CN115088107A - 用于燃料电池的流场板 - Google Patents

Abstract

提供了一种燃料电池堆(100)，其包括在一对燃料电池组件(103a、103b)之间的金属流场板(305)。燃料电池堆(100)包括一对端板(101、102)和盖板(107)。该对燃料电池组件(103a、103b)包括具有阳极面(303a、307a)和阴极面(303b、307b)的第一膜电极组件(303)和第二膜电极组件(307)。金属流场板(305)包括具有用于空气的两个或更多个蛇状第一流动通道(401)的第一表面(305a)和具有用于氢气的一个或多个蛇状第二流动通道(501)的第二表面(305b)。金属流场板(305)防止空气和氢气的交叉，并避免两个单极板的缝焊。

Description

用于燃料电池的流场板

技术领域

本发明总体上涉及一种燃料电池堆，并且更特别地涉及一种燃料电池堆中的金属流场板。

背景技术

燃料电池为通过燃料(即氢气和氧气)之间的反应来发电的电化学设备。在燃料电池中，纯氧气或含有大量氧气的空气与纯氢气或含有大量氢气的燃料反应。氢气可以通过重整碳氢化合物燃料(诸如甲醇)来产生。燃料通过流场板被引导到燃料电池中质子交换膜一侧上的阳极，并且氧气通过另一个流场板被引导到质子交换膜另一侧上的阴极。电化学反应在阳极和阴极处发生，以产生电、水和热量。流场板的设计对于燃料电池的性能至关重要。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍在本发明的具体实施方式中进一步公开的发明构思的实施例的选择。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的范围。

本文公开了在一对燃料电池组件中的金属流场板，其包括第一表面和第一表面后面的第二表面。第一表面包括两个或更多个蛇状第一流动通道，并且第二表面包括一个或多个蛇状第二流动通道，其中第二流动通道通过在第一表面上冲压第一流动通道而形成。

第一流动通道中的每一者接收来自位于第一表面上的两个或更多个第一入口管路的空气，其中两个或更多个第一入口管路可操作地连接到曝气设备的排放口，并从位于第一表面上的两个或更多个第一出口管路排出空气。第二流动通道中的每一者从位于第二表面上的一个或多个第二入口管路接收氢气，并从位于第二表面上的一个或多个第二出口管路排出氢气。金属流场板还包括凹槽，凹槽沿着第一流动通道和第二流动通道的长度形成在第一表面和第二表面中每一者的边缘上，用于容纳一个或多个弹性构件。

第一入口管路和第一出口管路位于金属流场板的第一边缘处。第二入口管路与定位在一对端板上的一个或多个入口歧管接合，并且第二出口管路与定位在一对端板上的一个或多个出口歧管接合。空气和氢气与一对燃料电池组件的每一者中的膜电极组件反应性地接合，用于向电路提供电流。来自第一流动通道的空气朝向燃料电池组件的膜电极组件的阴极表面扩散，并且来自第二流动通道的氢气朝向燃料电池组件的膜电极组件的阳极表面扩散。曝气设备为鼓风机或离心泵。

在实施例中，本文公开了一种燃料电池堆，其包括一对端板、定位在一对端板之间的多个燃料电池组件以及定位成与一对端板的第一边缘接触的盖板。每个端板包括用于氢气的一个或多个入口歧管和一个或多个出口歧管。多个燃料电池组件中的一对燃料电池组件包括一对膜电极组件、定位在一对膜电极组件之间的金属流场板、以及一个或多个弹性构件。弹性构件中的每一者定位在金属流场板的第一表面和第二表面的边缘上的凹槽中，用于密闭反应物。盖板容纳曝气设备。燃料电池堆还包括用于收集燃料组件中产生的电流的一对单极集电板，并且单极集电板中的每一者定位在端板与膜电极组件中的一者之间。

在金属流场板的第一表面上的用于空气的两个或更多个蛇状第一流动通道在金属流场板的背面上产生了用于氢气的一个或多个蛇状第二流动通道。在没有集管的情况下，为氢气和空气两者创建这样的从入口开始并在出口结束的连续竖直蛇状流动路径解决了低温质子交换膜(PEM)燃料电池中水堵塞的问题。设置入口歧管和出口歧管仅用于氢气，而空气通过第一入口管路输送。这样的配置消除了气体在入口处的交叉，因为第一入口管路和第二入口管路彼此远离。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解本发明的前述发明内容以及以下具体实施方式。为了说明本发明，在附图中示出了本发明的示例性构造。然而，本发明不限于本文公开的具体结构和方法。附图中用附图标记表示的结构的描述适用于本文任何后续附图中用相同附图标记表示的结构的描述。

图1A至图1B示例性地示出了燃料电池堆的立体图；

图2示例性地示出了图1A中示例性示出的燃料电池堆的分解视图；

图3示例性地示出了燃料电池堆中的一对燃料电池组件的分解视图；

图4示例性地示出了一对燃料电池组件中的金属流场板的正视图；

图5A至图5B示例性地示出了金属流场板的第一表面和第二表面的放大正视图；

图6示例性地示出了与金属流场板或单极集电板接合的弹性构件的正视图；

图7示例性地示出了燃料电池组件的膜电极组件的正视图；

图8示例性地示出了在前表面上具有两个或更多个流动通道的燃料电池组件的单极集电板的正视图；

图9示例性地示出了在前表面上具有一个或多个流动通道的燃料电池组件的单极集电板的正视图；

图10示例性地示出了燃料电池堆的端板的正视图；

图11A至图11B示例性地示出了燃料电池堆的盖板的立体图；并且

图12A至图12C示例性地示出了壳体和用于将曝气设备定位在图11A至图11B中示例性示出的盖板上的安装装置。

具体实施方式

将燃料和空气引向质子交换膜的流场板的各种设计是可用的。对于低温质子交换膜(PEM)燃料电池而言，流场板的一种这样的设计是要具有两个单个的蛇状通道，它们平行于彼此延伸，使得一个蛇状通道覆盖流场板的一半流动面积，而另一个蛇状通道覆盖流场板的另一半。这两个单个的蛇状通道通过集管连接到PEM燃料电池的入口歧管。流场板的相同设计用于流场板两侧的氢气和空气。双极板以这样的方式制造，使得一侧(阳极侧)上的氢气的流场与另一侧(阴极侧)上的空气/氧气的流场成直角。

然而，当组装具有这样的双极板的电池堆时，一侧上的流场是竖直方向的，而另一侧的流场是水平方向的。当湿润气体(氢气和氧气)通过单个蛇状通道时，由于重力，在水平流场的下部部分观察到水堵塞，而水平流场的上部部分变干，从而对燃料电池的性能产生不利影响。这些问题的出现是由于集管和相互平行延伸的两个单个蛇状通道的存在。因此，需要避免在双极板中发生水堵塞，以防止燃料电池性能的恶化。

此外，由于电化学反应在燃料电池中产生热量，并且必须在冷却剂(例如空气或液体)的帮助下连续地移除所产生的热量，以维持燃料电池的工作温度。低温PEM燃料电池的工作温度大约为-30℃至80℃，而高温PEM燃料电池的工作温度大约为80℃至160℃。如果不保持这个工作温度，膜电极组件可能会发生永久性损坏，从而需要更换膜电极组件。

为了保持燃料电池堆的工作温度，冷却剂需要在电池堆中连续地再循环以保持温度。如果使用空气作为冷却剂，则冷却剂空气与流过流场并冷却电池堆的反应物空气一起被输送。然而，冷却剂与反应物空气一起沿着流场板的这样的递送导致酸从膜电极组件中浸出、碳基材料(诸如气体扩散层)的碳腐蚀、由于CO的存在而导致的催化剂中毒等，从而导致燃料电池性能的下降。为了解决这样的燃料电池性能下降的情况，除了用于反应性空气的入口歧管/通道之外，可以提供单独的歧管/通道来使用空气或任何液体冷却剂。这样的布置可能需要安装额外的部件，增加了PEMFC(质子交换构件燃料电池)的制造和维护成本。因此，需要在PEMFC中循环冷却剂而不降低PEMFC的性能。

此外，流场板的另一种现有设计包括在两个不同的(单极)板上形成用于氢气和空气的流场，并对单极板进行缝焊以获得双极板。然而，流场板两侧的用于氢气和空气的入口和出口几乎彼此靠近，导致密封困难，尤其是在入口和出口处密封困难。入口和出口的不充分密封可能导致气体内燃。

因此，长期以来存在对具有一个或多个双极流场板的燃料电池堆的需求，双极流场板满足冷却剂和反应物的流动，而不增加额外的制造成本，并且使得燃料电池堆易于维护。本主题解决了对允许冷却剂和反应物流动而没有额外成本的双极流场板的上述需求。

图1A至图1B示例性地示出了燃料电池堆100的立体图。燃料电池堆100为产生比单个燃料电池组件更高的电压和电力的多个燃料电池组件103的堆叠布置。燃料电池组件103串联连接以形成燃料电池堆100。在实施例中，可以增加燃料电池组件103的数量以增加燃料电池堆100的输出电压。燃料电池组件为通过一对氧化和还原将氢和氧的化学能转化为电流和热量的电化学电池。在燃料电池组件中，化学反应发生在阳极与电解质之间，以及阴极与电解质之间。在阳极处，氢气被氧化，产生正氢离子和带负电荷的电子。正氢离子行进穿过电解质，并且电子行进穿过外部电路。在阴极处，正氢离子与电子和氧气结合产生水。基于阴极、阳极和电解质的类型，燃料电池组件可以为质子交换膜燃料电池组件、磷酸燃料电池组件、固体酸燃料电池组件、碱性燃料电池等。

如图1A中示例性示出的，这样的多个燃料电池组件103堆叠在一对端板101和102之间，并且盖板107定位在端板101和102上。端板101和102具有用于紧固件106的引导孔，紧固件106例如为螺母和螺栓组件、皮带组件、弹簧组件等，以在燃料电池组件103上施加压力，从而保持燃料电池堆100完整，并防止气体从燃料电池组件103逸出。拧紧紧固件106的扭矩保持一致，以避免气体泄漏。端板101和102还包括一个或多个入口歧管(诸如104)和一个或多个出口歧管(诸如105)。盖板107定位成与端板101和102的第一边缘接触。如图1A中示例性示出的，盖板107容纳曝气设备110，诸如鼓风机。盖板107包括与曝气设备110的排放口可移除地接合的燃料电池堆100的空气入口管109、燃料电池堆100的空气出口管108、以及通过热交换机构将出口管108连接到曝气设备110的排放口用于将空气再循环到燃料电池堆100中的再循环管道111。

如图1B中示例性示出的，曝气设备110容纳在壳体112中，并使用图12A至图12C中示例性示出的安装装置容纳在燃料电池堆100的入口109与出口管108之间。在实施例中，用于氢气的入口歧管104和出口歧管105定位在同一端板上，诸如图1A中示例性示出的102上。在实施例中，用于氢气的入口歧管104和出口歧管105定位在不同的端板上，诸如101和102上，也就是说，入口歧管104在一个端板上，诸如101上，而出口歧管105在另一个端板上，诸如102上。

图2示例性地示出了图1A中示例性示出的燃料电池堆100的分解立体图。如示例性示出的，多个燃料电池组件103使用紧固件106和引导件202在端板101和102之间堆叠在一起。紧固件106和引导件202通过端板101和102中的引导孔201插入。盖板107使用紧固件203(例如螺钉和螺母组件)分别在端板101和102的第一边缘101a和102a处螺纹地附接到端板101和102。引导件202通过引导孔201插入穿过燃料电池堆100的结构确保了燃料电池堆100的刚性和稳定的组装。紧固件106确保燃料电池堆100的结构的充分压缩。

曝气设备110的排放口连接到燃料电池堆100的入口管109。曝气设备110的排放物包括用于燃料电池组件103中的电化学反应的反应性空气和移除燃料电池堆100中产生的热量的冷却剂空气。剩余的反应性空气和热的冷却剂空气到达燃料电池堆100的出口管108，并经由容纳热交换机构的再循环管道111再循环到曝气设备110的排放口。曝气设备110例如为鼓风机，其通过叶轮增加空气的速度和压力，以为燃料电池堆100的电化学反应和冷却供应空气。所供应的空气用作用于燃料电池堆100的每个燃料电池组件中电化学反应的氧气源。氢气通过入口歧管105供应，并且电化学反应后剩余的未反应的氢气和水蒸气通过端板102中的出口歧管105被送出。氢气可以来源于含氢的物质，诸如甲醇、汽油、天然气和水。将不含杂质的纯氢气和氧气加压并注入到燃料电池堆100中。

图3示例性地示出了燃料电池堆100中的一对燃料电池组件103a和103b的分解视图。一对燃料电池组件103a和103b被压缩在一对端板101和102之间。一对燃料电池组件103a和103b包括一对膜电极组件(即第一膜电极组件303和第二膜电极组件307)和金属流场板305，金属流场板305通过设置在膜电极组件303和307两侧的弹性构件302、304、306和308定位在膜电极组件303和307之间。膜电极组件303和307中的每一者为电解质、阳极和阴极的组合。膜电极组件303和307中的每一者包括选择性渗透的质子交换膜、在质子交换膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层、以及在质子交换膜两侧的气体扩散层。质子交换膜传导带正电荷的氢离子，并阻挡带负电荷的电子。阳极催化剂层分别形成膜电极组件303和307的阳极表面303a和307a，并且阴极催化剂层分别形成膜电极组件303和307的阴极表面303b和307b。在膜电极组件303和307的阳极表面303a和307a上，发生氢气氧化反应，将氢气分解成带正电荷的离子和带负电荷的电子。半电池氧化反应表示为：H₂→2H⁺+2e^-。

带正电荷的离子分别穿过膜电极组件303和307到达阴极表面303b和307b。电子沿着外部负载电路行进到膜电极组件303和307的阴极表面303b和307b，从而产生燃料电池组件103a和103b的电流输出。在膜电极组件303和307的阴极表面303b和307b处，氧分子与透过质子交换膜的质子和通过外部电路到达的电子反应，形成水分子。半电池还原反应表示为：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。

分别在膜电极组件303和307的阳极表面303a和307a以及阴极表面303b和307b上，铂催化剂能够分别引发半电池氧化反应和半电池还原反应。气体扩散层定位在膜电极组件303和307的阳极催化剂层和阴极催化剂层上方。气体扩散层有助于氢气和氧气输送到催化剂层中，也有助于移除燃料电池组件103a和103b中产生的水。气体扩散层具有小孔，空气和氢气通过这些小孔向膜电极组件303和307的阴极表面303b和307b以及阳极表面303a和307a扩散。

如示例性示出的，金属流场板305定位在第一膜电极组件303与第二膜电极组件307之间。也就是说，燃料电池堆100中的每个燃料电池组件103a或103b夹在两个金属流场板(诸如305)之间，以与相邻的燃料电池组件分开。金属流场板305的第一表面305a面向第一膜电极组件303的阴极面303b，并且金属流场板305的第二表面305b面向第二膜电极组件307的阳极面307a。金属流场板305朝向膜电极组件303和307在第一表面305a上均匀地分布空气并在第二表面305b上均匀地分布氢气。金属流场板305在两个表面305a和305b上都具有流场，以分别满足氢气和氧气的扩散。流场可以为不同的形状，诸如矩形、三角形、圆形等。两个表面305a和305b上的流动通道构成用于氧气和氢气的流场。在金属流场板305的第一表面305a上设置了两个或更多个蛇状的第一空气流动通道，并且在金属流场板305的第二表面305b上设置了一个或多个蛇状的第二氢气流动通道。金属流场板305的第一流动通道满足燃料电池组件103a中的电化学反应，并且金属流场板305的第二流动通道满足相邻燃料电池组件103b中的电化学反应。具有第一表面305a和第二表面305b的金属流场板305示例性地在图4、图5A和图5B中示出。

弹性构件304和306(例如垫片)定位在金属流场板305与膜电极组件303和307中的每一者之间。图6中示例性示出的弹性构件304和306提供了密封，以防止燃料电池堆100中氢气或氧气的过度泄漏。燃料电池组件103a和103b包括用于收集燃料电池组件103a和103b中产生的电流的一对单极集电板301和309。每个单极集电板301和309在面向膜电极组件303和307的前表面301a和309a上包括用于氧气或氢气的流场。单极集电板301的面向第一膜电极组件303的阳极表面303a的前表面301a类似于金属流场板305的第二氢气流动通道，并且单极集电板309的面向第二膜电极组件307的阴极表面307b的前表面309a类似于金属流场板305的第一氧气流动通道。单极集电板301和309将燃料电池组件103a和103b连接到外部负载。

另一对弹性构件302和308分别定位在燃料电池组件103a和103b的单极集电板301和309与膜电极组件303和307之间。弹性构件或例如垫片302和308在单极集电板301和309的前表面301a和309a与膜电极组件303和307的阳极表面303a或阴极表面307b之间提供机械密封，以防止分别流过单极集电板301和309的流场的氧气或氢气泄漏。

膜电极组件303和307、单极集电板301和309、金属流场板305和弹性构件302、304、306和308中的每一者在它们中的每一者的边缘附近具有引导孔，用于容纳引导件202和紧固件106。穿过引导孔201的紧固件106将膜电极组件303和307、单极集电板301和309、金属流场板305和弹性构件302、304、306和308压在一起。

图4示例性地示出了一对燃料电池组件103a和103b中的金属流场板305的正视图。金属流场板305由第一表面305a和第二表面305b组成。第一表面305a面向第一膜电极组件303的阴极表面303b，并且在第一表面305a的后面的第二表面305b面向第二膜电极组件307的阳极表面307a。第一表面305a包括例如用于空气流动的两个蛇状流动通道401，并且第二表面305b包括用于氢气流动的单个蛇状流动通道501，如图5b中示例性示出的。两个蛇状第一流动通道401开始于两个第一入口管路402处，结束于两个第一出口管路403处，以在第一表面305a上形成用于空气的流场。金属流场板305的第二表面305b上的单个蛇状第二流动通道501开始于第二入口管路405处，结束于第二出口管路406处，从而在第二表面305b上形成用于氢气的流场。第一入口管路402和第一出口管路403在第一表面305a上位于流场板305的第一边缘404处。第二入口管路405和第二出口管路406也在第二表面305b上位于流场板305的第一边缘404附近，如图5b中示例性示出的。

空气流场的第一入口管路402与第一出口管路403之间的空气压力差驱动空气在第一表面305a上流动。类似地，氢气流场的第二入口管路405与第二出口管路406之间的氢气和水蒸气的压力差驱动氢气在第二表面305b上流动。沿着流动通道401和501的长度出现压降，因此，分别在入口管路402和405处供应的空气和氢气分别处于来自曝气设备110和入口歧管104的较高压力下。第一入口管路402连接到燃料电池堆100的入口管109，并且第一出口管路403连接到燃料电池堆100的出口管108。第二入口管路405连接到入口歧管104，并且第二出口管路406连接到定位在端板102上的出口歧管105。第一入口管路402(也称为开放式阴极)接收空气，即反应物空气和冷却剂空气。曝气设备110以预定压力将空气吹到燃料电池组件103上。由于第一入口管路402是开放式的，所以第一入口管路402处的压降最小，并且空气以与预定压力相同的压力在第一流动通道401中流动。冷却剂空气通过强制对流从燃料电池堆100移除热量，并且反应物空气流过第一流动通道401以参与电化学反应。来自第一流动通道401的反应物空气朝向膜电极组件303的阴极表面303b扩散，并且来自第二流动通道501的氢气朝向膜电极组件307的阳极表面307a扩散。

通过冲压在金属流场板305的第一表面305a上形成两个蛇状第一流动通道401，并且这导致在金属流场板305的第二表面305b上形成单个蛇状第二流动通道501。蛇状第一流动通道401和蛇状第二流动通道501迫使反应物(即空气和氢气)流过第一表面305a和第二表面305b的整个活性区域，以消除由于不适当的反应物分布造成的停滞区域。第一表面305a上的蛇状第一流动通道401限制了沿着第一流动通道401的压降，并控制了燃料电池堆100中的水积聚。因为第一流动通道401和第二流动通道501位于金属流场板305的两侧，所以防止了空气和氢气在金属流场板305的入口处交叉。

金属流场板305还包括沿着第一流动通道401和第二流动通道501的长度形成在第一表面305a和第二表面305b的边缘上的凹槽407。凹槽407容纳弹性构件304和306，即垫片。金属流场板305还包括引导孔，诸如201a、201b、……、201f，以容纳穿过它们的紧固件106和引导件202。金属流场板305由不锈钢制成，因此金属流场板305具有高强度、高化学稳定性、显著更低的成本，并且易于大规模生产。在实施例中，金属流场板305还具有例如贵金属的保护涂层，以防止第一表面305a和第二表面305b的腐蚀。

图5A至图5B示例性地示出了金属流场板305的第一表面305a和第二表面305b的放大正视图。图5A中示例性示出的第一表面305a示出了具有两个第一入口管路402的两个蛇状第一流动通道401。第一入口管路402的宽度与第一流动通道401的宽度相同，因此从第一入口管路402到第一流动通道401的反应物空气中存在最小压降。两个蛇状第一流动通道401邻接，彼此平行延伸，并终止于第一出口管路403。

图5B中示例性示出的第二表面305b示出了具有第二入口管路405的单个蛇状第二流动通道501。第二入口管路405为金属流场板305中的孔口，其连接到燃料电池堆100的入口歧管104。类似地，用于氢气的第二出口管路406为金属流场板305中位于第二表面305b上的第一边缘404处的孔口，其连接到燃料电池堆100的出口歧管105。没有用于第一流动通道401和第二流动通道501的集管。空气和氢气通过第一流动通道401和第二流动通道501的流动可以是层流或湍流。

金属流场板305由于金属流场板305两侧上的流场而被称为双极板。第一流动通道401通过在第一表面305a上冲压形成。第一流动通道401为金属流场板305的第一表面305a上的一定深度的凹陷，这导致第二表面305b上的浮凸的金属。在第二表面305b上的浮凸的金属之间，形成具有与第一流动通道401相同的深度的蛇状第二流动通道501。因此，在第一表面305a上形成两个第一流动通道401导致在第二表面305b上形成单个第二流动通道501。因此，制造金属流场板305的过程简单且不费力。

图6示例性地示出了与金属流场板305或单极集电板301和309接合的弹性构件如302、304、306和308的正视图。弹性构件302、304、306和308例如为垫片。弹性构件304和306分别容纳在金属流场板305的第一表面305a和第二表面305b上的凹槽407中。类似地，弹性构件302和306分别容纳在单极集电板301和309的凹槽(未示出)中。弹性构件302、304、306和308防止氢气和空气泄漏，也就是说，当燃料电池组件103被压缩时，弹性构件302、304、306和308提供反应物密闭性。弹性构件302、304、306和308还为燃料电池堆100提供抗振动和抗冲击能力，并且当在燃料电池堆100中被压缩时，防止如图3中示例性示出的部件(诸如301a、303、305、307和309)的机械结合。弹性构件302、304、306和308由具有更大的可压缩性和良好的密封性能的材料(诸如硅、PTFE、EPDM橡胶等)制成。弹性构件304和306密封金属流场板305的非活性区域，并将金属流场板305的活性区域暴露给膜电极组件303和307。活性区域为包括金属流场板305上的入口管路402和405以及出口管路403和406的流场。在单极集电板301和309上，弹性构件302和308密封非活性区域并将活性区域暴露给膜电极组件303和307。弹性构件302、304、306和308可以为预先切割形式或者可以就地形成。在组装燃料电池堆100时，可通过活化和暴露于辐射来固化就地形成型弹性构件。弹性构件302、304、306和308还包括多个引导孔，诸如201g和201h，这些引导孔类似于金属流场板305的引导孔201a、201b、……、201f并与其对齐，以容纳引导件202和紧固件106，从而保持燃料电池堆100的结构完整。弹性构件302、304、306和308是不导电的，并在金属流场板305与膜电极组件303和307之间，以及单极集电板301和309与膜电极组件303和307之间提供电绝缘。

图7示例性地示出了燃料电池组件(例如103a和103b)的膜电极组件(诸如303和307)的正视图。例如，膜电极组件303为燃料电池堆100中的燃料电池组件103a的中心元件，弹性构件302和304以及流场围绕其设计和定位。在膜电极组件303中，电解质、电极(即阳极面和阴极面)以及反应物(氧气和氢气)都进行接触。由于使用环境空气代替纯氧气，可用于电化学反应的氧气量较少，因此，膜电极组件303较薄，以降低燃料电池组件103a中的电阻。此外，膜电极组件303中的阳极面303a和阴极面303b上的催化剂层降低了膜电极组件303的成本。膜电极组件303优化了燃料电池堆100的便携式应用和固定应用的效率。膜电极组件303允许质子传输，同时在约20℃至约80℃的较低温度下阻挡反应物，即氢气和氧气。

金属流场板305和单极集电板301的活性区域暴露于膜电极组件303的阳极面303a和阴极面303b。来自单极集电板301的流动通道的氢气朝向膜电极组件303的阳极面303a扩散，并且来自金属流场板305的流动通道401的氧气朝向膜电极组件303的阴极表面303b扩散，以在膜电极组件303中进行电化学反应。电化学反应的副产物通过金属流场板305上的出口管路403和405朝向出口管108和出口歧管105扩散。如示例性示出的，类似于弹性构件301、304、306和308，膜电极组件303也具有与金属流场板305的引导孔201a、201b、……、201f对齐的引导孔，诸如201i，以容纳紧固件106和引导件202。

图8示例性地示出了燃料电池堆100的具有两个或更多个流动通道(诸如前表面309a上的801)的单极集电板309的正视图。流动通道801从两个入口管路802延伸到两个出口管路803。两个入口管路802和两个出口管路803与金属流场板305的两个第一入口管路402和两个第一出口管路403在结构上相似，相一致，并且起到相同的功能。前表面309上的流动通道801面向膜电极组件307的阴极面307b。类似于金属流场板305的第一表面305a，流动通道801携带用于膜电极组件307处的半电池反应的氧气。在单极集电板309的前表面309a后面的后表面是平坦的，并靠置在燃料电池堆100的端板102上。单极集电板309还包括沿着单极集电板309周边的凹槽804，用于容纳弹性构件308。单极集电板309具有从侧面延伸的支撑把手805，以便于将燃料电池堆100连接到外部电路，从而从燃料电池堆100汲取电流。单极集电板309还包括引导孔(诸如201j和201k)，以与紧固件106和引导件202接合，从而保持燃料电池堆100完整。

图9示例性地示出了燃料电池堆100的单极集电板301的正视图，单极集电板301的前表面301a上具有一个或多个流动通道，诸如901。流动通道901从入口管路902延伸至出口管路903。入口管路902和出口管路903与金属流场板305的第二入口管路405和第二出口管路406在结构上相似，相一致，并且起到相同的功能。前表面301a上的流动通道901面向膜电极组件303的阳极面303a。类似于金属流场板305的第二表面305b，流动通道901携带用于膜电极组件303处的半电池反应的氢气。在单极集电板301的前表面301a后面的后表面是平坦的，并且靠置在燃料电池堆100的端板101上。单极集电板301还包括沿着单极集电板301周边的凹槽904，用于容纳弹性构件302。单极集电板301具有从一侧延伸的支撑把手905，以便于燃料电池堆与外部电路的连接。将连接到单极集电板301和309的外部电路中的电流(安培)、电压、频率和其他电流特性调节成适应燃料电池堆100的电应用需求。单极集电板301还包括引导孔，诸如201l，以与紧固件106和引导件202接合，从而保持燃料电池堆100完整。

图10示例性地示出了燃料电池堆100的端板(例如101)的正视图。端板101为燃料电池堆100提供机械支撑。金属流场板305、膜电极组件303和307、单极集电板301和309以及端板101和102在燃料电池堆100中彼此平行。端板101和102是坚固的，以支撑燃料电池堆100，并将压力均匀地分布到燃料电池堆100中的燃料电池组件103上。端板101和102具有相当高的抗压强度、抗振动和抗冲击能力，并且在大约20℃到大约80℃的低温下是稳定的。用于端板101和102的材料可以为不锈钢、铝、钛、镍、聚乙烯、聚氯乙烯等。位于燃料电池堆100另一端的端板102具有用于燃料电池堆100中氢气的入口歧管104和出口歧管105。端板102中的入口歧管104连接到单极集电板301的入口管路902和金属流场板305的入口管路405，并且端板102中的出口歧管105连接到单极集电板301的出口管路903和金属流场板305的出口管路406。入口歧管104经由外部导管连接到阀，以向燃料电池堆100供应测定量的氢气。燃料电池堆100中未使用的加热氢气通过出口歧管105排出。出口歧管105可以连接到外部导管，外部导管连接到阀、热交换器和任何其他期望的电厂辅机部件，以利用喷射的水蒸气。图2所示的引导件202通过端板101和102中的引导孔201插入。

图11A至图11B示例性地示出了燃料电池堆100的盖板107的立体图。盖板107搁置在端板101和102的第一边缘101a和102a上，并容纳曝气设备110。曝气设备110的排放口1101连接到燃料电池堆100的空气入口管109。反应物空气和冷却剂空气通过空气入口管109到达燃料电池堆100中的燃料电池组件103。空气中的氧气参与燃料电池堆100中的电化学反应。化学计量量的反应物空气和冷却剂空气被曝气设备110吹入入口管109，以与通过入口歧管104进入的测定量的氢气反应。由于电化学反应为放热反应，所以燃料电池组件103中产生的热量被传递到金属流场板305、单极集电板301和309以及膜电极组件303和307。电化学反应中产生的水蒸气吸收一些热量，并且活性冷却剂，诸如通过金属流场板305中的第一流动通道401进给到燃料电池堆100的冷却剂空气吸收燃料电池组件103中的剩余热量。来自燃料电池组件103的热空气和水蒸气一起被收集在出口管109中。热空气和水蒸气中的热量通过安装在再循环管道111中的外部热交换器提取。热空气在热交换器中与流体交换热量，然后热空气的温度降低到室温。室温下的空气在曝气设备110的排放口1101处与环境空气混合，并经由空气入口管109供应到燃料电池堆100。水蒸气中的水含量可以用于使空气入口管109处的空气湿润。与入口管109处的空气相比，入口歧管104处的氢气以更高的压力被泵送。这防止了反应物的交叉并提高了燃料电池组件的稳定性。

图12A至图12C示例性地示出了壳体1201和用于将曝气设备110定位在图11A至图11B中示例性示出的盖板107上的安装装置(诸如1202和1203)。曝气设备110容纳在壳体1201中，并且壳体由安装装置支撑。安装装置包括夹具1202和夹具垫片1203，它们经由诸如螺母和螺栓的紧固件附接到壳体1201。燃料电池堆100的性能取决于反应物气体、氢气和空气的压力。曝气设备110(诸如鼓风机)确保曝气设备110的排放口1101处的空气压力大约为环境大气压力的2至4倍。调整曝气设备110的风扇速度以改变供应到燃料电池组件103的空气流量。进入燃料电池堆100的化学计量的氧气的量由控制器操控，控制器调节曝气设备的电功率，从而控制压缩和进入燃料电池堆100的空气流。

在实施例中，加湿器也包括在膜电极组件(诸如燃料组件103的303和307)中。在加湿器中，由于来自入口管109的空气可能是干燥的，所以干燥入口空气在加湿器一侧流动而获得湿润空气。在实施例中，加湿器可以为曝气设备110的一部分，并且可以在燃料电池堆100的入口管109处供应湿空气。湿空气与膜电极组件303和307相互作用，从而由于干燥的质子交换膜而不会影响燃料电池堆100的性能。

燃料电池堆100是便携式的，并且可以用作备用发电机。燃料电池堆100提供了延长的运行时间、高可靠性、高效率和减少的环境影响。燃料电池堆100可以作为主电源或备用电源用于笔记本电脑、军用设备、电池充电器、车辆等。燃料电池堆100在电池技术方面提供了如下技术进步：燃料电池堆100将化学势能直接转化为电能。这样的燃料电池堆100在电动车辆中实施时充当主要电源，并且是高效的，因为它避免了通常在内燃机车辆中出现的热瓶颈。这样的电动车辆的排放物只有水蒸气和少量的热量。还使用外部热交换器从燃料电池组件103中提取热量。燃料电池堆100是高效的，因为废气仅仅是来自燃料电池堆100的水蒸气和热量，而不是对环境有害的温室气体。燃料电池堆100没有移动零件，因此比传统的内燃机可靠得多。供应到燃料电池堆100的反应物为氢气和空气，并且氢气可以以环境友好的方式产生，这与用于内燃机的油提取和精炼相反。

设置燃料电池堆100的入口歧管104和出口歧管105仅用于氢气，而氧气经由开放式阴极供应，因此防止了反应物的交叉。对于金属流场板305的两个表面305a和305b，弹性构件302、304、306和308的设计是相同且简单的。燃料电池堆100的冷却是通过简单安装曝气设备110(诸如鼓风机)来实现的。冷却剂空气经由与反应物空气相同的流动通道输送，从而保持金属流场板305的设计简单且重量轻。由于金属流场板305的两个表面305a和305b上的蛇状流动通道401和501，消除了燃料电池堆100中的积水问题。蛇状流动通道401和501向下推动截留在膜电极组件(诸如303)的阴极面中的水滴。蛇状流动通道401和501将反应物均匀地分布在膜电极组件303上，从而提高了燃料电池堆100的效率。由于在金属流场板305的两侧有两个流场，所以避免了两个板的缝焊，从而减小了燃料电池堆100的重量和尺寸。使用引导件202和引导孔201组装这样的燃料电池堆100的方法也很简单。

Claims (14)

1.一对燃料电池组件(103a、103b)中的金属流场板(305)，所述金属流场板(305)包括：

第一表面(305a)，所述第一表面(305a)包括两个或更多个蛇状第一流动通道(401)，其中所述两个或更多个蛇状第一流动通道(401)中的每一者：

从位于所述第一表面(305a)上的两个或更多个第一入口管路(402)接收空气，其中所述两个或更多个第一入口管路(402)可操作地连接到曝气设备(110)的排放口(1101)，并且

从位于所述第一表面(305)上的两个或更多个第一出口管路(403)排出空气；和

第二表面(305b)，所述第二表面(305b)在所述第一表面(305a)的后面，包括通过在所述第一表面(305a)上冲压形成的一个或多个蛇状第二流动通道(501)，其中所述一个或多个蛇状第二流动通道(501)中的每一者：

从位于所述第二表面(305b)上的一个或多个第二入口管路(405)接收氢气，并且

从位于所述第二表面(305b)上的一个或多个第二出口管路(406)排出氢气。

2.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，还包括凹槽(407)，所述凹槽(407)沿着所述两个或更多个蛇状第一流动通道(401)和所述一个或多个蛇状第二流动通道(501)的长度形成在所述第一表面(305a)和所述第二表面(305b)中的每一者的边缘上，用于容纳一个或多个弹性构件(304、306)。

3.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，其中所述两个或更多个第一入口管路(402)和所述两个或更多个第一出口管路(403)位于所述金属流场板(305)的第一边缘(404)处。

4.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，其中所述一个或多个弹性构件(304和306)中的每一者为预先切割形式以及通过在组装所述一对燃料电池组件(103a和103b)期间利用活化和暴露于辐射来固化而就地形成中的一种。

5.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，

其中所述一个或多个第二入口管路(405)与定位在一对端板(102)上的一个或多个入口歧管(104)接合，并且

其中所述一个或多个第二出口管路(406)与定位在所述一对端板(102)上的一个或多个出口歧管(105)接合。

6.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，其中空气和氢气与所述一对燃料电池组件(103a、103b)中的每一者中的膜电极组件(303和307)反应性地接合，用于向电路供应电流。

7.根据权利要求6所述的金属流场板(305)，其中：

来自所述两个或更多个蛇状第一流动通道(401)的空气朝向所述燃料电池组件(103a)的所述膜电极组件(303)的阴极表面(303b)扩散，并且

来自所述一个或多个蛇状第二流动通道(501)的氢气朝向所述燃料电池组件(103b)的所述膜电极组件(307)的阳极表面(307a)扩散。

8.根据权利要求1所述的金属流场板(305)，其中所述曝气设备(110)为鼓风机和离心泵中的一者。

9.一种燃料电池堆(100)，包括：

一对端板(101、102)，所述一对端板(101、102)中的每一者包括用于氢气的一个或多个入口歧管(104)和一个或多个出口歧管(105)；

定位在所述一对端板(101、102)之间的多个燃料电池组件(103)，其中所述多个燃料电池组件(103)中的一对燃料电池组件(103a、103b)包括：

一对膜电极组件(303、307)，第一膜电极组件(303)和第二膜电极组件(307)中的每一者包括阳极面(303a、307a)和阴极面(303b、307b)；

定位在所述第一膜电极组件(303)与所述第二膜电极组件(307)之间的金属流场板(305)，所述金属流场板(305)包括：

第一表面(305a)，所述第一表面(305a)包括空气的两个或更多个蛇状第一流动通道(401)，所述两个或更多个蛇状第一流动通道(401)面向所述第一膜电极组件(303)的所述阴极面(303b)，和

第二表面(305b)，所述第二表面(305b)在所述第一表面(305a)的后面，包括氢气的一个或多个蛇状第二流动通道(501)，所述一个或多个蛇状第二流动通道(501)面向所述第二膜电极组件(307)的所述阳极面(307a)，和

盖板(107)，所述盖板(107)可移除地附接到所述一对端板(101、103)的第一边缘(101a、101b)，用于容纳曝气设备(110)。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，其中所述金属流场板(305)还包括凹槽(407)，所述凹槽(407)沿着所述两个或更多个蛇状第一流动通道(401)和所述一个或多个蛇状第二流动通道(501)的长度形成在所述第一表面(305a)和所述第二表面(305b)中的每一者的边缘上，所述凹槽(407)用于容纳一个或多个弹性构件(304、306)，其中所述一个或多个弹性构件(304、306)中的每一者定位在所述金属流场板(305)的所述第一表面(305a)和所述第二表面(305b)中的每一者的所述边缘上的所述凹槽(407)中，用于密闭反应物。

11.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，还包括用于收集在所述多个燃料电池组件(103)中产生的电流的一对单极集电板(301、309)，其中所述一对单极集电板(301、309)中的每一者定位在端板(101、102)与所述第一膜电极组件(303)或所述第二膜电极组件(307)中的一者之间。

12.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，其中多个紧固件(106)和引导件(202)将所述一对端板(101、102)、所述多个燃料电池组件(103)和所述一对单极集电板(301、309)压缩在一起。

13.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，其中所述盖板(107)包括：

所述燃料电池堆(100)的空气入口管(109)，所述空气入口管(109)与所述曝气设备(110)的排放口(1101)可移除地接合，

所述燃料电池堆(100)的空气出口管(108)，所述空气出口管(108)与所述金属流场板(305)接合，和

再循环管道(111)，所述再循环管道(111)通过热交换机构将所述空气出口管(108)连接到所述曝气设备(110)的所述排放口(1101)，用于所述燃料电池堆(100)中的空气的再循环。

14.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，其中所述弹性构件(304和306)中的每一者为预先切割形式以及通过在组装所述燃料电池堆(100)期间利用活化和暴露于辐射来固化而就地形成中的一种。

Images