由芯增強的具有水通路的蒸發冷卻式燃料電池的製作方法
2023-05-09 06:08:06 1
由芯增強的具有水通路的蒸發冷卻式燃料電池的製作方法
【專利摘要】燃料電池（38）具有通路（83,84），所述通路使得水通過每個燃料電池的一個或兩個反應氣體流場板（75,81），由此燃料電池被蒸發冷卻。水通路可由多孔塞（未示出）或由微真空泵（89）來通風。冷凝器（59）可具有貯存器（64）；冷凝器（59）可以是車輛散熱器。可高度滲水的芯層（90）鄰近於存在於個體燃料電池（38）之間的一個或兩個水通路（83,84）設置。該通路可以是流-通過通路（83）（圖5）或者它們可以是交指型通路（83a,83b）（圖6），以便增加通過芯層（90）的水吹掃空氣的流量，所述水吹掃空氣用於在冷環境中停機期間清除堆中的水。入口交指型通道（83a,83b）可在其出口端處例如由凸起部（104）或孔（106）僅被部分地阻塞，以便確保進入入口冷卻劑通路（83c,83d）的任何氣體將不會累積在入口冷卻劑通路的出口端（101）處。
【專利說明】由芯增強的具有水通路的蒸發冷卻式燃料電池
【技術領域】
[0001]具有水通路的燃料電池將水提供至反應氣體流通路，其中在所述水通路之間設置有可滲水芯層，其中水與在電池中產生的廢熱成比例地蒸發；從排出的反應氣體被冷凝的水返回到水通路。可選地，該通路可以呈交指型流場的形式，以在停機時在水吹掃期間增加水從芯的移除。
【背景技術】
[0002]在質子交換膜燃料電池領域中已知的是蒸發冷卻式燃料電池，與將可感測的熱量傳送到流過電池的循環水或傳送到流過冷卻劑板的冷卻劑相比，由此獲得了蒸發熱量的益處。在US7，504，170中示出了一個示例，該文獻以引用的方式併入本文。
[0003]在一些應用中(例如，車輛中)，優選的是極高的電流密度，以便支持高車輛性能。高電流密度增加了水生成，這需要有保證的流通過多孔、親水反應氣體流場板，其在下文中也被稱為「水輸送板」。此外，增加的功率密度需要膜的有保證的冷卻和加溼。
[0004]為了高性能，在水通路和水輸送板之間的水的最佳連通是有利的。
【發明內容】
[0005]根據本發明的主題，燃料電池功率設備中的燃料電池藉助存在於通路中的水被蒸發冷卻，所述通路鄰近於親水的多孔反應氣體流場板的至少一個的第一表面或位於所述第一表面內，這些流場板在其的與所述第一表面相對的第二表面處具有反應氣體流通道。每個通路與水貯存器流體連通。此外，流場板的水吸收通過在這些流場板之間並且與全部水通路密切接觸的可滲水芯層來增加。通路中的水供應藉助與在一個或多個通路中的水相鄰的可滲水芯層來提高。
[0006]已經發現，在可能下降低於水的冰點的氣候中的燃料電池功率設備在停機期間需要從燃料電池堆移除水的至少大部分。這降低了在燃料電池的非使用時段期間具有潛在災難性機械應力並且在啟動時(由冰)阻塞反應氣體的傾向。已經發現，通過將空氣吹動通過水通路來減少採用可滲水芯的燃料電池堆中的水產生水從可滲水芯的不適當移除。
[0007]本文的主題還包括採用交指型冷卻劑水流場，這確保吹掃空氣將傳送到並且流過所述可滲水芯，由此迫使更多的水從所述可滲水芯被帶走。在一個實施方式中，使用正常的常規交指型流場。在另一實施方式中，在入口流場的出口端處具有不完全阻塞的交指型流場確保氣體能夠逸出(典型地，從反應物流場洩漏到水通路中)所述流場，由此避免阻塞水流以及乾燥所述膜。
[0008]鑑於示例性實施方式的下述詳細說明，其他變形將變得更明顯，如附圖中所示的。【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是可結合本發明的主題的蒸發冷卻式的燃料電池功率設備的被通風實施方式的簡化框圖。[0010]圖2是採用本發明主題的燃料電池的局部截面的側視圖，為了清楚起見省除了截面線。
[0011]圖3是圖2的變形的局部截面的側視圖，其中分離板(反應物流場)僅一個具有水通路。
[0012]圖4是圖2的主題的局部截面的俯視圖。
[0013]圖5是沿圖4的線5-5截取的具有流通過通路的局部截面圖。
[0014]圖6是沿圖4的線5-5截取的具有替代交指型流通路的局部截面圖。
[0015]圖7是沿圖4的線5-5截取的片斷截面圖，示出了入口通路的出口端的局部堵塞。
[0016]圖8和圖9是沿圖7的線8-8截取的片斷截面圖。
【具體實施方式】
[0017]現參考圖1，燃料電池功率設備36 (其可體現本文的主題)包括燃料電池38堆37(圖2 )，所述燃料電池示出為被豎直地設置，但是它們可被水平地設置。
[0018]在該實施方式中，燃料被提供給燃料入口 42並且在第一燃料流程(pass)中流動到右邊，然後向下流動並且流動至左邊通過燃料出口 47。燃料可流動通過再循環泵(未示出)而回到燃料入口，並且可通過閥(未示出)被定期地吹掃至大氣。可使用單個流程、三個流程或其他的燃料流構造。
[0019]在圖1的實施方式中，空氣由泵52提供至空氣入口 53，並且空氣向上流動通過燃料電池38的氧化劑反應氣體流通道。空氣從該空氣出口 57在管58上流過而至冷凝器59，所述冷凝器在車輛中可以是常規散熱器。流出的空氣流經排出口 62。來自冷凝器59的冷凝物可累積在貯存器64中，所述貯存器由水返回管65連接到水入口 66。於是，水流動通過通路83、84 (圖2)而進入到每個燃料電池38中；所述通路83、84可終止於歧管68，在該歧管處，從通路移除氣體通過排風口提供，該排風口例如是微真空泵89，該微真空泵的類型是用於可用數美元買到的37升(10加侖)水箱，僅用於供應足夠壓頭(水壓)的目的，以確保水位達到堆37中的通路的最上部。泵89並不使任何水流動通過排風歧管68。替代地，排風歧管68可通過多孔塞或其他排風口(未示出)來通風。
[0020]雖然存在水入口 66並且不存在水出口，但是水簡單地存在於每個燃料電池中。在圖2中，一個實施方式包括燃料電池38，燃料電池的每一個包括常規膜電極組件72，所述膜電極組件包括電解質，在電解質的相對側上具有陽極催化劑和陰極催化劑以及氣體擴散層。應當理解的是，本文的附圖根本未按比例繪製；不應當關注本文的水通路83、84以及前述專利中那些水通路的明顯不同尺寸。
[0021]在圖2的實施方式中，燃料反應氣體流動通過親水的多孔基板75中的水平通道74，該基板在該實施方式中包括形成水通路83的溝槽。在陰極側上，親水的多孔氧化劑反應氣體流場板81包括豎直空氣流通道82以及形成水通路84的溝槽。親水多孔燃料反應氣體流場板75和親水多孔氧化劑反應氣體流場板81以其他方式還被稱為「水輸送板」。
[0022]根據本文的主題的第一方面，圖2的燃料電池38包括位於水通路83、84之間的可滲水芯90。芯90可以比水輸送板75、81更厚或更薄。
[0023]可滲水芯90可包括合適的容易得到的碳紙，例如已經被合適處理(例如，具有錫或含有錫的複合物或混合物)的Toray H-060,以使其足夠地親水以便確保對水的預期滲透性。
[0024]在可滲水芯90鄰近於水輸送板75、81的凸臺或肋92的情況下，這些凸臺92提供水輸送板的有助於輸送水的附加表面面積。比較而言，在前述專利中，水在水通路和水輸送板之間僅傳送通過水通路的表面。
[0025]在圖2的實施方式中，與前述專利的無芯系統相比，包括在芯90中的可用水之間的表面面積的增加可以是至少四倍，並且可能高達十倍。
[0026]圖3示出了對象芯90可用於燃料電池中，所述燃料電池在陰極側上僅在空氣流場板81中具有水通路84。芯90相反還可用於僅在燃料流場板中具有水通路83的燃料電池中。在如圖3和圖4的實施方式中芯90就位的情況下，與僅具有水通路83、84而不具有任何芯90的現有系統相比，該表面至少被加倍，並且可能增加至高達五倍。
[0027]圖4示出了向下看圖2的截面的視圖。該視圖是兩個水通路83和84的視圖，其中燃料通道74看起來是豎直的並且空氣通道82看起來是水平的。
[0028]參考圖5，本發明的第一實施方式利用流通過水通路83。由於水在停機期間在燃料電池功率設備的周圍可能下降至水的冰點以下的環境區域中被移除，因此期望從燃料電池堆儘可能多地移除水。在圖2和圖3的實施方式中已發現，利用如圖5所示的流通過水通路83，藉助空氣流來吹掃水通路83、84並不移除足夠的水。在水通路已經藉助空氣吹掃而被大部分清除之後，過量的水仍存在，尤其在可滲水芯90中。
[0029]為了提高水從燃料電池堆以及尤其從可滲水芯90的清除，該通路可形成為交指型樣式，如圖6所示。在該圖中，交指型水通路包括入口水通路83a和出口通路83b，入口水通路83a在其出口端101被阻塞，出口通路83b在其入口端102被阻塞，如對於交指型流場常見的那樣。這增加了足以將供應到通路83a的空氣驅動通過可滲水芯90以及通過多孔親水水輸送板75a的壓力，以由此根據本文的主題的第二方面提高了水移除。
[0030]與圖6類似的本發明的另一實施方式在圖7和圖8中被示出。入口通路83c的出口端101並未被完全封閉，但是設置有未按照任何比例繪製的局部封閉件104。其目的在於確保可進入到入口水通路83c中的任何氣泡將不會被截留在其中並且由此阻礙水流入到水輸送板75b的相鄰肋以及相鄰的可滲水芯90中(如圖2和圖3所示)。
[0031]取代堵塞104，入口水通路83d的出口端101可在其中簡單地具有小孔106，如圖9所示。該孔106大於水輸送板75c的孔尺寸，以有利於移除氣體，而不將入口水通路83d中的水壓降低至任何有意義的程度。
[0032]由於可對所公開實施方式作出改變和變形而不偏離構思目的，因此本發明並不旨在受到除由所附權利要求書所要求之外的公開內容的限制。
【權利要求】
1.一種燃料電池(38)，所述燃料電池包括: 膜電極組件(72)，所述膜電極組件具有電解質和氣體擴散層，在所述電解質的相對側上設置有陰極催化劑和陽極催化劑，所述氣體擴散層面對所述催化劑層的每一個； 燃料反應氣體流場板(75)，所述燃料反應氣體流場板沿其第一表面具有燃料反應氣體流通道(74)； 氧化劑反應氣體流場板(81 )，所述氧化劑反應氣體流場板在其第一表面上具有氧化劑反應氣體流通道(82)； 所述流場板中的一者或兩者是多孔且親水的； 水通路(83，84)，所述水通路設置在所述流場板中的所述一者或兩者的與其所述第一表面相對的第二表面上； 其特徵在於: 可高度滲水的芯層(90)鄰近於所述流場板中的所述一者或兩者的所述水通路設置。
2.根據權利要求1所述的燃料電池(38)，進一步其特徵在於: 所述水通路(83，84)包括一個或多個流通過通道(83)。
3.根據權利要求1所述的燃料電池(38)，進一步其特徵在於: 所述水通路(83，84)包括交指型流場(83a，83b)。
4.根據權利要求3所述的燃料電池(38)，進一步其特徵在於: 所述交指型流場(83a，83b)具有入口流場(83c)，所述入口流場的出口端(101)僅被部分阻塞並且構造成允許氣體逸出。
5.根據權利要求4所述的燃料電池(38)，進一步其特徵在於: 所述入口流場(83c)的所述出口端(101)具有局部壁(104)。
6.根據權利要求4所述的燃料電池(38)，進一步其特徵在於: 所述入口流場(83d)的所述出口端(101)具有構造成允許氣體逸出的孔(106)。
【文檔編號】F25D17/00GK103503211SQ201080070524
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2010年10月6日 優先權日:2010年10月6日
【發明者】R.M.達林, T.斯基巴 申請人:聯合工藝公司