CN1333481C - 带有双通道阳极的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池双极板(1)，其包括带有限定出阳极和阴极流道的凸纹的第一和第二板。将此两板叠套，从而限定出多条中心流道(13)。在此两板的端部形成第一和第二边缘区。在第一边缘区内形成多根与中心流道(13)流体连通的第一内部燃料歧管(3)。在第一边缘区内形成多根与中心流道以及阳极流道(16)流体连通的第二内部燃料歧管(4)。在第二边缘区(6)内形成与中心流道(13)和阳极流道(16)流体连通的回转通风空间(21)。

Description

带有双通道阳极的双极板
相关申请
本申请请求享有序列号为60/427,095的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本申请涉及燃料电池、用于燃料电池的双极板、用于燃料电池的间接内部燃料重整，本发明还涉及通过双极板为燃料电池提供阳极反应物的双通道的方法。
背景技术
燃料电池堆由彼此堆叠从而呈现电位序关系(electrical seriesrelationship)的多个单平板电池组成。每个单电池包括阳极、阴极和电解质部分。现有技术中已知的部件如双极隔板、双极板、互连件(interconnect)、隔离件(separator)、流场板(flow field plate)分隔燃料电池堆中电池堆叠体的相邻单电池。双极隔板可用于多种其他目的，例如，用作经受将燃料电池堆保持在一起的压力的机械支撑；给各流动室提供反应物和冷却剂的流体通道；以及为燃料电池产生的电流提供路径。这种板还可配有消除燃料电池中发生的燃料电池放热反应产生的过多热量的机构。
一些双极隔板包括被设计成用于气体冷却剂、液体冷却剂或者吸热燃料重整的整体式冷却剂腔或者冷却剂流动通道。冷却剂流动通道可以位于两个外部金属板之间的中心，每个外部金属板都模制成带有多道沟槽或凸纹。若一块板的最高处搁在下一块板的最低处，则形成冷却腔。两块板都是双极板的构件，因此都必须具有足够的强度和坚固性，以经受施加到组装的燃料电池堆上的挤压密封力(compressive sealing force)。授权于Allen的美国专利5,795,665号给出了以下教导：当表面微凹(dimpled)的单件双极隔离件的最高处位于活性组成部分(active component)的表面微凹组件的最低处时，在MCFC双极隔板内形成“重整室”和带有设置于所述两组成部分之间的平板阻隔件(barrier)的集流体。形成的腔中装有用于燃料的吸热蒸汽重整的重整催化剂。
在不同反应物流和反应物歧管设计中可以对双极隔离件中的流动结构作出各种选择。现有的对于流动结构的选择是平串流(co-flow)、逆流、交叉流以及各种所使用的蛇形流。现有的用于反应物和冷却剂的歧管被设计为内部式、外部式或者内外部组合的形式。集流燃料、氧化剂和冷却剂，以对相对于整个设计的复合结构起作用的双极隔板的表面提供均匀的流动。
本发明的目的是提供一种可减少和克服现有部件中存在的部分或者全部缺陷的双极板。本领域技术人员通过下面对本发明所公开的和特定的优选实施方式的详细描述将更清楚本发明的具体目的和优点。
发明内容
本发明的优选实施方式可以在带有中心流动腔的双极板内部提供用于间接内部燃料重整器的初级流动路径和用于阳极流场的次级流动路径。该中心流动腔以使阳极反应物燃料经过燃料电池双极板两次的方式和阳极流场流体连通。
经过双极板的整个流动路径包括处于双极板的第一边缘区内并与双极板中心腔流体连通的第一内部歧管。双极板的中心腔包括多条流道(flowchannel)，这些流道和位于双极板的对置的第二边缘区内的回转通风空间(turnaroung plenum)流体连通。回转通风空间通过多道缝隙和双极板的阳极流场流体连通。阳极流场包括多条流道，这些流道和中心腔的流道叠套且和双极板第一边缘区内的第二内部歧管流体连通。
根据第一方面，燃料电池双极板包括第一板，该板具有第一表面、对置的第二表面、以及在第一板的第一表面上限定出阳极流道的多个凸纹；第二板具有第一表面、对置的第二表面、以及在第一板的第二表面上限定出阴极流道的多个凸纹；第二板和第一板叠套，从而限定出在第一和第二板之间延伸的多条中心流道；在第一和第二板的一端形成第一边缘区，而在第一和第二板的相对端形成第二边缘区；在第一边缘区内形成与中心流道流体连通的多个第一内部燃料歧管；在第一边缘区内形成与阳极流道流体连通的多个第二内部燃料歧管；在第二边缘区内形成回转通风空间，该回转通风空间与中心流道和阳极流道流体连通；还包括形成在所述第二密封区内、使所述回转通风空间与所述阳极流道流体连通的缝隙；所述第二端部区的一部分被折叠在其本身上，而且在该折叠部分内设有隔片。
根据第二方面，燃料电池双极板包括由第一板和第二板形成的板，该板包括多个部段。第一板具有第一表面、对置的第二表面、以及在第一板的第一表面上限定出阳极流道的多个凸纹。第二板具有第一表面、对置的第二表面、以及在第一板的第二表面上限定出阴极流道的多个凸纹。第二板和第一板叠套，从而限定出多条在第一和第二板之间延伸的中心流道。在第一和第二板的一端形成第一边缘区，而在第一和第二板的相对端形成第二边缘区。在各部段的第一边缘区内形成与中心流道流体连通的多个第一内部燃料歧管。在各部段的第一边缘区内形成与阳极流道流体连通的多个第二内部燃料歧管。在第二边缘区内形成回转通风空间，该回转通风空间与中心流道和阳极流道流体连通。
从随后对特定优选实施方式的详细描述可进一步理解这里所公开的发明的这些和其他特点和优点。
附图说明
通过结合附图通读随后的详细说明，本发明的各方面将更加显而易见。附图中：
图1是本发明双极板的平面图；
图2是沿图1中线2-2剖切的、图1所示的双极板的横截面；
图3是沿图1中线3-3剖切的、图1所示的双极板的横截面；
图4是图1所示的双极板的透视图，所示出的双极板被局部切开，且示出了回转通风空间和缝隙；
图5示意性地表示出通过图1所示的双极板的反应物流动路径。
这些附图不一定按比例画出，而应理解为是对本发明的介绍，对本发明所包含的原理的说明。图中描绘的带有双通道阳极的双极板的一些特征相对于其它部分已被放大或与实际情况有出入，以利于解释和理解。对于在不同的可选择的实施方式中示出的相同或者相似组成部分或特征，在附图中用相同的附图标记表示。这里公开的带双通道阳极的双极板应具有根据计划应用和使用的环境确定的结构和组成部分。
具体实施方式
在图1中，以平面图形式示出的带有形成有流道的中心腔的双极板1包括一系列重复部段2，这些部段2是逐步用设备加工出的、成形双极板1的冲模的制成品。双极板1还包括在双极板1的第一对置边缘区5中的第一内部燃料歧管3和第二内部燃料歧管4。双极板进一步包括第二对置边缘区6。所看到的双极板的带凸纹的活性区(active area)7位于第一和第二对置边缘区5、6之间。图3中看到的回转通风空间21位于第二对置边缘区6内，下面将更加详细地说明该回转通风空间。第一边缘区5的内部歧管3、4彼此相邻，在一优选实施方式中将这些内部歧管设置成使得用于双极板1的单独部段2的内部歧管3、4的中心处于基本上平行于双极板1中流过活性区域7的总流动路径地延伸的直线上。
在2000年11月16日提交的、名称为“燃料电池双极隔板和集流体组件及其制造方法(Fuel Cell Bipolar Separator Plate and Current CollectorAssembly and Method of Manufacture)”、序列号为09/714,526的美国专利申请中可找到对双极板及形成这种双极板的方法的描述，本申请将其全部公开内容作为参考。
图2示出了沿图1中线2-2剖切的双极板1的横截面。双极板1包括第一板10和第二板11，每块板优选由金属构成。借助于同一逐步拉伸成形设备可在构成双极板1的第一板10和第二板11上形成流纹构造的花纹(patterns of flow structure)。对第一板10的所述构造进行冲压，使其具有比第二板1 1中形成的凸纹更深的深度12。结果，将两块材料板结合在一起时，它们呈叠套状，在第一和第二板10、11之间的有凸纹的活性区7内形成中心流道13。在双极板1的中心流道13内的朝向第一板10的第二板11的第一表面14上被成行地排列有催化剂15。催化剂15包括现有技术中已知的、能促进甲醇的蒸汽重整的任何催化剂。阳极流道16形成在第二板11的朝外的第一表面17上并沿有凸纹的活性区域7延伸。第二板11的朝内表面形成中心流道13的一部分。阴极流道18形成在第一板10的朝外的第二表面19上并沿有凸纹的活性区域7延伸。
图3中示出了带有中心流道13的双极板1的横截面，该横截面是沿图1中线3-3剖切的横截面。如上所述，回转通风空间21形成在第二边缘区6内且与中心流道13流体连通。在第二边缘区6内形成使回转通风空间21和阳极流道16之间流体连通的缝隙22。因此，流体流动路径从位于第一边缘区5内的第一内部燃料歧管3开始经过中心流道13、再经过第二边缘区6内的回转通风空间21和缝隙22、阳极流道16，到达第一边缘区5内的第二内部歧管4。如上所述，催化剂15设置在流道13内的第一板10的表面14上。
图4中示出了双极板1的等比例的剖面。所看到的多道缝隙22a、22b、22c的每一个都在第二板11的相应阳极流道16a、16b、16c的终端且在第二边缘区6内。隔片28处于第二边缘区6内，用于确保双极板1折回到其自身上的部分形成与双极板1的其余部分的顶表面完全齐平的第二边缘区6。第一板11上设有多根扁导线24。电极26位于扁导线24上，使得流经阳极流道16a、16b和16c的反应物气体可以和电极26反应。于2002年5月7日授权的共同所有的(in commonly owned)、名称为“燃料电池集流体(Fuel Cell Current Collector)”的美国专利6,383,677号中对这种扁导线的使用作出了进一步说明，其全部内容作为本申请的参考。
在反应物第一次流过双极板1的中心流道13时，阳极反应物的成分为甲醇、蒸汽和再循环的阳极排气的混合物。中心流道13的表面14上的催化剂15促使甲醇蒸汽重整。阳极反应物的所述成分使得可以在存在蒸汽重整催化剂的情况下实现99.9％的均衡的甲醇转化。重整的阳极反应物从中心流道13流到回转通风空间21。
在第二次通过时，当重整的阳极反应物通过回转通风空间21和缝隙22后，其流过双极板1的方向反向且通过阳极流道16。阳极反应物将进入阳极流场，并在燃料电池的阳极26上发生电化学反应。因此，中心流道13以使阳极反应物燃料经过燃料电池双极板两次的方式和阳极流道16流体连通。
在图5中示意地示出了阳极反应物流动路径40和阴极反应物流动路径41彼此之间的关系的优选实施方式。在该实施方式中，当阳极反应物经过阳极流道16时，阴极流动路径41的流动方向与阳极流动路径40的流动方向相反。当阳极反应物经过中心流道13时，阴极流动路径41和阳极反应物流动路径40一致。可以理解，其它流动路径结构，例如逆流、交叉流都将落入本发明的范围。
根据上面对本发明内容的公开和优选实施方式的说明，本领域技术人员很容易理解，在不超出本发明的范围和构思的前提下，可进行各种变换和修改。所有这些变换和修改都将被所附的权利要求涵盖。

Claims (6)

1.一种燃料电池双极板，包括组合在一起的：
第一板，该第一板具有第一表面、对置的第二表面、以及在该第一板的所述第一表面上限定出阳极流道的多个凸纹；
第二板，该第二板具有第一表面、对置的第二表面、以及在所述第一板的所述第二表面上限定出阴极流道的多个凸纹，所述第二板和第一板叠套，从而限定出在所述第一和第二板之间延伸的多条中心流道；
处于所述第一和第二板一端的第一边缘区，以及处于所述第一和第二板相对端的第二边缘区；
形成在所述第一边缘区内且和所述中心流道流体连通的多个第一内部燃料歧管；
形成在所述第一边缘区内且和所述阳极流道流体连通的多个第二内部燃料歧管；及
形成在所述第二边缘区内的回转通风空间，该回转通风空间与所述中心流道和所述阳极流道流体连通；
形成在所述第二密封区内、使所述回转通风空间与所述阳极流道流体连通的缝隙；
所述第二端部区的一部分被折叠在其本身上，而且在该折叠部分内设有隔片。
2.如权利要求1所述的双极板，其中，还包括在所述中心流道内的所述第二板的第一表面上的催化剂。
3.如权利要求1所述的双极板，其中，所述双极板由多个部段组成，每个部段具有第一内部燃料歧管和第二内部燃料歧管。
4.如权利要求3所述的双极板，其中，每个部段的所述第一和第二内部燃料歧管的中心都处于基本上平行于所述双极板的流动路径地延伸的直线上。
5.如权利要求1所述的双极板，其中，还包括位于所述第一板的第一表面上的多根扁导线。
6.如权利要求5所述的双极板，其中，还包括位于所述扁导线上的电极。
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