CN1550051A - 用于燃料电池系统的集流腔 - Google Patents

Abstract

用于燃料电池系统的集流腔包括多个连接燃料电池外围设备的第一端口；多个连接到燃料电池堆的端口；以及集流腔内部的多个流体通道，该流体通道与多个连接到燃料电池外围设备的多个端口连通，并且与用于提供燃料电池堆和燃料电池外围设备之间的流体连通的第一和第二端口连通。该集流腔提供了更高程度的系统集成，显著减少了管道、配件及相关硬件，从而普遍降低了燃料电池系统的尺寸和重量。也将与热流体相关的系统损耗减少到最小。

Description

用于燃料电池系统的集流腔

发明领域

本发明涉及用于燃料电池系统的集流腔，并且更特别涉及将外围设备和管道安装到燃料电池堆的集流腔。

技术背景

燃料电池是作为一种清洁、高效、对环境友好、可以被各种应用所利用的电源而被提出来的。燃料电池是一种电化学设备，通过将燃料(典型是氢)和氧化剂(典型是空气)与两个合适的电极和一种电解液接触来产生电动势。将燃料，例如氢气，引入到第一电极，即阳极，在此处燃料在电解液面前发生电化学反应，产生电子和阳离子。电子通过连接在电极之间的电路从阳极传导到第二电极，即阴极。阳离子通过电解液到达阴极。同时，氧化剂，例如氧气或空气，被引入到阴极，在这里氧化剂在电解液和催化剂面前发生电化学反应，产生阴离子并消耗通过电路传导的电子；阳离子在第二电极被消耗。在第二电极或阴极形成的阴离子与阳离子发生反应，形成反应产物。阳极可以另称为燃料或氧化电极，并且阴极可以另称为氧化剂或还原电极。在两个电极处的半电池反应分别如下：

外部电路收回电流，从而从燃料电池获得电力。总的燃料电池反应产生的电能表现为上面写出的各个半电池反应的和。水和热是反应的典型副产品。因此，发电中使用燃料电池与通过燃烧矿物燃料或通过核发射性发电相比提供了潜在的环境效益。一些应用的例子有分布式的住宅发电和汽车动力系统，减少了排泄物等级。

实际上，燃料电池不是以单个单元工作的。更准确地，燃料电池是串连、一个叠放在另一个的顶部或并排放置在一起，形成通常所称的燃料电池堆。燃料、氧化剂和冷却剂通过各自的传送子系统提供给燃料电池堆。此外电池堆中有集电器、电池与电池的密封和绝缘，以及从外部提供给燃料电池堆的必需管道和装置。

在传统的燃料电池系统中，由于工作时燃料电池系统依靠外围的预处理设备来达到最优或甚至是正常的运行，所以需要大量的管道和导管工作。例如，在燃料电池堆的燃料气体不是纯氢，而是含有如自然气体等物质的氢的情况下，燃料传送子系统通常需要一个重整器来重整合有物质的氢，为燃料电池堆提供纯氢。此外，在燃料电池的电解液是质子交换膜的情况下，因为膜需要一个湿表面来促进质子从阳极传递到阴极，并且另外来保持膜的电传导性，所以通常需要一个增湿器，在燃料或氧化剂气体进入燃料电池堆之前将其增湿。另外，大多数传统燃料电池系统在气体和冷却剂传送子系统中使用几个热交换器来散去燃料电池反应中产生的热量、为燃料电池堆提供冷却剂以及加热或冷却该生产气体。在某些应用中，在生产气体或冷却剂进入燃料电池堆之前可能需要对其增压，因此会在传送子系统中添加压缩机和泵。

这些外围设备需要大量的管道及相关硬件，所有这些都会导致系统效率低。这源于管道或导管中产生的显著能量损耗，由于必须将更多的能量用于如泵、风扇、饱和器等辅助设备因此增加了寄生负载。另外，软管、导管、阀、开关和其它配件增加了燃料电池系统的总重量和尺寸，并使其商业应用变得复杂。这种复杂性在很多应用中造成了问题，例如车辆应用，其中因为存在严格的尺寸限制，所以希望将燃料电池系统的管道和重量最小化。此外，在车辆应用中，希望燃料电池系统具有良好的瞬时热流体响应特性。这种要求使得将传统的燃料电池系统使用到车辆应用中甚至更加困难，其中经过软管、阀等相对较长的路径会妨碍获得快速的瞬时响应特性。

已经采取了各种努力来简化燃料电池系统的管道，从而降低其尺寸和重量。但是，根据申请者的了解，还没有提出任何解决这个基本问题的燃料电池系统。

发明概述

根据本发明的第一方面，为燃料电池系统提供了一种集流腔，包括：

一个集流腔主体；

在集流腔主体中的多个第一端口，用于连接到燃料电池外围设备；

在集流腔主体中的多个第二端口，用于连接到燃料电池堆；以及

在集流腔中的多个流体通道，提供在第一端口的各个端口与第二端口的各个端口之间的连通，由此，在使用中，流体通道在燃料电池堆和燃料电池外围设备之间传送流体。

主体优选包括多个并置在一起的板层，其中每层有多个端口和多个提供对应层多个端口的各个端口之间的连通的流体通道，其中互补的端口对对准并相互面对，而且至少一层形成了一个包括形成该第一和第二端口的多个端口的外层。

有利的是，集流腔主体包括：

一个第一板层，包括所述多个第一端口；

一个第二板层，包括所述多个第二端口；

一个第三板层，夹在第一和第二板层之间，其中包括多个第三端口和多个流体通道，所述多个流体通道提供所述第三端口之间的连通，并且第三端口与第一和第二端口的各个端口对准并与它们连通。

第三板层优选还包括多个板层，其中的每个板层有多个端口和多个提供其端口之间连通的流体通道，第三板层各个板层的多个端口与相邻板层的对应端口对准并与它们连通。

可选的，集流腔主体能够包括：

一个第一板层，包括所述多个第一端口；

一个第二板层，包括所述多个第二端口；多个第三端口；以及多个在第二和第三端口之间连通的流体通道；其中第一端口贯穿第一板层，而且每个第一端口有两个开口端，一个开口端用于燃料电池外围设备，另一个开口端与对应的第三端口对准并与其连通。

根据本发明，燃料电池系统的集流腔能够通过将该板层一个压制在另一个的顶部来制造。集流腔中的流体通道能够使用熔化、蚀刻或铣削的方法来制造。本发明的集流腔可以使用容易利用的、廉价的、具有足够热持久性或流体阻力的材料来制造，包括但不限于聚合物、GE改性聚苯醚、EN265和铝。有利的是提供各个板之间的密封。另外优选在连接燃料电池外围设备的端口和连接燃料电池堆的端口周围装配密封装置。有利的是，根据本发明的燃料电池系统的集流腔还包括用于集流腔的冷却剂流体通道，从而增强系统的热管理。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括一个燃料电池堆，该燃料电池堆包括：

至少一个燃料电池，具有用于氧化物的一个阴极入口和一个阴极出口、用于燃料气体的一个阳极入口和一个阳极出口，以及一个冷却剂入口和一个冷却剂出口；

一个集流腔，具有连接到燃料电池堆的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口、冷却剂入口和冷却剂出口的端口；

多个额外端口，包括至少一个用于氧化剂入口的端口、一个用于燃料气体入口的端口和用于冷却剂的入口和出口端口；以及

多个连接到集流腔额外端口的外围设备。

根据本发明的集流腔提供了一个燃料电池堆和热交换器、泵、风扇、压缩机、重整器、增湿器等等之间的接口，以及生产气体和冷却剂传送部件之间的接口。这种配置能够提供更高程度的系统集成，从而提供很多优点。首先，压入集流腔的液流通路消除了对大软管及配件的需要，从而显著降低了燃料电池系统的尺寸和重量。此外，降低了系统中热力和流体流动的相关损耗，因此提高的系统效率、对瞬时状态和系统控制的响应。另外，因为将管道减少到最少，所以简化了系统的控制和维护。因为集流腔的紧凑特性使得能够为存在严格尺寸和重量限制的应用开发燃料电池系统，所以利用本发明将所有前面所提到的困难减少到最小。

包含本发明的燃料电池系统是有固有标准组件的，因此能够轻易的在专用生产设备上大量再生产。此外，本发明的集流腔能够使用当前可用的、廉价的材料来制造，这使得集流腔适于制造和大量生产。

附图简述

为了更好的理解本发明以及更为清楚地显示如何能够将其实现，现在将参考附图，附图通过举例的方式显示了本发明的优选实施方案。根据下面对本发明优选实施方案的详细描述，其特征和优点将变得更为清楚。

图1的分解透视图说明了根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔，其中显示了流体回路；

图2a是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的前板的前视图；

图2b是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的前板的侧视图；

图3a是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的中板的前视图；

图3b是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的中板的后视图；

图3c是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的中板的左侧视图，其中显示了一些流体通道；

图3d是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的中板的右侧视图，其中显示了一些流体通道；

图4a是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的后板的前视图；

图4b是根据本发明第一实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的后板的侧视图；

图5的分解透视图说明了根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔，其中显示了流体回路；

图6a是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的前板的前视图；

图6b是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的前板的侧视图；

图7a是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的第一中板的前视图；

图7b是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的第一中板的后视图；

图7c是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的第一中板的侧视图；

图8a是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的第二中板的前视图；

图8b是根据本发明第二实施方案的用于燃料电池系统的集流腔的第二中板的侧视图；

优选实施方案详述

现在参看图1，图1显示了根据本发明第一实施方案的集流腔组件70的基本配置，集流腔组件70包括三个分离的板。图1还显示了一个燃料电池堆10，燃料电池堆10具有三个入口和三个出口，明确的说，一个阳极入口11用于燃料气体，典型是氢，一个阳极出口14用于燃料气体，一个阴极入口12用于氧化剂气体，典型是氧气或空气，一个阴极出口13用于氧化剂气体，一个冷却剂入口16和一个冷却剂出口15。应该认识到，燃料电池堆中的燃料电池可以是任意类型的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池、固态氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池等。燃料电池的类型不会影响根据本发明的集流腔的设计。

在该实施方案中，集流腔组件70具有三个板层，也就是前板60、中板40和后板20。形成后板20使得燃料电池堆10能够直接紧靠它。后板20在其中提供了六个端口21，从图4a和图4b中能够很好的看到这一点。在该实施方案中，端口的形式是六个通孔21到26，在厚度方向上穿过后板20。只是为了说明，在本实施方案中，六个通孔21到26以两列提供，每列有三个在垂直方向上排成一行排列的孔。每列三个孔中的每一个都在水平方向上与另一列中的对应孔排成一行。这些通孔21到26与燃料电池堆10的三个入口11、12、16和三个出口13、14、15对准并适合连接到它们，因此能够将燃料电池堆10安装在后板20上，通过流体通道能够将生产气体和冷却剂提供给燃料电池堆10，这将在下面讲述。在六个通孔21到26周围使用传统的密封和夹紧装置，防止生产气体和冷却剂泄漏。应该提到的是，在该实施方案中，只是为了说明的目的，燃料电池堆10在堆的一端附近有三个端口，在另一端附近有另外三个端口。这是在燃料电池堆中的一种典型布置，尤其是质子交换膜燃料电池堆。因此相应地配置后板20。通孔的实际数量和排列可以是不同的，然后要相应地修改后板20。

如图1所示，匹配前板60，从而在其上安装燃料电池外围设备，例如两个增湿器110、120和三个热交换器111、112和113。因此，在该实施方案中，燃料电池堆10和燃料电池外围设备安装在集流腔组件70相对的面上。应该认识到，能够匹配集流腔板，使外围设备和燃料电池堆安装在其同一个面上。图2a和图2b中显示了前板60的详细结构。前板60提供了多个端口61。在该实施方案中，端口的形式是通孔61a到61s，在厚度方向上穿过前板60。实际上，可以按需要改变端口61的数量和排列。出于说明的目的，在图2a和图2b中，显示了18个通孔61a到61s(为了清楚起见没有使用参考符号611l和61o)和61a′、16b′，这些孔适合连接到一个以虚线矩形表示的外围设备。一些如该实施方案中显示的燃料电池外围设备是增湿器110、120和热交换器111、112和113，这些安装在前板60上，使得能够如下面将详细讲述的，通过集流腔组件70的内部通道在燃料电池堆10和外围设备之间交换液体、气体或其它介质；增湿器110提供了第一或燃料气体增湿器，增湿器120提供了第二或氧化剂增湿器。在该实施方案中，通孔61a、61b、61a′和61b′用于连接到第一热交换器113、通孔61c到61f用于连接到第一增湿器110、通孔61g、61h、61j和61k用于连接到第二热交换器111、通孔61m和61n用于连接到第三热交换器112、通孔61p到61s用于连接到第二增湿器120。按要求，在通孔周围装备传统的密封和夹紧设备，例如O环。虽然在图2a和图2b中，通孔是以特定的成行线的方式排列显示的，但考虑到情形中的其它因素，例如燃料电池外围设备的尺寸或与中板40中端口的对准，实际排列可以是不同的。按照特定情况的需要，可以改变通孔的排列。

参看图3a到3d，中板40提供了多个端口和流体通道。流体通道可以通过蚀刻或铣削来形成，而端口可以通过镗削或钻孔来形成。为了简单，在图1和图3A-3D中没有显示所有的流体通道。一般而言，只显示了与各图的板中可见端口相关的流体通道。此外，流体通道以两种不同的方式显示：在每幅图的板的内部或下方的流体通道以虚线显示；在中板40的前表面和后表面之一中以开槽形成的流体通道以实线显示，然后由前板20和后板60之一来闭合这些开槽。作为选择，可以通过模制或铸造来形成各种板20、40和60。如图1所示，显示了一个完整的冷却剂回路。冷却剂从冷却剂源供给，通过端口41a进入中板40，端口41a被提供在中板40的侧面上，为集流腔组件70提供了一个冷却剂入口。然后冷却剂沿着中板40内部的流体通道411流向端口41b。如图3b中可以很好看到的，端口41b是在中板40面向后板20的表面上提供的一个端口，与流体通道411和412连通。流体通道412是在中板40面向后板20的表面上作为开槽提供的。因此，冷却剂从端口41b沿着流体通道412流向端口41c，端口41c与后板20的端口22对准。端口41b、c只是与后板20中的端口对准的通道412的末端部分。这些通道411、412提供了一个冷却剂入口路径。冷却剂通过端口22和冷却剂入口16流入到燃料电池堆10中。然后冷却剂在流经堆的内部冷却剂通道之后通过冷却剂出口13离开燃料电池堆10。冷却剂流经后板20与冷却剂出口13对准的端口25和在中板40面向后板20的表面上提供的端口42a。然后冷却剂继续经端口42a流入流体通道421，到达在中板40面向前板60的表面上提供的端口42b。在图1中可以看到端口42a和流体通道421。冷却剂从端口42b沿着两条分离的流体通道422和423流动。两条流体通道422和423是在中板40的表面上作为开槽提供的，这两条冷却剂流将被分别描述。

第一条冷却剂流沿着流体通道422流向与前板60的端口61g对准的端口42c。端口61g依次与第二或氧化剂热交换器111的入口111a对准。该冷却剂流通过端口61g和入口111a流入第二或氧化剂热交换器111。然后第一条冷却剂流通过出口111b离开第二或氧化剂热交换器111。接着冷却剂流经前板6 0的端口61k和中板40的端口42f，两个端口都与出口111b对准。然后第一条冷却剂流沿着流体通道流424向端口42e。

第二条冷却剂流沿着流体通道423从端口42b流向与前板60的端口61m对准的端口42d。端口61m又与第三热交换器112的入口112a对准。然后该冷却剂流流经端口61m和入口112a并进入第三热交换器112。第二条冷却剂流通过出口112b离开第三热交换器112。接着冷却剂继续流经前板6 0的端口61n和中板40的端口42g，两个端口都与第三热交换器112的出口111b对准。然后第二条冷却剂流沿着流体通道425流向端口42e。端口42e在中板40的表面上提供并通过开槽通道424、425延伸进中板40的内部，端口42e是通道424、425的共同末端。第一和第二冷却剂流的合流从端口42e沿着中板40里面的内部流体通道426流向端口42h，从端口4 2h转向冷却剂泵114，然后回到冷却剂源。通道421-426为冷却剂提供了一条返回路径，端口42h为集流腔组件70提供了一个冷却剂出口。现在描述氧化剂的回路，典型是空气的回路。参看图1，周围的空气在进入中板40之前通常流经空气过滤器115，然后是空气压缩机116。压缩后的空气通过在中板40侧面上提供的端口43a进入中板40，并沿着中板40内部的流体通道431流向端口43b。端口43b在中板40面向前板60的表面上提供，并与内部流体通道431和流体通道432连通。流体通道432是在中板40面向前板60的表面上作为开槽提供的。因此，空气从端口43b沿着流体通道432流向端口43c，端口43c与前板60的端口61h对准，因此与第二或氧化剂热交换器111的入口111c对准。然后空气通过端口43c和入口111c流入第二或氧化剂热交换器111。在热交换器111中交换热量之后，空气通过出口111d离开第二热交换器111，通过前板60的端口61j继续流向中板40的端口43d。端口43d、61j和出口111d彼此对准。然后空气从端口43d沿着流体通道433流向在中板40面向后板20的表面上提供的端口43e。空气从端口43e沿着在中板40面向后板20的表面上提供的流体通道434流向端口43f。端口43f与后板20上的端口21对准，因此与燃料电池堆10的阴极入口12对准。因此空气从端口43f经端口21和入口12流入燃料电池堆进行反应。

废气从阴极出口13流出燃料电池堆10并通过端口26进入集流腔组件。端口46a在中板40面向后板20的表面上提供并与端口26对准。废气流入端口46a，并沿着内部流体通道461流动，流体通道461将废气送到在中板40侧面上提供的端口46b。然后废气离开集流腔组件70并返回环境。

另外，实际上，空气除了从端口43e直接流向燃料电池堆10之外，还可以沿着流体通道流回到中板40面向前板60的表面，然后通过前板上的一个端口流入到一个增湿器以用于增湿。然后，空气从增湿器回流到集流腔组件70中并沿着集流腔组件70中适当的流体通道流入燃料电池堆10的阴极入口12。在这种情况中，所提供的第二或氧化剂增湿器120在端口61p到61s处安装到前板上。流体通道和端口也必须重新排列。例如，流体通道434没有直接从端口43e延伸到43f。更合适地，流体通道435是在中板40面向后板20的表面上提供的，如图3b所示，将空气流导向在同一表面上提供的端口43e′。端口43e′通过内部流体通道与在中板面向前板60的表面上提供的端口43f′连通。为了清楚起见，此通道没有示出。该端口43f′与端口61r对准，因此与增湿器120的入口120a对准。然后空气从端口43e′经过端口43f′和入口120a流入第二或氧化剂增湿器120。空气饱和之后，通过出口120b和端口61q离开增湿器120，流向在中板40面向前板60的表面上提供的端口43g′。端口43g′通过没有清楚显示的内部流体通道与中板40相反表面上的端口43g连通。流体通道436在中板面向后板20的表面上提供，在端口43g和端口43f之间连通。然后空气通过端口43g和流体通道436从端口43g′流向43f，接着以上面描述的方式通过端口21流入燃料电池堆的阴极入口12。

氢通过在中板40顶部上提供的端口44a从氢贮罐117进入中板40，然后沿着中板40内部的流体通道441流向在中板40面向前板60的表面上提供的端口44b。然后氢沿着在中板40面向前板60的表面上作为槽提供的流体通道442流向端口44c，端口44c与前板60上的端口61e对准，因此与第一或燃料气体增湿器110的入口110c对准。因此，氢从端口44c通过端口61e和入口110c流入第一或燃料气体增湿器110，在其中得到增湿。然后，增湿后的氢通过出口110d离开第一或燃料气体增湿器110并通过前板60上的端口16f，端口61f与出口110d和在中板40面向前板60的表面上提供的端口44d对准。然后氢到达端口44d，从此处氢继续沿着在中板40面向前板60的表面上作为开槽提供的流体通道443流向端口44e。端口44e是中板40上的一个通孔，与后板20的端口24对准，因此与燃料电池堆10的阳极入口11对准。因此，氢从端口44e通过端口24和入口11流入燃料电池堆10以进行反应。

在反应之后，未反应的氢从阳极出口14流出燃料电池堆10并通过端口23进入集流腔组件70。端口44f在中板40面向后板20的表面上提供。端口44f与该端口23对准，而且通过内部流体通道444与在中板40侧面上提供的端口44g连通，如图1所示。然后氢从端口23通过端口44f、流体通道444流向端口44g，通过44g氢离开集流腔组件70。因此，氢能够被提供给注入流进行再流通，或者排放到环境中。实际上，除了从端口44e直接流向燃料电池堆10，氢可以首先流入第一或燃料气体热交换器113。在这种情况下，必须重新排列端口和流体通道。例如，流体通道443不会连通端口44d和端口44e。更合地适，它连通端口44d和端口44e′(图3A)，端口44e′在同一个表面上提供，并与端口61b′对准，因此与第一或燃料气体热交换器113的入口113b对准。因此，氢从端口44d通过端口44e′和61b′流向第一或燃料气体热交换器113。然后氢从第一或燃料气体热交换器113的出口113a和与该出口113a和中板40上的端口44e对准的端口61a回流到集流腔组件70中。结果氢以上面描述的方式流入燃料电池堆10的阳极入口11。

典型地，必须为增湿器，例如增湿器110提供去离子水来增湿生产气体，即空气或氧气。图1也显示了用于去离子水的回路。去离子水由去离子水泵119供给。然后它经过过滤器118，通过在中板40侧面上提供的端口45a进入中板40。去离子水从端口45a沿着流体通道451流向端口45b，端口45b在中板40面向前板60的表面上提供，并与流体通道451和流体通道452连通。流体通道452在中板40的表面上作为开槽提供，在端口45b和端口45c之间连通。因此去离子水从端口45b沿着流体通道452流向端口45c，端口45c与前板60的端口61c对准，因此与第一或燃料气体增湿器110的入口110a对准。去离子水通过端口61c和入口110a流入第一或燃料气体增湿器110，在那里它增湿生产气体。然后剩余的去离子水通过第一或燃料气体增湿器110的出口110b离开第一或燃料气体增湿器110并穿过前板60上的端口61d，端口61d与出口110b和在中板40面向前板60的表面上提供的端口45d对准。因此去离子水到达端口45d，沿着该表面上提供的流体通道453流向端口45e。端口45e与内部流体通道454连通，流体通道454又与在中板40的侧面上提供的端口45f连通。因此，去离子水从端口45e流入内部流体通道454并通过端口45f离开中板，从此处返回到去离子水泵119。

要提到的是，去离子水也能够通过适当的通道提供给第二或氧化剂增湿器120来增湿空气。但是，为了清楚和简单，没有显示那些用于空气的通道和增湿器。实际上，提供去离子水给第二或氧化剂增湿器120可以用类似于提供给第一或燃料气体增湿器110来增湿氢的方式来实现，如上所述，而且对于那些本领域中的熟练人员将会是明显的。还要提到的是，虽然没有描述第三热交换器112和任意生产气体之间的热交换，但可以使用第三热交换器112来加热或冷却氢气流。也可以在分别由第二或第一热交换器冷却空气或氢之后，使用第三热交换器112来再加热空气或氢气流。但是，为了简单，没有显示相关的流体通道和端口排列。

空气压缩机116、冷却剂泵114、去离子水泵119可以与其它外围设备一起被安装到集流腔组件70上。但是，为了清楚的理解本发明，它们在图1中是从集流腔组件70分离出来显示的。端口和流体通道的排列不必与这里提到的排列相同。在该实施方案中的端口和流体通道的数量和形状只是出于说明的目的而描述的。

还应该认识到，热交换处理和增湿处理可以按情形的需要以任何顺序排列。可以将其它如焓轮、DC/AC转换器等燃料电池外围设备连接到集流腔组件70也是可能的。端口和流体通道的排列可以根据特定处理来改变。

现在参看图5，显示了第二实施方案。应该认识到，那些类似于第一实施方案中的组件使用相同的参考数字来表示。

为了简明扼要，没有重复这些组件的描述。在该实施方案中，集流腔组件70包括四层分离的板，也就是前板60、第一中板50、第二中板30和后板20。形成后板20使得燃料电池堆10能够紧靠它。后板20如在第一实施方案中一样，在其中提供了六个端口，而且与图4a和4b中显示的一样。在该实施方案中，端口的形式是六个在厚度方向上穿过后板20的通孔21到26。只是为了说明，在该实施方案中，这六个通孔21到26穿过后板20。六个通孔21到26以两列提供，每列有三个在垂直方向上排成一行排列的孔。每列三个孔中的每一个都在水平方向上与另一列中的对应孔排成一行。这些通孔21到26适合于连接到燃料电池堆10的三个入口11、12、16和三个出口13、14、15，使得能够将燃料电池堆10安装在后板20上，而且通过流体通道能够将生产气体和冷却剂提供给燃料电池堆10，这将在下面讲述。可以在六个通孔21到26周围装备传统必需的密封装置和夹紧设备，以确保正常的传送和防止生产气体和冷却剂泄漏。应该提到的是，在该实施方案中，只是为了说明的目的，燃料电池堆10在其一端附近有三个端口，在另一端附近有另外三个端口，这是燃料电池堆，特别是质子交换膜燃料电池堆的典型排列。因此相应配置后板20。当然通孔的实际数量和排列可以是不同的。

如图6a和6b所示，改装前板60，从而在其上安装燃料电池外围设备，例如增湿器110、120和三个热交换器111、112和113。因此，燃料电池堆10和燃料电池外围设备安装在集流腔组件70相对的面上。图6a和图6b中显示了前板60的详细结构。前板60提供了多个端口61。在该实施方案中，端口的形式是在厚度方向上穿过前板60的通孔。在该图中只标出了四个通孔，即61、62、63和64。实际上，所述多个通孔的数量和排列可以改变。出于说明的目的，在图6a和图6b中，显示了24个通孔，每四个在一个以虚线的大致矩形说明的组中。每个通孔组适合连接到燃料电池外围设备的端口。一些如该实施方案中显示的燃料电池外围设备是两个增湿器110、120和三个热交换器111、112和113，它们安装在前板60上，使得能够如下面将要详细讲述的，通过集流腔组件70的内部通道在燃料电池堆10和外围设备之间交换流体、气体或其它介质。例如，组A4中的通孔用于连接到第一或燃料气体增湿器110，组A5中的通孔用于连接到第二或氧化剂增湿器111，以及组A6中的通孔用于连接到第三热交换器112。按要求，在通孔周围装备传统的密封和夹紧设备以防止泄漏。在图6a和图6b中，通孔是以成行线的方式排列显示的，但实际上根据特定情形的需要，通孔的排列可以是不同的。

参看图5，在前板60和后板20之间提供两个中板30、50。两个中板都有多个端口和流体通道。流体通道还可以通过蚀刻或铣削来形成，而端口可以通过镗削或钻孔来形成；另外可以使用铸造和模制的方法。现在参看图7a，在第一中板50与前板60接触的表面上提供了流体通道。在该实施方案中，为了清楚起见，并没有示出所有的流体通道。在此表面上，还提供了盲孔或凹穴51a、52a、53a、54a。在表面上熔化或机械加工出分别从51a、52a、53a、54a到51b、52b、53b、54b的四个开槽流体通道51到54。在该实施方案中，51b、52b、53b、54b是通孔，并且定位盲孔51a、52a、53a、54a，使得它们分别与前板60上的通孔61、62、63、64对准，从而与它们连通。当流体，氢或空气，从前板60通过通孔61、62、63、64进入集流腔组件70时，它们流向孔51a、52a、53a、54a并继续沿着各个流体通道51、52、53、54流向通孔51b、52b、53b、54b，它们从通孔51b、52b、53b、54b离开第一中板50，到达第二中板30。应该认识到，不一定以图7a中显示的形状熔化或机械加工出流体通道51到54，其它形状是可能的。

还如图7a到7c中显示的，分别提供了冷却剂通道。这里冷却剂指在为确保集流腔组件70正常性能而管理由生产气体带往集流腔组件70的热量所使用的冷却剂。如图7b所示，在该实施方案中，冷却剂通道55是在第一中板50的背面，即与第二中板30接触的表面上提供的。在板40的一个侧面上提供了两个洞或孔55a、56a。在后表面上，提供了两个盲孔或凹穴55b、56b，使得洞55a、55b分别与凹孔55b、56b连通。标示为55的冷却剂通道从盲孔55b开始，结束于盲孔56b。因此在第一中板50上形成了一个完整的冷却剂回路，冷却剂通过洞55a进入板，通过洞56a离开。在实际设计中，冷却剂通道不一定是如附图中的形状。但是优选地，第一中板50可以有大量的冷却剂通道，而且冷却剂通道可以按情形需要延伸到选定区域。冷却剂通道也可以通过熔化或机械加工来形成。应该提到的是，流体通道51、52、53、54没有截断其它任何一个流体通道。同样，冷却剂通道55不会截断任一个流体通道。

现在参看图8a和8b，第二中板30在与后板20接触的表面上提供了两个大凹穴31b、32b。在该实施方案中，显示了两个内部冷却剂通道31、32，这些通道与图7a到7c中用于集流腔组件70热管理的冷却剂通道55不同。冷却剂通道31、32用于为燃料电池堆10提供冷却剂。冷却剂通道31、32是在第二中板30内部形成的。冷却剂从冷却剂源通过在板30的侧面上提供的洞31a进入板30，并沿着通道31流向凹穴31b，凹穴31b与后板20的端口22对准，因此与燃料电池堆10的冷却剂入口16对准。因此冷却剂从槽31通过端口22和入口16流入燃料电池堆10。然后冷却剂通过与后板20的端口25对准的冷却剂出口15离开燃料电池堆10。第二中板30的凹穴32b与后板20的端口25对准，使得冷却剂到达凹穴32b并沿着通道32流向洞32a，冷却剂从洞32a离开第二中板30。应该认识到，在第二中板30上，提供了多个端口，端口与第一中板50上的端口对准并因而连通，使得流体能够通过端口流向第二中板30。但是，因为两个中板30、50之间的流体流通类似于在第一实施方案中解释的流通，所以没有显示第二中板30上那些端口。第二中板30上的多个端口与后板20上的通孔21对准并因而连通，通孔21又与燃料电池堆10的入口和出口连通。

前板60、第一和第二中板50、30和后板20一个叠放在另一个顶部，利用铜焊、焊接、压制和任何其它适合的方法，例如模制或铸造，层叠在一起。这一点对那些本领域中的普通技术人员是显然的，可以省略后板20，使得第二中板30直接接触燃料电池堆10。在这种情况下，必须在第二中板30上提供通孔，使得燃料电池堆10的入口11、12、16和出口13、14、15能够连接到第二中板30。显然，在第一实施方案中，也可以省略后板20，这得到下面描述的第三实施方案。

另外，一个或多个外围部件可以安装在集流腔或燃料电池堆的同一个表面上。虽然已经利用一个安装在一个燃料电池堆上的集流腔描述了本发明，但其它组合是可能的。例如，可以为许多燃料电池堆组件提供一个集流腔，使其能够共享外围部件。另一方面，一个(或一个以上的)燃料电池堆可以具有两个或多个集流腔；例如一个共用组配置在两端提供了连接端口，而且在每一端提供一个集流腔是会有好处的，其中集流腔可以具有不同的配置。

本发明中的集流腔可以使用容易利用的、廉价的、具有适当热持久性或流体阻力的材料制造，包括但不限于聚合物，例如GE改性聚苯醚和EN265，和铝。

虽然本发明是按照具有很多分离的板来描述的，但是将这些板中的一些或全部整体浇铸在一起是可能的。例如，对于某些应用，可能通过在相似的板上面熔模铸造来形成中央集流腔。在这种情况下，必须为铸造处理提供额外的凹洞，但这可以利用塞子或类似的东西轻易的封闭住，而且能够显著地减少密封问题。

另外，可以将一个或多个外围部件，特别是简单的部件集成到集流腔中。上面已经提出可以在集流腔中提供相同的热交换设备。特别是，在由具有良好导热性的材料制造集流腔的地方，可以去掉一个或多个分离的热交换，而且可以将其它外围部件集成到集流腔中。

应该认识到，本发明的精神集中在一种用于燃料电池系统的集流腔的新型结构及其作为燃料电池堆和外围设备之间的接口的用途。燃料电池堆的类型和内部结构不会影响本发明的设计。换句话说，本发明适用于各种类型的燃料电池、电解剂或其它电化电池。在集流腔组件上提供的那些端口的位置、数量、尺寸和形状不一定与这里提到的相同。

能够预期那些本领域普通技术人员在学会本发明的教导之后能够对这里提出的实施方案进行各种修改。例如，集流腔组件的形状、端口的数量或排列可以是不同的，制造集流腔组件的材料可以是不同的，以及可以使用不同于这里提到的方法来制造集流腔组件。但是，这些修改应该认为是归于如在下列权利要求书中所定义的本发明保护范围。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池系统的集流腔，包括：

一个集流腔主体；

该集流腔主体中的多个第一端口，用于连接到燃料电池外围设备；

该集流腔主体中的多个第二端口，用于连接到一个燃料电池堆；以及

该集流腔中的多个流体通道，提供了第一端口的各个端口与第二端口的各个端口之间的连通，由此，在使用时，流体通道在燃料电池堆和燃料电池外围设备之间传送流体。

2.一种如权利要求1中要求的用于燃料电池系统的集流腔，

其中该集流腔主体包括多个并置在一起的层，其中每层具有多个端口和提供对应层多个端口的各个端口之间的连通的多个流体通道，其中互补端口对相互对准并且相互面对，而且至少一层形成了包括形成该第一和第二端口的多个端口的外层。

3.一种如权利要求2中要求的用于燃料电池系统的集流腔，

其中该集流腔主体包括：

一个第一板层，包括所述多个第一端口；

一个第二板层，包括所述多个第二端口；

一个第三板层，夹在所述第一和第二板层之间，该第三板层包括多个第三端口和多个流体通道，所述多个流体通道提供了第三端口之间的连通，并且所述第三端口与所述第一和第二端口的各个端口对准并与之连通。

4.一种如权利要求3中要求的用于燃料电池系统的集流腔，

其中所述第三板层还包括多个板层，每个板层具有多个端口和提供其端口之间连通的多个流体通道，第三板层的各个板层的所述多个端口与相邻板层的对应端口对准并与之连通。

5.一种如权利要求2中要求的用于燃料电池系统的集流腔，

其中该集流腔主体包括：

一个第一板层，包括所述多个第一端口；

一个第二板层，包括所述多个第二端口；多个第三端口；以及提供所述第二和第三端口之间连通的多个流体通道；其中第一端口穿过第一板层，并且每个第一端口具有两个开口端，一个用于燃料电池外围设备，另一个与对应的第三端口对准并与之连通。

6.一种如权利要求2到5中任一个要求的用于燃料电池系统的集流腔，其中该集流腔通过将一个在另一个顶部的方式层压所述层在一起来制造集流腔主体。

7.一种如权利要求2到5中任一个要求的集流腔，其中该集流腔是通过模制和铸造中的一种来整体制造的。

8.一种如权利要求1到5中任一个要求的用于燃料电池系统的集流腔，其中该流体通道使用一种从包括熔化、蚀刻和铣削的组中选择出来的一种方法来制造。

9.一种如权利要求2到5中任一个要求的用于燃料电池系统的集流腔，其中在每对所述层之间装备了一个密封装置。

10.一种如权利要求1中要求的用于燃料电池系统的集流腔，其中在用于连接到燃料电池外围设备和燃料电池堆的所述端口周围装备了密封装置。

11.一种如权利要求1到5中任一个要求的用于燃料电池系统的集流腔，其中该集流腔主体是由一种从包含GE改性聚苯醚和EN265的组中选取的聚合物材料制造的。

12.一种如权利要求1到5中任一个要求的用于燃料电池系统的集流腔，还包括该集流腔主体中的冷却剂流体通道。

13.一种燃料电池系统，包括一个燃料电池堆，该燃料电池堆包括：

至少一个燃料电池，并且具有用于氧化物的一个阴极入口和一个阴极出口、用于燃料气体的一个阳极入口和一个阳极出口以及一个冷却剂入口和一个冷却剂出口。

一个集流腔，带有的端口被连接到燃料电池堆的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口、冷却剂入口和冷却剂出口；

多个额外端口，包括至少一个用于氧化剂入口的端口、一个用于燃料气体入口的端口和用于冷却剂的入口和出口；以及

多个外围设备，被连接到集流腔的额外端口。

14.一种如权利要求13中要求的燃料电池系统，其中该外围设备包括至少两个热交换器，其中该集流腔包括一个冷却剂入口路径、一个冷却剂返回路径和一个端口，该端口提供了冷却剂入口并通过该冷却剂入口路径连接到与燃料电池堆的冷却剂入口连接的所述端口，其中连接到集流腔冷却剂出口的所述端口通过冷却剂返回路径被连接到集流腔的一个提供了集流腔冷却剂出口的端口；其中冷却剂返回路径包括到该所述至少两个热交换器的连接，由此冷却剂流经所述至少两个热交换器。

15.一种如权利要求14中要求的燃料电池系统，其中所述至少两个热交换器的集合包括一个氧化剂热交换器，其中氧化剂入口由集流腔通过氧化剂热交换器连接到燃料电池堆的阴极入口，其中该集流腔提供了燃料电池堆的阴极出口到周围环境之间的连接。

16.一种如权利要求15中要求的燃料电池系统，其中该外围设备包括一个氧化剂增湿器，其中集流腔规定氧化剂经过氧化剂热交换器和氧化剂增湿器流向阴极入口。

17.一种如权利要求15中要求的燃料电池系统，其中该外围设备包括一个燃料气体增湿器，其中燃料气体入口由集流腔通过燃料气体增湿器连接到燃料电池堆的阳极入口，其中该集流腔包括一个燃料气体出口端口和一个在阳极出口和燃料气体出口端口之间的连接。

18.一种如权利要求17中要求的燃料电池系统，其中外围设备包括一个燃料气体热交换器，其中集流腔规定燃料气体经过燃料气体增湿器和燃料气体热交换器流向阳极入口。

19.一种如权利要求18中要求的燃料电池系统，其中集流腔包括一个用于去离子水的入口和一个用于去离子水的出口，其中集流腔提供在去离子水入口和出口之间的、穿过燃料气体和空气增湿器的通道。

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