆ELATTM電極襯墊材料(大約0.4mm厚)，然后在真空烘箱中將此襯墊材料93℃干燥10分鐘，在DCC上形成一層催化劑。用含4％Nafion 1100E.W.的甘油溶液，以每平方厘米0.03mg Nafion的量潤濕上述有催化劑的ELATTM電極襯墊材料的陰極面和陽極面。將5cm2方形有催化劑且經(jīng)Nafion處理的DCC放在一塊被拉伸的Nafion 112膜的每一面上。然后，將所得的這個(gè)組件的中心置于涂覆了0.5mm厚厚TeflonTM的玻璃纖維墊圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部門)上的5cm2的方形孔中，該方形孔切來與催化劑區(qū)域相配的，將50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亞胺片放在其每一面上側(cè)。將此組件放在兩個(gè)鋼墊板之間，用Carver實(shí)驗(yàn)室壓機(jī)(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在5Mpa壓力和105℃溫度下壓制。剝除掉聚酰亞胺片。然后，還剝除碳布，留下內(nèi)層碳/ELAT的Teflon涂層作為DCC薄層。發(fā)現(xiàn)有必要高度壓擠此薄層，以便在DCC與微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)之間獲得令人滿意的接觸。用23μm的墊圈，即允許DCC厚度為23μm的墊圈，將上述MEA(tD-Dt)裝在測(cè)試電池中。
測(cè)試電池過程用從NM州Alguquerque市燃料電池技術(shù)股份有限公司購買的360A測(cè)試臺(tái)，用上述微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)端板或者比較用的端板來測(cè)試MEA。對(duì)測(cè)試架的每個(gè)螺栓施加扭矩至13.8N·m。測(cè)試臺(tái)包括一個(gè)可變的電子負(fù)載，分開的陽極和陰極氣體處理系統(tǒng)用于控制氣流、壓力和濕度。電子負(fù)載和氣流由計(jì)算機(jī)控制。通過對(duì)氣體流注入水蒸汽，來加濕陽極和陰極的氣體流。通過測(cè)量進(jìn)入蒸汽設(shè)備的水流，來測(cè)量所加水蒸汽的量。在以下給出的測(cè)試參數(shù)下，記錄燃料電池的極化曲線。
例1比較兩個(gè)D-D型MEA，其中一個(gè)使用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)端板，另一個(gè)使用比較用的端板。
在以下測(cè)試參數(shù)下獲得燃料電池極化曲線陽極氣體為氫氣，陰極氣體為空氣，電極面積為5cm2；電池壓縮大約30％；電池溫度為65℃或70℃；陽極氣體壓力為0.1MPa；陽極氣體流量為100標(biāo)準(zhǔn)cc/min；陽極增濕相當(dāng)于2×或4×在該溫度的飽和度；陰極氣體壓力為0.1MPa；陰極流量為300標(biāo)準(zhǔn)cc/min；陰極增濕相當(dāng)于0.75×，1×，或2×在該溫度的飽和度。使每個(gè)燃料電池在氫氣和空氣流達(dá)到65℃條件下的工作條件下。在頭一夜對(duì)電池進(jìn)行調(diào)適，然后開始測(cè)試規(guī)程。測(cè)量下述變量陽極壓力、陽極氣流、陰極壓力、陰極氣流和電池溫度。
表I列出了在0.3V和提供這些結(jié)果的最佳條件下獲得的最大(受傳輸限制的)電流表I
觀察到較低的工作溫度和較高的濕度會(huì)降低電池的最大電流。因此，表明本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)能夠在電池中流體水嚴(yán)重超過的情況下提供出色的水份操縱。
例II在不同的壓力下進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)都使用D-D型MEA以及本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)端板。
實(shí)驗(yàn)條件MEA類型D-D；反應(yīng)物H2/空氣；電池壓縮大約為30％；流量為0.1/0.3SLM；壓力0.1MPa(曲線A)，0.15MPa(曲線B)，0.2MPa(曲線C)；電池溫度為70℃；陽極為4×飽和度；陰極為1×飽和度；微結(jié)構(gòu)化的平行流場(chǎng)。圖1示出了這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的極化曲線。使用本發(fā)明流場(chǎng)端板的MEA在一定壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)良好的性能。
例III在不同壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較兩種D-D型MEA，一種使用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)端板，另一種使用比較用端板。
實(shí)驗(yàn)條件MEA類型D-D；反應(yīng)物H2/空氣；流量為0.1/0.3SLM；壓力0.1MPa(圖2)，0.15MPa(圖3)；電池溫度為70℃；陽極為4×飽和度；陰極為1×飽和度。所有實(shí)驗(yàn)的電池壓縮都為30.55％，但圖2中曲線C的電池壓縮為33.8％。
圖2和圖3表明，具有微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)的D-D MEA的性能(曲線B和C)優(yōu)于具有標(biāo)準(zhǔn)流場(chǎng)的相同MEA的性能(曲線A)。
另外，還觀察到用于標(biāo)準(zhǔn)平行流場(chǎng)和基于ELAT的MEA的最佳電池壓縮大小并不是用于具有微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)的相同MEA的最佳壓縮。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電池壓縮的增大(圖2，曲線C)將會(huì)進(jìn)一步改善電池性能。
因此，表明在本例條件下，與比較用流場(chǎng)相比本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)流場(chǎng)可以提供更好的性能。
例IV用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)端板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較三種類型的MEA(D-D，N-N，和N-G)的性能。
圖4說明具有微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)的三種不同類型的MEA都具有很好的性能。下面列出了這些MEA及其各自的工作條件D-D(曲線A)的工作條件電池壓縮大約為30％；H2/空氣，0.1MPa，0.1/0.3SLM，電池溫度為65℃，增濕為4×/1×。N-N(曲線B)的工作條件H2/空氣，0.1MPa，0.1/0.3SLM，電池溫度為70℃，增濕為2×/0.75×。N-G(曲線C)的工作條件H2/空氣，0.1MPa，0.1/0.3SLM，電池溫度為70℃，增濕為2×/1×。選擇工作條件，以便在環(huán)境壓力下每種MEA都獲得最佳性能。使用本發(fā)明流場(chǎng)板的MEA在各種類型的催化劑情況下一都表現(xiàn)良好的性能。
例V用具有DCC薄層的tD-Dt型MEA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先使用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)端板，然后使用比較用的端板，然后再使用微結(jié)構(gòu)化的流場(chǎng)端板。
首先用微結(jié)構(gòu)化的平行流場(chǎng)對(duì)MEA進(jìn)行調(diào)適。實(shí)驗(yàn)條件如下電池壓縮大約為30％；MEA類型D-D，23μm厚DCC，反應(yīng)物H2/空氣，流量為0.1/0.3SLM，壓力為0.1MPa，電池溫度為65℃，陽極為2×飽和度，陰極為2×飽和度。在調(diào)適期結(jié)束后，記錄曲線A。然后，打開電池，將流場(chǎng)板換成標(biāo)準(zhǔn)的平行流場(chǎng)板。在相同的工作條件和壓縮程度下測(cè)試電池(曲線B)。然后，將電池返回到微結(jié)構(gòu)化平行流場(chǎng)的狀態(tài)，并進(jìn)行重新測(cè)試，證實(shí)MEA在流場(chǎng)交換期間沒有損壞(曲線C)。
因此，表明了在本例的條件下，與比較用流場(chǎng)相比本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)能夠提供更好的性能，并且能夠生產(chǎn)更薄的MEA。
對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，不脫離本發(fā)明的范圍和精神對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和改變是顯而易見的，并且應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于上述說明性的實(shí)施例。所有出版物和專利都參考結(jié)合在本文發(fā)明中，就如象各個(gè)出版物或?qū)＠诒疚闹卸急痪唧w并個(gè)別指出要參考結(jié)合于在此。
權(quán)利要求
1.一種流場(chǎng)，其特征在于，包括一個(gè)或多個(gè)通道，所述通道的深度小于800μm，寬度小于800μm。
2.一種流場(chǎng)，其特征在于，包括多個(gè)通道，并且通道間距小于800μm。
3.一種流場(chǎng)，其特征在于，它有一個(gè)活性區(qū)，該活性區(qū)包括一個(gè)或多個(gè)通道，而所述通道被槽脊區(qū)隔開，槽脊區(qū)小于流場(chǎng)中活性區(qū)的20％。
4.如權(quán)利要求2所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述通道的深度小于800μm，寬度小于800μm。
5.如權(quán)利要求3所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述通道的深度小于800μm，寬度小于800μm。
6.如權(quán)利要求2所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述流場(chǎng)具有一個(gè)活性區(qū)，所述活性區(qū)包含多個(gè)被槽脊區(qū)隔開的通道，槽脊區(qū)小于流場(chǎng)中活性區(qū)的25％。
7.如權(quán)利要求1所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述流場(chǎng)包括一個(gè)或多個(gè)通道，所述通道深度小于650μm，通道寬度小于650μm。
8.如權(quán)利要求1所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述流場(chǎng)包括一個(gè)或多個(gè)通道，所述通道深度小于250μm，通道寬度小于250μm。
9.如權(quán)利要求2所述的流場(chǎng)，其特征在于，包括多個(gè)通道，所述通道的間距小于650μm。
10.如權(quán)利要求2所述的流場(chǎng)，其特征在于，包括多個(gè)通道，所述通道的間距小于250μm。
11.如權(quán)利要求3所述的流場(chǎng)，其特征在于，槽脊區(qū)小于流場(chǎng)中活性區(qū)的15％。
12.如權(quán)利要求3所述的流場(chǎng)，其特征在于，槽脊區(qū)小于流場(chǎng)中活性區(qū)的5％。
13.一種流場(chǎng)板，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的流場(chǎng)。
14.如權(quán)利要求13所述的流場(chǎng)板，其特征在于，其厚度為1mm或更小。
15.一種流場(chǎng)板，其特征在于，包括如權(quán)利要求6所述的流場(chǎng)。
16.如權(quán)利要求15所述的流場(chǎng)板，其特征在于，其厚度為1mm或更小。
17.一種流場(chǎng)，其特征在于，它包括一個(gè)或多個(gè)通道，所述通道的深度小于3mm，寬度小于3mm，所述通道還包括一些微特征物，所述微特征物的深度小于所述通道深度的80％，寬度小于所述通道寬度的80％。
18.如權(quán)利要求17所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述微特征物的深度小于所述通道深度的50％，寬度小于所述通道寬度的50％。
19.如權(quán)利要求18所述的流場(chǎng)，其特征在于，所述微特征物的深度小于所述通道深度的20％，寬度小于所述通道寬度的20％。
20.一種包含權(quán)利要求17所述流場(chǎng)的流場(chǎng)板。
21.如權(quán)利要求20所述的流場(chǎng)板，其特征在于，其厚度為1mm或更小。
22.一種燃料電池，其特征在于，包括如權(quán)利要求13所述的流場(chǎng)板。
23.一種燃料電池，其特征在于，包括如權(quán)利要求15所述的流場(chǎng)板。
24.一種燃料電池，其特征在于，包括如權(quán)利要求20所述的流場(chǎng)板。
25.如權(quán)利要求22所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包括厚度小于25μm的DCC層。
26.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包括厚度小于25μm的DCC層。
27.如權(quán)利要求24所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包括厚度小于25μm的DCC層。
28.一種擴(kuò)散體-集電器(DCC)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的流場(chǎng)。
29.一種擴(kuò)散體-集電器(DCC)，其特征在于，包括如權(quán)利要求6所述的流場(chǎng)。
30.一種擴(kuò)散體-集電器(DCC)，其特征在于，包括如權(quán)利要求17所述的流場(chǎng)。
全文摘要
提供了一種用于諸如燃料電池等電化電池的流場(chǎng)，該流場(chǎng)具有許多微流通道，通道的寬度和深度小于800μm，間距小于800μm，或者通道間槽脊區(qū)的比例小于25％。通道內(nèi)還包括許多微特征物。提供了包括主題流場(chǎng)的流場(chǎng)板。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1550050SQ99815166
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期1999年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月29日
發(fā)明者K·A·路易斯基, R·P·瓊斯頓, T·赫德特勒, D·A·伊利塔洛, K A 路易斯基, 伊利塔洛, 瓊斯頓, 綠乩 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司