燃料電池部件上用於芯吸的剪切邊緣的製作方法
2023-05-03 10:32:16 4
專利名稱：燃料電池部件上用於芯吸的剪切邊緣的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，更確切地說，涉及具有促進將水從燃料電池中去除的特徵的燃料電池部件。
背景技術：
燃料電池發電系統把燃料和氧化劑轉化為電。一種燃料電池發電系統採用質子交換膜(以下簡稱「PEM」)來催化促進燃料(例如氫氣)與氧化劑(例如空氣或氧氣)的反應以產生電。水是這一電化學反應的副產品。通常，燃料電池部件(例如板)包括孔口，允許反應物和水流入通路區域，經過密封，並流進排放岐管中。燃料電池部件(例如強化墊片)也具有邊界，反應物和水在通向排放岐管的途中經過該邊界。然而，這些孔口和邊界都有直邊(將近90° )，表面張力會牽制水滴，從而阻止水被快速去除。為保證燃料電池的最佳性能，必須對燃料電池中積聚的水進行管理。目前已有很多種將水從燃料電池的通路區域中去除的策略。其中一種策略已在 Owejan等人的公開號為2008/0171253的受讓人的共同待決美國專利申請中公開，該申請的全部內容通過引用結合在此。Owejan等人描述了一種用於燃料電池的雙極板，該雙極板具有帶倒角部的周邊的排放口，與燃料電池的活性表面連通，從而形成排水通道。另一種策略在Tighe等人的公開號為2008/0118809的受讓人的共同待決美國專利申請中得以描述，該申請的全部內容通過引用結合在此。Tighe等人描述了這樣一種燃料電池堆，其具有內部地設置在燃料電池堆出口岐管中以促進液態水從燃料電池板出口傳送的多孔材料。還有一種策略在Owejan等人的序列號為12/244992的受讓人的共同待決美國專利申請中得以描述，該申請的全部內容通過引用結合在此。序列號為12/M4992的美國專利申請描述了一種導管，該導管具有在雙極板的第一板和第二板之間形成的連續縫，從而促進水傳送到具有雙極板的燃料電池的出口。如果Komura等人的美國專利6936369中所述，還已知使用多孔的吸水管道來將水排放到燃料電池堆外側。這裡通過弓I用結合Komura等人的該專利的全部內容。對高性能價格比的燃料電池部件(例如對燃料電池板)的需求持續增加，這種部件促進水傳送通過燃料電池。理想的情況是，促進水傳送的燃料電池部件的特徵是便宜的、最小化了所需部件的數量且易於製造。
發明內容
根據本公開，令人驚奇地發現了一種燃料電池部件，例如燃料電池板，其促進水傳送通過燃料電池，價格低廉，最小化了所需部件的數量且易於製造。在第一實施例中，燃料電池部件包括沿一平面設置的主體，該主體具有反應物和水經過的邊界。該邊界具有不連續的邊緣，適於阻礙水在該邊緣上滯留。在另一實施例中，所述燃料電池部件是用於燃料電池的雙極板。該雙極板包括第
3一單級板和第二單級板。第一單級板和第二單級板中的至少一個具有其中形成有流場的活性表面。第一單級板和第二單級板中的至少一個具有孔口。雙極板還包括出口端，該出口端位於第一單級板和第二單級板的一端。出口端包括貫穿其形成的排放口。孔口構造成引導水和反應物流向出口端。孔口具有不連續的邊緣，適於阻礙水在該邊緣上滯留。
在另一個實施例中，燃料電池部件是用於燃料電池的強化墊片。該強化墊片包括聚合層，該聚合層具有邊緣不連續的邊界。聚合層連接至質子交換膜並構造成在雙極板的附近。聚合層的邊界設置成超出雙極板的出口端。因此，本發明提供下述技術方案。技術方案1 一種燃料電池部件，包括
沿一平面布置的主體，其具有反應物和水流動經過的邊界，其中所述邊界包括形成於其上以防止水在所述邊界滯留的不連續邊緣。技術方案2 根據技術方案1所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包括多個峰部和谷部，所述谷部從所述主體的上表面延伸至所述主體的下表面。技術方案3:根據技術方案2所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣是鋸齒形的。技術方案4 根據技術方案1所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包括鄰近所述邊緣形成於所述主體中的一對剪切部，該對剪切部在其間在所述主體中形成突出件。技術方案5 根據技術方案4所述的燃料電池部件，其中所述突出件從所述邊界向後切割。技術方案6 根據技術方案4所述的燃料電池部件，其中，在其中一個所述剪切部和所述突出件之間形成至少一個縫隙。技術方案7 根據技術方案6所述的燃料電池部件，其中所述突出件彎曲離開所述主體的所述平面。技術方案8 根據技術方案6所述的燃料電池部件，其中所述突出件扭轉離開所述主體的所述平面。技術方案9 根據技術方案1所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣從所述主體的上表面到所述主體的下表面形成了連續的水流路。技術方案10 —種用於燃料電池的雙極板，包括
第一單級板和第二單級板，第一單級板和第二單級板中的至少一個具有其中形成有流場的活性面，第一單級板和第二單級板中的至少一個具有形成於其中的孔口 ；和出口端，其位於第一單級板和第二單級板的端部且包括貫穿其形成的排放口， 其中，所述孔口構造成將反應物和水流引導至所述出口端，所述孔口具有不連續邊緣， 以防止在邊界處的水滯留。技術方案11 根據技術方案10所述的雙極板，其中所述不連續邊緣包括一對剪切部，該對剪切部鄰近所述邊緣形成在第一單級板和第二單級板中的所述至少一個中，所述剪切部在其間形成在第一單級板和第二單極板中的所述至少一個中的突出件。技術方案12 據技術方案11所述的雙極板，其中所述突出件從所述邊界向後切割。技術方案13 根據技術方案11所述的雙極板，其中，在其中一個所述剪切部和所述突出件之間形成至少一個縫隙。技術方案14 根據技術方案13所述的雙極板，其中所述突出件扭轉或彎曲離開第一單級板和第二單級板中所述至少一個的所述平面。技術方案15 根據技術方案13所述的雙極板，其中所述不連續邊緣穿過第一和第二單級板之間的隙縫，以允許水從第一單級板的下表面芯吸到第二單級板的上表面，第一和第二單級板之間形成通道，用於將反應物和水流引導至所述出口端。技術方案16 根據技術方案10所述的雙極板，其中第一單級板和第二單級板中的所述至少一個具有鄰近所述邊界設置的親水塗層。技術方案17 根據技術方案10所述的雙極板，還包括位於所述出口端中的所述排放口周邊處的芯吸元件，該芯吸元件促進從所述雙極板芯吸水。技術方案18 —種用於燃料電池的強化墊片，包括
聚合層，其具有帶不連續邊緣的邊界，所述不連續邊緣適於防止在所述邊界處的水滯留，所述聚合層與質子交換膜連接並構造成靠近所述雙極板設置，且所述聚合層的邊界設置成超出所述雙極板的出口端。技術方案19 根據技術方案18所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包括多個峰部和谷部，所述谷部從所述聚合層的上表面延伸至所述聚合層的下表面。技術方案20 根據技術方案19所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包含鋸齒形邊緣與剪切部中的一者。
通過如下的詳細描述，尤其是在結合考慮本文所述的附圖時，本領域技術人員會很容易地理解本發明的上述優點以及其他優點。圖1是一個示意的部分俯視圖，所示的是根據本公開一個實施例的具有不連續邊緣的燃料電池部件；
圖2是圖1所示的燃料電池部件的部分俯視透視圖3是一個示意的部分俯視圖，所示的是根據本公開另一實施例的具有不連續邊緣的燃料電池部件；
圖4是圖3所示的燃料電池部件的部分俯視透視圖，進一步示出了帶有彎部的突出
件；
圖5是圖3和圖4所示的燃料電池部件的部分仰視透視圖，進一步示出了這個帶有彎部的突出件；
圖6是圖3所示燃料電池部件的部分俯視透視圖，進一步示出了具有扭部的突出件； 圖7是圖3和圖6所示的燃料電池部件的另一個部分俯視透視圖，進一步示出了這個帶有扭部的突出件；
圖8是圖6和圖7所示的燃料電池部件的部分仰視透視圖，進一步示出了這個帶有扭部的突出件；
圖9是根據本發明一實施例的燃料電池堆的部分剖面側視圖； 圖10是圖9所示的燃料電池堆的放大的部分剖面側視圖，進一步示出了帶有孔口的雙極板，該孔口具有帶有彎部的突出件；
5圖11是圖10所示孔口的放大的部分剖面端視圖12是圖3所示的具有不連續邊緣的燃料電池部件的示意俯視圖，示出了另一水管理特徵，例如親水塗層和端部芯；和
圖13是圖9所示燃料電池堆的放大部分俯視圖，進一步示出了具有不連續邊緣的強化墊片。
具體實施例方式下面的詳細說明與附圖描述並示出了本發明的不同實施例。該說明和附圖用於使本領域技術人員能製作和利用本發明，但並不因此以任何方式限制本發明的範圍。如圖1-圖8所示，本公開包括燃料電池部件2，其便於水通過燃料電池堆(未示出) 傳送。可與本發明的燃料電池部件2 —起應用的示例性燃料電池堆在受讓人的共同未決的公開號為2008/0171253、2008/0118809，以及序列號為12/M4992的美國專利申請中得以描述，這些文獻中公開的所有內容都通過引用結合在本文中。本領域技術人員應該理解，本公開的燃料電池部件2可根據需要與任何其他需要水管理的燃料電池堆一起使用。燃料電池部件2包括沿平面設置的主體4，其具有邊界6，反應物和水流8經過該邊界。作為說明性示例，主體4可以是壓制的、機器加工的或是模製的。本發明適用於任何邊界6，來自燃料電池堆的水滴8可能會積聚在該處並滯留。作為非限制的例子，邊界6可以是孔口、反應物入口、排放出口或燃料電池部件終端的形式。燃料電池部件2的邊界6具有不連續的邊緣10，適用於阻礙水8在邊界6處滯留。相比於水滴的大小，幾何形狀相對較小的不連續邊緣10構造成在水8接觸垂直結構之前減少水滴變形，從而減少水8在邊界6 的滯留。如圖1和圖2所示，燃料電池部件2可具有不連續邊緣10，該邊緣具有多個峰部 12和谷部14。谷部14可例如基本上呈V形，從而形成鋸齒狀的不連續邊緣10。谷部14從主體4的上表面16延伸至主體4的下表面18。不連續邊緣10促進水8從上表面16傳送至下表面18。靠近不連續邊緣10的谷部14在邊界6處形成的水8的液滴通過表面張力被拉至谷部14的末端，從而允許水8通過，否則水將會在邊界6形成滯留邊。由主體4的下表面18和另一主體的上表面之間的結合處形成的縫隙11，為水8從主體4的上表面16排走並離開燃料電池部件2提供了連續通路。參考圖3至圖8，燃料電池部件2的不連續邊緣10可以包括至少一個剪切部20。 剪切部20從上表面16通過主體4延伸至下表面18。剪切部20可以形成在主體4中靠近邊界6。例如，剪切部20可開始於邊界6並從邊界6向內延伸至主體4內。剪切部20形成非常小角部度和小間隙的隙縫，水8由於其表面張力而對該隙縫具有高親和性。與上述的谷部14類似，在剪切部20附近形成的水8的液滴被拉入或吸入剪切部20。從而，剪切部 20促進水8從主體4的上表面16傳送到主體4的下表面18。在特定的實施例中，不連續邊緣10包括一對剪切部20。該對剪切部20中的每一個相對於另一個分隔開，並一起在它們之間形成主體4中的突出件22。突出件22提供兩個小的間隙縫隙，水8對於該縫隙具有高親和性。突出件22也可在後面切口，去除中間物質，形成從上表面16延伸至主體4的下表面18的角部M。剪切部20和角部M可一同形成供水8沿著從上表面16至主體4的下表面18行進的連續通路。應理解，突出件22還可包括例如，如上所述的峰部12和谷部14的不連續部。當主體4由包含纖維組分的材料形成時，所述不連續部可以是從邊界6的剪切邊緣延伸的纖維形式。該不連續部還可便於水 8的傳送。在某些實施例中，突出件22可以下述的至少其中之一例如如圖4和圖5所示，從主體4的平面彎出，和例如如圖6至圖8所示，從主體4的平面扭出。突出件22的彎曲和扭轉露出額外的表面積，從而增強了至剪切部20內的芯吸。突出件22的彎曲和扭轉的至少其中之一的變形程度在主體4的厚度內。在突出件22為在主體4的厚度內彎曲和扭轉的至少之一時，彎曲和扭轉的該至少之一提供另一角部沈，沿著這個角部，水8可從主體4的上表面16流向下表面18。由此，不連續邊緣10可提供從主體4的上表面16至下表面18 的連續的水流路。另外，在主體4和另一個主體之間的接合處形成的縫隙11可與不連續邊緣10協同工作，形成連續的水流路的一部分。參見圖9-圖11，本公開還包括燃料電池堆中的燃料電池100，該燃料電池堆具有一個或多個如上所述的燃料電池部件2。例如，燃料電池部件2可以是雙極板102。雙極板 102包括第一單級板104和第二單級板106。第一單級板104和第二單級板106中的至少一個具有其中形成有流場的活性面108。第一單級板104和第二單級板106中的至少一個還具有形成於其中的孔口 110。就所示的反應物和水8的流動而言，應注意到，該流動可能不完全在所示的部分，例如，該流動可沿著形成在雙極板2中或者在所述部分的前方或者在所述部分後方的通道。雙極板102包括位於第一單級板104和第二單級板106—端的出口端112。出口端112具有貫穿其形成的排放口 114。在燃料電池100設置在具有大量類似的燃料電池100 的電池堆中時，相應的出口端112和排放口 114可例如形成燃料電池堆的排放岐管。雙極板102和類似的雙極板102堆疊在燃料電池堆中。質子交換膜116位於各個雙極板102之間，並從雙極板102的活性面108延伸，經過密封118，然後到達排放口 114。由基本上流體不可滲透的聚合物層形成的強化墊片121可連接到各個雙極板102之間的質子交換膜116。 強化墊片121延伸進入由出口端112形成的排放口 114。孔口 110構造成將反應物和水8的流動引導至出口端112，從而通過排放口 114從燃料電池100排出。特別是，由於密封118設置於雙極板102之間，孔口 110將反應物和水 8的流動在密封118的下方引導至排放口 114。孔口 110具有不連續邊緣10，適於防止水8 在孔口 110形成的邊界6處產生滯留。第一單級板104和第二單級板106之間的連接還可提供縫隙11，其與不連續邊緣10協同工作，形成離開雙極板102的連續水流路的一部分。 當第一和第二單級板104，106之間形成通路時，水8流過該通道至排放口 114。作為非限制的例子，孔口 110可具有一對剪切部20，該對剪切部形成靠近孔口 110 的突出件22。當第一和第二單級板104，106由壓制的金屬製成並焊接在一起時，剪切部20 在第一和第二單級板104，106之間的焊接處之前終止，以避免洩露。如圖10和圖11所示， 突出件22可向下彎曲以提供邊界6處的不連續邊緣10，從而促使水8從雙極板102的活性面108運送。應理解，其他水管理策略可與本公開的燃料電池部件2—起使用。例如，在圖12 中示出的又一實施例中，雙極板102在邊界6附近設置有親水處理或塗層120。親水塗層 120優選在剪切部20形成後再塗覆，從而允許親水塗層120遮蓋剪切部20形成的小縫隙。
7為了最大化芯吸能力，親水塗層120也可遮蓋從孔口 110到燃料電池100的排放口 114的通道區域。在另一個例子中，雙極板102可具有設置於出口端112長度上且鄰近排放口 114 的芯吸元件122。芯吸元件122例如可以沿著排放口 114的整個周邊布置。芯吸元件122 與排放口 114連通，有助於從雙極板102芯吸水8。如果需要的話，也可以採用其他水管理策略。上面參照出口端112附近的孔口 110描述了具有不連續邊緣10的雙極板102。然而，應該理解的是，靠近雙極板102入口端的孔口 110也可均設有不連續邊緣10。雙極板 102在入口和出口孔口 110兩者上均具有不連續邊緣10，這有助於燃料電池內雙極板102 的可逆性。儘管上文已關於雙極板102實施例描述了燃料電池部件2，但應理解的是，其他燃料電池部件2也可具有不連續邊緣10，從而便於燃料電池100中水8的輸送。例如，如圖 13所示，燃料電池100的強化墊片121也可以具有帶不連續邊緣10的邊界6。在一個特別的實施例中，位於排放口 114中的強化墊片121的邊界6可以是鋸齒形的。第一和第二單級板104，106中至少一個的邊緣也可以是不連續的，例如，在需要的情況下，帶有剪切部。已經發現了一種適於壓制板燃料電池的設計，其利用孔口邊緣處的剪切部促使芯吸經過孔口的水。這個剪切部形成非常小角度和小間隙的隙縫，其對於液態水具有高親水性。剪切部邊緣周圍的水將被拉到剪切部的端部，從而允許水通過，否則將會形成滯留邊。有利的是，本公開的燃料電池部件2提供了一種高性能價格比且耐用的裝置，用於芯吸燃料電池堆中的水8，並且允許水8從燃料電池堆中排出，以實現穩定和凍結性能的燃料電池操作。雖然為了說明本發明的目的已對特定的代表性實施例和細節進行了描述，但是對於本領域普通技術人員而言，在不脫離本公開範圍的情況下可以作出各種變化，這將在後附的權利要求書中進一步描述。
權利要求
1.一種燃料電池部件，包括沿一平面布置的主體，其具有反應物和水流動經過的邊界，其中所述邊界包括形成於其上以防止水在所述邊界滯留的不連續邊緣。
2.根據權利要求1所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包括多個峰部和谷部， 所述谷部從所述主體的上表面延伸至所述主體的下表面。
3.根據權利要求2所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣是鋸齒形的。
4.根據權利要求1所述的燃料電池部件，其中所述不連續邊緣包括鄰近所述邊緣形成於所述主體中的一對剪切部，該對剪切部在其間在所述主體中形成突出件。
5.根據權利要求4所述的燃料電池部件，其中所述突出件從所述邊界向後切割。
6.根據權利要求4所述的燃料電池部件，其中，在其中一個所述剪切部和所述突出件之間形成至少一個縫隙。
7.根據權利要求6所述的燃料電池部件，其中所述突出件彎曲離開所述主體的所述平面。
8.根據權利要求6所述的燃料電池部件，其中所述突出件扭轉離開所述主體的所述平面。
9.一種用於燃料電池的雙極板，包括第一單級板和第二單級板，第一單級板和第二單級板中的至少一個具有其中形成有流場的活性面，第一單級板和第二單級板中的至少一個具有形成於其中的孔口 ；和出口端，其位於第一單級板和第二單級板的端部且包括貫穿其形成的排放口， 其中，所述孔口構造成將反應物和水流引導至所述出口端，所述孔口具有不連續邊緣， 以防止在邊界處的水滯留。
10.一種用於燃料電池的強化墊片，包括聚合層，其具有帶不連續邊緣的邊界，所述不連續邊緣適於防止在所述邊界處的水滯留，所述聚合層與質子交換膜連接並構造成靠近所述雙極板設置，且所述聚合層的邊界設置成超出所述雙極板的出口端。
全文摘要
本發明涉及燃料電池部件上用於芯吸的剪切邊緣，提供了一種燃料電池部件，其包括沿平面設置的主體，該主體具有邊界，反應物和水流動經過該邊界。邊界具有不連續邊緣，可防止該邊緣處的水滯留。燃料電池部件可以是具有孔口的雙極板，孔口有不連續邊緣。燃料電池部件可以是用於燃料電池的強化墊片，該墊片具有帶不連續邊緣的邊界。不連續邊緣有助於水從燃料電池部件的上表面運送至燃料電池部件的下表面。
文檔編號H01M8/04GK102170003SQ20111003494
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月9日 優先權日2010年2月8日
發明者J·A·洛克, J·P·奧維簡, S·G·格貝爾 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司