CN107994239B

CN107994239B - 在压条和流道之间的交叉处的金属压条密封上具有更具弹性的接触压力分布的流道截面设计

Info

Publication number: CN107994239B
Application number: CN201710912021.4A
Authority: CN
Inventors: S·徐; 洋西; I·D·查普曼; 席亮
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: DE102017122905A1; CN107994239A; US20180097242A1; US10547064B2

Abstract

一种用于提供均匀气体流动压力的燃料电池流场板，其包含第一金属板和第二金属板。第一金属板限定了第一开口，用于将第一反应气体提供到燃料电池，其具有围绕第一开口的第一金属压条。第一金属压条是限定第一通道的凸出部。多个第一流道提供进出第一金属压条的通道。多个第一流道的每个流道具有通向第一金属压条的入口流道部分和从第一金属压条延伸的出口流道部分，以将第一反应气体提供给由第一金属板限定的第一反应气体流动通道。特征在于，入口流道部分和出口流道部分的每一个均具有带有开口基底侧面的弯曲的横截面。

Description

在压条和流道之间的交叉处的金属压条密封上具有更具弹性的接触压力分布的流道截面设计

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及提供均匀的密封接触压力分布的燃料电池流场板。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电源。特别地，燃料电池被推荐用于汽车中以代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”) 膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜(“PEM”)型燃料电池中，氢气作为燃料被供应到阳极，氧气作为氧化剂被供应到阴极。氧气可以是纯态(O2)或空气(O2和N2 的混合物)。质子交换膜型燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜的一个面上具有阳极催化剂，相对的面上具有阴极催化剂。对于典型的质子交换膜型燃料电池，其阳极层和阴极层由多孔导电材料形成，比如编织石墨、石墨化片或碳纸，以使燃料能够分散在朝向燃料供应电极的膜的表面上。通常，离子导电聚合物膜包含全氟磺酸(“PFSA”)离聚物。

膜电极组件被夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，然后又被夹在被称为流场的一对导电元件或板之间。流场用作阳极和阴极的集电器，并且包含形成在其内的适当的通道和开口，用于将燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效发电，质子交换膜型燃料电池的聚合物电解质膜必须较薄、化学稳定、质子传导、不导电、且不透气。在典型的应用中，为了提供高电力水平，燃料电池以多个单独的燃料电池堆栈的阵列形式提供。

在当前的流场设计中，流道与用于使冷却剂和反应物通过的金属压条相交。通常，流道/通道具有近似正方形的梯形横截面(即，壁角大于45 度)。流动流道/通道横截面主要是考虑冷却剂/反应物的流动而设计。然而，流道的存在导致金属压条和流道之间的交叉点处的较大接触压力变化。

金属压条的主要功能是密封冷却剂或反应物，防止其从集管外部泄漏。密封功能由金属压条上的接触压力提供。理想情况下，均匀的接触压力是最有利的情况。较大接触压力变化可能导致某些位置的超低压力，这可能导致泄漏。

因此，本发明提供了改进的接触压力，其在金属压条密封件和流动通道之间的交叉处具有较小的压力变化。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供产生均匀接触压力/密封压力的燃料电池流场板来解决现有技术的一个或多个问题。流场包含第一金属板和第二金属板。第一金属板限定第一开口，以向燃料电池提供第一反应气体，其第一金属压条围绕第一开口。第一金属压条是凸出部。多个第一流道提供进出第一金属压条的通道。多个第一流道中的每个具有通向第一金属压条的入口流道部分和从第一金属压条延伸的出口流道部分，以将第一反应气体提供到由第一金属板限定的第一反应气体流动通道。入口流道部分和出口流道部分中的每个均具有带有开口基底侧面的弯曲的横截面。通常，第二金属板具有相似的设计。具体地，第二金属板限定第二开口，向燃料电池提供第二反应气体，其第二金属压条围绕第二开口。第二金属压条是凸出部。多个第二流道提供进出第二压条的通道。多个第二流道中的每个具有通向第二压条的入口流道部分和从第二压条延伸的出口流道部分，以将第二反应气体提供到由第二金属板限定的第二反应气体流动通道。入口流道部分和出口流道部分中的每个均具有弯曲的横截面，具有开口基底侧面。

在另一个实施例中，提供了包含本文所述的流场的燃料电池。燃料电池包括阴极催化剂层、阳极催化剂层、以及介于阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子传导膜。第一气体扩散层布置在阴极催化剂层上方并与其相邻，第二气体扩散层布置在阳极催化剂层上方并与其相邻。第一流场布置在第一气体扩散层上方并与其相邻，第二流场布置在第二气体扩散层上方并与其相邻。流场包含第一金属板和第二金属板。具体地，第一金属板限定第一开口，以向燃料电池提供第一反应气体，其第一金属压条围绕第一开口。第一金属压条是凸出部。多个第一流道提供进出第一压条的通道。多个第一流道中的每个具有通向第一压条的入口流道部分和从第一压条延伸的出口流道部分，以将第一反应气体提供到由第一金属板限定的第一反应气体流动通道。入口流道部分和出口流道部分中的每个均具有弯曲的横截面，具有开口基底侧面。通常，第二金属板具有相似的设计。具体地，第二金属板限定第二开口，以向燃料电池提供第二反应气体，其具有围绕第二开口的第二金属压条，第二金属压条是凸出部。多个第二流道提供进出第二压条的通道。多个第二流道中的每个具有通向第二压条的入口流道部分和从第二压条延伸的出口流道部分，以将第二反应气体提供到由第二金属板限定的第二反应气体流动通道。入口流道部分和出口流道部分中的每个均具有弯曲的横截面，具有开口基底侧面。通常，第一流场与第二流场具有相同的设计。

附图说明

图1提供了包含限定了具有改进压力分布的流动通道的流场的燃料电池的示意图；

图2是用于形成燃料电池流场的金属板的透视图；

图3是限定了开口的流场的一部分的俯视图，该开口用于将反应气体或冷却剂输入或输出到流场；

图4A是限定了具有弯曲横截面的流道的金属板的横截面；

图4B是限定了截面具有两个凸角的流道的金属板的横截面；

图5A是限定了具有直边和弯曲顶部的流道的金属板的横截面；

图5B是限定了具有直边和两个凸角的流道的金属板的横截面；

图6示出了测试试样的基本设计，用于确定各种流道横截面的金属压条密封件上的压力；

图7A提供了现有技术的流动通道的密封接触压力的曲线图；

图7B提供了具有圆形截面的流动通道的密封接触压力的曲线图；以及

图7C提供了具有低梯形横截面的流动通道的密封接触压力的曲线图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成本发明人目前已知的实施本发明的最佳方式。附图并不一定按比例绘制。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的本发明的示例。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为本发明的任何方面的代表性基础，和/或用作教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。

除了在实例中或以其它方式明确指出的情况之外，本说明书中表示材料量或反应条件和/或用途的所有用数字表示的数量应被理解为描述本发明的最广泛范围。通常优选在所述数值范围内的实用值。此外，除非明确进行相反的表述，否则百分比、“份数”和比率值均以重量计；与本发明相关的适合或优选用于指定目的的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或以上的成员的混合物同样适合或优选；首字母缩略词或其它缩写的第一个定义适用于本文中相同缩写的所有后续用途，并且比照适用于初始定义的缩写的正常语法变体；除非明确进行相反的表述，否则特性的测量是通过与之前或随后引用的用于相同特性的相同技术而确定。

还应当理解，本发明不限于下面描述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件当然可以变化。此外，本文使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，并不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另有明确指出。例如，以单数形式表示的部件旨在包括多个部件。

术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“其特征在于”是同义词。这些术语是包含性的且是开放式的，并不排除其它的、未被引用的要素或方法步骤。

短语“由......组成”不包括权利要求书中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求项的条款中、而不是紧接在序言之后时，它只限制该条款中规定的内容；其它要素并不完全排除在权利要求之外。

短语“基本上由......组成”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤，且不会实质上影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的那些材料或步骤。

术语“包括”、“由......组成”和“基本上由......组成”可以替代地使用。如果使用这三个术语中的一个，则当前公开和要求保护的主题可以包括使用其它两个术语之一。

在引用公开文献的整个本申请中，这些公开文献的全部内容通过引用并入本申请中，以便更全面地描述本发明所述领域的状态。

参考图1，提供了包含纤维板的实施例的燃料电池的理想化示意横截面。质子交换膜(PEM)燃料电池10包含布置在阴极催化剂层14和阳极催化剂层16之间的聚合物离子传导膜12。燃料电池10还包含限定了气体流动通道24和26的流场18、20。气体扩散层28和30分别布置在流场 18、20以及阴极催化剂层14和阳极催化剂层16之间。在燃料电池10的工作过程中，燃料(比如氢气)通过气体流动通道26供给到阳极催化剂层16，氧化剂(比如氧气)通过气体流动通道24供给到阴极催化剂层14。流场18、20还限定用于使冷却剂流过流场板的冷却通道32。应当理解，流场18、20的每一个通常均由两个金属板形成。例如，流场18由通道限定板18a和18b形成，而流场20由通道限定板20a和20b形成。在改进方案中，金属板18a、18b、20a、20b具有的厚度为约0.05mm至0.5mm。还应当指出，图1是理想化的示意图，并且气体流动通道24和26也由凸出部板18a、18b、20a和20b形成。图1还示出了燃料电池的侧面密封，其中外围垫圈34对凸起部36进行密封。当阳极催化剂层16在阴极催化剂层14上反应形成水时，通过阳极催化剂层16迁移经过聚合离子传导膜 12而产生氢离子。该电化学过程通过连接到流场板18和20的负载产生电流。

参考图1、图2、图4A和图4B，提供了流场18、20各自通常由两个金属板形成的示意性图示。例如，流场18由通道限定板18a和18b形成，而流场20由通道限定板20a和20b形成。这些通道和其它结构通常通过冲压形成。此外，金属板包含用于输入和排出反应气体和冷却剂的多个开口。图2是凸出板18a、18b、20a和20b的典型设计的金属板的透视图。金属板38、40限定用于将液态冷却剂或反应物引入或离开流场的开口42-52。在改进方案中，第一金属压条66围绕开口42-52中的一个或多个。第一金属压条66是限定第一通道80 的凸出部。通常，液态冷却剂通过该通道流动或发生反应。在改进方案中，软质材料（比如，弹性体、橡胶、泡沫等）涂覆在金属压条66的顶部上，以在相邻的流场之间形成密封（参见图1中的项目编号35）。多个流道68提供进出第一金属压条66的通道。多个第一流道中的每个68具有通向第一金属压条66的入口流道部分72和从第一金属压条66延伸的出口流道部分74，以将冷却剂或反应气体提供到流动通道24、26。图2还示出了也由凸出部限定的冷却剂流动通道82。

参考图3，提供了限定用于将反应气体或冷却剂输入或输出到流场的开口的流场。第一金属压条66围绕开口42-52。第一金属压条66是限定第一通道80 的实施例。在改进方案中，软质材料（比如，弹性体、橡胶、泡沫等）涂覆在金属压条66的顶部上，以在相邻的流场之间形成密封。多个流道68提供进出被第一金属压条66限定的通道80的通道。多个第一流道中的每个68具有通向第一通道80 的入口流道部分72和从第一通道80延伸的出口流道部分74 ，以将反应气体或冷却剂供应到流动通道24、26。

参考图4A和4B，提供了具有弯曲部分的流动通道的示意性横截面。图4A示出了如上所述在板18a、18b、20a、20b的任一个中形成的流动通道100。流动通道100具有上壁（其具有的横截面为单个弧102）和开口基底104。图4A还示出了通道限定金属压条106，流道100流向该金属压条106。流动流道100提供了图3的多个流道68和图3的多个流道68 的流道的设计。特别地，上壁102的横截面与圆的圆周的一部分近似。在改进方案中，开口基底宽度w为约0.4 mm至约3 mm。流动流道100还由最大高度限定，该最大高度是从开口基底104到通道顶部的垂直距离。在改进方案中，最大高度h为约0.1 mm至约2 mm。当流动通道100的一部分与圆周的一部分近似时，圆的半径为约0.2至约3 mm。

图4B示出了如上所述在板18a、18b、20a、20b的任一个中形成的流动通道110。在此改进方案中，流动流道110具有至少两个凸角112、114 的横截面。流动流道110具有基部(比如虚线所示或壁)和最大高度，该最大高度是从开口底部104到通道顶部的垂直距离。图4B还示出了流道 110流向的通道限定金属卷板116。在改进方案中，开口基底宽度w为约0.4mm至约3mm。在进一步的改进方案中，最大高度h为约0.1mm至约 2mm。

图5A示出了横截面具有直边和弯曲顶部的流动流道。在此改进方案中，流动流道120具有上弯曲表面122的横截面。流动通道120具有壁角 (即，壁124和开口基底126之间的角度)为10至80度。流动通道 120由基底和最大高度限定，该最大高度是从通道的基底到顶部的垂直距离。图5A还示出了流道120流向的通道限定金属压条128。在改进方案中，基底宽度为约0.4mm至约3mm。在进一步的改进方案中，最大高度h为约0.1mm至约3mm。在改进方案中，线性侧124的长度为约0.1至3mm。

图5B示出了横截面具有直边和多凸角顶部的流动流道。在此改进方案中，流动通道130具有10至80度的壁角。流动通道130由基底和最大高度h限定，该最大高度h是从开口基底到通道顶部的垂直距离。在改进方案中，开口基底宽度w为约0.4mm至约3mm。在进一步的改进方案中，最大高度h为约0.1mm至约3mm。在改进方案中，线性侧124的长度为约0.1至3mm。

在一个变型中，图4A、4B、5A和5B的流道具有的横截面积为约0.005 至3mm²。在改进方案中，图4A、4B、5A和5B的流道具有的横截面积为约0.01至1mm²。在另一个改进方案中，图4A、4B、5A和5B的流道的横截面积为约0.01至0.5mm²。还应当理解，流道的横截面积可沿流动方向变化。例如，在入口和出口附近的横截面积可能很大，而在金属压条附近则很小。

图6示出了用于确定各种流道横截面的压力的测试试样的基本设计。通过使用压缩高度为100微米的有限元分析确定压力场。测试试样140包含流道142和金属密封压条144。图7A提供了现有技术的通道中的压力。这些通道显示的压力变化范围为约1.83MPa。图7B提供了具有圆形横截面的通道中的压力。这些通道显示的压力变化范围为约1.66MPa。图7C 提供了具有短梯形横截面的通道中的压力。这些通道显示的压力变化范围为约1.18MPa。

虽然上面描述了示例性实施例，但这些实施例并非旨在描述本发明的所有可能形式。更确切地说，用在说明书中的词语是描述性的而非限制性的，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以将各种实现实施例、变型和改进方案的特征进行组合，以形成本发明的其它实施例。

Claims

1.一种用于燃料电池的流场，所述流场包括：

限定第一开口以向燃料电池提供第一反应气体的第一金属板，围绕所述第一开口的第一金属压条，所述第一金属压条是限定第一通道的凸出部，提供进出所述第一金属压条的通道的多个第一流道，所述多个第一流道中的每个具有通向所述第一通道的入口流道部分以及从所述第一金属压条延伸以向由所述第一金属板限定的第一反应气体流动通道提供第一反应气体的出口流道部分，所述多个第一流道中的每个还具有在所述入口流道部分和所述出口流道部分之间延伸的上壁并具有与开口基底侧相对的弯曲横截面；以及

与所述第一金属板对齐的第二金属板。

2.根据权利要求1所述的流场，其中所述上壁的弯曲横截面限定单个弧。

3.根据权利要求2所述的流场，其中所述上壁进一步包含弯曲的顶表面和从该弯曲的顶表面延伸到所述开口基底侧的直边。

4.根据权利要求2所述的流场，其中所述上壁具有从所述开口基底侧垂直约0.1mm至约2mm的最大距离，以及在所述开口基底侧的约0.4mm至约3mm的宽度。

5.根据权利要求1所述的流场，其中所述上壁的弯曲横截面是圆的圆周的一部分。

6.根据权利要求1所述的流场，其中所述上壁在与密封压条接触的一侧上具有至少两个凸角。

7.根据权利要求1所述的流场，其中所述第二金属板限定第二开口，以向燃料电池提供第二反应气体，第二金属压条围绕所述第二开口，所述第二金属压条是限定第二通道的凸出部，多个第二流道提供进出所述第二金属压条的通道，所述多个第二流道中的每个具有通向所述第二金属压条的入口流道部分以及从所述第二金属压条延伸以向由所述第二金属板限定的第二反应气体流动通道提供第二反应气体的出口流道部分，所述入口流道部分和所述出口流道部分中的每个均具有开口基底侧的弯曲横截面。

8.根据权利要求1所述的流场，其中所述第一金属板还限定用于流动冷却剂的冷却通道。

9.根据权利要求1所述的流场，其中软质材料涂覆在所述第一金属压条上。

10.根据权利要求1所述的流场，其中流道沿流动方向具有不均匀的横截面积。