專利名稱：導(dǎo)致更少的冷卻器板的變化的燃料電池氧化劑流道深度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在與鄰近冷卻劑板的燃料電池相比距離冷卻器板更遠的燃料電池中提供更深的氧化劑流道深度，由此允許在順序設(shè)置的冷卻器板之間存在更多數(shù)量的燃料電池，同時保持平均的燃料電池堆溫度分布曲線和空氣利用率。
背景技術(shù)：
在多種類型的燃料電池堆中，無論陽極水管理和陰極水管理是主動的(利用泵)或是被動的(不利用泵)，燃料電池堆都受到由多組燃料電池隔開的冷卻器板的冷卻。在一些燃料電池系統(tǒng)設(shè)計中，在順序設(shè)置的冷卻器板之間可能設(shè)置數(shù)量少到只有兩個的燃料電池。由于冷卻器板對燃料電池堆的電壓或功率的產(chǎn)生沒有貢獻，因此，燃料電池系統(tǒng)的功率密度和燃料電池堆的端對端電壓與燃料電池堆中使用的冷卻器板的數(shù)量存在反向相關(guān)關(guān)系。對于被設(shè)計用于汽車應(yīng)用中的燃料電池而言，燃料電池堆的總尺寸是很關(guān)鍵的。
如果更多的燃料電池被插置在順序設(shè)置的冷卻器板之間，則距離冷卻器板更遠的燃料電池，特別是位于所述燃料電池中心處的燃料電池，會經(jīng)受更高的溫度，這影響了整個燃料電池堆的水平衡，且縮短了膜或其它溫度敏感部件的壽命。整個燃料電池堆的水平衡取決于氧化劑的排出溫度，原因在于所述溫度對離開燃料電池堆的氧化劑流出物中的水蒸汽的分壓以及燃料電池堆的總的氧化劑利用率產(chǎn)生了影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個方面包括一種燃料電池堆，其中每塊冷卻劑板具有更多燃料電池，由此減小了總的燃料電池堆尺寸；減小了燃料電池堆的尺寸同時在所述燃料電池堆上保持適當(dāng)?shù)臏囟确植记€；提高了燃料電池堆的功率和電壓密度；和改進了適用于汽車應(yīng)用中的燃料電池堆。
根據(jù)本發(fā)明，一種燃料電池堆包括多塊冷卻器板，每塊所述冷卻器板具有插置在其間的一組燃料電池，遠離所述冷卻劑板的燃料電池具有比鄰近所述冷卻器板的燃料電池的氧化劑流道深度更大的氧化劑流道深度，由此改進了遠離所述冷卻器板的那些燃料電池中的冷卻性能。通過促進遠離所述冷卻器板的那些燃料電池中的蒸發(fā)冷卻，可將那些遠處的燃料電池的溫度控制在接近所述燃料電池的設(shè)計運行溫度下。
本發(fā)明允許通過利用更少的冷卻器板從而減小燃料電池堆的尺寸，同時保持適當(dāng)?shù)钠骄鶞囟群推骄諝饫寐省?br> 在本發(fā)明的另一個實施例中，可減小鄰近所述冷卻器板的那些燃料電池中的氧化劑流場通道的深度，且增強由所述冷卻器板提供給所述燃料電池的冷卻性能(例如通過使冷卻劑在更低溫度下流動)，由此從遠離所述冷卻器板的燃料電池中傳導(dǎo)出更多熱量；在該情況下，更遠的冷卻器板可具有比通常情況更深的氧化劑流場通道或具有通常的氧化劑流場通道，盡管目前優(yōu)選使用比通常情況更深的氧化劑流場通道。
在實施本發(fā)明的過程中，在一些情況下，使遠離所述冷卻器板且具有更深的氧化劑流場通道的燃料電池中的氧化劑氣體流場板略厚，從而避免出現(xiàn)制造公差問題和過度脆性被認為是明智的做法。
根據(jù)對本發(fā)明的典型實施例進行的下列詳細描述并結(jié)合附圖將更易于理解本發(fā)明的其它方面、特征和優(yōu)點。


圖1是本領(lǐng)域已公知的燃料電池堆的簡化局部側(cè)視圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中已公知的燃料電池的簡化側(cè)視圖，所述燃料電池可鄰近冷卻器板；圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有深的氧化劑流場通道的燃料電池的簡化局部側(cè)視圖；圖4是包括本發(fā)明的燃料電池堆的簡化局部側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的簡化局部側(cè)視圖，所述燃料電池的氧化劑流場板具有增加的厚度以及增加的氧化劑流場通道深度；和圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有深度減小的氧化劑流場通道的燃料電池的簡化局部側(cè)視圖，所述燃料電池可鄰近冷卻器板。
具體實施例方式
參見圖1，燃料電池堆11包括多塊冷卻器板，圖中示出了冷卻器板13-15。燃料電池堆11還包括大量燃料電池，圖中僅示出了燃料電池18-21。燃料電池18-21中的每個燃料電池與冷卻器板13-15中的一塊冷卻器板鄰近，由此使得在每對冷卻器板之間存在僅兩個燃料電池。
燃料電池18是示例性的，且并未按相對或精確的比例進行制圖。每個燃料電池包括親水性的多孔燃料氣體反應(yīng)劑流場板24，在所述流場板中設(shè)有親水性的多孔燃料流場通道25。每個燃料電池還包括電解質(zhì)組件27，對于質(zhì)子交換膜而言，聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池包括位于其任一側(cè)上的膜和催化劑。每個燃料電池還包括氧化劑氣體流場板29，所述氧化劑氣體流場板包括氧化劑氣體流道30。每塊反應(yīng)劑氣體流場板24、29具有位于其中的溝槽31，所述溝槽一起形成了輸水通道32。如圖2部分示出的燃料電池18被設(shè)置在冷卻器板13與燃料電池19之間。
根據(jù)本發(fā)明，圖3所示的燃料電池33包括氧化劑氣體流場板29a，所述氧化劑氣體流場板具有比通道30更深的氧化劑流道30a。燃料電池33例如可被設(shè)置在燃料電池18與另一燃料電池34之間，所述燃料電池34與燃料電池33相似地具有根據(jù)本發(fā)明的更深的通道30a。如圖4所示，具有更深的反應(yīng)劑氣體通道30a的附加的燃料電池35、36可被設(shè)置在燃料電池20、21之間，以使得在冷卻器板13、14；14、15；等中的每對冷卻器板之間存在四個燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明，遠離冷卻器板13-15的燃料電池33-36從冷卻器板13-15處獲得的傳導(dǎo)冷卻更少，但與具有不那么深的氧化劑流場通道30的鄰近冷卻器板的燃料電池18-21中所發(fā)生的情況相比，更大更深的氧化劑流場通道30a中增加的氧化劑流如空氣流導(dǎo)致為燃料電池提供了附加的蒸發(fā)冷卻。通過這種方式，可將燃料電池33-36的溫度控制在所需的最佳運行溫度范圍內(nèi)。顯然，通過對比圖4中的尺寸X與圖1中的尺寸Y，四個燃料電池18、19、33、34以及相關(guān)聯(lián)的冷卻器板14占據(jù)的空間比四個燃料電池18-21及其相關(guān)聯(lián)的冷卻器板14、15所占據(jù)的空間更少。在該實例中，每四個燃料電池所帶來的差異為一塊冷卻器板的寬度。
本發(fā)明是在質(zhì)子交換膜燃料電池實施例中進行披露的，所述燃料電池可適用于汽車應(yīng)用，但本發(fā)明可用于其它類型的燃料電池系統(tǒng)中。目前為止的描述是在假設(shè)現(xiàn)有技術(shù)中每塊冷卻器板對應(yīng)于兩個燃料電池且根據(jù)本發(fā)明的每塊冷卻器板對應(yīng)于四個燃料電池的情況下進行的。然而，這些描述僅是示例性的，且可通過利用本發(fā)明的氧化劑流場通道的增加的深度以便在冷卻器板之間設(shè)置附加的燃料電池，從而改進在冷卻器板之間具有其它數(shù)量的燃料電池的燃料電池堆。
圖5示出了燃料電池33a中另一種可選的冷卻器板29b。在圖5中，氧化劑流場板29b的無溝槽部分40比圖3所示的板29a的無溝槽部分41更厚。這是由于使板29b比板29a更厚而造成的，也可能是通過使同樣多的溝槽30a比溝槽30更深而造成的。利用更厚的板29b的可選方案當(dāng)然將會不利于本發(fā)明實現(xiàn)的空間節(jié)省，但該方案將保持每塊陰極氧化劑氣體流場板29b的穩(wěn)定性。
圖6示出了本發(fā)明的另一實施例。其中，燃料電池18a包括具有流場通道30b的氧化劑流場板29b，所述流場通道30b比流場通道30更淺。這樣就減輕了通過冷凝進行的內(nèi)部冷卻，允許冷卻器板在更冷的溫度下運行，因此保持所需溫度平衡。使得冷卻器板處于更低溫度下的淺通道不僅為鄰近冷卻器板的燃料電池18a等而且為遠離冷卻器板的燃料電池33-36提供了更多的傳導(dǎo)除熱。
燃料電池18a(以及鄰近冷卻器板的經(jīng)過相似改進的燃料電池)中空氣流的減小提高了這些燃料電池中的空氣利用率，從而允許遠離冷卻器板的那些燃料電池33-36中的空氣利用率有所降低(更大流量)。
可通過對比“通常的”燃料電池而理解本發(fā)明。此處，術(shù)語“通常的”指的是現(xiàn)有技術(shù)中已公知的所有的氧化劑反應(yīng)劑氣體流場通道都具有相同深度且導(dǎo)致燃料電池堆的長度大于所需長度的那種類型的燃料電池。在遠離冷卻器板的燃料電池中，所述燃料電池具有的氧化劑流場通道的深度比鄰近冷卻器板的燃料電池的那些氧化劑流場通道深度更深，這種與通常燃料電池的對比能夠體現(xiàn)出來，所述鄰近冷卻器板的燃料電池的氧化劑流場通道可比或可不比通常情況更深。如果在鄰近冷卻器板的氧化劑流場板中利用比通常通道更淺的通道，則通常的燃料電池可被用在遠離冷卻器板的位置處。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆(11)，所述燃料電池堆包括多塊冷卻器板(13-15)；在相繼順序設(shè)置的所述冷卻器板之間成組設(shè)置的多個燃料電池(18-21；33-36)，每組燃料電池中的第一對燃料電池(18、19；20、21)鄰近所述冷卻器板中的一塊冷卻器板，每組燃料電池中的一個或多個第二燃料電池(33、34；35、36)與兩個其它燃料電池鄰接且遠離所述冷卻器板，所述第一對燃料電池具有親水性的多孔氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板，所述第一對燃料電池所具有的所述親水性的多孔氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板包括具有第一深度的通道(30；30b)，所述第二燃料電池具有親水性的多孔氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板，所述第二燃料電池所具有的所述親水性的多孔氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板包括比所述第一深度更深的通道(30a、30)，由此在所述第二燃料電池中提供增加的氧化劑氣體流從而有助于對所述第二燃料電池進行冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述至少一個第二燃料電池的所述氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板(29b)比所述第一燃料電池的所述氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板(29)更厚。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述第二燃料電池包括具有比通常情況更深的流場通道(30a)的氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板(29a)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述第一燃料電池包括具有比通常情況更淺的流場通道(30b)的氧化劑反應(yīng)劑氣體流場板(29b)。
全文摘要
在燃料電池堆(11a)中，大量燃料電池(18－21；33－36)被插置在相繼順序設(shè)置的冷卻器板(13－15)之間，而不會在遠離所述冷卻器板的那些燃料電池(33－36)中產(chǎn)生過高溫度，原因在于與鄰近所述冷卻器板的燃料電池(18－21)中的所述流場通道(30、30b)相比，遠離所述冷卻器板的燃料電池(30－36)中具有的更深的空氣流場通道(30a)中的空氣流增加了?？諝饬鲌霭?29b)的厚度可被增加以適應(yīng)所述空氣流通道(30a)增加的深度。鄰近所述冷卻器板的燃料電池(18a)可具有比通常情況更淺的空氣流場通道(30b)，由此使得具有更深的空氣流通道(30a)的所述電池(33－36、33a)中降低的空氣利用率將對所述更淺的空氣流場通道中升高的空氣利用率起到平衡作用；在這種情況下通道(30a)可以是通常的通道或比通常情況更深。
文檔編號H01M8/12GK101091279SQ200580045056
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者J·P·邁爾斯 申請人:Utc電力公司