用于蒸發式冷卻燃料電池的混合雙極板的制作方法
【專利摘要】燃料電池功率設備（36）具有豎直燃料電池（102），每個燃料電池共用混合分離板（100）的一半，所述混合分離板包括實心燃料流板（105），實心燃料流場板在一個表面上具有水平燃料流通道（106）并且在相對表面的上部上具有冷卻劑通道（108），實心燃料流場板結合到多孔親水氧化劑流場板（115）的平坦后側上，多孔親水氧化劑流場板具有豎直氧化劑流通道（118）。冷卻劑滲透通過多孔親水氧化劑流場板的上部并且進入氧化劑流通道，在氧化劑流通道中，當水向下滴流通過氧化劑流場通道時所述冷卻劑蒸發，由此冷卻燃料電池。
【專利說明】用于蒸發式冷卻燃料電池的混合雙極板
【技術領域】
[0001]混合雙極板包括結合在一起的實心水平燃料流場以及多孔豎直氧化劑流場，所述混合雙極板包括只(exclusively)在混合板的實心燃料流場部分的上緣上的水冷卻劑通道，以提供通過多孔氧化劑流場板并且在氧化劑流通道中向下滴流的冷卻劑水，以由此利用由在燃料流場板部分中的通道提供的水來蒸發式冷卻燃料電池。
【背景技術】
[0002]燃料電池領域已知蒸發式冷卻燃料電池，與將可感知的熱量傳送到流過該電池的循環水或者流過冷卻劑板的冷卻劑相比，由此得到蒸發熱量的益處。
[0003]現參考圖1，US 7，579，098的蒸發式冷卻燃料電池功率設備36包括豎直設置的燃料電池38堆37。
[0004]來自燃料源41的燃料被提供給燃料入口 42并且沿由粗線箭頭43所示的第一燃料流程向右流動到燃料轉向歧管44。然后，燃料氣體向下流動并流入到燃料流場的第二燃料流程，其中，燃料氣體如粗線箭頭45所示地流動到左邊。從燃料出口 47，燃料可流經再循環泵48 (可能具有未示出的閥)而回到燃料入口 42，并且可通過閥49被定期地吹掃到環境中，這都是本領域已知的。可使用單流程、三流程或其他燃料流動構造。
[0005]在圖1中，處理空氣由泵52提供給空氣入口 53，并且該空氣向上流動通過燃料電池38的氧化劑反應氣體流通道，如空心箭頭54所示的。從處理空氣出口 57，該空氣在導管58中流動到冷凝器59，所述冷凝器在車輛中可以是常規散熱器。更干燥的排出空氣流過排出口 62。來自冷凝器59的冷凝物可被引導積聚在貯存器64中，該貯存器由水返回導管65連接到水入口 66。然后，水流過流體導管(典型地，微小通路67)進入到每個燃料電池38中；通路67可終止于通風歧管68，來自通路的空氣從該通風歧管的移除被設置成通過通風口(例如，多孔疏水插塞通風口 69);或者，在任何給定情形中合適的情況下，該通路可以是盲端的，或者它們可在通風口 69處連接到微泵，如已知的那樣。
[0006]雖然存在水入口 66，但是基本上無水出口，如參考圖2更完整地描述的那樣，水簡單地存在于每個燃料電池中。在圖2中，燃料電池38每個均包括常規膜電極組件72，所述膜電極組件包括電解質，所述電解質在其相對側上具有陽極催化劑和陰極催化劑，并且在一個電極或兩個電極上可包括或可不包括氣體擴散層。
[0007]在圖2中，燃料反應氣體流過燃料反應氣體流場板75中的通道74，所述燃料反應氣體流場板75包括溝槽76，所述溝槽與相鄰燃料電池的溝槽77 —起形成微小水通路78。在陰極側上，氧化劑反應氣體流場板81包括處理空氣流通道82以及溝槽83，所述溝槽與相鄰燃料電池上的溝槽84 —起形成微小水通路85。
[0008]為了防止過溢，反應氣體典型地比通路中的水的壓力高幾個千帕(大約0.5 psi)。這將會自然地發生，因為空氣泵52通常使空氣的壓力比大氣壓高得多，并且燃料的壓力容易調節(如已知的那樣)。在圖1中，導管65中的水可處于大氣壓力下，但是只要反應氣體具有稍微更高的壓力，該水就可處于大氣壓力以外的壓力下。[0009]水通路可由除匹配溝槽(如圖所示)之外的方式來形成。水通路67可僅設置在反應氣體流場板75、81之一中。
[0010]反應氣體流場板75、81顯示為與水輸送板相同，在燃料電池功率設備中有時被稱為細孔版，所述燃料電池功率設備借助外部水處理來利用通過水輸送板的明顯水流，如在美國專利5，700, 595中公開的。然而，由于與在前述專利5，700, 595中的可感知熱量水流冷卻相比，當使用蒸發冷卻時，每體積水在冷卻效力上具有100對l(one hundred-to-one)的提高，所以現有技術中的水流通道的截面是圖1中的水通路78、85的截面的數十倍。此夕卜，水通路78、85的橫向部分的間隔(示出在圖3的燃料電池的每個結合部處)可以分離一距離，該距離是如前述專利5，700, 595中的可感知熱量的水流冷卻系統中的水流通道的橫向部分之間的間隔的數倍。水通路78、85的小截面以及其相繼橫向部分之間的大距離允許將反應氣體流場板75、81的厚度減少大約三分之一。
[0011]如關于圖1和圖2描述的本領域的蒸發式冷卻燃料電池后來已享有附加改進和變形。這種燃料電池組合是十分有利的，如前文所述的。然而，板的制造，特別是所述板在兩側上都具有溝槽的情況，在所使用的材料以及獲得處于公差內的合適板所需的機加工方面都是昂貴的。由于燃料電池彼此分離，由此避免燃料跨越到氧化劑板中和/或氧化劑跨越到燃料板中，燃料板81和氧化劑板75中的氣泡壓力必須被仔細地控制，使得水將流過這些板，但氣體不會。因此，多孔性、孔尺寸和孔體積也是關鍵的。為了確保避免水流入到反應氣體中，冷卻劑水典型地比反應氣體壓力低一個或數個psi (0.7或1.5 kPa)。
[0012]為了使制造工藝容易、降低所浪費材料的成本、以及實現燃料電池的充分分離和陽極側以及質子交換膜的濕化，典型地使用端銑。
[0013]更容易被制造并且不需要氣泡壓力偏差的流場板或分離板會是有利的。
【發明內容】
[0014]本文的混合分離板包括實心燃料流場板，所述實心燃料流場板具有形成于該板上部后側中的數個水平水通道，所述實心燃料流場板結合到多孔親水豎直流的氧化劑流場板，所述氧化劑流場板在其后側上未設置有通道。在燃料流場部分的上緣處的數個冷卻劑通道中的水滲入多孔親水氧化劑流場部分中，并且冷卻劑水流入到豎直氧化劑流通道中，并且在流通道內部向下滴流，所述水在該流通道中蒸發以由此冷卻該燃料電池堆。
[0015]混合板需要通道主要形成在混合分離板的每個部分的僅一側上，而僅數個水通道形成在燃料流場部分的上緣的相反側上。取代需要端銑，可使用排銑，并且由于不需要控制氣泡壓力作為將一個燃料電池的燃料與相鄰燃料電池的氧化劑分離的手段，因此公差可放寬。
[0016]混合流場板與先前用于蒸發式冷卻的燃料電池的混合流場板相比顯著更便宜，并且是用于避免反應氣體跨越的可靠手段。
[0017]鑒于如附圖中所述的示例性實施方式的下述詳細說明，其他變形將變得更明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是現有技術中已知的采用具有蒸發式冷卻的水輸送板的燃料電池功率設備的簡化透視圖。[0019]圖2是現有技術中已知的一對燃料電池的局部截面側視圖，為了清楚起見省除了剖面線。
[0020]圖3是采用本文的混合分離板的一對燃料電池的局部截面側視圖。
[0021]圖4是圖3的燃料電池雙極板的局部的簡化的透視圖。
[0022]圖5是采用本文的混合分離板的燃料電池功率設備的簡化透視圖。
【具體實施方式】
[0023]參考圖3和圖4，混合分離板100定位在膜電極組件(MEA) 101的相對表面上，以便形成燃料電池102。除了陰極和陽極催化劑層支承件之外，MEA 101可具有或可不具有氣體擴散層。每個分離板100在MEA 101的陽極側上包括實心燃料流場板105，所述實心燃料流場板在其與MEA 101相鄰并接觸的表面上具有燃料流通道106。在燃料流場通道106的相反表面的上端(在地軸上)形成有多個水冷卻劑通道108。水通道108向下延伸到燃料流場通道105的平面形狀中，范圍僅與MEA 101的上部111是非活性部分相同，MEA 101的上部111是非活性部分即在質子交換膜的兩側上都不具有陰極和陽極催化劑層，與平面形狀112的主要部分是活性的相反。冷卻劑通道108的范圍占燃料流板105的平面形狀的相對小的部分，例如沿燃料流板105的豎直長度在小于15%、優選地小于10%的量級。
[0024]燃料流場板105的后表面每個均在結合部114處結合到多孔親水氧化劑流場板115的平坦后側上。氧化劑流場板115具有從其表面向內延伸的豎直氧化劑反應氣體流通道，所述表面與所述板在結合部114處結合在一起的表面相對。
[0025]板的結合優選地實現成具有最少量的電阻，以便保持有利的堆電壓。將兩個板結合在一起的一種方式是:在燃料流場板的后表面的外周部(類似于圖框)上設置熱塑性樹脂(例如，低密度聚乙烯)的非常薄的涂層；以及然后將所述涂層在大約40 psi (276 kPa)和大約100 psi (690 kPa)之間的壓力下加熱至合適溫度,例如在大約245 °F (118°C)和大約280 T (138°C)之間，使得用于形成多孔親水氧化劑流場板115的熱塑性樹脂將與設置到燃料流場板105的薄層融合。
[0026]由于冷卻劑流通道108與燃料流場通道106相比位于燃料流場板105的不同部分處，因此，燃料流場板可比迄今為止可能的燃料流場板更薄，由此促進燃料電池堆中的更大功率密度。在燃料流場板105的右上表面處的凹口用于容納常規界面密封件。
[0027]雖然在本文的混合流場板的任何給定實施方式中冷卻劑通道108優選地形成在燃料流場板105的相反側上，但是必要的話或需要的話，冷卻劑通道108相反可設置在氧化劑流場板115中或者設置在所述燃料流場板105以及所述氧化劑流場板中。然而，最簡單且更少成本的制造將在實心燃料流板105中設置冷卻劑通道108。
[0028]如圖5所示，燃料電池本身被豎直地安裝在燃料電池堆37中。混合分離板100被安裝在該堆中，使得氧化劑流場通道118如虛線/短線箭頭67所示是豎直的，而燃料流場通道106如箭頭43、45所不是水平的。
[0029]在燃料電池功率設備36中，每個燃料電池與相鄰的燃料電池共用混合分離板100中的一個(當然，在該堆的端部處的裝置除外)。在燃料電池豎直地取向、氧化劑流通道118是豎直的并且冷卻劑流通道108是水平的情況下，冷卻劑通道108中的水將滲透混合板的多孔親水氧化劑流場板部分115、將進入氧化劑通道118并在所述氧化劑通道118內向下滴流、并且被蒸發到向下流動的空氣中。反應熱將蒸發顯著量的水，由此將燃料電池保持在大約176 0F (80°C)和大約180 0F (85°C )之間的期望溫度范圍內。
[0030]參考圖5，本文利用混合分離板的燃料電池功率設備包括在上文中關于圖3和圖4描述類型的燃料電池102堆37。來自泵52的空氣向下流過空氣入口 53，并且通過燃料電池，如空心箭頭54所示的那樣。空氣出口 57由導管58連接到冷凝器59，所述冷凝器具有貯存器64以及用于大致干燥空氣的出口 62。向下流過燃料電池102的空氣中的水由燃料電池中的熱量來蒸發，產生水蒸氣，該水蒸氣在冷凝器59中從潮濕空氣冷凝而來并且被收集在貯存器64中。該貯存器由導管65連接到水入口歧管125的入口 66，所述水入口歧管將水提供到如圖3和圖4所示的冷卻劑通道108。
[0031]為了有助于水滲透通過多孔親水氧化劑流場板部分115，使得所述水能容易地到達氧化劑流通道118，冷卻劑的壓力可由泵121以及必要的話閥裝置(未示出)來控制。該壓力可以例如是高于空氣壓力的0.5 psi (3.5 kPa)。
[0032]在厚度在大約0.6 mm和大約1.0 mm之間的燃料流板部分105中，燃料流場通道106寬可以在大約0.7 mm和大約2.2 mm之間，并且在每種情況下具有的深度在大約0.2 mm和大約1.0 mm之間，其中，溝槽之間的脊部107在溝槽之間是在大約0.7 mm和大約1.5 mm之間。在厚度在大約0.6 mm和大約1.0 mm之間的氧化劑流場板部分115中，空氣流場通道118可具有在大約0.9 mm和大約2.5 mm之間的寬度，在大約0.3 mm和大約0.6 mm之間的深度，溝槽之間的肋119具有在大約0.7 mm和大約1.5 mm之間的寬度。
[0033]由于可作出所公開實施方式的變化和變體而不偏離構思意圖，因此，本發明旨在僅受所附權利要求書的要求限制。
【權利要求】
1.一種燃料電池功率設備，其特征在于: 豎直設置的燃料電池(102)堆(37)，每個燃料電池包括具有電解質的膜電極組件(101)，所述電解質在其相對側上設置有陰極催化劑和陽極催化劑，每個膜電極組件與所述堆中與其相鄰的膜電極組件由混合分離板分離； 所述混合分離板的每一個包括實心燃料流場板(115)和多孔并親水的氧化劑流場板(105)，所述實心燃料流場板具有從其第一表面延伸的水平燃料反應氣體流通道(118)，所述氧化劑流場板具有從其第一表面延伸的豎直氧化劑流通道(108)，所述氧化劑流場板的與其所述第一表面相對的第二表面結合到所述燃料流場板的與其第一表面相對的第二表面，以形成所述整體式混合分離板，鄰近于所述板的所述第二表面存在水平水通路。
2.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述多個水平水通路(108)從所述燃料流場板的所述第二表面的上端向內延伸。
3.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述冷卻劑通道設置在所述燃料流場板的與所述膜電極組件的不具有催化劑的部分相鄰的有限上部，所述部分因此是非活性的。
4.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述水通路在所述混合分離板的上緣延伸少于所述混合分離板的平面形狀的15%。
5.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述水通路在所述混合分離板的上緣延伸少于所述混合分離板的平面形狀的10%。
6.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述催化劑設置在每個所述膜電極組件的大的下部上，留下所述膜電極組件的每一個的小的上部是非活性的，并且所述水通路僅設置在所述燃料流場板的與所述膜電極組件的相鄰一個個膜電極組件的所述非活性部分共同延伸并且并置的上部中。
7.根據權利要求6所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述膜電極組件的所述非活性部分小于15%。
8.根據權利要求6所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述膜電極組件的所述非活性部分小于10%。
9.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述第二表面與熱塑性材料的薄的外圍層結合在一起。
10.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述燃料反應氣體流通道僅從所述燃料流場板的所述第一表面的部分延伸，所述部分與所述燃料流場板的所述第二表面的不具有水通路的相關部分相對。
11.根據權利要求1所述的燃料電池功率設備，進一步其特征在于: 所述燃料電池功率設備還包括冷凝器(59，124)，所述冷凝器被連接到所述燃料電池的所述氧化劑流場的出口，所述冷凝器的冷凝物與所述水通路流體連通，由此水從所述水通路移動通過每個所述親水多孔氧化劑流場板進入到所述氧化劑流通道中，并且被蒸發以冷卻所述燃料電池。
【文檔編號】H01M4/86GK103460472SQ201080070871
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2010年12月23日 優先權日:2010年12月23日
【發明者】C.J.卡恩瓦爾, T.W.帕特森, R.M.達令, P.巴德里納拉亞南, M.L.佩里 申請人:聯合工藝公司