燃料電池流體通道的制作方法
【專利說明】燃料電池流體通道
[0001]關于聯邦資助的研宄或開發的聲明
本發明是在由美國交通運輸部所給予的合同編號CA-04-7003-00下利用政府支持進行。政府對本發明擁有一定的權利。
[0002]
技術領域
[0003]本公開涉及有利于燃料電池流體移動的板(plate)，更具體地是涉及在這種板上的通道(channel)。
【背景技術】
[0004]燃料電池通常包括陽極催化劑(catalyst)，陰極催化劑，以及陽極和陰極催化劑之間的電解質材料，其用于從諸如燃料和氧化劑的反應物之間的公知電化學反應來產生電流。燃料電池可以包括帶有通道的流場板，這些通道用于將反應物引導到各自的催化劑。電解質材料可以是通常被稱為聚合物電解質膜或PEM的聚合物層，其被布置在流場板之間。燃料電池可以包括帶有通道的流場，這些通道用于使用來冷卻和/或增濕的流體移動通過燃料電池。燃料、氧化劑以及用于冷卻和/或增濕的流體是燃料電池流體的類型。一些燃料電池流體可以是氣體而有些可以是液體。
[0005]例如空氣的氣泡(bubble)可能積聚在液體通道內。氣泡會不受歡迎地影響流體流穿過流場的通道。氣泡積聚尤其會致使多孔板干燥、過熱或兩者兼而有之。有些制造技術生產易于氣泡積聚的通道。

【發明內容】

[0006]一種示例燃料電池組件，包括:具有通道的板，這些通道被構造成有利于燃料電池流體在燃料電池的有效流動區域的附近進行移動。通道包括具有變化深度的部分，這些部分延伸在有效流動區域的橫向外側(laterally outside) ο
[0007]另一示例燃料電池組件，包括:具有第一組多個通道和第二組多個通道的板，第一組多個通道在第一方向上延伸，而第二組多個通道在橫切于第一方向的第二方向上延伸。第一組多個通道在板的重疊區域中重疊于第二組多個通道，并且第一組多個通道包括具有變化深度的部分。該部分從重疊區域延伸越過第二組多個通道的橫向最外側一個。
[0008]一種用于在燃料電池中形成通道的示例方法，包括:在燃料電池板上形成通道，這些通道具有帶有變化深度的部分。當燃料電池板位于燃料電池組件內時，該部分延伸在燃料電池組件中有效流動區域的橫向外側。
[0009]
【附圖說明】
[0010]對于本領域技術人員而言，所公開示例的各種特征和優點從其詳細說明將變得顯而易見。伴隨于該詳細說明的附圖可以簡要地描述如下:
圖1示出示例燃料電池堆組件的高度示意性視圖。
[0011]圖2示出圖1的燃料電池堆組件的燃料電池單元的橫截面視圖。
[0012]圖3示出來自圖2的燃料電池的示例流場板的頂視圖。
[0013]圖4示出圖3的流場板的一部分的特寫透視圖。
[0014]圖5示出在通道形成工藝的一部分期間的圖3的流場板。
[0015]圖6示出圖5中的剖線6-6處的剖視圖。
【具體實施方式】
[0016]圖1示出用于例如從反應氣體之間的公知電化學反應來產生電流的燃料電池組件10。應該理解的是，所公開的燃料電池組件10的布置只是一個示例，并且本文所公開的構思可以被應用到其它的燃料電池布置。
[0017]示例燃料電池組件10包括一個或多個燃料電池單元20，其被堆疊起來以提供燃料電池組件10。燃料電池單元20沿軸線y相對于彼此而堆疊。
[0018]如圖2中所示，每個燃料電池單元20包括:電極組件24以及用于將反應氣體(例如，空氣和氫氣)輸送給電極組件24的流場板26a、26b。流場板26a可以被認為是用于輸送空氣的空氣板，而流場板26b可以被認為是用于輸送氫氣的燃料板。
[0019]電極組件24包括處于陰極催化劑30a和陽極催化劑30b之間的聚合物電解質膜(PEM) 28，其也被稱之為質子交換膜。雖然沒有示出，還可以在流場板26a、26b和電極組件24之間使用氣體擴散層，以促進反應氣體的分布(distribut1n)。
[0020]燃料電池單元20包括沿軸線y延伸的有效流動區域A。在本示例中，有效流動區域A的橫向外邊界與PEM 28的周界(perimeter)對齊。在本示例中，有效流動區域A對應于燃料電池單元20的電化學有效區域(active area)。有效流動區域A通常是指發生化學反應的燃料電池單元20的那部分。
[0021]每個流場板26a、26b包括用于將各自的反應氣體輸送到陰極催化劑30a或陽極催化劑30b的通道32。每個流場板26a、26b可以包括用于將反應氣體輸送到流場的入口以及用于將未使用的反應氣體從流場排出的出口。
[0022]流場板26a、流場板26b或者兩者還可以在冷卻劑通道36中循環諸如水之類的冷卻劑。冷卻劑有助于維持燃料電池單元20的理想工作溫度，并且使反應氣體水合化(hydrate)。通道36還可以被用來引導氧化劑或反應物的流動。
[0023]在本示例中，冷卻劑通道36位于流場板26a與通道32相對的一側。在本示例中，通道32處于有效流動區域A之內。然而，通道36包括延伸在有效流動區域A的橫向外側(laterally outside)的部分44。在本示例中，橫向被用來參考軸線y描述位置或地點。更靠近于板的周界的通道在其它更居中定位的通道的橫向外部(laterally outward)。
[0024]在本示例中，流場板26a是多孔板。多孔板有助于使反應氣體水合化，因為濕氣能夠穿過板26a上的小孔從通道36移動到通道32。
[0025]在所示的布置中，電極組件24被夾在流場板26a和26b之間(例如，形成通道32的肋部之間)。夾緊力限制PEM 28相對于流場板26a、26b的移動。
[0026]密封件40圍繞燃料電池組件10的周界而延伸。密封件40在燃料電池組件10之內保持反應氣體和水副產物。周界密封還可以進一步限制PEM 28的移動。
[0027]參照圖3和圖4并繼續參照圖2，板26a的通道36包括第一通道36a和第二通道36bο第一通道36a在方向Da上延伸，而第二通道36b在至少一個方向Db上延伸。方向Da橫切于方向Db。在本示例中，方向Da垂直于方向Db。
[0028]板26a包括第一通道36a重疊于第二通道36b的重疊區域42a、42b。重疊區域42a,42b的橫向外周界通過橫向外通道36a’和橫向外通道36b’而創建。越過橫向外通道36b’延伸的通道36a、36a’的部分不在重疊區域42a、42b中。類似地，橫向越過橫向外通道36a’延伸的通道36b的部分不在重疊區域42a、42b中。
[0029]有效流動區域A由燃料電池流體進行流動以從入口 66移動到出口 68所穿過的所有通道構成。在本示例中，它包括入口通道58、出口通道60、重疊區域42a、42b以及直接位于重疊區域42a和42b之間的矩形區。
[0030]通道36a、36a’包括在有效流動區域A的橫向外側延伸的部分44。這些部分44不延伸到板26a的橫向外邊緣48。每個部分44具有不連接到另一個通道或板邊緣的一個端部。因此，燃料電池流體可以填充部分44而不會有效地流過部分44。
[0031]一些通道36b、36b’包括延伸在有效流動區域A的橫向外側的部分52。該部分52不延伸到板26a的橫向外邊緣56。每個部分52具有不連接到另一個通道或板邊緣的一個端部。因此，燃料電池流體可以填充部分52而不會有效地流過部分52。
[0032]另外的一些通道36b、36b’包括延伸在有效流動區域A的橫向外側的部分58。在本示例中，該部分58延伸到的板26a的橫向外邊緣56。
[0033]另外的一些通道36b、36b’包括延伸在有效流動區域A的橫向外側的部分60。該部分60延伸到板26a的橫向外邊