CN102888638B - 在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法，其在集成块的长且复杂的内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。具体来说，在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备包括：含有氧化层形成所需的电解质的电解槽、用于从电源向浸入电解槽的电解质中的集成块并向电解质供应氧化层形成所需的电子流的电极、和用于向电解质供应氧的空气源。更具体些，与电解质连接的电极插入到集成块的每一内流场中以在其中提供有效的电子流。

Description

在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池组用集成块。更具体地，本发明涉及在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法，其可以在集成块的长且复杂的内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。

背景技术

燃料电池是发电系统，其在燃料电池组中不是通过燃烧将燃料的化学能转化为热，而是通过电化学将化学能直接转化为电能。目前，最具吸引力的车用燃料电池之一是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其在目前市场上的燃料电池中具有最高的功率密度。

包括在PEMFC中的燃料电池组包括膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、垫片(gasket)、密封部件和隔板。MEA包括聚合物电解质膜，其中氢离子通过所述聚合物电解质膜运输。其中发生有电化学反应的电极/催化剂层布置在聚合物电解质膜的两侧的各侧。GDL的作用是均匀地扩散反应气体并传输产生的电。垫片的作用是为反应气体和冷却剂提供合适的气密性。密封部件的作用是提供合适的结合压力。隔板的作用是支持MEA和GDL、收集并传输产生的电、传输反应气体、传输并除去反应产物、和传输冷却剂以除去反应热等。

燃料电池组还包括用于形成燃料电池组的进口流场和出口流场的集成块，该集成块作为一种使气体和冷却剂在反应前和反应后流进和流出燃料电池组的流场部件。该集成块具有长且复杂的内流场，其中气体和冷却剂经过所述内流场。当在燃料电池车辆中安装多个组模块时，附在组模块外部的集成块起到均匀地向每一组模块供应反应气体(空气和氢)和冷却剂的作用。

为制造这样的集成块，已使用经铝铸造法来制造集成块并在集成块的外流场和内流场上形成氧化层以改进耐腐蚀性的方法。在该方法中，氧化层可以通过等离子体电解氧化(PEO)或阳极氧化来形成，其中将以印模压铸的集成块浸入由无机材料作为主要成分制成的电解质中。然后对其施加电，因而通过电化学形成氧化层。

参考图1，在将集成块3置于含有电解质的电解槽1中后，将正电极与集成块3连接，负(-)电极5与电解质连接，正(+)电极4与集成块3连接，并且将氧(空气)供应至电解质，从而在集成块3的表面上形成氧化层。此处，气泡发生器2在电解槽1中产生气泡，使得可以供应集成块形成所需的足量的氧。因此，该气泡发生器通过产生的起泡向电解质供应大量的氧。

然而，根据该常规方法，尽管可以很容易地在集成块的外部和内流场的进口形成氧化层，却很难向内流场的内部供应氧化层形成所需的电力。即，需要供应氧化反应所需的充足的氧，从而在内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。然而，即使在通过设置在电解槽中的气泡发生器产生气泡时，充足的氧并没有同步供应到内流场的内部。因此，当存在于内流场的电解质中的氧随着氧化层形成的进行而耗尽时，不再形成氧化层，使得难以在内流场的内部形成氧化层。因此，在常规方法中，仅内流场的进口形成氧化层。

图2是示出没有氧化层形成的区域的示意图。参考图2，尽管可以以流场进口宽度B的约两倍的长度形成氧化层，氧化层不在其它区域(L-(2xB+2xB))形成。如此，氧化层没有在集成块的长且复杂的内流场的整个表面上均匀地形成。因此，需要解决该问题以在集成块上提供充分的氧化。

以上在该背景部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能含有不构成为该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法，其在集成块的长且复杂的内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。

一方面，本发明提供用于在集成块上形成氧化层的设备，该设备包括：电解槽，含有氧化层形成所需的电解质；电极，用于从电源向浸入电解槽的电解质中的集成块并向电解质供应氧化层形成所需的电力；和供氧源，用于向电解质供应氧，其中与电解质连接的电极包括插入到集成块的每一内流场的电极。

在示例性实施方式中，插入到集成块的每一内流场的电极可以用绝缘层或管包被，该绝缘层或管包括用于在绝缘管内的电极与填充在内流场中的电解质之间提供电连接的孔。在一些实施方式中，绝缘层或管的孔由多个延绝缘管的纵向布置的孔构成。

在另外的实施方式中，供氧源可以包括布置在集成块的每一内流场中的喷嘴。该喷嘴可以配置成接收混合有空气且含有气泡的电解质，并将含有气泡的电解质供应至每一内流场。

在又一实施方式中，供氧源可以包括：泵，用于抽取电解质并通过电解质供应管供应电解质；空气供应装置，用于通过空气供应管供应空气；混合室，与电解质供应管和空气供应管连接，且将通过泵供应的电解质与通过空气供应装置供应的空气混合；和喷嘴，用于通过气泡供应管从混合室接收混合有空气且含有气泡的电解质，并将含有气泡的电解质供应至集成块的每一内流场。

在又一实施方式中，本发明的设备还可以包括设置在电解槽中的固定集成块的夹具。具体来说，混合室和喷嘴固定地安装在夹具的预定位置，使得含有气泡的电解质可以供应至固定于夹具的集成块的每一内流场。

另一方面，本发明提供在集成块上形成氧化层的方法，该方法包括：将集成块放置在含有氧化层形成所需的电解质的电解槽中；将氧从空气供应装置供应至电解质；将氧化层形成所需的电力从电源供应至集成块和电解质；和将与电解质连接的电极插入到集成块的每一内流场中以使电力供应至填充在内流场中的电解质。

在一些实施方式中，插入到集成块的每一内流场的电极可以用绝缘管或层包被，该绝缘管或层可以是用于在绝缘管或层内的电极与填充在内流场中的电解质之间提供电连接的孔。

在另一实施方式中，为了将氧从空气供应装置供应至电解质，空气供应装置的喷嘴可以布置在集成块的每一内流场中，使得混合有空气且含有气泡的电解质可以通过每一喷嘴供应至内流场。

本发明的其它方面和优选实施方式在下文中讨论。

附图说明

本发明的以上和其它特征将参考附图所图示的某些示例性实施方式予以详细描述，下文给出的这些实施方式仅仅用于举例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出用于形成氧化层的常规设备的构造的示意图；

图2是示出没有氧化层形成的区域的问题的示意图；

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于形成氧化层的设备的构造的示意图；

图4是示出根据本发明的示例性实施方式的形成氧化层的设备在设置有支持物和气泡供应管的状态下的放大图；

图5是示出根据本发明的示例性实施方式的取自图4中的放大图的集成块和支持物的横截面视图的透视图；且

图6是示出在根据本发明的示例性实施方式的用于形成氧化层的设备中的内流场中插入的电极且示出电极插入集成块的内流场的状态的透视图。

在附图中提到的附图标记包括对以下元件的参考，其在下文中作进一步讨论：

1：电解槽

2：气泡发生器

3：集成块

4：电极(+)

5：电极(-)

5a：绝缘管

5b：孔

8：夹具

9：支持物

9a：电极插入部分

11：泵

11a：电解质供应管

12：空气供应装置

12a：空气供应管

13：混合室

14：气泡供应管

15：气泡供应管的出口

应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在附图中，并在下文加以描述。尽管本发明将结合示例性实施方式进行描述，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖各种替换方式、变化方式、等同方式和其它实施方式，其均可以包括在所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

本发明提供在集成块上形成可改进耐腐蚀性的氧化层的设备和方法。根据本发明的形成氧化层的设备和方法的特征在于，使用插入到集成块的每一长内流场的电极和用于向每一内流场中供应氧的空气供应装置，从而使在集成块的长且复杂的内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的形成氧化层的设备的构造的示意图；图4是示出根据本发明的示例性实施方式的用于形成氧化层的设备在设置有支持物和气泡供应管的状态下的放大图；图5是示出根据本发明的示例性实施方式的取自图4中的放大图的集成块和支持物的横截面视图的透视图；且图6是示出在根据本发明的示例性实施方式的用于形成氧化层的设备的内流场中插入的电极且示出电极插入集成块的内流场的状态的透视图。

首先，参考图3，用于形成氧化层的设备包括含有氧化层形成所需的电解质的电解槽1、浸入电解槽1的电解质中的集成块3、用于向电解质供应氧化层形成所需的电子流(电流)的电极4和5、和用于向电解质供应氧(空气)的空气供应装置10。此处，外部电源(未示出)与电极4和5连接，以使氧化/还原反应所需的电流从电源供应至电极4和5。当将电流施加至电极4和5时，可以通过用于形成氧化层的典型的电化学反应在集成块3(例如，用铝制成)的表面上形成氧化层。

在用于形成氧化层的设备中，正电极4与形成有氧化层的集成块连接，并且负电极5与电解质连接。如果将负电势施加给以常规方式简单插入电解质中的电极时，未向在集成块3的长内流场内的电解质施加充足的负电势，因此不形成氧化层。因而，插入集成块3的每一内流场中的本发明中的负电极(用于向电解质供应负电势)进一步用来向内流场中的电解质供应用于形成氧化层的充足的电子流。

如图4所示，可以将插入内流场的电极5形成为可被插入长内流场的形状。由于集成块3的内流场通常具有弯曲形状，电极5可以是软线形式，使得可以将其相应地插入弯曲的流场。如果将由导电材料制成的电极5就这样插入集成块3的内流场，负电极5和集成块3是短路的，从而对集成块3造成破坏且防止氧化反应的发生。

为做调整，用绝缘管或层5a包被电极5来提供电绝缘，并且在绝缘管/层5a中形成多个孔5b以在绝缘管5a内的电极5与集成块3外部的电解质之间提供电连接。

孔5b可以以预定模式形成，并以固定间隔设置在绝缘管/层5a的纵向上。此处，孔5b可以具有任何合适的形状，例如环形、矩形或星形，并且孔5b的大小和数量可以根据待形成于集成块3上的氧化层的深度而确定。

如此，在将集成块3置于含有电解质的电解槽1中之后，将用绝缘管5a包被的负电极5插入集成块3的内流场中，如图4所示。然后，使用与负电极5和集成块3连接的正电极4将电流从电源供应至电解质，从而在集成块3的表面上形成氧化层。具体地，通过插入每一内流场的电极4在内流场的整个表面上均匀地形成氧化层，从而在集成块的内流场的内部均匀地形成氧化层。

而且，在本发明中，将上述细长线状的电极4插入集成块3的每一内流场中，同时，将负电极(图3中由附图标记5表示)插入到集成块3外部的电解质中来供电，从而在集成块3的外部和内流场的内部的整个表面均匀地形成氧化层。

接下来，将描述根据本发明的用于向电解质供应氧(空气)的空气供应装置的构造。

氧供应装置10可以配置成向集成块3的每一内流场供应氧化层形成所需的足量的氧，使得通过每一喷嘴向集成块3的每一内流场供应含氧气泡，从而在内流场的整个表面上有效率地形成氧化层。即，在电解槽1中设置多个喷嘴，每一喷嘴向集成块3的每一内流场供应含氧气泡。氧供应装置10可以适合地配置成将电解质与空气混合，并通过每一喷嘴向每一内流场供应含有气泡的电解质。

更详细地，如图3所示，将用于固定集成块3的夹具(一个或多个)8安装在电解槽1中，并且将多个喷嘴邻近固定于夹具8的集成块3的每一内流场的进口而布置。每一喷嘴都安装在整体形成为夹具8的一部分的支持物9上，且每一喷嘴的出口都设置成面对每一内流场的内部，使得可以将含有气泡的电解质从支持物9供应至内流场的内部。

而且，将用于抽取电解质的泵11布置在电解槽1中，将混合室13安装在夹具8上，并且将电解质供应管11a连接在泵11与混合室13之间使得通过泵11经由电解质供应管11a抽取的电解质可以供应至混合室13。空气供应管12a从电解槽1外部的空气供应装置12连接到混合室13，使得空气可以通过空气供应管12a从空气供应装置12供应至混合室13。此外，气泡供应管14从混合室13连接到每一喷嘴。

结果，在氧化层的形成过程中，通过泵11抽取的电解质与从空气供应装置12供应的空气在混合室13中一起混合，并且电解质与空气的混合物，即含有气泡的电解质，可以通过气泡供应管14和喷嘴供应至每一内流场。如此，当将含氧气泡通过每一喷嘴供应至内流场时，将电流通过电极4和5供应至电解质，从而无论内流场的长度和形状在内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。

而且，在根据本发明的用于形成氧化层的设备中，可以将混合室13和多个喷嘴以预定的位置、方向或形状安装在待与其整合的夹具8中。在这种情况下，一旦将集成块3安装在电解槽1中的夹具8的预定位置，可以立即进行流程而无需额外的安装，从而提高生产率。

而且，喷嘴出口的大小、泵和空气供应装置的流率、室的大小等可以基于内流场的形状和长度来确定，以使合适量的电解质(即，含有气泡的电解质)通过喷嘴供应至集成块3的内流场，并且可以使用能够控制注入的电解质的量的喷嘴。此外，每一喷嘴的位置和方向可以基于内流场的位置和形状适当地确定，使得一旦将集成块3安装在夹具8上，可以将含有气泡的电解质供应至每一内流场。

可以将喷嘴设置于支持物9中，其中每一喷嘴与每一气泡供应管14连接，从而通过喷嘴使含有气泡的电解质引入集成块3的内流场中。或者，如图5所示，可以将每一气泡供应管14安装成通过支持物9，从而使气泡供应管出口15可以起到喷嘴的作用。

图5示出每一气泡供应管14如何被设置成通过支持物9使得气泡供应管出口15可以起到喷嘴的作用以喷洒含有气泡的电解质。

如上所述，根据本发明的在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法，使用插入到集成块的每一长内流场中的电极和用于将氧供应至每一内流场的空气供应装置，可以向集成块的长且复杂的内流场供应氧化层形成所需的足量的电子流和氧，从而在内流场的整个表面上均匀地形成氧化层。

本发明已经参考其优选实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (14)

1.一种在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备，所述设备包括：

电解槽，含有氧化层形成所需的电解质；

多个电极，用于从电源向浸入所述电解槽的电解质中的集成块并向所述电解质供应氧化层形成所需的电子流；和

空气供应系统，用于向所述电解质供应氧，

其中至少一个电极插入到所述集成块的每一内流场中。

2.如权利要求1所述的设备，其中插入到所述集成块的每一内流场中的所述至少一个电极用绝缘层包被，所述绝缘层包括用于在所述绝缘层内的电极与填充在所述内流场中的电解质之间提供电连接的孔。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述绝缘层的孔包括多个布置在所述绝缘层纵向上的孔。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述空气供应系统还包括布置在所述集成块的每一内流场中的喷嘴，所述喷嘴配置成在其进口处接收混合有空气且含有气泡的电解质，并在其出口处向每一内流场供应所述含有气泡的电解质。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述空气供应系统还包括：

泵，用于抽取所述电解质并通过电解质供应管向所述集成块的内流场供应所述电解质；

空气供应装置，用于通过空气供应管供应空气；

混合室，与所述电解质供应管和所述空气供应管连接，并且配置成将通过所述泵供应的电解质与通过所述空气供应装置供应的空气混合；和

喷嘴，用于通过气泡供应管从所述混合室接收混合有空气且含有气泡的电解质，并将所述含有气泡的电解质供应至所述集成块的每一内流场。

6.如权利要求5所述的设备，还包括设置在所述电解槽中且配置成将所述集成块固定在所述电解槽内的夹具，其中所述混合室和所述喷嘴固定地安装在所述夹具的预定位置，以使所述含有气泡的电解质供应至固定于所述夹具的集成块的每一内流场。

7.一种在燃料电池组用集成块上形成氧化层的方法，所述方法包括：

将集成块置于含有氧化层形成所需的电解质的电解槽中；

将氧从空气供应装置供应至所述电解质；

通过电源向所述集成块的每一内流场中的每一电极和所述电解质供应氧化层形成所需的电子流，其中每一正电极插入到所述集成块的每一内流场中以使电力供应至填充在所述内流场中的电解质。

8.如权利要求7所述的方法，其中插入到所述集成块的每一内流场中的所述正电极用绝缘层包被，所述绝缘层包括用于在所述绝缘层内的电极与填充在所述内流场中的电解质之间提供电连接的孔。

9.如权利要求7所述的方法，其中在将氧从所述空气供应装置供应至所述电解质中，所述空气供应装置的喷嘴设置在所述集成块的每一内流场中，以使混合有空气且含有气泡的电解质通过每一喷嘴供应至所述内流场。

10.一个设备，包括：

电解槽，含有在燃料电池组用集成块上形成氧化层所需的电解质；

正电极，由插入到所述集成块的每一内流场中的绝缘层围绕；

负电极，布置在所述集成块的内流场外部的电解质中；

空气供应系统，用于向所述电解质供应氧，

其中所述电极配置成向所述电解质供应所需的电子流以在所述集成块的表面上形成均匀的氧化层。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述绝缘层还包括用于在所述绝缘层内的电极与填充在所述内流场中的电极之间提供电连接的孔。

12.如权利要求10所述的设备，其中所述绝缘层还包括多个布置在所述绝缘层纵向上的孔以在所述绝缘层内的电极与填充在所述内流场中的电解质之间提供电连接。

13.如权利要求10所述的设备，其中所述空气供应系统还包括布置在所述集成块的每一内流场的进口中的喷嘴，所述喷嘴配置成在所述喷嘴的进口接收混合有空气且含有气泡的电解质并在所述喷嘴的出口向每一内流场供应所述含有气泡的电解质。

14.如权利要求10所述的设备，其中所述空气供应系统还包括：

泵，用于抽取所述电解质并通过电解质供应管向所述集成块的内流场供应所述电解质；

空气供应装置，用于通过空气供应管供应空气；

混合室，与所述电解质供应管和所述空气供应管连接，并且设置成将通过所述泵供应的电解质与通过所述空气供应装置供应的空气混合；和

喷嘴，用于通过气泡供应管从所述混合室接收混合有空气且含有气泡的电解质，并将所述含有气泡的电解质供应至所述集成块的每一内流场。