CN100588014C - 包括密封肋的燃料电池用的双极板 - Google Patents

Abstract

燃料电池用的双极板，其包括相互连接的阴极的双极半板和阳极的双极半板，各双极半板(1)都由这样一板构成：该板在其中央部分包括活性区(2)，且在其周边部分包括多个切口(4)，所述切口用于构成至少两助燃剂盒、至少两燃料盒以及至少两载热流体盒，至少一双极半板在周边的切口和所述活性区之间包括至少一连接肋(8)，其特征在于，用于构成流体盒的双极半板的各切口(4)被流体盒的密封肋(7)围绕，所述流体盒的密封肋凸出于所述双极半板的外表面上；并且，各双极半板在其周边都包括所述活性区的密封肋(15)，所述活性区的密封肋凸出于所述双极半板的外表面上，以连续的方式使所述载热流体盒的密封肋(7)相连接，且通过外部围绕所述助燃剂盒和燃料盒的密封肋。由位于两载热流体盒之间的肋(15)的区段(15A)构成的各通路被至少一阻塞部件(17)所堵塞。

Description

包括密封肋的燃料电池用的双极板

技术领域

[01]本发明涉及质子交换膜型燃料电池用的双极板。双极板由相互粘接的两个双极半板构成，各双极半板由通常为长方形的板构成，所述板在其中央部分包括构成活性区的一肋网，且在其周边包括多个被用来构成流体盒的切口、以及被用来保证密封性的肋。

背景技术

[02]质子交换膜燃料电池是通过在例如含氢气体的燃料与例如含氧气体的助燃剂之间的电化反应产生电流的装置，所述燃料与助燃剂之间被由固态电解质构成的壁隔开。在一所述装置中，燃料和助燃剂起反应生成例如水的反应产物，同时产生可以作为不同用途的电流。

[03]通常，燃料电池由反应电池或单元电池层叠组合而成，各电池由被插入两双极板之间的膜电极组件构成，所述双极板包括通路，所述通路一方面用于保证燃料循环，另一方面保证助燃剂循环，最后保证例如水等冷却载热流体循环。膜电极组件是本领域已知的多层材料，其包括由严格意义上的固态电解质膜构成的一层，该层被设置在两活性层之间，所述两活性层一方面构成阴极，另一方面构成阳极，且这两个活性层本身被称为扩散层的两外部层包覆。单元电池堆被保持紧固在由螺杆压紧的两端板之间，所述螺杆从一端板延伸至另一端板并穿过单元电池堆。

[04]通常，双极板由具有良好抗腐蚀和导电性能的材料制成。已知双极板由例如石墨、浸有聚合物的石墨或软石墨片的含碳材料通过机械加工或模制成型而制成。还已知双极板由例如钛合金、铝合金或铁合金例如不锈钢的金属材料制成。这些由金属材料制成的双极板通常由冲压或模锻成型。在以金属片制成的冲压成型的双极板中，流体的输入和副产品的排放在局部平坦的双极板区域内实现，这就要求必须使用形状合适的框架，且所述框架还可以用来保证双极板的周边密封性。该技术具有的缺点在于：对于同一双极板，除了两个双极半板外，还需要一补充零件，其用于保证两个双极半板之间的接合且保证流体和副产品的供应和排出。因此导致形成相对较大的双极板。

[05]尤其是，造成双极板相对较大的原因之一是必须一方面考虑围绕各集流器的密封性，而另一方面要考虑保证双极板整个周边的密封性。然而，不可以使用同一肋来同时既保证所有的流体供应或排放的密封性又保证双极板周边整体的密封性，因为这将引起不同流体的混合。

发明内容

[06]本发明的目的在于弥补这些缺点，而提出一种用金属板制成的双极板，其比已知的板更轻、更经济，且能分隔开流体的不同流道。

[07]为此，本发明的目的在于提出燃料电池用的双极板，其包括相互连接的阴极的双极半板和阳极的双极半板，各双极半板都由这样一板构成：该板在其中央部分包括活性区，且在其周边部分包括多个切口，所述切口用于构成至少两助燃剂盒、至少两燃料盒以及至少两载热流体盒，至少一双极半板在周边的切口和所述活性区之间包括至少一连接肋。用于构成流体盒的双极半板的各切口被流体盒的密封肋围绕，所述流体盒的密封肋凸出于所述双极半板的外表面上，并且，各双极半板在其周边都包括所述活性区的密封肋，所述活性区的密封肋凸出于所述双极半板的外表面上，以连续的方式使所述载热流体盒的密封肋相连接，且通过外部围绕所述助燃剂盒和燃料盒的密封肋，由位于两载热流体盒之间的肋区段构成的各通路被至少一阻塞部件所堵塞。

[08]堵塞由位于两载热流体盒之间的肋所构成的通路的至少一阻塞部件例如是凸出于双极半板内表面上的柱头，所述柱头用于与另一双极半板的密封肋的内部相配合。

[09]优选地，除处于载热流体盒的两密封肋之间的至少一区域以外，冷却流体盒的密封肋以及两个双极半板的活性区的密封肋位于另一双极半板的对应的密封肋对面；并且，在所述区域，至少各双极半板包括凸出其内表面上的柱头，所述柱头与另一双极板的活性区的密封肋的内部分相配合，从而堵塞所述肋。

[10]至少一双极半板例如是其中通过冲压形成肋及至少一柱头的金属板，并且由被切割和冲压的金属板构成的至少一双极板为不锈钢制。

[11]本发明还涉及由膜电极组件构成的电池，其包括按照本发明的至少一双极板。

附图说明

[12]本发明将在以下参考附图以非局限性方式更详细地加以描述，其中：

[13]-图1是双极板的前视图；

[14]-图2是由相互连接的两个双极半板构成的双极板在密封肋和载热流体盒切口之间的连接区中的透视分解图；

[15]-图3是双极板的位于密封肋和载热流体盒切口之间的连接区的放大透视图。

具体实施方式

[16]在图1所示的双极板中仅能看到唯一的表面，该双极板由阴极或阳极的双极半板1、以及另一相应地是阳极或阴极的双极半板1’(部分示出在图2上)构成，这两个双极半板通过它们的内表面相互连接。两个具有完全类似形状的双极半板各自由例如通常呈长方形的不锈钢制的金属板构成。各双极半板的中央部分2构成活性区，用以保证活性流体的流动在各双极半板的外表面上良好地分布，且保证载热流体的流动在两个双极半板之间良好分布。两个双极半板在其周边包括通常呈长形的切口4、5、6，所述切口用于形成电池运行所必需的不同流体的供给和排放的流体盒通道。

[17]特别是在双极板的上部分和下部分(如图所示)，双极板包括用于双极半板1的切口4以及用于双极半板1’的切口4’，这些切口被用于构成载热流体盒。上部分的切口例如用来形成载热流体供应盒，而下部分的切口则用来形成载热流体排放盒。在两侧边缘上，双极半板包括同样通常呈长形的切口5和6，且这些切口用于一方面形成助燃剂的供应和排放盒，而另一方面形成燃料流的供应和排放盒。

[18]切口4、4’用于形成载热流体盒，它们被凸出于各双极半板1、1’的外表面上的肋7、7’围绕，所述肋被用于保证密封性。在各切口朝向活性区2的边缘上，各切口4、4’还包括肋8、8’，所述肋能连通载热流体盒的内部与两个双极半板1、1’之间面对活性区2的空间。事实上，载热流体被用来在两个双极半板之间的空间内循环。因此它需要通过载热流体盒之一进入，随后在两个双极半板之间循环，且最后通过第二载热流体盒被排出。

[19]同样，用于形成助燃剂盒5、5’或燃料盒6的切口一方面分别被用来保证密封性的肋9、9’和11围绕，而另一方面分别被肋10和12所围绕，所述肋10和12用来保证助燃剂或燃料的引入和排放盒、与双极板外表面之间的连通。事实上，助燃剂流和燃料流必须在双极板外表面与间置于两连续的双极板中间的活性膜之间循环；助燃剂流在阴极的双极半板的外表面上循环，而燃料流在阳极的双极半板的外表面上循环。

[20]用于保证助燃剂流盒或燃料流盒与双极板外表面之间连通的肋，是一方面通向助燃剂流盒或燃料流盒内部、且另一方面通过设置在相应双极半板内的开口通到另一端的肋，即一个在阴极的双极半板外表面上对应于助燃剂流，而另一个在阳极的双极半板外表面上对应于燃料流。

[21]双极板在其组件内的密封性通过凸出于双极板外表面上的彼此面对的两周边肋得以实现。一周边肋被设置在一双极半板上，而另一肋被设置在另一双极半板上。各周边肋包括区段15和15’，所述区段保证围绕用于形成载热流体盒的切口4、4’的肋7、7’之间的连接。把对应于一载热流体输入盒的一开口连接至对应于该流体输出盒的一开口的区段15、15’，从用于形成助燃剂流盒或燃料流盒的切口5和6的密封肋9和11的外部通过。

[22]当不存在所述特别的设置时，周边密封肋的区段15、15’将保证直接的流通，也就是在上载热流体盒的切口4、4’的密封肋7、7’与相应的下载热流体盒的切口的相应密封肋之间的寄生旁通(bypass parasite)。由于密封肋7、7’和载热流体供应肋8、8’之间的连接，将使得形成冷却流体在入口与出口之间的、不通过待冷却区的寄生回路。

[23]为了避免上下载热流体盒之间的这种寄生连通，可考虑在双极半板1的周边密封肋的区段15上，设置与围绕载热流体盒切口4的密封肋7进行连接的连接区，所述连接部16例如向外延伸，且分别由凸出于双极半板1内表面上的一柱头(plot)17补全。

[24]同样，在包括两个面对双极半板1的周边密封肋区段15的周边密封肋15’的双极半板1’上，可在围绕用于形成载热流体盒的切口4’的密封肋7’的附近，设置向内取向的连接区16’，从而当两个双极半板被相互连接时，双极半板1的各柱头17将阻塞周边密封肋的区段15’的相应部分16’。

[25]同样，在双极半板1’上，可设置朝双极半板1’内表面凸出的柱头17’，所述柱头布置成：当两个双极半板彼此相连时，各柱头将阻塞周边密封肋的区段15的相应部分16。

[26]因此，由于存在与用于形成冷却流体盒的切口4、4’的周边密封肋7、7’相连续的周边密封肋的区段15和15’，因而可以减小双极板的体积，并且由于设置有能够阻塞周边密封肋15和15’的柱头17和17’，因而将能够避免形成冷却流体到达盒与冷却流体排放盒之间的旁通。

[27]如上所述的旁通阻塞部件或阻止部件并非局限性的，且可以设计其它类似的设置，以避免冷却流体引入盒与冷却流体排放盒之间的旁通。所述部件可以例如是形状适合的聚合材料塞，所述塞被局部地插入肋中，且具有足够的尺寸以被夹持在两个双极半板之间。所述塞可通过粘接点保持在位。

Claims (7)

1.燃料电池用的双极板，其包括相互连接的阴极的双极半板和阳极的双极半板，各双极半板(1、1’)都由这样一板构成：该板在其中央部分包括活性区(2)，且在其周边部分包括多个切口(4、4’、5、5’、6)，所述多个切口用于构成至少两助燃剂盒、至少两燃料盒以及至少一载热流体输入盒和至少一载热流体输出盒，至少一双极半板(1、1’)在周边的切口(4、4’、5、5’、6)和所述活性区(2)之间包括至少一连接肋(8、8’、10、12)，

其特征在于，各双极半板的用于构成载热流体输入和输出盒、助燃剂盒和燃料盒的各切口(4、5、6)相应地被所述载热流体输入和输出盒的、所述助燃剂盒的和所述燃料盒的密封肋(7、7’、9、9’、11)围绕，所述载热流体输入和输出盒的、所述助燃剂盒的和所述燃料盒的密封肋凸出于所述双极半板的外表面上；

并且，各双极半板在其周边都包括所述活性区的密封肋(15、15’)，所述活性区的密封肋凸出于各双极半板的外表面上，以连续的方式使所述载热流体输入和输出盒的密封肋(7、7’)相连接，且通过外部围绕所述助燃剂盒和燃料盒的密封肋(9、9’、11)，由位于两载热流体输入和输出盒之间的肋区段构成的各通路被至少一阻塞部件所堵塞。

2.按照权利要求1所述的燃料电池用的双极板，其特征在于，堵塞由位于两载热流体输入和输出盒之间的肋区段所构成的通路的至少一阻塞部件由凸出于一双极半板的内表面上的柱头(17、17’)构成，且所述柱头用于与另一双极半板的密封肋(15、15’)的内部相配合，从而堵塞由两载热流体输入和输出盒之间的肋所构成的通路。

3.按照权利要求2所述的燃料电池用的双极板，其特征在于，除处于载热流体输入盒和载热流体输出盒的密封肋之间的至少一区域以外，载热流体输入和输出盒的密封肋(7、7’)以及一双极半板的活性区的密封肋(15、15’)位于另一双极半板的对应的密封肋对面；并且，在所述区域，至少各双极半板包括凸出其内表面上的所述柱头(17、17’)，所述柱头与另一双极半板的活性区的密封肋(15、15’)的内部分相配合，从而堵塞所述的另一双极半板的活性区的密封肋。

4.按照权利要求2或3所述的燃料电池用的双极板，其特征在于，至少一双极半板(1、1’)是其中通过冲压形成肋及至少一柱头的金属板。

5.按照权利要求4所述的燃料电池用的双极板，其特征在于，由被冲压的金属板构成的至少一双极半板为不锈钢制。

6.燃料电池，其包括由膜电极组件构成的、具有至少一按照权利要求1至5中任一项所述的双极板的至少一电池。

7.按照权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述阻塞部件是聚合材料塞。

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