专利名称：用于改善的水管理的燃料电池组特征的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池组，且更具体地涉及一种用于水的
管理和从燃料电池组排除水的装置。
背景技术：
燃料电池已经被当作一种干净、高效而环境负责的能源 提出。单个的燃料电池可以连续地叠放在一起以形成燃料电池组。燃 料电池組能够供应大量的电能，其足够为电动车辆提供动力。 —类燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料 电池包括膜电极组件(MEA),它通常包括薄的、坚韧的聚合物电解膜， 电解膜的两面均有催化剂和电极。PEM燃料电池典型地包括三类基本 部件阴极，阳极和电解质薄膜。阴极和阳极典型地包括磨碎的催化 剂，例如依附在碳颗粒上并与离子交联聚合物混和的铂。电解质膜夹 在阴极和阳极之间，形成膜电极组件(MEA)。 MEA常布置在多孔的扩散介质(DM)之间，扩散介质使 得用于电化学燃料电池反应的气态反应物的扩散更为容易，典型地这 些气态反应物为氢气和氧气。在燃料电池反应中，氢气在阳极被引入，
经过形成在其间的电路从阳极被导向阴极。同时，质子通过电解质到 达阴极，在有电解质和催化剂的情况下，氧气在阴极发生电化学反应 生成氧负离子。氧负离子和质子反应以形成作为反应物的水。通常一对传导性的接触元件或双极板夹着MEA以形成 完整的单个PEM燃料电池。双极板用作用于阴极和阳极的集流器， 并具有形成在其中的适当的流通道和开口 ，用于在电极的表面上分配燃料电池的气态反应物(即，氢气和氧气/空气)。双极板可通过将两个 单极板粘合在一起而组装，单极板具有形成在其上的分配区域。典型 地，双极板也包括进口和出口集管，当排列成燃料电池组时，它们形 成内部的供给和排放歧管，以便引导燃料电池的气态反应物和液体冷 却剂分别流入和流出多个阴极和阳才及。 如本领域中已熟知，燃料电池内的薄膜需要具有一定的 相对湿度来将跨越薄膜的离子电阻维持在理想范围之内，以有效地传 导质子。在燃料电池的运行期间，来自燃料电池电化学反应和外部潮 湿的湿气可能会ii7v双极板的流通道。由于湿气^皮反应气体的压力沿 流通道推动，水分最高的浓度存在于双极板的出口区域处，在此处反 应气体的剪力最低。在这些区域中水分会积聚在表面上。当燃料电池 作为燃料电池组的一部分的时候，水蒸气也会被排放至出口歧管，在
此处被排出的水蒸气在较冷的表面上冷凝并滴下或者从歧管的侧面 流下。 滞留的水会堵塞流通道并降低燃料电池的整体效率。接 触双极板边缘的液态水会被毛细管作用吸进双极板的流通道。经过亲 水处理的双极板尤其易受积聚在双极板边缘的液态水的毛细管作用 影响。水的高度积聚或者滞留也会导致燃料电池失效，尤其是在水冻 的环境条件下关闭期之后，在这种环境下积聚的水会变成冰。积聚的 水和水可能导致气体枯竭。当枯竭的燃料电池是具有施加在其上的电 负载的燃料电池組的多个燃料电池中的一个时，已知气体枯竭会导致 碳腐蚀。 —种已知的用于阻止水滞留的策略包括燃料电池组的 高流动性清理以将积聚的水挤出燃料电池。典型的燃料电池组也使用 辅助加热的方法，例如，启动时通过电阻来融化在冰冻下关闭燃并十电 池时所形成的冰。然而，这些方法要求主动控制并不希望地增加了包 括燃料电池的系统的复杂性和成本。
存在对水管理特征的持续的需求，该特征将积聚的水从燃料电池组中的燃料电池排出。理想的是，该特征是被动的并改善燃 料电池的性能，尤其是在冰冻环境下关闭期之后的性能。
发明内容
根据本公开，令人惊奇的是发现了一种被动地将积聚的 水排出燃料电池并提高燃料电池性能，尤其是在冰冻环境下关闭期之 后的性能的水管理特征。 在一个实施例中， 一种用于具有多个燃料电池板的燃料 电池组的电绝缘体包括绝缘层，该绝缘层具有适于阻止水接触燃料电 池板的水管理特征。 在另一个实施例中，燃料电池组包括多个布置成组的燃 料电池板。各燃料电池板带有形成在其上的孔，孔大体上对齐以形成 歧管。布置了一对压缩板以使多个电池板处于其间。在电池组与其中 一个压缩板之间布置了集流器。电绝缘体包括水管理功能并被布置在 电池組歧管中。水管理特征适于阻止水接触燃料电池板。 在另一个实施例中，水管理特征是联接到多个燃料电池 板、集流器和电绝缘体中的至少一个上的独立构件。
通过下述详尽描述，尤其是当根据以下描述的附图时， 本发明的上述以及其它优点对本领域人员将变得显而易见。 图1显示了现有技术的PEM燃料电池组的示意性分解 图Cf义示出两个电池)； 图2为图1所示的现有技术燃料电池组沿线2-2所取 的局部剖—见图； 图3为根据本公开的一个实施例的燃料电池组的局部剖 视图，在排放歧管内具有水管理特征；图4为根据本公开的另一实施例的燃料电池组的局部剖
7视图，在排放歧管内具有多孔水管理特征； 图5为根据本公开的另一实施例的燃料电池组的局部剖 视图，其具有水捕获通道；且 图6为根据本公开的一个附加实施例的燃料电池组的局 部剖视图，其具有鳍片。
具体实施例方式 下列描述本质上仅仅是示范性的且不意在限制本公开、 应用或用途。也应该了解，所有附图中相应的参考标号表示相似或相 应的部件和特4正。 图1描绘了现有技术的双电池PEM燃料电池组2,其具 有被导电性双极板8彼此分开的一对MEA4和6。为了简单，图1中 仅示出和说明了双电池电池组(即一个双极板)，应该了解的是，典型 的燃料电池组会有更多的电池和双极板。 MEA4， 6和双极板8—起叠放在一对压缩板10, 12和 一对单极端板14, 16之间。单极端板14,双极板8的两个工作面， 以及单极端板16包括各自的流动区域18, 20， 22, 24。流动区域18， 20, 22， 24分别将氬气和空气分配在MEA4， 6的阴极和阳极上。非 传导性垫片26, 28， 30， 32提供密封和燃料电池组2的若干构件之 间的电气绝缘。 透气性扩散介质34， 36， 38， 40紧靠MEA4， 6的阴极 和阳极。端板14， 16各自临近扩散媒介34, 40布置，而双极板8布 置成临近MEA 4阳极面上的扩散介质36。双极板8还临近MEA 6的 阴才及面上的扩散介质38布置。 双极板8，单极端板14， 16和垫片26, 28， 30， 32均 包括阳极供给孔(supply aperture)72和阳极排放孔74,以及阴极供给孔 76和阴极排放孔78。双极板8，单极端板14, 16和垫片26， 28， 30， 32还包括冷却剂供给孔80和冷却剂排放孔82。燃料电池组2的供给歧管和排放歧管由双极板8，单极端板14, 16和垫片26, 28， 30, 32上各自的孔72, 74， 76， 78， 80的排列而形成。氢气经过阳极进 口管道84供给阳极供给歧管。空气通过阴极进口管道86供给燃料电 池组2的阴极供给歧管。阳极排放歧管和阴极排放歧管也各自配备有 阳极出口管道88和阴极出口管道90。为将液态冷却剂供给冷却剂供 给歧管而配备有冷却剂入口管道92。为从冷却剂排放歧管中排出冷却 剂而配备有冷却剂出口管道94。应该了解图1中不同的入口 84， 96， 92和出口88， 90, 94的构造是用于图示目的，也可以按需选择其它 的构造。 燃料电池组2还包括紧靠单极板14， 16的传导性集流 器96， 98。例如，集流器96， 98适于将由燃料电池組2产生的电流 输送到外部负载。压缩板10， 12通过非传导性的涂层或者电绝缘体 100， 102而与集流器96, 98电绝缘。 如图2所示，燃料电池组2的一种典型设计具有布置成 组的多个燃料电池板200,其中包括双极板8和单极板14， 16。在燃 料电池组2的运行期间，排放的气体202，包括水蒸气，被从多个燃 料电池板200被排入阴极和阳极排放歧管的至少一个歧管中。在燃料 电池组2的上端或"干"端附近，此处反应物压力和气剪(gas shear) 可能是最低的，可能存在滞留区域204。已知来自排放气体202的水 蒸气会在滞留区域204中的内表面206上，例如在电绝缘体100的内 表面206上冷凝。由于/人电绝缘体100到围绕燃料电池组2的周围空 气之间的热传递，内表面206通常比排放气体202冷。冷凝水可能滴 到或以其他方式积聚在燃料电池板200的边缘上。如图2所示，对于 传统设计，已知会发生冷凝水或在冰冻条件下随后形成的水对燃料电 池板200的堵塞。 现在参见图3到图6，示出了本发明的不同实施例。为 了清晰起见，关于图3到6本文重复的和以上关于图l和2的描述类 似的结构包括相同的标号和右上标标志(')来。
在图3中，燃料电池组2'包括电绝缘体100'，其具有形 成在其上的水管理特征302的绝缘层300。水管理特4正302适于阻止 水接触燃料电池板200'。例如，水管理特4正302可利用重力和气剪中 的至少一种作用将液态水从燃料电池板200'的出口冲齐出。水管理特征 302从绝缘层300下垂，且可按需和绝缘层300 —体地形成并联接到 绝缘层300上。例如，水管理特征302可以通过粘接剂和机械紧固件 中的一种方式联接到绝缘层上。也可以采用用于联接水管理特征302 和绝缘层300的其它适宜的方式。水管理特征302从绝缘层300下垂终止与末端304处。 在组装好的燃料电池组2'内，末端304与多个燃料电池板200'隔开。 例如，末端304大体临近排》i:歧管203'的水平中心布置。末端304可 以布置在绝缘层300的远端，并且适于冷凝和积聚的水汇集在末端304 处并从此滴下，然后离开燃料电池板200'的边缘。 如图3所示，末端304可以是例如边或者点，其中水管 理特征302具有大体上三角形的横截面形状。例如，水管理特征302 可以是布置在绝缘层300上的楔形件305。有经验的技工应该懂得末 端304可以是倒圆的，并且末端304的具体形状可以按需选择。 在绝缘层300和末端304之间在水管理特征302上形成 表面306。表面306可为大体上平坦的。在一个特别说明性实施例中， 该表面306#1布置在相对于绝缘层300的斜面上，该斜面足以使其上 冷凝的水在重力作用下被拉向末端304。水然后可以从末端304上滴 落。该表面306的坡度也足以让排放气体202'接触面306,产生气剪， 该气剪导致冷凝水向末端304移动。该表面306的坡度也可以被选择 成防止在燃料电池板200'上发生排放气体202'的不希望有的阻塞，这 种阻塞可能发生在例如如果选择的坡度使得表面306被充分接近燃料 电池板200'的边缘布置。 应该了解电绝缘体100'可以用任何传统的非传导材料制 成，例如，大体上非传导的弹性材料，热塑性材料和复合材料中的一种材料。在一个具体的实施例中，电绝缘体100'由一种大体上刚性的，
非传导塑料材料制成。水管理特征302由一种有利于将水分从燃料电 池板200'分离的材料制成。例如，水管理特征302可以由和绝缘层300 相同的非传导材料制成。其它适用于水管理特征的材料包括传导性和 半导性材料。作为一个非限制性实例，水管理特征302可以由传导性 材料制成，例如铝或不锈钢。
在另 一个实施例中，水管理特征302的表面306可进行 处理，使其更利于将水从燃料电池板200'分离。作为非限制性实例， 表面处理可以包括表面紋理，涂层例如亲水涂层和疏水涂层中的至少 一种涂层，以及等离子体处理。 适当的表面紋理包括糙面精整。糙面精整可通过例如喷 砂来获得。表面306也可以被例如化学地腐蚀来提供所需的粗糙度。
分离并流向末端304的微小褶皱即微通道。该微通道可适于促使毛细 管驱动的冷凝水流从燃料电池板200'分离。 作为非限制性实例，在以引用的方式并入本文的共同未 决序列号为11/068,489， 11/463,386，和11/463,384的美国专利申请中， 描述了适合的亲水涂层。亲水涂层可包括至少一个硅氧基，至少一个 极性基和包括饱和或不饱和碳链的至少一个基。适合的亲水涂层，例 如，聚四氟乙烯(PTFE)等，在本领域中也是已知的并可按需使用。亦 应了解可以用交替的、分步的方式使用亲水涂层和疏水涂层来进一步 引导冷凝水流向末端304。 等离子体处理可包括将表面306暴露在本领域已知的高 能量、大气压力的等离子体来改变表面306的功能性。可加入表面306 的官能团包括例如-OH和-NH基。改良的功能性可适于使表面306更 为亲水，并因而更易湿润和将水从燃料电池板200'分离。 在图4所示的另一实施例中，水管理特征302由具有许 多孔400的吸收性材料制成。适合的吸收性材料包括泡沫塑料，例如开口泡沫塑料和烧结珠泡沫塑料等。水管理特征302吸收冷凝水并变
得大体上浸透冷凝水，使得水从末端304滴落。吸收性材料因此可有 利于利用毛细力将水从燃料电池板200'分离。 现在参见图5，水管理特征302包括水捕获通道500。 按照需要，水捕获通道500可与绝缘层300 —体地形成或者联接到绝 缘层300上。水捕获通道500布置在滞留区域204'中并适于收集在电 绝缘体100'内表面206'之上冷凝的水。水捕获通道500可以有斜度， 该斜度适于将在那里收集到的水例如在重力的作用下引向燃料电池 组2'的排放区域(未示出)。水捕获通道由此阻止水滴落到燃料电池板 200'的边缘上。 参考图6,水管理特征302包括鳍片600。鳍片600可 以联接到多个燃料电池板200'、集流器96'和电绝缘体100'中的至少一 个上。例如，鳍片600可具有布置在电绝^^体100'与多个燃料电池板 200'如单极板的末端之间的鳍部602。如果需要，鳍部602也可从电绝 缘体100'下垂。在更多的实施例中，鳍片600和多个燃料电池板200'、 集流器96'及电绝缘体100'中的一个一体地成形。在另一个实施例中， 鳍片500可以结合在垫片组件中。 鳍片600通常大体上是平坦的，尽管如此，应了解也可 采用其它的适宜的构造。水管理特征302的末端304是布置在排放歧 管203'内的鳍片600的末端。水管理特征302的表面306由鳍片600 的内表面限定。 应了解水捕获通道500和鳍片600的至少一个可单独使 用或与上文所述的楔形件305组合。也可对水捕获通道500进行本文 所述的相对于表面306的处理，以进一步有利于收集水和将水从燃料 电池板200'分离。
域已知的燃料电池组2。水管理特征302有利于去除否则必需的元件 部分，例如加热器和泵，并利用反应物气体的流动和燃料电池组2'的
12分离。令人惊奇的是发现水管理特
征302阻止了燃料电池板200'的堵塞，尤其是在冰冻环境下关闭期之 后。在这样的条件下，不会形成通常将阻塞燃料电池板200'的边缘， 并因此堵塞经此排出的反应物气体的水。因此阻碍了燃料电池組2'中 多个燃料电池之间的反应物气体流的分配不均。出乎意料的是，水管 理特征302还允许在启动操作中对燃料电池组2'清理时有最优清理时 间。釆用本文所述的水管理特征302,燃料电池组2'的性能因而被最 大化。 尽管在此出于描述本发明的目的示出了某些代表性的 实施例和细节，然而很明显，对于那些本领域技术人员而言，在不背 离本公开的范围的情况下，
权利要求
1. 一种用于燃料电池组的电绝缘体，包括绝缘层，其适于布置在压缩板和集流器之间；和水管理特征，其从所述绝缘层下垂，并适于阻止水接触所述燃料电池组的板。
2. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征具有形成在其上的末端。
3. 如权利要求2所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征为楔形件。
4. 如权利要求2所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征为鳍片。
5. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征和所述绝缘层一体地形成。
6. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征被联接到所述绝缘层上。
7. 如权利要求6所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征使用粘接剂和机械紧固件中的一种方式联接到所述绝缘层上。
8. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征由吸收性材料制成。
9. 如权利要求8所述的电绝缘体，其特征在于，所述吸收性材 料是泡沫塑料。
10. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征的表面被处理，以有利于水的收集和去除。
11. 如权利要求10所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理 特征的表面由表面紋理、疏水涂层、亲水涂层和等离子体处理中的至 少一种方法进行处理。
12. 如权利要求10所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特征的表面包括形成在其中的微通道。
13. 如权利要求1所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理特 征包括形成在所述绝缘层中的通道。
14. 如权利要求1中所述的电绝缘体，其特征在于，所述水管理 特征包括形成在所述绝缘层中的末端和通道。
15. —种燃料电池組，其包括 一只于压缩斧反；多个燃料电池板，其在所述压缩板之间布置成组，各燃料电池板 具有形成在其中的孔，所述孔大体上对齐以形成歧管；集流器，其布置在所述燃料电池板和一个压缩板之间；和 电绝缘体，其布置在所述集流器和一个压缩板之间，所述电绝缘 体包括阻止7K接触所述燃料电池板的水管理特征。
16. 如权利要求15所述的燃料电池组，其特征在于，所述水管 理特征延伸进入所述燃料电池组的所述歧管，并包括与所述燃料电池 板隔开的末端。
17. 如权利要求16所述的燃料电池组，其特征在于，所述水管 理特征是楔形件。
18. 如权利要求15所述的燃料电池组，其特征在于，所述水管 理特征包括用于将在其中收集的水引向所述燃料电池组的排放区域 的通道。
19. 一种燃料电池组，其包括 一对压缩板；多个燃料电池板，其在所述压缩板之间布置成组，各燃料电池板 具有形成在其中的孔，所述孔大体上对齐以形成歧管；集流器，其布置在所述燃料电池板和一个压缩板之间； 电绝纟彖体，其布置在所述集流器和一个压缩4反之间；和 水管理特征，其联接到所述多个燃料电池板、所述集流器、所述 电绝缘体中的至少一个之上，所述水管理特征阻止水接触所述燃料电池板。
20.如权利要求19所述的燃料电池组，其特征在于，所述水分离特征是延伸进入所述歧管的鳍片，所述鳍片具有布置在所述绝缘层 和该电池组的一端之间的一部分。
全文摘要
本发明涉及用于改善的水管理的燃料电池组特征，具体而言，提供了一种用于带有多个燃料电池板的燃料电池组的电绝缘体。该电绝缘体包括带水管理特征的绝缘层，该水管理特征适于阻止液态水与燃料电池板接触。同时还描述了具有该水管理特征的燃料电池组。
文档编号H01M8/04GK101447578SQ20081017964
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月30日
发明者J·P·奥维简, S·R·费尔塔, T·W·蒂赫 申请人:通用汽车环球科技运作公司