专利名称：双极板集管成形特征的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更具体地涉及一种用于燃料电池的双极板，该燃料电池具
有防止燃料电池堆集管内积水的特征。
背景技术：
燃料电池动力系统将燃料和氧化剂转化成电。 一种燃料电池动力系统采用质子交 换膜(下文中称为"PEM")，以催化性地促进燃料(诸如氢气)与氧化剂(诸如空气或氧 气)的反应从而产生电。水是该电化学反应的副产品。PEM是一种固态聚合物电解质，其在 通常设置于燃料电池动力系统中的燃料电池堆的各单独燃料电池中促进质子从阳极转移 至阴极。 在典型的燃料电池堆中，单独的燃料电池具有燃料电池板，燃料电池板具有各种 反应物和冷却流体流过其中的通道。例如，燃料电池板可以是单极的。可通过结合一对单 极板来形成双极板。由反应物通过燃料电池组件的流动弓I起水从通道通过由燃料电池板形 成的管道区域到出口集管的运动。边界层剪切力和反应物压力有助于通过通道和管道区域 输送水，直到水通过出口集管离开燃料电池为止。 已采用多种技术从燃料电池的管道区域和集管中去除水。这些技术包括加压清 洗、重力流、和蒸发。停机时的加压气体清洗可用于从燃料电池的管道区域和集管中有效地 去除水。然而，清洗增加电池堆的停机时间，并且不能去除清洗之后由冷凝形成的任何水。 对电池堆合适地定位可允许重力从管道区域和集管中去除水。然而，水的重力去除可能局 限于大致平坦的表面、至少具有最小直径的表面、和低能表面。管道区域的毛细管力和双极 板中多个接缝的自湿润也妨碍水的重力去除。通过蒸发进行除水同样已是不太理想的技 术。蒸发可能需要在集管中设置昂贵的加热器，并且可导致燃料电池堆不合需要的干燥。另 外，仅可在燃料电池堆工作期间进行蒸发。干燥的燃料电池堆妨碍质子传导和迅速起动。
在燃料电池停机之后，在低于冻结温度的温度下，积聚在燃料电池的管道区域中 的水可冻结。在燃料电池的管道区域和集管中冻结的水可阻止燃料电池重新起动，或导致 燃料电池的性能变差，直至达到期望的工作温度为止。 除了由燃料电池自身产生的水之外，水可从入口集管或出口集管进入燃料电池的 管道区域。在燃料电池工作期间，液态水可收集在燃料电池板的形成入口集管和出口集管 的边缘上。此外，在燃料电池停机之后，为燃料电池的工作所必需的湿润环境促使水在集管 中冷凝。当水积聚在燃料电池板的边缘上时，水也沿着形成集管的边缘通过毛细作用传送。 冷凝水可通过毛细作用传送到管道区域中，导致如下情形之一 即燃料电池双极板的管道 区域的自湿润和沿着管道区域边缘的多个弯月面的形成。 —直存在对用于燃料电池的节省成本的双极板的需求，该双极板促进从燃料电池 堆的集管中除水、防止水进入双极板的管道区域、并防止燃料电池堆的管道区域因水冻结 而被阻塞。
发明内容
现在由本发明提供一种用于燃料电池的节省成本的双极板，令人惊奇地发现，该双极板促进从燃料电池堆集管中除水、防止水进入双极板的管道区域、防止燃料电池堆的管道区域因水冻结而被阻塞。 在一个实施方式中，用于燃料电池的双极板包括第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，该第一集管边缘具有第一裂口 ；以及与第一板相邻设置的第二板，该第二板具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，该第二集管边缘具有第二裂口 ，双极板具有沿第一集管边缘和第二集管边缘中的一个的多个管道出口 ，第一裂口的一部分抵靠第二裂口的一部分，第一裂口和第一集管孔口与第二裂口和第二集管孔口大致对齐。
在另一个实施方式中，该燃料电池包括用于燃料电池的一对双极板和设置在用于燃料电池的一对双极板之间的膜电极组件，用于燃料电池的双极板中的每个双极板具有第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，第一集管边缘具有第一裂口 ；和与第一板相邻设置的第二板，其具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，第二集管边缘具有第二裂口 ，双极板具有沿第一集管边缘和第二集管边缘中的一个的多个管道出口 ，第一裂口的一部分抵靠第二裂口的一部分，第一裂口和第一集管孔口与第二裂口和第二集管孔口大致对齐；膜电极组件具有限定第三集管孔口的第三集管边缘，第三集管边缘具有第三裂口 ，第三裂口和第三集管孔口与第一裂口和第二裂口以及第一集管孔口和第二集管孔口大致对齐。
在另一个实施方式中，燃料电池堆包括多个燃料电池，所述燃料电池中的一个燃料电池包括用于燃料电池的一对双极板和设置在用于燃料电池的一对双极板之间的膜电极组件，用于燃料电池的双极板中的每个双极板具有第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，第一集管边缘具有第一裂口 ；和与第一板相邻设置的第二板，其具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，第二集管边缘具有第二裂口 ，双极板具有沿第一集管边缘和第二集管边缘中的一个的多个管道出口 ，第一裂口的一部分抵靠第二裂口的一部分，第一裂口和第一集管孔口与第二裂口和第二集管孔口大致对齐；膜电极组件具有限定第三集管孔口的第三集管边缘，第三集管边缘具有第三裂口 ，第三集管裂口和第三集管孔口与第一裂口和第二裂口以及第一集管孔口和第二集管孔口大致对齐。
当结合附图进行考虑时，本发明的上述以及其它优点将通过以下对优选实施方式的详细说明而对本领域技术人员而言变得显而易见，附图中
图1是根据本发明实施方式的燃料电池堆的分解立体 图2是用于图1所示的燃料电池的双极板的局部立体图； 图3是根据本发明实施方式的包括除水引导部的排出集管的一部分的分解局部立体图；以及 图4是根据本发明实施方式的包括不导电材料的排出集管的一部分的局部立体图。
具体实施例方式以下详细说明和附图描述并示出了本发明的各种示例性实施方式。该说明和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且不以任何方式限制本发明的范围。
图1示出了一种燃料电池堆10，其具有由导电的双极板14彼此分开的一对膜电极组件12。为简单起见，在图l中仅示出并描述了两个电池(即一个双极板)的电池堆，应理解的是，典型的燃料电池堆10具有更多个电池和双极板。 膜电极组件12和双极板14在一对夹板16、 18和一对单极端板20、22之间叠置在一起。夹板16、18通过密封件或介电涂层(未示出)与端板20、22电绝缘。单极端板20、双极板14的两个工作面、以及单极端板22包括相应的作用区域24、26、28、30。作用区域24、26、28、30通常为流场，用于分别在膜电极组件12的阳极和阴极上分配诸如氢气和空气的气体反应物。 双极板14通常由用于成形金属薄板的传统工艺形成，诸如通过冲压、机加工、模制、或通过光刻用掩模的光蚀刻法等形成。在一个实施方式中，双极板14由随后通过诸如焊接或粘结的任何传统工艺结合起来的单极板形成。还应理解的是，双极板14也可由复合材料形成。在一个特定实施方式中，双极板14由石墨或石墨填充聚合物形成。
可以是膜电极组件12的元件的多个不导电的垫圈32防止燃料电池泄漏，并在燃料电池堆10的若干元件之间提供电绝缘。透气的扩散介质34与膜电极组件12相邻设置。在双极板14的作用区域26、28与扩散介质34相邻设置的同时，端板20、22也分别与扩散介质34相邻设置。 双极板14、单极端板20、22、和膜电极组件12中每个都包括阴极供应孔口 36和阴极排出孔口 38、冷却剂供应孔口 40和冷却剂排出孔口 42、以及阳极供应孔口 44和阳极排出孔口 46。燃料电池堆10的供应集管48和排出集管50通过双极板14、单极端板20、22、以及膜电极组件12中相应的孔口 36、38、40、42、44、46的对齐而形成。经由阳极入口导管52将氢气供应至阳极供应集管。经由阴极入口导管54将空气供应至燃料电池堆10的阴极供应集管。还分别为阳极排出集管和阴极排出集管设置了阳极出口导管56和阴极出口导管58。冷却剂入口导管60被设置用于将液体冷却剂供应至冷却剂供应集管。冷却剂出口导管62被设置用于从冷却剂排出集管排除冷却剂。应理解的是，图1中的各种入口 52、54、60和出口 56、58、62的构造仅用于说明目的，并且可根据需要选择其它构造。
在图2中示出了用于燃料电池堆10的双极板14。双极板14包括第一板64和第二板65。第一板64和第二板65分别包括第一集管孔口 66和第二集管孔口 67，第一集管孔口 66和第二集管孔口 67可以是阴极供应孔口 36、阴极排出孔口 38、冷却剂供应孔口 40、冷却剂排出孔口 42、阳极供应孔口 44、和阳极排出孔口 46中的一个。孔口 66、67通过在第一板64和第二板65上进行的诸如冲压的制造工艺形成。如图3所示，第一板64的第一集管孔口 66由第一集管边缘68限定。第一集管边缘68包括第一裂口 69。第二板65的第二集管孔口 67由第二集管边缘70限定。第二集管边缘70包括第二裂口 71。
第一板64包括第一集管边缘68。第二板65包括第二集管边缘70。集管边缘68、70可在第一板64和第二板65的主表面72上形成巻边(bead)。当布置多块板14以形成燃料电池堆10时，相邻的板14中的集管边缘68、70可用于固定设置在主表面72上的膜电极组件12与垫圈32中的一个。如图3所示，集管边缘68、70包括限定板14的管道区域76的诸如突起和凹槽的特征。裂口69、71位于管道区域76的相对侧。管道区域76可包括在第一板64与第二板65之间形成的多个管道出口 78。在集管边缘68、70之间可形成具有第一板64和第二板65的大致为V形的会合部的边缘腔80。在燃料电池堆IO装配期间，通过使相邻板14的集管边缘68、70大致对齐而形成供应集管48和排出集管50。
裂口 69、71形成集管边缘68、70的一部分。集管孔口 66、67大致由集管边缘68、70限定。裂口 69、71由延伸超过边缘腔80的二级边缘84限定。第一裂口 69的至少一部分抵靠第二裂口 71的一部分。如图所示，第一裂口 69的二级边缘84的至少一部分抵靠第二裂口 74的二级边缘84的一部分。二级边缘84的抵靠形成二级边缘抵靠部85。边缘腔80被裂口 69、71切断，从而消除了第一板64和第二板65的存在于边缘腔80内的大致为V形的会合部。裂口 69、71如图所示在形状上可大致为矩形，但也可使用诸如三角形、半圆形等其它裂口形状。裂69、71在形状上可大致为矩形，以优化二级边缘抵靠部85的长度。裂口 69、71的矩形形状是优选的，以消除锐角并使由裂69、71形成的角的数量最少化。在本发明的特定实施方式中，二级边缘抵靠部85的长度大于集管边缘68、70之间的距离，以防止多个水滴桥接裂口 69、71。板14可具有多个裂口 69、71，从而将集管边缘分成具有多个管道出口 78的第一部分和具有多个边缘腔80的第二部分。来自相邻板14的裂口 69、71可大致对齐，以形成除水引导部92。在图3所示的实施方式中，裂口 69、71位于管道区域76的相对侧。 膜电极组件12的一部分可由不导电材料86形成，以使接连的板14电绝缘。不导电材料86可以是聚合物膜并呈现层的形式。如图2中所看到地，不导电材料86可大致沿着双极板14和单极板20、22的外周94延伸。在图3所示的实施方式中，不导电材料86包括多个第三集管孔口 88，该第三集管孔口 88可以是阴极供应孔口 36、阴极排出孔口 38、冷却剂孔40、冷却剂排出孔口 42、阳极供应孔口 44、和阳极排出孔46中的一个。当布置多块板14以形成电池堆10时，具有巻边的相邻板14中的集管边缘68、70固定不导电材料86。当压縮电池堆10时，设置在相邻的板14中的巻边之间的不导电材料86被固定。不导电材料86的第三集管孔口 88包括第三裂口 90。第三集管孔口 88和第三裂口 90与集管孔口66、67和裂口 69、71大致对齐。 在图4所示的实施方式中，除水引导部92通过板14中的连续裂口 69、71、90的对齐而形成。燃料电池堆10可具有在供应集管48和排出集管50之一中形成的多个除水引导部92。可具体定制除水引导部92的数量和布局，以适合燃料电池堆10的需求。作为非限制性示例，供应集管48可不需要除水引导部92，而排出集管50可结合多个除水引导部92。除水引导部92大致向下定向，从而通过利用重力来优化从供应集管48和排出集管50之一的水排放。除水引导部92具有宽度W和深度D。可调节宽度W、深度D、和边缘腔80的尺寸，以优化燃料电池堆10的除水需求。可调节宽度W，以防止多个水滴桥接横过除水引导部92。作为非限制性示例，在宽度W为大约1毫米至大约5毫米并且深度D为大约l毫米至大约3毫米的情况下，能够获得优选的除水结果。 边缘腔80中的水在称为自发湿润(spontaneouswetting)或自发吸收(spontaneous imbibition)的过程中沿表面扩散。例如在Rye等人的Langmuir， 12 :555-565(1996)中描述了涉及由V形或三角形表面凹槽产生的开放毛细管的该过程，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。在管道的角落中支持自发湿润的物理要求的特征在于Concus-Fi皿条件，P + a/2<90° ，其中P为在液体表面与固体表面之间形成的静态接触角，而a为通道角落的角度，并且在特定实施方式中a为通过具有第一集管边缘68的第一板64与具有第二集管边缘70的第二板65的结合而形成的角度。静态接触角13为特定的表面和材料所特有的特征，其例如通过将液滴放置在表面上、并记录液滴不出现进一步扩散的平衡状态何时出现而试验性地确定。 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。时将发生自发湿润。如本发明的图3和4所示，边缘腔80大致为三角形并具有e + a/2< 90° ，从而满足Concus-Fi皿条件。因此，当边缘腔80暴露于水时其将发生自发湿润。
在燃料电池堆10工作期间，可通过反应物穿过电池堆10的流动而有效地使所产生的水从管道区域76喷射到排出集管50中。水通过边缘腔80中的毛细管作用收集，并通过沿排出集管50的集管边缘68、70存在的多个接缝的自湿润而扩散。水达到除水引导部92中的一个除水引导部，在那里形成裂口 69、71的二级边缘84防止沿边缘腔80的自湿润和水扩散。如本发明的图3和4所示，二级边缘抵靠部85为平坦的并具有P + a/2>90° ，从而不满足Concu-Fi皿条件。因此，当二级边缘抵靠部85暴露于水时其不会发生自发湿润。收集在边缘腔80中的水的量增加，以形成从边缘腔80突出到除水引导部92中的多个液滴。另外，流过排出集管50的反应物用于通过反应气体剪切力从边缘腔80剪切液滴。在没有边缘腔80的毛细管力的情况下液滴通过重力作用流过除水引导部92，在那里水随后被从燃料电池堆10中排出。 在燃料电池堆10停机时，存在于供应集管48和排出集管50之一中的水蒸汽可在集管48、50中冷凝。水通过边缘腔80中的毛细管作用收集，并通过沿供应集管48和排出集管50之一的集管边缘68、70存在的多个接缝的自湿润而扩散。水最终到达除水引导部92中的一个除水引导部，在那里形成裂口 69、71的二级边缘84防止自湿润，并且防止水沿边缘腔80扩散并扩散到管道区域76中。收集在边缘腔80中的水增多，以形成从边缘腔80突出到除水引导部92中的多个液滴。在没有边缘腔80的毛细管力的情况下液滴通过重力作用流过除水引导部92，在那里水随后被从燃料电池堆10中排出。 除水引导部92防止水在供应集管48和排出集管50之一内扩散，并且随后防止水进入管道区域76或沿管道出口 78形成多个弯月面。管道区域76中的水在燃料电池堆10停机之后可能冻结，从而妨碍燃料电池堆10重新起动，或者导致燃料电池堆10性能变差。可通过重力作用从电池堆IO有效地去除在燃料电池堆10的工作期间或通过冷凝收集在集管48、50中的水。结合有除水引导部92的燃料电池堆10包括基本上没有水的管道区域76，从而导致燃料电池堆10的冷启动性能提高。 应意识到的是，由于消除了对促进从燃料电池堆10的集管48、50除水的附加元件的需求，本双极板14是节省成本的。令人惊奇地发现，双极板14在防止水进入双极板14的管道区域76中也是有效的。因此，双极板14防止燃料电池堆10的管道区域因水冻结而被阻塞。 在使用中，除水引导部92提供了最大程度地减少收集在供应集管48和排出集管50之一中的水、以及随后积聚在双极板14的管道区域76中的水的节省成本的方法。
通过前面的描述，本领域技术人员能够容易地确定本发明的基本特征，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明作出各种改型和变型，以使本发明适用于各种应用和情况。
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权利要求
一种用于燃料电池的双极板，包括第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，所述第一集管边缘具有第一裂口；以及与所述第一板相邻设置的第二板，所述第二板具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，所述第二集管边缘具有第二裂口，所述第一裂口的一部分抵靠所述第二裂口的一部分，所述第一裂口和所述第一集管孔口与所述第二裂口和所述第二集管孔口大致对齐，所述双极板具有沿所述第一集管边缘和所述第二集管边缘中的一个的多个管道出口。
2. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一板包括多个第一裂 口 ，而所述第二板包括多个第二裂口 ，所述第一和第二裂口的大致对齐使所述第一集管边 缘和所述第二集管边缘中的一个的具有所述多个管道出口的第一部分与所述第一集管边 缘和所述第二集管边缘中的一个的第二部分分开。
3. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一集管边缘与所述第 二集管边缘分隔开。
4. 根据权利要求l所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述多个管道出口形成在所 述第一板与所述第二板之间。
5. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一裂口和所述第二裂 口中的至少一个具有大致为矩形的形状。
6. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一裂口和所述第二裂 口中的一个具有从大约1毫米至大约5毫米的宽度、以及从大约1毫米至大约3毫米的深 度。
7. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一裂口和所述第二裂 口具有二级边缘抵靠部。
8. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一集管孔口和所述第 二集管孔口形成燃料电池堆阳极供应集管、燃料电池堆阳极排出集管、燃料电池堆阴极供 应集管、和燃料电池堆阴极排出集管中的一个的一部分。
9. 根据权利要求8所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一集管边缘和所述第 二集管边缘中的一个包括巻边。
10. 根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其中，所述第一裂口和所述第二裂 口中的一个的宽度大于从所述第一集管边缘至所述第二集管边缘的距离。
11. 一种燃料电池，包括用于燃料电池的一对双极板，用于燃料电池的所述双极板中的每个双极板都具有第 一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，所述第一集管边缘具有第一裂口 ；和与所 述第一板相邻设置的第二板，所述第二板具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，所述第 二集管边缘具有第二裂口 ，所述第一裂口的一部分抵靠所述第二裂口的一部分，所述第一 裂口和所述第一集管孔口与所述第二裂口和所述第二集管孔口大致对齐，所述双极板具有 沿所述第一集管边缘和所述第二集管边缘中的一个的多个管道出口 ；以及膜电极组件，其设置在用于燃料电池的所述一对双极板之间，该膜电极组件具有限定 第三集管孔口的第三集管边缘，所述第三集管边缘具有第三裂口 ，所述第三裂口和所述第 三集管孔口与所述第一裂口和所述第二裂口以及所述第一集管孔口和所述第二集管孔口大致对齐。
12. 根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述第一板包括多个第一裂口，而所述第 二板包括多个第二裂口 ，所述第一和第二裂口的大致对齐使所述第一集管边缘和所述第二 集管边缘中的一个的具有所述多个管道出口的第一部分与所述第一集管边缘和所述第二 集管边缘中的一个的第二部分分开。
13. 根据权利要求ll所述的燃料电池，其中，所述多个管道出口形成在所述第一板与 所述第二板之间。
14. 根据权利要求ll所述的燃料电池，其中，所述第一裂口和所述第二裂口中的至少 一个具有大致为矩形的形状。
15. 根据权利要求ll所述的燃料电池，其中，所述第一裂口和所述第二裂口具有二级 边缘抵靠部。
16. 根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述第一集管孔口和所述第二集管孔口 形成燃料电池堆阳极供应集管、燃料电池堆阳极排出集管、燃料电池堆阴极供应集管、和燃 料电池堆阴极排出集管中的一个的一部分。
17. 根据权利要求ll所述的燃料电池，其中，所述第一裂口和所述第二裂口中的一个 的宽度大于从所述第一集管边缘至所述第二集管边缘的距离。
18. 根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述第一裂口和所述第二裂口的大致竖 向对齐形成了除水引导部。
19. 一种燃料电池堆，包括多个燃料电池，所述燃料电池中的一个燃料电池包括用于燃料电池的一对双极板和设 置在用于燃料电池的一对双极板之间的膜电极组件，用于燃料电池的所述双极板中的每个 双极板具有第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，所述第一集管边缘具有第 一裂口 ；和与所述第一板相邻设置的第二板，所述第二板具有限定第二集管孔口的第二集 管边缘，所述第二集管边缘具有第二裂口 ，所述第一裂口的一部分抵靠所述第二裂口的一 部分，所述第一裂口和所述第一集管孔口与所述第二裂口和所述第二集管孔口大致对齐， 所述双极板具有沿所述第一集管边缘和所述第二集管边缘中的一个的多个管道出口 ；所述 膜电极组件具有限定第三集管孔口的第三集管边缘，所述第三集管边缘具有第三裂口 ，所 述第三裂口和所述第三集管孔口与所述第一裂口和所述第二裂口以及所述第一集管孔口 和所述第二集管孔口大致对齐。
20. 根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中，所述第一裂口和所述第二裂口的大致竖向对齐形成了除水引导部。
全文摘要
本发明涉及双极板集管成形特征。一种燃料电池板，包括第一板，其具有限定第一集管孔口的第一集管边缘，第一集管边缘具有第一裂口；和大致对齐的第二板，其具有限定第二集管孔口的第二集管边缘，第二集管边缘具有第二裂口。本发明公开了非常适于在车载燃料电池堆中使用的燃料电池板，该燃料电池板用于从燃料电池堆集管中除水。
文档编号H01M8/02GK101728548SQ20091020650
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者J·A·洛克, 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