CN107112571A - 带有突出的双极板的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池(1)，一种带有至少两个燃料电池(1)的燃料电池堆垛(10)，一种带有燃料电池堆垛的燃料电池装置，以及一种带有燃料电池装置的机动车。为了防止燃料电池(1)的膜片电极组件(13)的加工引起的误定位导致在工作介质流中的障碍，根据本发明设置成，双极板中(2,3)中的至少一个(2,3)比双极板(2,3)中的另一个更多地伸入工作介质管路(4)中。

Description

带有突出的双极板的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，其带有：两个在燃料电池的堆垛方向上相继布置的双极板，至少一个工作介质管路穿过双极板在堆垛方向上延伸；膜片电极组件；以及用于使双极板彼此电绝缘的绝缘元件，其中，绝缘元件横向于堆垛方向布置在工作介质管路和膜片电极组件之间。此外，本发明涉及一种用于燃料电池装置的燃料电池堆垛，其带有至少两个在堆垛方向上相继布置的燃料电池，其中，在燃料电池之间设置通入工作介质管路中的中间腔。此外，本发明涉及一种带有燃料电池堆垛的燃料电池装置。此外，本发明涉及一种机动车，其带有提供用于机动车的驱动能的燃料电池装置。

背景技术

开头所述类型的燃料电池、燃料电池堆垛、燃料电池装置和机动车是普遍已知的。

燃料电池利用燃料与氧的化学转化以产生电能。为此，燃料电池包含膜片电极组件作为核心组件，其分别可设计成由离子、尤其地质子、传导的膜片和分别两侧地布置在膜片处的电极(阳极和阴极)组成的复合物。此外，气体扩散层可在膜片电极组件的两侧布置在电极的背离膜片的侧处。通常，燃料电池装置具有多个布置成堆垛的燃料电池，其电功率累加。在燃料电池的运行中，燃料、尤其地氢气H₂或含氢气的气体混合物被输送给阳极，在阳极处，在释放电子的情况下进行H₂到H⁺的电化学氧化。经由电解质或使反应腔气密地彼此分离并且电绝缘的膜片，实现与水相关地或无水地将质子H⁺从阳极室中传送到阴极室中。在阳极处提供的电子经由电气管路被导向阴极处。将氧气或含氧气的气体混合物输送给阴极，从而在吸收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。同时，在阴极室中，氧阴离子在形成水的情况下与经由膜片传送的质子反应。相对于其它发电机，通过直接从化学能转化成电能，燃料电池由于避开了卡诺系数得到更好的效率。

因此，燃料电池装置通过多个布置成堆垛的燃料电池或单电池形成，从而也称为燃料电池堆垛。双极板可用于与膜片电极组件的可导电的接触。

在装配燃料电池的情况中，由于可出现公差，膜片电极组件在双极板之间横向于堆垛方向布置在其理论位置之外。在此，膜片电子组件优选地如此设计(bemessen)，即，燃料电池也利用偏移地布置的膜片电极组件工作。然而，误定位的膜片电极组件可向工作介质管路的方向上挤压绝缘元件，从而绝缘元件伸入工作介质管路中。由于绝缘元件的重力和弹性性能，在此可能的是，被推动的绝缘元件变形并且至少部分地覆盖中间腔到工作介质管路中的通入部。然而，通过中间腔引导为了使燃料电池运行所需的工作介质中的一种。于是，如果绝缘元件覆盖中间腔的通入部，则其阻断工作介质在中间腔和工作介质管路之间的流动，从而燃料电池不再可正常运行。

发明内容

现在，本发明所基于的目的是，提供开头所述类型的燃料电池、燃料电池堆垛、燃料电池装置和机动车，其中，燃料电池可简单装配并且尤其地可简单地定位带有大的位置公差的膜片电极组件，而绝缘元件不可覆盖中间腔到工作介质管路中的通入部。

对于开头所述的燃料电池，该目的由此实现，即，双极板中的一个横向于堆垛方向至少区段地比双极板中的另一个的区段更多地伸入工作介质管路中。对于开头所述的燃料电池堆垛，该目的由此实现，即，燃料电池中的至少一个是根据本发明的燃料电池。对于开头所述类型的燃料电池装置，该目的由此实现，即，燃料电池堆垛是根据本发明的燃料电池堆垛。对于开头所述的机动车，该目的由此，即，燃料电池装置是根据本发明的燃料电池装置。

通过使双极板中的一个横向于堆垛方向至少区段地比另一双极板的区段更多地伸入工作介质管路中，双极板中的一个可支撑绝缘元件，从而绝缘元件不可到达通入部之前并且由此妨碍或甚至阻断工作介质流。由于双极板中的一个从双极板中的另一个中至少区段地突出，突出的区段不需要通过绝缘元件与双极板中的另一个电绝缘，因为其不可与另一双极板接触。因此，如果膜片电极组件布置在其理论位置中，则绝缘元件不需要伸到突出部上。

如果没有另外阐述，根据本发明的解决方案可通过不同的、分别对于自身而言有利的、可任意相互组合的设计方案进一步改善。以下讨论这些设计形式和与其相关的优点。

如此，伸入工作介质管路中的区段可为伸入工作介质管路中的突出部，其优选地伸出超过双极板中的另一个的邻近的区段。也就是说可为足够的是，绝缘元件仅仅部分地、即不是完全地或整面地被支撑，以防止绝缘元件到达通入孔上。由此，可节省用于构造保留支撑面的材料，以防止燃料电池的不必要的高重量。

两个双极板可分别具有伸入工作介质管路中的突出部，其中，突出部横向于堆垛方向彼此间隔开。如此构造的燃料电池可与燃料电池在空间中的取向无关地在堆垛方向上且与堆垛方向相反地支撑绝缘元件，并且由此防止绝缘元件放在通入孔上。

例如，双极板中的一个的突出部在堆垛方向上的投影不可与双极板中的另一个重叠。于是，一个双极板的突出部的投影与双极板中的另一不重叠。如果双极板中的两个都具有突出部，两个突出部沿着堆垛方向的投影优选地同样不重叠，从而其在堆垛方向上的投影不重叠。

伸入工作介质管路中的区段可为两个燃料电池中的一个的指离燃料电池的中心的且接触工作介质管路的边缘，其中，该边缘从两个燃料电池中的另一个的指离燃料电池的中心的且接触工作介质管路的边缘中凸出。例如，这些边缘指向燃料电池的边缘区域。由此，尤其地可在这样的情况中支撑绝缘元件，即，膜片电极组件挤压绝缘元件远离中心并且例如向工作介质管路的方向将其挤向燃料电池的边缘区域。

如果燃料电池中的至少两个被组成燃料电池堆垛，燃料电池中的一个的伸入工作介质管路中的区段邻接到在燃料电池之间存在的中间腔处。由此，可以节省空间的方式提供保留支撑面并且可有效地防止绝缘元件放在通入孔上。

于是，伸入工作介质管路中的区段可构成用于绝缘元件的保留支撑面。

附图说明

下面在实施例中根据从属的附图阐述本发明。其中：

图1以俯视图示出了根据本发明的燃料电池的实施例的示意图，

图2和3以截面图示出了根据本发明的燃料电池堆垛的实施例的示意图，

图4以截面图示出了根据本发明的燃料电池装置的实施例的示意图，

图5示出了根据本发明的机动车的实施例的示意图。

具体实施方式

下面示例性地根据实施形式参考图纸阐述本发明。在此，实施形式的不同特征可彼此独立地相互组合，如已经在单个有利的设计方案中说明的那样。

首先，参考图1的实施例描述根据本发明的燃料电池的结构和功能。

图1示出了带有两个双极板2,3的燃料电池1，两个双极板2,3相继布置在堆垛方向S上并且由此被堆垛。工作介质管路4沿着堆垛方向S延伸穿过双极板2,3。为了构造工作介质管路4，双极板2,3具有孔，其相继布置在堆垛方向S上并且优选地至少基本上彼此对准。

双极板2至少区段地比另一双极板3的区段更多地伸入工作介质管路4中。尤其地，双极板2具有至少一个突出部5并且例如具有两个突出部5,6，其横向于堆垛方向S且例如在燃料电池1的宽度方向B上从双极板中的另一个3中凸出，并且伸入工作介质管路4中。宽度方向B优选地指向燃料电池1的边缘区域R的方向，工作介质管路4布置在边缘区域R附近。如果双极板2具有突出部5,6，其可设置成彼此间隔开，尤其地垂直于堆垛方向S和宽度方向B。

尤其地，双极板中的一个2可在朝向燃料电池1的边缘区域R的方向上至少区段地从双极板中的另一个3中突出，从而例如突出部5,6向边缘区域R的方向延伸。优选地，工作介质管路4在突出部5,6和边缘区R之间延伸。

双极板中的另一个3也可具有至少一个突出部5a并且例如具有两个突出部5a,6a，其关于双极板中的一个2的区段例如在朝向边缘区域R的方向上突出到工作介质管路4中。为了避免突出部5,5a,6,6a彼此机械地接触并且由此可产生在双极板2,3之间的电短路，双极板2的突出部5,6横向于堆垛方向S且例如在宽度方向B上布置成与双极板3的突出部5a,6a间隔开。因此，突出部5,6在堆垛方向S上的投影不与突出部5a,6a重叠，而是相反地与突出部5a,6a间隔开地延伸。

图2以侧向的截面图示意性地示出了燃料电池堆垛10，其中，该截面图相应于在图1中利用符号A-A指出的截面。对于在功能和/或结构中与在图1的实施例的元件相应的元件，使用相同的附图标记。为了简化，以下仅仅讨论与图1的实施例的区别。

燃料电池堆垛10具有图1的实施例的燃料电池1。此外，图2示出了另外两个燃料电池1a,1b，其中，燃料电池1,1a,1b相继布置在堆垛方向S上并且如此被联合成燃料电池堆垛10地示出。在燃料电池1和1a之间以及在燃料电池1和1b之间分别设置中间腔11。中间腔11分别具有通入孔12，工作介质可通过该通入孔12从工作介质管路4中流入相应的中间腔11中。

燃料电池1,1a,1b中的每一个具有膜片电子组件13，其布置在相应的燃料电池1,1a,1b的双极板2,3之间。此外，燃料电池1,1a,1b中的每一个具有绝缘元件14，其使燃料电池1,1a,1b中的每一个的双极板2,3彼此电分离，从而双极板2,3不通过电短路相互连接。横向于堆垛方向S且例如在宽度方向B上，绝缘元件14布置在膜片电子组件13和工作介质管路4之间。

绝缘元件14可在其横向于插塞方向S、例如在燃料电池堆垛10的宽度方向B上的走向上具有加厚部15，其作为密封元件防止横向于堆垛方向S穿流相应的燃料电池1,1a,1b。

燃料电池1b的膜片电极组件13横向于堆垛方向S并且至少在宽度方向B上布置在其理论位置中。然而，燃料电池13的绝缘元件14不伸入工作介质管路4中。

相反地，燃料电池1的膜片电极组件13横向于堆垛方向S且例如在宽度方向B上布置成相对于燃料电池1b的膜片电极组件13偏移以错位V。由此，燃料电池1的绝缘元件14也被推向工作介质管路4的方向，从而尤其地绝缘元件14的自由端部16伸入工作介质管路4中。例如，由于重力或通过环流自由端部16的工作介质，延伸到工作介质管路4中的自由端部16可变形并且如此覆盖在燃料电池1和1b之间存在的通入孔12，从而工作介质不可在工作介质管路4与在燃料电池1和1a之间设置的中间腔11之间流动。由此，至少燃料电池1以及可能同样燃料电池1a的运行仅仅受限地实现或者完全不可行，因为工作介质在运行中不再可流入中间腔11中或者可从中流出。然而，突出部6a形成用于绝缘元件14的保留支撑面17，从而绝缘元件14被突出部6a支撑并且由此不再可覆盖通入孔12。

图3示出了带有不同地设计的燃料电池1,1a,1b的根据本发明的燃料电池堆垛10的另一实施例。对于在功能和/或结构中与在图1和2的实施例的元件相应的元件，使用相同的附图标记。为了简化，以下仅仅讨论与图1和2的实施例的区别。

在图3中，也如在图1中通过截面A-A指出的那样剖切地示出了燃料电池堆垛10。然而，至少一个燃料电池1的双极板2,3不具有突出部5,6或5a,6a。相反地，邻接到工作介质管路4处的边缘18横向于插塞方向S且例如在宽度方向B上伸出超过双极板2的邻接到工作介质管路4处的边缘19。

凸出的边缘18同样形成用于绝缘元件14的自由端部16的保留支撑面17，从而甚至在膜片电极组件13错位V时绝缘元件14也不会覆盖并由此至少部分地封闭在燃料电池1和1a之间的通入孔12。

图4以示意图示出了根据本发明的燃料电池装置的第一实施例。对于在功能和/或结构中与在至此的图中的实施例的元件相应的元件，使用相同的附图标记。为了简化，以下仅仅讨论与至此的图的实施例的区别。

燃料电池装置20具有带有多个燃料电池1的之前的实施例中的一个的燃料电池堆垛10。附加于工作介质管路4，另一工作介质管路4a延伸穿过燃料电池堆垛10，其中，工作介质管路4,4a横向于插塞方向S且例如在宽度方向B上彼此布置在双极板2,3的彼此相反的侧处。

根据本发明的燃料电池堆垛10以及根据本发明的燃料电池1,1a,1b可具有至少两个、并且例如至少四个工作介质管路4。工作介质管路4中的至少两个可通过选择出的中间腔11传导工作介质地相互连接并且构成工作介质路径，该工作介质路径在工作介质管路4之间在中间腔11的区域中扇形展开。膜片电极组件13优选地布置在工作介质路径中的一个的工作介质管路4之间。

根据本发明，双极板2,3的两个邻接到工作介质管路4,4a处的侧可构造成带有凸出或突出的且伸入工作介质管路中的区段、例如突出部5,5a,6,6a。

此外，燃料电池装置可具有控制装置21，其可传输控制信号地与燃料电池堆垛10相连接。

图5示出了带有燃料电池装置20的根据本发明的机动车的第一实施例。

机动车30具有驱动装置31、例如电动机，其传输驱动能地与燃料电池装置20相连接。在运行中，燃料电池装置20产生驱动能，其被引导至驱动装置31，由此可利用电的燃料电池能驱动机动车30。

附图标记清单

1,1a,1b燃料电池

2,3双极板

4,4a工作介质管路

5,5a,6,6a突出部

10燃料电池堆垛

11中间腔

12通入孔

13膜片电极组件

14绝缘元件

15加厚部

16绝缘元件的自由端部

17保留支撑面

18双极板3的邻接到工作介质管路处的边缘

19双极板2的邻接到工作介质管路处的边缘

20燃料电池装置

21控制装置

30机动车

31驱动装置

B宽度方向

S堆垛方向

R边缘区域

V错位。

Claims (9)

1.一种燃料电池(1)，其带有：两个在所述燃料电池(1)的堆垛方向(S)上相继布置的双极板(2,3)，至少一个工作介质管路(4)穿过所述双极板(2,3)在所述堆垛方向(S)上延伸；膜片电极组件(13)；以及用于使所述双极板(2,3)彼此电绝缘的绝缘元件(14)，其中，所述绝缘元件(14)横向于所述堆垛方向(S)布置在所述工作介质管路(4)和所述膜片电极组件(13)之间，其特征在于，所述双极板中的一个(2)横向于所述堆垛方向(S)至少区段地比另一所述双极板(3)的区段更多地伸入所述工作介质管路(4)中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池(1)，其特征在于，伸入所述工作介质管路(4)中的区段为伸入所述工作介质管路(4)中的突出部(5,6)，其横向于所述堆垛方向(S)伸出超过所述双极板(2,3)中的另一个的邻近的区段。

3.根据权利要求2所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述两个双极板(2,3)分别具有伸入所述工作介质管路(4)中的突出部(5,5a)，其中，所述突出部(5,5a)横向于所述堆垛方向(S)彼此间隔开。

4.根据权利要求1所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述伸入所述工作介质管路(4)中的区段为所述双极板中的一个(2)的指向所述燃料电池(10)的边缘区域(R)的且接触所述工作介质管路(4)的边缘(18)，其中，所述边缘(18)横向于所述堆垛方向(S)伸出超过所述两个双极板中的另一个(3)的指向燃料电池(1)的边缘区域(R)的且接触所述工作介质管路(4)的边缘(19)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述伸入工作介质管路(4)中的区段构成用于所述绝缘元件(14)的保留支撑面(17)。

6.一种用于燃料电池装置(20)的燃料电池堆垛(10)，其带有至少两个在堆垛方向(S)上相继布置的燃料电池(1,1a)，其中，在所述燃料电池(1,1a)之间设置通入所述工作介质管路(4)中的中间腔(11)，其特征在于，所述燃料电池(1,1a)中的至少一个是根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆垛(10)，其特征在于，所述伸入所述工作介质管路(4)中的区段邻接到所述中间腔(11)处。

8.一种带有燃料电池堆垛(10)的燃料电池装置(20)，其特征在于，所述燃料电池堆垛(10)是根据权利要求6或7所述的燃料电池堆垛(10)。

9.一种机动车(30)，其带有提供用于所述机动车(30)的驱动能的燃料电池装置(20)，其特征在于，所述燃料电池装置(20)是根据权利要求8所述的燃料电池装置(20)。