具有階梯式通道雙極板的質子交換膜燃料電池的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池堆包括膜電極組件和雙極板。雙極板具有波紋部分，所述波紋部分通過一個相鄰對的近端峰部分和遠端峰部分以及連接峰部分的側壁段來限定。側壁段和膜電極組件至少部分地限定流動通道。所述側壁段包括限定遠離峰部分間隔開的階梯的肩狀部分。
【專利說明】具有階梯式通道雙極板的質子交換膜燃料電池
【技術領域】
[0001]本公開涉及一種質子交換膜(PEM)燃料電池并且涉及位于其中的雙極板的構造和布置。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池是一種將氫和氧轉化為水并在這個過程中發電的電化學能量轉換設備。氫燃料通過流場被引導至位于燃料電池一側的陽極。氧(來自空氣中)通過流場被引導至位于燃料電池另一側的陰極。在陽極處，催化劑使氫裂解為氫離子和電子。設置在陽極與陰極之間的聚合物電解質膜允許帶正電荷的離子穿過它至陽極。電子經過外電路行進至陰極，這個過程產生電流。在陰極處，氫離子與氧結合形成水，水流出電池。

【發明內容】

[0003]一種車輛包括被布置成提供動力以使所述車輛運動的燃料電池堆。所述燃料電池堆包括膜電極組件和具有波紋部分的雙極板，所述波紋部分通過(i ) 一系列交替的近端峰部分和遠端峰部分以及(ii)連接每個相鄰對的近端峰部分和遠端峰部分的相應的側壁段來限定。近端部分與膜電極組件相接觸從而每個側壁段與膜電極組件至少部分地限定多個流動通道，每個流動通道具有一定的寬度和至少等于寬度的深度。每個側壁段包括至少一個肩狀部分，從而所述雙極板具有大體均勻的厚度。流道之一的深度可以大于該流動通道的寬度。所述雙極板的厚度可以近似為250微米。所述雙極板可以由金屬形成。所述雙極板可以由不銹鋼箔形成。
[0004]一種燃料電池堆包括膜電極組件和電連接在一起的一對雙極板。至少一個雙極板具有通過峰部分和連接峰部分的側壁來限定的波紋段。所述側壁具有端部和設置在端部之間的主體部分。每個端部與峰部分之一相鄰。側壁和膜電極至少部分地限定流動通道。側壁包括至少一個形成在所述主體部分中的肩狀部分。所述燃料電池堆可以進一步包括設置在所述一對雙極板之間并與所述一對雙極板相接觸的板。流動通道可以具有一定的寬度和大于該寬度的深度。所述至少一個雙極板可以具有大致均勻的厚度。所述至少一個雙極板的厚度可以近似為100微米。所述至少一個雙極板可以由金屬形成。所述至少一個雙極板可以由不銹鋼箔形成。
[0005]一種車輛包括被布置為提供動力以使所述車輛運動的燃料電池堆。所述燃料電池堆包括膜電極組件和雙極板，所述雙極板具有一個相鄰對的近端峰部分和遠端峰部分以及連接峰部分的側壁段。側壁段和膜電極組件至少部分地限定流動通道。側壁段包括肩狀部分，所述肩狀部分限定了遠離峰部分間隔開的階梯。流動通道可以具有一定的寬度和大于該寬度的深度。雙極板可以具有大致均勻的厚度。雙極板的厚度可以近似為100微米。雙極板可以由金屬形成。所述雙極板可以由不銹鋼箔形成。
【專利附圖】

【附圖說明】[0006]圖1是雙極板流動通道的示意性剖視圖。通道寬度用“W”標注，并且通道深度用“D”標注。
[0007]圖2是具有梯形形狀的傳統雙極板流動通道的示意性剖視圖。
[0008]圖3是設置在車輛內并且包括雙極板的燃料電池堆的示意性剖視圖，所述雙極板具有至少部分地通過階梯式側壁限定的流動通道。
[0009]圖4是具有至少部分地通過階梯式側壁限定的流動通道的雙極板的示意性剖視圖。
[0010]圖5是雙極板流動通道的示意性剖視圖。通道的深度至少等于通寬度。各幅圖中的同樣標號的兀件可以具有相似的描述。
[0011]圖6是雙極板流動通道的示意性剖視圖。每個側壁可以包括兩個肩狀突起。
[0012]圖7是燃料電池堆的兩個相鄰燃料電池之間的結合的示意性剖視圖。燃料電池的雙極板互相接觸。其中一個雙極板具有至少部分地通過階梯式側壁限定的流動通道。另一個雙極板具有形狀為梯形的流動通道。
[0013]圖8是燃料電池堆的兩個相鄰燃料電池之間的結合的示意性剖視圖，燃料電池堆包括設置在燃料電池的雙極板之間并與雙極板相接觸的中心板。
【具體實施方式】
[0014]本公開的實施例被描述于此。然而，將理解的是，所公開的實施例僅為示例并且其他實施例可以采用多種替代形式。附圖未必按照比例繪制；一些特征可能被夸大或縮小以顯示特定元件的細節。因此，在此公開的具體的結構和功能的細節不將被理解為是限制性的，而僅僅作為有代表性的基礎來教導本領域技術人員以多種方式采用本發明。如本領域普通技術人員將理解的，參考任一幅附圖所示出和描述的各個特征可以與在一幅或多幅其他附圖中示出的特征相組合，以產生未被明確地示出或描述的實施例。所示出的特征的組合為典型的應用提供有代表性的實施例。然而，與本發明的教導相一致的特征的各種組合和修改可被看作特定的應用或實施。
[0015]候選的金屬雙極板(MBPP)材料可形成為一系列的通道，所述通道具有為滿足期望的燃料電池性能標準而設計的深度和寬度。為了提高燃料電池的性能，在某些情況下，使豎直側壁的幾何形狀基本呈平底“U”形的深且窄的通道成為優選。然而，這種幾何形狀可能很難或不可能由薄金屬材料以低成本的方式來形成。諸如不銹鋼箔的某些薄金屬材料的成形極限可以因此限制其作為MBPP材料在燃料電池應用中的使用。例如，在薄金屬材料中沖壓又深又直的通道可以在通道的幾何過渡區域(諸如，在通道的邊緣處)產生材料過度變薄。這種變薄可以在通道成形、燃料電池的組裝或燃料電池堆的操作期間導致板的撕裂。此外，在某種程度上說雙極板是燃料電池堆的結構元件，這種薄會危害雙極板的剛性。
[0016]傳統的MBPP通常將特征通道設計成橫截面為平底“V”(或梯形)。這些構造傾向于具有平緩的側壁角度和受限的通道深度，以試圖適應前體板材的成形極限并使成形過程中的應變誘發變薄最小化。在某些情況下，可以更改基礎合金加工步驟以提高MBPP前體材料的使之超過其常規極限的能力。然而，材料的基本化學成分或制造過程的改變會不利地影響到對將要用于燃料電池應用的合金的所期望的其他特性，諸如耐腐蝕性和導電性。材料組成和加工的變化也會導致成本過高。[0017]在燃料電池中，增加流動通道的橫截面面積，具體地講，增加各個膜電極組件(MEA)的陰極側上的流動通道的橫截面面積，可以大幅度地提高燃料電池的性能。然而，如果通道開口太寬，則MEA會朝向通道向內彎曲。由于這個原因，可以優選的是，將通道形成為具有較窄的開口和較深的通道。
[0018]形成具有較深通道的MBPP的能力，特別是當所述通道通過沖壓工藝形成時，可以通過在損害如上所述的其他特性的情況下來更改前體板材的成形極限而得以改善。然而，現已發現，更改通道的幾何形狀以適應選定的前體材料的固有成形極限也能夠在不顯著影響諸如耐腐蝕性和導電性之類特性的情況下改善形成帶有較深的通道的MBPP的能力。在此公開的是“階梯式”側壁MBPP通道的幾何形狀的示例，例如，如圖1所示。具有階梯式側壁的流動通道能夠與圖2示出的較為傳統的梯形通道結構相區別開來。
[0019]肩狀部(或階梯)的側壁段無需相對于彼此形成90度角。任何允許形成深通道而不會顯著變薄的合適的角度(比如80度、100度等等)都可以被采用。測試和/或模擬能夠決定最優階梯尺寸。
[0020]階梯式側壁幾何形狀(例如，圖1所示)的有限元分析(FEA)與傳統的梯形通道(例如，圖2所示)的FEA在同等深度下進行了對比。這種對比表明:圖1的階梯幾何形狀的材料變薄遠不及圖2的梯形通道幾何形狀的材料變薄，并且貫穿圖1的階梯式側壁幾何形狀的材料應變更加均衡。FEA對比同樣表明:對于相等的通道深度D，圖2的梯形通道在它的高度應變的上部半徑區域R中更有可能經歷材料失效。FEA模型的結果已在進一步的研究中被經驗性地證實。與圖1中示出的幾何形狀相近的階梯式側壁幾何形狀的使用可以允許由現有的金屬材料形成帶有較大的側壁角度A的較深的通道，同時維持可接受的通道開口寬度W。這兩個特性能夠帶來燃料電池堆工作性能的改善而不減少連接燃料電池堆組件的結構完整性。
[0021]參照圖3，諸如汽車的車輛98可以包括被布置為如本領域所已知的提供動力以使車輛98運動的燃料電池堆100。燃料電池堆100可包括電連接在一起的多個燃料電池102。每個燃料電池102可包括設置在第一雙極板106和第二雙極板108之間的膜電極組件(MEA)104。膜電極組件104包括位于一側的陰極部分和位于另一側的陽極部分。圖中使用術語“氣體”之處，其意圖表示暴露于MEA 104的陽極側的燃料電池102的燃料。例如，在氫燃料電池中，“氣體”將是氫氣。圖中使用術語“0X”之處，其意圖表示暴露于MEA 104的陰極側的氧氣(或含氧空氣)。
[0022]參照圖4，每個雙極板106可由諸如不銹鋼箔或其他合適的導電性金屬材料的板的前體金屬板沖壓成形而成。也可以使用可選的成形方法，諸如液壓成形和絕熱成形。每個雙極板106限定了交替地設置在該雙極板106的相對側上的相鄰地對齊的流動通道110(垂直于紙面)。進一步地，每個雙極板106包括至少部分地呈階梯形且具有肩狀部分114的側壁112以及階梯式側壁112相互連接處的近端峰部分116和遠端峰部分118 (為雙極板106提供波紋狀外觀)。因此，在本示例中，每個階梯式側壁112具有兩個端部和設置在端部之間的主體部分。每個端部與峰部分116、118中的一個相鄰。肩狀部分114形成在主體部分中。每個雙極板106的近端峰部分116可直接與MEA 104 (圖3)相接觸。相鄰的雙極板的遠端峰部分118可相互地對齊且電接觸。
[0023]特別地，在雙極板106被沖壓成形的情況下，雙極板106可具有大體均勻的膜板厚度(web thickness) T。例如,這種厚度可以在近似100微米的范圍內。然而,可以使用任何適當的厚度(例如，80至250微米，等等)。類似的描述適用于圖3的雙極板108。
[0024]參照圖5，雙極板206的一部分分別包括至少部分地呈階梯形并具有肩狀部分214的側壁212以及近端峰部分216和遠端峰部分218。在本示例中，通道深度D至少等于通道寬度W。在其他示例中，通道深度D可以大于通道寬度W。例如，D可以為大約500微米，W可以為大約100微米。
[0025]參照圖6，雙極板306的一部分分別包括:至少部分地呈階梯形并具有肩狀部分314的側壁312以及近端峰部分316和遠端峰部分318。在本示例中，每個階梯側壁312可具有兩個(或更多)的肩狀部分314。其他構造也是預期之內的。
[0026]參照圖7，燃料電池堆400的一部分包括MEA 404以及雙極板408、420，雙極板408和雙極板420彼此相接觸并設置在MEA 404之間。在本示例中，雙極板408包括階梯式側壁412，而雙極板420不包括階梯式側壁。
[0027]參照圖8，燃料電池堆500的一部分包括MEA 504、雙極板506和508以及中心板522。中心板522設置在雙極板506和雙極板508之間并與二者相接觸，以防止相鄰雙極板的嵌套并使與雙極板506、508相關聯的冷卻劑流動通道的數量增多。其他布置也是預期之內的。
[0028]雖然上面描述了示例性實施例，但是這些實施例并非意圖描述由權利要求書包括的所有可能的形式。在本說明書中所使用的詞語是描述性而非限制性的詞語，將理解的是，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下能夠做出各種改變。如前所述，各種實施例的特征能夠被組合以形成本發明的可能未被明確地描述或示出的進一步的實施例。雖然各種實施例可能已經被描述為針對一個或多個期望的特性提供了優勢或優選于其他實施例或現有技術的實施，但是本領域普通技術人員要認識到，一個或多個特征或特性可能會被折中以達到所期望的整個系統的屬性，這依賴于具體的應用和實施。這些屬性可以包括但不被限于:成本、強度、耐用性、壽命成本、可市場性、外觀、包裝、尺寸、可服務性、重量、可制造性、易組裝性，等等。如此，針對一個或多個特性而被描述為與其他實施例或現有技術的實施相比不是很期望的實施例并非在本公開的范圍之外，而在特別的應用中可以是所期望的。
【權利要求】
1.一種車輛,包括: 燃料電池堆，被布置成提供動力以使所述車輛運動，并且包括膜電極組件和具有波紋部分的雙極板，所述波紋部分通過(I) 一系列交替的近端峰部分和遠端峰部分以及(ii )連接每個相鄰對的近端峰部分和遠端峰部分的相應的側壁段來限定，近端部分與膜電極組件相接觸從而每個側壁段與膜電極組件至少局部地限定多個流動通道，每個流動通道具有一定的寬度和至少等于寬度的深度，并且每個側壁段包括至少一個肩狀部分使得所述雙極板具有大致均勻的厚度。
2.如權利要求1所述的車輛，其中，所述多個流動通道中的一個流動通道的深度大于該流動通道的寬度。
3.如權利要求1所述的車輛，其中，所述雙極板的厚度為大約250微米。
4.如權利要求1所述的車輛，其中，所述雙極板由金屬形成。
5.如權利要求4所述的車輛，其中，所述雙極板由不銹鋼箔形成。
6.一種燃料電池堆，包括: 膜電極組件；以及 電連接在一起的一對雙極板，至少一個雙極板具有通過峰部分和連接峰部分的側壁來限定的波紋段，所述側壁具有端部和設置在端部之間的主體部分，每個端部與所述峰部分之一相鄰，所述側壁和膜電極組件至少部分地限定流動通道，并且所述側壁包括至少一個形成在所述主體部分中的肩狀部分。
7.如權利要求6所述的燃料電池堆，所述燃料電池堆還包括設置在所述一對雙極板之間并與所述一對雙極板相接觸的板。
8.如權利要求6所述的燃料電池堆，其中，所述流動通道具有一定的寬度和大于寬度的深度。
9.如權利要求6所述的燃料電池堆，其中，所述至少一個雙極板具有大致均勻的厚度。
10.如權利要求9所述的燃料電池堆，其中，所述至少一個雙極板的厚度為大約100微米。
【文檔編號】H01M8/02GK103633343SQ201310363383
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】丹尼爾·E·威爾克斯, 羅納德·大衛·布羅斯特, 托馬斯·A·瓦格納 申請人:福特全球技術公司