CN109980248A - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，其用于改善冷却水和反应气体的流动。燃料电池堆包括设置在阳极分隔板和阴极分隔板的每一个上的冷却水扩散部分。第一冷却水流路区域设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的底板与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的通道之间。第二冷却水流路区域设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的通道与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的底板之间。此外，所述第一冷却水流路区域和所述第二冷却水流路区域在冷却水扩散部分的至少一部分中相互平行。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明大体上涉及一种燃料电池堆，并且更具体地，涉及一种改善了冷却水和反应气体的流动的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池指的是一种将燃料的化学能转化为电化学能的发生器。燃料电池被用于为工业用途、家庭用途和车辆提供驱动力，并为如便携式设备的小型电子产品供电。最近，燃料电池的使用范围已逐步扩大到高效和清洁能源。

图1示出了相关技术的普通燃料电池堆的构造。如图1中所示，在普通燃料电池堆中，膜电极组件(MEA)设置在燃料电池堆的最内侧，MEA 110包括用于移动质子的聚合物电解质膜111以及阳极112和阴极113，所述阳极112和所述阴极113为施加在聚合物电解质膜的每个表面上的催化层，从而使氢气和氧气在其上发生反应。

此外，气体扩散层(GDL)120层压在设置阳极112和阴极113的MEA 110的外部。分隔板130a和130b具有供应燃料以及排放通过反应产生的水的流场，分隔板130a和130b设置在GDL 120的外部，其间插入垫片140。支撑并固定上述组件的端板200联接至燃料电池堆的最外侧。在燃料电池堆的阳极112中，进行氢气的氧化反应，由此产生质子和电子。产生的质子和电子通过聚合物电解质膜111和电线移动到阴极113。在阴极113中，通过电化学反应生成水，在该电化学反应中，自阳极112移动的质子和电子与空气中的氧气发生反应，并且同时通过电子的流动产生电能。

一般而言，分隔板130a和130b制造成这样的结构，其中，用于支撑的底板(land)和用于流体流动的通道(流场)构造成进行重复。普通分隔板构造成这样的结构，其中，底板和通道(流场)构造成重复弯曲。换言之，面对GDL 120的通道用作反应气体(例如氢气或空气)的流动的空间，同时，相对的通道用作冷却水的流动的空间，因此，单元电池可以包括总共两个分隔板，一个分隔板具有氢气/冷却水通道，而一个分隔板具有空气/冷却水通道。

同时，图2和图3示出了根据相关技术的分隔板。在根据相关技术的分隔板10中，在分隔板10的两个边缘处形成了入口歧管10a、10b和10c以及出口歧管(未示出)；所述入口歧管10a、10b和10c用于引入反应气体和冷却水；所述出口歧管用于排出反应气体和冷却水。例如，如图2所示，所述分隔板的第一侧包括氢气入口歧管10a、冷却水入口歧管10b以及空气入口歧管10c，各自分别引入氢气、冷却水以及空气(氧气)。另外，虽在图2中未示出，所述分隔板10的第二侧(例如，第一侧的相对侧)包括氢气出口歧管、冷却水出口歧管以及空气出口歧管，各自分别排出氢气、冷却水以及空气(氧气)。分隔板10包括反应表面，该反应表面对应于GDL 120并且连接至入口歧管10a、10b和10c以及出口歧管(未示出)；所述入口歧管10a、10b和10c设置在分隔板10的第一侧；所述出口歧管设置在分隔板10的第二侧。此外，每个扩散部分都设置在各个入口歧管10a、10b和10c与反应表面之间以将分别从入口歧管10a、10b和10c引入的氢气、冷却水和空气(氧气)扩散并且供应到反应表面。在图2中示出的附图标记10d指代扩散冷却水的冷却水扩散部分。

如图3中所示，根据相关技术的应用于分隔板10的冷却水扩散部分10d包括阶梯部分13，以用于将冷却剂移动至各个冷却水通道11，从而将从冷却水入口歧管10b引入的冷却水扩散并且供应到设置在反应表面上的冷却水通道11。尤其是，阶梯部分13包括低于冷却水通道11的深度的多个通道，并且冷却剂移动到通过阶梯部分13构造的空间，从而扩散到各个冷却水通道11。然而，通常，冷却水通道11的深度为0.3mm至0.5mm，阶梯部分13的深度为0.1mm至0.2mm。由于在它们之间没有明显的差别，难以准确限定阶梯部分13的形状以及控制阶梯部分13的品质。当阶梯部分13的高度无法确保或者不统一时，在冷却水的扩散过程中会发生偏差，这会引起燃料电池的效率的下降。

发明内容

因此，本发明提供了一种燃料电池堆，其能够有效分布冷却水，而无需在冷却水的通道中形成阶梯部分，从而改善了冷却水和反应气体的流动。

根据本发明的一个方面，一种燃料电池堆，其中，冷却水流向由在相邻电池中彼此面对的阳极分隔板和阴极分隔板限定的空间，所述燃料电池堆可以包括：冷却水扩散部分，其设置在阳极分隔板和阴极分隔板的每一个上，以通过将冷却水分布在反应表面上而从冷却水歧管引入冷却水；第一冷却水流路区域，其设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的底板与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的通道之间；以及第二冷却水流路区域，其设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的通道与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的底板之间。所述第一冷却水流路区域和所述第二冷却水流路区域可以在冷却水扩散部分的至少一部分中相互平行。

在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道在彼此相对的位置处相互间隔的同时，可以在相同的方向上形成凹槽。在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板在彼此相对的位置处相互间隔的同时，可以在相同的方向上形成凹槽。

在阳极分隔板和阴极分隔板的各自的冷却水扩散部分上形成的底板中的每个的宽度可以大于在阳极分隔板和阴极分隔板的各自的冷却水扩散部分上形成的通道中的相关联的一个通道的宽度。在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板的宽度与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板的宽度可以彼此相等，并且在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道的宽度与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道的宽度可以彼此相等。

在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板和通道与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板和通道可以在与冷却水歧管和反应表面之间的最短距离的方向相垂直的方向上相互平行。由阳极分隔板的通道提供的氢气通道区域和由阴极分隔板的通道提供的空气通道区域可以在第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域相互平行的区域内与第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域平行。

第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域彼此平行的区域可以设置为靠近冷却水歧管。阳极分隔板和阴极分隔板可以在设置第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域的区域中保持分隔(例如，不接触)。从冷却水歧管流向反应表面的冷却水可以在阳极分隔板和阴极分隔板的纵向方向上从冷却水歧管流向第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域。

不同于相关技术，由于在本发明的示例性实施方案中，通道设置在分隔板上而无需用于冷却水流动的阶梯部分，因此可以防止在分隔板形成过程中的通道的缺陷。此外，通过将阳极分隔板的底板和通道与阴极分隔板的底板和通道设置为在相邻燃料电池单元中彼此相对，冷却水可以流向底板和通道之间的空间，从而改善了冷却水和反应气体的流动，而无需阶梯部分。

附图说明

通过下文结合附图所呈现的具体实施方式将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其他优点，在这些附图中：

图1示出了根据相关技术的普通燃料电池堆的构造；

图2和图3示出了根据相关技术的分隔板；

图4示出了根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的分隔板；

图5A和图5B示出了根据本发明的示例性实施方案的分隔板的冷却水扩散部分；以及

图6为根据本发明的示例性实施方案的沿着图4的线A-A所获取的截面视图。

具体实施方式

应当理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非石油能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电力动力两者的车辆。

本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并非旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“这个”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚的指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其集合。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项的任何和所有组合。

除非特别声明或者从上下文显而易见，本文所使用的术语“约”应被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文是清楚的，本文提供的所有数值受到术语“约”的限定。

现在将详细参考本发明的各种示例性实施方案，其具体示例在附图中示出并在下文进行描述，这是因为本发明的示例性实施方案可以以许多不同的形式进行各种修改。尽管本发明将结合其示例性实施方案进行描述，但是本领域技术人员应理解的是，本说明书不旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替选方式、修改方式、等同方式以及其它的实施方案。贯穿附图，相同的附图标记指代相同的或等同的部分。

图4示出了根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的分隔板；图5A和图5B示出了根据本发明的示例性实施方案的分隔板的冷却水扩散部分；以及图6为沿着图4的线A-A所获取的截面视图。根据本发明示例性实施方案的燃料电池堆的目的是通过改善设置在分隔板上的通道的构造来确保以及改善反应气体和冷却剂的流动，同时保持在图1中示出的常规燃料电池堆的构造。

如图1所示，根据本发明示例性实施方案的燃料电池堆构造为这样的结构，其中，多个单元电池串联连接。单元电池可以包括膜电极组件(MEA)110、气体扩散层(GDL)120、阳极分隔板130a以及阴极分隔板130b。具体地，包括在一个电池中的阳极分隔板130a可以设置为面对包括在相邻电池中的阴极分隔板130b，并且冷却剂可以流到由阳极分隔板130a和阴极分隔板130b限定的空间中，所述阳极分隔板130a和所述阴极分隔板130b在相邻的电池中彼此面对。

进一步地，阳极分隔板130a和阴极分隔板130b中的每一个可以具有这样的结构，其中，用于支撑的底板135a和135b中的相关联的一个与用于流体流动的通道136a和136b中的相关联的一个形成为相继重复。此外，阳极分隔板130a和阴极分隔板130b中的每一个可以在其两个边缘处包括入口歧管131、132和133以及出口歧管(未示出)，所述入口歧管用于引入反应气体和冷却剂。例如，阳极分隔板130a和阴极分隔板130b的一侧各自可以包括引入氢气的氢气入口歧管131、引入冷却水的冷却水入口歧管132以及引入空气(氧气)的空气入口歧管133，如图4中所示。特别地，设置冷却水扩散部分134a和134b以用于允许将从冷却水入口歧管132引入的冷却水引入阳极分隔板130a和阴极分隔板130b之间的空间，由此对冷却水进行分布并且使冷却水扩散到反应表面。

在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a和通道136a与在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b和通道136b可以形成为在彼此间隔的情况下在相同的方向上具有弯曲形状，并且可以在其间形成冷却水的流动的通道。具体地，“弯曲形状”指的是正弦波形式的弯曲形状。该弯曲形状仅仅是正弦波的近似形式，并且阳极分隔板130a和阴极分隔板130b的部件可以以凹凸形状而重复弯曲，如图4所示。

具体地，在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的通道136b可以在相同的方向上形成凹槽。在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的通道136b可以在相对的位置处彼此间隔，由此冷却水流动的通道可以设置在其间。

类似地，在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的通道136a和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b可以在相同的方向上在相对的位置处形成凹槽。具体地，在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的通道136a和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b可以在相对的位置处彼此间隔，由此冷却水流动的通道可以设置在其间。因此，如图4所示，当阳极分隔板130a和阴极分隔板130b堆叠时，各自的冷却水扩散部分134a和134b彼此重叠，并且阳极分隔板130a的底板135a和通道136a与阴极分隔板130b的通道136b和底板135b分别重叠。此外，阳极分隔板130a和阴极分隔板130b可以在设置第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2的区域内彼此保持分隔。

换言之，底板135a和通道136a可以交替并且重复地布置在阳极分隔板130a上，并且底板135b和通道136b可以以与阳极分隔板130a相反的顺序布置在阴极分隔板130b上。也就是说，底板135a可以与通道136a以重复的方式交替；并且底板135b可以与通道136b以重复的方式交替，而与阳极分隔板130a的顺序相反。在设置在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上的底板135a与设置在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上的通道136b之间布置的空间以及在设置在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上的通道136a与设置在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上的底板135b之间布置的空间可以彼此连通以提供冷却水流经的通道。

具体地，第一冷却水流路区域P1可以在底板135a与通道136b之间形成，所述底板135a设置在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上，所述通道136b设置在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上。此外，第二冷却水流路区域P2可以在通道136a与底板135b之间形成，所述通道136a设置在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上，所述底板135b设置在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上。因此，第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2可以形成为在冷却水扩散部分134a和134b的至少一部分内彼此平行。由此，第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2可以形成为彼此平行并且连通，从而形成冷却水可以流经的通道。此时，第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2彼此平行的区域可以设置为靠近冷却水歧管132。

此外，由阳极分隔板130a的通道136a提供的氢气通道区域Hp与由阴极分隔板130b的通道136b提供的空气通道区域Op可以形成为在第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2可以形成为彼此平行的区域内与第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2平行。在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a的宽度La1和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b的宽度Lb1可以大于在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的通道136a的宽度La2和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的通道136b的宽度Lb2，以保持通过第一冷却水流路区域P1和第二冷却水流路区域P2的连通形成的冷却水流经的通道的恒定的横截面积。另外，在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a的宽度La1和在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b的宽度Lb1可以彼此相等。

而且，在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a和通道136a与在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b和通道136b可以形成为在垂直于x方向的y方向上彼此平行，x方向为冷却水歧管132与反应表面之间的最短距离的方向。因此，从冷却水歧管132引入的冷却水可以交替地通过在阳极分隔板130a的冷却水扩散部分134a上形成的底板135a和通道136a以及在阴极分隔板130b的冷却水扩散部分134b上形成的底板135b和通道136b而流动。然后，冷却水可以在阳极分隔板130a和阴极分隔板130b的纵向方向上流向反应表面，该纵向方向同时是x方向以及冷却水歧管132与反应表面之间的最短距离，而冷却水则分布在垂直于x方向的y方向上，并且因此，冷却水可以分布到整个反应表面。因此，与相关技术不同，本发明能够改善冷却水的流动，而无需在通道上形成分隔板时形成阶梯部分。

尽管出于说明的目的已描述了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、增加和删减是可能的，并不脱离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (11)

1.一种燃料电池堆，其中，冷却水流向通过在相邻电池中彼此面对的阳极分隔板和阴极分隔板所限定的空间，所述燃料电池堆包括：

冷却水扩散部分，其设置在阳极分隔板和阴极分隔板的每一个上，以通过将冷却水分布在分隔板的反应表面上而从冷却水歧管引入冷却水；

第一冷却水流路区域，其设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的底板与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的通道之间；以及

第二冷却水流路区域，其设置在形成于阳极分隔板的冷却水扩散部分上的通道与形成于阴极分隔板的冷却水扩散部分上的底板之间，

其中，所述第一冷却水流路区域和所述第二冷却水流路区域在冷却水扩散部分的至少一部分内相互平行。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道在彼此相对的位置处相互间隔的同时，在相同的方向上形成凹槽。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板在彼此相对的位置处相互间隔的同时，在相同的方向上形成凹槽。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板和阴极分隔板的各自的冷却水扩散部分上形成的底板中的每个的宽度大于在阳极分隔板和阴极分隔板的各自的冷却水扩散部分上形成的通道中的相关联的一个通道的宽度。

5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板的宽度与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板的宽度彼此相等。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道的宽度与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的通道的宽度彼此相等。

7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在阳极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板和通道与在阴极分隔板的冷却水扩散部分上形成的底板和通道在与冷却水歧管和反应表面之间的最短距离的方向相垂直的方向上相互平行。

8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，由阳极分隔板的通道提供的氢气通道区域和由阴极分隔板的通道提供的空气通道区域在第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域相互平行的区域内与第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域平行。

9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域相互平行的区域设置为靠近冷却水歧管。

10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，阳极分隔板和阴极分隔板在设置第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域的区域处保持相互分隔。

11.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，从冷却水歧管流向反应表面的冷却水在阳极分隔板和阴极分隔板的纵向方向上从冷却水歧管流向第一冷却水流路区域和第二冷却水流路区域。