用于冲压板燃料电池的密封设计的制作方法
【专利摘要】一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都具有成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件包括膜电极组件(MEA)、子衬垫和气体扩散介质(DM)，并且定位在变更的冲压流场板之间。所述子衬垫建构所述MEA从到导致所述MEA与所述子衬垫的内周边之间的重叠区域。所述UEA设置在一对冲压流场板之间，所述一对冲压流场板在邻近燃料电池中对齐来形成双极板。所述双极板具有活性区段、重叠区段和密封区段。所述活性区段构造成具有通道和平台特征，所述通道和平台特征为所述燃料电池提供反应物流动通道和冷却剂通路。然而，所述重叠区段中特征的构造是通过所述活性区段中的构造而变更的，以使得所述重叠区段可以维持足够的机械密封压力，并且以防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。对于所述重叠区段的变更通道和平台特征是示例性的。
【专利说明】用于冲压板燃料电池的密封设计
【技术领域】
[0001]本发明的实施方式总体上涉及一种用于在燃料电池环境中使用的双极板，更具体地涉及一种包括改进的密封特性的冲压双极板。
【背景技术】
[0002]氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括由电解质分隔开的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极通常通过空气流接收氧。氢气在阳极处离解以生成自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与氧以及电子在阴极中反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此被引导穿过负载以便在被发送到阴极之前做功。
[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。在PEMFC中，电解质可以是固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化颗粒粉末(通常是钼(Pt))，其支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合。催化混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和所述膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA需要某些条件以有效运行。
[0004]多个燃料电池通常组合在一个燃料电池组中以生成期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池组可具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，通常是由压缩机迫使穿过电池组的空气流。不是所有氧气都被电池组消耗，空气中的一些作为阴极排出气体被输出，所述阴极排出气体可包括作为发生在电池组的副产品的水。燃料电池组还接收流入到电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。
[0005]燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。在一个优选的形式中，对电池组中的相邻燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。设置在双极板阳极侧上的阳极气流通道允许阳极反应气体流动到相应的MEA。设置在双极板阴极侧上的阴极气流通道允许阴极反应气体流动到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料(例如不锈钢或导电复合材料)制成。端板将由燃料电池生成的电流传导出电池组。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。
[0006]所属【技术领域】已知用于制作双极板的各种技术。在一个设计中，双极板由复合材料(例如，石墨)制成，其中两个板半体独立地模制并且随后粘贴在一起，以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流动通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。在另一个设计中，两个独立板半体是冲压的并且随后焊接在一起以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流体通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。
[0007]如所属【技术领域】充分理解的那样，燃料电池内的膜需要具有某种相对湿度，以便穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传送质子。在燃料电池的运行期间，来自MEA的水分以及外部湿度可以进入阳极和阴极流动通道。在低燃料功率需求(通常低于0.2A/cm2)处，水可以累积在流动通道内，因为反应气体的流率太低而不能迫使水离开所述通道。随着水的累积，水形成小滴，所述小滴由于板材料的相对疏水性而连续膨胀。流动通道中小滴的形式大体上垂直于反应气体的流动。随着小滴的大小的增加，流动通道被关闭，并且反应气体转移到其他流动通道，因为流动通道是在共用入口和出口歧管之间并行的。因为反应气体可能不流过被水阻塞的通道，所以反应气体不能迫使水离开所述通道。膜因为通道被阻塞而不接收反应气体的那些区域将不会生成电，因此导致非均匀的电流分送并且降低燃料电池的总体效率。随着越来越多的流动通道被水阻塞，由燃料电池产生的电减少，其中电池电势小于200mV被认为是电池故障。因为典型燃料电池组可被构造成使燃料电池中的至少某些电气串联，所以如果燃料电池中的一个停止工作，那么整个燃料电池组的运行可能受到损害。
[0008]燃料电池组对于每个燃料电池在电池组的集管与活性区域之间通常包括延伸围绕燃料电池活性区域的密封件，以便防止气体从电池组泄漏。因此，为了得到从相应的入口集管流到燃料电池活性区域的阴极流、阳极流和冷却流体，这需要流动通道在不影响密封完整性的情况下穿过密封区域。通常，设置有围绕密封件穿过双极板的孔和隧道，这需要使流动通道弯曲以便它们与活性区域中的流动通道对齐。阴极和阳极流动通道的这种弯曲提供了水可能累积并且受困的区域，这具有关闭流动通道并且降低反应气体流动到此的趋势。因此，需要一种经过燃料电池组的密封区域的更好的技术。
[0009]对于燃料电池的成套电极组件(UEA)的常用构造具有重叠区段，所述重叠区段在节省膜(thrifted membrane)(定尺寸成短于板周边密封件而配合的膜)和在活性区域的周边处的子衬垫(诸如是酸乙二酯(PEN)的聚合物膜的“窗框”)之间。膜的节省由于下面几个原因而做出:1)膜材料由于其高酸性而不适合与密封件或板材料接触，所以膜需要由燃料电池密封区段中的塑料膜覆盖或分隔；2)膜材料昂贵，所以通过从电池的周边节省膜材料来降低膜材料的需求；3)膜材料由于高的膜膨胀而与不适合水-乙二醇冷却剂，所以膜需要从冷却剂集管拉进来。然而，这种构造在活性区域必须密封的周边处在膜和子衬垫之间形成接口。特别地，重要的是，活性区域周边沿着流动导向的边缘被密封，然而重要的是，沿着与流动导向边缘正交的活性区段的周边的冷却剂、阳极和阴极的流不能被阻止，因为它们与重叠区段成横向。由于通过膜的水合作用的成分和尺寸的改变，粘合在膜与子衬垫之间的粘合剂是不可靠的。为了确保这种重叠区段中的可靠密封，需要机械压力。
[0010]关于这点，冲压板设计提出比模制板设计更大的挑战，因为冲压特征必须反映在冲压板半体的两侧上。对于模制板，区段可以根据需要填充以固体复合材料。例如，冲压板的平台(land)总是在它后面形成冷却剂通道，然而模制板可以是实心的从而避免在它们不期望的地方形成冷却剂通道。另一个考虑是，对于使用较薄的扩散介质(DM)的燃料电池，在重叠区段中提供良好的机械支撑是更关键的，因为较薄的DM更不能够跨越通道跨度分送压紧负载。期望较薄的DM来降低燃料电池的大小，这对于封装到汽车的应用中是尤其重要的。因此，需要改进的密封设计来将制造有冲压板的燃料电池的活性区域的周边密封。
【发明内容】
[0011]相应地，当前研究者已开发了一种冲压板燃料电池设计，所述设计克服上面指出的缺陷和挑战，并且其提供具有增加的效率和经济性的燃料电池(尤其在车辆应用中)。
[0012]根据本公开的一种冲压板燃料电池在活性区段的周边处的重叠区段中提供了通道和平台特征的变更构造，所述变更构造能够维持一种机械压力水平，其足以密封所述重叠区段以便大体上防止冷却剂和反应物旁通而大体上不会阻止燃料电池的活性区段中的冷却剂和反应物的流动。具体地，沿着流动导向边缘的所述活性区域周边的重叠区段包括根据本公开的变更构造。在与所述流动导向边缘正交的每个端部处的重叠区段将大体上不包括特征的所述变更构造，因为期望的是，冷却剂、阳极和阴极流体的流动不会由于它们横越非流动导向边缘的重叠区段而被板或UEA特征所阻止。
[0013]根据一个实施方式，提供了一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组。每个燃料电池都包括UEA，所述UEA包括设置在一对电极之间的节省电解质膜以便形成MEA。所述MEA建构在子衬垫上，以使得存在于所述MEA的外周边与所述子衬垫的内周边之间的重叠限定重叠区域。所建构的MEA设置在一对气体DM之间。所述UEA设置在一对冲压流场板之间，以使得相邻燃料电池的流场板的对齐形成双极板，所述双极板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且在面积上实际地对应于所述重叠区域，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的构造并且所述重叠区段包括通道和平台特征的变更构造，这允许机械压力的水平足以将所述重叠区段密封并且足以实际上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。
[0014]本公开的另一个实施方式提供了一种用于燃料电池的冲压流场板。所述冲压流场板包括活性区段、重叠区段和密封区段，所述重叠区段邻接所述活性区段的外周边并且延伸到所述密封区段的内周边区段，所述活性区段构造成具有通道和平台特征以使得相邻流场板之间的对齐形成双极板，所述双极板包括在所述活性区段中的反应物通道和冷却剂通路的构造以及所述重叠区段中特征的变更构造，所述变更构造包括下述各项中的一个或多个:冷却剂阻塞通道特征、反应物阻塞平台特征、大体上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件与活性区段冷却剂流流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放；其中，所有特征都设计成大体上避免相邻板之间的通道跨通道和平台跨平台(land-over-land)的对齐，并且另外地，其中，所述重叠区段的通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征大体上相同的斜度(pitch)和高度。
[0015]本发明还提供了如下方案:
1.一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括:成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件(UEA)包括节省电解质膜，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得存在于所述MEA的外周边与所述子衬垫的内周边之间的重叠限定出重叠区域，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间；一对冲压流场板，在UEA的每侧上都有一个所述冲压流场板，以使得相邻燃料电池的流场板对齐来形成双极板，所述双极板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且在面积上实质地对应于所述重叠区域，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的构造并且所述重叠区段包括通道和平台特征的变更构造，这允许机械压力的水平足以将所述重叠区段密封并且足以实际上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。
[0016]2.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述MEA和DM具有实际上相同的面积，并且在所述MEA与子衬垫之间的所述重叠区域的外边缘处一起终止以便DM实际上覆盖所述重叠区域。
[0017]3.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
[0018]4.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括冷却剂阻塞通道特征，所述阻塞通道特征定位成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
[0019]5.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括反应物阻塞平台特征，所述阻塞平台特征定位成实际上避免相邻板之间的平台跨平台的对齐。
[0020]6.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成在对齐相邻板时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通。
[0021]7.根据方案6所述的燃料电池组，其中，每个隔离的冷却剂通路的所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放。
[0022]8.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段展示出与所述活性区段实际上相同的机械顺从性。
[0023]9.根据方案8所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段包括通道和平台特征，所述通道和平台特征构造成实际上避免相邻板的重叠区段中的通道跨通道和平台跨平台的对齐。
[0024]10.根据方案8所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段包括通道和平台特征，所述通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征实际上相同的斜度和高度。
[0025]11.根据方案8所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段包括构造成具有一种角度的通道特征，所述角度类似于或正交于所述活性区段的通道特征的角度。
[0026]12.根据方案11所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段包括构造成具有一种角度的通道特征，所述角度与所述活性区段的通道特征的角度正交。
[0027]13.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括:冷却剂阻塞通道特征，所述阻塞通道特征定位成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐；反应物阻塞平台特征，所述平台特征定位成实际上避免相邻板之间的平台跨平台的对齐；以及通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案构造成在相邻板对齐时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通。
[0028]14.根据方案13所述的燃料电池组，其中，所述冷却剂阻塞通道特征构造成提供完全的冷却剂通路阻塞。
[0029]15.根据方案13所述的燃料电池组，其中，所述冷却剂阻塞通道特征构造成提供部分冷却剂通路阻塞。
[0030]16.根据方案I所述的燃料电池组，其中，所述重叠区段包括:通道和平台特征的图案、冷却剂阻塞通道特征和反应物阻塞平台特征，其设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道和平台跨平台的对齐；隔离的冷却剂通路，所述隔离的冷却剂通路仅通过单个互连件与活性区段冷却剂通路流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放，另外地，其中，所述通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征实际上相同的斜度和高度，并且其中，所述通道特征与所述活性区段的通道特征成正交角度。
[0031]17.一种包括至少一个根据方案I所述的燃料电池组的车辆。
[0032]18.一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括具有节省电解质膜的成套电极组件(UEA)，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得在MEA的外周边和子衬垫之间存在重叠，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间，每个UEA都设置在一对冲压流场板之间，每个流场板都构造成具有反应物通道和平台特征以使得相邻燃料电池的流场板的对齐形成包括冷却剂通路的双极板，其中，所述板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且限定为在所述MEA和所述子衬垫之间与重叠的区域在面积上共同延展，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的变更构造，所述变更构造包括通道和平台特征的图案、冷却剂阻塞通道特征以及反应物阻塞平台特征，其设计成实际上避免相邻板之间通道跨通道和平台跨平台的对齐，并且还设计成，在相邻板对齐时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放，其中，所述重叠区段的通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征实际上相同的斜度和高度，并且所述重叠区段的通道特征构造成具有一种角度，所述角度类似于或正交于所述活性区段的通道特征的角度。
[0033]19.一种包括至少一个根据方案18所述的燃料电池组的车辆。
[0034]20.一种用于燃料电池的冲压流场板，所述冲压流场板包括活性区段、重叠区段和密封区段，所述重叠区段邻接所述活性区段的外周边并且延伸到所述密封区段的内周边，所述活性区段构造成具有通道和平台特征以使得相邻邻近流场板之间的对齐形成双极板，所述双极板包括在所述活性区段中的反应物通道和冷却剂通路的构造、以及在所述重叠区段中特征的变更构造，所述变更构造包括下述各项中的一个或多个:冷却剂阻塞通道特征、反应物阻塞平台特征、实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过仅单个互连件与活性区段冷却剂流流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放；其中，所有特征都设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道和平台跨平台的对齐，并且另外地，其中，所述重叠区段的通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征实际上相同的斜度和高度。
[0035]在下面给出的附图和详细描述中描述了这些和另外的方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是根据本公开的示例性燃料电池组的分解示意性视图。
[0037]图2A描绘了 UEA的示意性横截面视图，示出了活性和重叠区域的相对位置。图2B描绘了图2A的UEA的重叠区域的一个实施方式的矢状示意性视图。
[0038]图3是通过对齐相邻板并且覆盖重叠区段中的平台特征来形成的重叠区段特征的示意图。
[0039]图4是邻接在双极板的重叠区段与活性区段之间的区域的示意性描绘，示出了与活性区段的冷却剂通路互连来允许排放的重叠区段的隔离的冷却剂体积。
[0040]图5A、5B和5C给出了对于重叠区段的三个设计备选的根据计算流体动力学(CFD)所生成的压力图像(pressure image),并且图是柱状图表，图中示出了对于五个设计备选中的每一个，最接近重叠区段的活性区段中的三个通道的组合的通道流。
[0041]图6A和图6B描绘了为了单个双极板的两个对应的相邻流场板的图示目的，而描绘的五个示例性重叠区段变更特征构造。图6C示出了在对齐图6A和6B中的相邻板时在双极板的重叠区段中形成的特征的构造。
【具体实施方式】
[0042]随后的详细描述和附图描述和示出了本发明的各种实施方式。所述描述和附图用于使所属领域技术人员能够制作和使用本发明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。参照所公开的方法，给出的步骤本质上是示例性的，并且因此，不是必需或关键的。
[0043]图1描绘了根据本公开的示例性燃料电池组2。为了简要起见，仅示出了仅具有两个电池的电池组(即，仅具有一个双极板)，然而应当理解的是，典型燃料电池组包括许多另外的这种电池和双极板。虽然，为了简要起见，本发明的附图描绘了具有以催化剂涂覆的膜(CCM)设计的MEA，但是应当理解的是，如果需要，MEA可具有以适当催化剂涂覆的扩散介质(CCDM)设计。根据本公开，前面提到的UEA是具体具有MEA、气体DM和子衬垫的组件。UEA还可包括弹性密封件。本公开的膜是节省膜，所述节省膜是至少一个尺寸小于周边密封件的优化膜。
[0044]图1中描绘了具有大体上典型结构的示意性燃料电池组2，以便示出根据本公开的相对部件位置。燃料电池组2包括至少一个UEA 5，所述UEA 5是节省膜4和电极7( —起组成MEA 9)、气体DM20和子衬垫3的组件，所述子衬垫3具有内周边，所述内周边从密封区域6在MEA 9下方延伸某一距离来支撑和限定所述MEA 9并且在MEA 9与子衬垫3之间形成重叠区域10。DM20(例如碳或石墨扩散纸)设置在MEA 9和子衬垫3的两侧上，并且在【具体实施方式】中，延伸穿过重叠区域10并且与MEA 9 一起终止，从而覆盖重叠区域10的MEA 9和子衬垫3。为了清楚起见，应当指出，在此术语“重叠区域10”在MEA的背景中涉及活性区域11与子衬垫3之间限定的重叠，然而“重叠区段15”涉及冲压板上的对应区段。
[0045]单极端板14具有活性区段16和重叠区段15，所述活性区段16构造成具有冲压通道和平台特征(未描绘)，所述重叠区段15的相对位置和面积对应于UEA 5的重叠区域10，并且相对于活性区段16，所述重叠区段15具有冲压通道的变更构造和平台特征(未描绘)。相邻单极端板14对齐来形成导电双极板8，其具有活性区段16、重叠区段15以及在所述重叠区段15的周边处的密封区段12，所述活性区段16含有通过相邻端板的活性区段的特征构造的对齐而形成的反应物通道和冷却剂通道(未描绘)，所述反应物通道和冷却剂通道起到分送反应物和冷却剂到MEA 9的作用，所述重叠区段15邻接所述活性区段16并且含有通过对齐根据本公开的相邻端板的重叠区段的变更构造来形成的变更通道、通路和体积。密封区段是围绕周边的区域，其具有弹性密封件以便防止跨板泄漏(over-boardleaks)和阳极与阴极之间的横跨泄漏(cross-over leakage)。
[0046]UEA 5和双极板8在一对夹紧板41和一对单极端板14之间组叠在一起。夹紧板41例如通过衬垫或介质覆盖层(未示出)与端板14电绝缘。单极端板14和双极板8包括活性区段16、重叠区段15，所述活性区段16用于分送反应物(例如氢气和氧/空气)到MEA 9的电极,所述重叠区段15用于加压密封，同时大体上防止反应物和冷却剂旁通而不会阻止反应物和冷却剂在活性区段16中流动。活性区段16邻接重叠区段15。
[0047]燃料电池组2可包括非导电衬垫18以便在所述燃料电池组2的部件之间提供密封和电绝缘。然而，应当理解的是，取决于采用何种其他密封和绝缘选项，根据需要，可以包括或不包括非导电衬垫18。
[0048]子衬垫3、双极板8、单极端板14和可选衬垫18每个都包括阴极供应孔口 22和阴极排出孔口 24、冷却剂供应孔口 25和冷却剂排出孔口 27以及阳极供应孔口 26和阳极排出孔口 28。电池组2的供应歧管和排出歧管通过对齐子衬垫3、双极板8、单极端板14和衬垫18中的相应孔口 22、24、25、26、27、28来形成。氢气通过阳极入口导管30供应到阳极供应歧管。氧/空气通过阴极入口导管32供应到燃料电池组2的阴极供应歧管。还分别为阳极排出歧管和阴极排出歧管设置了阳极出口导管34和阴极出口导管36。设置了冷却剂入口导管38以便将液体冷却剂供应到冷却剂供应歧管。设置了冷却剂出口导管40以便将冷却剂从冷却剂排出歧管移除。应当理解的是，图1中各种入口 30、32、38和出口 34、36、40的构造是为了阐述的目的，并且根据需要可以选择其他构造。
[0049]可以通过参阅图2更好地理解部件的布置以及活性区域11、重叠区域10、流动导向重叠区域边缘101和UEA 5的非流动导向重叠区域边缘102之间的关系。图2A描绘了示例性UEA 5的示意性横截面透视图,所述UEA 5具有子衬垫3的内周边,所述内周边延伸来建构和支撑MEA 9。MEA 9延伸跨越活性区域11并且在密封区段12之前终止，从而与子衬垫3的内周边重叠以在MEA 9与子衬垫3之间形成重叠区域10。重叠区域10围绕并且邻接活性区域11，然而可以理解的是，并不需要在活性区域11的所有侧上都存在重叠区域
10。本公开主要涉及的外部区域是沿着流动导向边缘101的。重要的是，在流动供给端处的重叠边缘(在此称为非流动导向边缘102)保持不会阻止流动通道及特征；然而，期望沿着流动导向重叠区域边缘101具有大体上为零的流动(旁通)。
[0050]图2B描绘了图2A的UEA 5的截取部分的示意性矢状透视图，具体地示出了重叠区域10。MEA 9延伸穿过活性区域11并且与子衬垫3的内周边重叠来限定重叠区域10，所述重叠区域10在密封区域12之前终止。DM 20跨越活性区域11与MEA 9的两侧重叠，并且夹住MEA 9和重叠区域10的子衬垫3。在【具体实施方式】中，DM 20完全覆盖重叠区域10以便确保跨越所述区域的足够机械压力。根据其他实施方式，一个或两个DM 20可以在重叠区域10之前终止或者超出所述重叠区域10。
[0051]在燃料电池组内，当板叠加到UEA上时，UEA的活性区域和重叠区域对应于板的活性区段和重叠区段。
[0052]重要的是，重叠区段能够维持足以确保MEA/膜与子衬垫之间的横跨密封(cross-over sealing)的机械压紧，因为膜从板边缘和密封件处被节省。为了确保可以跨越重叠区域持续足够的机械压力，在大体上降低/防止反应物和冷却剂旁通(沿着不带有活性区段的重叠区段流动，因此被认为是“被浪费的”流动)时，DM大体上覆盖重叠区域。板通道和平台特征设计成在对应重叠区段中提供稳健的对齐，以便避免通道跨通道(channel-over-channel)的对齐(相邻板之间的对齐,其中，阳极通道跨过阴极通道(越过UEA)并且总体上是一种低压紧的区域)，其横越或实际上横越重叠区段，尤其是在重叠区段的中心附近(其中甚至通过位置公差确保MEA与子衬垫之间的重叠区域)。可以通过使相邻板的平台特征重叠以及确保两侧上的通道不横越重叠区段来评估这种期望的设计元素。
[0053]图3示出了变更成满足冷却剂和反应物旁通考虑的重叠区段15的构造，并且其中添加了额外特征以便通过对重叠区段的中心带的特别关注来避免重叠区段内的通道跨通道的对齐。在膜处实现跨越通道跨度的压紧是更困难的。图3描绘了相邻板14的重叠区段15中平台特征50的示意性视图。平台特征50添加到不同板14上，以便固定跨越重叠区段的中部的打开通道52，但是平台特征未组合成形成冷却剂旁通通道(它们在UEA每侧上有一个地定位)。反应物阻塞54和冷却剂阻塞56形成。反应物阻塞54可被看做是跨越重叠区段的平台(冷却剂体积)。冷却剂阻塞56可被看做是跨越重叠区段的通道(打开空间)。反应物阻塞54防止通道(打开空间)沿着板的长度延续。反应物阻塞在另外连续通道内形成打断，并且形成的分段或打断通道在板的流场的流动导向长度上延续。照此清楚的是，来自匹配板的打开冷却剂体积必须考虑冷却剂旁通。
[0054]本公开提供冲压流场设计，其中所述活性区段包括通道和平台特征的构造，重叠区段的通道和平台特征的构造变更成允许机械压力的水平足以密封重叠区域并且大体上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止活性区域中的冷却剂和反应物流动。重叠区域构造变更成避免反应物的通道跨通道的特征(其横越重叠区段，从而大体上防止反应物横越泄漏)。跨越重叠区段的冷却剂阻塞(通道)定位成阻塞冷却剂旁通并且定位成与在对齐相邻板时避免通道跨通道特征的需求相称。跨越重叠区段的反应物阻塞(平台)用于大体上阻塞反应物旁通，并且这些特征优选地定位成在对齐相邻板时避免低压紧的位置(例如，形成横越越过MEA/UEA的重叠区域的泄漏路径的通道跨通道)。重叠区段的冷却剂通道与活性区域冷却剂通道隔离以便防止冷却剂通过重叠区段的部分旁通。
[0055]在【具体实施方式】中，定位在活性区段中的流场板的反应物通道特征在重叠区段中被变更以便大体上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。在【具体实施方式】中，重叠区段包括冷却剂阻塞通道特征，所述冷却剂阻塞通道特征定位成大体上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。在某些实施方式中，提供了重叠区段，所述重叠区段包括反应物阻塞平台特征，所述反应物阻塞平台特征定位在相邻板上以便避免平台跨平台的高压紧区域。
[0056]重叠区段设计成包括冷却剂通路，每个冷却剂通路都通过单个互连件与活性区段冷却剂流体地连通。单个冷却剂连接件设置在重叠区段中的隔离冷却剂通路的区段与活性区段冷却剂通道之间以便允许对于冷却剂填充物的排放、通过在填充冷却剂之前将冷却剂体积抽真空来移除空气以降低带入冷却系统内的空气的量，从而为燃料电池组初始填充冷却剂的方法。避免在重叠区段与活性区域之间具有第二冷却剂互连件，因为这将允许冷却剂旁通流过该重叠区段。这种设计元素在图4中示意性地描绘。为了对于重叠区段15而允许冷却剂填充物的排放有效，单个冷却剂连接件60在重叠区段15中从隔离冷却剂体积62被制作到到活性区域16。
[0057]在优选的实施方式中，重叠区段的通道和平台特征可被构思成实际上机械地顺从(compliance)于活性区段的通道和平台特征。这可以通过在两个区段中形成类似斜度和高度的特征来实现。所形成的特征具有相同高度帮助将板排列成均匀厚度。在【具体实施方式】中，重叠区段中的通道特征形成为相对于在活性区段中的那些特征成角度；具体地，所述特征可以相对于彼此正交。
[0058]如图5所示，使用CFD评估根据本公开的冷却剂旁通设计。评估了相邻重叠区段的活性区段的3通道部分的各种设计选项。这些构造还具有跨越边缘区段的周期性冷却剂和反应物阻塞。
[0059]图5A描绘了原始构造的压力图像，其中活性区段通道图案延续到重叠区段中。示出了冷却剂阻塞70和反应物阻塞72。图是以mg/s为单位示出了通过三个相邻活性区段通道的流动的柱状图。理想地，所有通道都将具有相同的流动，但是如果重叠区段提供了重要的流动路径，那么最接近重叠区段的第一通道将具有较高的流动(在旁通流动被阻塞的限制下测量的)。为了解决该问题，在其他构造中，重叠区段的冷却剂通路与活性区段冷却剂通路隔离。循环到重叠区段中的活性区段通道需要额外的支持，所以增加了循环。这种隔离构造的支持循环允许太多的流动，因为它们还打开了互连空间(图中标识为“隔离”)。因此，在支持循环侧(图中标识为“iso w/半阻塞”)上阻塞了互连空间，这不会改进相对流动。图5B示出了对于一种设计的最终压力图像，其中互连空间完全阻塞。示出了反应物阻塞72、隔离冷却剂体积74和支持循环76 (图中标识为“iso w/完全阻塞”)。需要完全阻塞来使通道流动达到类似水平。然而，出于局部冷却的考虑，可能不期望完全阻塞。因此，图5C描绘了另一个设计备选，其具有垂直支持物78以及由其形成的压力图像。这种设计保存了完全阻塞设计的平衡流动(图中标识为“iso w/垂直支持”)，但没有冷却缺陷。
[0060]图6A和6B描绘了重叠区段以及在两个对应流场板的活性区段与重叠区段之间的邻接区域。为了提供均匀的板顺从性，期望冲压重叠区段特征具有与活性区域特征类似的尺寸和对齐。对于非嵌套板，活性区域通道不对齐。重叠区段特征可具有类似的角度(活性区域通道被摆动来通过这些良好倾斜的冲压通道而防止板的嵌套或DM的剪切)，或者几乎正交。正交特征是旁通流动阻塞所期望的。重叠区段特征优选地具有与活性区段特征相同的高度，以便帮助将板排列成均匀厚度。如图6A和6B所示，重叠区段包括通道和场特征的变更构造，通道和场特征形成例如根据本公开的隔离的冷却体积、反应物通道阻塞、冷却剂阻塞和冷却剂互连。虽然仅示出了重叠区段的变更构造的五个不同示例，但是应当容易地理解的是，流场板重叠区段可以冲压或构思成具有本公开的范围内的通道和平台特征的各种变更构造，并且给出的那些示例仅用于阐述目的。图6C示出了在对齐图6A和6B中所描绘的对应的场流动板以形成双极板时所形成的通道和平台特征的图案。
[0061]虽然已经为了阐述本发明的【具体实施方式】的目的而示出了某些代表性实施方式和细节，但是所属领域技术人员将清楚的是，可以在不偏离附图中限定的本发明的范围的情况下做出各种改变。
【权利要求】
1.一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括:成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件(UEA)包括节省电解质膜，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得存在于所述MEA的外周边与所述子衬垫的内周边之间的重叠限定出重叠区域，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间；一对冲压流场板，在UEA的每侧上都有一个所述冲压流场板，以使得相邻燃料电池的流场板对齐来形成双极板，所述双极板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且在面积上实质地对应于所述重叠区域，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的构造并且所述重叠区段包括通道和平台特征的变更构造，这允许机械压力的水平足以将所述重叠区段密封并且足以实际上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述MEA和DM具有实际上相同的面积，并且在所述MEA与子衬垫之间的所述重叠区域的外边缘处一起终止以便DM实际上覆盖所述重叠区域。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括冷却剂阻塞通道特征，所述阻塞通道特征定位成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
5.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括反应物阻塞平台特征，所述阻塞平台特征定位成实际上避免相邻板之间的平台跨平台的对齐。
6.根据权利要求 1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成在对齐相邻板时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通。
7.一种包括至少一个根据权利要求1所述的燃料电池组的车辆。
8.一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括具有节省电解质膜的成套电极组件(UEA)，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得在MEA的外周边和子衬垫之间存在重叠，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间，每个UEA都设置在一对冲压流场板之间，每个流场板都构造成具有反应物通道和平台特征以使得相邻燃料电池的流场板的对齐形成包括冷却剂通路的双极板，其中，所述板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且限定为在所述MEA和所述子衬垫之间与重叠的区域在面积上共同延展，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的变更构造，所述变更构造包括通道和平台特征的图案、冷却剂阻塞通道特征以及反应物阻塞平台特征，其设计成实际上避免相邻板之间通道跨通道和平台跨平台的对齐，并且还设计成，在相邻板对齐时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放，其中，所述重叠区段的通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台特征实际上相同的斜度和高度，并且所述重叠区段的通道特征构造成具有一种角度，所述角度类似于或正交于所述活性区段的通道特征的角度。
9.一种包括至少一个根据权利要求18所述的燃料电池组的车辆。
10.一种用于燃料电池的冲压流场板，所述冲压流场板包括活性区段、重叠区段和密封区段，所述重叠区段邻接所述活性区段的外周边并且延伸到所述密封区段的内周边，所述活性区段构造成具有通道和平台特征以使得相邻邻近流场板之间的对齐形成双极板，所述双极板包括在所述活性区段中的反应物通道和冷却剂通路的构造、以及在所述重叠区段中特征的变更构造，所述变更构造包括下述各项中的一个或多个:冷却剂阻塞通道特征、反应物阻塞平台特征、实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过仅单个互连件与活性区段冷却剂流流体地连通，所述单个互连件定位成允许冷却剂通路的实现冷却剂填充所需要的有效排放；其中，所有特征都设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道和平台跨平台的对齐，并且另外地，其中，所述重叠区段的通道和平台特征具有与所述活性区段的通道和平台 特征实际上相同的斜度和高度。
【文档编号】H01M8/04GK104051772SQ201410094224
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】S.G.格贝尔, M.J.博伊特尔, J.A.罗克, R.汤普森, J.D.威廉斯, S.J.斯潘塞 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司