CN1550050A

CN1550050A - 微结构化的流场

Info

Publication number: CN1550050A
Application number: CNA998151661A
Authority: CN
Inventors: K・A・路易斯基; K·A·路易斯基; 琼斯顿; R·P·琼斯顿; 绿乩; T·赫德特勒; 伊利塔洛; D·A·伊利塔洛
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2004-11-24

Abstract

提供了一种用于诸如燃料电池等电化电池的流场，该流场具有许多微流通道，通道的宽度和深度小于800μm，间距小于800μm，或者通道间槽脊区的比例小于25％。通道内还包括许多微特征物。提供了包括主题流场的流场板。

Description

微结构化的流场

发明领域

本发明涉及在诸如燃料电池等电化电池中膜电极组件的流场。本发明的流场包括大量的微流通道，这些微流通道最好由相同尺寸的槽脊特征物隔开并且最好具有微结构化特征。在燃料电池中，本发明的流场增强了燃料分布、改进了水份操纵，并且改进了电和热扩散。

发明背景

美国专利5,108,849涉及一种7通道的蛇形流场设计，在该设计中，7条蛇形通道平行排列。该蛇形设计使得通道是流场活动部分的实际长度的5-15倍。但是，这却增加了板上的压降。已知的蛇形流场还倾向于沿通道产生反应物消耗，因通道长度以及相对较短的反应物停留时间而发生抑止(当一层停滞的消耗气体起扩散屏障作用时)，以及发生***(当DCC材料膨胀进入流场板通道中时)。在目前的理论研究中，Yi和Nguyen(Y.S.Yi和T.Nguyen，论文参见1995年，Proc.lst Internat.Symp.PEM燃料电池，第66-75页，编者为S.Gottesfeld，G.Halpert和A.Landgrebe)还披露，对于经典的蛇形流场，使反应物在槽脊区域下扩散遇到的困难度会极大地影响可以从一给定燃料电池中获得的最大电流密度。

McElroy(美国专利4,855,193)，Wilson(美国专利5798187)和Zawodzinski等人(C.Zawodzinski，M.S.Wilson和S.Gottesfeld，论文参见1995年，Proc.lst Internat.Symp.PEM燃料电池，第57-65页，编者为S.Gottesfeld，G.Halpert和A.Landgrebe)评价了对传统蛇形流设计增加方形组织金属筛网型的流分配器的情况。这些流场可以包括金属钢丝织物或筛网，其中金属钢丝形成一系列的卷绕、组织、卷曲或其它波状外形。此方法有若干缺点，包括反应物分布不均匀、水份操纵问题和腐蚀。

同样，美国专利5,641,586涉及一种两层结构，在该结构中，是一个多孔层覆盖在一层具有叉指状流体通道的层上。

发明简述

本发明提供一种改进的用于电化电池的流场，该流场包括一条或多条微流通道，通道的深度或宽度(或者最好两者)均小于800μm，宜小于650μm、更好是小于250μm，最好在125和250μm之间。这些微流通道的间距小于800μm，宜小于650μm，更好是小于250μm，最好在125和250μm之间。本发明的微流通道还可在通道内包括许多微特征物，这些微特征物的深度和宽度尺寸小于通道深度和宽度尺寸的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。带微特征物的流场可以具有深度或宽度达到3mm的通道，并且仍保持本发明的优点。在一较佳实施例中，这些微流通道用的是一种高度平行的图案，该图案中可以包有许多互连部分或分枝点。

在另一个方面，本发明提供包含本发明微通道流场的流场板。

在另一个方面，本发明提供包含本发明微通道流场的扩散体-集电器(DCC)。

在另一个方面，本发明提供包含本发明微通道流场的燃料电池，或者包含本发明微通道流场的DCC。

本发明的流场通过使用带附加的更小特征物的且高度平行的微流体通道，可以获得更为均匀的反应物分布、更为均匀的压力分布，改善了燃料电池堆叠中的水份操纵，提高了性能。另外，本发明的流场可以减小流场板和/或DCC的厚度，可以减小堆叠的重量、体积、成本和内电阻。

如本文中所用的，

“扩散体-集电器”或“DCC”是指电化电池中与催化剂活性部位相邻的一个层，可以供反应物和生成物以及电流传输到这些活性部位和离开这些活性部位，所述层宜为多孔的导电材料；

“高度平行”是指包含许多具有相同功能的元件，具体是指具有许多与同一入口与同一出口相连的通道。

“无分枝纵横比”是无分枝通道段的长度与其水力半径的比；

“水力半径”是通道截面积除以截面周长，例如圆形通道的水力半径是其直径的1/4；

“流场”是指电化电池的一个部件，它允许诸如反应物气体和废气和液体等流体出入反应区域。

本发明的一个优点是提供一种流场，它通过改进水和反应气物体的的分布来改善燃料电池的性能。

附图概述

图1是本发明三种燃料电池极化曲线的电压与电流密度的曲线图。

图2是本发明两种燃料电池以及一种比较用燃料电池极化曲线的电压与电流密度曲线图。

图3是本发明一种燃料电池与一种比较用燃料电池极化曲线的电压与电流密度曲线图。

图4是本发明三种燃料电池极化曲线的电压与电流密度的曲线图。

图5是本发明两种燃料电池与一种比较用燃料电池的极化曲线的电压与电流密度的曲线图。

较佳实施例的详细描述

本发明为诸如燃料电池等电化电池提供了一种改进的流场。燃料电池是利用燃料和氧化剂产生电流的电化电池。这两种化学反应物，即燃料和氧化剂，分别在含催化剂的两个隔开的电极上起反应。离子交换元件被放在电极之间，用于防止两种反应物直接反应，并传导离子。离子交换元件与电极的组合通常被称为“膜电极组件”或MEA。在传统的燃料电池中，MEA位于两个刚性的导电性分隔板之间，每块分隔板在其面向MEA的表面上至少有一个雕刻、铣削或模压成的流体通道即槽3，这些分隔板还称为流场板，一般由石墨制成。这两块分隔板中的流体通道将燃料和氧化剂分别导向各自的电极，即燃料侧的阳极和氧化剂侧的阴极。在一个电池堆叠中，分隔板串联地电连接，在相邻电池的电极之间提供导电通路。

MEA的优点是可以在大约大空气压力条件下工作。但是，较低的工作压要求设计更佳的流场，以便消除在低压降状况下反应物分布不均匀以及在低压降条件下水从通道中除去等问题。

本发明的微通道流场使用尺寸缩小的流场特征物，添加的水份操纵表面，以及高度平行的流场图案。本发明人发现，可以制作基本上较小尺寸的平行流体通道，同时保持非常低的压降。通道的深度小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之间。通道的宽度小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之间。如果按微通道流场实施的话，对于活性面积为500cm²的MEA，宽度在125-250μm之间的平行通道将仍具有几十个kPa的压降。可以将较大的电池分成多个子部分，以保持较低的压降。

在一个较佳实施方案中，这些微流通道是高度平行图案的。这些图案可以包含互连部分或枝点。这类图案包括通道的平行线、斜断面线和网格线。微流通道可以具有能提供所需流体传输的任何截面形状，并且最好其形状容易复制。最好，通道壁是倾斜的，使得在表面上的通道宽度大于通道底部的宽度。壁呈倾斜形状可以使通道排列紧，并且从理论上讲可以使通道间的槽脊区域缩小到零的极限，例如，这时通道只在峰即槽脊的位置相邻。

在一个较佳实施方案中，这些微流通道靠得很近，间距小于800μm，宜小于650μm，小于250μm更好，但最好在125和250μm之间。这里的间距是在相邻通道直接对应的部位之间的最小距离，例如峰与峰的距离，或边与边的距离。

另外还发现，在通道底部添加更小的特征物(微特征物)可以为水的除去提供新的机制，并且可以改进与扩散体的电接触和热接触。这些微特征物的深度和宽度尺寸小于通道之深度和宽度的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。已经发现，微特征化流场之通道的深度和宽度可以达到3mm，仍能保持本发明的优点。

本发明的流场可以用任何合适的方法形成，所述方法包括授予Johnston等人的美国专利5,728,446，以及待批的美国专利申请09/099,269，它们的全部内容参考结合于此。这两个专利文献设想使用一种液体管理薄膜，薄膜包括许多平行通道，在每个通道底部嵌入了实质上具有尺度更精密细的凹槽。可以认为，这些辅助通道可以使水在通道底部的非常薄的薄膜中优先冷凝。微纹槽两个表面的交线是用于从蒸气进行吸附成为液膜的活性部位，并且它启动着连续液膜沿微纹槽长度的生长，液体受液膜上外界压力势的不相交压力梯度的推动(该压力梯度依赖于膜厚梯度以及毛细管压力梯度)。然后，毛细管压力梯度将此薄膜移动至通道末端，为水的再分布产生一个非常有效的通路。另外，小尺寸的通道促使在通道上形成液滴，这有助于从通道中有效地去除水份。相反，较大的通道不利用这种水份去除行为，因为这种行为要求通过磨擦力在移动气体流与液层之间产生动量传递。这就导致了液体去除的效率较低，并且催化剂利用率较差。发明人已经发现，通过使用本发明的方法，可以积极地使水移动通过具有较窄深度或宽度的通道，这些通道几乎没有水压降，从而使反应物可以到达整个电池的活性区域。

本发明的另一个优点是能够更好地分配机械支撑，并减少“***”，其中“***”是DCC材料扩展到流场中的结果。当每条流体通道的跨度减小时，作用在DCC上的压缩力将分布在更加均匀的面积上。当每个无支撑区的尺寸缩小时，***程度将同样减小。对于较软的DCC材料来说，降低***趋势尤其重要。

当槽脊特征物的横向尺寸缩小时，便缩小了反应气体为到达所有有用的催化剂活动场所而必须在槽脊区下面通过的横向距离。另外，缩小通道尺寸会缩小电子从活性区到槽脊区必须通过的横向距离。较小的槽脊尺寸会改善气体分布，或者有机会减小DCC的总厚度，因为降低了气体横向扩散通过DCC的需要(参见后面的例5)。由于通过DCC的总传输速率与其厚度有关，所以反应物和产物水的扩散速率都提高了。这进一步减小了DCC层的重量、体积、成本和电阻。

本发明流场板的一个优点，是它允许使用更薄的DCC层。(参见后面的例5)。这可能是部分因为依照本发明可以获得较小的槽脊区尺寸和较小的间距。这就可能减小DCC的厚度，同时保持最佳的槽脊宽度与DCC厚度的比。使用本发明流场板的有效MEA可以用厚度小于50μm或者甚至厚度小于25μm的DCC层来制成。

改善的扩散特性可以有用于电的传输和气体的传输这两者的扩散路径长度来表达。通过DCC传导的电流必须到达流场板的槽脊区，才能被传导到燃料电池的电路中。因此，较窄的通道宽度会缩短电路长度，并因此提高电导率。类似地，通过DCC传导的气体必须到达流场板的一个通道，因此较窄的槽脊区可以缩短通向该通道的气体传输路径的长度，从而更好地传输气体，尽管可能会有较大的电阻。可以优化槽脊宽度和通道宽度，以便获得最佳的质量分布和电流分布。

本发明的较佳实施例将槽脊区的比例减小到电阻将上升到不可接受程度的比例。本发明流场的槽脊区宜小于燃料电池活性区的50％。较好小于25％，更好小于20％、15％、乃至10％，最好小于5％。这些具有较小槽脊区比例的实施方案可以根据本发明采用壁倾斜的通道来实现。如果使用较大通道，那么上述情况是不可能的，必然会出现***问题。

因此，本发明的较佳实施方案可以同时改进机械力的分布、电导和气体分布。

通道的最小无分枝纵横比(长度/水力半径)宜为5∶1，更好超过约10∶1，甚至超过100∶1，最好至少约1000∶1。在顶端，无分枝纵横比可以无限大，但一般小于约1,000,000∶1。

本发明的流场最好在一流场板中实施。流场板用诸如金属等导电材料制成较为有利。另一种方法是，使用导电的碳材料。另外，可以对材料进行电镀、溅射或者用湿式法、真空法或任何合适的方法涂覆导电层。

作为一种替***法，也可以在MEA的扩散体-集电器(DCC)层上，切割形成或以其它方式形成本发明的流场。这样一片单层材料就能起DCC和流场这两者的作用。本发明可用于构造诸如燃料电池等电化电池。

以下一些例子进一步说明了本发明的诸多目的和优点，但这些例子中使用的具体材料及其数量，还有其它条件和细节不应该被解释成不适当地对本发明起限制作用。

例子

流场和端板

在以下一些例子中，流场***件安装在不锈钢316制成的端板中。端板的加工精度非常高，它具有许多矩形空腔，用于容纳流场***件和流体通道，这些流体通道是引导反应气体来往于流场***件的。流场本身是根据美国专利5,728,446所述例1的方法，将Ni用作构造材料，从相应的底版电铸形成的，所述专利的内容参考结合于此。对于阳极和阴极两者来说，以下所有例子中使用的流场结构都是平行的，并且对应于′446专利中表1的图案2。该图案包括许多平行的线状槽，槽深635μm，间距为330μm，每个槽壁相对于垂直方向倾斜5°。流场***件是从较大的电铸片材切割成方形(22.36mm×22.36mm)，以便配合下述例子中所用的活性区为5cm²的MEA。

比较例使用市场上可购买的活性区为5cm²的电池，它具有相同的阳极和阴极平行流场，该流场由石墨端板(新墨西哥州Albuquerque市的燃料电池技术公司)铣削而成。流场包括13个方形的底槽，790μm宽，790μm深，2.10mm长。槽脊区为790μm宽。这些流场在其开口端通过平行的方形底槽相连，这些底槽宽1.57mm，深1.57μm，长2.10mm。

催化剂和膜电极组件(MEA)

以下一些例子说明将催化剂装入膜电极组件的几种不同方法，如以下描述的，所用的催化剂称为分散催化剂、纳米结构催化剂和梯度催化剂。

在以下每个例子中，用于制作MEA的离子传导膜(ICM)是Nafion^TM膜(杜邦化学产品，Wilmington，DE，可以向MA州Woburn市的电化公司以及WI州Milwaukee市的Aldrich化学股份有限公司购买)，这是全氟化的(perfluorinated)磺酸官能化的聚合物。除非另外指出，ICM是Nafion 112膜，该膜是单轴拉伸的，将膜厚从50微米减小到25微米。

在以下每个例子中，电极衬垫层或扩散体-集电器(DCC)是0.45mm或0.42mm厚的DS(双面)ELAT^TM电极衬垫材料。

如下制备两面(D-D)都具有分散催化剂的MEA：用一种油墨涂覆ELAT^TM电极衬垫材料(400微米)，所述油墨包含0.67g Pt/C和0.7g甘油，它们悬浮在重量为6.7g的含5wt％Nafion^TM 1000的异丙醇/水混合物溶液中，然后在真空炉中、将衬垫材料93℃干燥10分钟，在DCC上形成一层催化剂。将覆有催化剂的5cm² DCC方形片放在经拉伸的Nafion^TM膜的两面。然后，将所得的这个组件的中心置于涂覆了566微米厚(总共)Teflon^TM的玻璃纤维垫圈(CT州New Haven市的Furon有限公司，CHR部门)5cm²的方形孔中，该方形孔是切来与催化剂区域相配的。将一片50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺放在其每一面上。将所得组件放在两个钢垫板之间，用Carver实验室压机(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃温度和10Mpa压力下压制。剥除掉聚酰亚胺片，留下5层头的MEA，有分散催化剂位于其两个表面上。以30.5％压缩度将上述MEA装在燃料电池测试架中。使用原始未压缩材料作为参照。

如下制备有纳米结构催化剂的MEA：依照美国专利5,338,430所述的工艺制备用作催化剂支撑件的微结构体，所述专利的内容参考结合于此。用美国专利4,812,352和5,039,561所述的技术，通过热蒸发和真空退火，制出位于聚酰亚胺衬底上纳米结构的苝红色薄膜，即C.I.颜料红149或者N，N′-二(3，5-二甲苯基)苝-3，4：9，10-双(二甲酰亚胺)(PR149，NJ州Somerset市的American Hoechst有限公司)的薄膜。在其沉积和退火后，形成高定向纵横比较大的晶体结构，其可控长度约为0.5-2微米，宽度约为0.03-0.05微米，耸出晶须数密度(aerial number density)大约为每平方微米上30个晶须，这些晶须取向基本上垂直于聚酰亚胺衬底。用纳米颗粒的金属催化剂涂覆这些微结构催化剂支撑件，并将其加压成离子传导膜(ICM)，之后剥除掉聚酰亚胺衬底，留下纳米结构催化剂支撑件镶嵌在ICM中。

然后，如下制备在两个电极表面上具有纳米结构元件的MEA：用握持辊轧制法制出活性区面积为5cm²的三层头MEA。将两汽位于微纹理催化剂传递聚酰亚胺衬底(MCTS)上的5cm²方形纳米结构元件(一个用于阳极，另一个用于阴极)，分别放在如上制备的7.6cm×7.6cm Nafion^TM膜的中心的两面，该微纹理催化剂传递聚酰亚胺衬底是如共同待批申请09/369,619描述的方法制备的，该专利的内容参考结合于此。阳极催化剂由Pt和Pu组成，它们按0.22mg/cm²溅射在MCTS晶须上。阴极催化剂由Pt组成，它以0.28mg/cm²溅射在MCTS晶须上。将50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺片和20cm×28cm的涂覆纸片(优质喷墨光面纸，Item#HP C3836A，加州Palo Alto市的Hewlett-Packard股份有限公司)分别放在由涂覆了催化剂的衬底/Nafion^TM/涂覆催化剂的衬底这三者所构成的三明治结构的两面上，纸有光泽的那个面向着涂有催化剂的衬底。将所得的组件在135℃和6.9Mpa的条件下，以0.33m/分钟的速度，在两个钢轧辊之间进行轧制。剥除掉纸和原始的5cm²聚酰亚胺衬底，留下表面上固定有催化剂的Nafion^TM膜。为了制备5层头的MEA，用0.45mm厚的DS(双面)ELAT^TM电极衬垫材料覆盖在上述三层头的ICM上。在固定之前，用200厚的Pt溅射在DS ELAT^TM电极衬垫材料和3层头ICM这两者上。将所得的这个组件的中心置于涂覆了200微米厚的Teflon^TM的玻璃纤维垫圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部门)上的5cm²的方形孔中，该方形孔是切来与催化剂区域相配的。将50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺片放在其每一面上。将所得组件放在两个钢垫板之间，用Carver实验室压机(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃和10Mpa条件下压制。剥除掉聚酰亚胺片，在两个电极表面上留下具有纳米结构元件的5层头MEA。以38.5％压缩度将上述MEA装在燃料电池测试架中，使用原始未压缩材料作为参照。

在一个电极表面上具有纳米结构元件，而在另一表面上具有纳米结构催化剂和分散催化剂的MEA被称为它有梯度催化剂(N-G)。这些MEA是共同待批的美国专利申请09/312,514(该专利的内容参考结合此)中所述的6层结构，所述6层结构包括一个阳极DCC层、一个阳极催化剂层、一个膜电解质、两个阴极催化剂层和一个阴极DCC层。

如下制备梯度MEA(N-G)：将两片有纳米结构元件的5cm²方形，MCTS聚酰亚胺衬底(一个用于阳极，一个用于阴极)，分别放在如上制备的7.6cm×7.6cmNafion^TM膜的中心的两面上。阳极催化剂由Pt和Pu组成，它们按0.22mg/cm²的量溅射在MCTS晶须上。阴极催化剂由Pt组成，它以0.28mg/cm²的量溅射在MCTS晶须上。将50微米厚、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺片放在由涂覆了催化剂的衬底/Nafion/涂覆了催化剂的衬底这三者所构成的三明治结构的两个面上。将这所得的组件在135℃温度和6.9Mpa压力下，以0.33米/分钟的速度，在两个钢轧辊之间进行轧制。然后，剥除掉5cm²的原始聚酰亚胺衬底，留下表面上固定有催化剂的Nafion^TM膜。然后，对阴极面添加一层分散催化剂。用一种油墨涂覆DS ELAT^TM电极衬垫材料(420微米)，所述油墨包含0.67g Pt/C和0.7g甘油，它们分散在重量为6.7g的含5wt％Nafion^TM 1000的异丙醇/水混合物溶液中，然后在真空炉中，将衬垫材料93℃干燥10分钟，在DCC上形成一层催化剂。

用0.42mm厚覆有催化剂的DS ELAT^TM电极衬垫材料覆盖在有催化剂的三层头的膜的阴极面上，用0.51mm厚无催化剂的DS ELAT^TM覆盖在该膜的阳极面上。在覆盖之前，在阳极(无催化剂)面，用含4％Nafion 1100E.W.的甘油溶液，以每平方厘米0.03mg Nafion的量润湿该ELAT^TM电极衬垫材料。然后，将所得的这个使组件的中心置于涂覆了200微米厚Teflon^TM的玻璃纤维垫圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部门)上的5cm²的方形孔中，该方形孔是切来与催化剂区域相配的。将50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺片放在其每一面上。将此组件放在两个钢垫板之间，用Carver实验室压机(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在135℃温度和10Mpa压力下压制。然后，剥除掉聚酰亚胺片，在一个电极表面上留下具有纳米结构元件的6层MEA，在另一表面上留下纳米结构催化剂和分散的催化剂。

薄的DCC MEA

如下所述，用23μm厚的DCC材料并在其两个表面上分散催化剂的办法来制作例5中使用的薄的DCC MEA(tD-Dt)：用0.67g Pd/C催化剂和0.7g甘油在6.7g的异丙醇含水溶液中的悬浮液涂覆ELAT^TM电极衬垫材料(大约0.4mm厚)，然后在真空烘箱中将此衬垫材料93℃干燥10分钟，在DCC上形成一层催化剂。用含4％Nafion 1100E.W.的甘油溶液，以每平方厘米0.03mg Nafion的量润湿上述有催化剂的ELAT^TM电极衬垫材料的阴极面和阳极面。将5cm²方形有催化剂且经Nafion处理的DCC放在一块被拉伸的Nafion 112膜的每一面上。然后，将所得的这个组件的中心置于涂覆了0.5mm厚厚Teflon^TM的玻璃纤维垫圈(CT州New Haven市的Furon公司CHR部门)上的5cm²的方形孔中，该方形孔切来与催化剂区域相配的，将50微米厚的、7.6cm×7.6cm的聚酰亚胺片放在其每一面上侧。将此组件放在两个钢垫板之间，用Carver实验室压机(IN州Wabash市的Carver股份有限公司)在5Mpa压力和105℃温度下压制。剥除掉聚酰亚胺片。然后，还剥除碳布，留下内层碳/ELAT的Teflon涂层作为DCC薄层。发现有必要高度压挤此薄层，以便在DCC与微结构化的流场之间获得令人满意的接触。用23μm的垫圈，即允许DCC厚度为23μm的垫圈，将上述MEA(tD-Dt)装在测试电池中。

测试电池过程

用从NM州Alguquerque市燃料电池技术股份有限公司购买的360A测试台，用上述微结构化的流场端板或者比较用的端板来测试MEA。对测试架的每个螺栓施加扭矩至13.8N·m。测试台包括一个可变的电子负载，分开的阳极和阴极气体处理***用于控制气流、压力和湿度。电子负载和气流由计算机控制。通过对气体流注入水蒸汽，来加湿阳极和阴极的气体流。通过测量进入蒸汽设备的水流，来测量所加水蒸汽的量。在以下给出的测试参数下，记录燃料电池的极化曲线。

例1

比较两个D-D型MEA，其中一个使用本发明的微结构化的流场端板，另一个使用比较用的端板。

在以下测试参数下获得燃料电池极化曲线：阳极气体为氢气，阴极气体为空气，电极面积为5cm²；电池压缩大约30％；电池温度为65℃或70℃；阳极气体压力为0.1MPa；阳极气体流量为100标准cc/min；阳极增湿相当于2×或4×在该温度的饱和度；阴极气体压力为0.1MPa；阴极流量为300标准cc/min；阴极增湿相当于0.75×，1×，或2×在该温度的饱和度。使每个燃料电池在氢气和空气流达到65℃条件下的工作条件下。在头一夜对电池进行调适，然后开始测试规程。测量下述变量：阳极压力、阳极气流、阴极压力、阴极气流和电池温度。

表I列出了在0.3V和提供这些结果的最佳条件下获得的最大(受传输限制的)电流：

表I

流场型	Imax	阳极增湿	阴极增湿	电池温度
流场型	Imax	阳极增湿	阴极增湿	电池温度	微结构化的	1.289A/cm²	4×饱和度	2×饱和度	65℃
比较用的	0.661A/cm²	4×饱和度	1×饱和度	70℃	微结构化的	1.289A/cm²	4×饱和度	2×饱和度	65℃

观察到较低的工作温度和较高的湿度会降低电池的最大电流。因此，表明本发明的微结构化流场能够在电池中流体水严重超过的情况下提供出色的水份操纵。

例II

在不同的压力下进行了三次实验，所有实验都使用D-D型MEA以及本发明的微结构化流场端板。

实验条件：MEA类型：D-D；反应物：H₂/空气；电池压缩大约为30％；流量为0.1/0.3SLM；压力：0.1MPa(曲线A)，0.15MPa(曲线B)，0.2MPa(曲线C)；电池温度为70℃；阳极为4×饱和度；阴极为1×饱和度；微结构化的平行流场。图1示出了这三个实验的极化曲线。使用本发明流场端板的MEA在一定压力范围内表现良好的性能。

例III

在不同压力下进行实验，比较两种D-D型MEA，一种使用本发明的微结构化的流场端板，另一种使用比较用端板。

实验条件：MEA类型：D-D；反应物：H₂/空气；流量为0.1/0.3SLM；压力：0.1MPa(图2)，0.15MPa(图3)；电池温度为70℃；阳极为4×饱和度；阴极为1×饱和度。所有实验的电池压缩都为30.55％，但图2中曲线C的电池压缩为33.8％。

图2和图3表明，具有微结构化流场的D-D MEA的性能(曲线B和C)优于具有标准流场的相同MEA的性能(曲线A)。

另外，还观察到用于标准平行流场和基于ELAT的MEA的最佳电池压缩大小并不是用于具有微结构化流场的相同MEA的最佳压缩。结果，发现电池压缩的增大(图2，曲线C)将会进一步改善电池性能。

因此，表明在本例条件下，与比较用流场相比本发明的微结构流场可以提供更好的性能。

例IV

用本发明的微结构化流场端板进行实验，比较三种类型的MEA(D-D，N-N，和N-G)的性能。

图4说明具有微结构化流场的三种不同类型的MEA都具有很好的性能。下面列出了这些MEA及其各自的工作条件：D-D(曲线A)的工作条件：电池压缩大约为30％；H₂/空气，0.1MPa，0.1/0.3SLM，电池温度为65℃，增湿为4×/1×。N-N(曲线B)的工作条件：H₂/空气，0.1MPa，0.1/0.3SLM，电池温度为70℃，增湿为2×/0.75×。N-G(曲线C)的工作条件：H₂/空气，0.1MPa，0.1/0.3SLM，电池温度为70℃，增湿为2×/1×。选择工作条件，以便在环境压力下每种MEA都获得最佳性能。使用本发明流场板的MEA在各种类型的催化剂情况下一都表现良好的性能。

例V

用具有DCC薄层的tD-Dt型MEA进行实验，先使用本发明的微结构化的流场端板，然后使用比较用的端板，然后再使用微结构化的流场端板。

首先用微结构化的平行流场对MEA进行调适。实验条件如下：电池压缩大约为30％；MEA类型：D-D，23μm厚DCC，反应物：H₂/空气，流量为0.1/0.3SLM，压力为0.1MPa，电池温度为65℃，阳极为2×饱和度，阴极为2×饱和度。在调适期结束后，记录曲线A。然后，打开电池，将流场板换成标准的平行流场板。在相同的工作条件和压缩程度下测试电池(曲线B)。然后，将电池返回到微结构化平行流场的状态，并进行重新测试，证实MEA在流场交换期间没有损坏(曲线C)。

因此，表明了在本例的条件下，与比较用流场相比本发明的微结构化流场能够提供更好的性能，并且能够生产更薄的MEA。

对于本领域的熟练技术人员来说，不脱离本发明的范围和精神对本发明进行各种变化和改变是显而易见的，并且应该理解，本发明不局限于上述说明性的实施例。所有出版物和专利都参考结合在本文发明中，就如象各个出版物或专利在本文中都被具体并个别指出要参考结合于在此。

Claims

1.一种流场，其特征在于，包括一个或多个通道，所述通道的深度小于800μm，宽度小于800μm。

2.一种流场，其特征在于，包括多个通道，并且通道间距小于800μm。

3.一种流场，其特征在于，它有一个活性区，该活性区包括一个或多个通道，而所述通道被槽脊区隔开，槽脊区小于流场中活性区的20％。

4.如权利要求2所述的流场，其特征在于，所述通道的深度小于800μm，宽度小于800μm。

5.如权利要求3所述的流场，其特征在于，所述通道的深度小于800μm，宽度小于800μm。

6.如权利要求2所述的流场，其特征在于，所述流场具有一个活性区，所述活性区包含多个被槽脊区隔开的通道，槽脊区小于流场中活性区的25％。

7.如权利要求1所述的流场，其特征在于，所述流场包括一个或多个通道，所述通道深度小于650μm，通道宽度小于650μm。

8.如权利要求1所述的流场，其特征在于，所述流场包括一个或多个通道，所述通道深度小于250μm，通道宽度小于250μm。

9.如权利要求2所述的流场，其特征在于，包括多个通道，所述通道的间距小于650μm。

10.如权利要求2所述的流场，其特征在于，包括多个通道，所述通道的间距小于250μm。

11.如权利要求3所述的流场，其特征在于，槽脊区小于流场中活性区的15％。

12.如权利要求3所述的流场，其特征在于，槽脊区小于流场中活性区的5％。

13.一种流场板，其特征在于，包括如权利要求1所述的流场。

14.如权利要求13所述的流场板，其特征在于，其厚度为1mm或更小。

15.一种流场板，其特征在于，包括如权利要求6所述的流场。

16.如权利要求15所述的流场板，其特征在于，其厚度为1mm或更小。

17.一种流场，其特征在于，它包括一个或多个通道，所述通道的深度小于3mm，宽度小于3mm，所述通道还包括一些微特征物，所述微特征物的深度小于所述通道深度的80％，宽度小于所述通道宽度的80％。

18.如权利要求17所述的流场，其特征在于，所述微特征物的深度小于所述通道深度的50％，宽度小于所述通道宽度的50％。

19.如权利要求18所述的流场，其特征在于，所述微特征物的深度小于所述通道深度的20％，宽度小于所述通道宽度的20％。

20.一种包含权利要求17所述流场的流场板。

21.如权利要求20所述的流场板，其特征在于，其厚度为1mm或更小。

22.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求13所述的流场板。

23.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求15所述的流场板。

24.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求20所述的流场板。

25.如权利要求22所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括厚度小于25μm的DCC层。

26.如权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括厚度小于25μm的DCC层。

27.如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括厚度小于25μm的DCC层。

28.一种扩散体-集电器(DCC)，其特征在于，包括如权利要求1所述的流场。

29.一种扩散体-集电器(DCC)，其特征在于，包括如权利要求6所述的流场。

30.一种扩散体-集电器(DCC)，其特征在于，包括如权利要求17所述的流场。