安装在燃料电池堆组件中的风扇的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池堆组件(30)，包括：燃料电池堆(31)；气流通风室(33)，其配置在堆(31)的表面(4)上用于输送空气到燃料电池堆(31)中的流动通道或者接收来自流动通道的空气，通风室壁的至少一部分由印刷电路板限定，印刷电路板有至少一个位于其中的孔(37)；和风扇(36)，其安装到邻近孔(37)的板并且被配置成强制空气通过孔进入或者排出通风室。所述组件提供了对于燃料电池组件的操作起必要作用或支持性作用的电路板集成，同时气流通风室用于堆中的燃料电池的强制通风。
【专利说明】安装在燃料电池堆组件中的风扇
【技术领域】
[0001] 本发明特别地但不排他地涉及开放阴极式燃料电池，其中通过设置在燃料电池堆 的侧表面上的一个或者更多风扇将空气引入燃料电池堆中流体流动板的阴极通道中。
【背景技术】
[0002] 图1中示出了开放阴极式燃料电池堆的典型布置的示意图。燃料电池堆1包括多 个单独的电池2,这些电池2在图中从左至右分层布置以形成堆。如图2中的分解示意形式 的横截面图所示，每个电池10包括夹在多孔电极12、13之间并且被设置在阳极流板14和 阴极流板15之间的薄膜11。薄膜11和多孔电极12、13可以一起形成薄膜电极组件（MEA)。
[0003] 如本领域公知的那样，阳极流板14在其表面中有至少一个通道16 (所述通道16 在其形式上可以是蜿蜒的并且因此在横截面中多次二等分），用于经由多孔阳极12将燃料 输送到薄膜11的阳极侧。阴极流板15通常具有延伸跨越其表面的许多平行的通道18,用 于将氧化剂输送到薄膜11的阴极侧并且用于将未使用的氧化剂与反应副产品水和/或蒸 汽一起排出。同样如本技术公知的那样，在许多设计中，阳极流板14和阴极流板15结合为 双极流板，所述双极流板带有位于板的一个面上的阳极通道16和在板的相反的面上的阴 极通道18。因此，在形成串联电池2的堆1时，一个电池的阳极流板14邻近相邻电池的阴 极流板15或者与邻近电池的阴极流板15背靠背地形成一体。如在图1的前端面中所看到 的，阴极流板通道18可以是在每个电池边缘处的开口端，并且因此在燃料电池堆1的侧面 4中呈现出通道18的阵列3。通道的相应的阵列可以呈现在堆的相反的（背）面5上（在 图1中不可见），从而提供穿过堆1的直接气流通路。
[0004] 为维持足够的氧化剂流通过堆中的板15的阴极流动通道18的阵列3,可以在堆 的一个面附近（即堆1的侧面4附近）提供强迫空气通风系统。侧面4呈现形成阴极通道 18的开口端的阵列3的流板15的边缘。那些开口端可以是通道18的入口端或者出口端。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目标是提供燃料电池堆组件的改进结构，用于输运气流穿过燃料电 池堆。
[0006] 根据一方面，本发明提供了一种燃料电池堆组件，包括：燃料电池堆；气流通风 室，该气流通风室设置在所述燃料电池堆的表面上，用于输送空气到燃料电池堆中的流动 通道或者接收来自所述流动通道的空气，通风室壁的至少一部分由印刷电路板限定，所述 印刷电路板具有至少一个位于该印刷电路板中的孔；和风扇，该风扇被安装到所述孔附近 的所述印刷电路板，并且被配置成用于强制空气穿过所述孔进入通风室或从通风室中排 出。
[0007] 形成通风室的内壁的印刷电路板的表面涂有灌注混合物或者其他的流体密封涂 层。所述组件可包括连接到所述燃料电池堆以形成通风室的侧壁的框架，所述印刷电路板 被附接到所述框架并且与所述框架一起形成流体密封。所述印刷电路板可包括安装在其上 的至少一个温度感测装置。所述印刷电路板可包括结合到该印刷电路板中的至少一个风扇 控制电路。所述燃料电池堆的上面安装有气流通风室的表面可以是在该表面中具有打开的 通道端部的表面。所述印刷电路板可具有位于该印刷电路板中的多个孔，并且相应的多个 风扇中的每个风扇都被安装成邻近对应的孔并且被配置成用于强制空气穿过该对应的孔， 所述风扇和孔跨越所述印刷电路板分散地布置以在通风室内提供通常均匀的压力分布。所 述印刷电路板可包括结合到该印刷电路板中的至少一个功率控制电路和设置在所述印刷 电路板的形成通风室的内壁的表面上的散热器。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 现在将通过举例的方式并参照附图描述本发明的实施例，其中：
[0009] 图1是燃料电池堆的示意性的透视图；
[0010] 图2是燃料电池堆中的燃料电池的示意性的分解横截面视图；
[0011] 图3是燃料电池堆组件的示意性的侧视横截面视图，示出了燃料电池堆、通风 (plenum)和风扇装置；
[0012] 图4是燃料电池堆组件的顶视和前视透视图，示出了燃料电池堆、通风和风扇装 置；
[0013] 图5是电路板的平面视图，该电路板被配置成用于为图4的燃料电池堆组件安装 的风扇和兀件；
[0014] 图6是燃料电池堆组件的可选择的布局的透视图。
【具体实施方式】
[0015] 在本说明书全文中，涉及相对定向和位置的描述词语，诸如"顶部"、"底部"、"水平 的"、"垂直的"、"左"、"右"、"上"、"下"、"前"、"后"、"侦_ "以及它们的任何形容词和副词性 衍生词，仅用于在附图中呈现的燃料电池组件的定向的基础上加以明确。然而，这种描述词 语并不意图以任何方式限制燃料电池组件的预期使用，因为燃料电池组件能够以任何定向 加以使用。
[0016] 进一步参照图1，为保证足够的气流用于氧化，通过阴极流动通道进行强制的水 输送和堆冷却，如以下将要描述的那样，理想的是在堆表面4附近提供通风壳体（plenum housing)，其中所述堆表面4有阴极通道入口或者出口。通风壳体提供了延伸跨越堆的一 个表面的通风室并且风扇可以安装到通风壳体上，位于面对着阴极通道入口或者出口的壳 体中的孔的上方。在一种布置中，风扇被设置在燃料电池堆的下游侧并且因此风扇维持通 风室中的比大气压力稍低的压力，即抽吸空气穿过电池堆。燃料电池堆的上游侧（即与阴 极通道的打开的入口端相对应的堆表面）可以用过滤器覆盖，当然也可以暴露于周围的空 气。在一种可选择的配置中，通风壳体可以设置在燃料电池堆的上游侧，并且因此风扇维持 通风室中比大气压力稍高的压力，即推动空气通过所述堆。
[0017] 燃料电池堆需要大量控制电路，以用于诸如电池电压监测、气流控制、燃料流控 制、温度监测等功能。这些控制电路可以方便地设置在燃料电池堆周围，例如安装在堆的框 架的面上，该面不是与敞开的阴极通道相对应的堆的表面。这种配置显示在图6中，其中四 个气流风扇60设置在这种通风室61上，所述通风室61附接到堆62的侧面。通风室可以 由塑料壳体形成。许多电路板63、64被附接到燃料电池堆的不同的表面，并且布线将那些 电路板连接到诸如风扇60的其他构件。这种的布置潜在的缺点在于，风扇60周围的许多 空间被浪费并且布线必须绕过所述堆。
[0018] 参照图3,其示出了根据优选方面的燃料电池堆组件30的横截面侧视示意图。燃 料电池堆31有顶端侧面4,横截面是通过所述顶端侧面4画出的，并且该侧面4包括阴极流 动通道的排气面，如排气箭头32所指示，空气从所述排气面被吸入通风室33中。如进气箭 头34所指示，空气在底面5处被吸入堆31中。过滤器单元35可以设置在该底面5上。
[0019] 在通风室33的顶端表面上安装多个风扇36。这些风扇中的每一个都通过位于通 风室壳体的顶端表面38中的相应的孔37与通风室33的容积相连通。每个风扇36可以优 选是径流式风扇，其中空气从如图所示的下侧吸入风扇中心，并且通过径向出口径向地向 外排出。然而，任何适当形式的风扇都是可以采用的。
[0020] 通风室壳体具有作为其上表面38的印刷电路板，在所述印刷电路板中已经形成 孔37。这在图5中可以最大程度地看到，其中所述图5是没有附接风扇36的印刷电路板 40的俯视透视图。印刷电路板40 (PCB)包括多个电气构件41和电路布线，用于燃料电池组 件的控制和功能性支持。孔37形成于PCB40中，通过安装在PCB40上的风扇的操作，空气 可以流过所述PCB40。四个风扇的安装位置被显示在图5上的白色轮廓42中。图4示出 了 PCB40的同样的透视图，该图中附接有风扇36,并且PCB被安装到燃料电池堆31。优选 地，风扇36中的每一个都通过能够围绕孔37提供流体密封的适当的垫圈直接安装到PCB40 上。单独的护罩39 (图3)可以用于形成通风室壳体的侧壁。该护罩39可以是任何适当的 框架或支承结构的形式，以用于保持风扇36与燃料电池堆31的入口 /出口面4的分离。
[0021] 因此，可以看到这种布置举例说明了设置在燃料电池堆31的表面4上的气流通风 室33,该气流通风室33用于输送空气到燃料电池堆的流动通道或者接收来自所述流动通 道的空气，其中，通风室壁的至少一部分由印刷电路板40限定，并且印刷电路板40具有位 于那里的至少一个孔37。
[0022] 印刷电路板40的下侧，即38形成通风室33的上部内壁38的部分，优选地涂敷有 合适的灌注混合物或者其他流体密封或者流体不能渗透的涂层。这可以特别适于确保气流 (所述气流可能是来自燃料电池堆的潮湿气流）不妨碍形成在PCB40上的电气构件41的 正常功能。形成通风室壳体侧壁的护罩39或者框架优选地通过使用适当的垫圈43密封到 PCB40和燃料电池堆31，以保证大部分气流穿过孔37。
[0023] 理想地，密封件完全地或者近似完全地流体密封。
[0024] 以这种方式集成通风室33壳体和PCB40提供许多重要的益处。图6中所示的、风 扇周围的位利用的空间现在可以用于电子器件，因此在燃料电池堆62的其他面上空出之 前由电路板63和64占据的空间。因此减小了燃料电池组件的整体尺寸并消除了额外的布 线，并且因此增加了堆组件的每单位体积的功率。器件的连接被简化，从而降低了组件成 本。对监测气流、电池温度和控制风扇速度而言必要的元件现在可以直接地连接到通风壳 体上。例如，温度传感器和/或者气流传感器可以直接安装到形成通风室33的内壁的PCB40 的下表面上，并且能够直接穿过电路板连接这些装置。用于PCB上的器件的散热器也可以 安装在PCB上的内侧或者外侧表面上，在那里，散热器将从通过燃料电池的强制气流获益， 以用于冷却。例如，用于燃料电池堆和/或风扇的功率控制电路可以设置在PCB上，并且用 于该功率控制电路的散热器被方便地设置在PCB的形成通风室的内壁的下侧面上。位于通 风室的内侧表面上的PCB上的诸如温度传感器和散热器之类的器件可以使用任何适当的 灌封或者密封剂在四周密封，同时在必须使用传统的PCB制造技术的地方将器件的功能表 面暴露出来。
[0025] 根据需要可以将更多或更少的风扇36可以安装到PCB40上，例如用以维持通风室 中的均匀的压力分布。这对于一些燃料电池堆而言是重要的，以保证每个电池被最佳地冷 却和耗尽，而不会形成降低电池堆性能的局部热点或冷点。通风室壳体可以包含一个或者 更多个PCB40并且可以与侧壁或者护罩39集成为一体。PCB40可由能够为电子器件、电路 迹线/轨道、电连接器等提供结构支撑的任意适当的耐用材料形成。
[0026] 在使用径流式风扇的情况下，每个风扇可以绕其风扇轴线（即如图3所示的坚直 轴线）定向成任何适当的角度，例如使得所有出口点位于同样的方向上或者稍微会聚（如 图4所示）以使废气收集更容易。
[0027] 其他实施例也意图包括在随附的权利要求的范围中。
【权利要求】
1. 一种燃料电池堆组件，包括： 燃料电池堆； 气流通风室，该气流通风室设置在所述燃料电池堆的表面上，用于输送空气到燃料电 池堆中的流动通道或者接收来自所述流动通道的空气，通风室的壁的至少一部分由印刷电 路板限定，所述印刷电路板具有至少一个位于该印刷电路板中的孔；和 风扇，该风扇被安装到所述孔附近的所述印刷电路板，并且被配置成用于强制空气穿 过所述孔进入通风室或从通风室中排出。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中形成通风室的内壁的印刷电路板的表面涂 有灌注混合物或者其它的流体密封涂层。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，进一步包括连接到所述燃料电池堆以形成通风 室的侧壁的框架，所述印刷电路板被附接到所述框架并且与所述框架之间形成流体密封。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述印刷电路板包括安装在其上的至少一 个温度感测装置。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述印刷电路板包括结合到该印刷电路板 中的至少一个风扇控制电路。
6. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述燃料电池堆的上面安装有气流通风室 的表面是在该表面中具有打开的通道端部的表面。
7. 根据权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述印刷电路板具有位于该印刷电路板中 的多个孔，并且相应的多个风扇中的每个风扇都被安装成邻近对应的孔并且被配置成用于 强制空气穿过该对应的孔，所述风扇和孔在所述印刷电路板上分散地布置以在通风室内提 供大致均匀的压力分布。
8. 根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述印刷电路板包括结合到该印刷电路板 中的至少一个功率控制电路和设置在所述印刷电路板的形成通风室的内壁的表面上的散 热器。
9. 一种基本上参照附图在本文中描述的装置。
【文档编号】H01M8/04GK104115323SQ201280056760
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2011年11月17日
【发明者】内森·格兰杰, 雷蒙德·宾奇 申请人:智慧能量有限公司