燃料电池堆和包括其的车辆的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池堆包括膜电极组件和双极板。双极板具有波纹部分，所述波纹部分通过一对相邻的近峰部分和远峰部分以及连接峰部分的侧壁部分来限定。侧壁部分和膜电极组件至少部分地限定流道。侧壁部分包括限定远离峰部分间隔开的阶梯的肩状部分。
【专利说明】燃料电池堆和包括其的车辆
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种质子交换膜(PEM)燃料电池和其中的双极板的构造和布置。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧转换成水并在这个过程中产生电的电化学能量转换装置。氢燃料通过流场被引导到位于燃料电池的一侧上的阳极。氧气(来自空气)通过流场被引导到位于燃料电池的另一侧上的阴极。在阳极处，催化剂使氢裂解成氢离子和电子。设置在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜允许带正电荷的离子穿过其到达阴极。电子经过外电路到达阴极，从而产生了电流。在阴极处，氢离子与氧结合形成水，水从电池流出。
【发明内容】
[0003]一种燃料电池堆包括膜电极组件和彼此接触的一对双极板。每个双极板包括峰部分和连接峰部分的侧壁。每个侧壁和膜电极组件至少部分地限定流道。至少一个双极板的每个侧壁包括端部分和设置在端部分之间的主体部分。每个端部分与所述峰部分之一相邻。每个主体部分包括至少一个阶梯式肩状部分。
[0004]一种车辆包括被布置成提供电力以使所述车辆运动的燃料电池堆。燃料电池堆包括膜电极组件和多个双极板。每个双极板包括峰部分和连接峰部分的侧壁。每个侧壁和膜电极组件至少部分地限定流道。至少一些流道具有宽度和大于所述宽度的深度。至少一个双极板的每个侧壁包括端部分和设置在端部分之间的主体部分。每个端部分与所述峰部分之一相邻。至少一些主体部分包括至少一个阶梯式肩状部分。
[0005]双极板的一个双极板的侧壁与双极板的另一个双极板的侧壁接触。
[0006]双极板由金属形成。
[0007]双极板由不锈钢箔形成。
[0008]一种燃料电池堆包括多个波纹状的双极板，每个双极板通过峰部分和连接峰部分的主体部分来限定。至少一些侧壁包括阶梯式肩状部分。所述多个双极板中的一个双极板的侧壁与所述多个双极板的另一个双极板的侧壁接触，以形成嵌套的一对双极板。
[0009]双极板由金属箔形成。
[0010]至少一些双极板具有大致均匀的厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是双极板流道的示意性剖视图。通道宽度用“W”标注，通道深度用“D”标注。
[0012]图2是具有梯形形状的传统的双极板流道的示意性剖视图。
[0013]图3是设置在车辆内并且包括双极板的燃料电池堆的示意性剖视图，其中，双极板具有至少部分地由阶梯式侧壁限定的流道。
[0014]图4是具有至少部分地由阶梯式侧壁限定的流道的双极板的示意性剖视图。
[0015]图5是双极板流道的示意性剖视图。通道深度至少等于通道宽度。在各个图中同样标号的兀件可以具有相似的描述。
[0016]图6是双极板流道的示意性剖视图。侧壁均包括两个肩状突出部。
[0017]图7是燃料电池堆的两个相邻的燃料电池之间的结合的示意性剖视图。双极板彼此接触。一个双极板具有至少部分地由阶梯式侧壁限定的流道。另一双极板具有呈梯形形状的流道。
[0018]图8是燃料电池堆的两个相邻的燃料电池之间的结合的示意性剖视图，其中，燃料电池堆包括设置在燃料电池的双极板之间并且与燃料电池的双极板接触的中心板。
[0019]图9是燃料电池堆的两个相邻的燃料电池之间的结合的示意性剖视图。双极板至少部分地彼此嵌套。一个双极板具有至少部分地由阶梯式侧壁限定的流道。另一双极板具有呈梯形形状的流道。
[0020]图10是燃料电池堆的两个相邻的燃料电池之间的结合的示意性剖视图。双极板至少部分地彼此嵌套。两个双极板具有至少部分地由阶梯式侧壁限定的流道。
【具体实施方式】
[0021]这里描述了本公开的实施例。然而，将理解的是，公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种可选择的形式。附图不必是按比例绘制的；可夸大或最小化一些特征来显示特定组件的细节。因此，在此公开的具体的结构和功能的细节不将被解释为是限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员来多方面地应用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一幅附图所示出和描述的各个特征可以与在一幅或更多幅其他附图中示出的特征相组合，从而产生未被明确地示出或描述的实施例。所示出的特征的组合为典型的应用提供有代表性的实施例。然而，与本发明的教导相一致的特征的各种组合和修改可期望用于特定的应用或实施方案。
[0022]候选金属双极板(MBPP)材料可以形成为一系列通道，所述通道具有为满足期望的燃料电池性能标准而设计的宽度和深度。为了提高燃料电池性能，在某些情况下，使竖直侧壁的几何形状基本呈平底“U”形的深且窄的通道成为优选。然而，这种几何形状可能很难或不可能由薄金属材料以低成本的方式来形成。诸如不锈钢箔的某些薄金属材料的成形极限可以因此限制其作为MBPP材料在燃料电池应用中的使用。例如，在薄金属材料中冲压又深又直的通道会在通道的几何过渡区域(诸如，在通道的边缘处)产生过度的材料薄化。这种薄化会在通道成形、燃料电池的组装或燃料电池堆的操作期间导致板的破裂。此外，在某种程度上说双极板是燃料电池堆的结构元件，这种薄化会折衷双极板的刚性。
[0023]传统的MBPP设计通常以横截面类似为平底“V”(或梯形)的通道为特征。这些构造倾向于具有平缓的侧壁角度和受限的通道深度，以试图适应前体板材的成形极限并使成形过程中的应变诱发薄化最小化。在某些情况下，可以更改基础合金加工步骤以提高MBPP前体材料形成超过其常规极限的能力。然而，材料的基本化学成分或制造过程的改变会不利地影响到将要用于燃料电池应用的合金的所期望的其他特性，诸如耐腐蚀性和导电性。材料组成和加工的变化也会导致成本过高。
[0024]在燃料电池中，增加流道的横截面面积，具体地讲，增加各个膜电极组件(MEA)的阴极侧上的流道的横截面面积，可以大幅度地提高燃料电池的性能。然而，如果通道开口太宽，则MEA会朝向通道向内弯曲。由于这个原因，可以优选的是，将通道形成为具有较窄的开口和较深的通道。
[0025]形成具有较深通道的MBPP的能力，特别是当所述通道通过冲压工艺形成时，可以在损害如上所述的其他特性的情况下通过更改前体板材料的成形极限而得以改善。然而，现已发现，更改通道的几何形状以适应选定的前体材料的固有成形极限也能够在不显著影响诸如耐腐蚀性和导电性之类的这些特性的情况下改善形成带有较深的通道的MBPP的能力。在此公开的是“阶梯式”侧壁MBPP通道的几何形状的示例,例如,如图1所示。具有阶梯式侧壁的流道能够与图2示出的较为传统的梯形通道结构相区别开来。
[0026]形成肩状部(或阶梯)的侧壁的部分无需相对于彼此形成90度角。允许形成深通道而不会显著薄化的任何合适的角度(比如80度、100度等等)都可以被采用。测试和/或模拟能够决定最优阶梯尺寸。
[0027]阶梯式侧壁几何形状(例如，图1所示)的有限元分析(FEA)与传统的梯形通道(例如，图2所示)的FEA在同等深度下进行了对比。这种对比表明:图1的阶梯几何形状的材料薄化远小于图2的梯形通道几何形状的材料薄化，并且贯穿图1的阶梯式侧壁几何形状的材料应变更加均衡。FEA对比同样表明:对于相等的通道深度D，图2的梯形通道在它的高度应变的上部半径区域R中更有可能经历材料失效。FEA模型的结果已在进一步的研究中被经验性地证实。与图1中示出的几何形状类似的阶梯式侧壁几何形状的使用可以允许由现有的金属材料形成带有较大的侧壁角度A的较深的通道，同时维持可接受的通道开口宽度W。这两个特性能够带来燃料电池堆工作性能的改善而不减损连接燃料电池堆组件的结构完整性。
[0028]参照图3，诸如汽车的车辆98可以包括被布置为如本领域已知的提供电力以使车辆98运动的燃料电池堆100。燃料电池堆100可包括电连接在一起的多个燃料电池102。每个燃料电池102可包括设置在第一双极板106和第二双极板108之间的膜电极组件(MEA)104。膜电极组件104包括位于一侧的阴极部分和位于另一侧的阳极部分。图中使用术语“气体”之处，其意图表示暴露于MEA104的阳极侧的燃料电池102的燃料。例如，在氢燃料电池中，“气体”将是氢气。图中使用术语“0X”之处，其意图表示暴露于MEA104的阴极侧的氧气(或含氧空气)。
[0029]参照图4，每个双极板106可由诸如不锈钢箔或其他合适的导电金属材料的片的前体金属片冲压成形而成。也可以使用可选的成形方法，诸如液压成形和绝热成形。每个双极板106限定了交替地设置在该双极板106的相对侧上的相邻地对齐的流道110 (垂直于纸面)。进一步地，每个双极板106包括至少部分地呈阶梯形且具有肩状部分114的侧壁112以及阶梯式侧壁112相互连接处的近峰部分116和远峰部分118 (为双极板106提供波纹状外观)。因此，在本示例中，每个阶梯式侧壁112具有两个端部分和设置在端部分之间的主体部分。每个端部分与峰部分116、118中的一个相邻。肩状部分114形成在主体部分中。每个双极板106的近峰部分116可与MEA104直接接触(图3)。相邻的双极板的远峰部分118可相互地对齐且电接触。
[0030]特别地，在双极板106被冲压成形的情况下，双极板106可具有大体均匀的膜板厚度(web thickness) T0例如,这种厚度可以在大约100微米的范围内。然而,可以使用任何适当的厚度(例如，80微米至250微米，等等)。类似的描述适用于图3的双极板108。
[0031]参照图5，双极板206的一部分分别包括至少部分地呈阶梯形并具有肩状部分214的侧壁212以及近峰部分216和远峰部分218。在本示例中，通道深度D至少等于通道宽度W。在其他示例中，通道深度D可以大于通道宽度W。例如，D可以为大约500微米，W可以为大约100微米。
[0032]参照图6，双极板306的一部分分别包括至少部分地呈阶梯形并具有肩状部分314的侧壁312以及近峰部分316和远峰部分318。在本示例中，每个阶梯侧壁312可具有两个(或更多个)肩状部分314。其他构造也是预期之内的。
[0033]参照图7，燃料电池堆400的一部分包括MEA404以及双极板408、420，双极板408和双极板420彼此相接触并设置在MEA404之间。在本示例中，双极板408包括阶梯式侧壁412，而双极板420不包括阶梯式侧壁。
[0034]参照图8，燃料电池堆500的一部分包括MEA504、双极板506和508以及中心板522。中心板522设置在双极板506和双极板508之间并与二者相接触，以防止相邻双极板的嵌套并使与双极板506、508相关联的冷却剂流道的数量增多。其他布置也是预期之内的。
[0035]参照图9，燃料电池堆600的一部分包括MEA604和双极板608、620。与图7的示例相似，双极板608包括阶梯式侧壁612，而双极板620不包括阶梯式侧壁。双极板608、620被布置成使得它们的侧壁彼此相接触(例如，通过焊接、粘合等来连接)，这可以增加双极板608和双极板620之间的表面接触(和导电性)、提供可选择的焊接位置并降低堆高度。
[0036]参照图10，燃料电池堆700的一部分包括MEA705和双极板706、708。与图9的示例相似，双极板706、708被布置成使得它们的侧壁彼此接触以形成嵌套对。
[0037]虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非意图描述由权利要求包括的所有可能的形式。在本说明书中所使用的词语是描述性而非限制性的词语，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下能够做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征能够被组合以形成本发明的可能未被明确地描述或示出的进一步的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为针对一个或更多个期望的特性提供了优势或优选于其他实施例或现有技术的实施，但是本领域普通技术人员要认识到，一个或更多个特征或特性可能会被折衷以达到所期望的整个系统的属性，这依赖于具体的应用和实施。这些属性可以包括但不被限于:成本、强度、耐久性、寿命成本、可市场性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、可制造性、易组装性，等等。如此，针对一个或更多个特性而被描述为与其他实施例或现有技术的实施相比不是很期望的实施例并非在本公开的范围之外，而在特别的应用中可以是所期望的。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括: 膜电极组件；以及 彼此接触的一对双极板，每个双极板包括峰部分和连接峰部分的侧壁，每个侧壁和膜电极组件至少部分地限定流道，至少一个双极板的每个侧壁包括端部分和设置在端部分之间的主体部分,每个端部分与所述峰部分之一相邻,每个主体部分包括至少一个阶梯式肩状部分。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述一对双极板中的一个双极板的峰部分连接到所述一对双极板的另一个双极板的峰部分。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述一对双极板中的一个双极板的侧壁与所述一对双极板中的另一个双极板的侧壁接触。
4.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每个流道具有宽度，至少一些流道具有大于所述宽度的深度。
5.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板具有大致均匀的厚度。
6.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板的厚度为大约100微米。
7.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板由金属形成。
8.如权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板由不锈钢箔形成。
9.一种车辆，所述车辆包括: 燃料电池堆，被布置成提供电力以使所述车辆运动，并且包括膜电极组件和多个双极板，每个双极板包括峰部分和连接峰部分的侧壁，每个侧壁和膜电极组件至少部分地限定流道，至少一些流道具有宽度和大于所述宽度的深度，至少一个双极板的每个侧壁包括端部分和设置在端部分之间的主体部分，每个端部分与所述峰部分之一相邻，至少一些主体部分包括至少一个阶梯式肩状部分。
10.如权利要求9所述的车辆，其中，所述多个双极板中的一个双极板的峰部分与所述多个双极板中的另一个双极板的峰部分连接。
【文档编号】H01M4/86GK104051771SQ201410092898
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】丹尼尔·E·威尔克斯 申请人:福特全球技术公司