CN1692515A - 燃料电池的双极板 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的双极板，包括：具有一定面积和厚度的极板；分别形成在该极板的两侧以便具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽；用于连接流入缓冲槽和流出缓冲槽的多条通道；形成在流入和流出缓冲槽中以便具有一定高度的多个缓冲突起；形成在该极板上以便连接流入缓冲槽的流入路径和在该极板上形成以连接流出缓冲槽的流出路径。在这种燃料电池双极板中，可以均匀流量分配，减少分别流入燃料电池的燃料电极和空气电极的燃料和空气的流动阻力。

Description

燃料电池的双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及能够使流量分布均匀化并且降低分别流入燃料电池的燃料电极(阳极)和空气电极(阴极)的燃料和空气的流动阻力的燃料电池双极板。
背景技术
燃料电池通常是有利于环境的能量，人们已经研制开发燃料电池以替代常规的化石(fossil)能量。如图1所示，燃料电池包括：与至少一个其中发生电化学反应的单元电池11相组合的的电池堆；连接到电池堆10以供应燃料的燃料供应管20；连接到电池堆10以供应空气的空气供应管30；和排放管40、50，用于分别将经过反应的燃料和空气的副产物排出。单元电池11包括燃料电极(阳极)(未示出)和空气电极(阴极)(未示出)，燃料在燃料电极中流动，空气在空气电极中流动。
以下将描述燃料电池的工作方式。
首先，将燃料和空气分别通过燃料供应管20和空气供应管30提供给电池堆10的燃料电极和空气电极。提供给燃料电极的燃料通过在燃料电极中的电化学氧化反应离子化为阳离子和电子(e-)，离子化的阳离子通过电解质层移向空气电极，电子移向燃料电极。移向空气电极的阳离子与提供给空气电极的空气进行电化学还原反应、并产生副产物如反应热和水等。在此过程中，通过电子的移动产生电能。经过燃料电极中的反应的燃料、在空气电极中产生的水和其它副产物分别通过排放管40、50排出。
可根据在燃料电池中所采用的电解质、燃料等的种类将燃料电池分为不同类型。
同时，如图2所示，构成电池堆10的单元电池11包括：两个双极板100，双极板100具有在其中空气或燃料流动的开放通道101；在两个双极板100之间设置的M.E.A(膜电极组件)110，以具有特定的厚度和面积。两个双极板100和设置在它们之间的M.E.A 110通过附加结合装置121、121相互组合互组合在一起。由双极板100的通道101和M.E.A 110的一侧形成的通道构成燃料电极，在燃料流过燃料电极的通道的同时发生氧化反应。由另一双极板100的通道101和M.E.A 110的另一侧形成的通道构成空气电极，在空气流过空气电极的通道的同时发生还原反应。
双极板100的形状，尤其是通道101的形状影响在燃料和空气的流动中产生的接触电阻和流量分布等，接触电阻和流量分布影响能量利用系数。双极板100具有适于方便加工和批量生产的特定形状。
如图3所示，在传统的第一双极板中，在具有一定厚度和矩形形状的极板130的各边缘处分别形成通孔131、132、133、134。在四个通孔中，对角设置的两个通孔131、133是燃料路径，而对角设置的两个通孔132、134是空气路径。在极板130的两侧分别形成其中流体流动的六边形通道135，多个直通道136沿着六边形通道135的整个内部区域水平地形成。在极板130的一侧形成的六边形通道135和多个直连接通道136通过多个直通道137连接到对角设置的两个通孔131、133。在极板130的另一侧形成的六边形通道135和多个直通道136通过多个直的连接通道137连接到对角设置的两个通孔132、134。更为详细地讲，在极板130中，燃料在一侧上流动，空气在另一侧上流动。
图3是表示传统的双极板一侧的平面图。
以下将描述传统的双极板的工作方式。燃料或空气流入通孔131、132，燃料或空气通过连接通道137流入六边形通道135和多个直通道136，并流入在另一侧的连接通道。流入连接通道137的燃料或空气在另一侧的通孔133、134排出。
同时，在传统的第二双极板的另一结构中，如图4所示，通孔141、142、143、144分别形成在具有一定厚度和矩形形状的极板140的边缘。并且，弯曲的多条通道145形成在极板140的一侧上，以连接对角设置的两个通孔141、143。并且，弯曲的多条通道145形成在极板140的另一侧上，以连接对角设置的两个通孔142、144。
以下将描述第二极板的工作方式。燃料和空气分别流入通孔141、142，分别流入通孔141、142的燃料或空气经过多条通道145并由另外的通孔143、144排放。
然而，在传统的第一双极板中，因为和在六边形通道中形成的直通道136的数量相比、用于连接通孔131、132、133、134、六边形通道135和直通道136的连接通道137的数量非常少，所以流入通孔131、132的流体的流量分布不好，在大量的流体流动时不适于采用传统的第一双极板。同时，在传统的第二双极板中，因为燃料和空气的通道145被制作成弯曲形状，增加了燃料和空气流动中的流动阻力，所以增加了用于使流体流动的压力损失。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种燃料电池的双极板，该双极板能够使流量分布均匀、减少分别流入燃料电极和空气电极的燃料和空气的流动阻力。
为了达到上述目的，根据本发明的燃料电池双极板包括：具有一定面积和厚度的极板；分别在该极板的两侧形成并具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽；用于连接流入缓冲槽和流出缓冲槽的多条通道；在该极板上形成以连接流入缓冲槽的流入路径；和在该极板上形成以连接流出缓冲槽的流出路径。
此外，根据本发明的燃料电池双极板包括：具有一定面积和厚度的极板；分别形成在该极板的两侧以具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽；用于连接流入缓冲槽和流出缓冲槽的多条通道；形成在流入和流出缓冲槽中以具有一定高度的多个缓冲突起；形成在该极板上以连接流入缓冲槽的流入路径；和形成在该极板上以连接流出缓冲槽的流出路径。
附图说明
附图用于进一步理解本发明，它结合在本说明书中、构成此说明书的一部分，附图描述了本发明的实施方式，与说明书文字部分一起解释本发明的原理。
图中：
图1示出传统的燃料电池系统；
图2是描述传统的燃料电池堆的分解透视图；
图3是描述传统的燃料电池的双极板的一个例子的平面图；
图4是描述传统的燃料电池的双极板的另一个例子的平面图；
图5是描述根据本发明的燃料电池双极板的第一实施例的平面图；
图6是沿图5中线A-B截取的截面图；
图7和8是分别描述根据本发明第一实施例的燃料电池双极板的通道的平面图；
图9是描述根据本发明第一实施例的燃料电池双极板的分配装置的平面图；
图10是描述根据本发明的燃料电池双极板的第二实施例的平面图；
图11是沿图10的线C-D截取的截面图；
图12和13是分别描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板的缓冲突起的改进的平面图；
图14和15是分别描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板通道的另一例子的平面图；
图16是描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板的分配装置的平面图；
图17是描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板的叠层的分解透视图。
图18是描述根据本发明第一实施例的燃料电池双极板的工作状态的平面图；以及
图19是描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板的工作状态的平面图。
具体实施方式
下面，参考附图描述根据本发明的燃料电池双极板的优选实施例。
首先，描述根据本发明的燃料电池的双极板的第一实施例。
图5是描述根据本发明的燃料电池双极板的第一实施例的平面图，图6是沿图5中A-B截取的截面图。
如图5和6所示，根据本发明的燃料电池双极板包括：具有一定面积和厚度的极板150；分别在极板150的两侧形成以具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽151、152；用于连接流入缓冲槽151和流出缓冲槽152的多条通道153；在该极板150上形成以连接流入缓冲槽151的流入路径154；和在极板150上形成以连接流出缓冲槽152的流出路径155。
极板150形成为矩形并具有均匀厚度。流入缓冲槽151形成为具有一定宽度和长度的矩形，它具有均匀的深度。流出缓冲槽152的宽度和长度与流入缓冲槽151的宽度和长度相同，流出缓冲槽152具有均匀的深度。流入缓冲槽151和流出缓冲槽152设置在同一线上并具有相同的深度。
流入缓冲槽151和流出缓冲槽152可具有除矩形之外的其它形状并具有不同的深度。
并且，在流入缓冲槽151和流出缓冲槽152之间形成多条通道153以便使它们连接。通道153是直的并具有均匀宽度。此外，通道153具有与流入缓冲槽151和流出缓冲槽152相同的深度。
同时，如图7所示，在通道153的另一个实例中，从在中部设置的通道153向在边缘设置的通道153通道宽度逐步增加。更详细地讲，为了将在流入缓冲槽151中的流体均匀分配到通道153，中间通道的宽度窄一些，边缘通道的宽度宽一些，各通道的宽度线性增加。
如图8所示，在通道153的再一实施例中，通道153具有相同的宽度，在各通道153的入口侧形成缓冲部分156，以缩小入口的宽度。缓冲部分156是从构成通道153的两壁向外伸出的(extended-projected)突起。缓冲部分156用于将流入到流入缓冲槽151的流体均匀分配到通道153。
流入缓冲槽151和流出缓冲槽152的长度不低于通道153长度的1/5。
在极板150的一侧上形成流入缓冲通道154以便设置在通道153的长度线(the length line)上。流入路径154构成为至少一个通孔。
在极板150的一侧上形成流出路径155以便设置在通道153的长度线上并在流入路径154的相对侧。流出路径155形成为至少一个通孔。
并且，如图9所示，可在流入路径154中设置分配装置(R)，该装置(R)用于向流入到流入路径154的流体提供流动阻力。
分配装置(R)形成为如下形状：它具有对应于流入路径154的截面的面积和一定厚度，并由多孔材料制成。该分配装置(R)通过造成流入到流入路径154中的流体的流动阻力使得流入各单元电池的流体均匀分配。
当根据本发明第一实施例的燃料电池双极板构成单元电池或设置在电池堆的两侧时，仅在极板150的一侧上形成流入缓冲槽151、流出缓冲槽152和多条通道153等。
接下来，描述根据本发明第二实施例的燃料电池双极板。
图10是描述根据本发明的燃料电池双极板的第二实施例的平面图，图11是沿图10的线C-D截取的截面图。
如图10和11所示，根据本发明第二实施例的燃料电池双极板包括：具有一定面积和厚度的极板160；分别形成在该极板160的两侧以具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽161、162；用于连接流入缓冲槽161和流出缓冲槽162的多条通道163；形成在流入和流出缓冲槽161、162中以具有一定高度的多个缓冲突起164；形成在该极板160上以连接流入缓冲槽161的流入路径165；和形成在该极板160上以连接流出缓冲槽162的流出路径166。
极板160被制作成矩形并具有均匀厚度。流入缓冲槽161被制作成具有一定宽度和长度的矩形，它具有均匀的深度。流出缓冲槽162的宽度和长度与流入缓冲槽161的宽度和长度相同，流出缓冲槽152具有均匀的深度。流入缓冲槽161和流出缓冲槽162设置在同一线上并具有相同的深度。
在流入缓冲槽161和流出缓冲槽162之间形成多条通道163以便使它们连接。通道163是直的并具有与流入和流出缓冲槽161、162相同的深度。流入和流出缓冲槽161、162的长度不低于通道163长度的1/5。
在通道163之间线性地形成缓冲突起164。
如图12所示，具有改进形状的缓冲突起164线性地设置在通道163上。
缓冲突起164具有相同的高度。缓冲突起的高度与流入缓冲槽161或流出缓冲槽162的深度相同。
缓冲突起164的截面是矩形的。缓冲突起164的截面也可以是除矩形之外的其它形状。
如图13所示，作为改进形式，缓冲突起164无规则地设置。
流入和流出缓冲凹槽161、162可具有除矩形之外的其它形状，并可具有不同深度。
同时，如图14所示，在通道163的另一实例中，从设置在中部的通道163向设置在边缘的通道163通道宽度逐步增加。更详细地讲，为了将在流入缓冲槽161中的流体均匀分配到通道163，中间通道的宽度窄一些，边缘通道的宽度宽一些，各通道的宽度线性地增加。
如图15所示，在通道163的再一实施例中，通道163具有相同的宽度，在各通道163的入口侧形成缓冲部分167，以缩小入口的宽度。缓冲部分167是从构成通道163的两壁向外伸出的突起。缓冲部分167用于将流入到流入缓冲槽161的流体均匀分配到通道163。
在极板160的一侧上形成流入缓冲通道165以便设置在通道163的长度线上。流入路径165构成至少一个通孔。
在极板160的一侧上形成流出路径166以便设置在通道163的长度线上并在流入路径165的相对侧。流出路径166构成至少一个通孔。
并且，如图16所示，可在流入路径165中设置分配装置(R)，该装置(R)用于向流入到流入路径165的流体提供流动阻力。
分配装置(R)被制作成具有对应于流入路径16 5的截面的面积和一定厚度的形状，并由多孔材料制成。该分配装置(R)通过造成流入到流入路径165中的流体的流动阻力使得流入各单元电池的流体均匀分配。
当根据本发明第二实施例的燃料电池双极板构成单元电池或设置在电池堆的两侧时，仅在极板160的一侧上形成流入缓冲槽161、流出缓冲槽162、缓冲突起164和多条通道163等。
下面，将描述根据本发明的燃料电池双极板的工作优势。
首先，在根据本发明的燃料电池双极板中，双极板构成燃料电池堆。更详细地讲，如图17所示，在双极板(BP)之间设置M.E.A(M)，它们通过组合装置(未示出)相互组合，从而构成燃料电池堆。这里，燃料在其中流动的燃料通道是由形成在双极板(BP)的一侧上和M.E.A(M)的一侧上的流入缓冲槽151、通道153和流出缓冲槽152等形成。并且，空气在其中流动的空气通道由在M.E.A(M)的另一侧上形成的流入缓冲槽151、以及在面对双极板(BP)的另一双极板(BP)的一侧上形成的流入缓冲槽151、通道153和流出缓冲槽152等形成。
在此结构中，当燃料流入双极板(BP)的流入路径154时，如图18所示，在流入路径154中的流动物质流入到流入缓冲槽151中。并且，在流入缓冲槽151中的燃料分散到整个流入缓冲槽151，并流入通道153。在通道153中的燃料流入到流出缓冲槽152，并通过流出路径155排放到外部。在此过程中，因为来自流入路径154的燃料在经过流入缓冲槽151之后流入到通道153中，流量均匀分配到所有通道153，所以流动是平稳的。此外，流过通道153的燃料汇聚在流出缓冲槽152中，并通过流出路径155排放到外部，所以燃料的流动是平稳的。
此外，空气通过进行上述过程而流动。
在根据本发明第二实施例的燃料电池双极板中，如图19所示，燃料经过流入路径165流入到流入缓冲槽161。在流入缓冲槽161中的燃料通常借助于流入缓冲槽161和在流入缓冲槽1 61中设置的缓冲突起164被分散，并被均匀地分配到通道163。流过通道163的燃料汇聚在流出缓冲槽162并通过流出路径166排放到外部。在此结构中，通过缓冲突起164，燃料更均匀地分配到通道163，加宽了与在双极板(BP)之间的M.E.A(M)接触支撑的面积，从而使M.E.A(M)的变形减至最少。
同时，在根据本发明的燃料电池双极板中，通过线性地形成通道153、163，加工更为容易，加工方法更为多样化。
如上所述，在根据本发明的燃料电池双极板中，通过均匀地分配分别流入燃料电极和空气电极的燃料和空气的流量，增加了氧化反应和还原反应的有效面积，提高了能量利用系数。通过降低燃料和空气的流动电阻，降低了用于流入燃料和空气的泵送功率，提高了燃料电池的效率。此外，通过简化加工和采用多样化的加工方法，缩减了生产成本。

Claims (20)

1.一种燃料电池双极板，包括：
一具有一定面积和厚度的极板；
分别形成在所述的极板的两侧以便具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽；
用于连接所述的流入缓冲槽和所述的流出缓冲槽的多条通道；
一形成在所述的极板上以便连接所述的流入缓冲槽的流入路径；以及
一形成在所述的极板上以便连接所述的流出缓冲槽的流出路径。
2.根据权利要求1所述的双极板，其中所述的通道是线性地形成的。
3.根据权利要求2所述的双极板，其中从在中部设置的通道到在边缘设置的通道宽度逐步增加。
4.根据权利要求2所述的双极板，其中所述的通道的宽度是均匀的，在各通道的入口侧形成一突起的缓冲部分，以便缩小所述的入口的宽度。
5.根据权利要求1所述的双极板，其中所述的流入路径和所述的流出路径分别构成为至少一个通孔。
6.根据权利要求1所述的双极板，其中所述的流入路径和所述的流出路径形成在所述的极板的一侧。
7.根据权利要求1所述的双极板，其中在所述的流入路径中形成一分配装置以便向流入到所述的流入路径中的流体提供流动阻力。
8.根据权利要求7所述的双极板，其中所述的分配装置被制作成具有对应于所述的流入路径截面的面积和一定厚度的形状，并且由多孔材料制成。
9.一种燃料电池的双极板，包括：
一具有一定面积和厚度的极板；
分别形成在该极板的两侧以便具有一定面积和深度的流入和流出缓冲槽；
用于连接所述的流入缓冲槽和所述的流出缓冲槽的多条通道；
形成在所述的流入和流出缓冲槽中以便具有一定高度的多个缓冲突起；
一形成在所述的极板上以便连接所述的流入缓冲槽的流入路径；以及
一形成在所述的极板上以便连接所述的流出缓冲槽的流出路径。
10.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的缓冲突起线性地设置在在所述的通道之间。
11.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的缓冲突起线性地设置在所述的通道上。
12.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的缓冲突起是无规则地设置的。
13.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的缓冲突起具有相同的高度，所述的缓冲突起的高度与所述的流入缓冲槽或所述的流出缓冲槽的深度相同。
14.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的缓冲突起具有矩形截面。
15.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的通道是线性地形成的。
16.根据权利要求15所述的双极板，其中从在所述的中部设置的一通道到在所述的边缘设置的一通道宽度逐步增加。
17.根据权利要求15所述的双极板，其中所述的通道的宽度是均匀的，在各通道的入口侧形成一突起的缓冲部分，从而缩小入口的宽度。
18.根据权利要求9所述的双极板，其中所述的流入缓冲槽和所述的流出缓冲槽的长度不低于所述的通道长度的1/5。
19.根据权利要求9所述的双极板，其中在所述的流入路径中形成一分配装置以便向流入到所述的流入路径中的流体提供流动阻力。
20.根据权利要求19所述的双极板，其中所述的分配装置被制作成具有对应于所述的流入路径截面的面积和一定厚度的形状，并且由多孔材料制成。
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