專利名稱：帶有雙通道陽極的雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及燃料電池、用于燃料電池的雙極板、用于燃料電池的間接內(nèi)部燃料重整，本發(fā)明還涉及通過雙極板為燃料電池提供陽極反應(yīng)物的雙通道的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池堆由彼此堆疊從而呈現(xiàn)電位序關(guān)系(electrical seriesrelationship)的多個(gè)單平板電池組成。每個(gè)單電池包括陽極、陰極和電解質(zhì)部分?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的部件如雙極隔板、雙極板、互連件(interconnect)、隔離件(separator)、流場板(flow field plate)分隔燃料電池堆中電池堆疊體的相鄰單電池。雙極隔板可用于多種其他目的，例如，用作經(jīng)受將燃料電池堆保持在一起的壓力的機(jī)械支撐；給各流動(dòng)室提供反應(yīng)物和冷卻劑的流體通道；以及為燃料電池產(chǎn)生的電流提供路徑。這種板還可配有消除燃料電池中發(fā)生的燃料電池放熱反應(yīng)產(chǎn)生的過多熱量的機(jī)構(gòu)。
一些雙極隔板包括被設(shè)計(jì)成用于氣體冷卻劑、液體冷卻劑或者吸熱燃料重整的整體式冷卻劑腔或者冷卻劑流動(dòng)通道。冷卻劑流動(dòng)通道可以位于兩個(gè)外部金屬板之間的中心，每個(gè)外部金屬板都模制成帶有多道溝槽或凸紋。若一塊板的最高處擱在下一塊板的最低處，則形成冷卻腔。兩塊板都是雙極板的構(gòu)件，因此都必須具有足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)固性，以經(jīng)受施加到組裝的燃料電池堆上的擠壓密封力(compressive sealing force)。授權(quán)于Allen的美國專利5,795,665號給出了以下教導(dǎo)當(dāng)表面微凹(dimpled)的單件雙極隔離件的最高處位于活性組成部分(active component)的表面微凹組件的最低處時(shí)，在MCFC雙極隔板內(nèi)形成“重整室”和帶有設(shè)置于所述兩組成部分之間的平板阻隔件(barrier)的集流體。形成的腔中裝有用于燃料的吸熱蒸汽重整的重整催化劑。
在不同反應(yīng)物流和反應(yīng)物歧管設(shè)計(jì)中可以對雙極隔離件中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)作出各種選擇?，F(xiàn)有的對于流動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇是平串流(co-flow)、逆流、交叉流以及各種所使用的蛇形流?，F(xiàn)有的用于反應(yīng)物和冷卻劑的歧管被設(shè)計(jì)為內(nèi)部式、外部式或者內(nèi)外部組合的形式。集流燃料、氧化劑和冷卻劑，以對相對于整個(gè)設(shè)計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)起作用的雙極隔板的表面提供均勻的流動(dòng)。
本發(fā)明的目的是提供一種可減少和克服現(xiàn)有部件中存在的部分或者全部缺陷的雙極板。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過下面對本發(fā)明所公開的和特定的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述將更清楚本發(fā)明的具體目的和優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式可以在帶有中心流動(dòng)腔的雙極板內(nèi)部提供用于間接內(nèi)部燃料重整器的初級流動(dòng)路徑和用于陽極流場的次級流動(dòng)路徑。該中心流動(dòng)腔以使陽極反應(yīng)物燃料經(jīng)過燃料電池雙極板兩次的方式和陽極流場流體連通。
經(jīng)過雙極板的整個(gè)流動(dòng)路徑包括處于雙極板的第一邊緣區(qū)內(nèi)并與雙極板中心腔流體連通的第一內(nèi)部歧管。雙極板的中心腔包括多條流道(flowchannel)，這些流道和位于雙極板的對置的第二邊緣區(qū)內(nèi)的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間(turnaroung plenum)流體連通?；剞D(zhuǎn)通風(fēng)空間通過多道縫隙和雙極板的陽極流場流體連通。陽極流場包括多條流道，這些流道和中心腔的流道疊套且和雙極板第一邊緣區(qū)內(nèi)的第二內(nèi)部歧管流體連通。
根據(jù)第一方面，燃料電池雙極板包括第一板，該板具有第一表面、對置的第二表面、以及在第一板的第一表面上限定出陽極流道的多個(gè)凸紋。第二板具有第一表面、對置的第二表面、以及在第一板的第二表面上限定出陰極流道的多個(gè)凸紋。第二板和第一板疊套，從而限定出在第一和第二板之間延伸的多條中心流道。在第一和第二板的一端形成第一邊緣區(qū)，而在第一和第二板的相對端形成第二邊緣區(qū)。在第一邊緣區(qū)內(nèi)形成與中心流道流體連通的多個(gè)第一內(nèi)部燃料歧管。在第一邊緣區(qū)內(nèi)形成與陽極流道流體連通的多個(gè)第二內(nèi)部燃料歧管。在第二邊緣區(qū)內(nèi)形成回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間，該回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與中心流道和陽極流道流體連通。
根據(jù)第二方面，燃料電池雙極板包括由第一板和第二板形成的板，該板包括多個(gè)部段。第一板具有第一表面、對置的第二表面、以及在第一板的第一表面上限定出陽極流道的多個(gè)凸紋。第二板具有第一表面、對置的第二表面、以及在第一板的第二表面上限定出陰極流道的多個(gè)凸紋。第二板和第一板疊套，從而限定出多條在第一和第二板之間延伸的中心流道。在第一和第二板的一端形成第一邊緣區(qū)，而在第一和第二板的相對端形成第二邊緣區(qū)。在各部段的第一邊緣區(qū)內(nèi)形成與中心流道流體連通的多個(gè)第一內(nèi)部燃料歧管。在各部段的第一邊緣區(qū)內(nèi)形成與陽極流道流體連通的多個(gè)第二內(nèi)部燃料歧管。在第二邊緣區(qū)內(nèi)形成回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間，該回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與中心流道和陽極流道流體連通。
從隨后對特定優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述可進(jìn)一步理解這里所公開的發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


通過結(jié)合附圖通讀隨后的詳細(xì)說明，本發(fā)明的各方面將更加顯而易見。附圖中圖1是本發(fā)明雙極板的平面圖；圖2是沿圖1中線2-2剖切的、圖1所示的雙極板的橫截面；圖3是沿圖1中線3-3剖切的、圖1所示的雙極板的橫截面；圖4是圖1所示的雙極板的透視圖，所示出的雙極板被局部切開，且示出了回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間和縫隙；圖5示意性地表示出通過圖1所示的雙極板的反應(yīng)物流動(dòng)路徑。
這些附圖不一定按比例畫出，而應(yīng)理解為是對本發(fā)明的介紹，對本發(fā)明所包含的原理的說明。圖中描繪的帶有雙通道陽極的雙極板的一些特征相對于其它部分已被放大或與實(shí)際情況有出入，以利于解釋和理解。對于在不同的可選擇的實(shí)施方式中示出的相同或者相似組成部分或特征，在附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示。這里公開的帶雙通道陽極的雙極板應(yīng)具有根據(jù)計(jì)劃應(yīng)用和使用的環(huán)境確定的結(jié)構(gòu)和組成部分。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，以平面圖形式示出的帶有形成有流道的中心腔的雙極板1包括一系列重復(fù)部段2，這些部段2是逐步用設(shè)備加工出的、成形雙極板1的沖模的制成品。雙極板1還包括在雙極板1的第一對置邊緣區(qū)5中的第一內(nèi)部燃料歧管3和第二內(nèi)部燃料歧管4。雙極板進(jìn)一步包括第二對置邊緣區(qū)6。所看到的雙極板的帶凸紋的活性區(qū)(active area)7位于第一和第二對置邊緣區(qū)5、6之間。圖3中看到的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21位于第二對置邊緣區(qū)6內(nèi)，下面將更加詳細(xì)地說明該回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間。第一邊緣區(qū)5的內(nèi)部歧管3、4彼此相鄰，在一優(yōu)選實(shí)施方式中將這些內(nèi)部歧管設(shè)置成使得用于雙極板1的單獨(dú)部段2的內(nèi)部歧管3、4的中心處于基本上平行于雙極板1中流過活性區(qū)域7的總流動(dòng)路徑地延伸的直線上。
在2000年11月16日提交的、名稱為“燃料電池雙極隔板和集流體組件及其制造方法(Fuel Cell Bipolar Separator Plate and Current CollectorAssembly and Method of Manufacture)”、序列號為09/714,526的美國專利申請中可找到對雙極板及形成這種雙極板的方法的描述，本申請將其全部公開內(nèi)容作為參考。
圖2示出了沿圖1中線2-2剖切的雙極板1的橫截面。雙極板1包括第一板10和第二板11，每塊板優(yōu)選由金屬構(gòu)成。借助于同一逐步拉伸成形設(shè)備可在構(gòu)成雙極板1的第一板10和第二板11上形成流紋構(gòu)造的花紋(patterns of flow structure)。對第一板10的所述構(gòu)造進(jìn)行沖壓，使其具有比第二板11中形成的凸紋更深的深度12。結(jié)果，將兩塊材料板結(jié)合在一起時(shí)，它們呈疊套狀，在第一和第二板10、11之間的有凸紋的活性區(qū)7內(nèi)形成中心流道13。在雙極板1的中心流道13內(nèi)的朝向第一板10的第二板11的第一表面14上被成行地排列有催化劑15。催化劑15包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的、能促進(jìn)甲醇的蒸汽重整的任何催化劑。陽極流道16形成在第二板11的朝外的第一表面17上并沿有凸紋的活性區(qū)域7延伸。第二板11的朝內(nèi)表面形成中心流道13的一部分。陰極流道18形成在第一板10的朝外的第二表面19上并沿有凸紋的活性區(qū)域7延伸。
圖3中示出了帶有中心流道13的雙極板1的橫截面，該橫截面是沿圖1中線3-3剖切的橫截面。如上所述，回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21形成在第二邊緣區(qū)6內(nèi)且與中心流道13流體連通。在第二邊緣區(qū)6內(nèi)形成使回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21和陽極流道16之間流體連通的縫隙22。因此，流體流動(dòng)路徑從位于第一邊緣區(qū)5內(nèi)的第一內(nèi)部燃料歧管3開始經(jīng)過中心流道13、再經(jīng)過第二邊緣區(qū)6內(nèi)的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21和縫隙22、陽極流道16，到達(dá)第一邊緣區(qū)5內(nèi)的第二內(nèi)部歧管4。如上所述，催化劑15設(shè)置在流道13內(nèi)的第一板10的表面14上。
圖4中示出了雙極板1的等比例的剖面。所看到的多道縫隙22a、22b、22c的每一個(gè)都在第二板11的相應(yīng)陽極流道16a、16b、16c的終端且在第二邊緣區(qū)6內(nèi)。隔片28處于第二邊緣區(qū)6內(nèi)，用于確保雙極板1折回到其自身上的部分形成與雙極板1的其余部分的頂表面完全齊平的第二邊緣區(qū)6。第一板11上設(shè)有多根扁導(dǎo)線24。電極26位于扁導(dǎo)線24上，使得流經(jīng)陽極流道16a、16b和16c的反應(yīng)物氣體可以和電極26反應(yīng)。于2002年5月7日授權(quán)的共同所有的(in commonly owned)、名稱為“燃料電池集流體(Fuel Cell Current Collector)”的美國專利6,383,677號中對這種扁導(dǎo)線的使用作出了進(jìn)一步說明，其全部內(nèi)容作為本申請的參考。
在反應(yīng)物第一次流過雙極板1的中心流道13時(shí)，陽極反應(yīng)物的成分為甲醇、蒸汽和再循環(huán)的陽極排氣的混合物。中心流道13的表面14上的催化劑15促使甲醇蒸汽重整。陽極反應(yīng)物的所述成分使得可以在存在蒸汽重整催化劑的情況下實(shí)現(xiàn)99.9％的均衡的甲醇轉(zhuǎn)化。重整的陽極反應(yīng)物從中心流道13流到回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21。
在第二次通過時(shí)，當(dāng)重整的陽極反應(yīng)物通過回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間21和縫隙22后，其流過雙極板1的方向反向且通過陽極流道16。陽極反應(yīng)物將進(jìn)入陽極流場，并在燃料電池的陽極26上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。因此，中心流道13以使陽極反應(yīng)物燃料經(jīng)過燃料電池雙極板兩次的方式和陽極流道16流體連通。
在圖5中示意地示出了陽極反應(yīng)物流動(dòng)路徑40和陰極反應(yīng)物流動(dòng)路徑41彼此之間的關(guān)系的優(yōu)選實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，當(dāng)陽極反應(yīng)物經(jīng)過陽極流道16時(shí)，陰極流動(dòng)路徑41的流動(dòng)方向與陽極流動(dòng)路徑40的流動(dòng)方向相反。當(dāng)陽極反應(yīng)物經(jīng)過中心流道13時(shí)，陰極流動(dòng)路徑41和陽極反應(yīng)物流動(dòng)路徑40一致?？梢岳斫猓渌鲃?dòng)路徑結(jié)構(gòu)，例如逆流、交叉流都將落入本發(fā)明的范圍。
根據(jù)上面對本發(fā)明內(nèi)容的公開和優(yōu)選實(shí)施方式的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，在不超出本發(fā)明的范圍和構(gòu)思的前提下，可進(jìn)行各種變換和修改。所有這些變換和修改都將被所附的權(quán)利要求涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池雙極板，包括組合在一起的第一板，該第一板具有第一表面、對置的第二表面、以及在該第一板的所述第一表面上限定出陽極流道的多個(gè)凸紋；第二板，該第二板具有第一表面、對置的第二表面、以及在所述第一板的所述第二表面上限定出陰極流道的多個(gè)凸紋，所述第二板和第一板疊套，從而限定出在所述第一和第二板之間延伸的多條中心流道；處于所述第一和第二板一端的第一邊緣區(qū)，以及處于所述第一和第二板相對端的第二邊緣區(qū)；形成在所述第一邊緣區(qū)內(nèi)且和所述中心流道流體連通的多個(gè)第一內(nèi)部燃料歧管；形成在所述第一邊緣區(qū)內(nèi)且和所述陽極流道流體連通的多個(gè)第二內(nèi)部燃料歧管；及形成在所述第二邊緣區(qū)內(nèi)的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間，該回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與所述中心流道和所述陽極流道流體連通。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，還包括在所述中心流道內(nèi)的所述第二板的第一表面上的催化劑。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，還包括形成在所述第二密封區(qū)內(nèi)、使所述回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與所述陽極流道流體連通的縫隙。
4.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述第二端部區(qū)的一部分被折疊在其本身上，而且在該折疊部分內(nèi)設(shè)有隔片。
5.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述雙極板由多個(gè)部段組成，每個(gè)部段具有第一內(nèi)部燃料歧管和第二內(nèi)部燃料歧管。
6.如權(quán)利要求5所述的雙極板，其中，每個(gè)部段的所述第一和第二內(nèi)部燃料歧管的中心都處于基本上平行于所述雙極板的流動(dòng)路徑地延伸的直線上。
7.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，還包括位于所述第一板的第一表面上的多根扁導(dǎo)線。
8.如權(quán)利要求7所述的雙極板，其中，還包括位于所述扁導(dǎo)線上的電極。
9.一種燃料電池雙極板，包括組合在一起的由第一板和第二板形成的板，該板包括多個(gè)部段，所述第一板具有第一表面、對置的第二表面、以及在所述第一板的所述第一表面上限定出陽極流道的多個(gè)凸紋，所述第二板具有第一表面、對置的第二表面、以及在所述第一板的所述第二表面上限定出陰極流道的多個(gè)凸紋，所述第二板和所述第一板疊套，從而限定出在所述第一和第二板之間延伸的多條中心流道；處于所述第一和第二板的一端的第一邊緣區(qū)，及處于所述第一和第二板的相對端的第二邊緣區(qū)；形成在各部段的所述第一邊緣區(qū)內(nèi)且和所述中心流道流體連通的第一內(nèi)部燃料歧管；形成在各部段的所述第一邊緣區(qū)內(nèi)且和所述陽極流道流體連通的第二內(nèi)部燃料歧管；及形成在所述第二邊緣區(qū)內(nèi)的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間，該回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與所述中心流道和所述陽極流道流體連通。
10.如權(quán)利要求9所述的雙極板，其中，還包括在所述中心流道內(nèi)的所述第二板的第一表面上的催化劑。
11.如權(quán)利要求9所述的雙極板，其中，還包括形成在所述第二密封區(qū)內(nèi)、使所述回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間與所述陽極流道流體連通的縫隙。
12.如權(quán)利要求9所述的雙極板，其中，所述第二端部區(qū)的一部分折疊在其本身上，而且在該折疊部分內(nèi)設(shè)有隔片。
13.如權(quán)利要求9所述的雙極板，其中，各部段的所述第一和第二內(nèi)部燃料歧管的中心都處于基本上平行于所述雙極板的流動(dòng)路徑地延伸的直線上。
14.如權(quán)利要求9所述的雙極板，其中，還包括位于所述第一板的所述第一表面上的多根扁導(dǎo)線。
15.如權(quán)利要求14所述的雙極板，其中，還包括位于所述扁導(dǎo)線上的電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池雙極板(1)，其包括帶有限定出陽極和陰極流道的凸紋的第一和第二板。將此兩板疊套，從而限定出多條中心流道(13)。在此兩板的端部形成第一和第二邊緣區(qū)。在第一邊緣區(qū)內(nèi)形成多根與中心流道(13)流體連通的第一內(nèi)部燃料歧管(3)。在第一邊緣區(qū)內(nèi)形成多根與中心流道以及陽極流道(16)流體連通的第二內(nèi)部燃料歧管(4)。在第二邊緣區(qū)(6)內(nèi)形成與中心流道(13)和陽極流道(16)流體連通的回轉(zhuǎn)通風(fēng)空間(21)。
文檔編號H01M8/02GK1708870SQ200380102128
公開日2005年12月14日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月18日
發(fā)明者杰弗里·P·艾倫, 彼得·W·艾倫, 倫道夫·M·伯納德 申請人:吉恩塞爾公司