CN116264291A - 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多个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)的平面尺寸范围内散布和汇集流体。板装置(10)的过渡部段(11)按照在所述流体端口(30,31,32,33)与电池(20)之间流体连通的方式在板装置(10)的平面方向上形成用于待输送流体的扁平形流动横截面，其中，多个流动结构(14)设置在过渡部段(11)之内且该过渡部段(11)被边界(17)包围。根据本发明，板装置(10)具有至少一个与边界(17)和至少其中一个最靠外的流动结构(14)成一体形成的在所述多个流动结构(14)之外的支承结构(15,16)，用以在板装置(10)厚度方向上支承该扁平形流动横截面。

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

本申请涉及一种电化学燃料电池堆的用于在电池平面尺寸范围内散布并汇集流体的板装置，以及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膜(PEM-FC)的紧凑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流路，用以在电池内引导电化学反应用流体。

背景技术

运输应用需要紧凑的燃料电池电源。这暗示着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。

已知的是在燃料电池堆内在例如电池的对置两侧设置燃料电池堆的所谓的过渡区或者在板上设置过渡部段，用以从穿过燃料电池堆的流体端口分流流体。这种过渡区提供至电池的流体连通界面。常见的堆设计由每个待堆叠在双极板之间的电池的膜电极组件构成，双极板在电池之间提供导电性。在常见的紧凑堆设计中，这样的过渡区设置在双极板或专用流动板的延伸超出膜电极组件活性区域平面尺寸的外侧部段中。在此紧凑的堆设计中，与电池连通的流体供应和排出是以通过形成开设于相邻堆叠的板或堆的任何其它元件的表面中的敞通的流动横截面而被集成在双极板或流动板内的内通道或流路的形式来提供的。

对于良好的燃料电池电化学效率至关紧要的是，过渡部段的流动设计的目标是获得在所述堆和电池之间界面内的活性区的入口范围内优选均匀的压力和质量分布，以在电池整个宽度范围内经由扁平形横截面实现可能均匀的流体流分布或膜电极组件的湿润。在这样的过渡区或流动板部段的这种常见设计中，扁平形流动横截面填充有立柱状流动结构，用以在窄入口和宽出口之间分散并扩散流体流且同时支承膜电极组件。

但这种常见设计面临如下缺点，即，立柱排列总体在过渡部段内占用大量空间，造成燃料电池堆的降低的体积功率密度或更不紧凑的设计。另一缺点是，就影响流体流而言，立柱排列获得良好扩散，但可能不一定获得均匀压力或质量流分布。就伴随最小流动阻力的最大体积功率密度而言，理想的流动设计可能根本不具有立柱，但仍然需要它们来支承膜电极组件。如果没有立柱，则在板两侧的反应物质压差将推移膜电极组件、尤其是气体扩散层的柔性材料而使其进入过渡部段并将会在其扁平形横截面中阻断流体流(一般是氧化剂)。

一般呈矩形的在边界内具有立柱排列的过渡部段的传统流动设计的其它缺点是，立柱跨越所有三种流体(即也是不同的堆叠流动板)，因此必须彼此对齐以获得结构完整性，以及沿过渡部段的边界具有较低流速。

发明内容

本发明的目的是避免所述的现有技术缺点并提供一种作为燃料电池堆一部分的板装置的改进设计，从而获得更高的结构完整性和密封性能以保证燃料电池装置的工作安全性。

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散布和汇集流体。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。中心电池部段在电池的平面尺寸范围内包围多个通道。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。该过渡部段形成扁平形流动横截面，用于在所述流体端口与电池之间流体连通地在板装置平面方向上散布或汇集待输送流体。多个流动结构设置在该过渡部段之内，并且该过渡部段被边界包围。根据本发明，流动板装置具有至少一个与该边界和多个流动结构中的至少其中一个最靠外的流动结构成一体形成的支承结构，以在流动板装置厚度方向上支承该扁平形流动横截面。

尤其是，流动板装置具有至少一个支承结构，其与边界以及至少其中一个最靠外的流动结构在所述多个流动结构之外成一体形成，而同时从边界延伸到过渡部段空间内。

因此，本发明第一次提供一种用于燃料电池堆的过渡区或流动板上的过渡部段的流动设计，其将附加板材料加入在空腔边界处的板轮廓部段与在这样的空腔之内具有流动有效结构的板轮廓部段之间的区域中。

作为第一优点，支承结构的附加板材料根据本发明针对堆叠压力负荷来支承扁平形流动横截面的空腔的底部区域和顶部区域，这意味着用于流动板轮廓的附加支承设置在流动板轮廓的空腔边界区中，在此发生变形，这是因为在承受堆叠压力时被分压负荷偏置。因此，该支承结构根据本发明有助于板装置如流动板的结构完整性。

换言之，根据本发明的支承结构被设计成附加板材料的从边界延伸到过渡部段空间内的凸起。因此，板材料填充在边界原始界线(此时原本没有所述支承结构)与布置在空腔内的至少一个最靠外的流动结构之间区域内的空间，流动结构例如在排列分布的立柱状流动结构的情况下是紧邻边界的最靠外的立柱。如此加入的用于一体形成边界、流动结构并填充两者之间的空间的附加板材料不仅针对偏压负荷或变形加强了所述流动结构，其被一体包围在边界中。由于呈支承结构形式加入的附加板材料从边界延伸入过渡部段空间内，因此它也加强了过渡部段的空腔的边界区域中的板轮廓。

本文还附加定义了，根据本发明的支承结构除了与边界和流动结构、尤其是最靠外的紧邻边界布置的立柱状流动结构在排列分布的立柱状流动结构之外成一体形成，支承结构还包围填充过渡部段空间内在未更改的边界原始界线与所述最靠外的流动结构之间的假想间隙的板材料。因此，支承结构更改边界，从而包括超出未更改的边界原始界线并进入过渡部段空腔内的延长部分，而延伸超出的附加板材料在板装置的厚度方向上支承空腔的扁平流动横截面。

作为第二优点，支承结构在边界的边沿处帮助防止内部燃料泄漏至氧化剂，尤其在膜电极组件在两侧具有延伸入过渡部段的两个气体扩散层的实施例中，因此保证对应的燃料电池装置的更高的工作安全性。

作为第三优点，该支承结构根据本发明也可同时被用于影响待沿在流体端口与电池之间的流路传输或相反传输的流体流。确切说，支承结构的特别设计和定位允许在过渡部段边界处相应优化流动设计和/或关于具体的气态、潮湿或液态工作流体例如像待输送的空气或冷却剂的流动特性进行优化。

根据一个优选实施例，一种支承结构和该边界一体共同形成延伸入过渡部段的锯齿外形。利用此设计，该板的过渡部段通过在扁平形流动横截面的空腔内支承边界区域的锯齿外形的附加板材料而被加强。

根据该优选实施例的一个方案，用于氧化剂气体基工作流体或用于燃料气体基工作流体的过渡部段具有与边界共同一体形成锯齿外形的支承结构类型。在本发明上下文的研发中，锯齿外形被证明在对齐布置在过渡部段的一部分中以将输送流体流的外围部分在各自电池的活性区域的整个宽度上转向或偏转至多个方向的情况下能提供对至少气态流体的有益的流动有效影响。另外，锯齿外形也被证明能防止膜电极组件侵入、特别是气体扩散层的柔软材料在边界附近侵入过渡部段空腔。

根据另一实施例，冷却剂的通孔布置在流体端口与过渡部段之间以在其间提供流体连通，另一种支承结构和位于通孔之间的边界部分一体共同形成延伸入过渡部段中的通道壁凸起。利用此设计，该板的过渡部段通过在通孔口或通道末端处进入过渡部段的附加板材料被加强，对该扁平形流动横截面的空腔内的边界区进行支承。

根据另一优选实施例的一个方案，用于冷却剂流体的过渡部段具有与边界一起一体形成通道壁凸起的支承结构类型。通道壁凸起具有对液态冷却剂的有益的流动有效影响以引导其对准多个方向，以获得在各自电池的活性区的整个宽度范围内的均匀流动分布。

为了简化优点，多个流动结构中的至少一部分可以以等间距多行的呈圆形立柱或棱形立柱形式的流动结构排列的形式布置以分散流体流。这样的设计保证流体流在过渡部段空间内的均匀分散和散布。

根据本发明的一个替代方案，所述多个流动结构中的至少另一部分包括具有长条形横截面的流动结构以引导流体流。这样的配置允许进一步优化与过渡部段空腔的特定几何形状相关的流体流分布，就用于流体入口和流体出口的开口的方向性和定位而言。

根据一个实施例，板装置具有用于包括氧化剂气体基流体、燃料气体基流体和冷却剂流体的三种工作流体的三个流体端口，其中，该流动板针对至少其中一种工作流体包括一个过渡部段，或者该流动板针对每种工作流体包括一个过渡部段。因此，该板装置优选包括用于相对于各自电池输入或输出超过一种的工作流体的流路。

根据一个优选实施例，板装置具有用于包括氧化剂气体基流体、燃料气体基流体和冷却剂流体的三种工作流体的三个流体端口，其中，该流动板在一侧包括用于其中一种工作流体的过渡部段并在另一侧包括用于其中另一种工作流体的过渡部段。因此，板装置优选包括用于在板装置的两侧传输工作流体的流路。

本发明也提供一种电化学燃料电池装置，其具有堆叠电池的堆叠布置并容纳有用于沿堆叠布置的堆叠方向流经的工作流体的流体端口，如上所述的板装置布置在每个堆叠电池之间以在电池与流体端口之间散布和汇集工作流体。

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，图中：

图1示出板装置的总体结构和分段的示意图；

图2根据燃料电池装置的某种堆结构示出在根据本发明的实施例的板装置上的用于不同工作流体的相应过渡部段的横截面的部分。

具体实施方式

图1以燃料电池装置中的堆叠布置的横截面透视图示出板装置10。在此平面图中，板装置10具有由虚线标记的特定部段。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彼此覆盖相同。电池部段12包括按并行且笔直的方式在电池20的对置两侧之间延伸的与电池20接触的通道(未示出)。电池20包括膜电极组件(MEA)，其包含电池20的所有电化学活性元件以及在上、下侧的用于分布流体至膜的气体扩散层。燃料电池装置包括在堆叠方向上经过燃料电池堆的流体端口30，如在电池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中每一个之间，板装置10包括多个过渡部段11。过渡部段11用于在电池20的整个所绘宽度尺寸范围散布通过在左手侧所绘的流体端口30供应的流体，并且用于在电池20的整个宽度上汇集流体以将流体返回在右手侧所绘的流体端口30。在一侧，过渡部段11与其中至少一个流体端口30通过通孔(图1未示出)流体连通，通孔是在各自板装置10的预定的堆叠水平和高度分流进出流体端口30的流体的小孔或通道。在另一侧，过渡部段11通过敞开界面区与电池20的气体扩散层流体连通，该界面区在电池20的宽度尺寸范围内具有扁平形流动横截面。

所披露的发明的优点适用于电池20，其具有一种仅有一个延伸入板装置10的过渡部段11中的气体扩散层的膜电极组件，以及一种具有两个气体扩散层的膜电极组件，每个气体扩散层在板装置10的对置两侧之一延伸入其过渡部段11。

图2示出根据本发明实施例的用于反应物质的板装置10的不同轮廓的具体设计的一部分。所绘的板装置10各部段包围输送流体端口、一个用于氧化剂的流体端口31、一个用于燃料32的流体端口和一个用于冷却剂的流体端口33。鉴于此，左手侧的板装置10的轮廓被设计成传输燃料气体即氢气或其反应后废气。右手侧的板装置10的轮廓被设计成传输在电池内循环的冷却剂。

当每种流体离开供应流体端口31、32、33时，它被容纳在板装置10宽度的大致三分之一内，因为有三个流体端口横截面。流体应在其经由板装置10的电池部段12内的通道进入电池20的活性区域时散布到板装置10的整个宽度。通过过渡部段11内的由呈内界壁形式的边界17界定的流动结构14来促进流体的散布。

在所绘实施例中的所有过渡部段11具有等距布置的呈立柱状的流动结构14，它们在过渡部段11的整个区域中散布排列。也为了支持流体流的方向性和加宽或缩窄，板装置10可以包括其它流动结构14，其具有倾斜的长条形横截面，用于引导或偏转流体流。

用于经由流体端口32所供应的燃料的且在左手侧所绘制的过渡部段11以及用于经由流体端口31所供应的氧化剂的未绘出的过渡部段11包括一种支承结构15，其与过渡部段11的边界17一起一体形成板轮廓中的界壁的锯齿形轮廓。锯齿形轮廓也一体包围在最靠近边界17的第一行排列分布的流动结构14中的其中一些立柱状流动结构14。填充在这种被包围的立柱状流动结构14与边界17的原始线(此时原本没有所述支承结构15)之间的假想三角区内空间的板材料通过附加支承过渡部段11的空腔并通过针对偏压负荷或变形加强所述被包围的流动结构14来支承板结构。结果，支承结构15在过渡部段11空腔的边界17区域中加强板轮廓。

作为副作用，因为锯齿形状的特性和支承结构15外露面的预定对齐取向，通过将外围流体流从边界17偏转至电池20的方向来实现积极的流动影响。

在图2的右手侧，用于冷却剂的过渡部段11包括另一种支承结构16，其作为从边界17起延伸入过渡部段11空间中且因此使得将流体端口33连通至过渡部段11的通孔18的连通被分断的壁凸起来形成。这种支承结构16与边界17以及在所述通孔18之间最近的排列分布的流动结构14的其中一些立柱状流动结构14一起一体形成。还借助这种支承结构16，填充在该立柱状流动结构14与边界17的原始线(此时原本没有所述支承结构16)之间的假想纵向区域内空间的板材料通过附加支承过渡部段11的空腔并针对偏压负荷或变形加强所述被包围的流动结构14来支承该板结构。因此这些支承结构16也在过渡部段11空腔的边界17区中加强该板轮廓。

通过与通孔并行地或关于具有长条形横截面的其它流动结构14的布置来选择适当取向，这种支承结构16有助于按照所期望的方向性来引导和偏转初始流体流，用以获得在电池20宽度范围内的均匀流动分布。

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 流动结构

15支承结构(锯齿形)

16支承结构(壁凸起形)

17 边界

18 通孔

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 (10)

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)的整个平面尺寸内散布和汇集流体，其中，该板装置(10)包括：

中心电池部段(12)，其在电池(20)的平面尺寸范围内包围多个通道；

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(30,31,32,33)的横截面开口；以及

过渡部段(11)，其按照在该流体端口(30,31,32,33)与该电池(20)之间流体连通的方式在该板装置(10)的平面方向上形成用于散布或汇集待输送流体的扁平形流动横截面，其中，多个流动结构(14)设置在该过渡部段(11)之内，并且该过渡部段(11)被边界(17)包围，

其中，该板装置(10)具有至少一个与该边界(17)和至少其中一个最靠外的流动结构(14)成一体形成的在所述多个流动结构(14)之外的支承结构(15,16)，用以在该板装置(10)的厚度方向上支承该扁平形流动横截面。

2.根据权利要求1所述的板装置(10)，其中，其中一种所述支承结构(15)和该边界(17)一体共同形成延伸入该过渡部段(11)的锯齿形轮廓。

3.根据权利要求2所述的板装置(10)，其中，用于氧化剂气体基工作流体或燃料气体基工作流体的过渡部段(11)具有所述与该边界(17)共同一体形成锯齿形轮廓的支承结构(15)类型。

4.根据权利要求1所述的板装置(10)，其中，多个通孔(18)布置在流体端口(30,31,32,33)与该过渡部段(11)之间，以在其间提供流体连通，并且

其中，另一种所述支承结构(16)和该边界(17)的布置在所述通孔(18)之间的部分一体共同形成延伸入该过渡部段(11)中的通道壁凸起。

5.根据权利要求4所述的板装置(10)，其中，用于冷却剂流的过渡部段(11)具有所述与该边界(17)共同一体形成通道壁凸起的支承结构(16)类型。

6.根据权利要求1至5之一所述的板装置(10)，其中，所述多个流动结构(14)中的至少一部分以等间距多行的呈圆形立柱或棱形立柱形式的流动结构(14)排列的形式布置，用以分散流体流。

7.根据权利要求6所述的板装置(10)，其中，所述多个流动结构(14)中的至少另一部分包括下述的流动结构(14)，其具有长条形横截面，用于引导流体流。

8.根据权利要求1至5之一所述的板装置(10)，具有用于包括氧化剂气体基流体、燃料气体基流体和冷却剂流体在内的三种工作流体的三个流体端口(31,32,33)，其中，该流动板包括用于至少其中一种所述工作流体的过渡部段(11)，或者该流动板针对每种工作流体包括一个过渡部段(11)。

9.根据权利要求1至5之一所述的板装置(10)，具有用于包括氧化剂气体基流体、燃料气体基流体和冷却剂流体在内的三种工作流体的三个流体端口(31,32,33)，其中，该流动板在一侧包括用于其中一种所述工作流体的过渡部段(11)并在另一侧包括用于其中另一种所述工作流体的过渡部段(11)。

10.一种电化学燃料电池装置，具有包括多个堆叠电池(20)的堆叠布置并且容纳有在所述堆叠布置的堆叠方向上穿过的用于工作流体的流体端口(30,31,32,33)，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8之一所述的板装置(10)，用于散布和汇集在所述电池(20)与所述流体端口(30,31,32,33)之间的工作流体。

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