CN104781968B - 具有流动分配器的燃料电池 - Google Patents

Abstract

在具有阳极‑阴极堆栈(12、14、20、22)的燃料电池中，该阳极‑阴极堆栈包括至少一个活性面层(10)，所述活性面层设计为具有第一通道结构(24)，该第一通道结构具有第一通道和至少一个第二通道(26)，以用于在阳极‑阴极堆栈的所述至少一个活性面层(10)上引导第一流体(30)，并且其中，设有第一分配结构(40)以用于将第一流体(30)分配到通道结构(24)的所述第一通道和所述至少一个第二通道(26)中，第一分配结构(40)设计为具有配设给所述第一通道的第一面区域(42、46)和配设给所述第二通道的第二面区域(44)，并且所述两个面区域(42/45、44)设计为具有对于在第一分配结构(40)中分配的第一流体(30)的不同大小的流动阻力，其中，不同的流动阻力通过不同的流动通道高度达到。

Description

具有流动分配器的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别是聚合电解质燃料电池(聚合物电解质燃料电池(PEFC)、质子交换隔膜燃料电池(PEMFC))，所述燃料电池具有阳极-阴极堆栈(Anoden-Kathoden-Stapel)，该阳极-阴极堆栈包括至少一个活性面层，该活性面层设计为具有第一通道结构，该第一通道结构具有第一通道和至少一个第二通道，以用于在阳极-阴极堆栈的所述至少一个活性面层上引导第一流体，并且其中，设有第一分配结构以用于将第一流体分配到通道结构的所述第一通道和所述至少一个第二通道中。此外，本发明涉及一种用于运行具有阳极-阴极堆栈的燃料电池的方法，该阳极-阴极堆栈包括活性面层，该活性面层由具有至少两个用于在活性面层上引导第一流体的通道的第一通道结构形成。

背景技术

燃料电池，特别是这样的混合动力机动车的燃料电池以已知的方式配设有具有多个阳极和阴极的阳极-阴极堆栈(双极板堆栈)，这些阳极和阴极分别形成堆栈的层并且借助于其间设置的隔膜分隔。为了在隔膜中可以发生质子运输，必须将氢气(以气体的形式)和氧气(以空气的形式)以及必要时冷却剂(以液态水的形式)输送到相应的层中。此外规定，在阳极-阴极堆栈上设有至少一个用于相应的层的通道结构，所述通道结构借助于多个通道在活性面上引导所述流体。此外，在所述通道结构的边缘上构成分配结构，借助于该分配结构将相应的流体分配到通道中。

发明内容

按照本发明，创造一种具有阳极-阴极堆栈的燃料电池，该阳极-阴极堆栈包括至少一个活性面层，该活性面层构成为具有第一通道结构，该第一通道结构具有第一通道和至少一个第二通道，以用于在阳极-阴极堆栈的所述至少一个活性面层上引导第一流体，并且在所述通道结构上游设有第一分配结构以用于将第一流体分配到通道结构的所述第一通道和所述至少一个第二通道中，其中，第一分配结构设计为具有配设给所述第一通道的第一面区域和配设给所述第二通道的第二面区域，并且所述第一面区域和第二面区域设计为具有对于在第一分配结构中分配的第一流体的不同大小的流动阻力，借助于对于在第一面区域中和在第二面区域中流动的流体的不同大小的流动层厚度设计对于在第一分配结构中分配的第一流体的不同大小的流动阻力，其中，在所述第一分配结构上连接有用于将流体输送至第一分配结构的第一流入导管，第一通道比第二通道设置在活性面层的与第一流入导管离更远的区域中，并且第一面区域的流动阻力比第二面区域的流动阻力更小地设计。

按照本发明的解决方案改善了在燃料电池的阳极-阴极堆栈上要在该燃料电池的活性面上引导的流体的流体动力的情况。所述解决方案基于如下指示，即，相应的流体在面层的通道中基本上尽可能层状地流动。如下连续方程适用于这样的流动：

(其中质量密度为ρ并且速度矢量为)。

该方程式表明，通过封闭的平面的质量流必须总是等于质量在平面内部中的变化。如果在流体的质量在通道的内部中没有变化的情况下将流体导入到通道中，则相同量的流体必须在通道的端部处排出、如流入(hineinflieβen)。如果通道在一个位置处收缩，则还总是必须在端部处排出相同量的流体。这意味着，流体在角狭窄的通道区域中必须比在宽敞的通道区域中更快地流动。

反之得出，当不同大小的量的流体引导到多个、相同大小的通道中时，流体在通道中不同快地流动。这种不同快的流动在本发明所基于的通道结构中导致所属的活性面的不均匀的供应。

利用按照本发明的解决方案取而代之地在分配结构中这样设计在相应的通道上游的流动情况，使得每时间单位分配到通道中的流体量尽可能大小相同。

流动阻力是物理参量，该物理参量描述抵抗运动的力。因此，相对于流体(气态和/或液态的介质)运动的物体受到流动阻力，并且反之，当流体在压力下输送通过通道时受到流动阻力。流动阻力作用为与相对速度相反的力。

流动对环流或者穿流的物体的表面产生局部不同的剪切应力和压力(法向应力)。在整个表面上的压力和剪切应力的整合导致作为流动阻力起作用的合成的力。

因此，物理参量是压力和剪切应力，所述压力和剪切应力作用在物体的表面上并且因此可以贡献为流动阻力。与此相应地，流动阻力可以分为压力阻力和摩擦阻力。压力阻力或者摩擦阻力根据环流或者穿流的物体的形状而可能占主要部分。

压力阻力导致围绕物体或者在物体中的压力分配(法向应力)。该阻力的有效面积是沿入流的方向的投影面。

摩擦阻力(面阻力)是摩擦的结果，亦即，粘性的动量交换的结果。摩擦阻力基于剪切应力，该剪切应力通过流动在表面上掠过而在物体的表面产生。

利用按照本发明的解决方案，在分配结构中在流入至通道结构的至少两个通道的流入中各设有一个具有不同大小流动阻力的面区域。所述不同大小的流动阻力能实现：要输送的流体可以在所述两个面区域中不同快地并且因此每时间单位不同远地流动。以这种方式可以确保，允许对所述至少两个通道设有不同长度的流入导管或者分配导管，并且尽管如此，接着在两个通道中存在相同的流动速度。

在所述构型中本发明特别利用，在流体的运动方面在更小的粘度的情况下可以忽略摩擦影响并且以良好的近似适用于欧拉方程式：

该方程式使流体在某一个位置处的速度改变与在环境中存在的压力相关联。因此，这是流体在高的雷诺数时的运动方程。

因此优选地，按照本发明尽可能忽略在的第一和第二面区域上的摩擦阻力(例如尽管所述两个平面可能是面积大小强烈不同的)并且接着仅与压力阻力做功。此外，对于在第一分配结构中分配的第一流体的不同大小的流动阻力以特别简单的方式借助于对于在第一面区域和第二面区域中流动的流体的不同大小的流动层厚度来设计。在此，流动层厚度被理解为如下的层厚度，第一流体可以以该厚度在相应的面区域上流动。换言之，这在相应的面区域上于是是通常矩形的流动横截面。备选地或者附加地，流动横截面沿流体的基本流动方向的这种变化也可以借助于在面区域中模压或者嵌入(Einbauten)来制造。这样的嵌入可以采用最不同的形状、例如圆锥形并且特别是也承担间隔保持件的功能。此外，流动横截面的变化可以有利地沿基本流动方向跳跃式地和/或连续地变化地设计，例如设计为倾斜的平面。

此外优选地，根据上文的阐述在所述第一分配结构上连接有用于将流体输送至第一分配结构的第一流入导管，第一通道比第二通道设置在活性面层的与第一流入导管离更远的区域中，并且第一面区域的流动阻力比第二面区域的流动阻力更小地设计。因此，给如下的面区域配设较小的流动阻力，所述面区域需要对于在其上流动的流体的更大的流动路径。这总体得出：每时间单位在所述两个面区域上流动的流体量(如果期望)可以尽可能保持大小相同，从而在整体上在随后的通道中同样出现大小相同的流动量和流动速度。

为了使流体尽可能均匀地导入到相对来说广泛的分配结构中，优选地，所述第一流入导管居中地设置在第一分配结构的一侧上，第二通道设置在活性面层的所属的中间区域中以及第一通道与此相对地设置在活性面层的边缘区域中。接着，流体可以由第一流入导管有利地在流入导管的所述两个侧面上相互散开地进一步分配。以这种方式，需要的流动路径在分配结构内部仍是相对来说少地长度不同。

为了在第二面区域中产生较大的流动阻力，优选地在那里规定在第二面区域中流动的流体的流动层厚度在俯视图中呈V形的减小部。V形创造了较小的流动层厚度的向两侧叉开的或者散开的区域，从而由流入侧出发(在V形的尖端处)，多个通道(在V形的宽侧处)以减小的流动层厚度被流入。

优选地，第一通道结构相对于第二通道结构借助于第一双极板界定，该第一通道结构具有至少两个用于在活性面层上引导第一流体的通道，该第二通道结构具有至少两个另外的用于在活性面层上引导第二流体的通道，并且接着优选地，借助于所述第一双极板的拱曲部在第二面区域中制造流动层厚度在俯视图中呈V形的减小部。双极板优选是薄膜、优选具有大约0.05至0.15mm厚度的薄膜，并且更多流体、特别是导入的氢气和导入的氧气的流动路径本身相互界定。接着，在这种薄膜中按照本发明地突出的拱曲部于是在所述一条流动路径中导致较小的流动层厚度，而在另一条流动路径中可能相应地扩大在所属的面区域中的流动层厚度。这种扩大可以有利地用于通道在第二流动路径中的入流，或者通过相应地这样设计那里的通道使得接着较厚的入流区域非负面地作用于其入流，而至少是无害的，。

有利地，所述第二通道结构相对于第三通道结构借助于第二双极板界定，该第二通道结构具有至少两个另外的用于在活性面层上引导第二流体的通道，该第三通道结构具有再至少两个另外的用于在活性面层上引导第三流体的通道。利用这种第二双极板可能的是，各个面层在整体上分开地输送三种流体。

接着优选地，在第二双极板中同样设有在俯视图中呈V形的拱曲部。这种拱曲部在所属的面区域中为在那里输送另外的流体而创造相同的优点，如上面针对第一流体所阐述的那样。在所述两个V形的拱曲部相应地匹配时也可能的时，在所述拱曲部之间创造如下的流动层厚度，该流动层厚度具有在整体上恒定的厚度。此外特别优选地，在所述第二双极板中的拱曲部在俯视图中构成在第一双极板中的拱曲部内部。

此外最后，按照本发明，与上面阐述的装置相应地创造一种用于运行具有阳极-阴极堆栈的燃料电池的方法。所述燃料电池为此包括活性面层，该活性面层由具有至少两个用于在活性面层上引导第一流体的通道的第一通道结构形成。所述方法本身包括如下步骤：将第一流体穿过分配结构分配到第一通道和至少一个第二通道中，其中，第一流体通过分配结构以与输送至第二通道不同大小的流动阻力而输送至第一通道。

附图说明

以下借助示意性附图更详细地阐述按照本发明的解决方案的实施例。图中：

图1示出按照现有技术的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的透视剖视图；

图2示出按照本发明的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的第一实施形式的双极板的透视图；

图3示出按照本发明的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的第二实施形式的透视剖视图；

图4示出按照图3的视图IV；

图5示出按照本发明的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的第三实施形式的透视剖视图；

图6示出按照图5的视图VI；

图7示出按照本发明的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的第四实施形式的透视剖视图；

图8示出按照图7的视图VIII；

图9示出按照本发明的燃料电池的阳极-阴极堆栈的面层的第五实施形式的透视剖视图，以及

图10示出按照图9的视图X。

具体实施方式

在图1中阐明用于机动车、特别是按照现有技术的混合动力机动车的燃料电池的未进一步阐明的阳极-阴极堆栈的面层10。面层10在相互堆叠的层中包括作为“隔膜电极组(Membran Electrode Assembly)”的下隔膜12、下气体扩散层14、下双极板16、上双极板18、上气体扩散层20和上隔膜22。在此，隔膜12和22以及气体扩散层14和20在活性的平面上延伸，双极板16和18在所述活性的平面内部形成分别具有多个通道26的通道结构24。分配结构28处于所述通道结构24的上游，所述分配结构同样利用双极板16和18形成。分配结构28用于将总计三种流体(即空气30、液态的冷却剂32以及气态的氢气34(H₂))尽可能均匀地分配到通道结构24中。

在分配流体30、32和34时存在如下问题，即，流体在分配结构28内部的所属的流动路径36的长度强烈不同。因此，最终在通道26中得出不同大小的流动速度，这导致所述流体在气体扩散层14和20以及隔膜12和22的所属的活性面上不均匀的效果。

与此相比，在图2至4中示出的双极板38中，不同地设计所属的分配结构40。所述分配结构40具有总计三个并排放置的面区域42、44和46，在这些面区域中以拱曲部48设计的中间面区域44。拱曲部48设计为在俯视图中V形、在侧视图中梯形的加高部，面区域44借助于加高部关于相邻的面区域42和46被提高。利用该提高在双极板38的上侧并且因此在上隔膜22的下部同样得出用于以此流入到所属的通道结构24及其通道26的流体空气30的在那里的流动层厚度50的减小部。在此，空气通过居中地设置在面区域44上游的流入导管52来输送。

利用这种分配结构40，对于第一通道26(面区域42配设给该第一通道)，空气30在分配结构40中的流动路径同样比在面区域44中长。但是，也同样的是，如上面以减小的流动层厚度50所阐述的那样，空气30在面区域42中的流动阻力比在面区域44中小。在此，流动路径和流动阻力这样相互协调，使得在通道结构24的单个的通道26中每时间单位尽量进入相同量的流体。

接着，在按照本发明的这种双极板38的下侧上可以如在图3和4中阐明的那样，作为第二流体将氢气34引导通过分配结构40。在此，氢气34在分配结构40的侧面上导入，亦即，在面区域42和面区域44上从侧面导入。接着，指向上的拱曲部48对于氢气34的流入也是有利的，因为对于氢气34在分配结构40内部的其他路径则由于较大的流动横截面得出较小的流动阻力。

在图5和6中示出一种实施变形方案，在该实施变形方案中，在这种双极板38的下部，第二双极板50同样延伸穿过分配结构40的面。所述第二双极板50向下相对于下隔膜12界定或者密封(abdichten)分配结构40。因此，在双极板38和双极板50之间存在的流体引导层中特别是冷却剂32可能穿过分配结构40导向至通道结构24中的所属的通道26。氢气34在这种实施变形方案中借助于未进一步示出的分配结构在通道结构24的其他边缘上输送。

图7和8示出一种变形方案，在该变形方案中，在第二双极板54下部存在另一个流体引导层，氢气34可以引导穿过该流体引导层。所述流体引导层相应地在第二双极板54和下隔膜12之间延伸并且可以用于将氢气34直接引导到并排的通道结构24中。

为了进一步改善氢气34的这种输送，于是按照在图9和10中示出的变形方案规定，第二双极板54也具有拱曲部56。拱曲部56与拱曲部48相应地同样指向上并且在此在俯视图中同样呈现V形。因此，在俯视图中，拱曲部56尽可能一致地、但是稍微更小地处于拱曲部48的下部。接着，在这种拱曲的双极板38和54之间得出穿过面区域42、44和46尽可能恒定厚度的流体引导层，该流体引导层特别是设用于输送冷却剂32。同样在双极板54及其拱曲部48的下部得出用于向所属的通道结构24的中间通道26输送的减小的流动阻力。这如上面阐述的那样也导致氢气34进一步改善地、均匀地输送到相应地设计的燃料电池的所属的面层10中。

附图标记列表

10 燃料电池的面层

12 下隔膜

14 下气体扩散层

16 按照现有技术的下双极板

18 按照现有技术的下双极板

20 上气体扩散层

22 上隔膜

24 通道结构

26 通道

28 按照现有技术的分配结构

30 作为第一流体的空气

32 作为其它流体的冷却剂

34 作为其它流体的氢气

36 在分配结构内部的流动路径

38 按照本发明的双极板

40 按照本发明的分配结构

42 面区域

44 面区域

46 面区域

48 拱曲部

50 流动层厚度

52 流入导管

54 按照本发明的双极板

56 拱曲部

Claims (7)

1.具有阳极-阴极堆栈的燃料电池，该阳极-阴极堆栈包括至少一个活性面层(10)，该活性面层设计为具有第一通道结构(24)，该第一通道结构具有第一通道和至少一个第二通道(26)，以用于在阳极-阴极堆栈的所述至少一个活性面层(10)上引导第一流体(30)，并且其中，在所述通道结构(24)上游设有第一分配结构(40)以用于将第一流体分配到通道结构(24)的所述第一通道和所述至少一个第二通道(26)中，其中，第一分配结构(40)设计为具有配设给所述第一通道(26)的第一面区域(42)和配设给所述第二通道(26)的第二面区域(44)，并且所述第一面区域(42)和第二面区域(44)设计为具有对于在第一分配结构(40)中分配的第一流体(30)的不同大小的流动阻力，借助于对于在第一面区域(42)中和在第二面区域(42)中流动的流体(30)的不同大小的流动层厚度(50)设计对于在第一分配结构(40)中分配的第一流体(30)的不同大小的流动阻力，其中，在所述第一分配结构(40)上连接有用于将流体(30)输送至第一分配结构(40)的第一流入导管(52)，第一通道(26)比第二通道(26)设置在活性面层(10)的与第一流入导管(52)离更远的区域中，并且第一面区域(42)的流动阻力比第二面区域(44)的流动阻力更小地设计。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一流入导管(52)居中地设置在第一分配结构(40)的一侧上，所述第二通道(26)设置在活性面层(10)的所属的中间区域中并且第一通道(26)与此相对地设置在活性面层(10)的边缘区域中。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，为了在第二面区域(44)中产生较大的流动阻力，在那里规定在第二面区域(44)中流动的流体(30)的流动层厚度(50)在俯视图中呈V形的减小部。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述第一通道结构(24)相对于第二通道结构(24)借助于第一双极板(38)界定，该第一通道结构具有至少两个用于在活性面层(10)上引导第一流体(30)的通道(26)，该第二通道结构具有至少两个另外的用于在活性面层(10)上引导第二流体(32；34)的通道(26)，并且借助于所述第一双极板(38)的拱曲部(48)在第二面区域(44)中制造流动层厚度(50)在俯视图中呈V形的减小部。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述第二通道结构(24)相对于第三通道结构(24)借助于第二双极板(54)界定，该第二通道结构具有至少两个另外的用于在活性面层(10)上引导第二流体(32)的通道(26)，该第三通道结构具有再至少两个另外的用于在活性面层(10)上引导第三流体(34)的通道(26)。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，在第二双极板(54)中同样设有在俯视图中呈V形的拱曲部(56)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，在所述第二双极板(54)中的拱曲部(56)在俯视图中构成在第一双极板(38)中的拱曲部(48)的内部。