燃料电池叠所用的冷却剂流场设计制造技术

提供了一种双极板组件，用于一燃料电池叠中，以便向叠内的燃料电池的阳极和阴极侧供应反应物。这种双极板组件包括第一和第二底板，它们各包括一具有形成于其中的冷却剂流场的第一工作面和一具有形成于其中的反应物流场的第二工作面。第一和第二底板的冷却剂场包括具有不同流量的区域，它们其间具有各自的流阻。这些具有不同流量的区域使得能够在燃料电池叠上具有不同的冷却作用，从而使得能够在整个燃料电池叠上获得一恒定的温度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池叠所用的冷却剂流场设计
本专利技术总体涉及PEM燃料电池，并且尤其涉及用于在燃料电池叠中分离相邻燃料电池的双极板。
技术介绍
燃料电池已经在许多应用场合中用作能源。例如，燃料电池已经被提议用于电动车辆动力装置中来代替内燃机。在质子交换薄膜(PEM)型燃料电池中，氢被供向燃料电池的阳极而氧作为氧化剂被供向阴极。PEM燃料电池包括一薄膜电极组件(MEA)，其包括一薄的、可传送质子的、不导电的固态聚合物电解质薄膜，该薄膜在一面上具有阳极催化剂而在相对另一面上具有阴极催化剂。MEA夹在一对无孔、导电元件或板之间，该元件或板(1)将电子从一燃料电池的阳极传递至一燃料电池叠的相邻电池的阴极，(2)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于将燃料电池的气体反应物分配于相应阳极和阴极催化剂的整个表面上；以及(3)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于将适当的冷却剂分配于整个燃料电池叠上以便保持温度。术语“燃料电池”通常用来指单个电池或者多个电池(叠)，根据上下文而定。多个单独的电池通常被包在一起以便形成一燃料电池叠并且通常按照串联方式设置。叠内的每个电池包括前文所述的薄膜电极组件(MEA)，并且每个这种MEA提供了其电压增量。叠内的一组相邻电池被称作一簇。举例来说，一叠中的多个电池的一些典型设置方式在美国专利No.5,663,113中进行了示出和描述。在PEM燃料电池中，氢(H2)为阳极反应物(即燃料)而氧为阴极反应物(即氧化剂)。氧可为纯氧(O2)或空气(O2和N2的混合物)。夹着MEA的导电板可在其面中包含一凹槽阵列，它们限定了一用于将燃料电池的气体反应物(即氢和呈空气形式的氧)分配于相应阴极和阳极的表面上的反应物流场。这些反应物流场基本上包括多个在其间限定了多个流通道的平台，气体反应物通过这些流通道从位于-->流通道一端处的供应集管流向位于流通道相对另一端处的排出集管。在一燃料电池叠中，多个电池串联叠放在一起，而同时由一可透气导电双极板分离。在一些情况中，双极板为一通过固定一对具有形成于其外部工作面上的反应物流场的薄金属板而形成的组件。通常，一内部冷却剂流场提供于双极板组件的金属板之间。已知的还有将一隔板置于金属板之间以便优化热传递特征从而改善燃料电池冷却作用。用于PEM燃料电池中的这种类型的双极板组件的不同实例在共有的美国专利No.5,766,624中进行了示出和描述。通常，与一燃料电池叠相关联的冷却系统包括一循环泵，用于将液体冷却剂通过燃料电池叠循环至一热交换器，在热交换器处将废热能(即，热)传递至环境。典型液体冷却剂的热属性要求较大容量循环通过系统以便充分排出废能，从而将叠的温度保持于一可接受的范围内，特别是保持于最大动力条件之下。为此目的，需要在每个燃料电池的整个长度上保持一恒定的工作温度，以便提高燃料电池叠的工作效率及其部件的耐用性。然而，大多数双极板(以及单极端板)具有一构置成在整个板组件上提供一致冷却剂流动速率的冷却剂流场，因此过冷了燃料电池的某些区域而在其它区域中冷却不够。优选地，由于辐射和对流热传递在叠的周围发生，因此在燃料电池有效面积的中央部分中需要更多的冷却。因此，在工业中就需要提供一种用于在整个燃料电池叠上提供均匀的总体冷却作用的机构。按照这种方式，燃料叠就能够获得一恒定均一的工作温度，从而提高燃料叠的效率和耐用性。
技术实现思路
相应地，本专利技术提供了一种用于提供冷却剂通过PEM燃料电池的通道的板组件。这种板组件包括一板，其具有限定了一反应物流场的第一侧和一限定了一冷却剂流场的第二侧。冷却剂流场被分成若干不同的流区域，包括与第一扩散区域保持流体连通的进入供应区域、与第二扩散区域保持流体连通的出口排出区域、一互连着第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的低阻区域、以及一互连着第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的高阻区域。流过低阻区域的冷却剂量与流过高阻区域的冷却剂量不同，从而在板组件上提供了冷却速率的差异。-->本专利技术使得能够在整个燃料电池叠上获得温度均匀性，从而使得能够优化整个有效面积上的反应，而根据定义，这就增大了燃料电池叠的效率。本专利技术还使得能够通过降低所需泵功率而减小控制燃料电池叠温度所需的能量数量，从而进一步增大总体系统效率并降低成本。通过阅读后文中提供的详细描述，将会清楚了解本专利技术的适用性的更多领域。应当理解，尽管详细描述和特定实例示出了本专利技术的优选实施例，但只用于示例说明，而非用于限制本专利技术的范围。附图说明本专利技术通过以下详细描述和附图将得到更为充分的理解，其中：图1为一PEM燃料叠的部件分解等距视图；图2为一与图1中所示的PEM燃料电池叠相关联的MEA和双极板组件的等距部件分解图；图3为图1中所示双极板组件的局部剖面图；图4为双极板组件所用的一种替代构造的剖面图，其具有一置于导电板之间的隔板；以及图5为一与双极板组件相关联的导电板元件的俯视图，并且示出了其冷却剂流场构型；图6A和6B为沿图5的圆A和B所取的放大局部俯视图；图7和8为图4中所示板元件的局部等距视图；以及图9为本专利技术的燃料电池叠的一种优选应用的示意图。具体实施方式对优选实施例进行的以下描述事实上仅为示例性，并且决非打算用来限制本专利技术、其应用或者用途。在进一步描述本专利技术之前，了解一下本专利技术所涉及的一种示例性燃料电池系统非常有益。明确地说，图1示意性地描绘了一PEM燃料电池叠，其具有一对由一无孔、导电、液冷式双极板组件8互相分离的薄膜电极组件(MEA)4和6。每个MEA 4和6具有一相应的阴极面4a、6a和一阳极面4b和6b。MEA 4和6和双极板组件8在无孔、导电、液冷式单极端板组件14和16之间叠放在一起。钢夹板10和12用于封装示例性燃料电池叠。连接器(未示出)附连于夹板10和12上以便为燃料电池叠提供正负端子。双极板组件8和端板组件14-->和16包括相应的流场20、22、18和24，它们各具有多个形成于其面中、用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配至MEA4和6的反应面的流通道。不导电衬垫或密封件26、28、30和32在燃料电池叠的若干板之间提供了密封和电绝缘。继续参看图1，所示的多孔、可透气、导电薄板34、36、38和40用于压在MEA4和6的电极面上并且用作电极的主集电器。主集电器34、36、38和40还为MEA4和6提供了机械支承，特别是在MEA否则就不会在流场中受到支承的位置处。适用的主集电器包括碳/石墨纸/织物、细筛孔贵金属滤网、开孔贵金属泡沫等等，它们从电极传导电流而同时容许气体从其流过。端板14和16压在MEA 4的阴极面4b上的主集电器34上和MEA6的阳极面6a上的主集电器40上，而双极板组件8压在MEA 4的阳极面4a上的主集电器36上和MEA 6的阴极面6b上的主集电器38上。一氧化剂气体，例如氧气或空气通过适当的供应管道42从一储罐46供向燃料电池叠的阴极侧。类似地，一燃料，例如氢气，通过适当的供应管道44从一储罐48供向燃料电池的阳极侧。在一优选实施例中，氧气罐46可以省掉，以便使得周围空气从环境供向阴极侧。同样，氢气罐48可以省掉并且氢气可从一由甲醇或液烃(例如汽油)催化地产生氢的重整装置供向阳极侧。尽管未示出，但还提供有MEA4和6的H2和O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提供冷却剂通过ＰＥＭ燃料电池的通道的板组件，包括：互连起来以便在其间限定一冷却剂流路的第一和第二板，所述第一板具有一带有形成于其中的冷却剂流场的第一表面，所述冷却剂流场包括：一第一扩散区域；一第二扩散区域；　 　一互连着所述第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的第一流量区域；以及一互连着所述第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的第二流量区域；其中流过所述第一流量区域的冷却剂量与流过所述第二流量区域的冷却剂量不同，以便在 所述第一板上提供冷却速率的差异。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-4-24 10/131,1281.一种用于提供冷却剂通过PEM燃料电池的通道的板组件，包括：互连起来以便在其间限定一冷却剂流路的第一和第二板，所述第一板具有一带有形成于其中的冷却剂流场的第一表面，所述冷却剂流场包括：一第一扩散区域；一第二扩散区域；一互连着所述第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的第一流量区域；以及一互连着所述第一和第二扩散区域以便在其间提供流体连通的第二流量区域；其中流过所述第一流量区域的冷却剂量与流过所述第二流量区域的冷却剂量不同，以便在所述第一板上提供冷却速率的差异。2.根据权利要求1所述的板组件，还包括一用于在一供应集管与所述第一扩散区域之间提供流体连通的入口区域。3.根据权利要求1所述的板组件，还包括一用于在一排出集管与所述第二扩散区域之间提供流体连通的排出区域。4.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第一扩散区域包括第一组流通道，该第一组流通道与第二组流通道相交。5.根据权利要求4所述的板组件，其中所述第一和第二组流通道互相垂直。6.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第二扩散区域包括第一组流通道，该第一组流通道与第二组流通道相交。7.根据权利要求6所述的板组件，其中所述第一和第二组流通道互相垂直。8.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第一流量区域是比所述第二流量区域具有更高流量的区域。9.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第一流量区域包括多个置于所述第一板中央的通道。10.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第二流量区域包括-->多个绕着所述第一板周围设置的通道。11.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第一流量区域的所述通道为直型。12.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第二流量区域的所述通道各包括至少一个成角度的过渡段。13.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第一板还包括一具有形成于其中的反应物流场的第二表面。14.根据权利要求1所述的板组件，其中所述第二板具有一带有形成于其中的第二流体流场的第一表面，所述第二板的所述第一表面置于邻近所述第一板的所述第一表面处，并且其中所述第二冷却剂流场包括：一第三扩散区域；一第四扩散区域；一互连着所述第三和第四扩散区域以便在其间提供流体连通的第三流量区域；以及一互连着所述第三和第四扩散区域以便在其间提供流体连通的第四流量区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：JH李，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]