專利名稱：燃料電池直接水注入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別涉及適用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的流場板(flow field plate)，該流場板作為到燃料電池的電極表面的流體輸送管道。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎头磻?yīng)產(chǎn)物。傳統(tǒng)燃料電池10的常見布置在圖1中示出，為清楚起見，其以分解的形式示出各層。固體聚合物離子傳輸膜11夾在陽極12與陰極13之間。通常，陽極12和陰極13都是由導(dǎo)電、多孔材料形成，諸如多孔碳，其上粘接了鉑和/或其它貴金屬催化劑的微小顆粒。陽極12和陰極13通常與膜11的各相鄰的表面直接粘合。這種組合通常稱作膜-電極組件，或MEA。
夾著聚合物膜和多孔電極層的是陽極流體流場板14和陰極流體流場板15。也可以在陽極流體流場板14與陽極12之間和類似地在陰極流體流場板15與陰極13之間采用中間襯層12a和13a。該些襯層為多孔性質(zhì)，且制造成確保氣體向陽極和陰極表面及從陽極和陰極表面的有效擴(kuò)散、以及幫助處理水蒸氣和液體水。本說明書中，所指的電極(陽極和/或陰極)是指包括具有或不具有這種襯層的電極。
流體流場板14、15由導(dǎo)電、無孔材料形成，通過其可以與各陽極電極12或陰極電極13形成電接觸。同時(shí)，該些流體流場板必須便于流體燃料、氧化劑和/或反應(yīng)產(chǎn)物向或從多孔電極的輸送和/或排出。這通常通過在流體流場板的表面中形成流體流動通道(諸如對著多孔電極12、13的表面中的凹槽或溝槽16)來實(shí)現(xiàn)。
再參照圖2(a)，一種傳統(tǒng)的流體流動通道(flow channel)結(jié)構(gòu)在陽極14(或陰極15)的表面中提供了具有進(jìn)口總管(manifold)21和出口總管22的迂回結(jié)構(gòu)20，如圖2(a)所示。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，可理解迂回結(jié)構(gòu)20包括板14(或15)的表面中的溝槽16，同時(shí)總管21和22每個(gè)包括穿過板的孔，使得輸送至溝槽20或從溝槽20排出的流體可以在正交于板的方向貫穿一疊板的深度傳遞，該方向特別通過圖2(b)中所示的在A-A處的截面中的箭頭示出。
可以設(shè)置其它總管孔23、25，用于燃料、氧化劑、其它流體或排出氣傳遞到未示出的板中的其它溝槽。
流體流場板14、15中的溝槽16在兩端可以是開口的，即如所示溝槽在進(jìn)口總管21與出口總管22之間延伸，允許流體連續(xù)通過，通常用于混合的氧化劑供給和反應(yīng)物排出?；蛘?，溝槽16可以在一端關(guān)閉，即每個(gè)溝槽僅與輸入總管21連通來供給流體，完全依賴于氣體材料100％轉(zhuǎn)移進(jìn)及轉(zhuǎn)移出MEA的多孔電極。關(guān)閉的溝槽通?？梢杂糜趥鬏敋淙剂现潦釥罱Y(jié)構(gòu)中的MEA 11至13。
參照圖3，示出了形成傳統(tǒng)燃料電池組件30的一疊板的局部的截面圖。在此布置中，相鄰的陽極和陰極流體流場板按傳統(tǒng)方式組合從而形成在一面上具有陽極溝槽32并在反面上具有陰極溝槽33的單個(gè)雙極板31，每個(gè)溝槽鄰近各膜-電極組件(MEA)34。進(jìn)口總管孔21和出口總管孔22都是重疊的，從而為整個(gè)堆提供進(jìn)口和出口總管。堆的各元件為清楚起見而稍微分開地示出，盡管應(yīng)當(dāng)理解如果需要的話它們將使用密封墊壓在一起。
為了從燃料電池獲得高且持續(xù)的功率輸送能力，通常必須在膜-電極組件中保持較高的水含量，特別是在膜內(nèi)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，這通常通過通過使總管21、22或23和溝槽16供給的供給氣體(燃料、空氣或兩者)濕潤來實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，為了保持足夠的濕度水平，進(jìn)口氣流通常需要加熱和輔助設(shè)備來向流動的氣流中引入水蒸氣。
在現(xiàn)有技術(shù)中，輔助設(shè)備已經(jīng)以多種方式來實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)應(yīng)用的是，在引入燃料電池前使燃料或氧化劑氣體經(jīng)加熱的水柱起泡已經(jīng)被應(yīng)用?；蛘?，已經(jīng)利用了滲透膜作為水傳輸介質(zhì)，使得水從鄰近的含液體水的壓力流入系統(tǒng)(plenum)被帶入氣體流中。吸液芯類似地已被采用作為水傳輸介質(zhì)，由液相到汽相。
其它的設(shè)備可以與燃料電池堆(fuel cell stack)分開或形成為其組成部分。在每種情況下，都存在組件整體的尺寸和復(fù)雜性的相應(yīng)增大。
另一種方法為直接將水輸送至膜11、34，例如直接送至電極表面或送至雙極板31的溝槽16中。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不僅提供水從而保持了膜的高水含量，還能用于通過蒸發(fā)和汽化潛熱的抽出而冷卻燃料電池。
這種用于通過排出氣流引出能量的直接熱排除工藝具有與燃料電池堆組件內(nèi)的中間冷卻板的消除相聯(lián)系的明顯優(yōu)點(diǎn)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用一種冷卻法，其在電化學(xué)活性板(active plate)之間散置熱交換板，從而抽出由燃料電池的電阻和熱力學(xué)消耗導(dǎo)致的熱能。這些熱交換或冷卻板利用再循環(huán)或不常采用的一次經(jīng)過的流體流，其將熱量從燃料電池堆帶走。冷卻板通常對于活性板具有不同的設(shè)計(jì)，由此增大了燃料電池組件的復(fù)雜性、尺寸和成本。
直接引入水可能遇到的一個(gè)困難是向燃料電池堆30內(nèi)的很多流體流場板溝槽16輸送準(zhǔn)確量的水。通常，這需要將準(zhǔn)確量的水輸送至數(shù)千個(gè)獨(dú)立的位置。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要流體流場板14、15或31的復(fù)雜設(shè)計(jì)，其更加難以實(shí)現(xiàn)且增加了生產(chǎn)的成本。
若水輸送過程不均勻，則冷卻效果分布性差，導(dǎo)致局部熱點(diǎn)，該處過熱可能導(dǎo)致物理應(yīng)力和膜11機(jī)械性質(zhì)變差并最終斷裂。這種效果出現(xiàn)于經(jīng)過板表面的差的(不均勻)輸送和到構(gòu)成堆的每個(gè)獨(dú)立單元的不均勻輸送兩種情況。換言之，溫度變化可出現(xiàn)在單元內(nèi)或由一個(gè)單元到另一個(gè)單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的方法和設(shè)備，用于控制水至流體流板中各溝槽的輸送。本發(fā)明的另一目的在于提供一種方法及設(shè)備，其易于制造和組裝。
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該板的表面延伸的多個(gè)溝槽；分配箔，具有形成在其表面且從該分配箔的第一邊緣延伸至該分配箔的第二邊緣的多個(gè)溝槽，所述溝槽在與所述流場板溝槽的各溝槽基本重合的位置處終止于所述第二邊緣處；以及覆蓋箔，在所述分配箔上方延伸，從而封閉所述分配箔溝槽，由此在所述兩箔之間形成用于水的管道。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該板的表面延伸的多個(gè)溝槽；分配箔，具有形成在其表面的多個(gè)溝槽，所述溝槽每個(gè)從接近于或在該分配箔的第一邊緣的第一位置延伸至接近于或在該分配箔的第二邊緣的第二位置，所述溝槽終止于與下面的流場板溝槽的各溝槽基本重合的所述第二位置處；以及覆蓋箔，與所述分配箔的大部分共同延伸，從而在所述第一和第二位置之間的所述分配箔溝槽的長度的至少部分上方封閉所述分配箔溝槽，由此在所述兩箔之間形成用于水的管道。
根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該流場板的表面延伸的多個(gè)溝槽；相鄰的膜-電極組件(MEA)，在該MEA的活性區(qū)域上與所述流體流場板相接觸；以及分配膜，位于所述流體流場板與所述MEA之間，該膜具有在接近于或在該膜的第一邊緣的第一位置與接近于或在該膜的第二邊緣的第二位置之間在其中延伸的多個(gè)水管道，所述管道終止于與所述流場板溝槽的各溝槽基本重合的所述第二位置。


現(xiàn)在將參照附圖以示例的形式介紹本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中圖1示出穿過傳統(tǒng)燃料電池一部分的示意截面圖；圖2(a)和2(b)分別示出圖1的燃料電池的流體流場板的簡化平面和截面圖；圖3示出穿過具有雙極板的傳統(tǒng)燃料電池堆的截面圖；圖4(a)示出具有迂回流體管道的燃料電池流體流場板的平面圖，其概括示出根據(jù)本發(fā)明的水分配箔(distribution foil)和覆蓋箔(cover foil)的重疊位置；圖4(b)示出具有交叉梳狀流體管道的燃料電池流體流場板的平面圖，其概括示出根據(jù)本發(fā)明的水分配箔和覆蓋箔的重疊位置；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的水分配箔的平面圖；圖6示出圖4和5的流體流場板、水分配箔和覆蓋箔的截面圖；
圖7示出圖6的組件的部分的透視圖；圖8示出流體流場板、水分配箔和覆蓋箔的截面圖，其中水分配箔和覆蓋箔的相對位置顛倒；以及圖9示出用于交叉梳狀溝槽結(jié)構(gòu)的注水點(diǎn)的示意平面圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖4(a)和4(b)，本發(fā)明提供在進(jìn)水口總管25與流體流場板40a或40b的各溝槽16之間延伸的一系列注水管道。一般而言，注水管道通過位于流體流場板40表面上的膜或疊層結(jié)構(gòu)提供。注水管道設(shè)置有與進(jìn)水口總管25連通的進(jìn)口和在流體流場板中的溝槽16上方限定預(yù)定注水點(diǎn)的出口。
在優(yōu)選設(shè)置中，疊層結(jié)構(gòu)設(shè)置為覆蓋板40的兩箔層41、42的形式，箔的位置在圖4(a)和4(b)中以虛線輪廓示出。
圖4(a)示出具有迂回溝槽16的流體流場板40a的平面圖，板具有箔41a和42a，箔41a和42a具有與進(jìn)水口總管25重合的第一邊緣43a和44a以及位于或鄰近溝槽16的預(yù)定注水點(diǎn)49的第二邊緣45a和46a。
圖4(b)示出具有兩個(gè)交叉梳狀溝槽47和48、以及箔41b和42b的流體流場板40b的平面圖，每個(gè)溝槽與各自的總管21、22連通，箔41b和42b具有與進(jìn)水口總管25重合的第一邊緣43b和44b、以及位于或鄰近溝槽47的預(yù)定注水點(diǎn)的第二邊緣45b和46b。應(yīng)當(dāng)注意到，箔可以在板40b的對邊上在第二進(jìn)水口總管25與溝槽48上的預(yù)定注水點(diǎn)之間重復(fù)。
圖5示出水分配箔41布局的詳細(xì)平面圖，其示出注水管道50的優(yōu)選路線。管道50由第一系列溝槽51形成，第一系列溝槽51從位于進(jìn)水口總管25的箔41的第一邊緣43延伸至沿注水箔41的長度延伸的壓力分配通道或壓力流入系統(tǒng)52。壓力分配通道52與第二系列溝槽53連通，第二系列溝槽53延伸至箔的第二邊緣45，用于與流體流場板中的溝槽16連通。為此，第二系列溝槽53被分組來終止于在注水箔41的第二邊緣45的各匯聚結(jié)構(gòu)54處。
在示出的優(yōu)選實(shí)施例中，匯聚結(jié)構(gòu)54包括在注水點(diǎn)49處切入箔41的第二邊緣45內(nèi)的弧形凹進(jìn)部55，適于與溝槽16上方的預(yù)定位置重合，在圖上概括示出。
壓力分配通道52優(yōu)選包括互通溝槽56的陣列，其阻擋來自第一系列溝槽51的輸入水且將其沿箔41的整個(gè)長度有效分配，使得第二系列溝槽53的每組以基本相同的壓力收到水。
回過去參照圖4(a)和4(b)，覆蓋箔42由具有與下部箔基本上相似的外圍形狀的無圖案箔(即，無溝槽)構(gòu)成。覆蓋箔42至少在第二系列溝槽的端部處延伸超出分配箔41的邊緣，從而確保水向下引導(dǎo)至所需的流場板溝槽16中。最為方便地，這種交疊通過凹進(jìn)部55形成在分配箔41中而非形成在覆蓋箔42中來實(shí)現(xiàn)。因此，如夸大形式的圖6的截面圖顯見，覆蓋箔42形成溝槽51、52和53的頂部蓋板，從而形成注水管道50，保留溝槽51和53的端部開著。在所示實(shí)施例中，覆蓋箔42可以形成得比分配箔41稍大，使得其與第二邊緣45(可能地還有第一邊緣43)交疊從而實(shí)現(xiàn)類似的效果。
注意，箔層與板40的厚度相比非常薄，箔層的厚度容易被MEA 34和置于板間的任何墊片承擔(dān)。為清晰起見，圖6中的部件被示為稍微分開，盡管毫無疑問地它們將被壓在一起。
圖7示出流場板40上方位置中的水分配箔41的透視圖，其示出各溝槽和總管的排列。
將認(rèn)識到的是，水分配溝槽51、52和53不必形成在下部箔41中。在圖8示出的另一實(shí)施例中，水分配溝槽80形成在上部箔82的下表面，而下部箔81用來形成溝槽80的蓋板從而形成注水管道。換言之，分配箔82和覆蓋箔81與圖6的設(shè)置相比是顛倒的。
在圖8的設(shè)置中，至少第二系列溝槽(對照圖5中的溝槽53)不會正好延伸至上部箔的第二邊緣83，而將終止在第二邊緣附近的位置。下部(覆蓋)箔81幾乎延伸至溝槽80的端部，但優(yōu)選在略短于該端部處終止，從而在注水點(diǎn)49處存在從溝槽80的端部到流場板溝槽16中的流體通道。
如上所述，下部(覆蓋)箔81為溝槽80提供蓋板，形成防止水在不適當(dāng)位置，例如注水管道橫跨燃料和/或氧化劑溝槽16的位置處(例如在位置85)，溢到下面的流體流板40中的溝槽16中的屏障。
優(yōu)選地，上述箔由金屬例如不銹鋼形成。然而，可以使用具有適合的加壓水密閉性(pressurised water containment property)的任何適合的金屬，且本說明書中使用的表述“箔”應(yīng)當(dāng)據(jù)此解釋。優(yōu)選地，這些箔是導(dǎo)電的，但其不必如此，因?yàn)槠洳挥绊慚EA的活性區(qū)域。
在優(yōu)選實(shí)施例中，陽極或陰極板40中的流體流動通道16的寬度和深度通常在0.4mm和1.2mm之間。所發(fā)現(xiàn)的是化學(xué)蝕刻至水分配箔中的10μm寬和深的溝槽足以提供必要程度的水注入。
在使用中，控制經(jīng)總管25輸送的水的壓力，從而確保供水與流體流動通道16中氣壓之間的顯著壓差，實(shí)現(xiàn)數(shù)千個(gè)流動路徑間的相等的水分配。在優(yōu)選實(shí)施例中，以0.5至3巴(bar)H2O范圍的壓力向總管輸送水。
本方法的優(yōu)點(diǎn)在于水分配膜極薄，且可以輕易地設(shè)置在雙極板內(nèi)或墊片區(qū)域中的可用空間內(nèi)。
體積水分配精度(volumetric water dispensing accuracy)還可以通過注水管道圖形和溝槽尺寸的適當(dāng)設(shè)計(jì)來非常精確地控制。
水可以分配到雙極板34的燃料流(陽極)側(cè)或氧化劑(陰極)側(cè)，或者兩側(cè)。優(yōu)選地，水注入到陰極側(cè)。
如圖9所示，分配進(jìn)流場板40中的交叉溝槽90中的水可以在供給溝槽92后面在進(jìn)入點(diǎn)91處引入到溝槽中，或者可選擇地在位于雙極板的與給水總管相同的端處的注入點(diǎn)94處引入到出口途徑(exit track)93中。
將水注入到出口通道的優(yōu)點(diǎn)在于減小反應(yīng)物氣流中的壓降。這是因?yàn)椋唇?jīng)過擴(kuò)散介質(zhì)引起對用于氣道的空隙空間的掩蔽。類似的，消除水流經(jīng)擴(kuò)散介質(zhì)還將減小介質(zhì)的磨損及其逐漸破碎和結(jié)構(gòu)損壞。
蒸發(fā)冷卻工藝在出口通道中是有效的，并且膜中的水含量由于空氣以水蒸氣浸潤而得到保持。
盡管已經(jīng)在注水到質(zhì)子交換膜燃料電池中的情況下介紹了本發(fā)明的實(shí)施例，但可理解，相同的結(jié)構(gòu)還可用于注入任何流體材料至場板上的注入點(diǎn)。
其它實(shí)施例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該板的表面延伸的多個(gè)溝槽；分配箔，具有形成在其表面且從該分配箔的第一邊緣延伸至該分配箔的第二邊緣的多個(gè)溝槽，所述溝槽在與所述流場板溝槽的各溝槽基本重合的位置處終止于所述第二邊緣處；以及覆蓋箔，在所述分配箔上方延伸，從而封閉所述分配箔溝槽，由此在所述兩箔之間形成用于水的管道。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述分配箔包括第一系列溝槽，延伸至該箔的所述第一邊緣；溝槽陣列，與所述第一系列溝槽連通，形成壓力分配通道；以及第二系列溝槽，與所述溝槽陣列連通，延伸至該箔的所述第二邊緣。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組件，其中所述分配箔溝槽在適于將水流集中至所述流體流場板的各溝槽中的多個(gè)匯聚結(jié)構(gòu)處終止于該箔的所述第二邊緣處。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池組件，其中每個(gè)匯聚結(jié)構(gòu)包括所述分配箔的所述第二邊緣中的凹進(jìn)部。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池組件，其中該凹進(jìn)部包括從所述分配箔的所述第二邊緣中挖去的弧形。
6.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組件，其中該分配箔溝槽終止于所述箔的在該流體流場板中的至少一個(gè)供給總管孔處的所述第一邊緣。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中該分配箔由不銹鋼形成。
8.如權(quán)利要求1或7所述的燃料電池組件，其中該分配箔溝槽是化學(xué)蝕刻的。
9.一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該板的表面延伸的多個(gè)溝槽；分配箔，具有形成在其表面的多個(gè)溝槽，所述溝槽每個(gè)從接近于或在該分配箔的第一邊緣的第一位置延伸至接近于或在該分配箔的第二邊緣的第二位置，所述溝槽終止于與下面的流場板溝槽的各溝槽基本重合的所述第二位置處；以及覆蓋箔，與所述分配箔的大部分共同延伸，從而在所述第一和第二位置之間的所述分配箔溝槽的長度的至少部分上方封閉所述分配箔溝槽，由此在所述兩箔之間形成用于水的管道。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池組件，其中所述分配箔包括第一系列溝槽，延伸至接近于或在該分配箔的所述第一邊緣的所述第一位置；溝槽陣列，與所述第一系列溝槽連通，形成壓力分配通道；以及第二系列溝槽，與所述溝槽陣列連通，延伸至接近于或在該分配箔的所述第二邊緣的所述第二位置。
11.如權(quán)利要求9或10所述的燃料電池組件，其中所述分配箔溝槽終止于適于將水流集中至所述流體流場板的各溝槽中的多個(gè)匯聚結(jié)構(gòu)處的所述第二位置。
12.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組件，其中該分配箔溝槽終止于該流體流場板中的至少一個(gè)供給總管孔處的所述第一位置。
13.如上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料電池組件，還包括一系列流體流場板，與鄰近其的各膜-電極組件形成堆，作為陰極和/或陽極。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池組件，其中每個(gè)陰極流體流場板具有置于該板與所述鄰近的膜-電極組件之間的所述分配箔和所述覆蓋箔中的各一個(gè)。
15.一種燃料電池組件，包括流體流場板，具有形成在其表面且以預(yù)定圖形在該流場板的表面延伸的多個(gè)溝槽；相鄰的膜-電極組件(MEA)，在該MEA的活性區(qū)域上與所述流體流場板相接觸；以及分配膜，位于所述流體流場板與所述MEA之間，該膜具有在接近于或在該膜的第一邊緣的第一位置與接近于或在該膜的第二邊緣的第二位置之間在其中延伸的多個(gè)水管道，所述管道終止于與所述流場板溝槽的各溝槽基本重合的所述第二位置。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池組件，其中該膜包括所述燃料電池組件的墊片。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其中所述管道在臨近所述流體流場板的所述墊片的表面作為溝槽形成。
18.如權(quán)利要求15所述的燃料電池組件，其中所述分配膜作為多層結(jié)構(gòu)形成。
19.一種基本如此處參照附圖所介紹的燃料電池組件。
全文摘要
一種燃料電池組件，提供直接將水輸入到該組件的流體流場板的活性區(qū)域中的注水點(diǎn)。該流體流場板具有形成在其表面的多個(gè)溝槽，這些溝槽以預(yù)定圖形在該板的表面延伸，限定板的活性區(qū)。分配箔具有形成在其表面的多個(gè)溝槽，這些溝槽從該分配箔的第一邊緣延伸至該分配箔的第二邊緣。這些溝槽在與流場板溝槽的各溝槽在注水點(diǎn)基本重合的位置處終止于第二邊緣處。覆蓋箔在分配箔上方延伸，從而封閉分配箔溝槽，由此在兩箔之間形成用于水的管道。
文檔編號H01M8/04GK1682397SQ03821341
公開日2005年10月12日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月9日
發(fā)明者彼得·D·胡德, 保羅·L·阿德科克 申請人:智慧能量有限公司