燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池系统和相关的制造方法。燃料电池系统具有至少第一表面区域和第二表面区域，其中第一表面区域比第二表面区域更亲水，其中第一和第二表面区域根据燃料电池系统的参数分布来排列。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统本专利技术涉及燃料电池系统，特别地，尽管不是排他地，涉及具有改进的流体流动特性的燃料电池系统。常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。图1中示出了常规燃料电池10的一个示例性布局，为了清楚起见，它示出了分解形式的各种层。固体聚合物离子转移膜11夹在阳极12和阴极13之间。通常，阳极12和阴极13都由导电多孔材料诸如多孔碳形成，铂和/或其它贵金属催化剂的小颗粒与导电多孔材料诸如多孔碳结合。阳极12和阴极13通常直接结合到膜11的各自的相邻表面。这种组合通常被称为膜电极组件或MEA。将聚合物膜和多孔电极层夹在中间的是阳极流体流场板(fluidflowfieldplate)14和阴极流体流场板15。也可以在阳极流体流场板14和阳极12之间以及类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间使用中间背衬层15a和13a。背衬层15a具有多孔性质并且制造成确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面和从阳极和阴极表面扩散，并且有助于管理水蒸汽和液态水。因此，背衬层15a有时也称为气体扩散层(GDL)。流体流场板14、15由导电的无孔材料形成，通过该材料可以对各自的阳极电极12或阴极电极13进行电接触。同时，流体流场板促进向或从多孔电极12、13递送和/或排出流体燃料、氧化剂和/或反应产物。这常规地通过在流体流场板的表面中形成流体流动通道，例如呈现给多孔电极12、13的表面中的凹槽或通道16来实现。还参考图2a，流体流动通道的一个常规构造在具有入口歧管21和出口歧管22的阳极14(或阴极15)的表面中提供蛇形结构20，如图2a所示。根据常规设计，应当理解，蛇形结构20在板14(或15)的表面中包括通道16，而歧管21和22各自包括穿过板的孔，以便用于递送到通道20或从通道20排出的流体可以在垂直于板的方向的一堆板的整个深度连通，如图2b所示的A-A上的横截面中的箭头所特别指出的。参考图3，在常规燃料电池组件30的实例中，一堆板被叠加。在这种布置中，以常规方式组合相邻的阳极和阴极流体流场板，以形成一个双极板31，该双极板31在一个面上具有阳极通道32，而在相对的面上具有阴极通道33，每个与各自的膜-电极组件(MEA)34相邻。入口歧管孔21和出口歧管孔22都被覆盖，以将入口和出口歧管提供给整个堆叠。为了清楚起见，堆叠的各种元件被略微分开显示，尽管为了本专利技术的目的，将理解的是它们将使用密封垫圈被压缩在一起。可选地，各个燃料电池组件30可以分开地提供，例如，排成一列。水管理是这种燃料电池操作中的重要考虑因素。在燃料电池操作期间，在MEA的催化部位形成来自氢和氧之间的反应的产物水。这种水必须通过阴极扩散结构从MEA中排出，同时将氧气输送到MEA的阴极面。然而，同样重要的是，MEA保持适当的水合以确保电池的内部电阻保持在可容许的极限内。不能控制MEA加湿导致热点和潜在的电池故障和/或不良的电池性能。根据本专利技术的第一方面，提供具有至少第一表面区域和第二表面区域的燃料电池系统，其中第一表面区域比第二表面区域更亲水，其中第一和第二表面区域根据燃料电池系统的参数分布来排列，以控制燃料电池系统中的流体流动。第一和第二表面区域的布置与参数分布之间的相关性使得能够调整燃料电池堆的疏水特性以更好地满足使用期间遇到的状况。像这样，在例如功率输出效率、冷却效率和防止局部故障方面，可以提高系统的性能。第一表面区域和第二表面区域可以提供在单个部件上。部件的一个或多个表面可以被配置为接收流体流动。第一和第二区域可以被配置为控制跨过一个或多个表面的流体流动。第一表面区域和第二表面区域可以提供在单个部件的单个表面上。第一表面区域可以提供在与第二表面区域不同的部件上。在这种情况下，在其上提供第一表面区域的第一部件可以是与在其上提供第二表面区域的第二部件相同类型的部件或不同类型的部件。第一和/或第二表面区域可以是连续区域。第一和/或第二表面区域可以是不连续区域。该部件可以是以下之一：气体扩散层，或燃料电池板或流体流动板，其被配置成将反应物引导到燃料电池系统的燃料电池的有效区域上。在部件是流体流动板的实例中，第一表面区域可以是流体流动板的地面(land)区域，并且第二表面区域可以是流体流动板的轨道区域。流体流动板可以包括折叠部分。第二表面区域可以提供在折叠部分上或折叠部分中。流体流动板可以包括有效区域。有效区域可以具有相对于折叠部分的相邻部分。有效区域可以具有相对于折叠部分的远端部分。在部件是具有阴极表面和阳极表面的双极场流板的实例中，第二表面区域可以提供在阴极表面上，并且第一表面区域可以提供在阳极表面上。第一表面区域可以提供在部件的表面的载流区域上。第一表面区域可以提供在部件的表面的未被配置为在使用时承载大量电流的区域上。仅在不用于载流的区域施用疏水涂层意味着电池的电阻不受影响，同时仍然提供有利的疏水性质。该部件可以是以下之一：水分离器；热交换器；燃料电池系统的泵或流体管线。参数分布可以是以下中的一个或多个：电流密度、电场或电位的分布；温度分布；pH分布；以及流体流动分布，如跨过表面的反应物流动的分布。第一表面区域可以具有与第二表面区域不同的纹理或表面图案。第二表面区域的表面图案可以被配置为提供增加的疏水性。第一表面区域可以是化学惰性的。第一表面区域可没有疏水化学试剂。图案化表面可以包括用于抑制微生物生长的纳米尺度或微尺度波纹或脊(连续或不连续)。微尺度波纹可以各自具有1和100微米，10和100微米，并且可能2和25微米之间的宽度。微尺度波纹可以在其宽度上分开1和100微米，10和100微米，并且可能2和25微米之间的间隔。微尺度波纹可以各自具有1和100微米，10和100微米，并且可能2和20微米之间的深度。图案化表面可以包括蜂窝状的浮雕图案。这是有利的，因为图案化表面的重复单元提供有效的制造。图案化表面可以具有2和30之间的平均粗糙系数，所述平均粗糙系数被确定为实际表面积与几何表面积的比(在一些实例中，平均粗糙系数可大于30)。图案化的表面可以是化学惰性的。有利的是，由于特定的表面图案化，表面可具有疏水性，因此提供疏水表面而没有疏水化学试剂。维持燃料电池系统中的燃料电池堆的纯冷却剂供应可能是期望的。第一表面区域可以具有与第二表面区域不同的化学性质。表面可以包括提供第一和第二表面区域之间的疏水性梯度的第三表面区域。根据本专利技术的另一方面，提供了用于制造燃料电池系统的方法，所述方法包括根据燃料电池系统的参数分布提供至少第一表面区域和第二表面区域，以便控制流体流动，其中第一表面区域比第二表面区域更亲水。该方法可以包括在场流板的周边区域处提供第一表面区域。该方法可以包括在场流板的周边区域处提供第二表面区域。该方法可以包括折叠场流板的周边区域以形成流体分布室(plenum)。折叠步骤可以在场流板上提供表面区域之后进行。还公开了具有至少第一表面区域和第二表面区域的流体流动板，其中第一表面区域比第二表面区域更亲水，并且其中第一和第二表面区域中的一个或两个被布置在流体流动板的折叠部分，以便控制流体流动。现在参考附图，仅通过实例的方式描述本专利技术的实施方式，其中：图1示出了通过常规燃料电池的一部分的示意性横截面视图；图2a和2b分别示出了图1的燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有至少第一表面区域和第二表面区域的燃料电池系统，其中所述第一表面区域比所述第二表面区域更亲水，其中所述第一和第二表面区域根据所述燃料电池系统的参数分布来排列以控制流体流动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.17 GB 1422458.81.具有至少第一表面区域和第二表面区域的燃料电池系统，其中所述第一表面区域比所述第二表面区域更亲水，其中所述第一和第二表面区域根据所述燃料电池系统的参数分布来排列以控制流体流动。2.权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述第一表面区域和所述第二表面区域提供在单个部件上。3.权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一表面区域和所述第二表面区域提供在所述部件的单个表面上。4.权利要求2或权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述部件是流体流动板。5.权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述流体流动板包括形成流体分布室的折叠部分，其中所述第二表面区域提供在所述折叠部分中。6.权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述第一表面区域是流体流动板的地面区域，并且其中所述第二表面区域是所述流体流动板的轨道区域。7.任何在前权利要求所述的燃料电池系统，其中所述参数分布是温度分布。8.权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中所述参数分布是pH分布。9.权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中所述参数分布是流体流动分布。10.权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中所述参数分布是电...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·T·R·达夫顿，O·J·库尼克，R·O·杰克逊，S·C·阿穆尔，D·宁安，
申请(专利权)人：智能能源有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB