专利名称：蒸发冷却和润湿的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜式电化学发生器，其中直接向气态反应物中注入液态水。
在本领域中，基于膜式电化学发生器将化学能转化成电能的过程是已知的。
通常，膜式电化学发生器由多个互相电串联连接且根据双极结构组装的反应单元形成。
每个反应单元将燃料与氧化剂的反应过程中产生的化学能转化，而不使其完全化为热能，因此，不会受到卡诺循环的限制。具体而言，燃料供应至反应单元的阳极腔室，例如由富氢的气态混合物或轻醇溶液，比如甲醇或乙醇组成，同时将氧化剂供给同一反应单元的阴极腔室，例如由空气或氧气组成。
燃料在阳极腔室中催化地电氧化，释放出质子H+和电子e-，它们在阴极腔室中通过氧化剂的电还原催化反应消耗，产生水。质子交换膜将阳极和阴极腔室隔开，使连续的质子H+流从阳极腔室流至阴极腔室，同时阻止电子e-通过，这通过外部电路相反地发生。这样，在反应单元的电极上产生的电位差最大。
质子交换膜通常用于包含化学惰性聚合物的膜式电化学发生器中，所述聚合物部分地由在液态水存在时能承受酸基水解作用的基团发挥作用，结果分离出电荷。更准确地说，上述水解作用包括正离子(阳离子)的释放和在所述聚合物上固定负电荷的形成。
为了保持质子交换膜稳定地水合，从而可以发生水解作用以及电荷的分离，产生质子的传导，将气态反应物(燃料和氧化剂)供应到电化学发生器中，所述电化学发生器通过在电化学发生器本身外部的昂贵且复杂的饱和装置充满水蒸气，且处于接近反应单元的温度下。
已知的电化学发生器还设有适当的冷却装置，该装置通过与循环流体(例如，去离子水)的热交换，将在发生器本身的工作过程中产生的热量排出。热量必须从电化学发生器中有效地排出，从而实现热量控制，这不仅是由于质子交换膜的热稳定性有限，所述交换膜通常不适于在超过100℃的温度下工作，而且是由于尽可能地限制在电还原反应过程中及其随后的惰性流体和未反应的反应物从发生器排出的过程中产生的水分蒸发，其结果是会有膜变干的危险。
然而，这些冷却装置的存在使已知的电化学发生器变得更复杂，更昂贵。
避免这些不便之处的一种已知的解决方案在同一申请人的国际专利申请WO 00/63992中公开，提出在膜式电化学发生器中直接注入校准的液态水流，该电化学发生器由具有网状材料的反应单元形成，所述网状材料为美国专利US5482792中公开的类型，放在阳极和阴极腔室内。校准的液态水流，利用升高表面的扩展而在所述网状元件中部分蒸发，同时使气态反应物潮湿，实现电化学发生器的热量控制，而不使用两种不同的装置，从而限制了发生器本身的成本和复杂性。
上述解决方案，在很多方面是有益的，但也有多个不便之处。
尤其是，校准的液态水流在每个反应单元的活性区域周围且横切气态反应物流直接注入。这种液态水直接注入的模式，由于后者的动量减小和密封垫圈壁的粘附现象，可能决定了水在每个单元的活性区域内非均匀分布，结果形成非润湿的、热的且开始变干的区域。这样有导致膜变干的影响，因此除了妨碍水蒸发的机制，结果增加了电化学发生器热量控制所需的液态水流速之外，还减少了它们的运行寿命。
本发明的目的是提供一种没有上述缺陷的膜式电化学发生器。
根据本发明，提供了一种如权利要求1所述的膜式电化学发生器。
为了更好地理解本发明，下面参照附图描述一个实施例，该实施例仅是非限制性的示例，其中
图1示出了本发明的膜式电化学发生器的第一实施例的分解侧视图；图2示出了图1的膜式电化学发生器的部件的前视图3a，3b，3c示出了图1的膜式电化学发生器的其他部件的实施例的前视图；图4示出了本发明的膜式电化学发生器的第二实施例的分解侧视图；图5a，5b示出了图4的电化学发生器的部件的两个不同实施例的前视图；图6示出了本发明的膜式电化学发生器的第三实施例的一部分的侧视图；图7a，7b示出了图6的电化学发生器的部件的前视图；图8a，8b示出了图6的电化学发生器的另一部件的前视图；图9a，9b示出了图8a和8b中所示部件的不同实施例的前视图；图10a，10b示出了图7a，7b中所示部件的不同实施例的前视图；图11a，11b示出了图8a和8b中所示部件的不同实施例的前视图；图12a，12b示出了图9a和9b中所示部件的不同实施例的前视图。
图1示出了本发明的膜式电化学发生器的第一实施例。电化学发生器1包含多个互相串联连接且根据压滤型结构组装的反应单元2。
更详细地说，每个反应单元2由一对导电双极板3限界，所述板具有平面，其中向外开始包含离子交换膜4；一对多孔电极5；一对沉积在膜4和每一多孔电极5之间的界面上的催化剂层6；一对电流汇集器/分配器7，通过美国专利US5482792中所述类型的网状金属元件实现，使导电的双极板3电连接于多孔电极5，同时分配气态反应物；由阳极密封垫圈8a和阴极密封垫圈8b构成的密封垫圈对8a，8b。阳极密封垫圈8a用于密封反应单元2的阳极腔室9的外围，以防止燃料(尤其是氢)泄漏，而阴极密封垫圈8b用于密封反应单元2的阴极腔室10的外围，以防止氧化剂(尤其是空气)泄漏。阳极和阴极密封垫圈8a，8b也用作电流汇集器/分配器7的基座。
如图2所示，导电的双极板3具有基本上矩形的形状，且每个都有周边部分11，该部分设有第一和第二上部开口12，13，用于其他反应物、分别是燃料和氧化剂通过；第一和第二下部开口14，15，用于排出混和有任意的残留反应物的反应产物；侧部开口16，用于冷却流体通过，尤其是液态水。周边部分11还设有多个孔17，用于容纳连杆，通过连杆实现电化学发生器1的张紧。
在电化学发生器1的组装过程中，所有导电双极板3的第一和第二上部开口12，13之间的连接决定了形成两个上部纵向管道18，而所有导电双极板3的第一和第二下部开口14，15之间的连接决定了形成两个下部纵向管道19。两个上部纵向管道18，在图1中仅示出其中之一，形成气态反应物的输送歧管，而两个下部纵向管道19，在图1中仅示出其中之一，形成混和有任意的残留反应物的反应产物的排放歧管。作为选择，下部纵向管道19可以用作输送歧管，而上部纵向管道18用作排放歧管。也可以通过上部纵向管道18之一输送两种气态反应物之一，利用对应的下部纵向管道19排放，且通过另一下部纵向管道19输送另一种气态反应物，利用对应的上部纵向管道18排放。
而且，所有导电双极板3的侧部开口16之间的连接决定了形成侧部管道，在图1中未示出，用作液态水的通道。
每个导电双极板3还设有流体注入校准孔20，所有孔具有相同的直径(例如在0.2mm-1mm之间)，液态水通过所述孔流入电化学发生器1的侧部管道中，注入单元2内，下面将更好地解释。流体注入校准孔20互相对准，以便确保液态水均匀地分布，且位于第一和第二上部开口12，13下方。
如图3a，3b，3c所示，每一反应单元2的阳极和阴极密封垫圈8a，8b具有基本上矩形的形状，且有相应的第一和第二上部开口8a1，8a2，8b1，8b2，用于气态反应物通过；相应的第一和第二下部开口8a3，8a4，8b3，8b4，用于排放混和有任意残留反应物的反应产物；相应的侧部开口8a5，8b5，用于液态水通过。
更详细地说，阳极垫圈8a的第一上部开口8a1(燃料流经该开口)和第二下部开口8a4分别通过分配通道21a和排放通道21b连接于阳极腔室9，所述通道在所述阳极密封垫圈的厚度内(图3a)。阴极垫圈8b的第二上部开口8b2(氧化剂流经该开口)和第一下部开口8a4分别通过分配通道23a和排放通道23b连接于阴极腔室10，所述通道在所述阳极密封垫圈的厚度内(图3b)。分配和排放通道21a，21b，23a和23b具有梳形结构，使其可以在每一反应单元2内以均匀的方式分配和汇集气态反应物和反应产物，后者混和有任意的残留反应物。阳极密封垫圈8a还设有流体汇集通道22，该通道连接于侧部开口8a5。流体汇集通道22也可以连接于分配通道21a(图3c)。
在压滤型结构中，阳极和阴极密封垫圈8a，8b的第一和第二上部开口8a1，8a2，8b1，8b2和导电双极板3的第一和第二上部开口12，13一起形成两个上部纵向管道18；阳极和阴极密封垫圈8a，8b的第一和第二下部开口8a3，8a4，8b3，8b4和导电双极板3的第一和第二下部开口14，15一起形成两个下部纵向管道19；阳极和阴极密封垫圈8a，8b的侧部开口8a5，8b5和导电双极板3的侧部开口16一起形成输送液态水的侧部管道。
而且，在压滤型结构中，阳极密封垫圈8a设置的流体汇集通道22对应于流体注入校准孔22放置，而流体注入校准孔又对应于阴极密封垫圈8b的分配通道23a放置。
阳极和阴极密封垫圈8a，8b还设有多个用于容纳连杆的孔24，通过连杆实现电化学发生器1的张紧。
电化学发生器1通过两个导电的端板25(图1)限界，其中之一设有喷嘴，在图1中未示出，用于与上和下部纵向管道18和19以及侧部管道液力连接。而且，两导电端板25设有用于容纳连杆的适当孔(在图1中也未示出)。
工作时，经电化学发生器1的侧部管道供应的液态水流在阳极密封垫圈8a的流体汇集通道22内流动，且经过流体注入校准孔20注入到进入相邻反应单元2的阴极反应流体中。
作为替代，如果阳极密封垫圈8a具有等同于图3b所示的结构，且阴极密封垫圈8b具有等同于图3a所示的结构，那么液态水流在阴极密封垫圈8b内的流体汇集通道22内流动，且从这里流经流体注入校准孔20，注入到进入相邻反应单元2的阳极反应物流中。
在两种情况下，电化学发生器1的热量管理和膜4的润湿通过流经网状金属元件的液态水的蒸发来完成，所述网状元件作为电流汇集器/分配器7。
在图4中，示出了本发明的膜式电化学发生器的第二实施例，其中与已经参照图1，2和3描述的那些等同的部件已经给予相同的附图标记。电化学发生器100完全类似于电化学发生器1，除了它包含多个附加单元101之外，所述附加单元以1∶1的比例夹在反应单元2之间。
参照图5a，附加单元101具有等同于反应单元2的基本上矩形的形状和尺寸，且分别包含周边部分102a，作为两种气态反应物的分离表面，和中空的中央部分102b，作为电流汇集器/分配器7的基座。周边部分102a设有第一和第二上部开口103a1，103a2，第一和第二下部开口103b1，103b2，和对应于第一和第二上部开口103a1，103a2放置的侧部开口104。
在压滤型结构中，附加单元101的第一和第二上部开口103a1，103a2与阳极和阴极密封垫圈8a，8b的第一和第二上部开口8a1，8a2，8b1，8b2一起，以及与导电双极板3的第一和第二上部开口12，13一起形成两个上部纵向管道18，在这种情况下所述垫圈具有等同于图3b所示的相同结构；附加单元101的第一和第二下部开口103b1，103b2与阳极和阴极密封垫圈8a，8b的第一和第二下部开口8a3，8a4，8b3，8b4一起，以及与导电双极板3的第一和第二下部开口14，15一起形成两个下部纵向管道19。而附加单元101的侧部开口104又与阳极和阴极密封垫圈8a，8b的侧部开口8a5，8b5一起，以及与导电双极板3的侧部开口16一起形成液态水的侧部输送管道。周边部分102a也设有多个用于容纳连杆的孔105。
而且，在周边部分102a的两表面上，有流体汇集通道106，连接于侧部开口104，且位于第一和第二上部开口103a1，103a2下方。在压滤型结构中，流体汇集通道106对应于导电双极板3的流体注入校准孔20。
工作时，经电化学发生器100的侧部管道供应的液态水流在流体汇集通道106内流动，且从这里流经流体注入校准孔20，注入到进入相邻反应单元2的反应物流中。
作为替代，流体汇集通道106可以通过两侧部分107，108形成，与侧部开口104连接，后者对应于第一和第二下部开口103b1，103b2(图5b)。
在这种情况下，液态水流在到达流体注入校准孔20和注入反应单元2内之前，进入流体汇集通道106的两侧部分107，108，随后经过附加单元101的电流汇集器/分配器7的整个表面，相对于进入反应单元2的反应物流至少之一逆流地或顺流地预热。这样，附加单元101作为电化学发生器100的冷却单元。
图6示出了本发明的膜式电化学发生器的第三实施例的剖面图。电化学发生器200，在图6中仅一部分示出，由多个互相串联连接且根据压滤型结构组装的反应单元201和附加单元202形成；每个附加单元202位于一对反应单元201之间。
更详细地说，每个反应单元201由一对平面的导电双极板203限界，其中向外开始包含质子交换膜204；一对多孔电极205；使导电双极板203电连接于多孔电极205的一对电流汇集器/分配器206；一对用于密封反应单元201外围的密封垫圈207，以防止气态反应物泄漏。
导电双极板203，图7a，7b所示，具有基本上矩形的形状，和0.1-0.4mm的典型厚度。它们具有周边部分208，该周边部分设有第一和第二上部开口208a1，208a2，第一和第二下部开口208b1，208b2和侧部开口209。周边部分208还设有多个用于容纳连杆的孔210，通过连杆实现电化学发生器200的张紧。
在电化学发生器200的组装过程中，所有导电双极板203的第一和第二上部开口208a1，208a2之间的连接决定了形成两个上部纵向管道211，而所有导电双极板203的第一和第二下部开口208b1，208b2之间的连接决定了形成两个下部纵向管道212。两个上部纵向管道211，在图6中仅示出其中之一，形成气态反应物(燃料和氧化剂)的输送歧管，而两个下部纵向管道212，在图6中仅示出其中之一，形成混和有任意的残留反应物的反应产生的排放歧管。作为选择，下部纵向管道212可以用作输送歧管，而上部纵向管道211用作排放歧管。也可以通过上部纵向管道211之一输送两种气态反应物之一，利用对应的下部纵向管道212排放，且通过另一下部纵向管道212输送另一种气态反应物，利用对应的上部纵向管道211排放。
而且，所有导电双极板203的侧部开口209之间的连接决定了形成侧部管道，在图6中未示出，用于液态水通过。
如图7b所示，密封垫圈207通过(注射或压缩)模制、机械锚固或胶粘仅安装在每个导电双极板203的一个表面上。它们除了限制反应单元201的活性区域之外，还用作电流汇集器/分配器206的基座。
尤其是，密封垫圈207为软性材料，例如硅酮，弹性体等，且最终厚度可以在十分之几毫米至几毫米的范围内。
每个导电双极板203还设有直径在0.1mm至5mm之间的多个上部校准孔213a和多个下部校准孔213b。从相邻的附加单元来的气态反应物流经多个上部校准孔213a，而反应产物和残留反应物经多个下部校准孔213b从反应单元201排出，下面将更详细地描述。上部校准孔213a互相对准，以便确保气态反应物的均匀分配，且位于第一和第二上部开口208a1，208a2下方。而下部校准孔213b互相对准，且位于第一和第二上部开口208b1，208b2上方。上校准孔213a和下校准孔213b与密封垫圈207间隔约1mm，以便更好地利用反应单元201的活性区域。
而且，每个导电双极板203设有多个流体注入校准孔230，它们都具有相同的直径(例如在0.2mm-1mm之间)，来自相邻的附加单元202的液态水通过所述孔注入反应单元201中。流体注入校准孔230互相对准，以便确保液态水的均匀分配，且位于上部校准孔213a下方。
现在参照图8a，8b，每个附加单元202具有等同于反应单元201的基本上矩形的形状和尺寸。每个附加单元202包含刚性周边部分202a，由塑料或金属制成，作为两气态反应物的分离表面，和中空的轴向部分202b，用作电流汇集器/分配器206的基座。刚性周边部分202a设有第一和第二上部开口214a1，214a2，第一和第二下部开口214b1，214b2和侧部开口215。在压滤型结构中，附加单元202的第一和第二上部开口214a1，214a2与导电双极板203的第一和第二上部开口208a1，208a2一起形成两个上部纵向管道211，而附加单元202的第一和第二下部开口214b1，214b2与导电双极板203的第一和第二下部开口208b1，208b2一起形成两个下部纵向管道212。附加单元202的侧部开口215与导电双极板203的侧部开口209一起形成液态水的输送管道。刚性周边部分202a还设有多个用于容纳连杆的孔216。
而且，每个附加单元202包含放置在刚性周边部分202a两表面上的垫圈217，从而使它们在周边部分的每个表面上形成位于第一和第二上部开口214a1，214a2下方的气态反应物218a的汇集通道；位于第一和第二下部开口214b1，214b2上方的反应产物和残留反应物218b的汇集通道；使两上部开口214a1，214a2之一连接于气态反应物218a的汇集通道的输送通道219；使反应产物和残留反应物的汇集通道218b连接于下部开口214b1，214b2之一的排放通道220；位于气态反应物的汇集通道218a下方且连接侧部开口209的流体汇集通道221。在压滤型结构中，气态反应物的汇集通道218a对应于上部校准孔213a放置，反应产物和残留反应物218b的汇集通道对应于下部校准孔213b放置，而流体汇集通道221对应于流体注入校准孔230放置。垫圈217密封气态反应物的汇集通道218a，反应产物和残留反应物的汇集通道218b和流体汇集通道221，从而阻碍附加单元202内气态反应物，反应产物和残留反应物，以及液态水通过。
而且，垫圈217由与反应单元201的密封垫圈207施加的张紧/装配载荷适合的软性材料制成(硅酮，弹性体等)，且通过(注射或压缩)模制，机械锚固或胶粘放置在刚性周边部分202a上。
电化学发生器200工作如下。经上部纵向管道211供应至电化学发生器200的气态反应物(燃料和氧化剂)在气态反应物汇集通道218a内流动，流经输送通道219。从这里，因为气态反应物的汇集通道218被垫圈217密封而不能在附加单元202内流动的气态反应物，经过位于相邻反应单元201的导电双极板203上的多个上部校准孔213a。这样，气态反应物到达反应单元201的活性区域，在此发生有效的反应。
在反应单元201内产生的反应产物和残留的反应物又经过位于所述反应单元的导电双极板203上的多个下部校准孔213b，到达相邻的附加单元202的排放产物汇集通道218b。从这里，它们经排放通道220从电化学发生器200排出。
而且，根据本发明，经电化学发生器200的侧部管道供应的液态水流在流体汇集通道221内流动，且从这里，经过流体注入校准孔230，注入到进入相邻反应单元201内的反应物流中，用于膜204的润湿和电化学发生器200的热量管理。
作为流体汇集通道221的替代，附加单元202可以包含两个连接于侧部开口215、且位于排放产物汇集通道218b下方的侧向流体汇集通道(222，223)(图9a，9b)。
在这种情况下，液态水流在到达流体注入校准孔230且注入反应单元201之前，进入两个侧向流体汇集通道222，223，随后经过附加单元202的电流汇集器/分配器206的整个表面，相对于进入反应单元201的反应物至少之一逆流或顺流地预热。这样，附加单元202作为电化学发生器200的冷却单元。
而且，如图10a，10b所示，每个导电双极板203的流体注入校准孔230可以放在上部校准孔213a上方(而不是下方)。在这种情况下，流体汇集通道221位于气态反应物的汇集通道218a上方(图11a，11b)。
作为替代，除了流体汇集通道221之外，附加单元202可包含第一和第二侧向通道224，225，位于排放产物汇集通道218b上方，以及第三和第四侧向通道226，227，位于气态反应物汇集通道218a下方(图12a，12b)。
在这种情况下，液态水流在导电流体注入校准孔230且注入反应单元201之前，进入第一和第二侧向通道224，225，且从第三和第四侧向通道226，227排出，经过附加单元202的电流汇集器/分配器206，而使其相对于供应至反应单元201的反应物流至少之一逆流或顺流地预热。
上述电化学发生器的优点如下。
首先，流体注入校准孔20，230可以使反应单元2，201内校准的液态水流实现均匀的分配。这样，随着质子交换膜4，204的水合，电化学发生器1，100，200的冷却更均匀，结果是除了增强液态水蒸发机制，从而降低所述发生器的热量管理所需的流速之外，还增加了所述膜的工作寿命。
而且，利用图5b，9a，9b和12a，12b所示的附加单元实现的液态水流预热放大了上述优点，因为它进一步增强了液态水的蒸发机制，可以使电化学发生器1，100，200启动时到达稳态条件的时间缩短。
最后，显然可以对所述的电化学发生器作出改进和变化，而没有脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种膜式电化学发生器(1，100，200)，输送有气态反应物，且包含多个反应单元(2，201)，所述反应单元通过导电双极板(3，203)限界，其中包含质子交换膜(4，204)，其特征在于所述导电双极板(3，203)包含多个流体注入校准孔(20，230)，用于在所述反应单元(2，201)内注入校准的冷却流体流。
2.如权利要求1所述的发生器，其特征在于每一所述的反应单元(2，201)由通过所述膜(4，204)分开的阳极腔室(9)和阴极腔室(10)形成，所述阳极腔室(9)和所述阴极腔室(10)分别包含导电的网状元件(7，206)，在网状元件内部所述冷却流体的所述校准流部分蒸发，同时用于润湿所述气态反应物、和所述膜式电化学发生器(1，100，200)的热量管理。
3.如权利要求1或2所述的发生器，其特征在于所述流体注入校准孔(20，230)互相对准，且对应于用于输送所述气态反应物的输送开口(12，13，208a1，208a2)和用于输送所述冷却流体的侧部开口(16，209)放置，且所述侧部开口(16，209)在所述导电双极板(3，203)的周边部分(11，208)内形成。
4.如权利要求1-3任一所述的发生器，其特征在于所述流体注入校准孔(20，230)具有在0.2mm-1mm之间的相同直径。
5.如前述任一权利要求所述的发生器，其特征在于所述导电双极板(3)位于两个相邻反应单元(2)的一对密封垫圈(8a，8b)之间，所述密封垫圈(8a，8b)分别用作相应的导电网状元件(7)的基座，且包含用于所述气态反应物通过的相应输送开口(8a1，8a2，8b1，8b2)；用于所述冷却流体通过的相应侧部开口(8a5；8b5)；使所述相应的输送开口(8a1，8a2，8b1，8b2)连接于所述相应的导电网状元件(7)的各个分配通道(21a，23a)。
6.如权利要求5所述的发生器，其特征在于至少所述密封垫圈(8a，8b)之一包含连接于所述相应的侧部开口(8a5，8b5)的相应流体汇集通道(22)，所述流体汇集通道(22)位于所述相应的输送开口(8a1，8a2，8b1，8b2)和所述相应的分配通道(21a，23a)之间，且适于汇集所述的冷却流体。
7.如权利要求5所述的发生器，其特征在于至少所述密封垫圈(8a，8b)之一包含连接于所述相应的侧部开口(8a5，8b5)和所述相应的分配通道(21a，23a)的相应的流体汇集通道(22)，所述流体汇集通道(22)位于所述相应的输送开口(8a1，8a2，8b1，8b2)和所述相应的分配通道(21a，23a)之间，且适于汇集所述的冷却流体。
8.如权利要求6或7所述的发生器，其特征在于在压滤型结构中，位于至少所述密封垫圈(8a，8b)之一上的所述流体汇集通道(22)重叠在所述流体注入校准孔(20)上，且每一所述流体注入校准孔(20)对应于另一密封垫圈(8a，8b)上的分配通道(21a，23a)。
9.如权利要求1-4任一所述的发生器，其特征在于它包含多个附加单元(101)，每个附加单元(101)位于一对反应单元(2)之间，作为相应的导电网状元件(7)的基座，且包含周边部分(102a)，在该周边部分中有用于所述冷却流体通过的侧部开口(104)；连接于所述侧部开口(104)且适于汇集所述冷却流体的至少一个流体汇集通道(106)；用于所述气态反应物通过的输送开口(103a1，103a2)；用于排放反应产物和残留反应物的排放开口(103b1，103b2)。
10.如权利要求9所述的发生器，其特征在于所述流体汇集通道(106)位于所述输送开口(103a1，103a2)下方。
11.如权利要求9或10所述的发生器，其特征在于在压滤型结构中，所述流体汇集通道(106)重叠在所述导电双极板(3)的所述流体注入校准孔(20)上。
12.如权利要求9所述的发生器，其特征在于所述流体汇集通道(106)由位于所述排放开口(103b1，103b2)上方的第一和第二侧部分(107，108)形成。
13.如权利要求12所述的发生器，其特征在于所述冷却流体在到达所述流体注入孔(20)之前，经过所述相应的导电网状元件(7)的整个表面，相对于进入所述反应单元(2)内的至少一种气态流逆流或顺流地预热。
14.如权利要求1-4任一所述的发生器，其特征在于所述导电双极板(203)包含多个用于所述气态反应物通过的第一校准孔(213a)，和多个用于排放反应产物和任意的残留反应物的第二校准孔(213b)，且所述多个流体注入校准孔(230)对应于所述多个第一校准孔(213a)放置。
15.如权利要求14所述的发生器，其特征在于所述第一校准孔(213a)互相对准，且对应于所述导电双极板(203)的所述输送开口(208a1，208a2)放置，所述第二校准孔(213b)互相对准，且对应于所述导电双极板(203)的所述周边部分(208)上的排放开口(208b1，208b2)放置。
16.如权利要求14或15所述的发生器，其特征在于所述反应单元(201)包括密封垫圈(207)，该密封垫圈(207)仅覆盖所述导电双极板(203)的所述周边部分(208)的一个表面，并用作相应一个导电的网状元件(206)的基座。
17.如权利要求14-16任一所述的发生器，其特征在于它包含多个附加单元(202)，每个附加单元(202)位于一对反应单元(201)之间，且包含刚性周边部分(202a)和中空的中心部分(202b)，所述刚性周边部分(202a)作为所述气态反应物的分离表面，所述中空的中心部分(202b)作为相应的导电网状元件(106)的基座。
18.如权利要求17所述的发生器，其特征在于所述刚性周边部分(202a)设有用于输送所述气态反应物的输送开口(214a1，214a2)，用于排放反应产物和残留反应物的排放开口(214b1，214b2)，和用于所述冷却流体通过的侧部开口(215)。
19.如权利要求17或18所述的发生器，其特征在于所述刚性周边部分(202a)在每一表面上覆盖有垫圈(217)，所述垫圈(217)在所述刚性周边部分(202a)的每一面上形成对应于所述刚性周边部分(202a)的所述输送开口(214a1，214a2)放置的气态反应物汇集区(218a)，对应于所述刚性周边部分(202a)的所述排放开口(214b1，214b2)放置的反应产物和残留反应物汇集区(218b)，使所述输送开口(214a1，214a2)之一连接于所述气态反应物汇集区(218a)的输送通道(219)，使所述反应产物和残留反应物汇集区(218b)连接于所述排放开口(214b1，214b2)之一的排放通道(220)。
20.如权利要求19所述的发生器，其特征在于所述垫圈(117)密封所述气态反应物汇集区(218a)，以及所述反应产物和残留反应物汇集区(218b)，从而阻碍所述附加单元(202)内的所述气态反应物以及所述反应产物和任意的残留反应物的通过。
21.如权利要求19或20所述的发生器，其特征在于在压滤型结构中，所述气态反应物汇集区(218a)重叠在所述第一校准孔(213a)上，且所述反应产物和残留反应物汇集区(218b)重叠在所述第二校准孔(213b)上。
22.如权利要求19-21任一所述的发生器，其特征在于所述流体注入校准孔(230)位于所述第一校准孔(213a)下方，且所述垫圈(217)在所述刚性周边部分(202a)的每一表面上形成位于所述附加单元(202)的所述输送开口(214a1，214a2)下方的流体汇集通道(221)。
23.如权利要求19-21任一所述的发生器，其特征在于所述流体注入校准孔(230)位于所述双极板(203)的所述输送开口(208a1，208a2)和所述第一校准孔(113a，113b)之间，且所述垫圈(217)在所述刚性部分(202a)的每一表面上形成流体汇集通道(221)，该通道位于所述附加单元(202)的所述输送开口(214a1，214a2)和所述气态反应物汇集区(118a)之间。
24.如权利要求22或23所述的发生器，其特征在于在压滤型结构中，所述流体汇集通道(221)重叠在所述流体注入校准孔(230)中。
25.如权利要求19-21任一所述的发生器，其特征在于所述附加单元(202)包含连接于所述附加单元(202)的所述侧部开口(215)且位于所述附加单元(202)的所述排放开口(214b1，214b2)上方的第一和第二流体汇集侧向通道(222，223)，所述冷却流体在到达所述流体注入孔(230)之前，经过所述第一和第二流体汇集侧向通道(222，223)，随后经过所述相应的导电网状元件(206)的整个表面，相对于进入所述反应单元(201)的至少一种气态流逆流或顺流地预热。
26.如权利要求19-21任一所述的发生器，其特征在于所述附加单元(202)包含连接于所述附加单元(202)的所述侧部开口(215)且位于所述附加单元(202)的所述排放开口(214b1，214b2)上方的第一和第二流体汇集侧向通道(224，225)；连接于所述附加单元(202)的所述侧部开口(215)且位于所述附加单元(202)的所述输送开口(214a1，214a2)下方的第三和第四流体汇集侧向通道(226，227)；位于所述附加单元(202)的所述输送开口(214a1，214a2)和所述气态反应物汇集区(218a)之间、且连接于所述附加单元(202)的所述侧部开口(215)的流体汇集通道(221)；所述冷却流体在到达所述流体注入孔(230)之前，进入所述第一和第二流体汇集侧向通道(224，225)，随后经过所述相应的导电网状元件(206)的整个表面，相对于进入所述反应单元(201)的至少一种气态流逆流或顺流地预热，所述冷却流体随后从所述第三和第四流体汇集侧向通道(226，227)排出；在压滤型结构中，所述流体汇集通道(221)重叠在所述流体注入校准孔(230)上。
27.如前述任一权利要求所述的发生器，其特征在于所述冷却流体是液态水。
28.基本上如参照附图所述的膜式电化学发生器。
全文摘要
本发明涉及一种由多个互相电串联连接且根据双极结构组装的反应电池(201)形成的膜式电化学发生器(200)。根据本发明，通过在输送的气态反应物中注入冷却流体，优选为液态水，确保膜式电化学发生器(200)的热量管理和膜(204)的润湿。这种注入经由限定反应单元(201)的导电双极板(203)上形成的校准流体注入孔(230)而发生。冷却流体可以通过流经位于附加单元(202)内的汇集器/分配器结构(206)预热。
文档编号H01M8/24GK1663068SQ03814151
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年6月17日
发明者爱德华多·特里福尼, 达尼埃拉·法基, 吉安·P.·弗莱巴, 马泰奥·莱纳尔德, 马尔切洛·廖托, 卢卡·梅洛, 鲁本·O.·雅克波, 托罗·安东尼诺, 法比奥·特拉伊尼 申请人:纽韦拉燃料电池欧洲有限责任公司