CN104584303A - 用于燃料电池的流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流场板(100；200)、一种包括流场板的双极板或双极板组件，以及一种包括这种流场板和/或双极板或这种双极板组件的燃料电池或燃料电池堆。流场板用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，该流场板(100；200)具有面对电极的前侧、背侧和用于将冷却流体供应至流场板(100；200)的至少冷却流体歧管(102；202)，其中背侧包括用于在流场板(100；200)上大体均匀地分布冷却流体的冷却流体流场(110；210)，流场板(100；200)还包括适于将冷却流体从冷却流体歧管(102；202)提供至冷却流体流场(210；110)的冷却流体子歧管(112；212)，其中，冷却流体子歧管(112；212)与冷却流体流场(110；210)流体地断开。

Description

用于燃料电池的流场板
技术领域
本发明涉及一种流场板(该流场板尤其是用于燃料电池或燃料电池堆的双极板)、一种用于燃料电池的双极板组件和一种包括这种流场板和/或这种双极板或双极板组件的燃料电池或燃料电池堆。
背景技术
通常，燃料电池布置在燃料电池堆中，通过在将堆叠的电池保持在一起的两个端组件单元之间堆叠多个重复的单元燃料电池建立燃料电池堆。在燃料电池堆中，存在在燃料电池堆上分布各种流体(反应物、冷却流体)的特征。这些特征被称作歧管和流场。引导新鲜反应物和新鲜冷却流体的特征被称入口歧管，而去除未使用的反应物和产物以及离开的冷却流体的特征被称作出口歧管。针对在燃料电池中的活性区域上分布各种流体，使用通常包括通道状结构的流场。燃料电池的活性区域定义为发生反应的区域。
燃料电池堆还包括用于将氧化剂(优选地，空气)供应至燃料电池阴极的氧化剂入口、用于将燃料(优选地，含氢流体)供应至燃料电池阳极的燃料入口以及用于将冷却流体供应至冷却流体通道的冷却流体入口。燃料电池堆在特定温度间隔内正常操作以最大化效率和/或耐用性。
重复的燃料电池单元通常包括两个子组件，即5-层隔膜电极组件(5-层MEA)和双极板组件。5-层MEA包括隔膜，该隔膜具有被布置在隔膜的两个主表面上的两个电极即阳极侧上的多孔阳极电极；和阴极侧上的多孔阴极电极。在每个电极即阳极和阴极上，应用优选地由多孔的和导电的材料制成的气体扩散层，以将电流和热传导至电极和从电极传导电流和热以及将反应物供应至电极和从电极去除产物。除5-层MEA和双极板组件以外，还存在其它特征，例如适于密封5-层MEA和双极板组件的至少密封层。
双极板组件包括至少一个流场板，在该至少一个流场板上形成通道状结构，该通道状结构生成流动路径，该流动路径用于将反应物从入口歧管引导至燃料电池的活性区域和将未使用的反应物和产物从活性区域引导至出口歧管。双极板组件还包括用于将冷却流体供应和分布至燃料电池的冷却流体入口歧管和冷却流体流场。加热的冷却流体随后通过冷却流体出口歧管去除。
为了以有效方式分布冷却流体，从现有技术的状态，例如从PCT申请WO 2010/054744，已知的是使用流场板，该流场板布置成彼此相邻并且适于在它们之间形成用于分布冷却流体的空间和形成双极板组件。在每个流场板的两侧上布置流场结构，当两个流体流动板布置成彼此接触时或者当流场板布置成与相应的5-层隔膜电极组件的气体扩散层接触时，该流场结构适于形成流体通道。两个流场板之间的通道用于将冷却流体分布至燃料电池堆，以控制燃料电池的温度，其中面对电极的侧上的通道用于分布反应物。
另外，文档WO 2010/054744公开了冷却流体通道布置为反应物通道的负结构，并且也已经存在于反应物入口歧管处。因此，声称，反应物已经在它们的入口歧管处被冷却流体影响，这使得能够更好地冷却反应物。
不利的是，通过冷却通道的简单延长提供的冷却不足以在如下情况下控制温度，即其中阳极气体和阴极气体比特定温度范围明显冷或热。该温度的偏离如果未被额外部件小心控制，则可成为燃料电池堆的问题。
此外，冷却不足可导致燃料电池中热斑的产生，这继而可导致燃料电池堆的操作故障。
结果，即使在WO 2010/054744的建议设计下，额外的热交换器对于控制反应物的温度是必要的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种针对燃料电池的有效温度控制，该有效温度控制允许省略额外的热交换器。
借助于提供根据权利要求1的流场板、根据权利要求13的双极板组件、根据权利要求15的双极板组件和根据权利要求20的燃料电池或燃料电池堆来解决这个目的。
本发明基于以下想法，即提供一种流场板，该流场板用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，该流场板具有面对电极的前侧和背侧，其中流场板至少包括：冷却流体歧管，该冷却流体歧管用于将冷却流体供应至流场板；和在流场板背侧上的冷却流体流场，该冷却流体流场用于在流场板的背侧上大体均匀地分布冷却流体，其中，流场板还包括冷却流体子歧管，该冷却流体子歧管适于将冷却流体从冷却流体歧管提供至冷却流体流场。发明性的是，冷却流体子歧管与其自己的流场板的冷却流体流场流体地断开。
这意味着被供应至流场板的冷却流体子歧管的冷却流体不将冷却流体供应至其自己的流体流场，而是供应至另一流场板的流体流场，该另一流场板适于布置成与所述流场板相邻。这种设计允许增大尺寸和容积的冷却流体子歧管来替代有限容积的已知通道结构，使得可提供有效的冷却。
优选地，流场板还包括在其电极前侧上的反应物流体流场，该反应物流体流场优选地设计为冷却流体流场的负结构。将流体流场形成为负结构允许减小流场板的厚度，这继而导致期望的尺寸减小的燃料电池堆。
有利的是，流场板至少还可包括：第一反应物流体歧管，该第一反应物流体歧管流体地连接至流场板的面对电极的表面上的反应物流体流场；和第二反应物流体歧管，该第二反应物流体歧管从反应物流体流场流体地断开。当将流场板布置成彼此相邻时，反应物歧管的这种布置允许第一反应物在自己的流体流动板上分布和第二反应物在相邻布置的流体流动板上分布。
考虑到反应物歧管的这种布置，清楚的是，使得冷却流体子歧管实际上能够冷却相邻布置的流场板的反应物流体。不用说，也可能的是，加热反应物流体，前提是冷却流体的温度高于反应物流体的温度。换句话说，如果流场板用作阳极板，则阳极流场板的冷却流体子歧管适于冷却被供应至阴极流场板的氧化剂，优选地空气。反之亦然，阴极板的冷却流体子歧管适于冷却被供应至阳极流场板的燃料，即含氢气体。如上所述，优选地，冷却流体子歧管提供容积，该容积可填充有足够的冷却流体，该冷却流体用于提供期望的热交换能力，该热交换能力甚至在如下情况下对于控制燃料电池的温度是必要的，即其中反应物的温度在燃料电池的操作温度范围以外。下面，这种情况被描述为温度临界情况。
根据另一优选实施例，冷却流体子歧管布置在第二反应物歧管与冷却流体流场之间。结果，冷却流体子歧管适于提供反应物的增强的和足够的冷却/加热。
根据另一优选实施例，冷却流体子歧管的长度至少大体在第二反应物子歧管的宽度上延伸。因此，完整的反应物子歧管可受到冷却流体的温度影响。
还优选的是，冷却流体子歧管的横截面的尺寸沿着冷却流体子歧管的冷却流体流动方向减小。通过这种设计，确保了冷却流体均匀地分布至冷却流体流场中的每个结构。优选地，横截面减小约10％至90％，优选地20％至80％，且最优选地50％至75％。
结果，冷却流体子歧管的优选形状是渐缩的形状，例如冷却流体子歧管是楔形形状或飞镖形状。在该连接中的飞镖形状意指成角度的楔形形状。根据冷却流体子歧管的该发明设计，可最小化各个流体分布结构(例如通道状结构或通道)之间的流速分布。优选地，流速在流场板上的改变不超过约25％，优选地大约小于20％。
如上所述，优选地使冷却流体子歧管的容积适应以便提供对于由第二反应物歧管供应的反应物(即流动通过相应的另一流场板的流场结构的反应物)的期望的热交换能力，该期望的热交换能力优选地允许直至200℃的温度中的升高/降低，优选地在约20℃至120℃的范围内，更优选地为大约40℃，前提是流体中无相变。
根据另一优选实施例，冷却流体子歧管还包括至少一个引导结构，该至少一个引导结构用于在冷却流体子歧管中引导冷却流体。引导结构可为细长块，该细长块适于在冷却流体子歧管的整个长度上引导冷却流体和将大约相同量的冷却流体引导至每个通道状流场结构。引导结构还可用作支撑结构，该支撑结构用于将两个相邻的板保持为与彼此相距大约相同的距离。
根据另一优选实施例，流场板还包括在其背侧上的第一反应物子歧管，该第一反应物子歧管优选地借助于流场板中的隧道状开口而流体地连接至第一反应物歧管以及连接至流场板的前侧上的反应物流体流场。这种布置允许反应物在流场板上的均匀分布。
有利的是，第一反应物流体歧管和/或第一反应物子歧管，以及第二反应物流体歧管和/或第二反应物子歧管呈现大体轴向对称的尺寸和/或大体轴向对称的形状。而且，流场板可呈现优选地关于其质量中心的大体旋转对称。
由于燃料流通常小于氧化剂流，因此可以有利的是，设计具有非对称形状的流场板，其中燃料歧管小于氧化剂歧管。而且，燃料流场也可与氧化剂流场设计为不同，这导致对于用作阳极板的流场板和用作阴极板的流场板的设计不同。例如，阳极板的燃料流场可具有较少的通道状结构和/或燃料通道状结构可具有减小的横截面。有利的是，使燃料流场板适应于减小的燃料流允许较小的流场板，这继而减小了燃料电池堆的总体尺寸。另外，燃料流场中的通道状结构的较小的横截面和/或较少的燃料通道状结构将燃料流速增大至与氧化剂流速相同的水平，使得可有效地去除水滴。
然而，即使对于非对称形状具有好的理由，但是发明人发明性地发现了利用对称的流场板允许更均匀地分布的夹紧力被施加至每个流场板且随后施加至燃料电池堆。除此之外，对称的设计允许翻转燃料电池的操作方向，即改变入口和出口，以便增加燃料电池的寿命。这是因为如下事实，即燃料电池由于温度差和/或干燥气体通常在入口侧比在出口侧磨损得多。
另外，因为仅需要一个工具来生产流场板，并且仅需要处理和保存一种流场板，所以加工成本、后勤成本和储存成本可减小。也应该注意，由于工具生产大体相同的流场板，因此双极板组件的质量提高。
根据本发明的另一方面，提供了一种双极板组件，该双极板组件至少包括如上所述的第一流场板和如上所述的第二流场板，其中优选地第一流场板和第二流场板适于布置成彼此接触。不用说，本发明还可用于具有流场板的双极板，该双极板被另一板或层分离。
第一流场板和第二流场板的冷却流体子歧管和冷却流体流场适于形成用于冷却流体的通道状冷却结构。发明性地，当第一流场板和第二流场板布置成彼此接触或接触中间层时，第一流场板的冷却流体子歧管适于流体地连接至第二流场板的冷却流体流场，并且第二流场板的冷却流体子歧管适于流体地连接至第一流场板的冷却流体流场。如上所述，即使在上述温度临界条件下，这种设计也允许冷却流体子歧管可在相应的另一反应物子歧管的整个区域上延伸，这继而使得能够足够冷却相应的反应物。
优选地，第一流体流动板设计为阴极板，第二流体流动板设计为阳极板，其中优选地，阴极板具有作为第一反应物流体歧管的氧化剂歧管、可选的氧化剂子歧管和/或可选的燃料子歧管、作为第二流体歧管的燃料歧管和作为反应物流场的氧化剂流场，以将氧化剂优选地空气提供至阴极板的面对电极的侧。相应地，阳极板具有作为第一反应物流体歧管的燃料歧管、可选的燃料子歧管和/或可选的反应物子歧管、作为第二反应物歧管的氧化剂歧管和作为反应物流场的燃料流场，以将燃料优选地含氢流体提供至阳极板的面对电极的侧。
根据本发明的另一方面，阳极板的冷却流体子歧管的容积适于提供对于氧化剂(优选地，流动通过氧化剂子歧管和/或氧化剂流场的氧化剂)的热交换能力。类似地，阴极板的冷却流体子歧管的容积适于提供对于燃料(优选地，用于流动通过燃料子歧管和/或燃料子歧管的燃料)的热交换能力。如上所述，由于冷却流体子歧管可设计为在相应的另一板的相应的反应物(子)歧管上延伸的空间，因此可使热交换能力适于使得可省略用于反应物的另外温度控制装置(尤其是热交换器)。
如上所述，优选地当阴极板和阳极板布置成彼此接触或接触中间层时，阴极板的冷却流体子歧管优选地适于流体地连接至阳极板的冷却流体流场，并且阳极板的冷却流体子歧管适于流体地连接至阴极板的冷却流体流场。因此，可提供用于冷却流体子歧管的上述容积。
根据另一优选实施例，双极板组件非对称地成形，其中燃料歧管小于氧化剂歧管和/或其中阳极板的冷却流体子歧管大于阴极板的冷却流体子歧管，和/或其中阴极板的氧化剂流场比阳极板的燃料流场包括多的通道状结构，和/或其中阳极板的燃料流场的通道状结构的横截面小于阴极板的氧化剂流场的通道状结构的横截面。因此，可实现包括对于非对称流场板的上述优点的双极板组件。
根据另一优选实施例，双极板组件对称地设计，其中燃料歧管和/或燃料子歧管和/或燃料流场定尺寸成大体等于氧化剂歧管和/或氧化剂子歧管和/或氧化剂流场，和/或其中阳极板的冷却流体子歧管与阴极板的冷却流体子歧管的尺寸大体相等。因此，实现了具有对称流场板的上述优点的双极板。
根据本发明的另一方面，公开了具有如上所述的至少一个流场板和/或具有如上所述的至少一个双极板和/或双极板组件的燃料电池和/或燃料电池堆。
在说明书、附图和权利要求中描述了另外的优点和/或优选实施例。
附图说明
以下，将参照附图更加详细地描述本发明。因此，应该明确注意，图中示出的实施例不应旨在限制本发明的范围。本发明范围由权利要求唯一限定。
附图示出了：
图1是用于设计为阴极板的发明的流场板的优选实施例的示意图；
图2是用于设计为阳极板的发明的流场板的优选实施例的示意图；
图3是图1中所示的优选实施例的氧化剂歧管和氧化剂子歧管的放大示意图
a)是从背侧的，并且
b)是从前侧的；
图4是用于发明的流场板的另一优选实施例的示意图；以及
图5是当发明的阳极流场板和发明的阴极流场板布置成接触时生成的流谱的示意图。
具体实施方式
以下，相同或相似的作用元件由相同的附图标记指示。
通常，通过在两个端组件单元之间堆叠多个重复的燃料电池单元来建立燃料电池堆，该两个端组件单元将堆叠的电池保持在一起。重复的燃料电池单元主要包括两个子组件即5-层隔膜电极组件(5-层MEA)和双极板组件。可选地，密封层可布置在5-层MEA与双极板组件之间，从而密封两个主部件。密封层也可为5-层MEA和/或双极板组件的集成部分。
5-层MEA包括隔膜电极组件，该隔膜电极组件在两侧上由气体扩散层覆盖。隔膜电极组件本身包括隔膜，隔膜具有被布置在隔膜的两个主表面上的两个电极：阳极和阴极。阳极(电极)和阴极(电极)由气体扩散层覆盖，该气体扩散层通常由多孔的和导电的材料制成，并且该气体扩散层适于将电和热传导至电极和从电极传导电和热以及将反应物供应至电极和从电极去除产物。电极、隔膜和气体扩散层形成5-层隔膜电极组件(5-层MEA)。
在燃料电池堆中，双极板或双极板组件分离上述5-层MEA中的两个。因此，双极板具有面对阳极的侧和面对阴极的侧。面对阳极的侧布置成与如下气体扩散层接触，该气体扩散层覆盖第一5-层MEA的阳极，并且面对阴极的侧布置成与如下气体扩散层接触，该气体扩散层覆盖第二5-层MEA的阴极。
双极板或双极板组件本身可包括单个板或者被布置成彼此接触的两个或更多个板。在双极板的面对电极的侧上布置通道状流体分布结构，当面对电极的侧布置成与相应的气体扩散层接触时，该通道状流体分布结构形成用于反应物的通道或通道状结构。双极板/双极板组件的电极侧上的通道状流场结构确保反应物均匀分布至电极的活性区域。
双极板组件通常包括至少两个流场板：阳极流场板，该阳极流场板面对第一5-层MEA的阳极侧；和阴极流场板，该阴极流场板面对第二5-层MEA的阴极。
通常，双极板和/或流场板由具有良好导电和导热特性的材料制成，所述材料不具有或具有可忽略的气体或液体的可渗透率。另外，板可涂布有具有良好导电和导热特性的材料，以进一步提高导电率和导热率。如上所述，通道状结构或通道形成在双极板或流场板中以生成流动路径，该流动路径用于将反应物从反应物入口歧管引导至活性区域和将未使用的反应物和产物水从活性区域引导至反应物出口歧管。
在包括至少两个流场板的双极板组件中，当将两个流场板布置成彼此接触时，生成用于分布冷却流体以去除所产生的热的区域。针对冷却流体的分布，流场板在它们的背侧上通常包括冷却流体流场，该冷却流体流场包括通道状结构，该通道状结构用于在流场板上均匀分布冷却流体。
图1和图2示意性地描绘了阴极流场板100(图1)的背侧和阳极流场板200(图2)的背侧。
阴极流场板(阴极板)100和阳极流场板(阳极板)200二者包括冷却流体入口歧管102、202和氧化剂入口歧管104、204以及燃料入口歧管106和206。当两个流场板100、200的背侧布置成彼此接触时，入口歧管102、202、104、204以及106和206形成相应的公共歧管。在流场板100、200的背侧上，形成冷却流体流场110、210。冷却流体流场110、210包括通道状结构111、211，该通道状结构111、211用于在流场板上均匀地分布冷却流体。
附图还示出了在阴极板100处的氧化剂子歧管114和在阳极板200处的燃料子歧管214。应该注意，也可能的是，燃料子歧管214可仅形成在阴极板100中和/或氧化剂子歧管114可仅形成在阳极板中。另一方面，也可能的是，每个流场板即阴极板和阳极板包括氧化剂子歧管114、215和燃料子歧管214、115二者。不用说，非对称设计也是可能的，其中氧化剂子歧管114、215形成在两个流场板中但燃料子歧管214仅形成在一个流场板中，反之亦然。
如图1中所示，阴极板100还包括冷却流体子歧管112，该冷却流体子歧管112沿着燃料子歧管214(见图2)的整个长度延伸。此外，冷却流体子歧管112适于在标记213指示的区域中流体地连接至阳极板200的流场210。
类似地，阳极板200具有冷却流体子歧管212，该冷却流体子歧管212沿着氧化剂子歧管114的整个长度延伸，并且冷却流体子歧管212适于在标记113指示的区域中连接阴极板100的冷却流体流场110。
为了在冷却流体子歧管112、212中引导冷却流体，可设置引导结构108、208，该引导结构108、208在图1和图2的实施例中设计为细长块(land)。除在冷却流体子歧管112、212中引导冷却流体之外，当流场板布置成彼此接触时引导结构108、208可为相应的另一流场板提供支撑。不用说，除引导结构的示出的设计以外，引导结构可具有任何其它形状，该任何其它形状适于提供上述特征中的至少一个。
除将冷却流体分布至冷却流体流场110、210之外，冷却流体子歧管112、212还适于冷却或加热另一流场板200、100的相应的反应物，从而对燃料电池提供温度控制。这意味着阴极板100的冷却流体子歧管112适于控制如下燃料的温度，该燃料从燃料歧管106流至燃料子歧管214以及进一步流至阳极板200的阳极侧。这同样适用于阳极板200上的冷却流体子歧管212，阳极板200上的冷却流体子歧管212适于控制如下氧化剂的温度，该氧化剂从氧化剂歧管204流至氧化剂子歧管114以及进一步流至阴极板100的阴极侧。
图3放大详细地示出了阴极板100的背侧(图3a)和前侧(图3b)。其中，图3a示出了具有氧化剂歧管104和阴极子歧管114的阴极板100的背侧。如图3a中可看出，氧化剂子歧管114还包括多个隧道状开口116，所述多个隧道状开口116延伸至阴极板100的前侧(见图3b)。隧道状开口116适于将在氧化剂子歧管114处进入阴极板100的背侧的氧化剂引导至前侧并进一步引导至包括通道状结构120的氧化剂流场118，当阴极板布置成与5-层MEA的阴极侧的气体扩散层接触时该通道状结构120形成氧化剂流动通道。氧化剂流体流场118和冷却流体流场110优选地设计为彼此的负结构。
虽然附图中未示出，但是阳极板200可类似地包括隧道状开口，该隧道状开口适于将在燃料子歧管214处进入阳极板200的背侧的燃料引导至面对阳极的侧以及进一步引导至燃料流场的通道状结构。
通过将冷却流体流场110、210设计为相应的反应物流场118的负结构，确保流场板100、200可制造得非常薄，这继而减小燃料电池堆的总尺寸。
如图1和图2中进一步示出的，冷却流体子歧管112、212提供在冷却流体子歧管112、212中冷却流体的流动方向的方向(见箭头)上减小的横截面。横截面的减小确保在冷却剂流体流场110、210上的均匀的流分布。优选地，该减小为大约10％至90％，优选地为20％至80％，最优选地为50％至75％。另外，减小的横截面有利于双极板的冷却流体歧管和反应物歧管区域的更紧凑的设计。有利的是，冷却流体子歧管的总容积适于使得热交换能力足够大，以影响反应物。优选地，该容积适于使得反应物可被冷却或加热至大约高达200℃，优选地在约20℃至120℃的范围内，最优选地为大约40℃，前提是在流体中无相变。
可以看出，图1和图2的冷却流体子歧管112、212在示出的实施例中具有不同的长度。由于燃料流通常小于氧化剂流，所以燃料入口歧管106、206可被制为小于氧化剂入口歧管104、204。在如下情况下这尤其有用，即当使用依赖纯氢操作的燃料电池时，该纯氢具有低粘度。即使燃料入口歧管106、206较小，压降也不增大。另外，较小的燃料歧管106、206允许流场板100、200具有较小的总体尺寸，这导致更加紧凑的设计。
另外，由于在阳极侧处的流通常小于在阴极侧处的流，所以于此普通地设计流场。例如，阳极板200可具有较少的通道状结构，或者通道状结构的横截面适于期望的燃料流，以便将燃料流速增大至与氧化剂流速大约相同的水平，从而有效地去除水滴。
除在图1、图2和图3中示出的设计之外，也可能的是，对称地设计阴极板100和阳极板200。因此，阴极歧管104和204以及阳极歧管106和206以及相应的子歧管114、214尺寸大体相等。另外，在该实施例中，冷却流体子歧管112和212尺寸大体相等。图4中示意性地示出了对称的流场板。
流场板100、200的对称的设计的优点在于，由于可在相同的冲压工具上加工两个板，因此降低了加工成本或制造成本。因此，由于流场板大体相同，也可生产具有较高质量的流场板。此外，具有对称设计的流场板使得在双极板上能够更均匀分布夹紧压力。另外，对称的设计使得能够增加燃料电池堆的寿命，这是由于燃料电池堆的操作方向在预定操作周期之后可反转。通常，与在出口侧相比，由于温度差和/或干燥气体，燃料电池在入口侧磨损得多。通过在特定操作时间之后使操作方向反转，磨损可较均匀地分布至燃料电池的所有部分。
不管阳极板200和阴极板100设计为对称的还是非对称的，冷却剂流体子歧管112、212的长度都优选地分别大于或等于反应物子歧管114、214。因此，避免了次优冷却的区域，其中温度将升高并且可由于热斑导致燃料电池的故障。优选地，冷却流体子歧管112、212取向为使得在冷却流体子歧管112、212中的冷却流体流大体垂直于来自反应物子歧管114、214的反应物流。
当将阴极板100和阳极板200布置成彼此接触时，发明的流场结构产生图5所示的流谱。如果平均速度在大约0.30m/s至0.60m/s的范围内，优选地0.40m/s至0.50m/s的范围内，则产生的流谱允许在方向x(见图5)上在各个冷却通道之间的冷却流体速度的分布的改变不超过大约20％，优选地大约15％。结果，冷却流体子歧管112、212的设计的一个重要特征是最小化冷却流场的各个流动通道之间的流速的分布。通过减小冷却流体子歧管112、212和可选引导结构108、208的横截面发明性地实现这一点。然而，除了示出的形状以外，冷却流体子歧管112、212可具有大体提供上述特征中的至少一个的任何其它形状。
通常，根据本发明，最大化了每个燃料电池单元的活性区域的利用。在本发明中，可利用高效的流分布产生形成为薄的金属双极板组件，而不需要额外插入物或额外的板。这增加了燃料电池堆的容积功率密度，减小了燃料电池堆组件的复杂度和增加了它的成本效率。此外，冷却流体子歧管适于提供具有针对反应物的足够的热交换能力的冷却和/或加热区域，这可消除对额外的热交换器的需要。因此，燃料电池系统的容积功率密度可增大，并且系统成本可降低。本发明还允许使用对称的流场板，该对称的流场板降低了加工投资成本并在燃料电池堆内产生大体均匀的接触压力分布，从而降低流体泄漏的风险。
附图标记列表：
100：阴极板——第一流场板
200：阳极板——第二流场板
102、202：冷却流体歧管
104、204：氧化剂歧管
106、206：燃料歧管
108、208：冷却流体引导结构
110、210：冷却流体流场
111、211：用于冷却流体的通道状结构
112、212：冷却流体子歧管
113、213：冷却流体子歧管接触区域
114、215：氧化剂子歧管
214、115：燃料子歧管
116：隧道状开口
118：氧化剂/燃料流场：
120：用于氧化剂/燃料的通道状结构

Claims (20)

1.一种流场板(100；200)，用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，所述流场板(100；200)具有面对电极的前侧、背侧和用于将冷却流体供应至所述流场板(100；200)的至少冷却流体歧管(102；202)，其中所述背侧包括冷却流体流场(110；210)，用于在所述流场板(100；200)上大体均匀地分布所述冷却流体，所述流场板(100；200)进一步包括冷却流体子歧管(112；212)，所述冷却流体子歧管(112；212)适于将冷却流体从所述冷却流体歧管(102；202)分布至冷却流体流场(210；110)，
其特征在于，
所述冷却流体子歧管(112；212)与所述流场板(100；200)的冷却流体流场(110；210)流体地断开。
2.根据权利要求1所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)在它的面对电极的前侧上包括反应物流体流场(118)，所述反应物流体流场(118)设计为所述冷却流体流场(110；210)的负结构。
3.根据权利要求1或2所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)进一步至少包括：第一反应物流体歧管(104；204；106；206)，所述第一反应物流体歧管(104；204；106；206)流体地连接至所述反应物流体流场(118)；和第二反应物流体歧管(104；204；106；206)，所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)与所述流场板(100；200)的面对电极的表面上的所述反应物流体流场(118)流体地断开。
4.根据权利要求3所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)在它的背侧上包括第一反应物子歧管(114；214)，所述第一反应物子歧管(114；214)优选地借助于所述流场板(100；200)中的隧道状开口(116)流体连接至所述第一反应物歧管(104；206)且连接至在所述流场板(100；200)的面对电极的表面上的所述反应物流体流场(118)，并且/或者
其中，所述流场板(100；200)在它的背侧上包括第二反应物子歧管(115；215)，所述第二反应物子歧管(115；215)被流体地连接至所述第二反应物歧管(204；106)。
5.根据权利要求3或4所述的流场板(100；200)，其中，所述第一反应物流体歧管(104；204；106；206)和/或所述第一反应物子歧管(114；214)，以及所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)和/或所述第二反应物子歧管(114；214)呈现大体轴向对称的尺寸和/或大体轴向对称的形状，并且/或者
其中，所述流场板(100；200)呈现大体旋转对称的，优选地关于质量中心大体旋转对称的。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)布置在所述第二反应物歧管(104；204；106；206)与所述冷却流体流场(110；210)之间的区域(113、213)中。
7.根据权利要求6所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的长度大体至少在所述第二反应物流体子歧管(114；214)的长度上延伸。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面沿着所述冷却流体子歧管(112；212)中的冷却流体流动方向减小。
9.根据权利要求8所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面减小约10％至90％、优选地20％至80％、最优选地50％至75％。
10.根据权利要求8或9所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)具有渐缩的形状，其中，优选地所述冷却流体子歧管(112；212)是楔形形状或飞镖形状。
11.根据权利要求3至10中的任一项所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的容积适于提供对于由所述第二反应物歧管(104；204；106；206)供应的反应物的热交换能力。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)进一步包括至少一个冷却流体引导结构(108，208)。
13.一种用于燃料电池或燃料电池堆的双极板组件，至少包括第一个根据前述权利要求中的任一项所述的流场板(100)和第二个根据前述权利要求中的任一项所述的流场板(200)，其中第一流场板和第二流场板(100；200)适于被布置成彼此相邻，使得所述第一流场板和所述第二流场板(100；200)的冷却流体流场(110；210)适于形成用于所述冷却流体的通道状结构，
其特征在于，
当所述第一流场板和所述第二流场板(100；200)布置成彼此接触时，所述第一流场板(100)的冷却流体子歧管(112)适于流体地连接至所述第二流场板(200)的冷却流体流场(210)，且所述第二流体流动板的冷却流体子歧管(212)适于流体地连接至所述第一流场板(100)的冷却流体流场(110)。
14.根据权利要求13所述的双极板组件，其中，所述第一流场板(100)设计为阴极板，且所述第二流场板(200)设计为阳极板，
其中，优选地所述阴极板(100)具有作为第一反应物流体歧管的氧化剂歧管(104)和作为反应物流场的氧化剂流场(118)，用于将氧化剂优选地空气提供至所述阴极板(100)的面对电极的侧，并且/或者
其中，优选地所述阳极板(200)具有作为第一反应物流体歧管的燃料歧管(206)和作为反应物流场的燃料流场，用于将燃料优选地含氢流体提供至所述阳极板(200)的面对电极的前侧。
15.一种燃料电池或燃料电池堆的双极板组件，所述双极板组件具有：阴极板(100)，所述阴极板(100)具有面对阴极的前侧上的氧化剂流场(118)和背侧上的冷却流体流场(110)；和阳极板(200)，所述阳极板(200)具有面对阳极的前侧上的燃料流场和背侧上的冷却流体流场(210)，其中，所述阴极板(100)和所述阳极板(200)至少进一步包括：
冷却流体歧管(102；202)和冷却流体子歧管(112；212)，所述冷却流体歧管(102；202)用于将冷却流体供应至所述双极板，且所述冷却流体子歧管(112；212)用于将所述冷却流体分布至所述冷却流体流场(110；210)；
氧化剂歧管(104；204)和氧化剂子歧管(114)，所述氧化剂歧管(104；204)用于将氧化剂优选地空气提供至所述双极板组件，且所述氧化剂子歧管(114)用于将所述氧化剂分布至所述氧化剂流场(118)；以及
燃料歧管(106；206)和燃料子歧管(214)，所述燃料歧管(106；206)用于将燃料优选地含氢流体提供至所述双极板组件，且所述燃料子歧管(214)用于将燃料分布至所述燃料流场；
其特征在于，
所述阳极板(200)的冷却流体子歧管(212)的容积适于提供对于所述氧化剂的热交换能力，并且所述阴极板(100)的冷却流体子歧管(112)的容积适于提供对于所述燃料的热交换能力。
16.根据权利要求15所述的双极板组件，其中，优选地，当所述阴极板(100)和所述阳极板(200)布置成彼此接触时，所述阴极板(100)的冷却流体子歧管(112)适于流体地连接至所述阳极板(200)的冷却流体流场(210)，并且所述阳极板(200)的冷却流体子歧管(212)适于流体地连接至所述阴极板(100)的冷却流体流场(110)。
17.根据权利要求15或16所述的双极板组件，其中，所述阴极板(100)是根据权利要求1至12中的任一项所述的流场板，并且/或者所述阳极板(200)是根据权利要求1至12中的任一项所述的流场板。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的双极板组件，其中，所述燃料歧管(106；206)小于所述氧化剂歧管(104；204)，并且/或者
其中，所述阳极板(200)的冷却流体子歧管(212)大于所述阴极板(100)的冷却流体子歧管(112)，并且/或者
其中，所述氧化剂流场比所述燃料流场包括更多的通道状结构，并且/或者
其中，所述燃料流场的通道状结构的横截面小于所述氧化剂流场的通道状结构的横截面。
19.根据权利要求14至17中的任一项所述的双极板组件，其中，所述阳极板(200)与所述阴极板(100)大体相同。
20.一种燃料电池和/或燃料电池堆，具有至少一个根据权利要求1至12中的任一项所述的流场板(100；200)和/或根据权利要求13至19中的任一项所述的双极板组件。
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