CN115136366A - 具有双极流场板的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

提供了一种燃料电池堆(100)，其包括位于一对燃料电池组件(103a、103b)之间的双极流场板(305)。所述燃料电池堆包括一对端板(101、102)和多个燃料电池组件。一对燃料电池组件包括一对膜电极组件和所述双极流场板。第一膜电极组件(304)和第二膜电极组件(308)具有阳极面(304b、308b)和阴极面。所述双极流场板包括具有用于反应物空气的蛇状第一流动通道(401)的前表面(306b)和具有用于氢气的蛇状第二流动通道(501)的第二表面(306a)，以及在所述前表面上用于冷却剂空气的多个冷却剂翅片(404、405、406和407)。所述双极流场板防止反应物空气和氢气的交叉，并避免两个单极板的缝焊。

Description

具有双极流场板的燃料电池堆

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双极流场板。

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。纯氧气或含有大量氧气的空气在燃料电池中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的一侧上的阳极，并且氧气通过另一个流场板被引导到质子交换膜的另一侧上的阴极。电化学反应在阳极和阴极处发生，以产生电、水和热。然而，流场板占燃料电池成本的60％，并且流场板的优化设计对于燃料电池的性能至关重要。

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概述以及以下详细描述。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示出的结构的描述。

图1A至图1B示例性地例示出燃料电池堆的透视图；

图2示例性地例示出图1A中示例性例示出的燃料电池堆的分解透视图；

图3示例性地例示出燃料电池堆中的一对燃料电池组件的实施例的分解视图；

图4示例性地例示出图3中示例性例示出的一对燃料电池组件中的双极流场板的前透视图；

图5示例性地例示出图4中示例性例示出的双极流场板的后表面的正视图；

图6示例性地例示出双极板的放大的局部前透视图，其示出了多个旁路凹槽；

图7示例性地例示出双极板的放大的局部前透视图，其示出了止动肋；

图8示例性地例示出容纳在双极板或集电板的凹槽中的弹性构件的正视图；

图9示例性地例示出膜电极组件的正视图；

图10示例性地例示出燃料电池堆的集电板的正视图；

图11A至图11B示例性地例示出燃料电池堆的端板的前表面和后表面的正视图；和

图12A至图12B示例性地例示出燃料电池堆的另一端板的前表面和后表面的正视图。

具体实施方式

将燃料和空气引导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燃料电池(PEMFC)，流场板的一种这样的设计是要具有两个单蛇状通道，它们彼此平行延伸，使得一个蛇状通道覆盖流场板的流动面积的一半，而另一个蛇状通道覆盖流场板的另一半。这两个单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，当用这样的双极板组装电池堆时，一侧上的流场是竖直方向的，而另一侧上的流场是水平方向的。当加湿气体(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，从而影响燃料电池的性能。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，并且所产生的热量必须在冷却剂(例如空气或液体)的帮助下被连续地移除，以维持燃料电池的工作温度。低温PEMFC的工作温度大约为-30℃至-80℃，而高温PEMFC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，从而膜电极组件需要更换。

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，则将冷却剂空气随反应物空气一起输送，冷却剂空气流过流场并冷却电池堆。然而，冷却剂随反应物空气一起沿着流场板的这样的通过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，导致燃料电池的性能下降。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板(单极)上形成用于氢气和空气的流场，并缝焊所述单极板以获得双极板。然而，流场板两侧上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的内部燃烧。

加湿在低温PEM燃料电池中起着重要的作用，因为质子交换膜需要水含量来将H+离子从阳极转移到阴极。加湿入口气体将为这种转移提供必要的水含量。然而，在这个过程期间，由于水的冷凝，有时可能会在流动通道中发生水堵塞。水堵塞阻碍了进入的反应物通过流场的其余部分，从而使燃料电池堆中的特定电池不起作用。此外，当燃料电池在燃料电池堆中被过度压缩时，低温和高温PEM燃料电池中的气体扩散层(GDL)可能发生破裂。破裂的GDL阻塞了流动通道，从而不允许反应物通过流场的其余部分。

因此，长期以来感觉存在对一种具有一个或多个双极流场板的燃料电池堆的需求，该燃料电池堆满足了冷却剂和反应物的流动，而又不增加燃料电池堆的制造和维护的额外成本。本主题解决了对允许冷却剂和反应物的流动而没有额外成本的双极流场板的上述需求。

公开了一种一对燃料电池组件中的双极流场板。所述双极流场板包括：前表面，其包括在用于反应物空气的空气入口集管与空气出口集管之间延伸的蛇状的至少一个第一流动通道。所述双极流场板还包括：后表面，其包括在用于氢气的氢气入口集管与氢气出口集管之间延伸的蛇状的至少一个第二流动通道。所述第一流动通道中的每一者包括用于绕过所述第一流动通道的一个或多个分段的多个第一旁路凹槽。所述第二流动通道中的每一者包括用于绕过所述第二流动通道的一个或多个分段的多个第二旁路凹槽。

所述双极流场板还包括：用于冷却空气的多个冷却剂翅片，所述多个冷却剂翅片在所述前表面和所述后表面上形成在所述空气入口集管、所述空气出口集管、所述氢气入口集管与所述氢气出口集管之间。所述双极流场板还包括：形成在所述前表面和所述后表面中的每一者的边缘上的止动肋，用于防止弹性构件的过度压缩。所述弹性构件被容纳于在所述前表面和所述后表面中的每一者上平行于所述止动肋形成的凹槽中。

所述空气入口集管和所述空气出口集管与所述氢气入口集管和所述氢气出口集管共线或垂直。所述空气入口集管、所述空气出口集管和所述多个冷却剂翅片与曝气设备的排放口接合。所述氢气入口集管和所述氢气出口集管与一对端板上的用于氢气的入口歧管和出口歧管接合。所述反应物空气和氢气与所述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，用于向电路供应电流。来自所述蛇状的第一流动通道的所述反应物空气向所述膜电极组件的阴极表面扩散，并且来自所述蛇状的第二流动通道的氢气向所述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，本文公开的燃料电池堆包括所述：一对端板和位于所述一对端板之间的所述多个燃料电池组件。所述一对端板在外表面上容纳所述曝气设备、用于氢气的所述入口歧管和所述出口歧管。所述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和双极流场板。第一膜电极组件和第二膜电极组件中的每一者都包括阳极面和阴极面。所述双极流场板定位在所述第一膜电极组件与所述第二膜电极组件之间。

所述燃料电池堆还包括用于收集在所述多个燃料电池组件中产生的电流的一对集电板，其中，每个集电板定位在端板与所述第一膜电极组件或所述第二膜电极组件之间。多个紧固件将所述一对端板、所述多个燃料电池组件和所述一对集电板压缩在一起。下面参考附图对详细描述进行描述。

图1A至图1B示例性地例示出燃料电池堆100的透视图。燃料电池堆100为产生比单个燃料电池组件更高的电压和动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。燃料电池组件为电化学电池，其通过一对氧化和还原而将氢气和氧气的化学能转化为电流和热量。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生成水。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(PEM)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中示例性例示出的，这样的多个燃料电池组件103堆叠在一对端板101和102之间。端板101和102具有用于紧固件107的引导孔，紧固件107例如为拉杆、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，从而完整地压缩燃料电池堆100，并防止气体从燃料电池组件103中逸出。拧紧紧固件107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(诸如用于氢气的104)、一个或多个出口歧管(诸如用于反应物空气的105、用于氢气的114，其在图1B中示例性例示出)，以及用于反应物空气和冷却剂空气的入口导管106和用于冷却剂空气的出口导管110，其在图1B中示例性例示出。如图1A中示例性例示出的，端板101容纳曝气设备108，诸如鼓风机。入口导管106位于端板101的中心，并接收曝气设备108的排放口。燃料电池堆100的反应物空气和冷却剂空气的入口导管106与曝气设备108的排放口可移除地接合。来自入口导管106的反应物空气经由入口管道109被供给到燃料电池组件103。

如图1B中示例性例示出的，端板102包括用于冷却剂空气的出口导管110、用于氢气的入口歧管104和用于反应物空气的出口歧管105。出口导管110经由再循环管道111通过热交换机构连接到入口导管106，用于将冷却剂空气再循环到燃料电池堆100中。在再循环管道111中，入口歧管112和出口歧管113被连接用于冷却剂流体与来自出口导管110的冷却剂空气进行热交换。曝气设备108容纳在壳体115中。曝气设备108由两侧的支架116支撑，以将其定位在直立位置并位于端板101的中心。在实施例中，用于氢气的入口歧管104和出口歧管114定位在同一端板上，诸如102上。在实施例中，用于氢气的入口歧管104和出口歧管114可以定位在不同的端板上，诸如101和102上。紧固件10(诸如拉杆)穿过存在于端板101和102以及燃料电池组件103上的引导孔，并且螺母拧紧在拉杆的螺纹上，以将燃料电池组件103压缩在一起。由于紧固件107，燃料电池堆100具有对燃料电池组件103的密集包装。

图2示例性地例示出图1A中示例性例示出的燃料电池堆100的分解透视图。如示例性示出的，多个燃料电池组件103使用紧固件107在端板101和102之间堆叠在一起。紧固件107穿过端板101和102中的引导孔201。支架116被螺纹附接到端板101上，以将入口导管106居中地安装在端板101的外表面上。使用紧固件107，例如螺钉和螺母组件，将出口导管110居中地定位在端板102的外表面上。紧固件107(即拉杆和螺母)穿过贯穿燃料电池堆100结构的引导孔201的插入确保了燃料电池堆100的正确组装。紧固件107确保燃料电池堆100结构的充分压缩。

曝气设备108的排放口连接到燃料电池堆100的入口导管106。曝气设备108的排放口包括用于燃料电池组件103中的电化学反应的反应物空气和用于移除燃料电池堆100中产生的热量的冷却剂空气。来自入口导管106的反应物空气经由入口管道109被供给到燃料电池组件103。剩余的未反应的反应物空气经由出口歧管105离开燃料电池堆100。提取来自燃料电池组件103的热量的热冷却剂空气与水蒸气一起到达燃料电池堆100的出口导管110，并经由容纳热交换机构的再循环管道111再循环到入口导管106。例如，曝气设备108包括鼓风机，鼓风机使通过叶轮的空气的速度和压力增大以供应空气，用于燃料电池堆100的电化学反应和冷却。供应的空气作为用于燃料电池堆100的每个燃料电池组件中电化学反应的氧气源。氢气通过端板102中的入口歧管104供应，并且电化学反应后剩余的未反应的氢气通过端板101中的出口歧管114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。不含杂质的纯氢气和氧气被加压并注入燃料电池堆100。

图3示例性地例示出燃料电池堆100中的一对燃料电池组件103a和103b的分解透视图。这对燃料电池组件103a和103b被压缩在这对端板101和102之间。这对燃料电池组件103a和103b包括一对膜电极组件(即第一膜电极组件304和第二膜电极组件308)和定位在膜电极组件304和308之间的双极流场板306。膜电极组件304和308中的每一者为电解质、阳极和阴极的组合。膜电极组件304和308中的每一者包括选择性渗透的质子交换膜、位于质子交换膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层，以及位于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。阴极催化剂层分别形成膜电极组件304和308的阴极表面304a和308a。阳极催化剂层分别形成膜电极组件304和308的阳极表面304b和308b。在膜电极组件304和308的阳极表面304b和308b上，发生氢氧化反应，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^-。

带正电的离子分别穿过膜电极组件304和308到达阴极表面304a和308a。电子沿着外部负载电路行进到膜电极组件304和308的阴极表面304a和308a，从而产生燃料电池组件103a和103b的电流输出。在膜电极组件304和308的阴极表面304a和308a处，氧分子与透过质子交换膜的质子和通过外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304和308的阳极表面304b和308b以及阴极表面304a和308a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304和308的阳极催化剂层和阴极催化剂层之上。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，反应物空气和氢气通过这些小孔向膜电极组件304和308的阴极表面304a和308a以及阳极表面304b和308b扩散。

如示例性说明的，双极流场板306定位在第一膜电极组件304与第二膜电极组件308之间。双极流场板306后侧朝上地定位在燃料电池堆100中。双极流场板306的后表面306a面向第一膜电极组件304的阳极面304b，并且双极流场板306的前表面306b面向第二膜电极组件308的阴极面308a。双极流场板306分别朝向膜电极组件308和304均匀地分配前表面306b上的反应物空气和后表面306a上的氢气。双极流场板306在两个表面306a和306b上都具有流场，以分别满足氢气和氧气的扩散。流场可以具有不同的形状，诸如矩形、三角形、圆形等。两个表面306a和306b上的流动通道分别构成氢气和氧气的流场。在双极流场板306的前表面306b上，形成反应物空气的蛇状的至少一个第一流动通道，并且在双极流场板306的后表面306a上，形成氢气的蛇状的至少一个第二流动通道。双极流场板306的第一流动通道满足燃料电池组件103b中的电化学反应，并且双极流场板306的第二流动通道满足相邻燃料电池组件103a中的电化学反应。在图3、图4和图5中示例性例示出具有前表面306b和后表面306a的双极流场板306。

弹性构件305，例如垫圈，定位在双极流场板306与膜电极组件304之间。弹性构件307，例如垫圈，定位在双极流场板306与膜电极组件308之间。图8中示例性例示出的弹性构件305和307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集电板301和311。集电板301和311将燃料电池组件103a和103b连接到外部负载。一对单极板302和310分别靠着单极板302和单极板310定位。每个单极板302和310在面对膜电极组件304和308的前表面302b和后表面310a上包括用于氧气或氢气的流场。单极板302的前表面302b(面向第一膜电极组件304的阴极表面304a)类似于双极流场板306的氧气的第一流动通道，而单极板310的后表面310a(面向第二膜电极组件308的阳极表面308b)类似于双极流场板306的氢气的第二流动通道。

另一对弹性构件303和309分别位于燃料电池组件103a和103b的单极板302和310与膜电极组件304和308之间。弹性构件303在单极板302的前表面302b与膜电极组件304的阴极表面304a之间提供机械密封。弹性构件309在单极板310的前表面310a与膜电极组件308的阳极表面308b之间提供机械密封，以防止分别流过单极板302和310的流场的氧气或氢气的泄漏。

膜电极组件304和308、单极板302和310、集电板301和311、双极流场板306和弹性构件303、305、307和309中的每一者在它们中的每一者的边缘附近具有引导孔，用于容纳紧固件107。穿过引导孔201的紧固件107将膜电极组件304和308、单极板302和310、集电板301和311、双极流场板306和弹性构件303、305、307和309压缩在一起。

图4示例性地例示出一对燃料电池组件103a和103b之间的双极流场板306的前透视图。前表面306b面向第二膜电极组件308的阴极表面308a，前表面306b后面的后表面306a面向第一膜电极组件304的阳极表面304b。前表面306b包括多个流动通道，例如用于反应物空气流动的四个蛇状流动通道401，并且后表面306a包括多个流动通道，例如用于氢气流动的四个蛇状流动通道501，如图5中示例性例示出的。四个蛇状第一流动通道401从空气入口集管402向上延伸到空气出口集管403，在前表面306b上形成用于反应物空气的流场。空气入口集管402位于双极流场板306的第一边缘306c附近，并且空气出口集管403在前表面306b上位于双极流场板306的第二边缘306d附近。空气入口集管402和空气出口集管403为前表面306b上的通孔。空气入口集管402连接到燃料电池堆100的入口导管106，并且空气出口集管403连接到燃料电池堆100的出口导管110。反应物空气流场的空气入口集管402与空气出口集管403之间的反应物空气的压力差驱动反应物空气在前表面306b上流动。

曝气设备108将反应物空气和冷却剂空气以预定压力吹到燃料电池组件103上。冷却剂空气流过形成在双极流场板306的前表面306b和后表面306a上的冷却剂翅片404、405、406和407。冷却剂空气从入口导管106越过冷却剂翅片404、405、406和407流向出口导管110，并通过强制对流从燃料电池堆100中移除热量。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的反应物空气向膜电极组件308的阴极表面308a扩散。第一流动通道401还包括用于绕过第一流动通道401的一个或多个分段409的第一旁路凹槽408。第一流动通道401为双极流场板306的前表面306b上的预定深度的凹陷，这导致沿着第一流动通道401的长度的凸起边缘。第一旁路凹槽408为间断地形成在第一流动通道401的凸起边缘上的通道。在第一流动通道401中的一者中流动的反应物空气可以绕过第一流动通道的在旁路凹槽(诸如408)下方的分段，并且流入前表面306b上的连续的第一流动通道，如图6中示例性例示出的。反应物空气通过第一旁路凹槽408的这样的流动确保了反应物空气比通常更快地到达膜电极组件308的阴极表面308a以进行电化学反应。

双极流场板306还包括沿着第一流动通道401的长度在前表面306b的边缘上形成的凹槽410。凹槽410容纳弹性构件307，即垫圈。双极流场板306还包括引导孔，诸如411、412，以容纳穿过它们的紧固件106。由于引导孔411、412、空气入口集管402、空气出口集管403、冷却剂翅片404、405、406和407、氢气入口集管和氢气出口集管的凸起边缘，凹槽410形成在引导孔411、412、空气入口集管402、空气出口集管403、冷却剂翅片404、405、406和407、氢气入口集管和氢气出口集管的周围。止动肋413形成在前表面306b的边缘上，平行于前表面306b的边缘处的凹槽410，用于当燃料电池堆100中的弹性构件定位在凹槽410中时，防止弹性构件过度压缩。

图5示例性例示出图4中示例性例示出的双极流场板306的后表面306a的正视图。双极流场板306的后表面306a包括例如用于氢气流动的四个蛇状第二流动通道501。四个蛇状第二流动通道501从氢气入口集管502向上延伸到氢气出口集管503，在后表面306a上形成用于氢气的流场。氢气入口集管502定位在双极流场板306的第一边缘306c附近，并且氢气出口集管503定位在双极流场板306的在后表面306a上的第二边缘306d附近。氢气入口集管502和氢气出口集管503为后表面306a上的通孔。氢气入口集管502连接到燃料电池堆100的入口歧管104，并且氢气出口集管503连接到燃料电池堆100的出口歧管114。氢气流场的氢气入口集管502与氢气出口集管503之间的氢气的压力差驱动氢气在双极流场板306的后表面306a上流动。沿着第二流动通道501的长度出现压降，因此，从入口歧管104供应的氢气在氢气入口集管502处处于较高的压力。

氢气流过第二流动通道501以参与电化学反应。来自第二流动通道501的氢气向膜电极组件304的阳极表面304b扩散。第二流动通道501还包括用于绕过第二流动通道501的一个或多个分段505的第二旁路凹槽504。第二流动通道501为双极流场板306的后表面306a上的具有预定深度的凹陷，这导致沿着第二流动通道501的长度的凸起边缘。第二旁路凹槽504为间断地形成在第二流动通道501的凸起边缘上的通道。在第二流动通道501中的一者中流动的氢气可以绕过第二流动通道的在旁路凹槽下方的分段，并流入后表面306a上的连续的第二流动通道中。氢气通过第二旁路凹槽504的这样的流动确保氢气比通常更快地到达膜电极组件304的阳极表面304b以进行电化学反应。

双极流场板306还包括沿着第二流动通道501的长度形成在后表面306a的边缘上的凹槽410。凹槽410容纳弹性构件305，即垫圈。双极流场板306还包括引导孔，诸如411、412，以容纳穿过它们的紧固件106。凹槽410形成在引导孔411、412、空气入口集管402、空气出口集管403、冷却剂翅片404、405、406和407、氢气入口集管502和氢气出口集管503的周围，这是由于它们411、412、402、403、404、405、406、407、502和503中的每一者周围的凸起边缘。止动肋413形成在后表面306a的边缘上，平行于后表面306a边缘处的凹槽410，用于当燃料电池堆100中的弹性构件定位在凹槽410中时，防止弹性构件过度压缩。

在实施例中，第一流动通道的数量可以与第二流动通道的数量相同，诸如401和501。在另一个实施例中，第一流动通道401的数量可以少于第二流动通道501的数量。在另一个实施例中，第一流动通道401的数量可以大于第二流动通道501的数量。双极流场板306由石墨制成，由于石墨，双极流场板306具备高耐腐蚀性、低体电阻率和与气体扩散层材料的低接触电阻。空气入口集管402、空气出口集管403、氢气入口集管502和氢气出口集管503的形状被示例性地例示出为矩形。空气入口集管402、空气出口集管403、氢气入口集管502和氢气出口集管503的形状可以相同或不同。在实施例中，空气入口集管402、空气出口集管403、氢气入口集管502和氢气出口集管503的形状可以为圆形、三角形、棒状等。

反应物空气和氢气在第一流动通道401和第二流动通道501中的流动方向彼此逆流，即在相反的方向上。在实施例中，空气入口集管402、空气出口集管403、氢气入口集管502和氢气出口集管503可以以确保反应物空气和氢气的流动可以在双极流场板306的两侧处于相同方向的方式形成。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，流过前表面306b和后表面306a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。反应物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。后表面306a上的蛇状第二流动通道501限制了沿着第一流动通道501的压降，并管理在燃料电池堆100中的水积聚。因为第一流动通道401和第二流动通道501定位在双极流场板306的两侧，所以防止了空气和氢气在双极流场板306的入口处交叉。

图6示例性地例示出双极流场板306的放大的部分前透视图，其示出了双极流场板306的前表面306b上的第一旁路凹槽408，包括408a、408b、408c、408d。如示例性示出的，第一流动通道401a、401e和401g为前表面306b上的具有一定深度的凹陷。蛇状第一流动通道401a、401c、401e和401g以均匀的宽度邻接，彼此平行延伸，并终止于空气出口集管403处。沿着第一流动通道401a、401c、401e和401g的长度，在凹陷的两侧分别是凸起边缘401b、401d和401f。在第一流动通道401a、401c、401e和401g的凸起边缘401b和401f上，间歇地形成第一旁路凹槽408a、408b、408c和408d。在第一流动通道401a中流动的反应物空气可以绕过第一流动通道401a的在旁路凹槽408a下方的分段409a，并且流入前表面306b上的连续的第一流动通道401c中。旁路凹槽408a的宽度小于第一流动通道401a的宽度，以确保只有有限量的反应物空气绕过第一流动通道401a的下部分段409a。在第一流动通道401a的分段409a中积水的情况下，反应物空气绕过第一流动通道401a的分段409a。

第一旁路凹槽408a、408b、408c和408d有助于反应物空气向膜电极组件304或308快速移动，并确保反应物空气最大程度地参与电化学反应。这确保了明显更少量的未反应物空气从双极流场板306中离开。类似地，存在于双极流场板306的后表面306a上的第二旁路凹槽504的尺寸与前表面306b上的第一旁路凹槽408的尺寸基本上相同，以确保氢气最大程度地参与电化学反应，如图5的详细描述中所公开的。

在实施例中，旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)的数量和旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)沿着流动通道401和501的长度的位置在双极流场板306的前表面306b和后表面306a上的所有流动通道401和501上是相同的。在实施例中，旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)的数量以及旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)沿着流动通道401和501的长度的位置在双极流场板306的前表面306b和后表面306a上是不同的。在实施例中，流动通道401和501中的每一者中的旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)的尺寸(例如长度、宽度和深度)是相等的。在实施例中，流动通道401和501中的每一者的旁路凹槽(诸如408a、408b、408c和408d)的尺寸(例如长度、宽度和深度)是不相等的。

图7示例性地例示出双极流场板306的放大的部分前透视图，其示出了双极流场板306的前表面306b上的止动肋413。止动肋413形成在双极流场板306的外周上，在前表面306b的边缘上。弹性构件被定位在围绕引导孔411、412、空气入口集管402、空气出口集管403、冷却剂翅片404、405、406和407、氢气入口集管502和氢气出口集管503的凸起边缘的凹槽410中，用于防止燃料电池堆100中弹性构件的过度压缩。类似的止动肋413形成在双极流场板306的后表面306a上。止动肋413防止双极流场板306两侧的弹性构件过度压缩。止动肋413防止双极流场板306与膜电极组件304和308直接接触，避免双极流场板306和膜电极组件304和308由于燃料电池堆100中的压缩力而破裂，即使石墨双极流场板306是易碎的也有该效果。

图8示例性地例示出与双极流场板306、单极板302和310或集电板301和311接合的弹性构件(诸如303、305、307和309)的正视图。弹性构件303、305、307和309例如为垫圈。弹性构件305和307容纳在双极流场板306的前表面306b和后表面306a上的凹槽410中。类似地，弹性构件303和309分别容纳在单极流场板302和310的凹槽(未示出)中。当压缩燃料电池组件103时，弹性构件303、305、307和309防止氢气和空气泄漏，并提供反应物密封。弹性构件303、305、307和309还为燃料电池堆100提供抗振动和抗震动能力，并防止部件在燃料电池堆100中被压缩时的机械结合。弹性构件303、305、307和309由具有更大的可压缩性和良好的密封性能的诸如硅、聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙橡胶(EPDM)等材料制成。

弹性构件305和307密封双极流场板306的非活性区域，并将双极流场板306的活性区域暴露给膜电极组件304和308。活性区域为由第一流动通道401和第二流动通道501以及空气入口集管402、空气出口集管403、氢气入口集管502和氢气出口集管503形成的流场。在单极板302和310上，弹性构件303和309密封非活性区域并将活性区域暴露给膜电极组件304和308。弹性构件303、305、307和309可以为预切割的形式或者可以就地形成。在组装燃料电池堆100时，可以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303、305、307和309还包括多个引导孔，诸如801，该多个引导孔类似于双极流场板306的引导孔411、412并与其共线，以容纳紧固件107，从而保持燃料电池堆100的结构完整。弹性构件303、305、307和309是不导电的，并在双极流场板306与膜电极组件304和308之间以及单极板302和310和膜电极组件304和308之间提供电绝缘。弹性构件303、305、307和309还暴露双极流场板的冷却剂翅片407和膜电极组件(诸如304)的冷却剂翅片902，如图9中示例性例示出的。

图9示例性地例示出膜电极组件(诸如燃料电池组件(例如103a和103b)的304和308)的正视图。膜电极组件(例如304)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303和305以及流场围绕膜电极组件设计和定位。在膜电极组件304中，电解质、电极(即阳极面304b和阴极面304a)和反应物(氧气和氢气)都接触。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304较薄，以降低燃料电池组件103a中的阻力。此外，膜电极组件304中的阳极面304b和阴极面304a上的催化剂层降低了膜电极组件304的成本。膜电极组件304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304允许质子传输，同时阻挡在约20℃至约80℃的较低温度下的反应物，即氢气和氧气。如示例性示出的，膜电极组件304也具有与双极流场板306的引导孔411和412共线的引导孔，诸如901，以容纳紧固件107，紧固件107类似于弹性构件303、305、307和309。膜电极组件304还具有冷却剂翅片902，用于冷却剂空气流动并从膜电极组件304提取热量。

在实施例中，加湿器也包括在膜电极组件(诸如燃料电池组件103的304和308)中。在加湿器中，由于来自入口导管106的空气可能是干燥的，所以靠加湿器一侧上的流动的干燥进气而获得加湿空气。在实施例中，加湿器可以为曝气设备108的一部分，并且可以在燃料电池堆100的入口导管106处供应湿空气。湿空气与膜电极组件304和308相互作用，从而不会由于干燥的质子交换膜而影响到燃料电池堆100的性能。

图10示例性地例示出燃料电池堆100的集电板301或311中的一者的正视图。集流板301或311具有从一侧延伸的集电凸片1001，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。集电板301或311还包括引导孔，诸如1002和1003，以与紧固件107接合，从而保持燃料电池堆100完整。朝向膜电极组件304的阴极表面304a的集电板301充当燃料电池堆100的空气侧的集电器，并且朝向膜电极组件308的阳极表面308b的集电板311充当燃料电池堆100的氢气侧的集电器。外部电路连接在集电板301和311的集电板1001之间，以从燃料电池堆100汲取电流。连接到集电板301和311的外部电路中的电流(安培)、电压、频率和其他电流特性被调节，以适应燃料电池堆100的应用的电需求。

图11A至图11B分别示例性地例示出燃料电池堆100的端板101的前表面和后表面的正视图。端板101为燃料电池堆100提供机械支撑。双极流场板306、膜电极组件304和308、单极流场板302和310、集电板301和311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，并将压缩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具有相当高的抗压缩强度、抗振动和抗震动能力，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。

端板101和102都在中心包括的开口，诸如1101，以允许入口导管106和出口导管110分别与端板101和102的连接。端板101允许连接到燃料电池堆100中的用于氢气的氢气出口歧管114。端板101具有与双极流场板306的引导孔411和412相似且共线的引导孔1102，以插入拉杆并用螺母紧固拉杆，从而保持燃料电池堆100坚固。端板101在上端具有突起，突起将入口导管106连接到入口管道109，以向燃料电池堆100中的燃料电池组件103供应反应物空气。

在燃料电池堆100的另一端处的端板102允许在侧面连接到反应物空气的入口歧管104和出口歧管105，如图1A至图1B中示例性例示出的。端板102中的入口歧管104连接到单极流场板302的氢气入口集管和双极流场板306的氢气入口集管502，并且端板101中的氢气出口歧管114连接到单极流场板310的氢气出口集管和双极流场板306的氢气出口集管503。入口歧管104经由外部导管连接到阀，以向燃料电池堆100供应测量量的氢气。燃料电池堆100中未使用的加热氢气通过出口歧管114排出。出口歧管114可以连接到阀、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。在端板101的后表面上，提供多个冷却剂通道1104，其将开口1101的侧壁中的孔连接到双极流场板306中的冷却剂翅片407、膜电极组件304中的冷却剂翅片902和单极流场板的冷却剂翅片。

图12示例性地例示出定位在端板101上的入口导管106和相关联安装装置的前透视图。入口导管106的前开口106a与曝气设备108的排放口接合。入口导管106的后开口106b对应于端板101中的开口1101。入口导管106通过例如紧固件可移除地附接到端板101。反应物空气和冷却剂空气通过入口导管106被传递到燃料电池堆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由曝气设备108吹入入口导管109中，以与通过入口歧管104进入的测量量的氢气反应。参与反应的反应物空气的量在入口导管106中受到控制。反应物空气经由入口管道109供给。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双极流场板306、单极流场板302和310以及膜电极组件304和308。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(诸如流过燃料电池堆100中的冷却剂通道和冷却剂翅片的冷却剂空气)吸收燃料电池组件103中的剩余热量。

将来自燃料电池组件103的热空气和水蒸气一起收集在出口导管110中。通过安装在再循环管道111中的外部热交换器提取热空气和水蒸气中的热量。热空气与热交换器中的流体交换其热量，并且热空气的温度降低到室温。室温下的空气在曝气设备108的排放口处与环境空气混合，并经由空气入口导管106供应给燃料电池堆100。水蒸气中的水含量可以用于加湿空气入口导管106处的空气。与入口导管106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103的稳定性。

此外，曝气设备108容纳在壳体115中，并且壳体115经由紧固件(诸如螺母和螺栓)由安装装置(诸如夹具、支架、夹紧垫圈等)支撑。燃料电池堆100的性能取决于反应气体、氢气和空气的压力。曝气设备108(诸如鼓风机)确保曝气设备108的排出口处的空气的压力是环境大气压力的大约2至4倍。曝气设备108的风扇速度被调节以改变供应给燃料电池组件103的空气的流速。进入燃料电池堆100的化学计量氧气的量由控制器操纵，控制器调节曝气设备的电力，从而控制进入燃料电池堆100的压缩和空气流量。

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可以在笔记本电脑、军用设备、电池充电器、车辆等中用作主电源或备用电源。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。这样的电动汽车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。供应给燃料电池堆100的反应物是氢气和空气，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提炼相反。

如果由于水的停滞(如在低温燃料电池的情况下)和由于GDL堵塞存在任何堵塞，则燃料电池堆100的双极流场板306的第一流动通道401和第二流动通道501中的旁路凹槽408和504有助于反应物绕过气体路径。旁路凹槽408和504还帮助反应物在流场中具有十字形路径，这使得气体覆盖膜电极组件304和308的整个活性区域。对于双极流场板306的两个表面306a和306b，弹性构件303、305、307和309的设计是相同且简单的。弹性构件303、305、307和309通过无任何不匹配地坐置在双极流场板306的凹槽中而为反应物提供了所需的密封，以避免泄漏和交叉。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。由于双极流场板306的两个表面306a和306b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将反应物均匀地分布在膜电极组件303之上，从而提高了燃料电池堆100的效率。双极流场板306的两个表面306a和306b上的止动肋413确保了燃料电池组件103在燃料电池堆100中的安全压缩。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(103)中的双极流场板(306)，所述双极流场板(306)包括：

前表面(306b)，所述前表面包括在用于反应物空气的空气入口集管(402)与空气出口集管(403)之间延伸的蛇状的至少一个第一流动通道(401)，其中，所述至少一个第一流动通道(401)中的每一者包括多个第一旁路凹槽(408)，所述多个第一旁路凹槽(408)用于绕过所述至少一个第一流动通道(401)的一个或多个分段(409a)；

后表面(306a)，所述后表面包括在用于氢气的氢气入口集管(502)与氢气出口集管(503)之间延伸的蛇状的至少一个第二流动通道(501)，其中，所述至少一个第二流动通道(501)中的每一者包括多个第二旁路凹槽(504)，所述多个第二旁路凹槽(504)用于绕过所述至少一个第二流动通道(501)的一个或多个分段(505)；和

用于冷却剂空气的多个冷却剂翅片(404、405、406和407)，所述多个冷却剂翅片(404、405、406和407)在所述前表面(306b)和所述后表面(306a)上形成在所述空气入口集管(402)、所述空气出口集管(403)、所述氢气入口集管(502)与所述氢气出口集管(503)之间。

2.根据权利要求1所述的双极流场板(306)，还包括形成在所述前表面(306b)和所述后表面(306a)中的每一者的边缘上的止动肋(413)，所述止动肋用于防止对弹性构件(305和307)的过度压缩，其中，所述弹性构件(305和307)被容纳于在所述前表面(306b)和所述后表面(306a)中的每一者上平行于所述止动肋(413)形成的凹槽(410)中。

3.根据权利要求2所述的双极流场板(306)，其中，所述弹性构件(305和307)为预切割形式以及通过在组装所述一对燃料电池组件(103)期间使用活化和暴露于辐射来固化而就地形成中的一者。

4.根据权利要求1所述的双极流场板(306)，其中，所述空气入口集管(402)和所述空气出口集管(403)与所述氢气入口集管(502)和所述氢气出口集管(503)为共线以及垂直中的一者。

5.根据权利要求1所述的双极流场板(306)，

其中，所述空气入口集管(402)、所述空气出口集管(403)和所述多个冷却剂翅片(404、405、406和407)与曝气设备(108)的排放口接合；并且

其中，所述氢气入口集管(502)和所述氢气出口集管(503)与一对端板(101和102)上的用于氢气的入口歧管(112)和出口歧管(113)接合。

6.根据权利要求1所述的双极流场板(306)，其中，所述反应物空气和所述氢气与所述一对燃料电池组件(103)的每一者中的膜电极组件(304和308)反应性地接合，用于向电路供应电流。

7.根据权利要求5所述的双极流场板(306)，其中：

来自所述蛇状的至少一个第一流动通道(401)的所述反应物空气朝向所述膜电极组件(308)的阴极表面(308a)扩散，并且

来自所述蛇状的至少一个第二流动通道(501)的氢气朝向所述膜电极组件(304)的阳极表面(304b)扩散。

8.根据权利要求1所述的双极流场板(306)，其中，所述曝气设备(108)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和102)，所述一对端板(101和102)在外表面上容纳曝气设备(108)、用于氢气的入口歧管(112)和用于氢气的出口歧管(113)；和

定位在所述一对端板(101和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和103b)包括：

一对膜电极组件(304和308)，第一膜电极组件(304)和第二膜电极组件(308)中的每一者都包括阳极面(304b和308b)和阴极面(304a和308a)；和

定位在所述第一膜电极组件(304)与所述第二膜电极组件(308)之间的双极流场板(306)，所述双极流场板(306)包括：

前表面(306b)，所述前表面包括在用于反应物空气的空气入口集管(402)与空气出口集管(403)之间延伸的蛇状的至少一个第一流动通道(401)；

后表面(306a)，所述后表面包括在用于氢气的氢气入口集管(502)与氢气出口集管(503)之间延伸的蛇状的至少一个第二流动通道(501)；和

用于冷却剂空气的多个冷却剂翅片(404、405、406和407)，所述多个冷却剂翅片(404、405、406和407)在所述前表面(306b)上形成在所述空气入口集管(402)、所述空气出口集管(403)、所述氢气入口集管(502)与所述氢气出口集管(503)之间。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆(100)，其中，所述双极流场板(306)还包括形成在所述前表面(306b)和所述后表面(306a)中的每一者的边缘上的止动肋(413)，所述止动肋用于防止对弹性构件(305和307)的过度压缩，其中，所述弹性构件(305和307)被容纳于在所述前表面(306b)和所述后表面(306a)中的每一者上平行于所述止动肋(413)形成的凹槽(410)中。

11.根据权利要求10所述的燃料电池堆(100)，其中，所述弹性构件(305和307)为预先切割形式以及通过在组装所述燃料电池堆(100)期间使用活化和暴露于辐射来固化而就地形成中的一者。

12.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中，所述蛇状的至少一个第一流动通道(401)包括用于绕过所述至少一个第一流动通道(401)的一个或多个分段的多个第一旁路凹槽(408)，并且所述蛇状的至少一个第二流动通道(501)包括用于绕过所述至少一个第二流动通道(501)的一个或多个分段(505)的多个第二旁路凹槽(504)。

13.根据权利要求9所述的燃料电池堆，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集电板(301和311)，其中，每个集电板(301和303)定位在端板(101和102)与所述第一膜电极组件(304)或所述第二膜电极组件(308)中的一者之间。

14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，多个紧固件(107)将所述一对端板(101和102)、所述多个燃料电池组件(103)和所述一对集电板(301和311)压缩在一起。

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