CN1902772A - 具有交叉联接通道的双极板 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃料电池堆中的双极板包括具有其上形成有第一组冷却剂通道的第一冷却剂端面的第一极板。第二极板具有其上形成有第二组冷却剂通道的第二冷却剂端面。所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面彼此相邻，从而与在第一冷却剂端面和第二冷却剂端面的区域上面的第一组冷却剂通道和第二组冷却剂通道断续地交叉联接。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池堆双极板，且更具体而言，涉及具有交叉联接通道的双极板。
背景技术
在多种应用中，燃料电池系统越来越多地被用作电源。已提出在车辆中使用燃料电池推进系统以取代内燃机。燃料电池产生用以对蓄电池进行充电和/或为电马达供电的电力。固体-聚合物-电解质燃料电池包括被夹在阳极与阴极之间的聚合物电解质膜(PEM)。为了通过电化学反应产生电力，向阳极供给燃料，通常为氢(H2)，但也可以是甲烷(CH4)或甲醇(CH3OH)；且向阴极供给氧化剂，例如氧(O2)。氧源一般为空气。
在第一半电池反应中，氢(H2)在阳极发生解离，生成氢质子(H+)和电子(e-)。该膜是质子传导的和介电的。结果是，质子被传输通过所述膜。电子流过被连接在所述膜两端的电负载(例如蓄电池或电马达)上。在第二半电池反应中，氧(O2)在阴极与氢质子(H+)进行反应，且电子(e-)被吸收以生成水(H2O)。
双极板被设置在燃料电池堆中的燃料电池之间以有利于气体反应物的流动，从而在燃料电池中发生反应。双极板还有利于冷却剂流动通过燃料电池堆，以对燃料电池堆的温度进行调节。传统的双极板包括离散的或者互成角度进行布置的通道，所述通道限定出反应物和冷却剂流场。这种通道构造可引起冷却剂分布不均，从而导致在燃料电池堆中产生不均匀的温度曲线(即温度变化)。另外，双极板受到压缩载荷和产生应力的振动。因此，需要提供一种与常规技术相比性能增强的改进的极板设计。
发明内容
因此，本发明提供一种用于燃料电池堆中的双极板。所述双极板包括具有其上形成有第一组冷却剂通道的第一冷却剂端面的第一极板。第二极板具有其上形成有第二组冷却剂通道的第二冷却剂端面。所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面彼此相邻，从而与在第一冷却剂端面和第二冷却剂端面的区域上面的第一组冷却剂通道和第二组冷却剂通道断续地交叉联接。
在一个特征中，所述第一组冷却剂通道限定出具有第一波幅和第一波长的第一波形。所述第二组冷却剂通道限定出具有第二波幅和第二波长的第二波形。所述第一组冷却剂通道的第一波形与所述第二组冷却剂通道的第二波形交织在一起。
在另一个特征中，所述第一冷却剂端面上的第一组凸脊(land)与所述第二冷却剂端面上的第二组凸脊断续地接触，从而限定出断续的交界区域。所述第一极板和第二极板在断续的交界区域处结合在一起。
在又一个特征中，所述第一极板包括在与第一冷却剂端面相对的端面上形成的第一流场。
在又一个特征中，所述第二极板包括在与第二冷却剂端面相对的端面上形成的第二流场。
通过在下文中提供的详细说明，本发明的其它适用领域变得更加明显。应该理解，所述详细描述和具体实例虽然表示的是本发明的优选实施例，但是其旨在用于示例性目的，而不是旨在用于限制本发明的范围。
附图说明
通过以下的详细说明并结合附图，本发明将会得到更加全面的理解，其中：
图1是包括根据本发明的双极板的燃料电池堆的分解视图；
图2是双极板中阴极板的反应气体侧的平面图；
图3是双极板中阳极板的反应气体侧的平面图；
图4是双极板中阴极板的冷却剂侧的平面图；
图5是双极板中阳极板的冷却剂侧的平面图；
图6是阳极板和阴极板中交叉联接的冷却剂通道的示意图；和
图7是具有从阴极板中心切下的圆形剖面的一部分双极板的透视图。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述本质上仅是示例性的且绝不是旨在限制本发明、其应用或使用。
下面参见图1，图中示出了燃料电池堆的一部分。该燃料电池堆包括具有夹在双极板14之间的聚合物电解质膜(PEM)12的燃料电池10。扩散介质16被包含且被设置在PEM 12与双极板14之间。每块双极板14包括阴极侧18和阳极侧20。阳极反应物流过阳极侧20并且扩散通过用于在PEM 12两端进行反应的扩散介质16。阴极反应物流过阴极侧18并且扩散通过用于在PEM 12两端进行反应的扩散介质16。垫圈(图中未示出)被设置在双极板14与PEM 12之间，以密封流过阴极侧18和阳极侧20的流体流。
下面参见图2-图7，对双极板14进行详细描述。双极板14包括阴极板22和阳极板24。特别是参见图2和图4，阴极板22包括具有由之字形阴极流动通道26限定出的阴极流场的阴极侧18。阴极流动通道被之字形凸脊28隔开。阴极板22还包括具有由之字形冷却剂流动通道32限定出的冷却剂流场的冷却剂侧30。相类似地，冷却剂流动通道被之字形凸脊34隔开。阴极板22包括在每一侧上形成的阴极进口和出口集管36。所述阴极进口和出口集管36引导阴极反应物流入阴极流动通道26中。阴极板22还包括冷却剂进口和出口集管38。所述冷却剂进口和出口集管38引导冷却剂流入冷却剂流动通道32中。
特别是参见图3和图5，阳极板24包括具有由之字形阳极流动通道40限定出的阳极流场的阳极侧20。阳极流动通道40被之字形凸脊42隔开。阳极板24还包括具有由之字形冷却剂流动通道46限定出的冷却剂流场的冷却剂侧44。相类似地，冷却剂流动通道46被之字形凸脊48隔开。阳极板24包括在每一侧上形成的阳极进口和出口集管50。所述阳极进口和出口集管50引导阳极反应物流入阳极流动通道40中。阳极板24还包括冷却剂进口和出口集管52。所述冷却剂进口和出口集管52引导冷却剂流入冷却剂流动通道46中。
如图中所示，所述阴极板22和阳极板24为冲压不锈钢板，从而使得反应气体通道26，40限定出冷却剂凸脊34，48且反应气体凸脊28，42限定出冷却剂通道32，46。所述阴极板22和阳极板24相邻叠置并且结合在一起从而形成双极板14。可通过多种方式实现所述阴极板22和阳极板24的结合，所述方式包括，但不限于粘合、硬钎焊、软钎焊和焊接方法。所述阴极板22和阳极板24进行叠置，从而使得冷却剂侧30，44彼此面对且紧密相邻。尽管所述阴极板22和阳极板24传统上为冲压不锈钢板，但是预期在此所述的流场设计可适用于用以生产所述阴极板22和阳极板24的多种方法和材料。因此，本发明不限于不锈钢板材成形。
特别是参见图6和图7，所述阴极板22和阳极板24的冷却剂侧30，44分别对齐，从而使得冷却剂通道32，46彼此交织在一起。图7示出了具有从阴极板22上切下的圆形剖面的一部分双极板14。图中用实线示出了阴极板22上的冷却剂通道32，图中用假想线示出了阳极板24上的冷却剂通道46(参见图6)。
相互间交织导致冷却剂通道32，46彼此以合成角α横交。合成角α可基于之字形冷却剂通道32，46的波长(L)或波幅(A)产生变化。通过使阴极板22上的冷却剂通道32中的一个转折与阳极板24上的冷却剂通道46中的一个转折相交叉且反之亦然，从而形成所述相互间的交织。按照这种方式，阴极板22上的冷却剂通道32之间的凸脊34与阳极板24上的冷却剂通道46之间的凸脊48在交界区域60中断续地相邻，如图中有阴影线的区域所示。所述阴极板22和阳极板24在断续的交界区域60处结合在一起。交界区域60限定出跨过阴极板22和阳极板24的用以传导电流通过燃料电池堆的导电点。
如图中所示，所述阴极板22和阳极板24上的通道具有相同的几何构造(即波长、波幅和合成角)。然而，本发明预期阴极板22和阳极板24上的通道采用不同的几何构造。进一步预期，在阴极板22和阳极板24上的所述通道的波长和/或波幅可改变。这就是说，一条特定的通道或一组特定的通道可在阴极板22和/或阳极板24的一个区域中具有第一波幅和波长，并且在另一个区域中具有第二波幅和/或波长。结果是，合成角α还依区域而改变。
由于所述阴极板22和阳极板24上的冷却剂通道32，46相互间交织在一起，因此存在断续交叉联接的区域62，其中冷却剂通道32通向冷却剂通道46。在所述断续交叉联接的区域62中，流体流在所述阴极板22和阳极板24上的冷却剂通道32，46之间进行流动。同时，由于交织作用，因此存在断续不交叉联接的区域64，其中阴极板22上的冷却剂通道32通向阳极板24上的凸脊48且阳极板24上的冷却剂通道46通向阴极板22上的凸脊34。在所述断续不交叉联接的区域64中，流体流被限制在相应的冷却剂通道32，46中且不发生交叉联接。因此，三维或多层冷却剂流场被限定出并且包括两个高度。阴极板22上的冷却剂通道32限定出第一高度，且阳极板24上的冷却剂通道46限定出第二高度。一般而言，二维或平面流在所述两种高度之一处存在于不交叉联接的区域64中。第三维度中的冷却剂流存在于交叉联接区域62中，在此冷却剂可在第一和第二高度之间进行流动。所述三维多层流场能够对燃料电池堆进行气体、水溶液或两相温度调节。
双极板14被设置在PEM 12的任一侧上，从而使得相邻的反应物流场大部分相对齐。这就是说，设置双极板14，以使得阴极侧18的之字形阴极流动通道26大部分与阳极侧20的之字形阳极流动通道40相对齐。因此，在PEM 12上在阴极流动通道26和阳极流动通道40之间没有或存在有限的相互交织。这可通过使每隔一个双极板14在极板表面的平面中相对于PEM 12另一侧上的双极板14旋转180°而得以实现。
当进口和出口集管36，50取向使得反应物流体沿逆流方向进行流动时，出口反应物流相对于进口反应物流的增湿得到改善。如在此所使用的，术语逆流表示阳极流体沿与阴极流体流相反的方向流过PEM12。还预期到：可以协流的方式提供反应物流体流。如在此所使用的，术语协流表示阳极流体沿与阴极流体流相同的方向流过PEM 12。根据集管36，50是被选作进口还是出口而按照逆流或协流的方式布置燃料电池堆。
相似地，可相对于反应物流体流按照逆流方式、协流方式或交叉流方式中的任何一种方式引导冷却剂流。如在此所使用的，术语交叉流表示冷却剂流体沿横向于反应物流体流的方向进行流动。交叉流可包括在相对于反应物流体流方向而言大于0°(即平行)直至90°(即垂直)间的任何地方处的横向方向。为了以协流或逆流反应物流体方向实现交叉流动的冷却剂流体方向，增加冷却剂通道32，46的波幅(即交织)，由此有效地增大合成角α。冷却剂通道32，46波幅的增加增大了横跨大量冷却剂通道32，46的交叉联接区域62的个数。
所述阴极板22和阳极板24上的通道的相互交织导致在双极板14的压缩敏感区域中形成均匀的刚度。对相邻的通道进行取向，以使得每个凸脊作为多条相邻通道的支架。可改变所述通道的波长和波幅，从而使给定区域中的极板刚度得到最优化。横跨PEM 12的反应物流场的相邻对齐改进了燃料电池堆上的压缩载荷的分布。更具体而言，双极板14经由流动通道凸脊传递到PEM 12上的力得到最优化，从而确保在施加载荷时，所述凸脊具有均匀的响应或偏转。这种均匀性改善了振动特性，并且减小了在PEM 12和燃料电池堆的其它部件上的局部应力。按照这种方式，燃料电池堆的耐久性得到提高。另外，通过触点的电流密度还可降低，从而提供减小的接触电阻损耗。
对本发明的描述在本质上仅是示例性的，且因此，不偏离本发明的要旨的变型旨在落入本发明的范围内。这些变型不被视为偏离本发明的精神和范围。
Claims (24)
1、一种用于燃料电池堆中的双极板，包括：
具有其上形成有第一组冷却剂通道的第一冷却剂端面的第一极板；和
具有其上形成有第二组冷却剂通道的第二冷却剂端面的第二极板，其中所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面彼此相邻，从而与在所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面的区域上面的所述第一组冷却剂通道和第二组冷却剂通道断续地交叉联接。
2、根据权利要求1所述的双极板，其中所述第一组冷却剂通道限定出具有第一波幅和第一波长的第一波形。
3、根据权利要求2所述的双极板，其中所述第二组冷却剂通道限定出具有第二波幅和第二波长的第二波形。
4、根据权利要求3所述的双极板，其中所述第一组冷却剂通道的所述第一波形与所述第二组冷却剂通道的所述第二波形交织在一起。
5、根据权利要求1所述的双极板，其中所述第一冷却剂端面上的第一组凸脊与所述第二冷却剂端面上的第二组凸脊断续地接触，从而限定出断续的交界区域。
6、根据权利要求5所述的双极板，其中所述第一极板和所述第二极板在所述断续的交界区域处结合在一起。
7、根据权利要求1所述的双极板，其中所述第一极板包括在与所述第一冷却剂端面相对的端面上形成的第一流场。
8、根据权利要求1所述的双极板，其中所述第二极板包括在与所述第二冷却剂端面相对的端面上形成的第二流场。
9、一种燃料电池堆，包括：
聚合物电解质膜(PEM)；和
设置在所述聚合物电解质膜的第一侧上的第一双极板和设置在所述聚合物电解质膜的第二侧上的第二双极板，其中所述第一和第二双极板中的至少一块包括：
具有其上形成有第一组冷却剂通道的第一冷却剂端面的阴极板；和
具有其上形成有第二组冷却剂通道的第二冷却剂端面的阳极板，其中所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面彼此相邻，从而与在所述第一冷却剂端面和第二冷却剂端面的区域上面的所述第一组冷却剂通道和第二组冷却剂通道断续地交叉联接。
10、根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中所述第一组冷却剂通道限定出具有第一波幅和第一波长的第一波形。
11、根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中所述第二组冷却剂通道限定出具有第二波幅和第二波长的第二波形。
12、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中所述第一波形与所述第二波形交织在一起。
13、根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中所述第一冷却剂端面上的第一组凸脊与所述第二冷却剂端面上的第二组凸脊断续地接触，从而限定出断续的交界区域。
14、根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述阳极板和阴极板在所述断续的交界区域处结合在一起。
15、根据权利要求9所述的燃料电池堆，进一步包括：
在所述阳极板上形成的与所述聚合物电解质膜流体连通的一组阳极通道；和
在所述阴极板上形成的与所述聚合物电解质膜流体连通的一组阴极通道。
16、根据权利要求15所述的燃料电池堆，其中所述阳极通道组和所述阴极通道组分别限定出一种波形。
17、根据权利要求16所述的燃料电池堆，进一步包括：
插置在所述第一双极板与所述聚合物电解质膜之间的第一扩散介质；和
插置在所述第二双极板与所述聚合物电解质膜之间的第二扩散介质。
18、一种用于燃料电池堆的双极板，包括：
在第一端面上形成的第一反应物流场；
在第二端面上形成的第二反应物流场；和
插置在所述第一反应物流场与所述第二反应物流场之间的冷却剂流场，所述冷却剂流场包括交织在一起的通道，从而提供断续的交叉联接区域、断续的不交叉联接区域和断续的交界区域。
19、根据权利要求18所述的双极板，其中所述通道包括：
第一组冷却剂通道；和
第二组冷却剂通道。
20、根据权利要求19所述的双极板，其中所述第一组冷却剂通道限定出具有第一波幅和第一波长的第一波形。
21、根据权利要求20所述的双极板，其中所述第二组冷却剂通道限定出具有第二波幅和第二波长的第二波形。
22、根据权利要求21所述的双极板，其中所述第一组冷却剂通道的所述第一波形与所述第二组冷却剂通道的所述第二波形交织在一起。
23、根据权利要求19所述的双极板，其中所述第一冷却剂端面上的第一组凸脊与所述第二冷却剂端面上的第二组凸脊断续地接触，从而限定出断续的交界区域。
24、根据权利要求18所述的双极板，进一步包括：
包括所述第一端面的第一极板；和
包括所述第二端面的第二极板，其中所述第一极板和所述第二极板在所述断续的交界区域处结合在一起。
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