CN102089911A - 用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板 - Google Patents

用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池布置(1)的双极性板(3)，该双极性板尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间，所述双极性板(3)具有至少一个或两个彼此平面平行布置的板件，其中至少在一个或两个外侧上分别通过形成在相应板件中的通道结构形成一流场(F)，所述通道结构具有多个在流体入口(E)和流体出口(A)之间延伸的通道(K)以及在两个通道(K)之间延伸的接片(S)。根据本发明，通道(K)和/或接片(S)在所述外侧的至少一个上沿流体的流动方向(R)在流体入口(E)和流体出口(A)之间至少具有一变化的通道宽度(b1)、一变化的接片宽度(b2)和/或一变化的通道间距(a)。

Description

用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征所述的、用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在燃料电池堆中两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板，以及涉及一种根据权利要求11的前序部分的特征所述的燃料电池布置结构。
背景技术
燃料电池布置结构或燃料电池堆/燃料电池组(也简称为“堆垛”)包括多个平面平行地上下堆叠布置的、电串联连接的燃料电池。每个燃料电池具有一作为电极的形式为气体扩散电极的阳极、一阴极和布置在阳极和阴极之间的例如形式为聚合物电解质膜(简称为PEM)的电解质，它们共同形成了膜电极布置结构(简称为MEA)。
在燃料电池堆中相邻的膜电极布置结构之间设置有双极性板(也称为“双极性隔离板单元”)。该双极性板在此用于：间隔开相邻的膜电极布置结构；在邻接的膜电极布置结构上分配用于燃料电池的反应物质，如燃料和氧化剂；使在为此而设置的、朝向膜电极布置结构敞开的通道中的反应物质排出；通过在单独的冷却介质管道中被引导的冷却介质排出反应热；以及在相邻的膜电极布置结构的阳极和阴极之间建立电连接。
燃料和氧化剂被用作反应物质。多数情况下使用气体形式的反应物质(简称“反应气体”)，例如将氢气或含氢的气体(例如重整气)作为燃料而将氧气或含氧气体(例如空气)作为氧化剂。反应物质可理解为所有参与电化学反应的物质，包括反应产物例如水或被消耗的燃料。
在此，各个双极性板由成形件制成，然而优选由两个或多个彼此平面平行地连接的成形件、尤其是板件(一用于与一个膜电极布置结构的阳极相连接的阳极板和一用于与另一个膜电极布置结构的阴极相连接的阴极板)或者一具有设置在上侧和下侧上的通路结构的板件制成。在阳极板的朝向所述一个膜电极布置结构的表面上，布置有用于沿所述一个膜电极布置结构分配燃料的阳极通道，其中在阴极板的朝向所述另一个膜电极布置结构的表面上，布置有用于在所述另一个膜电极布置结构上分配氧化剂的阴极通道。阴极通道和阳极通道彼此之间不连接。
阴极通道和阳极通道由通过凸起部(下面称为接片)彼此分开的凹陷部(下面称为通道)形成在阳极板和阴极板的分别朝向膜电极布置的表面上。阳极板和阴极板优选模制成形，尤其是空心压印。接片和通道例如间断地通过空心压印(利用模具和冲模)、液压成型(利用模具和液体)、高速成型(利用模具和冲模)、拉伸成型、深冲、挤压/冲挤等制成，或者连续地通过轧制或拉深制成。
为了当把燃料电池布置结构用于车辆时在工作中达到足够的效率和小的成本，一方面需要通过例如减小由于接触电阻和/或材料电阻引起的功率损失以及改进物质运输和电荷迁移来提高每平方米电池面积的功率和燃料电池的效率，另一方面使用成本不断降低的材料，例如用于气体扩散电极的可卷绕的电极层。
例如，由DE 102005037093 A1已知了具有流体导向通道的燃料电池，所述流体导向通道具有反向变化的流动截面。
由DE 60212001 T2已知了燃料电池流体分配板(也称为双极性板)，该燃料电池流体分配板在至少一个面上具有由逐渐变细的通道组成的网，所述通道具有一个或多个分岔的气体运输通道，所述气体运输通道具有多个与之连接的宽度小于0.2mm的气体扩散通道。
US 20020167109 A1描述了一种传统的双极性板和其制造(过程)，其中流动通道具有不同的通道横截面形式。
由US 20030059662 A1已知了一种传统的双极性板，该双极性板具有迂回曲折状延伸的流动通道，其中所述通道的相邻的通道部段之间的接片在宽度上有变化。
由US 6586128 B1已知了用于改进和调节相邻通道之间的物质运输的方法和设备，其中在接片宽度恒定的情况下可通过改变通道走向来调节各个通道中的压力差。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种用于燃料电池的双极性板，该双极性板相对于由现有技术已知的双极性板得到了改进，且在减小制造成本的同时实现了简单的调节。此外，给出了一种改进的燃料电池布置结构。
根据本发明，在双极性板方面的目的通过权利要求1给出的特征来实现。根据本发明，在燃料电池布置结构方面的目的通过权利要求11给出的特征来实现。
本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在燃料电池堆中两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板以传统的方式包括至少一个或两个彼此平面平行布置的板件，其中至少在所述板件的外侧上通过形成在所述板件中的通道结构分别形成有一流场，所述通道结构具有多个在流体入口和流体出口之间延伸的通道以及在两个通道之间延伸的接片。根据本发明，所述通道和/或接片在所述外侧的至少一个上沿流体的流动方向在流体入口和流体出口之间至少具有一变化的通道宽度、一变化的接片宽度和/或一变化的通道间距。
通道宽度、接片宽度和/或通道间距优选根据对在至少一个介质侧上并进而在双极性板的一侧例如阳极侧或阴极侧上的流体运输、热传递和/或电荷迁移的局部/当地要求而变化。
通过这种对流场的局部的接片宽度、通道宽度和/或通道间距沿流动方向的优化，可以实现对邻接的燃料电池中的局部条件的匹配并进而实现燃料电池布置结构的功率密度的优化。因此，尤其在具有气体扩散电极的柔性层的燃料电池布置结构中，可以通过所述宽度(即通道宽度和/或接片宽度)中的一个和/或通道间距的相应变化来满足并实现对流体运输尤其是气体运输的不同要求，以及不同的导热性和导电性要求。
此外，通过通道结构对局部条件的这种可变的调节和匹配，可以将柔性而廉价的材料、如柔性的尤其是可卷绕的层用于气体扩散电极。由此实现了成本优化且坚固以及封装密实的燃料电池布置结构。
在一种可能的实施方式中，通道在流体入口和流体出口之间沿流动方向具有增大的通道宽度。由此实现了从催化剂层和至催化剂层的优化的材料运输和流体运输。
在另一可选的或附加的可能的实施方式中，接片在流体入口和流体出口之间沿流动方向具有减小的接片宽度。由此改善了电荷迁移和热传递。
可选地或附加地，两个并排布置的通道之间的通道间距可沿流动方向增大。在此，在本发明的意义上，通道间距理解为从一个通道的通道壁之一到相邻通道的相同通道壁的距离。换句话说，通道间距相当于一通道的通道宽度和一与该通道邻接的接片的接片宽度的总和。
为了适应局部/当地的气体组成，优选如此实施通道结构，使得通道宽度和/或接片宽度沿流体的流动方向发生变化。
有利地，为了使通道结构适应通道中的局部的气体组成，通道宽度、接片宽度和/或通道间距可以沿流动方向变化，和/或通道宽度和/或接片宽度在流体入口和/或流体出口处是变化的或者这些不同地变化的宽度或间距可以任意组合。通过通道宽度、接片宽度和/或通道间距的这种适应于局部气体组成、热传递和/或电荷迁移、尤其是适应于局部氧气浓度的这种变化，还可影响燃料电池中的水管理。因此，借助于流体入口处较宽的接片实现了电解质膜(PEM)中较高的保水量。流体入口处窄的通道实现了电解质膜和冷却介质之间的平均较小的温度差，从而实现了在入口流体尤其是入口气体干燥时最佳的水平衡。在流体出口处，由于出现了产物水，所以流体湿度尤其是气体湿度增加，因此这里较窄的接片和较宽的通道是优选的。
对于利用宽的通道实现的最佳的流体运输以及利用宽的接片实现的同时最佳的热传递和电荷迁移来说、进而对于在通道和接片的整个长度上矛盾的参数来说，在本发明的一种优选的实施方式中，在流体入口处，通道比在流体出口处窄，接片比在流体出口处宽，而通道间距比在流体出口处小。通过通道和接片的这种设计，考虑到了燃料电池内部由于离析物消耗(＝阴极上的氧消耗)和产物生成(阴极上的水蒸气)造成的局部压力的变化和离析物浓度的变化。尤其是考虑到了，氧气浓度朝向流体出口降低，并因此损失由于较差的流体运输而增加。因此，流体运输相对于电荷迁移损失的比例也在变化，这又导致了通道宽度和接片宽度的改变了的优化。
根据本发明的一种可选的实施方式，在接片宽度恒定时，通道宽度沿流动方向从流体入口向流体出口增大。
这样实现了从催化剂层和至催化剂层的最佳的流体运输或物质运输。
根据另一种可选的实施方式，在通道宽度恒定时，接片宽度沿流动方向从流体入口向流体出口增大，由此实现了尤其在气体扩散电极的柔性层中改进了的电荷迁移和热传递。
在另一种可选的实施方式中，有利的是，为了实现尤其在气体扩散电极的柔性层中改进的电荷迁移和热量传递，当通道宽度恒定时，接片宽度沿流动方向从流体入口向流体出口减小。
为使具有尽可能均匀的流体输入的双极性板简单且可经济地制造，所有通道均从一共同的流体入口出发。在此，根据所属的电极可将气体形式的反应物质、或燃料如氢气或含氢气体、或者氧化剂如氧气或含氧气体(如空气)作为流体输送至流体入口。与此类似，所有通道宜通入一共同的流体出口中，作为反应产物的水或水蒸气和/或残余可燃气体可以通过该流体出口排出。
为了尽可能坚固地构造和简单地形成通道结构，所述两个板件由金属制造。在此，可以在相应板件中通过拉伸成型、深冲、挤压/冲挤等，或者连续地通过轧制或拉深来形成通道结构。
在燃料电池布置结构方面，所述燃料电池布置结构具有多个堆叠的燃料电池，所述燃料电池设计为具有布置在两个气体扩散电极之间的电解质膜的膜电极布置结构，在两个燃料电池之间分别布置有一根据本发明的双极性板。
根据本发明的双极性板优选用在燃料电池布置结构中。在此，燃料电池布置结构是多个堆叠的聚合物电解质膜燃料电池，所述聚合物电解质膜燃料电池之间分别布置有一双极性板。
附图说明
根据附图进一步阐释本发明的实施例。
附图示出：
图1示意性地示出具有多个平面平行地堆叠的燃料电池中的单独一个的燃料电池布置结构的典型构造，其中燃料电池在外侧分别由一双极性板界定，
图2示意性地示出在双极性板的外侧之一上的通道结构的一种可能的实施方式，其中所述通道结构具有恒定的接片宽度和变化的通道宽度，
图3示意性地示出在双极性板的外侧之一上的通道结构的另外的可选的实施方式，其中所述通道结构具有变化的接片宽度和恒定的通道宽度，
图4示意性地示出双极性板的外侧之一上的通道结构的另外的可选的实施方式，其中所述通道结构具有变化的接片宽度和变化的通道宽度。
具体实施方式
彼此对应的部件在所有附图中具有相同的附图标记。
图1示意性地示出具有多个平面平行地堆叠的燃料电池2(也称为膜电极布置结构，简称MEA)中的单独一个的燃料电池布置结构1的典型构造，其中燃料电池在外侧分别由一双极性板3界定。
在此为了能更好的理解，图1示出了各个元件——燃料电池2(或MEA)和双极性板3——以及它们的表面相对于彼此的定向。
燃料电池2尤其可以是所谓的PEM燃料电池(其中PEM＝聚合物电解质膜)。为此，燃料电池2包括两个气体扩散电极4(其中一个作为阳极，另一个作为阴极)和布置在这两个气体扩散电极之间的电解质5、例如一聚合物电解质膜。在此，各个气体扩散电极4的表面中的一个朝向电解质5，例如聚合物电解质膜，而另一个表面朝向双极性板3中的一个。
双极性板3优选由至少一个板件或由两个彼此平面平行地布置的板件形成，其中所述板件由金属制成，例如是薄的金属板，这实现了坚固的构造和能够简单地在所述两个板中形成通道结构。然而原则上，这两个板件也可以由碳或碳原料(石墨)形成。这种板件目前可以制成极其薄壁的且具有不必涂层的优点。
例如通过空心压印(利用模具和冲模)、液压成型(利用模具和液体)、高速成型(利用模具和冲模)、拉伸成型、深冲、挤压/冲挤等，或者连续地通过轧制或拉深，在所述板件的或所述板件之一的或两个板件的至少一个外侧中形成有通道K和接片S。因此，双极性板3可以是成形件，该成形件例如由一个或两个薄的金属板形成，所述金属板具有凸起部(＝接片S)和凹陷部(＝通道K)，所述凸起部和凹陷部相对于外侧、也就是说相对于所属的膜电极布置结构形成了具有通道K的流场/流动区域F。
在燃料电池的工作中，各个流场F的通道K由一流体穿流过，例如阳极流场由燃料、例如氢气穿流过，而阴极流场由氧化剂、例如氧气或空气穿流过。
图1中仅示出了燃料电池布置结构1的一部分，即燃料电池2连同两个在外侧邻接的双极性板3。各个双极性板3在外侧以未详细示出的方式方法平面平行地邻接有另外的未详细示出的燃料电池2、尤其是其膜电极布置结构。
此外，在双极性板3的两个板件之间可以在内侧通过外部通道结构的负结构形成至少一个未详细示出的冷却介质通道和/或定量给料通道。在此，例如作为阳极起作用的板件和作为阴极起作用的板件如此上下叠置地放在通道底部上，使得这些板件的侧壁和接片形成位于内部的冷却介质通道和/或定量给料通道。
下面根据图2至4进一步描述本发明的不同的可选的实施方式。
为了避免或至少减小运输损失、接触电阻和/或材料电阻、以及流体或气体运输损失、热传递损失和/或电荷迁移损失，通道K和接片S优选分别具有所属的变化的通道宽度b1或接片宽度b2和/或变化的通道间距a。根据本发明，通道宽度b1、接片宽度b2和/或通道间距a设计为如此变化，使得它们适应于气体运输、热传递和电荷迁移的局部/当地要求。
通道间距a在此尤其理解为一个通道的通道壁和一与该通道相邻布置的通道的相同的通道壁之间的距离。因此，通道间距a相当于一通道K的通道宽度b1和一邻接的接片S的接片宽度b2的总和。
图2示意性地示出双极性板3的板件中的一个的外侧之一上的通道结构的可能的第一实施方式。
在此，通道K和接片S如此设计，使得接片S沿流动方向R具有恒定的接片宽度b2。而通道K的通道宽度b1如此变化，即通道宽度b1沿流动方向R增大。
此外，对应于通道宽度b1的增大，通道间距a同样也增大。
有利地，所有通道K从一个共同的流体入口E出发并通向一个共同的流体出口A。根据所属的流场F的类型，即阳极流场或阴极流场，燃料(例如氢气)或氧化剂(例如氧气或空气)被输送经过流体入口E。
可选地，也可以设置多个流体入口E和流体出口A。
图3示意性地示出双极性板3的外侧之一上的通道结构的另一可选的实施方式。
在该实施例中，通道宽度b1恒定，而接片宽度b2变化。由此也导致了通道间距a变化。接片宽度b2优选沿流动方向R减小。因此，通道间距a也沿流动方向R减小。
图4示意性地示出双极性板3的板件中的一个的外侧之一上的通道结构的另外可选的实施方式。
在该实施例中，接片宽度b2和通道宽度b1都是变化的。由此导致通道间距a也变化或保持不变。
换句话说：根据要求，通道宽度b1在此可以如此沿流动方向R对应于接片宽度b2的减小而增大，使得通道间距a保持不变。可选地，通道宽度b1的增大程度可以大于或小于接片宽度b2的减小程度或任意变化，从而通道间距a在流场F的整个长度上不是恒定不变的，而是变化的，尤其是增大或减小。
此外，通道宽度b1和接片宽度b2如此彼此定向并相对应地设计，即通道K较窄地指向流体入口E而接片S较宽地指向流体入口E，在流体出口A处则反之。在根据图4的示例中，在流体入口E处通道K较窄而接片S较宽，而在流体出口A处通道K较宽而接片S较窄。
根据要求，通道K的通道宽度b1和接片S的接片宽度b2例如至少增加或减少了相应宽度b1或b2的一半，并因此一倍半或最高四倍。在此，通道宽度优选在0.4mm至2.0mm的范围内。接片宽度优选在0.3mm至3.0mm的范围内。通道宽度和接片宽度之间的优选比例在如下范围内：通道宽度＝0.8～1.2mm：接片宽度＝0.5～1.0mm。
此外还确保了，当通道形状和/或尺寸和/或接片形状和/或尺寸变化时，双极性板3的总高度并进而厚度保持不变。
附图标记列表：
1  燃料电池布置结构    b1 通道宽度
2  燃料电池            b2 接片宽度
3  双极性板            F  流场
4  气体扩散电极        K  通道
5  聚合物电解质膜      R  流动方向
a  通道间距            S  接片

Claims (13)

1.一种用于燃料电池布置结构(1)的双极性板(3)，所述双极性板(3)尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间，所述双极性板(3)具有至少一个或两个彼此平面平行地布置的板件，其中至少在一个或两个外侧上通过形成在相应板件中的通道结构形成有流场(F)，所述通道结构具有多个在流体入口(E)和流体出口(A)之间延伸的通道(K)以及在两个通道(K)之间延伸的接片(S)，其特征在于，所述通道(K)和/或所述接片(S)在所述外侧的至少一个上在所述流体入口(E)和所述流体出口(A)之间沿流体的流动方向(R)至少具有一变化的通道宽度(b1)、一变化的接片宽度(b2)和/或一变化的通道间距(a)。
2.根据权利要求1所述的双极性板(3)，其特征在于，所述通道(K)具有沿所述流动方向(R)增大的通道宽度(b1)。
3.根据权利要求1或2所述的双极性板(3)，其特征在于，所述接片(S)具有沿所述流动方向(R)减小的接片宽度(b2)。
4.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，两个并排布置的通道(K)之间的所述通道间距(a)沿所述流动方向(R)增大。
5.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，在所述流体入口(E)处，所述通道(K)比在所述流体出口(A)处窄，所述接片(S)比在所述流体出口(A)处宽，所述通道间距(a)比在所述流体出口(A)处小。
6.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，在接片宽度(b2)恒定时，所述通道宽度(b1)沿所述流动方向(R)从所述流体入口(E)向所述流体出口(A)增大。
7.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，在通道宽度(b1)恒定时，所述接片宽度(b2)沿所述流动方向(R)从所述流体入口(E)向所述流体出口(A)增大。
8.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，所有通道(K)都从一个共同的流体入口(E)出发。
9.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，所有通道(K)都通入一个共同的流体出口(A)中。
10.根据上述权利要求中的一项所述的双极性板(3)，其特征在于，所述板件由金属制成。
11.一种具有多个堆叠的燃料电池(2)的燃料电池布置结构(1)，所述燃料电池(2)设计为具有布置在两个气体扩散电极(4)之间的电解质膜(5)的膜电极布置结构，在所述多个燃料电池(2)之间分别布置有一根据权利要求1至10中任一项所述的双极性板(3)。
12.根据权利要求11所述的燃料电池布置结构(1)，其特征在于，所述气体扩散电极(4)由柔性的、优选可卷绕的层形成。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的双极性板(3)在燃料电池布置结构(1)中的应用，所述燃料电池布置结构(1)由多个堆叠的聚合物电解质膜燃料电池(2)形成，在所述聚合物电解质膜燃料电池(2)之间布置有所述双极性板(3)。
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