CN101268574B - 用于燃料电池的板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于特别是包括离子交换膜的类型的燃料电池的板，所述板包括连接到位于该板的表面之一的中心处的进入孔(2a)的供给通道(2至5)以及反应物浓度相对较高的流体和反应物浓度相对较低的流体在其中流通的排出通道(6到9)。这些供给和/或排出通道以对称的方式被安排在所述板上，这些供给和排出通道具有以互补方式安排的相似的分形结构以获得相互交错的通道的网络。

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，特别是用于安装在机动车辆上的包括离子交换膜(PEM)的燃料电池。

背景技术

PEM型燃料电池通常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而形成。

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，所述凹槽与所述膜形成使得气体能够与该膜接触地流通的分配通路或管道。

阳极气体在膜的一侧流动而阴极气体在相对的一侧流动。在膜的两侧发生阴极气体与阳极气体的氧化还原反应，同时穿过它而进行离子交换，电子由这些双极性板来传送。因此能够回收和利用电能以特别用于机动车辆的牵引。

当这些气体在这些通道中从入口向出口流动时，这些反应物逐渐被消耗。这些通道中流动的流体中的反应物浓度因而逐渐降低。毫无疑问地，在接近这些分配通道出口时，这些反应物的减少可导致这些反应物在膜的活性交换表面上的不均匀分布。这就无法获得令人满意的电池运转。

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阳极和阴极反应物的均匀分布。

为了得到这些反应物的更好分配，已经设计了不同的解决方案。为此专利US 4988583说明了一种双极性板，在其多个面之一上配备有用于流体分配的单一通道，该通道从板的一个边缘通往相对的另一边缘，并且它是由以左右往复(来回连接)形式延伸的多个连续蛇形管而形成的。这些蛇形管在板的表面上被安排成分配在所述表面的绝大部分之上。

专利US 5 641 586中描述了一种双极性板，其包括以彼此隔开的方式而安排的多个流体输入和输出通道，这些流体从输入通道向输出通道流动同时穿过气体扩散层。

另外，文件US-B1-6 616 327和US-B1-6 333 019描述了一种流体供给和/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被安排在每个板上以获得呈现分级分形结构(configurationfractal etagee)的多个流体循环管道。

此外，文件US-A-2004/0023100和US-A-2004/0076405描述了一种双极性板，其包括流体供给和/或排出管道，这些管道配备有一个主分枝和多个后继的次分枝，它们相对于所述主管道具有缩减的横截面，并且被安排为呈现分形结构的多个管道。

这些文件中描述的流体供给和/或排出通道或管道并未提供这样一种安排：能够显著改善反应物的分配从而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，这种板使之能够均匀地分配流体以提高电池的运转可靠性。

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)燃料电池的板包括连接到位于该板的表面之一的中心处的进入孔的多个供给通道以及反应物浓度相对较高的流体和反应物浓度相对较低的流体分别在其中流通的多个排出通道。

所述供给和/或排出通道以对称的方式被安排在所述板上，所述供给和排出通道具有以互补方式安排的相似的分形结构以获得互相交错的通道的网络。

通过这一安排，可以在双极性板上获得反应物的更加均匀的分配。

实际上，多个呈现对称结构的分形几何形状的供给通道结合位于所述板表面中心的进入孔的安排这一设想使得流体在整个板上的分布能够依照 在该板的不同区域中的相同的路线以及流速。

另外，以互补方式安排以获得互相交错的通道的网络且呈现相似分形结构的供给和排出通道在同一板上的安排使之能够不仅获得针对该板的供给与排出的相同流速，还能够获得由供给通道所围绕的排出通道，它们彼此靠近，这因而能够获得这样一种流通通道安排：其中反应物不足的流体位于其中的流体的反应物充足的多个流通通道的附近。有利地，所述供给和排出通道包括至少两个对称轴。

优选地，所述供给和排出通道包括多条主管道，每个主管道都配备有相对于所述管道以对称方式安排的多个后继的次分枝。

这些次分枝的对称结构使之能够为每个相应的主管道提供相同的流速。

在一个实施例中，对于每个供给管道而言，从分叉点起，这些后继的次分枝的长度和横截面每次都是相等的。

因此，无论流量如何，所述板的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均匀分配和/或排出，这保证了电池的最佳运行。

所述供给通道的主管道连接到进入孔，并且可以有利地是四个并在所述孔与该板的各角之间延伸。

有利地，这些排出管道的主管道通往所述板的每一侧。

在一个优选实施例中，所述主管道的多个紧密连贯的各部分之间的横截面之比是彼此相同的。

附图说明

通过研究对作为说明而非限制性实例的多个实施例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：

-图1和2示出了用于燃料电池的板的反应流体流通通道安排的一个实例；

-图3是图2的详细视图；和

-图4示出了用于燃料电池的板的反应物流体流通通道安排的第二实例。

具体实施方式

现在参考图1至4描述用于燃料电池板的反应物流体流通通道的不同实施例。

燃料电池板包括若干凹槽，所述凹槽与离子交换膜一起在它们之间限定了多个通道，反应流体在该多个通道中流通。

在图1中，标号为1的板整体上呈现为正方形。该板可以是双极性板或者也可以是单极性板。多个流通与排出通道以凹槽的形式安排并延伸在所述板的表面上。

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。板上的直线和对角线形成平面几何学意义上的对称轴。

第一供给通道2形成于所述板上的位于图1和图2右上部分的正方形区域1a中。第一供给通道2包括主管道C₁，它从安排在板1表面中心处的进入孔2a开始一直呈直线地延伸到板1的右上顶点的附近。主管道C₁包括沿着板1的半对角线延伸的多个部分C_1.0到C_5.0。部分C_1.0连接到进入孔2a，部分C_5.0一直延伸到右上顶点的附近。在这里部分C_1.0至C_5.0呈现不变的深度和一部分一部分逐渐减小的宽度。

如图3更明显示出的那样，它示出了区域1a中供给通道2的详细视图，供给通道2的主管道C₁的第一部分C_1.0包括多个后继的直线次分枝。主管道C₁的部分C_1.0在这里分为标注为C_1.1到C_16.1的十六个次分枝，它们相对于所述主管道垂直地延伸，同时被安排为在两个紧密相邻的次分枝之间保持均匀的间距。

相对于部分C_1.0，次分枝C_1.1到C_8.1位于正方形区域1a的左侧，侧分枝C_9.1至C_16.1分别与分枝C_1.1至C_8.1相对于部分C_1.0而对称。

相对于分枝C_2.1和C_10.1，分枝C_1.1和C_9.1相对于次分枝C_3.1和C_11.1是对称的。次分枝C_2.1与C_10.1的长度和横截面明显大于分枝C_1.1与C_9.1的长度和横截面。

次分枝C_2.1和C_10.1每个都被再细分为三个后继的衍生次分枝，分别标注为C_1.2、C_2.2、C_3.2、C_1.0、C_2.10和C_3.10。这些衍生次分枝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和C_10.1指向相同的方向。相对于部分C_1.0，一个次分枝的衍生分枝相对于另一次分枝的衍生分枝而对称。后继的次分枝C_1.2，C_2.2，C_3.2，C_1.0，C_2.10和C_3.10具有与次分支C_1.1和C_9.1相同的长度和横截面。

部分C_1.0的两个紧密相邻的次分枝之间的距离基本上等于主管道C_1.0和次分枝C_2.1的分叉点与主管道C_2.1和后继衍生次分枝C_1.2，C_2.2和C_3.2的分叉点之间的距离。

相对于分枝C_4.1和C_12.1，次分枝C_5.1和C_13.1、C_6.1和C_14.1以及C_7.1和C_15.1分别相对于次分枝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，次分枝C_6.1和C_14.1因而分为三个后继的衍生分枝。

分枝C_4.1和C_12.1在它们的端部各自再分成三个相对于彼此成45°的后继的次分枝并且其尺寸与分枝C_2.1的相同。每个后继次分枝再分成三个尺寸与分支C_1.2的那些相同的分枝。分枝C_4.1还包括通过相对于部分C_1.0与分支C_4.1的分叉点来旋转分枝C_3.1与C_11.1而得到的另外两个后继次分枝。分枝C_12.1的后继次分枝相对于部分C_1.0而与分支C_4.1的后继次分枝对称。

因此，管道C₁的部分C_1.0、次分枝C_1.1到C_7.1以及C_9.1到C_15.1、以及它们的后继次分枝形成区域1a中的供给管道的第一子网络。

次分枝C_8.1从主管道C_1.0一直延伸到正方形区域1a的左上顶点的附近。次分枝C_8.1和C_16.1包括相对于各个次分枝并相对于管道C_1.0而相互对称的多个后继分枝。

次分枝C_8.1的后继次分枝是通过将分枝C_5.1，C_13.1，C_7.1，C_15.1以及C_6.1与C_14.1以及它们的关联的后继次分枝以顺时针方向相对于主管道C_1.0与侧分枝C_8.1的分叉点M₁旋转90°而获得的。因此，分枝C_16.1的次分枝是通过相对于分叉点M₁与上述分枝以三角方向旋转90°而获得的。

分枝C_8.1和C_16.1在它们的端部各自又分成彼此成45°的三个次分枝，每个分枝都呈现与分枝C_4.1的那些次分枝相同的几何结构和尺寸并且包括 以相似方式安排的关联的后继次分枝。因此，分枝C_8.1与C_16.1以及它们的衍生后继次分枝形成彼此相同的供给管道的第二和第三子网络。

主管道C₁的部分C_2.0到C_5.0连接到多个次分枝和衍生次分枝以便形成供给管道的第四子网络，它可以通过从第二子网络以顺时针方向旋转90°而获得。

为保证流体的分配是完全均匀的，将主管道C₁的部分C_n.0的横截面安排成部分C_n-1.0的三分之一，其中n可以取2、3、4或5。由此看出，来自分叉点M₁的流体的流动压降对于第二、第三和第四子网络中的每个而言都是完全相同的。

为此，如上所述，已经采取了防范措施让主管道C₁的两个紧密相邻的次分枝之间的距离基本上等于相应次分枝的两个紧密相邻的后继次分枝之间的距离。

再次考虑图1和2，板1还包括标号为3到5的第二、第三和第四供给通道，其分别形成于所述板的正方形区域1b至1d中并且各自从进入孔2a一直延伸到相应的正方形区域的相对顶点的附近。区域1b至1d分别位于左上、左下和右下。每个供给通道还包括主管道和多个后继的次分枝(未标注)。

第二、第三和第四供给通道3至5是分别从第一通道2、以进入孔2a为中心以三角方向旋转90°，180°和270°而获得的。

供给通道2至5因而相对于限定区域1a到1d并垂直于板1的侧边的直线而两个两个地对称。流体因而以完全均匀且等同的方式在这些不同区域中穿过这些通道。

由通道2至5形成的供给管道的网络因而呈现出内部相似的几何特性，所述网络的任一部份具有与其总体外观基本相同的外观。该网络因而呈现出分形构造。当然，通过改变比例而实现的不变性要受到用于获得具有小直径的次分枝的钻孔技术的可行性的限制。

板1还包括主排出通道，在这里是四个并且标号为6至9，其分别在进入孔2a的方向上从上边缘的中间、左侧边缘的中间、下边缘的中间以及右侧边缘的中间以逐渐减小的宽度而延伸。排出通道6至9具有类似于供 给通道3到5的几何结构，但是具有以 

的比例而减小的尺寸。排出通道6至9具有相似的分形结构，只是长度和横截面改变。

排出通道7至9可以从第一通道6、以进入孔2a为中心以三角方向分别旋转90°、180°和270°而获得。排出通道的多个后继分枝在板1的两个连续的正方形区域中延伸。排出通道6至9相对于板1的对角线而两个两个地对称。

板1在每个正方形区域1a到1d中还包括多个次排出通道，它们具有与排出通道6至9完全相同的几何图形。在正方区域1a中，板1包括从所述区域的上边缘延伸的第一排出通道集合(未标号)。这些次通道可以从位于正方形区域1a中的排出管道7、以分叉点M₁为中心以三角方向旋转90度而获得。

在区域1a中，板1还包括从这一区域的右边缘延伸的第二次排出通道集合(未标号)。这些次通道是从所述第一排出通道集合、相对于分叉点M₁顺时针旋转90°而获得的。

类似地，正方形区域1b至1d也包括第一和第二次排出通道集合。在区域1c中，所述次排出通道是通过相对于该板的经过右下顶点和左上顶点的对角线而使得区域1a的次通道对称而获得的。在区域1b与1d中，所述次排出通道是通过相对于垂直于上和下边缘且限定区域1b和1c的垂直直线、分别从区域1a和1c的通道而使得区域1a和1d对称来获得的。

以此方式，主排出通道6至9以及次排出通道相对于供给通道2至5的安排、结合这些通道的相似的分形几何构造，使之能够在整个板1上以相同的压降而获得流体的均匀分配与排出。无论其路线如何，为了确保表面上的均匀分布，反应性气体成分从其进入该板到离开该板所经历的平均路径基本上是相等的，特别是就长度与压降而言。

另外，在经过电池的气体扩散层之后反应物含量相对较低的流体在其中流动的排出通道的安排(靠近其中的流体具有相对充足的反应物的供给通道)对于电池的最佳运转而言也是特别有利的。

图4所示的实施例的不同之处在于，供给通道2至5、主排出通道6 至9以及次排出通道呈现不变的宽度和可变的深度，但是同时保持横截面比率与前面的实施例中描述的相同，从而获得所述板上的均匀的分配与排出。

Claims (8)

1.一种用于包括离子交换膜类型的燃料电池的板，其特征在于，包括连接到位于所述板的表面之一的中心处的进入孔(2a)的多个供给通道(2至5)以及反应物浓度相对较高的流体和反应物浓度相对较低的流体分别在其中流通的多个排出通道(6至9)，并且，所述供给和排出通道分别以自对称的方式被安排在所述板上，所述供给和排出通道呈现出以互补方式安排的相似的分形结构以获得多个相互交错的通道的网络。

2.根据权利要求1所述的板，其中，所述供给和排出通道各自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，所述供给和排出通道包括多个主管道，每个主管道都配备有相对于所述主管道而对称安排的多个后继的次分枝。

4.根据权利要求3所述的板，其中，对于每个相应的所述供给通道的主管道而言，从同一分叉点起，所述后继的次分枝的长度和横截面每次都是相等的。

5.根据权利要求3所述的板，其中，所述供给通道的主管道连接到进入孔(2a)。

6.根据权利要求3所述的板，其中，它包括在所述进入孔(2a)与所述板的各个角之间延伸的所述供给通道的四个主管道。

7.根据权利要求3所述的板，其中，所述排出通道的主管道通往所述板的每一侧。

8.根据权利要求3所述的板，其中，所述供给通道的主管道(C₁)的紧密联贯的部分(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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