燃料电池冷却剂流场配置的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]典型燃料电池布置包括了在电池堆叠组件(CSA)中放置在一起的多个燃料电池。每个燃料电池通常包括阳极、阴极和在阳极与阴极之间的膜。阴极反应物，诸如氧气，和阳极反应物，诸如氢气，用于膜处的电化学反应中以产生电能。
[0002]CSA耐用性可能受到多种衰变机制或因素限制。例如，电压循环可能造成性能随着时间衰变。局部膜湿度循环可能造成膜磨损。这两种类型的循环都可能响应于负荷或功率需求的改变而发生。另一 CSA衰变源是高操作温度。更高的操作温度倾向于与CSA性能中更高的衰变速率相关联。已采取多种方案来减缓由高操作温度造成的CSA衰变。
【发明内容】
[0003]一种示例性燃料电池组件包括第一电极、第二电极和在电极之间的膜。反应物分布板包括从反应物分布板的边缘附近的反应物入口向出口延伸的至少一个反应物流动通道。在至少一个反应物流动通道附近的冷却剂供应通道从与反应物入口间隔开的冷却剂入口延伸到冷却剂出口。冷却剂供应通道包括了介于冷却剂入口与在反应物入口附近的第二部分之间的第一部分。第一部分便于冷却剂从冷却剂入口直接流向所述第二部分。第二部分包括多个通道部段，多个通道部段一起便于冷却剂沿着反应物入口附近的第二部分在多个方向上流动。冷却剂供应通道包括了在第二部分与冷却剂出口之间的第三部分。
[0004]一种用于对燃料电池进行冷却的示例性方法包括导向冷却剂通过在至少一个反应物流动通道附近的冷却剂供应通道。冷却剂供应通道从与反应物入口间隔开的冷却剂入口延伸到冷却剂出口。冷却剂供应通道包括了介于冷却剂入口与在反应物入口附近的第二部分之间的第一部分。第一部分便于冷却剂从冷却剂入口直接流向所述第二部分。第二部分包括多个通道部段，多个通道部段一起便于冷却剂沿着在反应物入口附近的第二部分在多个方向上流动。冷却剂供应通道包括了在第二部分与冷却剂出口之间的第三部分。
[0005]可以从下文的描述和附图来理解所公开的示例的这些和其它特征，附图如下简要描述。
【附图说明】
[0006]图1示出了示例燃料电池组件的选定部件的示意图。
[0007]图2示出了示例流体流动图的示意图。
[0008]图3示出了流体流动图的另一示例示意图。
[0009]图4示出了示例冷却剂流场。
[0010]图5示出了另一示例冷却剂流场实施例。
[0011]图6示出了另一示例冷却剂流场实施例。
【具体实施方式】
[0012]图1示出了示例燃料电池组件20的选定部件的示意图，包括:第一电极22，诸如阴极；第二电极24，诸如阳极；以及，位于第一电极22与第二电极24之间的膜26。第一气体扩散层28邻近于第一电极22定位并且第二气体扩散层30邻近于第二电极24定位。第一气体扩散层28和第二气体扩散层30分别定位于第一电极22和第二电极24的与膜26相反的侧部上。
[0013]示例第一流体分布板组件32包括位于第一流体分布板组件32的第一侧36上的第一反应物流动通道34和位于第一流体分布板组件32的第二相反侧40上的冷却剂供应通道38。第一反应物流动通道34邻近于第一气体扩散层28定位并且被配置成用以接受空气或纯氧气。冷却剂供应通道38被配置成导向冷却剂诸如水以在燃料电池组件20中实现所希望的冷却效果。
[0014]在某些示例中，第一流体分布板组件32为微孔性和亲水性的。
[0015]第二流体分布板组件42，诸如多孔性水运输板，在第二气体扩散层30的与第二电极24相反侧上邻近于第二气体扩散层30而定位。第二流体分布板组件42包括第二反应物流动通道44，第二反应物流动通道44位于第一侧46上并且被配置成用以分布燃料，诸如氢气。
[0016]在此示例中，第二流体分布板组件42为微孔性和亲水性的。
[0017]图2示意性地示出了用于燃料电池组件20的实施例的示例流体流动图案/流型(flow pattern)或设计。冷却剂入口区域50沿着第一边缘52位于燃料电池组件20的第一边缘52与第二边缘54的相交处(例如，在板的拐角附近)。在此示例中，入口区域50通向第一流体分布板组件32上的通道38内。冷却剂入口区域50与冷却剂供应通道38和冷却剂出口区域56成流体连通。冷却剂出口区域56位于组件20的第三边缘58上和特别地第一流体分布板组件32的边缘58上靠近第三边缘58与第四边缘60的相交处。
[0018]第一反应物入口区域62沿着第三边缘58定位。第一反应物入口区域62与第一反应物流动通道34 (图1)和邻近于第一边缘52而定位的第一反应物出口区域64成流体连通。在此示例中，第一反应物入口区域62在第一流体分布板组件32的边缘上。在此示例中，第一反应物以单程流型流动。
[0019]在此示例中，第二反应物以双程流动流型流动。第二反应物入口区域66位于第二流体分布板组件62上邻近于第二边缘54并且靠近第二边缘54与第三边缘58的相交处。第二反应物入口区域66与第二反应物流动通道44和第二反应物出口区域68成流体连通。第二反应物出口区域68邻近于第一流体分布板组件32的第二边缘54处和靠近第一边缘52与第二边缘54的相交处而定位。在此示例中，第二反应物流动通道44延伸了燃料电池组件20的长度到沿着边缘60的歧管70。歧管70将第二反应物朝向第二反应物出口区域68导向，第二反应物出口区域68在此示例中在边缘54上。
[0020]图3示出了燃料电池组件20的另一实施例的另一示例流体流动流型或设计的示意图，类似于图2中所示的示意图。在图3中，两种反应物跨越整个相应板上而遵循双程路径。第一反应物入口区域62和冷却剂入口区域50沿着第一流体分布板组件32的第一边缘52而定位。第一反应物流动通道34中的至少一个从第一反应物入口区域62沿着第一边缘52延伸到沿着第三边缘58定位的歧管72。第一反应物由歧管72从第三边缘58重导向通过至少一个更多的第一反应物流动通道34到沿着第一边缘52的第一反应物出口区域64。
[0021]图4示出了示例冷却剂流场80，冷却剂流场80包括了位于第一流体分布板组件32上的冷却剂供应通道38。示例冷却剂流场80包括第一冷却剂通道38a，第一冷却剂通道38a具有第一部分82、第二部分84和第三部分86。
[0022]第一冷却剂供应通道38a的第一部分82在冷却剂入口区域50与第二部分84之间延伸。第一部分82便于冷却剂从冷却剂入口区域50直接流向第二部分84。第一部分82包括从冷却剂入口区域50直接向第二部分84以单个方向而导向冷却剂流动的至少一个通道部分。在此示例中，在单个方向上的冷却剂流动大致垂直于第一流体分布板组件32的第一边缘52。
[0023]第二部分84靠近第二反应物入口区域66和第一反应物入口区域62而定位并且包括多个通道部段，这些通道部段一起便于冷却剂沿着第二部分84在多个方向上流动。第一部分88和第二方向90大致平行于第一流体分布板组件32的第三边缘58。第二部分84的通道部段被布置呈蛇形/蜿蜒的流型并且在第一方向88上导向冷却剂流动多次并且在第二相反方向90上导向冷却剂流动至少一次。第二部分84平行于第一流体分布板组件32的第三边缘58而跨越第一流体分布板组件32的基本上整个尺寸上延伸。
[0024]通道38a和特别地第二通道部分84确保了足量的冷却剂到达包括反应物入口 62的燃料电池组件20的部分。该区域或部分可能由于入口 62、66和50的配置而经历高温。通道38a被配置成用以直接朝向第二部分84导向冷却剂从而使得冷却剂的温度在通道的该部分中尽可能低。在第二部分84中冷却剂的多个流程提供了在反应物入口 62和66附近的集中冷却。
[0025]第一冷却剂供应通道38a的第三部分86在第二部分84与冷却剂出口区域56之间延伸以便于冷却剂从第一流体分布板组件32流出。
[0026]冷却剂流场80包括不同于第一冷却剂供应通道38a的至少一个第二冷却剂供应通道38b。第二冷却剂供应通道38b以不同于第一冷却剂供应通道38a的流型导向冷却剂流动。第二冷却剂供应通道38b从冷却剂入口区域50延伸并且包括了在第一方向88和第二方向90上的多个流程。第二冷却剂供应通道38b以蛇形流型延伸直到它们最终止于冷却剂出口区域56处。
[0027]图5示出了根据另一示例实施例的示例冷却剂流场180。第一冷却剂供应通道38a位于第一流体分布板组件32上。示例冷却剂流场180包括第一部分182、第二部分184和第三部分186。冷却剂流场180是对称的从而使得冷却剂流动遵循相同流型，无论第一流体分布板组件32处于图示取向还是绕与板32平面垂直的线旋转180度使得冷却剂入口区域50和冷却剂出口区域56颠倒。由于冷却剂流场180是对称的，极大地降低了将第一流体分布板组件32不正确地安装到燃料电池组件20内的可能性。
[0028]第一部分182包括通道38a，通道38a具有从冷却剂入口区域50直接向第二部分184在单个方向上导向冷却剂流动的通道部分。第一冷却剂供应通道38a的第一部分182在大致与第一流体分布板组件32的第一边缘52垂直的单个方向上导向冷却剂流动。
[0029]第二部分184被布置成蛇形流型，其沿着第二部分在第一方向188上导向冷却剂流动多次并且沿着第二部分184在第二相反方向190导向冷却剂流动至少一次。第二部分184邻近于第二反应物入口区域66和第一反应物入口区域62而定位并且在大致与第一流体分布板组件32的第一边缘52和第三边缘58平行的至少两个方向上导向冷却剂流动。在第一部分182中的冷却剂流动大致垂直于第二部分184的冷却剂流动。
[0030]