专利名称：带有用于防止出口水滞留的部件的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，且更具体地涉及具有防止在双极板入口和出口处滞留液体
的部件的燃料电池板。
背景技术：
燃料电池功率系统将燃料和氧化剂转换以产生电。 一种燃料电池功率系统采用质 子交换膜(下文称为PEM)以催化利于燃料(如氢)和氧化剂(如空气或氧)的反应以产 生电。水是电化学反应的副产物。在燃料电池功率系统中通常配置的燃料电池堆的每个独 立燃料电池中，PEM是利于将质子从阳极传输给阴极的固体聚合物电解质。
在典型的燃料电池堆中，独立燃料电池具有带有通道的燃料电池板，各种反应物 和冷却流体流经所述通道。燃料电池板可以是例如单极的。双极板可以通过组合多个单极 板形成。水从通道移动到出口集管并通过由燃料电池板形成的沟道区域，这是由通过燃料 电池组件的反应物流引起的。边界层剪切力和反应物压力有助于将水输送通过通道和沟道 区域，直到水通过出口集管离开燃料电池。 膜电极组件(MEA)设置在连续的板之间以利于电化学反应。MEA包括阳极、阴极、 以及设置在阳极和阴极之间的电解质膜。多孔扩散介质(匿)设置在MEA的两侧上，从而利 于输送反应物(通常是氢和来自于空气的氧)，以便于燃料电池电化学反应。
水不能被允许积聚在燃料电池的沟道区域内，因为会引起燃料电池的不良性能。 水积聚使得反应物流在独立燃料电池板中和燃料电池堆内分布不均。此外，在操作之后剩 留在燃料电池中的水在低于冰冻温度时可能固化，从而在燃料电池需要重新启动时产生困 难。从燃料电池有效地去除水的现有技术方案已经导致增加的制造成本和使用附加的部 件。 多种技术已经用于从燃料电池的沟道区域去除水。这些技术包括增压冲洗、重力 流和蒸发。在关闭时增压气体冲洗可用于从燃料电池的沟道区域有效地去除水。不利的是， 该冲洗增加了燃料电池堆所需停机时间且浪费燃料。恰当地设置燃料电池堆可允许重力从 沟道区域去除水。水的重力去除可能限于具有至少一定直径的沟道。管道的毛细作用力和 借助于熟知的Concus-Fi皿条件的角落润湿防止水的重力去除。通过蒸发的水去除也是不 充分的技术。蒸发可能需要昂贵的加热器且可能导致电解质膜的不希望干燥。干燥的燃料 电池堆会阻止质子传导和迅速启动。 使用水传输结构和表面涂层也是允许燃料电池板的沟道区域将水输送给燃料电 池堆的集管区域的两种方法。 水传输结构，通常是亲水或疏水泡沫的形式，可包含在双极板内。水传输结构可设 置在燃料电池的活性区域和出口集管之间。水传输结构通过毛细作用改进了液体水从燃料 电池的去除。虽然有益于燃料电池的操作和重新启动时间，但是将水传输结构增加到燃料 电池堆增加了形成双极板所需要的部件的数量。在部件增加时，燃料电池堆的制造和组装 成本也随之增加。
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表面涂层也可用于利于从燃料电池去除水。亲水或疏水表面涂层可用于增加或减 少双极板的表面接触角，从而有助于反应物边界层剪切力和压力从燃料电池内去除水的能 力。疏水表面涂层也可以用于防止形成水膜。涂层前体可通过喷射、浸渍或刷涂来涂覆到 双极板且通过二次操作形成疏水或亲水表面涂层。可选地，涂层可以直接地涂覆。虽然没 有水传输结构复杂和昂贵，但是表面涂层也增加了双极板的制造成本。 仍需要利于将水输送通过燃料电池的沟道区域的成本有效的燃料电池板，所述燃 料电池板是便宜的，使得所需部件的数量最小化且简化板的制造。
发明内容
如本发明当前提供的，令人惊奇地发现了一种利于将水输送通过燃料电池板的沟
道区域的成本有效的燃料电池板，所述燃料电池板使得所需部件的数量最小化且简化板的 制造。 在一个实施例中，一种燃料电池板，包括第一板，所述第一板具有入口孔；和第 二板，所述第二板邻接所述第一板且在第一板和第二板之间形成管道，所述管道与燃料电 池板的入口孔和出口孔流体连通，所述管道具有在第一板和第二板之间形成的连续缝部， 以利于将水输送给出口孔。 在另一个实施例中，所述燃料电池，包括一对燃料电池板，所述燃料电池板中的 一个包括第一板和第二板，所述第一板具有入口孔，所述第二板邻接所述第一板且在第一 板和第二板之间形成管道，所述管道与燃料电池板的入口孔和出口孔流体连通，所述管道 具有在第一板和第二板之间形成的连续缝部，以利于将水输送给出口孔；和设置在该对燃 料电池板之间的电解质膜和一对电极。 在另一个实施例中，所述燃料电池堆，包括多个燃料电池，所述燃料电池中的一个 具有一对燃料电池板和设置在该对燃料电池板之间的电解质膜和一对电极，所述燃料电池 板中的一个包括第一板，所述第一板具有入口孔；和第二板，所述第二板邻接所述第一板 且在第一板和第二板之间形成管道，所述管道与燃料电池板的入口孔和出口孔流体连通， 所述管道具有在第一板和第二板之间形成的连续缝部，以利于将水输送给出口孔。
对于本领域技术人员来说，本发明的上述和其它优势从优选实施例的以下详细说 明结合附图考虑时将显而易见，在附图中 图1是根据本发明一个实施例的燃料电池堆的截面图；
图2是图1所示的燃料电池堆的燃料电池板的部分透视图； 图3是图2所示的燃料电池板的放大部分透视图，示出了沿截面线3-3截取的一 部分截面； 图4是图2所示的燃料电池板的放大部分俯视图； 图5是图2所示的燃料电池板的部分透视图，示出了第一板和第二板之间的连续 缝部；和 图6是图2所示的燃料电池板的管道的放大部分截面图。
具体实施例方式
以下详细说明和附图描述和说明了本发明的各个示例性实施例。所述说明和附 图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，而不打算以任何方式限制本发明的范 围。 图1示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池组件10。燃料电池组件10包括 多个堆叠的燃料电池板12。每个燃料电池板12包括入口端口 14和出口端口 16。总的来 说，每个燃料电池板12的入口端口 14一起形成入口集管18，每个燃料电池板12的出口端 口 16—起形成出口集管20。入口 22与入口集管18流体连通，出口 24与出口集管20流体 连通。图1所示的燃料电池组件10说明了阳极入口集管和阳极出口集管、阴极入口集管和 阴极出口集管、以及冷却剂入口集管和冷却剂出口集管。 图2示出了燃料电池板12中的一个，其包括第一板26和第二板28。第一板26和 第二板28均包括活性区域30和非活性区域32。第一板26和第二板28可由任何常规材 料制成，例如压制金属、石墨或碳复合材料。应当理解的是，在燃料电池组件10中燃料电池 板12的制造材料、尺寸、形状、质量和类型、以及组件10中的燃料电池板12的构造可以基 于设计参数而变化，所述设计参数例如要产生的电量、要由燃料电池组件10提供动力的机 器的尺寸、通过燃料电池组件10的气体的期望体积流率和其它类似因素。
第二板28设置成靠近第一板26且通过任何常规手段(例如焊接、粘合剂等)结 合到第一板26，以形成燃料电池板12。将膜电极组件和扩散介质设置在两个连续的燃料电 池板12之间来形成单独的燃料电池。第一板26和第二板28中的一个可用于燃料电池组 件10的阳极侧或者用于阴极侧。第一板26和第二板28可隔开，在它们之间存在的冷却剂 通道可用于液体冷却燃料电池或者用于形成沟道区域34。 沟道区域34允许反应物和在电化学反应期间产生的水从入口集管18进入燃料电 池且离开燃料电池到达出口集管20。限定沟道区域34的部件整体地形成在第一板26和第 二板28中。沟道区域34通过使用焊接件或者粘合剂选择性地结合板26、28而从冷却剂通 道隔开。如图3、4、5和6所示，燃料电池板12可具有在第一板26和第二板28形成的多个 管道36，以共同形成沟道区域34。例如，管道36可沿出口孔16的线性边缘形成或者可以 围绕大致圆形的孔环状地形成。沟道区域34可围绕入口集管18和出口集管20中的一个 形成。 图3和4示出了包括多个入口孔38的第一板26。第一板26也可以包括第一板 突起40和第一平面部分41。如图2所示，活性区域30包括多个流动通道42，所述流动通 道42有效地将反应物分配在活性区域30内。此外，流动通道42将电化学反应期间产生的 水朝非活性区域32引导。液体水通过反应物拖曳力而移动通过活性区域30和非活性区域 32。反应物和水通过入口孔38进入板12的沟道区域34。例如，入口孔38可在板压制期间 形成或者通过其它二次过程形成。垫圈可设置在第一板26的第一平面部分41上或者板12 的其它平面部分上。垫圈可跟随出口集管20的周边或板12的周边。垫圈防止反应物和水 从燃料电池泄漏且将燃料电池板12从相邻的燃料电池板12电绝缘。 第二板28包括多个第二板凹部44。例如，第二板凹部44可沿出口孔16的线性边 缘形成或者围绕大致圆形的孔环状地形成。第二板凹部44的前缘45可与入口孔38的边 缘大致对齐。在第二板28设置靠近第一板26时，第二板凹部44从第一板26隔开。在第
6二板凹部44之间的多个接触脊部46在第二板凹部44附近限定第二板匹配表面48。第二 板28也可以包括多个第二板突起50，第二板突起50靠近第二板凹部44形成且与第一板突 起40大致对齐。第二板突起50设置用于使管道36保持大致恒定的截面面积，从而防止在 其中移动的流体速度变化。 管道36通过第二板凹部44、第一板26、入口孔38和多个出口孔52的协作形成。 管道36也可以包括第一板突起40和第二板突起50。应当理解的是，第一板26和第二板 28之间的接触限定从入口孔38到出口孔52的连续缝部54。第一板26和第二板28之间 的连续缝部54可以各种方式实现。例如，第一板26的平面表面可以与第二板凹部44的边 缘接触，第二板28的平面表面可以与第一板突起40的边缘接触，第一板突起40的边缘可 以与第二板凹部44的边缘接触，和第二板凹部44中的一个的前缘45可以与入口孔38中 的一个的边缘接触。连续缝部54将每个管道36从其它管道36隔离。出口孔52可在第一 板26和第二板28之间形成。如图所示，管道36的终端形成出口孔52的至少一部分。可 选地，出口孔52可单独地在第二板28中形成。出口孔52的边缘保持与连续缝部54接触。 类似地，入口孔38可在第一板突起40中形成，只要入口孔38的边缘保持与连续缝部54接 触即可。 管道36在入口孔38和出口孔52之间提供流体连通。例如，流体流可包括反应物 和水移动到燃料电池以及反应物和水从燃料电池移动中的一种。在燃料电池操作期间，反 应物可进入或离开燃料电池。水可以在燃料电池操作之后通过毛细作用流动从燃料电池排 出。通过防止沟道区域34中的流动分配不均和促使毛细作用流动，分立的管道36相对于 不分立的管道是有利的。 通过使用沟道区域34的分立管道36利于毛细作用流动。在第一板26和第二板 28之间形成的连续缝部54对于称为自发润湿或者自发吸湿的过程来说是示例性位置。在 Rye等，Langmuir，12 :555-565(1996)中描述了该过程，涉及开启由V形或三角形表面凹槽 产生的毛细作用，该文献的全部内容作为参考引入本文。在流动通道角落中支持自发润湿 的物理需求由Concus-Fi皿条件表征，即P + a/2<90° ，其中P是在液体表面和固体表 面之间形成的静态接触角。角度a是管道36的角落角度，在具体实施例中，是由第一板26 与第二板28相交形成的角度。静态接触角13是对具体表面和材料特定的属性，例如通过 将液滴放置在表面上并记录何时满足液滴不发生进一步蔓延的平衡条件来试验确定。
作为非限制性示例，矩形通道具有45。的a/2，这表明当静态接触角小于45。时 将发生自发润湿。如图3-6所示，第一板26与第二板28之间的相交处满足e + a/2<90° ， 从而满足Concus-Finn条件。说明性地，第一板26与第二板28之间的相交处可具有锐角。 如图6所示，沿连续缝部54的自发润湿共同形成水从入口孔38行进到出口孔52的连续系 带(ligament) 56。连续系带56利于通过管道36从第一板36的积水表面58到出口集管 20的恒定且不中断的水流。连续系带56可形成在管道36的两侧上。 在使用中，连续系带56利于在燃料电池堆10操作之后从沟道区域34和积水表面 58去除水。在燃料电池堆关闭时，由于去除了反应物流的拖拽力和压力，燃料电池内的水 可收集在积水表面58中或者沟道区域34内。沟道区域34内的水自发地润湿连续缝部54 且形成连续系带56。可选地，连续系带56可在燃料电池堆10的操作期间形成。积水表面 58上的水由于形成液体膜和重力中的一种原因而进入入口孔38。水与前缘45接触且自发地润湿连续缝部54。毛细作用继续收集水，使得水沿连续缝部54蔓延，从而形成连续系带 56。当形成连续缝部54的水的体积增加时，水从出口孔52溢出到入口集管18和出口集管 20中的一个中。从出口孔52溢出的水大致没有毛细作用力，所述毛细作用力形成连续系带 56。水通过边界层剪切力、重力和毛细作用机制中的一个移动到入口集管18和出口集管20 中的一个中。水连续地从沟道区域34和积水表面58去除，直到剩下的水量不能支持基于 毛细作用的水去除。因此，在完成基于毛细作用的去除之后剩留的水是在低于冰冻条件下 不能影响燃料电池性能的量。 在不分立的管道中由于一个或更多管道内的积水，可能发生流动分配不均。不分 立的管道的沟道区域可包括管道集管、桥接的管道、或在管道终止于出口孔52之前设置的 其它共用板部件。相对于管道本身的尺寸来说，这些部件可能相对大，使得通过管道的反应 物的流动速度显著地减少。液体水可积聚在具有减少的流动速度的区域中，从而使得反应 物气体旁通管道的部分、全部管道或者流动速度减少的区域。分立的管道沟道区域提供大 致恒定的反应物流动速度，从而防止了燃料电池之间的积水、反应物旁通和流动差异。
管道36的截面面积可被选择，以利于从沟道区域34去除液体水。例如，管道36 可具有大致恒定的截面面积，从而允许其中移动的流体的流动速度保持相对恒定。管道36 中相对恒定的流动速度防止积水。可选地，管道36可具有减少的截面面积。靠近入口孔38 的第一截面面积可比靠近出口孔52的第二截面面积更大。类似地，具有减少的截面面积的 管道36通过在流体沿管道36长度朝出口孔52移动时增加流动速度而利于从管道36去除 液体水。 管道36的多个过渡部分60可通过将第一板突起40和第二板凹部44叠置形成， 如图3和图4所示。在过渡部分60中，第一板突起50和第二板凹部44相应地形成以保持 管道36的大致恒定的或减少的截面面积。 应当理解的是，本发明的燃料电池板12是成本有效的，因为不需要附加部件，例 如水输送结构、表面涂层等。令人惊奇地发现，燃料电池板12在防止水在燃料电池的沟道 区域34中积聚和反应物分配不均方面是有效的。从而，燃料电池板12使得燃料电池在低 于冰冻温度下的启动性能最大化。 从前述说明中，本领域技术人员能容易地确定本发明的基本特性，且在不偏离本 发明的精神和范围的情况下能够作出本发明的各种变化和修改以使之适合于各种用途和 条件。
权利要求
一种燃料电池板，包括第一板，所述第一板具有入口孔；和第二板，所述第二板邻接所述第一板，在第一板和第二板之间形成管道，所述管道与燃料电池板的入口孔和出口孔流体连通，所述管道具有在第一板和第二板之间形成的连续缝部，以利于将水输送给出口孔。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述管道是分立的管道。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述出口孔在第一板和第二板之间形成。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述出口孔在第一板和第二板中的一个 内形成。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述管道具有大致恒定的截面面积。
6. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述管道具有靠近入口孔的第一截面面 积和靠近出口孔的第二截面面积，所述第一截面面积大于所述第二截面面积。
7. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述第一板通过焊接和粘合剂中的一种 结合到第二板。
8. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述第二板具有凹部，所述凹部与第一板 协作以形成管道的一部分。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池板，其中，所述入口孔具有位于所述凹部前缘附近 的边缘，以形成连续缝部的一部分。
10. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，所述入口孔在设置在第一板上的突起中 形成。
11. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，突起和凹部的叠置形成管道的一部分。
12. 根据权利要求1所述的燃料电池板，其中，第一板和第二板中的一个包括包围出口 端口的大致平面部分，所述出口端口在第一板和第二板中的一个内形成。
13. 根据权利要求12所述的燃料电池板，其中，第一板和第二板中的一个的所述大致 平面部分与第一板和第二板中的一个协作以形成管道的一部分。
14. 一种燃料电池，包括一对燃料电池板，所述燃料电池板中的一个包括 第一板，所述第一板具有入口孔；禾口第二板，所述第二板邻接所述第一板，在第一板和第二板之间形成管道，所述管道与燃 料电池板的入口孔和出口孔流体连通，所述管道具有在第一板和第二板之间形成的连续缝 部，以利于将水输送给出口孔；禾口设置在该对燃料电池板之间的电解质膜和一对电极。
15. 根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述管道是分立的管道。
16. 根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述第二板具有凹部，所述凹部与第一板 协作以形成管道的一部分。
17. 根据权利要求14所述的燃料电池，其中，突起和凹部的叠置形成管道的一部分。。
18. 根据权利要求14所述的燃料电池，其中，第一板和第二板中的一个包括包围出口 端口的大致平面部分，所述出口端口在第一板和第二板中的一个内形成。
19. 根据权利要求18所述的燃料电池，其中，第一板和第二板中的一个的所述大致平面部分与第一板和第二板中的一个协作以形成管道的一部分。
20. —种燃料电池堆，包括多个燃料电池，所述燃料电池中的一个具有 一对燃料电池板，所述燃料电池板中的一个包括 第一板，所述第一板具有入口孔；禾口第二板，所述第二板邻接所述第一板，在第一板和第二板之间形成管道，所述管道与燃 料电池板的入口孔和出口孔流体连通，所述管道具有在第一板和第二板之间形成的连续缝 部，以利于将水输送给出口孔；禾口设置在该对燃料电池板之间的电解质膜和一对电极。
全文摘要
本发明涉及带有用于防止出口水滞留的部件的双极板。一种燃料电池板包括具有入口孔的第一板和第二板，第二板抵靠第一板设置以形成管道。公开了非常适合于用于车辆燃料电池堆的燃料电池板，以减少燃料电池中的水滞留，而不增加燃料电池板的所需部件数量和制造成本。
文档编号H01M8/24GK101714640SQ200910179508
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月3日
发明者J·A·罗克, J·P·奥维简, S·J·斯潘塞, T·A·特拉波德 申请人:通用汽车环球科技运作公司