專利名稱：燃料電池組的組合極板的流場的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池組，且特別涉及一種燃料電池組的組合極板的流場。
目前在各種干凈能源的開發(fā)中，以質(zhì)子交換膜燃料電池所做成的燃料電池組的技術(shù)最為成熟，其具有操作溫度低、激活快速及高功率密度等特性，因此十分適合用于車輛運(yùn)輸工具及小型及分散型發(fā)電系統(tǒng)(如家用型發(fā)電裝置及其它移動(dòng)式、固定式發(fā)電裝置)。
燃料電池主要是利用氫氣和氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放電能，基本上可視為水電解的逆裝置，其主要是由陽極板、陰極板、電解質(zhì)及外部電路四大導(dǎo)電結(jié)構(gòu)所組成，如

圖1為已知燃料電池的工作示意圖所示。在圖1中，首先將氫氣導(dǎo)入陽極板10，在陽極催化劑12的作用下，進(jìn)行的陽極反應(yīng)，接著，將氧氣(或空氣)導(dǎo)入陰極板14，同時(shí)，陽極板10的氫離子穿過電解質(zhì)18到達(dá)陰極板14，而陽極板10的電子也通過外電路20到達(dá)陰極板14，在陰極催化劑16的作用下，將進(jìn)行的陰極反應(yīng)而生成水。
燃料電池在工作時(shí)除了產(chǎn)生電能外，還會產(chǎn)生熱，若經(jīng)模塊化的燃料電池組所產(chǎn)生的熱過高時(shí)，則在此燃料電池組加裝冷卻用的冷卻極板，且根據(jù)燃料電池組所產(chǎn)生的熱的情況，可使用水冷卻或空氣冷卻的冷卻極板。
如上所述，陽極板10與陰極板14(參考圖1)的流場設(shè)計(jì)必須要考慮氣體(如氫氣與空氣)是否均勻流通其每一溝道、流場中每一溝道的路徑長度是否相同、氣體流通于每一溝道是否與催化劑(如陽極催化劑與陰極催化劑)反應(yīng)均勻、以及氣體的流量是否足夠而產(chǎn)生所需的電能等因素；同樣地，冷卻極板的流場設(shè)計(jì)必須要考慮是否為更有效地冷卻效果的因素。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池組的組合極板的流場，其提供對陽極板與陰極板的流場設(shè)計(jì)，使氣體均勻流通其每一溝道、且每一溝道的路徑長度相同、氣體流通于每一溝道與催化劑反應(yīng)均勻、以及氣體的流量足夠等；同樣地，對冷卻板的流場設(shè)計(jì)使得對燃料電池組可達(dá)到更有效地冷卻效果。
陽極板為矩形設(shè)計(jì)，陽極板的一氫氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陽極板的第一側(cè)邊的上半部位置，陽極板的一氫氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在相對于陽極板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，陽極板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于氫氣進(jìn)氣孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入陽極板的第二流場區(qū)，第二流場區(qū)的每一溝道相互平行且平行于氫氣進(jìn)氣孔，在第二流場區(qū)的每一溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入陽極板的第三流場區(qū)，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于氫氣進(jìn)氣孔，在第三流場區(qū)的每一溝道的第三轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入陽極板的第四流場區(qū)，第四流場區(qū)的每一溝道相互平行且平行于氫氣進(jìn)氣孔，在第四流場區(qū)的每一溝道的第四轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入陽極板的第五流場區(qū)，第五流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于氫氣進(jìn)氣孔與氫氣出氣孔，電化學(xué)反應(yīng)用的氫氣由氫氣進(jìn)氣孔進(jìn)入陽極板后，呈S形流動(dòng)于第一流場區(qū)至第五流場區(qū)的每一溝道，而由氫氣出氣孔流出未反應(yīng)的氫氣。
陰極板為矩形設(shè)計(jì)，陰極板的數(shù)個(gè)空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在陰極板的第一側(cè)邊，陰極板的數(shù)個(gè)空氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在相對于陰極板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊，這些空氣進(jìn)氣孔之間與這些空氣出氣孔之間具有一支撐片，此支撐片是呈下凹狀略低于陰極板，可使這些空氣進(jìn)氣孔之間與這些空氣出氣孔之間的空氣互相流通在支撐片的上，陰極板的流場的每一溝道相互平行且垂直于這些空氣進(jìn)氣孔與這些空氣出氣孔，電化學(xué)反應(yīng)用的含氧氣的空氣由空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入陰極板后，呈直線平行流動(dòng)于陰極板的流場的每一溝道，而由空氣出氣孔流出空氣。
水冷卻板的一冷卻水進(jìn)水孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在水冷卻板的第一側(cè)邊的上半部位置，水冷卻板的一冷卻水出水孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在相對于水冷卻板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，水冷卻板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于冷卻水進(jìn)水孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入水冷卻板的第二流場區(qū)，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，第二流場區(qū)的每一支溝道相互平行且平行于冷卻水進(jìn)水孔，在第二流場區(qū)的每一支溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入水冷卻板的第三流場區(qū)，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于冷卻水進(jìn)水孔與冷卻水出水孔，冷卻水由冷卻水進(jìn)水孔進(jìn)入水冷卻板后，以流動(dòng)于第一流場區(qū)至第三流場區(qū)的每一溝道，冷卻水由一個(gè)溝道分流至兩個(gè)支溝道，再由兩個(gè)支溝道合并為一個(gè)溝道，其對冷卻水產(chǎn)生擾流作用，而后由冷卻水出水孔流出具有燃料電池組所產(chǎn)生的熱的冷卻水。
空氣冷卻板為矩形設(shè)計(jì)，空氣冷卻板的一冷卻空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在空氣冷卻板的第一側(cè)邊的上半部位置，空氣冷卻板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于冷卻空氣進(jìn)氣孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入空氣冷卻板的第二流場區(qū)，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，第二流場區(qū)的每一支溝道相互平行且平行于冷卻空氣進(jìn)氣孔，在第二流場區(qū)的每一支溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入空氣冷卻板的第三流場區(qū)，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于冷卻空氣進(jìn)氣孔，并直通相對于空氣冷卻板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，冷卻空氣由冷卻空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入空氣冷卻板后，以流動(dòng)于第一流場區(qū)至第三流場區(qū)的每一溝道，冷卻空氣由一個(gè)溝道分流至兩個(gè)支溝道，再由兩個(gè)支溝道合并為一個(gè)溝道，其對冷卻空氣產(chǎn)生擾流作用，而后由第三流場區(qū)的每一溝道直接流出具有燃料電池組所產(chǎn)生的熱的冷卻空氣至燃料電池組外。
根據(jù)上述的目的，本發(fā)明提供一種燃料電池組的組合極板的流場，系對陽極板與陰極板的流場設(shè)計(jì)，使氫氣與氧氣均勻流通其每一溝道，而且每一溝道的路徑長度相同，使氫氣與氧氣流通于每一溝道可與催化劑反應(yīng)均勻，以及提供足夠的電化學(xué)反應(yīng)用的氫氣與氧氣的流量，以提高燃料電池組的輸出功率；并且對冷卻水或冷卻空氣的冷卻板的流場設(shè)計(jì)，使其對冷卻水或冷卻空氣產(chǎn)生擾流作用，而使燃料電池組可達(dá)到更有效地冷卻效果。
結(jié)合隨后的詳細(xì)說明及隨附的權(quán)利要求，可以更加明白本發(fā)明的其它目的及優(yōu)點(diǎn)。
組件編號的說明10、30陽極板12陽極催化劑14、80陰極板16陰極催化劑
18 電解質(zhì)20 外電路32、100、140、180、202 氫氣進(jìn)氣孔34、38、66、72、86、92、102、106、124、128、148、154、164、168、188、194 側(cè)邊36、104、142、182、204 氫氣出氣孔40、44、48、52、56、98、130、134、138、170、174、178 流場區(qū)42、46、50、54、132、136、172、176 轉(zhuǎn)角端58、108 冷卻用進(jìn)孔60、110 冷卻用出孔62、64、82、84、144、146、184、186、210 空氣進(jìn)氣孔68、70、88、90、150、152、190、192 空氣出氣孔120 水冷卻板122、206 冷卻水進(jìn)水孔126、208 冷卻水出水孔160 空氣冷卻板162 冷卻空氣進(jìn)氣孔200 水冷式燃料電池組如此，陽極板30的流場設(shè)計(jì)可使氫氣均勻流通其每一溝道，而且每一溝道的路徑長度(即流場區(qū)40、44、48、52、56的每一溝道的路徑長度總合)相同，當(dāng)氫氣流通于每一溝道時(shí)可與催化劑反應(yīng)均勻。再者，陽極板30的流場設(shè)計(jì)可使氫氣由氫氣進(jìn)氣孔32進(jìn)入后，流經(jīng)流場區(qū)40、44、48、52、56的每一溝道，再由氫氣出氣孔36排出，如此，使得氫氣流經(jīng)陽極板30的路徑大大地增加，即使得氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的效率大大地增加。
在圖2中，陽極板30的一冷卻用進(jìn)孔58(可為冷卻水進(jìn)水孔或冷卻空氣進(jìn)氣孔)是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陽極板30的側(cè)邊38且與氫氣出氣孔36上下排列，陽極板30的一冷卻用出孔60(可為冷卻水出水孔或冷卻空氣出氣孔)是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陽極板30的側(cè)邊34且與氫氣進(jìn)氣孔32上下排列，冷卻用進(jìn)孔58與冷卻用出孔60對陽極板30的每一溝道是不相通的；陽極板30的數(shù)個(gè)空氣進(jìn)氣孔62、64是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在陽極板30的側(cè)邊66，陽極板30的數(shù)個(gè)空氣出氣孔68、70是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在陽極板30的側(cè)邊72，空氣進(jìn)氣孔62、64與空氣出氣孔68、70對陽極板30的每一溝道是不相通的。
圖3為本發(fā)明的陰極板的流場。在圖3中，燃料電池組的陰極板80為矩形設(shè)計(jì)，陰極板80的數(shù)個(gè)空氣進(jìn)氣孔82、84是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在陰極板80的側(cè)邊86，陰極板的數(shù)個(gè)空氣出氣孔88、90是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在陰極板80的側(cè)邊92，陰極板80的流場98的每一溝道相互平行且垂直于空氣進(jìn)氣孔82、84與空氣出氣孔88、90；電化學(xué)反應(yīng)用的含氧氣的空氣由空氣進(jìn)氣孔82、84進(jìn)入陰極板80后，呈直線平行流動(dòng)于陰極板80的流場區(qū)98的每一溝道，而由空氣出氣孔88、90流出空氣。
如此，陰極板80的流場設(shè)計(jì)可使空氣均勻流通其每一溝道，而且每一溝道的路徑長度相同，當(dāng)空氣流通于每一溝道時(shí)可與催化劑反應(yīng)均勻。再者，在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，需要大量的含氧氣的空氣，如此，陰極板80的空氣進(jìn)氣孔82、84、空氣出氣孔88、90及流場區(qū)98的溝道等設(shè)計(jì)，其可提供足夠空氣流量進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，以提高燃料電池組的輸出功率。
在圖3中，陰極板80的一氫氣進(jìn)氣孔100是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陰極板80的側(cè)邊102的上半部位置，陰極板80的一氫氣出氣孔104是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陰極板80的側(cè)邊106的下半部位置，氫氣進(jìn)氣孔100與氫氣出氣孔104對陰極板80的每一溝道是不相通的；陰極板80的一冷卻用進(jìn)孔108(可為冷卻水進(jìn)水孔或冷卻空氣進(jìn)氣孔)是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陰極板的側(cè)邊106且與氫氣出氣孔104上下排列，陰極板80的一冷卻用出孔110(可為冷卻水出水孔或冷卻空氣出氣孔)是呈橢圓長條狀的凹槽，其在陰極板80的側(cè)邊102且與氫氣進(jìn)氣孔100上下排列，冷卻用進(jìn)孔108與冷卻用出孔110對陰極板80的每一溝道是不相通的。
如上所述，陽極板30(參考圖2)與陰極板80(參考圖3)可組合成為一雙極板(未繪示)，即陽極板30的流場、氫氣進(jìn)氣孔32、氫氣出氣孔36、冷卻用進(jìn)孔58、冷卻用出孔60、空氣進(jìn)氣孔62、64與空氣出氣孔68、70(參考圖2)等設(shè)計(jì)，以及陰極板80的流場、氫氣進(jìn)氣孔100、氫氣出氣孔104、冷卻用進(jìn)孔108、冷卻用出孔110、空氣進(jìn)氣孔82、84與空氣出氣孔88、90(參考圖3)等設(shè)計(jì)，其可組合成具有雙極板的流場(即陽極板30的流場與陰極板80的流場分別在雙極板的上下兩平面)、氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻用進(jìn)孔、冷卻用出孔、空氣進(jìn)氣孔與空氣出氣孔等設(shè)計(jì)的雙極板。
圖4為本發(fā)明的水冷卻板的流場。在圖4中，燃料電池組的水冷卻板120為矩形設(shè)計(jì)，水冷卻板120的一冷卻水進(jìn)水孔122是呈橢圓長條狀的凹槽，其在水冷卻板120的側(cè)邊124的上半部位置，水冷卻板120的一冷卻水出水孔126是呈橢圓長條狀的凹槽，其在水冷卻板120的側(cè)邊128的下半部位置；水冷卻板120的流場區(qū)130的每一溝道相互平行且垂直于冷卻水進(jìn)水孔122，在流場區(qū)130的每一溝道的轉(zhuǎn)角端132以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入水冷卻板120的流場區(qū)134，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，流場區(qū)134的每一支溝道相互平行且平行于冷卻水進(jìn)水孔122，在流場區(qū)134的每一支溝道的轉(zhuǎn)角端136以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入水冷卻板120的流場區(qū)138，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，流場區(qū)138的每一溝道相互平行且垂直于冷卻水進(jìn)水孔122與冷卻水出水孔126；冷卻水由冷卻水進(jìn)水孔122進(jìn)入水冷卻板120后，以流動(dòng)于流場區(qū)130、134、138的每一溝道，而由冷卻水出水孔126流出具有燃料電池組所產(chǎn)生的熱的冷卻水。
如此，水冷卻板120的流場設(shè)計(jì)，由于其溝道由一分為二，再由二合為一，可使冷卻水流經(jīng)水冷卻板120的溝道時(shí)，對冷卻水產(chǎn)生擾流的作用，使冷卻水冷卻燃料電池組可達(dá)到更有效地冷卻效果。
在圖4中，水冷卻板120的一氫氣進(jìn)氣孔140是呈橢圓長條狀的凹槽，其在水冷卻板的側(cè)邊128且與冷卻水出水孔126上下排列，水冷卻板120的一氫氣出氣孔142是呈橢圓長條狀的凹槽，其在水冷卻板的側(cè)邊124且與冷卻水進(jìn)水孔122上下排列，氫氣進(jìn)氣孔140與氫氣出氣孔142對水冷卻板120的每一溝道是不相通的；水冷卻板120的數(shù)個(gè)空氣進(jìn)氣孔144、146是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在水冷卻板的側(cè)邊148，水冷卻板120的數(shù)個(gè)空氣出氣孔150、152是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在水冷卻板120的側(cè)邊154，空氣進(jìn)氣孔144、146與空氣出氣孔150、152對水冷卻板120的每一溝道是不相通的。
如上所述，陽極板30(參考圖2)與水冷卻板120(參考圖4)可組合成為具有冷卻的陽極板(未繪示)，即陽極板30的流場、氫氣進(jìn)氣孔32、氫氣出氣孔36、冷卻用進(jìn)孔58、冷卻用出孔60、空氣進(jìn)氣孔62、64與空氣出氣孔68、70(參考圖2)等設(shè)計(jì)，以及水冷卻板120的流場、氫氣進(jìn)氣孔140、氫氣出氣孔142、冷卻水進(jìn)水孔122、冷卻水出水孔126、空氣進(jìn)氣孔144、146與空氣出氣孔150、152(參考圖4)等設(shè)計(jì)，其可組合成具有具有冷卻的陽極板的流場(即陽極板30的流場與水冷卻板120的流場分別在具有冷卻的陽極板的上下兩平面)、氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻水進(jìn)水孔、冷卻水出水孔、空氣進(jìn)氣孔與空氣出氣孔等設(shè)計(jì)的具有冷卻的陽極板。
同樣地，陰極板80(參考圖3)與水冷卻板120(參考圖4)可組合成為具有冷卻的陰極板(未繪示)，即陰極板80的流場、氫氣進(jìn)氣孔100、氫氣出氣孔104、冷卻用進(jìn)孔108、冷卻用出孔110、空氣進(jìn)氣孔82、84與空氣出氣孔88、90(參考圖3)等設(shè)計(jì)，以及水冷卻板120的流場、氫氣進(jìn)氣孔140、氫氣出氣孔142、冷卻水進(jìn)水孔122、冷卻水出水孔126、空氣進(jìn)氣孔144、146與空氣出氣孔150、152(參考圖4)等設(shè)計(jì)，其可組合成具有具有冷卻的陰極板的流場(即陰極板80的流場與水冷卻板120的流場分別在具有冷卻的陰極板的上下兩平面)、氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻水進(jìn)水孔、冷卻水出水孔、空氣進(jìn)氣孔與空氣出氣孔等設(shè)計(jì)的具有冷卻的陰極板。
圖5為本發(fā)明的空氣冷卻板的流場。在圖5中，燃料電池組的空氣冷卻板160為矩形設(shè)計(jì)，空氣冷卻板160的一冷卻空氣進(jìn)氣孔162是呈橢圓長條狀的凹槽，其在空氣冷卻板160的側(cè)邊164的上半部位置；空氣冷卻板160的流場區(qū)170的每一溝道相互平行且垂直于冷卻空氣進(jìn)氣孔162，在流場區(qū)170的每一溝道的轉(zhuǎn)角端172以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入空氣冷卻板170的流場區(qū)174，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，流場區(qū)174的每一支溝道相互平行且平行于冷卻空氣進(jìn)氣孔162，在流場區(qū)174的每一支溝道的轉(zhuǎn)角端176以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入空氣冷卻板160的流場區(qū)178，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，流場區(qū)178的每一溝道相互平行且垂直于冷卻空氣進(jìn)氣孔162，并直通于空氣冷卻板160的側(cè)邊168的下半部位置；冷卻空氣由冷卻空氣進(jìn)氣孔162進(jìn)入空氣冷卻板160后，以流動(dòng)于流場區(qū)170、174、178的每一溝道，而由流場區(qū)178的每一溝道直接流出燃料電池組的外部，此時(shí)的冷卻空氣具有燃料電池組所產(chǎn)生的熱。
如此，空氣冷卻板160的流場設(shè)計(jì)，由于其溝道由一分為二，再由二合為一，可使冷卻空氣流經(jīng)空氣冷卻板160的溝道時(shí)，對冷卻空氣產(chǎn)生擾流的作用，使冷卻空氣冷卻燃料電池組可達(dá)到更有效地冷卻效果。
在圖5中，空氣冷卻板160的一氫氣進(jìn)氣孔180是呈橢圓長條狀的凹槽，其在空氣冷卻板160的側(cè)邊168且在流場區(qū)178的每一溝道的上方，空氣冷卻板160的一氫氣出氣孔182是呈橢圓長條狀的凹槽，其在空氣冷卻板160的側(cè)邊164且與冷卻空氣進(jìn)氣孔162上下排列，氫氣進(jìn)氣孔180與氫氣出氣孔182對空氣冷卻板160的每一溝道是不相通的；空氣冷卻板160的數(shù)個(gè)空氣進(jìn)氣孔184、186是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在空氣冷卻板160的側(cè)邊188，空氣冷卻板160的數(shù)個(gè)空氣出氣孔190、192是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在空氣冷卻板160的側(cè)邊194，空氣進(jìn)氣孔184、186與空氣出氣孔190、192對空氣冷卻板160的每一溝道是不相通的。
如上所述，陽極板30(參考圖2)與空氣冷卻板160(參考圖5)可組合成為具有冷卻的陽極板(未繪示)，即陽極板30的流場、氫氣進(jìn)氣孔32、氫氣出氣孔36、冷卻用進(jìn)孔58、冷卻用出孔60、空氣進(jìn)氣孔62、64與空氣出氣孔68、70(參考圖2)等設(shè)計(jì)，以及空氣冷卻板160的流場、氫氣進(jìn)氣孔180、氫氣出氣孔182、冷卻空氣進(jìn)氣孔162、冷卻空氣出氣孔166、空氣進(jìn)氣孔184、186與空氣出氣孔190、192(參考圖5)等設(shè)計(jì)，其可組合成具有具有冷卻的陽極板的流場(即陽極板30的流場與空氣冷卻板160的流場分別在具有冷卻的陽極板的上下兩平面)、氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻空氣進(jìn)氣孔、冷卻空氣出氣孔、空氣進(jìn)氣孔與空氣出氣孔等設(shè)計(jì)的具有冷卻的陽極板。
同樣地，陰極板80(參考圖3)與空氣冷卻板160(參考圖5)可組合成為具有冷卻的陰極板(未繪示)，即陰極板80的流場、氫氣進(jìn)氣孔100、氫氣出氣孔104、冷卻用進(jìn)孔108、冷卻用出孔110、空氣進(jìn)氣孔82、84與空氣出氣孔88、90(參考圖3)等設(shè)計(jì)，以及空氣冷卻板160的流場、氫氣進(jìn)氣孔180、氫氣出氣孔182、冷卻空氣進(jìn)氣孔162、冷卻空氣出氣孔166、空氣進(jìn)氣孔184、186與空氣出氣孔190、192(參考圖5)等設(shè)計(jì)，其可組合成具有具有冷卻的陰極板的流場(即陰極板80的流場與空氣冷卻板160的流場分別在具有冷卻的陰極板的上下兩平面)、氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻空氣進(jìn)氣孔、冷卻空氣出氣孔、空氣進(jìn)氣孔與空氣出氣孔等設(shè)計(jì)的具有冷卻的陰極板。
綜合上述，可利用陽極板30(參考圖2)、陰極板80(參考圖3)、雙極板(未繪示)、水冷卻板120(參考圖4)及空氣冷卻板160(參考圖5)，加上電極層與質(zhì)子交換膜等(未繪示)，以組合成燃料電池組具模塊化的單體電池，如圖6為本發(fā)明的水冷式燃料電池組的外觀示意圖所示。
在圖6中，水冷式燃料電池組200具有氫氣進(jìn)氣孔202、氫氣出氣孔204、冷卻水進(jìn)水孔206、冷卻水出水孔208、空氣進(jìn)氣孔210及空氣出氣孔(未繪示)，水冷式燃料電池組200的單體電池的組合可以是陽極板30、陰極板80及水冷卻板120，也可以是陽極板、雙極板、陰極板及水冷卻板(其組合未繪示)，加上電極層與質(zhì)子交換膜等(未繪示)各種不同具有模塊化的組合極板的組合。
同樣地，氣冷式燃料電池組(未繪示)可具有氫氣進(jìn)氣孔、氫氣出氣孔、冷卻空氣進(jìn)氣孔、冷卻空氣出氣孔、空氣進(jìn)氣孔及空氣出氣孔，氣冷式燃料電池組的單體電池的組合可以是陽極板、陰極板及空氣冷卻板，也可以是陽極板、雙極板、陰極板及空氣冷卻板，加上電極層與質(zhì)子交換膜等(未繪示)各種不同具有模塊化的組合極板的組合。
本發(fā)明的特征是在提供對陽極板與陰極板的流場設(shè)計(jì)，使氫氣與氧氣均勻流通其每一溝道，而且每一溝道的路徑長度相同，使氫氣與氧氣流通于每一溝道可與催化劑反應(yīng)均勻，以及提供足夠的電化學(xué)反應(yīng)用的氫氣與氧氣的流量，以提高燃料電池組的輸出功率。
本發(fā)明的另一特征是在提供對冷卻水或冷卻空氣的冷卻板的流場設(shè)計(jì)，使其對冷卻水或冷卻空氣產(chǎn)生擾流作用，而使燃料電池組可達(dá)到更有效地冷卻效果。
本發(fā)明可在不離開本發(fā)明的精神及基本特征下作成各種特定的例示。本發(fā)明的范圍為由隨附的權(quán)利要求所限定，而并非由上述說明所限制，所有與權(quán)利要求意義相等的變化均應(yīng)包含于本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組的陽極板的流場，其特征在于該陽極板為矩形設(shè)計(jì)，該陽極板的一氫氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陽極板的第一側(cè)邊的上半部位置，該陽極板的一氫氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在相對于該陽極板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，該陽極板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該氫氣進(jìn)氣孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該陽極板的第二流場區(qū)，第二流場區(qū)的每一溝道相互平行且平行于該氫氣進(jìn)氣孔，在第二流場區(qū)的每一溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該陽極板的第三流場區(qū)，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該氫氣進(jìn)氣孔，在第三流場區(qū)的每一溝道的第三轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該陽極板的第四流場區(qū)，第四流場區(qū)的每一溝道相互平行且平行于該氫氣進(jìn)氣孔，在第四流場區(qū)的每一溝道的第四轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該陽極板的第五流場區(qū)，第五流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該氫氣進(jìn)氣孔與該氫氣出氣孔，電化學(xué)反應(yīng)用的氫氣由該氫氣進(jìn)氣孔進(jìn)入該陽極板后，呈S形流動(dòng)于第一流場區(qū)至第五流場區(qū)的每一溝道，而由該氫氣出氣孔流出未反應(yīng)的氫氣。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組的陽極板的流場，其特征在于該陽極板的每一溝道的路徑長度是相等的。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組的陽極板的流場，其特征在于該陽極板的一冷卻用進(jìn)孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陽極板的第二側(cè)邊且與該氫氣出氣孔上下排列，該陽極板的一冷卻用出孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陽極板的第一側(cè)邊且與該氫氣進(jìn)氣孔上下排列，該冷卻用進(jìn)孔與該冷卻用出孔對該陽極板的每一溝道是不相通的。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組的陽極板的流場，其特征在于該陽極板的多個(gè)空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在該陽極板的第一側(cè)邊與第二側(cè)邊之間的第三側(cè)邊，該陽極板的多個(gè)空氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在相對于該陽極板的第三側(cè)邊的第四側(cè)邊，這些空氣進(jìn)氣孔與這些空氣出氣孔對該陽極板的每一溝道是不相通的。
5.一種燃料電池組的陰極板的流場，其特征在于該陰極板為矩形設(shè)計(jì)，該陰極板的多個(gè)空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在該陰極板的第一側(cè)邊，該陰極板的多個(gè)空氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在相對于該陰極板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊，該陰極板的流場的每一溝道相互平行且垂直于這些空氣進(jìn)氣孔與這些空氣出氣孔，電化學(xué)反應(yīng)用的含氧氣的空氣由這些空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入該陰極板后，呈直線平行流動(dòng)于該陰極板的流場的每一溝道，而由這些空氣出氣孔流出空氣。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池組的陰極板的流場，其特征在于該陰極板的每一溝道的路徑長度是相等的。
7.如權(quán)利要求5所述的燃料電池組的陰極板的流場，其特征在于該陰極板的一氫氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陰極板的第一側(cè)邊與第二側(cè)邊之間的第三側(cè)邊的上半部位置，該陰極板的一氫氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在相對于該陰極板的第三側(cè)邊的第四側(cè)邊的下半部位置，該氫氣進(jìn)氣孔與該氫氣出氣孔對該陰極板的每一溝道是不相通的。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池組的陰極板的流場，其特征在于該陰極板的一冷卻用進(jìn)孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陰極板的第四側(cè)邊且與該氫氣出氣孔上下排列，該陰極板的一冷卻用出孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該陰極板的第三側(cè)邊且與該氫氣進(jìn)氣孔上下排列，該冷卻用進(jìn)孔與該冷卻用出孔對該陰極板的每一溝道是不相通的。
9.一種燃料電池組的水冷卻板的流場，該水冷卻板為矩形設(shè)計(jì)，該水冷卻板的一冷卻水進(jìn)水孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該水冷卻板的第一側(cè)邊的上半部位置，該水冷卻板的一冷卻水出水孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在相對于該水冷卻板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，該水冷卻板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該冷卻水進(jìn)水孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該水冷卻板的第二流場區(qū)，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，第二流場區(qū)的每一支溝道相互平行且平行于該冷卻水進(jìn)水孔，在第二流場區(qū)的每一支溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該水冷卻板的第三流場區(qū)，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該冷卻水進(jìn)水孔與該冷卻水出水孔，冷卻水由該冷卻水進(jìn)水孔進(jìn)入該水冷卻板后，以流動(dòng)于第一流場區(qū)至第三流場區(qū)的每一溝道，冷卻水由一個(gè)溝道分流至兩個(gè)支溝道，再由兩個(gè)支溝道合并為一個(gè)溝道，其對冷卻水產(chǎn)生擾流作用，而后由該冷卻水出水孔流出具有該燃料電池組所產(chǎn)生的熱的冷卻水。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池組的水冷卻板的流場，其特征在于該水冷卻板的一氫氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該水冷卻板的第二側(cè)邊且與該冷卻水出水孔上下排列，該水冷卻板的一氫氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該水冷卻板的第一側(cè)邊且與該冷卻水進(jìn)水孔上下排列，該氫氣進(jìn)氣孔與該氫氣出氣孔對該水冷卻板的每一溝道是不相通的。
11.如權(quán)利要求9所述的燃料電池組的水冷卻板的流場，其特征在于該水冷卻板的多個(gè)空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在該水冷卻板的第一側(cè)邊與第二側(cè)邊之間的第三側(cè)邊，該水冷卻板的多個(gè)空氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在相對于該水冷卻板的第三側(cè)邊的第四側(cè)邊，這些空氣進(jìn)氣孔與這些空氣出氣孔對該水冷卻板的每一溝道是不相通的。
12.一種燃料電池組的空氣冷卻板的流場，該空氣冷卻板為矩形設(shè)計(jì)，該空氣冷卻板的一冷卻空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該空氣冷卻板的第一側(cè)邊的上半部位置，該空氣冷卻板的第一流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該冷卻空氣進(jìn)氣孔，在第一流場區(qū)的每一溝道的第一轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該空氣冷卻板的第二流場區(qū)，并且由每一溝道分支成為兩個(gè)支溝道，第二流場區(qū)的每一支溝道相互平行且平行于該冷卻空氣進(jìn)氣孔，在第二流場區(qū)的每一支溝道的第二轉(zhuǎn)角端以圓弧垂直轉(zhuǎn)角進(jìn)入該空氣冷卻板的第三流場區(qū)，并且由兩個(gè)支溝道合并成為一個(gè)溝道，第三流場區(qū)的每一溝道相互平行且垂直于該冷卻空氣進(jìn)氣孔，并直通相對于該空氣冷卻板的第一側(cè)邊的第二側(cè)邊的下半部位置，冷卻空氣由該冷卻空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入該空氣冷卻板后，以流動(dòng)于第一流場區(qū)至第三流場區(qū)的每一溝道，冷卻空氣由一個(gè)溝道分流至兩個(gè)支溝道，再由兩個(gè)支溝道合并為一個(gè)溝道，其對冷卻空氣產(chǎn)生擾流作用，而后由第三流場區(qū)的每一溝道直接流出具有該燃料電池組所產(chǎn)生的熱的冷卻空氣至該燃料電池組外。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池組的空氣冷卻板的流場，其特征在于該空氣冷卻板的一氫氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該空氣冷卻板的第二側(cè)邊且在第三流場區(qū)的每一溝道的上方，該空氣冷卻板的一氫氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其在該空氣冷卻板的第一側(cè)邊且與該冷卻空氣進(jìn)氣孔上下排列，該氫氣進(jìn)氣孔與該氫氣出氣孔對該空氣冷卻板的每一溝道是不相通的。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料電池組的空氣冷卻板的流場，其特征在于該空氣冷卻板的多個(gè)空氣進(jìn)氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在該空氣冷卻板的第一側(cè)邊與第二側(cè)邊之間的第三側(cè)邊，該空氣冷卻板的多個(gè)空氣出氣孔是呈橢圓長條狀的凹槽，其左右平行排列在相對于該空氣冷卻板的第三側(cè)邊的第四側(cè)邊，這些空氣進(jìn)氣孔與這些空氣出氣孔對該空氣冷卻板的每一溝道是不相通的。
15.如權(quán)利要求1、5或9所述的流場，其特征在于該陽極板、該陰極板與該水冷卻板可模塊化成一水冷式燃料電池組的一組合極板。
16.如權(quán)利要求1、5或12所述的流場，其特征在于該陽極板、該陰極板與該空氣冷卻板可模塊化成一氣冷式燃料電池組的一組合極板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池組的組合極板的流場，組合極板包含一陽極板、一陰極板、一水冷卻板及一空氣冷卻板。陽極板與陰極板的流場設(shè)計(jì)，使氫氣與氧氣均勻流通其每一溝道，而且每一溝道的路徑長度相同，使氫氣與氧氣流通于每一溝道可與催化劑反應(yīng)均勻，以及提供足夠的電化學(xué)反應(yīng)用的氫氣與氧氣的流量。并且，冷卻水或冷卻空氣的冷卻板的流場設(shè)計(jì)，使其對冷卻水或冷卻空氣產(chǎn)生擾流作用。
文檔編號H01M8/02GK1459881SQ0212037
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月23日
發(fā)明者楊源生, 鄭耀宗, 徐耀升, 高本木, 楊德洲 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司