CN101473474B

CN101473474B - 燃料电池双极板和采用该板的改善流体分布的燃料电池

Info

Publication number: CN101473474B
Application number: CN2007800227193A
Authority: CN
Inventors: 西尔万·马德琳; 菲利普·马尼卡尔迪; 让-菲利普·普瓦罗-克鲁弗齐耶
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2027-05-28
Also published as: US7718299B2; JP2009541923A; JP5378996B2; US20090075154A1; EP2033249B1; EP2033249A1; CN101473474A; FR2902930B1; FR2902930A1; WO2007147991A1

Abstract

燃料电池双极板(100)包括：位于其外周边缘(107)中的一个边缘内的用于循环反应流体的第一通孔(108、128)、在其两个主面中的一个主面中延伸的阳极室和在相反的主面(104)中延伸的阴极室(102)。至少一个所述室(102)完全或部分由相对于所述相应主面(104)凹陷的区域形成，所述凹陷区域经过用于使所述反应流体流入所述室(102)中的引入通道(106、126)连接到所述通孔(108、128)，所述引入通道(106、126)凹陷在所述相应主面(104)的所述外周边缘(107)内。设置位于所述第一通孔(108、128)附近的第二通孔(101、121)，该第二通孔(101、121)也用于循环反应流体，所述主面与容纳所述凹陷区域的所述面(104)相反，包括一般非突出的凹槽，所述槽能够连接所述第一通孔(108、128)和所述第二通孔(101、121)。

Description

燃料电池双极板和采用该板的改善流体分布的燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及包括类似单电池的堆的燃料电池领域。更具体地，本发明涉及用于形成该单电池的双极板。本发明还涉及采用该板的燃料电池。

背景技术

燃料电池可由具有相匹配的尺寸的几个单电池的堆或堆叠物构成。这些单电池的每一个一般都包括处于膜形式的电解质、和具有阳极和阴极的双极板。

为了引发氧化和还原以产生载流子，必须使燃料和氧化剂分别接触这些电极。由此这些电化学氧化和还原反应释放离子，这些离子的运动产生由燃料电池提供的电流。通常，燃料和氧化剂处于流体形式，即处于液体形式或气体形式。

双极板以本身已知的方式具有两个主面。在这两个主面的一个面中，双极板包括在该区域的大部分上方延伸的阳极室。在另一主面上，双极板以相对对称的方式包括在该主面的大部分区域上方延伸的阴极室。当该双极板的两个面接触处于膜形式的电解质时，在这些室中发生分别为氧化反应和还原反应的半反应。

因此，单电池由在膜电介质上堆叠的双极板构成。因此，在形成燃料电池的单电池的堆中双极板和包含电解质的膜交替布置。

作为这种电池的一个例子，可以提及的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DFMC)。在燃料电池的运行期间，以流体形式连续引入氧化剂和燃料，以维持产生期望电流的电化学反应。

在燃料的存在下，在阳极室和膜电解质之间的界面处发生氧化半反应。通常，作为还原剂引入的燃料由处于气体状态的分子氢(H₂)构成。同样，在氧化剂的存在下，在阴极室和膜电解质之间的界面处发生还原半反应。通常，作为氧化试剂引入的氧化剂是处于气体状态的分子氧(O₂)，其经常以空气的形式引入。

为了确保由单电池的堆构成的燃料电池的正常运行和令人满意的发电率，电池的结构必须用于执行多种功能，包括：

-反应流体的引入和分布，

-流路的密封，

-电化学反应产物的冷却或去除，去除放热的电化学反应所释放出的热，

-在这些反应期间释放的电荷载流子的传导，和

-由单电池形成的堆的机械接合性。

这些不同的功能影响单电池的结构，尤其影响构成单电池的双极板的结构。

为了使反应流体、氧化剂和/或燃料接触每个单电池的阳极室和阴极室，已知在通过堆叠每个单电池(即双极板和膜电解质)的通孔而沿燃料电池形成的集流管中循环这些流体的每一种。

因此，一般在垂直于每个通常平坦的双极板的两个主面的方向延伸的孔横贯每个双极板。穿过双极板的孔一般形成在双极板的外周边缘，而阳极室和阴极室占据双极板的每个面的中央部分。由于形成共集流管的用于供给反应流体的通孔位于与阳极室或阴极室相距一定距离的位置处，所以还必须在双极板中机械加工出用于使反应流体从集流管流向电极的引入通道。

为此，第一解决方案包括钻孔，该孔将待供给到的电极连接到位于形成集流管的通孔附近的双极板边缘。该通孔一般形成于与其起始的边缘垂直的方向，由此垂直于形成集流管的通孔。然后在集流管和双极板边缘之间***密封塞，以防止反应流体泄露。该塞可以通过收缩配合或通过粘合剂固定。

然而，进行这些钻孔和粘合操作是相对需要小心进行的，并且塞的存在不完全消除任何泄露风险。当构成燃料电池的单电池越多时，这些操作所带来的风险和额外成本也相应地越高。

作为替代方案，现有技术的一个解决方案包括在集流管和待供给到的室之间钻斜孔。为了使钻头进入，该钻孔的起点位于形成共集流管的孔的末端之一。利用这种结构，因为倾斜的引入通道在集流管内而不是在双极板外终止，由此消除了任何泄露的风险，所以不必将塞***双极板中。

然而，该解决方案并不是完全令人满意的，这是因为倾斜引入通道的钻孔需要高的精确度和使用特殊的工具。实际上，这两个缺点也易于引起双极板生产的额外成本。

此外，由于这两种现有技术解决方案不能在薄的双极板上实施，所以他们不能减小燃料电池所占的体积。结果，这些解决方案限制了燃料电池的紧凑性。然而，对燃料电池而言，紧凑性是一重要的性能标准。

文献JP-A-2002 298872公开了燃料电池的双极板，其中两个相邻通孔横贯过该双极板的一个边缘，这两个相邻通孔之一终止于槽内。然而，该文献涉及只有一个面功能化的双极板。

因此，本发明的一个目的是提出双极板，该双极板不引起燃料电池密封的任何风险，其几何形状不限制燃料电池的紧凑性，并且其生产不明显增加燃料电池的成本。

发明内容

因此，本发明涉及具有简单结构的、经济制造的、有利于电池的密封性并减小电池体积的双极板。

本发明涉及用于燃料电池的双极板，包括：

-位于该双极板外周边缘中的一个边缘中用于循环反应流体的第一通孔，

-在该双极板的两个主面之一中延伸的阳极室，

-和在相反的主面中延伸的阴极室。

根据本发明，至少一个所述室是完全或部分由相对于相应的主面凹陷的区域形成的，所述凹陷区域经过用于使反应流体流入所述室中的引入通道连接到通孔，所述引入通道凹陷在所述相应主面的所述外周边缘内。

根据本发明，双极板还包括位于第一通孔附近的第二通孔，第二通孔也用于循环反应流体，与容纳所述凹陷区域的面相反的主面包括一般非突出的凹槽，该凹槽适用于连通所述第一通孔和第二通孔。

换言之，两个相邻的通孔横贯双极板的一个边缘，其中一个通孔形成反应流体集流管，另一个通孔在导向待供给有反应流体的室的开口槽中终止。这样，反应流体可以穿过设置在与该室相反的面上的槽从集流管中流到待供给的室。因此，流体在流出到形成电极的室中之前在与该板边缘相交的平面中沿一般“U”型的路径流动。

根据本发明的该第一实施方案的一个实际的实施方案，双极板可以具有中轴，该第一通孔是沿该中轴钻成的。

因此，在形成燃料电池的堆中，可以在一个方向和然后在另一个方向上交替堆叠双极板，以使它们的一般非突出的槽的方向相反。这用于将反应流体交替分布到集流管的左边和右边。因此，每个单电池的位置为相对于堆中前一电池成180°，以通过简单的电池间密封确保引入通道的完全密封和室的供给。

在实践中，该室可以分别覆盖每个主面的大部分区域。因此，该室与膜电解质具有大的交换面积，由此用于产生大的电流。

在实践中，该第一通孔和/或第二通孔还可以具有带有圆形底面的圆柱形形状，其轴垂直于主面之一所限定的平面。

该通孔实际上通过给双极板钻孔的简单操作就可非常简单地制造。

根据本发明的一个替代实施方案，双极板还可以包括用于循环第二反应流体的第二组通孔、和用于循环冷却流体的第三组通孔。

与第一通孔一样，这些通孔分别用于形成用于第二反应流体和用于冷却流体的集流管。

而且，本发明还涉及包括单电池的堆的燃料电池，每个单电池包括如上所述的双极板。根据本发明，双极板通过一般平坦的密封物而成对地隔开，每个密封物包括膜电解质和在该密封物外周边缘处的通孔。而且，堆叠的双极板的通孔和所有密封物的通孔重合，以形成所有单电池共用的反应流体集流管。

换言之，堆叠根据本发明的每个双极板中提供的通孔，用于形成所有这些板共用的集流管，由此该集流管沿燃料电池延伸。

根据本发明的实际的实施方案，燃料电池包括由根据上述本发明的替代实施方案的板形成的单电池的堆，该堆叠的双极板的通孔和所有密封物的通孔重合，以形成所有单电池共用的第二流体集流管和第三流体集流管。

本发明还涉及包括上述类型的单电池的堆的燃料电池，所述堆包括双极板的头尾相接的堆。

附图说明

结合附图，从下文举例说明但非限制的实施方案中本发明可以实施的方式和其优点会变得明显。

图1A和1B是根据本发明第一实施方案的双极板的示意性立体图，图1A显示该双极板的主面之一，而图1B显示另一主面。

图2是根据本发明***两个双极板之间的电池间密封物的示意性立体图。

图3是根据本发明一个燃料电池实施方案的燃料电池的示意性横截立体图。

图4是图3中的燃料电池沿位于更前方的平面的示意性横截立体图。

图5和6是根据本发明第二实施方案和第三实施方案的双极板的示意性平面图。

具体实施方式

图1A显示根据本发明第一实施方案的双极板100。双极板100具有两个主面104、105，阴极室102和阳极室103分别在主面104、105上延伸。因为与形成双极板100的边缘的面相比面104和105具有大的面积，并且因为面104和105容纳双极板100的大多数功能构件，所以双极板100的面104和105称为主面。

如图1A和1B所示，阴极室102和阳极室103分别覆盖两个主面104和105的大部分区域。而且，这些电极是由多个平行的槽线形成的，以和与其接触的处于膜形式的电解质具有大的交换面积。因此，在横截面中，这些槽线具有锯齿状剖面。

而且，至少在阴极室102的情况下，这些具有预定深度的槽线形成用于循环释放载荷子的电化学半反应所必需的反应流体的许多通道。

因此，阴极室102是由相对于主面104凹陷的区域形成的。而且，阴极室102的槽线顶点在环绕阴极室102的外周边缘107的水平处。该特征源于用于生产阴极室102的槽的方法，该方法包括机械加工平板以从中除去一些材料或冲压该平板。这还避免了在两个连续的双极板100之间提供密封的外周密封物的厚度过大。实际上，如果槽线的顶点形成为从外周边缘107的水平突出，则必须提供非常厚的密封物以确保对流体的密封性。

根据本发明，双极板100包括用于循环反应流体的第一通孔108。实际上，当相互堆叠包括类似的双极板的多个单电池以形成燃料电池时，在每个双极板上制成的对应于孔108的通孔重合，并由此形成共集流管，如在下文中详述的图3和4中所示。

根据本发明的双极板的另一特征，形成阴极室102的凹陷区域经由用于供给反应流体的引入通道106连接到通孔101。通道106凹陷于主面104的外周边缘107内。因此，经由形成共集流管的通孔101到达的全部或部分反应流体穿过或旁通引入通道106到达形成阴极室102的槽线。

而且，双极板100具有用于执行各种功能的其它通孔。因此，孔181-184分别用于容纳夹紧装置(未显示)，用于确保形成燃料电池的双极板的堆的结合。

图1A和1B中显示的替代实施方案具有用于反应流体的“U”形路径。因此，根据该替代方案，通过堆叠每个双极板的通孔108形成共集流管，该共集流管经由槽109连接到通孔101以经过通道106对区域102供给反应流体。

为此，每个双极板100由此包括也用于循环反应流体的第二通孔101，该第二通孔101设置在第一通孔108附近，因此也在外周边缘107上。

因此，在堆叠单电池(双极板和***的密封物)时，如下文所述的图3和4中所示，所有类型的孔108重合以形成用于循环反应流体的共集流管。

为了使反应流体经由引入通道106从通孔108流到凹陷的阴极室102，在与容纳阴极室102的面相反的主面105的外周边缘113上设置一般非突出的槽109。槽109凹陷于双极板100中，其位置和尺寸与通孔101和108的位置对应。

因此，当两个连续的双极板堆叠为其主面104和105相互面对时，槽109位于通孔101和108处。在图1A和1B的实例中，该槽是直的，其长度使得孔101和108分别穿过其两端之一。然而，具有相对于槽的其它孔位置的其它形状的槽109也是可行的，这也在本发明的范围内。因此，槽109可以具有“L”形或“C”形等形状。

在该结构中，反应流体由此穿过形成共集流管的孔108，并且在槽109中部分改向，该改向的反应流体流流入引入通道106并由此扩散到阴极室102。

外周边缘可以在阴极室102的另一侧上类似并对称地容纳与引入通道126配合的第一通孔121。

而且，在图1A和1B的实例中，双极板100包括与通孔108对称的适合与一般非突出的槽129(与槽109类似)配合的第二通孔128。通过堆叠通孔128形成的第二共集流管可以用于向阴极室102输送或从阴极室102中除去反应流体或氧化剂。

为了循环其它流体，例如第二反应流体或冷却流体，可以在双极板的其它位置处再制造包括与引入通道配合的两个通孔的体系。

因此，根据图5和6示出的本发明的实施方案，设置第二和第三机械加工的条状组559、579；659、679、669和689以循环其它流体，例如第二反应流体。与图1A所示的机械加工组109和129类似，第二和第三机械加工的条状组559、579；659、679、669和689包括用于以“U”形路径循环流体的两个圆形通孔。这些圆形通孔可以形成为与形成第一组通孔的孔501、508、521、528；601、608、621、628相同，设置为供给到电极502、602。

与图5中的情形一样，第二组通孔559、579可以位于与第一组109、129的轴垂直的轴上。因此，由于对称，双极板的堆叠用于使通孔重合以限定用于整个燃料电池的共集流管。

在循环诸如冷却流体的第三流体(图6)的情形中，第二组通孔659、679和第三组通孔669、689组通孔的位置相对于对称轴可以是对称的，并且与双极板的其它对称轴等距，如图6所示。这用于确保燃料电池内堆叠的两个双极板的通孔的配合。

图2显示了与用于形成单电池的极板100互补的部分，即待放置在两个连续的双极板100之间的***密封物250。***密封物250放置为在膜电解质区260和双极板100的阴极室102以及与相邻双极板的阳极室103之间产生接触。为了使电解质和电极之间界面处的交换最大化，膜电解质260具有与阴极室102和阳极室103所占据的区域类似并且对应的区域。

此外，***密封物250具有通孔251和271，其位置和尺寸分别对应于穿过双极板100的孔108和128的位置和尺寸。因此，氧化剂可以沿由堆叠孔108和128形成的共集流管毫无阻碍地流动。

此外，***密封物250具有其它的通孔211、252、253、281～284，其位置、尺寸和功能与图1所示的穿过双极板的孔181～184的位置、尺寸和功能对应，即用于使板的堆叠对准的孔。

图3显示了与由图1A和1B中的双极板100示出的替代方案对应的双极板300、330、340的堆叠，具有对应于***密封物250的实施方案的***密封物350、351和352。

根据有关图1A和1B描述的替代实施方案，双极板300、330和340分别具有与第一通孔101类似的第一通孔301和与第二通孔108类似的第二通孔308。

此外，双极板300、330和340各自具有类似于引入通道106的引入通道306。因此，反应流体可以在由通孔308形成的共集流管中流动，然后流入引入通道306中并由此扩散到孔301中，最后流入阳极室(在图3中未示出)中。因此，反应流体在进入待供给到的电极之前描绘出“U”形路径。

图3所示的双极板300、330和340的堆与其它堆的不同之处在于该板安装为它们的引入通道交替设置在共集流管的右边和左边。为此，根据本发明的一个实施方案，形成共集流管的通孔308、338和348必须分别位于它们的双极板的一个中轴上。因此，这具有允许双极板头尾相接堆叠的对称性，如图3所示。

利用该组合件，通孔301、331和341彼此不重合，因而它们不形成与由孔308形成的集流管平行的第二共集流管。该结构用于确保反应流体有效且密封地分布到该堆的各个双极板的阴极室。而且，该双极板的组装更简单。此外，该双极板可以比现有技术的双极板更薄，由此用于获得更密集的电池。

如图3所示，***密封物350-352设置在连续的双极板300、330、340之间，以使得穿过它们的孔与穿过双极板的那些孔重合。因此，可以使反应流体、燃料和氧化剂、一种或更多种冷却流体以及用于结合燃料电池的夹紧装置穿过整个燃料电池。

而且，图3所示的燃料电池具有分别位于双极板300、330和340的堆的每一端的两个端板390和391。端板390、391是以自身已知的方式制造的，以执行赋予它们的功能。因此，图3所示的单电池(双极板和***的密封物)的堆包括三个双极板300、330、340，但是它还可以根据期望的燃料电池容量包括不同数目的双极板。

图4显示了与图3类似的横截面，其中截取平面的位置比图3的截取平面稍微靠前。在图4中，除了双极板的通孔和引入通道之外，可以区别出电解质区460-462，其与形成***密封物450-452的膜相关。

如图4可见，膜电解质460-462由此可调节地覆盖阴极室占据的表面，其槽线402(锯齿状)在横截面中可见。因此，反应流体可以只在区域460-462中引发反应，而不是在双极板的引入通道中引发反应。该布置用于优化阴极反应的产率和它们所释放的载荷子的收集。

与附图相关地描述的本发明具体实施方案涉及双极板的阴极室。然而，类似的结构和操作可用于阳极室。因此，包括几个机械加工和/或冲压操作的这些实施方案用于形成包括相对薄的双极板的密封的流体引入***。

在附图中的实例中，通孔具有圆形底面的圆柱形形状。然而，它们可以具有不同的横截面，例如条状或正方形，它们也在本发明的范围内。同样，双极板的厚度、阳极室和阴极室的槽线的长度和深度、孔和槽以及引入通道的直径都是按需要、根据燃料电池所需要的电容量和电化学产率而确定的。而且，根据所期望的应用，双极板可以具有非正方形横截面，例如圆形横截面等。

Claims

1.一种燃料电池，所述燃料电池包括多个单电池的堆，每个所述单电池包括双极板，每个所述双极板包括：

-位于所述双极板的外周边缘(107)中的用于循环反应流体(320)的第一通孔(108、128)，

-在所述双极板的两个主面中的一个主面(105)内延伸的阳极室(103)，

-和在所述双极板的相反的主面(104)内延伸的阴极室(102)，

其中，所述双极板的至少一个所述阳极室和所述阴极室(102)完全或部分地由相对于所述双极板的相应主面(104)的凹陷区域形成，所述凹陷区域经由用于使所述反应流体流入所述室(102)中的引入通道(106、126)连接到所述第一通孔(108、128)，所述引入通道(106、126)凹陷于所述双极板的所述相应主面(104)的外周边缘(107)内，和

位于所述第一通孔(108、128)附近的第二通孔(101、121)，所述第二通孔(101、121)用于循环所述反应流体(320)，

其中与容纳所述凹陷区域的所述面(104)相反的所述双极板的所述主面(105)包括适合于连接所述第一通孔(108、128)和所述第二通孔(101、121)的凹槽(109、129)，和

其中各个所述双极板的所述第一通孔重合以限定共集流管，并且其中各个所述双极板的所述第二通孔不重合。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述双极板具有中轴，所述第一通孔(108、128)是沿所述双极板的所述中轴钻成的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于所述双极板的所述室(102、103)分别覆盖所述双极板的所述主面(104、105)的每一个。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于所述第一通孔(108、128)和/或第二通孔(101、121)的形状是具有圆形底面的圆柱形，其中所述圆柱形形状的轴垂直于所述双极板的所述主面(104、105)之一所限定的平面。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于每个所述双极板(100)还包括用于循环第二反应流体的一组通孔(559、579；659、679)、和用于循环冷却流体的一组通孔(669、689)。

6.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：

-所述双极板(300、330、340)由一般平坦的密封物(250；350、351、352；450、451、452)成对地隔开，每个所述密封物(250；350、351、352；450、451、452)均包括膜电解质(260；460-462)和在所述密封物外周边缘处的通孔(251-253)，

-所述堆叠的双极板(300、330、340)的所述第一通孔和所有所述密封物(250；350、351、352；450、451、452)的所述通孔(251-253)重合，以形成全部所述单电池共用的反应流体集流管(320)。

7.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于所述堆叠双极板的所述用于循环第二反应流体的一组通孔和所述用于循环冷却流体的一组通孔和全部所述密封物的所述通孔重合，以形成全部所述单电池共用的第二流体集流管和第三流体集流管。