用于燃料电池的流场板制造技术

本发明专利技术公开了一种流场板(100；200)、一种包括流场板的双极板或双极板组件，以及一种包括这种流场板和/或双极板或这种双极板组件的燃料电池或燃料电池堆。流场板用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，该流场板(100；200)具有面对电极的前侧、背侧和用于将冷却流体供应至流场板(100；200)的至少冷却流体歧管(102；202)，其中背侧包括用于在流场板(100；200)上大体均匀地分布冷却流体的冷却流体流场(110；210)，流场板(100；200)还包括适于将冷却流体从冷却流体歧管(102；202)提供至冷却流体流场(210；110)的冷却流体子歧管(112；212)，其中，冷却流体子歧管(112；212)与冷却流体流场(110；210)流体地断开。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池的流场板
本专利技术涉及一种流场板(该流场板尤其是用于燃料电池或燃料电池堆的双极板)、一种用于燃料电池的双极板组件和一种包括这种流场板和/或这种双极板或双极板组件的燃料电池或燃料电池堆。
技术介绍
通常，燃料电池布置在燃料电池堆中，通过在将堆叠的电池保持在一起的两个端组件单元之间堆叠多个重复的单元燃料电池建立燃料电池堆。在燃料电池堆中，存在在燃料电池堆上分布各种流体(反应物、冷却流体)的特征。这些特征被称作歧管和流场。引导新鲜反应物和新鲜冷却流体的特征被称入口歧管，而去除未使用的反应物和产物以及离开的冷却流体的特征被称作出口歧管。针对在燃料电池中的活性区域上分布各种流体，使用通常包括通道状结构的流场。燃料电池的活性区域定义为发生反应的区域。燃料电池堆还包括用于将氧化剂(优选地，空气)供应至燃料电池阴极的氧化剂入口、用于将燃料(优选地，含氢流体)供应至燃料电池阳极的燃料入口以及用于将冷却流体供应至冷却流体通道的冷却流体入口。燃料电池堆在特定温度间隔内正常操作以最大化效率和/或耐用性。重复的燃料电池单元通常包括两个子组件，即5-层隔膜电极组件(5-层MEA)和双极板组件。5-层MEA包括隔膜，该隔膜具有被布置在隔膜的两个主表面上的两个电极即阳极侧上的多孔阳极电极；和阴极侧上的多孔阴极电极。在每个电极即阳极和阴极上，应用优选地由多孔的和导电的材料制成的气体扩散层，以将电流和热传导至电极和从电极传导电流和热以及将反应物供应至电极和从电极去除产物。除5-层MEA和双极板组件以外，还存在其它特征，例如适于密封5-层MEA和双极板组件的至少密封层。双极板组件包括至少一个流场板，在该至少一个流场板上形成通道状结构，该通道状结构生成流动路径，该流动路径用于将反应物从入口歧管引导至燃料电池的活性区域和将未使用的反应物和产物从活性区域引导至出口歧管。双极板组件还包括用于将冷却流体供应和分布至燃料电池的冷却流体入口歧管和冷却流体流场。加热的冷却流体随后通过冷却流体出口歧管去除。为了以有效方式分布冷却流体，从现有技术的状态，例如从PCT申请WO2010/054744，已知的是使用流场板，该流场板布置成彼此相邻并且适于在它们之间形成用于分布冷却流体的空间和形成双极板组件。在每个流场板的两侧上布置流场结构，当两个流体流动板布置成彼此接触时或者当流场板布置成与相应的5-层隔膜电极组件的气体扩散层接触时，该流场结构适于形成流体通道。两个流场板之间的通道用于将冷却流体分布至燃料电池堆，以控制燃料电池的温度，其中面对电极的侧上的通道用于分布反应物。另外，文档WO2010/054744公开了冷却流体通道布置为反应物通道的负结构，并且也已经存在于反应物入口歧管处。因此，声称，反应物已经在它们的入口歧管处被冷却流体影响，这使得能够更好地冷却反应物。不利的是，通过冷却通道的简单延长提供的冷却不足以在如下情况下控制温度，即其中阳极气体和阴极气体比特定温度范围明显冷或热。该温度的偏离如果未被额外部件小心控制，则可成为燃料电池堆的问题。此外，冷却不足可导致燃料电池中热斑的产生，这继而可导致燃料电池堆的操作故障。结果，即使在WO2010/054744的建议设计下，额外的热交换器对于控制反应物的温度是必要的。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种针对燃料电池的有效温度控制，该有效温度控制允许省略额外的热交换器。借助于提供根据权利要求1的流场板、根据权利要求13的双极板组件、根据权利要求15的双极板组件和根据权利要求20的燃料电池或燃料电池堆来解决这个目的。本专利技术基于以下想法，即提供一种流场板，该流场板用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，该流场板具有面对电极的前侧和背侧，其中流场板至少包括：冷却流体歧管，该冷却流体歧管用于将冷却流体供应至流场板；和在流场板背侧上的冷却流体流场，该冷却流体流场用于在流场板的背侧上大体均匀地分布冷却流体，其中，流场板还包括冷却流体子歧管，该冷却流体子歧管适于将冷却流体从冷却流体歧管提供至冷却流体流场。专利技术性的是，冷却流体子歧管与其自己的流场板的冷却流体流场流体地断开。这意味着被供应至流场板的冷却流体子歧管的冷却流体不将冷却流体供应至其自己的流体流场，而是供应至另一流场板的流体流场，该另一流场板适于布置成与所述流场板相邻。这种设计允许增大尺寸和容积的冷却流体子歧管来替代有限容积的已知通道结构，使得可提供有效的冷却。其中，子歧管的容积被所述子歧管的长度、宽度和深度限定，优选地子歧管被设计为流场板中的连续的空间或凹部。优选地，流场板还包括在其电极前侧上的反应物流体流场，该反应物流体流场优选地设计为冷却流体流场的负结构。将流体流场形成为负结构允许减小流场板的厚度，这继而导致期望的尺寸减小的燃料电池堆。有利的是，流场板至少还可包括：第一反应物流体歧管，该第一反应物流体歧管流体地连接至流场板的面对电极的表面上的反应物流体流场；和第二反应物流体歧管，该第二反应物流体歧管从反应物流体流场流体地断开。当将流场板布置成彼此相邻时，反应物歧管的这种布置允许第一反应物在自己的流体流动板上分布和第二反应物在相邻布置的流体流动板上分布。考虑到反应物歧管的这种布置，清楚的是，使得在反应物进入实际的反应物流场并且由此进入燃料电池的活性区域之前，冷却流体子歧管的冷却流体实际上能够冷却相邻布置的流场板的反应物流体。不用说，也可能的是，加热反应物流体，前提是冷却流体的温度高于反应物流体的温度。换句话说，如果流场板用作阳极板，则阳极流场板的冷却流体子歧管适于冷却被供应至阴极流场板的氧化剂，优选地空气。反之亦然，阴极板的冷却流体子歧管适于冷却被供应至阳极流场板的燃料，即含氢气体。如上所述，优选地，冷却流体子歧管提供容积，该容积可填充有足够的冷却流体，该冷却流体用于提供期望的热交换能力，该热交换能力甚至在如下情况下对于控制燃料电池的温度是必要的，即其中反应物的温度在燃料电池的操作温度范围以外。下面，这种情况被描述为温度临界情况。根据另一优选实施例，冷却流体子歧管布置在第二反应物歧管与冷却流体流场之间。结果，冷却流体子歧管适于提供反应物的增强的和足够的冷却/加热。根据另一优选实施例，冷却流体子歧管的长度至少大体在第二反应物子歧管的宽度上延伸。因此，完整的反应物子歧管可受到冷却流体的温度影响。还优选的是，冷却流体子歧管的横截面的尺寸沿着冷却流体子歧管的冷却流体流动方向减小。通过这种设计，确保了冷却流体均匀地分布至冷却流体流场中的每个结构。优选地，横截面减小约10％至90％，优选地20％至80％，且最优选地50％至75％。结果，冷却流体子歧管的优选形状是渐缩的形状，例如冷却流体子歧管是楔形形状或飞镖形状。在该连接中的飞镖形状意指成角度的楔形形状。根据冷却流体子歧管的该专利技术设计，可最小化各个流体分布结构(例如通道状结构或通道)之间的流速分布。优选地，流速在流场板上的改变不超过约25％，优选地大约小于20％。如上所述，优选地使冷却流体子歧管的容积即长度、宽度和深度适应以便提供对于由第二反应物歧管供应的反应物(即流动通过相应的另一流场板的流场结构的反应物)的期望的热交换能力，该期望的热交换能力优选地允许直至200℃的温度中的升高/降低，优选地在约20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流场板(100；200)，用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，所述流场板(100；200)具有面对电极的前侧、背侧和用于将冷却流体供应至所述流场板(100；200)的至少冷却流体歧管(102；202)，其中所述背侧包括冷却流体流场(110；210)，用于在所述流场板(100；200)上大体均匀地分布所述冷却流体，所述流场板(100；200)进一步包括冷却流体子歧管(112；212)，所述冷却流体子歧管(112；212)适于将冷却流体从所述冷却流体歧管(102；202)分布至冷却流体流场(210；110)，其特征在于，所述冷却流体子歧管(112；212)与所述流场板(100；200)的冷却流体流场(110；210)流体地断开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种流场板(100；200)，用于燃料电池或燃料电池堆的双极板或双极板组件，所述流场板(100；200)具有面对电极的前侧、背侧和用于将冷却流体供应至所述流场板(100；200)的至少冷却流体歧管(102；202)，其中所述背侧包括冷却流体流场(110；210)，用于在所述流场板(100；200)上大体均匀地分布所述冷却流体，所述流场板(100；200)进一步包括冷却流体子歧管(112；212)，所述冷却流体子歧管(112；212)适于将冷却流体从所述冷却流体歧管(102；202)分布至冷却流体流场(210；110)，其特征在于，所述冷却流体子歧管(112；212)与所述流场板(100；200)的冷却流体流场(110；210)流体地断开。2.根据权利要求1所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)在它的面对电极的前侧上包括反应物流体流场(118)，所述反应物流体流场(118)设计为所述冷却流体流场(110；210)的负结构。3.根据权利要求1或2所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)进一步至少包括：第一反应物流体歧管(104；204；106；206)，所述第一反应物流体歧管(104；204；106；206)流体地连接至所述反应物流体流场(118)；和第二反应物流体歧管(104；204；106；206)，所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)与所述流场板(100；200)的面对电极的表面上的所述反应物流体流场(118)流体地断开。4.根据权利要求3所述的流场板(100；200)，其中，所述流场板(100；200)在它的背侧上包括第一反应物子歧管(114；214)，所述第一反应物子歧管(114；214)流体连接至所述第一反应物歧管(104；206)且连接至在所述流场板(100；200)的面对电极的表面上的所述反应物流体流场(118)，并且/或者其中，所述流场板(100；200)在它的背侧上包括第二反应物子歧管(115；215)，所述第二反应物子歧管(115；215)被流体地连接至所述第二反应物流体歧管(204；106)。5.根据权利要求4所述的流场板(100；200)，其中，所述第一反应物子歧管(114；214)借助于所述流场板(100；200)中的隧道状开口(116)流体连接至所述第一反应物歧管(104；206)且连接至在所述流场板(100；200)的面对电极的表面上的所述反应物流体流场(118)。6.根据权利要求3所述的流场板(100；200)，其中，所述第一反应物流体歧管(104；204；106；206)以及所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)呈现大体轴向对称的尺寸和/或大体轴向对称的形状，并且/或者其中，所述流场板(100；200)呈现大体旋转对称。7.根据权利要求4所述的流场板(100；200)，其中，所述第一反应物子歧管(114；214)和所述第二反应物子歧管(114；214)呈现大体轴向对称的尺寸和/或大体轴向对称的形状，并且/或者其中，所述流场板(100；200)呈现关于质量中心大体旋转对称。8.根据权利要求3所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)布置在所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)与所述冷却流体流场(110；210)之间的区域(113、213)中。9.根据权利要求8所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的长度大体至少在所述第二反应物流体子歧管(114；214)的长度上延伸。10.根据权利要求1所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面沿着所述冷却流体子歧管(112；212)中的冷却流体流动方向减小。11.根据权利要求10所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面减小10％至90％。12.根据权利要求10所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面减小20％至80％。13.根据权利要求10所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的横截面减小50％至75％。14.根据权利要求1所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)具有渐缩的形状。15.根据权利要求14所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)是楔形形状或飞镖形状。16.根据权利要求3所述的流场板(100；200)，其中，所述冷却流体子歧管(112；212)的长度、宽度和深度被设计为提供所述冷却流体子歧管和/或所述冷却流体流场中的预定的冷却流体流动速率，并且/或者提供在所述冷却流体和由所述第二反应物流体歧管(104；204；106；206)供应的反应物之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯·博登，托马斯·廷格洛夫，阿克塞尔·鲍曼奥夫斯塔德，亚里·伊霍宁，安德斯·滕斯塔姆，
申请(专利权)人：瑞典电池公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE