[发明专利]穿孔流量分配器板

说明书

在许多技术应用中，都存在在化学和工程装置内有效地传输和分配液体 和气体混合物的需要。通常，热交换器和化学反应器的性能关键依赖于流经 其的流体的分布。

诸如燃料电池的电化学反应器是其中反应物的分布以及产物的移除需 要特别关注的特例。在最基本的构造中，燃料电池包括支撑在薄的质子交换 膜的两个相对表面上的一对电极，其中所得的膜电极组件插在一对集电器板 之间。燃料和氧化剂被从外界持续供给电池，并且燃料和氧化剂被允许分别 在阳极和阴极反应，燃料通常为纯氢或稀释酒精，氧化剂可以为氧或空气。 膜电极组件通常包括合适的催化表面，以加速还原和氧化反应。在阳极释放 的电子成为电源，而且在电极的氧化还原电压下经由外部电流导体而向阴极 移动，以与过量的质子和氧化剂反应形成水。直接甲醇燃料电池的各化学反 应如下：

CH₃OH+H₂O→6H⁺+CO₂+6e^-  (阳极反应)

3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O     (阴极反应)

对许多实际使用来说必须将多个单独的电池串联堆叠在一起。在由此所 得的设置中，在本领域中已知为“燃料电池堆体”，每一对相邻电池的相对 荷电的电极被一个或多个导电板所隔开。在所有该应用中，术语“双极板”、 “双极单元”和“双极组件”可互换使用，以指明前述设置在燃料电池堆体 中的相邻电池之间的一个或多个导电板。

用在燃料电池堆体中的双极板理论上旨在起到几个作用：1)收集并传 导电流；2)为反应物和产物提供有效的流量场，即引导从外部源通过设置 在燃料电池堆体内的合适的通道输送到双极板的反应物，并使其与相邻的电 极接触，并允许在优选的流动区域以最小压降有效地从其去除反应产物；3) 机械支撑整个燃料电池堆体设置；4)允许有效率地传热；5)主要在涉及温 度变化的操作过程中，有助于堆体的弹性(resiliency)；以及6)提供体积小 重量轻的结构。

现有技术提出了各种适合用于双极板组件的设计，以试图满足前述需 求。以下讨论涉及各种包括多个在结构上修改过的金属片的组合，金属片位 于燃料电池堆体中的相邻电池之间。

US 4855193公布了一种燃料电池，其中导电屏(screen)置于分隔器片 和与电极表面接触的防潮碳片之间。

US 6007933描述了结合其上限定有蛇形流动通道的分隔器板的有孔金 属片的使用。

WO 2003/0203272描述了用于在燃料电池的阳极表面上均匀分配气态 燃料的系统，据此，有孔的第一板置于阳极和其上设置有凸起的第二板之间， 其中所述第二板面向阴极并与其由于所述凸起而电接触。限定在所述第一和 第二板之间的增压空间(plenum)用于接收燃料，燃料通过前述孔到达阳极 表面。

US 6872482描述了一种燃料电池堆体，包括金属片形式的片簧，能够当 置于负载下及移除所述负载时经受弹性形变。片簧插在一对金属板之间，金 属板限定根据所述公布所公开的电池的分隔器。

本发明的一个目的是提供一种改进的流量分配器，其尤其适于用作电化 学电池或燃料电池堆体中或者热交换器中的单和/或双极单元部件，特别是在 要求改进且受控的流量场、以及改进的弹性和导电性的直流甲醇燃料电池堆 体和热交换器中。

本发明的另一个目的是提供流量分配器和基于其的双极单元，易于且廉 价地生产并有效满足上述的功能和结构要求的组合。

本发明的另一个目的是提供燃料电池或燃料电池堆体，其包括创新的流 量分配器和基于其的双极单元。

在第一方面，本发明提供流量分配器板，其特别适用于电化学电池和热 交换器中，其中所述板包括穿有多个孔径的导电区，其中所述有孔区的一个 表面设置有在其上分布并从其延伸的导电的弹性可移置的挡板。

流量分配器板的其上设置有弹性可移置挡板的面称作“粗糙面”，而与 其相对的面称作“非粗糙面”。应当注意的是，挡板可以根据预订图案随机 或有序地分布在流量分配器板的粗糙面上。