CN100505393C - 燃料电池的双极板 - Google Patents

燃料电池的双极板 Download PDF

Info

Publication number
CN100505393C
CN100505393C CNB2005101047311A CN200510104731A CN100505393C CN 100505393 C CN100505393 C CN 100505393C CN B2005101047311 A CNB2005101047311 A CN B2005101047311A CN 200510104731 A CN200510104731 A CN 200510104731A CN 100505393 C CN100505393 C CN 100505393C
Authority
CN
China
Prior art keywords
groove
bipolar plates
half plate
plates
grooves
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CNB2005101047311A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1819313A (zh
Inventor
帕特里克·加尔索
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA SAS filed Critical SNECMA SAS
Publication of CN1819313A publication Critical patent/CN1819313A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100505393C publication Critical patent/CN100505393C/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
    • Y10T428/24521—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness with component conforming to contour of nonplanar surface
    • Y10T428/24537—Parallel ribs and/or grooves

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，该板由通过它们的内表面(200a、300a)彼此紧靠地组装的两个半板(200、300)组成，每个半板(200、300)在其内表面(200a、300a)上至少包括彼此分开的第一凹槽和第二凹槽(201、202；301、302)。所述凹槽的底部(211、212；311、312)分别都存在沿着每个凹槽分布并且向外开口进入半板(200；300)的外表面(200b；300b)的多个口(2110、2120；3110、3120)。每个半板(200；300)的外表面(200b；300b)包括多个分配通道，每个分配通道将第一凹槽(201；301)的各个口连接到第二凹槽(202；302)的各个口。

Description

燃料电池的双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池，并且更具体地涉及称为“双极板”的分配板，该分配板用于给燃料电池的电极供给反应物。
背景技术
燃料电池典型地包括一组单个的电池，每个电池由两个电极(阳极和阴极)构成，该两个电极被用作电解质的元件隔开，并且彼此串联地组装，形成堆叠体。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此可以产生电能。堆叠体对应于燃料电池的核心，因为可以产生电能的化学反应在堆叠体中发生。
为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的任何一侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。通常，流体通过设置在该板的每个表面上的两对通道分布在堆叠体内部，每对通道用于传送和送回或者排出所述的流体中不反应的部分。穿透该板的厚度的口为通道对提供局部的供给和排出，该通道对延伸为蜿蜒的结构，从而覆盖单个电池的整个活性表面。在文献FR 03/12718中特别描述了这种板的例子。
但是，那种双极板设计用于传送纯反应物。主要目的是提供足够量的反应物，从而充分地供给每个分配通道。使用纯反应物导致燃料电池的高运行费用，而且造成反应物尤其是氢气的储存问题。
因此，试图研究用更便宜并更容易使用的反应物流体来运行的燃料电池。通常，这些流体是气体的混合物并且包含用于燃料的氢气成分和用于氧化剂的氧气成分。这些成分典型地在20％到100％的范围内，其它成分大多数是氮气、二氧化碳和水蒸气。例如，在大多数吸气的应用中，通过重整天然气或者碳氢化合物产生氢气，相当于典型地包含40％氢气、剩余的60％主要是氮气和二氧化碳气体的气体混合物。用作氧化剂的气体混合物通常是空气，即21％氧气、78％氮气和1％稀有气体。
而且，当上述双极板使用这种气体混合物时，使用的气体混合物中包含的燃料或者氧化剂成分沿着分配通道内其路径减少，而且它在通道端部之前不必完全被消耗。因此，使用上述为纯反应物设计的双极板，不可能在膜的整个工作区域上提供反应物种的均匀分配，因此降低燃料电池总的效率及其寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种设计用于燃料电池的双极板，使得在使用仅包含一小部分反应物气体的气体混合物时可以以有效和均匀的方式分配反应物种类(燃料/氧化剂)，而不减小该板的活性分配面积。
根据本发明，通过以下事实实现这个目的，该双极板由通过它们的内表面彼此紧靠地组装的两个半板组成，每个半板在其内表面至少包括彼此分开的第一凹槽和第二凹槽，并且在其外表面包括多个分配通道。第一和第二凹槽存在向外开口分别进入每个分配通道端部的多个口。通过将两个半板组装在一起这样形成的双极板具有四个凹槽，凹槽在所述双极板的外表面下面延伸，每个所述双极板的外表面包括该多个分配通道。
因此，通过本发明的双极板设计，可以具有其通道数量比传统的双极板更多的双极板。通过增加在每个半板外表面中形成的通道数量，相应地减少反应物气体流经过的路径长度。这些通道可以减少到相应于两个凹槽之间的距离(最直接的路径)的长度。然后可以使分配通道的长度适应于使用的气体混合物的反应物成分。通过这种双极板，不必使用具有高浓度反应物的流体或者提高气体流动速率。
而且，在本发明的双极板中，用于分配通道的供给和排出凹槽必须相对较宽，从而即使是半板的厚度小也保留足够尺寸的截面，该凹槽形成在半板的内表面。这避免任何失去对膜的支撑的危险，半板的外表面支撑在该膜上。
在本发明的一个方面，每个半板中的第一和第二凹槽中的每个存在从与其连通的半板中的开口开始逐渐减小的截面。这种形状的凹槽用于与沿着凹槽入口与最远离其的口之间的凹槽的流体流动速率减小相匹配。它还用于最优化当组合两个半板时在双极板中的凹槽的配置。例如，每个半板的第一和第二凹槽可以为相应的相对彼此颠倒的、基本上为三角形的形状。
通过相对长的长度的板，第一和第二凹槽的至少一个可以为两个相反方向的三角形形式的形状，两个三角形通过它们的狭窄端在板中间接触，两个三角形相对的端部形成凹槽的两个截然不同的供给入口。这使得可以给单个凹槽提供两个入口，并且因此使得更大量的流体可以引入其中。
在本发明的一个方面，每个半板在其内表面包括设置在第一和第二凹槽之间的多个通道，两个半板的通道彼此配合以形成用于冷却流体的多个流动管道。
半板可以由金属例如不锈钢或者铝形成，也可以覆盖防腐蚀涂层。半板通过钎焊或者通过导电粘接剂而保持彼此紧靠。
然而，半板还可以由非金属材料形成，并且通过导电粘接剂而保持彼此紧靠。
半板还可以通过夹紧堆叠体的装置产生的夹紧力而保持彼此紧靠。然后通过保持在半板内表面中机加工的凹槽中的垫圈，提供两个半板之间的密封。
组成本发明双极板的两个半板可以相同，因此进一步使生产成本合理化。或者，它们也可以不同，以适应分配两种不同浓度的流体。
本发明还提供一种燃料电池，包括由设置在上述两个双极板之间的膜(电解质)隔开的第一和第二电极形成的至少一个单个电池。该燃料电池可以是质子交换膜型(PEMFC)。
附图说明
通过参考附图从下面以非限制性的例子的形式给出的本发明特定实施例的描述呈现出本发明的其它特点和优点，其中：
图1A和1B分别是根据本发明的半板实施例的内表面示图和外表面示图；
图2是图1A中截面II上的局部截面图；
图3是图1B中截面III上的局部截面图；
图4是根据本发明的双极板在组装之前两个半板的透视图；
图5是图4的两个半板组装在一起之后得到的双极板的透视图；
图6A到6D是以更大的尺寸示出图5的双极板的部分VIA到VID的细节示图；
图7是包括本发明双极板的燃料电池结构的示意性透视图；和
图8是根据本发明装配有密封垫圈的半板的内表面的示图。
具体实施方式
本发明提供一种双极板的设计，使得尤其是当使用仅包括一小部分反应物气体的气体混合物时，例如当使用空气(氧气源)或者当使用重整气体(氢气源)时，反应物气体可以均匀地分配。为了补偿与纯反应物气体相比气体混合物的反应物中的损耗，本发明提供分配通道数量比现有技术的双极板更多的双极板。因此可以与双极板上提供的通道数量成比例地缩短通道长度。通过减小通道长度，缩短气体混合物经过的距离，而且因此减少反应物混合物在离开通道之前的损耗。每个通道的长度根据使用的气体混合物中存在的反应物浓度决定，即确定该长度使得气体混合物中存在的反应物在它沿着电极活性表面的运行结束之前没有完全消耗。正如下面更加详细地说明的那样，本发明的双极板满足这些要求，而不减少活性区域和双极板的体积，也没有降低液压回路中的压头损失，还没有降低膜保持力的质量。
本发明优选但不是必须应用于具有质子交换膜(PEMFC)的类型的燃料电池。
本发明的双极板是通过将两个半板组装在一起而制成。图1A、1B、2和3示出作为用于制造本发明双极板的半板的实施例。图1A示出看见其内表面100a即一旦构成双极板就面对另一个半板的表面的半板100。在其内表面100a中，半板100具有第一和第二凹槽101和102，每个都设置在该半板两个相对侧中的一个附近，并且向外开口进入各个开口120(见图2)或者121，第一组通道130向外开口进入开口132和134，并且第二组通道131向外开口进入开口133和135(见图2)，两组通道130和131设置在两个凹槽101和102之间。凹槽101的底部111存在沿着凹槽整个长度均匀分布的多个口101a到101m。同样地，凹槽102的底部112存在沿着所述凹槽均匀分布的多个口102a到102m。
图1B和3示出半板100的外表面100b，即压着燃料电池中各个电池的膜的表面。在其外表面100b中，半板100包括多个分配通道140a到140m。这些通道设计为给电池的一个电极供给反应物，并且它们在基本上相应于其上将分布反应物的电池膜的活性区域的区域(工作区域)上延伸。每个分配通道将凹槽101中的各个口与凹槽102中的各个口连接。在图1B中，每个分配通道140a到140m将凹槽101的口101a到101m中的相应一个连接到凹槽102中相应的口102a到102m。因此，分配通道140a到140m形成多个平行的分配通道，每个分配通道具有它自己的流体注入口和它自己的流体排出口。换句话说，本发明的每个半板都具有通过专用于每个分配通道的口与平行的分配通道连通的用于反应物的供给凹槽和排出凹槽。
在图1B所示的实施例中，每个分配通道包括在入口和出口之间的三个直线部分。然而，在本发明中，可以使分配通道包括在入口和出口之间的单个部分，或者实际上是五个或者更多的部分。
图4示出为了得到本发明的双极板而组装在一起的两个半板。图4示出结构类似于参考图1A、1B、2和3所述的半板的两个半板200和300。因此，如上述半板100那样，每个半板200或者300在其内表面200a或300a中存在各自的第一和第二凹槽201、301和202、302，第一和第二凹槽201、301和202、302向外开口进入各自的开口220、320和221、321。凹槽201和301的底部211和311存在各自的多个口2110和3110，口2110和3110均匀分布在凹槽的整个长度上。同样地，凹槽202和302的底部212和312分别存在各自的多个口2120和3120，口2120和3120沿着相应的凹槽均匀分布。
半板200和300还具有第一组通道230和330以及第二组通道231和331，第一组通道230和330分别向外开口进入开口232、234和332、334，并且第二组通道231和331分别向外开口进入开口233、235和333、335。
如图4所示，通过使它们的内表面200a和300a相互紧靠而组装两个半板200和300，从而获得本发明的双极板。在这里所述的实施例中，两个半板相同，并且一个半板中的每个凹槽由面对它的另一个半板的固体表面部分封闭。然而，本发明的双极板可以用具有不同结构的半板来形成。例如当在每个双极板两个外表面上分配的气体混合物中的反应物浓度不同时，可以这样应用。在这种情况下，应当根据将分配的气体混合物中的反应物浓度，独立地调整每个半板的分配通道数量和长度。
如同4所示，凹槽201、202、301和302是三角形。在根据本发明的每个半板中使用其截面沿着它们的长度变化的三角形或者等效形状的凹槽用于同时解决几个问题。设计为彼此对应的两个半板中的凹槽(在图4中，凹槽201和302或者凹槽202和301)是互补的形状，因此使用于形成凹槽的每个半板中需要的空间最优化。而且，这种形状使得可以具有以下的凹槽截面，从凹槽的开端即用于分配的流体开始向其端部走的地方开始逐渐变尖。因此在凹槽的开端引入的包含反应物的流体在到凹槽端部的整个路途上连续地加速，因此可以限制压头损失并且向凹槽的每个口中分配基本上均匀的流体量，即使是该口远离到凹槽的入口。
与凹槽不同，通道230、231和330、331彼此相对并且相互配合以形成冷却流体流动通道。
本发明的半板可以用例如不锈钢或者铝的金属材料片制成，有选择地覆盖最后的防腐蚀涂层(例如化学沉积镍)。因此，该片即半板厚度比现有技术中已知的板更小。例如，本发明的半板的厚度可以是在1毫米(mm)到1.5mm的范围内。如同一直需要的，这提供了用于满足减小燃料电池总尺寸和重量的要求的薄双极板。
具有这种厚度的半板意味着需要相对较宽(几毫米)的凹槽，以补偿它们可以具有的有限深度、以及保持相当大的总截面。然而，这种凹槽扩展会导致失去对凹槽上的膜的支撑，如果有燃料电池在其寿命中将遇到压力的综合应力、温度、振动等将引起破坏膜的危险。膜的破坏会导致反应物之间密封的损失，这会大大地影响燃料电池的运行。
通过在组装双极板时彼此面对的半板内表面中，即不与膜接触的表面中设置凹槽，本发明排除了这些危险。
可以通过冲压在半板中形成反应物和冷却流体的供给和排出开口(例如在图1A和1B的半板100中的开口120到123和132到135)。可以通过冲压或者高速机加工在半板的外表面中形成反应物分配通道(例如图1A到1B的半板100中的通道140a到140m)。可以通过冲压或者高速机加工在半板的内表面中形成冷却流体流通道(例如图1A和1B的半板100的通道130和131)。最后，可以通过化学机加工或者通过高速机加工在半板的内表面中形成反应物供给或者排出凹槽(例如图1A和1B的半板100中的凹槽101和102)。
应当看到，与凹槽配合的供给和排出口(例如在图1A和1B的半板100中的口101a到101m和102a到102m)是通过使内表面中机加工的凹槽与外表面中机加工的反应物分配通道交叉得到的，因此机加工的深度总和大于任一个半板的厚度。
两个半板通过钎焊或者通过使用导电粘接剂而组装在一起。
半板还可以由非金属材料例如浸渍的石墨或者碳基复合材料制成。在这种情况下，通过模制或者高速机加工来获得半板。通过用导电粘接剂将两个半板粘接在一起来获得双极板。
在本发明的另一个变形中，金属或者非金属材料的半板可以通过在燃料电池整个堆叠体上产生的夹紧力作用下接触，从而保持彼此紧靠。按照燃料电池中公知的方式，夹紧装置用于使所有的堆叠体元件(双极板、各个电池…)以预定大小的力保持彼此接触。在这种情况下，通过接触力和插入在半板之间的垫圈来提供两个半板之间的密封。图8示出安装密封垫圈702的半板700的实施例，例如该密封垫圈702可以由例如弹性体制成。垫圈702一部分容纳在机加工于板700内表面上的凹槽701中。垫圈从凹槽701突出的部分容纳在机加工于与半板700组装在一起的另一个半板上的相应凹槽中。
图5示出将图4的两个半板200和300组装在一起获得的双极板500。得到的双极板500具有图5中可见的第一表面，该第一表面对应于半板200的外表面200b而且包括多个分配通道240，每个分配通道240将凹槽201的多个口2110中的一个口连接到凹槽202的多个口2020中的一个口。双极板500的另一个表面(图5中没有示出)对应于半板300的外表面300b，该外表面300b同样包括多个分配通道，每个分配通道将凹槽301的多个口3110中的一个口与凹槽302的多个口3120中的一个口互连(图4)。因此，双极板500的每个表面可以与另一个表面独立地分配和排出流体。
在图5所示的表面200b中，通过与其连通的开口521给凹槽201供给反应物R1，开口521通过组合半板200和300中的开口221和323而形成。每个通道240通过如图6A所示的口2110接收一部分反应物R1。每一部分反应物R1在通道240中平行地流动。然后，多余的反应物和电化学反应产生的水进入口2120，通过朝着开口520(半板200和300中个开口220和322的组合)的凹槽202排出，如图6B所示。通过开口523(半板200和300中的开口223和321之一)供给凹槽301，使反应物R2以类似的方式在双极板500的表面300b上流动，如图6C所示，多余的反应物和已经产生的任何水都通过凹槽301和开口522(半板200和300中的开口222和320的组合)排出，如图6D所示。
当两个半板200和300彼此紧靠组装时，存在于每个半板200内表面200a的通道230和231分别与存在于半板300内表面300a的通道331和330配合，形成双极板500中的内部流动管道，其中可以使冷却流体流动。具体地可以随着希望获得的冷却程度而改变内部流动管道的形状、数量和布置。
图7示出包括根据本发明的双极板的燃料电池结构的例子。为了避免附图过于复杂，图7所示的组件对应于在形成燃料电池的核心时可以形成的最小结构或者堆叠体，即一个单独的电池600和等同于图5所示的双极板400，而且为避免没有重点的描述就不再进行说明。然而，本发明的燃料电池必然可以包括几个相同的结构。而且，当图7的结构对应于堆叠体的一端时，只有一个单一的平面板放置在单个电池的相对侧上，即仅在其面对电池的表面上分配反应物的板。
图7所示的结构由单个电池400组成，单个电池400包括被作为电解质的膜403隔开的第一电极401和第二电极402，该膜403例如是PEMFC型燃料电池中使用的质子交换聚合物膜。这些元件组装在一起而且以包括密封垫圈(未示出)的单个元件(EME)的形式存在。燃料电池的这部分结构本身是公知的，而且不再更详细地进行说明。本发明可以和任何类型的单个电池一起实施。
为了发生电化学反应，电池400的每个电极401、402需要被供给不同的反应物，即在它们之一中供给燃料，例如包含氢气的反应物流体，在另一个中供给氧化剂，例如空气。
以和上面参考图5与图6A和6B详细描述的方式相同的方式，通过在双极板600的表面600a中存在的分配通道640给电极402供给第一反应物。类似地，通过在双极板和单个电池随后的组件的双极板中的分配通道，或者如果在堆叠体的端部就通过双极板的分配通道，给电极401供给第二反应物。双极板每个外表面中存在的分配通道在基本上对应于电池400的膜的活性区域SA的工作区域SU上延伸。可以看出，本发明的双极板使得流体可以通过更大数量的平行通道在每个它的表面上分配，而不显著降低膜的活性面积与双极板的工作面积之间的比率。这尤其是由于本发明的双极板具有以优化的方式设置在板的工作区域外面或者下面的凹槽和分配通道供给口和/或排出口的事实。
当板在凹槽方向上较长时，尤其是对于为分配通道供给燃料的入口，会出现单个凹槽供给入口不足。凹槽超过一定的长度，并且取决于使用的气体混合物中包含的反应物浓度，具有最远离凹槽入口的分配通道不接收任何或者足够的反应物的危险，因此损害反应物分配的均匀性。
在这种情况下，凹槽可以具有围绕位于板的中部的轴对称地变化的部分。例如，这种凹槽可以是在它们的狭窄端沿着板在中间接触的两个三角形的形式，两个三角形的相对端形成凹槽的两个截然不同的供给入口。

Claims (13)

1、一种用于燃料电池的双极板，所述双极板由通过它们的内表面(100a)彼此紧靠地组装的两个半板(100)组成，所述双极板的特征在于，每个半板在其内表面(100a)上至少包括彼此分开的第一凹槽(101)和第二凹槽(102)，并且在其外表面(100b)上包括多个分配通道(140a—140m)，第一凹槽(101)存在多个第一口(101a-101m)、第二凹槽(102)存在多个第二口(102a-102m)，所述第一口(101a-101m)和所述第二口(102a-102m)向外开口分别进入多个分配通道(140a—140m)中相应一个分配通道的端部，通过将两个半板组装在一起形成的双极板具有包括两个第一凹槽和两个第二凹槽的四个凹槽，所述两个第一凹槽和两个第二凹槽分别在各包括多个分配通道的所述双极板外表面下延伸。
2、根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，每个半板中的第一凹槽(101)和第二凹槽(102)中的每个存在从与其连通的半板中的开口(120、121)逐渐减小的截面。
3、根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，每个半板的第一凹槽(101)和第二凹槽(102)分别为相对彼此颠倒的三角形形状。
4、根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，第一和第二凹槽的至少一个具有两个相反方向的三角形形式的形状，两个三角形通过它们的狭窄端在所述双极板中间接触，两个三角形相对的端部形成凹槽的两个截然不同的供给入口。
5、根据权利要求1到4中任一所述的双极板，其特征在于，至少一个半板(100)在其内表面(100a)包括设置在第一凹槽(101)和第二凹槽(101)之间的多个通道(130、131)，两个半板的通道彼此配合以形成用于冷却流体的多个流动管道。
6、根据权利要求1到4中任一所述的双极板，其特征在于，半板(100)由金属形成。
7、根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，半板通过钎焊或者通过导电粘接剂而保持彼此紧靠。
8、根据权利要求1到4中任一所述的双极板，其特征在于，半板(100)由非金属材料形成。
9、根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，半板通过导电粘接剂而保持彼此紧靠。
10、根据权利要求1到4中任一所述的双极板，其特征在于，每个半板(700)在其内表面包括形成用于垫圈(702)的沟槽的凹槽(701)，从而在夹紧力作用下在两个半板之间提供密封。
11、根据权利要求1到4中任一所述的双极板，其特征在于，半板(100)是相同的。
12、一种燃料电池，其特征在于，它包括由设置在根据权利要求1到11中任一所述的两个双极板之间的电解质(403)隔开的第一电极(401)和第二电极(402)形成的至少一个单个电池(400)。
13、根据权利要求12的燃料电池，其特征在于，它是质子交换膜型(PEMFC)。
CNB2005101047311A 2004-12-16 2005-12-16 燃料电池的双极板 Active CN100505393C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0413391 2004-12-16
FR0413391A FR2879824A1 (fr) 2004-12-16 2004-12-16 Plaque bipolaire pour pile a combustible

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1819313A CN1819313A (zh) 2006-08-16
CN100505393C true CN100505393C (zh) 2009-06-24

Family

ID=34954703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005101047311A Active CN100505393C (zh) 2004-12-16 2005-12-16 燃料电池的双极板

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7306875B2 (zh)
EP (1) EP1672726B1 (zh)
JP (1) JP5265080B2 (zh)
KR (1) KR20060069299A (zh)
CN (1) CN100505393C (zh)
CA (1) CA2529827C (zh)
DE (1) DE602005026492D1 (zh)
FR (1) FR2879824A1 (zh)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100392895C (zh) * 2006-07-27 2008-06-04 上海交通大学 用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板
DE102006054849A1 (de) * 2006-11-20 2008-05-21 Behr Gmbh & Co. Kg Bipolarplatte, insbesondere für eine Brennstoffzelle
JP5082467B2 (ja) 2007-01-29 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池、および、燃料電池を構成するセパレータ
EP2034544A1 (en) * 2007-09-07 2009-03-11 Exergy Fuel Cells S.R.L. Bipolar plate for fuel cells
US8236461B2 (en) * 2008-02-26 2012-08-07 Yong Gao Type of fuel cell bipolar plates constructed with multiple pass flow channels that contract, expand, deflect and split reactant flows for improving reactant flow distribution, diffusion and water management
NL2002113C (nl) 2008-10-20 2010-04-21 Stichting Energie Sofc-stack met gegolfde separatorplaat.
US20100297535A1 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 Das Susanta K Novel design of fuel cell bipolar for optimal uniform delivery of reactant gases and efficient water removal
US8623565B2 (en) * 2009-05-20 2014-01-07 Susanta K. Das Assembly of bifurcation and trifurcation bipolar plate to design fuel cell stack
KR100953273B1 (ko) * 2009-07-31 2010-04-16 현대하이스코 주식회사 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택
WO2011142745A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 Utc Power Corporation Modification to stampable flowfields to improve flow distribution in the channels of pem fuel cells
US8470489B2 (en) 2010-05-13 2013-06-25 Energyor Technologies Inc. Method for producing bipolar plates
DE102010055075A1 (de) * 2010-12-18 2012-06-21 Daimler Ag Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
JP6408493B2 (ja) * 2013-02-28 2018-10-17 ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー 段階的に並べたシール配置を有する電気化学セルおよび水素の再生
JP5665900B2 (ja) * 2013-03-05 2015-02-04 株式会社フジクラ 燃料電池用セパレータ
JP6075742B2 (ja) * 2013-12-27 2017-02-08 エルコーゲン オサケユキチュア 燃料電池又は電解セル内へ反応物を分配するための方法及び構成
WO2015097337A1 (en) * 2013-12-27 2015-07-02 Elcogen Oy Flow method and arrangement for fuel cell or electrolyzer cell stack
FR3022398B1 (fr) * 2014-06-13 2019-01-25 Safran Aircraft Engines Structure et procede de fabrication ameliores pour une plaque bipolaire de pile a combustible
PL3170219T3 (pl) 2014-07-17 2019-02-28 Elcogen Oy Sposób i układ uszczelnienia stosów ogniw ze stałym tlenkiem
DE102014112462A1 (de) * 2014-08-29 2016-03-03 Elringklinger Ag Strömungselement und Bipolarplatte
US10522850B2 (en) * 2014-09-30 2019-12-31 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Three-dimensionally printed bipolar plate for a proton exchange membrane fuel cell
FR3040549B1 (fr) * 2015-08-26 2017-09-15 Commissariat Energie Atomique Empilement de cellules electrochimiques reparties en groupes distincts comportant un compartiment d’homogeneisation
USD844562S1 (en) * 2016-10-05 2019-04-02 General Electric Company Fuel cell
US10797284B2 (en) 2017-02-14 2020-10-06 Volkswagen Ag Electric vehicle battery cell with polymer frame for battery cell components
US11362371B2 (en) 2017-02-14 2022-06-14 Volkswagen Ag Method for manufacturing electric vehicle battery cells with polymer frame support
US11870028B2 (en) 2017-02-14 2024-01-09 Volkswagen Ag Electric vehicle battery cell with internal series connection stacking
US11362338B2 (en) * 2017-02-14 2022-06-14 Volkswagen Ag Electric vehicle battery cell with solid state electrolyte
CN112447998B (zh) * 2019-08-28 2024-03-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种适用于液流电池电堆的双极板及应用
CN113650216B (zh) * 2021-06-30 2023-02-28 盐城乔胜机动车配件有限公司 一种复合排筛治具装置
DE102021214703A1 (de) * 2021-12-20 2023-06-22 Vitesco Technologies GmbH Verfahren zum Verbinden von Bipolarplatten für Brennstoffzellen

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3382708B2 (ja) * 1994-03-25 2003-03-04 三菱重工業株式会社 固体高分子電解質燃料電池用ガスセパレータ
JP3564245B2 (ja) * 1996-11-12 2004-09-08 三菱重工業株式会社 固体高分子電解質燃料電池
JPH10172594A (ja) * 1996-12-05 1998-06-26 Tokyo Gas Co Ltd 平板型固体電解質燃料電池の導入ガス分配方法および装置
JPH10284096A (ja) * 1997-04-01 1998-10-23 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
EP1009051A2 (en) * 1998-12-08 2000-06-14 General Motors Corporation Liquid cooled bipolar plate consisting of glued plates for PEM fuel cells
US6635378B1 (en) * 1999-08-16 2003-10-21 Hybrid Power Generation System, Llc Fuel cell having improved condensation and reaction product management capabilities
JP4812920B2 (ja) * 2000-02-22 2011-11-09 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2001229932A (ja) * 2000-02-17 2001-08-24 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
US7189468B2 (en) * 2001-03-16 2007-03-13 Creare Inc. Lightweight direct methanol fuel cell
JP2002334704A (ja) * 2001-05-07 2002-11-22 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池用セパレータ
JP3952139B2 (ja) * 2001-11-22 2007-08-01 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池
DE10159007A1 (de) * 2001-11-30 2003-06-12 Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh Platte wie Bipolarplatte sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen
US7459227B2 (en) * 2003-04-18 2008-12-02 General Motors Corporation Stamped fuel cell bipolar plate
WO2004097968A1 (en) * 2003-04-25 2004-11-11 Ineos Chlor Enterprises Limited Production of components for electrochemical cell assemblies
CA2799493C (en) * 2003-05-16 2016-07-19 Hydrogenics Corporation Flow field plate for a fuel cell and fuel cell assembly incorporating the flow field plate
FR2861896B1 (fr) 2003-10-31 2006-02-03 Snecma Moteurs Structure pour pile a combustible
JP4336855B2 (ja) * 2004-03-31 2009-09-30 三重県 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
EP1672726A2 (fr) 2006-06-21
CA2529827A1 (en) 2006-06-16
JP2006173123A (ja) 2006-06-29
CN1819313A (zh) 2006-08-16
FR2879824A1 (fr) 2006-06-23
US7306875B2 (en) 2007-12-11
EP1672726B1 (fr) 2011-02-23
DE602005026492D1 (de) 2011-04-07
US20060134502A1 (en) 2006-06-22
JP5265080B2 (ja) 2013-08-14
CA2529827C (en) 2012-08-14
KR20060069299A (ko) 2006-06-21
EP1672726A3 (fr) 2009-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100505393C (zh) 燃料电池的双极板
EP1821357B1 (en) Unit cell for solid polymer electrolyte fuel cell
US6638658B1 (en) Fuel cell separator plate providing interconnection of reactant gas flowpaths in undulate layer fuel cell stacks
CN101267042B (zh) 双极板流场中的流动通道的分叉
CN101142342A (zh) 流场板布置
US9214682B2 (en) Fuel cell
CN102163732A (zh) 燃料电池堆离散集管
KR20040031697A (ko) 전기화학 장치를 위한 유체 유동장
CN107507993B (zh) 质子交换膜燃料电池金属双极板
CN101395751A (zh) 电池层叠体和设有所述电池层叠体的燃料电池
CN101546839B (zh) 利用氢充注燃料电池阳极供应歧管以用于启动的方法
JP5302263B2 (ja) 燃料電池
US20080107952A1 (en) Bipolar separators with improved fluid distribution
JP2006221853A (ja) 燃料電池のセパレータ
CA2490011A1 (en) Fuel cell with separator having a ridge member
GB2377078A (en) Fuel cell/electrolyser construction
CN105047959A (zh) 一种过桥式燃料电池金属双极板
WO2008024401A1 (en) Bipolar separators with improved fluid distribution
JP5127422B2 (ja) 燃料電池
US20040142225A1 (en) Fuel cell or electrolyser construction
CN115207389A (zh) 一种双极板及燃料电池
KR20150056206A (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
CN107834086A (zh) 燃料电池双极板
EP3576200B1 (en) Fuel cell stack
GB2380853A (en) Fuel cell or electrolyser construction

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant