CN1319199C - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括电解质(2)和流体输送管道系统的燃料电池，其中在电解质(2)的相对两侧上以阳极和阴极的形式设置有电极(3)，设置流体输送管道系统，使含有第一反应物的第一流体在阳极(3)上与活性表面(5)接触，并且使含有第二反应物的第二流体在阴极(3)上与活性表面(5)接触。本发明的特征在于流体输送管道系统包括分配装置，适于使引入到活性表面(5)的流体在沿着活性表面(5)延伸的入口区域(24)上均匀分配。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池。

背景技术

燃料电池用电化学方法将燃料和氧化剂转化为电能(电流)。这发生在没有燃烧的情况下，并且只要提供燃料和氧化剂就产生电能。反应产物为纯水。鉴于该技术清洁、无噪声、非常高效并且免更换部件这些事实，对于例如普通内燃机来说，燃料电池代表了一种有吸引力的替代品。适合燃料电池应用的例子是车辆的发电机、固定装置中的电动电源和移动电源单元如APU(辅助电源单元)。

燃料电池由阳极和阴极这两个电极以及设置在阳极和阴极中间的离子传导电解质构成。根据离子传导电解质的组成可以对燃料电池进行分类。燃料电池类型的例子有PEFC(聚合物电解质燃料电池或质子交换燃料电池)、AFC(碱性燃料电池)、PAFC(磷酸燃料电池)和SOFC(固体氧化物燃料电池)。PEFC类型还可以称作例如SPFC(固体聚合物燃料电池)或PEM燃料电池(质子交换膜)。

在PEFC中，例如，电极和电解质通常组装成公知的MEA(膜电极组件)。燃料电池通常构建成层结构，其中MEA构成一层或包含在一层中。在适当的位置设计其它层，特别用于进行燃料、氧化剂、反应物和冷却剂的分配。

在质子传导膜作为电解质的燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料如氢气以及氧化剂如空气/氧气中的化学能直接转变成电能。在阳极活性表面上的电池空间中，提供燃料并且燃料分解为氢离子(质子)和电子。电子通过阳极传导到外部电路，氢离子穿过电解质/膜迁移到阴极。在阴极活性表面上的电池空间中，提供氧化剂并且氧化剂与氢离子进行反应，形成热和水。外部电路可以用于例如驱动车辆、给电池充电、驱动车辆中的辅助设备或其它应用。为了能够供应足够大的功率和/或用于相关应用的电压，通常将多个燃料电池组装成公知的燃料电池堆。产生的电流必须能够通过堆叠体从一个电池传导到另一电池。

为了使燃料电池具有商业可行性，制造成本还必须足够低，并且效率即电能/化学能转变率要足够高。高效率的结果可以使燃料电池堆保持低重量和体积。在车辆应用中，重量在很大程度上影响燃料消耗和其它性能，并且可用空间是有限的，因此高效率尤其重要。提高效率还意味着给定功率所需要的电极/膜表面积更小，因此降低了所需要的电极/膜材料的用量。因这种材料通常是非常昂贵的，提高效率可以有助于显著地降低制造成本。

在传统燃料电池中，燃料/氧化剂通过位于MEA一角的入口提供给电极表面。出口位于MEA的相对角上，并且电池空间本身由位于MEA的层上挖出的若干细凹槽构成，通常该层就是公知的双极板。这些凹槽形成流体输送管道，流体输送管道以相当复杂的图案在入口和出口之间沿着电极表面布置。双极板中没有设置凹槽的部分与活性表面接触并且从电极中传导电流或者将电流传导到电极中。这种结构的一个缺点就是，狭窄的流体输送管道容易被气体、水或者污垢堵塞，而且相对大部分的MEA活性表面被双极板中没有设置任何凹槽的部分覆盖。总而言之，这导致绝大部分活性面积对流体来说是不可到达的，因此绝大部分活性面积没有用于发电。而且，MEA中的凹槽导致其后部和双极板之间的接触压力小于侧边的，这导致堆叠体的传导性和紧固性(holding-together)差。另一个缺点就是MEA的一部分通常用来密封挖出的凹槽的外部区域，这意味着还有一部分MEA没有用于发电。而且，所述类型的凹槽需要复杂因而昂贵的制造工艺。为了确保堆叠体密闭于外部并且确保各种流体不会混合，通常在层和电池之间设置各种密封物。为了保证通过堆叠体的密封性和良好传导性，要求在层和密封物之间有良好的紧固性和传导性。这通常是通过从端壁施压而获得的，例如通过贯通螺栓实现。当密封物经常随着时间而变得干硬，发生气体泄漏和传导性减弱就相对常见了。

JP11283636描述了另一种结构，其中电池空间形成在MEA和入口/出口层之间设置的隔离层中设计的多个平行狭槽中。在入口/出口层中借助两个伸长的空腔形成了进入电池空间/狭槽的入口和从电池空间/狭槽出来的出口，这两个空腔位于狭槽的端部并与所述狭槽成直角。在一个空腔末端上的孔提供了燃料或者氧化剂的入口，用于将燃料或者氧化剂向前传送到平行狭槽。流体穿过狭槽之后，通过在末端上具有出口孔的另一个凹槽被导出。如上所述，入口孔和出口孔位于MEA的相对角上。在提出的结构中考虑了各种流体输送管道的设计，从而与现有技术相比提供了更有利的制造条件。JP11283636仅仅处理了关于层状结构燃料电池制造工艺的问题，而没有说明或者讨论与例如效率或者电极面积的利用有关的作用。在这些范围内该文献没有给出对该问题的启示。但是可以从其说明中推断出，位于狭槽之间的相对大部分的电极面积难以让流体到达，因此仅仅在边缘上提供发电。

温度对燃料电池的运行来说是很重要的。为了使温度不会变得太高，产生的热必须从电池/堆叠体中消散出去。一方面，为增加反应速率，希望有高温度，但是另一方面，必须不能超过最大的温度水平。这对PEFC来说是特别重要的，因为高温能够损坏膜。在堆叠体中通常设置多个分离的冷却单元，彼此之间有一定间隔，例如，在一连串多个电池之后，常为5-7个，跟随一个冷却单元。

发明内容

本发明的第一个目的是，与现有技术相比提供一种改进的燃料电池，尤其在效率和有成本效益的制造方面。该目的是通过一种根据本发明的装置来实现的。本发明第二个目的是，与现有技术相比提供一种改进的燃料电池堆。该目的是通过一种根据本发明的装置来实现的。

本发明构成的燃料电池包括电解质和流体输送管道系统，其中在电解质的相对两侧上以阳极和阴极的形式设置有电极，流体输送管道系统设置成使含有第一反应物的第一流体在阳极上与活性表面接触，并且使含有第二反应物的第二流体在阴极上与活性表面接触。本发明的特征在于流体输送管道系统包括适于分配流体的分配装置，通过入口区域均匀地将流体引入到活性表面，其中入口区域沿着活性表面延伸。为了获得高效率，电极/膜上的活性面积必须能够被最大化利用，其需要以燃料和氧化剂的有利流型(flow pattern)为前提条件。通过本发明，得到了流到电极表面的均匀展开的且由此有利的流体分布，其以非常有效的方式为利用电极表面提供了良好的机会。由此可以改善效率，这带来了每单位电极面积上功率的增加。这可以用来增加可得到的总功率，或者可用来减少电极/电解质的用量，以降低制造成本。而且，根据本发明的宽入口区域为电池空间设计提供了更大的自由度。因此本发明显著不同于常规燃料电池，常规燃料电池中流体通过角上的孔引导到活性表面上。本发明还显著不同于JP11283636，就从其描述中可以推断出的流型来说，可以象这样描述：当流体通过入口孔在空腔末端流入时，全部流体的大部分将流过接近于入口孔的平行狭槽，全部流体中稍微少的一部分将流过下一个平行狭槽等，而全部流体的一小部分将流过位于离入口孔最远处的狭槽。因此得到的是活性电极表面上非均匀的流体分配，这导致了电极不同部分的反应条件不同。在使工艺最佳化方面这种流型带来了困难，而且因为例如阴极侧上的不均匀磨损而能够导致寿命缩短和特别干燥。与JP11283636形成对比，本发明提供了均匀展开的流体分布，其流入电极表面且覆盖电极表面。

在本发明第一优选实施例中，入口区域在横向方向或纵向方向上沿着活性表面范围的至少近一半延伸，优选沿着基本上整个活性表面延伸。入口区域优选位于活性表面的一个界限附近。以这种方式，实现到活性表面非常有利的流入。

在本发明的第二优选实施例中，流体输送管道系统包括收集装置，用于使由活性表面流出的流体在出口区域范围内离开活性表面，出口区域优选沿着至少近一半的活性表面延伸，优选沿着基本上整个活性表面延伸。以这种方式，活性表面上的流型得到进一步改进。而且，这种设计使得在活性表面上的电池空间设计方面非常自由；除了例如凹槽和狭槽的不同变形之外，现在电池空间也可以由均匀容积构成，因为根据本发明的入口和出口可以用来保证活性面积上的有利的流型，由此可以用来确保高效率。出口区域适当位于活性表面的界限附近与入口区域相对，入口区域适当地与出口区域基本彼此平行。

在本发明的第三优选实施例中，分配装置包括在沿着活性表面的方向上延伸的分配腔和至少一个入口，该至少一个入口使来自分配腔的所述流体输送到活性表面，所述至少一个入口限定了入口区域。分配腔和至少一个入口优选设计成使通过至少一个入口所具有的流体阻力大于通过分配腔所具有的流体阻力。以这种方式，在流体通过入口/多个入口并且进入电池空间之前，就在分配腔中被很好地分配。通过改变入口的数目、尺寸和形状，可以容易地改动这种结构。这对例如在新装置中改变压降来说是有利的。

有利的解决办法就是活性表面基本在第一平面上延伸并且分配腔基本在第二平面上延伸，其中第二平面基本平行于第一平面并且与第一平面间隔一定距离，并且分配腔至少部分地在第一平面中与活性面积对应的区域上延伸。以这种方式，分配腔/输送管道系统在电极/电解质侧占用了较少的空间，这导致电池/堆叠体的前表面变得更小。在某些应用中这对于使燃料电池堆的物理形状适合于可用空间来说是很重要的。而且，简化了实现与电池空间连接的工作，此外为在接近出口区域的位置上设置第二入口区域提供了机会。以这种方式，可以在电池空间下游添加“新鲜”的反应物流体。

在本发明的第四优选实施例中，燃料电池由层结构构成，该层结构包括：第一层，活性表面位于第一层；具有所述至少一个入口的第二层；以及位于第一层和第二层之间的至少另外一层，第二层和至少另外一层构成了分配腔的界面。出于多种原因这样的层结构是有利的。就制造而言，与例如不能使用冲孔的实心结构相比，用机器制造各层相对简单。而且，为在不同层中使用不同材料提供了机会，既可用于简化制造，也可用于改进功能。层结构对于安装时的运行测试/调整来说也是有利，因为可以调换或者简单地更改各层。本发明的这个实施例还有一个益处，就是不同层以灵活的方式相互作用，例如，在组装层时，将分配腔形成在第二层和至少另外一层之间，这意味着即使各层的加工相对简单，也可以形成相对复杂的流体输送管道和腔体系统。分配腔优选至少部分地由第二层和/或至少另外一层中的空腔构成。在有利的变形中，该至少另外一层包括第三层和第四层，分配腔至少部分地由第三层中贯穿切口构成，第二层在一个方向上构成分配腔界面，以及第四层在相对方向上构成分配腔界面。

适于将层结构设计成第二层构成活性表面上电池空间中的界面，第二层构成电池空间和分配腔之间的界限，并且第二层具有至少一个开口，其中该至少一个开口提供了在分配腔和电池空间之间的连通并且形成至少一个入口。

优选第二层与活性表面间隔一定距离。以这种方式，电池空间可以由形成在第二层和活性表面之间的空隙构成。因此消除了例如制造凹槽所消耗的成本和时间，而且也不需要例如以狭槽形式的额外的电池空间形成层。加之对上述流型的控制，本发明可以非常有效地利用位于“开口”电池空间的活性表面。

在本发明关于层结构的优选变形中，流体输送管道系统包括冷却剂分配系统、设置在至少另外一层中的冷却腔。以这种方式，可以冷却堆叠体中的每个电池。这对堆叠体中的温度提供了非常好的控制，并且意味着可以得到均匀的温度分布，以及意味着为了获得最大可能的功率，可以使运行温度接近最大允许温度。优选冷却腔至少部分地由该至少另外一层中的贯穿切口构成，第二层构成冷却腔的界面。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明，其中

图1a示意性地示出了本发明优选实施例中第一层的平面图，其中本发明依照层结构而构成；

图1b示出根据图1a中I-I的横截面；

图2a示意性地示出根据本发明优选实施例的第二层的平面图；

图2b示出根据图2a中II-II的横截面；

图3a示意性地示出根据本发明优选实施例的第三层的平面图；

图3b示出根据图3a中III-III的横截面；

图4a示意性地示出根据本发明优选实施例的第四层的平面图；

图4b示出根据图4a中IV-IV的横截面；

图5a示意性地示出根据本发明优选实施例的第五层的平面图；

图5b示出根据图5a中V-V的横截面；

图6示意性地示出根据优选实施例的根据图1b、2b、3b、4b和5b组装成层结构的各层的组合；

图7示出根据图6的层结构的进一步改进。

具体实施方式

将在优选实施例中描述本发明，其中本发明按层结构来构造。这种构造在制造方面是有利的。

流体输送管道体系这种表述是指用于传导任何种类流体的所有输送管道、腔体、连接件、缝隙等。

活性表面这种表述是指电极表面上的或者就是在电极表面的表面，是在主体中发生化学反应的地方。

图1a示意性地示出了第一层1的平面图，以及图1b示出根据图1a中I-I的横截面。第一层1包括平板状结构，有时称作MEA，其由电解质2和位于电解质2相对侧的阳极与阴极这两个电极构成。每个电极的外表面5，下面称作活性表面，在燃料电池工作期间要与反应介质接触。电极3通常包括催化材料(未示出)并且通常涂覆有气体扩散层(未示出)，用以将气体推向催化电极。电解质2和电极3通过使活性表面5进入到间隔部件6的方式与环绕及密封的间隔部件6连接。而且，第一层设置有多个贯穿切口：用于引入冷却剂的主输送管7；用于流出冷却剂的主输送管8；用于引入第一流体的主输送管9；用于流出第一流体的主输送管10；用于引入第二流体的主输送管11；用于流出第二流体的主输送管12以及多个螺栓孔13(在这个例子中为4个)，以便可以用螺栓将层结构连接在一起。

在示意图1中，间隔部件6分成两部分6a和6b，这是为了表明可以以各种方式构成第一层，例如由多个部分层构成。例如，可以使电解质2在两部分6a和6b之间部分地连续，并且能够用隔离片和包装材料进行密封。

图2a示意性地示出第二层21的平面图，图2b示出根据图2a中II-II的横截面。第二层21与第一层1一样具有多个上述贯穿切口7-13。第二层21还具有孔形式的多个入口22(在这个实施例中为6个)和多个出口23(在这个实施例中为6个)。入口22和出口23以如下方式分布在图(图2a)垂直方向上的一定距离上：入口22和出口23分别限定了沿图(图2a)垂直方向延伸的入口区域24和出口区域25。下面描述这些开口22，23和区域24，25的作用。

图3a示意性地示出第三层31的平面图，图3b示出根据图3a中III-III的横截面。第三层31与第一层1和第二层21一样具有多个上述贯穿切口7-13。第三层31还具有与用于引入第一流体的主输送管道9相连通的第一分配腔32、与用于流出第一流体的主输送管道10相连通的第一收集腔33、和与用于引入和流出冷却剂的主输送管道7、8相连通的第一冷却腔34′。

图4a示意性地示出第四层41的平面图，图4b示出根据图4a中IV-IV的横截面。第四层41与前面描述的各层一样具有多个上述贯穿切口7-13。第四层41还具有与用于引入和流出冷却剂的主输送管道7、8相连通的第二冷却腔34″。

图5a示意性地示出第五层51的平面图，图5b示出根据图5a中V-V的横截面。第五层51与前面描述的各层一样具有多个上述贯穿切口7-13。第五层51还具有与用于引入第二流体的主输送管道11相连通的第二分配腔52、与用于流出第二流体的主输送管道12相连通的第二收集腔53、和与用于引入和流出冷却剂的主输送管道7、8相连通的第三冷却腔34。

图6示出组装成层结构60的根据图1b、2b、3b、4b和5b的层的组合，该层结构包括两个重复的序列。也可以说图6示出了部分燃料电池堆，该部分包括两个都由层结构构成的燃料电池。从第一层1开始，并且沿着图6中朝上的方向，每个重复序列，即每个燃料电池如下构成：第一层1、第二层21、第三层31、第四层41、第五层51以及结构与第二层21相同的第六层61。根据图6，组装好的层结构60在第一层1中的活性表面5上具有电池空间4，其中电池空间4由界面限定：活性表面5、间隔部件6和第二层21，或者第二层21替换为第六层(还参见图1和2)。图6还示出，三个冷却腔34′、34″、34已经组合在一起，形成了共用冷却腔34。

下面将借助图1-6描述通过层结构的各种流体。图6中已经插入了多个箭头：细实线箭头代表第一流体，细虚线箭头代表第二流体，以及宽箭头代表冷却剂流体。基本上，可以说第一流体包含第一反应物，例如氢气或其他燃料，第二流体包含第二反应物，例如氧气或其他氧化剂。在每个电池中这两种流体流过位于每个电解质两侧上它们各自的电池空间4，然后发生所需要的反应，并且流体的含量发生变化。因此，与引入的流体相比，流出的第一和第二流体将是废反应物，并且至少一种流出的流体将含有反应产物例如水。

三种流体通过主输送管道7-12流到燃料电池并且从燃料电池中流出。引入的第一流体从它的主输送管道9流到第三层31中的第一分配腔32中，并且朝上通过第二层21中的入口22流到电池空间4中，在此与活性表面5接触，然后发生所需要的反应。第一流体通过出口23继续从电池空间4流到第一收集腔33中，并且朝上流入到用于流出第一流体的主输送管道10中。由于是这样来设计第一分配腔32和入口22：通过入口22比通过第一分配腔32具有更大的流体阻力，所以第一流体将在第一分配腔32中被很好地分配，因此第一流体在由入口22限定的入口区域24中被均匀分配(参见图2a)。图1、2和6组合起来示出入口区域24沿着活性表面朝着在图1a和2a中图的垂直方向上、在图1b、2b和6中与图面(也就是纸面)正交的方向上延伸。图1a、2a和6示出入口区域24基本沿着活性表面的整个范围在垂直方向上延伸，并且示出入口区域24邻近活性表面5的一个界限，也就是说在本例中邻近间隔部件6。通过与上述入口层相似的方式设置出口区域25、出口23和第一收集腔33。因此出口区域25展开并邻近与入口区域24相对的活性表面5的界限。入口区域24和出口区域25还彼此平行。由于展开的入口区域24上的上述均匀的流体分配流入到活性表面5，所以为有效利用活性表面5提供了非常好的机会。通过如上所述设计的从活性表面出来的出口，甚至提供了更好的机会。下面将更详尽地描述这些机会和电池空间4。

引入的第二流体从它的主输送管道11(图6中未示出)流到第五层51中的第二分配腔52中，并且朝上通过第六层61中的入口22流到电池空间4中，在此与活性表面5接触，然后发生所需要的反应。第二流体通过出口23继续从电池空间4流到第二收集腔53中，并且朝上流出，进入到用于流出第二流体的主输送管道12(图6中未示出)中。流体阻力、入口区域24、出口区域25和流体分配等的描述与上述关于第一流体的相类似。

以这种方式选定入口22和用于引入第一流体和第二流体的主输送管道9、11的合适尺寸：穿过所涉及电池的压降的大小使得引入的第一和第二流体均匀地分配在堆叠体中所有的电池上。这意味着在电池上可以发生均匀的化学反应，这导致电池电压相同并且在堆叠体中进行均匀发电。以这种方式，获得了对电池电压的良好控制，这使某些电池电压降到对电池来说是危险的并且可以依次导致MEA损坏从而使堆叠体损坏的水平以下的风险最小化。均匀发电可以容易地避免由电池太热所带来的问题例如膜变干且破裂/裂缝。

引入的冷却剂流体10通过第三层31、第四层41和第五层51中的连接件从它的主输送管道7(图6中未示出)流到共用冷却腔34中并且朝上流出，进入到用于流出冷却剂的主输送管道8(图6中未示出)。正如图6中可以看到的，在每个重复的序列中，冷却腔34位于第二层21和第六层61之间。因此层结构60使得堆叠体中的每个电池都冷却。这提供了对堆叠体中温度的良好控制，并且意味着可以获得均匀的温度分布，以及意味着为了获得最大可能的功率，运行温度可以接近所允许的最大温度。适合使用液态冷却剂，如对于最大冷却效果的水，但是也可以使用气体形式的冷却剂。

正如可以从图1、2和6中所看到的，电池空间4由直接邻近活性表面5的均匀容积组成。根据上述关于入口区域24和出口区域25的描述，在整个电池空间4上获得了均匀且良好的流型，因此在整个活性表面5上获得了均匀且良好的流型。以这种方式，可以非常有效地利用活性表面5。为了分别在电极3和第二层21、电极3和第六层61之间传导电流，图7中示出第一传导装置71位于每个电池空间4中。第一传导装置71至少部分地由导电材料制得，优选非常适于电池空间4中化学环境的导电材料。还优选将第一传导装置71设计成，通过例如增加电池空间4中流体的振荡，用于增加物质传递并且由此增加反应速率，来进一步保证在活性表面5上均匀且良好的流体分配，从而进一步增加活性表面5的利用度。而且，第一传导装置71适当地具有弹性，以确保随着时间的流逝具有良好的接触。第一传导装置71优选由网状结构或折叠且穿孔的板构成，但是还可以采用其他具体例子。

图7中示出，为了在第二层21和第六层61之间传导电流，第二传导装置72位于每个冷却腔34中。与第一传导装置71类似，第二传导装置72：i)至少部分地由适合化学环境的导电材料制得，ii)适合设计成通过例如使冷却腔34中的流体产生振荡用于增加物质传递，来保证通过冷却腔34的良好流体分配而改进冷却效果，iii)适当地设置成具有弹性，为了确保随着时间的流逝而具有良好的接触和堆叠体的稳定性。以这种方式在燃料电池中包括的组件之间产生的接触压力促成了电池之间均匀的流体和电压分布。第二传导装置72也优选地由网状结构或折叠且穿孔的板构成，但是还可以采用其他具体例子。

当然传导装置71、72可以由多个部件构成。

根据图6和7的层结构60在一定程度上是对称的，第一流体可以改为流过上述用于第二流体的输送管道和空间，反之亦然。也可以改变上述三种流体中一种或几种的流动方向。这可用于，例如为了获得反向电流通过第一层1中两个电池空间4，从而通过这种方式来以对反应速率有利的方式增加浓度差或部分压力差。另一个例子就是在与上述方向相反的方向上传导冷却剂，为了促进流出的冷却剂流体和引入的反应物流体之间的热交换。

正如先前提及的，必须使燃料电池堆隔离外界以及不能使各种流体混合。在图1-7中描述的实施例中，第三层31、第五层51和间隔部件6由密封材料构成。以这种方式，不再需要具有密封功能的额外层。当然可以替换为将密封层插在上述层中的一个或多个层之间。还可以采用，例如，部分间隔部件6由密封材料构成。在所描述的实施例中，分配腔32、52和收集腔33、53与第一和第三冷却腔34′、34在具有密封功能的层中构成了贯穿切口。第二层21和第六层61适合由例如金属这样的材料制得，一方面适合电池空间4中的化学环境，另一方面导热性好以达到良好的冷却效果。第四层41适于设计成为围绕密封层提供稳定性并且可以由金属制得。当然可以采用许多不同的材料用于各层。

可以按需要，在层结构60中改变重复序列的数量，即燃料电池的数量。由末端结构结束堆叠体，例如通过用第七层(未示出)代替第五层51来设置末端结构，其仅仅具有上述贯穿切口7-13。

本发明并不局限于上述说明性的实施例，而是还可以采用多种改动。

例如，必须强调附图是示意性的；为了得到上述入口24和出口区域25的变形，根据本发明优选实施例的描述作为出发点，本领域技术人员可以进行多种改动。例如，可以改动：i)主输送管道7-12的位置，ii)分配腔32，52、收集腔33，53和冷却腔34′，34″，34的位置和几何形状，iii)主输送管道和腔体之间连接件的位置和形状。入口22和出口23的外观、几何形状和位置，还有活性表面也可以改动。如何采用图1-6作为出发点，能够用相对简单的方式制造在整个活性表面5上延伸的入口区域24的例子就是，移动用于引入冷却剂的主输送管道7，其与冷却腔34′、34″、34连接的连接件更加远离用于第一引入流体的主输送管道9(即图1-5中朝上)，以便在图3和图5中第一和第二分配腔32、52能够朝上扩展，使得分配腔32、52沿着活性表面5的整个宽度延伸。可以通过以增加一个或多个入口22这种方式形成沿着整个活性表面5延伸的入口区域24。以相应的方式，通过移动用于流出却剂的主输送管道8，其与冷却腔34′、34″、34连接的连接件更加远离用于第一流出流体的主输送管道10(即图1-5中朝下)，通过图3和图5中朝下延伸第一和第二收集腔33、53，使得它们沿着活性表面5的整个宽度延伸，并且还可以通过以增加一个或多个出口23这种方式形成沿着整个活性表面5延伸的出口区域25。如果想要减小电极3和电解质2的尺寸，可以交替地省略图2a中各入口22的底部入口和各出口23的顶部出口，根据所形成的入口区域24和出口区域25宽度可以改变活性表面5。

本发明优选用于使用气体反应物如氢气和氧气的燃料电池，但是本发明还很适于液体反应物如甲醇、汽油等。本发明还很适用于具有不同电极/膜设置的各种类型电池。

上述实施例的替换例就是在第三层31中为三种流体都设置入口/出口，并且从结构中省略第四层41和第五层51。在这种替换例中，第三层31将包括五个腔，都具有与各个主输送管道连接的结合连接件：用于引入两种反应物的两个分配腔32、52、用于流出两种流体的两个收集腔33、53以及冷却腔34′。例如可以以这种方式设置分配腔、入口、出口和收集腔：入口区域24和出口区域25在活性表面5接近一半的宽度上延伸(使得两个入口区域/出口区域被彼此相邻地容纳)，并且这样放置入口，使得在活性表面上进行对角流动。这种情况，第三层31被第二层21的两个倒镜像变形体包围，其中第二层21具有入口和出口。可替换的，入口区域24和出口区域25可以以这种方式设置：第一流体以基本上与上述实施例相似的方式在活性表面5上流动，第二流体沿着基本上与第一流体方向成直角的方向在活性表面5上流动，也就是说，使得流体在电极/电解质的不同侧上呈十字状。在这种情况，对于第三层31中的两种流体来说，两个分配腔的延伸方向，以及两个收集腔的延伸方向，彼此之间成直角。在这种情况，第三层31还被第二层21的两种变形体包围：一种变形体具有水平的入口区域/出口区域，一种变形体具有垂直的入口区域/出口区域。然而，上述优选实施例的优点就是第四层41以有效的方式将两种流体隔开，这降低了泄漏的风险。

对于入口区域24/出口区域25的设计而言，可替换地，这些可以限定为细长的开口，例如狭缝，代替多个更小开口的分布。还可以连续设置多个入口区域24，也就是说第二入口区域设置在电池空间4的下游。从流体的观点来看，这能够使例如在电池空间4的后部分中反应物的浓度处于高水平。当然这种结构需要冷却腔34′具有不同的设计。

本发明并不局限于例如图6中示出的由均匀容积构成的电池空间。例如活性表面完全可以不进入第一层1并且电池空间可以由例如邻接层中的凹槽或狭缝构成。可选择地，可以在电池空间4中设置插入物，插入物在与活性表面5相对的侧上具有例如多个细凹槽，并且插入物适于通过活性表面5将来自入口22的合适气流提供给出口23。所述插入物由结合在第二层21中的部分构成，如安装在电池空间中的凸起。还在这种情况，有利于使引入到活性表面5的流体均匀地分配在沿着活性表面5延伸的入口区域上。例如，通过使凹槽平行可以简化凹槽的设计，这简化了制造。

而且，本发明并不局限于为了传导电流而使传导装置71位于电池空间4中的活性表面5上。替换例是通过与活性表面5的界限邻接的材料传导电流。另一种替换是，使面对活性表面且由此构成电池空间4的一个界面的表面具有在电池空间4上获得电接触的三维结构。这种结构的例子是该表面设置有某些形式的销钉(pin)或者是该表面非常粗糙，或者该表面由其他某些在活性表面上很好分配流体的图案构成。

可以改变电池/堆叠体的形状，例如，电池/堆叠体可以为圆柱形设计。除了示出的矩形之外，活性表面5还可以为其他几何形状。

就层结构60中的各层而言，当然它们可以具有不同的厚度，而且，它们不一定只通过螺钉穿过螺钉孔13保持在一起；某些层可以例如通过其他固定方法连接在一起，例如粘合、软焊和焊接，或者以其他方式结合在一起。

在本发明的一种变形中，可以由在第二层21和/或第四层41中的空腔形成具有结合的连接件的第一分配腔32和第一收集腔33。例如，这些空腔具有的基本形式可以与图3a中示出的相同。与上述实施例相反，其中这些第一腔32、33位于第三层31中，在这个变形中它们将位于第二层21和/或第四层41中。通过确保第二层21与第四层41相互之间彼此隔绝，或者通过选择合适的层材料或者对其中的一层或两个层提供合适的表面层，因此可以从结构中省略第三层31。以相同的方式，当设置在第四层41和第六层61之间那的第五层51也可以从密封设置的结构中省略时，可以由第四层41和/或第六层61中的空腔形成第二分配腔51和第二收集腔52。以这种方式，层结构60中每个重复序列中总层数可以减少到四层：第一层1、第二层21、第四层41和第六层61。本发明的这个变形的益处就是，当组装层结构/燃料电池堆时，较少的层数有利于安装。其他好处就是较少的层数可以使整个结构更紧凑并且减少了可能出现泄漏的点的数量。在本发明的这个变形中，通过位于第四层41中的冷却腔34″实现冷却。与在上述实施例中一样，第四层41还起到隔离层的作用，阻止第一流体和第二流体之间的泄漏。以与上述实施例相似的方式，第二层21将构成电池空间4和分配腔32和收集腔33之间的界限，并且分别通过入口22和出口23在其间提供连通。而且，与上述一样，第二层21构成电池空间4和冷却腔34″之间的界限。

当然腔体32、33、52、53还可以分别由第三层31和第五层51中贯穿切口分别和第二层21和/或第四层41、第四层41和/或第六层61中的空腔组合构成。

依据根据本发明的上述例子，当组装层结构60时，在不同层之间形成分配腔32、52。分配腔32、52的界面在一方面由第二层21构成，在另一方面由一个或多个其他层构成：第三层31或第四层41中贯穿切口中的“壁”，或者，如果分配腔32，52由空腔构成，则是第四层41。也以相对应的方式形成收集腔33、53。当组装层结构60时还形成了冷却腔34，并且还在这种情况，第二层21构成用于形成内部中空的界面。依据根据本发明的上述例子，使用的是灵活的层结构60，其中相互作用的各层形成不同类型的空间如输送管道和腔体。通过使用相对薄的层，通过使用例如冲孔代替例如用于形成各种空间的钻孔，可以简化制造。而且，与例如实心结构相对比，在测试运行/调整期间，可以相对容易地修改所述层结构60，因为可以卸下和改装或调换个别层。

Claims (26)

1、一种燃料电池，包括

电解质(2)，在该电解质的相对两侧上以阳极和阴极的形式设置有电极(3)，和

流体输送管道系统，设置该流体输送管道系统，使含有第一反应物的第一流体在阳极(3)上与活性表面(5)接触，并且使含有第二反应物的第二流体在阴极(3)上与活性表面(5)接触，其中该流体输送管道系统包括分配装置，适于使引入到活性表面(5)的流体在沿着活性表面(5)延伸的入口区域(24)上均匀分配，

其特征在于，该分配装置包括：分配腔(32，52)，所述分配腔(32，52)与活性表面(5)在空间上分隔开并且在沿着活性表面(5)的方向上延伸；和至少一个入口(22)，使来自分配腔的所述流体输送到活性表面(5)，所述至少一个入口(22)限定入口区域(24)。

2、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，入口区域(24)在横向方向或纵向方向上沿着活性表面(5)范围的至少一半延伸。

3、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，入口区域(24)在横向方向或纵向方向上沿着活性表面(5)的整个范围延伸。

4、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，入口区域(24)位于活性表面(5)的一个界限附近。

5、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，流体输送管道系统包括收集装置，适于使从活性表面(5)流出的流体在出口区域(25)范围内离开活性表面(5)，出口区域(25)沿着至少一半的活性表面(5)延伸。

6、如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，出口区域(25)位于活性表面(5)的一个界限附近与入口区域(24)相对。

7、如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，入口区域(24)和出口区域(25)彼此平行。

8、如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，设计分配腔(32，52)和至少一个入口(22)，使通过至少一个入口(22)所具有的流体阻力大于通过分配腔(32，52)所具有的流体阻力。

9、如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，活性表面(5)在第一平面上延伸并且分配腔(32，52)在第二平面上延伸，其中第二平面平行于第一平面并且与第一平面间隔一定距离，并且分配腔(32，52)至少部分地在第一平面中与活性表面(5)对应的区域上延伸。

10、如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，燃料电池由层结构(60)构成，层结构(60)包括

第一层(1)，活性表面位于第一层(1)，

第二层(21)，设置有所述至少一个入口(22)，和

至少另外一层(31，41)

其中第二层(21)位于第一层(1)和至少另外一层(31，41)之间，第二层(21)和至少另外一层(31，41)构成了分配腔(32，52)的界面。

11、如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，分配腔(32，52)至少部分地由第二层(21)中的空腔构成。

12、如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，分配腔(32，52)至少部分地由至少另外一层(31，41)中的空腔构成。

13、如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，

至少另外一层(31，41)包括第三层(31)和第四层(41)，

分配腔(32，52)至少部分地由第三层(31)中贯穿切口构成，

第二层(21)在一个方向上构成分配腔(32，52)界面，和

第四层(41)在相对方向上构成分配腔(32，52)界面。

14、如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，第二层(21)构成活性表面(5)上电池空间(4)中的界面，并且第二层(21)构成电池空间(4)和分配腔(32，52)之间的界限，并且第二层(21)设置有至少一个开口，其中该至少一个开口提供了分配腔(32，52)和电池空间(4)之间的连通并且形成至少一个入口。

15、如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，第二层(21)与活性表面(5)间隔一定距离。

16、如权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，电池空间(4)设置有第一传导装置(71)，适于在电极(3)和第二层(21)之间传导电流。

17、如权利要求16中所述的燃料电池，其特征在于，第一传导装置(71)具有弹性和/或适于在活性表面(5)附近提供改进的流型。

18、如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，第一传导装置(71)由网状结构构成。

19、如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，流体输送管道系统包括冷却剂分配系统，并且冷却腔(34，34′，34″，34)设置在至少另外一层(31，41)中。

20、如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，冷却腔(34，34′，34″，34)至少部分地由至少另外一层(31，41)的贯穿切口构成，并且第二层(21)构成冷却腔(34，34′，34″，34)的界面。

21、如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，冷却腔(34，34′，34″，34)设置有第二传导装置(72)，适于通过冷却腔(34，34′，34″，34)传导电流。

22、如权利要求21所述的燃料电池，其特征在于，第二传导装置(72)具有弹性和/或适于提供改进的流型，用于增强冷却效果。

23、如权利要求21所述的燃料电池，其特征在于，第二传导装置(72)由网状结构构成。

24、如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，收集装置包括

在沿着活性表面(5)的方向上延伸的收集腔(33，53)，和

至少一个出口(23)，使所述流体从活性表面(5)传输到收集腔(33，53)，所述至少一个出口(23)限定了出口区域(25)。

25、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，分配装置位于电解质(2)的阳极侧和阴极侧。

26、一种燃料电池堆，包括多个燃料电池，其特征在于，至少一个燃料电池根据权利要求1构成。

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