专利名称：多孔材料在燃料电池堆叠的歧管中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用设置在燃料电池歧管中的多孑L材料的燃料电池堆叠(stack),其中该多孑L材料有禾盱来自燃料电池鹏的液态水的传输，从而最大 限度地减少了燃料电池堆叠中液态水的聚集。
背景技术：
在燃料电池电源系统内的典型燃料电池装置(堆叠)中,各燃料电池设置有各种反应物和y轴卩液流经的通道。；^料电池板典型地设计有螺旋形流体通道。期望螺旋形流体通道有效的将反应物分布在运行中的燃料电池的有源区 上，从而最大化性能和稳定性。由经过燃料电池的反应物流导致水从通道移动 到该燃料电池板的出口歧管。阻力将液态水拉舰道，直到液态水经出口歧管 离开该燃料电池。然而，当燃料电池在低电源输出下操作时，气流的 太低 而不能产生有效的阻力以传输液态7JC，并且该液态7K聚驗流体通道中。
利用气流阻力去除液态水的进一步的限制是，水冲击各个不规则具 有高或低的表面能的表面，或者在流体鹏表面上钻孔。因为阻力可會沐够强 而不育^有效地传输液态水，该钻孔导致7jC聚集和汇聚，从而停止水流。这些钻 孔是那些通常设置在通道出口与jt料电池堆叠歧管相遇的位置的孔。
另外， 一些电流燃料电池装置利用具有亲水性表面的板。观察到水 在材料表面形成一个薄膜，其在流体通道的出口和板的周边聚集。该7K膜可以 阻碍气流，其依次减小用于去除液态水的驱动力并且由此妨碍从燃料电池堆叠 去除液态7乂。在具有轻度疏水性表面的燃料电池板的情况下，观察到水形成大的液滴，其突出进燃料电池堆叠出口歧管阻碍燃料电池板的M的出口。观察 到液滴保留在板的边缘直到它们可以被气剪断续的去除。水的聚集可以导致气 流阻断或者气流不平衡，M"堆叠的性能有负面影响。
期望的是，开发了一种燃料电池堆叠，其具有用于从燃料电池堆叠 的燃料电池气流通道去除液态水的改善的方法，以最大限度地减小燃料电池堆 叠中的液态水的聚集。发明内容
与本发明协调和合适的是，已发现了一种^料电池堆叠，其具有用于从燃料电池堆叠的燃料电池气流通道去除液态水的改进的方法，以最大限度 地减小燃料电池堆叠中的液态水的聚集。
在一个实施方案中，燃料电池装置包含具有多个燃料电池板的燃料 电池堆叠，其中每个板包括形成于其中的至少一个开口，所述燃料电池板的开 口基本上排列以形成歧管；以及设置在该歧管中的多孑L材料，其中该多孔材料 适合^it来自燃料电池板的水箭逸过多孑L材料，并流出所述燃料电池堆叠。
在另一个实施方案中，燃料电池装置包含具有多个燃料电池板的燃料电池堆叠，其中旨板包括形成于其中的至少两个开口，所述;m料电池板的 开口基本上排列以形成入口歧管和出口歧管；以及设置在该歧管中的多孔材料，其中该多 L材料适合f，来自燃料电池板的水流经过多孑L材料，和通过该 歧管流出所述燃料电池堆叠。[ooio]在另一个实施方案中，燃料电池装置包含具有多个燃料电池板的燃 料电池堆叠，其中^板包括形成于其中的至少两个开口，所述燃料电池板的 开口基本上排列以形成入口歧管和出口歧管；以及设置在该歧管中的多孔材料，其中该多孔材料适合舰来自燃料电池板的7K流经过多孔材料，禾口通过该歧管流出所述燃料电池堆叠；以及适合保持所述多 L材料的位置面对歧管的内 表面的多孔载体。
[ooii]当结合附图考虑时，由以下优选实施方案的详细说明，本发明上述的以及其它的优点对于本领域技术人员将容易地变得很明显的，其中[(X)12]图1是根据本发明的实施方案的在燃料电池堆叠歧管中结合进多孔 材料的燃料电池堆叠的剖面亂
图2是本发明的燃料电池堆叠的燃料电池板的燃料电池板例示说明 的顶视图3是根据本发明另一个实| 案的在燃料电池堆叠歧管中结合进 形成点(point)的多孑L^料的燃料电池堆叠的剖面图4是根据本发明另一个实施方案的包括结合多 L支撑体结构的燃 料电池堆叠的歧管的部分顶视图。
具体实施方式
雌实施方式的描述
以下详细的说明和附图描述和例证了本发明的各种示例实施方案。该说明和附图能使本领域技术人员制造和使用本发明，而不是以任何方式对本 发明的范围进行限制。
图1显示了包括多个堆叠的燃料电池板12、入口歧管14、出口歧管 16、和多孑L材料18的燃料电池，10。图2显示了包括三个入口开口20、三 个出口开口 22和多个流体通道24的典型燃料电池板12的顶视图。可以理解的是，诸流体通道24包括设置在燃料电池板12表面的itm道以及设置在燃料电池板12的诸面中间的气体Mit。也可以理解的是，该燃料电池装置10中的 板12的构造材料、尺寸、皿、数量、和类型，以及该装置10中的燃料电池 板12的构型，可以基于设计参数，例如所要产生的电量、由该燃料电池装置IO 供电的机器的尺寸、通过该燃料电池装置10的气体的容积流速以及例如其它 类似的因素改变。也可以理解的是，图2中所示的板12可以用于该燃料电池 装置10的阳极侧(未示出)或者阴极侧(未示出)。此外，可以理解的是，该 板12可以根据需要具有任何数目的入口开口 20和出口开口 22。如所示的那样， 该流体通道24是波浪形的，然而，可以理解的是，该流体鹏24可以根据需要完全是基本上直线形、螺旋形、或其它构型。
该入口歧管14包括入口 15。该入口歧管14通过 料电池板12 的入口开口 20形成在i纖料电池装置10中。诸板12堆叠，每个板12的入口 开口 20与邻近板或诸板12的入口开口 20基本上连接。可以理解的是，入口歧管14的直径、数量、和长度依赖于该多个板12中的入口开口 20的尺寸和 数量，以及堆叠在燃料电池，10中的板12的数目。
出口歧管16包括出口 17。该出口歧管16通过该燃料电池板12的 出口开口 22形j^i^)t料电池装置10中。诸板12堆叠与每个板12和出口开 口 22与邻近板或诸板12的出口开口 22基本上连接。可以理解的是，出口歧 管16的直径、数量、和长度依赖于该诸板12中的出口开口 22的尺寸和数量， 以及SM料电池装置10中堆叠在一起的板12的数目。
在所示的实施方案中，该多？L材料18为具有第一末端26和第二末 端28的不导电泡沫。该多孑L材料18也可以包括亲7jC^层(未示出)。该多孔 材料18的第一末端26位于邻近燃料电池堆叠的干燥末端压縮板30。多孔材料 18的该第二末端28具有基本上平的构型并延伸M^置10的;^料电池板12 的下部末端。可选择的，如图3所示，多孑L材料18的该第二末端28可以形成 点34，根据需要具有圆形形状、或其它J^1犬。如图1所示，多孔材料18基本 上±真充该出口歧管16并延伸M出口it支管16的^M^度并i4A湿末端压縮板 32的一部分。可以理解的是，如果需要的话，多孑L材料18可以延伸Mil湿末 端压縮板30。进一步可以理解的是，多孑L材料18仅i真充该出口歧管16的一部 分而且不延伸进入该湿末端压縮板32。也可以理解的是，多孑L材料12可以设 置在阳极侧出口歧管(未示出)、阴极侧出口歧管(未示出)或阳极禾口阴极出 口歧管。此外，可以理解的是，该多孔材料18可以是任何导电或不导电开路 电池多孔材料，例如纤维材料和海绵或多种多孑L材料的组合。多孑L材料18具 有亲水涂层，例如氧化硅(SiOx)或其它具有亲zK特性的化^^凃层。可选择地， 可以掛共不进行亲水处理的多孑L材料18。该多孔材料18也可具有恒定孔径和 孑L率，或者该多孔材料18可以具有可变的孔径。例如，该多孔材料18在 料电池板12临近该多孑L材料18的位置处可以具有更高的小孔径密度，以及遍 及多孑L材料18的剩余部分的更低的较大孔径密度以M^流动阻力。
通常，在燃料电池电源系统运行期间，氢气涼邀入燃料电池装置10 的阳极侧。同时，氧气流进入燃料电池装置10的阴极侧。在阳极侧，氢气流 中的氢气催化裂解雌子和电子。该氧化半电池反应由H2-2H+2e表示。在 聚合物电解质隔膜燃料电池中，质子穿透该隔膜进入该阴极侧。该电子沿外部 负载电路涨入阴极侧以产生燃料电池装置10的电流。在阴极侧，氧化剂流中的氧与穿透隔膜的质子以及来自外部电路的电子反应以形成7K分子。该还原半 电池反应由很++4^+02^21120表示。来自阳极侧的阳极废气流经反压强控制 阀(未示出)到达燃烧室，或者可选择的循环回阳极入口歧管。来自阴极侦啲 阴极废气流经第二反压强控制阀(未示出)到达燃烧室或者到达周围环境。控 制模块(未示出)响应来自连接至'燃料电池體10的压力传感器(未示出) 和电力传感器(未示出)的信号，通过操作各种控制阀(未示出)、反压强控 制阀(未示出)、和压缩机(未示出)调节氢气流、氧气流、和废气流的条件。
当根据第一实施方案的本发明运行时，上述反应发生在燃料电池装 置10中，并且液态水的液滴形成在燃料电池装置10的阴极侧的燃料电池板12 的通道24中。经由氢气的消耗导致的凝结， 一些水也可以传输到阳极流体通 道中，或者可以形鹏阳丰腿道中。可以理解的是，在此描述的用于阴极侧的 操作与用于燃料电池體10的阳极侧的操作相似。流经阴极侧的气流导致水 滴向着朝向出口歧管16方向流经通道24。 7jC蒸气也流向出口歧管16。 一旦水 滴接触多孑L材料18， M31多孔材料18将该7JC从鹏24毛细去除。多孔材料18上的亲水涂层将提供额外的毛细力以吸弓l水滴和冷凝的水蒸气。该废气流也通 过该多孑L材料18，并3131该出口歧管16。
期望，可以利用两种不同的7W专输机制，依赖于所采用的多孔材料 18， Mffi道24中去除水。首先，多 L材料18可以形成开口连续孔的网络，其 能利用毛细力通过诸孔移动水。设置具有变化孔尺寸的多孔材料18。具有更高 孑L密度的多孑L材料18的一部分设置紧邻燃料电池板12。该高密度孔部分在多 孑L材料18中提供小孔尺寸以皿燃料电池板12的水的毛细去除。该多孔材料 18的剩余部分具有更低的孔密度，其提供更高的孔尺寸以提供更低的压降区域 使得气流以最小压降流过。
其次，利用多 L材料18去除水的该机帝泡括具有较大尺寸的诸孔。 该多孑L材料18由亲7K材料制造并且液态水和冷凝的水蒸气在该多孑L材料18的 纤维上形成膜(未示出)。该膜沿纤维MM料电池板12的通道24到出口歧管16 以及至i燃料电池装置10的出口 17形成连续路径。
，两种7K传输机制依靠重力从多孑L材料18中去除水。尽管不是必 须的，但期望多孔材料18的一部6H包和以产生足够的扬程(head)来使水从 多孔材料18中排除。该扬程高度与多孔材料的平均孔尺寸反向变化。如图1所示，延伸进湿末端压縮板32的多孑L材料18的一部分是饱和部分。期望该饱 和部分在^料电池板12下面而不^E接邻近任何板12，以最大限度地减小通过多孑L材料18或者M24的障碍的压降。如果饱和部分未产生在多孑L材料18 中，可将蠕动泵21用于燃料电池装置10以^;K流经装置10并流出多孑L材料 18。该蠕动泵21可以是例如公开于Anonymous，从纤维去除水的泵(Pump to Remone Water from a Wick), No.494084， O.G. 2005年6月公开的一种蠕动泵。 燃料电池装置10运行期间，预料到部分操作循环将导致输出气流小于被饱和 的气流，在此蒸发将帮助从多孑L材料18去除7jC。
图4显示了包括多个堆fi^料电池板12'、入口歧管(未示出)、出 口歧管16'、多孔材料18'、禾哆孔或穿孔的支撑体19'的燃料电池装置10'的一 部分。该燃料电池板12'，与图1所示板12相似，包括两个入口开口 (未示出)、 两个出口开口 22'和多个流体通道24'。可以理解的是，燃料电池装置10'中的 板12'的结构的材料、尺寸、形状、数量、和鄉，以及燃料电池装置10'中的 燃料电池板12'的构型，可以基于设计参数而变化，例如所要产生的电量、由 燃料电池装置10'供电的机器的尺寸、i!51燃料电池装置10'的气体容积^3t、 以及其它类似因素。也可以理解的是，板12'可以设置在该燃料电M^置10'的 阳极侧(未示出)或者阴极侧(未示出)上。此外，可以理解的是，该板12' 可以根据需要具有任何数目的入口开口和出口开口 22'。如图所示，该流体通 道24'基本上是直线形的，然而，可以理解的是，该流体通道24'可以根据需要 是波浪形、螺旋形、或其它构型。
该入口歧管包括入口 (未示出)。该入口歧管通过该燃料电池板12' 的入口开口 20'形鹏燃料电池装置10'中。诸板12'—个堆叠在另一个的顶部， 針板12'的入口开口基本上连接邻近板12'的入口开口。可以理解的是，入口 歧管14'的直径、数量、和长度娜于板12'中的入口开口的尺寸和数量以及在 燃料献蝶置10，中堆叠在一起的板12，的数目。
该出口歧管16'包括出口 (未示出)。该出口歧管16'通过该燃料电池 板12'的出口开口 22'形皿燃料电池装置10'中。该多个板12'堆叠，每个板12' 的出口开口 22'与邻近板或板12'的出口开口 22'基本上连接。可以理解的是， 出口歧管16'的直径、数量、和长度依赖于板12'中的出口开口 22'的尺寸和数 量，以及在燃料电池装置10'中堆叠在一起的板12'的数目。
在所示的实施方案中，该多孑L材料18'是具有亲zK^面23'的不导电 泡沫。如图4所示，该多 L材料18'方謝状的體在出口歧管22'的内表面中。 该多孔材料18'根据需要可以延伸通过该出口歧管16'的一部分或者整个歧管 16'，并iiA湿末端压縮板(未示出)的一部分。该多孔材料18'不延伸到该歧 管22'的旨周长周围而是可以压向该歧管22'的一部分以支撑所需要的7乂流。 可以理解的是，多孑L材料12'可以设置在阳极侧出口歧管、阴极侧出口歧管、 或阳极和阴极侧出口歧管中。也可以理解的是，多孔材料18'可以是任何导电 或不导电开路电池多孔材料，例如纤维材料、海绵、和多个多孔材料的组合。 多孑L材料18'上的亲7嫁面23，可以是氧化硅(SK),或其它产生亲ZW面特性 的化学处理或涂层。可选择地，该多孑L材料18'可以不提供有涂层。该多孔材 料18'也可以有恒定孑L尺寸，或该多孔材料18'可以具有可变孔尺寸。该多孑L材 料18'可以在燃料电池板12'邻近多？L材料18'处具有更高的密度，以及遍及例 如多孔材料18'剩余部分的更低密度。
在图4所示的实施方案中，多孔支撑体19'是方，状设置在出口歧管 16'中的多 L材料18'内部的穿孔管。该多 L支撑体19'保持多 L材料18'的位置。 可以理解的是，该多孔支撑体19'可以是塑料滤网或倉,保持多孔材料18'的位 置紧靠在歧管16'的内表面的其它相似结构。也可以理解的是，该多 L支撑体19' 可以根据需要是导电或不导电的。此外，可以理解的是，该多孔支撑体19'可 以具有亲7條面性质，例如由氧化硅(SKDX)涂层提供。
当根据图4所示实施方案的本发明运行时，Jd悉反应发生在燃料电 、 蝶置10'中，并且液态水的液滴形成在燃料电池板12'的通道24'中。可以理 解的是，在此描述的用于阴极侧的操作与用于燃料电池装置10'的阳极侧的操 作相似。箭经阴极侧的气流导lfoK滴向着出口歧管16'的方向流经鹏24'。水 蒸气也流向出口歧管16'。 一旦7jC滴或蒸气牛妾触多孔材料18'，通过多孔材料18' 将该水从通道24'毛细去除。多孑L材料18'上的亲7k涂层吸引7乂滴并将该水传输 至廿燃料电池装置10'的出口歧管16'。可以理解的是，来自水蒸气的水可以在多 孑L材料18'中冷凝。蒸气的冷凝导致燃料电池装置10'中的害妙卜压降。可以理解 的是，发生的任何7令凝是本发明偶然发生，然而，用于多孔材茅斗18'、燃料电 池板12'、和其它部件的大小、构型、和材料的可选择性，以及其它设计考虑， 可以用于,hj尝额外的压降。该废气流也M该多 L材料18'、多孔支撑体19'并Mil该出口歧管16'。该多孑L支撑体19'iSSJ氐压降以^iti^流经多孑L材料18' 和歧管16'。
其次，该多 L材料18'包括具有駄尺寸的诸 L。该多孑L材料18'由 亲7jC材料制造或者处理成具有亲7X表面性质并且液态水在该多孔材料18'的纤 维上形成膜(未示出)。该膜沿纤维MM料电池板12'的出口到出口歧管16'以 及到燃料电池體10'的出口 17'形成连续路径。通过浸渍多孑L材料18'的最低 点去除水。
i^两种7W专输机制，重力从多孑L材料18'中去除7K。尽管不是必 须的，但期望多孑L材料18'的一部力H包和以产生足够的扬程来^7JC从多孔材料 18'中排除。多孔材料18'的一部分可以延伸进M^压縮板32'。多 L材料18' 的一部分可以是饱和部分。期望该饱和部分在燃料电池板12'下面而不是直接 邻近任何板12'，以最限度地减小M多孑L材料18'或者通道24'的障碍的压降。 如果饱和部分未产生在多孑L材料18'中，则可将蠕动泵用于燃料电池装置10'以 使水流经装置10'并流出多孔材料18'。该蠕动泵21可以是例如公开于 Anonymous,从纤维去除zK的泵(Pump to Remone Water from a Wick)， No.494084, O.G. 2005年6月公开的一种蠕动泵。通过浸渍多孔材料18'的最 低点去除水。
由前述说明，本领域普通技术人员可以容易确定本发明的必要特征， 并且不会偏离其精神和范围，f,对本发明进行各种变化和修改以使其适应各 种用途和餅。
权利要求
1、一种燃料电池装置，其包含包括多个燃料电池板的燃料电池堆叠，其中每个板包括至少一个形成于其中的开口，所述燃料电池板的该开口基本上排列以形成歧管；以及设置于该歧管中的多孔材料，其中该多孔材料适于促进来自该燃料电池板的水流通过该多孔材料并流出所述燃料电池堆叠。
2、 权利要求l所述的燃料电池體，其中所述多孑L材料是亲水泡沫。
3、 权利要求l所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料是伸长的纤维材料。
4、 权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料不导电。
5、 权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料是具有可变孔尺寸的泡沫。
6、 权利要求i所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料具有亲水涂层。
7、 权利要求6所述的燃料电池装置，其中所述亲水涂层是氧化硅。
8、 权利要求1所述的燃料电池装置，其进一步包含适于推动液态7K通过所述多孔材料并通过所述歧管移出该燃料电池堆叠的蠕动泵。
9、 权利要求l所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料基本上填充该歧
10、 权利要求l所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料设置在该歧管的 内表面。
11、 权利要求10所述的燃料电池装置，其进一步包含适于保持所述多孔材料的位置紧靠在该歧管的内表面的多孔支撑体和穿孔支撑体中的一个。
12、 权利要求11所述的燃料电池装置，其中所述多孔支撑体是塑料滤网 和塑料管中的一个。
13、 权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述多孔材料的一个末端形成一个点。
14、 一种燃料电池装置，其包含包括多个j^料电池板的燃料电池堆叠，其中^板包括至少两个形成于其 中的开口 ，所述燃料电池板的该开口基本上排列以形成入口歧管和出口歧管； 以及设置于该歧管中的多孔材料，其中该多 L材料适于促进来自该燃料电池板 的水箭Lffl过该多孑L材料并ffiii歧管流出所^M料电池堆叠。
15、 权利要求14所述的燃料电池装置，其进一步包含适于保持所述多孔 材料的位置紧靠在该歧管的内表面的多孑L支撑体。
16、 权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述多孑L材料是泡沫刺申长 的纤维材料中的一个。
17、 权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述多孑L材料具有亲7K涂层。
18、 权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述多孑L支撑体是塑料滤网 和塑料管中的一个。
19、 一种燃料电池装置，其包含包括多个jt料电池板的燃料电池堆叠，其中每个板包括至少两个形成于其 中的开口 ，所述燃料电池板的该开口基本上排列以形成入口歧管和出口歧管； ，于该歧管中的多孔材料，其中该多孑L材料适于促M自该燃料电池板的水^1过该多孑L材料并M31歧管流出所述燃料电池堆叠；以及适于保持所述多孑L材料的位置紧靠在该歧管的内表面的多孔支撑体。
20、 权利要求19所述的燃料电池装置，其中所述多孑L材料是具有可变密 度的泡沫和由多种不同多 L材料构成的装置中的一个。
全文摘要
本发明公开了一种利用内部设置在燃料电池出口歧管中的多孔材料的燃料电池堆叠，其中该多孔材料有助于来自板出口的液态水的传输，从而最大限度地减小液态水在燃料电池堆叠中的聚集。
文档编号H01M8/24GK101242005SQ20071015962
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者J·P·奥维彦, T·A·特拉博尔德, T·W·蒂赫 申请人:通用汽车环球科技运作公司