CN101682046A - 用于燃料电池堆的重复单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆(8)的重复单元(10)，具有电解质膜结构(20)和流场(30)，流场被设置用于为电解质膜结构(20)的活性表面(22)供给气体(32)，流场还具有至少一个气体穿流孔(34)。按照本发明，在活性表面(22)和气体穿流孔(34)之间设置气密的气体流动屏障(36)，从而使流过第一气体穿流孔(34)的气体环绕气体流动屏障(36)流动，其中，气体流动屏障(36)在活性表面(22)的边缘上的投影至少为气体穿流孔(34)在活性表面(22)的边缘上的投影的一半长。

Description

用于燃料电池堆的重复单元
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池堆的重复单元，具有电解质膜结构和流场，该流场用于供给电解质膜结构的活性表面以气体，且具有至少一个第一气体穿流孔。
背景技术
燃料电池与电池类似，用于将化学能直接转化为电能。燃料电池的核心部件是电解质膜结构(简称MEA，英文为Membrane ElectrodeAssembly)，其由阳极层、阴极层以及将阳极层与阴极层分开的电解质膜组成。为了产生电流向阳极层输送燃烧气体、比如氢气，而向阴极层输送氧化气体、比如空气。为此，在阳极上发生燃烧气体的氧化，其中，由燃烧气体释放的电子经过导电连接从阳极移动到阴极并在此处还原氧化气体。由此产生的氧化气体负离子与燃烧气体正离子相结合。如果比如使用氢气H2作为燃烧气体，使用氧气O2作为氧化气体，在使用固体氧化物燃料电池(SOFC，英文为Solid Oxide Fuel Cell)的情况下氧离子O2-在阳极层内以及阳极层上与氢离子H+结合成水分子H2O。通过在阳极和阴极之间连接耗电器负荷，由此释放的能量可以得到利用。
阳极表面或阴极表面的吸附燃烧气体或氧化气体的部分在下面被称作“活性表面”。
由于单个的燃料电池只提供较小的电压(典型地位于0.1V至1V之间)，通过将多个燃料电池以燃料电池堆的形式串联起来，从而燃料电池堆的各燃料电池的电压可以累加起来。此外，燃料电池的阴极层分别与相邻的燃料电池的阳极层通过双极板相连。在双极板内部或与双极板相邻存在用于将燃烧气体和氧化气体分配给两个相邻的燃料电池的流场。燃料电池堆因此包括多个完全相同的重复单元，其中，每个重复单元包括电解质膜结构(MEA)和双极板，双极板优选组成或限定出两个流场。
现有技术中公知了流场的各种实施方式，通过流场确保了整个活性表面的尽可能一致的气体供给和在燃料电池堆中的最佳压力分布和温度分布。
通过各种不同的装置可以有助于在燃料电池堆的每个燃料电池的电极表面上以及在燃料电池堆内部很好地平均分配气体，比如：
-使用瓶颈来产生峰滞压力，类似于淋浴头。不过其具有压力损耗升高和因此燃料电池堆的附带损耗的升高的缺点，这是因为运行所需的增压器功率与压力损耗是成比例的。
-设置非常多的进气孔，由此入口区域(分配区域)向上游转移。
-通过扩散道引导气体，扩散道缓慢地扩散穿过其流动的气体。
通过置入瓶颈产生峰滞压力对于固体氧化物燃料电池堆来说是非常难于实现的。必须非常精确地加工瓶颈，因为其横截面的很小的偏差就可能导致压力损耗的很大不同且因此导致气体分布的很大差别。此外，如上所述，不希望看到由于提高了所需的增压器功率而引起燃料电池上的较高的压力损耗。
对于此类的重复单元来说，用于供给(此处被假设为水平设置的)活性表面的气体从电极层旁边的圆形的气体穿流孔首先垂直地流入电极层的活性部分旁的区域，以便以水平的方向沿着活性表面流过，然后以垂直的方向穿过电极层旁边的其它圆形的气体穿流孔被引导。此外，气体不需绕行而在直接的路径上从进气孔流向出气孔，其缺点在于，可能会产生在进气孔和对面的出气孔之间的所谓气体短路，即气体至少部分地未经使用就从进气孔流到出气孔，而气体的重要的部分没有被活性表面所吸收。为了避免此类气体短路，已经考虑在活性表面旁边设置非常多的进气孔和出气孔以及相应大小的密封面，不过这提高了故障风险。
为了在燃料电池堆中产生尽可能均匀的温度分布，可以使用所谓的流向相反的结构和流向相同的结构。为此，一个燃料电池中的燃烧气体/氧化气体以相对于相邻的燃料电池中的流动方向相反的方向沿阳极/阴极层流动。为此，氧化气体的输入装置和输出装置必须设置在与用于燃烧气体的输入装置和输出装置相同的区域，这是不容易实现的，特别是当为了均匀分配气体而需要非常多的进气孔和出气孔的时候。
另一个问题在于在燃料电池堆的所有(典型地为30或60个)平面上均匀地分配气体。根据计算，在进气孔和出气孔的横截面相同的情况下气体分布不是最佳的，比如会出现燃料电池堆的下部的平面相比于上部的平面得到更好的气体供给的情况。这又导致较差的燃烧气体利用且由此导致较差的燃料电池堆效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种用于燃料电池堆的重复单元，其实现了在活性表面上以及在整个燃料电池堆上的特别均匀的气体分布。
该目的通过权利要求1的特征实现。
本发明的其它有利的设计方案和改进方案由从属权利要求中得出。
按照本发明的重复单元在现有技术下如此改进，在活性表面和气体穿流孔之间设置气密的气体流动屏障，从而使穿过气体穿流孔的气体环绕气体流动屏障流动，其中，气体流动屏障在活性表面边缘上的投影至少为气体穿流孔在活性表面边缘上的投影的一半长(除了系数0.5外还优选系数为0.75、1和1.25)。本发明基于能够避免气体短路，为此，输送的气体借助于此类屏障被阻止直接从进气孔流到出气孔。屏障使得进入的气体首先向燃料电池堆的外部边缘流动，然后从边缘和屏障处转向活性区域。此外，特别宽的屏障、即相对于气体穿流孔具有在活性表面的边缘上的更大的投影的屏障实现了特别可靠的气体短路保护。气体流动屏障可以比如通过所谓的置入的隔板实现。其还可以比如通过流场板的相应的铸造实现。
特别有利的是，气体流动屏障向活性表面的方向逐渐变细。因此实现了在活性表面的边缘上的特别均匀的气体分布。特别是确保了在活性表面的位于气体流动屏障的“阴影”中的区域中的良好的气体分布。
因此，有利的是，气体流动屏障基本上具有“V”形或“U”形的形状和定向，其开口背向活性表面。呈U形或V形逐渐变细的屏障是镜像对称的且可以由此至少近似对称地由气体环绕流过。
有利的还有，气体穿流孔向活性表面的方向逐渐变细。特别是结合逐渐变细的气体流动屏障使穿过气体穿流孔的气流持续地扩散或(根据流向的不同)收缩。
在特别优选的实施方式中，气体穿流孔向活性表面方向的逐渐变细通过气体穿流孔基本上呈带有倒圆的角的三角形实现。这种形状在几何上是非常简单的。
特别有利的是，设置所描述的用于向活性表面输送气体的气体穿流孔且流场具有用于将气体从活性表面输出的第二气体穿流孔，其中，在活性表面和第二气体穿流孔之间设置气密的第二气体流动屏障，从而使穿过第二气体穿流孔流动且至少经过活性表面的一部分流动的气体环绕第二气体流动屏障流动，其中，第二气体流动屏障在活性表面的边缘上的投影至少为第二气体穿流孔在活性表面的边缘上的投影的一半长。因此实现了流场不仅在输入气体方面而且在将气体从活性表面输出方面也按照本发明进行设计的实施方式，因此，本发明已经阐述的优点不仅对气体的输入是有利的而且对气体的输出也是有利的。
此外有利的还有，为了输出气体设置的第二气体穿流孔具有比用于输入气体设置的第一气体穿流孔更大的横截面。因此，根据流体力学上的测算得出了在整个燃料电池堆中更好的压力分布。
按照本发明的一个特别优选的实施方式是，活性表面基本上为矩形且被分为一个或多个基本上为矩形的供给区域，其中，为每个供给区域设置一个用于输入气体的第一气体穿流孔和一个用于输出气体的第二气体穿流孔。多个按照本发明的气体穿流孔和所属的气体流动屏障以这种方式有利地组合成更大的流场。矩形的分布实现了以特别简单的方式获得整个活性表面的均匀的气体分布。
因此，有利的是，第一气体穿流孔和第二气体穿流孔设置在其所属供给区域的中轴线上，因为此类结构在几何上特别简单且气体在环绕第一气体流动屏障流过之后以基本上直线的方向被引向燃料电池的相对一侧的相应的气体流动屏障上，以及避免了通过紊乱地混合的部分气流产生的可能的扰动效应。
对于按照本发明的重复单元的优选实施方式，流场的外部的边缘被设计为如在图3中示出的流线形。因此，即使在流场的外部边缘区域中也确保了尽可能层流。
附图说明
下面，借助于附图举例说明本发明的优选实施方式。其中，
图1a、1b分别为相应于现有技术的两个类似的流场的示意俯视图；
图2为按照本发明的优选实施方式具有气体穿流孔的流场的部分区域的示意俯视图；
图3为图2中所示的部分区域沿交截线A-A的示意横截面；
图4为在活性区域的边缘上的气体穿流孔的投影和所属气体流动屏障的投影；
图5为按照本发明的优选实施方式具有两个气体穿流孔的基本为矩形的流场的示意俯视图；
图6为图4中所示的流场的示意截面图。
在附图中相同或相似的附图标记(比如在数值上相差100的附图标记)表示相同或相似的部件，为避免重复只进行一次阐述。
具体实施方式
图1a示出了现有技术中的燃料电池的流场30′。在(此处被假设为是水平的)矩形的活性表面22′的两个相对的侧面上分别设置了两个用于引入气体32′的第一气体穿流孔34′和两个用于引出气体32′的第二气体穿流孔38′，从而在燃料电池的正常运行中气体首先以垂直的方向从第一气体穿流孔34′流出，然后水平地流经活性表面22′(其中气体32′的成分一般通过吸附和与活性表面释放出的气体混合而发生变化)，最终以垂直的方向穿过第二气体穿流孔38′导出。在所示装置中，两个第一气体穿流孔相互的间距大于其直径，因此造成了不令人满意的气体分布，伴随着通过箭头表示的第一气体穿流孔34′与相对的第二气体穿流孔38′之间的气体短路的风险。
为了在整个活性表面22′上实现尽可能一致的气体分布，可以以相对短的相互的间距设置气体穿流孔。在图1b中示出了活性表面22′的每一侧具有总共4个气体穿流孔34′、38′的相应几何形状。
此外，在图1a和1b中示出的用于引入和引出气体的气体穿流孔34′、38′具有相同的横截面。
图2是沿图3中的虚线穿过具有外部的边缘42和用于输送气体至活性表面22的气体穿流孔34的流场30的部分区域的水平截面图。气体穿流孔34和活性表面22位于共同的水平面上。气体穿流孔34的轮廓基本上为带有倒圆的角的等边三角形。这里，该等边三角形如此定向，即其顶角指向活性表面22。垂直的、即直立在由气体穿流孔34限定的平面上的墙状的气体流动屏障36沿三角形的两个等长的边延伸，其中气体流动屏障36向活性区域22方向的投影长于气体穿流孔34向活性区域22方向的投影。从下面穿过气体穿流孔34流入流场30的气体32通过气体流动屏障36被阻止直接流到活性表面28上。气体流动屏障36的作用在于使气体30首先流向边缘42。边缘42又使得气体32沿气体流动屏障36的两边围绕气体流动屏障36流过，从而到达活性表面22。气体穿流孔34的三角形形状和定向以及部分地紧靠在气体穿流孔34的轮廓上的气体流动屏障36的形状使得气体流动屏障36仅有细长的一部分会挡住活性表面22。可以看出，活性表面22被挡住的边缘部分小于气体穿流孔34在活性表面22的边缘上的投影。除了较短的被挡住的边缘部分外，气体32可以进入整个边缘上的活性部分，从而实际上可以为整个活性表面22供给气体32。
图3示出了沿图2中的虚线A-A穿过图2所示的装置的横截面图。活性表面22是阳极层24的表面。阳极层24通过电解质膜26与阴极层28隔开。阳极层24、电解质膜26和阴极层28共同组成了电解质膜结构(MEA)20。在MEA旁是气体穿流孔34，流入的气体32穿过气体穿流孔34到达流场30，在流场中气体(在截面外)环绕流过气体流动屏障36之后到达活性表面22上。
图4描述了气体穿流孔34及其在活性表面22的边缘上的投影P34，以及气体流动屏障36及其在活性表面22的边缘上的投影P36。按照本发明，气体流动屏障36的投影P36至少为气体穿流孔34的投影P34的一半长。在所示的实施方式中气体流动屏障36的投影P36甚至长于气体穿流孔34的投影P34。
图5是特别优选的实施方式中燃料电池堆的流场30的俯视图。矩形的活性表面22分为两个相同的供给区域44a和44b，为其分别设置一个用于引入气体32的气体穿流孔34和一个用于引出气体32的气体穿流孔38，其中，气体穿流孔34和38设置在矩形的供给区域44a或44b的对称轴上。流场30通过外部的边缘42被限定，该边缘构成为流线形，以确保流场中尽可能层流的、没有紊乱的流动轨迹。气体32从气体穿流孔34流向背向活性表面22的方向效果明显地防止了在流入的气体穿流孔34和流出的气体穿流孔38之间的气体短路的风险。已经阐述的气体穿流孔34和38的几何形状结合气体流动屏障36和40使得在活性表面上调节出均匀的气体分布，这在现有技术中针对同样大小的活性表面只有通过大约双倍多的气体穿流孔才能实现。所描述的按照本发明的几何形状具有优点的原因在于，减少的密封面的数量、减少的位置需求以及几乎无障碍的至活性表面22的所有区域的空气输入。此外，为了从活性表面22引出气体而设置的气体穿流孔38具有比为了引入气体而设置的气体穿流孔34更大的横截面，这也同样有助于在燃料电池堆的重复单元上的均匀的气体分布。
图6是沿图5中的位于上面的虚线的截面图。图6示出了按照本发明的燃料电池堆的可能的垂直结构，该燃料电池堆包括至少两个各具有一个电解质膜结构(MEA)20、120的重复单元10、110。第一重复单元10被双极板18覆盖，该双极板连接到第二重复单元110上。所示实施方式如此设计，燃烧气体32以相同的方向(在图中从左至右)分别流过重复单元10、110。不过技术上还可以实现(未示出的)流向相反的结构。在所示实施方式(流向相同的结构)中，燃烧气体32穿过已经阐述的按照本发明的气体穿流孔34、134到达流场30、130，流场具有已经阐述的按照本发明的气体流动屏障36、136，以将燃烧气体32分布到活性表面22、122上。燃烧气体32的未燃烧的部分以及从阳极层24、124释放出的气体通过已经阐述的更大的气体穿流孔38、138引出。在第一重复单元10的双极板18和第二重复单元110的阴极层128之间存在迄今为止的现有技术中的用于分配氧化气体/空气52的流场150，其在此处未详细阐述。不过还可以考虑这样一种燃烧电池堆，其不仅设置有用于分配燃烧气体的流场还设置有用于分配氧化气体的流场或只设置有按照本发明的用于分配氧化气体的流场。
在上述的说明书、图例以及在权利要求中公开的本发明的特征可以独立地或者任意组合，为实现本发明是不可缺少的。
附图标记
8   燃料电池堆
10  重复单元
20  电解质膜结构(MEA)
22  活性表面
24  阳极层
26  电解质膜
28  阴极层
30  流场
32  燃烧气体
34  气体穿流孔
36  气体流动屏障
38  气体穿流孔
40  气体流动屏障
42  边缘
44  供给区域
50  流场
52  氧化气体
110 重复单元
120 电解质膜结构(MEA)
122 活性表面
124 阳极层
126 电解质膜
128 阴极层
130 流场
132 燃烧气体
134 气体穿流孔
136 气体流动屏障
138 气体穿流孔
140  气体流动屏障
142  边缘
150  流场

Claims (11)

1.一种用于燃料电池堆(8)的重复单元(10)，具有电解质膜结构(20)和流场(30)，所述流场被设置用于为电解质膜结构(20)的活性表面(22)供给气体(32)，并且所述流场具有至少一个气体穿流孔(34)，其特征在于，在活性表面(22)和气体穿流孔(34)之间设置气密的气体流动屏障(36)，从而使流过第一气体穿流孔(34)的气体(32)环绕气体流动屏障(36)流动，其中，气体流动屏障(36)在活性表面(22)的边缘上的投影至少为气体穿流孔(34)在活性表面(22)的边缘上的投影的一半长。
2.如权利要求1所述的重复单元(10)，其特征在于，气体流动屏障(36)向活性表面(22)的方向逐渐变细。
3.如权利要求2所述的重复单元(10)，其特征在于，气体流动屏障(36)基本上具有“V”形或“U”形的形状和定向，其开口背向活性表面(22)。
4.如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)，其特征在于，气体穿流孔(34)向活性表面(22)的方向逐渐变细。
5.如权利要求4所述的重复单元(10)，其特征在于，气体穿流孔(34)具有基本上为带倒圆的角的三角形的形状。
6.如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)，其特征在于，设置用于向活性表面(22)输送气体(32)的气体穿流孔(34)且流场(30)具有用于将气体(32)从活性表面(22)输出的第二气体穿流孔(38)，其中，在活性表面(22)和第二气体穿流孔(38)之间设置气密的第二气体流动屏障(40)，从而使流过第二气体穿流孔(38)且至少经过活性表面(22)的一部分流动的气体(32)环绕第二气体流动屏障(40)流动，其中，第二气体流动屏障(40)在活性表面(22)的边缘上的投影至少为第二气体穿流孔(38)在活性表面(22)的边缘上的投影的一半长。
7.如权利要求5所述的重复单元(10)，其特征在于，为了输出气体(32)设置的第二气体穿流孔(38)具有比为了输入气体(32)设置的第一气体穿流孔(34)更大的横截面。
8.如权利要求4或5所述的重复单元(10)，其特征在于，活性表面(22)基本上为矩形且被分为一个或多个基本上为矩形的供给区域(44)，其中，为每个供给区域(44)设置一个用于输入气体(32)的第一气体穿流孔(34)和一个用于输出气体(32)的第二气体穿流孔(38)。
9.如权利要求7所述的重复单元(10)，其特征在于，第一气体穿流孔(34)和第二气体穿流孔(38)设置在其所属供给区域(44)的中轴线上。
10.如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)，其特征在于，流场(30)的外部的边缘(42)被设计为流线形。
11.一种燃料电池堆(8)，其特征在于，所述燃料电池堆具有如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)。
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