CN100539273C - 燃料电池叠所用的冷却剂流场设计 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

燃料电池叠所用的冷却剂流场设计
技术领域
本发明总体涉及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。
背景技术
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***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***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。
发明内容
相应地，本发明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。
本发明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。
本发明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***效率并降低成本。
通过阅读后文中提供的详细描述，将会清楚了解本发明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发明的优选实施例，但只用于示例说明，而非用于限制本发明的范围。
附图说明
本发明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为本发明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发明、其应用或者用途。
在进一步描述本发明之前，了解一下本发明所涉及的一种示例性燃料电池***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O2/空气侧所用的排出管道，以用于除去H2-来自阳极反应物流场的废弃阳极气体和O2-来自阴极反应物流场的废弃阴极气体。提供了冷却剂供应管道50、52和54，用于将液体冷却剂从燃料电池叠的一进口集管(未示出)供向双极板组件8和端板14和16的冷却剂流场。尽管未示出，但提供了冷却剂排出管道，用于将从双极板组件8和端板14和16排放出的热冷却剂输送至燃料电池叠的一排出集管。按照常规，一燃料电池冷却***连接于叠的进口与排出集管之间，其可操作以便连续地循环液体冷却剂并从叠中除去废热以便退回至环境。
所示的燃料电池通过一富含H2的重整产品而提供燃料，而不管这种重整产品通过何种方法制得。应当理解，此处所体现的原理适用于由H2来提供燃料的燃料电池，H2可从任何源获得，包括可重整的烃和含氢燃料，如甲醇、乙醇、汽油、烯烃或其它脂肪族或芳香族烃，或者从机载存储的燃料，例如H2获得。
图2描绘了按照叠放关系设置于一燃料电池中的双极板组件8、主集电器38、MEA 6和主集电器40的部件分解图。端板组件16将位于第二主集电器40之下(如图1中所示)以便形成一燃料电池。另一组主集电器34和36、MEA 4和端板组件14将位于双极板组件8上方(如图1中所示)以便形成另一燃料电池。如下文中将要详述，本发明致力于一种与双极板组件8和端板组件14和16相关联的独特的冷却剂流场构型。
本发明的双极板组件8和端板组件14和16为液冷式并且提供了以下功能：(1)分离PEM燃料电池叠10的相邻燃料电池，(2)将H2和空气/O2分配至燃料电池，(3)在PEM燃料电池叠的相邻燃料电池之间传导电流，以及(4)冷却PEM燃料电池叠。如图2和3中所示，双极板组件8包括一第一底板60和一第二底板62，它们各由耐蚀金属薄板制成。第一底板60具有一包括多个平台66的外部工作面64，这些平台66在其间限定了多个凹槽或流通道68，其限定了一外部反应物流场。第一底板60还包括一具有多个平台72的内部工作面70，这些平台72限定了多个凹槽或流通道74，其限定了一内部冷却剂流场。
优选地，第二底板62为第一底板60的镜像，因此其外部工作面64’包括限定了一组流通道68’的平台66’，这些流通道68’限定了一外部反应物流场。第二底板62的一内部工作面70’具有多个限定了一组流通道74’的平台72’，这些流通道74’限定了一冷却剂流场。底板60和62优选地通过冲压、光刻(即通过一光刻用掩模)或者任何其它用于成形薄板金属的常规型方法来形成。然而，本发明所属领域的普通技术人员应当认识到，也可以使用其它适用的材料和制造方法来形成底板60和62。在操作中，举例来说，第一底板60的反应物流场将H2分配通过燃料电池，而第二底板62的反应物流场将空气/O2分配通过燃料电池。优选地，端板组件14和16包括一具有基本上类似于底板60和62的反应物和冷却剂流场的导电板。这样，以下对底板60和62、及其独特冷却剂流场构型的讨论打算来同样涵盖与单极端板组件14和16相关联的导电板的结构和功能。
从图3中看得最清楚，第一和第二底板60和62的内部工作面70和70’互相面对，以便使得冷却剂流通道74和74’配合工作以便限定适于接收一基本上为非传导性的液体冷却剂的冷却剂流通路78。底板60和62使用本领域内已知的多种连接方法中的任何一种联接起来，这些方法包括但不限于铜焊法。然而，还可以预见，尽管底板60和62可以直接互相结合，但是它们也可各自结合于一将冷却剂流通路78分割成子通路78a和78b的不连续中间金属隔板80上。隔板80可为有孔式以便容许一些有限的冷却剂横穿流过。这种分割设置方式在图4中看得最清楚。底板60和62和中间板80各自可包括钛或其合金，但是还可包括其它耐蚀金属，例如但不限于贵金属、不锈钢、镍、铝和铬。
如上所指出，第二底板62的冷却剂流场基本上包括一组通道74’和平台70’，它们的位向限定了若干具有不同流阻的不同区域。如图5中的假想线所描绘，这些区域包括一供应区域82、一第一扩散区域84、一中央高流量区域86、一对周围低流量区域88A和88B、一第二扩散区域90、以及一排出区域92。供应区域82使得冷却剂流能够进入第一扩散区域84中，而第一扩散区域84又引导冷却剂流通过高流量区域86和低流量区域88A和88B。流过高、低流量区域86和88A、88B的冷却剂在第二扩散区域90处再集合并且通过排出区域92从双极板组件8排放至排出集管。
如图6A和7中看得最清楚，供应区域82包括一组直形、基本上很短的平台94，它们限定了一组平行的供应流通道96。第一扩散区域84由一组按照与进入平台94对齐的等距行列设置的正方形凸台或方块98限定。这样，各方块98就限定了一与进入流通道96沿轴向对齐的第一组扩散器流通道100和一相对于第一扩散器流通道100基本上正交对齐的第二组扩散器流通道102。
主要参看图5和8，如图所示，排出区域92的构型基本上类似于供应区域82，因为其包括一组直形、基本上很短的平台104，它们限定了一组平行的排出流通道106。第二扩散区域90由一组按照与排出平台104对齐的等距行列设置的方块108限定。这样，各方块108就限定了一与排出流通道106沿轴向对齐的第一组汇集器流通道110和一相对于第一汇集器流通道110基本上正交对齐的第二组汇集器流通道112。
高流量区域86直接置于第一扩散区域84与第二扩散区域90之间，其包括一组长直平台114，在图6B中看得最清楚。平台114通常与进入平台94、方块98和108的行列以及排出平台104对齐，以便限定一组高流量流通道116。这样，就建立了一从进入通道96，穿过扩散流通道100、高流量流通道116和汇集器通道110，至排出通道106的低阻流体流路。
如上所指出，冷却剂通过一对低流量流区域88A和88B从第一扩散区域84通往第二扩散区域90。如图7中所示，区域88A具有多个L形平台118，它们限定了一第一组流通道120。每个流通道120与第一扩散器流通道100之一保持流体连通并且包括一与第二汇集器流通道112之一保持流体连通的横向通道部分。可以看到，第一通道部分122基本上平行于流通道116而第二通道部分基本上处于与其正交的位向。此外，区域88A具有多个C形平台125，它们限定了一第二组流通道126。每个流通道126具有一与第二扩散器通道102之一保持流体连通的第一通道部分128(图7)、一与流通道120的通道部分122基本上平行的第二通道部分130、以及一与汇集器通道112之一保持流体连通的第三通道部分132(图8)。低流量流区域88B具有类似的流通道120’和126’，其相应通道部分由相同但带撇号的参考数字标示。
通常，高流量区域86具有比较低流量区域88A和88B的流阻更低的流阻。原则上，与具有较低流阻的通道相比，具有较高流阻的通道将通过其中输送较低的流体流量。至于冷却作用，流过通道的冷却剂量越大，就越能提高冷却能力。因此，较高流量区域86就提供了比低流量区域88A和88B更大的冷却能力。
在操作中，冷却剂通过供应区域82的进入通道94进入冷却剂流场并且流入第一扩散区域84。第一扩散区域84(即方块98和垂直流通道100和102)的几何形状导致通过其中的流阻很高。因此，冷却剂就通过高、低流量区域86和88A、88B的所有流通道散开并流过。冷却剂流过高、低流量区域86和88A、88B的通道并在第二扩散区域90中汇集以便通过排出区域92排放。
冷却流的型式可以通过改动若干设计变量中的任何一个而改变。这些设计变量包括但不限于冷却剂流场各个区域中的方块98、108和流通道的尺寸、形状以及间距。减小间距、增大障碍尺寸和/或减小通道尺寸都会增大相应区域的流阻。增大第一和第二扩散区域的流阻就会增大散开效果，使得更高流量的冷却剂能够流过低流量区域88A和88B。改变低流量区域88A和88B中的流阻的效果取决于相对流阻。如果高流量区域86的流阻增大而低流量区域88A和88B的流阻减小或者保持不变，则更大比例的总冷却剂流将会流过低流量区域88A和88B。同样，如果高流量区域86的流阻减小而低流量区域88A和88B的流阻增大或者保持不变，则更小比例的总冷却剂流将会流过低流量区域88A和88B。
流通道的相对长度也影响着通过每个区域的冷却剂流的速率。相对于高流量区域86中的流通道的长度而言，低流量区域88A和88B中的流通道的长度越大，将会流过高流量区域86的冷却剂的百分率就越高。
由于高、低流量区域之间存在流阻的差异，因而能够流过高流量区域86的冷却剂量比低流量区域更高。因此，本发明的双极板组件8就使得与周围相比，能够在燃料电池叠的中央区域中得到更高的冷却速率。按照这种方式，通过平衡横过燃料电池叠的冷却作用，就可以在整个燃料电池叠上获得均匀的温度。在整个燃料电池叠上获得均匀的温度，就使得能够优化燃料电池叠的性能并且降低冷却燃料电池叠所需的能量。
图9示出了一使用了具有如图1中所示构造的燃料电池叠152的燃料电池***150的一个优选实施例，连同一车辆推进***154。如图所示，推进***154包括一电池156、一电马达158、及其相关驱动电子装置包括一变换器160。变换器160从一与燃料电池***150相关联的DC/DC转换器162，特别是从燃料电池叠62接受电能，并且将电能转换成由马达158所产生的机械能。电池156构造设置成用于接受和存储由燃料电池叠62供应的电能以及接受和存储在再生制动过程中由马达158所供的电能，并且用于向马达158提供电能。马达158联接于一驱动轴164上以便向车辆的轮子(未示出)提供转动动力。一电化学发动机控制模块(EECM)166和一电池组模块(BPM168)监控着各种工作参数，包括但并不限于电压和电流燃料电池叠152。例如，这通过BPM168或通过BPM168和EECM166一起来实现，以便根据由BPM168所监控到的条件来将一输出信号(信息)送往一车辆控制器170。车辆控制器170控制着电马达158、驱动电子装置包括变换器160、DC/DC转换器162的启动，并且要求来自EECM66的功率级。如上所述，燃料电池***150还包括一闭环再循环冷却***172。
控制器170可包括任何适用的微处理器、微控制器、个人计算机，等等，其具有能够执行一控制程序和存储于一存储器中的数据的中央处理单元。当启动时，控制器170执行一系列按照一条条指令格式存储于存储器中的操作，以便提供发动机控制、诊断和维护操作。控制器170可为一专门用于本发明的专用控制器或者在存储于主车辆电子控制模块中的软件中实现。而且，尽管基于软件的控制程序可用于在上述各种操作模式中控制***部件，但还应当理解，控制也可以部分或完全由专用电子电路来实现。
对本发明进行的描述事实上仅为示例性，因此并不背离本发明的要旨的各种变型都认为处于本发明的范围之内。这些变型并不被看作背离了本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一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，所述第一流量区域包括多个从所述第一扩散区域直接引到所述第二扩散区域的直通道；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，所述第二流量区域包括多个通道，这些通道各包括至少一个成角度的过渡段；
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，其中所述第一板还包括一具有形成于其中的反应物流场的第二表面。
12.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；
其中流过所述第三流量区域的冷却剂量与流过所述第四流量区域的冷却剂量不同，因而在所述第二底板上提供冷却速率的差异。
13.根据权利要求12所述的板组件，还包括一置于所述第一和第二板之间的中间板。
14.根据权利要求12所述的板组件，其中所述第二板还包括一具有形成于其中的反应物流场的第二表面。
15.一种PEM燃料电池，包括：
具有一内部冷却剂流场的双极板组件，所述内部冷却剂流场包括一进入扩散区域、一排出扩散区域、一互连着所述进入和排出扩散区域以便在其间提供流体连通的第一流量区域、以及一互连着所述进入和排出扩散区域以便在其间提供流体连通的第二流量区域，所述第一流量区域包括多个从所述进入扩散区域直接引到所述排出扩散区域的直通道，并且所述第二流量区域包括多个通道，这些通道各包括至少一个成角度的过渡段；以及
一输送至所述双极板组件的所述进入扩散区域的液体冷却剂源；
其中流过所述第一流量区域的所述冷却剂量与流过所述第二流量区域的所述冷却剂量不同，以便在所述双极板组件上提供冷却速率的差异。
16.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述双极板组件还包括一用于在所述冷却剂源与所述进入扩散区域之间提供流体连通的入口区域。
17.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述双极板组件还包括一用于在所述冷却剂源与所述排出扩散区域之间提供流体连通的排出区域。
18.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述进入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。
19.根据权利要求18所述的PEM燃料电池，其中所述第一和第二组流通道互相垂直。
20.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述排出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。
21.根据权利要求20所述的PEM燃料电池，其中所述第一和第二组流通道互相垂直。
22.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，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。
23.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述第一流量区域包括多个置于所述双极板组件中央的通道。
24.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述第二流量区域包括多个绕着所述双极板组件周围设置的通道。
25.根据权利要求15所述的PEM燃料电池，其中所述双极板组件限定了一反应物气体流过其上的外部流场。
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