CN103875105A - 中间注入气体的隔板、燃料电池、为燃料电池供料的方法 - Google Patents

中间注入气体的隔板、燃料电池、为燃料电池供料的方法 Download PDF

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Abstract

燃料电池隔板（4）包括至少一个凹槽（20），所述凹槽（20）形成在所述隔板的表面（18）中以将反应气体供给到抵靠所述隔板（4）的表面（18）施加的膜电极组件（6），所述凹槽（20）包括入口部分（22）和出口部分（26）。根据本发明的一个方面，所述隔板包括注入装置（30），所述注入装置（30）被配置为：将气体注入到所述凹槽的位于所述入口部分（22）和所述出口部分（26）之间的至少一个中间部分（32）中。

Description

中间注入气体的隔板、燃料电池、为燃料电池供料的方法
技术领域
本发明涉及离子交换膜燃料电池领域。
背景技术
离子交换膜燃料电池包括基础的电化学电池的堆叠。每个所述电化学电池包括夹设在两个隔板之间的膜电极组件（“MEA”）。
所述膜电极组件是层状的并且包括夹设在两个电极之间的离子交换膜。每个所述电极包括邻接膜的活性层以及气体扩散层。一个电极构成阳极并且另一个电极构成阴极。
每个所述隔板包括配置在隔板的表面上的凹槽，所述隔板的表面紧密地压靠所述膜电极组件，从而在所述隔板和所述膜电极组件之间限定导管，所述导管用于与所述膜电极组件接触的反应气体的流通。
在燃料电池工作期间，燃料供给到阳极侧板的凹槽中并且氧化性气体供给到阴极侧板的凹槽中。燃料为阳极侧供应电子和离子。所述电子被阳极捕获。所述离子穿过所述膜并且与阴极所提供的电子以及氧化性气体结合形成至少一种合成产物。
燃料电池例如为PEMFC（“质子交换膜燃料电池”）类型。所述离子交换膜于是为质子交换膜。当工作时，阳极侧隔板的凹槽被供应给氢气并且阴极侧隔板的凹槽被供应给空气或氧气。氢气产生质子和电子，所述质子穿过所述膜，所述电子被阳极捕获。所述质子在阴极侧与阴极提供的电子以及氧气结合而产生水。
因此所述燃料电池的工作导致水的产生，所产生的水可能会中断所述凹槽中的反应气体的流动，尤其是通过产生阻塞而中断所述凹槽中的反应气体的流动。中断供应可能会削弱所述燃料电池的性能。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种隔板，所述隔板有能力确保反应气体在膜电极组件上的令人满意的分布。
为了实现这一目的，本发明提供了一种燃料电池隔板，所述燃料电池隔板包括至少一个凹槽，所述凹槽形成在所述隔板的表面中以将反应气体供应给抵靠所述隔板的表面施加的膜电极组件，所述凹槽包括入口部分和出口部分，并且注入装置被配置为：将气体注入到所述凹槽的位于所述入口部分和所述出口部分之间的至少一个中间部分中。
根据其它的实施例，单独地考虑或根据任何技术可行的组合，所述隔板包括一个或多个下述特征：
-所述注入装置被配置为注入反应气体，
-反应气体在反应气体供应孔口中被供应给所述注入装置，所述凹槽的入口部分在所述反应气体供应孔口中获得供料，
-所述注入装置包括至少一个延伸穿过所述隔板的注入导管，反应气体被供应给所述注入导管并且所述注入导管通过注入端口通向所述中间部分，
-所述注入导管延伸到所述隔板的厚度部分中，
-所述注入导管被界定在形成所述隔板的两块堆叠的基础（elementary）板之间，
-所述注入导管通过从所述凹槽上分支引出而在反应气体供应孔口和至少一个所述注入端口之间延伸，所述凹槽的入口部分在所述反应气体供应孔口中获得供应，
-包括延伸到所述隔板内部的冷却导管，
-所述隔板是单极的或双极的。
本发明还涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括交替堆叠的隔板和膜电极组件，所述燃料电池包含至少一个之前所限定的隔板。
本发明还涉及一种为燃料电池供料的方法，其中，将反应气体供给到形成在隔板的一个表面中的凹槽，以确保来自所述凹槽的入口部分的与抵靠所述隔板的表面施加的膜电极组件接触的反应气体的流通，其中额外的气体被注入到所述凹槽的位于所述入口部分和出口部分之间的至少一个中间部分中。
附图说明
通过阅读对下文中仅以示例的方式并参考附图提出的说明，将更好的理解本发明及其优点，其中：
图1为燃料电池的截面示意图；
图2和图3为燃料电池的隔板的视图，分别为俯视图以及沿图2中的III-III的截面视图；以及
图4和图5为根据一个变化形式的隔板的视图，分别为俯视图以及沿图4中的V-V的截面视图。
具体实施方式
参考图1，燃料电池2包括交替布置的隔板4和膜电极6的堆叠。普遍接受的术语“堆叠”通常用来表示像这样的堆叠。
每个所述膜电极组件6都被夹设在两个所述隔板4之间。每个由布置在所述膜电极组件6两侧的两个所述隔板4形成的组件限定出所述燃料电池2的一个基础的电化学电池8。
每个所述膜电极组件6呈板的形式并且为层状的。每个所述膜电极组件6包括离子交换膜10以及布置在所述膜10两侧的两个电极12。
所述膜10特别是质子交换膜，并且为燃料电池PEM（“质子交换膜”）类型。
每个所述电极12都是导电的。每个所述电极12包括活性层14以及气体扩散层16。一个电极12限定出阳极并且另一个电极12限定出阴极。
所述隔板6提供导电的功能。所述隔板6是导电的并且与所述电极12电接触。
所述隔板6提供使反应气体分布在所述膜电极组件6的两侧以及排出合成产物的功能。
图1中示出的隔板4是“双极的”；每个隔板4布置在两个所述膜电极组件6之间，并且凭借其相对的两个表面18来与所述膜电极组件6接触，并且在其两个相对的表面中的每一个上都包括凹槽。当所述隔板以单个表面与所述膜电极组件接触时，所述隔板被称为“单极的”。可在燃料电池2的堆叠的两端找到所述单极的隔板（未示出）。
每个所述隔板4凭借它的其中一个表面18来与形成所述膜电极组件6的电极12的阳极接触，并且凭借它的另一个表面18来与形成另一个膜电极组件6的电极12的阴极接触。
每个所述隔板4包括形成在其每一个表面18上的至少一个凹槽20，以便和相邻接的所述膜电极组件6一起来限定供应导管，所述供应导管用于与所述膜电极组件6接触的反应气体的流通。
每个所述隔板4的表面18的凹槽20被分别供应不同的反应气体。例如为氢气的燃料被供应给与形成所述电极12的阳极相接触的表面18的凹槽20，例如为氧气或空气的氧化-燃烧剂被供应给与形成所述电极12的阴极相接触的另一表面18的凹槽20。
所述隔板4的与形成电极12的阳极接触的表面18的凹槽20限定出一阳极隔室并且相互流体连接。所述隔板4的与形成电极12的阴极接触的表面18的凹槽20限定出一阴极隔室并且相互流体连接。
每个所述隔板4包括用于向所述或每个凹槽20供应反应气体以及用于排出未耗尽的反应气体和所述燃料电池运行所产生的产物的装置。
各隔板4是类似的。现在将参考图2和图3更详细地说明隔板4及其反应气体供应装置。
如图2中所示，所述隔板4在其表面18（图2中可见）上包括一凹槽20，所述凹槽20包括入口部分22以及出口部分26，反应气体在供应孔口24A中被供应给所述入口部分22，所述出口部分26通向排出孔口28A。
所述凹槽20允许反应气体沿入口部分的膜电极组件22流向出口部分26。
所述凹槽20沿一曲折的路径在其入口部分22和出口部分26之间延伸，所述曲折的路径在此处为交错的（boustrophedon）路径。
所述供应孔口24A横向穿过所述隔板4。当多个所述隔板被堆叠时，所述供应孔口24A以一种方式对齐以限定延伸穿过燃料电池的堆叠的供应歧管。
所述排出孔口28A横向穿过所述隔板4。当多个所述隔板被堆叠时，所述排出孔口28A以一种方式对齐以限定排出歧管。
所述隔板4包括另一供应孔口24B和另一排出孔口28B，所述供应孔口24B和排出孔口28B未流体连接到所述可见表面18的凹槽20而是流体连接到图2中不可见的相反表面的凹槽上。
当在工作时，燃料被供应给所述供应孔口24A和24B中的一个，并且氧化剂被供应给所述供应孔口24A和24B中的另一个。
所述供应装置还包括注入装置30，所述注入装置30用于将额外的反应气体注入到所述凹槽20的至少一个中间部分32中，所述中间部分32沿着所述凹槽设置在所述入口部分22和所述出口部分26之间。此处的注入装置30能够将额外的反应气体注入到两个中间部分32中。
所述注入装置30包括注入导管34，反应气体在供应孔口24A中被供应给所述注入导管34，所述凹槽20的入口部分22在所述供应孔口24A中获得供料，并且所述注入导管34经由注入端口36通向每个中间部分32。
所述注入导管34通过从所述凹槽20上分支引出而在所述供应孔口24A和各注入端口36之间延伸。所述注入导管34延伸远离其中形成有所述凹槽20的表面18，以使得在所述注入导管34中流动的反应气体不接触紧密压靠该表面18的膜电极组件。
如图3所示，所述注入导管34延伸穿过所述隔板4的厚度部分。每个注入端口36由在所述凹槽20的底部和所述注入导管34之间延伸的孔形成。
所述隔板6是“双板”；所述隔板6由两个相互紧密压靠的基础板38形成。所述注入导管34被限定在所述基础板38之间。所述注入导管34由配置在朝向所述基础板38的表面中的通道40形成。如所示出的，所述通道40被形成为相应地布置在两个所述基础板38的相互朝向的表面中。替代性地，所述通道40形成在仅仅一个基础板38中。
在燃料电池的堆叠中，在图2中可见的隔板4的一个表面18与阴极侧膜电极组件接触。
在工作期间，氧气或空气从所述供应孔口24A供应给所述表面18的凹槽20。质子通过穿过所述膜电极组件进入到所述凹槽20中。这些质子与所述阴极所供应的电子并且与氧气结合进而产生水。
在所述凹槽20中流动的气体从所述入口部分22到所述出口部分26逐步地经受所述反应气体渐渐的损耗，并且沿所述凹槽20的路径渐渐地吸收更多的水。这种情况的结果是：一方面反应气体供应沿所述凹槽20减少，另一方面在所述凹槽20中，水分增加并且形成水阻塞的风险增加。
所述注入装置30使额外的气体能够沿所述凹槽20注入到所述凹槽20的一个或多个中间部分32中。所述额外的气体增加了气体的流速，因此有助于去除水分并且降低形成水阻塞的风险。
此外，所述气体为反应气体，其在各个注入端口36的下游处向气流补充反应气体，这补偿了反应气体在各个注入端口36的上游处的消耗并且提高了燃料电池的性能。
根据所述凹槽的形状，可以确定所述凹槽的中间部分，在所述中间部分内或所述中间部分的下游处形成液体阻塞的风险最高。所述注入装置被布置为用于将气体注入到所述中间部分中。
图4和图5中的隔板与图2和图3中的隔板的区别在于，其还包括冷却装置，所述冷却装置用于执行冷却燃料电池2的功能。
所述冷却装置包括在所述隔板6的内部的冷却导管42，所述冷却导管42形成在基础板38之间，用于冷却液的流通。冷却液凭借冷却进入孔口44被供应给所述冷却导管42并且所述冷却导管42通向穿过所述隔板4的冷却排出孔口46。当所述隔板4被堆叠时，所述冷却进入孔口44和冷却排出孔口46对齐并且分别限定冷却入口歧管和冷却出口歧管。
为了清楚起见，在图2到图5中仅示出单独的一个具有简单路径的凹槽以及相关的注入装置。很显然，一个隔板可包括多条具有不同路径（例如，Z字形或螺旋形路径）的被并行供应的凹槽以及多个用于将气体注入到所述凹槽的一部分中或整个凹槽中的装置。
本发明不限于双极隔板，而是还涉及单极隔板，并且总的来说涉及隔板。
本发明还适用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）并且更一般地适用于离子交换膜燃料电池。本发明尤其适用于SOFC（“固体氧化物燃料电池”）类型的燃料电池。

Claims (11)

1.一种燃料电池隔板（4），包括至少一个凹槽（20），所述凹槽（20）形成在所述隔板的表面（18）中以将反应气体供给到抵靠所述隔板（4）的表面（18）施加的膜电极组件（6），所述凹槽（20）包括入口部分（22）和出口部分（26），其特征在于，所述隔板包括注入装置（30），所述注入装置（30）被配置为：将气体注入到所述凹槽的位于所述入口部分（22）和所述出口部分（26）之间的至少一个中间部分（32）中。
2.根据权利要求1所述的隔板（4），其中，所述注入装置（30）被配置为：注入反应气体。
3.根据权利要求2所述的隔板（4），其中，反应气体在反应气体供应孔口中被供应给所述注入装置（30），所述凹槽（20）的入口部分（22）在所述反应气体供应孔口中获得供料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的隔板（4），其中，所述注入装置包括至少一个延伸穿过所述隔板（4）的注入导管（34），反应气体被供应给所述注入导管（34）并且所述注入导管（34）通过注入端口（36）通向所述中间部分（32）。
5.根据权利要求4所述的隔板（4），其中，所述注入导管（34）延伸到所述隔板的厚度部分中。
6.根据权利要求5所述的隔板（4），其中，所述注入导管（34）被界定在形成所述隔板的两块堆叠的基础板之间。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的隔板（4），其中，所述注入导管（34）通过从所述凹槽上分支引出而在反应气体供应孔口和至少一个注入端口（36）之间延伸，所述凹槽（20）的入口部分（22）在所述反应气体供应孔口中获得供应。
8.根据前述权利要求中任一项所述的隔板（4），其中，所述隔板（4）包括在所述隔板内部中延伸的冷却导管。
9.根据前述权利要求中任一项所述的隔板（4），其中，所述隔板（4）是单极的或双极的。
10.一种燃料电池（2），其包括交替堆叠的隔板（4）和膜电极组件（6），所述燃料电池（2）包含至少一个根据前述权利要求中任一项所述的隔板（4）。
11.一种为燃料电池供料的方法，其中，将反应气体供给形成在隔板的一个表面（18）中的凹槽（20），以确保来自所述凹槽的入口部分（22）的与抵靠所述隔板（4）的表面（18）施加的膜电极组件（6）接触的反应气体的流通，其中额外的气体被注入到所述凹槽（20）的位于所述入口部分（22）和所述出口部分（26）之间的至少一个中间部分（32）中。
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