用于燃料电池堆的板装置和包括板装置的燃料电池装置的制作方法

本发明涉及一种用于电化学燃料电池堆的板装置，其用于在电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体，本发明还涉及一种燃料电池装置，其针对每个电池包括至少一个板装置，用于与燃料电池装置的至少一个流体端口流体连通。根据本发明的板装置适用于燃料电池系统、尤其是用于运输应用的具有质子交换隔膜(pem-fc)的紧凑的燃料电池电源或任何其它类型的电化学装置，其所包括的电池堆容纳有通道或其它类型的用于传导电池内电化学反应用流体的流路。

背景技术：

1、运输应用需要紧凑的燃料电池电源。这暗示着该燃料电池堆内的用于供应所有工作流体至电池的端口、通道和流路的复杂结构的紧凑设计。为了经济的制造和组装，燃料电池堆设计力争将可堆叠的部件重复堆叠以形成构成燃料电池堆的所谓的单元电池。结果，用于工作流体的端口、通道和流路的紧凑结构需要被集成到可堆叠部件的设计中。几种紧凑的燃料电池堆设计在堆横截面内集成用于冷却剂、氢气和空气供应以及未用物或废气或废水或湿润气态流体排出的不同类型的通道和总管。

2、知道了在例如电池的对置两侧提供燃料电池堆的所谓的过渡区，用于自从穿过燃料电池堆的流体端口分流流体，并且在活性区的整个宽度范围分布流体。这样的过渡区提供与电池的流体连通界面。常见的堆设计由待堆叠在双极板之间的每个电池的膜电极组件构成，双极板在电池之间提供导电性，其中，该双极板具有比膜电极组件更长的尺寸以包围并保护后者。在常见的紧凑堆设计中，这样的过渡区设置在双极板或延伸超出膜电极组件的平面尺寸的附加专用流动板的外部段中。在此紧凑堆设计中，与电池连通的流体的供应和排出是以通过形成开设于相邻堆叠板或该堆的任何其它部件的表面中的敞通流动横截面而被集成在双极板或流动板中的内通道或流路的形式来提供的。

3、对于燃料电池的良好电化学效率而言至关紧要的是，过渡部段的流动设计的目标是获得在所述堆与电池之间界面中的优选均匀质量流分布，以借助扁平形横截面而在电池的整个宽度或长度范围内实现可能均匀的流体分布或膜电极组件的润湿。

4、在用于过渡区的已知的流动设计构想中，扁平形的流动横截面被填充立柱状板结构，用以在窄入口和宽出口之间分散和扩展流体流。但这种已知的流动设计可能需要大的板体积，即，立柱高度以及在平面尺寸中的占地面积，以获得期望的均匀流动分布水平。

5、在用于过渡区的另一已知的流动设计构想中，扁平形流动横截面被分为多个通道，其以花束的形式在窄入口和宽出口之间扩散或展开。但是，这种设计可能导致沿通道的高压降和在所有通道末端的流体流压力或体积和速度的不均匀分布。

6、综上，已知的流动设计构想面临针对电池活性区域的不均匀流动分布或者过渡区内的高压降的缺点，导致比理想情况更厚的板厚以允许更深的过渡区和更大的流动横截面。

7、理想地，流体如此扩散，即，有相同的流量进入电池侧的每个通道，并且该过渡区应该以就深度和长度而言尽量少的空间来达成这种流扩散。

8、因此，关于供应和回送流体流以获得更高的燃料电池效率的分布和汇集特性以及关于就用于燃料电池紧凑性的分布性能而言所需的空间，流动设计还有改进余地。

技术实现思路

1、本发明的目的是提高燃料电池电源的紧凑性和电化学效率。特别是，本发明的目的是通过可堆叠的板装置提供一种用于待加入的燃料电池堆内过渡区的流动设计概念，其所具有的流动性能和/或流动性能与所需空间的关系比燃料电池的相似常规流动设计出色。

2、该目的通过一种具有权利要求1的特征的板装置和一种具有这些特征的对应的电化学燃料电池装置来实现。本发明的其它的特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。

3、本发明提出一种用于具有堆叠电池的电化学燃料电池堆的板装置。板装置针对每个电池设置用于在电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体。板装置包括居中的电池部段、靠外的端口部段和布置在其间的过渡部段。中央的电池部段在电池的整个平面尺寸内包围多个通道。外端口部段包围在厚度方向上穿过板装置的流体端口的横截面开口。过渡部段在板装置的平面方向上形成扁平形流动横截面，其流体连通地位于流体端口与电池之间。此外，板装置具有布置在过渡部段中以分布或汇集待传送经过扁平形流动横截面的流体的板结构。板结构包括至少一个阻隔件(16)，其安置在流体流之内并具有相对于流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以局部节流该流体流。

4、因此，本发明第一次提供一种基于模块系统的用于燃料电池堆的过渡区的流动设计，该系统具有呈按照用于局部节流该流体流的阻隔件那样取向的长条形元件形式的板结构。这种有创造性的原理不同于常见的用于达到最低流阻和压降的流动设计做法。但是，局部节流有助于获得在活性电池材料的整个宽度范围和平面尺寸范围内的更一致的质量流分布。

5、作为第一优点，阻隔件板结构提供在区域且比例方面协调的局部流阻以影响沿流路在流体端口与电池之间待传输的流体的流动，反之亦然。

6、作为第二优点，局部流阻的借助阻隔件在过渡区整个区域内的相应设计允许在整个流动横截面中的根据过渡区几何形状限制的可具体控制的流动样式。

7、作为第三优点，局部流阻的借助阻隔件在过渡区整个区域内的相应设计允许具体优化关于在过渡区内待输送的相应流体的流动行为的流动设计。

8、特别是，根据本发明的节流阻隔件实现分压，引起总流阻或压降。但是，本发明基于如下见解，即，部分出现的压差允许区域平衡流阻，其适应于要通过导轨件独立引起的流的方向性。因此，节流阻隔件的定位和长条形尺寸能够沿各种各样可能平行或交叉的经过过渡区的流路或副流来设定相应调整的压降，允许在每个可能流路末端的流压力或速度的总体均匀分布结果。

9、换言之，节流阻隔件的优点是平衡所引发的副流体流的流动，代价是略微增大的压力损失，同时获得更有效紧凑的设计。

10、阻隔件的按区域的个别设计可能性允许针对每个过渡区和每种流体的优化流动设计，以导致各自流体在活性区域的电池入口的整个宽度内的均匀分布或汇集，或特别是流均匀分散至膜电极组件。

11、根据几个替代的有利实施例，该板结构包括两种或三种不同类型的在形状、功能和相互配置方面的组合。

12、在一个替代的有利实施例中，该板结构包括至少一个用于局部节流流体流的阻隔件，并且包括立柱件，它们排列成行地在过渡部段的整个扁平形流动横截面中形成以用于散布流体流。

13、在另一个替代的有利实施例中，该板结构包括至少一个阻隔件，并且包括若干导轨件，其所具有的纵向尺寸既定用于引导主流体流至流动方向彼此不同的副流体流的方式，其中，该至少一个阻隔件安置在副流体流内以节流该副流体流。

14、在一个优选的另一替代实施例中，该板结构包括该至少一个阻隔件、立柱件和导轨件，该立柱件排列成行地在整个扁平形流动横截面内形成以散布流体流，该导轨件所具有的纵向尺寸延伸经过成行排列的散布性立柱件以引导主流体流至具有不同的流动方向的副流体流，其中，多个所述至少一个阻隔件安置在副流体流之内，每个阻隔件具有相对于各自副流体流的流动方向倾斜的长条形横截面以节流所述副流体流。

15、三种不同类型的促流板结构的组合造成三种不同的流动影响效果。

16、作为优点，这些不同结构类型的区域配置(也包括尺寸和密度)允许进一步协调和优化与所需空间相关的流动影响。这又导致获得所需流动影响性能的更高空间密度，或换言之获得更紧凑高效的流动设计以允许更紧凑的功率密集燃料堆设计。

17、根据一个优选实施例，所述至少一个阻隔件之一安置在流动方向上沿流体端口与电池之间最短距离的副流之内，并且长条形横截面垂直于流动方向呈倾斜状，以阻碍进入该副流之内的直通流路区域。

18、根据优选实施例的另一方案，所述至少一个节流阻隔件中的另一个安置在流动方向上通过导轨件之一的引导而从流体端口与电池之间最短距离被偏转的副流之内，节流阻隔件的长条形横截面斜向于流动方向呈倾斜状和/或垂直于最短距离呈倾斜状，以阻碍进入该副流之内的偏转流路区域。

19、根据本发明的一个方案，分布排列的立柱件具有立柱件的有序定位图案，尤其是立柱件的等距定位和/或正方形定位。

20、根据本发明的另一方案，立柱件的横截面具有相等的长宽比，尤其是圆形、正方形和/或多边形的横截面。

21、根据本发明的一个实施例，节流阻隔件的长条形横截面具有至少2:1的长宽比。

22、根据本发明的一个替代实施例，节流阻隔件的长条形横截面的尺寸形成跨接排列中的至少两个相邻立柱件的阻隔件范围。

23、在一个有利实施例中，导轨件的纵向尺寸延伸经过的距离等于与分布排列的立柱件齐平和/或相对其倾斜的至少三个相邻立柱件。

24、根据优选实施例的另一方案，导轨件具有至少两个以一个角度结合的纵向尺寸，其中，尤其是至少一个纵向尺寸与分布排列的立柱件齐平延伸，至少一个纵向尺寸相对于分布排列的立柱件倾斜地沿对角线延伸。

25、根据本发明的一个方案，流体端口设计用于供应或回送在电池内反应的氧化剂气体或燃料气体。

26、根据本发明的一个替代方案，流体端口设计成供应或回送与电池热接触地循环的冷却剂。

27、在另一个有利实施例中，板装置的端口部段包围穿过板装置的用于氧化剂气体、燃料气体和冷却剂的流体端口的横截面开口，并且板装置的在厚度方向上的对置两侧之一形成一个流体连通地位于其中一个流体端口与电池之间的过渡部段。

28、在一个有利实施例中，该板装置包括关于电池部段布置在对置两侧的两个外端口部段和两个过渡部段；其中，两个端口部段之一包围用于供应冷却剂或氧化剂气体或燃料气体的反应剂流体的流体端口的横截面开口，并且另一端口部段包围用于回送冷却剂或各自类型的未用的离析流体和/或产物流体的流体端口的横截面开口；两个过渡部段之一按流体流通的方式处于电池与其中一个用于供应其中一种所述流体的流体端口之间，并且另一个过渡部段流体连通地处于电池与其中一个用以回送相同类型或各自类型的相同流体的流体端口之间，其中，关于在板装置的两个端口部段内的流体端口横截面的布置，供应和回送相同类型或各自类型的相同流体的每对流体端口布置成径向完全对置地位于电池部段两侧。

29、本发明也提供一种电化学燃料电池装置，其具有多个堆叠电池的堆叠布置并容纳有在堆布置的堆叠方向上穿过的用于燃料气体、氧化剂气体和/或冷却剂的流体端口，其中，该燃料电池装置在每个堆叠电池之间包括至少一个根据本发明的板装置，用于与至少其中一个流体端口流体连通地在各自电池的整个平面尺寸内分布和汇集流体。