CN117441248A - 用于燃料电池的四流体双极板 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池的四流体双极板包括氧化剂流场、燃料反应物流场、专用冷却剂通路和水管理流场。双极板包括至少一个多孔层。多孔层的第一侧经由充当气泡屏障的多个孔隙流体连接到水管理流场。多孔层的相对的第二侧包括燃料反应物流场或氧化剂流场。在一个示例中，专用冷却剂通路位于双极板的内部，并且可以被配置为使防冻剂型冷却剂流动。

Description

用于燃料电池的四流体双极板
相关申请的交叉引用
本申请要求并且参引2021年6月10日提交的、标题为“FOUR-FLUID BIPOLAR PLATEFOR FUEL CELL[用于燃料电池的四流体双极板]”的美国专利申请序列号17/344,377的优先权和权益，该美国专利申请通过援引以其整体并入本文。
技术领域
本披露内容总体上涉及燃料电池双极板，更具体地，涉及一种提供加湿反应物的改进的递送和产物水的更好去除的双极板结构。
背景技术
在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氢燃料被供应到负电极(阳极)，在负电极处，氢燃料根据氧化反应H2→2H++2e-催化地分解成质子和电子。质子(H+)穿过膜电解质到达正电极(阴极)，而电子(e-)传导通过外部路径，从而在阳极和阴极之间产生通过外部负载的电流。在阴极处，质子和电子在存在氧气的情况下重新结合，根据以下还原反应形成水：O2+4e-+4H+→2H2O。PEM燃料电池反应的副产物是水和热量；该热量要求燃料电池被冷却以维持可接受的内部温度。
单个燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括：插入在一对电极(阳极和阴极)之间的膜电解质；以及邻近每个电极的、与膜电解质相对的、限定反应气体流场的导电板。典型的流场板将反应气体引导穿过气体扩散层和微孔层到达它们相应的电极。在一些设计中，流场板还可以将副产物水输送离开电池。
多个燃料电池典型地顺次布置并连接成堆，以增加电化学转换组件或燃料电池的电输出。在这种布置中，两个相邻的电池单元可以共享共用极板，该共用极板充当由其串联连接的两个相邻电池单元的阳极和阴极。这种极板通常称为“双极板”。
发明内容
在一个实施例中，一种用于燃料电池的双极板包括无孔子板，该无孔子板包括至少一个水管理侧和内部冷却剂通路。双极板进一步包括多孔子板，该多孔子板包括反应物侧和相对的水管理侧。多孔子板的反应物侧包括第一反应物流场，并且水管理侧流体连接到无孔子板的水管理侧。
在另一个实施例中，一种用于燃料电池的双极板包括氧化剂流场、燃料反应物流场、专用冷却剂通路和水管理流场。
在又一实施例中，一种用于燃料电池的双极板包括无孔子板，该无孔子板包括水管理侧和反应物侧。反应物侧包括第一反应物流场。双极板进一步包括多孔子板，该多孔子板包括反应物侧和相对的水管理侧。反应物侧包括第二反应物流场。多孔子板的水管理侧流体连接到无孔子板的水管理侧。
附图说明
参考下面描述的附图可以更好地理解本文描述的特征。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在展示本发明的原理上。在附图中，在各个视图中相似的标号用于指示相似的零件。
图1描绘了典型的燃料电池的示意性截面分解视图；
图2描绘了典型的燃料电池发电装置的示意性截面视图；
图3描绘了根据本发明的一个实施例的双极板的阳极侧的分解立体图；
图4描绘了图3所示的双极板的阴极侧的分解立体图；
图5描绘了图3所示的双极板的另一分解视图；
图6描绘了图4所示的双极板的另一分解视图；
图7描绘了图3所示的双极板的阴极侧的立体截面视图；
图8描绘了图7所示的双极板的放大截面视图；
图9描绘了图3所示的双极板的阴极侧的另一立体截面视图；
图10描绘了图9所示的双极板的放大截面视图；
图11描绘了具有根据本发明的第一实施例的双极板的燃料电池的截面视图；
图12描绘了具有根据本发明的第一实施例的双极板的燃料电池的叠堆的截面视图；
图13描绘了根据本发明的一个实施例的燃料电池发电装置的示意性截面视图；
图14描绘了具有根据本发明的第二实施例的双极板的燃料电池的截面视图；
图15描绘了具有根据本发明的第三实施例的双极板的燃料电池的截面视图；
图16描绘了具有根据本发明的第四实施例的双极板的燃料电池的截面视图；
图17描绘了具有根据本发明的第五实施例的双极板的燃料电池的截面视图；
图18描绘了具有根据本发明的第六实施例的双极板的燃料电池的截面视图；以及
图19描绘了具有根据本发明的第七实施例的双极板的燃料电池的截面视图。
具体实施方式
图1展示了典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池10，该燃料电池通常包括由离聚物膜16分隔的负电极(阳极)12和正电极(阴极)14。阳极催化剂层18a和阴极催化剂层18c形成在大致平面的膜的相应侧面上，以将氢气反应气体和氧气反应气体转化成电和水。该组件典型地称为膜电极组件(MEA)20。催化剂层18a、18c对于阳极12和阴极14可以是相同的，但典型地它们是不同的。例如，阳极催化剂层18a可以用于将氢原子分裂成氢离子和电子，而阴极催化剂层18c可以用于使氧气和电子反应以形成水。
反应物(即氢气和空气)被流场板22引导至MEA 20，该流场板典型地包括反应物流动通道(由虚线表示)。流场板22被示出为双极板，该双极板包括用于燃料和氧化剂两者的反应物流动通道。反应物从这些通道穿过邻接流场板22的气体扩散层(GDL)24a、24c，然后穿过位于GDL与相应的催化剂层18a、18c之间的微孔层(MPL)26a、26c。GDL可以具有若干功能，这些功能包括将反应气体流扩散到催化剂层、将液态和蒸气水副产物从催化剂层输送到阴极气体通道(在阴极气体通道中，液态和蒸气水副产物被气体流带走)，收集电化学反应产生的电流，并提供机械强度来支撑和保护涂覆有催化剂的膜。GDL典型地是高度多孔(例如，60％-90％)的无纺碳纤维纸或纺织碳纤维布，大约0.25mm至0.35mm厚，孔隙尺寸为数百微米的量级，并且可以用各种专有物质进行处理以提高性能。MPL的作用是使GDL和催化剂层之间的接触电阻最小化，并有助于改善水的输送。MPL典型地由涂覆到GDL上的碳粉和PTFE颗粒的薄层构成，孔隙尺寸为一微米的量级。一些燃料电池被制造为将膜电极组件(MEA)、微孔层(MPL)和气体扩散层(GDL)生产为一件式组件，称为组合式电极组件(UEA)28。
图2展示了使用如图1中所描述的燃料电池10的叠堆的通用燃料电池发电装置30。燃料(比如氢气(H2))被提供到燃料入口32并且流过阳极流场板以被分配到阳极催化剂层。未消耗的燃料流出燃料出口34，并且可以流过再循环泵(未示出)回到燃料入口32，并且可以周期性地清除到环境中。氧化剂(比如空气)由鼓风机(未示出)提供至空气入口36并流过阴极流场板以分配至阴极催化剂层。已经被副产物水加湿的多余工艺空气从空气出口38流出并且在被排放到环境之前可以通过散热器和/或冷凝器(未示出)。
发电装置30可以进一步包括用于从燃料电池移除热量的冷却剂回路40。在许多汽车应用中，冷却剂是水和乙二醇的混合物，以防止冷却剂在寒冷气候下冻结。泵42将冷却剂提供到冷却剂入口44中，在冷却剂入口处，冷却剂然后被引导通过冷却器板等(未示出，但典型地位于燃料电池10之间)并分布在板的表面上。燃料电池10将显热传送至循环的冷却剂，因此冷却剂变得更热但不经历相变。当冷却剂在冷却剂出口46处离开叠堆时，冷却剂通过热交换设备48，由此显热在循环回到入口44之前被排出。在一个示例中，热交换设备48是散热器。可以使用流量控制阀或孔口50调节冷却剂流动。
如图1所示，反应物流场板20是双极板。大多数双极板设计采用实心材料，只有很少比例的设计在阳极侧和阴极侧均采用多孔材料。每种设计具有其自身的优点和缺点。顾名思义，实心双极板对于氢气燃料是不可渗透的，并且因此在保持反应气体分离方面表现优异。此外，由于实心双极板的不渗透性，将它们密封在叠堆中相对简单。因此，可以对发电装置叠堆加压，这提高电池性能并降低电池衰减。实心双极板的另一个优点是，它们的不渗透性允许在叠堆中使用防冻型冷却剂，比如水/乙二醇混合物(WEG)。这种防冻型冷却剂对于在寒冷环境下操作(比如汽车应用)的燃料电池非常有益。然而，WEG会使膜电极中毒，因此必须小心将WEG与MEA隔离。
实心双极板可以由金属制成，比如不锈钢或钛。由于流场几何结构可以通过常规的大批量制造方法(比如冲压等)形成，因此金属板可以廉价地进行批量生产。实心双极板也可以由无孔碳或聚合(复合)材料制成。实心碳板或复合板可以通过模制等进行批量生产，并且尺寸公差通常可以比金属成型板保持得更紧密。然而，实心碳板或复合板比金属板生产成本更高。
尽管实心双极板可能有用并且对于某些应用可能是有利的，但它们也有缺点。金属板的一个缺点是它们容易腐蚀，因存在电化学电势非常高的空气和水。腐蚀层不导电，并且随着板继续腐蚀，燃料电池丧失性能。已经开发出涂层并将其应用于板以减轻腐蚀，但即使这种技术也具有操作极限。
特别地，汽车行业可能将燃料电池的使用寿命的目标定为5,000小时。据说金属板上的一些涂层已经实现了这一目标。然而，重型车辆行业可能需要30,000小时的使用寿命。目前的汽车涂料或构造还没有接近这个极限。因此，重型车辆行业需要开发具有更长操作极限的燃料电池，可能高达30,000小时。
实心板的另一个缺点是它们没有固有的水管理能力。在PEM燃料电池的操作中，至关重要的是，在阴极电极产生水(包括由质子牵引通过PEM电解质产生的水)的速率与从阴极电极移除水或向阳极电极供应水的速率之间保持适当的水平衡。对于PEM燃料电池，如果没有足够的水返回到阳极电极，则PEM电解质的相邻部分会变干，从而降低氢离子可以转移通过PEM的速率，并且还引起还原流体的交叉，从而导致局部过热。类似地，如果从阴极移除的水不足，则阴极电极可能被淹没，从而有效地限制了对阴极的氧化剂供应，并因此减少了电流。此外，如果从阴极移除过多的水，PEM可能变干，从而限制氢离子穿过PEM的能力，因此降低电池性能。实心板典型地需要外部水管理手段，比如外部加湿器以防止MEA变干和破裂。
多孔双极板(有时称为输水板)是用于燃料电池中的电极的阴极侧和阳极侧的多孔隔板。多孔双极板严格控制孔隙尺寸以形成气泡屏障，在燃料电池操作期间，气泡屏障允许液体通过孔隙输送到液态水腔中，但阻止反应气体输送。液体输送允许膜水合，并能够移除阴极侧上由燃料电池内的电化学反应产生的产物水。防止反应气体输送阻止燃料气体和氧化剂气体逸出到液态水腔中。
多孔板提供优异的水分平衡，以通过芯吸走流场通道中多余的水并将其迁移到因蒸发而失水的区域，而保持膜电极组件的水合。多孔双极板暴露于水流场以维持燃料电池的期望操作。在电池的局部区域中(在这些局部区域，反应气体从低温区域流到较高温区域)，水从多孔板蒸发，使气体流充满水蒸气；在反应气体从较高温度运动到较低温度的区域中，电化学反应中形成的产物水和从冷却气体流中冷凝出来的液态水可以被多孔板芯吸走。结果是，具有多孔双极板的燃料电池系统的一个优点是它们表现出非常高的耐用性。另一个优点是具有多孔双极板的系统不需要使用外部加湿器，这可以减少重量和复杂性。
典型地，可以利用泵驱动的循环水回路来提供电池冷却功能以及使水运动通过输水板的孔隙以移除产物水的驱动力。
尽管多孔双极板具有优点，但它们也有缺点。例如，由于制造具有特定孔隙尺寸的板的困难，因此多孔双极板进行大规模生产可能成本高。另一个缺点是多孔板难以密封，这可能引起加压系统中的可靠性问题。另一个显著的缺点是，利用多孔双极板的燃料电池系统不能在水冷却回路中使用防冻型冷却剂(比如WEG)，因为冷却剂会吸收到板的孔隙中并使MEA中毒。
所披露的发明的实施例通过利用四流体板构造解决了双极板的许多前述问题，该四流体板构造提供了燃料反应物流场、氧化剂流场、水管理流场和用于防冻型冷却剂的专用冷却剂通路。实施例包括无孔板部分和多孔板部分，明智地选择这两部分以捕获两种设计的最佳方面，同时减少或消除相关的缺点。四流体双极板可以很容易地制造以降低成本。
参照图3和图4，用于燃料电池的双极板100包括无孔子板102和多孔子板104。在本发明的一个实施例中，无孔子板102包括反应物侧106(如图3所示)和相对的水管理侧108(如图4所示)。如图所示，反应物侧106经由燃料流场向MEA的阳极侧供应氢气。流场的非限制性示例包括腔、多孔基板、或者如展示的实施例中所示的燃料流场通道110。无孔子板102进一步包括内部冷却剂通路112(图8和图11)，该内部冷却剂通路将防冻型冷却剂(比如WEG)与燃料电池中的其它部件隔离。无孔子板102的其它一般特征可以包括用于燃料供应部114a和返回部114b、氧化剂供应部114c和返回部114d、水管理供应部114e和返回部114f以及WEG冷却剂供应部114g和返回部114h的内部歧管114。密封装置116允许多个燃料电池被密封并在压力下操作。
图4示出了双极板100的相对侧。无孔子板102的水管理侧108包括水流场。流场的非限制性示例包括腔、多孔基板或如所展示的实施例中所示的水通道118，这些水通道形成外部循环水管理回路150(图13)的一部分，该外部循环水管理回路允许对阴极流场进行适当的水管理，如下文详细讨论的。水通过水管理供应歧管114e进入板通道并且通过水管理返回歧管114f离开。
多孔子板104包括反应物侧120和相对的水管理侧122。反应物侧120经由氧化剂流场向MEA的阴极侧供应氧化剂(例如，空气)。流场的非限制性示例包括腔、多孔基板、或如所展示的实施例中所示的氧化剂流场通道124。水管理侧122(图3)在该实施例中没有特征(例如，平坦的)，但在维持最佳电池性能和耐用性方面起着至关重要的作用。
多孔子板104可以由石墨或其它碳基材料制成，并且还可以由金属(比如钛或不锈钢)制成。比如通道等特征可以通过液压成型、铸造、热成型、3D打印/增材制造、或铣削/机加工形成。
如前所述，多孔子板104中的孔隙的尺寸被设计成在燃料电池操作期间产生气泡屏障。孔隙尺寸由具体的燃料电池操作条件和压力决定。对于石墨或其它碳基材料，可以通过已知的工艺在板中形成孔隙。例如，美国专利号6,197,442详细描绘了一种制造工艺，其中将石墨粉末、增强纤维、纤维素纤维和热固性树脂与液体混合以形成浆料并将浆料喷洒到网上以形成平面片材，将片材干燥以形成纸。将纸切成期望的尺寸并叠层。叠层通过压力和热量进行层压、碳化和石墨化，以形成输水板，以便随后根据需要进行机加工。成品多孔板在气泡压力、透水性、中值孔隙尺寸、孔隙率、通面电阻率和压缩屈服强度方面表现出优异的物理特性。对于金属多孔板，可以通过例如冲压床或激光钻孔来形成孔隙。
图5和图6描绘了根据本发明的第一实施例的无孔子板102的另一分解视图。无孔子板102可以由容易制造然后接合在一起的两个半板102A和102B形成。例如，半板可以由金属(比如不锈钢或钛)制成，流动通道和其它特征可以通过金属冲压等形成，并且两个半板通过焊接接合在一起。接合方法的其它非限制性示例包括例如激光焊接、钎焊、热塑结合或粘合剂。所展示的实施例中的半板102A包括位于面向反应物侧的燃料流场通道110(图5)和位于相对侧的WEG冷却剂半通道126A(图6)。半板102B包括位于水管理侧108的水通道118(图6)和位于相对侧的WEG冷却剂半通道126B(图5)。
参考图7和图8可以找到更多细节，其中，图7描绘了大约在图4所示的位置截取的双极板100的阴极侧截面视图，并且图8描绘了图7所示的板的放大视图。参照图8，更详细地示出了无孔子板102和多孔子板104。为了清楚起见，半板102A、102B被示出为分离的(例如，在接合之前)。每个半板可以包括成排的凸起表面128，并且这些凸起表面之间的谷部130、132可以限定无孔板的外表面上的流体流动通道。板的一侧上的凸起表面128限定同一板的相对侧上的凹陷部134。当两个半板102A、102B接合在一起时，凹陷部可以限定内部腔136。在一个示例中，半板102B上的谷部130限定水管理通道118，半板102A上的谷部132限定燃料流场通道110，并且内部腔136限定内部防冻冷却剂通路112。
多孔子板104的反应物侧120包括氧化剂流场通道124以向MEA供应空气。在一个示例中，通道124横向于燃料流场通道110。多孔子板104的水管理侧122抵靠半板102B的平坦凸起表面128定位。以这种方式，当去离子(DI)水循环通过水通道118时，多孔子板104内的孔隙与去离子水流体连通，从而允许子板104变得并保持完全充满液体。
多孔子板104中的期望孔隙率可以通过燃料电池领域中已知的任何合适的方法来实现。例如，多孔子板104可以被构造为输水板(WTP)、由具有适当颗粒尺寸的浆料模制的净形状、或被激光钻孔以实现期望的孔隙尺寸。
图9描绘了双极板100的替代性截面视图；图10中放大了该视图的一部分以展示一种可能的构造。转向图10，截面视图包括半板102A、半板102B和多孔子板104。类似于图8，为了清楚起见，半板102A和102B被示出为稍微分离。还示出了半板102A中的凹陷部134，这些凹陷部形成WEG冷却剂半通道126A。
多孔子板104可以通过常规手段密封到无孔子板102以防止气体泄漏或水泄漏。例如，密封装置116可以包括粘合剂、嵌套、过盈配合、或用于接纳模制压缩密封件、垫圈或O形环的凹槽。在一个示例中，多孔子板104可以嵌套到形成于无孔子板102的水管理侧108中的凹部138中。凹部138跨越多孔子板104的整个平面形式，以有效地捕获该板并确保组装期间的正确对准。在一些示例中，凹部138可以减小双极板100的总体厚度，因为多孔子板104基本上凹入到另一板的厚度中并且仅最小程度地增加总体厚度尺寸。
图11描绘了具有根据本发明的第一实施例的双极板100的质子交换膜(PEM)燃料电池140的截面视图，图12描绘了这样的燃料电池的叠堆，并且图13描绘了具有所披露的双极板100的燃料电池发电装置144的截面。在所展示的示例中，氧化剂流场通道124被示出为与燃料流场通道110平行，但这是出于说明的目的，并且对于其它实施例将遵循惯例。燃料电池140包括位于上组合式电极组件28(UEA)和下组合式电极组件(UEA)之间的双极板100。双极板100抵靠每个UEA 28。
在操作中，氢气在入口114a处引入并通过流过无孔子板102中的燃料流场通道110而到达UEA 28的阳极侧。空气在入口114c处引入并通过流过多孔子板104中的氧化剂流场通道124而到达UEA 28的阴极侧。水泵146使水循环通过水管理回路150中的除盐器148。软化水、或去离子(DI)水通过水管理供应部114e并通过由无孔子板102和多孔子板104形成的通道118流入叠堆144中。多孔子板104中的孔隙填充有水，并且子板充当海绵以保持水而保持UEA 28的水合。多孔子板104可以将液体直接传输至UEA 28，或者多孔子板可以将水蒸发掉并且水蒸气可以通过空气流迁移至UEA。多孔子板104还可以从UEA 28中移除由阴极处的反应形成的产物水。通过维持水管理回路150中的压力低于反应物的压力，可以将液体形式的产物水直接驱动到多孔子板104的孔隙中。如果产物水呈蒸气形式，它会在多孔子板上冷凝，并被吸收回到循环水回路中。
热管理主要由专用且隔离的冷却剂回路152控制。冷却剂泵154使冷却剂通过冷却剂供应部114g流动到叠堆144中并通过冷却剂返回部114h流出叠堆144。在冷却剂供应部和冷却剂返回部之间，在一些配置中，冷却剂分布在电池140的表面上。在所展示的实施例中，冷却剂流过由半板102A和半板102B接合形成的内部通路112(图10)。当冷却剂在冷却剂返回部114h处离开叠堆时，冷却剂穿过热交换设备156，由此显热在循环回到供应部114g之前被排出。在一个示例中，热交换设备156是散热器。可以使用流量控制阀或孔口158调节冷却剂流动。
无孔子板102的不可渗透特性消除了对单独的冷却剂管路的需要，并且允许冷却剂通路位于子板102的内部，这与添加单独的冷却器板的一些设计相比节省了空间。如前所述，该设计允许使用防冻型冷却剂，比如水/乙二醇混合物(WEG)，这有益于在寒冷环境中操作的燃料电池。
在所展示的实施例中，冷却剂流过半板102A和102B接合形成的内部通路。然而，分配冷却剂的其它手段也在本发明的范围内。例如，内部冷却剂通路可以由包含分配冷却剂的多孔基板的腔限定。
在大多数情况下，在所披露的实施例中不需要外部加湿器，但是存在添加外部加湿器可能对系统有益的情况。例如，如果双极板100仅使用被动水管理特征并且在特别热和干燥的环境中操作，则水可以比燃料电池产生的产物水更快地从多孔子板蒸发。在这样的环境中，向系统添加外部加湿器159(图13)、而不是并入如本文其它实施例中详述的主动冷却特征可能是有利的。
在所展示的实施例中，阳极通道110中不存在多孔介质。在某些操作条件下，比如当存在局部冷却区域时，湿气会在阳极通道中冷凝，从而引起水积聚。必须定期将水移除以防止阳极电极处的性能下降。该问题的现有技术解决方案包括尝试将水吹出，这涉及额外的操作步骤并消耗寄生功率。在一个实施例中，如图11和图12所示，可以从氢气通道的底部钻出一个或多个小排水孔142以与DI水腔118连通。排水孔142的尺寸可以设计为气泡屏障，以将多余的水从燃料通道110输送到水通道118而不让反应气体逸出。DI水回路压力可以保持低于阳极和阴极的压力。以这种方式，压力差将驱动积聚的水通过排水孔142进入腔118，在该腔处，水返回到DI水回路。
如上所述，在典型的操作条件下，燃料电池发电装置热管理主要由防冻冷却剂回路152控制，其中显热被传输到穿过冷却剂流场的循环冷却剂。在较小程度上，当孔隙中的产物水蒸发时，可以通过蒸发冷却来提供一些电池冷却，但是蒸发冷却功能典型地不被视为显热冷却剂流动系统中的控制参数。
与显热冷却剂流动方法相比，蒸发冷却利用蒸发热，以将每体积水的冷却效率提高多达百倍(one hundred-to-one)。本披露内容的发明人已经确定，在某些情况下可以经由蒸发来实现增强的冷却。因此，在本发明的一方面，水管理回路和冷却剂回路的独立操作可以用于操作热提升模式或水回收/积聚模式。
在热提升模式下，在有限的持续时间内需要额外的冷却，比如当叠堆需要大量功率时。在燃料电池车辆中、尤其是卡车，当爬陡峭或长的道路坡度、或在热天以高功率操作、或散热器不够大而无法处理冷却需求的任何其它情况时，热提升模式可能是有益的。在热提升模式下，热管理策略从显热冷却转向蒸发冷却，以提供更大的冷却能力。在热提升模式下，蒸发冷却可以占总冷却功能的较大部分，并且在某些设计场景中可能占90％或更多。
在操作中，当需要或计算出需要额外的冷却时，在第一步骤，减少冷却剂流速(即WEG)，这降低了显热冷却能力。结果是，叠堆温度开始升高，水从孔隙蒸发的速率增加，并实现显著的蒸发冷却。然后，在第二步骤，允许燃料电池升温或维持温度，以增加蒸发冷却的程度。为了补偿增加的水蒸发并防止孔隙变干并失去它们的气泡屏障，在第三步骤，可以增加水通过水管理流场的流速。在一个示例中，水流速的增加可以通过提供与水管理流场流体连通的泵驱动的循环水管理回路并利用泵增加水流速来实现。
因为所披露的蒸发冷却方案具有更大的能力来处理大的、短持续时间的热需求，所以它提供了更好的短期热管理控制策略。可以将冷却剂流速调节为降低的值，以实现适当水平的蒸发冷却和期望的叠堆温度。
所披露的热提升模式消耗了水管理回路中的水量，比可以通过产物水形成进行同时补充的水量更多。因此，热提升模式旨在持续相对短的持续时间。然而，在本发明的另一方面，水管理回路和冷却剂回路的独立操作可以用于操作水回收/积聚模式。在水回收/积聚模式下，冷却剂流动(即WEG)增加到高于其正常速率，以减少蒸发冷却并通过电池内的冷凝产生多余的水。多余的产物水可以被收集并保留以供将来在热提升模式下使用。
在一种实现方式中，水回收/积聚模式可以在不需求叠堆的循环的一部分期间(比如当车辆在水平地面上行驶时)操作，并且通过散热器的空气流提供足够的冷却。在第一步骤，当需要或计算出需要额外的产物水时，增加冷却剂回路中的冷却剂流速(即，WEG)以增加显热冷却。结果是，叠堆温度下降，经由孔隙蒸发较少的产物水，而是冷凝水形成。在第二步骤，允许燃料电池降温或维持温度，以冷凝盈余的产物水。为了补偿减少的水蒸发并防止电池淹没，在第三步骤，可以降低水通过水管理流场的流速。在一个示例中，水流速的降低可以通过提供与水管理流场流体连通的泵驱动的循环水管理回路并利用泵降低水流速来实现。
在另一实现方式中，燃料电池控制器可以接收传感器输入或环境输入以确定热提升模式或水回收/积聚模式是否得到保证以及如果是的话，达到什么程度。传感器输入的非限制性示例可以包括空气流量、阴极排气温度、阴极排气压力、水储器总容量、水存量、水温、环境温度、冷却剂返回温度和水回路出口压力。控制器可以响应于传感器输入值来命令冷却剂泵和/或水泵流量设置。
燃料电池控制器还可以接收来自外部环境因素的输入。非限制性示例包括有效负载计时、车辆路线、GPS坐标、道路坡度、天气预报、一天中的时间和驾驶员行为。在一个示例中，控制器可以接收指示正在接近陡峭或加长的道路坡度的GPS路线数据。控制器可以足够提前命令叠堆来操作水回收/积聚模式以收集产物水并将其保留在储器中。然后，当车辆遇到坡度时，控制器可以命令叠堆操作热提升模式。
热提升模式和水回收/积聚模式的操作不限于所披露的混合双极板。发明人设想，所披露的操作方法在任何四流体燃料电池发电装置中都是可能的并且有益的，在该四流体燃料电池发电装置中，防冻型冷却剂回路独立于水管理回路进行操作，比如美国专利号7,135,247中披露的。‘247专利披露了设置在每隔一个燃料电池之间的分开的单独冷却器板。
所披露的热提升模式和水回收/积聚模式提供了优于现有技术的3-流体叠堆的若干益处和优点。热提升模式的一个益处是降低了寄生功率，因为散热器和风扇实际上在高功率骤增期间调低而不是增加。在现有技术的叠堆中，运行散热器和风扇严重损害效率。相反，调低散热器的温度增加了效率。
所披露的热提升模式的另一个优点是可以减小散热器的尺寸，因为存在可以在燃料电池内实现的可用的替代性冷却手段。现有技术的3-流体设计利用更大的散热器，这些散热器成本更高并且增加了车辆的重量，从而导致性能损失。对于燃料电池卡车来说尤其如此。
图14描绘了具有根据本发明的第二实施例的四流体双极板200的燃料电池240的截面视图。半板102A可以具有与图11所描绘的构造相同的构造，但是半板102B被简单的平板202B替代。平板可以由与半板102A相同的材料形成。该实施例中的多孔子板204包括位于板的第一侧的氧化剂流场通道224和位于相对的第二侧的DI水通道218。在该构造中，无孔子板102不具有水通道。该实施例的一个优点是其轮廓较低，这减少了叠堆高度和重量。WEG冷却剂通路212的尺寸也减小了一半，但这可以通过增加冷却剂流量来补偿。
图15描绘了具有根据本发明的第三实施例的四流体双极板300的燃料电池340的截面视图。在该实施例中，DI水并不在整个叠堆中循环，水仅在电池340中循环。半板102A可以具有与图11所描绘的构造相同的构造，但是半板102B被简单的平板302B替代。平板可以由与半板102A相同的材料形成。子板304可以被构造为输水板，并用作DI水的多孔基板；实际上是DI水“海绵”：子板收集产物水并从空气中收集加湿水，使它们循环回到电池反应物通道324的入口，并使UEA 28水合。电池内循环通过孔隙芯吸发生，当孔隙中的水在反应物通道入口处蒸发时，新鲜的水从通道324的更下方被芯吸，在该通道中，孔隙仍然是饱和的。该循环被动地继续，其中蒸发发生在通道入口处，冷凝发生在通道出口处。该实施例提供了被动水管理的优点，其不太复杂，节省了外部泵和管道的费用，并且不消耗寄生功率。
图16描绘了具有根据本发明的第四实施例的四流体双极板400的燃料电池440的截面视图。在该实施例中，该构造与图11中所描绘的构造基本上相同，不同之处在于附加的隔板460将内部WEG冷却剂通路分成两个单独的通道(示出为WEG1、WEG2)。单独的通道可以用于使电池上的热量分布均匀，即在需要时增加更多的冷却能力。在一个示例中，两个单独的通道可以承载冷却剂的不同成分或完全不同的流体。
图17描绘了具有根据本发明的第五实施例的四流体双极板500的燃料电池540的截面视图。在该实施例中，阴极侧构造和WEG内部冷却剂通路与图9中所描绘的基本上相同，但是阳极侧利用多孔子板562来向UEA 28供应氢气。无孔子板102未改变，但代替子板102A中的谷部132限定燃料反应物通道(图8)，在该实施例中，这些谷部限定水通道518以保持多孔阳极子板562水合。与阴极侧类似，多孔阳极子板562包括邻接UEA 28的燃料流场通道510。
图18描绘了具有根据本发明的第六实施例的双极板600的燃料电池640的截面视图。该实施例是3-流体系统，因为它不包括用于WEG冷却剂的内部冷却剂通路。双极板包括无孔子板602和多孔子板104。多孔子板与图11中所描绘的基本上相同。无孔子板602与先前实施例的不同之处在于，它包括单个板，并且没有焊接到或以其它方式接合到其上的平板。相应地，子板602包括限定水通道618的水管理侧和限定燃料流场通道610的相对反应物侧。
图19描绘了具有根据本发明的第七实施例的四流体双极板700的燃料电池740的截面视图。在该实施例中，双极板700包括位于阴极侧的多孔子板704和位于阳极侧的混合子板766。子板704可以与子板204(图14)基本上相同，在一侧具有氧化剂流场724并且在相对侧具有水流场718。混合子板766包括多孔部分和无孔部分。无孔部分限定内部冷却剂通路712，这些内部冷却剂通路隔离冷却剂免于暴露于其它电池部件。冷却剂可以是防冻型冷却剂，比如WEG。多孔部分限定将燃料反应物流场710流体连接至水流场718的多个孔隙768。孔隙768的尺寸被设计为气泡屏障，以将多余的水从燃料流场710输送到水流场718而不让氢气逸出到水腔中。
在一个示例中，子板766可以包括半板766A(类似于图8中的102A)，该半板接合到半板766B(类似于图14中的202B)以形成内部冷却剂通路712。平板766B可以由与半板766A相同的材料形成。半板766A、766B可以通过前述技术中的任何一种接合，比如焊接、激光焊接、钎焊、热塑结合或粘合剂。在接合之后，孔隙768可以通过任何合适的技术形成，比如激光钻孔。
进一步的实施例可以通过交换燃料反应物和氧化剂反应物来实现。例如，先前的实施例描述了空气流过多孔子板104中的通道、以及氢气流过无孔子板102中的通道。在本发明的范围内预期交换位置，这意味着氢气流过多孔子板104中的通道，而空气流过无孔子板102中的通道。
所披露的燃料电池系统的改进之一是防止无孔金属子板上的电偶腐蚀。由于多孔碳子板和金属子板之间的电势差，电偶腐蚀可能发生在多孔碳子板和金属子板之间的界面164(图11和图13)处。当金属开始氧化时，电池开始失去性能，因为氧化物层不导电。该问题的现有技术解决方案(其中系统包括无孔碳)包括在金属板上施加涂层以防止腐蚀。尽管所披露的燃料电池系统仍然可以受益于涂层，但是该系统可能不需要利用它们，因为除盐水回路/去离子水回路扫过金属和碳之间的界面164，并带走通常可能积聚并使界面不导电的任何腐蚀产物。实际上，在该界面处循环的水防止氧化物积聚。
本文描述的方法的示例如下：
(1)一种防止燃料电池中的碳/金属界面处的腐蚀的方法，该方法包括以下步骤：
提供双极板，该双极板包括金属子板和多孔子板，该金属子板具有至少一个水管理侧，并且该多孔子板具有反应物侧和相对的水管理侧，多孔子板的水管理侧与金属子板的水管理侧邻接以形成界面；
提供与双极板邻接的组合式电极组件；
使燃料反应物和氧化剂反应物从双极板上的反应物流场流到组合式电极组件以引发电化学反应；
使水通过水管理回路流到金属子板和多孔子板的水管理侧，以扫走形成在界面处的腐蚀产物；以及
使水管理回路中流动的水去离子和除盐。
(2)如上述(1)所述的防止燃料电池中的碳/金属界面处的腐蚀的方法，该方法进一步包括以下步骤：在双极板内形成内部冷却剂通路，并且使防冻型冷却剂流过该内部冷却剂通路。
(10)一种以热提升模式操作四流体燃料电池的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种四流体燃料电池，该四流体燃料电池包括氧化剂流场、燃料反应物流场、水管理流场和可操作以移除显热的独立循环冷却剂回路，该冷却剂回路与冷却剂流场流体连通；
降低冷却剂在冷却剂回路中的流速以降低显热冷却能力；以及
允许燃料电池维持或升高温度以增加蒸发冷却。
(11)如上述(10)所述的操作四流体燃料电池的方法，其中，冷却剂是防冻型冷却剂。
(12)如上述(10)所述的操作四流体燃料电池的方法，其中，氧化剂流场和燃料反应物流场中的至少一者包括流体连接到水管理流场的多个孔隙，这些孔隙被配置为气泡屏障。
(13)如上述(10)所述的操作四流体燃料电池的方法，其中，提供四流体燃料电池的步骤包括提供混合双极板，该混合双极板包括氧化剂流场、燃料反应物流场、内部冷却剂通路和水管理流场。
(14)如上述(10)所述的操作四流体燃料电池的方法，该方法进一步包括以下步骤：增加通过水管理流场的水的流量以补偿增加的蒸发。
(15)如上述(14)所述的操作四流体燃料电池的方法，其中，提供四流体燃料电池的步骤进一步包括提供与水管理流场流体连通的循环水管理回路。
(20)一种在四流体燃料电池中积聚和保留产物水的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种四流体燃料电池，该四流体燃料电池包括氧化剂流场、燃料反应物流场、水管理流场和可操作以移除显热的独立循环冷却剂回路，该冷却剂回路与冷却剂流场流体连通；
增加冷却剂在冷却剂回路中的流量以增加显热冷却；以及
允许燃料电池维持或降低温度以使盈余的产物水冷凝。
(21)如上述(20)所述的在四流体燃料电池中积聚和保留产物水的方法，该方法进一步包括提供水储器来存储盈余的产物水的步骤，该水储器与水管理回路流体连通。
(22)如上述(20)所述的在四流体燃料电池中积聚并保留产物水的方法，该方法进一步包括以下步骤：降低通过水管理流场的水的流量以积聚盈余的产物水并补偿减少的蒸发。
(23)如上述(22)所述的在四流体燃料电池中积聚和保留产物水的方法，其中，提供四流体燃料电池的步骤进一步包括提供与水管理流场流体连通的循环水管理回路。
(24)如上述(10)或(20)中所述的方法，其中，控制器响应于传感器数据来命令冷却剂泵和水泵流量设置，该传感器数据包括空气流量、阴极排气温度、阴极排气压力、水储器总容量、水存量、水温、环境温度、冷却剂返回温度和水回路出口压力中的至少一个。
(25)如上述(10)或(20)所述的方法，其中，控制器响应于环境因素来命令冷却剂泵和水泵流量设置，这些环境因素包括有效负载计时、车辆路线、GPS坐标、道路坡度、天气预报、一天中的时间和驾驶员行为中的至少一个。

Claims (15)

1.一种用于燃料电池的双极板，包括：
无孔子板，包括：
第一水管理侧、以及与所述第一水管理侧相对的第二水管理侧；
所述无孔子板限定：
燃料供应内部歧管贯通通路和燃料返回内部歧管贯通通路；
氧化剂供应内部歧管贯通通路和氧化剂返回内部歧管贯通通路；
水管理供应内部歧管贯通通路和水管理返回内部歧管贯通通路；
冷却剂供应内部歧管贯通通路和冷却剂返回内部歧管贯通通路；以及
内部冷却剂通路，所述内部冷却剂通路在一端处与所述冷却剂供应内部歧管贯通通路流体连通并且在另一端处与所述冷却剂返回内部歧管贯通通路流体连通，所述内部冷却剂通路在所述燃料供应内部歧管贯通通路和所述燃料返回内部歧管贯通通路之间的区域、以及所述氧化剂供应内部歧管贯通通路和所述氧化剂返回内部歧管贯通通路之间的区域上延伸；
第一多孔子板，所述第一多孔子板包括反应物侧和相对的水管理侧，所述反应物侧包括与所述燃料供应内部歧管贯通通路和所述氧化剂供应内部歧管贯通通路中的一者流体连通的第一反应物流场，所述水管理侧与所述无孔子板的所述第一水管理侧流体连通；
以及
第二多孔子板，所述第二多孔子板包括反应物侧和相对的水管理侧，所述反应物侧包括与所述燃料供应内部歧管贯通通路和所述氧化剂供应内部歧管贯通通路中的另一者流体连通的第二反应物流场，所述水管理侧与所述无孔子板的所述第二水管理侧流体连通。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一多孔子板和所述第二多孔子板中的至少一者在所述无孔子板的凹入周边内形成嵌套密封件。
3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述无孔子板的至少一侧限定水管理流场。
4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述水管理流场包括水流场通道。
5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述无孔子板包括接合到第二半板的第一半板。
6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述内部冷却剂通路由所接合的第一半板和第二半板限定。
7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述内部冷却剂通路与防冻型冷却剂兼容。
8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一多孔子板和所述第二多孔子板中的至少一者包括气泡屏障孔隙结构，所述气泡屏障孔隙结构适于允许液体输送通过所述孔隙结构并防止反应气体输送通过所述孔隙结构。
9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，所述第一多孔子板和所述第二多孔子板两者包括气泡屏障孔隙结构，所述气泡屏障孔隙结构适于允许液体输送通过所述孔隙结构并防止反应气体输送通过所述孔隙结构。
10.一种用于燃料电池双极板组件的无孔子板，包括：
第一水管理侧、以及与所述第一水管理侧相对的第二水管理侧；
所述无孔子板限定：
燃料供应内部歧管贯通通路和燃料返回内部歧管贯通通路；
氧化剂供应内部歧管贯通通路和氧化剂返回内部歧管贯通通路；
水管理供应内部歧管贯通通路和水管理返回内部歧管贯通通路；
冷却剂供应内部歧管贯通通路和冷却剂返回内部歧管贯通通路；以及
内部冷却剂通路，所述内部冷却剂通路在一端处与所述冷却剂供应内部歧管贯通通路流体连通并且在另一端处与所述冷却剂返回内部歧管贯通通路流体连通，所述内部冷却剂通路在所述燃料供应内部歧管贯通通路和所述燃料返回内部歧管贯通通路之间的区域、以及所述氧化剂供应内部歧管贯通通路和所述氧化剂返回内部歧管贯通通路之间的区域上延伸。
11.根据权利要求10所述的无孔子板，其特征在于，所述第一水管理侧包括适于接纳第一多孔子板的第一凹入周边。
12.根据权利要求11所述的无孔子板，其特征在于，所述第一凹入周边进一步适于为所述第一多孔子板提供嵌套密封件。
13.根据权利要求11所述的无孔子板，其特征在于，所述第二水管理侧包括适于接纳第二多孔子板的第二凹入周边。
14.根据权利要求13所述的无孔子板，其特征在于，所述第二凹入周边进一步适于为所述第二多孔子板提供嵌套密封件。
15.根据权利要求10所述的无孔子板，其特征在于，进一步包括接合到第二半板的第一半板，从而限定所述内部冷却剂通路。
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