CN100340023C - 具有横向支路的双极板组件 - Google Patents

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Abstract

一种用在PEM燃料电池(2)中的双极板组件(8)，其具有阳极板(100)和阴极板(200)，阳极板和阴极板一起在它们的露出表面上限定流场(102、202)、在它们之间限定冷却剂容积(300)。各流场(102、202)具有与进入集管(54)流体连通的横向进入支路(136、138)、从横向进入支路(136、138)延伸出的蛇形流场(110)和与排出集管(56)流体连通的横向排出支路(140、142)。极板进一步在冷却剂容积(300)中限定弯曲的冷却剂流动路径(130、230)。

Description

具有横向支路的双极板组件
参照相关申请
本申请要求申请日为2002年4月30日的U.S.临时申请No.60/377297的优先权，在此将其全部内容引作参考。
技术领域
本发明涉及用在燃料电池堆中的双极板组件，尤其涉及具有邻近进入和排出集管的横向流动通道的流场结构。
发明背景
人们已经提出采用燃料电池系统作为车辆的发电装置，从而取代内燃机，人们还提出将燃料电池系统用于可移动和固定分布的发电设备中。这种系统通常包括质子交换膜(PEM-型)燃料电池，其中，氢作为燃料提供给燃料电池的阳极，氧作为氧化剂提供给燃料电池的阴极。PEM-型燃料电池包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件包括薄的、能传送质子的、非导电性的固体聚合物电解质膜，在此膜的一面上具有阳极催化剂，在相对面上具有阴极催化剂。通常将多个单电池串联起来形成燃料电池堆。
将MEA夹在多孔的、可透过气体的导电材料的薄板之间，所述薄板压靠在MEA的阳极和阴极表面并用作(1)阳极和阴极的第一集流体、(2)用于MEA的机械支撑。MEA和第一集流体被挤压在一对非多孔的、导电金属片(即，双极板)之间，此非多孔导电金属片用作第二集流体，用于从第一集流体收集电流并在电池堆内部相邻的单电池之间传导电流。双极板包含在阳极和阴极的表面上分配气态反应剂的流场。这些流场通常包括多个槽脊(land)，这些槽脊接合第一集流体并在它们之间限定出多个流动通道，气态反应剂通过这些流动通道在通道一端的供应管路和通道另一端的排放管路之间流动。
通过组装一对金属片而形成双极板组件，从而在双极板组件的各侧上形成功能性流场。在金属片之间插入间隔件以限定出内部容积，从而允许冷却剂流过双极板组件。在1998年7月7日公开的美国专利No.5776624和受让给本发明的受让人的美国专利No.6099984中描述了这种双极板组件的例子。
发明概述
本发明的目的在于提供一种用在PEM燃料电池中的双极板组件，此双极板组件具有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板一起限定出在它们露出的表面上的流场和在它们之间的冷却剂容积。各流场具有与进入集管流体连接的横向进入支路，从横向进入支路延伸出的蛇形流场，以及与排出集管流体连接的横向排出支路。该板进一步在冷却剂容积内限定出曲折的冷却剂流动路径。
此外，根据下面进行的详细描述，本发明的应用领域更为显而易见。应理解，详细描述和具体实施例表示本发明的优选实施方式，仅以说明为目的，并不限定本发明的保护范围。
附图的简要说明
根据详细描述和附图更全面地理解本发明，其中：
图1是两个单电池的液体冷却PEM燃料电池堆的示意性分解立体图；
图2是阳极板的反应剂侧的平面图；
图3是通过沿图2的线A截取阳极板的截面图；
图4是通过沿图2的线B截取阳极板的截面图；
图5是如在图2的细部C所表示的阳极板的详图；
图6是通过沿图2的线D截取阳极板的截面图；
图7是类似于图2所示的阳极板的阳极板反应剂流场的平面图，进一步描述了用于机械加工的对齐位置；
图8A是通过沿图7的线E截取阳极板的截面图；
图8B是如在图7的细部F所表示的阳极板的详图；
图9是通过沿图7的线G截取阳极板的截面图；
图10是图2所示的阳极板的冷却剂侧的平面图；
图11A是如在图10的细部H所表示的阳极板的详图；
图11B是如在图10的细部I所表示的阳极板的详图；
图12是通过沿图10的线J截取阳极板的截面图；
图13是阴极板反应剂侧的平面图；
图14是通过沿图13的线K截取阴极板的截面图；
图15是通过沿图13的线L截取阴极板的截面图；
图16是类似于图13所示的阴极板的阴极板反应剂流场的平面图，进一步描述了用于机械加工的对齐位置；
图17是通过沿图16的线M截取阴极板的截面图；
图18是通过沿图16的线N截取阴极板的截面图；
图19是图13所示的阴极板的冷却剂侧的平面图；
图20是通过沿图19的线O截取阴极板的截面图；
图21是通过沿图19的线P截取阴极板的截面图；
图22是通过沿图19的线Q截取阴极板的截面图；
图23是组装好的双极板组件的阳极侧的平面图；
图24是通过沿图23的线R截取双极板组件的截面图；
图25是通过沿图23的线S截取双极板组件的截面图；
图26是通过沿图23的线T截取双极板组件的截面图；
图27是通过沿图23的线U截取双极板组件的截面图；
图28是通过沿图23的线V截取双极板组件的截面图；
图29是通过沿图23的线W截取双极板组件的截面图；
图30是通过沿图23的线X截取双极板组件的截面图；
图31是通过沿图23的线Y截取双极板组件的截面图；
图32是通过沿图23的线Z截取双极板组件的截面图；
图33是通过沿图23的线AA截取双极板组件的截面图；
图34是如在图33的细部BB表示的双极板组件的详图。
优选实施例的详细描述
优选实施例的以下描述实际上仅是示意性的，决不意味着限定本发明、其应用或使用。
参见图1，下面示意和描述了两个单电池的电池堆(即，一个双极板)，但应理解，典型的电池堆具有更多个这种单电池和双极板。图1描述了两个单电池的PEM燃料电池堆2，具有由导电的、液体冷却的双极板8相互隔开的一对膜电极组件(MEA)4、6。在夹板10、12和单极端板14、16之间将MEA 4、6和双极板8叠加在一起。夹板10、12与端板14、16电绝缘。单极端板14、16以及双极板8的两个工作表面包含多个沟槽或通道18、20、22、24，限定出用于在MEA 4、6的表面上分布燃料和氧化剂气体(即，H2和O2)的所谓的“流场”。非导电性衬垫26、28、30、32在几个燃料电池堆部件之间提供密封和电绝缘。可透过气体的扩散介质34、36、38、40紧压住MEA 4、6的电极表面。端板14和16分别压住扩散介质34、40，双极板8紧压住在MEA 4的阳极表面上的扩散介质36和在MEA 6的阴极表面上的扩散介质38。双极板组件8包括两个单独的金属坯件，这些金属坯件形成有流场(即，阳极板100和阴极板200)并结合在一起，从而在它们之间限定出冷却剂容积。将金属片制得尽可能地薄(例如，约0.002-0.02英寸厚)。例如，可通过光刻(即，通过光刻掩模)完成加工，还可以通过其它类似的化学球磨工艺或者通过适当的机械加工或压印技术完成加工，这些都是本领域技术人员已知的。例如，通过铜焊、焊接、扩散粘结或用导电粘接剂的胶合完成结合，这些都是本领域技术人员所熟知的。
所示出的双极板组件8的阳极板100和阴极板200具有面对扩散介质36、38的中央活性区，并且阳极板100和阴极板200以非活性区或边缘部分为界。阳极板100具有第一工作面，第一工作面具有阳极流场102，阳极流场102包括多条蛇形流动通道，用于在MEA阳极面上分布氢气。同样，阴极板具有第二工作面，第二工作面具有阴极流场202，阴极流场202包括多条蛇形流动通道，用于在MEA阴极面上分布氧气(通常以空气的形式)。双极板8的活性区被含有贯穿其形成的开孔46-56的两个非活性边界部分或边缘部分在侧面围起来。当阳极和阴极板100、200堆叠在一起时，在一个双极板组件中的开孔与相邻双极板组件中的类似开孔对齐。燃料电池堆2的其它部件如衬垫26-32以及MEA 4、6的薄膜、和单极板14、16具有对应的开孔，这些开孔与在电池堆中的双极板组件中的开孔对齐，一起形成用于向/从电池堆提供/去除气态反应剂和液体冷却剂的集管。
在图中所示的实施例中，一系列堆叠板中的开孔46形成空气进入集管，一系列堆叠板中的开孔48形成空气排出集管，一系列堆叠板中的开孔50形成氢气进入集管，一系列堆叠板中的开孔52形成氢气排出集管，一系列堆叠板中的开孔54形成冷却剂进入集管，一系列堆叠板中的开孔56形成冷却剂排出集管。用于氧气/空气和氢气的入口管58、60分别与进入集管46、50流体连接。同样，用于氢和氧气/空气的出口管62、64分别与排出集管48、52流体连接。提供附加管66、68，以便分别向冷却剂进入集管54提供液体冷却剂，从冷却剂排出集管56去除冷却剂。
具体参照图2-6，所示出的阳极板100在其表面中形成有阳极流场102。密封沟槽104围绕阳极板100的外围并在双极板中形成的流场102和集管46-56之间延伸。流场102由一系列流动通道106构成，流动通道106具有进入支路部分108、蛇形部分110和排出支路部分112。正如本优选实施例所示，阳极流场102包括24条流动通道。各流动通道106的几何形状构形成使各流动通道的总长度基本上相等。
各流动通道的进入支路108构造得略微不同，从而使流动从沿阳极板100的下部横向边缘设置的阳极进入集管50通过进入支路部分108引向蛇形支路部分110。例如，最下部的通道114(如图2所示)包括具有较长的纵向截面和较短的横向截面的进入支路部分108，引向蛇形流动部分110。相反，最上部的流动通道116(如图2所示)包括较长的横向截面，直接延伸到蛇形部分110。蛇形流动通道110包括沿流动路径串联设置的一对蛇形通道。对于各流动通道的蛇形部分110的长度是相等的。
流动通道106的排出支路部分112是对于特定流动通道的相应进入支路部分108的逆转，以使流动从排出支路部分112引向沿阳极板100的上部横向边缘设置的阳极排出集管52。例如，流动通道114的排出支路部分112包括以类似于上述对流动通道116的进入支路部分进行描述的方式从阳极排出集管伸向蛇形流动通道110的横向支路部分。相反，流动通道116的排出支路部分112包括以类似于上述对流动通道114的进入支路部分108进行描述的方式从蛇形部分向较长纵向部分延伸的较短横向支路部分，该较长纵向部分从该横向部分伸向阳极排出气体集管。以此方式，各流动通道的横向进入支路和横向排出支路的长度之和相等。同样，各流动通道的纵向进入支路和纵向排出支路的长度之和相等。这种结构适于用于提供这样的流场构形，其中，各流动通道具有基本上相同的长度，同时从单个共用进入集管50向单个共用排出集管52分布反应剂气体。
参照图5，阳极流场102进一步包括用于最内部排出支路112的流动中断器阵列118。这些流动中断器118在紧密的过渡区中有利于反应剂气体的分配，否则在此区域内将形成相当大的压降。这样，局部地减小节流从而控制在中央排出集管112中的压降。如图2所示，对于最内部的进入支路108形成了类似的流动中断器阵列。
现在参照图7-9，阳极板100进一步包括特定的对准部件以有利于燃料电池堆2的制造。具体而言，机加工容许接头120围绕阳极板的周边形成。机加工容许接头120形成在阳极板100中并在阳极流场102的机械加工过程中适当地定位阳极板100。一旦阳极流场102已形成在阳极板100中，基准销122、124(如图7-9所示)设置在固定件(未示出)上，以便在最后的机械加工中适当地定位阳极板100。具体而言，基准销122设置在基准流动通道126的蛇形部分110的内部，基准销124设置在基准流动通道的排出支路部分112的横向支路内。因此，实现了阳极板100制造的精确控制和增强重复再现性。阳极板100还包括特定部件以确保MEA的适当定向和排列。具体而言，邻接阳极流场102形成斜切角126，从而提供用于对MEA进行取向的不对称部件。同样，从阳极板100的外围延伸出的端子128用作取向部件。
现在参照图10-12，表示出了阳极板100的冷却剂侧。如图10所示，在与阳极气体流场102相反的阳极板100的表面上形成冷却剂流场130。冷却剂流场130横向部分132、134的冷却剂通道分别包括横向进入支路136、138并分别包括横向排出支路部分140、142。纵向流动通道143通常沿着冷却剂流场130的长度延伸并与进入支路136、138和排出支路140、142流体连通。如图11A所示，中间部分144包括邻接进入集管54和排出集管56的离散的流动中断器(disruptor)146。冷却剂流场130还包括特定的板减轻部件，以减少阳极板100的总质量。具体而言，从过厚的阳极板100的冷却剂侧去除板材料。如图4、10和11B所示，从与阳极板100的反应剂侧相反的阳极板100冷却剂侧去除板材料。如图10所示，这种重量减少或减轻部件基本上形成在冷却剂流场130的纵向延伸支路143中。具体而言，各纵向流动通道143具有在其中形成的沟槽148，以局部地增加通道的深度，由此局部地减薄阳极板100并减少其总质量。
接着参照图10，在阳极板100的冷却剂侧中形成的阳极气体进入管路150提供了从阳极气体进入集管46经由阳极板100中的阳极入口151向阳极气体流场102的流体连通。同样，在邻近阳极气体排出管路48的阳极板100的冷却剂侧中形成的阳极排出管路152提供了从阳极气体流场102经由在阳极板100中的阳极出口153向阳极气体排出集管48的流体连通。以类似方式，在阳极板100的冷却剂侧中形成的阴极气体进入管路154提供了从阴极气体进入集管46经由在阴极板200中形成的阴极入口的流体连通。阴极气体排出管路156提供了从阴极流场202经由在阴极板200中形成的阴极出口向阴极排出集管48的流体连通。同样，冷却剂进入管路158和冷却剂排出管路160邻近冷却剂进入集管54和冷却剂排出集管56形成，并提供了在集管54、56和冷却剂容积300之间的流体连通。
现在参照图13-22，描述了阴极板200。阴极板200包括在其中形成的阴极流场202。如图所示，阴极流场202包括24条在其中形成的流动通道。各流动通道包括进入支路部分208、蛇形部分210和排出支路部分212。进入支路部分208经由阴极入口155与阴极管路154流体连通。排出支路部分212经由阴极出口157与阴极排出管路156流体连通。虽然与阳极流场102不完全相同，但阴极流场202在设计上是类似的，它们之间的差别可对照图2和图13理解，以上的描述参照阳极流场102。
现在参照图23-34，描述了双极板组件8。双极板组件8包括这样设置的阳极板100和阴极板200：使冷却剂流场130、230以相邻面对的关系设置，从而在它们之间形成冷却剂容积300。尤其参照图24-26，在阳极和阴极板100、200的冷却剂侧中形成的进入和排出管路对齐以形成进入管路，从而将反应剂气体从各集管直接引向各流场102、202，使冷却剂从冷却剂集管直接引向冷却剂流场130、230。
对本发明的描述实际上仅是示意性的，不脱离本发明实质的变化也将落在本发明的范围内。并不认为这种变化脱离了本发明的实质和范围。

Claims (17)

1.一种用在燃料电池中的流场板，该流场板具有薄板，所述薄板包括：具有穿过其形成的进入集管的进入边缘、具有穿过其形成的排出集管的排出边缘、和具有在其中形成的流场的第一主表面，所述流场由多条流动通道限定，所述多条流动通道的每一条包括：
进入支路，包括与所述进入集管流体连通的第一纵向部分和第一横向部分；
蛇形支路，具有与所述第一横向部分流体连通的第一端和第二端；和
排出支路，具有与所述蛇形支路的所述第二端流体连通的第二横向部分和与所述排出集管流体连通的第二纵向部分；
其中所述多条流动通道的每一条的第一纵向部分的长度和第二纵向部分的长度之和具有相等的长度，所述多条流动通道的每一条的所述蛇形支路的长度相等，所述多条流动通道的每一条的所述第一横向部分的长度和所述第二横向部分的长度之和具有相等的长度。
2.根据权利要求1的流场板，其中所述蛇形支路的每一条包括：具有与所述进入支路的所述第一横向部分流体连通的入口的第一蛇形通道；和具有与所述第一蛇形通道的出口流体连通的入口和与所述排出支路的所述第二横向部分流体连通的出口的第二蛇形通道。
3.根据权利要求2的流场板，其中每一条所述蛇形支路的所述第一和第二蛇形通道的长度相等。
4.根据权利要求1的流场板，还包括在与所述第一主表面相反的第二主表面中形成的多条进入管路和经由所述进入边缘形成的入口，以从所述进入集管向所述流场提供流体连通。
5.根据权利要求4的流场板，还包括在所述第二主表面中形成的多条排出管路和经由所述排出边缘形成的出口，以从所述流场向所述排出集管提供流体连通。
6.根据权利要求1的流场板，其中所述流场还包括在所述进入集管和至少一部分所述进入支路之间设置的过渡区，所述过渡区具有流动中断器的阵列。
7.根据权利要求1的流场板，其中所述流场还包括在至少一部分所述排出支路和所述排出集管之间设置的过渡区，所述过渡区具有流动中断器的阵列。
8.根据权利要求1的流场板，还包括在与所述薄板的所述第一主表面相反的第二主表面中形成的第二流场，所述第二流场具有：在其中形成的多条纵向流动通道；由在所述进入边缘中形成的第二进入集管和所述多条纵向流动通道提供流体连通的多条横向进入支路；和从所述多条纵向流动通道向在所述排出边缘中形成的第二排出集管提供流体连通的多条横向排出支路。
9.根据权利要求8的流场板，还包括在所述第二主表面中形成的多条进入管路，以便从所述第二进入集管向所述第二流场提供流体连通。
10.根据权利要求8的流场板，还包括在所述第二主表面中形成的多条排出管路，以提供从所述第二流场向所述第二排出集管的流体连通。
11.根据权利要求8的流场板，其中所述第二流场还包括邻近所述第二进入集管的离散的流动中断器阵列。
12.根据权利要求8的流场板，其中所述第二流场还包括邻近所述第二排出集管的离散的流动中断器阵列。
13.根据权利要求8的流场板，其中所述多条纵向流动通道的每一条具有在其中形成的沟槽以局部地增加其深度。
14.根据权利要求1的流场板，还包括在所述薄板的外围上形成的至少一个机加工容许接头。
15.根据权利要求1的流场板，还包括在所述流场中形成的用于接收基准销的基准点。
16.根据权利要求15的流场板，其中所述基准点包括在一条所述蛇形支路中设置的第一基准流动通道和在所述进入支路和所述排出支路的至少一条中设置的第二基准流动通道，所述第一基准流动通道基本上垂直于所述第二基准流动通道。
17.根据权利要求1的流场板，还包括在邻近所述流场的所述薄板中形成的斜切角。
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