具有进出水管理特征的双极板制造技术

本发明专利技术涉及具有进出水管理特征的双极板。公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件利用这样的燃料电池板，该燃料电池板具有与其内形成的入口和出口相邻的疏水部以及与该疏水部相邻地形成在燃料电池板的流道中的亲水部，其中所述亲水部和所述疏水部利于液态水从燃料电池板的输送。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池板，更具体地涉及这样的燃料电池板，其具 有与其内形成的出口相邻的疏水部以及与该疏水部相邻地形成在燃料电池板的流道上的亲水部，其中所述亲水部和所述疏水部利于液态水 从该燃料电池板输送。此外，与其内形成的入口相邻的疏水部防止液 态水进入该燃料电池板。
技术介绍
燃料电池动力系统将燃料和氧化剂转换成电。 一种燃料电池动力系统采用质子交换膜(以下称为"PEM")以催化方式利于燃料(例如 氢)和氧化剂(例如空气或氧气)反应而发电。PEM是一种固体聚合 物电解质，其利于质子在燃料电池动力系统通常采用的 一组燃料电池 的每一个体燃料电池中从阳极迁移到阴极。在燃料电池动力系统的典型燃料电池组中，个体燃料电池形成供 各种反应物和冷却流体流过的通道。借助于反应物流过燃冲牛电池组件 的流动来使水从这些通道移动到燃料电池板的出口歧管。曳力拉动液 态水经过通道，直至液态水通过出口歧管退出燃料电池。然而，当燃 料电池在低功率输出下操作时，气流速度太低而不能产生有效的曳力 来输送液态水，从而液态水在流道中积聚。利用气流曳力移除液态水的另 一限制在于，这些水可能会遇到具 有高表面能或低表面能的各种表面不规则部，或者水可能会遇到流道 表面上的钉扎点。由于曳力有可能不够强而不能有效输送液态水，因 而钉扎点有可能使水积聚成池，从而阻挡水流。这样的钉扎点为通常 位于通道入口和通道出口与燃料电池组件歧管相会之处的4丁扎点。在各燃料电池板的出口孔处，水必须克服其边缘的钉扎力。而且， 对于亲水表面来说，存在沿液态水和水蒸汽的界面的小曲率半径方向 作用的毛细力。液态水和水蒸汽倾向于从产生具有曲率半径的水蒸汽 气体/液态水界面的区域(例如歧管)向产生具有小曲率半径的气/液界 面的区域(例如流道)流动。气/液界面的曲率半径根据其中形成界面的区域的尺寸而变化。例如，当该区域的宽度或其他尺寸增大时，界面的曲率半径也增大。毛细力由以下等式表示^ =尸未沾湿—尸沾湿=x co" 其中尸未w =气(空气或氬气)相^力 尸雄=液(水)相压力cr =液体表面张力6 =4争态接触角i =气/液界面曲率半径对于具有亲水表面(即，e<90°)的燃^牛电池双才及板来说，在不存 在反应气流的情况下，残留水可被从出口歧管拉入流道。此外，在冷 操作环境下，有可能在各燃料电池板的入口孔上游的入口歧管中形成 冷凝物。反应气流和毛细力可致使冷凝物从入口歧管流入流道。为了 移除积聚的水，可使反应物通过燃料电池组件的流速或者各燃料电池 板的压降增大。然而，增大的流速或压降降低了燃料电池系统的效率。此外，积聚在燃料电池板上的水有可能在燃料电池组件中结水。 水和水的存在会影响燃料电池组件的性能。在燃料电池组件的典型操 作期间，来自燃料电池反应的废热加热组件并妨碍组件中的蒸汽凝结 和结水。在水点下在燃料电池组件的起始操作或低动力操作期间，燃 料电池板的流道中以及出口歧管边缘处的冷凝水有可能在燃料电池组 件内结水。结水现象会限制反应物流，从而引起燃料电池系统的电压 损失和不良操作。为了进一步利于除水，有些燃料电池组件利用具有亲水涂层或亲 水结构(例如，泡沫、纱布条或筛网)的板。观察到水在亲水材料的 表面上形成膜。该膜倾向于积聚在流道的出口和板的周边。水膜会阻 塞气流，这又会降低用于移除液态水的驱动力，从而妨碍从燃料电池 组件移除液态水。在具有适度疏水表面的燃料电池板的情况下，观察 到水形成大的水滴突入到燃料电池组件的出口歧管中，阻塞燃料电池 板的通道出口。观察到水滴留在板边缘处，直到可被气体剪力间歇性 地移除。水积聚可致使气流阻塞或者流动失稳，这会致使燃料电池组6件不良操作。具有亲水涂层的燃料电池板制造起来会比较昂贵。通常， 利用真空方法将亲水涂层布置在燃料电池板上，所述真空方法例如为等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法、溶胶-凝胶方法以及原 子层淀积(ALD)方法。亲水泡沫、亲水纱布条(wick)或亲水筛网 (mesh)的使用增加了燃料电池组件的材料成本、组装成本以及组装 时间。期望开发一种用于燃料电池组件的燃料电池板，其具有用于从燃 料电池板的流道移除液态水的改进装置，从而使燃料电池组件内的液 态水积聚最少。
技术实现思路
根据本专利技术，公开了一种用于燃料电池组件的燃料电池板，其具 有用于从燃料电池板的流道移除液态水的改进装置，从而使燃料电池 组件内的液态水积聚最少。在一个实施方式中，燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和 出口孔，并具有形成在所述入口孔和出口孔之间并与所述入口孔和出 口孔流体连通的多个流道；在所述流道上与所述出口孔相邻形成的疏 水部；以及在所述流道上与所述疏水部相邻形成的亲水部，在所述疏 水部和所述亲水部之间形成界面，其中所述疏水部和所述亲水部利于水从所述流道向所述出口孔的输送。在另一实施方式中，燃料电池板包括板，其内形成有入口孔和 出口孔，并具有形成在所述入口孔和出口孔之间并与所述入口孔和出 口孔流体连通的多个流道；在所述流道的至少一部分上与所述入口孔 和出口孔相邻形成的疏水部；以及在所述流道上与所述疏水部相邻形 成的亲水部，在所述疏水部和所述亲水部之间形成界面，其中所述疏 水部和所述亲水部利于水离开所述流道的输送。在另一实施方式中，燃料电池组包括多个燃料电池板，每个所述 燃料电池板具有其内形成的入口孔和出口孑L,以及形成在所述入口 孔和出口孔之间并与所述入口孔和出口孔流体连通的多个流道；在所 述流道上至少与所述出口孔和所述入口孔相邻形成的疏水部；以及在 所述流道上与所述疏水部相邻形成的亲水部，在所述疏水部和所述亲 水部之间形成界面，其中所述疏水部和所述亲水部利于水从所述流道向所述出口孔的输送。 附图说明根据附图考虑优选实施方式的以下详细说明，本领域技术人员将会很容易清楚本专利技术的以上及其他优点，在附图中图1是包括根据本专利技术实施方式的多个燃料电池板的燃料电池组件的剖切平面图2是根据本专利技术实施方式的包括与疏水部相邻的亲水部的燃料电池板的俯一见图3是图2所示的燃料电池板的出口孔的局部放大俯视图； 图4是图2所示的燃料电池板的入口孔的局部放大俯视图； 图5是根据本专利技术另一实施方式的燃料电池板的出口孔的局部放大俯-见图6是根据本专利技术另一实施方式的燃料电池板的出口孔的局部放 大俯一见图7是根据本专利技术另 一 实施方式的燃料电池板的局部俯视图。 具体实施例方式以下详细说明及附图描述并图示了本专利技术的各种示例性实施方 式。这些描述和附图用于使本领域技术人员能够制造并使用本专利技术， 而不旨在以任何方式限制本专利技术的范围。对于所公开的方法而言，所 提供的步骤在本质上是示例性的，因而步骤的顺序既非必须也非关键。图2示出由一对单极板形成的双极燃料电池板10的俯视图。燃料 电池板10包括多个入口孔12、多个出口孑L 14以及多个流道16。燃料 电池板10包括形成在其上的亲水部18和疏水部20。如图1所示，当 多个燃料电池板10堆叠在燃料电池组件11的燃料电池組中时，各燃 料电池板10的入口孑L 12共同形成入口歧管13,各燃料电池板10的出 口孑L 14共同形成出口歧管15。入口歧管13与燃料电池组件11的入口 17流体连通，并且出口歧管15与燃料电池组件11的出口 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池板，该燃料电池板包括：　板，其内形成有入口孔和出口孔，并具有在所述入口孔和出口孔之间形成并与所述入口孔和出口孔流体连通的多个流道；　在所述流道上与所述出口孔相邻形成的未涂覆部和疏水部中的一个；以及　在所述流道上 与所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个相邻形成的亲水部，在所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个与所述亲水部之间形成界面，其中所述亲水部以及所述疏水部和所述未涂覆部中的所述一个利于水从所述流道向所述出口孔输送。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TA特拉博尔德，JP奥维简，SJ斯潘塞，JA洛克，GV达赫奇，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]