用于燃料電池的流場板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流場板(該流場板尤其是用于燃料電池或燃料電池堆的雙極板)、一種用于燃料電池的雙極板組件和一種包括這種流場板和/或這種雙極板或雙極板組件的燃料電池或燃料電池堆。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，燃料電池布置在燃料電池堆中，通過在將堆疊的電池保持在一起的兩個端組件單元之間堆疊多個重復(fù)的單元燃料電池建立燃料電池堆。在燃料電池堆中，存在在燃料電池堆上分布各種流體(反應(yīng)物、冷卻流體)的特征。這些特征被稱作歧管和流場。引導(dǎo)新鮮反應(yīng)物和新鮮冷卻流體的特征被稱入口歧管，而去除未使用的反應(yīng)物和產(chǎn)物以及離開的冷卻流體的特征被稱作出口歧管。針對在燃料電池中的活性區(qū)域上分布各種流體，使用通常包括通道狀結(jié)構(gòu)的流場。燃料電池的活性區(qū)域定義為發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域。
[0003]燃料電池堆還包括用于將氧化劑(優(yōu)選地，空氣)供應(yīng)至燃料電池陰極的氧化劑入口、用于將燃料(優(yōu)選地，含氫流體)供應(yīng)至燃料電池陽極的燃料入口以及用于將冷卻流體供應(yīng)至冷卻流體通道的冷卻流體入口。燃料電池堆在特定溫度間隔內(nèi)正常操作以最大化效率和/或耐用性。
[0004]重復(fù)的燃料電池單元通常包括兩個子組件，即5-層隔膜電極組件(5-層MEA)和雙極板組件。5-層MEA包括隔膜，該隔膜具有被布置在隔膜的兩個主表面上的兩個電極即陽極側(cè)上的多孔陽極電極；和陰極側(cè)上的多孔陰極電極。在每個電極即陽極和陰極上，應(yīng)用優(yōu)選地由多孔的和導(dǎo)電的材料制成的氣體擴(kuò)散層，以將電流和熱傳導(dǎo)至電極和從電極傳導(dǎo)電流和熱以及將反應(yīng)物供應(yīng)至電極和從電極去除產(chǎn)物。除5-層MEA和雙極板組件以外，還存在其它特征，例如適于密封5-層MEA和雙極板組件的至少密封層。
[0005]雙極板組件包括至少一個流場板，在該至少一個流場板上形成通道狀結(jié)構(gòu)，該通道狀結(jié)構(gòu)生成流動路徑，該流動路徑用于將反應(yīng)物從入口歧管引導(dǎo)至燃料電池的活性區(qū)域和將未使用的反應(yīng)物和產(chǎn)物從活性區(qū)域引導(dǎo)至出口歧管。雙極板組件還包括用于將冷卻流體供應(yīng)和分布至燃料電池的冷卻流體入口歧管和冷卻流體流場。加熱的冷卻流體隨后通過冷卻流體出口歧管去除。
[0006]為了以有效方式分布冷卻流體，從現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)，例如從PCT申請WO2010/054744，已知的是使用流場板，該流場板布置成彼此相鄰并且適于在它們之間形成用于分布冷卻流體的空間和形成雙極板組件。在每個流場板的兩側(cè)上布置流場結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個流體流動板布置成彼此接觸時或者當(dāng)流場板布置成與相應(yīng)的5-層隔膜電極組件的氣體擴(kuò)散層接觸時，該流場結(jié)構(gòu)適于形成流體通道。兩個流場板之間的通道用于將冷卻流體分布至燃料電池堆，以控制燃料電池的溫度，其中面對電極的側(cè)上的通道用于分布反應(yīng)物。
[0007]另外，文檔WO 2010/054744公開了冷卻流體通道布置為反應(yīng)物通道的負(fù)結(jié)構(gòu)，并且也已經(jīng)存在于反應(yīng)物入口歧管處。因此，聲稱，反應(yīng)物已經(jīng)在它們的入口歧管處被冷卻流體影響，這使得能夠更好地冷卻反應(yīng)物。
[0008]不利的是，通過冷卻通道的簡單延長提供的冷卻不足以在如下情況下控制溫度，即其中陽極氣體和陰極氣體比特定溫度范圍明顯冷或熱。該溫度的偏離如果未被額外部件小心控制，則可成為燃料電池堆的問題。
[0009]此外，冷卻不足可導(dǎo)致燃料電池中熱斑的產(chǎn)生，這繼而可導(dǎo)致燃料電池堆的操作故障。
[0010]結(jié)果，即使在WO 2010/054744的建議設(shè)計下，額外的熱交換器對于控制反應(yīng)物的溫度是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明的目的是提供一種針對燃料電池的有效溫度控制，該有效溫度控制允許省略額外的熱交換器。
[0012]借助于提供根據(jù)權(quán)利要求1的流場板、根據(jù)權(quán)利要求13的雙極板組件、根據(jù)權(quán)利要求15的雙極板組件和根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池或燃料電池堆來解決這個目的。
[0013]本發(fā)明基于以下想法，即提供一種流場板，該流場板用于燃料電池或燃料電池堆的雙極板或雙極板組件，該流場板具有面對電極的前側(cè)和背側(cè)，其中流場板至少包括:冷卻流體歧管，該冷卻流體歧管用于將冷卻流體供應(yīng)至流場板；和在流場板背側(cè)上的冷卻流體流場，該冷卻流體流場用于在流場板的背側(cè)上大體均勻地分布冷卻流體，其中，流場板還包括冷卻流體子歧管，該冷卻流體子歧管適于將冷卻流體從冷卻流體歧管提供至冷卻流體流場。發(fā)明性的是，冷卻流體子歧管與其自己的流場板的冷卻流體流場流體地斷開。
[0014]這意味著被供應(yīng)至流場板的冷卻流體子歧管的冷卻流體不將冷卻流體供應(yīng)至其自己的流體流場，而是供應(yīng)至另一流場板的流體流場，該另一流場板適于布置成與所述流場板相鄰。這種設(shè)計允許增大尺寸和容積的冷卻流體子歧管來替代有限容積的已知通道結(jié)構(gòu)，使得可提供有效的冷卻。
[0015]優(yōu)選地，流場板還包括在其電極前側(cè)上的反應(yīng)物流體流場，該反應(yīng)物流體流場優(yōu)選地設(shè)計為冷卻流體流場的負(fù)結(jié)構(gòu)。將流體流場形成為負(fù)結(jié)構(gòu)允許減小流場板的厚度，這繼而導(dǎo)致期望的尺寸減小的燃料電池堆。
[0016]有利的是，流場板至少還可包括:第一反應(yīng)物流體歧管，該第一反應(yīng)物流體歧管流體地連接至流場板的面對電極的表面上的反應(yīng)物流體流場；和第二反應(yīng)物流體歧管，該第二反應(yīng)物流體歧管從反應(yīng)物流體流場流體地斷開。當(dāng)將流場板布置成彼此相鄰時，反應(yīng)物歧管的這種布置允許第一反應(yīng)物在自己的流體流動板上分布和第二反應(yīng)物在相鄰布置的流體流動板上分布。
[0017]考慮到反應(yīng)物歧管的這種布置，清楚的是，使得冷卻流體子歧管實際上能夠冷卻相鄰布置的流場板的反應(yīng)物流體。不用說，也可能的是，加熱反應(yīng)物流體，前提是冷卻流體的溫度高于反應(yīng)物流體的溫度。換句話說，如果流場板用作陽極板，則陽極流場板的冷卻流體子歧管適于冷卻被供應(yīng)至陰極流場板的氧化劑，優(yōu)選地空氣。反之亦然，陰極板的冷卻流體子歧管適于冷卻被供應(yīng)至陽極流場板的燃料，即含氫氣體。如上所述，優(yōu)選地，冷卻流體子歧管提供容積，該容積可填充有足夠的冷卻流體，該冷卻流體用于提供期望的熱交換能力，該熱交換能力甚至在如下情況下對于控制燃料電池的溫度是必要的，即其中反應(yīng)物的溫度在燃料電池的操作溫度范圍以外。下面，這種情況被描述為溫度臨界情況。
[0018]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，冷卻流體子歧管布置在第二反應(yīng)物歧管與冷卻流體流場之間。結(jié)果，冷卻流體子歧管適于提供反應(yīng)物的增強(qiáng)的和足夠的冷卻/加熱。
[0019]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，冷卻流體子歧管的長度至少大體在第二反應(yīng)物子歧管的寬度上延伸。因此，完整的反應(yīng)物子歧管可受到冷卻流體的溫度影響。
[0020]還優(yōu)選的是，冷卻流體子歧管的橫截面的尺寸沿著冷卻流體子歧管的冷卻流體流動方向減小。通過這種設(shè)計，確保了冷卻流體均勻地分布至冷卻流體流場中的每個結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，橫截面減小約10 %至90 %，優(yōu)選地20 %至80 %，且最優(yōu)選地50 %至75 %。
[0021]結(jié)果，冷卻流體子歧管的優(yōu)選形狀是漸縮的形狀，例如冷卻流體子歧管是楔形形狀或飛鏢形狀。在該連接中的飛鏢形狀意指成角度的楔形形狀。根據(jù)冷卻流體子歧管的該發(fā)明設(shè)計，可最小化各個流體分布結(jié)構(gòu)(例如通道狀結(jié)構(gòu)或通道)之間的流速分布。優(yōu)選地，流速在流場板上的改變不超過約25 %，優(yōu)選地大約小于20 %。
[0022]如上所述，優(yōu)選地使冷卻流體子歧管的容積適應(yīng)以便提供對于由第二反應(yīng)物歧管供應(yīng)的反應(yīng)物(即流動通過相應(yīng)的另一流場板的流場結(jié)構(gòu)的反應(yīng)物)的期望的熱交換能力，該期望的熱交換能力優(yōu)選地允許直至200°C的溫度中的升高/降低，優(yōu)選地在約20°C至120°C的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地為大約40°C，前提是流體中無相變。
[0023]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，冷卻流體子歧管還包括至少一個引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該至少一個引導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于在冷卻流體子歧管中引導(dǎo)冷卻流體。引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可為細(xì)長塊，該細(xì)長塊適于在冷卻流體子歧管的整個長度上引導(dǎo)冷卻流體和將大約相同量的冷卻流體引導(dǎo)至每個通道狀流場結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)結(jié)構(gòu)還可用作支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)用于將兩個相鄰的板保持為與彼此相距大約相同的距離。
[0024]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，流場板還包括在其背側(cè)上的第一反應(yīng)物子歧管，該第一反應(yīng)物子歧管優(yōu)選地借助于流場板中的隧道狀開口而流體地連接至第一反應(yīng)物歧管以及連接至流場板的前側(cè)上的反應(yīng)物流體流場。這種布置允許反應(yīng)物在流場板上的均勻分布。
[0025]有利的是，第一反應(yīng)物流體歧管和/或第一反應(yīng)物子歧管，以及第二反應(yīng)物流體歧管和/或第二反應(yīng)物子歧管呈現(xiàn)大體軸向?qū)ΨQ的尺寸和/或大體軸向?qū)ΨQ的形狀。而且，流場板可呈現(xiàn)優(yōu)選地關(guān)于其質(zhì)量中心的大體旋轉(zhuǎn)對稱。
[0026]由于燃料流通常小于氧化劑流，因此可以有利的是，設(shè)計具有非對稱形狀的流場板，其中燃料歧管小于氧化劑歧管。而且，燃料流場也可與氧化劑流場設(shè)計為不同，這導(dǎo)致對于用作陽極板的流場板和用作陰極板的流場板的設(shè)計不同。例如，陽極板的燃料流場可具有較少的通道狀結(jié)構(gòu)和/或燃料通道狀結(jié)構(gòu)可具有減小的橫截面。有利的是，使燃料流場板適應(yīng)于減小的燃料流允許較小的流場板，這繼而減小了燃料電池堆的總體尺寸。另外，燃料流場中的通道狀結(jié)構(gòu)的較小的橫截面和/或