CN101383424B - 用于改进流动分配和冷冻兼容性的燃料电池双极板出口 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改进流动分配和冷冻兼容性的燃料电池双极板出口。其中燃料电池组件利用从组件的燃料电池板延伸到燃料电池组件歧管的水输送结构，其中水输送结构有助于液体水从燃料电池板输送，由此减小液体水和冰在燃料电池组内积累。

Description

用于改进流动分配和冷冻兼容性的燃料电池双极板出口
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组件，并且更特别是涉及一种采用部分布置在燃料电池组歧管内以有助于液体水从燃料电池组件输送的水输送结构的燃料电池组件。
背景技术
燃料电池功率系统将燃料和氧化剂转换成电能。一种类型的燃料电池功率系统采用质子交换薄膜(此后称为“PEM”)，以便有助于燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气或氧)的催化反应从而产生电能。PEM是固体聚合物电解质，有助于质子从通常用于燃料电池功率系统的燃料电池组的每个单独的燃料电池内的阳极输送到阴极。
在燃料电池功率系统的典型燃料电池组中，单个燃料电池提供多种反应剂和冷却流体流过其中的通道。燃料电池板可以是单极的，或者双极板可以通过将多个单极板组合来形成。燃料电池板可设计有蜿蜒的流动通道。蜿蜒流动通道是有利的，这是由于它们在操作中的燃料电池的有效区域上有效地分布反应剂，由此使得性能和稳定性最大。水从流动通道到燃料电池板的出口歧管的运动通过反应剂流过燃料电池的流动来造成。拖曳力造成液体水流过通道，直到液体水经由出口歧管离开燃料电池为止。但是，在燃料电池在低功率输出下操作时，气体流动速度过低，而不能产生有效拖曳力来输送液体水。并且液体水在流动通道内积累。
依赖气体流动拖曳力来去除液体水的其它限制在于拖曳力不会很强，而不能有效地输送产生会造成水积累和汇集的滞留点的液体水，由此停止水流动。这种滞留点是通常位于通道出口与燃料电池组歧管交汇的位置。
某些当前的燃料电池组件采用具有亲水表面的板。观察到水在材料表面上形成薄膜，并且在流动通道的出口和板的周边积累。水薄膜可阻挡气体流动，继而减小去除液体水的驱动力，并防止液体从燃料电池组中去除。水的积累可造成气体流动被阻挡或者流动不平衡，会对于电池组的性能造成不利影响。
另外，积累的水可在燃料电池组中形成冰。水和冰的存在会影响燃料电池组件的性能。在燃料电池组件的典型操作中，来自于燃料电池反应的废弃热量加热组件，减小组件内蒸气凝结以及冰的形成。在燃料电池在零下温度下的开始操作和低功率操作中，燃料电池板的流动通道和出口歧管的边缘处的凝结水可在燃料电池组件中形成冰。冰的形成限制了反应剂流动，造成电压损失。
希望的是开发一种具有改进装置的燃料电池组件，该装置用来从燃料电池组的燃料电池的气体流动通道中去除液体水，以便减小燃料电池组件中液体水和冰的积累。
发明内容
按照本发明，令人吃惊地发现一种具有用来从燃料电池组的燃料电池气体流动通道中去除液体水以便减小燃料电池组件中液体水和冰的积累的改进装置的燃料电池组件。
在一个实施例中，燃料电池板包括具有形成其中的第一开口的板；形成在所述板上的多个流动通道；以及布置在至少一个所述流动通道和所述板的开口之间的水输送结构，以有助于将水从至少一个所述流动通道输送到开口。
在另一实施例中，燃料电池板包括双极板；形成在所述双极板的每个表面上的多个流动通道；穿过所述双极板形成的至少一个开口；以及水输送结构，其中所述水输送结构包括在流动通道和开口之间穿过形成在所述双极板的表面内的开口布置的第一端、布置在所述双极板的表面之间的中间部分以及从中间部分延伸到开口的第二端。
在另一实施例中，燃料电池组件包括具有多个燃料电池板的燃料电池组，每个燃料电池板具有多个流动通道和多个表面，其中每个燃料电池板包括形成其中的至少一个开口，燃料电池板的开口大致对准以便形成歧管；以及从每个燃料电池板的开口的内边缘延伸到歧管的水输送结构，其中水被造成从燃料电池板流动经过所述水输送结构并流过歧管。
附图说明
在结合附图考虑时，本领域普通技术人员从优选实施例的以下详细描述中将容易理解本发明的所述以及其它优点，附图中：
图1是按照本发明的实施例在燃料电池组歧管内结合水输送结构的燃料电池组的截面图；
图2是图1的燃料电池组的水输送结构的示意截面图；
图3是图1所示的燃料电池组的燃料电池板的顶部平面图；
图4是图3的燃料电池板的放大局部顶部平面图。
具体实施方式
下面的详细描述和附图说明和描述本发明的示例性实施例。该说明和描述用来使得本领域普通技术人员利用和使用本发明，并且不打算以任何方式限制本发明。
图1和2表示按照本发明实施例的燃料电池组件10。燃料电池组件包括多个燃料电池板12。每个板12包括入口开口、出口开口以及多个水输送结构18。每个板12的入口开口相互结合以便形成入口歧管14，并且每个板12的出口开口相互结合以便形成出口歧管16。入口歧管14与入口28流体连通，并且出口歧管16与出口30流体连通。理解到图1和2所示的燃料电池组件10可以是任何阳极侧或阴极侧的截面图。
图3和4表示由一对单极板形成的双极燃料电池板12的顶部平面图。双极板12包括两个入口开口20、两个出口开口22和多个流动通道24。应该理解到流动通道24可包括布置在燃料电池板12的外表面上的通道，以及靠近燃料电池板12的内表面布置的通路。还应该理解到燃料电池组件10内的板12的构造材料、尺寸、形状、质量和类型以及组件10内的燃料电池板12的构造可根据例如要产生电能数量、通过燃料电池组件10供能的机器10的尺寸、流过燃料电池组件10的气体的容积流速以及其它类似因素的设计参数来变化。燃料电池板12可由任何传统材料形成，例如石墨、碳合成物或者冲压金属。图3所示的燃料电池板12可用于燃料电池组件10的阳极侧或阴极侧(未示出)。另外，应该理解到根据需要板12可具有任何数量的入口开口20和出口开口22。但是，根据需要，流动通道24可以是大致线性、蜿蜒或者具有其它的构造。
水输送结构18在入口开口20和出口开口22处布置在燃料电池板12上，如图3和4所示。应该理解到或多或少的水输送结构18可根据需要来使用。水输送结构18包括第一端18a、第二端18c和形成在第一端18a和第二端18c之间的中间部分18b。
水输送结构18的第一端18a延伸到靠近流动通道24和入口20以及靠近流动通道24和出口22形成在燃料电池板12的开口26内。虽然根据需要，可以使用其它的构造，通常，开口26靠近垫片32和流动通道24形成，如图2所示。
水输送结构18的中间部分18b布置在燃料电池板12的单极板之间。在所示的实施例中，水输送结构18的中间部分18b围绕垫片32。因此，靠近垫片32提供流动路径，如图2所示。
水输送结构18的第二端18c从燃料电池板12之间延伸到入口开口20和出口开口22。在所示的实施例中，水输送结构18具有大致矩形的形状。但是，根据需要，水输送结构18可具有任何形状，例如三角形、曲线形以及不规则形状。如图1和2所示，水输送结构18的第二端18c由于重力向下悬置，由此造成相邻的第二端18c大致邻靠。但是，应该理解到根据需要第二端18c可具有单独或其它的构造。
水输送结构18可以由任何传导性多孔材料形成，例如泡沫体、棉花、羊毛、玻璃纤维、毛毡、植绒织物、纸张以及纸张和聚合物纤维的合成物。水输送结构18还可包括亲水涂层，例如氧化硅(SiOx)，另一金属氧化物，或者其它化学涂层，例如亲水涂层，或者由亲水或疏水材料形成。
入口歧管14包括通过燃料电池板12的入口开口20与形成在燃料电池组件10内的入口歧管14流体连通的入口28。板12叠置，其中每个板12的入口开口20与相邻的板或燃料电池板12的入口开口20大致对准。应该理解到歧管14的直径、质量和长度将取决于燃料电池板12内的入口开口20的尺寸和质量以及叠置在燃料电池组件10内的燃料电池开口20的数量。
出口歧管16包括通过燃料电池板12的出口开口22与形成在燃料电池组件10内的出口歧管16流体连通的出口30。板12叠置，其中每个板12的出口开口22与相邻板或板12的出口开口22大致对准。应该理解到出口歧管16的直径、质量和长度将取决于板12内的出口开口22的尺寸和质量以及在燃料电池组件10内叠置在一起的板12的数量。
通常，在燃料电池功率系统的操作过程中，氢反应剂被供应到燃料电池组件10的阳极侧上。因此，氧反应剂被供应到燃料电池组件10的阴极侧上。在阳极侧，氢被催化地分成质子和电子。氧化半-电池反应通过H2
Figure G2008102138078D0005102210QIETU
2H++2e-表示。在聚合物电解质薄膜燃料电池中，质子透过薄膜到阴极侧。电子沿着外部载荷回路到阴极侧，形成燃料电池组件10的电流。在阴极侧，氧与透过薄膜的质子和来自于外部回路的电子反应，以便形成水分子。这种还原半-电池反应通过4H++4e-+O2
Figure 2008102138078100002G2008102138078D0005102210QIETU
2H2O表示。来自于阳极侧的阳极废物流过背压控制阀到燃烧器，或者可选择地重新循环回到阳极入口歧管。来自于阴极侧的阴极废物流过第二背压控制阀到燃烧器或者到周围环境。控制模块通常通过操作不同的控制阀、背压控制阀和压缩机来调节氢流、氧流以及废物流的状态，以响应来自于连接到燃料电池组件10的压力传感器和电功率传感器的信号。
在燃料电池组件10的操作过程中，液体水的液滴形成在燃料电池组件10的阴极侧上的燃料电池板12的通道24内。某些水同样可输送到阳极流动通道，或者可由于氢的消耗造成凝结而形成在阳极通道内。应该理解到这里针对阴极侧描述的操作类似于燃料电池组件10的阳极侧的操作。流过阴极侧的空气流造成水的液滴朝着出口歧管16流过通道24。水蒸气同样朝着出口歧管16流动。一旦水液滴接触水输送结构18的第一端18a，水经由中间部分18c通过水输送结构18带走，并从第二端18b进入歧管14、16。由于开口26靠近垫片32和流动通道24形成，水和蒸气可从组件10去除，同时还有助于通过垫片32进行适当密封。如果水输送结构18如图3所示隔开，水和水蒸气将以公知的去除水的方式同样经由歧管14、16并从燃料电池组件10输送经过水输送结构18。如果水输送结构18包括亲水涂层或者由亲水材料制成，这将提供另外的毛细管力来吸引水液滴和凝结水蒸气。废物的气流同样经过水输送结构18并经过出口歧管16。如果水输送结构18包括亲水涂层或者由亲水材料制成，毛细管作用通过涂层或材料的排斥性能来辅助。
希望的是可以根据用于水输送结构18的材料而采用三种不同的水输送机构来从通道24去除水。首先，多孔材料18可形成开放连续孔口的网络，能够利于毛细管力在其中输送水。其次，由于水输送结构18的第二端18c邻靠并形成经过燃料电池组件10的入口歧管14和出口歧管16的连续路径，通过水输送结构18吸收的水将形成静压头，以有助于将水从歧管14、16去除。虽然不是必须的，希望的是水输送结构18的一部分饱和以便形成足够的压头来造成水从水输送结构18排出。如果饱和部分不在水输送结构18中形成，蠕动泵(未示出)可用于燃料电池组件10，以造成水流过组件10并流出水输送结构18。蠕动泵可以是在例如2005年六月的题为“Pump to Remove Water forma Wick”Pub.No.4940840.G.中由无名氏披露的蠕动泵。第三，在燃料电池组件10的操作过程中，希望的是操作循环的一部分将造成出口反应剂流不太饱和，其中蒸发将有助于水从水输送结构18中去除。
从以上描述中，本领域普通技术人员容易确信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，可对于本发明进行多种变化和变型，使其适用于多种应用和情况。

Claims (21)

1.一种燃料电池板，包括：
板，具有形成其中的第一开口；
多个流动通道，形成在所述板上；以及
水输送结构，布置在至少一个所述流动通道和所述板的开口之间，以有助于水从至少一个所述流动通道输送到开口。
2.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，所述板包括在流动通道和第一开口之间形成其中的第二开口，所述水输送结构的第一端布置在第二开口内。
3.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构是由泡沫体、棉花、羊毛、玻璃纤维、毛毡、植绒织物、纸张以及纸张和聚合物纤维合成物之一形成的多孔材料。
4.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构是非传导性的。
5.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构由亲水材料和疏水材料之一形成。
6.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构包括亲水涂层和疏水涂层之一。
7.如权利要求6所述的燃料电池板，其特征在于，亲水涂层是金属氧化物。
8.如权利要求7所述的燃料电池板，其特征在于，亲水涂层是氧化硅。
9.如权利要求1所述的燃料电池板，其特征在于，还包括多个隔开的水输送结构。
10.一种燃料电池板，包括：
双极板，具有形成其中的第一开口和第二开口；
多个流动通道，形成在所述双极板的每个表面上；以及
水输送结构，其中所述水输送结构包括延伸到第二开口内的第一端、布置在所述双极板的表面之间的中间部分以及延伸到第一开口内的第二端。
11.如权利要求10所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构由泡沫体、棉花、羊毛、玻璃纤维、毛毡、植绒织物、纸张以及纸张和聚合物纤维合成物之一形成。
12.如权利要求10所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构是具有变化孔口尺寸的泡沫体。
13.如权利要求10所述的燃料电池板，其特征在于，所述水输送结构包括亲水涂层和疏水涂层之一。
14.如权利要求13所述的燃料电池板，其特征在于，亲水涂层是金属氧化物。
15.如权利要求10所述的燃料电池板，其特征在于，还包括多个隔开的水输送结构。
16.一种燃料电池组件，包括：
燃料电池组，包括多个燃料电池板，每个燃料电池板具有多个流体通道和多个表面，其中每个燃料电池板包括形成其中的至少第一开口，燃料电池板的至少第一开口大致对准以便形成歧管；以及
水输送结构，从每个燃料电池板的第一开口的内边缘延伸到歧管内，其中水被造成从燃料电池板流过所述水输送结构，并经过歧管。
17.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，所述水输送结构包括在流动通道和每个燃料电池板的第一开口之间穿过形成在每个燃料电池板的表面内的第二开口布置的第一端、布置在燃料电池板的表面之间的中间部分以及从燃料电池板之间延伸到第一开口内的第二端。
18.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，所述水输送结构由泡沫体、棉花、羊毛、玻璃纤维、毛毡、植绒织物、纸张以及纸张和聚合物纤维合成物之一形成。
19.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，所述水输送结构包括亲水涂层和疏水涂层之一。
20.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，还包括多个隔开的水输送结构。
21.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，延伸到歧管内的所述水输送结构的一部分大致邻靠相邻燃料电池板的水输送结构。
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