專利名稱：燃料電池板內的雙通道臺階的制作方法
技術領域：
本公開內容涉及燃料電池，并且更具體地涉及燃料電池的板。
背景技術：
針對電動車輛和各種其他應用，已經提出燃料電池作為干凈、有效且對于環境負責的電源。各個燃料電池能夠串聯堆疊在一起以便為各種應用形成燃料電池電堆。燃料電池電堆能夠供應足以給車輛提供動力的電量。具體而言，燃料電池電堆已經被認為是現代機動車輛中所用的傳統內燃發動機的潛在替代方案。一種燃料電池類型是聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個基礎部件電解質膜；以及包括陰極和陽極的一對電極。電解質膜被夾在電極之間以便形成膜-電極組件(MEA)。MEA通常被置于例如碳纖維紙的多孔擴散介質之間，這有助于反應物的傳遞，例如氫向陽極以及氧向陰極的傳遞。在電化學燃料電池反應中，氫在陽極中被催化氧化從而產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質膜，而是作為電流通過電負載(例如電動馬達)被引導到陰極。質子在陰極內與氧和電子反應從而生成水。電解質膜通常由離聚物層形成。燃料電池的電極一般由磨細的催化劑形成。催化劑可以是針對燃料電池的電化學反應催化地支持氫或甲醇的氧化以及氧的還原中的至少一種反應的任意電催化劑。催化劑通常是貴金屬，例如鉬或其它鉬族金屬。催化劑一般被置于例如炭黑顆粒的碳支撐物上并且分布在離聚物中。電解質膜、電極、擴散介質和用于分離反應物流體的子墊片(subgasket)通常被置于一對燃料電池板之間。這對燃料電池板構成陽極板和陰極板。每個燃料電池板均可具有在其內形成的在活性區域內的多個通道以用于反應物和冷卻劑向燃料電池的分配。每個燃料電池板還可以具有在供給區域內的帶端口和通道的集管以便將反應物和冷卻劑傳遞到燃料電池的活性區域。電解質膜、電極和擴散介質通常被置于活性區域內。子墊片通常聯接于電解質膜并被置于一對燃料電池板之間的供給區域內。燃料電池板通常通過使得板材金屬成形的常規工藝來形成，例如沖壓、機加工、模制或通過光刻掩膜光刻。在雙極燃料電池板組件的情況下，燃料電池板組件通常由一對單極板形成，這對單極板之后被連結在一起以形成雙極燃料電池板組件。示例性雙極板被公開于Newman等人的美國專利申請序列號11/752,993中，其全部公開內容并入本文以供參考。公知的是在燃料電池電堆中出現壓縮應力。壓縮應力通常出現于沿燃料電池板的在其間放置了電解質膜、電極、擴散介質和子墊片的部位。具體而言，壓縮應力公知地會出現于擴散介質和子墊片的邊緣處。過去通過使用非常薄的子墊片和較軟的擴散介質來減輕邊緣應力的嘗試會造成燃料電池電堆的退化的性能。存在對于如下燃料電池板組件設計的長期需求，該燃料電池板組件設計理想地控制在一對燃料電池板之間的擴散介質和子墊片的邊緣處的壓縮應力。

發明內容
根據本公開內容，令人驚訝地發現了一種燃料電池板組件設計，其理想地控制了在一對燃料電池板組件之間的擴散介質和子墊片的邊緣處的壓縮應力。在一種實施例中，燃料電池板組件包括具有供給區域和活性區域的第一板。多個流動通道被形成在第一板內并且連接供給區域和活性區域。第一板還包括在供給區域內橫于流動通道定向的第一臺階和在活性區域內橫于流動通道定向的第二臺階。在另一實施例中，燃料電池包括第一燃料電池板組件和第二燃料電池板組件。第一燃料電池板組件和第二燃料電池板組件中的每一個均具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在其內并且連接供給區域和活性區域。第一燃料電池板組件和第二燃料電池板組件中的每一個還包括在供給區域內橫于流動通道定向的第一臺階和在活性區域內橫于流動通道定向的第二臺階。膜電極組件被夾在一對擴散介質層之間。膜電極組件和擴散介質被置于第一板和第二板的活性區域之間。子墊片聯接于膜電極組件并且被置于第一板和第二板的供給區域之間。在另一實施例中，燃料電池電堆包括被設置在電堆中的多個燃料電池。本發明還提供了以下技術方案。方案1. 一種燃料電池板組件，包括
第一板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一板內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述第一板的所述流動通道內。方案2.根據方案1所述的燃料電池板組件，還包括具有供給區域和活性區域的第二板，多個流動通道形成在所述第二板中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二板還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階并且不包括第二臺階。方案3.根據方案2所述的燃料電池板組件，其中所述第一板是陰極板，并且所述第二板是陽極板，所述第一板和所述第二板連結以形成用于燃料電池電堆的雙極板。方案4.根據方案3所述的燃料電池板組件，其中所述第一板的所述流動通道的一部分與所述第二板的所述流動通道的一部分嵌套。方案5.根據方案1所述的燃料電池板組件，其中所述活性區域和所述供給區域之間的過渡區域被限定在所述第一臺階和所述第二臺階之間。方案6.根據方案5所述的燃料電池板組件，其中所述過渡區域是柔性的并且最小化所述燃料電池板組件在燃料電池電堆中被壓縮時所述過渡區域上的峰值壓縮應力。方案7.根據方案2所述的燃料電池，其中所述第一板的所述第一臺階被形成為與所述第二板的所述第一臺階完全相對。方案8. —種燃料電池，包括
第一燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一燃料電池板組件內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一燃料電池板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；第二燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二燃料電池板組件中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二燃料電池板組件還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階；
被夾在一對擴散介質層之間的膜電極組件，所述膜電極組件和所述擴散介質層被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述活性區域之間；以及
子墊片，其聯接于所述膜電極組件并且被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述供給區域之間。方案9.根據方案8所述的燃料電池，其中所述擴散介質層之一的邊緣被設置成與所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件之一的所述第一臺階相鄰。方案10.根據方案9的燃料電池，其中所述子墊片的邊緣被設置成與所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件之一的所述第二臺階相鄰。方案11.根據方案10所述的燃料電池，其中所述第二臺階的高度是所述子墊片的厚度的大約一半。方案12.根據方案11所述的燃料電池，其中所述第二臺階的所述高度是大約25 微米，并且所述子墊片的所述厚度是大約50微米。方案13.根據方案8所述的燃料電池，其中所述擴散介質層上保持足夠壓力以便相鄰于所述第二臺階形成的蓬蓋區域足夠小以阻止所述膜電極組件的起皺。方案14.根據方案13所述的燃料電池，其中所述蓬蓋區域是由所述膜電極組件、 所述子墊片和所述擴散介質層之一限定的空隙，并且其中所述膜電極組件在所述蓬蓋區域處不受所述子墊片和所述擴散介質層的支撐。方案15.根據方案13所述的燃料電池，其中所述蓬蓋區域在長度上小于大約300 微米。方案16.根據方案15所述的燃料電池，其中所述蓬蓋區域在長度上在大約100微米至大約200微米之間。方案17.根據方案8所述的燃料電池，其中所述第一燃料電池板組件的所述第一臺階和所述第二臺階被定向成基本正交于所述第一燃料電池板組件的所述流動通道，并且所述第二燃料電池板組件的所述第一臺階被定向成基本正交于所述第二燃料電池板組件的所述流動通道。方案18.根據方案8所述的燃料電池，其中所述第一燃料電池板組件包括第一板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一板內以連接所述供給區域和所述活性區域；以及第二板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二板中以連接所述供給區域和所述活性區域，其中所述第一板是陰極板，并且所述第二板是陽極板，所述第一板和所述第二板連結以形成所述第一燃料電池板組件，所述第一燃料電池板組件的所述第二臺階僅形成在所述第一板內。方案19.根據方案18所述的燃料電池，其中所述第二燃料電池板組件包括第一板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一板內并連接所述供給區域和所述活性區域；以及第二板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二板中并連接所述供給區域和所述活性區域，其中所述第一板是陰極板，并且所述第二板是陽極板，所述第一板和所述第二板連結以形成所述第二燃料電池板組件，所述第二燃料電池板組件的所述第二臺階僅形成在所述第一板內。方案20. —種燃料電池電堆，包括
設置在電堆中的多個燃料電池，所述燃料中的至少一個燃料電池包括第一燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一燃料電池板組件內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；第二燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二燃料電池板組件中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二板還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域中橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；被夾在一對擴散介質層之間的膜電極組件，所述膜電極組件和所述擴散介質層被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述活性區域之間；子墊片，其聯接于所述膜電極組件并且被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述供給區域之間。


當具體參考這里描述的附圖時，從下述具體描述中，本領域的技術人員將可以顯而易見到本公開內容的上述及其他優點。圖1是根據本公開實施例的燃料電池板組件的不完整頂部透視圖2是根據本公開實施例的圖1所示的燃料電池板組件的不完整頂部透視圖，其與膜電極組件、子墊片、一對擴散介質和類似燃料電池板組件組裝在一起；
圖3示出了圖2中的圈3所示的組件的放大不完整頂部透視圖，并且進一步示出了與子墊片的邊緣相鄰的蓬蓋區域(tenting region)；以及
圖4是圖2和圖3中所示的組件的不完整側視橫截面圖。
具體實施例方式下述具體描述及所附附圖描述并圖釋了本發明的各種實施例。說明書和附圖用于使得本領域技術人員能夠制造并應用本發明，并且不試圖以任意方式限制本發明的范圍。如圖1-4所示，本公開內容包括用于燃料電池4的燃料電池板組件2?？梢允褂萌剂想姵匕褰M件2的示例性燃料電池4被公開于Newman等人的美國專利申請序列號 11/752，993中，其全部內容并入本文以供參考。多個燃料電池4可以被設置在電堆中以便形成燃料電池電堆。技術人員應該意識到本公開內容的燃料電池板組件2可以根據需要用于其他類型的燃料電池中。燃料電池板組件2包括具有供給區域8和活性區域10的第一板6。供給區域8 可以包括多個端口(未示出)和多個集管孔(未示出)以便將反應物和冷卻劑傳遞到燃料電池4。多個流動通道12形成在第一板6內。流動通道12連接第一板6的供給區域8和活性區域10。第一板6還包括第一臺階13和第二臺階15。第二臺階15與第一臺階13間隔開。第一臺階13被置于供給區域8內。第二臺階15被置于第一板6的活性區域10內在第一臺階13的內側。應該理解，第二臺階15僅形成在流動通道12內，并且不在隔開第一板6內形成的流動通道12的壟脊(land)內。技術人員還應該理解，如果在壟脊內存在對應的臺階，則將不會存在如下進一步所述的由第二臺階15所導致的應力解除。第一臺階13 和第二臺階15中的每一個均定向成在相應的供給區域8和活性區域10內橫于或橫跨流動通道12。在具體實施例中，第一臺階13和第二臺階15中的每一個均定向成基本正交于第一板6的流動通道12。第一和第二臺階13、15可以借助于任意手段(例如沖壓工藝)被形成在第一板6內。根據需要，可以選擇用于形成第一臺階13和第二臺階15的其它適當的取向和手段。參考圖2-4，燃料電池板組件2是具有聯接到第二板16的第一板6的雙極板。類似于第一板6，第二板16包括供給區域18和活性區域20。多個流動通道22被形成在第二板16內并且連接供給區域18和活性區域20。第二板16包括在第二板16的供給區域18 內橫于流動通道22定向的第一臺階23。第二板16不包括第二臺階15。第一板6的第一臺階13被形成為與第二板16的第一臺階23完全相對。具體而言，在第一臺階13、23處第一和第二板6、16背離彼此向外彎曲。技術人員應該意識到針對第一臺階13、23和第二臺階15選擇相同或不同彎曲角度均落入本公開內容的范圍內。在具體實施例中，第一板6是陰極單極板，并且第二板16是陽極單極板。第一板 6和第二板16可以例如通過焊接工藝被連結從而形成用于燃料電池4的雙極板。第一板6 的流動通道12的一部分還可以與第二板16的流動通道22的一部分嵌套。根據需要，還可以使用用于連結第一板6和第二板16來形成雙極燃料電池板組件2的其他適當手段。在第一板6和第二板16中的每一個上，燃料電池板組件2具有在供給區域8、18 和活性區域10、20之間的過渡區域對。過渡區域M被限定在第一臺階13、23和第二臺階 15之間。應該理解，過渡區域M是柔性且類似于彈簧的。當燃料電池板組件2在燃料電池 4中被壓縮時，過渡區域M的柔性最小化了過渡區域M上的峰值壓縮應力。參考圖2，本公開內容的燃料電池4包括一對燃料電池板組件2、2’，此后被稱為第一燃料電池板組件2和第二燃料電池板組件2’。為了清楚的目的，使用相同附圖標記和單引號(’)來指代第二燃料電池板組件2’中與第一燃料電池板組件2類似或相關的結構。第一燃料電池板組件2和第二燃料電池板組件2’中的每一個是雙極板，例如如上所述。包括聚合物電解質膜(未示出)和一對電極(未示出)的膜電極組件30被夾在一對擴散介質層32、34之間。膜電極組件30和擴散介質層32、34被置于第一燃料電池板組件2和第二燃料電池板組件2’的活性區域8、8’、18、18’之間。子墊片36聯接于膜電極組件30。 例如，子墊片36可以疊覆于膜電極組件30。作為非限制性示例，子墊片36通過燃料電池4 的壓縮而抵靠膜電極組件30被機械地保持就位。子墊片36被置于第一燃料電池板組件2 和第二燃料電池板組件2’的供給區域8、8’、18、18’之間。如圖2-4所示，擴散介質層32、34之一的外側邊緣38被設置成與第一燃料電池板組件2和第二燃料電池板組件2’之一的第一臺階13、13’、23、23’相鄰。類似地，子墊片36 的內側邊緣40被設置成與第一燃料電池板組件2和第二燃料電池板組件2’之一的第二臺階15、15’相鄰。例如，子墊片36的內側邊緣可以被大致置于第一臺階13、13’、23、23’和第二臺階15、15’之間的中途位置。應該理解，使用第一臺階13、13’、23、23’和第二臺階15、 15’有利地阻止了燃料電池4在運行期間被壓縮時不理想壓縮壓力的生成。第一臺階13、13’、23、23’具有高度H1，并且第二臺階15、15’具有高度H2。根據使兩個流動通道解除嵌套(imnest)的需要以及擴散介質層32、34的高度來設定高度Hl。高度H2被選擇成最小化由于子墊片36而導致的不理想壓縮壓力。在所示實施例中，第一臺階13、13’、23、23，的高度Hl近似是第一和第二擴散介質層32、34之一的厚度Tl的一半。 第二臺階15、15’的高度H2可以近似是子墊片36的厚度T2的一半。作為非限制性示例， 第二臺階的高度H2是近似25微米，并且子墊片36的厚度T2可以是近似50微米。技術人員可以根據需要選擇其他適當的高度HI、H2和厚度T1、T2。應該意識到與第二階梯15、15’相鄰地形成蓬蓋區域42。蓬蓋區域42是由膜電極組件30、子墊片36和擴散介質層32、34之一限定的空隙。膜電極組件30在蓬蓋區域42 不受子墊片36和擴散介質層32、34的支撐。蓬蓋區域42具有長度Li。還應該理解若是長度Ll不良地過長的話，則當燃料電池4被壓縮時膜電極組件30會起皺。因此，蓬蓋區域 42的長度Ll被選擇成阻止燃料電池4被壓縮時膜電極組件30的起皺。在一種實施例中， 蓬蓋區域42具有小于大約300微米的長度Ll，并且在其他實施例中長度在大約100微米至大約200微米之間。燃料電池板組件2的第一臺階13、23理想地使第一板6和第二板16的流動通道 12、22解除嵌套，并且允許反應物流向燃料電池4的活性區域10、20以及從燃料電池4的活性區域10、20流出。有利地，第一臺階13、23和第二臺階15之間的長度減少了柔軟物邊緣 (soft good edge)處的應力。從邊緣38到第一臺階13、23的距離將減小這些邊緣處的載荷?；谘刎Q直維度能夠實現解除嵌套的可用空間以及具體供給通道高度來設定臺階13、 23的高度。公知的是，在具有常規燃料電池板組件而沒有第一和第二臺階13、23、15的現有技術燃料電池中，在典型燃料電池運行條件下，在子墊片36的內側邊緣40處會出現超過 1000 PSi的峰值壓縮應力。當使用大剛性擴散介質層時峰值壓縮應力會不理想地高。常規燃料電池板組件還具有微距(fine pitch)陰極通道，公知的是當完全嵌套時這會產生極大載荷。技術人員應該理解，在本公開內容中用作燃料電池板組件2中的陽極板的第二板 16中不形成第二臺階。在第二板16的供給區域過渡處僅存在第一臺階23。第一或陰極板 6的流動通道12的冷卻劑側和第二或陽極板16的壟脊的冷卻劑側之間通常存在接觸。第二臺階將不提供第二板16內的應力消除，因為第二板16內形成的流動通道22不接觸第一板6的相應壟脊。已經令人驚奇地發現，如上所述，使用第二臺階15將子墊片36的內側邊緣40處的峰值壓縮應力最小化達大約百分之四十(40%)。已經意外地發現第二臺階15允許過渡區域24以受控方式彎曲并且有助于峰值壓縮應力的減少。添加第二臺階15還提供了對于嵌套時燃料電池板組件2的過渡區域M的緩解。從而控制了擴散介質層32、34的外側邊緣 38處以及子墊片36的內側邊緣40處的峰值壓縮應力。雖然為了解釋本發明已經示出了某些代表性實施例和細節，不過本領域技術人員將顯而易見到可以在不脫離本公開內容范圍的情況下做出各種改變，本公開內容的范圍進一步在所附權利要求中被描述。
權利要求
1.一種燃料電池板組件，包括第一板，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一板內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述第一板的所述流動通道內。
2.根據權利要求1所述的燃料電池板組件，還包括具有供給區域和活性區域的第二板，多個流動通道形成在所述第二板中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二板還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階并且不包括第二臺階。
3.根據權利要求2所述的燃料電池板組件，其中所述第一板是陰極板，并且所述第二板是陽極板，所述第一板和所述第二板連結以形成用于燃料電池電堆的雙極板。
4.根據權利要求3所述的燃料電池板組件，其中所述第一板的所述流動通道的一部分與所述第二板的所述流動通道的一部分嵌套。
5.根據權利要求1所述的燃料電池板組件，其中所述活性區域和所述供給區域之間的過渡區域被限定在所述第一臺階和所述第二臺階之間。
6.根據權利要求5所述的燃料電池板組件，其中所述過渡區域是柔性的并且最小化所述燃料電池板組件在燃料電池電堆中被壓縮時所述過渡區域上的峰值壓縮應力。
7.根據權利要求2所述的燃料電池，其中所述第一板的所述第一臺階被形成為與所述第二板的所述第一臺階完全相對。
8.一種燃料電池，包括第一燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一燃料電池板組件內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一燃料電池板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；第二燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二燃料電池板組件中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二燃料電池板組件還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階；被夾在一對擴散介質層之間的膜電極組件，所述膜電極組件和所述擴散介質層被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述活性區域之間；以及子墊片，其聯接于所述膜電極組件并且被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述供給區域之間。
9.根據權利要求8所述的燃料電池，其中所述擴散介質層之一的邊緣被設置成與所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件之一的所述第一臺階相鄰。
10.一種燃料電池電堆，包括設置在電堆中的多個燃料電池，所述燃料中的至少一個燃料電池包括第一燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道被形成在所述第一燃料電池板組件內以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第一板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；第二燃料電池板組件，其具有供給區域和活性區域，多個流動通道形成在所述第二燃料電池板組件中以連接所述供給區域和所述活性區域，所述第二板還包括在所述供給區域中橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域中橫于所述流動通道定向的第二臺階，所述第二臺階僅形成在所述流動通道內；被夾在一對擴散介質層之間的膜電極組件，所述膜電極組件和所述擴散介質層被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述活性區域之間；子墊片，其聯接于所述膜電極組件并且被置于所述第一燃料電池板組件和所述第二燃料電池板組件的所述供給區域之間。
全文摘要
本發明涉及燃料電池板內的雙通道臺階。燃料電池板組件包括具有供給區域和活性區域的第一板。多個流動通道被形成在所述第一板內并且連接所述供給區域和所述活性區域。所述第一板還包括在所述供給區域內橫于所述流動通道定向的第一臺階和在所述活性區域內橫于所述流動通道定向的第二臺階。所述第二臺階僅形成在所述第一板的所述流動通道內。
文檔編號H01M8/02GK102468497SQ20111036776
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者W. 弗利 G., A. 羅克 J., J. 斯潘塞 S. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司