用于蒸发式冷却燃料电池的混合双极板的制作方法
【专利摘要】燃料电池功率设备（36）具有竖直燃料电池（102），每个燃料电池共用混合分离板（100）的一半，所述混合分离板包括实心燃料流板（105），实心燃料流场板在一个表面上具有水平燃料流通道（106）并且在相对表面的上部上具有冷却剂通道（108），实心燃料流场板结合到多孔亲水氧化剂流场板（115）的平坦后侧上，多孔亲水氧化剂流场板具有竖直氧化剂流通道（118）。冷却剂渗透通过多孔亲水氧化剂流场板的上部并且进入氧化剂流通道，在氧化剂流通道中，当水向下滴流通过氧化剂流场通道时所述冷却剂蒸发，由此冷却燃料电池。
【专利说明】用于蒸发式冷却燃料电池的混合双极板
【技术领域】
[0001]混合双极板包括结合在一起的实心水平燃料流场以及多孔竖直氧化剂流场，所述混合双极板包括只(exclusively)在混合板的实心燃料流场部分的上缘上的水冷却剂通道，以提供通过多孔氧化剂流场板并且在氧化剂流通道中向下滴流的冷却剂水，以由此利用由在燃料流场板部分中的通道提供的水来蒸发式冷却燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池领域已知蒸发式冷却燃料电池，与将可感知的热量传送到流过该电池的循环水或者流过冷却剂板的冷却剂相比，由此得到蒸发热量的益处。
[0003]现参考图1，US 7，579，098的蒸发式冷却燃料电池功率设备36包括竖直设置的燃料电池38堆37。
[0004]来自燃料源41的燃料被提供给燃料入口 42并且沿由粗线箭头43所示的第一燃料流程向右流动到燃料转向歧管44。然后，燃料气体向下流动并流入到燃料流场的第二燃料流程，其中，燃料气体如粗线箭头45所示地流动到左边。从燃料出口 47，燃料可流经再循环泵48 (可能具有未示出的阀)而回到燃料入口 42，并且可通过阀49被定期地吹扫到环境中，这都是本领域已知的。可使用单流程、三流程或其他燃料流动构造。
[0005]在图1中，处理空气由泵52提供给空气入口 53，并且该空气向上流动通过燃料电池38的氧化剂反应气体流通道，如空心箭头54所示的。从处理空气出口 57，该空气在导管58中流动到冷凝器59，所述冷凝器在车辆中可以是常规散热器。更干燥的排出空气流过排出口 62。来自冷凝器59的冷凝物可被引导积聚在贮存器64中，该贮存器由水返回导管65连接到水入口 66。然后，水流过流体导管(典型地，微小通路67)进入到每个燃料电池38中；通路67可终止于通风歧管68，来自通路的空气从该通风歧管的移除被设置成通过通风口(例如，多孔疏水插塞通风口 69);或者，在任何给定情形中合适的情况下，该通路可以是盲端的，或者它们可在通风口 69处连接到微泵，如已知的那样。
[0006]虽然存在水入口 66，但是基本上无水出口，如参考图2更完整地描述的那样，水简单地存在于每个燃料电池中。在图2中，燃料电池38每个均包括常规膜电极组件72，所述膜电极组件包括电解质，所述电解质在其相对侧上具有阳极催化剂和阴极催化剂，并且在一个电极或两个电极上可包括或可不包括气体扩散层。
[0007]在图2中，燃料反应气体流过燃料反应气体流场板75中的通道74，所述燃料反应气体流场板75包括沟槽76，所述沟槽与相邻燃料电池的沟槽77 —起形成微小水通路78。在阴极侧上，氧化剂反应气体流场板81包括处理空气流通道82以及沟槽83，所述沟槽与相邻燃料电池上的沟槽84 —起形成微小水通路85。
[0008]为了防止过溢，反应气体典型地比通路中的水的压力高几个千帕(大约0.5 psi)。这将会自然地发生，因为空气泵52通常使空气的压力比大气压高得多，并且燃料的压力容易调节(如已知的那样)。在图1中，导管65中的水可处于大气压力下，但是只要反应气体具有稍微更高的压力，该水就可处于大气压力以外的压力下。[0009]水通路可由除匹配沟槽(如图所示)之外的方式来形成。水通路67可仅设置在反应气体流场板75、81之一中。
[0010]反应气体流场板75、81显示为与水输送板相同，在燃料电池功率设备中有时被称为细孔版，所述燃料电池功率设备借助外部水处理来利用通过水输送板的明显水流，如在美国专利5，700, 595中公开的。然而，由于与在前述专利5，700, 595中的可感知热量水流冷却相比，当使用蒸发冷却时，每体积水在冷却效力上具有100对l(one hundred-to-one)的提高，所以现有技术中的水流通道的截面是图1中的水通路78、85的截面的数十倍。此夕卜，水通路78、85的横向部分的间隔(示出在图3的燃料电池的每个结合部处)可以分离一距离，该距离是如前述专利5，700, 595中的可感知热量的水流冷却系统中的水流通道的横向部分之间的间隔的数倍。水通路78、85的小截面以及其相继横向部分之间的大距离允许将反应气体流场板75、81的厚度减少大约三分之一。
[0011]如关于图1和图2描述的本领域的蒸发式冷却燃料电池后来已享有附加改进和变形。这种燃料电池组合是十分有利的，如前文所述的。然而，板的制造，特别是所述板在两侧上都具有沟槽的情况，在所使用的材料以及获得处于公差内的合适板所需的机加工方面都是昂贵的。由于燃料电池彼此分离，由此避免燃料跨越到氧化剂板中和/或氧化剂跨越到燃料板中，燃料板81和氧化剂板75中的气泡压力必须被仔细地控制，使得水将流过这些板，但气体不会。因此，多孔性、孔尺寸和孔体积也是关键的。为了确保避免水流入到反应气体中，冷却剂水典型地比反应气体压力低一个或数个psi (0.7或1.5 kPa)。
[0012]为了使制造工艺容易、降低所浪费材料的成本、以及实现燃料电池的充分分离和阳极侧以及质子交换膜的湿化，典型地使用端铣。
[0013]更容易被制造并且不需要气泡压力偏差的流场板或分离板会是有利的。
【发明内容】
[0014]本文的混合分离板包括实心燃料流场板，所述实心燃料流场板具有形成于该板上部后侧中的数个水平水通道，所述实心燃料流场板结合到多孔亲水竖直流的氧化剂流场板，所述氧化剂流场板在其后侧上未设置有通道。在燃料流场部分的上缘处的数个冷却剂通道中的水渗入多孔亲水氧化剂流场部分中，并且冷却剂水流入到竖直氧化剂流通道中，并且在流通道内部向下滴流，所述水在该流通道中蒸发以由此冷却该燃料电池堆。
[0015]混合板需要通道主要形成在混合分离板的每个部分的仅一侧上，而仅数个水通道形成在燃料流场部分的上缘的相反侧上。取代需要端铣，可使用排铣，并且由于不需要控制气泡压力作为将一个燃料电池的燃料与相邻燃料电池的氧化剂分离的手段，因此公差可放宽。
[0016]混合流场板与先前用于蒸发式冷却的燃料电池的混合流场板相比显著更便宜，并且是用于避免反应气体跨越的可靠手段。
[0017]鉴于如附图中所述的示例性实施方式的下述详细说明，其他变形将变得更明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是现有技术中已知的采用具有蒸发式冷却的水输送板的燃料电池功率设备的简化透视图。[0019]图2是现有技术中已知的一对燃料电池的局部截面侧视图，为了清楚起见省除了剖面线。
[0020]图3是采用本文的混合分离板的一对燃料电池的局部截面侧视图。
[0021]图4是图3的燃料电池双极板的局部的简化的透视图。
[0022]图5是采用本文的混合分离板的燃料电池功率设备的简化透视图。
【具体实施方式】
[0023]参考图3和图4，混合分离板100定位在膜电极组件(MEA) 101的相对表面上，以便形成燃料电池102。除了阴极和阳极催化剂层支承件之外，MEA 101可具有或可不具有气体扩散层。每个分离板100在MEA 101的阳极侧上包括实心燃料流场板105，所述实心燃料流场板在其与MEA 101相邻并接触的表面上具有燃料流通道106。在燃料流场通道106的相反表面的上端(在地轴上)形成有多个水冷却剂通道108。水通道108向下延伸到燃料流场通道105的平面形状中，范围仅与MEA 101的上部111是非活性部分相同，MEA 101的上部111是非活性部分即在质子交换膜的两侧上都不具有阴极和阳极催化剂层，与平面形状112的主要部分是活性的相反。冷却剂通道108的范围占燃料流板105的平面形状的相对小的部分，例如沿燃料流板105的竖直长度在小于15%、优选地小于10%的量级。
[0024]燃料流场板105的后表面每个均在结合部114处结合到多孔亲水氧化剂流场板115的平坦后侧上。氧化剂流场板115具有从其表面向内延伸的竖直氧化剂反应气体流通道，所述表面与所述板在结合部114处结合在一起的表面相对。
[0025]板的结合优选地实现成具有最少量的电阻，以便保持有利的堆电压。将两个板结合在一起的一种方式是:在燃料流场板的后表面的外周部(类似于图框)上设置热塑性树脂(例如，低密度聚乙烯)的非常薄的涂层；以及然后将所述涂层在大约40 psi (276 kPa)和大约100 psi (690 kPa)之间的压力下加热至合适温度,例如在大约245 °F (118°C)和大约280 T (138°C)之间，使得用于形成多孔亲水氧化剂流场板115的热塑性树脂将与设置到燃料流场板105的薄层融合。
[0026]由于冷却剂流通道108与燃料流场通道106相比位于燃料流场板105的不同部分处，因此，燃料流场板可比迄今为止可能的燃料流场板更薄，由此促进燃料电池堆中的更大功率密度。在燃料流场板105的右上表面处的凹口用于容纳常规界面密封件。
[0027]虽然在本文的混合流场板的任何给定实施方式中冷却剂通道108优选地形成在燃料流场板105的相反侧上，但是必要的话或需要的话，冷却剂通道108相反可设置在氧化剂流场板115中或者设置在所述燃料流场板105以及所述氧化剂流场板中。然而，最简单且更少成本的制造将在实心燃料流板105中设置冷却剂通道108。
[0028]如图5所示，燃料电池本身被竖直地安装在燃料电池堆37中。混合分离板100被安装在该堆中，使得氧化剂流场通道118如虚线/短线箭头67所示是竖直的，而燃料流场通道106如箭头43、45所不是水平的。
[0029]在燃料电池功率设备36中，每个燃料电池与相邻的燃料电池共用混合分离板100中的一个(当然，在该堆的端部处的装置除外)。在燃料电池竖直地取向、氧化剂流通道118是竖直的并且冷却剂流通道108是水平的情况下，冷却剂通道108中的水将渗透混合板的多孔亲水氧化剂流场板部分115、将进入氧化剂通道118并在所述氧化剂通道118内向下滴流、并且被蒸发到向下流动的空气中。反应热将蒸发显著量的水，由此将燃料电池保持在大约176 0F (80°C)和大约180 0F (85°C )之间的期望温度范围内。
[0030]参考图5，本文利用混合分离板的燃料电池功率设备包括在上文中关于图3和图4描述类型的燃料电池102堆37。来自泵52的空气向下流过空气入口 53，并且通过燃料电池，如空心箭头54所示的那样。空气出口 57由导管58连接到冷凝器59，所述冷凝器具有贮存器64以及用于大致干燥空气的出口 62。向下流过燃料电池102的空气中的水由燃料电池中的热量来蒸发，产生水蒸气，该水蒸气在冷凝器59中从潮湿空气冷凝而来并且被收集在贮存器64中。该贮存器由导管65连接到水入口歧管125的入口 66，所述水入口歧管将水提供到如图3和图4所示的冷却剂通道108。
[0031]为了有助于水渗透通过多孔亲水氧化剂流场板部分115，使得所述水能容易地到达氧化剂流通道118，冷却剂的压力可由泵121以及必要的话阀装置(未示出)来控制。该压力可以例如是高于空气压力的0.5 psi (3.5 kPa)。
[0032]在厚度在大约0.6 mm和大约1.0 mm之间的燃料流板部分105中，燃料流场通道106宽可以在大约0.7 mm和大约2.2 mm之间，并且在每种情况下具有的深度在大约0.2 mm和大约1.0 mm之间，其中，沟槽之间的脊部107在沟槽之间是在大约0.7 mm和大约1.5 mm之间。在厚度在大约0.6 mm和大约1.0 mm之间的氧化剂流场板部分115中，空气流场通道118可具有在大约0.9 mm和大约2.5 mm之间的宽度，在大约0.3 mm和大约0.6 mm之间的深度，沟槽之间的肋119具有在大约0.7 mm和大约1.5 mm之间的宽度。
[0033]由于可作出所公开实施方式的变化和变体而不偏离构思意图，因此，本发明旨在仅受所附权利要求书的要求限制。
【权利要求】
1.一种燃料电池功率设备，其特征在于: 竖直设置的燃料电池(102)堆(37)，每个燃料电池包括具有电解质的膜电极组件(101)，所述电解质在其相对侧上设置有阴极催化剂和阳极催化剂，每个膜电极组件与所述堆中与其相邻的膜电极组件由混合分离板分离； 所述混合分离板的每一个包括实心燃料流场板(115)和多孔并亲水的氧化剂流场板(105)，所述实心燃料流场板具有从其第一表面延伸的水平燃料反应气体流通道(118)，所述氧化剂流场板具有从其第一表面延伸的竖直氧化剂流通道(108)，所述氧化剂流场板的与其所述第一表面相对的第二表面结合到所述燃料流场板的与其第一表面相对的第二表面，以形成所述整体式混合分离板，邻近于所述板的所述第二表面存在水平水通路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述多个水平水通路(108)从所述燃料流场板的所述第二表面的上端向内延伸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述冷却剂通道设置在所述燃料流场板的与所述膜电极组件的不具有催化剂的部分相邻的有限上部，所述部分因此是非活性的。
4.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述水通路在所述混合分离板的上缘延伸少于所述混合分离板的平面形状的15%。
5.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述水通路在所述混合分离板的上缘延伸少于所述混合分离板的平面形状的10%。
6.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述催化剂设置在每个所述膜电极组件的大的下部上，留下所述膜电极组件的每一个的小的上部是非活性的，并且所述水通路仅设置在所述燃料流场板的与所述膜电极组件的相邻一个个膜电极组件的所述非活性部分共同延伸并且并置的上部中。
7.根据权利要求6所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述膜电极组件的所述非活性部分小于15%。
8.根据权利要求6所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述膜电极组件的所述非活性部分小于10%。
9.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述第二表面与热塑性材料的薄的外围层结合在一起。
10.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述燃料反应气体流通道仅从所述燃料流场板的所述第一表面的部分延伸，所述部分与所述燃料流场板的所述第二表面的不具有水通路的相关部分相对。
11.根据权利要求1所述的燃料电池功率设备，进一步其特征在于: 所述燃料电池功率设备还包括冷凝器(59，124)，所述冷凝器被连接到所述燃料电池的所述氧化剂流场的出口，所述冷凝器的冷凝物与所述水通路流体连通，由此水从所述水通路移动通过每个所述亲水多孔氧化剂流场板进入到所述氧化剂流通道中，并且被蒸发以冷却所述燃料电池。
【文档编号】H01M4/86GK103460472SQ201080070871
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2010年12月23日 优先权日:2010年12月23日
【发明者】C.J.卡恩瓦尔, T.W.帕特森, R.M.达令, P.巴德里纳拉亚南, M.L.佩里 申请人:联合工艺公司