CN116231029A - 用于燃料电池堆的板装置和包括板装置的燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有堆叠电池的电化学燃料电池堆的板装置(10)和一种对应的燃料电池装置。板装置针对每个电池(20)设置用于在电池(20)的整个平面尺寸内分布和汇集流体。板装置(10)的过渡部段(11)在板装置(10)的平面方向上形成扁平形流动横截面，其按流体连通的方式位于流体端口(30)与电池(20)之间。用于分布或汇集待传输流体的板结构包括至少一个阻隔件(16)，阻隔件安置在流体流之内并具有相对于流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以局部节流该流体流。

Description

用于燃料电池堆的板装置和包括板装置的燃料电池装置

技术领域

本发明涉及一种用于电化学燃料电池堆的板装置，其用于在电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体，本发明还涉及一种燃料电池装置，其针对每个电池包括至少一个板装置，用于与燃料电池装置的至少一个流体端口流体连通。

根据本发明的板装置适用于燃料电池系统、尤其是用于运输应用的具有质子交换隔膜(PEM-FC)的紧凑的燃料电池电源或任何其它类型的电化学装置，其所包括的电池堆容纳有通道或其它类型的用于传导电池内电化学反应用流体的流路。

背景技术

运输应用需要紧凑的燃料电池电源。这暗示着该燃料电池堆内的用于供应所有工作流体至电池的端口、通道和流路的复杂结构的紧凑设计。为了经济的制造和组装，燃料电池堆设计力争将可堆叠的部件重复堆叠以形成构成燃料电池堆的所谓的单元电池。结果，用于工作流体的端口、通道和流路的紧凑结构需要被集成到可堆叠部件的设计中。几种紧凑的燃料电池堆设计在堆横截面内集成用于冷却剂、氢气和空气供应以及未用物或废气或废水或湿润气态流体排出的不同类型的通道和总管。

知道了在例如电池的对置两侧提供燃料电池堆的所谓的过渡区，用于自从穿过燃料电池堆的流体端口分流流体，并且在活性区的整个宽度范围分布流体。这样的过渡区提供与电池的流体连通界面。常见的堆设计由待堆叠在双极板之间的每个电池的膜电极组件构成，双极板在电池之间提供导电性，其中，该双极板具有比膜电极组件更长的尺寸以包围并保护后者。在常见的紧凑堆设计中，这样的过渡区设置在双极板或延伸超出膜电极组件的平面尺寸的附加专用流动板的外部段中。在此紧凑堆设计中，与电池连通的流体的供应和排出是以通过形成开设于相邻堆叠板或该堆的任何其它部件的表面中的敞通流动横截面而被集成在双极板或流动板中的内通道或流路的形式来提供的。

对于燃料电池的良好电化学效率而言至关紧要的是，过渡部段的流动设计的目标是获得在所述堆与电池之间界面中的优选均匀质量流分布，以借助扁平形横截面而在电池的整个宽度或长度范围内实现可能均匀的流体分布或膜电极组件的润湿。

在用于过渡区的已知的流动设计构想中，扁平形的流动横截面被填充立柱状板结构，用以在窄入口和宽出口之间分散和扩展流体流。但这种已知的流动设计可能需要大的板体积，即，立柱高度以及在平面尺寸中的占地面积，以获得期望的均匀流动分布水平。

在用于过渡区的另一已知的流动设计构想中，扁平形流动横截面被分为多个通道，其以花束的形式在窄入口和宽出口之间扩散或展开。但是，这种设计可能导致沿通道的高压降和在所有通道末端的流体流压力或体积和速度的不均匀分布。

综上，已知的流动设计构想面临针对电池活性区域的不均匀流动分布或者过渡区内的高压降的缺点，导致比理想情况更厚的板厚以允许更深的过渡区和更大的流动横截面。

理想地，流体如此扩散，即，有相同的流量进入电池侧的每个通道，并且该过渡区应该以就深度和长度而言尽量少的空间来达成这种流扩散。

因此，关于供应和回送流体流以获得更高的燃料电池效率的分布和汇集特性以及关于就用于燃料电池紧凑性的分布性能而言所需的空间，流动设计还有改进余地。

发明内容

本发明的目的是提高燃料电池电源的紧凑性和电化学效率。特别是，本发明的目的是通过可堆叠的板装置提供一种用于待加入的燃料电池堆内过渡区的流动设计概念，其所具有的流动性能和/或流动性能与所需空间的关系比燃料电池的相似常规流动设计出色。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的板装置和一种具有这些特征的对应的电化学燃料电池装置来实现。本发明的其它的特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。

本发明提出一种用于具有堆叠电池的电化学燃料电池堆的板装置。板装置针对每个电池设置用于在电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体。板装置包括居中的电池部段、靠外的端口部段和布置在其间的过渡部段。中央的电池部段在电池的整个平面尺寸内包围多个通道。外端口部段包围在厚度方向上穿过板装置的流体端口的横截面开口。过渡部段在板装置的平面方向上形成扁平形流动横截面，其流体连通地位于流体端口与电池之间。此外，板装置具有布置在过渡部段中以分布或汇集待传送经过扁平形流动横截面的流体的板结构。板结构包括至少一个阻隔件(16)，其安置在流体流之内并具有相对于流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以局部节流该流体流。

因此，本发明第一次提供一种基于模块系统的用于燃料电池堆的过渡区的流动设计，该系统具有呈按照用于局部节流该流体流的阻隔件那样取向的长条形元件形式的板结构。这种有创造性的原理不同于常见的用于达到最低流阻和压降的流动设计做法。但是，局部节流有助于获得在活性电池材料的整个宽度范围和平面尺寸范围内的更一致的质量流分布。

作为第一优点，阻隔件板结构提供在区域且比例方面协调的局部流阻以影响沿流路在流体端口与电池之间待传输的流体的流动，反之亦然。

作为第二优点，局部流阻的借助阻隔件在过渡区整个区域内的相应设计允许在整个流动横截面中的根据过渡区几何形状限制的可具体控制的流动样式。

作为第三优点，局部流阻的借助阻隔件在过渡区整个区域内的相应设计允许具体优化关于在过渡区内待输送的相应流体的流动行为的流动设计。

特别是，根据本发明的节流阻隔件实现分压，引起总流阻或压降。但是，本发明基于如下见解，即，部分出现的压差允许区域平衡流阻，其适应于要通过导轨件独立引起的流的方向性。因此，节流阻隔件的定位和长条形尺寸能够沿各种各样可能平行或交叉的经过过渡区的流路或副流来设定相应调整的压降，允许在每个可能流路末端的流压力或速度的总体均匀分布结果。

换言之，节流阻隔件的优点是平衡所引发的副流体流的流动，代价是略微增大的压力损失，同时获得更有效紧凑的设计。

阻隔件的按区域的个别设计可能性允许针对每个过渡区和每种流体的优化流动设计，以导致各自流体在活性区域的电池入口的整个宽度内的均匀分布或汇集，或特别是流均匀分散至膜电极组件。

根据几个替代的有利实施例，该板结构包括两种或三种不同类型的在形状、功能和相互配置方面的组合。

在一个替代的有利实施例中，该板结构包括至少一个用于局部节流流体流的阻隔件，并且包括立柱件，它们排列成行地在过渡部段的整个扁平形流动横截面中形成以用于散布流体流。

在另一个替代的有利实施例中，该板结构包括至少一个阻隔件，并且包括若干导轨件，其所具有的纵向尺寸既定用于引导主流体流至流动方向彼此不同的副流体流的方式，其中，该至少一个阻隔件安置在副流体流内以节流该副流体流。

在一个优选的另一替代实施例中，该板结构包括该至少一个阻隔件、立柱件和导轨件，该立柱件排列成行地在整个扁平形流动横截面内形成以散布流体流，该导轨件所具有的纵向尺寸延伸经过成行排列的散布性立柱件以引导主流体流至具有不同的流动方向的副流体流，其中，多个所述至少一个阻隔件安置在副流体流之内，每个阻隔件具有相对于各自副流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以节流所述副流体流。

三种不同类型的促流板结构的组合造成三种不同的流动影响效果。

作为优点，这些不同结构类型的区域配置(也包括尺寸和密度)允许进一步协调和优化与所需空间相关的流动影响。这又导致获得所需流动影响性能的更高空间密度，或换言之获得更紧凑高效的流动设计以允许更紧凑的功率密集燃料堆设计。

根据一个优选实施例，所述至少一个阻隔件之一安置在流动方向上沿流体端口与电池之间最短距离的副流之内，并且长条形横截面垂直于流动方向呈倾斜状，以阻碍进入该副流之内的直通流路区域。

根据优选实施例的另一方案，所述至少一个节流阻隔件中的另一个安置在流动方向上通过导轨件之一的引导而从流体端口与电池之间最短距离被偏转的副流之内，节流阻隔件的长条形横截面斜向于流动方向呈倾斜状和/或垂直于最短距离呈倾斜状，以阻碍进入该副流之内的偏转流路区域。

根据本发明的一个方案，分布排列的立柱件具有立柱件的有序定位图案，尤其是立柱件的等距定位和/或正方形定位。

根据本发明的另一方案，立柱件的横截面具有相等的长宽比，尤其是圆形、正方形和/或多边形的横截面。

根据本发明的一个实施例，节流阻隔件的长条形横截面具有至少2:1的长宽比。

根据本发明的一个替代实施例，节流阻隔件的长条形横截面的尺寸形成跨接排列中的至少两个相邻立柱件的阻隔件范围。

在一个有利实施例中，导轨件的纵向尺寸延伸经过的距离等于与分布排列的立柱件齐平和/或相对其倾斜的至少三个相邻立柱件。

根据优选实施例的另一方案，导轨件具有至少两个以一个角度结合的纵向尺寸，其中，尤其是至少一个纵向尺寸与分布排列的立柱件齐平延伸，至少一个纵向尺寸相对于分布排列的立柱件倾斜地沿对角线延伸。

根据本发明的一个方案，流体端口设计用于供应或回送在电池内反应的氧化剂气体或燃料气体。

根据本发明的一个替代方案，流体端口设计成供应或回送与电池热接触地循环的冷却剂。

在另一个有利实施例中，板装置的端口部段包围穿过板装置的用于氧化剂气体、燃料气体和冷却剂的流体端口的横截面开口，并且板装置的在厚度方向上的对置两侧之一形成一个流体连通地位于其中一个流体端口与电池之间的过渡部段。

在一个有利实施例中，该板装置包括关于电池部段布置在对置两侧的两个外端口部段和两个过渡部段；其中，两个端口部段之一包围用于供应冷却剂或氧化剂气体或燃料气体的反应剂流体的流体端口的横截面开口，并且另一端口部段包围用于回送冷却剂或各自类型的未用的离析流体和/或产物流体的流体端口的横截面开口；两个过渡部段之一按流体流通的方式处于电池与其中一个用于供应其中一种所述流体的流体端口之间，并且另一个过渡部段流体连通地处于电池与其中一个用以回送相同类型或各自类型的相同流体的流体端口之间，其中，关于在板装置的两个端口部段内的流体端口横截面的布置，供应和回送相同类型或各自类型的相同流体的每对流体端口布置成径向完全对置地位于电池部段两侧。

本发明也提供一种电化学燃料电池装置，其具有多个堆叠电池的堆叠布置并容纳有在堆布置的堆叠方向上穿过的用于燃料气体、氧化剂气体和/或冷却剂的流体端口，其中，该燃料电池装置在每个堆叠电池之间包括至少一个根据本发明的板装置，用于与至少其中一个流体端口流体连通地在各自电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体。

附图说明

本发明的其它目的、优点、特征和应用来自以下参照图对实施例的说明，在图中：

图1示出板装置的总体配置和分段的示意图；

图2示出根据本发明实施例的板装置的横截面，其具有根据燃料电池装置的堆结构的相应配置。

具体实施方式

图1以燃料电池装置的堆叠布置的横截面透视图示出板装置10。在此平面视图中，板装置10示出由虚线表示的某些部段。居中的电池部段12与未示出的待堆叠在板装置10上的电池20相对应。电池部段12包括与电池20接触并在电池20的对置两侧之间并行笔直延伸的多个通道(未示出)。电池20包括膜电极组件(MEA)，其包括电池20的所有电化学活性元件以及在上侧和下侧的气体散布层以实现流体连通。燃料电池装置包括在堆叠方向上穿过燃料电池堆的流体端口30，如由在电池20的对置两侧布置在板装置10的两个靠外的端口部段13中的各自流体端口横截面所绘。

在电池部段12与两个端口部段13的每一个之间，板装置10包括过渡部段11。过渡部段11用于在竖向所绘的电池20宽度尺寸范围内分布由左侧所示的流体端口30供应的流体并用于在电池20宽度范围内汇集流体以回送流体到右侧所绘的流体端口30。在一侧，过渡部段11与流体端口30通过通孔(未示出)流体连通，即，在各自板装置10的预定堆叠水平和高度分流进出流体端口30的流体的小通道。在另一侧，过渡部段11与电池20的气体散布层通过在电池20宽度尺寸范围内具有扁平形流动横截面的敞通界面区来达成流体连通。每个过渡部段11具有相应设计的板结构，例如像排列的立柱件14布置在整个扁平形流动横截面内以促进在流体端口30侧的狭窄通孔与电池20的大界面之间的均匀分布。

图2示出根据本发明实施例的板装置10的轮廓的具体设计的一部分。板装置10的该部分包围明确规定的用于输送各自流体的流体端口31、32、33。确切说，板装置10的在下侧的流体端口31布置成输送氧化气体、即空气或其反应后废气。居中所绘的流体端口32布置成输送燃料气体、即氢气或其反应后废气。板装置10的在上侧的流体端口33布置成输送围绕电池循环的冷却剂。

当每个流体离开供应流体端口31、32、33时，它被容纳在板装置10的整个宽度的小部分中，因为在此特定实施例中有三个流体端口横截面，但其布置数量可以变化很大以针对不同状况和应用。各自流体应在其经过板装置10的电池部段12内的通道进入电池20的活性区域时分布至板装置10的整个宽度。这种流动分布发生在过渡部段11。图2所示的过渡部段11与燃料供应流体端口32流体连通。

过渡部段11显示出等距布置的立柱件14在过渡部段11的整个区域内散布排列。立柱件具有圆形横截面。首先，散布排列的立柱件14用于在该区域中支承膜电极组件，使得它不会在具有相对较低压力的反应剂侧完全阻断流体流。还有，散布排列的立柱件14用于通过常规分压差在流动中产生涡旋并导致在相当低的总体流阻下在宽度方向上的期望流体流分布。

为了支持流体流的方向性和扩宽或缩窄，板装置10包括导轨件15。当导轨件15受到冲击时，导轨件15部分引导主流至具有偏转流动方向的几个副流。但导轨件15没有形成从入口侧到出口侧的离散通道，用以允许各种各样的交叉流路和在副流之间的压力均衡。图2的用于输送燃料气体的板轮廓因燃料端口32的轴对称布置而具有导轨件15的对称布置。与用于输送氧化气体和冷却剂的下侧氧化剂端口31和上侧冷却剂端口33流体连通的其它板轮廓(图2未示出)因氧化剂端口31和冷却剂端口33的点对称对角线布置而具有相对倾斜的或沿对角线的导轨件15布置。在那些板轮廓中，导轨件15也可以具有一个或两个弯曲部段，其集成有两个或三个在不同方向上延伸而更密集地或换言之在更紧凑空间内偏转副流的纵向部段。

此外，根据所有板轮廓的板结构具有用于在由导轨件15引起的一定副流中节流直通流路的阻隔件16。尤其是，那些沿各自流体端口31、32、33与电池20之间最短距离偏转的副流通过一个或多个具有相应尺寸的阻隔件16被节流，造成附加流阻以补偿在较短流路内的较低流阻。

在针对燃料所绘的板轮廓中，大的节流阻隔件16布置用于针对中心副流来补偿中心压力峰和在燃料端口32与电池20之间最短距离，以利于借助沿过渡部段11各侧的偏转副流获得均衡的压力分布和体积流。

更常见地，节流阻隔件16增大流阻并被用在过渡部段11的包含阻力最小流路的区域中，以平衡在由导轨件15引起的副流体流之间的流动。

在一个替代实施例中，节流阻隔件16和/或导轨件可不仅关于长条形或纵向尺寸来设计，也针对高度尺寸或从过渡部段11的底部突出的倾斜方向来设计，以免阻断开设于板装置10内的过渡部段11的扁平形流动横截面的整个深度。

附图标记列表

10 板装置

11 过渡部段

12 电池部段

13 端口部段

14 立柱件

15 导轨件

16 阻隔件

20 电池

30 流体端口

31 氧化剂端口

32 燃料端口

33 冷却剂端口。

Claims (15)

1.一种用于具有多个堆叠电池(20)的电化学燃料电池(20)堆的板装置(10)，其中，该板装置(10)针对每个电池(20)设置用于在电池(20)的整个平面尺寸范围内分布和汇集流体，其中，该板装置(10)包括：

中央电池部段(12)，其包围在电池(20)的整个平面尺寸范围内的多个通道，

外端口部段(13)，其包围在厚度方向上穿过该板装置(10)的流体端口(30)的横截面开口，以及

过渡部段(11)，其在该板装置(10)的平面方向上形成扁平形流动横截面且按流体连通的方式处于该流体端口(30)与该电池(20)之间，

其中，该板装置(10)具有板结构，所述板结构布置在该过渡部段(11)中，用以分布或汇集待输送通过该扁平形流动横截面的流体，并且

其中，所述板结构包括至少一个阻隔件(16)，该阻隔件安置在流体流之内并具有相对于该流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以局部节流该流体流。

2.根据权利要求1所述的板装置(10)，其中，所述板结构包括以下部分之组合：

用于局部节流所述流体流的所述至少一个阻隔件(16)；以及

多个立柱件(14)，它们排列成行地在该过渡部段(11)的整个扁平形流动横截面中形成，以散布所述流体流。

3.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，所述板结构包括以下部分之组合：

该至少一个阻隔件(16)；和

若干导轨件(15)，它们所具有的纵向尺寸按照用于将主流体流引导为若干具有彼此不同的流动方向的副流体流的方式来取向；

其中，该至少一个阻隔件(16)安置在副流体流之内以节流该副流体流。

4.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，所述板结构包括以下部分之组合：

该至少一个阻隔件(16)；

所述立柱件(14)，其排列成行地在整个扁平形流动横截面中形成，以散布所述流体流；以及

所述导轨件(15)，它们所具有的纵向尺寸延伸经过排列成行的散布性立柱件(14)，以引导将主流体流引导为若干具有彼此不同的流动方向的副流体流，

其中，多个所述至少一个阻隔件(16)安置在副流体流之内，并且每个阻隔件(16)具有相对于各自副流体流的流动方向倾斜的长条形横截面，以节流该副流体流。

5.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，所述至少一个阻隔件(16)之一安置在沿该流体端口(30)与该电池(20)之间最短距离的流动方向上的副流之内；并且

该长条形横截面垂直于该流动方向呈倾斜状，以阻挡进入该副流之内的直通流路区域。

6.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，该至少一个节流阻隔件(16)中的另一个安置在通过其中一个导轨件(15)的引导而从该流体端口(30)与该电池(20)之间的最短距离偏转的流动方向上的副流之内；并且

该节流阻隔件(16)的长条形横截面斜向于该流动方向呈倾斜状和/或垂直于该最短距离呈倾斜呈，以阻碍进入该副流之内的偏转流路区域。

7.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，所述散布性排列的立柱件(14)具有规则定位的立柱件(14)图案，尤其是立柱件(14)的等距定位和/或正方形定位。

8.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，所述立柱件(14)的横截面具有彼此相同的长宽比，尤其是圆形、正方形和/或多边形的横截面。

9.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，导轨件(15)的纵向尺寸所延伸经过的距离等于与所述散布性排列的立柱件(14)齐平和/或相对于其倾斜的至少三个相邻的立柱件(14)。

10.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，导轨件(15)具有至少两个以一角度结合的纵向尺寸，其中，尤其是至少一个纵向尺寸按照与所述散布性排列的立柱件(14)齐平的方式延伸，并且至少一个纵向尺寸按照相对于所述散布性排列的立柱件倾斜的方式沿对角线延伸。

11.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，该流体端口(30)设计用于供应或回送在该电池中反应的氧化剂气体或燃料气体。

12.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，该板装置(10)的端口部段(13)包围用于经过该板装置(10)的氧化剂气体、燃料气体和冷却剂的流体端口(31,32,33)的横截面开口，并且

其中，该板装置(10)的在厚度方向上的对置两侧之一形成一个以流体连通的方式处于其中一个所述流体端口(31,32,33)与该电池(20)之间的过渡部段(11)。

13.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，该板装置(10)包括关于该电池部段(12)布置在对置两侧的两个外端口部段(13)和两个过渡部段(11)，其中，

所述两个端口部段(13)之一包围用于供应冷却剂或氧化剂气体或燃料气体的离析流体的流体端口(31,32,33)的横截面开口，另一所述端口部段(13)包围用于回送该冷却剂或相应类型的未用离析流体和/或产物流体的流体端口(31,32,33)的横截面开口，并且

两个所述过渡部段(11)之一按流体连通的方式位于该电池(20)和其中一个所述用于供应所述流体之一的流体端口(31,32,33)之间，另一个所述过渡部段(11)按流体连通的方式位于该电池(20)与所述用于回送相同类型或相应类型的相同流体的其中一个流体端口(31,32,33)之间，

其中，关于该板装置(10)的这两个端口部段(13)中的流体端口横截面的布置，供应并回送相同类型或相应类型的相同流体的每对流体端口(31,32,33)布置成关于该电池部段(12)沿径向对置。

14.根据权利要求1或2所述的板装置(10)，其中，该板装置(10)是设计成在所述堆叠电池(20)之间提供导电性的双极板。

15.一种电化学燃料电池装置，具有多个堆叠电池(20)的堆叠布置并且接纳有用于在所述堆布置的堆叠方向上流经的燃料气体、氧化剂气体和/或冷却剂的流体端口(31,32,33)，其中，该燃料电池装置在每个所述堆叠电池(20)之间包括至少一个根据权利要求1至17之一的板装置(10)，用以按照与至少其中一个所述流体端口(31,32,33)流体连通的方式在相应电池(20)的整个平面尺寸内分布和汇集流体。

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