專利名稱：車用燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種車用燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電解質(zhì)燃料電池通過使燃料氣體(如氫氣)和氧化劑氣體(如氧氣)進(jìn)行電化學(xué) 反應(yīng)來發(fā)電。 —些電解質(zhì)燃料電池包括隔膜，隔膜包括電解質(zhì)膜和形成在電解質(zhì)膜的相對的表
面上的催化層。透氣導(dǎo)電的電極層設(shè)置在每個催化層的外表面上。導(dǎo)電的雙極板設(shè)置在每
個電極層的外表面上。雙極板以機(jī)械方式將電極層和電解質(zhì)膜夾在一起。 流場或流道形成在每個雙極板的面對相應(yīng)電極層的表面上。流場將氣體引導(dǎo)到電
極層。燃料氣體被引導(dǎo)到電極層中的一個電極層上。氧化劑氣體被引導(dǎo)到另一個電極層上。 在操作過程中，氫氣在經(jīng)過氫氣供應(yīng)側(cè)的電極層(例如，陽極)的表面時附著到該
電極層上。氫氣擴(kuò)散并穿過電極層到達(dá)陽極側(cè)催化層。當(dāng)催化層內(nèi)的氫氣到達(dá)特定區(qū)域時，
在氫氣和電解質(zhì)之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。氫氣由于所述反應(yīng)而被離子化。氫離子被附著到電
解質(zhì)膜中。 氧氣在經(jīng)過氧氣供應(yīng)側(cè)的電極層(例如，陰極)的表面時附著到該電極層上。氧 氣擴(kuò)散并穿過電極層到達(dá)陰極側(cè)催化層。氧氣與從陽極通過電解質(zhì)膜遷移的與氫離子反應(yīng) 而產(chǎn)生水。在該反應(yīng)過程中，電子通過連接到燃料電池的陽極和陰極的外部負(fù)載從陽極移 到陰極，從而產(chǎn)生電力。

實(shí)用新型內(nèi)容車用燃料電池系統(tǒng)包括膜電極以及具有與膜電極相鄰的表面的板。所述表面具有
形成在其中的流場，用于將流體輸送到膜電極。所述系統(tǒng)還包括與所述板可操作地連接的
致動器。所述致動器被配置為機(jī)械地激勵所述板以驅(qū)散流場中的液態(tài)水。 車用燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池和多個致動器。每個致動器被配置為以機(jī)械
方式激勵多個燃料電池之一，以驅(qū)散所述多個燃料電池之一中的液態(tài)水。 驅(qū)散車用燃料電池系統(tǒng)中的液態(tài)水的方法包括為多個致動器中的至少一個提供
電能；將所述電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并將所述機(jī)械能傳送到多個燃料電池中的至少一個上，以
機(jī)械激勵所述多個燃料電池中的至少一個，從而將所述多個燃料電池中的至少一個中的液
態(tài)水驅(qū)散。 盡管舉例說明和公開了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，但是，這種公開不應(yīng)該 被解釋為限制權(quán)利要求。應(yīng)該理解的是，在不脫離本實(shí)用新型的范圍的情況下，可以作出各
種變形和替換設(shè)計(jì)。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的車用燃料電池系統(tǒng)的一部分的局部分解透視圖。
3[0012] 圖2是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的用于圖1的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程圖。 圖3是根據(jù)本實(shí)用新型又一實(shí)施例的車用燃料電池系統(tǒng)的一部分的示意圖。
具體實(shí)施方式
由燃料電池的陰極側(cè)催化層的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣會冷凝并積存在陰極側(cè)催化層和流場周圍。冷凝水存留在陰極側(cè)催化層周圍以及流場內(nèi)，這會妨礙氧氣到達(dá)反應(yīng)區(qū)。這會影響燃料電池的性能。 來自陰極側(cè)催化層的冷凝水會透過電解質(zhì)膜并滲入燃料電池的陽極側(cè)催化層。使得電解質(zhì)膜水化的該冷凝水以及與燃料氣體混合的水蒸氣會冷凝并積存在陽極側(cè)催化層和流場周圍。存留在陽極側(cè)催化層周圍以及存留在流場中的冷凝水會妨礙氫氣到達(dá)反應(yīng)區(qū)。這也會影響燃料電池的性能。 現(xiàn)在參照圖l，車用燃料電池系統(tǒng)10的一部分的實(shí)施例包括燃料電池堆11。燃料電池堆11包括多個燃料電池12。每個燃料電池12包括設(shè)置在一對板(例如，石墨、金屬或復(fù)合板)15和16之間的膜電極14。 如本領(lǐng)域所公知的，每個膜電極14包括允許流體(例如，氫氣、空氣等)穿過膜電極14的開孔17。板15和16中的每一個包括氫氣流入通道18、氫氣流出通道19、空氣流入通道20和空氣流出通道21。每個板16包括形成在與膜電極14相鄰的表面24上的流場22 (例如，溝道)。流場22與板16的氫氣流入通道18以及氫氣流出通道19流體連通。每個板15包括流場25。流場25與板15的空氣流入通道20和空氣流出通道21流體連通。[0018] 來自氫氣供應(yīng)管線(未示出)的氫氣穿過氫氣流入通道18。板16的流場22在整個膜電極14上引導(dǎo)氫氣，經(jīng)氫氣流出通道19至氫氣排出管線(未示出)。類似地，來自空氣供應(yīng)管線(未示出)的空氣穿過空氣流入通道20。板15的流場25在整個膜電極14上引導(dǎo)空氣，經(jīng)空氣流出通道21至空氣排出管線(未示出)。 在圖1的實(shí)施例中，多個致動器26(例如，壓電陶瓷換能器)粘附到每個板15、16的相應(yīng)外表面28上。在其它實(shí)施例中，可通過任何合適的方式來附著致動器26(例如，機(jī)械方式緊固致動器26)。如下面所討論的，致動器26以機(jī)械方式激勵板15、16，從而防止液態(tài)水限制或阻塞流場22、25。 燃料電池12和致動器26中每一個都與電子控制模塊30電連接。在圖1的實(shí)施例中，控制模塊30包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大電路和電池電壓監(jiān)控陣列。當(dāng)然，也可使用其它配置。 控制模塊30的電池電壓監(jiān)控陣列測量與每個燃料電池12相關(guān)的各個電池工作電壓。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解的，燃料電池12中任何一個的電池工作電壓的降低都可以表明與所述燃料電池12相關(guān)的流場被水限制/阻塞。 控制模塊30選擇性地提供電功率以驅(qū)動致動器26。函數(shù)發(fā)生器電路產(chǎn)生由放大電路放大的正弦波。該放大的正弦波被選擇性地提供給致動器26。致動器26將該電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，所述機(jī)械能激勵(例如，振動)板15、16。根據(jù)板激勵的頻率，限制或阻塞流場22、25的水會散開，例如，移動、蒸發(fā)等。 控制模塊30的電池電壓監(jiān)控陣列指示當(dāng)與燃料電池12中的一個相關(guān)的電池工作電壓小于其它燃料電池12的工作電壓時該燃料電池12被水浸泡了。在圖1的實(shí)施例中，
電池電壓監(jiān)控陣列向控制模塊30的函數(shù)發(fā)生器電路發(fā)送信號，以啟動致動器26。啟動致動
器26使得被浸泡的燃料電池12中截留的水蒸發(fā)或被充分?jǐn)噭印ｋS著截留的水減少，氫氣
和/或氧氣能夠到達(dá)反應(yīng)區(qū)。結(jié)果，被浸泡的燃料電池12的電池工作電壓上升。 輸入到致動器26的電信號的頻率可依賴于設(shè)計(jì)方面的考慮(例如，板15、16的尺
寸以及致動器26的尺寸)。 圖1的實(shí)施例的致動器26是在厚度方向上被極化的PZT陶瓷。每個致動器26的厚度為0. 1英寸、寬度為0. 5英寸、長度為4. 0英寸。這種尺寸和形狀的致動器通常具有三種主振動模式在大約1. OMHz的厚度膨脹模式、在大約50KHz的寬度-縱向模式以及在大約10KHz的長度-縱向模式。在圖l的實(shí)施例中使用的振動的模式是寬度-縱向模式。該模式有助于板波動的傳播，所述板波動能夠驅(qū)趕積聚在板15、 16上的水。[0026] 縱向波動關(guān)于板15、 16的中心面對稱。當(dāng)在最佳條件下工作時，長度-縱向模式是由板15、 16所支持的傳播的最低縱向模式，并且頻率為使得振動具有垂直于板15、 16的表面(流場22、25形成在該表面上，例如，表面24)的位移分量。 用具有與寬度-縱向諧振頻率接近的頻率的激勵正弦波驅(qū)動致動器26，有助于將機(jī)械能從致動器26傳送到板15、 16中最低縱向模式的波傳播。在最佳激勵頻率下，板15、16中的縱向波動可以被分解為在板15、16的主面之間前后傳播并相對于板15、16的長度方向成45度角的兩個分量切變波。板15、16的主面的簡正振動有助于板15、16中的波動的機(jī)械能的傳送到板15、 16以及流場22、25中積聚的液體。 現(xiàn)在參照圖l和圖2，在步驟36，電池電壓監(jiān)控陣列測量電池工作電壓。在步驟38，電池電壓監(jiān)控陣列確定電池工作電壓中的任何一個是否小于閾值(例如，15秒300mV)。如果是，則在步驟40中啟動適當(dāng)?shù)闹聞悠?6。如果不是，則電池電壓監(jiān)控陣列返回步驟36。[0029] 在其它實(shí)施例中，可以將電功率同時或者順次提供給每個致動器26，或者按照電池電壓監(jiān)控陣列的指示提供給特定的燃料電池12。 現(xiàn)在參照圖3，車用燃料電池系統(tǒng)110的一部分的另一實(shí)施例包括燃料電池堆111。燃料電池堆111包括多個燃料電池112。圖3中的標(biāo)號的元件(相對于圖1中標(biāo)號的元件，標(biāo)號相差100)具有與圖1中的標(biāo)號的元件類似的描述(盡管不是必須相同)。每個燃料電池112包括設(shè)置在一對板115、116之間的膜電極114。板115U16中的每一個包括與參照圖1描述的流場相似的流場(未示出)。燃料電池系統(tǒng)110還包括氫氣管線132和氧氣管線134等，以將氫氣和氧氣提供到燃料電池堆111。 在圖3的實(shí)施例中，致動器126以機(jī)械方式在緊固點(diǎn)152被緊固到最外側(cè)的一對板115、116上。在其它實(shí)施例中，致動器126可以粘到或者附著到一部分或全部燃料電池112上。致動器126與板115U16中的每一個的相應(yīng)邊緣面128接觸，并與電子控制模塊130電連接?？刂颇K130基于是否有電池工作電壓小于期望電壓來選擇性地提供電功率以驅(qū)動致動器126。在其它實(shí)施例中，尤其是缺少電池電壓監(jiān)控陣列的實(shí)施例中，控制模塊130可周期性地提供電功率以驅(qū)動致動器126。例如，控制模塊130可以每隔15分鐘啟動致動器126。也可采用其它配置和控制方法。例如，可以監(jiān)控整個燃料電池堆111的電壓。整個燃料電池堆111的壓力的降低可表示至少一個燃料電池112被浸泡了。然后，致動器126會被相應(yīng)地啟動。
5[0032] 盡管已經(jīng)舉例說明和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，但是，并不表示這些實(shí)施例要舉例說明和描述本實(shí)用新型的所有可能的形式。相反，在說明書中使用的語言是描述性的而非限制性的，應(yīng)該理解為，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變。
權(quán)利要求一種車用燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括膜電極；板，具有與所述膜電極相鄰的表面，所述表面具有形成在所述表面中的流場，所述流場用于將流體輸送到所述膜電極；致動器，與所述板可操作地連接，所述致動器被配置為以機(jī)械方式激勵所述板。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括電子控制模塊，所述電子控 制模塊被配置為監(jiān)控與所述燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的工作電壓，其中，所述致動器基于所述工 作電壓以機(jī)械方式激勵所述板。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述致動器附著到所述板上。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述致動器粘附到所述板上。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，以機(jī)械方式激勵所述板包括使所述板振動。
6. —種車用燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 多個燃料電池；多個致動器，每個致動器被配置為以機(jī)械方式激勵所述多個燃料電池中的一個電池。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括電子控制模塊，所述電子控 制模塊被配置為監(jiān)控所述多個燃料電池中的每一個燃料電池的工作電壓。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電子控制模塊還被配置為基于所述工 作電壓選擇性地啟動所述多個致動器。
專利摘要提供了一種車用燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括膜電極；板，具有與所述膜電極相鄰的表面，所述表面具有形成在所述表面中的流場，所述流場用于將流體輸送到所述膜電極；致動器，與所述板可操作地連接，所述致動器被配置為以機(jī)械方式激勵所述板，以驅(qū)散流場中的液態(tài)水。
文檔編號G05B11/01GK201498553SQ200920146848
公開日2010年6月2日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者喬治·史蒂文·薩洛卡, 阿倫·H·梅茲勒 申請人:福特汽車公司