用于燃料電池的流體流動(dòng)板的制作方法
【專利說(shuō)明】用于燃料電池的流體流動(dòng)板
[0001]本發(fā)明涉及用于電化學(xué)燃料電池組件的流體流動(dòng)板，并且詳細(xì)而言，涉及允許多個(gè)流體流動(dòng)通道供陽(yáng)極流體、陰極流體和冷卻劑流體中的兩個(gè)或更多個(gè)通過(guò)的雙極板或單極板的配置。
[0002]電化學(xué)燃料電池中雙極板(與單極板相反)的使用允許燃料電池厚度減小且因此允許總尺寸減小，這歸因于一個(gè)電池的陽(yáng)極板與相鄰電池的陰極板之間的共享電連接的使用。常規(guī)的雙極板可以(例如)由單個(gè)金屬薄片形成，其中在相反面部上具有機(jī)器加工的或壓制的特征部，以便允許燃料和氧化劑通過(guò)。
[0003]在所謂的“開頂陰極”燃料電池組件中，陰極流體流動(dòng)通道允許空氣自由穿過(guò)燃料電池組件，所述空氣作用在于將氧化劑提供給單獨(dú)電池并提供冷卻。此類布置的問題在于，燃料電池組件需要大量強(qiáng)制空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)作用，因此陰極通道需要是較大的，以便容納充分的空氣流動(dòng)。減小此類組件的尺寸可能較為困難，因?yàn)橥ㄟ^(guò)此類方式進(jìn)行冷卻的效率可能會(huì)由于使陰極通道變小而受到損害。
[0004]所謂的“閉合陰極”燃料電池組件的使用會(huì)通過(guò)替代地使用提供在雙極板內(nèi)的專用冷卻劑通道來(lái)解決強(qiáng)制空氣冷卻的問題，而陰極通道作用主要在于提供氧化劑。此類冷卻通道可以通過(guò)如下方式提供將一對(duì)預(yù)加工的板配套在一起，以便提供在所述板之間穿行的通道。這個(gè)布置允許冷卻劑流體(通常是水)在使用時(shí)穿過(guò)雙極板，這與開頂陰極組件中的強(qiáng)制空氣冷卻相比而言大大地提高了冷卻效率。
[0005]然而，此類閉合陰極組件的問題在于，由于需要額外的冷卻劑通道，因此每個(gè)單獨(dú)電池的復(fù)雜性會(huì)增加。這可能導(dǎo)致每個(gè)電池的總尺寸增加而不是減小。這也會(huì)導(dǎo)致制造每個(gè)電池的成本增加。
[0006]燃料電池組件中要解決的其它問題包括:確保均勻流場(chǎng)用于燃料、氧化劑和冷卻劑線路中的流體分配；最小化入口歧管上的壓降；最小化確保氣密操作所需的密封壓力；使雙極板的構(gòu)造與機(jī)械化組裝過(guò)程相容，這是由于考慮到制造燃料電池組件時(shí)需要精密地組裝大量單元；減小組成堆棧的燃料電池的節(jié)距，同時(shí)將操作維持在期望參數(shù)內(nèi)；減少部件數(shù)量；減小總重量；減少材料使用和浪費(fèi)；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、制造和組裝；以及，大體上減少燃料電池組件的總成本。
[0007]本發(fā)明的目標(biāo)是解決一個(gè)或多個(gè)上面提到的問題。
[0008]根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于電化學(xué)燃料電池組件的流體流動(dòng)板，所述流體流動(dòng)板包括:
[0009]第一多個(gè)流體流動(dòng)通道，其延伸穿過(guò)所述流動(dòng)板的區(qū)域以便界定所述流體流動(dòng)板的流場(chǎng)，
[0010]第一流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述流場(chǎng)的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述流體流動(dòng)通道；
[0011]槽道，其具有由第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列限定的第一周邊邊緣部分，并且具有各自由沿著所述流體流動(dòng)板的流體出入邊緣安置的第二流體輸送點(diǎn)的陣列限定的至少兩個(gè)第二周邊邊緣部分，
[0012]所述至少兩個(gè)第二周邊邊緣部分與所述第一周邊邊緣部分成傾斜角度地安置，從而使得第二流體輸送點(diǎn)的所述陣列的總長(zhǎng)度至少與第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列的長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)，并且優(yōu)選地比第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列的所述長(zhǎng)度長(zhǎng)。
[0013]所述流體流動(dòng)板的流體出入邊緣可以包括流動(dòng)板的內(nèi)部邊緣和/或外部邊緣。所述流動(dòng)板的內(nèi)部邊緣可以形成穿過(guò)所述流動(dòng)板的至少一個(gè)通口的至少部分。所述流體出入邊緣可以各自包括堞形結(jié)構(gòu)。
[0014]所述流體流動(dòng)板還可以包括:
[0015]第二多個(gè)流體流動(dòng)通道，其延伸穿過(guò)界定流場(chǎng)的區(qū)域；
[0016]第三流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述流場(chǎng)的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述第二多個(gè)流體流動(dòng)通道；
[0017]第二槽道，其具有由第三流體輸送點(diǎn)的所述陣列限定的第一周邊邊緣部分，并且具有各自由沿著所述流體流動(dòng)板的額外流體出入邊緣安置的第四流體輸送點(diǎn)的陣列限定的至少兩個(gè)第二周邊邊緣部分，
[0018]所述第二槽道的所述至少兩個(gè)第二周邊邊緣部分與所述第二槽道的所述第一周邊邊緣部分成傾斜角度地安置，從而使得第四流體輸送點(diǎn)的所述陣列的總長(zhǎng)度至少與第三流體輸送點(diǎn)的所述陣列的長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)，并且優(yōu)選地比第三流體輸送點(diǎn)的所述陣列的所述長(zhǎng)度長(zhǎng)。
[0019]與所述第一槽道連通的流體出入邊緣可以包括所述流動(dòng)板的外部邊緣，并且與所述第二槽道連通的流體出入邊緣可以包括所述流動(dòng)板的內(nèi)部邊緣。與所述第一槽道連通的流體出入邊緣和與所述第二槽道連通的流體出入邊緣可以都包括所述流動(dòng)板的內(nèi)部邊緣。所述第一流體槽道和所述第二流體槽道可以至少部分地互相重疊。第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列和第三流體輸送點(diǎn)的所述陣列可以互相疊加。所述第一槽道可以被定形來(lái)使得沿著兩個(gè)第二周邊邊緣部分安置的第二流體輸送點(diǎn)的所述陣列的總長(zhǎng)度比第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列的長(zhǎng)度長(zhǎng)至少1.2倍，或優(yōu)選地長(zhǎng)至少1.5倍。
[0020]所述流體流動(dòng)板還可以包括:
[0021]第三多個(gè)流體流動(dòng)通道，其延伸穿過(guò)界定流場(chǎng)的區(qū)域；
[0022]第五流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述流場(chǎng)的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述第三多個(gè)流體流動(dòng)通道；
[0023]第三槽道，其具有由第五流體輸送點(diǎn)的所述陣列限定的第一周邊邊緣部分，并且具有由沿著所述流體流動(dòng)板的另一流體出入邊緣安置的第六流體輸送點(diǎn)的陣列限定的至少一個(gè)第二周邊邊緣部分。
[0024]與所述第三槽道連通的流體出入邊緣可以包括所述流動(dòng)板的內(nèi)部邊緣。所述第一槽道、所述第二槽道和所述第三槽道可以全部被定形來(lái)使得它們的流體出入邊緣的組合長(zhǎng)度比所述第一流體輸送點(diǎn)的所述陣列的長(zhǎng)度長(zhǎng)至少兩倍，或優(yōu)選地長(zhǎng)至少三倍。
[0025]本發(fā)明的方面和實(shí)施方案通過(guò)舉例的方式并且參照附圖而在下文中進(jìn)一步詳細(xì)描述，其中:
[0026]圖1是雙極板的透視圖，所述雙極板被分離來(lái)展示內(nèi)部冷卻劑歧管和流體流動(dòng)通道以及外部陰極歧管和流體流動(dòng)通道；
[0027]圖2是圖1的雙極板的反向面部的透視圖，其展示陽(yáng)極歧管和流體流動(dòng)通道；
[0028]圖3是圖1的雙極板的冷卻劑和陰極歧管和流動(dòng)通道的放大視圖；
[0029]圖4是圖2的雙極板的陽(yáng)極歧管和流體流動(dòng)通道的放大視圖；
[0030]圖5是組成雙極板的波紋板中的一個(gè)板中的冷卻劑通口歧管的詳細(xì)視圖；
[0031]圖6是圖5的詳細(xì)視圖中的下伏波紋板的詳細(xì)視圖；
[0032]圖7是橫切于雙極板的流體流場(chǎng)區(qū)域的截面圖，其展示組成陽(yáng)極流體、陰極流體和冷卻劑流體流動(dòng)通道的第一波紋板和第二波紋板中相互嚙合的波紋的布置；
[0033]圖8是連接至一系列陰極流體流動(dòng)通道的陰極通口和歧管的截面圖；
[0034]圖9是連接至一系列陽(yáng)極流體流動(dòng)通道的陽(yáng)極歧管的截面圖；
[0035]圖10是穿過(guò)陰極通口和陰極歧管的截面圖；
[0036]圖1la是雙極板的陽(yáng)極側(cè)的透視圖；
[0037]圖1lb是圖1la的雙極板的陰極側(cè)的透視圖；
[0038]圖12a是組裝后的雙極板中的橫向流體連接區(qū)域的詳細(xì)截面圖；
[0039]圖12b是組裝后的雙極板中的橫向流體連接區(qū)域的替代詳細(xì)截面圖；
[0040]圖13是穿過(guò)雙極板波紋區(qū)域和陽(yáng)極歧管區(qū)域的截面圖；
[0041]圖14是雙極板內(nèi)的陽(yáng)極流體、陰極流體和冷卻劑流體體積的圖解；
[0042]圖15是圖14的流體體積的截面圖；
[0043]圖16是包括五個(gè)膜電極組件和六個(gè)雙極板的堆棧的截面圖；
[0044]圖17是雙極板的替代實(shí)施方案的陰極面部的局部透視圖；
[0045]圖18是圖17中雙極板的陽(yáng)極面部的局部透視圖；
[0046]圖19是處于圖17和圖18的雙極板的陽(yáng)極面部的反面上的冷卻劑歧管的局部透視圖；以及
[0047]圖20是圖17至圖19的雙極板的多板組件的透視圖。
[0048]圖1至圖10示出第一類型的雙極板，其中所述板的面部上的陽(yáng)極流體流場(chǎng)呈平行軌道或通道布置的形式。圖11至圖15示出第二類型的雙極板，其中陽(yáng)極流體流場(chǎng)在所述板的所述面部上呈單個(gè)蛇形軌道或通道的形式。這些不同的實(shí)施方案需要雙極板中不同的通道布置，正如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的。
[0049]圖1和圖2展示雙