CN101268574A - 用于燃料电池的板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃料电池的一种板，特别是包括一个离子交换膜的类型，包括多个供应通道(2到5)，它们连接到位于该板一面的中心处的一个进入孔(2a)上，和多个排出通道(6到9)，其中分别流动一个相对较高浓度的反应性流体的流束和一个相对较低浓度的反应性流体的流束。这些供应和/或排出通道以对称的方式安排到板上，这些供应与排出通道具有以互补方式安排的相似的分形结构以便获得相互交错的通道的一个网络。

Description

用于燃料电池的板

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的板，特别是旨在用于安装在机动车辆上的包括一种离子交换膜(PEM)的类型的燃料电池。

背景技术

PEM类型的燃料电池一般包括一叠多个双极性板和多个离子交换膜，这些膜由一种，例如，用聚合物制成的固态电解质来形成。

这些双极性板在它们与这些膜相接触的面上配备有若干凹槽，它们与所述膜形成允许气体在与该膜相接触的状态下移动的一些分配通路或管道。

阳极气体在该膜的一侧移动而阴极气体在相对的一侧移动。在膜的两侧发生这些阴极气体与阳极气体的氧化/还原反应，同时通过它而进行的离子交换，电子由这些双极性板来传送。因此使电能得到回收和利用，特别用于机动车辆的牵引。

当这些气体在这些通道中从一个入口向一个出口移动时，这些反应物逐渐被消耗。这些通道中移动的流束中反应物的浓度因此随着该流动物向前移动而降低。在接近这些分配通道出口时，毫无疑问地，这些反应物的降低可导致在膜的活性交换表面上这些反应物的非均匀分配。这就无法令电池取得令人满意的运行。

因此，为了获得燃料电池的更好的性能和提高的可靠性，希望能在这些膜的活性区域上提供这些阳极和阴极反应物的一种均匀分布。

为了得到这些反应物的更好的分配，已经设计了不同的解决方案。为此专利US 4 988 583说明了一种双极性板，在其多个面之一上配备了用于流体分配的一条单一的通道，该通道从板的一个边缘一路前进到相对的边缘，并且它是由以蜿蜒曲折的形式蔓延开来的多个连续曲流所形成。这些曲流安排在板的表面上以便分配在所述表面的绝大部分之上。

专利US 5 641 586中说明一种双极性板，包括以分割的方式安排在彼此之间的用于流体的多个输入通道和输出通道，这些流体从输入通道向输出通道移动，同时通过一个气体扩散层。

另外，文件US-B1-6 616 327和US-B1-6 333 019说明一种用于流体的送入和/或排放管道的安排，特别用于包括一叠板的燃料电池，其中多个入口和出口部分插入到每一板上，以便获得展现了一种分阶段的分形结构(fractal configuration)的多个流体循环回路。

此外，文件US-A-2004/0023100和US-A-2004/0076405说明一种双极性板，它包括用于流体的多个送入/或排出管道，这些管道配备有一个主分枝和多个后继的侧分枝，它们相对于所述主管道具有减小的横截面，并且被安排为展现了一种分形结构的多个管道。

这些文件中所描述的用于送入和/或排出流体的通道或管道并不提供一种安排而使之有可能显著改善反应物的分配以便在膜上获得这些反应物的均匀分配。

发明内容

因此本发明的目的是通过提供一种用于燃料电池的板来克服这些缺点，这种板使之有可能均匀地分配流体以便提高所述电池的运行可靠性。

根据本发明的一个方面，用于(特别是包括离子交换膜的类型的)燃料电池的一种板包括连接到位于该板的一个表面的中心的一个进入孔的多个送入通道和多个排出通道，其中分别以相对高的浓度流动一个反应流体的流束和以相对低的浓度流动一个反应流体的流束。

这些送入和/或排出通道以对称的方式插入到该板上，展现出类似的分形结构的这些送入与排出通道以互补的方式来安排以便获得一个互相交错的通道网络。

通过这一安排，因此在该双极性板上获得这些反应物的一个更加均匀的分配成为可能。

这是因为多个展现了对称结构的分形几何形状的送入通道结合位于该板的一个表面中心处的一个进入孔的安排的设想使得流体在整个板上的分配有可能是依照在板的各区域之中相同的路线以及流速。

并且，在同一个板上以互补方式安排以便获得互相交错的通道的一个网络的这些展现为类似分形结构的送入和排出通道在同一板上的的安排使之有可能不仅获得了用于该板的送入与排出的一个相同流速，而且还获得了由送入通道所围绕的排出通道，由于它们彼此靠近，它使之有可能获得一种移动通道的安排，其中反应物不足的流体位于其中流体的反应物丰富的多个移动通道的附近。

有利地，这些送入和排出通道包括至少两个对称轴。

优选地，这些送入和排出通道包括多条主管道，每个主管道配备有关于所述管道以对称的方式安排的多个后继的侧分枝。

这些侧分枝的对称结构使之有可能为每个相应的主管道提供一个相同的流速。

在一个实施方案中，这些后继侧分枝从一个分枝点算起的长度和横截面，对于各送入管道而言，每次都是相等的。

从而，无论流量如何，该板不同区域中的速度和压降都是相等的，并且获得了这些反应物的一个均匀分配和/或排出，保证该电池的最佳运行。

这些送入通道的主管道连接到该进入孔并且有利地数量可以是四个并且在所述孔与该板的各个角落之间延伸。

有利地，这些排出管道的主管道出现在该板的每一侧。

在一个优选实施方案中，该主管道的多个直接联贯的部分之间的横截面之比彼此是相同的。

附图说明

通过研究并不隐含任何限制的、作为举例的、并由附图所示的多个实施方案的详细说明将会更好地理解本发明，在附图中：

-图1和2示出用于燃料电池的一种板的反应流体移动通道的安排的一个实例；

-图3是图2的一个详细的视图；和

-图4示出用于燃料电池的一种板的反应流体移动通道的该安排的另一个实例。

具体实施方式

现在将参见图1到4给出用于一个燃料电池板的反应流体移动的多个通道的不同实施方案的说明。

一个燃料电池板包括一定数量的凹槽，它们与一个离子交换膜一起在它们之间限定多个通道，其中移动着一种反应流体。

在图1中，标为1的一个板整体上展现为一个正方形的总体形状。该板可以是一个双极性板或者也可以是一个单极性板。多个移动与排出通道以凹槽的形式插入并延展所述板的一个面上。

该板1可分为由垂直于侧边的两条直线所划分的四个相同的正方形区域。板上的这几条直线和对角线形成平面几何学意义上的对称轴。

一个第一送入通道2形成于该板上位于图1和图2的右上部分的一个正方形区域1a之中。该第一送入通道2包括一个主管道C₁，它从插入在该板1的中心处的一个进入孔2a开始一直呈直线地延展到该板1的右上尖端的附近。所述主管道C₁包括如此沿着该板1的半对角线延展的多个部分C_1.0到C_5.0。部分C_1.0连接到进入孔2a，部分C_5.0一直延展到右上尖端的附近。在此这些部分C_1.0到C_5.0展现一个不变的深度和一部分一部分地逐渐减小的宽度。

如图3中更明显地示出，它表示了该区域1a中送入通道2的一个详细视图，该送入通道2的主管道C₁的第一部分C_1.0包括多个后继的直线侧分枝。该主管道C₁的部分C_1.0在此分为十六个侧分枝，标为C_1.1到C_16.1，它们相对于所述主管道垂直地延展，同时被安排为在两个直接相邻的侧分枝之间保持一个均匀的间距。

相对于该部分C_1.0，这些侧分枝C_1.1到C_8.1位于该正方形区域1a的左手侧，这些侧分枝C_9.1到C_16.1分别与这些侧分枝C_1.1到C_8.1相对于所述部分C_1.0对称。

相对于分枝C_2.1和C_10.1，分枝C_1.1和C_9.1关于侧分枝C_3.1和C_11.1对称。这些侧分枝C_2.1与C_10.1展现的长度和横截面远大于该分枝C_1.1与C_9.1的长度和横截面。

这些侧分枝C_2.1和C_10.1各自再细分为三个后继的衍生侧分枝，分别标为C_1.2、C_2.2、C_3.2、C_1.0、C_2.10和C_3.10。这些衍生侧分枝C_1.2、C_3.2、C_1.10、和C_3.10垂直于分枝C_2.1和C_10.1。分枝C_2.2与C_2.10分别与分枝C_2.1与C_10.1指向相同的方向。相对于该部分C_1.0，一个侧分枝的这些衍生分枝对称于另一个侧分枝的衍生分枝。这些后继的侧分枝C_1.2，C_2.2，C_3.2，C_1.0，C_2.10和C_3.10表现出与侧分支C_1.1和C_9.1相同的长度和横截面。

该部分C_1.0的两个直接相邻的侧分枝之间的距离基本上等于主管道C_1.0和侧分枝C_2.1的分枝点与带有这些后继衍生侧分枝C_1.2，C_2.2和C_3.2的主管道C_2.1的分枝点之间的距离。

相对于分枝C_4.1和C_12.1，这些侧分枝C_5.1和C_13.1、C_6.1和C_14.1以及C_7.1和C_15.1分别相对于侧分枝C_3.1和C_11.1，C_2.1和C_10.1、以及C_1.1和C_9.1而对称。类似于分枝C_2.1和C_10.1，这些侧分枝C_6.1和C_14.1因而分为三个后继的衍生分枝。

这些分枝C_4.1和C_12.1在它们的末端各自再次分成三个相对于彼此成45°的后继侧分枝并且其尺寸与分枝C_2.1的尺寸相同。每一所述多个后继侧分枝再次分离成三个尺寸与该分支C_1.2相同的分枝。该分枝C_4.1还包括通过相对于部分C_1.0与分支C_4.1的分枝点来旋转分枝C_3.1与C_11.1而实现的两个另外的后继侧分枝。分枝C_12.1的多个后继侧分枝关于该部分C_1.0对称于该分支C_4.1的多个后继侧分枝。

该管道C₁的部分C_1.0、这些侧分枝C_1.1到C_7.1以及C_9.1到C_15.1、以及它们的多个后继侧分枝因此形成在区域1a中的送入管道的一个第一子网络。

侧分枝C_8.1从主管道C_1.0一直延展到该正方形区域1a的左上尖端的附近。这些侧分枝C_8.1和C_16.1包括关于所述对应的侧分枝并关于该管道C_1.0而相互对称的多个后继分枝。

该侧分枝C_8.1的多个后继侧分枝是通过将多个分枝C_5.1，C_13.1，C_7.1，C_15.1并且还有C_6.1与C_14.1以及它们相关的多个后继侧分枝在顺时针方向上相对于主管道C_1.0以及侧分枝C_8.1的一个分枝点M₁旋转90°而获得的。因此，该分枝C_16.1的多个侧分枝是通过在三角法意义上相对于该分枝点M₁与上述的多个分枝旋转90°而获得的。

这些分枝C_8.1和C_16.1在它们的末端各自又分成相对于彼此成45°的三个侧分枝，每一所述侧分枝表现出与该分枝C_4.1的那些侧分枝相同的一种几何结构和尺寸并且包括多个以类似的方式安排的相关后继侧分枝。从而，这些分枝C_8.1与C_16.1以及它们的多个衍生的后继侧分枝形成彼此相同的多个送入管道的第二和第三子网络。

该主管道C₁的多个部分C_2.0到C_5.0连接到多个侧分枝和多个衍生侧分枝上以便形成送入管道的一个第四子网络，它可以通过将该第二子网络在顺时针方向上旋转90°而获得。

为了保证流体的分配是完全均匀的，另外提供了使该主管道C₁的一部分C_n.0的横截面是该部分C_n-1.0的三分之一，其中n可以取值2、3、4或5。由此看出，来自该分枝点M₁的流体的流动压降对于该第二、第三和第四子网络中的每一个而言都正好是相同的。

至此并如上所述，已经采取了防范措施让该主管道C₁的两个直接相邻的侧分枝之间的距离基本上等于相应侧分枝的两个直接相邻的后继侧分枝之间的距离。

再次考虑图1和2，该板1还包括第二、第三和第四送入通道，标为3到5，分别形成于所述板的正方形区域1b到1d中并且各自从该进入孔2a开始一直延展到对应的正方形区域的相面对的定点附近。所述区域1b到1d分别位于左上、左下和右下。每一所述送入通道还包括一条主管道和多个后继的侧分枝(未标号)。

该第二、第三和第四送入通道3到5分别将该第一通道2以该进入孔2a为中心在三角法的意义上旋转90°，180°和270°而获得。

这些送入通道2到5因而成对地关于划分这些区域1a到1d并垂直于该板1的侧边的这些直线而对称。该流体因此以一个完全均匀并相同的方式在这些区域中流过这些通道。

因此由这些通道2到5形成的送入管道的网络因此展现了一种内部相似的几何特性，所述网络的任何部份都展现出与其总体外观基本相同的一个外观。该网络因此展现为一种分形构造。当然，通过改变比例的不变化的特性要受到为了获得具有小直径的侧分枝而钻孔的技术可行性的限制。

该板1还包括多个主排出通道，在此数量上是四个并且标为6到9，分别从上边缘的中间、从左边缘的中间、从下边缘的中间以及从右边缘的中间在进入孔2a的方向上以一个逐渐减小的宽度而延展。这些排出通道6到9展现类似于这些送入通道3到5的一种几何结构但是展现以一个

的比例而减小的尺寸。这些排出通道6到9展现一个类似的分形结构，只有长度与横截面在改变。

这些排出通道7到9可以从该第一通道6以进入孔2a为中心在三角法的意义上分别旋转90°、180°和270°而获得。一个排出通道的多个后继分枝延展到该板1的两个连续的正方形区域中。这些排出通道6到9成对地关于板1的对角线对称。

该板1在每一正方形区域1a到1d之中还包括多个侧排出分枝，它们展现与这些排出通道6到9完全相同的几何图形。在该正方区域1a中，板1包括从所述区域的上边缘延展的排出通道(未标号)的一个第一组合。这些侧通道可以通过将位于该正方形区域1a中的排出管道7以分枝点M₁为中心在三角法意义上旋转90°而获得。

在该区域1a中，该板1还包括从这一区域的右手边缘延展的多个侧排出通道(未标号)的一个第二组合。这些侧通道是通过将该第一组合的这些排出通道相对于该分枝点M₁顺时针旋转90°而获得。

类似地，这些正方形区域1b到1d还包括多个侧排出通道的第一和第二组合。在该区域1c中，这些侧排出通道通过将该区域1a的这些侧通道相对于该板的经过该右下尖端和该左上尖端的对角线进行对称而获得。在区域1b与1d中，这些侧排出通道通过分别将区域1a和1c的多个通道相对于垂直该上下边缘并将该区域1b和1c从该区域1a和1d划分开的纵向直线进行对称来获得。

以此方式，多个主排出通道6到9以及这些侧排出通道关于这些送入通道2到5的安排、结合这些通道的相似的分形几何构造，使之有可能在整个板1上以相同的压降获得流体的均匀分配与排出。无论其路线如何，为了在该表面上提供一个均匀分配，一种反应性气体成分从其进入该板到其离开所经历的平均路径因此是基本上是相等的，特别是就长度与压降而言。

另外，在经过该电池的一个气体扩散层之后反应物含量相对较低的流体在其中穿过的这些排出通道的安排(靠近那些送入通道，其中有相对地反应物含量丰富流体)对于该电池的最佳运行是特别有利的。

图4所示的实施方案的不同之处在于，这些送入通道2到5、主排出通道6到9以及侧排出通道展现一个统一的宽度和可变的深度，但是同时保持了横截面比率与前面的实施方案中说明的相同，以此在板上获得均匀的分配与排出。

Claims (8)

1.用于燃料电池的一种板，特别是包括一个离子交换膜的类型，其特征在于，它包括多个送入通道(2到5)，它们连接到位于该板一面的中心处的一个进入孔(2a)，和多个排出通道(6到9)，其中分别流动一个相对较高浓度的反应性流体的流束和一个相对较低浓度的反应性流体的流束；并且在于，这些送入和/或排出通道以对称的方式插入到该板，这些送入与排出通道展现以互补方式安排的相似的分形结构以便获得多个相互交错的通道的一个网络。

2.根据权利要求1所述的板，其中这些送入与排出通道包括至少两个对称轴。

3.根据权利要求1或2所述的板，其中这些送入与排出通道包括多个主管道，每个主管道配备有关于所述管道对称安排的多个后继侧分枝。

4.根据权利要求3所述的板，其中对于每一相应的送入管道而言，从一个分枝点起，这些后继的侧分枝的长度和横截面每一次都是相等的。

5.根据权利要求3或4所述的板，其中这些送入通道的主管道连接到一个进入孔(2a)。

6.根据权利要求3到5之一所述的板，其中它包括在该进入孔(2a)与该板的各个角落之间延展的四个主管道。

7.根据权利要求3到6之一所述的板，其中这些排出通道的主管道出现在该板的每一侧上。

8.根据权利要求3到7之一所述的板，其中该主管道(C₁)的多个直接联贯的部分(C_1.0到C_5.0)之间的横截面之比是彼此相同的。

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