CN104737343B - 燃料电池流体通道 - Google Patents

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Abstract

一种示例燃料电池组件，包括：具有通道的板，这些通道被构造成有利于燃料电池流体在燃料电池的有效流动区域的附近进行移动。该通道包括具有变化深度的部分，这些部分延伸在有效流动区域的横向外侧。

Description

燃料电池流体通道
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在由美国交通运输部所给予的合同编号CA-04-7003-00下利用政府支持进行。政府对本发明拥有一定的权利。
技术领域
本公开涉及有利于燃料电池流体移动的板(plate)，更具体地是涉及在这种板上的通道(channel)。
背景技术
燃料电池通常包括阳极催化剂(catalyst)，阴极催化剂，以及阳极和阴极催化剂之间的电解质材料，其用于从诸如燃料和氧化剂的反应物之间的公知电化学反应来产生电流。燃料电池可以包括带有通道的流场板，这些通道用于将反应物引导到各自的催化剂。电解质材料可以是通常被称为聚合物电解质膜或PEM的聚合物层，其被布置在流场板之间。燃料电池可以包括带有通道的流场，这些通道用于使用来冷却和/或增湿的流体移动通过燃料电池。燃料、氧化剂以及用于冷却和/或增湿的流体是燃料电池流体的类型。一些燃料电池流体可以是气体而有些可以是液体。
例如空气的气泡(bubble)可能积聚在液体通道内。气泡会不受欢迎地影响流体流穿过流场的通道。气泡积聚尤其会致使多孔板干燥、过热或两者兼而有之。有些制造技术生产易于气泡积聚的通道。
发明内容
一种示例燃料电池组件，包括：具有通道的板，这些通道被构造成有利于燃料电池流体在燃料电池的有效流动区域的附近进行移动。通道包括具有变化深度的部分，这些部分延伸在有效流动区域的横向外侧(laterally outside)。
另一示例燃料电池组件，包括：具有第一组多个通道和第二组多个通道的板，第一组多个通道在第一方向上延伸，而第二组多个通道在横切于第一方向的第二方向上延伸。第一组多个通道在板的重叠区域中重叠于第二组多个通道，并且第一组多个通道包括具有变化深度的部分。该部分从重叠区域延伸越过第二组多个通道的横向最外侧一个。
一种用于在燃料电池中形成通道的示例方法，包括：在燃料电池板上形成通道，这些通道具有带有变化深度的部分。当燃料电池板位于燃料电池组件内时，该部分延伸在燃料电池组件中有效流动区域的横向外侧。
附图说明
对于本领域技术人员而言，所公开示例的各种特征和优点从其详细说明将变得显而易见。伴随于该详细说明的附图可以简要地描述如下：
图1示出示例燃料电池堆组件的高度示意性视图。
图2示出图1的燃料电池堆组件的燃料电池单元的横截面视图。
图3示出来自图2的燃料电池的示例流场板的顶视图。
图4示出图3的流场板的一部分的特写透视图。
图5示出在通道形成工艺的一部分期间的图3的流场板。
图6示出图5中的剖线6-6处的剖视图。
具体实施方式
图1示出用于例如从反应气体之间的公知电化学反应来产生电流的燃料电池组件10。应该理解的是，所公开的燃料电池组件10的布置只是一个示例，并且本文所公开的构思可以被应用到其它的燃料电池布置。
示例燃料电池组件10包括一个或多个燃料电池单元20，其被堆叠起来以提供燃料电池组件10。燃料电池单元20沿轴线y相对于彼此而堆叠。
如图2中所示，每个燃料电池单元20包括：电极组件24以及用于将反应气体(例如，空气和氢气)输送给电极组件24的流场板26a、26b。流场板26a可以被认为是用于输送空气的空气板，而流场板26b可以被认为是用于输送氢气的燃料板。
电极组件24包括处于阴极催化剂30a和阳极催化剂30b之间的聚合物电解质膜(PEM)28，其也被称之为质子交换膜。虽然没有示出，还可以在流场板26a、26b和电极组件24之间使用气体扩散层，以促进反应气体的分布(distribution)。
燃料电池单元20包括沿轴线y延伸的有效流动区域A。在本示例中，有效流动区域A的横向外边界与PEM 28的周界(perimeter)对齐。在本示例中，有效流动区域A对应于燃料电池单元20的电化学有效区域(active area)。有效流动区域A通常是指发生化学反应的燃料电池单元20的那部分。
每个流场板26a、26b包括用于将各自的反应气体输送到阴极催化剂30a或阳极催化剂30b的通道32。每个流场板26a、26b可以包括用于将反应气体输送到流场的入口以及用于将未使用的反应气体从流场排出的出口。
流场板26a、流场板26b或者两者还可以在冷却剂通道36中循环诸如水之类的冷却剂。冷却剂有助于维持燃料电池单元20的理想工作温度，并且使反应气体水合化(hydrate)。通道36还可以被用来引导氧化剂或反应物的流动。
在本示例中，冷却剂通道36位于流场板26a与通道32相对的一侧。在本示例中，通道32处于有效流动区域A之内。然而，通道36包括延伸在有效流动区域A的横向外侧(laterally outside)的部分44。在本示例中，横向被用来参考轴线y描述位置或地点。更靠近于板的周界的通道在其它更居中定位的通道的横向外部(laterally outward)。
在本示例中，流场板26a是多孔板。多孔板有助于使反应气体水合化，因为湿气能够穿过板26a上的小孔从通道36移动到通道32。
在所示的布置中，电极组件24被夹在流场板26a和26b之间(例如，形成通道32的肋部之间)。夹紧力限制PEM 28相对于流场板26a、26b的移动。
密封件40围绕燃料电池组件10的周界而延伸。密封件40在燃料电池组件10之内保持反应气体和水副产物。周界密封还可以进一步限制PEM 28的移动。
参照图3和图4并继续参照图2，板26a的通道36包括第一通道36a和第二通道36b。第一通道36a在方向Da上延伸，而第二通道36b在至少一个方向Db上延伸。方向Da横切于方向Db。在本示例中，方向Da垂直于方向Db。
板26a包括第一通道36a重叠于第二通道36b的重叠区域42a、42b。重叠区域42a、42b的横向外周界通过横向外通道36a’和横向外通道36b’而创建。越过横向外通道36b’延伸的通道36a、36a’的部分不在重叠区域42a、42b中。类似地，横向越过横向外通道36a’延伸的通道36b的部分不在重叠区域42a、42b中。
有效流动区域A由燃料电池流体进行流动以从入口66移动到出口68所穿过的所有通道构成。在本示例中，它包括入口通道58、出口通道60、重叠区域42a、42b以及直接位于重叠区域42a和42b之间的矩形区。
通道36a、36a’包括在有效流动区域A的横向外侧延伸的部分44。这些部分44不延伸到板26a的横向外边缘48。每个部分44具有不连接到另一个通道或板边缘的一个端部。因此，燃料电池流体可以填充部分44而不会有效地流过部分44。
一些通道36b、36b’包括延伸在有效流动区域A的横向外侧的部分52。该部分52不延伸到板26a的横向外边缘56。每个部分52具有不连接到另一个通道或板边缘的一个端部。因此，燃料电池流体可以填充部分52而不会有效地流过部分52。
另外的一些通道36b、36b’包括延伸在有效流动区域A的横向外侧的部分58。在本示例中，该部分58延伸到的板26a的横向外边缘56。
另外的一些通道36b、36b’包括延伸在有效流动区域A的横向外侧的部分60。该部分60延伸到板26a的横向外边缘64。
在燃料电池单元20的工作期间，流体穿过部分58进入，穿过通道36的剩余部分移动，并且穿过部分60而离开。从而，部分58对板26a提供入口66，而部分58则提供出口68。流体一般遵循路径P。
如果两个交叉的通道具有变化深度或锥度，则夹带于穿过通道36进行移动的流体内的气泡易于阻塞(hang-up)在通道36的交叉处。气泡阻塞可能导致在板的那个区域中处于小孔内的所有水进行蒸发，从而产生气体泄漏路径。气泡阻塞还可能导致无效冷却。所公开的示例的特征是通道的一部分具有变化深度。该部分就是通道的重叠区域和燃料电池单元的有效流动区域的横向外侧(laterally outside)。使具有变化深度的部分位于有效流动区域A的外侧确保与气泡阻塞相关联的被无效冷却的区域在有效流动区域A的外侧。该板可以相对于现有技术的板横向地加大尺寸以适应具有变化深度的那些部分。具有变化深度的部分可以完全或部分地位于有效流动区域A的外侧。
参照图5和图6并继续参照图2和图3，用于创设通道36的工艺使用排式铣削组件70在板26a上形成通道36。排式铣削组件70包括被安装到毂74上的多个刀刃72。电动机76使毂74旋转以旋转刀刃72。旋转的毂74和刀刃72横越板26a的表面进行移动以形成通道36。
在本示例中，排式铣削组件70在第一方向上横越板26a进行移动以形成通道36a。每个刀刃72在单刀程(single pass)期间切削通道36中的一个。取决于通道36a的期望数量和刀刃的数量，可能在板26a的其它区域还需要附加刀程。毂74和刀刃72随后在第二方向(例如相对于第一方向旋转90度)上横越板26a的同一表面进行移动以形成通道36b。
排式铣削组件70被显示为形成一些通道36a的部分44。因为通道36a并不意欲延伸到板26a的横向外边缘48，所以在刀刃72到达横向外边缘48之前刀刃72就从板26a拉离。刀刃72是圆形的，这将导致通道36a的端部具有锥形的底部78(或者深度变化的区域)。
除了部分44外，通道36a具有相对一致的深度d，原因是刀刃72的选定深度已经通过这些区域。在一些示例中，重叠区域42a中通道的一些区域具有锥形的底部，因为这是排式铣削组件70开始切削通道36a的地方。例如，在重叠区42a，通道36a的部分可以具有锥形的底部，但是交叉的通道36b却不具有锥形的底部，原因是锥形部分52在重叠区42a的外侧。同样地，在重叠区42b，通道36b的部分可以具有锥形的底部，但是交叉的通道36a却不具有锥形的底部，原因是锥形部分44在重叠区42b的外侧。使锥形部分52和44位于重叠区42a和42b外侧，通过确保锥形部分绝不相互交叉来减轻气泡阻塞的风险。在沿着通道36a的流动方向上部分44的长度可以通过等式b=√[c2-(c-d)2]来表述，其中b是长度，c是刀刃72的半径，d是通道36a的选定深度。
其它的示例板(未示出)可以包括随着流从入口移动到出口而引导流体流沿着冷却剂的路径来回地多次横越板的通道。非重叠部分44可以位于这样的板上。
前述说明在本质上是示例性而非限制性。对于本领域技术人员而言，针对所公开示例的变化和修改可能变得显而易见却无需脱离本公开的实质。因此，给予本公开法律保护的范围只能通过研究以下权利要求来加以确定。

Claims (18)

1.一种燃料电池组件，包括：
具有多个通道的板，所述多个通道被构造成有利于燃料电池流体在所述燃料电池的有效流动区域内进行移动，其中，所述多个通道的每个都包括具有变化深度的部分，所述部分延伸在所述有效流动区域的横向外侧，且其中，所述通道包括在第一方向上对齐的第一组通道，所述第一组通道与在第二方向上对齐的第二组通道重叠，所述第二方向横切于所述第一方向。
2.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于：所述通道的深度在所述有效流动区域的横向内侧大致相同。
3.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于：在第一位置处所述部分的深度大于在第二位置处所述部分的深度。
4.如权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于：所述第一位置比所述第二位置更加横向靠近于所述有效流动区域。
5.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于：包括通道重叠区域，在所述通道重叠区域所述第一组通道重叠于所述第二组通道。
6.如权利要求5所述的燃料电池组件，其特征在于：所述第一组通道和所述第二组通道两者均包括一些部分，并且这些部分在所述重叠区域的横向外侧。
7.如权利要求5所述的燃料电池组件，其特征在于：所述重叠区域全部地处于所述有效流动区域内。
8.如权利要求5所述的燃料电池组件，其特征在于：所述重叠区域具有横向外边界，其对应于具有所述板的燃料电池的电化学有效区域的横向外边界。
9.一种燃料电池组件，包括：
具有第一组多个通道和第二组多个通道的板，所述第一组多个通道在第一方向上延伸，所述第二组多个通道在横切于所述第一方向的第二方向上延伸，
其中，所述第一组多个通道在所述板的重叠区域中重叠于所述第二组多个通道，并且所述第一组多个通道的每个都包括具有变化深度的部分，所述部分从所述重叠区域延伸越过所述第二组多个通道的横向最外侧一个。
10.如权利要求9所述的燃料电池组件，其特征在于：所述第二组多个通道从所述重叠区域延伸越过所述第一组多个通道的横向最外侧的一个。
11.如权利要求9所述的燃料电池组件，其特征在于：所述第一方向垂直于所述第二方向。
12.如权利要求9所述的燃料电池组件，其特征在于：所述第一组多个通道和第二组多个通道被构造成将冷却剂传送到燃料电池。
13.一种用于在燃料电池板上形成通道的方法，包括：
在所述燃料电池板上形成多个通道，所述多个通道的每个都具有带有变化深度的部分，当所述燃料电池板位于燃料电池组件内时，所述部分延伸在所述燃料电池组件的有效流动区域的横向外侧，且其中，所述多个通道包括在第一方向上对齐的第一组通道，所述第一组通道与在第二方向上对齐的第二组通道重叠，所述第二方向横切于所述第一方向。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括排式地铣削所述通道。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括横越所述燃料电池板在第一方向上移动排铣机，以形成在所述第一方向上对齐的所述第一组通道，并且横越所述燃料电池板在第二方向上移动所述排铣机，以形成在第二方向上对齐的所述第二组通道。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述第一方向上对齐的所述第一组通道以及在所述第二方向上对齐的所述第二组通道每个都被构造成，当所述燃料电池板被装配在所述燃料电池组件内时，延伸在所述燃料电池组件的所述有效流动区域的横向外侧。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，被构造成当所述燃料电池板位于所述燃料电池组件内时，延伸在所述燃料电池组件的所述有效流动区域的横向外侧的所述通道的部分是锥形。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述通道被构造成在燃料电池内引导冷却剂。
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