CN101533916B - 用于pemfc电池组歧管的除水部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于PEMFC电池组歧管的除水部件，具体而言涉及一种双极板，包括定位成在该极板边缘上形成V形突出的成角面。离开反应物沟槽中的液体被抽回到该突出的V形凹槽中，不留下液体来阻挡该沟槽的出口开口。该双极板包括相对该双极板的另一部分偏移的该双极板的一部分，从而暴露出所述反应物沟槽。液体通过毛细作用力被排向该反应物沟槽的末端，同时气体能够在靠近所述偏移部分的开始处流出。一种燃料电池组，包括旋转成位于该双极板边缘的平面内的成角面。该边缘被切成斜面使得该反应物沟槽的沟槽出口开口位于其尖端部分，因而允许液体从该沟槽出口开口流出并且气体自由流出。

Description

用于PEMFC电池组歧管的除水部件
技术领域
本发明通常涉及燃料电池系统，且特定地涉及用于燃料电池组的除水系统。
背景技术
燃料电池作为能源已经在众多应用中得到使用。例如，已经提出了在电动交通工具动力装置中使用燃料电池以替换内燃机。在PEM型燃料电池中，将氢供应到燃料电池的阳极上并且将氧作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包含薄的、质子传导性的、非导电的固体聚合物电解膜，该膜的一个表面上具有阳极催化剂并且与该表面相对的表面上具有阴极催化剂。该MEA夹在一对导电元件之间，有时候被称作气体扩散介质部件，即：(1)作为阳极和阴极的电流收集器；(2)其中包含适当的开口，其用于在各个阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应物；(3)把产物水蒸气或液态水从电极移出到流场沟道；(4)对于排热来说是导热的；以及(5)具有机械强度。通常使用术语燃料电池指代依据本文的单一电池或者多个电池(例如，电池组)。多个分立的电池一般被绑定在一起以形成一燃料电池组并且一般串联布置。电池组中的每一个电池包含前述MEA，并且每一个这种MEA提供电压增量。
在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应物(即，燃料)以及氧气是阴极反应物(即，氧化剂)。所述氧气可以是纯氧(O2)，或空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解液通常由诸如全氟璜酸(perfluoronated sulfonic acid)的离子交换树脂制成。阳极/阴极通常包含精细分开的催化剂粒子，其通常被支撑在碳粒子上，并且与质子传导树脂相混合。该催化剂粒子通常是昂贵的贵重金属粒子。这些膜电极组件制造起来相对昂贵并且需要特定的条件用以进行有效工作，特定的条件包括适当的水管理和加湿，以及对催化剂污染组分诸如一氧化碳(CO)的有效控制。
可以参考如下文件而得知涉及到PEM的技术以及其它相关类型的燃料电池系统的实例：共同转让的授予Witherspoon等的美国专利3985578；授予Swathirajan等的5272017；授予Li等的5624769；授予Neutzler的5776624；授予DiPierno Bosco等的的6103409；授予Swathirajan等的6277513；授予WoodsIII等的的6350539；授予Fronk等的6372376；授予Mathias等的6376111；授予Vyas等的6521381；授予Sompalli等的6524736；授予Senner的6528191；授予Fly等的6566004；授予Forte等的6630260；授予Fly的6663994；授予Senner的6740433；授予Nelson等的6777120；授予Brady等的6793544；授予Rapaport等的6794068；授予Blunk的6811918；授予Mathias等的6824909；授予Senner的美国专利申请公开2004/0229087；授予O’Hara的2005/0026012；授予O’Hara等的2005/0026018；授予O’Hara等的2005/0026523，所有这些的全部说明被明确地通过援引而合并入本文。
在常规PEM燃料电池组中，在电池反应中产生水。水必须同使用过的反应气体一起从电池组中移除，并且通常流经相同的反应物流动沟槽和歧管。当水朝着电池组的出口以液滴、块状、以及膜状的液态聚集时，这趋于阻碍反应物气体的流动，因而导致在电池组工作中的不稳定和性能退化。本发明提出了一种可以克服水在流场沟槽中的聚积的方法，即双极板的亲水涂层。使用这种高可湿性的材料，包括二氧化硅、氧化钛、或其它类似金属氧化物，从气体扩散介质流入到流场中的水将有助于形成薄的液体膜，而不会显著阻止反应气体流。该方法表现出对燃料电池组的工作稳定性的显著改善，特别是在低功率条件下难以实现在分立电池中反应物的平均分配的情况下。
即使在流场沟槽中通过亲水涂层对水和气体的传送提供了改进，水管理议题在靠近沟槽的末端处仍变得至关重要，在这里各种状态必须过渡到这样一个区域，即作用在流动上的流动速度和力度完全不同。更特定地，易于在出口歧管壁的表面上形成水膜，该出口歧管壁覆盖了反应物沟槽的末端开口，因而阻挡了气流。该膜受到移动气流力、毛细作用力以及重力作用。然而，在某些低功率工作条件下，移动气流力可能不足以克服该液体膜并且气体通道将被阻塞。
因此，存在对新型和改进的燃料电池系统的需求，尤其是包括那些管理从其中(特别是在位于反应物沟道出口末端的附件)除水的系统的燃料电池系统。
发明内容
根据本发明的第一实施例，提供一种用于结合燃料电池使用的双极板，包含：(1)双极板的边缘部分；(2)从该边缘部分向外延伸的至少一个基本上V形的突出，该突出具有第一和第二侧表面；(3)与该突出的所述第一或第二侧表面相邻的至少一个基本上V形的凹槽部分；(4)形成在该双极板中的沟槽；以及(5)形成在该突出的第一或第二侧表面的沟槽出口开口。
根据本发明的第一可选实施例，提供一种用于结合燃料电池使用的双极板，包含：(1)第一双极板部分；(2)与该第一双极板部分相邻的第二双极板部分；(3)形成在该第一和第二双极板部分之间的沟槽；以及(4)形成在该第一和第二双极板部分中的沟槽出口开口，其中该第一或第二双极板部分的第一边缘部分相对于该第一或第二双极板部分的第二边缘部分偏移，从而暴露该沟槽的至少一部分。
根据本发明的第二可选实施例，提供一种用于结合燃料电池使用的双极板，包含：(1)具有第一倾斜尖端部分的第一双极板部分，其中该第一倾斜尖端部分位于该第一双极板部分的平面内；(2)第二双极板部分，其具有与第一双极板部分相邻的第二倾斜尖端部分，其中该第二倾斜尖端部分位于该第二双极板部分的平面内；(3)形成在该第一和第二双极板部分之间的沟槽；以及(4)形成在该第一或第二倾斜尖端部分中的沟槽出口开口。
双极板还可以包含具有第三倾斜尖端部分的第三双极板部分，其中该第三倾斜尖端部分位于该第三双极板部分的平面内；和第四双极板部分，其具有相邻于该第三双极板部分的第四倾斜尖端部分，其中该第四倾斜尖端部分位于该第四双极板部分的平面内。其中第一、第二、第三或第四倾斜尖端部分中的至少两个基本上互相对齐。
本发明的进一步的实施领域将会在此后提供的详细描述中变得显而易见。应当理解的是，当展示本发明的优选实施例时，详细描述和特定实例将仅仅是为了示例并不会限定本发明的范围。
附图说明
本发明将在详细描述和附图中得到更全面的理解，其中
图1是根据本发明的常规教导的双极板的平面图；
图2是根据本发明的第一实施例的双极板的边缘部分的局部透视图；
图3是根据本发明的第一可选实施例的双极板的第一可选边缘部分的局部透视图；
图4是根据本发明的第二可选实施例的双极板的第二可选边缘部分的局部透视图；以及
图5是根据本发明的第三可选实施例的燃料电池组的局部截面图。
具体实施例
优选实施例的以下说明实际上仅是示例性的并且决不会限定本发明、其应用或用途。
根据本发明的常规教导，通过使用集成到该双极板组件中的几何部件产生的毛细作用力，能够从该反应物沟槽的开口处移除液态水膜。应该理解的是，本发明可以用成型金属双极板以及复合塑料双极板实施，包括配置为叠层结构的那些。本发明的双极板与燃料电池结合是特别有用的，例如但不限定于PEM燃料电池。
参考图1，根据本发明的常规教导，示出通常以10表示的双极板。更特定地，示出该双极板10的出口歧管18末端壁16中的反应物出口沟槽14的末端12的相对位置。应该理解的是本发明能够用任意类型的燃料电池实施，其中水管理是至关重要的，特别是在邻近反应物出口沟槽或附近的结构/表面处。
参考图2，根据本发明的一个方面，成角面100被设置到形成出口歧管末端壁的双极板104的板边缘102中。在板边缘102上定位这些面100从而形成齿状或V形突出106。应该注意的是仅出于定位目的，在特定视角中，穿过双极板(即其中的沟槽)的流动将向下且穿出纸面。
不受本发明的实际工作原理的约束，可以确信的是，离开反应物沟槽108的液态水通过例如毛细作用力被抽回到位于沟槽出口开口112之间的齿状物106的V形凹槽110中，不存留或者基本上不存留液体膜(例如水)来覆盖和阻塞沟槽出口开口112。这能使得反应物气体相对容易地离开每一个反应物沟槽108而不受阻挡或至少基本上不受阻挡。在这种情况下，存在着与每一个齿状物106相关联的一个或多个沟槽出口开口112，即齿状物106的一侧或两侧表面可以设置有一沟槽出口开口112。在该实施方式中，沟槽出口开口112位于沿齿状物106的侧表面106a的长度方向上的中点处。这样，反应物沟槽108的沟槽出口开口112横贯齿状物106的面100，并且彼此流体连通。还应当理解的是沟槽出口开口112这样被配置，即其与相邻沟槽出口开口112之间不是同样流体连通的。
在邻接的极板中的V形凹槽110对齐以增强在整个歧管面上的作用并有助于引导水沿着双极板到双极板之间的连接处流至与歧管的边缘并且从燃料电池组流出。即，当连续的双极板添加到电池组组件中，V形凹槽110可以相互对齐。
参考图3，根据本发明的另一方面，沟槽出口开口200可以位于齿状物202的最尖端，与其侧表面的中间点相对。在这种情况下，沟槽出口开口200沿着齿状物200的侧表面部分202a延伸；然而，该开口一直延伸到齿状物的尖端部分202b，因而形成单一的开口。以这种方式，沟槽出口开口的一侧200a与沟槽出口开口200的另一侧 200b流体连通。应该注意的是仅出于定位目的，在该特定视角中，穿过双极板(即其沟槽)的流动将向下且穿出纸面。
而且，正如使用图2所描述的实施例，可以确信图3描述的实施例允许离开反应物沟槽204中的液态水被抽回到位于沟槽出口开口200之间的齿状物208的V形凹槽206中，不存留或者基本上不存留液体膜(例如水)来覆盖和阻塞沟槽出口开口200。这能使得反应物气体相对容易地离开每一个反应物沟槽204而不受阻挡或至少基本上不受阻挡。
参考图4，仍然根据本发明的另一个方面，示出双极板300，其中双极板300的一个部分302(例如上部)相对于双极板300的另一部分304(例如下部)偏移从而暴露反应物沟槽306。可以看到，该特定实施例因没有“锯齿”布置而与图2和3描述的实施例不同。应该注意的是，在该特定视角中，仅出于定位目的，穿过双极板(即其沟槽)的流动将是从左到右并穿出纸面。不受本发明的实际工作原理的约束，可以确信的是，液态水通过毛细作用力朝反应物沟槽306的三侧面部分310的末端部308抽吸，而同时气流自由流出靠近偏移部分312的开始位置。
参考附图5，仍然再根据本发明的另一方面，示出燃料电池组400，其中成角面402旋转90°位于分立的双极板边缘404自身的平面中。应该注意的是，在该特定视角中，仅出于定位目的，穿过双极板(即其中的沟槽)的流动将从左到右。
更特定地，双极板404的边缘被切成斜面，使得反应物沟槽408的沟槽出口开口406位于反应物沟槽408的尖端部分410，因而允许液态水流动离开沟槽出口开口且允许气体自由流出。应该注意的是，沟槽出口开口406还可以位于面402的中心部分，这样水能够被排向板与板的连接处并从该处流向电池组出口。
双极板还可以包含具有第三倾斜尖端部分的第三双极板部分，其中该第三倾斜尖端部分位于该第三双极板部分的平面内；和第四双极板部分，其具有相邻于该第三双极板部分的第四倾斜尖端部分，其中该第四倾斜尖端部分位于该第四双极板部分的平面内。其中第一、第二、第三或第四倾斜尖端部分中的至少两个基本上互相对齐。
还应该注意的是亲水涂层，例如但不限于二氧化硅，可以选择性地应用于任一种前述几何形状来增强毛细作用力的几何效应。而且，还应该注意的是，当电池组极板水平或垂直定向时，重力效应将会不同程度地互相影响，并且对水流动的影响在该实施例中会比另一个更明显。
本发明的一个预期优点因而包括但不限定于，从沟槽出口和歧管壁的区域除去阻挡气体流动且导致电池组在低负载下工作的不稳定性的液态水。可见，该改进还有利于提高耐冷冻性，减少电池之间的异常分布以及改善燃料电池组的性能。
因而，本发明的说明实际上仅是示例性的，不脱离本发明的要旨的变动属于本发明的范围内。这种变动不能视作脱离了本发明的宗旨和范围。

Claims (21)

1.一种用于结合燃料电池使用的双极板，包含：
该双极板的边缘部分；
从该边缘部分向外延伸的至少一个基本上是V形的突出，该突出具有第一和第二侧表面；
与该突出的所述第一或第二侧表面相邻的至少一个基本上是V形的凹槽部分；
形成在该双极板中的沟槽；和
形成在该突出的第一或第二侧表面中的沟槽出口开口。
2.如权利要求1所述的双极板，其中该燃料电池是质子交换膜燃料电池。
3.如权利要求1所述的双极板，其中该沟槽可工作以传输液体和气体材料。
4.如权利要求1所述的双极板，其中离开该沟槽出口开口的液体被抽向所述凹槽。
5.如权利要求1所述的双极板，其中离开该沟槽出口开口的液体通过毛细作用力被抽向该凹槽。
6.如权利要求1所述的双极板，还包括多个所述突出。
7.如权利要求6所述的双极板，其中所述多个突出基本上互相对齐。
8.如权利要求1所述的双极板，还包括多个所述凹槽。
9.如权利要求1所述的双极板，其中该沟槽出口开口沿着该突出的尖端部分延伸。
10.如权利要求1所述的双极板，其中该沟槽出口开口沿着该突出的该第一或第二侧表面的长度的中点部分延伸。
11.如权利要求1所述的双极板，其中该双极板由选自包括金属、塑料及其组合的组中的材料组成。
12.如权利要求1所述的双极板，还包含涂敷到该双极板的表面上的亲水涂层。
13.一种用于结合燃料电池使用的双极板，包含：
具有第一倾斜尖端部分的第一双极板部分，其中该第一倾斜尖端部分位于该第一双极板部分的平面内；
第二双极板部分，其具有与第一双极板部分相邻的第二倾斜尖端部分，其中该第二倾斜尖端部分位于该第二双极板部分的平面内；
形成在该第一和第二双极板部分之间的沟槽；以及
形成在该第一或第二倾斜尖端部分中的沟槽出口开口。
14.如权利要求13所述的双极板，其中该燃料电池是质子交换膜燃料电池。
15.如权利要求13所述的双极板，其中该沟槽可工作以传输液体和气体材料。
16.如权利要求13所述的双极板，其中离开该沟槽出口开口的液体从该沟槽出口开口被向外抽出。
17.如权利要求13所述的双极板，其中离开该沟槽出口开口的液体通过毛细作用力从该沟槽出口开口被向外抽出。
18.如权利要求13所述的双极板，还包含涂敷到该双极板的表面上的亲水涂层。
19.如权利要求13所述的双极板，其中该双极板由选自包括金属、塑料及其组合的组中的材料组成。
20.如权利要求13所述的双极板，还包含：
具有第三倾斜尖端部分的第三双极板部分，其中该第三倾斜尖端部分位于该第三双极板部分的平面内；
第四双极板部分，其具有相邻于该第三双极板部分的第四倾斜尖端部分，其中该第四倾斜尖端部分位于该第四双极板部分的平面内。
21.如权利要求20所述的双极板，其中所述第一、第二、第三或第四倾斜尖端部分中的至少两个基本上互相对齐。
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