专利名称：燃料电池部件上用于芯吸的剪切边缘的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更确切地说，涉及具有促进将水从燃料电池中去除的特征的燃料电池部件。
背景技术：
燃料电池发电系统把燃料和氧化剂转化为电。一种燃料电池发电系统采用质子交换膜(以下简称“PEM”)来催化促进燃料(例如氢气)与氧化剂(例如空气或氧气)的反应以产生电。水是这一电化学反应的副产品。通常，燃料电池部件(例如板)包括孔口，允许反应物和水流入通路区域，经过密封，并流进排放岐管中。燃料电池部件(例如强化垫片)也具有边界，反应物和水在通向排放岐管的途中经过该边界。然而，这些孔口和边界都有直边(将近90° )，表面张力会牵制水滴，从而阻止水被快速去除。为保证燃料电池的最佳性能，必须对燃料电池中积聚的水进行管理。目前已有很多种将水从燃料电池的通路区域中去除的策略。其中一种策略已在 Owejan等人的公开号为2008/0171253的受让人的共同待决美国专利申请中公开，该申请的全部内容通过引用结合在此。Owejan等人描述了一种用于燃料电池的双极板，该双极板具有带倒角部的周边的排放口，与燃料电池的活性表面连通，从而形成排水通道。另一种策略在Tighe等人的公开号为2008/0118809的受让人的共同待决美国专利申请中得以描述，该申请的全部内容通过引用结合在此。Tighe等人描述了这样一种燃料电池堆，其具有内部地设置在燃料电池堆出口岐管中以促进液态水从燃料电池板出口传送的多孔材料。还有一种策略在Owejan等人的序列号为12/244992的受让人的共同待决美国专利申请中得以描述，该申请的全部内容通过引用结合在此。序列号为12/M4992的美国专利申请描述了一种导管，该导管具有在双极板的第一板和第二板之间形成的连续缝，从而促进水传送到具有双极板的燃料电池的出口。如果Komura等人的美国专利6936369中所述，还已知使用多孔的吸水管道来将水排放到燃料电池堆外侧。这里通过弓I用结合Komura等人的该专利的全部内容。对高性能价格比的燃料电池部件(例如对燃料电池板)的需求持续增加，这种部件促进水传送通过燃料电池。理想的情况是，促进水传送的燃料电池部件的特征是便宜的、最小化了所需部件的数量且易于制造。
发明内容
根据本公开，令人惊奇地发现了一种燃料电池部件，例如燃料电池板，其促进水传送通过燃料电池，价格低廉，最小化了所需部件的数量且易于制造。在第一实施例中，燃料电池部件包括沿一平面设置的主体，该主体具有反应物和水经过的边界。该边界具有不连续的边缘，适于阻碍水在该边缘上滞留。在另一实施例中，所述燃料电池部件是用于燃料电池的双极板。该双极板包括第
3一单级板和第二单级板。第一单级板和第二单级板中的至少一个具有其中形成有流场的活性表面。第一单级板和第二单级板中的至少一个具有孔口。双极板还包括出口端，该出口端位于第一单级板和第二单级板的一端。出口端包括贯穿其形成的排放口。孔口构造成引导水和反应物流向出口端。孔口具有不连续的边缘，适于阻碍水在该边缘上滞留。
在另一个实施例中，燃料电池部件是用于燃料电池的强化垫片。该强化垫片包括聚合层，该聚合层具有边缘不连续的边界。聚合层连接至质子交换膜并构造成在双极板的附近。聚合层的边界设置成超出双极板的出口端。因此，本发明提供下述技术方案。技术方案1 一种燃料电池部件，包括
沿一平面布置的主体，其具有反应物和水流动经过的边界，其中所述边界包括形成于其上以防止水在所述边界滞留的不连续边缘。技术方案2 根据技术方案1所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包括多个峰部和谷部，所述谷部从所述主体的上表面延伸至所述主体的下表面。技术方案3:根据技术方案2所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘是锯齿形的。技术方案4 根据技术方案1所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包括邻近所述边缘形成于所述主体中的一对剪切部，该对剪切部在其间在所述主体中形成突出件。技术方案5 根据技术方案4所述的燃料电池部件，其中所述突出件从所述边界向后切割。技术方案6 根据技术方案4所述的燃料电池部件，其中，在其中一个所述剪切部和所述突出件之间形成至少一个缝隙。技术方案7 根据技术方案6所述的燃料电池部件，其中所述突出件弯曲离开所述主体的所述平面。技术方案8 根据技术方案6所述的燃料电池部件，其中所述突出件扭转离开所述主体的所述平面。技术方案9 根据技术方案1所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘从所述主体的上表面到所述主体的下表面形成了连续的水流路。技术方案10 —种用于燃料电池的双极板，包括
第一单级板和第二单级板，第一单级板和第二单级板中的至少一个具有其中形成有流场的活性面，第一单级板和第二单级板中的至少一个具有形成于其中的孔口 ；和出口端，其位于第一单级板和第二单级板的端部且包括贯穿其形成的排放口， 其中，所述孔口构造成将反应物和水流引导至所述出口端，所述孔口具有不连续边缘， 以防止在边界处的水滞留。技术方案11 根据技术方案10所述的双极板，其中所述不连续边缘包括一对剪切部，该对剪切部邻近所述边缘形成在第一单级板和第二单级板中的所述至少一个中，所述剪切部在其间形成在第一单级板和第二单极板中的所述至少一个中的突出件。技术方案12 据技术方案11所述的双极板，其中所述突出件从所述边界向后切割。技术方案13 根据技术方案11所述的双极板，其中，在其中一个所述剪切部和所述突出件之间形成至少一个缝隙。技术方案14 根据技术方案13所述的双极板，其中所述突出件扭转或弯曲离开第一单级板和第二单级板中所述至少一个的所述平面。技术方案15 根据技术方案13所述的双极板，其中所述不连续边缘穿过第一和第二单级板之间的隙缝，以允许水从第一单级板的下表面芯吸到第二单级板的上表面，第一和第二单级板之间形成通道，用于将反应物和水流引导至所述出口端。技术方案16 根据技术方案10所述的双极板，其中第一单级板和第二单级板中的所述至少一个具有邻近所述边界设置的亲水涂层。技术方案17 根据技术方案10所述的双极板，还包括位于所述出口端中的所述排放口周边处的芯吸元件，该芯吸元件促进从所述双极板芯吸水。技术方案18 —种用于燃料电池的强化垫片，包括
聚合层，其具有带不连续边缘的边界，所述不连续边缘适于防止在所述边界处的水滞留，所述聚合层与质子交换膜连接并构造成靠近所述双极板设置，且所述聚合层的边界设置成超出所述双极板的出口端。技术方案19 根据技术方案18所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包括多个峰部和谷部，所述谷部从所述聚合层的上表面延伸至所述聚合层的下表面。技术方案20 根据技术方案19所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包含锯齿形边缘与剪切部中的一者。
通过如下的详细描述，尤其是在结合考虑本文所述的附图时，本领域技术人员会很容易地理解本发明的上述优点以及其他优点。图1是一个示意的部分俯视图，所示的是根据本公开一个实施例的具有不连续边缘的燃料电池部件；
图2是图1所示的燃料电池部件的部分俯视透视图3是一个示意的部分俯视图，所示的是根据本公开另一实施例的具有不连续边缘的燃料电池部件；
图4是图3所示的燃料电池部件的部分俯视透视图，进一步示出了带有弯部的突出
件；
图5是图3和图4所示的燃料电池部件的部分仰视透视图，进一步示出了这个带有弯部的突出件；
图6是图3所示燃料电池部件的部分俯视透视图，进一步示出了具有扭部的突出件； 图7是图3和图6所示的燃料电池部件的另一个部分俯视透视图，进一步示出了这个带有扭部的突出件；
图8是图6和图7所示的燃料电池部件的部分仰视透视图，进一步示出了这个带有扭部的突出件；
图9是根据本发明一实施例的燃料电池堆的部分剖面侧视图； 图10是图9所示的燃料电池堆的放大的部分剖面侧视图，进一步示出了带有孔口的双极板，该孔口具有带有弯部的突出件；
5图11是图10所示孔口的放大的部分剖面端视图12是图3所示的具有不连续边缘的燃料电池部件的示意俯视图，示出了另一水管理特征，例如亲水涂层和端部芯；和
图13是图9所示燃料电池堆的放大部分俯视图，进一步示出了具有不连续边缘的强化垫片。
具体实施例方式下面的详细说明与附图描述并示出了本发明的不同实施例。该说明和附图用于使本领域技术人员能制作和利用本发明，但并不因此以任何方式限制本发明的范围。如图1-图8所示，本公开包括燃料电池部件2，其便于水通过燃料电池堆(未示出) 传送。可与本发明的燃料电池部件2 —起应用的示例性燃料电池堆在受让人的共同未决的公开号为2008/0171253、2008/0118809，以及序列号为12/M4992的美国专利申请中得以描述，这些文献中公开的所有内容都通过引用结合在本文中。本领域技术人员应该理解，本公开的燃料电池部件2可根据需要与任何其他需要水管理的燃料电池堆一起使用。燃料电池部件2包括沿平面设置的主体4，其具有边界6，反应物和水流8经过该边界。作为说明性示例，主体4可以是压制的、机器加工的或是模制的。本发明适用于任何边界6，来自燃料电池堆的水滴8可能会积聚在该处并滞留。作为非限制的例子，边界6可以是孔口、反应物入口、排放出口或燃料电池部件终端的形式。燃料电池部件2的边界6具有不连续的边缘10，适用于阻碍水8在边界6处滞留。相比于水滴的大小，几何形状相对较小的不连续边缘10构造成在水8接触垂直结构之前减少水滴变形，从而减少水8在边界6 的滞留。如图1和图2所示，燃料电池部件2可具有不连续边缘10，该边缘具有多个峰部 12和谷部14。谷部14可例如基本上呈V形，从而形成锯齿状的不连续边缘10。谷部14从主体4的上表面16延伸至主体4的下表面18。不连续边缘10促进水8从上表面16传送至下表面18。靠近不连续边缘10的谷部14在边界6处形成的水8的液滴通过表面张力被拉至谷部14的末端，从而允许水8通过，否则水将会在边界6形成滞留边。由主体4的下表面18和另一主体的上表面之间的结合处形成的缝隙11，为水8从主体4的上表面16排走并离开燃料电池部件2提供了连续通路。参考图3至图8，燃料电池部件2的不连续边缘10可以包括至少一个剪切部20。 剪切部20从上表面16通过主体4延伸至下表面18。剪切部20可以形成在主体4中靠近边界6。例如，剪切部20可开始于边界6并从边界6向内延伸至主体4内。剪切部20形成非常小角部度和小间隙的隙缝，水8由于其表面张力而对该隙缝具有高亲和性。与上述的谷部14类似，在剪切部20附近形成的水8的液滴被拉入或吸入剪切部20。从而，剪切部 20促进水8从主体4的上表面16传送到主体4的下表面18。在特定的实施例中，不连续边缘10包括一对剪切部20。该对剪切部20中的每一个相对于另一个分隔开，并一起在它们之间形成主体4中的突出件22。突出件22提供两个小的间隙缝隙，水8对于该缝隙具有高亲和性。突出件22也可在后面切口，去除中间物质，形成从上表面16延伸至主体4的下表面18的角部M。剪切部20和角部M可一同形成供水8沿着从上表面16至主体4的下表面18行进的连续通路。应理解，突出件22还可包括例如，如上所述的峰部12和谷部14的不连续部。当主体4由包含纤维组分的材料形成时，所述不连续部可以是从边界6的剪切边缘延伸的纤维形式。该不连续部还可便于水 8的传送。在某些实施例中，突出件22可以下述的至少其中之一例如如图4和图5所示，从主体4的平面弯出，和例如如图6至图8所示，从主体4的平面扭出。突出件22的弯曲和扭转露出额外的表面积，从而增强了至剪切部20内的芯吸。突出件22的弯曲和扭转的至少其中之一的变形程度在主体4的厚度内。在突出件22为在主体4的厚度内弯曲和扭转的至少之一时，弯曲和扭转的该至少之一提供另一角部沈，沿着这个角部，水8可从主体4的上表面16流向下表面18。由此，不连续边缘10可提供从主体4的上表面16至下表面18 的连续的水流路。另外，在主体4和另一个主体之间的接合处形成的缝隙11可与不连续边缘10协同工作，形成连续的水流路的一部分。参见图9-图11，本公开还包括燃料电池堆中的燃料电池100，该燃料电池堆具有一个或多个如上所述的燃料电池部件2。例如，燃料电池部件2可以是双极板102。双极板 102包括第一单级板104和第二单级板106。第一单级板104和第二单级板106中的至少一个具有其中形成有流场的活性面108。第一单级板104和第二单级板106中的至少一个还具有形成于其中的孔口 110。就所示的反应物和水8的流动而言，应注意到，该流动可能不完全在所示的部分，例如，该流动可沿着形成在双极板2中或者在所述部分的前方或者在所述部分后方的通道。双极板102包括位于第一单级板104和第二单级板106—端的出口端112。出口端112具有贯穿其形成的排放口 114。在燃料电池100设置在具有大量类似的燃料电池100 的电池堆中时，相应的出口端112和排放口 114可例如形成燃料电池堆的排放岐管。双极板102和类似的双极板102堆叠在燃料电池堆中。质子交换膜116位于各个双极板102之间，并从双极板102的活性面108延伸，经过密封118，然后到达排放口 114。由基本上流体不可渗透的聚合物层形成的强化垫片121可连接到各个双极板102之间的质子交换膜116。 强化垫片121延伸进入由出口端112形成的排放口 114。孔口 110构造成将反应物和水8的流动引导至出口端112，从而通过排放口 114从燃料电池100排出。特别是，由于密封118设置于双极板102之间，孔口 110将反应物和水 8的流动在密封118的下方引导至排放口 114。孔口 110具有不连续边缘10，适于防止水8 在孔口 110形成的边界6处产生滞留。第一单级板104和第二单级板106之间的连接还可提供缝隙11，其与不连续边缘10协同工作，形成离开双极板102的连续水流路的一部分。 当第一和第二单级板104，106之间形成通路时，水8流过该通道至排放口 114。作为非限制的例子，孔口 110可具有一对剪切部20，该对剪切部形成靠近孔口 110 的突出件22。当第一和第二单级板104，106由压制的金属制成并焊接在一起时，剪切部20 在第一和第二单级板104，106之间的焊接处之前终止，以避免泄露。如图10和图11所示， 突出件22可向下弯曲以提供边界6处的不连续边缘10，从而促使水8从双极板102的活性面108运送。应理解，其他水管理策略可与本公开的燃料电池部件2—起使用。例如，在图12 中示出的又一实施例中，双极板102在边界6附近设置有亲水处理或涂层120。亲水涂层 120优选在剪切部20形成后再涂覆，从而允许亲水涂层120遮盖剪切部20形成的小缝隙。
7为了最大化芯吸能力，亲水涂层120也可遮盖从孔口 110到燃料电池100的排放口 114的通道区域。在另一个例子中，双极板102可具有设置于出口端112长度上且邻近排放口 114 的芯吸元件122。芯吸元件122例如可以沿着排放口 114的整个周边布置。芯吸元件122 与排放口 114连通，有助于从双极板102芯吸水8。如果需要的话，也可以采用其他水管理策略。上面参照出口端112附近的孔口 110描述了具有不连续边缘10的双极板102。然而，应该理解的是，靠近双极板102入口端的孔口 110也可均设有不连续边缘10。双极板 102在入口和出口孔口 110两者上均具有不连续边缘10，这有助于燃料电池内双极板102 的可逆性。尽管上文已关于双极板102实施例描述了燃料电池部件2，但应理解的是，其他燃料电池部件2也可具有不连续边缘10，从而便于燃料电池100中水8的输送。例如，如图 13所示，燃料电池100的强化垫片121也可以具有带不连续边缘10的边界6。在一个特别的实施例中，位于排放口 114中的强化垫片121的边界6可以是锯齿形的。第一和第二单级板104，106中至少一个的边缘也可以是不连续的，例如，在需要的情况下，带有剪切部。已经发现了一种适于压制板燃料电池的设计，其利用孔口边缘处的剪切部促使芯吸经过孔口的水。这个剪切部形成非常小角度和小间隙的隙缝，其对于液态水具有高亲水性。剪切部边缘周围的水将被拉到剪切部的端部，从而允许水通过，否则将会形成滞留边。有利的是，本公开的燃料电池部件2提供了一种高性能价格比且耐用的装置，用于芯吸燃料电池堆中的水8，并且允许水8从燃料电池堆中排出，以实现稳定和冻结性能的燃料电池操作。虽然为了说明本发明的目的已对特定的代表性实施例和细节进行了描述，但是对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本公开范围的情况下可以作出各种变化，这将在后附的权利要求书中进一步描述。
权利要求
1.一种燃料电池部件，包括沿一平面布置的主体，其具有反应物和水流动经过的边界，其中所述边界包括形成于其上以防止水在所述边界滞留的不连续边缘。
2.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包括多个峰部和谷部， 所述谷部从所述主体的上表面延伸至所述主体的下表面。
3.根据权利要求2所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘是锯齿形的。
4.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述不连续边缘包括邻近所述边缘形成于所述主体中的一对剪切部，该对剪切部在其间在所述主体中形成突出件。
5.根据权利要求4所述的燃料电池部件，其中所述突出件从所述边界向后切割。
6.根据权利要求4所述的燃料电池部件，其中，在其中一个所述剪切部和所述突出件之间形成至少一个缝隙。
7.根据权利要求6所述的燃料电池部件，其中所述突出件弯曲离开所述主体的所述平面。
8.根据权利要求6所述的燃料电池部件，其中所述突出件扭转离开所述主体的所述平面。
9.一种用于燃料电池的双极板，包括第一单级板和第二单级板，第一单级板和第二单级板中的至少一个具有其中形成有流场的活性面，第一单级板和第二单级板中的至少一个具有形成于其中的孔口 ；和出口端，其位于第一单级板和第二单级板的端部且包括贯穿其形成的排放口， 其中，所述孔口构造成将反应物和水流引导至所述出口端，所述孔口具有不连续边缘， 以防止在边界处的水滞留。
10.一种用于燃料电池的强化垫片，包括聚合层，其具有带不连续边缘的边界，所述不连续边缘适于防止在所述边界处的水滞留，所述聚合层与质子交换膜连接并构造成靠近所述双极板设置，且所述聚合层的边界设置成超出所述双极板的出口端。
全文摘要
本发明涉及燃料电池部件上用于芯吸的剪切边缘，提供了一种燃料电池部件，其包括沿平面设置的主体，该主体具有边界，反应物和水流动经过该边界。边界具有不连续边缘，可防止该边缘处的水滞留。燃料电池部件可以是具有孔口的双极板，孔口有不连续边缘。燃料电池部件可以是用于燃料电池的强化垫片，该垫片具有带不连续边缘的边界。不连续边缘有助于水从燃料电池部件的上表面运送至燃料电池部件的下表面。
文档编号H01M8/04GK102170003SQ20111003494
公开日2011年8月31日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月8日
发明者J·A·洛克, J·P·奥维简, S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司