用于燃料电池的流体流动板的制作方法
【专利说明】用于燃料电池的流体流动板
[0001]本发明涉及用于电化学燃料电池组件的流体流动板，并且详细而言，涉及允许多个流体流动通道供阳极流体、阴极流体和冷却剂流体中的两个或更多个通过的双极板或单极板的配置。
[0002]电化学燃料电池中双极板(与单极板相反)的使用允许燃料电池厚度减小且因此允许总尺寸减小，这归因于一个电池的阳极板与相邻电池的阴极板之间的共享电连接的使用。常规的双极板可以(例如)由单个金属薄片形成，其中在相反面部上具有机器加工的或压制的特征部，以便允许燃料和氧化剂通过。
[0003]在所谓的“开顶阴极”燃料电池组件中，阴极流体流动通道允许空气自由穿过燃料电池组件，所述空气作用在于将氧化剂提供给单独电池并提供冷却。此类布置的问题在于，燃料电池组件需要大量强制空气来实现这两个作用，因此阴极通道需要是较大的，以便容纳充分的空气流动。减小此类组件的尺寸可能较为困难，因为通过此类方式进行冷却的效率可能会由于使阴极通道变小而受到损害。
[0004]所谓的“闭合阴极”燃料电池组件的使用会通过替代地使用提供在双极板内的专用冷却剂通道来解决强制空气冷却的问题，而阴极通道作用主要在于提供氧化剂。此类冷却通道可以通过如下方式提供:将一对预加工的板配套在一起，以便提供在所述板之间穿行的通道。这个布置允许冷却剂流体(通常是水)在使用时穿过双极板，这与开顶阴极组件中的强制空气冷却相比而言大大地提高了冷却效率。
[0005]然而，此类闭合阴极组件的问题在于，由于需要额外的冷却剂通道，因此每个单独电池的复杂性会增加。这可能导致每个电池的总尺寸增加而不是减小。这也会导致制造每个电池的成本增加。
[0006]燃料电池组件中要解决的其它问题包括:确保均匀流场用于燃料、氧化剂和冷却剂线路中的流体分配；最小化入口歧管上的压降；最小化确保气密操作所需的密封压力；使双极板的构造与机械化组装过程相容，这是由于考虑到制造燃料电池组件时需要精密地组装大量单元；减小组成堆栈的燃料电池的节距，同时将操作维持在期望参数内；减少部件数量；减小总重量；减少材料使用和浪费；简化设计、制造和组装；以及，大体上减少燃料电池组件的总成本。
[0007]本发明的目标是解决一个或多个上面提到的问题。
[0008]根据一个方面，本发明提供一种用于电化学组件的流体流动板，所述流体流动板包括:
[0009]多个第一流体流动通道，其延伸穿过所述流动板的面部以便界定所述流体流动板的第一流体流场；
[0010]多个第二流体流动通道，其延伸穿过所述流动板的面部以便界定所述流体流动板的第二流体流场，所述多个第一流体流动通道和第二流体流动通道都占据共同通道平面；
[0011]第一流体输送点的阵列，其沿着所述第一流体流场的边缘安置，以用于连通流体进入或离开所述第一流体流动通道；
[0012]第二流体输送点的阵列，其沿着所述第二流体流场的边缘安置，以用于连通流体进入或离开所述第二流体流动通道；
[0013]第一流体槽道，其具有由第一流体输送点的所述阵列限定的第一周边边缘部分，并且具有形成所述流体流动板的第一流体连通边缘的第二周边边缘部分，
[0014]第二流体槽道，其具有由第二流体输送点的所述阵列限定的第一周边边缘部分，并且具有形成所述流体流动板的第二流体连通边缘的第二周边边缘部分，
[0015]其中所述第一流体槽道占据第一槽道平面，并且所述第二流体槽道占据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内。
[0016]所述流体流动板还可以包括:
[0017]多个第三流体流动通道，其在所述第一面部与所述第二面部之间延伸穿过所述流体流动板以便界定所述流体流动板的第三流场，所述第三流体流动通道占据所述共同通道平面；
[0018]第三流体输送点的阵列，其沿着所述第三流体流场的边缘安置，以用于连通流体进入或离开所述第三流体流动通道；
[0019]第三流体槽道，其具有由第三流体输送点的所述阵列限定的第一周边边缘部分，并且具有形成所述流体流动板的第三流体连通边缘的第二周边边缘部分，
[0020]其中所述第三流体槽道占据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内。
[0021]所述第一流体流动通道可以包括阳极流体流动通道，所述第二流体流动通道可以包括阴极流体流动通道，所述第一面部可以是阳极面部，所述第二面部可以是阴极面部，所述第一流体槽道可以是阳极槽道，并且所述第二流体槽道可以是阴极槽道。所述第三流体流动通道可以包括冷却剂流体流动通道，并且所述第三流体槽道可以是冷却剂槽道。
[0022]所述第一流体流动通道可以包括阴极流体流动通道，所述第二流体流动通道可以包括冷却剂流体流动通道；所述第一流体槽道可以是阴极槽道，并且所述第二流体槽道可以是冷却剂槽道。
[0023]所述第一流体流场的边缘和所述第二流体流场的边缘可以叠加。所述第三流体流场的边缘和所述第一流体流场的边缘可以叠加。所述第一流体连通边缘可以形成延伸穿过所述通道平面的第一流体通口的部分，并且所述第二流体连通边缘可以形成延伸穿过所述通道平面的第二流体通口的部分。所述第三流体连通边缘可以形成延伸穿过所述通道平面的第三流体通口的部分。所述第一流体连通边缘、第二流体连通边缘和第三流体连通边缘中的至少一个可以包括所述板的外部边缘，并且所述第一流体连通边缘、第二流体连通边缘和第三流体连通边缘中的至少另一个可以包括所述板的内部边缘。所述第一流体连通边缘、第二流体连通边缘和第三流体连通边缘中的至少一个可以包括堞形结构。所述第一流体槽道、所述第二流体槽道和所述第三流体槽道中的至少两个可以至少部分地互相重叠。所述第一流体流动通道、所述第二流体流动通道和所述第三流体流动通道可以通过互相接合的第一波纹板和第二波纹板来界定。
[0024]本发明的方面和实施方案通过举例的方式并且参照附图而在下文中进一步详细描述，其中:
[0025]图1是双极板的透视图，所述双极板被分离来展示内部冷却剂歧管和流体流动通道以及外部阴极歧管和流体流动通道；
[0026]图2是图1的双极板的反向面部的透视图，其展示阳极歧管和流体流动通道；
[0027]图3是图1的双极板的冷却剂和阴极歧管和流动通道的放大视图；
[0028]图4是图2的双极板的阳极歧管和流体流动通道的放大视图；
[0029]图5是组成双极板的波纹板中的一个板中的冷却剂通口歧管的详细视图；
[0030]图6是图5的详细视图中的下伏波纹板的详细视图；
[0031]图7是横切于双极板的流体流场区域的截面图，其展示组成阳极流体、阴极流体和冷却剂流体流动通道的第一波纹板和第二波纹板中相互啮合的波纹的布置；
[0032]图8是连接至一系列阴极流体流动通道的阴极通口和歧管的截面图；
[0033]图9是连接至一系列阳极流体流动通道的阳极歧管的截面图；
[0034]图10是穿过阴极通口和阴极歧管的截面图；
[0035]图1la是双极板的阳极侧的透视图；
[0036]图1lb是图1la的双极板的阴极侧的透视图；
[0037]图12a是组装后的双极板中的横向流体连接区域的详细截面图；
[0038]图12b是组装后的双极板中的横向流体连接区域的替代详细截面图；
[0039]图13是穿过双极板波纹区域和阳极歧管区域的截面图；
[0040]图14是双极板内的阳极流体、阴极流体和冷却剂流体体积的图解；
[0041]图15是图14的流体体积的截面图；
[0042]图16是包括五个膜电极组件和六个双极板的堆栈的截面图；
[0043]图17是双极板的替代实施方案的阴极面部的局部透视图；
[0044]图18是图17中双极板的阳极面部的局部透视图；
[0045]图19是处于图17和图18的双极板的阳极面部的反面上的冷却剂歧管的局部透视图；以及
[0046]图20是图17至图19的双极板的多板组件的透视图。
[0047]图1至图10示出第一类型的双极板，其中所述板的面部上的阳极流体流场呈平行轨道或通道布置的形式。图11至图15示出第二类型的双