[发明专利]具有进出水管理特征的双极板

说明书

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料电池组件 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钉扎点。

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：

ΔP＝P_未沾湿-P_沾湿＝[(2σ)/R]×cosθ

其中：

P_未沾湿＝气(空气或氢气)相压力

P_沾湿＝液(水)相压力

σ＝液体表面张力

θ＝静态接触角

R＝气/液界面曲率半径

对于具有亲水表面(即，θ＜90°)的燃料电池双极板来说，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冰。 水和冰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 和结冰。在冰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 件内结冰。结冰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 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。