CN104813527A - 用于燃料电池的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极板，所述双极板形成燃料电池的第一基本元件的第一极板和同一燃料电池的与第一基本元件相邻的第二基本元件的第二极板，所述双极板包括两个平行的板，每个板包括至少一个在所述极板的厚度中设置的燃料分配通道或氧化剂分配通道。另外，所述双极板包括用于供应燃料和/或氧化剂的歧管，所述歧管通过孔而连接至所述双极板的内部。所述双极板的特征在于，其包括设置在其中一个平行的板中的切口，以使位于所述歧管中的气体通过所述孔和所述切口进入所述分配通道。

Description

用于燃料电池的双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别地涉及用于形成燃料电池堆的双极板的领域。实际上，燃料电池由包含通过离子交换膜分隔的阳极和阴极的电化学电池堆组成，阳极和阴极作为电极设置于两个双极板之间。

目前，在为限制环境污染(特别是在运输系统中)而进行的努力的背景中，对燃料电池进行了大量研究。使用空气或纯氧作为氧化剂的基于氢燃料的电解发电机无疑是目前受到最广泛研究的类型。

背景技术

如上所述，燃料电池包括基电池堆(empilement de cellules debase)，每个基电池堆包括阳极、阴极和充当电解质的离子交换膜。在燃料电池的操作过程中，发生两个同时进行的电化学反应，即在阳极处的燃料的氧化和在阴极处的氧化剂的还原。这两个反应产生正离子和负离子，所述正离子和负离子在膜处结合而以电势差的形式产生电。在氢-氧燃料电池的情况中，结合的是H⁺和O^-离子。

这些电化学反应发生在每个基电池中，这些电池中的每一个通过双极板而与相邻的电池分隔，所述双极板具有许多功能，特别是：

-第一功能，将燃料和氧化剂供应给电池，以及

-第二功能，热交换，使得所述堆能够降温或冷却。

应注意，双极板通常由两个薄板组成，所述两个薄板通过例如焊接或粘结的方法固定在一起。另外，由于双极板的不同功能，双极板必须为导电的，并同时保持为就腐蚀而言对氧化剂和燃料不敏感。

为了实现第一功能，在双极板与膜接触的整个面上设置通道。每个通道具有入口和出口，燃料或燃料(le carburant ou le carburant)通过所述入口渗透，对于所述出口，中性气体、通过电化学反应而产生的水以及氢的残余水分通过所述出口排出。

为了实现第二功能，通常使冷却液体经过形成双极板的两个薄板之间。然而，已发现在传统的双极板中，由于冷却液体没有流动通过整个双极板，所以所述冷却没有恰当地发生。

专利申请EP 1 358 691公开了一种双极板，该双极板包括安装于形成双极板的两个板之间的销，以确保在两个板之间存在足够的空间以允许冷却液体流动。然而，该解决方法具有多个缺点，特别是就制造难度而言。另外还发现，由于冷却液体的流动在整个板上并不均匀，因此其没有提供最大冷却。

发明内容

因此，本发明旨在提出具有用于改进燃料电池的冷却的设置的双极板。在另一方面，本发明旨在提出具有用于加强燃料和/或氧化剂的供应的设置的双极板。

因此，本发明涉及一种双极板，其形成燃料电池的第一基本元件的第一极板和同一燃料电池的与第一基本元件相邻的第二基本元件的第二极板，所述双极板包括两个平行的板，每个板具有至少一个在极板的厚度中设置的用于分配燃料或氧化剂的通道，且所述双极板的特征在于，所述分配通道设置为当所述燃料电池的第一和第二基本元件堆叠在一起时，使得在所述两个极板之间形成流动通道，并且所述双极板特征在于，所述分配通道与冷却液体供应开口连通。

在具体实施方案中，除了在通道偏移的区域之外，在所述双极板的一个面上的通道的分布与在双极面的第二板上的通道的分布相同。

在具体实施方案中，通道偏移的区域为这样的区域：其中在双极板的组装过程中，如果不存在偏移，则水平通道将重叠。

在具体实施方案中，偏移具有节距的一半以上的值。

在具体实施方案中，通道偏移在双极板的阳极面上形成。

在具体实施方案中，偏移通道元件具有固定点。

本发明的另一方面涉及一种双极板，其形成燃料电池的第一基本元件的第一极板和同一燃料电池的与第一基本元件相邻的第二基本元件的第二极板，所述双极板包括两个平行的板，每个板具有至少一个在极板的厚度中形成的用于分配燃料或氧化剂的通道，所述双极板进一步包括用于供应燃料和/或氧化剂的歧管，所述歧管通过开口与双极板的内部连通。所述双极板的特征在于，其包括在其中一个平行的板中形成的切口，以使位于所述歧管中的气体经由所述开口和所述切口进入所述分配通道。

在具体实施方案中，双极板具有第一密封元件，所述第一密封元件位于其中形成切口的双极板的外表面上，第一密封元件在歧管与切口之间，并平行于所述切口。

在具体实施方案中，第一密封元件为由聚合物材料制备的接头。

在具体实施方案中，双极板在切口与供应通道之间包括第二密封元件，所述第二密封元件用于在气体入口开口与存在于两个平行的板之间的冷却液体之间提供密封。

在具体实施方案中，第二密封元件通过包括于下组中的方式提供：焊接、钎焊和粘结。

在具体实施方案中，切口和/或第一密封元件和/或第二密封元件在歧管的整个长度上延伸。

附图说明

根据由以下附图所示出的优选的但非限制性的实施方案的以下描述，本发明的其他目的和优点将是显而易见的，其中：

图1显示了根据本发明的双极板的第一面，

图2显示了图1所示的双极板沿着截面线C-C获取的局部视图，

图3显示了根据本发明的双极板的第二面，

图4和5显示了通过图3所示的双极板分别沿着A-A和B-B获取的两个截面。

具体实施方式

双极板包括由两个平行的薄板组成的中央骨架1，所述两个平行的薄板通过例如粘结或焊接的方法固定在一起。在燃料电池中，所述板的一面意在放置为靠着阳极，而另一面意在放置为靠着阴极。

多个术语在下文中使用，并根据以下给出的它们的定义而进行解释：

-术语“双极板的面”意指薄板中的一个的外部的面，

-“双极板的侧面”为形成双极板的矩形的四个侧面，

-术语“水平”表示元件平行于双极板的较短侧面，术语“竖直”表示元件平行于双极板的较长侧面，

-术语“双极板的顶部”表示气体和冷却液体进入所通过板的边缘，

-术语“双极板的底部”表示中性气体和冷却液体排出所通过的板的边缘，

-术语“阳极双极面”表示在燃料电池的组装过程中放置为与阳极接触的双极板的面，并且

-术语“阴极双极面”表示在燃料电池的组装过程中放置为与阴极接触的双极板的面。

薄板在其周边上穿通有多个孔，以形成用于燃料的歧管2、氧化剂的歧管3和冷却液体的歧管4。所述板还包括在其厚度中形成的一组通道5，以使燃料或氧化剂在其表面上流动。薄板还具有开口6，所述开口6使得歧管能够与气体流动通道连通。

本发明提供了一种双极板，所述双极板在其两个面中的每一个面上具有不同的通道布局。这是因为本发明的目的在于提出一种双极板，其中冷却液体的分布是均匀的。为此，在有利的实施方案中，本发明提出了一种通道布局，所述通道布局使得冷却液体能够在形成双极板的薄板之间散布。

在有利的实施方案中，所述双极板的第一面具有如图1所示的通道布局，所述通道布局由平行线线圈形式的矩形螺旋形成，所述矩形螺旋覆盖了板的三分之二，并在板的最后三分之一处终止。

在图3所示的有利的实施方案中，所述双极板的第二面具有这样的通道布局：矩形螺旋的水平元件在位于双极板的中央三分之一的顶部处的部分在竖直方向上向上偏移。所述偏移为例如约为节距的一半。

更具体而言，元件偏移的区域ZD1为这样的区域：其中，如果将两个具有相同通道布局的薄板组装在一起，则通道的水平元件将重叠。

因此，在本发明中，由具有如图1所示的通道布局的薄板和具有如图3所示的通道布局的薄板形成的双极板的组件能够在冷却液体进入的位置处提供空间，使得液体能够散布至整个双极板中。可以在图5中看到这些空间，图5显示了双极板的截面图，所述截面在偏移的位置处获取。因此能够看出，通过开口7在双极板之间渗透的冷却液体在其通向双极板的底部的通道上不会遇到障碍，从而允许冷却液体的均匀分布。

如上所述，通道布局在双极板的两个面的每一面上是不同的。因此，如之前段落中解释的通道的偏移可设置在阳极双极面上或者阴极双极面上。

然而，在优选实施方案中，偏移设置在阳极面上。这是因为在形成双极板的阳极面的薄板中设置的通道用于输送氢气。由于氢气是比氧气更易流动的气体，因此在通道中形成的偏移对燃料电池中的氢气流的移动具有极小的不利影响或不具有不利影响。

另外，在另一优选实施方案中，在双极板的底部，在区域ZD2中设置类似的通道偏移。例如，在底部的偏移与设置在双极板的顶部的偏移设置在双极板的同一面上。所述形成在底部的偏移有利于穿过燃料电池的冷却液体的排出。

在另一优选的实施方案中，具有偏移的通道元件也包括固定点8。如图4所示，这些固定点可用于在两个薄板的组装过程中加强双极板，并确保在两个双极板之间形成的通道(如图5所示)不在组装过程中变平。

因此，由于没有改变用于电池的正确操作所需的氢气和氧气的流动，本发明能够改进燃料电池的冷却而不影响其效率。

在另一方面，本发明还涉及一种双极板，所述双极板包括用于将气体供应至燃料电池的装置。所述板的示例性实施方案显示在图1和图2中。

在一个实施方案中，双极板包括在双极板的一个面中形成的切口10。所述切口10位于用于将气体供应至燃料电池的歧管4和在双极板的面上形成的通道之间。因此，位于歧管4中的气体经由开口12而渗透在两个薄板之间，并通过切口10或供应孔而从两个板之间的空间中出来，从而随后流动进入供应通道13，所述供应通道在其中形成切口的薄板的厚度中形成。气体的所述移动由标记为14的箭头示出。

在有利的实施方案中，双极板也包括例如位于由箭头15所指示的区域中的由聚合物材料制备的接头。相同类型的接头放置于意在与图1所示的面相接触的双极板的面上的相同位置处。因此，在堆叠之时，这两个接头提供密封，使得在第一板的通道中流动的气体不与在堆中的下一双极板中流动的气体接触(这两种气体性质不同)，进而使得燃料电池能够正确操作。为了使箭头14所示的气体通路在接头15的支承面下方，将接头15的支承面升高至在接头的其他在接头下方不需要气体通路的支承区域以上。

接头16也能够在形成双极板的两个薄板之间的提供密封，使得沿着由箭头14指示的路径的气体不与在双极板中流动的冷却液体接触。

所述接头通过例如钎焊、焊接、粘结或形成密封连接的任意其他方式形成。

在优选实施方案中，切口10和两个接头15和16沿着歧管4的整个长度延伸，术语“长度”就本发明的意义而言应理解为在歧管的整个水平部分延伸。

有利地，所述装置(进行必要修改之后)可安装于板的两个面上，设置为所述装置位于阳极面上的氢气供应歧管的位置处和阴极面上的氧气供应歧管的位置处。

因此，本发明的装置特别地包括切口和一个或多个密封接头，使得气体供应至燃料电池，并同时在燃料电池中流动的两种气体(例如氢气和氧气)之间提供密封。所述装置也能够用于在冷却液体与气体之间形成密封。

本发明的两个方面，即通道偏移以使双极板进行恰当地冷却，以及使用切口而用于气体供应，可组合使用或彼此独立地使用。

应注意，为了阐明论点，类似的元件在附图中由不同的附图标记表示。因此，图2中由附图标记13指示的通道形成在图1和图3中由附图标记5指示的通道组。另外，由附图标记6、7和12指示的开口为相同类型的开口。

本发明显然不限于所述和所示的示例，并且在不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的保护范围的情况下可以对本发明进行各种修改。

Claims (6)

1.一种双极板，其形成燃料电池的第一基本元件的第一极板和同一燃料电池的与所述第一基本元件相邻的第二基本元件的第二极板，所述双极板包括两个平行的板，每个板具有至少一个在极板的厚度中形成的用于分配燃料或氧化剂的通道，所述双极板进一步包括用于供应燃料和/或氧化剂的歧管，所述歧管通过开口与所述双极板的内部连通，

所述双极板的特征在于，其包括在所述平行的板中的一个中形成的切口，以使位于所述歧管中的气体经由所述开口和所述切口进入所述分配通道。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板具有第一密封元件，所述第一密封元件位于其中形成切口的双极板的外部的面上，所述第一密封元件在所述歧管与所述切口之间，并平行于所述切口。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一密封元件为由聚合物材料制备的接头，所述接头的支承面升高至高于不需要气体供应的区域。

4.根据前述权利要求中任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板在所述切口与所述供应通道之间包括第二密封元件，所述第二密封元件用于在气体入口开口与存在于两个平行的板之间的冷却液体之间提供密封。

5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于，所述第二密封元件通过包括于下组中的方式提供：焊接、钎焊和粘结。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的双极板，其特征在于，所述切口和/或所述第一密封元件和/或所述第二密封元件在所述歧管的整个长度上延伸。