CN101630743B - 消除偏置的燃料电池板的冲压金属流场中的顺应填料区域 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及消除偏置的燃料电池板的冲压金属流场中的顺应填料区域。公开了一种燃料电池板组件，包括第一板，第一板具有多个隆起，其形成在第一板的流动通道的底部，其中，当第一板和第二板彼此相邻放置时，隆起邻接第二板的流动通道的底部。

Description

消除偏置的燃料电池板的冲压金属流场中的顺应填料区域
技术领域
本发明涉及一种燃料电池板，更具体地，涉及由第一板形成的双极燃料电池板组件，第一板具有多个隆起，其形成于形成在第一板上的流动通道的底部，其中，当第一板和第二板彼此相邻放置时，所述隆起邻接形成在第二板上的流动通道的底部。
背景技术
燃料电池已在很多应用中被用作电源。例如，燃料电池已被提议用在电动车动力装置中以替代内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢(或含有氢的气体)供应给燃料电池的阳极侧，氧作为氧化剂供应给阴极侧。该氧可为纯氧(O2)或空气。PEM燃料电池包膜电极组件(MEA)，其具有薄的、可传送质子的、不导电的固体聚合物电解质膜，该膜在一面上具有阳极催化剂且在相反面上具有阴极催化剂。若将扩散介质(DM)和/或阻挡层结合到MEA上并任选地用衬垫将其密封成一个单元，则该单元公知为单元化的电极组件(UEA)。为了形成单个燃料电池，将MEA或UEA设置在两个双极板组件之间。
双极板组件包含阳极板和阴极板，用于燃料电池堆中相邻的燃料电池。在双极板组件的阳极侧设置流动通道以便于氢流向每个MEA的阳极侧。在双极板组件的阴极侧设置流动通道以便于氧流向MEA或UEA的阴极侧。双极板组件由导电材料制成，例如不锈钢，以便它们传导由燃料电池生成的电。此外，形成双极燃料电池板组件的单个阳极板和阴极板通常在它们之间限定冷却剂流动通道，以便于冷却流体流经该通道以冷却燃料电池。
通常将多个单电池捆扎在一起以形成燃料电池堆且一般是布置成电串联。堆中的每个电池可包括UEA，每个UEA提供电压增量。堆中的一组相邻电池称为一簇。在美国共有专利No.5,763,113中示出并描述了多个电池在堆中的典型布置，在此以引用的方式引入其全部内容。燃料电池堆接收诸如氧的阴极输入气体，通常为由压缩机驱使通过电池堆的空气流。一些氧被电池堆消耗掉，而一些氧则作为阴极废气输出，该废气可包含作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流进电池堆的阳极侧。
在燃料电池和燃料电池堆中，组装时，需要将燃料电池堆进行压缩。压缩载荷通常由燃料电池板的活性区域中的UEA的扩散介质(DM)承载，以减小DM和燃料电池板之间的接触电阻。为了确保由DM承载压缩载荷，在非活性填料区域双极板组件和膜或垫片/辅助衬垫之间需要有隙距。由于构件厚度公差的变化，非活性填料区域中的隙距可在燃料电池之间变化，从而反应物通道的高度产生变化，由此反应物流可能会受到影响。另外，由于反应物压力的差别，隙距可允许UEA在相邻燃料电池板之间从一侧移动到另一侧，从而进一步影响反应物流。为了控制隙距以提供反应物流的均匀性和控制燃料电池堆中的压力，使冷却剂流在高于反应物流压力的压力下流动，且其量足以使相邻燃料电池板的填料区域扩展以接触设置在它们之间的UEA，从而抑制UEA的运动。
期望开发一种这样的燃料电池组件，其具有改进装置，用于正确地对齐相邻燃料电池板和设置在它们之间的UEA，以最大化经过燃料电池板的反应物流。
发明内容
根据本发明，令人惊讶地发现了一种燃料电池组件，其具有改进装置，用于正确地对齐相邻燃料电池板和设置在它们之间的UEA，以最大化经过燃料电池板的反应物流。
在一个实施例中，双极燃料电池板包括：第一板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；第二板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；多个隆起，其形成在第一板的流动通道的底部，其中，当第一板和第二板彼此相邻放置时，隆起邻接第二板的流动通道的底部。
在另一个实施例中，双极燃料电池板组件包括：第一板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；第二板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；多个隆起，其形成在第一板的流动通道的底部，隆起的长度大于宽度，其中，当第一板和第二板彼此相邻放置时，隆起邻接第二板的流动通道的底部。
在另一个实施例中，双极燃料电池板包括：第一板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；第二板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；多个隆起，其形成在第一板的流动通道的底部，隆起的长度大于宽度，其中，当第一板和第二板彼此相邻放置时，隆起邻接第二板的流动通道的底部。
附图说明
对于本领域技术人员而言，本发明的上述及其它优点从下面对优选实施例的详细描述中并根据附图考虑时将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明的一个实施例包含多个双极燃料电池板组件的燃料电池堆的分解透视图；
图2是图1所示双极板组件中的一个沿着线2-2所取的剖视图；
图3是图1所示双极板组件中的一个沿着线3-3所取的剖视图；
图4是形成在图1的双极板组件的阴极板的第二表面上的隆起的片断放大透视图；
图5是形成在图1的双极板组件的阳极板的第二表面中的凹陷的片断放大透视图；
图6是形成在根据本发明的另一个实施例的双极板组件的阴极板的第二表面上的隆起的片断放大透视图；以及
图7是形成在根据本发明的另一个实施例的双极板组件的阴极板的第二表面上的隆起的片断放大透视图。
具体实施方式
下面的详细描述和附图将描述和阐释本发明的各种示例性实施例。描述和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明，而并非用来以任何方式限制本发明的范围。
图1所示为包含单个发电燃料电池12的燃料电池组件10。虽然燃料电池12包含一对双极板组件22、24，但应该理解，其它的燃料电池类型和构型也可以使用，而不偏离本发明的范围和精神。还应该理解，燃料电池组件10可根据期望具有任何数目的燃料电池和燃料电池板。
燃料电池组件10的燃料电池12包含单元化的电极组件(UEA)14。UEA14包含质子交换膜(PEM)16，交换膜16在其每一侧都具有设置在阳极18和阴极20之间的阻挡层(未示出)。阳极18设置在PEM16和第一双极板组件22之间，而阴极20设置在PEM16和第二双极板组件24之间。应该理解，UEA14可根据期望包含扩散介质(DM)。还应进一步理解，UEA14的构件根据期望可为分开的构件，而不是组合的单元。UEA14设置在第一双极板组件22和第二双极板组件24之间，用作燃料电池12的集电器。
如图1-3所示，双极板组件22、24由一对板26、28形成。在所示实施例中，板26为阴极板，板28为阳极板。板26、28中的每个都具有第一表面30和第二表面32。板26、28的第一表面30包含多个形成在其上的流动通道36，在相邻流动通道36之间形成有台区38。在所示实施例中，流动通道36基本为直线形。但是，流动通道36根据期望可基本为波形、蛇形或具有其它构型。板26、28的第二表面32的外周边42结合在一起以在板26、28之间形成冷却剂通道34。板26、28可通过任何常规手段结合在一起，诸如例如通过焊接或施用粘合剂。根据期望，板26、28可不结合，而让板26、28设置成彼此相邻以在它们之间形成冷却剂通道34。板26、28可由任何常规材料形成，诸如例如石墨、碳纤维复合材料和冲压金属。
板26的第二表面32具有多个形成在其上的隆起40。如果板26由金属制成，那么隆起40在金属片形成板26的冲压过程中形成在板26的流动通道36的底部，或者隆起40可在板26形成之后形成在板26上。对于非金属的板26，隆起40在板26、28形成之后形成在流动通道36的底部。隆起40的纵轴线基本上平行于板26的每个流动通道36的纵轴线。隆起40从流动通道36的底部延伸到形成在板26、28之间的冷却剂通道34中。在图2-4所示实施例中，隆起40具有基本为梯形的形状，长度L大于宽度W。应该理解，隆起40根据期望可具有任何形状。在图2-4所示实施例中，隆起40的长度L大约为1.930mm，隆起40的宽度W基本上等于流动通道36的宽度。隆起40包含长度为1.150mm的平部分F。应该理解，根据期望，可在板26上形成任何数目的隆起40，该隆起可具有任何长度、宽度或平部分的长度。例如，根据期望，隆起的长度L可最小化至大约为0.20mm。另外，尽管隆起40形成在板26上，但隆起40也可根据期望形成在板28上。
如图1-3所示，当板26、28的外周边42在板结合之前对齐时，形成在板26的第一表面30上的流动通道36基本上垂直于形成在板28的第一表面30上的流动通道36。
如图2最佳示出的，板28的第二表面32上的流动通道36的底部邻接板26的隆起40。如图3最佳示出的，每个隆起40的纵轴线基本上垂直于板28的第二表面32上的每个流动通道36的底部的纵轴线。在燃料电池组件10的组装期间，当外周边42结合在一起或压缩在一起时，隆起40邻接与其垂直的板28的第二表面32流动通道36的底部，从而对板28的第二表面32施加力并使板28的未结合部分向外且远离隆起40变形。同时，板28的第二表面32对隆起40施加力，从而使板26的未结合部分向外且远离板28变形。隆起40的几何参数可设计成当板26、28受压时引起增大的力-变形响应。力-变形响应提供作用在UEA14上的夹紧力，从而将UEA14保持在期望的位置，而与反应物流压力无关。
隆起40的长度L足够长以接触板28的第二表面32上仅单个流动通道36的底部。所获得的双极板组件24具有基本弓形的截面形状。应该理解，根据期望，可使板26、28的整个未结合部分变形或使板26、28的局部部分例如它们的非活性区域变形。邻接板28的第二表面32的那部分隆起40可在其中造成凹陷44。凹陷44的尺寸和形状可基于隆起40的尺寸和形状以及在结合或压缩期间用来连接板26、28的压缩力的大小而变化。
在组装燃料电池组件10时，UEA14被放置在由结合的板26、28形成的双极板组件22、24之间。由于双极板组件22、24在非活性填料区域具有基本弓形的形状，故UEA被放置在双极板组件22、24之间并至少邻接它们的弓形部分，从而抑制UEA14在燃料电池组件10工作期间的运动。通过利用双极板组件22、24的弓形部分抑制UEA14的运动，不再需要通过增大经过冷却剂通道34的冷却剂流压力来扩展双极板组件22、24的填料区域。隆起40最大限度地减小了双极板组件22、24之间间隙的差异，使双极板组件22、24中的反应物流基本均匀，从而提高了燃料电池组件的工作效率。
图6示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池板26’的放大部分，除了下面所述之外，其类似于图4的燃料电池板26。从图2复制的相似结构，图6包含相同的标号和单撇符号(’)。
在图6所示实施例中，板26’为阴极板。板26’具有第一表面30’和第二表面32’。板26’的第一表面30’包含多个形成在其上的流动通道36’，在相邻流动通道36’之间形成有台区38’。流动通道36’基本为直线形。但是，流动通道36’根据期望可基本为波形、蛇形或具有其它构型。板26’的第二表面32’的外周边被结合到第二板(未示出)的外周边，以在板26’和第二板之间形成冷却剂通道。板26’和第二板可通过任何常规手段结合在一起，诸如例如通过焊接或施用粘合剂。根据期望，板26’和第二板可不结合。板26’和第二板可由任何常规材料形成，诸如例如石墨、碳纤维复合材料和冲压金属。
板26’的第二表面32’具有多个形成在其上的隆起40’。如果板26’由金属制成，那么隆起40’在金属片形成板26’的冲压过程中形成在板26’的流动通道36’的底部，或者隆起40’可在板26’形成之后形成在板26’上。对于非金属的板26’，隆起40’在板26’形成之后形成在流动通道36’的底部。隆起40’具有基本为梯形的形状，长度L’基本等于宽度W’。隆起40’根据期望可具有任何形状。在图6所示实施例中，隆起40’的长度L’大约为0.930mm，隆起40’的宽度W’基本上等于流动通道36’的宽度，隆起40’的平部分F’具有0.150mm的长度。应该理解，根据期望，可在板26’上形成任何数目的隆起40’。由于隆起40’的长度L’基本等于第二燃料电池板的流动通道的底部的宽度，故隆起40’不会延伸到冷却剂通道中。
当板26’的外周边和第二板的外周边在板结合或压缩之前对齐时，形成在板26’的第一表面30’上的流动通道36’基本上垂直于形成在第二板的第一表面上的流动通道。每个隆起40’的纵轴线基本上垂直于第二板第二表面上的每个流动通道底部的纵轴线。在燃料电池组件的组装期间，当外周边结合到第二板的外周边时，隆起40’邻接与其垂直的第二板的第二表面的流动通道的底部，从而对第二板的第二表面施加力并使第二板的未结合部分向外且远离隆起40’变形。同时，第二板的第二表面对隆起40’施加力，从而使板26’的未结合部分向外且远离第二板变形。所获得的双极板组件具有基本弓形的截面形状。隆起40’的几何参数可设计成当板26’、28’受压时引起增大的力-变形响应。力-变形响应提供作用在UEA上的夹紧力，从而将UEA保持在期望的位置，而与反应物流的压力无关。
图7示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池板26”的一部分，除了下面所述之外，其类似于图4的燃料电池板26。从图4复制的相似结构，图7包含相同的标号和双撇符号(”)。
在所示实施例中，板26”为阴极板。板26”具有第一表面30”和第二表面32”。板26”的第一表面30”包含多个形成在其上的流动通道36”，在相邻流动通道36”之间形成有台区38”。如图7所示，流动通道36”基本为直线形。但是，流动通道36”根据期望可基本为波形、蛇形或具有其它构型。板26”的第二表面32”的外周边被结合到第二板(未示出)的外周边，以在板26”和第二板之间形成冷却剂通道。板26”和第二板可通过任何常规手段结合在一起，诸如例如通过焊接或施用粘合剂。根据期望，板26”和第二板可不结合。板26”和第二板可由任何常规材料形成，诸如例如石墨、碳纤维复合材料和冲压金属。
板26”的第二表面32”具有多个形成在其上的隆起40”。如果板26”由金属制成，那么隆起40”在金属片形成板26”的冲压过程中形成在板26”的流动通道36”的底部，或者隆起40”可在板26”形成之后形成在板26”上。对于非金属的板26”，隆起40”在板26”形成之后形成在流动通道36”的底部。隆起40”的纵轴线基本上平行于板26”的每个流动通道36”的纵轴线。隆起40”从流动通道36”的底部延伸到形成在板26”和第二板之间的冷却剂通道中。在图7所示实施例中，隆起40”具有基本为梯形的形状，长度L”大于宽度W”。应该理解，隆起40”根据期望可具有任何形状。在图7所示实施例中，隆起40”的长度L”大约为3.330mm，隆起40”的宽度W”基本上等于流动通道36”的宽度，隆起40’的平部分F”具有2.550mm的长度。应该理解，根据期望，可在板26”上形成任何数目的隆起40”。
当板26”的外周边和第二板的外周边在板结合之前对齐时，形成在板26”的第一表面30”上的流动通道36”基本上垂直于形成在第二板的第一表面上的流动通道。每个隆起40”的纵轴线基本上垂直于第二板第二表面上的每个流动通道底部的纵轴线。在燃料电池组件的组装期间，当外周边结合到第二板的外周边时，隆起40”邻接与其垂直的第二板的第二表面的流动通道的底部，从而对第二板的第二表面施加力并使第二板的未结合部分向外且远离隆起40”变形。同时，第二板的第二表面对隆起40”施加力，从而使板26”的未结合部分向外且远离第二板变形。隆起40”的长度L”足够长以接触第二板的多个流动通道的底部。所获得的双极板组件具有基本为弓形的截面形状。隆起40”的几何参数可设计成当板26”、28”受压时引起增大的力-变形响应。力-变形响应提供作用在UEA上的夹紧力，从而将UEA保持在期望的位置，而与反应物流的压力无关。
从上面的描述中，本领域技术人员能够容易地发现本发明的基本特点，在不偏离本发明精神和范围的情况下，能够对本发明做出各种变化和修改，使之适应各种用途和条件。

Claims (15)

1.一种双极燃料电池板组件，包括：
第一板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；
第二板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；
多个隆起，其形成在所述第一板的流动通道的底部，其中，当所述第一板和所述第二板彼此相邻放置时，所述隆起邻接所述第二板的流动通道的底部，从而对第二板的第二表面施加力并使第二板的未结合部分向外且远离所述隆起变形，同时第二板的第二表面对所述隆起施加力，从而使第一板的未结合部分向外且远离第二板变形。
2.如权利要求1所述的双极燃料电池板组件，其中，所述隆起在冲压过程中形成在所述第一板中且所述隆起还形成在所述第二板中。
3.如权利要求1所述的双极燃料电池板组件，其中，所述隆起在板形成之后形成在所述第一板中且所述隆起还形成在所述第二板上。
4.如权利要求1所述的双极燃料电池板组件，其中，每个所述隆起具有足以接触所述第二板的多个流动通道的底部的长度。
5.如权利要求1所述的双极燃料电池板组件，其中，所述隆起的长度基本等于宽度。
6.如权利要求1所述的双极燃料电池板组件，其中，所述隆起适于在所述第一板和所述第二板受压时提供增大的力-变形响应。
7.一种双极燃料电池板组件，包括：
第一板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；
第二板，其具有第一表面和第二表面，多个流动通道形成在第一表面上；
多个隆起，其形成在所述第一板的流动通道的底部，所述隆起的长度大于宽度，其中，当所述第一板和所述第二板彼此相邻放置时，所述隆起邻接所述第二板的流动通道的底部，从而对第二板的第二表面施加力并使第二板的未结合部分向外且远离所述隆起变形，同时第二板的第二表面对所述隆起施加力，从而使第一板的未结合部分向外且远离第二板变形。 
8.如权利要求7所述的双极燃料电池板组件，其中，长度在0.20mm到3.330mm的范围内。
9.如权利要求7所述的双极燃料电池板组件，其中，每个所述隆起具有足以接触所述第二板的多个流动通道的底部的长度。
10.如权利要求7所述的双极燃料电池板组件，其中，所述隆起适于在所述第一板和所述第二板受压时提供增大的力-变形响应。
11.一种燃料电池组件，包括：
燃料电池堆，其包含多个燃料电池板，每个燃料电池板由第一板和第二板形成，第一板具有多个流动通道和多个表面，第二板具有多个流动通道和多个表面；以及
多个隆起，其形成在所述第一板的流动通道的底部，其中，当所述第一板和所述第二板彼此相邻放置时，所述隆起邻接所述第二板的流动通道的底部，从而对第二板的第二表面施加力并使第二板的未结合部分向外且远离所述隆起变形，同时第二板的第二表面对所述隆起施加力，从而使第一板的未结合部分向外且远离第二板变形。
12.如权利要求11所述的燃料电池组件，其中，所述隆起在冲压过程中形成在所述第一板中且所述隆起还形成在所述第二板中。
13.如权利要求11所述的燃料电池组件，其中，所述隆起的长度大于宽度。
14.如权利要求12所述的燃料电池组件，其中，长度在0.20mm到3.330mm的范围内。
15.如权利要求11所述的燃料电池组件，其中，每个所述隆起具有足以接触所述第二板的多个流动通道的底部的长度。 
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