專(zhuān)利名稱(chēng)：用于改進(jìn)流動(dòng)分配和冷凍兼容性的燃料電池雙極板出口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池組件，并且更特別是涉及一種采用部分 布置在燃料電池組歧管內(nèi)以有助于液體水從燃料電池組件輸送的水輸 送結(jié)構(gòu)的燃料電池組件。
背景技術(shù)：
燃料電池功率系統(tǒng)將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成電能。
一種類(lèi)型的燃料
電池功率系統(tǒng)采用質(zhì)子交換薄膜(此后稱(chēng)為"PEM")，以便有助于燃料 (例如氫)和氧化劑(例如空氣或氧)的催化反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。PEM 是固體聚合物電解質(zhì)，有助于質(zhì)子從通常用于燃料電池功率系統(tǒng)的燃 料電池組的每個(gè)單獨(dú)的燃料電池內(nèi)的陽(yáng)極輸送到陰極。
在燃料電池功率系統(tǒng)的典型燃料電池組中，單個(gè)燃料電池提供多 種反應(yīng)劑和冷卻流體流過(guò)其中的通道。燃料電池板可以是單極的，或 者雙極板可以通過(guò)將多個(gè)單極板組合來(lái)形成。燃料電池板可設(shè)計(jì)有蜿 蜒的流動(dòng)通道。蜿蜒流動(dòng)通道是有利的，這是由于它們?cè)诓僮髦械娜?料電池的有效區(qū)域上有效地分布反應(yīng)劑，由此使得性能和穩(wěn)定性最大。 水從流動(dòng)通道到燃料電池板的出口歧管的運(yùn)動(dòng)通過(guò)反應(yīng)劑流過(guò)燃料電 池的流動(dòng)來(lái)造成。拖曳力造成液體水流過(guò)通道，直到液體水經(jīng)由出口 歧管離開(kāi)燃料電池為止。但是，在燃料電池在低功率輸出下操作時(shí)， 氣體流動(dòng)速度過(guò)低，而不能產(chǎn)生有效拖曳力來(lái)輸送液體水。并且液體 水在5危動(dòng)通道內(nèi)積、累。
依賴(lài)氣體流動(dòng)拖曳力來(lái)去除液體水的其它限制在于拖曳力不會(huì)很 強(qiáng)，而不能有效地輸送產(chǎn)生會(huì)造成水積累和匯集的滯留點(diǎn)的液體水， 由此停止水流動(dòng)。這種滯留點(diǎn)是通常位于通道出口與燃料電池組歧管 交匯的位置。
某些當(dāng)前的燃料電池組件采用具有親水表面的板。觀察到水在材 料表面上形成薄膜，并且在流動(dòng)通道的出口和板的周邊積累。水薄膜 可阻擋氣體流動(dòng)，繼而減小去除液體水的驅(qū)動(dòng)力，并防止液體從燃料 電池組中去除。水的積累可造成氣體流動(dòng)被阻擋或者流動(dòng)不平衡，會(huì) 對(duì)于電池組的性能造成不利影響。
另外，積累的水可在燃料電池組中形成冰。水和冰的存在會(huì)影響 燃料電池組件的性能。在燃料電池組件的典型搮作中，來(lái)自于燃料電 池反應(yīng)的廢棄熱量加熱組件，減小組件內(nèi)蒸氣凝結(jié)以及冰的形成。在 燃料電池在零下溫度下的開(kāi)始操作和低功率操作中，燃料電池板的流 動(dòng)通道和出口歧管的邊緣處的凝結(jié)水可在燃料電池組件中形成冰。冰 的形成限制了反應(yīng)劑流動(dòng)，造成電壓損失。
希望的是開(kāi)發(fā)一種具有改進(jìn)裝置的燃料電池組件，該裝置用來(lái)從 燃料電池組的燃料電池的氣體流動(dòng)通道中去除液體水，以便減小燃料 電池組件中液體水和冰的積累。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，令人吃驚地發(fā)現(xiàn)一種具有用來(lái)從燃料電池組的燃料 電池氣體流動(dòng)通道中去除液體水以便減小燃料電池組件中液體水和冰 的積累的改進(jìn)裝置的燃料電池組件。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池板包括具有形成其中的第一開(kāi)口的板； 形成在所述板上的多個(gè)流動(dòng)通道；以及布置在至少一個(gè)所述流動(dòng)通道 和所述板的開(kāi)口之間的水輸送結(jié)構(gòu)，以有助于將水從至少一個(gè)所述流 動(dòng)通道輸送到開(kāi)口。
在另一實(shí)施例中，燃料電池板包括雙極板；形成在所述雙極板的 每個(gè)表面上的多個(gè)流動(dòng)通道；穿過(guò)所述雙極板形成的至少一個(gè)開(kāi)口； 以及水輸送結(jié)構(gòu)，其中所述水輸送結(jié)構(gòu)包括在流動(dòng)通道和開(kāi)口之間穿 過(guò)形成在所述雙極板的表面內(nèi)的開(kāi)口布置的第一端、布置在所述雙極 板的表面之間的中間部分以及從中間部分延伸到開(kāi)口的第二端。
在另一實(shí)施例中，燃料電池組件包括具有多個(gè)燃料電池板的燃料 電池組，每個(gè)燃料電池板具有多個(gè)流動(dòng)通道和多個(gè)表面，其中每個(gè)燃 料電池板包括形成其中的至少一個(gè)開(kāi)口 ，燃料電池板的開(kāi)口大致對(duì)準(zhǔn) 以便形成歧管；以及從每個(gè)燃料電池板的開(kāi)口的內(nèi)邊緣延伸到歧管的 水輸送結(jié)構(gòu)，其中水被造成從燃料電池板流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述水輸送結(jié)構(gòu)并 流過(guò)歧管。


在結(jié)合附圖考慮時(shí)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從優(yōu)選實(shí)施例的以下詳 細(xì)描述中將容易理解本發(fā)明的所述以及其它優(yōu)點(diǎn)，附圖中
圖1是按照本發(fā)明的實(shí)施例在燃料電池組歧管內(nèi)結(jié)合水輸送結(jié)構(gòu)
的燃料電池組的截面圖2是圖1的燃料電池組的水輸送結(jié)構(gòu)的示意截面圖； 圖3是圖1所示的燃料電池組的燃料電池板的頂部平面圖； 圖4是圖3的燃料電池板的放大局部頂部平面圖。
具體實(shí)施例方式
下面的詳細(xì)描述和

和描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。該說(shuō) 明和描述用來(lái)使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員利用和使用本發(fā)明，并且不打 算以任何方式限制本發(fā)明。
圖1和2表示按照本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池組件10。燃料電池組 件包括多個(gè)燃料電池板12。每個(gè)板12包括入口開(kāi)口、出口開(kāi)口以及多 個(gè)水輸送結(jié)構(gòu)18。每個(gè)板12的入口開(kāi)口相互結(jié)合以便形成入口歧管 14，并且每個(gè)板12的出口開(kāi)口相互結(jié)合以便形成出口歧管16。入口歧 管14與入口 28流體連通，并且出口歧管16與出口 30流體連通。理 解到圖1和2所示的燃料電池組件IO可以是任何陽(yáng)極側(cè)或陰極側(cè)的截 面圖。
圖3和4表示由一對(duì)單極板形成的雙極燃料電池板12的頂部平面 圖。雙極板12包括兩個(gè)入口開(kāi)口 20、兩個(gè)出口開(kāi)口 22和多個(gè)流動(dòng)通 道24。應(yīng)該理解到流動(dòng)通道24可包括布置在燃料電池板12的外表面 上的通道，以及靠近燃料電池板12的內(nèi)表面布置的通路。還應(yīng)該理解 到燃料電池組件10內(nèi)的板12的構(gòu)造材料、尺寸、形狀、質(zhì)量和類(lèi)型 以及組件10內(nèi)的燃料電池板12的構(gòu)造可根據(jù)例如要產(chǎn)生電能數(shù)量、 通過(guò)燃料電池組件IO供能的機(jī)器10的尺寸、流過(guò)燃料電池組件10的 氣體的容積流速以及其它類(lèi)似因素的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)變化。燃料電池板12 可由任何傳統(tǒng)材料形成，例如石墨、碳合成物或者沖壓金屬。圖3所 示的燃料電池板12可用于燃料電池組件10的陽(yáng)極側(cè)或陰極側(cè)(未示 出)。另外，應(yīng)該理解到根據(jù)需要板12可具有任何數(shù)量的入口開(kāi)口 20 和出口開(kāi)口 22。但是，根據(jù)需要，流動(dòng)通道24可以是大致線性、蜿蜒
或者具有其它的構(gòu)造。
水輸送結(jié)構(gòu)18在入口開(kāi)口 20和出口開(kāi)口 22處布置在燃料電池板 12上，如圖3和4所示。應(yīng)該理解到或多或少的水輸送結(jié)構(gòu)18可根據(jù) 需要來(lái)使用。水輸送結(jié)構(gòu)18包括第一端18a、第二端18c和形成在第 一端18a和第二端18c之間的中間部分18b。
水輸送結(jié)構(gòu)18的第一端18a延伸到靠近流動(dòng)通道24和入口 20以 及靠近流動(dòng)通道24和出口 22形成在燃料電池板12的開(kāi)口 26內(nèi)。雖 然根據(jù)需要，可以使用其它的構(gòu)造，通常，開(kāi)口 26靠近墊片32和流 動(dòng)通道24形成，如圖2所示。
水輸送結(jié)構(gòu)18的中間部分18b布置在燃料電池板12的單極板之 間。在所示的實(shí)施例中，水輸送結(jié)構(gòu)18的中間部分18b圍繞墊片32。 因此，靠近墊片32提供流動(dòng)路徑，如圖2所示。
水輸送結(jié)構(gòu)18的第二端18c從燃料電池板12之間延伸到入口開(kāi) 口20和出口開(kāi)口22。在所示的實(shí)施例中，水輸送結(jié)構(gòu)18具有大致矩 形的形狀。但是，根據(jù)需要，水輸送結(jié)構(gòu)18可具有任何形狀，例如三 角形、曲線形以及不規(guī)則形狀。如圖1和2所示，水輸送結(jié)構(gòu)18的第 二端18c由于重力向下懸置，由此造成相鄰的第二端18c大致鄰靠。 但是，應(yīng)該理解到根據(jù)需要第二端18c可具有單獨(dú)或其它的構(gòu)造。
水輸送結(jié)構(gòu)18可以由任何傳導(dǎo)性多孔材料形成，例如泡沫體、棉 花、羊毛、玻璃纖維、毛氈、植絨織物、紙張以及紙張和聚合物纖維 的合成物。水輸送結(jié)構(gòu)18還可包括親水涂層，例如氧化硅(Si0x)， 另一金屬氧化物，或者其它化學(xué)涂層，例如親水涂層，或者由親水或 疏水材料形成。
入口歧管14包括通過(guò)燃料電池板12的入口開(kāi)口 20與形成在燃料 電池組件10內(nèi)的入口歧管14流體連通的入口 28。板12疊置，其中每 個(gè)板12的入口開(kāi)口 20與相鄰的板或燃料電池板12的入口開(kāi)口 20大 致對(duì)準(zhǔn)。應(yīng)該理解到歧管14的直徑、質(zhì)量和長(zhǎng)度將取決于燃料電池板 12內(nèi)的入口開(kāi)口 20的尺寸和質(zhì)量以及疊置在燃料電池組件10內(nèi)的燃 料電池開(kāi)口 20的數(shù)量。
出口歧管16包括通過(guò)燃料電池板12的出口開(kāi)口 22與形成在燃料 電池組件10內(nèi)的出口歧管16流體連通的出口 30。板12疊置，其中每 個(gè)板12的出口開(kāi)口 22與相鄰板或板12的出口開(kāi)口 22大致對(duì)準(zhǔn)。應(yīng) 該理解到出口歧管16的直徑、質(zhì)量和長(zhǎng)度將取決于板12內(nèi)的出口開(kāi) 口 22的尺寸和質(zhì)量以及在燃料電池組件10內(nèi)疊置在一起的板12的數(shù) 量。
通常，在燃料電池功率系統(tǒng)的操作過(guò)程中，氫反應(yīng)劑被供應(yīng)到燃 料電池組件10的陽(yáng)極側(cè)上。因此，氧反應(yīng)劑被供應(yīng)到燃料電池組件10
的陰極側(cè)上。在陽(yáng)極側(cè)，氫被催化地分成質(zhì)子和電子。氧化半-電池反
應(yīng)通過(guò)H2^2r+2e表示。在聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池中，質(zhì)子透過(guò) 薄膜到陰極側(cè)。電子沿著外部載荷回路到陰極側(cè)，形成燃料電池組件 IO的電流。在陰極側(cè)，氧與透過(guò)薄膜的質(zhì)子和來(lái)自于外部回路的電子 反應(yīng)，以便形成水分子。這種還原半-電池反應(yīng)通過(guò)4H、4e +02"2H20 表示。來(lái)自于陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極廢物流過(guò)背壓控制閥到燃燒器，或者可選 擇地重新循環(huán)回到陽(yáng)極入口歧管。來(lái)自于陰極側(cè)的陰極廢物流過(guò)第二 背壓控制閥到燃燒器或者到周?chē)h(huán)境?？刂颇K通常通過(guò)操作不同的 控制閥、背壓控制閥和壓縮機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)氫流、氧流以及廢物流的狀態(tài)， 以響應(yīng)來(lái)自于連接到燃料電池組件10的壓力傳感器和電功率傳感器的 信號(hào)。
在燃料電池組件10的操作過(guò)程中，液體水的液滴形成在燃料電池 組件10的陰極側(cè)上的燃料電池板12的通道24內(nèi)。某些水同樣可輸送 到陽(yáng)極流動(dòng)通道，或者可由于氫的消耗造成凝結(jié)而形成在陽(yáng)極通道內(nèi)。 應(yīng)該理解到這里針對(duì)陰極側(cè)描述的操作類(lèi)似于燃料電池組件IO的陽(yáng)極 側(cè)的操作。流過(guò)陰極側(cè)的空氣流造成水的液滴朝著出口歧管16流過(guò)通 道24。水蒸氣同樣朝著出口歧管16流動(dòng)。 一旦水液滴接觸水輸送結(jié)構(gòu) 18的第一端18a,水經(jīng)由中間部分18c通過(guò)水輸送結(jié)構(gòu)18帶走，并從 第二端18b進(jìn)入歧管14、 16。由于開(kāi)口26靠近墊片32和流動(dòng)通道24 形成，水和蒸氣可從組件10去除，同時(shí)還有助于通過(guò)墊片32進(jìn)行適 當(dāng)密封。如果水輸送結(jié)構(gòu)18如圖3所示隔開(kāi)，水和水蒸氣將以公知的 去除水的方式同樣經(jīng)由歧管14、 16并從燃料電池組件10輸送經(jīng)過(guò)水 輸送結(jié)構(gòu)18。如果水輸送結(jié)構(gòu)18包括親水涂層或者由親水材料制成， 這將提供另外的毛細(xì)管力來(lái)吸引水液滴和凝結(jié)水蒸氣。廢物的氣流同 樣經(jīng)過(guò)水輸送結(jié)構(gòu)18并經(jīng)過(guò)出口歧管16。如果水輸送結(jié)構(gòu)18包括親 水涂層或者由親水材料制成，毛細(xì)管作用通過(guò)涂層或材料的排斥性能 來(lái)輔助。
希望的是可以根據(jù)用于水輸送結(jié)構(gòu)18的材料而采用三種不同的水 輸送機(jī)構(gòu)來(lái)從通道24去除水。首先，多孔材料18可形成開(kāi)放連續(xù)孔 口的網(wǎng)絡(luò)，能夠利于毛細(xì)管力在其中輸送水。其次，由于水輸送結(jié)構(gòu) 18的第二端18c鄰靠并形成經(jīng)過(guò)燃料電池組件10的入口歧管14和出 口歧管16的連續(xù)路徑，通過(guò)水輸送結(jié)構(gòu)18吸收的水將形成靜壓頭，
以有助于將水從歧管14、 16去除。雖然不是必須的，希望的是水輸送 結(jié)構(gòu)18的一部分飽和以便形成足夠的壓頭來(lái)造成水從水輸送結(jié)構(gòu)18 排出。如果飽和部分不在水輸送結(jié)構(gòu)18中形成，蠕動(dòng)泵(未示出)可 用于燃料電池組件10，以造成水流過(guò)組件10并流出水輸送結(jié)構(gòu)18。 蠕動(dòng)泵可以是在例如2005年六月的題為"Pump to Remove Water form a Wick" Pub. No. 494084 0. G.中由無(wú)名氏披露的蠕動(dòng)泵。第三，在燃 料電池組件10的操作過(guò)程中，希望的是操作循環(huán)的一部分將造成出口 反應(yīng)劑流不太飽和，其中蒸發(fā)將有助于水從水輸送結(jié)構(gòu)18中去除。
從以上描述中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易確信本發(fā)明的基本特征 并且在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)于本發(fā)明進(jìn)行多種 變化和變型，使其適用于多種應(yīng)用和情況。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池板，包括:板，具有形成其中的第一開(kāi)口；多個(gè)流動(dòng)通道，形成在所述板上；以及水輸送結(jié)構(gòu)，布置在至少一個(gè)所述流動(dòng)通道和所述板的開(kāi)口之間，以有助于水從至少一個(gè)所述流動(dòng)通道輸送到開(kāi)口。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，所述板包括在 流動(dòng)通道和第一開(kāi)口之間形成其中的第二開(kāi)口 ，所述水輸送結(jié)構(gòu)的第 一端布置在第二開(kāi)口內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送結(jié) 構(gòu)是由泡沫體、棉花、羊毛、玻璃纖維、毛氈、植絨織物、紙張以及 紙張和聚合物纖維合成物之一形成的多孔材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送結(jié)構(gòu)是非傳導(dǎo)性的。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送結(jié) 構(gòu)由親水材料和疏水材料之一形成。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送結(jié) 構(gòu)包括親水涂層和疏水涂層之一。
7. 如權(quán)利要求6所述的燃料電池板，其特征在于，親水涂層是金 屬氧化物。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池板，其特征在于，親水涂層是氧 化硅。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池板，其特征在于，還包括多個(gè)隔 開(kāi)的水輸送結(jié)構(gòu)。
10. —種燃料電池板，包括雙極板，具有形成其中的第一開(kāi)口和第二開(kāi)口； 多個(gè)流動(dòng)通道，形成在所述雙極板的每個(gè)表面上；以及 水輸送結(jié)構(gòu)，其中所述水輸送結(jié)構(gòu)包括延伸到第二開(kāi)口內(nèi)的第一端、布置在所述雙極板的表面之間的中間部分以及延伸到第一開(kāi)口內(nèi)的第二端。
11. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送 結(jié)構(gòu)由泡沫體、棉花、羊毛、玻璃纖維、毛氈、植絨織物、紙張以及 紙張和聚合物纖維合成物之一形成。
12. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送 結(jié)構(gòu)是具有變化孔口尺寸的泡沫體。
13. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池板，其特征在于，所述水輸送 結(jié)構(gòu)包括親水涂層和疏水涂層之一。
14. 如權(quán)利要求13所述的燃料電池板，其特征在于，親水涂層是 金屬氧化物。
15. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池板，其特征在于，還包括多個(gè) 隔開(kāi)的水輸送結(jié)構(gòu)。
16. —種燃料電池組件，包括燃料電池組，包括多個(gè)燃料電池板，每個(gè)燃料電池板具有多個(gè)流 體通道和多個(gè)表面，其中每個(gè)燃料電池板包括形成其中的至少第一開(kāi) 口，燃料電池板的至少第一開(kāi)口大致對(duì)準(zhǔn)以便形成歧管；以及水輸送結(jié)構(gòu)，從每個(gè)燃料電池板的第一開(kāi)口的內(nèi)邊緣延伸到歧管 內(nèi)，其中水被造成從燃料電池板流過(guò)所述水輸送結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)歧管。
17. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其特征在于，所述水輸 送結(jié)構(gòu)包括在流動(dòng)通道和每個(gè)燃料電池板的第一開(kāi)口之間穿過(guò)形成在 每個(gè)燃料電池板的表面內(nèi)的第二開(kāi)口布置的第一端、布置在燃料電池 板的表面之間的中間部分以及從燃料電池板之間延伸到第 一開(kāi)口內(nèi)的 第二端。
18. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其特征在于，所述水輸 送結(jié)構(gòu)由泡沫體、棉花、羊毛、玻璃纖維、毛氈、植絨織物、紙張以 及紙張和聚合物纖維合成物之一形成。
19. 如權(quán)利要求15所述的燃料電池組件，其特征在于，所述水輸 送結(jié)構(gòu)包括親水涂層和訴訟涂層之一。
20. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括多 個(gè)隔開(kāi)的水輸送結(jié)構(gòu)。
21. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其特征在于，延伸到歧 管內(nèi)的所述水輸送結(jié)構(gòu)的一部分大致鄰靠相鄰燃料電池板的水輸送結(jié) 構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于改進(jìn)流動(dòng)分配和冷凍兼容性的燃料電池雙極板出口。其中燃料電池組件利用從組件的燃料電池板延伸到燃料電池組件歧管的水輸送結(jié)構(gòu)，其中水輸送結(jié)構(gòu)有助于液體水從燃料電池板輸送，由此減小液體水和冰在燃料電池組內(nèi)積累。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101383424SQ20081021380
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者J·A·羅克, J·P·奧維詹, S·R·法爾塔, T·A·特拉博爾德, T·W·蒂赫 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司