專利名稱：具有進(jìn)出水管理特征的雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池板，更具體地涉及這樣的燃料電池板，其具 有與其內(nèi)形成的出口相鄰的疏水部以及與該疏水部相鄰地形成在燃料
電池板的流道上的親水部，其中所述親水部和所述疏水部利于液態(tài)水 從該燃料電池板輸送。此外，與其內(nèi)形成的入口相鄰的疏水部防止液 態(tài)水進(jìn)入該燃料電池板。
背景技術(shù)：
燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成電。
一種燃料電池動(dòng)力
系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜(以下稱為"PEM")以催化方式利于燃料(例如 氫)和氧化劑(例如空氣或氧氣)反應(yīng)而發(fā)電。PEM是一種固體聚合 物電解質(zhì)，其利于質(zhì)子在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)通常采用的 一組燃料電池 的每一個(gè)體燃料電池中從陽極遷移到陰極。
在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的典型燃料電池組中，個(gè)體燃料電池形成供 各種反應(yīng)物和冷卻流體流過的通道。借助于反應(yīng)物流過燃沖牛電池組件 的流動(dòng)來使水從這些通道移動(dòng)到燃料電池板的出口歧管。曳力拉動(dòng)液 態(tài)水經(jīng)過通道，直至液態(tài)水通過出口歧管退出燃料電池。然而，當(dāng)燃 料電池在低功率輸出下操作時(shí)，氣流速度太低而不能產(chǎn)生有效的曳力 來輸送液態(tài)水，從而液態(tài)水在流道中積聚。
利用氣流曳力移除液態(tài)水的另 一限制在于，這些水可能會(huì)遇到具 有高表面能或低表面能的各種表面不規(guī)則部，或者水可能會(huì)遇到流道 表面上的釘扎點(diǎn)。由于曳力有可能不夠強(qiáng)而不能有效輸送液態(tài)水，因 而釘扎點(diǎn)有可能使水積聚成池，從而阻擋水流。這樣的釘扎點(diǎn)為通常 位于通道入口和通道出口與燃料電池組件歧管相會(huì)之處的4丁扎點(diǎn)。
在各燃料電池板的出口孔處，水必須克服其邊緣的釘扎力。而且， 對(duì)于親水表面來說，存在沿液態(tài)水和水蒸汽的界面的小曲率半徑方向 作用的毛細(xì)力。液態(tài)水和水蒸汽傾向于從產(chǎn)生具有曲率半徑的水蒸汽 氣體/液態(tài)水界面的區(qū)域(例如歧管)向產(chǎn)生具有小曲率半徑的氣/液界 面的區(qū)域(例如流道)流動(dòng)。氣/液界面的曲率半徑根據(jù)其中形成界面的區(qū)域的尺寸而變化。例如，當(dāng)該區(qū)域的寬度或其他尺寸增大時(shí)，界
面的曲率半徑也增大。毛細(xì)力由以下等式表示
^ =尸未沾濕—尸沾濕=
x co" 其中
尸未w =氣(空氣或氬氣)相^力 尸雄=液(水)相壓力
cr =液體表面張力
6 =4爭(zhēng)態(tài)接觸角
i =氣/液界面曲率半徑
對(duì)于具有親水表面(即，e<90°)的燃^牛電池雙才及板來說，在不存 在反應(yīng)氣流的情況下，殘留水可被從出口歧管拉入流道。此外，在冷 操作環(huán)境下，有可能在各燃料電池板的入口孔上游的入口歧管中形成 冷凝物。反應(yīng)氣流和毛細(xì)力可致使冷凝物從入口歧管流入流道。為了 移除積聚的水，可使反應(yīng)物通過燃料電池組件的流速或者各燃料電池 板的壓降增大。然而，增大的流速或壓降降低了燃料電池系統(tǒng)的效率。
此外，積聚在燃料電池板上的水有可能在燃料電池組件中結(jié)水。 水和水的存在會(huì)影響燃料電池組件的性能。在燃料電池組件的典型操 作期間，來自燃料電池反應(yīng)的廢熱加熱組件并妨礙組件中的蒸汽凝結(jié) 和結(jié)水。在水點(diǎn)下在燃料電池組件的起始操作或低動(dòng)力操作期間，燃 料電池板的流道中以及出口歧管邊緣處的冷凝水有可能在燃料電池組 件內(nèi)結(jié)水。結(jié)水現(xiàn)象會(huì)限制反應(yīng)物流，從而引起燃料電池系統(tǒng)的電壓 損失和不良操作。
為了進(jìn)一步利于除水，有些燃料電池組件利用具有親水涂層或親 水結(jié)構(gòu)(例如，泡沫、紗布條或篩網(wǎng))的板。觀察到水在親水材料的 表面上形成膜。該膜傾向于積聚在流道的出口和板的周邊。水膜會(huì)阻 塞氣流，這又會(huì)降低用于移除液態(tài)水的驅(qū)動(dòng)力，從而妨礙從燃料電池 組件移除液態(tài)水。在具有適度疏水表面的燃料電池板的情況下，觀察 到水形成大的水滴突入到燃料電池組件的出口歧管中，阻塞燃料電池 板的通道出口。觀察到水滴留在板邊緣處，直到可被氣體剪力間歇性 地移除。水積聚可致使氣流阻塞或者流動(dòng)失穩(wěn)，這會(huì)致使燃料電池組
6件不良操作。具有親水涂層的燃料電池板制造起來會(huì)比較昂貴。通常， 利用真空方法將親水涂層布置在燃料電池板上，所述真空方法例如為
等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法、溶膠-凝膠方法以及原 子層淀積(ALD)方法。親水泡沫、親水紗布條(wick)或親水篩網(wǎng) (mesh)的使用增加了燃料電池組件的材料成本、組裝成本以及組裝 時(shí)間。
期望開發(fā)一種用于燃料電池組件的燃料電池板，其具有用于從燃 料電池板的流道移除液態(tài)水的改進(jìn)裝置，從而使燃料電池組件內(nèi)的液 態(tài)水積聚最少。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開了一種用于燃料電池組件的燃料電池板，其具 有用于從燃料電池板的流道移除液態(tài)水的改進(jìn)裝置，從而使燃料電池 組件內(nèi)的液態(tài)水積聚最少。
在一個(gè)實(shí)施方式中，燃料電池板包括板，其內(nèi)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間并與所述入口孔和出 口孔流體連通的多個(gè)流道；在所述流道上與所述出口孔相鄰形成的疏 水部；以及在所述流道上與所述疏水部相鄰形成的親水部，在所述疏 水部和所述親水部之間形成界面，其中所述疏水部和所述親水部利于
水從所述流道向所述出口孔的輸送。
在另一實(shí)施方式中，燃料電池板包括板，其內(nèi)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間并與所述入口孔和出 口孔流體連通的多個(gè)流道；在所述流道的至少一部分上與所述入口孔 和出口孔相鄰形成的疏水部；以及在所述流道上與所述疏水部相鄰形 成的親水部，在所述疏水部和所述親水部之間形成界面，其中所述疏 水部和所述親水部利于水離開所述流道的輸送。
在另一實(shí)施方式中，燃料電池組包括多個(gè)燃料電池板，每個(gè)所述 燃料電池板具有其內(nèi)形成的入口孔和出口孑L,以及形成在所述入口 孔和出口孔之間并與所述入口孔和出口孔流體連通的多個(gè)流道；在所 述流道上至少與所述出口孔和所述入口孔相鄰形成的疏水部；以及在 所述流道上與所述疏水部相鄰形成的親水部，在所述疏水部和所述親 水部之間形成界面，其中所述疏水部和所述親水部利于水從所述流道向所述出口孔的輸送。


根據(jù)附圖考慮優(yōu)選實(shí)施方式的以下詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將
會(huì)很容易清楚本發(fā)明的以上及其他優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
圖1是包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多個(gè)燃料電池板的燃料電池組
件的剖切平面圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的包括與疏水部相鄰的親水部的燃料
電池板的俯一見圖3是圖2所示的燃料電池板的出口孔的局部放大俯視圖； 圖4是圖2所示的燃料電池板的入口孔的局部放大俯視圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的燃料電池板的出口孔的局部放
大俯-見圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的燃料電池板的出口孔的局部放 大俯一見圖7是根據(jù)本發(fā)明另 一 實(shí)施方式的燃料電池板的局部俯視圖。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)說明及附圖描述并圖示了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方 式。這些描述和附圖用于使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造并使用本發(fā)明， 而不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。對(duì)于所公開的方法而言，所 提供的步驟在本質(zhì)上是示例性的，因而步驟的順序既非必須也非關(guān)鍵。
圖2示出由一對(duì)單極板形成的雙極燃料電池板10的俯視圖。燃料 電池板10包括多個(gè)入口孔12、多個(gè)出口孑L 14以及多個(gè)流道16。燃料 電池板10包括形成在其上的親水部18和疏水部20。如圖1所示，當(dāng) 多個(gè)燃料電池板10堆疊在燃料電池組件11的燃料電池組中時(shí)，各燃 料電池板10的入口孑L 12共同形成入口歧管13,各燃料電池板10的出 口孑L 14共同形成出口歧管15。入口歧管13與燃料電池組件11的入口 17流體連通，并且出口歧管15與燃料電池組件11的出口 19流體連通。
應(yīng)理解，燃料電池組件11中的板10的構(gòu)成材料、尺寸、形狀、 數(shù)量及類型以及組件11內(nèi)的燃料電池板10的構(gòu)造可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)而 異，這些參數(shù)例如為發(fā)電量、由燃料電池組件11提供動(dòng)力的機(jī)器尺寸、氣體經(jīng)過燃料電池組件11的體積流率以及其他類似因素。燃料電池板
IO可由例如石墨、碳化合物或沖壓金屬之類的傳統(tǒng)材料形成。圖2所 示的燃料電池板IO可用于燃料電池組件11的陽極側(cè)或陰極側(cè)。
如圖2所示，燃并牛電池寺反10具有三個(gè)入口孔12和三個(gè)出口孔14。 入口孔12和出口孔14適于通過燃料電池組件11分布反應(yīng)氣體和冷卻 劑。燃料電池板10可根據(jù)需要具有任何數(shù)量的入口孔12和出口孔14 以及孔12、 14的任何構(gòu)造。在燃料電池板10的外表面上形成反應(yīng)物 流道16,在相鄰流道之間形成流道岸(land) 21。然而，流道16還可 形成為介于燃料電池寺反10的內(nèi)表面之間的通^各。如所示，流道16和 流道岸21基本上是線性的，但根據(jù)需要也可以是波形、蛇形或具有其 他構(gòu)造。還應(yīng)理解，根據(jù)需要，流道16可與貫通燃料電池板10的表 面形成的流動(dòng)孔連通，這些流動(dòng)孔與孔12、 14相鄰并與其連通。流動(dòng) 孔利于在相鄰燃料電池板IO之間設(shè)置墊圈的應(yīng)用，因?yàn)槠湓趬|圏周圍 提供用于使流道16與孔12、 14之間流體連通的路徑。
親水部18通常為燃料電池板10的活性區(qū)26的流道16上由親水 材料形成的涂層。親水部18與疏水部20相鄰地形成。應(yīng)理解，所述 親水材料可以是硅氧化物(SiOx)、鈦氧化物或其他金屬氧化物。根據(jù) 需要，所述親水材料可通過溶膠-凝膠工藝或其他化學(xué)方法制備。還 應(yīng)理解，親水部18可才艮據(jù)需要伸出活性區(qū)26外，并且可通過例如表 面處理之類的其他方法形成。還應(yīng)理解，親水部18可施加到雙極板10 的陽極側(cè)或陰極側(cè)。另選的是，可在沖壓操作而形成板之前，在期望 部位將親水部18施加至整體供應(yīng)的金屬片材，從而在沖壓操作并結(jié)合 單極板之后，親水部18形成為圖2中所示。
疏水部20通常為由疏水材料形成的涂層。疏水部形成在流道16 上，介于親水部18和出口孔14之間。疏水部20延伸至燃料電池板10 的與孔12、 14相鄰的邊緣22。疏水部20基本上抵接親水部18,在它 們之間限定界面24。在所示實(shí)施方式中，界面24為直線形；然而應(yīng)理 解，根據(jù)需要，界面24可為三角形、圓形、線性形狀或其他形狀。應(yīng) 理解，根據(jù)需要，疏水涂層可以是通過溶膠-凝膠工藝或其他化學(xué)方 法制備的硅烷、硅樹脂、矽烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙 烯、碳氟化合物。還應(yīng)理解，疏水部20可根據(jù)需要延伸到活性區(qū)26 內(nèi)，還可通過例如表面處理之類的其他方法形成。
9為了在燃料電池板10上形成親水部18和疏水部20，可利用多種 工藝。在一種工藝中，可將燃料電池板10及其入口孔12浸在親水材 料中，直到與出口孔14相鄰的期望界面24。然后，將燃料電池板10 轉(zhuǎn)過180°，浸在疏水材料中，直到期望界面24。在一個(gè)實(shí)施方式中， 在入口孔12和出口孑L 14附近都形成疏水部20。為了利于該實(shí)施方式， 可施加適當(dāng)掩模以覆蓋入口孔12和出口孔14。然后將整個(gè)被掩蓋的燃 料電池板10浸在親水材料中。可將掩模移除，將燃料電池板10浸在 疏水材料中，直到與出口孔14相鄰的期望界面24。之后，將板10轉(zhuǎn) 過180°,浸在疏水材料中，直到與入口孔12相鄰的期望界面24。除這 些實(shí)施方式之外，為了利于親水至疏水涂層過渡24,燃料電池板10的 一部分可不具有布置在親水部18和疏水部20之間的涂層。而且，親 水部18和疏水部20可重疊以容許位置公差。
可選的是，可通過利用噴涂或刷涂工藝施加親水材料而在燃料電 池板10上形成親水部18。接著，將多個(gè)燃料電池板10堆疊在燃料電 池組件11中，且燃料電池板IO被壓縮。然后，將疏水材料噴涂到燃 料電池組件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，從而使其粘附到燃料電池 板10的與歧管13、 15相鄰的一部分上，從而形成各燃料電池板10的 疏水部20。為了最大化疏水部20的面積，可在壓縮燃料電池^反10之 前使疏水材料流入歧管13、 15中。
還可通過利用化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝施加親水材料而在燃料 電池^反10上形成親水部18。親水部18形成在燃詩(shī)牛電池+反10的活性區(qū) 26的流道16上。在燃料電池板10上布置適當(dāng)掩才莫以阻礙親水材料施 加在燃料電池板10的疏水部20上。然后，將掩^t移除，將疏水材料 施加到燃料電池板10以形成疏水部20。在親水部18與疏水部20纟氐接 之處形成界面24。對(duì)于某些CVD工藝，可通過在淀積工藝之后施加純 氣體等離子體而使親水材料疏水或者使疏水材料親水。因此，可利用
CVD工藝使整個(gè)燃料電池板10涂覆有疏水材料，然后可利用純氣體等 離子體使燃料電池板10的期望部位親水而形成親水部18。
而且，可通過利用常壓空氣等離子體工藝的等離子體聚合而在燃 料電池板IO上形成親水部18。將呈粉末、液態(tài)或懸浮物形式的硅氧化 物(SiOx)、鈦氧化物或其他金屬氧化物原材料引入賦能的等離子體羽輝(plasma plume )中，使其聚合并施加到燃料電池板10。等離子體羽 輝通常為壓縮空氣，但是根據(jù)需要，等離子體羽輝也可以是氮?dú)?、?氣或其他惰性氣體?？蛇x的是，可在利用常壓空氣等離子體羽輝進(jìn)行 處理之前使燃料電池板10涂覆有珪前體(silica precursor )。來自等離 子體羽輝的能量從硅前體去除有機(jī)污染物并進(jìn)行聚合，從而致使在燃 料電池板IO上形成硅氧化物親水部18。根據(jù)需要，所述硅前體可以是 六曱基二硅醚(HMDSO)、六甲基二硅胺烷(HMDSN)、四乙基原硅 酸鹽(TEOS)或任何其他合適的硅前體。前體原材料顆粒與等離子體 羽輝及燃料電池板10的相互作用可根據(jù)工藝參數(shù)而異，這些工藝參數(shù) 諸如為原材料類型、等離子體氣體組分、等離子體羽輝流速、輸入等 離子體羽輝的能量大小、等離子體源與燃料電池板10的距離等。在
SiOx淀積之后，可使燃料電池板10經(jīng)受后處理工藝，其中利用常壓空 氣等離子體處理涂覆有SiOx的燃料電池板10，以利用烴基修改SiOx 而獲得期望的親水性。
利用以下示例性工藝形成具有親水部18的燃沖牛電池^反10,該親水 部18具有期望的親水特性。利用賦能的等離子體羽輝處理燃料電池板 10以從其去除有機(jī)材料。等離子體羽輝的電流可以在2.5至3安的范 圍內(nèi)，并且為130至150伏。然后，將燃料電池板IO浸入HMDSO中， 或刷涂HMDSO,并使其干燥二至五分鐘。然后利用賦能的常壓空氣等 離子體羽輝對(duì)浸有HMDSO的燃料電池板10進(jìn)行處理。來自等離子體 羽輝的能量從前體移除有機(jī)污染物，從而致使在燃料電池板10上形成 硅氧化物親水部18。產(chǎn)生的親水部18的厚度在0.1至1微米之間。通 過直徑為2mm并以10mm/s的速率在燃料電池板10的表面上移動(dòng)的噴 嘴來發(fā)射等離子體羽輝。
通常，在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的操作期間，氫反應(yīng)物被供應(yīng)到燃料 電池組件11的陽才及。同時(shí)，氧反應(yīng)物^皮供應(yīng)到燃料電池組件11的陰 極。在陽極側(cè)，氬被催化裂解成原子和電子。半電池氧化反應(yīng)表示為 //2 e2/T + 2e-。在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，原子透過該膜至陰極側(cè)。 電子沿外部加載電流移動(dòng)到陰極側(cè)，形成燃料電池組件11的電流。在 陰極側(cè)，氧與透過膜的原子以及來自外部電流的電子反應(yīng)而形成水分
子。該半電池還原反應(yīng)表示為4/T+4e-+02 e2i/20。來自陽極側(cè)的陽
極排氣經(jīng)過背壓控制閥流至燃燒室，或者可選地回收到陽極入口歧管13。來自陰極側(cè)的陰極排氣經(jīng)過第二背壓控制閥流至燃燒室，或者流 至外界環(huán)境。控制模塊通常通過響應(yīng)于來自燃料電池組件11所連接的 壓力傳感器和電力傳感器的信號(hào)操作各種控制閥、背壓控制閥和壓縮 器，來調(diào)節(jié)氫氣流、氧氣流和排氣流的狀態(tài)。
在燃料電池組件11的操作期間，在燃料電池組件11的陰極側(cè)，
在燃4+電池板10的流道16中形成液態(tài)水水滴。 一些水也可能會(huì)纟皮輸 送到陽極流道中，或者可能通過由于氫的消耗而導(dǎo)致的冷凝形成在陽 極通道中。應(yīng)理解，這里針對(duì)陰極側(cè)所述的操作與燃料電池組件11的 陽極側(cè)的操作類似。 一旦水接觸親水部18,就會(huì)橫穿親水部18擴(kuò)散而 阻礙水沖擊形成。流過陰極側(cè)的空氣流致使水滴朝向出口歧管15流過 流道16。水蒸汽也朝向出口歧管15流動(dòng)。
毛細(xì)力沿著/人歧管13、 15至流道16的方向作用，這是因?yàn)槊?xì) 力傾向于從具有產(chǎn)生水蒸汽氣體/液態(tài)水界面(該界面具有曲率半徑) 的寬度的區(qū)域(例如歧管13、 15)向具有產(chǎn)生氣/液界面(該界面具有 較小的曲率半徑)的較窄寬度的區(qū)域(例如流道16)流動(dòng)。然而，在 存在疏水部20的情況下， 一旦液態(tài)水和水蒸汽^ 皮強(qiáng)制經(jīng)過疏水部20 而進(jìn)入出口歧管15，疏水部20就會(huì)阻礙水從出口歧管15流入流道16 中。形成在入口歧管13附近的疏水部20也阻礙水從入口歧管13流入 流道16中。由于經(jīng)過入口歧管13的反應(yīng)物流通常具有小于百分之一 的相對(duì)濕度，因而積聚在入口歧管13中的水在燃料電池組件11的操 作期間將會(huì)蒸發(fā)。
圖5示出除以下描述外與圖2的燃料電池板10類似的、根據(jù)本發(fā) 明實(shí)施方式的燃料電池板10'。圖5中與圖2重復(fù)的相同結(jié)構(gòu)包括相同 的附圖標(biāo)記以及撇號(hào)角標(biāo)(')。燃料電池板10'包括形成在其上的親水 部18'和疏水部20'。疏水部20'與出口孔14'相鄰并與其流體連通。
與燃料電池板10類似，燃料電池板10'具有形成在其外表面上的 流道16'。在相鄰的流道16'之間形成有流道岸21'。流道16'還可形成 為介于燃料電池板10'的內(nèi)表面之間的通路。
親水部18'通常為燃料電池板10'的活性區(qū)的流道16'上由親水材料 形成的涂層。親水部18'與疏水部20'相鄰地形成。親水部18'的流道16' 和流道之間形成的流道岸21'具有基本均勻的寬度。親水材料可以是硅 氧化物(SiOx)、鈦氧化物或其他金屬氧化物。根據(jù)需要，所述親水材料可通過溶膠-凝膠工藝或其他化學(xué)方法制備。還應(yīng)理解，親水部18'
可根據(jù)需要伸出活性區(qū)外，并且可通過例如表面處理之類的其他方法 形成。
疏水部20'通常為由疏水材料形成的涂層。疏水部形成在流道16' 上，介于親水部18'和出口孔14'之間。疏水部20'的各個(gè)流道16'至少 具有這樣的部分，該部分的寬度W大于親水部18'的流道16'的寬度。 在所示的實(shí)施方式中，寬度W沿出口孔14'的方向逐漸增大，而疏水部 20'的流道16'之間形成的流道岸21'的寬度W'沿出口孔14'的方向逐漸 減小。應(yīng)理解，根據(jù)需要，疏水部20'的流道16'的寬度W可以是均勻 的。疏水部20'延伸至燃料電池板10'的與出口孑L 14'相鄰的邊緣22'。 疏水部20'基本上^氐接親水部18',在它們之間限定界面24'。在所示實(shí) 施方式中，界面24'為直線形；然而，應(yīng)理解，根據(jù)需要，界面24'可 為三角形、圓形、線性形狀或其他形狀。還應(yīng)理解，通道寬度W開始 增大的部位可以與^1的親水部18和疏水部20之間的界面24重合。還 應(yīng)理解，根據(jù)需要，疏水涂層可以是由溶膠-凝膠或其他化學(xué)涂層法 制備的硅烷、硅樹脂、矽烷、氟硅烷、聚二曱基硅氧烷、聚四氟乙烯 或碳氟化合物。還應(yīng)理解，疏水部20'可根據(jù)需要延伸到活性區(qū)內(nèi)，并 且可通過例如表面處理之類的其他方法形成。
在燃料電池組件的操作期間，在燃料電池組件的陰極側(cè)，在燃料 電池板10'的流道16'中形成液態(tài)水水滴。 一些水也可能會(huì)被輸送到陽 極流道中，或者可能通過由于氫的消耗而導(dǎo)致的冷凝形成在陽極通道
操作i似。 一旦水接觸親水部18':就會(huì)一tfi水部18'擴(kuò)散而阻礙水 沖擊形成。流過陰極側(cè)的空氣流致使水滴朝向燃料電池組件的出口歧 管流過活性區(qū)的流道16'。水蒸汽也朝向出口歧管流動(dòng)。
毛細(xì)力沿著從歧管至流道16'的方向作用，這是因?yàn)槊?xì)力傾向于 從具有產(chǎn)生水蒸汽氣體/液態(tài)水界面(該界面具有曲率半徑)的寬度的 區(qū)域(例如歧管)向具有產(chǎn)生氣/液界面(該界面具有較小的曲率半徑) 的較窄寬度的區(qū)域(例如流道16')流動(dòng)。然而，在存在疏水部20'的 情況下， 一旦液態(tài)水和水蒸汽被強(qiáng)制經(jīng)過疏水部20'而進(jìn)入出口歧管， 疏水部20'就會(huì)阻礙水從出口歧管流入流道16'中。形成在入口歧管附 近的疏水部20'也阻礙水從入口歧管流入流道16'中。由于經(jīng)過入口歧
13管的反應(yīng)物流通常具有小于百分之一 的相對(duì)濕度，因而積聚在入口歧 管中的水在燃料電池組件操作期間將會(huì)蒸發(fā)。
圖6示出除以下描述外與圖2的燃料電池板10類似的、根據(jù)本發(fā) 明實(shí)施方式的燃料電池板10〃。圖6中與圖2相同的結(jié)構(gòu)包括相同的附 圖標(biāo)記以及雙撇號(hào)角標(biāo)(〃)。燃料電池板10〃包括形成在其上的親水部 18〃和疏水部20〃。疏水部20〃與出口孔14〃相鄰并與其流體連通。
親水部18〃為燃料電池板10〃的活性區(qū)的流道16〃上由親水材料形 成的涂層。親水部18〃與疏水部20〃相鄰地形成。親水部18〃的各個(gè)流 道16〃的一部分具有寬度W。親水部18〃的各個(gè)流道16〃的第二部分具 有寬度W',寬度W'小于寬度W。流道16〃的具有寬度W'的第二部分 形成在疏水部20〃附近。在所示實(shí)施方式中，流道16〃的第二部分具有 沿出口孔14〃的方向逐漸減小的寬度W'。根據(jù)需要，親水部18〃的流道 16〃的所述一部分的寬度W可以是均勻的或者可以變化。而且，根據(jù)需 要，流道16〃的第二部分可具有比寬度W大的均勻?qū)挾萕'。根據(jù)需要， 所述親水材料可以是硅氧化物(SiOx)、鈦氧化物、其他金屬氧化物、 溶膠-凝膠或其他化學(xué)涂層。還應(yīng)理解，親水部18〃可根據(jù)需要延伸出 活性區(qū)外。
疏水部20〃通常為由疏水材料形成的涂層。疏水部形成在流道16〃 上，介于親水部18〃和出口孑L 14〃之間。疏水部20〃的各個(gè)流道16〃至少 具有這樣的部分，該部分的寬度W〃大于親水部18〃的流道16〃的寬度 W'。在所示的實(shí)施方式中，寬度W〃沿出口孔14〃的方向逐漸增大。疏 水部20〃的流道16〃之間形成的流道岸21〃的寬度W'〃沿出口孑L 14〃的方 向逐漸減小。應(yīng)理解，根據(jù)需要，疏水部20〃的流道16〃的寬度W〃可 以是均勻的。疏水部20"延伸至燃料電池板10〃的與出口孔14〃相鄰的 邊緣22"。疏水部20〃基本上抵接親水部18"，在它們之間限定界面24〃。 界面24〃可以位于收斂(或者不變的)通道寬度與發(fā)散(或者不變的) 通道寬度的區(qū)域之間的過渡處，如圖5和圖6所示；或者根據(jù)需要位 于其他部位。在所示實(shí)施方式中，界面24〃為直線；然而應(yīng)理解，根據(jù) 需要，界面24〃可為三角形、圓形、線性形狀或其他形狀。應(yīng)理解，根 據(jù)需要，疏水涂層可以是通過溶膠-凝膠或其他化學(xué)涂層法制備的硅 烷、硅樹脂、矽烷、氟硅烷、聚二曱基硅氧烷、聚四氟乙烯或碳氟化 合物。還應(yīng)理解，疏水部20〃可根據(jù)需要延伸到活性區(qū)內(nèi)，并且可通過例如表面處理之類的其他方法形成。
在燃料電池組件的操作期間，在燃料電池組件的陰極側(cè)，在燃料
電池板10〃的流道16〃中形成液態(tài)水水滴。 一些水也可能會(huì)^皮輸送到陽
極流道中，或者可能通過由于氫的消耗而導(dǎo)致的冷凝形成在陽極通道
操作類似。 一旦水接觸親水部18":就會(huì)一tf';水部18〃擴(kuò)散而阻礙水 沖擊形成。流過陰極側(cè)的空氣流致使水滴朝向燃料電池組件的出口歧 管流過活性區(qū)的流道16〃。水蒸汽也朝向出口歧管流動(dòng)。燃料電池組件 中的水蒸汽和液態(tài)水之間形成氣/液界面。為了進(jìn)一步利于液態(tài)水和水 蒸汽朝出口歧管流動(dòng)，毛細(xì)力沿從流道16〃的親水部18〃的第一部分至 親水部18〃的第二部分的方向作用。由于毛細(xì)力傾向于從具有產(chǎn)生氣/ 液界面(該界面具有曲率半徑)的寬度的區(qū)域(例如流道16〃的所述一 部分)向具有產(chǎn)生氣/液界面(該界面具有較小曲率半徑)的較窄寬度 的區(qū)域(例如流道16〃的第二部分)流動(dòng)，因而液態(tài)水和水蒸汽從第一 部分流向第二部分。
毛細(xì)力沿著從歧管至流道16〃的方向作用，這是因?yàn)槊?xì)力傾向于 從具有產(chǎn)生氣/液界面(該界面具有曲率半徑)的寬度的區(qū)域(例如歧 管)向具有產(chǎn)生氣/液界面(該界面具有較小曲率半徑)的較窄寬度的 區(qū)域(例如流道16〃)流動(dòng)。然而，在存在疏水部20〃的情況下， 一旦 液態(tài)水和水蒸汽^皮強(qiáng)制經(jīng)過疏水部20〃而進(jìn)入出口歧管，疏水部20〃就 會(huì)阻礙水從出口歧管流入流道16〃中。形成在入口歧管附近的疏水部 20〃也阻礙水從入口歧管流入流道16〃中。由于經(jīng)過入口歧管的反應(yīng)物 流通常具有小于百分之一的相對(duì)濕度，因而積聚在入口歧管中的水在 燃料電池組件操作期間將會(huì)蒸發(fā)。
親水部18與疏水部或未涂覆部之間的過渡或界面24的構(gòu)造必須 考慮到雙極板10的具體尺寸特征。例如，某些雙極板具有使反應(yīng)物流 出入所述板的電化學(xué)活性部分的幾何形狀，如圖7所示的燃料電池板 110,而不是如圖2至圖6中所示的具有突然開始并終止于公共歧管處 的流道16。燃泮牛電池^反110包4舌位于入口孔112和出口孑L 114處的非 電化學(xué)活性區(qū)117,以利于反應(yīng)物氣體在由相鄰孔112、 114形成的歧 管之間向燃^l"電池活性區(qū)126流動(dòng)。在活性區(qū)，陽才及反應(yīng)物流和陰扨^ 反應(yīng)物流主要以并4亍方式并流或?qū)α鳌６?，燃料電池?10的幾何特征可包括流道(未示出)，這些流道允許氣體在燃料電池板110的單
極板之間流動(dòng)。親水部118與疏水區(qū)120或未涂覆部之間的界面124 可與活性區(qū)26的與孔112、 114相鄰的邊緣對(duì)準(zhǔn)或者位于非活性區(qū)117 的與孔112、 114相鄰的邊緣處。
與端口流體連通的管道121利于反應(yīng)物氣體在入口孔112與出口 孔114之間向雙極板110的流道116流動(dòng)。附加實(shí)施方式涉及制備其上 基本上涂覆有親水涂層的燃料電池板110。根據(jù)需要，管道121的一部 分可包括疏水涂層，或者管道121可不被涂覆。另選的是，除了管道 121的一部分具有疏水涂層以外，整個(gè)燃料電池板110可不被涂覆。
應(yīng)理解，這里所述的燃料電池板的親水部、疏水部和未涂覆部的 各種構(gòu)造可應(yīng)用于燃料電池板的陽極側(cè)或陰極側(cè)，或應(yīng)用于燃料電池 板的兩側(cè)。雙極板的陽極側(cè)和陰極側(cè)上的涂層構(gòu)造可以不同。而且， 可在單極板上施加涂層，使得在結(jié)合單極板時(shí)，可在最終的雙極板上 形成一個(gè)或多個(gè)涂層構(gòu)造。
根據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地得知本發(fā)明的主要特征， 并且可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變 更和修改以使其適于各種應(yīng)用和各種情況。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池板，該燃料電池板包括板，其內(nèi)形成有入口孔和出口孔，并具有在所述入口孔和出口孔之間形成并與所述入口孔和出口孔流體連通的多個(gè)流道；在所述流道上與所述出口孔相鄰形成的未涂覆部和疏水部中的一個(gè)；以及在所述流道上與所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一個(gè)相鄰形成的親水部，在所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一個(gè)與所述親水部之間形成界面，其中所述親水部以及所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一個(gè)利于水從所述流道向所述出口孔輸送。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述界面為三角形、 圓形、線性形狀和曲線形狀中的一種形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，還包括介于所述孔和所述 親水部之間布置的非活性區(qū)，其中所述疏水部和所述未涂覆部中的所 述一個(gè)形成在所述非活性區(qū)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述疏水部和所述未 涂覆部中所述一個(gè)的流道的寬度大于所述親水部的流道的寬度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述親水部的一部分 小于所述親水部的其余部分的寬度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述親水部的一部分 小于所述親水部的其余部分的寬度，并且所述疏水部和所述未涂覆部 中的所述一個(gè)的流道寬度大于所述親水部的所述一部分流道的寬度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述親水部為從金屬 氧化物混合物和金屬氧化物中的 一種選擇的涂層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述疏水部為硅烷、 硅樹脂、矽烷、氟硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和碳氟化合物 中的一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，還包括與所述入口孔相鄰 地形成在所述流道上的疏水部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述板為具有陰極側(cè) 和陽極側(cè)的雙極板。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池板，其中所述親水部以及所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一個(gè)形成在所述陰才及側(cè)或所述陽招^ 側(cè)上，或者形成在所述陰極側(cè)和所述陽極側(cè)二者上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述親水部和所述疏水部重疊。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述未涂覆部和所述 疏水部中的所述 一 個(gè)為疏水部，并且在所述親水部和所述疏水部之間形成未涂覆部。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，還包括在所述板中形成的 多個(gè)管道，這些管道在所述流道與所述入口孔和所述出口孔的至少之 一之間形成流體連通。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池板，其中所述多個(gè)管道中的 一部分包括疏水涂層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其中所述未涂覆部和所述 疏水部中的所述 一 個(gè)為疏水部，并且所述親水部和所述疏水部均通過 噴涂工藝、浸漬工藝、刷涂工藝、化學(xué)氣相淀積工藝、等離子體增強(qiáng) 化學(xué)氣相淀積(PECVD)中的至少一種，借助于利用常壓空氣等離子 體工藝進(jìn)行等離子體聚合而通過溶膠-凝膠形成在所述流道上，并且 在沖壓所述板之前形成在整體供應(yīng)的金屬片材上。
17. —種燃料電池板，該燃料電池板包括板，其內(nèi)形成有入口孔和出口孔，并具有在所述入口孔和出口孔 之間形成并與所述入口孔和出口孔流體連通的多個(gè)流道；多個(gè)管道，這些管道形成在所述板中，并在所述流道與所述入口 孔和所述出口孔至少之一之間形成流體連通；以及在所述多個(gè)管道的 一 部分或所述流道上形成的涂層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池板，其中所述涂層為在所述 流道上形成的親水涂層或者在所述多個(gè)管道的所述一部分上形成的疏 水涂層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池板，其中所述涂層通過噴涂 工藝、浸漬工藝、刷涂工藝、化學(xué)氣相淀積工藝、等離子體增強(qiáng)化學(xué) 氣相淀積(PECVD)中的至少一種，借助于利用常壓空氣等離子體工 藝進(jìn)行等離子體聚合而通過溶膠-凝膠形成，并且在沖壓所述板之前 形成在整體供應(yīng)的金屬片材上。
20. —種燃妹牛電池組，該燃并牛電池組包4舌多個(gè)燃料電池板，每個(gè)所述板均具有形成在其內(nèi)的入口孔和出口 孔，以及形成在所述入口孔和出口孔之間并與所述入口孔和出口孔流 體連通的多個(gè)流道；至少與所述出口孔和所述入口孔相鄰地形成在所述流道上的未涂 覆部和疏水部中的一個(gè)；以及在所述流道上與所述未涂覆部和所述疏水部中的所述一個(gè)相鄰形 成的親水部，在所述疏水部和所述未涂覆部中的所述 一 個(gè)與所述親水 部之間形成界面，其中所述親水部以及所述未涂覆部和所述疏水部中 的所述一個(gè)利于水從所述流道向所述出口孔輸送。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有進(jìn)出水管理特征的雙極板。公開了一種燃料電池組件，該燃料電池組件利用這樣的燃料電池板，該燃料電池板具有與其內(nèi)形成的入口和出口相鄰的疏水部以及與該疏水部相鄰地形成在燃料電池板的流道中的親水部，其中所述親水部和所述疏水部利于液態(tài)水從燃料電池板的輸送。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101582516SQ20091014092
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者G·V·達(dá)赫奇, J·A·洛克, J·P·奧維簡(jiǎn), S·J·斯潘塞, T·A·特拉博爾德 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司