用于燃料電池的流體流動板的制作方法
【專利說明】用于燃料電池的流體流動板
[0001]本發(fā)明涉及用于電化學(xué)燃料電池組件的流體流動板，并且詳細(xì)而言，涉及允許多個流體流動通道供陽極流體、陰極流體和冷卻劑流體中的兩個或更多個通過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，這歸因于一個電池的陽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。
[0003]在所謂的“開頂陰極”燃料電池組件中，陰極流體流動通道允許空氣自由穿過燃料電池組件，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)制空氣來實(shí)現(xiàn)這兩個作用，因此陰極通道需要是較大的，以便容納充分的空氣流動。減小此類組件的尺寸可能較為困難，因?yàn)橥ㄟ^此類方式進(jìn)行冷卻的效率可能會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通過替代地使用提供在雙極板內(nèi)的專用冷卻劑通道來解決強(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如下方式提供:將一對預(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。這個布置允許冷卻劑流體(通常是水)在使用時穿過雙極板，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，因此每個單獨(dú)電池的復(fù)雜性會增加。這可能導(dǎo)致每個電池的總尺寸增加而不是減小。這也會導(dǎo)致制造每個電池的成本增加。
[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)械化組裝過程相容，這是由于考慮到制造燃料電池組件時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)；簡化設(shè)計、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)是解決一個或多個上面提到的問題。
[0008]根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種用于電化學(xué)組件的流體流動板，所述流體流動板包括:
[0009]多個第一流體流動通道，其延伸穿過所述流動板的面部以便界定所述流體流動板的第一流體流場；
[0010]多個第二流體流動通道，其延伸穿過所述流動板的面部以便界定所述流體流動板的第二流體流場，所述多個第一流體流動通道和第二流體流動通道都占據(jù)共同通道平面；
[0011]第一流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述第一流體流場的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述第一流體流動通道；
[0012]第二流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述第二流體流場的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述第二流體流動通道；
[0013]第一流體槽道，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，并且具有形成所述流體流動板的第一流體連通邊緣的第二周邊邊緣部分，
[0014]第二流體槽道，其具有由第二流體輸送點(diǎn)的所述陣列限定的第一周邊邊緣部分，并且具有形成所述流體流動板的第二流體連通邊緣的第二周邊邊緣部分，
[0015]其中所述第一流體槽道占據(jù)第一槽道平面，并且所述第二流體槽道占據(jù)不同于所述第一槽道平面的第二槽道平面，并且其中所述第一槽道平面和所述第二槽道平面都安置在所述通道平面內(nèi)。
[0016]所述流體流動板還可以包括:
[0017]多個第三流體流動通道，其在所述第一面部與所述第二面部之間延伸穿過所述流體流動板以便界定所述流體流動板的第三流場，所述第三流體流動通道占據(jù)所述共同通道平面；
[0018]第三流體輸送點(diǎn)的陣列，其沿著所述第三流體流場的邊緣安置，以用于連通流體進(jìn)入或離開所述第三流體流動通道；
[0019]第三流體槽道，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，并且具有形成所述流體流動板的第三流體連通邊緣的第二周邊邊緣部分，
[0020]其中所述第三流體槽道占據(jù)不同于所述第一槽道平面和所述第二槽道平面的第三槽道平面，并且其中所述第三槽道平面也安置在所述通道平面內(nèi)。
[0021]所述第一流體流動通道可以包括陽極流體流動通道，所述第二流體流動通道可以包括陰極流體流動通道，所述第一面部可以是陽極面部，所述第二面部可以是陰極面部，所述第一流體槽道可以是陽極槽道，并且所述第二流體槽道可以是陰極槽道。所述第三流體流動通道可以包括冷卻劑流體流動通道，并且所述第三流體槽道可以是冷卻劑槽道。
[0022]所述第一流體流動通道可以包括陰極流體流動通道，所述第二流體流動通道可以包括冷卻劑流體流動通道；所述第一流體槽道可以是陰極槽道，并且所述第二流體槽道可以是冷卻劑槽道。
[0023]所述第一流體流場的邊緣和所述第二流體流場的邊緣可以疊加。所述第三流體流場的邊緣和所述第一流體流場的邊緣可以疊加。所述第一流體連通邊緣可以形成延伸穿過所述通道平面的第一流體通口的部分，并且所述第二流體連通邊緣可以形成延伸穿過所述通道平面的第二流體通口的部分。所述第三流體連通邊緣可以形成延伸穿過所述通道平面的第三流體通口的部分。所述第一流體連通邊緣、第二流體連通邊緣和第三流體連通邊緣中的至少一個可以包括所述板的外部邊緣，并且所述第一流體連通邊緣、第二流體連通邊緣和第三流體連通邊緣中的至少另一個可以包括所述板的內(nèi)部邊緣。所述第一流體連通邊緣、第二流體連通邊緣和第三流體連通邊緣中的至少一個可以包括堞形結(jié)構(gòu)。所述第一流體槽道、所述第二流體槽道和所述第三流體槽道中的至少兩個可以至少部分地互相重疊。所述第一流體流動通道、所述第二流體流動通道和所述第三流體流動通道可以通過互相接合的第一波紋板和第二波紋板來界定。
[0024]本發(fā)明的方面和實(shí)施方案通過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:
[0025]圖1是雙極板的透視圖，所述雙極板被分離來展示內(nèi)部冷卻劑歧管和流體流動通道以及外部陰極歧管和流體流動通道；
[0026]圖2是圖1的雙極板的反向面部的透視圖，其展示陽極歧管和流體流動通道；
[0027]圖3是圖1的雙極板的冷卻劑和陰極歧管和流動通道的放大視圖；
[0028]圖4是圖2的雙極板的陽極歧管和流體流動通道的放大視圖；
[0029]圖5是組成雙極板的波紋板中的一個板中的冷卻劑通口歧管的詳細(xì)視圖；
[0030]圖6是圖5的詳細(xì)視圖中的下伏波紋板的詳細(xì)視圖；
[0031]圖7是橫切于雙極板的流體流場區(qū)域的截面圖，其展示組成陽極流體、陰極流體和冷卻劑流體流動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；
[0032]圖8是連接至一系列陰極流體流動通道的陰極通口和歧管的截面圖；
[0033]圖9是連接至一系列陽極流體流動通道的陽極歧管的截面圖；
[0034]圖10是穿過陰極通口和陰極歧管的截面圖；
[0035]圖1la是雙極板的陽極側(cè)的透視圖；
[0036]圖1lb是圖1la的雙極板的陰極側(cè)的透視圖；
[0037]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；
[0038]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；
[0039]圖13是穿過雙極板波紋區(qū)域和陽極歧管區(qū)域的截面圖；
[0040]圖14是雙極板內(nèi)的陽極流體、陰極流體和冷卻劑流體體積的圖解；
[0041]圖15是圖14的流體體積的截面圖；
[0042]圖16是包括五個膜電極組件和六個雙極板的堆棧的截面圖；
[0043]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；
[0044]圖18是圖17中雙極板的陽極面部的局部透視圖；
[0045]圖19是處于圖17和圖18的雙極板的陽極面部的反面上的冷卻劑歧管的局部透視圖；以及
[0046]圖20是圖17至圖19的雙極板的多板組件的透視圖。
[0047]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極流體流場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