燃料电池直接水注入制造技术

一种燃料电池组件，提供直接将水输入到该组件的流体流场板的活性区域中的注水点。该流体流场板具有形成在其表面的多个沟槽，这些沟槽以预定图形在该板的表面延伸，限定板的活性区。分配箔具有形成在其表面的多个沟槽，这些沟槽从该分配箔的第一边缘延伸至该分配箔的第二边缘。这些沟槽在与流场板沟槽的各沟槽在注水点基本重合的位置处终止于第二边缘处。覆盖箔在分配箔上方延伸，从而封闭分配箔沟槽，由此在两箔之间形成用于水的管道。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
燃料电池直接水注入
本专利技术涉及一种燃料电池，特别涉及适用于固体聚合物电解质燃料电池的流场板(flow field plate)，该流场板作为到燃料电池的电极表面的流体输送管道。
技术介绍
传统的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转变为电能和反应产物。传统燃料电池10的常见布置在图1中示出，为清楚起见，其以分解的形式示出各层。固体聚合物离子传输膜11夹在阳极12与阴极13之间。通常，阳极12和阴极13都是由导电、多孔材料形成，诸如多孔碳，其上粘接了铂和/或其它贵金属催化剂的微小颗粒。阳极12和阴极13通常与膜11的各相邻的表面直接粘合。这种组合通常称作膜-电极组件，或MEA。夹着聚合物膜和多孔电极层的是阳极流体流场板14和阴极流体流场板15。也可以在阳极流体流场板14与阳极12之间和类似地在阴极流体流场板15与阴极13之间采用中间衬层12a和13a。该些衬层为多孔性质，且制造成确保气体向阳极和阴极表面及从阳极和阴极表面的有效扩散、以及帮助处理水蒸气和液体水。本说明书中，所指的电极(阳极和/或阴极)是指包括具有或不具有这种衬层的电极。流体流场板14、15由导电、无孔材料形成，通过其可以与各阳极电极12或阴极电极13形成电接触。同时，该些流体流场板必须便于流体燃料、氧化剂和/或反应产物向或从多孔电极的输送和/或排出。这通常通过在流体流场板的表面中形成流体流动通道(诸如对着多孔电极12、13的表面中的凹槽或沟槽16)来实现。再参照图2(a)，一种传统的流体流动通道(flow channel)结构在阳极14(或阴极15)的表面中提供了具有进口总管(manifold)21和出口总管22的迂回结构20，如图2(a)所示。根据传统设计，可理解迂回结构20包括板14(或15)的表面中的沟槽16，同时总管21和22每个包括穿过板的孔，使得-->输送至沟槽20或从沟槽20排出的流体可以在正交于板的方向贯穿一叠板的深度传递，该方向特别通过图2(b)中所示的在A-A处的截面中的箭头示出。可以设置其它总管孔23、25，用于燃料、氧化剂、其它流体或排出气传递到未示出的板中的其它沟槽。流体流场板14、15中的沟槽16在两端可以是开口的，即如所示沟槽在进口总管21与出口总管22之间延伸，允许流体连续通过，通常用于混合的氧化剂供给和反应物排出。或者，沟槽16可以在一端关闭，即每个沟槽仅与输入总管21连通来供给流体，完全依赖于气体材料100％转移进及转移出MEA的多孔电极。关闭的沟槽通常可以用于传输氢燃料至梳状结构中的MEA 11至13。参照图3，示出了形成传统燃料电池组件30的一叠板的局部的截面图。在此布置中，相邻的阳极和阴极流体流场板按传统方式组合从而形成在一面上具有阳极沟槽32并在反面上具有阴极沟槽33的单个双极板31，每个沟槽邻近各膜-电极组件(MEA)34。进口总管孔21和出口总管孔22都是重叠的，从而为整个堆提供进口和出口总管。堆的各元件为清楚起见而稍微分开地示出，尽管应当理解如果需要的话它们将使用密封垫压在一起。为了从燃料电池获得高且持续的功率输送能力，通常必须在膜-电极组件中保持较高的水含量，特别是在膜内。在现有技术中，这通常通过通过使总管21、22或23和沟槽16供给的供给气体(燃料、空气或两者)湿润来实现。这种技术的缺点在于，为了保持足够的湿度水平，进口气流通常需要加热和辅助设备来向流动的气流中引入水蒸气。在现有技术中，辅助设备已经以多种方式来实现。已经应用的是，在引入燃料电池前使燃料或氧化剂气体经加热的水柱起泡已经被应用。或者，已经利用了渗透膜作为水传输介质，使得水从邻近的含液体水的压力流入系统(plenum)被带入气体流中。吸液芯类似地已被采用作为水传输介质，由液相到汽相。其它的设备可以与燃料电池堆(fuel cell stack)分开或形成为其组成部分。在每种情况下，都存在组件整体的尺寸和复杂性的相应增大。另一种方法为直接将水输送至膜11、34，例如直接送至电极表面或送至双极板31的沟槽16中。这种技术的优点在于不仅提供水从而保持了膜的高-->水含量，还能用于通过蒸发和汽化潜热的抽出而冷却燃料电池。这种用于通过排出气流引出能量的直接热排除工艺具有与燃料电池堆组件内的中间冷却板的消除相联系的明显优点。在现有技术中，通常采用一种冷却法，其在电化学活性板(active plate)之间散置热交换板，从而抽出由燃料电池的电阻和热力学消耗导致的热能。这些热交换或冷却板利用再循环或不常采用的一次经过的流体流，其将热量从燃料电池堆带走。冷却板通常对于活性板具有不同的设计，由此增大了燃料电池组件的复杂性、尺寸和成本。直接引入水可能遇到的一个困难是向燃料电池堆30内的很多流体流场板沟槽16输送准确量的水。通常，这需要将准确量的水输送至数千个独立的位置。为实现这一点，需要流体流场板14、15或31的复杂设计，其更加难以实现且增加了生产的成本。若水输送过程不均匀，则冷却效果分布性差，导致局部热点，该处过热可能导致物理应力和膜11机械性质变差并最终断裂。这种效果出现于经过板表面的差的(不均匀)输送和到构成堆的每个独立单元的不均匀输送两种情况。换言之，温度变化可出现在单元内或由一个单元到另一个单元。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改进的方法和设备，用于控制水至流体流板中各沟槽的输送。本专利技术的另一目的在于提供一种方法及设备，其易于制造和组装。根据一个方面，本专利技术提供一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该板的表面延伸的多个沟槽；分配箔，具有形成在其表面且从该分配箔的第一边缘延伸至该分配箔的第二边缘的多个沟槽，所述沟槽在与所述流场板沟槽的各沟槽基本重合的位置处终止于所述第二边缘处；以及覆盖箔，在所述分配箔上方延伸，从而封闭所述分配箔沟槽，由此在所述两箔之间形成用于水的管道。根据另一方面，本专利技术提供一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该板的表面延伸的多个-->沟槽；分配箔，具有形成在其表面的多个沟槽，所述沟槽每个从接近于或在该分配箔的第一边缘的第一位置延伸至接近于或在该分配箔的第二边缘的第二位置，所述沟槽终止于与下面的流场板沟槽的各沟槽基本重合的所述第二位置处；以及覆盖箔，与所述分配箔的大部分共同延伸，从而在所述第一和第二位置之间的所述分配箔沟槽的长度的至少部分上方封闭所述分配箔沟槽，由此在所述两箔之间形成用于水的管道。根据又一方面，本专利技术提供一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该流场板的表面延伸的多个沟槽；相邻的膜-电极组件(MEA)，在该MEA的活性区域上与所述流体流场板相接触；以及分配膜，位于所述流体流场板与所述MEA之间，该膜具有在接近于或在该膜的第一边缘的第一位置与接近于或在该膜的第二边缘的第二位置之间在其中延伸的多个水管道，所述管道终止于与所述流场板沟槽的各沟槽基本重合的所述第二位置。附图说明现在将参照附图以示例的形式介绍本专利技术的实施例，附图中：图1示出穿过传统燃料电池一部分的示意截面图；图2(a)和2(b)分别示出图1的燃料电池的流体流场板的简化平面和截面图；图3示出穿过具有双极板的传统燃料电池堆的截面图；图4(a)示出具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该板的表面延伸的多个沟槽；分配箔，具有形成在其表面且从该分配箔的第一边缘延伸至该分配箔的第二边缘的多个沟槽，所述沟槽在与所述流场板沟槽的各沟槽基本重合的位置处 终止于所述第二边缘处；以及覆盖箔，在所述分配箔上方延伸，从而封闭所述分配箔沟槽，由此在所述两箔之间形成用于水的管道。

【技术特征摘要】
GB 2002-7-9 0215790.71.一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该板的表面延伸的多个沟槽；分配箔，具有形成在其表面且从该分配箔的第一边缘延伸至该分配箔的第二边缘的多个沟槽，所述沟槽在与所述流场板沟槽的各沟槽基本重合的位置处终止于所述第二边缘处；以及覆盖箔，在所述分配箔上方延伸，从而封闭所述分配箔沟槽，由此在所述两箔之间形成用于水的管道。2.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述分配箔包括：第一系列沟槽，延伸至该箔的所述第一边缘；沟槽阵列，与所述第一系列沟槽连通，形成压力分配通道；以及第二系列沟槽，与所述沟槽阵列连通，延伸至该箔的所述第二边缘。3.如权利要求1或2所述的燃料电池组件，其中所述分配箔沟槽在适于将水流集中至所述流体流场板的各沟槽中的多个汇聚结构处终止于该箔的所述第二边缘处。4.如权利要求3所述的燃料电池组件，其中每个汇聚结构包括所述分配箔的所述第二边缘中的凹进部。5.如权利要求4所述的燃料电池组件，其中该凹进部包括从所述分配箔的所述第二边缘中挖去的弧形。6.如权利要求1或2所述的燃料电池组件，其中该分配箔沟槽终止于所述箔的在该流体流场板中的至少一个供给总管孔处的所述第一边缘。7.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中该分配箔由不锈钢形成。8.如权利要求1或7所述的燃料电池组件，其中该分配箔沟槽是化学蚀刻的。9.一种燃料电池组件，包括：流体流场板，具有形成在其表面且以预定图形在该板的表面延伸的多个沟槽；分配箔，具有形成在其表面的多个沟槽，所述沟槽每个从接近于或在该分配箔的第一边缘的第一位置延伸至接近于或在该分配箔的第二边缘的第-->二位置，所述沟槽终止于与下面的流场板沟槽的各沟槽基本重合的所述第二位置处；以及覆盖箔，与所述分配箔的大部分共同延伸，从而在所述第一和第二位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得D胡德，保罗L阿德科克，
申请(专利权)人：智慧能量有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]