CN106067558B - 具有不同厚度的半板的双极板和相关的燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板(10)，其包括具有第一厚度(21)的第一半板(20)和具有第二厚度(31)的第二半板(30)，其中，所述第一半板(20)和第二半板(30)分别通过它们的平面侧相对地布置，并且所述第一半板(20)在其外侧构成用于第一工作介质的第一流动区域(22)，并且所述第二半板(30)在其外侧构成用于第二工作介质的第二流动区域(32)。在此规定，所述第一半板(20)的第一厚度(21)至少分段地且平均地小于所述第二半板(30)的第二厚度(31)。

Description

具有不同厚度的半板的双极板和相关的燃料电池电堆
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，其包括具有第一厚度的第一半板和具有第二厚度的第二半板，其中，所述第一半板和第二半板分别通过其平面侧相对地布置，并且所述第一半板在其外侧构成用于第一工作介质的第一流动区域(Flussfeld)，并且所述第二半板在其外侧构成用于第二工作介质的第二流动区域。
背景技术
燃料电池利用具有氧气的燃料变为水的化学变化，用于产生电能。为此，燃料电池包含作为核心部件的所谓的膜电极单元(MEA，membrane electrode assembly)，该膜电极单元由传导离子的、尤其传导质子的膜和分别在膜的两侧布置的电极(阳极和阴极)构成。在燃料电池运行时，燃料、尤其氢气H2或含有氢气的气体混合物被输入到阳极，在那里在放出电子的情况下开始电化学氧化反应(H2->2H++2e-)。通过将反应室气密地隔离且电绝缘的膜，质子H+被(含水或不含水地)从阳极室运输到阴极室。在阳极上提供的电子e-通过电路向阴极导入。阴极输入氧气或者含氧的气体混合物，使得在吸收电子的情况下开始氧气的还原(1/2O2+2e-->O2-)。同时，在阴极室内氧阴离子与通过膜运输的质子在构成水的情况下进行反应(2H++O2-->H2O)。
通常，燃料电池通过多个在电堆(堆栈)中布置的膜电极单元构成，它们的电路相叠加。在燃料电池电堆中在两个膜电极单元(MEA)之间分别布置双极板装置(也称双极板)，该双极板装置用于将反应气体输入相邻的膜电极单元的阳极和阴极。此外，双极板装置用于导出热量。此外，双极板由导电材料构成，用于建立电连接。由此，双极板具有三重功能，膜电极单元的反应气体供应，膜电极单元的冷却和电连接。双极板通常由两个凹凸成型(profilierten)的双极半板构成，即所谓的阳极板和阴极板，在它们之间形成冷却剂通道。
在现有技术中，已知双极板和燃料电池电堆的紧凑的结构。
DE 11 2005 003 103 B4描述了一种具有双极板的燃料电池电堆，其具有两个局部交错嵌套的半板。这作为一个解决方案，用于嵌套结构区域和未嵌套结构区域之间的过渡。在此，所述过渡在燃料电池电堆的活化区域和未活化区域之间。
DE 10 2013 208 450 A1所示的双极板所要解决的技术问题是，减小结构高度，同时获得功率密度。为此，双极板的结构包括两个板层。两个板层中的每一个均具有在横截面中具有拱起和凹陷的周期的结构，该结构具有相同的周期长度。两个板层交错插接，使得在板层的拱起和凹陷之间构成冷却剂通道。
通常，已知的双极板的两个半板具有相同的厚度。
在双极板的设计中原则性的目标是，减小重量、减小热容量、减小结构空间、降低成本以及提高功率密度。该标准对于移动地使用燃料电池是重要的，例如用于车辆的电动机牵引。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，进一步减小双极板的并由此减小燃料电池的重量和热容量。
所述技术问题按照本发明通过一种用于燃料电池的双极板解决，所述双极板包括具有第一厚度的第一半板和具有第二厚度的第二半板，其中，所述第一半板和第二半板分别通过其平面侧相对地布置，并且所述第一半板在其外侧构成用于第一工作介质的第一流动区域，并且所述第二半板在其外侧构成用于第二工作介质的第二流动区域，在此规定，所述第一半板的第一厚度至少分段地且平均地小于所述第二半板的第二厚度。
在本发明的另外的方面中，所述技术问题按照本发明通过一种燃料电池电堆解决，所述燃料电池电堆包括多个按照本发明的双极板和多个膜电极单元，其中，这些双极板和膜电极单元相互交替地堆叠。
按照本发明，由此双极板的两个半板中的一个具有小于另一个半板的板厚度。在此，双极板的承载负荷的功能、尤其在流动区域的区域中通过双极板的两个半板中的更厚的半板承担。与之相对地，较薄的半板的功能基本仅局限在物理地分隔工作介质、即分隔气体的阳极工作介质和阴极工作介质和在两个半板之间流动的冷却剂以及导电和导热功能。
按照本发明的实施方式，两个半板中的第一半板具有比另一个半板更小的厚度，由此实现了双极板和燃料电池电堆的重量的降低，燃料电池电堆通常具有数百个双极板。这种重量的降低使得在燃料电池应用于车辆时节省了燃料。可理解的是，通过较少材料也可以节省材料成本。
同时，通过双极板的重量减轻也降低了它的热容量。由此，在燃料电池电堆冷启动时，通常在两个半板之间流动的且在该阶段中被加热的冷却剂更快地加热两个半板中的较薄的板，并且由此更快地加热通过所述半板向催化电极输入的工作介质。由此，燃料电池更早地开始反应，并且双极板以及燃料电池电堆的冷启动由此被优化。
另外的优点在于结构体积的减小。通过第一半板的相对于现有技术的更薄的实施方式影响双极板的厚度以及燃料电池电堆的整个电堆高度。
在优选实施方式中规定，所述第一半板的第一厚度最高等于所述第二半板的第二厚度的80％、尤其最高70％、优选最高60％。在此，尽可能薄地选择厚度，并保证半板仍能实现结构的完整性以便确保其制造、例如深拉或挤压，而不会损伤板材。如果例如第一半板的厚度相对于第二半板的厚度减少25％，则双极板的质量、包括其热容量减少12.5％。
半板的绝对厚度与材料相关。半板优选由金属或金属合金制造，因为金属膜是尤其机械稳定的。此外，所使用的金属具有较高的导电和导热性。特别优选地使用不锈钢。
在优选实施方式中规定，所述第一半板的第一厚度最小等于0.06mm(60μm)并且最大等于0.15mm(150μm)、尤其最小等于0.07mm并且最大等于0.12mm、优选最小等于0.075mm并且最大等于0.10mm。在该实施例中，第一半板在燃料电池电堆中具有所需的电堆的支撑能力情况下被使用。由此，这可以确保另一个半板的结构完整性。
在此，更厚的第二半板优选具有0.1至0.2mm的厚度。这基本上等于现有技术中通常的强度。
在优选实施方式中规定，所述第一半板的第一厚度在所述第一半板的整个伸展范围内小于所述第二半板的第二厚度。这种实施方式使得可使用单一材料强度的原材料、尤其金属膜用于制造。由此，半板可以由无缝带通过成型(例如挤压)和剪切以简单和廉价的方式制造。此外，以这种方式在双极板的整个伸展范围内节省材料，使得整个板材都具有所述的有利的效果。
按照本发明的双极板的半板优选至少在流动区域的区域中、也就是在活化区域以及主供应通道和活化区域之间的分配区域中构造为凹凸成型。凹凸成型结构在此包括在半板的两侧的流动通道，其中，用于外侧的气态的工作介质的流动通道相当于在内侧上的壁状的隆起，并且反之亦然。在两个半板的组装状态下，在半板之间、即在其内侧之间提供有用于冷却剂的流动通道。
在优选实施方式中，两个半板如此组装，使得它们的凹凸成型结构至少部分交错地相互嵌套，即交错布置。在此，相应从两个半板的内侧的视角看，一个板上的壁状的隆起插入另一个板的通道中。在此，两个半板之间还保留有用于冷却剂的空间，在该实施方式中，半板具有不同的通道深度，其中较浅的通道插入较深的通道中。通过双极板的嵌套结构，减少了它们的总厚度，也减少了内部的冷却剂通道的容积。与嵌套结构相关地，两个半板中的一个半板的较薄的壁厚有利地使得冷却剂通道具有更大的容积并且由此减少了冷却剂的压力损失。
在优选实施方式中规定，所述第一半板是阳极板，并且所述第一流动区域是用于燃料电池的阳极工作气体的阳极流动区域，并且所述第二半板是阴极板，并且所述第二流动区域是用于阴极工作气体的阴极流动区域。在该实施例中，阳极板由此相当于具有较薄壁厚的第一半板。有利的是，阳极侧的流动区域的通道结构的容积与较大的壁厚相比被扩大，使得阳极工作介质、例如氢气承受较低的压力损失。由此，降低了在阳极上缺少燃料的风险。由此，在阳极侧的气体扩散层的选择不是如现有技术一样被较高的气体通过性的条件所限制，而是在另外的性能方面能够被优化，例如在其导电性或导热性方面。由此，可以使用在现有技术中无法使用的用于阳极侧的气体扩散层的材料。
在备选实施方式中规定，所述第一半板是阴极板，并且所述第一流动区域是用于燃料电池的阴极工作气体的阴极流动区域，并且所述第二半板是阳极板，并且所述第二流动区域是用于阳极工作气体的阳极流动区域。在该实施例中，阴极板由此相当于具有较薄壁厚的第一半板。有利的是，阴极侧的流动区域的通道结构的容积与较大的壁厚相比被扩大，使得阴极工作介质、例如空气承受较低的压力损失。此外，该设计方案导致功率密度的一定的升高，因为阴极板的材料与较大壁厚的阴极板相比占用较小的空间。
在本发明的另外的方面中涉及一种交通运输工具，具有按照本发明的燃料电池电堆。所述交通运输工具尤其涉及将所装配的电动机作为牵引发动机的交通运输工具，所述交通运输工具通过燃料电池电堆获得其电驱动能量。
在本申请中所述的不同的本发明的实施方式既可以单独实施也可以优点相互接合地实施。
附图说明
以下结合附图借助实施例进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出燃料电池电堆的立体图，
图2示出燃料电池电堆的分解图，
图3示出双极板的俯视图，
图4示出燃料电池电堆的完整剖视图。
具体实施方式
图1和2示出例如安置在电动车辆中的燃料电池电堆70的立体图和分解图。图4示出燃料电池电堆70的剖视图。在此，图2和4仅仅示出两个示例性的单电池。然而燃料电池电堆通常包括100或更多个单电池。
燃料电池电堆70基本上由交替布置的双极板10和膜电极单元50组成，它们在两个端板71、72之间借助拉紧件73或类似元件被夹紧。此外，在图2中还可看到两个平面密封件74、75，它们对两个最外侧的双极板10进行密封。在附图中未示出的是，在双极板10和膜电极单元50之间的密封件。
根据图4，每个膜电极单元(MEA)50均具有传导离子的膜51、尤其聚合物电解质膜，以及两个在两侧与膜51相接触的催化电极、即阳极52和阴极53。此外在图4中还示出气体扩散层54、55，这些气体扩散层54、55分别布置在双极板10和膜电极单元50之间。阴极层或阳极层53或52可以直接安置在膜51上。在这种情况下，人们也称其为催化剂涂层膜CCM。备选地，电极层52、53安置在相邻的气体扩散层54、55上，其随之也被称为气体扩散电极。两个双极板10与位于其间的膜电极单元50共同构成一个单电池。
图3示出双极板10的俯视图(在此作为图2的另外的详细视图方式)。双极板10包括两个半板20、30，在图3中仅能示出阳极侧的半板20，其遮盖了阴极侧的半板30。半板20、30优选由金属板材构成。
每个膜电极单元50和每个双极板10均分别具有六个相对应的开口，它们在电堆中彼此相叠地且由此贯穿电堆地构成主通道。主通道用于向电堆提供三种工作介质，即阳极工作介质(尤其氢气)、阴极工作介质(尤其空气)和冷却剂。在此，对于每个工作介质分别设有输入通道和输出通道。由此，双极板10(参见图3)具有两个用于阳极气体的输入和输出的开口11、12、两个用于阴极气体的输入和输出的开口13、14和两个用于冷却剂的输入和输出的开口15、16。
两个半板20和30分别具有凹凸成型结构，该凹凸成型结构在外表面上构成流动区域22和32。每个流动区域22、32包括多个反应物通道(参见图4)，即阳极通道23和阴极通道33，它们通过相应的开口11、12以及13、14流体导引地交汇。由此，阳极工作介质(氢气)流动穿过开口12，该阳极工作介质通过在阳极侧的半板20上的相应的分配通道被导入在反应区域内的流动区域22中，并且通过相应的分配通道和开口11输出。在图3中被遮盖的阴极侧上，阴极工作介质(空气)流动穿过开口13，该阴极工作介质通过阴极侧的半板30上的相应的分配通道被导入在反应区域内的流动区域32中，并且通过相应的分配通道和开口14输出。冷却剂通过开口15被输入到冷却剂通道17内并且通过开口16输出。
按照本发明，双极板10的两个半板20和30具有至少逐段不同的厚度。
这在图4的实施例中可以看到。
在该实施例中，半板20(在此为阳极板)的厚度21小于半板30(在此为阴极板)的厚度31。在所示的实施例中，第二半板30具有0.1mm的厚度31，并且第一半板20具有0.075mm的厚度21。由此，第一半板20的厚度21是第二半板30的厚度31的75％。相对于现有技术中的双极板，其中两个半板具有例如至少0.1mm的相同的厚度，按照本发明的方式，双极板10的重量减少了12.5％。以相同的程度减低了热容量。
较厚的第二半板30在燃料电池电堆70中作为结构整体的支架。较薄的第一半板20，其基本上仅使得工作介质和电路分离，该第一半板由此可以在其厚度21方面最小化。因此，半板20可以采用小于0.15mm或甚至小于0.1mm的第一厚度21。
在图4中还可以看到，两个半板具有交错嵌接、嵌套的结构，其中，半板20的凹槽嵌入半板30的相应的凹槽中。为此，第一半板20和第二半板30的凹槽在其成型深度方面是不同的。这使得，当两个半板20、30交错插接时，在两个半板20、30之间形成冷却剂通道。
在图4所示的实施例中，阳极侧的半板20具有较小的厚度。优点在于，由此增大了阳极流动区域22的流动通道的通道容积，并且减小了氢气的压力损失。从而可以使用阳极侧的气体扩散层54，该气体扩散层在其气体通过性方面不必是优化的或最佳的。
在未示出的备选的实施方式中，阴极侧的半板30可以具有比阳极侧的半板20更小的层厚度。
根据电堆方向处于下方的半板具有更大的厚度，因为这个半板具有更大或更强的支撑功能，由此原则上在稳定性方面是有利的。
附图标记列表
10 双极板
11、12 用于阳极工作介质的开口
13、14 用于阴极工作介质的开口
15、16 用于冷却剂的开口
17 冷却剂通道
20 第一半板
21 第一厚度
22 第一流动区域
23 反应物通道
30 第二半板
31 第二厚度
32 第二流动区域
33 反应物通道
50 膜电极单元
51 膜
52 催化电极/阳极
53 催化电极/阴极
54 气体扩散层
70 燃料电池电堆
71 第一端板
72 第二端板
73 拉紧件
74 第一平面密封件
75 第二平面密封件

Claims (13)

1.一种用于燃料电池的双极板(10)，其包括具有第一厚度(21)的第一半板(20)和具有第二厚度(31)的第二半板(30)，其中，所述第一半板(20)和第二半板(30)分别通过它们的平面侧相对地布置，并且所述第一半板(20)在其外侧构成用于第一工作介质的第一流动区域(22)，并且所述第二半板(30)在其外侧构成用于第二工作介质的第二流动区域(32)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)至少分段地且平均地小于所述第二半板(30)的第二厚度(31)。
2.按照权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最高等于所述第二半板(30)的第二厚度(31)的80％。
3.按照权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最高等于所述第二半板(30)的第二厚度(31)的70％。
4.按照权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最高等于所述第二半板(30)的第二厚度(31)的60％。
5.按照权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)在所述第一半板(20)的整个伸展范围内小于所述第二半板(30)的第二厚度(31)。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最小等于0.06mm并且最大等于0.15mm。
7.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最小等于0.07mm并且最大等于0.12mm。
8.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)最小等于0.075mm并且最大等于0.10mm。
9.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板(20)是阳极板，并且所述第一流动区域(22)是用于燃料电池电堆(70)的阳极工作气体的阳极流动区域，并且所述第二半板(30)是阴极板，并且所述第二流动区域(32)是用于阴极工作气体的阴极流动区域。
10.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一半板是阴极板，并且所述第一流动区域是用于燃料电池电堆的阴极工作气体的阴极流动区域，并且所述第二半板是阳极板，并且所述第二流动区域是用于阳极工作气体的阳极流动区域。
11.按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一和第二半板(20、30)构造为凹凸成型，并且这种凹凸成型结构至少部分交错地相互嵌套。
12.一种燃料电池电堆(70)，包括多个按照权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)和多个膜电极单元(50)，这些双极板(10)和膜电极单元(50)相互交替地堆叠。
13.一种交通运输工具，包括按照权利要求12所述的燃料电池电堆(70)。
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