CN100502096C - 用于改善通过燃料电池的流体流动的分支的流体通道 - Google Patents

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Abstract

形成于燃料电池隔板中的流场几何形状包括多个直的入口支路，其包括侧向偏离第一入口支路的第一侧向入口支路，以及与该多个直的入口支路中每一个相关的分开接头。分开接头将直的入口支路分成多个分支支路。与第一侧向入口支路相关的第一组分支支路的数量大于与第一入口支路相关的一组分支支路的数量。

Description

用于改善通过燃料电池的流体流动的分支的流体通道
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体地说涉及调节通过燃料电池的流场的流体流动。
背景技术
燃料电池通过电化学反应而产生电力，并且已经在许多应用中用作电源。燃料电池可提供超越其它电能源的显著优势，例如提高效率、可靠性、耐用性、成本和环境优势。燃料电池最终将用于汽车和卡车。燃料电池还可为家庭和商业提供功率。
当前存在几种不同类型的燃料电池，其各自具有使其特别适合于给定应用场合的优势。一类是质子交换膜(PEM)燃料电池，其具有夹在阳极和阴极之间的膜片。为了通过电化学反应产生电力，将氢气(H2)提供给阳极，并将空气或氧气(O2)提供给阴极。
在第一半电池反应中，氢气(H2)分裂成氢质子(H+)和电子(e-)。因为膜片只是传导质子的，所以质子可通过膜片进行传输。电子流过分成两个相邻部分的双极板，进入相邻电池的一半阴极内。在第二半电池反应中，阴极上的氧气(O2)与氢质子(H+)以及来自相邻电池的一半阳极的电子(e-)发生反应，而形成水(H2O)。叠组(stack)中的第一个电池和最后一个电池通过外部负载而形成闭环回路。反应产生了附加的热量，并且必须进行调节，以提供燃料电池叠组的有效操作。
燃料电池叠组包括冷却剂流动的冷却剂流场。冷却剂是热传递流体，其可根据冷却剂和燃料电池叠组的相对温度而加热或冷却燃料电池叠组。传统的冷却剂流场以变化的速率分布到燃料电池叠组上。结果，在燃料电池叠组上存在非均匀的温度分布。这种不均匀的温度分布导致燃料电池叠组操作低效，并且在燃料电池叠组中产生不均匀的应力负载，其可能降低燃料电池叠组的使用寿命。
发明内容
因此，本发明提供了在燃料电池隔板中形成的流场几何形状。这种流场几何形状包括多个直的入口支路，其包括侧向偏离第一入口支路的第一侧向入口支路，以及与多个直的入口支路中每一个相关的分开接头。分开接头将直的入口支路分成多个分支支路。与第一侧向入口支路相关的第一组分支支路的数量大于与第一入口支路相关的一组分支支路的数量。
在一个特征中，流场几何形状还包括多个直的入口支路形式的第二侧向入口支路。第二侧向入口支路在与第一侧向入口支路相对的一侧，侧向地偏离第一入口支路。分开接头与第二侧向入口支路相关。与第二侧向入口支路相关的第一组分支支路的数量大于与第一入口支路相关的一组分支支路的数量。
在另一特征中，与多个直的入口支路的每个支路相关的长度用于限定三角形状的长度分布图(profile)。
在另一特征中，流场几何形状还包括多个直的出口支路，其包括侧向偏离第一出口支路的第一侧向出口支路。合并接头与多个直的出口支路中的每个支路相关。合并接头由多个分支支路合并成直的出口支路。
在另一特征中，与第一侧向出口支路相关的第一组分支支路的数量大于与中间出口支路相关的一组分支支路的数量。
在另一个特征中，流场几何形状还包括多个直的出口支路中的第二侧向出口支路。第二侧向出口支路在与第一侧向出口支路相对的一侧而侧向偏离第一出口支路。合并接头与第二侧向出口支路相关。与第二侧向出口支路相关的第二组分支支路的数量大于与第一出口支路相关的那一组分支支路的数量。
在另一特征中，与多个直的出口支路中每个支路相关的长度限定了三角形状的长度分布图。
从后文所提供的详细说明中，可以清楚本发明所适用的其它领域。应该懂得，该详细说明和特定示例虽然显示了本发明的优选实施例，但是其只是用于示例性目的，而并非意图限制本发明的范围。
附图说明
从该详细说明和附图中，将更全面地理解本发明，其中：
图1是燃料电池叠组的一部分的截面图；
图2是根据本发明的冷却剂流场的平面图；
图3是图2的冷却剂流场的入口部分的更详细视图；
图4是图2的冷却剂流场的出口部分的更详细视图；
图5显示了冷却剂流场上的示例性公称流率分布图；和
图6显示了冷却剂流场上的示例性流体温升分布图。
具体实施方式
以下对优选实施例的详细描述在本质上只是示例性的，而绝非意图限制本发明、其应用或用途。
现在参看图1，其显示了燃料电池叠组10的一部分的截面图。燃料电池叠组10包括一系列燃料电池12。各燃料电池12包括夹在隔板16之间的膜电极组件(MEA)14。扩散介质18设置在MEA14和各隔板16之间。阳极反应物(即，氢)和阴极反应物(即，氧)由隔板16进行分布，以便在MEA14上发生反应。
在一个示例中，隔板16组合成双极板20。各双极板20包括阳极隔板16和阴极隔板16。阳极隔板16具有阳极面22和冷却剂面24a。阳极流场26形成于阳极面22上，并且部分冷却剂流场28a形成于冷却剂面24a上。阴极隔板16包括阴极面30和冷却剂面24c。阴极流场32形成于阴极面30上，并且部分冷却剂流场28c形成于冷却剂面24c上。阳极隔板16和阴极隔板16叠在一起，使得冷却剂面24a，24c彼此靠近。冷却剂面24a，24c的部分冷却剂流场28a，28c对准而形成流体通道，其具有根据本发明的流场几何形状。
现在参看图2至图4，以下将详细地描述本发明的流场几何形状。图2至图4的板显示了双极板20的冷却剂通道28。双极板20包括冷却剂入口集管34和冷却剂出口集管36。冷却剂通过入口集管34流入冷却通道28，并通过出口集管36而从双极板20排出。沿着入口集管34的中心限定了入口中心轴线(AI)。如以下更详细所述，通常与入口中心轴线相邻的入口支路38称为中间支路，并且那些侧向偏离入口中心轴线的入口支路称为侧向支路。类似地，沿着出口集管36的中心限定了出口中心轴线(AO)。通常与出口中心轴线相邻的出口支路46称为中间支路，而那些侧向偏离出口中心轴线的出口支路称为侧向支路。
各流体通道包括直的入口支路38，分开接头40，分支支路42，合并接头44和直的出口支路46。更具体地说，流体从入口集管34经由直的入口支路38流入流体通道中。流体体积在分开接头40处被分入分支支路42中(即，单个直的入口支路分成多个分支支路)。分开的流体体积流过分支支路42，并在合并接头44处重新组合(即，多个分支支路汇集成单个直的出口支路)。流体体积流过直的出口支路46，并通过出口集管36排出。
尤其参照图3，冷却剂流场28的入口支路38限定了一般三角形的长度分布图。更具体地说，入口支路38的长度从中间定位的入口支路38(即，那些与中心轴线对准或直接相邻的支路)减小至侧向定位的入口支路38(即，那些与中心轴线不直接相邻或与之偏离的支路)。通过这种方式，最靠近中心轴线的入口支路38比那些偏离中心轴线的支路更长。
给定的流体路径的长度直接影响流体通过流体路径时的压力降。更具体地说，流体压力在流体通过流体路径时下降。因此，较长的流体路径与较短的流体路径相比，可实现更大的压力降(即，入口至出口的压力差)。在压力差和流体流率之间存在直接的关系。更具体地说，当压力差增加时，流体流率下降。因为最靠近中心轴线的入口支路38比那些偏离中心轴线的支路更长，所以在更中间的入口支路38上就获得了更大的压力差。结果，通过更中间的入口支路38的流体流率小于更侧向的入口支路38末端上的流体流率。通过这种方式，入口支路38限定了相应三角形的流场分布图，其用于提供相对于中间流动通道而言较高的通过侧向流动通道的流率。
分开接头40定位在入口支路38的末端。分开接头40将每个入口支路38分成多个分支支路42。各个分开接头40可将入口支路38分成不同数量的分支支路42。更具体地说，同对应于更侧向的入口支路38的分开接头40相比，对应于更中间的入口支路38的分开接头40可将入口支路38分成更多的分支支路42。通常，多个分支支路42的数量从中间定位的分开接头40至侧向定位的分开接头40是减少的。
对于图中所示的示例性流动通道而言，二十(20)个入口支路38被分成七十五(75)个分支支路42。最侧向的分开接头40将入口支路38分成两个分支支路42。中间的分开接头40分别将入口支路38分成六个和七个分支支路42。定位在最中间的分开接头40和最侧向的分开接头40之间的分开接头40将入口支路38分成可变数量的分支支路42，包括六、五、四和三个分支支路42。将入口支路分成分支支路42的具体划分是基于具体流场应用来进行的。然而，分支支路42的数量通常从中间的分开接头40减少至最侧向的分开接头40。应该懂得，图中所示的流体通道在本质上仅仅是示例性的。
分开接头40将冷却剂分开，并引导至相应的分支支路42中。如上详细所述，最侧向的入口支路38末端上的流体流率比中间的入口支路38末端上的流体流率更大。因为同对应于更侧向的入口支路38的分开接头40相比，对应于更中间的入口支路38的分开接头40将入口支路38分成更多的分支支路42，所以同位于中间分开接头40的具有较低流体流率的流体相比，具有较高流体流率的流体被分到位于更侧向分开接头40的较少分支支路42中。结果，位于中间分开接头40的分支支路42中的流体流率低于侧向分开接头40的分支支路42中的流体流率。现在参看图5，其以图表显示了通过从左至右顺序编号的各通道的流率。流体流率从中间的分支支路42至侧向支路42是增加的，从而提供了大致U形的通过分支支路的流率分布图。
现在参看图2、图5和图6，更侧向的支路42的长度比更中间的分支支路42的长度更长。更侧向的支路42的流体流率比更中间的分支支路42的流体流率更大。通过将给定的分支支路42的流体流率除以分支支路42的长度，就可提供每单位长度的流率。本发明的流动通道的几何形状提供了对于分支支路42而言几乎相等的每单位长度的流率。换句话说，在分支支路42上，每单位长度的流率几乎是相同的。均匀的流率导致了对整个燃料电池叠组10上的燃料电池12的相同冷却。如图6中所示，温升分布图在叠组上是相对均匀的。
现在参看图4，分支支路42在合并接头44处汇集到单个出口支路46上。可以设想，出口支路46的数量与入口支路38的数量是相当的。然而，应该懂得，出口支路46的数量可以不同于入口支路38的数量。通常，与中间的入口支路38相关的分支支路42合并到中间的出口支路46中。类似地，与侧向入口支路38相关的分支支路42合并到对应的侧向出口支路46上。一组特定分支支路42的分开的流体在合并接头44处组合起来。结果，通过特定出口支路46的流体流率超过了通过对应分支支路42的流体流率。
还可设想，出口支路46具有与入口支路38相似的三角形长度分布图。更具体地说，出口支路46的长度从中间的出口支路46至侧向出口支路46是减小的。结果，如同关于入口支路所述，沿着中间出口支路46比沿着侧向出口支路46具有更大的压力降。
虽然已经结合冷却剂流场描述了流场几何形状，但是应该懂得，可在其它流场应用中实现这种流场几何形状。这些应用包括但不限于反应物流场，例如阳极和阴极流场26，32。本发明的流场几何形状在反应物流场中实施，可使反应物均匀地分布在燃料电池叠组10上。通过这种方式，可以更有效地使用燃料电池叠组10的活性区域。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明要点的变型将属于本发明的范围内。这些变型并不被视为脱离了本发明的精神和范围。

Claims (26)

1.一种用于引导冷却剂通过燃料电池的冷却剂流场几何结构，包括：
第一通道，其具有第一长度和从中流过的第一冷却剂流；
第二通道，其具有第二长度和从中流过的第二冷却剂流，其中，所述第二长度小于所述第一长度，并且所述第一和第二冷却剂流被计量，以便在所述第一通道和第二通道之间提供相等的每单位长度的冷却剂流速；
将所述第一通道分成第一组分支通道的第一接头以及将所述第二通道分成第二组分支通道的第二接头，其中，所述第一组分支通道的数量大于所述第二组分支通道的数量；以及
入口集管，所述第一通道和第二通道连接于所述入口集管，在所述入口集管和第一、第二接头之间的管道是直的。
2.一种用于引导冷却剂通过燃料电池的冷却剂流场几何结构，其包括：
第一入口支路，其具有第一长度，使得从中流过的第一冷却剂流提供了第一压力降；
第二入口支路，其具有第二长度，使得从中流过的第二冷却剂流提供了第二压力降，所述第二压力降小于所述第一压力降；
从所述第一入口支路分出来以便分开所述第一冷却剂流的第一组分支支路；
从所述第二入口支路分出来以便分开所述第二冷却剂流的第二组分支支路，其中，所述第一组分支支路中的分支支路的数量大于所述第二组分支支路中的分支支路的数量，以便计量通过所述各组分支支路的冷却剂流，从而在其中提供相等的每单位长度的冷却剂流速；以及
入口集管，所述第一入口支路和第二入口支路连接于所述入口集管，在所述入口集管和第一、第二组分支支路之间的支路是直的。
3.一种用于燃料电池中的流场几何结构，其包括：
多个支路，其包括第一支路以及侧向偏离所述第一支路的第二支路，所述第一支路是中间支路，并且所述第二支路是定位在所述中间支路的侧向外部的侧向支路；
多个接头，其包括将所述第一支路分成第一组分支支路的第一接头以及将所述第二支路分成第二组分支支路的第二接头，其中，所述第一组分支支路的数量大于所述第二组分支支路的数量，以及
入口集管，所述多个支路连接于所述入口集管，在所述入口集管和所述多个接头之间的支路是直的。
4.根据权利要求3所述的流场几何结构，其特征在于，还包括：
所述多个支路中的第三支路，所述第三支路在与所述第二支路相对的所述第一支路的一侧侧向偏离所述第一支路；和
将所述第三支路分成第三组分支支路的第三接头，其中，所述第一组分支支路的数量大于所述第三组分支支路的数量。
5.根据权利要求3所述的流场几何结构，其特征在于，所述多个支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
6.根据权利要求3所述的流场几何结构，其特征在于，所述多个支路中的每一个包括入口支路。
7.根据权利要求6所述的流场几何结构，其特征在于，还包括：
多个出口支路，其包括第一出口支路以及侧向偏离所述第一出口支路的第二出口支路；和
多个合并接头，其包括将所述第一组分支支路与所述第一出口支路合并起来的第一合并接头，以及将所述第二组分支支路与所述第二出口支路合并起来的第二合并接头。
8.根据权利要求7所述的流场几何结构，其特征在于，所述第一出口支路是中间支路，并且所述第二出口支路是定位在所述中间支路的侧向外部的侧向支路。
9.根据权利要求7所述的流场几何结构，其特征在于，还包括：
第三出口支路，其在与所述第二出口支路相对的所述第一出口支路的一侧侧向偏离所述第一出口支路；和
将第三组分支支路与所述第三出口支路合并起来的第三合并接头，其中，所述第一组分支支路的所述数量大于所述第三组分支支路的数量。
10.根据权利要求7所述的流场几何结构，其特征在于，所述多个出口支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
11.根据权利要求3所述的流场几何结构，其特征在于，所述多个支路中的每一个包括出口支路。
12.一种用于燃料电池中的隔板，包括：
入口集管；
与所述入口集管流体相通的多个入口支路，其包括第一入口支路以及侧向偏离所述第一入口支路的第二入口支路，所述第一入口支路是中间入口支路，并且所述第二入口支路是定位在所述中间入口支路的侧向外部的侧向入口支路；和
多个接头，其包括将所述第一入口支路分成第一组分支支路的第一接头以及将所述第二入口支路分成第二组分支支路的第二接头，其中，所述第一组分支支路的数量大于所述第二组分支支路的数量；
在入口集管和所述多个接头之间的支路是直的。
13.根据权利要求12所述的隔板，其特征在于，还包括：
第三入口支路，其在与所述第二入口支路相对的所述第一入口支路的一侧侧向偏离所述第一入口支路；和
将所述第三入口支路分成第三组分支支路的第三接头，其中，所述第一组分支支路的所述数量大于所述第三组分支支路的数量。
14.根据权利要求12所述的隔板，其特征在于，所述多个入口支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
15.根据权利要求12所述的隔板，其特征在于，还包括：
多个出口支路，其包括第一出口支路以及侧向偏离所述第一出口支路的第二出口支路；和
多个合并接头，其包括将所述第一组分支支路与所述第一出口支路合并起来的第一合并接头，以及将所述第二组分支支路与所述第二出口支路合并起来的第二合并接头。
16.根据权利要求15所述的隔板，其特征在于，所述第一出口支路是中间支路，并且所述第二出口支路是定位在所述中间支路的侧向外部的侧向支路。
17.根据权利要求15所述的隔板，其特征在于，还包括与所述多个出口支路流体相通的出口集管。
18.根据权利要求15所述的隔板，其特征在于，所述多个出口支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
19.一种燃料电池，包括：
膜电极组件；和
隔板，其具有设置成相邻于所述膜电极组件的反应气体流场，冷却剂集管，以及与所述冷却剂集管流体相通的冷却剂流场，所述冷却剂流场具有多个支路，所述多个支路包括第一支路和侧向偏离所述第一支路的第二支路，所述第一支路是中间支路，并且所述第二支路是定位在所述中间支路的侧向外部的侧向支路，将所述第一支路分成第一组分支支路的第一接头以及将所述第二支路分成第二组分支支路的第二接头，其中，所述第一组分支支路的数量大于所述第二组分支支路的数量，冷却剂集管和第一、第二接头之间的支路是直的。
20.根据权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，所述冷却剂流场还包括：
第三支路，其在与所述第二入口支路相对的所述第一入口支路的一侧侧向偏离所述第一入口支路；和
将所述第三支路分成第三组分支支路的第三接头，其中，所述第一组分支支路的所述数量大于所述第三组分支支路的数量。
21.根据权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，所述多个支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
22.根据权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，所述多个支路中的每一个包括入口支路。
23.根据权利要求22所述的燃料电池，其特征在于，所述冷却剂流场还包括：
多个出口支路，其包括第一出口支路以及侧向偏离所述第一出口支路的第二出口支路；和
多个合并接头，其包括将所述第一组分支支路与所述第一出口支路合并起来的第一合并接头，以及将所述第二组分支支路与所述第二出口支路合并起来的第二合并接头。
24.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述第一出口支路是中间支路，并且所述第二出口支路是定位在所述中间支路的侧向外部的侧向支路。
25.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述隔板还包括与所述多个出口支路流体相通的冷却剂集管。
26.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述多个出口支路中的每一个是直的，并且与其相关的长度限定了三角形的长度分布图。
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