燃料电池流体分布的制作方法
【专利摘要】一种用于燃料电池中的双极燃料电池板(300)包括多个流场通道(704)和形成为流体流场板的一部分的冷却剂分布结构(708)。所述冷却剂分布结构经配置以将冷却剂液滴(701)引导到所述流场通道中。所述冷却剂分布结构包括与一个或多个流场通道相关联的一个或多个元件(710)，所述元件具有：第一表面(712)，其用于接纳冷却剂液滴；和第二表面(714)，其具有界定用于将冷却剂液滴引导到所述相关联流场通道中的冷却剂液滴分离区域的形状。
【专利说明】燃料电池流体分布
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于将冷却剂分布到燃料电池板中的流场通道的方法和设备。
[0002]发明背景
[0003]基于聚合物电解质膜(PEM)的燃料电池需要最少供应两种流体馈送，其含有燃料气体(通常为氢气)和氧化剂(通常为空气)。通常还需要冷却，这可通过氧化剂馈送(即，跨越燃料电池的阴极)或经由专用冷却剂馈送而提供。单独的冷却剂馈送可以一系列单独通道的形式提供，这些单独通道与氧化剂和燃料通道隔离，但是经布置以从组成燃料电池堆叠的每一个别燃料电池吸取热量。替代冷却布置是穿过每一燃料电池的阴极侧用受控的方式提供额外的水。这些额外的水可用以通过在燃料电池内蒸发并作为水蒸气离开来最有效地吸取热量。为了使操作效率最大化，以精确定义的方式跨越每一燃料电池的宽度引入受控量的水是重要的。由于每一燃料电池厚度可能为约Imm或更少而宽度为几厘米，因此实现所要的控制水平可能是困难的。
[0004]一种实现对冷却剂的分布的一定程度的控制的方式是通过使用沿着燃料电池板的边缘定位的额外垫片组件，所述垫片具有经蚀刻特征，例如引导流体的通道。这些垫片和用以产生精细特征的蚀刻工艺增加制造工艺的复杂性和花费。因此需要一种更有成本效益的解决方案。
[0005]WO 2007/129030中公开了一种实现燃料电池内受控程度的水冷却的替代方式，其中使用燃料电池板的折叠边缘将受控量的冷却水引入到流体流动馈送板的阴极侧。多个通道借助施加到折叠区域的一个或两个内面的表面纹理而设置在褶皱内。冷却剂水被迫穿过折叠区域并退出到跨越板延伸的阴极通道中。
[0006]提供此冷却机制的问题在于实现跨越板的受控程度的流动，以及确保跨越板的宽度的冷却剂的分布是均匀的。此外，在板中形成冷却剂通道的常规方法通常不足以提供均匀的冷却剂流动速率所需的精细控制程度和小公差。
发明概要
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种用于燃料电池中的双极燃料电池板，其包括:
[0008]多个流场通道；
[0009]冷却剂分布结构，其形成为流体流场板的一部分，所述冷却剂分布结构经配置以将冷却剂液滴引导到所述流场通道中；
[0010]其中所述冷却剂分布结构包括与一个或多个流场通道相关联的一个或多个元件，所述元件具有:第一表面，其用于接纳冷却剂液滴；和第二表面，其具有界定用于将冷却剂液滴引导到所述相关联场流通道中的冷却剂液滴分离区域的形状。
[0011]使用此冷却剂分布结构可促进准确和均匀的冷却剂分布以及减小燃料电池对定向、振动、摇动和变化的阴极流动速率的敏感性。
[0012]所述双极燃料电池板可进一步包括多个冷却剂引入开口，其经配置以将冷却剂液滴提供到所述元件的所述第一表面。
[0013]所述元件可位于所述冷却剂引入开口与所述流场通道之间的视线中。将所述元件定位于所述冷却剂引入开口与所述流场通道之间的视线中可确保当冷却剂液滴从所述冷却剂引入开口通过到所述流场通道时所述冷却剂液滴遇到所述元件，从而改进冷却剂分布的准确性和均匀性。
[0014]所述元件可各自与两个冷却剂引入开口相关联。以此方式，两个所接纳的冷却剂液滴可在液滴与元件分离的第二表面处会合之前沿着所述元件的相应侧表面通过。
[0015]所述双极燃料电池板可进一步包括用于将空气提供到所述流场通道的多个空气引入开口。从所述空气引入开口接纳的空气可经配置以使液滴从所述冷却剂分布结构通过到所述流场通道。从所述空气引入开口接纳的所述空气可经配置以使液滴从所述冷却剂引入开口通过到所述元件的所述第一表面。以此方式，所接纳的阴极空气可用以导引所述冷却剂液滴。
[0016]从所述空气引入开口接纳的所述空气可经配置以在所述冷却剂液滴从元件的所述第一表面通过到所述第二表面时使所述冷却剂液滴沿着所述元件的侧表面行进。所述冷却剂液滴可由于表面张力而保持与所述元件的所述侧表面接触。
[0017]所述液滴分离区域可界定所述元件的所述第二表面的形状中的最高点。所述液滴分离区域可在所述冷却剂分布结构中的所述元件的所述第二表面中具有最低曲率半径。以此方式，可准确地控制冷却剂液滴的方向性和分离点。
[0018]所述元件可经配置以支撑气体扩散层。所述元件可经配置以支撑所述气体扩散层超出流体流动通道的末端，从而保持到所述流场通道中的开口开放。
[0019]所述双极燃料电池板可进一步包括支撑结构，所述支撑结构包括在所述流场通道的下游末端的多个支撑元件。所述支撑元件可经配置以支撑气体扩散层。以此方式，所述支撑元件可经配置以支撑所述气体扩散层超出流体流动通道的末端，从而保持从所述流场通道出来的开口开放。
[0020]所述支撑元件可与所述冷却剂分布结构的所述元件的形状相同。此可辅助提供穿过流场通道的均匀流动。
[0021]所述冷却剂分布结构可包括与所述流场通道中的每一者相关联的元件。所述冷却剂可为水。所述双极燃料电池板可由压制钢制成。
[0022]所述冷却剂分布结构中的所述元件的高度可与界定所述流体流动通道的棱皱的高度大体上相同。支撑分布结构中的所述支撑元件的高度可与界定所述流体流动通道的棱皱的高度大体上相同。此可使得能够将所述气体扩散层平坦地放置在所述双极燃料电池板上。
[0023]所述双极燃料电池板可进一步包括在所述板的折叠区域内的所述板的表面上形成的通道的第一阵列和第二阵列。通道的所述第一阵列可跨越所述折叠区域的第一内面从所述板的边缘延伸。通道的所述第二阵列可在横向于第一方向的第二方向上跨越所述折叠区域的第二相对面延伸。所述板的所述边缘处的通道的所述第一阵列的开口可经配置以将冷却剂液滴提供到所述元件的所述第一表面。所述折叠区域可包括穿过所述板的厚度且与流体分布通道的所述阵列成流体连通的端口。
[0024]附图简述
[0025]下文借助实施例并参考附图进一步详细描述本发明的方面和实施方案，附图中:
[0026]图1是具有沿着边缘形成的流体馈送分布通道的双极燃料电池板的透视图；
[0027]图2是在折叠操作之后的与图1中类似的双极燃料电池板的透视图；
[0028]图3是在所述板的外围应用超模压垫圈之后的图2的双极燃料电池板的透视图；
[0029]图4是图1中的板的边缘的部分透视图；
[0030]图5是图2的板的边缘的部分透视图；
[0031]图6是图3的板的边缘的部分透视图；
[0032]图7是图6中的板的边缘的部分透视图，其说明流体从流体馈送分布通道流动到阴极流体馈送区域中；以及
[0033]图8是用于在燃料电池板中形成流体馈送分布通道的机械加工操作的部分透视图。
【具体实施方式】
[0034]图1所示是在形成起棱皱的阴极流体流场区域101的操作之后的示范性双极燃料电池板100。阴极流体流动区域包括多个流场通道，其也可称作阴极流体流动通道。沿着板100的第一边缘102形成了跨越板100的宽度延伸的微通道的第一阵列103和较大流体馈送通道的第二阵列104，第一阵列103延伸到板的边缘102。在这些操作之后，将板沿着折叠线105折叠，从而产生图2中说明的板200的形式，其中第一阵列103和第二阵列104围封在折叠区域107内。在折叠操作之前或之后，流体入口端口 106穿过板200的厚度而形成，从而允许冷却剂进入折叠区域107中并沿着新围封的通道103、104。在使用时，穿过端口 106流入到折叠区域107中的冷却剂沿着通道104的围封的第二阵列跨越板的宽度分布，并沿着通道103的第一阵列朝对应于未折叠板100的边缘102的折叠区域107的边缘108输送。
[0035]图3说明在将超模压垫圈301应用到板300的外围边缘的进一步操作之后的双极板300。垫圈301沿着相对的开放边缘109a、109b (图2)囊封折叠区域107，同时使折叠区域107的长边缘108保持开放。模压垫圈301还提供各种表面特征以允许阴极空气供应经由一个或多个空气进口端口 302a、302b传输到阴极流场101。垫圈301还形成连接到端口106的冷却剂入口端口 303以用于接近折叠区域107。阴极出口端口 304设置成邻近板300的相对边缘，与阴极流体流场101成流体连通。
[0036]图4和图5展示形成折叠区域107的折叠操作之前和之后的双极板100的边缘部分的更详细视图。平行微通道的第一阵列103沿着板100的边缘102而形成。图3中也可见邻近微通道的第一阵列103形成的较大通道的第二阵列104，所述较大通道经配置以在折叠区域107内跨越板100的宽度分布来自端口 106的冷却剂。流体通道的第二阵列104呈交叉通道的网格形式，第一组跨越板的宽度延伸而第二组横向于第一组且与第一组互连。第一组通道用以跨越板200的宽度输送来自中心端口 106 (图5)的流体，而第二组通道使板的几何形状稳固，从而减少形成折叠区域107的折叠过程期间的任何扭曲。第二组通道还用以将冷却剂流体输送到前通道，即，与其它通道相比最接近边缘108 (图5)的通道。使第一组中有多个通道增加用于跨越板的流体流动的通道的横截面面积，同时维持抵挡后续工艺和燃料电池堆叠的组装过程中的倒塌的几何形状。在所说明的实施方案中，第一组中的所有通道跨越板的全宽度延伸，以便减少板的扭曲，但此特征对于本发明并非必要的，因为通道只需要跨越阴极流体流动区域101的宽度输送流体。
[0037]通道的第一阵列103跨越板100的表面定向在横向于第二阵列104中的通道的方向的方向上。洞眼在折叠操作之前或之后形成在板100中以形成端口 106。在使用时，冷却剂穿过端口 106流入到折叠区域107中且流入通道的第二阵列104 (图4)中。冷却剂借助通道的第二阵列104沿着折叠区域107跨越板的宽度而分布，且通过沿着第一阵列103中的通道行进而离开折叠区域，从而沿着折叠板200的边缘108离开折叠区域107。通过使第二阵列104中的通道的横截面尺寸大于第一阵列103的横截面尺寸，与沿着第二阵列104跨越板的宽度的压力降相比，折叠区域的边缘108与第二阵列104之间产生更大的压力降，从而确保来自折叠区域107的边缘108的冷却剂的更均匀的分布。第二阵列中的通道的横截面尺寸优选地为第一阵列103中的通道的横截面尺寸的至少两倍，且任选地至少三倍或四倍。举例来说，如果第一阵列103中的通道具有约20 μ m的深度或宽度，那么第二阵列104中的可比尺寸可为至少40μπι、60μπι或80μπι深或宽。由于第二阵列104中的通道的较大尺寸，可使用常规压制或浮雕技术来形成通道。
[0038]图6展示应用垫圈301之后的双极板的边缘的详细视图，应用垫圈301完成了双极板构建。所示视图指示模压水进口端口 303和穿过板的洞眼，其形成用于接近折叠区域的端口 106。垫圈几何形状还形成供空气流过板300直达阴极流体流场101的流体流动路径，其呈齿形结构601和包括隔离突起602的开放区的形式。
[0039]图7中展示板300的折叠区域107的详细示意图。展示了跨越阴极流体流场101的上覆气体扩散层705的剖视图。
[0040]冷却剂分布结构708位于折叠区域的边缘108与阴极流体流场101之间。在此实施例中，冷却剂是水且冷却剂分布结构将被称作水分布结构708。水分布结构708具有多个元件710，其将水滴引导或集中到阴极流体流场101中的流场通道704中，如下文更详细地描述。
[0041]水滴701展示为形成在折叠区域107的边缘108处，水滴701形成在围封在折叠区域107内的微通道的末端处。微通道的末端可称作水引入开口。一旦水滴701达到足以破坏表面张力的大小，就通过来自垫圈中的齿形结构601的空气流将它们从微通道的末端汲取到水分布结构708中的元件710的第一表面712。来自齿形结构601的开口可视为空气引入开口。用箭头702展示水滴的进行方向且用箭头703展示空气流的方向。
[0042]在此实施例中，两个微通道的开口与水分布结构708中的单一元件710相关联，以使得两个水滴701被提供到元件710的第一表面712。空气流703接着使每一水滴701围绕元件710的侧表面行进。水滴701由于表面张力而保持与元件710的侧表面接触。与元件710的侧表面的表面张力大于在折叠区域107的边缘108处经历的表面张力，这是因为接触表面积更大。
[0043]围绕元件710的每一侧表面行进的水滴701接着在元件710的第二表面714处会合。第二表面714具有界定水滴分离区域的形状。此水滴分离区域也可称作释放点。当水滴701在第二表面714上会合时,水的质量由于表面张力而超过保持力。合并的水滴与兀件分离且通过空气流703被汲取到阴极流体流动通道704中。用这种方式使用元件710的表面712、714可使水滴能够被准确且均匀地引导到阴极流体流动通道704中。
[0044]在此实施例中，水滴分离区域是最高点，其可称作比第二表面的其余部分具有更低曲率半径的区域。此形状可有利地提供对于水滴701在元件710的表面上的何处离开水分布结构708的控制。
[0045]当水滴沿着流体流动通道704行进时，通过水滴701中的水的蒸发而从板300吸取热量。
[0046]与仅依赖于阴极空气流相比，使用表面张力控制冷却水滴的输送不仅促进准确的水分布，而且减小燃料电池堆叠对定向、振动、摇动和变化的阴极流动速率的敏感性。
[0047]除了将水滴引导到流体流动通道704中，水分布结构708还充当支撑结构以支撑气体扩散层705。明确地说，水分布结构708支撑气体扩散层705的延伸超出流体流动通道704的末端的边缘。以此方式，到流体流动通道的开口可保持开放以用于接纳所需空气703和水702。水分布结构708还允许交叉指型阴极流场101通过将扩散器705带到超过流场101上界定进口和出口轨迹的返回特征而起作用。
[0048]水分布结构708中的元件710的高度可与界定流体流动通道704的棱皱的高度大体上相同。
[0049]类似的冷却剂分布结构708也可提供在阴极流体流场101的下游末端120(图1-3)处，包括类似于图7所示的元件710的形成支撑结构的多个支撑元件。冷却剂分布结构的主要功能是支撑图7中所示的气体扩散层705，从而将流体流动通道的下游末端120处的开口保持为开放的。以下情况可为有利的:使下游末端120处的支撑元件与水分布结构中的元件710形状相同，以使得穿过通道704的流动不会在通道704的出口点处受到不恰当的阻碍。通道的每一末端处的元件对称地塑形以便有效地使用模具也可为有益的。
[0050]在双极板中使用微通道103的替代方案是将额外组件引入到褶皱中，此可为具有多孔性质的材料(但褶皱边缘处的所界定的水滴产生点将失去)或含有经铸造、压制或化学蚀刻的微通道的金属垫片。因此，在一些实施方案中，微通道可视为任选的。
[0051]图8是用于在板100的阴极面上提供微通道的第一阵列的设备800的详细视图的示意图。设备800包括滚筒801和压模802，压模802的平面表面具有脊803的阵列。脊803经配置以在滚筒801相对于板移动(箭头804)同时施加压力穿过板100的厚度时沿着板100的边缘102形成微通道的第一阵列。抵着平面压模使用滚压工艺而不是使用线性压制或铸造操作允许跨越板100的宽度对通道几何形状的均匀性的较大控制程度，且允许所述工艺在形成阴极流体流场101 (图8中所示的相反侧)的压制操作之后执行。
[0052]通常每一通道将具有约20微米宽和15微米深的横截面。每一通道的横截面面积将通常需要制造成在±2%的变化内，以在操作中实现令人满意的均匀的水分布。此通过使用滚压元件同时跨越板的厚度维持恒定力而可能实现。
[0053]滚压元件801的旋转轴线805可与行进方向804正交且与板100上形成的通道的方向平行。在替代实施方案中，通道可通过相对于压模802旋转轴线805或通过在偏离正交的方向上对准脊803而定向成与旋转轴线805成一角度。这样做的效果将是，在滚筒801相对于压模802横越时逐渐形成每一微通道。如果滚筒轴线805偏离与横越方向804正交而对准，那么可通过使滚筒801的表面806成锥形而适应滚筒与板100之间的所产生的滑移。
[0054]双极板100优选地由钢制成，具有超模压弹性垫圈301。垫圈301可替代地在燃料电池堆叠的组装期间由位于板上的单独组件制成。
[0055] 其它实施方案意图在如由所附权利要求书界定的本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种用于燃料电池中的双极燃料电池板，其包括: 多个流场通道； 冷却剂分布结构，其形成为流体流场板的一部分，所述冷却剂分布结构经配置以将冷却剂液滴引导到所述流场通道中； 其中所述冷却剂分布结构包括与一个或多个流场通道相关联的一个或多个元件，所述元件具有:第一表面，其用于接纳冷却剂液滴；和第二表面，其具有界定用于将冷却剂液滴引导到所述相关联场流通道中的冷却剂液滴分离区域的形状。
2.如权利要求1所述的双极燃料电池板，其进一步包括多个冷却剂引入开口，所述冷却剂引入开口经配置以将冷却剂液滴提供到所述元件的所述第一表面。
3.如权利要求2所述的双极燃料电池板，其中所述元件位于所述冷却剂引入开口与所述流场通道之间的视线中。
4.如权利要求2或权利要求3所述的双极燃料电池板，其中所述元件各自与两个冷却剂引入开口相关联。
5.如权利要求2、3或4中的任一权利要求所述的双极燃料电池板，其进一步包括用于将空气提供到所述流场通道的多个空气引入开口，其中从所述空气引入开口接纳的空气经配置以使液滴从所述冷却剂分布结构通过到所述流场通道。
6.如权利要求5所述的双极燃料电池板，其中从所述空气引入开口接纳的所述空气经配置以使液滴从所述冷却剂引入开口通过到所述元件的所述第一表面。
7.如权利要求5或权利要求6所述的双极燃料电池板，其中从所述空气引入开口接纳的所述空气经配置以在所述冷却剂液滴从元件的所述第一表面通过到所述第二表面时使所述冷却剂液滴沿着所述元件的侧表面行进。
8.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述液滴分离区域界定所述元件的所述第二表面的所述形状中的最高点。
9.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述液滴分离区域在所述冷却剂分布结构中的所述元件的所述第二表面中具有最低曲率半径。
10.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述元件经配置以支撑气体扩散层。
11.如权利要求10所述的双极燃料电池板，其中所述元件经配置以支撑所述气体扩散层超出流体流动通道的末端，从而保持到所述流场通道中的开口开放。
12.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其进一步包括支撑结构，所述支撑结构包括在所述流场通道的下游末端的多个支撑元件，所述支撑元件经配置以支撑气体扩散层。
13.如权利要求12所述的双极燃料电池板，其中所述支撑元件与所述冷却剂分布结构的所述元件的形状相同。
14.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述冷却剂分布结构包括与所述流场通道中的每一者相关联的元件。
15.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述双极燃料电池板由压制钢制成。
16.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其中所述冷却剂分布结构中的所述元件的高度与界定所述流体流动通道的棱皱的高度大体上相同。
17.如任一先前权利要求所述的双极燃料电池板，其进一步包括在所述板的折叠区域内的所述板的表面上形成的通道的第一阵列和第二阵列，通道的所述第一阵列跨越所述折叠区域的第一内面从所述板的边缘延伸，通道的所述第二阵列在横向于第一方向的第二方向上跨越所述折叠区域的第二相对面延伸，其中所述板的所述边缘处的通道的所述第一阵列的开口经配置以将冷却剂液滴提供到所述元件的所述第一表面。
18.如权利要求17所述的双极燃料电池板，其中所述折叠区域包括穿过所述板的厚度且与流体分布通道的所述阵列成流体连通的端口。
19.一种大体上如本文中描述且如附图中说明的双极燃料电池板。
【文档编号】H01M8/04GK104254941SQ201380014989
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年3月14日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】彼得·戴维·胡德 申请人:智慧能量有限公司