具有阶梯式通道双极板的质子交换膜燃料电池
阅读：553发布：2023-03-14
专利汇可以提供具有阶梯式通道双极板的质子交换膜燃料电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 燃料 电池 堆包括 膜 电极 组件 和双极板。双极板具有波纹部分，所述波纹部分通过一个相邻对的近端峰部分和远端峰部分以及连接峰部分的 侧壁 段来限定。侧壁段和膜电极组件至少部分地限定流动通道。所述侧壁段包括限定远离峰部分间隔开的阶梯的肩状部分。，下面是具有阶梯式通道双极板的质子交换膜燃料电池专利的具体信息内容。
1.一种车辆，包括：
燃料电池堆，被布置成提供动力以使所述车辆运动，并且包括膜电极组件和具有波纹部分的双极板，所述波纹部分通过（i）一系列交替的近端峰部分和远端峰部分以及（ii）连接每个相邻对的近端峰部分和远端峰部分的相应的侧壁段来限定，近端部分与膜电极组件相接触从而每个侧壁段与膜电极组件至少局部地限定多个流动通道，每个流动通道具有一定的宽度和至少等于宽度的深度，并且每个侧壁段包括至少一个肩状部分使得所述双极板具有大致均匀的厚度。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个流动通道中的一个流动通道的深度大于该流动通道的宽度。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述双极板的厚度为大约250微米。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述双极板由金属形成。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，所述双极板由不锈钢箔形成。
6.一种燃料电池堆，包括：
膜电极组件；以及
电连接在一起的一对双极板，至少一个双极板具有通过峰部分和连接峰部分的侧壁来限定的波纹段，所述侧壁具有端部和设置在端部之间的主体部分，每个端部与所述峰部分之一相邻，所述侧壁和膜电极组件至少部分地限定流动通道，并且所述侧壁包括至少一个形成在所述主体部分中的肩状部分。
7.如权利要求6所述的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括设置在所述一对双极板之间并与所述一对双极板相接触的板。
8.如权利要求6所述的燃料电池堆，其中，所述流动通道具有一定的宽度和大于宽度的深度。
9.如权利要求6所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板具有大致均匀的厚度。
10.如权利要求9所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个双极板的厚度为大约100微米。
具有阶梯式通道双极板的质子交换膜燃料电池
技术领域
[0001] 本公开涉及一种质子交换膜（PEM）燃料电池并且涉及位于其中的双极板的构造和布置。
背景技术
[0002] 质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧转化为水并在这个过程中发电的电化学能量转换设备。氢燃料通过流场被引导至位于燃料电池一侧的阳极。氧（来自空气中）通过流场被引导至位于燃料电池另一侧的阴极。在阳极处，催化剂使氢裂解为氢离子和电子。设置在阳极与阴极之间的聚合物电解质膜允许带正电荷的离子穿过它至阳极。电子经过外电路行进至阴极，这个过程产生电流。在阴极处，氢离子与氧结合形成水，水流出电池。发明内容
[0003] 一种车辆包括被布置成提供动力以使所述车辆运动的燃料电池堆。所述燃料电池堆包括膜电极组件和具有波纹部分的双极板，所述波纹部分通过（i）一系列交替的近端峰部分和远端峰部分以及（ii）连接每个相邻对的近端峰部分和远端峰部分的相应的侧壁段来限定。近端部分与膜电极组件相接触从而每个侧壁段与膜电极组件至少部分地限定多个流动通道，每个流动通道具有一定的宽度和至少等于宽度的深度。每个侧壁段包括至少一个肩状部分，从而所述双极板具有大体均匀的厚度。流道之一的深度可以大于该流动通道的宽度。所述双极板的厚度可以近似为250微米。所述双极板可以由金属形成。所述双极板可以由不锈钢箔形成。
[0004] 一种燃料电池堆包括膜电极组件和电连接在一起的一对双极板。至少一个双极板具有通过峰部分和连接峰部分的侧壁来限定的波纹段。所述侧壁具有端部和设置在端部之间的主体部分。每个端部与峰部分之一相邻。侧壁和膜电极至少部分地限定流动通道。侧壁包括至少一个形成在所述主体部分中的肩状部分。所述燃料电池堆可以进一步包括设置在所述一对双极板之间并与所述一对双极板相接触的板。流动通道可以具有一定的宽度和大于该宽度的深度。所述至少一个双极板可以具有大致均匀的厚度。所述至少一个双极板的厚度可以近似为100微米。所述至少一个双极板可以由金属形成。所述至少一个双极板可以由不锈钢箔形成。
[0005] 一种车辆包括被布置为提供动力以使所述车辆运动的燃料电池堆。所述燃料电池堆包括膜电极组件和双极板，所述双极板具有一个相邻对的近端峰部分和远端峰部分以及连接峰部分的侧壁段。侧壁段和膜电极组件至少部分地限定流动通道。侧壁段包括肩状部分，所述肩状部分限定了远离峰部分间隔开的阶梯。流动通道可以具有一定的宽度和大于该宽度的深度。双极板可以具有大致均匀的厚度。双极板的厚度可以近似为100微米。双极板可以由金属形成。所述双极板可以由不锈钢箔形成。附图说明
[0006] 图1是双极板流动通道的示意性剖视图。通道宽度用“W”标注，并且通道深度用“D”标注。
[0007] 图2是具有梯形形状的传统双极板流动通道的示意性剖视图。
[0008] 图3是设置在车辆内并且包括双极板的燃料电池堆的示意性剖视图，所述双极板具有至少部分地通过阶梯式侧壁限定的流动通道。
[0009] 图4是具有至少部分地通过阶梯式侧壁限定的流动通道的双极板的示意性剖视图。
[0010] 图5是双极板流动通道的示意性剖视图。通道的深度至少等于通宽度。各幅图中的同样标号的元件可以具有相似的描述。
[0011] 图6是双极板流动通道的示意性剖视图。每个侧壁可以包括两个肩状突起。
[0012] 图7是燃料电池堆的两个相邻燃料电池之间的结合的示意性剖视图。燃料电池的双极板互相接触。其中一个双极板具有至少部分地通过阶梯式侧壁限定的流动通道。另一个双极板具有形状为梯形的流动通道。
[0013] 图8是燃料电池堆的两个相邻燃料电池之间的结合的示意性剖视图，燃料电池堆包括设置在燃料电池的双极板之间并与双极板相接触的中心板。
具体实施方式
[0014] 本公开的实施例被描述于此。然而，将理解的是，所公开的实施例仅为示例并且其他实施例可以采用多种替代形式。附图未必按照比例绘制；一些特征可能被夸大或缩小以显示特定元件的细节。因此，在此公开的具体的结构和功能的细节不将被理解为是限制性的，而仅仅作为有代表性的基础来教导本领域技术人员以多种方式采用本发明。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一幅附图所示出和描述的各个特征可以与在一幅或多幅其他附图中示出的特征相组合，以产生未被明确地示出或描述的实施例。所示出的特征的组合为典型的应用提供有代表性的实施例。然而，与本发明的教导相一致的特征的各种组合和修改可被看作特定的应用或实施。
[0015] 候选的金属双极板（MBPP）材料可形成为一系列的通道，所述通道具有为满足期望的燃料电池性能标准而设计的深度和宽度。为了提高燃料电池的性能，在某些情况下，使竖直侧壁的几何形状基本呈平底“U”形的深且窄的通道成为优选。然而，这种几何形状可能很难或不可能由薄金属材料以低成本的方式来形成。诸如不锈钢箔的某些薄金属材料的成形极限可以因此限制其作为MBPP材料在燃料电池应用中的使用。例如，在薄金属材料中冲压又深又直的通道可以在通道的几何过渡区域（诸如，在通道的边缘处）产生材料过度变薄。这种变薄可以在通道成形、燃料电池的组装或燃料电池堆的操作期间导致板的撕裂。此外，在某种程度上说双极板是燃料电池堆的结构元件，这种薄会危害双极板的刚性。
[0016] 传统的MBPP通常将特征通道设计成横截面为平底“V”（或梯形）。这些构造倾向于具有平缓的侧壁角度和受限的通道深度，以试图适应前体板材的成形极限并使成形过程中的应变诱发变薄最小化。在某些情况下，可以更改基础合金加工步骤以提高MBPP前体材料的使之超过其常规极限的能力。然而，材料的基本化学成分或制造过程的改变会不利地影响到对将要用于燃料电池应用的合金的所期望的其他特性，诸如耐腐蚀性和导电性。材料组成和加工的变化也会导致成本过高。
[0017] 在燃料电池中，增加流动通道的横截面面积，具体地讲，增加各个膜电极组件（MEA）的阴极侧上的流动通道的横截面面积，可以大幅度地提高燃料电池的性能。然而，如果通道开口太宽，则MEA会朝向通道向内弯曲。由于这个原因，可以优选的是，将通道形成为具有较窄的开口和较深的通道。
[0018] 形成具有较深通道的MBPP的能力，特别是当所述通道通过冲压工艺形成时，可以通过在损害如上所述的其他特性的情况下来更改前体板材的成形极限而得以改善。然而，现已发现，更改通道的几何形状以适应选定的前体材料的固有成形极限也能够在不显著影响诸如耐腐蚀性和导电性之类特性的情况下改善形成带有较深的通道的MBPP的能力。在此公开的是“阶梯式”侧壁MBPP通道的几何形状的示例，例如，如图1所示。具有阶梯式侧壁的流动通道能够与图2示出的较为传统的梯形通道结构相区别开来。
[0019] 肩状部（或阶梯）的侧壁段无需相对于彼此形成90度角。任何允许形成深通道而不会显著变薄的合适的角度（比如80度、100度等等）都可以被采用。测试和/或模拟能够决定最优阶梯尺寸。
[0020] 阶梯式侧壁几何形状（例如，图1所示）的有限元分析（FEA）与传统的梯形通道（例如，图2所示）的FEA在同等深度下进行了对比。这种对比表明：图1的阶梯几何形状的材料变薄远不及图2的梯形通道几何形状的材料变薄，并且贯穿图1的阶梯式侧壁几何形状的材料应变更加均衡。FEA对比同样表明：对于相等的通道深度D，图2的梯形通道在它的高度应变的上部半径区域R中更有可能经历材料失效。FEA模型的结果已在进一步的研究中被经验性地证实。与图1中示出的几何形状相近的阶梯式侧壁几何形状的使用可以允许由现有的金属材料形成带有较大的侧壁角度A的较深的通道，同时维持可接受的通道开口宽度W。这两个特性能够带来燃料电池堆工作性能的改善而不减少连接燃料电池堆组件的结构完整性。
[0021] 参照图3，诸如汽车的车辆98可以包括被布置为如本领域所已知的提供动力以使车辆98运动的燃料电池堆100。燃料电池堆100可包括电连接在一起的多个燃料电池102。每个燃料电池102可包括设置在第一双极板106和第二双极板108之间的膜电极组件（MEA）104。膜电极组件104包括位于一侧的阴极部分和位于另一侧的阳极部分。图中使用术语“气体”之处，其意图表示暴露于MEA 104的阳极侧的燃料电池102的燃料。例如，在氢燃料电池中，“气体”将是氢气。图中使用术语“OX”之处，其意图表示暴露于MEA 104的阴极侧的氧气（或含氧空气）。
[0022] 参照图4，每个双极板106可由诸如不锈钢箔或其他合适的导电性金属材料的板的前体金属板冲压成形而成。也可以使用可选的成形方法，诸如液压成形和绝热成形。每个双极板106限定了交替地设置在该双极板106的相对侧上的相邻地对齐的流动通道110（垂直于纸面）。进一步地，每个双极板106包括至少部分地呈阶梯形且具有肩状部分114的侧壁112以及阶梯式侧壁112相互连接处的近端峰部分116和远端峰部分118（为双极板106提供波纹状外观）。因此，在本示例中，每个阶梯式侧壁112具有两个端部和设置在端部之间的主体部分。每个端部与峰部分116、118中的一个相邻。肩状部分114形成在主体部分中。每个双极板106的近端峰部分116可直接与MEA 104（图3）相接触。相邻的双极板的远端峰部分118可相互地对齐且电接触。
[0023] 特别地，在双极板106被冲压成形的情况下，双极板106可具有大体均匀的膜板厚度（web thickness）T。例如，这种厚度可以在近似100微米的范围内。然而，可以使用任何适当的厚度（例如，80至250微米，等等）。类似的描述适用于图3的双极板108。
[0024] 参照图5，双极板206的一部分分别包括至少部分地呈阶梯形并具有肩状部分214的侧壁212以及近端峰部分216和远端峰部分218。在本示例中，通道深度D至少等于通道宽度W。在其他示例中，通道深度D可以大于通道宽度W。例如，D可以为大约500微米，W可以为大约100微米。
[0025] 参照图6，双极板306的一部分分别包括：至少部分地呈阶梯形并具有肩状部分314的侧壁312以及近端峰部分316和远端峰部分318。在本示例中，每个阶梯侧壁312可具有两个（或更多）的肩状部分314。其他构造也是预期之内的。
[0026] 参照图7，燃料电池堆400的一部分包括MEA 404以及双极板408、420，双极板408和双极板420彼此相接触并设置在MEA 404之间。在本示例中，双极板408包括阶梯式侧壁412，而双极板420不包括阶梯式侧壁。
[0027] 参照图8，燃料电池堆500的一部分包括MEA 504、双极板506和508以及中心板522。中心板522设置在双极板506和双极板508之间并与二者相接触，以防止相邻双极板的嵌套并使与双极板506、508相关联的冷却剂流动通道的数量增多。其他布置也是预期之内的。
[0028] 虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非意图描述由权利要求书包括的所有可能的形式。在本说明书中所使用的词语是描述性而非限制性的词语，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下能够做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征能够被组合以形成本发明的可能未被明确地描述或示出的进一步的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为针对一个或多个期望的特性提供了优势或优选于其他实施例或现有技术的实施，但是本领域普通技术人员要认识到，一个或多个特征或特性可能会被折中以达到所期望的整个系统的属性，这依赖于具体的应用和实施。这些属性可以包括但不被限于：成本、强度、耐用性、寿命成本、可市场性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、可制造性、易组装性，等等。如此，针对一个或多个特性而被描述为与其他实施例或现有技术的实施相比不是很期望的实施例并非在本公开的范围之外，而在特别的应用中可以是所期望的。
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