专利名称：导致更少的冷却器板的变化的燃料电池氧化剂流道深度的制作方法
技术领域：
本发明涉及在与邻近冷却剂板的燃料电池相比距离冷却器板更远的燃料电池中提供更深的氧化剂流道深度，由此允许在顺序设置的冷却器板之间存在更多数量的燃料电池，同时保持平均的燃料电池堆温度分布曲线和空气利用率。
背景技术：
在多种类型的燃料电池堆中，无论阳极水管理和阴极水管理是主动的(利用泵)或是被动的(不利用泵)，燃料电池堆都受到由多组燃料电池隔开的冷却器板的冷却。在一些燃料电池系统设计中，在顺序设置的冷却器板之间可能设置数量少到只有两个的燃料电池。由于冷却器板对燃料电池堆的电压或功率的产生没有贡献，因此，燃料电池系统的功率密度和燃料电池堆的端对端电压与燃料电池堆中使用的冷却器板的数量存在反向相关关系。对于被设计用于汽车应用中的燃料电池而言，燃料电池堆的总尺寸是很关键的。
如果更多的燃料电池被插置在顺序设置的冷却器板之间，则距离冷却器板更远的燃料电池，特别是位于所述燃料电池中心处的燃料电池，会经受更高的温度，这影响了整个燃料电池堆的水平衡，且缩短了膜或其它温度敏感部件的寿命。整个燃料电池堆的水平衡取决于氧化剂的排出温度，原因在于所述温度对离开燃料电池堆的氧化剂流出物中的水蒸汽的分压以及燃料电池堆的总的氧化剂利用率产生了影响。
发明内容
本发明的多个方面包括一种燃料电池堆，其中每块冷却剂板具有更多燃料电池，由此减小了总的燃料电池堆尺寸；减小了燃料电池堆的尺寸同时在所述燃料电池堆上保持适当的温度分布曲线；提高了燃料电池堆的功率和电压密度；和改进了适用于汽车应用中的燃料电池堆。
根据本发明，一种燃料电池堆包括多块冷却器板，每块所述冷却器板具有插置在其间的一组燃料电池，远离所述冷却剂板的燃料电池具有比邻近所述冷却器板的燃料电池的氧化剂流道深度更大的氧化剂流道深度，由此改进了远离所述冷却器板的那些燃料电池中的冷却性能。通过促进远离所述冷却器板的那些燃料电池中的蒸发冷却，可将那些远处的燃料电池的温度控制在接近所述燃料电池的设计运行温度下。
本发明允许通过利用更少的冷却器板从而减小燃料电池堆的尺寸，同时保持适当的平均温度和平均空气利用率。
在本发明的另一个实施例中，可减小邻近所述冷却器板的那些燃料电池中的氧化剂流场通道的深度，且增强由所述冷却器板提供给所述燃料电池的冷却性能(例如通过使冷却剂在更低温度下流动)，由此从远离所述冷却器板的燃料电池中传导出更多热量；在该情况下，更远的冷却器板可具有比通常情况更深的氧化剂流场通道或具有通常的氧化剂流场通道，尽管目前优选使用比通常情况更深的氧化剂流场通道。
在实施本发明的过程中，在一些情况下，使远离所述冷却器板且具有更深的氧化剂流场通道的燃料电池中的氧化剂气体流场板略厚，从而避免出现制造公差问题和过度脆性被认为是明智的做法。
根据对本发明的典型实施例进行的下列详细描述并结合附图将更易于理解本发明的其它方面、特征和优点。
图1是本领域已公知的燃料电池堆的简化局部侧视图；图2是现有技术中已公知的燃料电池的简化侧视图，所述燃料电池可邻近冷却器板；图3是根据本发明的具有深的氧化剂流场通道的燃料电池的简化局部侧视图；图4是包括本发明的燃料电池堆的简化局部侧视图；图5是根据本发明的燃料电池的简化局部侧视图，所述燃料电池的氧化剂流场板具有增加的厚度以及增加的氧化剂流场通道深度；和图6是根据本发明的具有深度减小的氧化剂流场通道的燃料电池的简化局部侧视图，所述燃料电池可邻近冷却器板。
具体实施例方式
参见图1，燃料电池堆11包括多块冷却器板，图中示出了冷却器板13-15。燃料电池堆11还包括大量燃料电池，图中仅示出了燃料电池18-21。燃料电池18-21中的每个燃料电池与冷却器板13-15中的一块冷却器板邻近，由此使得在每对冷却器板之间存在仅两个燃料电池。
燃料电池18是示例性的，且并未按相对或精确的比例进行制图。每个燃料电池包括亲水性的多孔燃料气体反应剂流场板24，在所述流场板中设有亲水性的多孔燃料流场通道25。每个燃料电池还包括电解质组件27，对于质子交换膜而言，聚合物电解质膜(PEM)燃料电池包括位于其任一侧上的膜和催化剂。每个燃料电池还包括氧化剂气体流场板29，所述氧化剂气体流场板包括氧化剂气体流道30。每块反应剂气体流场板24、29具有位于其中的沟槽31，所述沟槽一起形成了输水通道32。如图2部分示出的燃料电池18被设置在冷却器板13与燃料电池19之间。
根据本发明，图3所示的燃料电池33包括氧化剂气体流场板29a，所述氧化剂气体流场板具有比通道30更深的氧化剂流道30a。燃料电池33例如可被设置在燃料电池18与另一燃料电池34之间，所述燃料电池34与燃料电池33相似地具有根据本发明的更深的通道30a。如图4所示，具有更深的反应剂气体通道30a的附加的燃料电池35、36可被设置在燃料电池20、21之间，以使得在冷却器板13、14；14、15；等中的每对冷却器板之间存在四个燃料电池。
根据本发明，远离冷却器板13-15的燃料电池33-36从冷却器板13-15处获得的传导冷却更少，但与具有不那么深的氧化剂流场通道30的邻近冷却器板的燃料电池18-21中所发生的情况相比，更大更深的氧化剂流场通道30a中增加的氧化剂流如空气流导致为燃料电池提供了附加的蒸发冷却。通过这种方式，可将燃料电池33-36的温度控制在所需的最佳运行温度范围内。显然，通过对比图4中的尺寸X与图1中的尺寸Y，四个燃料电池18、19、33、34以及相关联的冷却器板14占据的空间比四个燃料电池18-21及其相关联的冷却器板14、15所占据的空间更少。在该实例中，每四个燃料电池所带来的差异为一块冷却器板的宽度。
本发明是在质子交换膜燃料电池实施例中进行披露的，所述燃料电池可适用于汽车应用，但本发明可用于其它类型的燃料电池系统中。目前为止的描述是在假设现有技术中每块冷却器板对应于两个燃料电池且根据本发明的每块冷却器板对应于四个燃料电池的情况下进行的。然而，这些描述仅是示例性的，且可通过利用本发明的氧化剂流场通道的增加的深度以便在冷却器板之间设置附加的燃料电池，从而改进在冷却器板之间具有其它数量的燃料电池的燃料电池堆。
图5示出了燃料电池33a中另一种可选的冷却器板29b。在图5中，氧化剂流场板29b的无沟槽部分40比图3所示的板29a的无沟槽部分41更厚。这是由于使板29b比板29a更厚而造成的，也可能是通过使同样多的沟槽30a比沟槽30更深而造成的。利用更厚的板29b的可选方案当然将会不利于本发明实现的空间节省，但该方案将保持每块阴极氧化剂气体流场板29b的稳定性。
图6示出了本发明的另一实施例。其中，燃料电池18a包括具有流场通道30b的氧化剂流场板29b，所述流场通道30b比流场通道30更浅。这样就减轻了通过冷凝进行的内部冷却，允许冷却器板在更冷的温度下运行，因此保持所需温度平衡。使得冷却器板处于更低温度下的浅通道不仅为邻近冷却器板的燃料电池18a等而且为远离冷却器板的燃料电池33-36提供了更多的传导除热。
燃料电池18a(以及邻近冷却器板的经过相似改进的燃料电池)中空气流的减小提高了这些燃料电池中的空气利用率，从而允许远离冷却器板的那些燃料电池33-36中的空气利用率有所降低(更大流量)。
可通过对比“通常的”燃料电池而理解本发明。此处，术语“通常的”指的是现有技术中已公知的所有的氧化剂反应剂气体流场通道都具有相同深度且导致燃料电池堆的长度大于所需长度的那种类型的燃料电池。在远离冷却器板的燃料电池中，所述燃料电池具有的氧化剂流场通道的深度比邻近冷却器板的燃料电池的那些氧化剂流场通道深度更深，这种与通常燃料电池的对比能够体现出来，所述邻近冷却器板的燃料电池的氧化剂流场通道可比或可不比通常情况更深。如果在邻近冷却器板的氧化剂流场板中利用比通常通道更浅的通道，则通常的燃料电池可被用在远离冷却器板的位置处。
权利要求
1.一种燃料电池堆(11)，所述燃料电池堆包括多块冷却器板(13-15)；在相继顺序设置的所述冷却器板之间成组设置的多个燃料电池(18-21；33-36)，每组燃料电池中的第一对燃料电池(18、19；20、21)邻近所述冷却器板中的一块冷却器板，每组燃料电池中的一个或多个第二燃料电池(33、34；35、36)与两个其它燃料电池邻接且远离所述冷却器板，所述第一对燃料电池具有亲水性的多孔氧化剂反应剂气体流场板，所述第一对燃料电池所具有的所述亲水性的多孔氧化剂反应剂气体流场板包括具有第一深度的通道(30；30b)，所述第二燃料电池具有亲水性的多孔氧化剂反应剂气体流场板，所述第二燃料电池所具有的所述亲水性的多孔氧化剂反应剂气体流场板包括比所述第一深度更深的通道(30a、30)，由此在所述第二燃料电池中提供增加的氧化剂气体流从而有助于对所述第二燃料电池进行冷却。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述至少一个第二燃料电池的所述氧化剂反应剂气体流场板(29b)比所述第一燃料电池的所述氧化剂反应剂气体流场板(29)更厚。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述第二燃料电池包括具有比通常情况更深的流场通道(30a)的氧化剂反应剂气体流场板(29a)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述第一燃料电池包括具有比通常情况更浅的流场通道(30b)的氧化剂反应剂气体流场板(29b)。
全文摘要
在燃料电池堆(11a)中，大量燃料电池(18－21；33－36)被插置在相继顺序设置的冷却器板(13－15)之间，而不会在远离所述冷却器板的那些燃料电池(33－36)中产生过高温度，原因在于与邻近所述冷却器板的燃料电池(18－21)中的所述流场通道(30、30b)相比，远离所述冷却器板的燃料电池(30－36)中具有的更深的空气流场通道(30a)中的空气流增加了。空气流场板(29b)的厚度可被增加以适应所述空气流通道(30a)增加的深度。邻近所述冷却器板的燃料电池(18a)可具有比通常情况更浅的空气流场通道(30b)，由此使得具有更深的空气流通道(30a)的所述电池(33－36、33a)中降低的空气利用率将对所述更浅的空气流场通道中升高的空气利用率起到平衡作用；在这种情况下通道(30a)可以是通常的通道或比通常情况更深。
文档编号H01M8/12GK101091279SQ200580045056
公开日2007年12月19日 申请日期2005年12月15日 优先权日2004年12月28日
发明者J·P·迈尔斯 申请人:Utc电力公司