CN101785135B - 包括用于氧化剂气体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的双极板、包括用于冷却剂流体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的冷却板、包括这些板的燃料电池及其应用 - Google Patents

包括用于氧化剂气体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的双极板、包括用于冷却剂流体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的冷却板、包括这些板的燃料电池及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的双极板。所述双极板具有用于氧化剂气体的流动通道；所述用于氧化剂气体的流动通道包括一个或多个沟槽，每个沟槽表现为蛇形路径；其中每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2…TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2…LN；其中每个支路L1、L2…LN-1通过壁部分W1、W2…WN-1而与其接连支路L2、L3…LN纵向分隔；其中每个转弯部分表现为氧化剂气体的流动方向的180°改变；其中N为3以上的奇数；并且其中所述壁部分W1、W2…WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道，所述旁路通道允许氧化剂气体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过所述支路Lx的一部分和所述支路Lx+1的一部分。此外，提供具有类似设计的冷却板。该双极板以及冷却板在板的表面内提供更有效的流体供给。

Description

包括用于氧化剂气体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的双极板、包括用于冷却剂流体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的冷却板、包括这些板的燃料电池及其应用
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的双极板和用于燃料电池的冷却板。此外，本发明涉及用于向阴极侧供给氧气和/或用于冷却燃料电池的阴极侧的这些板的应用。此外，本发明涉及这种双极板或冷却板以及包括这种双极板和/或冷却板的燃料电池组(fuel cell stack)的制造方法。最后，本发明涉及使用这种燃料电池组产生电力的方法以及将这种燃料电池组作为备用电力系统或作为连续发电系统的应用。
背景技术
本发明涉及用于燃料电池的双极板和用于燃料电池的冷却板。根据本发明的燃料电池双极板具有阴极侧和阳极侧，其中所述阴极侧包括蛇形沟槽形式的一个或多个流动通道，所述流动通道包括旁路通道。依此类推，根据本发明的冷却板包括冷却侧，其中所述冷却侧包括蛇形槽形式的一个或多个流动通道，所述流动通道包括旁路通道。根据本发明的双极板和冷却板可特别地用于燃料电池组的类型，其中使用氧化剂气体作为用于使燃料电池工作的反应气体。除了别的之外，这样的燃料电池还包括PEM燃料电池和SOFC燃料电池。
燃料电池是提供物质向电能和热的清洁且相对高效的转换的装置。在过去的二三十年内已经发展了各种不同的技术，每种技术采用其自己的原理、反应剂类型、最优工作条件等。近年来受到特别关注的一种技术是所谓的PEM(质子交换膜)燃料电池。近年来受到特别关注的另一种技术是所谓的SOFC(固体氧化物燃料电池)高温燃料电池。本发明的背景将关于PEM燃料电池进行解释而了解。
PEM(质子交换膜)燃料电池包括阳极和阴极以及插入它们之间的质子交换膜。该质子交换膜包括位于面对阳极的一侧以及位于面对阴极的一侧的催化剂。PEM燃料电池的原理为，借助于位于该膜的面对阳极的一侧上的催化剂向该膜的面对阳极的一侧供给氢气引起这样的化学反应：
(1)阳极反应：H2→2H++2e-
阳极由导电材料制成且由此传输在该膜的阳极侧产生的电子，而在PEM膜的阳极侧产生的质子通过该膜而扩散。
在该膜的阴极侧，供给氧气(或空气)。如果在电池的阴极与阳极之间连接电负载以形成电路，则在阳极处产生的电子经过该负载而流到阴极。根据以下化学方程式，借助于位于该膜的面对阴极的一侧上的催化剂向该膜的阴极侧供给的氧气与通过该膜扩散的质子以及流到阴极的电子反应：
(2)阴极反应：O2+4H++4e-→2H2O+热
因此，在PEM燃料电池中发生的净反应为：
(3)2H2+O2→2H2O+电力+热
一个电池单体能够产生典型地为0.5-1V的电压。为了获得更高的燃料电池电压，通常在所谓的燃料电池组中串联连接许多电池单体。为了经济，通常以使一个燃料电池的阴极与对应的组的相邻燃料电池的阳极集成的方式设计燃料电池组。这可通过采用所谓的双极板而实现。双极板是具有两个面的板，其中一面用作一个燃料电池的阳极，另一面用作对应的燃料电池组中的相邻燃料电池的阴极。
为了使双极板高效，必须确保氧化剂气体的恒定供应传送到膜的阴极侧，且因此也传送到双极板的阴极侧。此外，还必须确保向双极板的阴极侧供给的氧化剂气体在双极板的阴极侧的表面内分布良好。这又要求从外部源(例如环境空气)以相对高压力将氧化剂供给到入口歧管中，该入口歧管将燃料电池组的每个双极板的阴极侧连接到氧化剂源。
基于以上考虑，近年来，PEM燃料电池的大量研究和发展致力于燃料电池的具体的物理设计，特别是双极板的物理设计。
由于燃料电池的阴极处产生的热，需要冷却手段来冷却燃料电池的阴极部分。在燃料电池的某些设计中，通过向阴极侧供给比相对于在燃料电池双极板的阳极侧处供给和“消耗”的化学计量的氢气而实际需要的氧化剂气体更多的氧化剂气体，双极板的阴极侧提供用于向燃料电池供给氧化剂气体以及冷却燃料电池的阴极侧。其他设计包括不同的冷却板，所述冷却板不是燃料电池的双极板的集成部分。
法国专利申请FR2891090公开了一种具有双极板的燃料电池，其中在双极板侧具有蛇形路径。为了将流体挤压通过这些通道，使用相对高的功率消耗来使气体挤压通过通道，这是不利的。
Kino Yoshitaki的转让给Toyota Motor公司的日本专利文件JP 2003100319公开了一种低操作的燃料电池。为了防止膜的过于干燥的状态，气体被加湿。湿气的必要性意味着温度要低于沸点。然而，必然存在这样的风险，即，冷却剂流体的通道被来自湿气的液滴所阻塞。对于该区域，旁路通道设置有随着湿度增加而膨胀的树脂。当湿度增加时，旁路通道被阻塞，剩余通道中的流速增大，这降低了液滴形成以及因而通道阻塞的风险。这种系统的缺点是为了以高速使气体挤压通过通道而使用的相对高的功率消耗。这样的树脂填充的旁路通道不能用于其中气体是干燥的且不需要摄取湿气的高温燃料电池。
在日本专利申请JP2001126746和JP2006351222、美国专利申请20040112740和国际专利申请WO2007/088832中还公开了一种旁通通道，其用于防止低温燃料电池中的凝结或至少最小化由于凝结导致的流量减少的可能。
因此，现有技术中已公开了大量不同的双极板设计。然而，虽然这些设计中的大多数都实现了向该板的阴极侧供给足够的氧化剂气体的技术要求，但它们都具有这样的缺点，即，就双极板而言，具体设计要求将大量能量用于从外部源经由入口歧管而将氧化剂气体供给到燃料电池组的双极板的阴极侧；并且，就冷却板而言，具体设计要求将大量能量用于从外部源经由入口歧管而将冷却剂流体供给到燃料电池组的冷却板的冷却侧。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种克服了上述缺点的用于高温燃料电池的双极板。特别地，本发明的一个目的是提供一种冷却板，例如，双极板形式的冷却板，其具有高效的冷却效果和用于传输冷却流体(例如氧气或空气)的最小的功率消耗。
该目的通过具有冷却侧且用于燃料电池组的冷却板而实现，其中：
-所述冷却侧具有用于冷却剂流体的流动通道；所述用于冷却剂流体的流动通道包括一个或多个沟槽，每个沟槽表现为蛇形路径；其中
-每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-每个支路L1、L2...LN-1通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L3...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为冷却剂流体的流动方向的改变，例如，180°改变；其中
-N为3以上的奇数；
其中所述壁部分W1、W2...WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道，所述旁路通道允许冷却剂流体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过所述支路Lx的一部分和所述支路Lx+1的一部分。
根据本发明的冷却板可被设置为双极板的形式。因此，在另一方面中，本发明涉及一种用于燃料电池组中的双极板。所述双极板包括阳极侧和阴极侧；其中
-所述阴极侧具有用于氧化剂气体的流动通道；所述用于氧化剂气体的流动通道包括一个或多个沟槽，每个沟槽表现为蛇形路径；其中
-每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-每个支路L1、L2...LN-1通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L3...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为氧化剂气体的流动方向的改变，例如，180°改变；其中
-N为3以上的奇数；
另外，所述壁部分W1、W2...WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道，所述旁路通道允许氧化剂气体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过所述支路Lx的一部分和所述支路Lx+1的一部分。
由于N为3以上的奇数，在与冷却剂流体进入所述板的边缘相反的边缘上，冷却剂流体排出所述板。通过这一点，实现最优化的冷却效果，如下所述。具有低温和相当高速度的冷却流体在所述板的上游边缘处进入蛇形通道的第一支路L1。由此，当到达蛇形通道的第一转弯T1时，冷却流体仍具有低温。一直没有阻塞的旁路通道降低冷却流体的流速，以便冷却流体在第一转弯T1附近停留相对长的时间，以在第一转弯T1处在该区域中以良好的冷却效果吸收大量热。在第一转弯T1之后，高温的冷却流体流到例如在上游边缘处的第二转弯T2，在这里发生另一热交换，这是因为，在上游边缘附近的第二转弯T2处的区域具有比经加热的冷却流体低的温度。在另一转弯T2之后使用冷却流体的降低的温度来在下游边缘处离开所述板之前再次冷却下游边缘附近的区域。替代具有两个转弯的三个支路，蛇形通道可具有更多数目的支路，但该数目为奇数，以确保冷却流体在与上游边缘相反的下游边缘处排出，这意味着与在偶数数目的支路之后在上游边缘处排出冷却流体的情况相比优化的冷却效果。
为了示例，在下面描述方案的非限制性实例。例如，在高温燃料电池中，冷却流体在上游侧以20℃的温度进入蛇形通道，且在位于下游边缘处的区域中的第一转弯T1中被加热到180℃。当再次返回到上游边缘处的区域时，在第二转弯T2中利用降低速度的自由流动的旁路通道来降低流速，以便将热量传送到上游边缘区域，从而将冷却流体的温度降低到160℃。当到达下游边缘处的区域时，冷却流体的温度再次升高到180℃。
转弯中的方向改变大于90°，优选大于120°，最优选大于150°，例如180°。
在具体实施例中，为了更有效地冷却下游边缘处的区域，在所述下游区域处设置一个或多个附加通道，通过该附加通道，相对冷的冷却流体流动以吸热。所述一个或多个附加通道从下游转弯Ti(i为奇数)延伸到所述板的下游边缘，在这里冷却流体排出所述板。如果所述附加通道被设置在冷却流体的温度仍相对低的第一转弯T1处，则这样的附加通道对于冷却特别有效。
在优选实施例中，所述冷却板(例如双极板形式的冷却板)使得壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游半部分处，而绕过支路Lx的下游部分的一部分以及仅仅支路Lx+1的上游部分的一部分。由此，仅仅在Lx的下游侧与Lx+1的上游部分之间存在旁路通道，而在Lx的上游部分与Lx+1的下游部分之间不存在旁路通道。换句话说，壁部分W1仅仅在L1的下游部分与L2的上游部分之间具有旁路通道。在该实施例中，在L1的上游部分与L2的下游部分之间不存在旁路通道。然而，壁部分W2在L2的下游部分与L3的上游部分之间具有旁路通道。
在另一方面中，本发明涉及将根据本发明的双极板用于在燃料电池的工作期间向燃料电池的阴极侧供给氧化剂气体的应用。
在另一方面中，本发明涉及在燃料电池的工作期间对燃料电池的阴极侧的冷却和供给氧化剂气体的组合。
在另一方面中，本发明涉及将根据本发明的冷却板用于在燃料电池的工作期间冷却燃料电池的阴极侧的应用。
在另一方面中，本发明涉及制造根据本发明的双极板和/或冷却板的方法。
在另一方面中，本发明涉及燃料电池组，其包括多于一个的根据本发明的双极板和/或包括一个或多个根据本发明的冷却板。
在另一方面中，本发明涉及使用根据本发明的燃料电池组产生电力和/或热的方法。
在另一方面中，本发明涉及将根据本发明的燃料电池组用作备用电力系统的应用。
在另一方面中，本发明涉及将根据本发明的燃料电池组用作连续发电系统的应用。
通过如上所述的冷却板或双极板提供另一发明，其中保留附加通道，但没有旁路通道。将这样的板描述为具有用于提供冷却剂流体流的冷却侧的用于燃料电池的冷却板，并且其中
-所述冷却侧具有用于冷却剂流体的流动通道；所述用于冷却剂流体的流动通道包括一个或多个沟槽，每个沟槽表现为蛇形路径；其中
-每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-N为3以上的奇数；
-每个支路L1、L2...LN-1通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L3...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为冷却剂流体的流动方向的改变；其中
-所述第一转弯部分T1通过一个或多个附加通道而连接到所述板的边缘，从而通过所述一个或多个附加通道而释放所述冷却流体的部分。
附图说明
图1是根据本发明的双极板的阴极侧或根据本发明的冷却板的冷却侧的蛇形路径的设计的平面视图。图1示出了三个蛇形路径，每个蛇形路径包括三个支路、两个转弯部分和两个壁部分；
图2是根据本发明的双极板的阴极侧或根据本发明的冷却板的冷却侧的部分的平面视图，其示出了具有全(genuine)180°拱型沟槽的形式的转弯部分；
图3是根据本发明的双极板的阴极侧或根据本发明的冷却板的冷却侧的部分的平面视图，其示出了具有包括通过短的转弯部分支路TL分隔的两个90°弯曲的沟槽形式的转弯部分；
图4是根据本发明的双极板的阴极侧的部分或根据本发明的冷却板的冷却侧的部分的平面视图，其示出了具有三个支路的一个蛇形，其中最后一个支路L3分成三个分支；
图5示出关于不包括旁路通道的蛇形与根据实例1的包括旁路通道的蛇形相比较的在包括三个支路的单个蛇形通道中的压力损失与第一支路的入口部分中的流体速度之间的关系的图；
图6示出冷却板或双极板的另一种设计，其中从下游转弯和下游边缘设置附加通道，以冷却下游边缘附近的下游区域；以及
图7a)示例出第一燃料电池组原理，其中在电解质膜之间使用双极板；b)示例出第二燃料电池组原理，其中阳极板和阴极板背靠背取向，在阳极板与阴极板之间具有冷却部分；c)示例出第三燃料电池组原理，其中冷却板夹在阴极板与阳极板之间，并且在冷却板与阳极板之间的空间中以及在冷却板与阴极板之间的空间中提供冷却。
以这样的方式解释以上图1至4，以便每个旁路通道16的内部与蛇形的两个支路(其间设置有旁路通道)的内部流体连通。
具体实施方式
根据本发明的双极板
图1示例出根据本发明的冷却板，例如，双极板。如所述的，本发明的一方面提供一种用于燃料电池组的双极板。由于其特定的阴极侧设计，根据本发明的双极板以执行该任务所需的泵浦的显著降低的功率消耗，提供氧化剂气体的从外部源经由入口歧管向每个双极板的阴极侧的有效供给。
根据本发明的第一方面的双极板包括阳极侧和阴极侧；其中
所述阴极侧具有用于氧化剂气体的流动通道；所述用于氧化剂气体的流动通道包括一个或多个沟槽12，每个沟槽表现为蛇形路径14；其中
每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-每个支路L1、L2...LN-1通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L3...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为氧化剂气体的流动方向的180°改变；其中
-N为3以上的奇数；
其中所述壁部分W1、W2...WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道16，所述旁路通道16允许氧化剂气体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过支路Lx的一部分和支路Lx+1的一部分。
由于在具有包括旁路通道的蛇形沟槽形式的双极板的阴极侧上的用于氧化剂气体的流动通道的特殊设计，可以以将氧化剂气体从外部源经由燃料电池组的入口歧管而泵浦到双极板的阴极侧所需的泵浦的低得多的功率消耗，确保在整个双极板的阴极侧内充分供给氧化剂气体。该泵浦的较低功率消耗的原因在于，与不具有如根据本发明的设计那样的设计的双极板相比，蛇形沟槽的旁路通道通过双极板的阴极侧而提供较小的压降。
此外，已经发现，根据本发明的双极板中的旁路通道的存在提供了对双极板的阴极侧的冷却效果，该冷却效果的量级非常惊人，且该冷却效果不能仅仅被解释为流动通道的压降的降低。该冷却效果的本质无法被解释清楚，但相信旁路通道产生了紊流区，该紊流区提高了每个端部(或180°弯曲)附近的热传递。因此，使用流体的热容有效地使热量从板的一端传递到另一端。这能够显著改善板内的温度分布，并因此改善冷却效果。由于根据本发明的双极板的冷却和降低的压降的联合作用，具有包括旁路通道的蛇形流动的板的特殊设计也可适用于燃料电池组的冷却板。
在本说明书和所附的权利要求书中，蛇形被定义为这样的几何图形，其包括基本沿相同方向取向的三个以上接连的支路，其中通过180°弯曲将每个支路连接到其接连的支路。
在本说明书和所附的权利要求书中，应理解，当提到蛇形支路L1和LN时，L1总是指上游支路，即，氧化剂气体在其中进入燃料电池的蛇形支路，而LN总是指下游支路，即，氧化剂气体从其中排出燃料电池的蛇形支路。
在根据本发明的优选实施例中，根据本发明的双极板的阴极侧包括5-20个蛇形路径14(例如6-18个蛇形路径)，例如8-16个蛇形路径(例如9-15个蛇形路径)，例如10-14个蛇形路径(例如11、12或13个蛇形路径)。
在根据本发明的双极板的优选实施例中，一个或多个壁部分W1、W2...WN-1中的每一个独立地包括1-15个旁路通道(例如2-14个旁路通道，例如3-13个旁路通道)，例如4-12个旁路通道(例如5-11个旁路通道)，例如6-10个旁路通道(例如7、8或9个旁路通道)。这些数目的旁路通道提供足够的压降降低，并因此允许氧化剂气体向燃料电池的阴极侧有效地供给更多的能量。
此外，相信这些数目的旁路通道提供在蛇形中流动的氧化剂气体的足够紊流，该紊流有助于冷却燃料电池的阴极部分。
在根据本发明的双极板的另一优选实施例中，壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游半部分处，由此绕过支路Lx的下游部分的一部分以及支路Lx+1的上游部分的一部分。蛇形的该设计以及相关联的旁路通道证明是最有效的。例如，壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游三分之一处，由此绕过支路Lx的下游部分的一部分以及支路Lx+1的上游部分的一部分。由此，仅仅在Lx的下游侧与Lx+1的上游部分之间存在旁路通道，而在Lx的上游部分与Lx+1的下游部分之间不存在旁路通道。换句话说，对于具有三个支路L1、L2、L3的蛇形，壁部分W1仅仅在L1的下游部分与L2的上游部分之间具有旁路通道，在L1的上游部分与L2的下游部分之间不存在旁路通道。然而，壁部分W2在L2的下游部分与L3的上游部分之间具有旁路通道。该原理可容易地延伸到具有多于三个支路的蛇形。
在根据本发明的双极板的一个实施例中，转弯部分中的一个或多个表现为具有180°拱型沟槽(例如具有半圆形式的沟槽)的形式的流动方向的全180°改变。在图2中部分地示出了该实施例。图2示出了通过具有半圆形式的180°拱型沟槽18的形式的流动方向的全180°改变而连接的两个蛇形支路。
在根据本发明的双极板的另一实施例中，转弯部分中的一个或多个表现为具有在流动方向上的两个基本上90°改变20，每个基本上90°改变20通过基本上直边转弯部分支路TL而被分隔，从而总体表现为流动方向的180°改变。在图3中部分地示出了该实施例。图3示出了通过在流动方向上两个基本上90°改变20a、20b的形式的流动方向的180°改变而连接的两个蛇形支路。
在优选实施例中，转弯部分支路TL的长度不大于蛇形的支路L1、L2...LN-1中的任一者的长度的20％。
在根据本发明的双极板的优选实施例中，每个蛇形路径包括3个支路L1、L2、L3；2个壁部分W1、W2以及两个转弯部分T1和T2。此外，在本发明的双极板的蛇形路径的该设计中，优选第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的旁路通道。在本发明的双极板的该蛇形设计的更优选实施例中，第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道，第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的3个旁路通道，并且第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的5个旁路通道。
在根据本发明的双极板的可替代优选实施例中，每个蛇形路径包括5个支路L1、L2、L3、L4和L5；4个壁部分W1、W2、W3和W4以及四个转弯部分T1、T2、T3和T4。
已经发现，旁路通道的数目影响压降、温度分布和氧化剂分布。通常，当旁路通道的数目增大时，压降减小。然而，穿过流场的氧化剂和温度变化增大，限制了旁路通道的数目和旁路通道的大小。
每个蛇形路径的每个支路可以独立地或多或少地弯曲，或者可以基本上为直的，或者甚至是直线形的。
优选根据本发明的双极板的阴极侧的蛇形路径的任何一者都不被“卷入”该双极板的阴极侧的任何其他蛇形路径中。通过在本说明书和所附权利要求书中使用的术语“不被卷入”表示根据本发明的双极板的阴极侧的每个蛇形路径所占据的所述板的阴极表面的区域与被任何其他蛇形路径所占据的所述双极板的阴极表面的区域互补。
在根据本发明的双极板的一个实施例中，一个或多个蛇形路径中的最后一个支路LN在与所述支路的下游部分对应的位置处分成两个以上的分支22，每个分支22延伸到所述双极板的边缘。该设计通过蛇形路径提供更有效的压力损失降低，且因此提供就向双极板的阴极部分供给氧化剂气体所需的能量而言更好的能量经济。在图4中关于单个蛇形路径示出了该实施例。图4示出了板10的蛇形路径，所述蛇形路径包括三个支路L1、L2和L3，其中L3在其紧接在与板边缘的交叉之前的端部处分成三个分支。
可任意选择每个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的尺寸。然而，在根据本发明的双极板的一个实施例中，一个或多个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的截面的面积基本相等。
在根据本发明的双极板的另一实施例中，一个或多个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的宽度基本相等。
在根据本发明的双极板的再一实施例中，任何旁路通路16的截面面积与任何支路L1、L2...LN的截面面积的比率独立地为0.1-1(例如0.2至0.9，例如0.3-0.8)，例如0.4-0.7(例如0.5或0.6)。
一个或多个壁部分W1、W2...WN-1中存在的旁路通道可以表现为任何合适的图形。优选在旁路通道的一个或多个不同组中组合两个以上旁路通道。在该实施例中，优选每个组内的单独的旁路通道之间的间隔为支路L1、L2...LN的宽度的1-8倍(例如2-7倍)，例如3-6倍(例如4倍或5倍)。
在根据本发明的双极板的非常特别和优选的实施例中，双极板的阴极侧包括9个蛇形路径，其中每个蛇形路径包括3个支路L1、L2和L3；2个壁部分W1、W2以及两个转弯部分T1和T2；其中第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道，且其中第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的3个旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的5个旁路通道。在该实施例中，优选一个或多个蛇形路径中的最后一个支路LN在与所述支路的下游部分对应的位置处分成两个以上的分支22，每个分支22延伸到所述双极板的边缘。
根据本发明的双极板被变通为适合用于高温燃料电池。
根据本发明的冷却板
在第二方面中，本发明提供一种用于燃料电池组的冷却板。由于其特定的冷却侧设计，根据本发明的冷却板以执行该任务所需的泵浦的显著降低的功率消耗，提供冷却剂流体的从外部源经由入口歧管向其冷却侧的有效供给。
如图1所示，根据本发明的第一方面的冷却板包括冷却侧；其中
所述冷却侧具有用于冷却剂流体的流动通道；所述用于冷却剂流体的流动通道包括一个或多个沟槽12，每个沟槽表现为蛇形路径14；其中
每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分T1、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-每个支路L1、L2...LN-1通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L3...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为冷却剂流体的流动方向的改变，例如180°改变；其中
-N为3以上的奇数；
其中所述壁部分W1、W2...WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道16，所述旁路通道16允许冷却剂流体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过支路Lx的一部分和支路Lx+1的一部分。
由于在具有包括旁路通道的蛇形沟槽形式的冷却板的冷却侧上的用于冷却剂流体的流动通道的特殊设计，可以以将冷却剂流体从外部源经由燃料电池组的入口歧管而泵浦到冷却板的冷却侧所需的泵浦的低得多的功率消耗，确保在整个冷却板的冷却侧内充分供给冷却剂流体。该泵浦的较低功率消耗的原因在于，与不具有如根据本发明的设计那样的设计的冷却板相比，蛇形沟槽的旁路通道通过冷却板的冷却侧而提供较小的压降。
如以上关于双极板的蛇形路径的旁路通道所述，旁路通道提供的冷却冷却效果惊人地很大。相同效果也适用于根据本发明的冷却板的蛇形路径。
在本说明书和所附的权利要求书中，应理解，当提到蛇形支路L1和LN时，L1总是指上游支路，即，冷却剂流体在其中进入燃料电池的蛇形支路，而LN总是指下游支路，即，冷却剂流体从其中排出燃料电池的蛇形支路。
在根据本发明的优选实施例中，根据本发明的冷却板的冷却侧包括5-20个蛇形路径14(例如6-18个蛇形路径)，例如8-16个蛇形路径(例如9-15个蛇形路径)，例如10-14个蛇形路径(例如11、12或13个蛇形路径)。
在根据本发明的冷却板的优选实施例中，一个或多个壁部分W1、W2...WN-1中的每一个独立地包括1-15个旁路通道(例如2-14个旁路通道，例如3-13个旁路通道)，例如4-12个旁路通道(例如5-11个旁路通道)，例如6-10个旁路通道(例如7、8或9个旁路通道)。这些数目的旁路通道提供足够的压降降低，并因此允许冷却剂流体向燃料电池的冷却板的冷却侧有效地供给更多的能量。此外，这些数目的旁路通道提供在蛇形中流动的冷却剂流体的足够紊流，该紊流有助于有效冷却。
在根据本发明的冷却板的另一优选实施例中，壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游半部分处，由此绕过支路Lx的下游部分的一部分以及支路Lx+1的上游部分的一部分。蛇形的该设计以及相关联的旁路通道证明是最有效的。更优选壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游三分之一处，由此绕过支路Lx的下游部分的一部分以及支路Lx+1的上游部分的一部分。
在根据本发明的冷却板的一个实施例中，转弯部分中的一个或多个表现为具有180°拱型沟槽(例如具有半圆形式的沟槽)的形式的流动方向的全180°改变。在图2中部分地示出了该实施例。图2示出了通过具有半圆形式的180°拱型沟槽18的形式的流动方向的全180°改变而连接的两个蛇形支路。
在根据本发明的冷却板的另一实施例中，转弯部分中的一个或多个表现为具有在流动方向上的两个基本上90°改变20，每个基本上90°改变20通过基本上直边转弯部分支路TL而被分隔，从而总体表现为流动方向的180°改变。在图3中部分地示出了该实施例。图3示出了通过在流动方向上两个基本上90°改变20a、20b的形式的流动方向的180°改变而连接的两个蛇形支路。
在优选实施例中，转弯部分支路TL的长度不大于蛇形的支路L1、L2...LN-1中的任一者的长度的20％。
在根据本发明的冷却板的优选实施例中，每个蛇形路径包括3个支路L1、L2、L3；2个壁部分W1、W2以及两个转弯部分T1和T2。此外，在本发明的冷却板的蛇形路径的该设计中，优选第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的旁路通道。在本发明的冷却板的该蛇形设计的更优选实施例中，第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道；第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的3个旁路通道，并且第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的5个旁路通道。
在根据本发明的冷却板的可替代优选实施例中，每个蛇形路径包括5个支路L1、L2、L3、L4和L5；4个壁部分W1、W2、W3和W4以及四个转弯部分T1、T2、T3和T4。
已经发现，旁路通道的数目影响压降、温度分布和冷却剂分布。通常，当旁路通道的数目增大时，压降减小。然而，穿过流场的冷却剂和温度变化增大，限制了旁路通道的数目和旁路通道的大小。
每个蛇形路径的每个支路可以独立地或多或少地弯曲，或者可以基本上为直的，或者甚至是直线形的。
优选根据本发明的冷却板的冷却侧的蛇形路径的任何一者都不被“卷入”该冷却板的冷却侧的任何其他蛇形路径中。通过在本说明书和所附权利要求书中使用的术语“不被卷入”表示根据本发明的冷却板的每个蛇形路径所占据的所述板的冷却表面的区域与被任何其他蛇形路径所占据的所述冷却板的冷却表面的区域互补。
在根据本发明的冷却板的一个实施例中，一个或多个蛇形路径中的最后一个支路LN在与所述支路的下游部分对应的位置处分成两个以上的分支22，每个分支22延伸到所述冷却板的边缘。该设计通过蛇形路径提供更多的压力损失降低，且因此提供就向冷却板的冷却部分供给冷却剂流体所需的能量而言更好的能量经济。在图4中关于单个蛇形路径示出了该实施例。图4示出了板10的蛇形路径，所述蛇形路径包括三个支路L1、L2和L3，其中L3在其紧接在与板边缘的交叉之前的端部处分成三个分支。
可任意选择每个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的尺寸。然而，在根据本发明的冷却板的一个实施例中，一个或多个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的截面的面积基本相等。
在根据本发明的冷却板的另一实施例中，一个或多个蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的宽度基本相等。
在根据本发明的冷却板的再一实施例中，任何旁路通路16的截面面积与任何支路L1、L2...LN的截面面积的比率独立地为0.1-1(例如0.2至0.9，例如0.3-0.8)，例如0.4-0.7(例如0.5或0.6)。
一个或多个壁部分W1、W2...WN-1中存在的旁路通道可以表现为任何合适的图形。优选在旁路通道的一个或多个不同组中组合两个以上旁路通道。在该实施例中，优选每个组内的单独的旁路通道之间的间隔为支路L1、L2...LN的宽度的1-8倍(例如2-7倍)，例如3-6倍(例如4倍或5倍)。
在根据本发明的冷却板的非常特别和优选实施例中，冷却板的冷却侧包括9个蛇形路径，其中每个蛇形路径包括3个支路L1、L2和L3；2个壁部分W1、W2以及两个转弯部分T1和T2；其中第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道，且其中第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的3个旁路通道，并且其中第二壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的5个旁路通道。在该实施例中，优选一个或多个蛇形路径中的最后一个支路LN在与所述支路的下游部分对应的位置处分成两个以上的分支22，每个分支22延伸到所述冷却板的边缘。
根据本发明的冷却板被变通为适合用于高温燃料电池。
根据本发明的双极板或冷却板的应用
在第三方面中，本发明涉及将根据本发明的双极板用于在燃料电池的工作期间向燃料电池的阴极侧供给氧化剂气体的应用。
在第四方面中，本发明涉及在燃料电池的工作期间对燃料电池的阴极侧的冷却和供给氧化剂气体的组合。可通过在燃料电池中并入根据本发明的双极板且通过蛇形路径向双极板的阴极侧供给比根据与在双极板的阳极侧处的反应相关联的氢气的化学计量所需的氧化剂气体更多的氧化剂气体，实现这种组合对燃料电池的阴极侧的冷却和供给氧化剂气体的效果。
在第五方面中，本发明涉及将根据本发明的冷却板用于在燃料电池的工作期间冷却燃料电池的阴极侧的应用。在本发明的该方面中，优选使用液体形式(例如水、醇或油)或者气体或气体混合物形式(例如大气空气、氧气、氮气、甲烷、重整气或其他气体)的冷却流体，优选惰性气体。
根据本发明的双极板或冷却板的制造方法
根据本发明的双极板和冷却板可以为任何合适的材料。本质特征在于，双极板和冷却板的材料是导电性的且是抗腐蚀的。合适的材料可以选自：石墨、包括粘合剂的石墨粉末、金属、包括抗腐蚀涂层的金属、合金、包括抗腐蚀涂层的合金、导电弹性混合物、导电陶瓷材料。
在第六方面中，本发明涉及根据本发明的双极板和/或冷却板的制造方法。
根据本发明的双极板和冷却板可通过本领域中常规的已知技术制造。在根据用于制备根据本发明的双极板或冷却板的方法的优选实施例中，通过以下步骤制造双极板/冷却板：
i)提供材料，该材料的尺寸至少对应于双极板/冷却板的所需设计；
ii)通过例如在CNC铣床中铣掉多余的材料，提供所述所需设计的细节；
iii)可选地用抗腐蚀涂层涂覆所述板。
在根据用于制备根据本发明的双极板或冷却板的方法的另一优选实施例中，通过以下步骤制造双极板或冷却板：
i)提供适合铸造和/或浇铸的材料；
ii)将所述材料浇铸成所述双极板/冷却板的所需设计；
iii)可选地用抗腐蚀涂层涂覆所述板。
根据本发明的燃料电池组
在第七方面中，本发明涉及燃料电池组，其包括多于一个的根据本发明的双极板和/或包括一个或多个根据本发明的冷却板。本领域技术人员将知道如何装配和操作该燃料电池组。
燃料电池组是高温燃料电池组。
使用根据本发明的燃料电池组产生电力和/或热的方法
在第八方面中，本发明涉及使用根据本发明的燃料电池组产生电力和/或热的方法。
根据本发明的燃料电池的应用
在第九方面中，本发明涉及将根据本发明的燃料电池组用作备用电力系统的应用。
在第十方面中，本发明涉及将根据本发明的燃料电池组用作连续发电系统的应用。
实例1
该实例示例出就通过蛇形供给氧化剂流的能量消耗而言具有包括旁路通道的蛇形路径的板与不具有旁路同道的类似板之间的差异。在每种情况下，板都具有包括三个支路L1、L2和L3以及两个壁部分W1、W2的蛇形路径。L1、L2和L3的通道尺寸为1.5mm宽和1.8mm高。就包括旁路通道的蛇形路径而言，第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道；第二壁部分W2包括位于L2的上游三分之一部分处的三个旁路通道，并且第二壁部分W2还包括位于L2的下游三分之一部分处的五个旁路通道。
向两个板中的每一个供给氧化剂气体。在20℃下计算氧化剂气体的速度。控制电池的输入热功率，以便在提供0.45V电池电压的最高为0.7A/cm2的负载下出口温度为180℃。通道涵盖的有效面积为约5cm2。
图5示出关于不包括旁路通道的蛇形与包括旁路通道的蛇形相比较的在包括三个支路的单个蛇形通道中的压力损失与第一支路的入口部分中的流体速度之间的关系的图。
如图中所示，使用旁路通道的压力损失降低4倍，理论功率消耗也降低4倍。对于实际系统，这意味着具有旁路通道的寄生功率损失可被降低至小于全负载下的燃料电池组输出的2％。
图6示例出根据本发明的双极板或冷却板的可选实施例。为了示例，示出了从该板的冷却流体进入的上游边缘44伸展到板10的相反侧的冷却流体排出的下游边缘42的三种不同的蛇形通道图形。通常，在板的一侧或两侧内重复地使用这些图形中的仅仅一种。第一通道图形14a和第二通道图形14b具有带有两个90度转弯的方形T1转弯，而第三转弯T1’为半圆形。
第二通道图形14b具有从一个或多个转弯部分Ti延伸到下游边缘42的附加出口通道40，以冷却下游边缘42处的区域48。冷却流体的仅仅预定部分通过该附加出口通道而排出通道图形14b，这取决于附加出口通道相对于蛇形通道14b和旁路通道16的尺寸。
下面解释冷却流体(典型地为气体)的流动。具有低温的冷却流体以相当高的速度在上游边缘44处进入蛇形通道14b的第一支路L1。由此，当到达蛇形通道14b的第一转弯T1时，冷却流体仍具有低温。旁路通道16使冷却流体的流速降低，从而冷却流体在下游边缘42附近停留相对长的时间，以在下游边缘42处的该区域48中以良好的冷却效果吸收大量热。
为了示例，下面描述方案的非限制性实例。例如，冷却流体在上游边缘44以20℃的温度进入蛇形通道14b，且在位于下游边缘42处的区域48中的第一转弯T1中被加热到180℃。当再次返回到上游边缘44处的区域46时，在第二转弯T2中利用降低速度的旁路通道16来降低流速，以便将热量传送到上游边缘44的区域46，从而将冷却流体的温度降低到160℃。当到达下游边缘42处的区域48时，冷却流体的温度再次升高到180℃。为了冷却下游边缘42处的区域48，在下游区域48处设置附加通道40，相对冷的冷却流体流过该附加通道40以吸热。如果这样的附加通道40设置在冷却流体的温度仍相对低的第一转弯T1处，则该通道40对于冷却尤其有效。
图7a示例出燃料电池组的部分的第一配置。该配置包括具有阳极侧28和阴极侧26的双极板10，在该阳极侧28上提供氢气流以向电解质膜30提供质子，氧气或空气或其他流体在该阴极侧26上流动以接受来自电解质膜30的质子。使用阴极流体(例如氧气或空气)作为用于冷却双极板的冷却介质。双极板的阴极侧具有如上所述的蛇形通道图形。
图7b示例出可选实施例，其中具有阴极侧26的阴极板34与具有阳极侧28的阳极板36以及在两个板之间的间隔32中的冷却流体32(例如气体或液体)组合。在间隔32中，阴极板34或阳极板36具有如上所述的蛇形通道图形，以通过冷却流体有效地冷却。
图7c是另一可选实施例，其中阴极板34和阳极板36将冷却板38夹在其间，从而提供两个冷却间隔32，即，冷却板38与阴极板34之间的一个冷却空间以及冷却板38与阳极板36之间的另一空间。冷却板38在其两侧具有如上所述的蛇形通道图形。

Claims (23)

1.一种具有冷却板(10)的燃料电池，所述冷却板具有用于提供冷却剂流体的流动的冷却侧，
-所述冷却侧具有用于冷却剂流体的流动通道；所述用于冷却剂流体的流动通道包括一个或多个沟槽(12)，每个沟槽表现为蛇形路径(14)；
其中
-每个所述蛇形路径独立地包括通过N-1个接连的转弯部分Ti、T2...TN-1而彼此连接的N个接连的支路L1、L2...LN；其中
-每个支路L1、L2...LN通过壁部分W1、W2...WN-1而与其接连支路L2、L2...LN纵向分隔；其中
-每个转弯部分表现为冷却剂流体的流动方向的改变；
-所述壁部分W1、W2...WN-1中的一个或多个独立地包括一个或多个旁路通道，所述旁路通道允许冷却剂流体从一个支路Lx经由捷径而流到其接连支路Lx+1；1≤x≤N-1；从而绕过所述支路Lx的一部分和所述支路Lx+1的一部分，
所述旁路通道没有阻塞，并且N为3以上的奇数，
其特征在于，所述燃料电池是高温燃料电池，
其中所述燃料电池包括第一冷却板(34)和第二冷却板(36)，所述第一冷却板(34)是阴极板并且不是双极板，所述第一冷却板(34)具有第一冷却侧和相对的阴极侧(26)，所述第二冷却板(36)是阳极板并且不是双极板，所述第二冷却板(36)具有第二冷却侧和相对的阳极侧(28)，其中所述阳极板和所述阴极板背靠背取向，在所述阳极板和所述阴极板之间具有冷却部分以便所述第一冷却侧和所述第二冷却侧彼此相对，并在所述两个板的所述第一冷却侧和所述第二冷却侧之间提供间隔(32)；或者其中所述第一冷却侧和所述第二冷却侧将冷却板(38)夹在其间，从而提供两个冷却间隔(32)，所述两个冷却间隔(32)包括在所述冷却板(38)与所述阴极板(34)的所述第一冷却侧之间的一个冷却空间以及在所述冷却板(38)与所述阳极板(36)的所述第二冷却侧之间的另一冷却空间。
2.根据权利要求1的燃料电池，其中所述流动方向的改变为180°转弯。
3.根据权利要求1的燃料电池，其中所述冷却侧包括5-20个蛇形路径(14)。
4.根据权利要求1的燃料电池，其中一个或多个所述壁部分W1、W2...WN-1中的每一个独立地包括2-14个旁路通道。
5.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中壁部分Wx的旁路通道中的一个或多个位于相关联的支路Lx的下游半部分处，绕过支路Lx的下游部分的一部分以及支路Lx+1的仅仅上游部分的一部分，其中在支路Lx的上游半部分与Lx+1的下游半部分之间未设置旁路通道。
6.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中转弯部分中的一个或多个表现为180°拱型沟槽的形式的流动方向的180°改变。
7.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中转弯部分中的一个或多个表现为在流动方向上的两个90°改变(20)，每个90°改变通过直边转弯部分支路TL而被分隔，从而总体表现为流动方向的180°改变。
8.根据权利要求7的燃料电池，其中所述转弯部分支路TL的长度不大于所述支路L1、L2...LN-1中的任一者的长度的20％。
9.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中每个蛇形路径包括3个支路L1、L2、L3；2个壁部分W1、W2以及两个转弯部分T1和T2。
10.根据权利要求9的燃料电池，其中所述第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的旁路通道，并且其中所述第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的旁路通道，并且其中所述壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的旁路通道。
11.根据权利要求9的燃料电池，其中所述第一壁部分W1包括位于L1的下游半部分处的10个旁路通道，并且其中所述第二壁部分W2包括位于L2的上游半部分处的3个旁路通道，并且其中所述第三壁部分W2包括位于L2的下游半部分处的5个旁路通道。
12.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中每个蛇形路径包括5个支路L1、L2、L3、L4和L5；4个壁部分W1、W2、W3和W4以及四个转弯部分T1、T2、T3和T4。
13.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所述支路L1、L2...LN中的一个或多个为直的。
14.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所述支路L1、L2...LN中的一个或多个是弯曲的。
15.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所述蛇形路径彼此分隔，以便没有一个蛇形路径被卷入另一个蛇形路径中。
16.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中一个或多个所述蛇形路径中的最后一个支路LN在与所述支路的下游部分对应的位置处分成两个以上的分支(22)，每个分支延伸到所述冷却板的边缘。
17.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中一个或多个所述蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的截面的面积相等。
18.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中一个或多个所述蛇形路径的每个支路L1、L2...LN的宽度相等。
19.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中任何旁路通路(16)的截面面积与任何支路L1、L2...LN的截面面积的比率独立地为0.1-1。
20.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，包括旁路通道的一个或多个不同组，其中每个组内的单独的旁路通道之间的间隔为所述支路L1、L2...LN的宽度的1-8倍。
21.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所述冷却板用于PEM燃料电池或SOFC燃料电池。
22.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所述板由选自石墨、包括粘合剂的石墨粉末、金属、包括抗腐蚀涂层的金属、合金、包括抗腐蚀涂层的合金、导电弹性混合物以及导电陶瓷材料的材料制成。
23.根据权利要求1-4中任一项的燃料电池，其中所迷冷却板是具有用于氢气燃料的阳极侧和带有用于氧化剂气体的通道的阴极侧的双极板，其中所述阴极侧是所述冷却侧且所述冷却流体是所述氧化剂气体。
CN200880102913.7A 2007-07-18 2008-07-18 包括用于氧化剂气体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的双极板、包括用于冷却剂流体的旁路蛇形流路的用于燃料电池的冷却板、包括这些板的燃料电池及其应用 Active CN101785135B (zh)

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