CN1625817A - 燃料电池极板及组件 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池极板，包括通常适用于流体流动的一基板作阴极。所述基板具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图，并设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者接近于所述短横边围。所述基板还具有一连续壁，其与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁界定出被分成许多通道的一流场。向通过所述入口孔进入然后流经通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。

Description

燃料电池极板及组件
发明背景
1.发明领域
本发明总地来说涉及燃料电池，具体地说涉及燃料电池极板及组件。
2.现有技术说明
燃料电池已经发展成为一种可用于各种用途的电源，毫无疑问，燃料电池领域非常活跃且现实上非常需要不断地改进。诸如碳和多石墨(polygraphites)等新型材料的出现，导致新类型和新结构的燃料电池极板及其组件增多。
尽管现在的燃料电池有了重大的改进，它们仍然带有仿佛是其结构概念所固有的缺陷。
在过去已做出的有关许多燃料电池的尝试中，可以列举下列专利：2001年11月27日授予Yang等人的美国专利6,322,919“燃料电池及其所用的双极板”。此专利公开了一种燃料电池双极板，它包括具有界定相应燃料通路的一系列燃料通道的一燃料侧和具有界定相应氧化剂通路的一系列氧化剂通道的一氧化剂侧。至少一些燃料通道自相邻通道向横切燃料和氧化剂通路的方向偏离。一燃油总管连向燃料通道，一氧化剂总管连向氧化剂通道。上述两个总管之一位于双极板和另一个总管之间，于此一连接管自任何一个最外面的总管延伸至所关联的燃料或氧化剂通道。在Yang等人的结构中，双极板有两个基本缺陷。首先，双极板为矩形，导致沿流动通道有压降。其次，由于存在压降，需要较大的辅助装置，从而导致总的燃料电池组输出功率较低。2002年3月19日授予Griffith等人的美国专利6,358,642“燃料电池的燃料通道”。该专利描述了长度可变的螺旋流动通道。流场包括多个接合区，与集电器接合并界定多个长度基本相等的螺旋气体流动通道。后者中每个都具有用于接收来自所有流动通道共用的一供应总管的气体的一入口支管；用于将气体排入所有流动通道共用的排气总管的一出口支管；以及位于入口和出口支管之间的至少一个中间支管。每个通道的入口、出口和中间支管与同一通道的至少一个其他的支管毗邻。该专利有两个基本缺陷。首先，物理上可以推定螺旋通道设计会引起从入口孔到出口孔的显著压降。其次，用作阴极的螺旋通道可能会导致内部湿气滴累积，从而需要提高压力来清除。
还有许多其他专利也涉及各种类型燃料电池极板和组件的。例如：美国专利US 6,350,540；US 6,348,280和US 6,329,093。
发明人认为所列举的专利单独或结合起来都既不能预料本发明又不能使本发明显而易见。上述引用只是涉及本发明的普通领域，引来构成发明人知道的最接近的现有技术。
发明概述
经过大量的实验，发明人发现通过改变电池板极的形状，其效率和多功能性可以得到显著提高。
因此，本发明的主要目的就是提供一种在沿通道通过时流体流动速度增加的电池板极。
本发明的另一个目的是提供致密的电池板极以提高应用的多功能性。
本发明的另一个目的是开发一种燃料电池极板，其结构使得在循环处理组件中可以使用燃料电池组。
概括的说，根据本发明的燃料电池极板，包括通常适用于流体流动的一基板，其作为阴极并具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图。所述基板还设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者接近于所述短横边围。一连续壁与上述一对纵边围和长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸。所述连续壁界定出被分成许多通道的一流场，由此，向通过所述入口孔进入然后流经所述通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。
在本发明的一个方面，燃料电池极板包含通常适用于流体流动的一基板作阴极。该基板具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图。所述基板还设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者平行并接近于短横边围。一连续壁与所述一对纵边围和长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸。所述连续壁界定了被分成三个流场室的一流场：两个侧流场室和一个中心流场室。每个侧流场室都由靠近所述纵边围的所述连续壁的一第一部分、接近所述长横边围的所述连续壁的一第二部分、接近所述短横边围的所述连续壁的一第三部分，以及一内壁界定，后者分别在所述第二和所述第三部分之间延伸。所述中心流场室由所述连续壁的所述第二部分、所述连续壁的所述第三部分和相对布置的两个内壁界定。在每个侧流场室和中心流场室内部，贴近并平行于所述长横边围，有四个等距间隔的入口孔贯穿所述基板。在每个侧流场室和中心流场室内部，贴近所述短横边围，设有贯穿所述基板的一出口孔，每个所述侧流场室内部被分成一外及一内子室。所述外子室由所述连续壁的所述第一部分和一中心纵肋界定。所述内子室由一内壁和所述中心纵肋界定。外及内子室被起始于所述第二部分并结束于所述出口孔附近的一分离肋等分为两个基本室。每个基本室被延伸至所述入口和出口孔附近的一隔离肋等分为两个单元室。等间隔排列在所述隔离肋的两个边上的短分离肋，从靠近所述入口孔的一点延伸至靠近介于所述长及短横边围之间中间的一点。所述连续壁、所述内壁、所述中心纵肋、所述分离肋、所述隔离肋和所述短隔离肋的顶部是共面的。在所述连续壁的所述第一部分、内部、所述中心纵肋、所述分离肋、所述隔离肋和所述短分离肋之间形成通道。
在本发明的另一个方面，所述基板是双极的，装有一底板，其设有几个凹进通道在一入口和出口孔之间、彼此平行并平行于所述长及短横边围螺旋延伸。所述凹进通道的横截面部分的长度不断缩小。
在本发明的另一个方面，装有一平底的一基板是单极的。
在本发明的另一个方面，一个燃料电池基本单元包括使用双极式基板的一对燃料电池极板，两极板之间设有一离子交换膜。
在本发明的最后一个方面，一种燃料电池组包括几个叠置的燃料基本单元。一集电器板设于所述叠置的燃料基本单元的一顶部之上和一底部之下。一密封板位于所述集电器板的一顶部之上，而一总管板位于所述集电器板之下。
附图简要说明
尽管本发明的特征将在权利要求书中特别指出，发明本身及其制造和使用方法可以参照附图在下面的说明中得到更好地理解，其中在几个图中同一标号是指相同的部件，其中
图1是根据本发明的燃料电池极板的透视顶视图；
图2是图1所示燃料电池极板的透视底视图；
图3是包括一燃料电池基本单元的一燃料电池堆的透视图。
优选实施方式说明
应认可，关于通常使用燃料电池极板和组件时的常规位置，本说明书中常规使用诸如“顶部”、“底部”和“向上”等术语。
参考具体图1到X，燃料电池极板100具有梯形的顶视图，由一对纵边围102、长横边围104和短横边围106界定。前者和后者是曲线的。
另外，长、短横边围104和106也可以是直线的。
燃料电池极板100包括一个具有一顶部109的基板108，优选充当阴极，一连续壁110与纵边围102和长、短横边围104和106间隔开，并自顶部109向上延伸。
连续壁110界定出一流场112，它又被分成三个流场室：两个侧流场室114和一个中心流场室116。每个侧流场室114由靠近纵边围102的连续壁110的第一部分118、靠近长横边围104的连续壁110的第二部分120、靠近短横边围106的连续壁110的第三部分122和内壁124界定。内壁124分别在第二和第三部分120和122之间延伸。中心流场室116由连续壁110的第二部分120、连续壁110的第三部分122和相对布置的两个内壁124限定。
显然，每个形成的侧流场室114和中心流场室116都具有梯形顶视图。
在每个侧流场室和中心流场室114和116内部，贴近并平行于长横边围104，有四个等距间隔的入口孔126，其贯穿基板108。
在每个侧流场室和中心流场室114和116内部，贴近短横边围106，有一出口孔128，其贯穿基板108。
每个侧流场室114内部分别被分成一外及一内子室130和132。外子室130由连续壁110的第一部分118和中心纵肋134界定，而内子室132由内壁124和中心纵肋134界定。
外、内子室130和132被起始于第二部分120且结束于出口孔128附近的分离肋138平均分成两个基本室136。每个基本室136分别被延伸至入口和出口孔126和128附近的隔离肋142平均分成两个单元室140。
等间隔排列在隔离肋142的两个边上的短隔离肋144，从靠近入口孔126的一点延伸至靠近介于长、短横边围104和106之间中间的一点。
连续壁110、内壁124、中心纵肋134、分离肋138、隔离肋142和短隔离肋144的顶部是共面的。
由于技术原因，入口和出口孔126和128、以及自前者和后者向流场板100的中心延伸的相邻区域146被并入一个插入流场板100的元件148中。
由上述说明可以推出，每个下述部件都具有梯形顶视图：
-基板108；
-流场112，由连续壁110界定的并被分成
-侧流场室114和
-中心流场室116，前者和后者又再分为
-外、内子室130和132，又进一步细分为
-基本室136，最后再分为
-单元室140；
并且由于以下事实：
-在连续壁110、内壁124、中心纵肋134、分离肋138、隔离肋142和短隔离肋144之间形成通道150；和由于以下事实：
-在每个侧流场室和中心流场室114和116内部，贴近长横边围104，有四个等距间隔的入口孔126，其贯穿基板108，和
-在每个侧流场室和中心流场室114和116内部，贴近短横边围106，有一个出口孔128，其贯穿基板108，
向通过入口孔126进入然后流经各通道150并通过出口孔128排出的流体流开放的、基板108的流场112的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。
另外，如上所述具有顶部109的流场板100也可用作阳极。
在与上述实施方式不同的一实施方式中，基板108是双极式的，具有一个充当阳极的底板150。
入口152贯穿基板108并与四个彼此平行并平行于长、短横边围104和106、螺旋延伸到出口孔156的凹进通道154连通。
显然，由于基板108的形状，其有梯形顶视图，凹进通道154的横截面部分158的长度不断缩小。
在与上述实施方式不同的另一实施方式(未显示)中，使用了具有一平底的单极基板。此不同的实施方式意味着使用一隔离板作阳极。
在另一个实施方案中，如图X所示，一个燃料电池基本单元200包括使用双极式基板108的一对燃料电池极板100，两极板之间设有离子交换膜202。
在最后一个实施方案中，如图X所示，燃料电池组300包括几个叠置的燃料电池基本单元200，且在后者的一顶部上和一底部之下装有一个集电器板302。密封板304位于集电器板302的一顶部之上。总管板306位于集电器板302之下。
把密封板304固定在总管板306上的紧固元件308，将燃料电池组300保持在组装的形式。
在本文中已经按要求公开了本发明的详细实施方案；但是，应当理解所公开的实施方案仅仅是本发明的示例，其可以具体表现为各种不同形式。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应做限制性的解释，而仅作为权利要求书的基础，和教导本领域技术人员在实际上任何适当地详细结构中以不同方式应用本发明的代表性基础。

Claims (6)

1、燃料电池极板，包括：组合的
-一基板通常适用于流体流动，作为阴极并具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图；所述基板也设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者接近于所述短横边围；及
-一个连续壁，与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁界定出被分成许多通道的一流场，由此向通过所述入口孔进入然后流经所述通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。
2、燃料电池极板，包括：组合的
一基板通常适用于流体流动，其作为阴极并具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图；所述基板也设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者平行并接近于所述短横边围；
一连续壁，与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁界定了被分成三个流场室的一流场：两个侧流场室和一个中心流场室，每个所述侧流场室都由接近所述纵边围的所述连续壁的一第一部分、接近所述长横边围的所述连续壁的一第二部分、接近所述短横边围的所述连续壁的一第三部分和一内壁界定，后者分别在所述第二和第三部分之间延伸，所述中心流场室由所述连续壁的所述第二部分、所述连续壁的所述第三部分和相对布置的两个内壁界定，在每个所述侧流场室和中心流场室内部，贴近并平行于所述长横边围设有四个等距间隔的入口孔贯穿所述基板，而在每个所述侧流场室和中心流场室内部，贴近所述短横边围设有一出口孔贯穿所述基板，每个所述侧流场室内部被分成一外及一内子室，所述外子室由所述连续壁的所述第一部分和一中心纵肋界定，而所述内子室由一内壁和所述中心纵肋界定，外及内子室被起始于所述第二部分并结束于所述出口孔附近的一分离肋等分为两个基本室，且每个所述基本室被延伸至所述入口和出口孔附近的一隔离肋等分为两个单元室，而等间隔排列在所述隔离肋的两个边上的短隔离肋，自靠近所述入口孔的一点延伸至靠近介于所述长及短横边围之间中间的一点，所述连续壁、所述内壁、所述中心纵肋、所述分离肋、所述隔离肋和所述短隔离肋的顶部是共面的；以及在所述连续壁的所述第一部分、所述内部、所述中心纵肋、所述分离肋、所述隔离肋和所述短隔离肋之间形成的通道。
3、如权利要求1或2所述的燃料电池极板，其中所述基板是双极的，装有一底板，其设有几个凹进通道在一入口和出口孔之间、彼此平行并平行于所述长及短横边围螺旋延伸，由此所述凹进通道的横截面部分的长度不断缩小。
4、如权利要求1或2所述的燃料电池极板，其中所述基板装有一个平底，是单极的。
5、燃料电池基本单元，包括一对双极式电池极板，其间设有一离子交换膜，每个电池极板具有通常适用于流体流动的一基板，其作为阴极并具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图；所述基板也设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，后者接近于所述短横边围；一个连续壁与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁限定出被分成许多通道的一流场，由此向通过所述入口孔进入然后流经所述通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。
6、燃料电池组，包括：组合的、几个叠置的燃料基本单元，在后者的一顶部上和一底部之下设有一集电器板，且在所述集电器板的一顶部上设置有一密封板，而所述集电器板之下放置有一总管极；且使用紧固元件把所述密封板固定于所述总管板上，每个所述叠置的燃料基本单元都包含一对双极式电池极板，其间设有一离子交换膜，每个电池极板具有通常适用于流体流动的一基板，其作为阴极并具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图；所述基板也设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者接近于所述短横边围；一连续壁与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁界定出被分成许多通道的一流场，由此向通过所述入口孔进入然后流经所述通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。
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