CN107210459B - 双极板和带有这种双极板的燃料电池 - Google Patents

双极板和带有这种双极板的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(100)的双极板(10)，其包括：内部的冷却介质流动场(33)，冷却介质流动场包括冷却介质通道(43)，以及带有第一或第二反应物流动场(31,32)的第一和第二平侧(11,12)，第一或第二反应物流动场(31,32)具有至少一个第一或第二通道结构(41,42)，其中第一和第二通道结构(41,42)分别构成主干通道(44)和分支通道(46)，其中，分支通道(46)在分支区域(48)中从相应的主干通道(44)中分岔，并且在第一通道结构(31)的分支通道(46)之间构造第一中间区域(51)并且在第二通道结构(32)的分支通道(46)之间构造第二中间区域(52)，其中，第一和第二中间区域(51,52)在双极板(10)的布置在双极板(10)的两个平侧(11,12)之间的中心平面(56)上的法向投影部分地重叠，从而形成重叠区域(53)。设置成，通过其在此横穿过渡区域(55)，冷却介质通道(43)从位于第一和第二中间区域(51,52)之外的外部区域(54)延伸到重叠区域(53)中，其中，过渡区域(55)是从重叠区域(53)中伸出的第一中间区域(51)在中心平面上的法向投影的部分区域。

Description

双极板和带有这种双极板的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极板以及一种带有这种双极板的燃料电池。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气化学地转化成水以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜片电极单元(membrane electrode assembly简称MEA)作为核心部件，其为由传导离子的、尤其地传导质子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。在燃料电池的运行中，将燃料、尤其地氢气H2或含氢气的气体混合物输送给阳极，在阳极处，在释放电子的情况下进行电化学的氧化(H2→2H++2e-)。通过使反应腔气密地彼此分离并且电绝缘的膜片，(有水地或无水地)将质子H+从阳极腔中运送到阴极腔中。在阳极处提供的电子e-经由电导线被引导到阴极处。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氧气的还原(½O2+2e-→O2-)。同时，在阴极腔中氧阴离子在形成水的情况下与经由膜片运送的质子反应(2H++O2-→H2O)。
通常，燃料电池通过多个布置成堆垛的(堆积的)、其电功率累加的膜片电极单元形成。在燃料电池堆垛中，在两个膜片电极单元之间分别布置双极板，其一方面用于将过程气体输送给邻近的膜片电极单元的阳极或阴极，并且另一方面用于输送冷却介质以导出热。双极板此外由导电的材料组成，以建立电连接。由此，双极板具有膜片电极单元的过程气体供给、冷却以及电连结的三重功能。
用于燃料电池的双极板通常具有工作介质通过孔(常常也称为端口)，即，分别两个用于输送和导出阳极气体的阳极气体孔、两个用于输送和导出阴极气体的阴极气体孔和两个用于输送和导出冷却介质的冷却介质孔。在燃料电池堆垛中，这些工作介质通过孔一致地相叠而置，从而构成穿过整个堆垛的、用于相应的工作介质的主供给管路。冷却介质孔借助于在双极板之内伸延的内部的冷却介质流动场引导流体地相互连接。阳极侧敞开的阳极气体流动场使两个阳极气体孔引导流体地相互连接，而阴极侧敞开的阴极气体流动场使两个阴极气体孔引导流体地相互连接。阳极气体和阴极气体流动场至少以离散的、沟槽形通道的形式来构造。阳极气体流动场和阴极气体流动场具有通常中心地布置的主动的区域，其联接到膜片电极单元的催化的电极处并且在该处进行实际的燃料电池反应。在主动的区域和两个阳极气体孔中的一个之间，布置有分配区域。在主动的区域和两个阳极气体孔的另一个之间，布置有另一分配区域。与此相似地，阴极侧的主动的区域同样布置在两个分配区域之间，其使主动的区域与阴极气体孔相连接。根据反应物的流动方向，分配区域用于使流动均匀地分配到主动的区域上，或者用于在从主动的区域中离开之后使流动“聚集”。
在研发双极板时的基本目标是，减小重量、结构空间和成本，并且提高功率密度。该标准对于燃料电池的移动应用而言、例如对于车辆的电动牵引而言尤其重要。
如此，文献US 7291414 B2公开了一种带有压制的且联结到彼此中的半板的双极板。为了实现阳极通道、阴极通道和冷却介质通道与从属的工作介质孔的连接，双极板在主动的区域之外具有比在主动的区域之内更大的厚度。这是可实现的，因为气体扩散层仅仅布置在主动的区域中。
还已知如下双极板，即，在其中阳极气体流动场的通道在主动的区域中与阴极气体流动场的通道镜像对称地伸延。
发明内容
现在，本发明的目标是，提供一种用于燃料电池的双极板，尽管该双极板的结构形式相对薄，其仍通过工作介质的均匀分布而出众。
该目标通过具有独立权利要求的特征的双极板以及具有这种双极板的燃料电池实现。
根据本发明的用于燃料电池的双极板包括：
- 内部的冷却介质流动场，其包括冷却介质通道，
- 带有第一反应物流动场的第一平侧，第一反应物流动场具有至少一个第一通道结构，以及
- 带有第二反应物流动场的第二侧，第二反应物流动场具有至少一个第二通道结构，
其中，
- 第一平侧和第二平侧布置在双极板的相对的侧处，并且
- 第一和第二通道结构分别构成主干通道和分支通道，其中，
- 分支通道在分支区域中从相应的主干通道中分岔，并且在第一通道结构的分支通道之间构造第一中区域并且在第二通道结构的分支通道之间构造第二中间区域，其中，第一和第二中间区域在双极板的布置在双极板的两个平侧之间的中心平面上的法向投影部分地重叠，从而形成重叠区域。
特征性地设置成，通过冷却介质通道在此横穿过渡区域，冷却介质通道从位于第一和第二中间区域之外的外部区域延伸到重叠区域中，其中，过渡区域是从重叠区域中伸出的第一中间区域在中心平面上的法向投影的部分区域。
由此，根据本发明设置成，冷却介质通道在从两个中间区域之外的区域(外部区域)到两个中间区域在其中重叠的区域(重叠区域)中的过渡部中横穿过渡区域，即，横穿仅仅第一中间区域布置在其中的区域。通过冷却介质通道不是突然地从外部区域中进入重叠区域中，而是相反地首先进入第一中间区域中并且以错位进入第二中间区域中，在厚度方向上、即在垂直于平侧的方向上为冷却介质通道提供更多的空间。冷却介质通道可在横穿(穿过)过渡区域的情况中具有平行于中心平面的方向分量和/或垂直于中心平面的方向分量。
尤其地当第一通道结构和/或第二通道结构在厚度方向上的空间需求被限制到双极板的半部上时，是这种情况。由此，为冷却通道保留双极板的相应的另一半部，以便于首先经过第一通道结构延伸到第一中间区域中(过渡区域中)并且紧接着经过第二通道结构也延伸到第二中间区域中并且由此延伸到重叠区域中。
所列举的区域可理解成直角地看向双极板的平侧中的一个的俯视图中的区域。在这种观察方式中，在双极板的内部中的区域或背对视线的区域是透明穿过双极板的。这些区域也可整体地被视为布置在双极板的两个平侧之间的、尤其地在双极板的两个半部之间的中心平面上的法向投影。在该成直角的俯视图中(从而得到在平面中的二维图)也可理解的是，通过冷却介质通道在此横穿过渡区域，冷却介质通道从位于第一和第二中间区域之外的外部区域延伸到重叠区域中。
典型地，内部的冷却介质流动场连接双极板的至少两个冷却介质孔。冷却介质孔是工作介质通过孔并且在燃料电池之内用于将冷却介质输送到双极板处并且从双极板处导出冷却介质。冷却介质孔典型地在厚度方向上穿过双极板，从而在燃料电池之内形成冷却介质管路(用于冷却介质的主供给管路)，其在厚度方向上穿过双极板。冷却介质流动场典型地是在冷却介质孔之间向外封闭的流动场。
典型地，反应物流动场连接双极板的至少两个从属的反应物孔。如此，第一反应物流动场连接两个第一反应物孔，而第二反应物流动场连接两个第二反应物孔。反应物孔也为工作介质通过孔并且在燃料电池之内用于将反应物输送给双极板并且用于将反应产物(尤其地水)和未用完的反应物从双极板导出。反应物孔也典型地在厚度方向上穿过双极板，从而在燃料电池之内形成在厚度方向上穿过双极板的第一和第二反应物管路(用于第一反应物的主管路和用于第二反应物的主管路)。反应物流动场典型地是在相应的平侧上敞开的流动场。
典型地，冷却介质流动场、第一反应物流动场和/或第二反应物流动场的单个的通道(即主干通道和分支通道)构成离散的流动通道。由此，优选地可实现带有多个通道结构的流动场，这些通道结构分别将两个工作介质通过孔相互连接，然而在工作介质通过孔之外不具有彼此连接。由此，可保证冷却介质和反应物沿着双极板的均匀分布。
在本发明的范围中，平侧表示双极板的这样的侧，即，其具有最大的面积。在此，平侧具有反应物流动场以及其通道结构并且根据需要还具有其它结构。此外，平侧被工作介质通过孔穿过。
优选地，通道结构的主干通道引导流体地与相应的反应物孔相连接。由此，至少一个第一通道结构的主干通道与第一反应物孔中的一个相连接，而至少一个第二通道结构的主干通道与第二反应物孔中的一个相连接。由此，分支通道(进一步)引导到主动的区域中。在本发明的思想中，概念“分支通道”理解成至少两个分支通道。于是，通道结构的主干通道典型地比从中分岔的分支通道更靠近地布置在反应物孔处。换句话说，主干通道从分支区域开始引导至反应物孔并且分支通道从反应物孔中引导离开。
优选地，过渡区域布置在双极板的主动的区域与双极板的分配区域的分界区域中。分界区域的面积优选地为主动区域的面积的最高10%、尤其地最高5%。由此，过渡区域不仅可布置在主动的区域中，并且备选地或附加地可布置在分配区域中。通过该设计方案，尤其节省空间地布置过渡区域。
优选地，分支通道布置在双极板的主动的区域中并且主干通道布置在双极板的(非主动的)分配区域中。这可以是附加于或备选于以上描述的过渡区域在分界区域中的布置方案的情况。优选地，主动的区域形成双极板的中心的区域。典型的两个分配区域两者尤其地在相对的侧处邻接到主动的区域处。通过该设计方案，在反应物孔周围相对窄的区域中并且在分配区域之内仅仅需要很少的主干通道，而在主动的区域中借助于数量更多的分支通道实现反应物的均匀分布。
尤其优选地设置成，重叠区域构造成长形的并且过渡区域布置在重叠区域的端侧处。通过该设计方案也减小了过渡区域的空间需求。由此，冷却介质通道从过渡区域开始越过重叠区域的端侧延伸到重叠区域中。冷却通道可从外部区域越过重叠区域的端侧或横向侧延伸到过渡区域中。
根据本发明的优选的设计方案，两个主干通道借助于至少两个分支通道相互连接。由此，借助于更少的主干通道不仅实现反应物的引导而且实现未用完的反应物或反应产物的导出。通过使分支通道的数量超过主干通道的数量，实现反应物在燃料电池的主动的区域中的更好分布。
中间区域是在分支通道之间的、典型地大部分(或者也整体地)通过从属的分支通道限制的区域。如果将中间区域成直角地投影到双极板的中心平面上，则中间区域部分地重叠，从而形成重叠区域。
在中间区域中的一个延伸超过重叠区域的边界的部位，形成具有两个中间区域中的仅仅一个的区域。冷却介质通道穿过这种区域(过渡区域)在从位于第一和第二中间区域之外的外部区域到重叠区域中的路径上延伸。
优选地，冷却介质流动场具有多个冷却介质通道，而反应物流动场分别具有多个通道结构。由此，工作介质尤其均匀地分布。每个主干通道可在分支区域中分支成至少两个分支通道、尤其地三个、优选地四个分支通道。
优选地，来自相应的分支区域的分支通道在相同的方向上、尤其地在双极板的相同的窄侧的方向上延伸。由此，可尤其简单地实现燃料电池的利用反应物的顺流或逆流供给。
选地设置成，第二通道结构的分支区域布置成沿着平行于中心平面伸延的方向(尤其地沿着第一通道结构的分支通道中的一个)相对于第一通道结构的分支区域错位。于是，沿着双极板的第二平侧的延伸实现有利的错位。由此，形成尤其节省空间地布置的过渡区域。
优选地设置成，冷却介质通道在面对第二平侧的侧处、尤其地在双极板的面对第二平侧的半部(半板)中横穿使外部区域与过渡区域分离的第一通道结构的部分。布置在外部区域和过渡区域之间的第一通道结构的部分使外部区域与过渡区域分离。由此，该部分必须与冷却介质通道交叉，以便使冷却介质通道可从外部区域中推进到过渡区域中。这经由第一通道结构的面对第二平侧的侧、即在背离通道结构的敞开的侧的侧处实现。通过该设计方案，在到过渡区域中的过渡部中可保证冷却介质通道的充分的厚度。
优选地设置成，冷却介质通道在面对第一平侧的侧处、尤其地在双极板的面对第一平侧的半部中横穿使过渡区域与重叠区域分离的第二通道结构的部分。布置在过渡区域和重叠区域之间的第二通道结构的部分使过渡区域与重叠区域分离。由此，该部分必须与冷却介质通道交叉，以便冷却介质通道可从外部区域推进到过渡区域中。这经由第二通道结构的面对第一平侧的侧、即在背离第二通道结构的敞开的侧的侧处实现。通过该设计方案，在过渡到重叠区域中的情况中可保证冷却介质通道的充分的厚度。
优选地设置成，冷却介质通道在双极板的两个半板之内的过渡区域中延伸。由此，冷却介质通道在过渡区域中具有这种类型的厚度，使得其不仅在第一半板之内而且在第二半板之内占据空间。由此，降低了在通过过渡区域的路径上的冷却介质的压力损失。为此，可如此使第二半板成型，使得冷却介质通道和第二反应物流动场的通道(气体通道)分割在厚度方向上存在的空间。由此，反应物流动场的通道在其与冷却介质通道交叉的部位处构造成更加平(即局部稍微被限制)。
根据本发明的优选的设计方案设置成，冷却介质通道扇形展开(即分支或分岔)，由此得到改善的冷却作用。即，单个的冷却介质通道扇形展开到至少两个冷却介质通道中。优选地，冷却介质通道在离开外部区域的情况中(即在进入过渡区域中之前)扇形展开。由此，在需要另一通道的部位处才节省空间地进行冷却介质通道的扇形展开。优选地，在第二平侧的方向上进行扇形展开，由此，引起进一步的空间节省。尤其地，使扇形展开部与冷却介质孔相连接的冷却介质通道的部分在双极板的面对第一平侧的半部(半板)中伸延，由此，在双极板的面对第二平侧的半部(半板)中是用于第二通道结构的空间。
此外或备选地尤其地设置成，冷却介质通道在过渡区域中(即在进入重叠区域中之前)扇形展开。于是，当主干通道分支到多于两个分支通道中并且应利用冷却介质冷却在分支通道之间的间隙时，这是尤其有利的。为此优选地设置成，冷却介质通道在过渡区域中直接在离开过渡区域的情况中(重新)扇形展开到重叠区域中，由此，当需要另一通道时才节省空间地进行冷却介质通道的扇形展开。由此，过渡区域的尺寸可设计得尽可能小。优选地，在第一平侧的方向上进行扇形展开，由此引起进一步的空间节省。
根据本发明的优选的设计方案设置成，双极板包括两个半板，在其之间布置冷却介质流动场。半板尤其地是压制的金属板。在此，中心平面布置在两个半板之间。由此，双极板的两个半部通过该两个半板形成。
优选地设置成，重叠区域由第一通道结构的分支通道和第二通道结构的分支通道限制。由此，重叠区域在两侧不仅被第一通道结构的分支通道而且被第二通道结构的分支通道限制。
优选地设置成，冷却介质通道在重叠区域中由第一通道结构的分支通道和第二通道结构的分支通道限制。由此，通过重叠区域提供的空间被冷却通道最优地利用。有利地如此设计冷却介质通道的尺寸，即，其在分支通道之间不仅在双极板的面对双极板的第一平侧的半部之内而且在面对第二平侧半部之内伸延。在此，借助于双极板的材料使冷却介质通道与分支通道分离。
根据本发明的优选的设计方案设置成，第一平侧的分支通道和/或第二平侧的分支通道彼此平行地伸延。通过相应的平侧的分支通道彼此平行地伸延，在相应的平侧的分支通道之间的距离保持恒定。由此，也可如此设计在分支通道之间的冷却介质通道的尺寸，即，其具有恒定的宽度。
优选地设置成，第一反应物流动场是阳极气体流动场并且第二反应物流动场是阴极气体流动场。第一平侧由此是阳极平侧并且第二平侧是阴极平侧。此外，由此第一通道结构可被称为阳极通道结构并且第二通道结构可被称为阴极通道结构。此外，第一中间区域可被称为阳极中间区域，而第二中间区域可被称为阴极中间区域。此外，由此第一反应物孔是阳极气体孔并且第二反应物孔是阴极气体孔。由此，在工作介质通过孔的常见的布置方案中，实现冷却介质流动场的相对简单的引导。
此外，提供一种包括根据本发明的双极板的燃料电池。优选地设置成，双极板布置在燃料电池的两个膜片电极单元之间。根据本发明的燃料电池由更高的体积功率密度而出众。
此外，本发明的方面涉及一种具有这种燃料电池的机动车，尤其地作为用于电动驱动部的能量供给源。
本发明的所有设计方案可有利地相互组合，只要没有明确地被排除。
附图说明
下面在实施例中根据从属的附图详细阐述本发明。其中：
图1示出了根据现有技术的双极板的示意性俯视图；
图2示出了用于清楚说明问题的通道结构的俯视图；
图3示出了根据本发明的第一优选的设计方案的双极板的部分区域的视图；
图4示出了根据本发明的第一设计方案的冷却介质通道的俯视图；
图5示出了根据本发明的第二优选的设计方案的双极板的部分区域的视图；以及
图6示出了根据本发明的第二设计方案的三维图。
具体实施方式
图1示出了这种类型的双极板10的示意性俯视图。双极板10设置成用于使用在燃料电池100中并且具有第一平侧11和第二平侧12，其中，在图1中的观察方向指向第二平侧12。平侧11和12布置在双极板10的相对的侧处。为了清楚说明第一平侧11布置在附图的背离视线的侧上，以虚线示出了平侧11的附图标记箭头。双极板10具有工作介质通过孔，其构造成第一反应物孔21、第二反应物孔22或冷却介质孔23并且在所示出的视线方向上穿过双极板10。
相应的工作介质通过孔21,22,23由从属的流动场引导流体地相互连接。流动场包括使第一反应物孔21引导流体地相互连接的第一反应物流动场31和使第二反应物孔22引导流体地相互连接的第二反应物流动场32。第一和第二反应物流动场31,32形成朝向相应的平侧11,12敞开的通道。布置在双极板10的内部中的、即内部的、使冷却介质孔23引导流体地相互连接的冷却介质流动场33通过多个冷却通道43形成。
双极板10可被分割成(化学)主动的区域16和两个分配区域14。例如，在主动的区域16与分配区域14的分界区域18中，反应物流动场31,32的通道可具有分支部。通过该分支部，将反应物流动场31,32的单个的主干通道44划分成多个(至少两个)分支通道46。在分支区域48中将主干通道44划分成至少两个分支通道46。
在示出了可在图1中看出的双极板10的三维截面图的细节D中，示出了在从分配区域14中的一个过渡到主动的区域16中的情况中的这种分支。从主动的区域16到另一分配区域14中的过渡构造成与此相似。
双极板10可具有两个半板19，其分别形成双极板10的半部并且共同地形成双极板10、或双极板10的基体。为此，半板19利用其平侧彼此堆垛并且彼此密封，例如焊接在一起，由此使冷却介质流动场33相对于环境密封。反应物流动场31,32位于连接成双极板10的半板19的外侧处，而在半板19之间形成冷却介质流动场33。半板19例如可由金属板压制成。
主干通道44作为多个长形的通道延伸，从而布置在主干通道44之间的且空间上使主干通道44相互分离的长形的抬高部50可用作用于冷却通道43的空间。冷却通道43也可作为冷却通道43在主动的区域16中继续并且之后平行于分支通道46伸延，见细节D。在细节D中也可看出，使通道结构41,42的两个分支通道46彼此分离的抬高部50在分支区域48中开始。
如下优化双极板10，使得其在其厚度方向60(由此相对于其平侧11,12的延伸成直角地)具有尽可能小的延伸，即，整体具有尽可能小的(板)厚度。由此，减小了在燃料电池100的(未示出的)单电池之间的电池距离，这实现了，在燃料电池100的厚度保持不变的情况中安装更多的单电池。在不低于至少应保证的半板19的材料壁厚和至少所需的通道高度的情况下，两个反应物流动场31,32和冷却介质流动场33的通道在厚度方向60上不可上下堆垛。由此，在分支通道46之间的抬高部50中，至今不可设置冷却介质通道43，因此至今未冷却在合起来的分支通道46之间的区域。
在图2中，为了清楚说明问题，以相应于在图1中的俯视图的视线方向透视相叠地示出了反应物流动场31,32和冷却介质流动场33的部分。在流动场31,32,33中，示出了在分支区域48中的一个附近的区域。
相应于其可见性，示出了流动场31,32,33的分界线。清楚说明了流动场31的走向的符号(用于冷却介质流动场的点、用于第一流动场的圆和用于第二流动场的星)以透视地穿过相叠的流动场的方式示出，以便于还能够理解位于之下的流动场的走向。由此，可示出在第一平侧11上且在第二平侧12上具有部分重叠走向的分支通道46。
通过双极板10的相对薄的厚度，至此根据现有技术，在通道结构31,32的两个分支通道46之间的抬高部50之内的自由空间49不可联接到冷却介质流动场33处。于是，在燃料电池100的运行中，不可为自由空间49供给以冷却介质。
于是，主要当在主动的区域16中的通道的数量有利地超过在邻接的分配区域14中的通道数量时，产生该问题。为此所需的在主动的区域16和分配区域14之间的分界处进行的分支(分配)使冷却介质通道43的分配更困难，如可在图2中看出的那样。
在较厚的双极板10中，理论上可实现冷却通道43贯穿到两个分支通道46之间，因为双极板10在厚度方向60上可尺寸设计地足够厚，以保证所有三种工作介质(流体)在相同的部位处的分配。由于在当前双极板中更小的厚度，这是不可行的或至少是不值得的。
图3示出了根据本发明的第一优选的设计方案的双极板10的部分区域的视图。以下主要探讨根据本发明的双极板10与在图1和2中示出的双极板10的区别特征。
根据本发明的第一优选的设计方案的双极板10与在图1和2中示出的双极板10的区别在于，在相应的通道结构31,32的分支通道46之间也设置冷却通道43。
如也在图1和2中看出的那样，在第一通道结构31的分支通道46之间构造第一中间区域51并且在第二通道结构32的分支通道46之间构造第二中间区域52。在图1、2、3和5中通过不同地定向的阴影示出了中间区域51和52。然而，在图1的细节D中可看出的阴影仅仅用于示出截面。
第一和第二中间区域51,52到布置在双极板10的两个平侧11,12之间的中心平面56上的法向投影部分地重叠，从而形成重叠区域53。在图1,2,3和5中示出的中间区域51,52作为这种法向投影示出。在图1和2中，示出了在重叠区域53之内的整个中间区域51和52。中心平面56在双极板10的两个平侧11和12之间延伸，即，平行于其表面延伸。在例如在图1的细节D中示出的双极板10的结构中，中心平面56在两个半板19之间伸延。
然而，根据本发明，现在设置成，第一中间区域51的部分区域从重叠区域53中伸出。第一中间区域51的部分区域以下被称为过渡区域55。通过冷却介质通道在此横穿过渡区域55，冷却介质通道43从位于第一和第二中间区域51,52之外的外部区域54延伸到重叠区域53中。
由此，冷却介质通道43不必同时被引导穿过第一和第二通道结构41,42之间，而根据图1和2的现有技术这是必须的。
相反地，冷却介质通道43在面对第二平侧12的侧处横穿使外区域54与过渡区域55分离的第一通道结构41的部分。在根据图3和4的示例中，冷却通道43横穿第一通道结构41的分支通道46中的一个，即与其交叉。这在双极板10的面对第二平侧12的半部中，即，在双极板10的面对第二平侧12的半板19中实现。这尤其地可明显地在图4中看出，图4示出了根据本发明的第一设计方案的冷却通道43的俯视图。在此，在冷却通道43中示出了冷却通道43的自由体积(即，“通道内部”)。
冷却介质通道43在通道结构42的面对第一平侧11的侧处横穿使过渡区域55与重叠区域53分离的第二通道结构42的部分。这在双极板10的面对第一平侧11的半部中、即在双极板10的面对第一平侧11的半板19中实现，(再次见图4)。如可在图4中看出的那样，第二通道结构42的主干通道44也在双极板10的面对第二平侧12的半部中与冷却介质通道43交叉。否则，冷却介质通道43可在双极板10的两个半部上延伸，从而其不仅在第一通道结构41的分支通道46之间而且在第二通道结构42的分支通道46之间伸延。
为了实现将多个通道结构41或42尽可能紧凑地并排布置成反应物流动场31或32，分支区域48沿着平行于中心平面56伸延的方向错位地布置。特别地，第二通道结构42的分支区域48沿着第一通道结构41的分支通道46错位地布置。第一和第二通道结构41,42的分支通道46具有相对于中心平面56基本上镜像对称的走向。第一通道结构41的分支通道46与第二通道结构42的分支通道46的可在图4中看出的错位多亏可见性。
重叠区域53构造成长形的并且过渡区域55布置在主动的区域16和分配区域14的分界区域18中的重叠区域53的端侧处(即窄侧处)。由此，冷却介质通道43越过重叠区域53的端侧穿入重叠区域53中。可从图3中且也可从图5中看出的是，通过所示出的部分区域侧向错位地彼此成行，可形成反应物流动场31和32。主干通道44再次布置在双极板10的分配区域14中，而分支通道46布置在双极板10的主动的区域16中。
在离开外部区域54的情况中，冷却介质通道43在路程中扇形展开到过渡区域55中，由此给出冷却介质通道43的节省空间的扇形打开。由此，两个冷却介质通道43分别平行于第一和第二通道结构41,42的两个分支通道46伸延。这引起，每个冷却介质通道43在第一和第二通道结构41,42的所有四个分支通道46之间伸延，并且冷却介质通道43在两个邻近的第一通道结构41和两个邻近的第二通道结构42之间伸延。
如可看出的那样，冷却介质通道43在重叠区域53中被第一通道结构41的分支通道46和第二通道结构42的分支通道46限制。由此，分支通道46和冷却介质通道43仅仅通过共同的壁相互分离。
第一反应物流动场31可在燃料电池100之内用作阳极气体流动场31并且第二反应物流动场32可用作阴极气体流动场32。由此，第一平侧11可被称为阳极平侧11并且第二平侧可被称为阴极平侧12。此外，第一通道结构41可被称为阳极通道结构41并且第二通道结构42可被称为阴极通道结构42。第一中间区域51此外可被称为阳极中间区域51，而第二中间区域52可被称为阴极中间区域52。由此，在通常的工作介质通过孔、即冷却介质孔23、可被称为阳极气体孔21的第一反应物孔21和可被称为阴极气体孔22的第二反应物孔22的布置方案的情况中，实现冷却介质流动场33的相对简单的引导。
总地来说，如可在图1中看出的那样，工作介质通过孔21,22,23可布置在双极板10的相对而置的侧处。由此，主动的区域16布置在工作介质通过孔21,22,23之间。
图5示出了根据本发明的第二优选的设计方案的双极板10的部分区域的视图。与以上阐述的本发明的第一优选的设计方案不同地，冷却介质通道43在第一通道结构41的分支区域48处、即在长形的重叠区域53的端侧处横穿第一通道结构41。
第二通道结构42的主干通道44局部地在冷却介质通道43的面对第二平侧12的侧处伸延，直至其过渡到分支区域48中。由此，也得到两个分支区域48在分支通道46的纵向上的错位。
图6示出了根据可在图5中看出的本发明的第二设计方案的流动场31,32,33的局部的三维图。在此，在流动场31,32,33中显示了流动场31,32,33的自由体积(即“通道内部”)。半板19为通道43,44,46提供了梯形的横截面。该梯形的横截面一方面简化了半板19的制造并且同时增大了反应物从通道结构41,42中的离开面。
在两个优选的设计方案中，出于简化性原因，仅仅示出了主干通道44分支成分别两个分支通道46。然而也可行的是，例如在阴极侧12或两个侧11,12上，主干通道44划分成分别三个、四个或多个分支通道46。
在燃料电池100的运行中，阳极气体、例如氢气通过第一反应物孔中的一个进入第一反应物流动场31中并且在分配区域44中从第一反应物流动场31的主干通道44引导至分支区域48。在分支区域48中，阳极气体被划分到第一反应物流动场31的分支通道46上，见图4中的箭头方向。
与此相似地，在燃料电池100运行时，阴极气体、例如空气通过第二反应物孔22中的一个进入第二反应物流动场32中，并且在分配区域14中从第二反应物流动场32的主干通道44被引导至第二反应物流动场32的分支区域48。在分支区域48中，阴极气体被划分到第二反应物流动场32的分支通道46上，也参见图4中的箭头方向。在此，两种反应物不必在相同的方向上流动，其例如也可逆流地流动。
冷却介质、例如水防冻剂混合物通过冷却介质孔23中的一个被引导到冷却介质流动场33中，并且在进入过渡区域55中之前很快地被分配。冷却介质的流动方向在分配区域14之内不仅可在图6中示出的流动方向上而且可在相反的流动方向上指向。
在主动的区域16中，阳极和阴极气体从双极板10中离开并且通常通过气体扩散层(未示出)被引导至膜片电极单元，在该处，进行燃料电池过程。在燃料电池过程中产生被冷却介质吸收的(废)热。通过现在也在重叠区域53中设置冷却介质通道43，使在燃料电池100中的温度更均匀，因此，出现更小的局部温度波动。
在从主动的区域16过渡到第二分配区域14中的情况中，流动场31,32的分支通道46在分支区域48中再次联合成主干通道44，其引导到反应物孔21,22处。扇形展开的冷却介质通道43也再次部分地结合并且引导至冷却介质孔23。这可以相反的方式例如在从分配区域14到主动的区域16中的过渡中实现。在此，其在图4和6中示出的箭头方向上旋转。
总结性地可确定，通过上述发明，在扁平的双极板10中，冷却介质通道43也可布置在通道结构41,42的分支通道46之间。这通过冷却介质通道53在双极板10的两个侧11,12处伸延实现。为此，冷却通道53可呈现为阳极通道结构41或阴极通道结构42的几何形状的反形状。于是，冷却介质通道43蜿蜒穿过通道结构41和42之间，以便于到达重叠区域53中。
为了可在在相对小的区域中划分三种工作介质(两种反应物和冷却介质)，给出了新型的几何形状。该几何形状允许通常在双极板10的面对第一平侧11的半部或半板19中(在阳极气体半部、即燃料半部中)流动的冷却介质“跳动”至双极板10的面对第二平侧12中的半部或半板19。这在不具有第二通道结构42的区域中实现。由此，冷却介质可流过第一通道结构41的通道基底。紧接着，冷却介质可流过第二通道结构42的通道基底。为此，阳极气体流和阴极气体流可有相位差，即，划分在不同的部位处。
通过本发明，实现了更薄的双极板。此外，在均匀分布的冷却介质流分布的情况中，可在分配区域14中比在主动区域16中设置更少的通道。
附图标记清单
10双极板
11第一平侧/阳极平侧
12第二平侧/阴极平侧
14分配区域
16主动区段
18分界区域
19半板
21第一反应物孔/阳极气体孔
22第二反应物孔/阴极气体孔
23冷却介质孔
31第一反应物流动场/阳极气体流动场
32第二反应物流动场/阴极气体流动场
33 冷却介质流动场
41第一通道结构/阳极通道结构
42第二通道结构/阴极通道结构
43冷却介质通道
44主干通道
46分支通道
48分支区域
49自由空间
50抬高部
51第一中间区域
52第二中间区域
53重叠区域
54外部区域
55过渡区域
56中心平面
100燃料电池。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池(100)的双极板(10)，其包括：
- 内部的冷却介质流动场(33)，所述冷却介质流动场包括冷却介质通道(43)，
- 带有第一反应物流动场(31)的第一平侧(11)，所述第一反应物流动场(31)具有至少一个第一通道结构(41)，以及
- 带有第二反应物流动场(32)的第二平侧(12)，所述第二反应物流动场(32)具有至少一个第二通道结构(42)，
其中，
- 所述第一平侧(11)和所述第二平侧(12)布置在所述双极板(10)的相对的侧处，并且
- 所述第一和第二通道结构(41,42)分别构成主干通道(44)和分支通道(46)，其中，
- 所述分支通道(46)在分支区域(48)中从相应的主干通道(44)中分岔，并且在所述第一通道结构(41)的分支通道(46)之间构造第一中间区域(51)并且在所述第二通道结构(42)的分支通道(46)之间构造第二中间区域(52)，其中，所述第一和第二中间区域(51,52)在所述双极板(10)的布置在所述双极板(10)的两个平侧(11,12)之间的中心平面(56)上的法向投影部分地重叠，从而形成重叠区域(53)，
其特征在于，
所述冷却介质通道(43)从位于所述第一和第二中间区域(51,52)之外的外部区域(54)延伸到所述重叠区域(53)中，其方式为，所述冷却介质通道在此横穿过渡区域(55)，其中，所述过渡区域(55)是从所述重叠区域(53)中伸出的第一中间区域(51)在所述中心平面(56)上的法向投影的部分区域。
2.根据权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，所述过渡区域(55)布置在所述双极板(10)的主动的区域(16)与所述双极板(10)的分配区域(14)的分界区域(18)中。
3.根据权利要求2所述的双极板(10)，其特征在于，所述分支通道(46)布置在所述双极板(10)的主动的区域(16)中并且所述主干通道(44)布置在所述双极板(10)的分配区域(14)中。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述重叠区域(53)构造成长形的并且所述过渡区域(55)布置在所述重叠区域(53)的端侧处。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在所述双极板(10)的面对所述第二平侧(12)的侧处横穿第一通道结构(41)的使所述外部区域(54)与所述过渡区域(55)分离的部分。
6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在所述双极板(10)的面对所述第一平侧(11)的侧处横穿第二通道结构(42)的使所述过渡区域(55)与所述重叠区域(53)分离的部分。
7.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在离开所述外部区域(54)时扇形展开。
8.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在所述重叠区域(53)中由所述第一通道结构(41)的分支通道(46)和所述第二通道结构(42)的分支通道(46)限制。
9.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述第一反应物流动场(31)是阳极气体流动场而所述第二反应物流动场(32)是阴极气体流动场。
10.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在所述双极板(10)的面对所述第二平侧(12)的半部中横穿第一通道结构(41)的使所述外部区域(54)与所述过渡区域(55)分离的部分。
11.根据前述权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述冷却介质通道(43)在所述双极板(10)的面对所述第一平侧(11)的半部中横穿第二通道结构(42)的使所述过渡区域(55)与所述重叠区域(53)分离的部分。
12.一种燃料电池(100)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的双极板(10)。
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