[发明专利]改善水管理的显微结构化的燃料电池元件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体来说，涉及有关水管理的燃料电池元件。

背景技术

燃料电池已经被作为电源为汽车和其他工业应用提供电能。典型的燃料电池具有一个膜电极组件(MEA)，其包括催化电极和夹在阳极与阴极之间的质子交换膜(PEM)。多孔导电材料制备的气体扩散介质可以被用于阴极和阳极侧以改善电池的运行。该MEA被夹在一对作为阳极和阴极集电体的导电接触元件之间。

双极PEM燃料电池可以包括多个以串联方式堆叠在一起的MEA，其一个与下一个之间被称为双极板或者隔板的气密的、导电的接触元件隔开。该隔板可以具有两个工作面，一面面对一个MEA的阳极，另一面面对堆叠体中的下一个相邻MEA的阴极，并且每一个隔板在相邻的电池之间导电。在堆叠体端部的接触元件被称为端板、端子板或集电板。这些端子集电体与夹在端子隔板和端子集电板之间的导电元件接触。

夹在MEA之间的隔板可以在其表面上包含有槽或流道的排列，从而限定出反应气体流场以在各自阳极和阴极表面分布燃料电池的气体反应物(比如，氢气和氧气/空气)。这些反应气体流场通常包括多个在其间限定出多个的流道的槽脊，通过这些流道气体反应物从在流道一端的供给歧管流到在流道相反一端的排出歧管。

覆盖反应物流场的是气体扩散介质，其起到很多功能。这些功能之一是通过其中的反应气体的扩散以在各自的催化层中反应。另一个是扩散反应产物，即水，穿过燃料电池。另外，该扩散介质必须在催化层和隔板之间导电和导热。为了正确的实现这些功能，该扩散介质必须是足够多孔的。

水管理是燃料电池运行中一个重要的问题。比如，基于MEA中发生的氢气和氧气之间的电化学反应在阴极会产生水。从阳极穿过PEM以与阴极的氧化剂结合的质子的传输，需要并消耗水。另外，PEM的质子传导性很大程度上取决于它的水合状态。当被水合时，PEM具有酸性特性，其使得介质能够从燃料电池阳极到阴极传导质子。然而，如果质子交换膜没有被足够的水合，该酸性特性会被降低，并带来电池必要的电化学反应的相应程度的减少。

另一个水管理中的问题是燃料电池内部的湿气传输导致气体扩散介质中的局部湿度梯度。关于此，在面对气体扩散介质的质子交换膜平面中的不均衡在于，运行中时膜表面的一些区域相对于另一些区域来说受益于更高的湿度。气体扩散介质中湿度的局部不均衡影响质子交换膜局部区域的同等的湿度差异，从而导致电池发电时质子交换膜的各个局部区域的效率差异。

水管理中的另一个复杂之处在于在组装好的燃料电池堆中所有的单个燃料电池，以及在每一个单独的隔板中的所有的流道，都被连接到共同的出口和入口歧管上。因此，每一个反应流体通道都具有相同的总压降。一个流道中的水阻塞会使得气流转向到相邻的流道中，从而保证了整体的压降。类似的，如果一个电池的一个隔板包括相对大量的液体水，它可能会经历一个“饥饿”(starving)状态，这时很多气流转向相邻的电池中使得反应计量比无法被保证。因此，需要最小化隔板流道中的液体水的累积，尤其是在低负载时，这时反应物气流较小因此不太能通过气体剪切力将水移走。

使用诸如压降、温度梯度以及逆流操作的水管理策略能产生一些作用；但是，改进的水管理最好能提高燃料电池的性能和耐久性。因此，需要提供质子交换膜的均衡水合，需要提供更好的水传输来冷却燃料电池以防止过热，需要平衡或降低局部湿度梯度，还需要防止液态水的溢流或饱和。

发明内容

本发明提供通过将燃料电池元件显微结构化来改善燃料电池水管理的方法和材料，上述燃料电池元件包括至少一部分隔板和/或气体扩散介质。

制备燃料电池的方法包括将隔板和气体扩散介质接触以形成一个被覆盖的反应气体流场。该隔板包括限定出多个流道的多个槽脊，该气体扩散介质包括一个与隔板的多个槽脊互补的第一表面区域和与隔板的多个流道互补的第二表面区域。隔板的多个槽脊接触气体扩散介质的第一表面区域。隔板的多个流道的至少部分表面和/或气体扩散介质的至少部分第二表面区域被显微结构化。

在一些方面，隔板的多个流道的至少部分表面和/或气体扩散介质的至少部分第二表面被显微结构化的工艺包括将激光脉冲集中到选择性侵蚀的表面材料上从而产生包括多个未侵蚀表面材料突起的显微结构。在一些情况下，这些表面材料的突起在高度、长度和宽度上均为约1微米到约100微米。