CN107592945A - 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法 - Google Patents

双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107592945A
CN107592945A CN201680006354.4A CN201680006354A CN107592945A CN 107592945 A CN107592945 A CN 107592945A CN 201680006354 A CN201680006354 A CN 201680006354A CN 107592945 A CN107592945 A CN 107592945A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel structure
plate
plate side
cooling
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680006354.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107592945B (zh
Inventor
索克·戈斯林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuel Cell Technology Center Co Ltd
Original Assignee
Fuel Cell Technology Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuel Cell Technology Center Co Ltd filed Critical Fuel Cell Technology Center Co Ltd
Publication of CN107592945A publication Critical patent/CN107592945A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107592945B publication Critical patent/CN107592945B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

在一种双极元件的阴极板(1、1’)中，该阴极板具有：第一板侧面(2)，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)；与第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，本发明提供了一种解决方案，通过该解决方案以结构上简单的方式提供了改进的以及节约安装空间的燃料电池堆。该问题由此来解决，即构造有至少一个从第一板侧面(2)延伸至第二板侧面(15)穿过整个阴极板(1、1’)的过道(14)，过道将阴极通道结构(3)和冷却通道结构(16)流体连接。

Description

双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法
技术领域
本发明涉及一种双极元件的阴极板，该阴极板具有：第一板侧面，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构；与第一板侧面背对的第二板侧面，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构。本发明同样涉及一种用于运行燃料电池的阴极板的方法，其中，阴极板具有：第一板侧面，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构；与第一板侧面背对的第二板侧面，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构，并且其中，将冷却剂和氧化剂分别输送给阴极板。
背景技术
燃料电池和特别的聚合物-电解-膜片-燃料电池(缩写PEMFC也或者PEM-燃料电池)的原则上的结构、例如其示例性地在文献US 2008/0233443 AI中所描述的，包括膜片-电极-组件(MEA)，该组件再由阳极、阴极和布置在阳极与阴极之间的聚合物-电解-膜片(PEM)来构造，该膜片也叫做离子聚合物-膜片。膜片-电极-组件(MEA)在其自身也布置在两个分离板级之间。在此一个分离板级具有用于分布燃料(例如氢)的通道，而另一个分离板级具有用于分布氧化剂(例如富含氧的空气)的通道。用于分布燃料的通道和用于分布氧化剂的通道面向膜片-电极-组件(MEA)，其中，通道分别形成通道结构，该通道结构称作所谓的流场或者也称作流场分布。在此，电极、即阳极和阴极构造成气体扩散电极(GDE)并且具有该功能，可排出在电化学反应时(例如2H2+O2→2H2O2)产生的电流并且可以完全扩散反应物(分解物和产物)。
一种这样的燃料电池可以在相对低的运行温度情况下产生带高功率的电流。为达到高的功率输出，实际的燃料电池大部分堆叠所提及的燃料电池堆(反应堆)。在此，使用所谓的双极元件(双极分离板级)代替单极分离板级，而单极分离板级仅形成两个位于末端的燃料电池堆的终端。单极分离板级也称作端部板极并且可以在结构上与双极元件明显不同。
因此，在燃料电池堆中双极元件机械地、电地和热地将燃料电池的阳极与另一个燃料电池的阴极相连。双极元件可以由单独的双极板极制成(一件式的)或者由两个部分板组装(多件式的)。在一件式的双极元件中双极板极在其板侧面上(该侧面在构建状态中面向燃料电池的阴极)具有用于分布氧化剂的通道结构，而在另一板侧面上(该侧面在构建状态中面向邻近的燃料电池的阳极)构成用于分布燃料电池的通道结构。另一方面在多件式的双极元件情况下，两个部分板可以具有基本上互补和对称的形式。两个部分板(也称作阳极板和阴极板)而不必强制对称。唯一重要的是，该部分板具有至少一个共同的接触表面，该部分板可以在该表面处相连。部分板具有凹凸不平的表面形状。因此，在相应的部分板的彼此分别远离的表面处形成前述已经提及的用于在阳极(阳极板)侧面上分布燃料和用于在阴极(阴极板)侧面上分布氧化剂的通道结构。
除电能之外在燃料电池中或在燃料电池堆中也没有热能，必须持续散发该热能，因此，燃料电池或堆叠的燃料电池不过热。介质空气提供用于冷却的最简单的可能性，其中，由于相比较其它冷却介质或冷却剂低的热容量需要更大的体积流量，以散发热量。相对于利用空气冷却，由现有技术已知两个下述描述的方案。
在第一个方案中，借助于在双极板极侧面上的相同的通道结构实现以氧化剂和冷却空气供应燃料电池或堆叠的燃料电池，该双极板极面向阴极。因此，用于氧化剂的通道系统也同时是用于冷却空气的通道系统。在阴极侧面上输送的空气相应地不仅用作氧化剂而且用作冷却剂，使得分离的冷却通道系统在双极板极中是非必要的，由此，可以最小化结构空间。在该第一方案中人们把它称作“开放的阴极”，在该方案中通过调节足够大的阴极侧氧化剂的体积流量达到冷却燃料电池，该氧化剂同时用于冷却。但是由于烘干效果，在使用第一方案时，运行温度和由此相关的使用寿命明显受限。在该方案中尤其不利的是，不能分开调节用于阴极的氧化剂的体积流量和冷却空气的体积流量，这影响燃料电池堆的操作实践。为避免不利影响(例如由于大体积流量的烘干)适宜的是，引导分开冷却空气和氧化剂。但是也在低运行温度情况下(例如在冷启动电池时经历)，低冷却体积流量是必要的，由此，可以加热燃料电池，而可调节氧化剂大的体积流量，由此，可以运走在低温时大量涌入的液态水。然后另一方面，在高环境温度情况下，燃料电池在特别高的温度情况下运行是必要的。高的环境温度使得以最大冷却空气供应燃料电池的是必要的。而为了阻碍燃料电池的烘干，应当尽可能少地输送氧化剂，以阻碍运走过多产生的水并且像这样保证良好地湿润膜片。
相应地已知燃料电池堆，在其中阴极通道结构完全从冷却通道结构分开。不同的和彼此分开的通道结构(其实现分开输送氧化剂和冷却剂到不同的通道结构)体现了第二方案，其称作“封闭的阴极”。在该第二方案中，相应的双极元件由两个部分板(面向阳极的阳极板和面向阴极的阴极板)组成。在其中，分别彼此指向的部分板表面具有互补的通道结构，通过该结构在叠起两个部分板时在部分板之间在其彼此指向的表面上产生空腔结构。空腔结构在两个部分板边缘区域中密封，其中，设置孔用于输送和输出冷却空气，使得空腔结构显示冷却通道结构并且可用于分布冷却空气。面向阴极部分板与开头所示类型阴极板相符并且例如在文献DE 100 15 360 B4中公开。“封闭的阴极”的已知的方案具有优点，可以彼此独立地实现燃料电池的调温和阴极供应。然而不利的是，阴极产物的单独的“排除物”。在阴极-产物中包含大部分产物水，其中，在燃料电池外这样程度地冷却阴极的产物水流，使得包含液态水。在静态和移动地使用这种燃料电池堆的情况中必须集成用于排除液态水的解决方案，这尤其在带有0℃以下的环境条件的外部应用情况下导致带有更大结构体积的昂贵的解决方案，由此提高生产成本。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种解决方案，在其中，以结构简单的方法提供了改进以及节约空间地构造的燃料电池堆，该燃料电池堆实现了没有上述缺点地冷却堆叠的燃料电池。
在开始时提及的类型的阴极板中，该目的根据本发明由此来实现，即构造有至少一个从所述第一板侧面延伸至所述第二板侧面穿过整个所述阴极板的过道，所述过道将所述阴极通道结构和所述冷却通道结构流体连接。
同样，该目的在开始时提及的那类方法中由此来实现，即在电化学反应之后在所述第一板侧面上生成的阴极产物通过至少一个过道被引导到在所述第二板侧面上的所述冷却通道结构中，至少一个所述过道将所述阴极通道结构和所述冷却通道结构流体连接，并且所述阴极产物经由所述冷却通道结构与所述冷却剂一同被输送离开所述阴极板。
从从属权利要求中得出本发明的有利并且适宜的设计方案和改进方案。
通过本发明提供了双极元件的阴极板，其特征在于功能正确的结构并且具有简单且节约成本的结构。在此，有创造性地组合两个方案。在该组合介质输送方案中，将氧化剂(阴极反应物)和冷却剂(空气)分别输送给燃料电池堆的各个燃料电池的各个通道结构。但在电化学反应中产生的阴极产物根据本发明在燃料电池堆中被转送到冷却剂流。在本发明的意义中，因此短语“组合的介质输送方案”意味着，分别进行给阴极通道结构和冷却通道结构的供应，如在“封闭的阴极”的方案中的情况那样，其中，阴极产物和冷却的废气流如在“开放的阴极”的方案中那样一同进行。有利地，通过将阴极产物转送到冷却通道结构中还在燃料电池堆内在合适的运行条件下可避免产物水的损失。由阴极产物和冷却剂(冷空气)组成的混合物的露点可降低到这样的程度，即产物水可以气态形式从系统或燃料电池堆中排出。此外，有利地，输送的氧化剂的数量与输送的冷却剂的数量不相关，使得两者的量或体积流可彼此不相关地受到调节并且可毫无问题地、尤其在低温情况下也迅速启动燃料电池或燃料电池堆。因为用于阴极的氧化剂的体积流比冷却剂的体积流小多倍，由此在组合的介质输送方案中可用很低的成本实现对空气的过滤，以用作用于阴极的氧化剂。此外，组合的介质输送方案的优点在于，由于氧化剂和冷却剂的单独供应或输送，可单独并且分别调节各个介质流，这尤其改善了燃料电池堆的冷启动特性。此外，可有针对性并且高成本地过滤用作氧化剂的空气，使得具有根据本发明的阴极板的燃料电池堆适用于在高空气负载的安装位置或使用地点处的运行(例如在内城、隧道、沙漠地区、海洋、高速公路等)。还在燃料电池堆内，阴极或阴极通道系统与通风或冷却通道系统的共同的废气流以有利的方式“稀释”了具有冷却剂或冷却剂流的潮湿的阴极废气流，由此明显减少了相对于具有“封闭的阴极”的系统的沉积形成的危险。
本发明在所述阴极板的设计方案中设置成，所述阴极通道结构在所述第一板侧面上具有至少一个通道端部，至少一个所述通道端部经由至少一个所述过道与构造在所述第二板侧面上的冷却通道结构流体连接。换言之，所述阴极通道结构具有至少一个通道，其通道端部通向所述过道中，使得在所述阴极通道结构的通道的端部处，将所述阴极产物通过所述通道输送给所述冷却剂流。单个过道也可排出多个通道端部的阴极产物，其中，则在所述过道与所述通道端部之间可构造一种收集区域，其收集所述通道端部的阴极产物并且继续引导到另一过道。因为所述冷却剂的体积流比所述阴极产物或氧化剂的体积流干燥，当所述阴极产物被转送到所述冷却剂流中，实现了对所述阴极产物的稀释，由此明显减少沉积形成的风险。
为了将所述阴极产物输送给所提及的所述冷却剂，因为这样可避免由于所述阴极产物产生的沉积，在本发明的设计方案中提出，所述冷却通道结构具有用于冷却剂的入口区域和构造在所述入口区域下游的出口区域，其中，从所述第一板侧面延伸直至所述第一板侧面的至少一个所述过道在所述出口区域上游通向所述冷却通道结构中。由此，在离开燃料电池之前可将所述阴极产物输送给所述冷却通道结构。
用于所述阴极和用于所述冷却的相应的通道结构由两个板侧面上的缺口或凹处形成，为此使用已知的方法，由此可保持根据本发明的阴极板的制造成本较小。称作通道的缺口不连续地通过空心冲、液压成型、高速成型、拉伸、深冲、挤压、热压、注塑成型、注塑冲等等来制造，或连续地通过轧辊或压延来制造。相应地，本发明在另一设计方案中设置成，所述阴极通道结构构造成至少一个构造在所述第一板侧面中的凹处和/或所述冷却通道结构构造成至少一个构造在所述第二板侧面中的凹处。
为了有针对性地将所述阴极产物转送所述到冷却通道结构中，在根据本发明的阴极板的设计方案设置成，在所述阴极通道结构中的每个凹处关联有一个过道，通过所述过道每个所述凹处与所述冷却通道结构流体连接。
作为与如下方案的备选方案，即相应一个凹处通过过道与所述冷却通道结构处于流体连接，本发明设置成，所述阴极通道结构具有多个凹处并且至少两个凹处关联有一个过道，通过所述过道每个所述凹处与所述冷却通道结构流体连接。
在阴极板的另一设计方案中，本发明设置成，构造在所述阴极通道结构中的凹处与将所述阴极通道结构与所述冷却通道结构流体连接的过道的数量的比例至少是一并且最大是七。因此，所述阴极通道结构的七个通道可关联有唯一的过道，以将所述阴极产物转送到所述冷却剂流中。
在阴极板的备选的设计方案中，本发明设置成，所有构造在所述阴极通道结构中的凹处通过过道与所述冷却通道结构流体连接。因此，所述阴极通道结构的所有通道可关联有唯一的过道，以将所述阴极阐述转送到所述冷却剂流中。
流场、即在所述阴极板与所述薄膜电极组件(MEA)之间的区域具有结构化的尺寸，其将所述氧化剂尽可能分布到每个位置并且均匀地带到所述薄膜上。所述流场的外形的目标在于，使得压力损失和流动速度对于各次使用来说都在同样的范围内，使得产物水稳定分散，但压力损失可转用于阴极供应的技术解决方案。出于该目的，本发明在设计方案中规定，所述阴极通道结构利用在所述第一板侧面上弯曲延伸的通道或者利用在所述第一板侧面上彼此平行延伸的通道来构造。而在备选的变型中也可考虑的是，所述阴极通道结构的通道是L形、U形或平行、线性延伸地来构造。
最后，在本发明的设计方案中规定，阴极板由可导电的材料组成、例如金属、导电塑料或复合物。尤其基于石墨的聚合的、高填充的复合物材料作为备选材料很有潜力用于成本有利地制造单极以及双极分隔板。而利用最现代的冲压方法、例如液压成型可将金属膜加工成大批量结构化的双极部分板或单件的双极板，聚合的复合物提供了如下的可行性，使用塑料技术的批量生产技术，例如热压、注塑成型或注塑冲压，以生产阳极或阴极以及一体的双极板。
可理解为，上文提及并且接下来还将阐述的特征不仅可以所给出的组合来使用，而且也可以其他组合或单独使用，而不偏离本发明的范围。本发明的范围仅受权利要求的限制。
附图说明
从接下来的说明中接合附图得出本发明的内容的另外的细节、特征和优点，在附图中示出了示例性的本发明的优选实施例。其中：
图1示出了根据本发明的阴极板1的具有阴极通道结构的第一板侧面的立体俯视图，
图2a示出了在图1中示出的阴极通道结构的流入区域的细节图，
图2b示出了在图1中显示的阴极通道结构的流出区域的细节图，流出区域根据本发明将阴极通道结构与冷却通道结构连接，
图3示出了在图1中示出的阴极板的具有冷却通道结构的第二板侧面，
图4a示出了在图3中示出的冷却通道结构的纵向端部的细节图，
图4b示出了在图3中示出的冷却通道结构的另一纵向端部的细节图，
图5以立体图示出了将氧化剂输送至阴极通道结构的输送管路的放大剖视图，
图6示出了构造在阴极板中的过道的放大的剖视图，该过道根据本发明将阴极通道结构与冷却通道结构相连接，
图7以俯视图示出了具有备选构造在第一板侧面上的阴极通道结构的阴极板以及
图8示出了在图7中显示的阴极板的侧向剖视图。
具体实施方式
图1至图6示出了根据第一实施方式的根据本发明的阴极板1的不同视图，与此相应，在图7和图8中示出了根据本发明的阴极板1’的第二实施方式。
如从现有技术中已知的那样并且前文已说明的那样，阴极板1、1’对应于部分板，该部分板与在图中未详细示出的阳极板一起形成用于空冷的燃料电池堆的双极元件。在此，这种燃料电池堆具有多个这种双极元件，在这些双极元件之间布置有相应的薄膜电极组件(MEA)并且这些双极元件限制单个燃料电池。
参考在图1至图6中示出的、阴极板1的第一实施方式，在图1的俯视图示出了阴极板1的第一板侧面2。在该阴极板1的第一板侧面2上构造有阴极通道结构3，其用于在第一板侧面上分布氧化剂。氧化剂经由气体输送孔4被送至阴极板1并且从气体输送孔4经由构造在阴极通道结构3与气体输送孔4之间的引导系统5(例如参见图5)到达阴极通道结构3。在图5中示出的引导系统5在所示出的实施例中具有多个凹处6，其将氧化剂引导至阴极通道结构3。这些凹处6由接片30(例如参见图3和图4)形成并且将氧化剂输送至通过孔7，氧化剂经由通过孔最终到达阴极通道结构3。如例如从图2b中可知的那样，阴极通道结构3具有多个凹处8(在所示出的实施例中总共有七个)，这些凹处在第一板侧面2中形成，第一板侧面在装配状态面对阴极。凹处8为单个的通道9，氧化剂从通过孔7流过通道。当然，阴极通道结构3备选地可由相应的突起形成，而非凹处，这些突起可布置在板侧面2上。参考在附图中示出的实施例，通过孔7在阴极板1的第一纵向端部10处构成，其中，气体输送孔4布置在第一纵向端部10与通过孔7之间。凹处8或通道9弯曲地并且彼此平行地从第一纵向端部10沿阴极板1的第二纵向端部11延伸。在第一板侧面2上输送的氧化剂的流动走向(氧化剂相应于阴极通道结构3同样弯曲地延伸)在图1中根据箭头P示出。阴极通道系统3的在第一板侧面2上构造的凹处8或通道9的通道端部12与至少一个过道14流体连接，使得可将氧化剂或根据电化学反应存在于通道端部12处的阴极产物经由相应的过道14输送离开阴极通道系统3。如从图2b(其示出了图1的放大详细视图)中可见，例如多个凹处8或通道9配有一个过道14，其中，相应的通道端部12通向一种收集区并且在磁场收集需输出的阴极产物。
阴极板1的各个过道14从第一板侧面延伸直至第二板侧面15(例如参见图3或图4b)，第二板侧面背对第一板侧面2。在第二板侧面15上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构16，以冷却燃料电池堆的燃料电池。因此，构造在第一板侧面2上的凹处8或通道9的通道端部12与在第二板侧面15上的冷却通道结构16流体连接，使得将阴极产物经过过道14引导进入冷却通道结构16中并且在此将阴极产物与冷却剂一起输送离开燃料电池或阴极板1。
冷却剂通道结构16利用直线延伸的凹处17来构造，这些凹处形成在第二板侧面15中(参见图3、图4a和图4b)。因此，冷却剂的流动在第二板侧面15上是线性的，如在图3中根据箭头K(参见图1)示出的那样。以该方式，在第二板侧面15上的冷却剂流基本上与第一板侧面2上的氧化剂流交叉，氧化剂流基本上从第一纵向端部10流至第一板侧面2的第二纵向端部11，如例如从图1中可见的那样。当然，对于冷却剂通道结构16来说仅一个凹处也是足够的，而多个凹处17引起冷却剂在第二板侧面15上更均匀的分布并且因此产生均匀的冷却。
参考图3，阴极板1的冷却通道结构16具有用于冷却剂的入口区域18和构造在入口区域18下游的出口区域20，入口区域沿着阴极板1的第一纵向侧面19来构造，出口区域构造在与第一纵向侧面19相对而置的、第二纵向侧面21上。在出口区域20处，给阴极产物输送冷却剂，使得在出口区域20处将它们一起导出阴极板1。从第一板侧面2延伸直至第二板侧面15的过道14因此在出口区域20的上游通向冷却通道结构16中，使得在电化学反应时在阴极侧产生的阴极产物到达冷却剂中并且与冷却剂一起通过冷却通道结构16被输送离开阴极板1，这通过箭头K+P在图1和图3中示出。例如从图2b或也从图6中可知的那样，阴极通道结构3的一个凹处8关联有一个过道14。如上文已提及的那样，阴极通道结构3的每个凹处8经由相关联的过道14与冷却通道结构16流体连接。
在图7和图8中示出了本发明的第二实施方式的阴极板1’。本发明的思想是至少一个从第一板侧面2延伸直至第二板侧面15的过道14构造穿过整个阴极板，过道将阴极通道结构3和冷却通道结构16流体连接，根据本发明的思想也在第二实施方式中实现。因此，在该实施方式中也将在电化学反应中产生的阴极产物从阴极通道结构3中引入冷却通道结构16中，使得阴极产物与冷却剂一起被输送离开阴极板1’。在第二实施方式中，阴极通道结构3又利用在第一板侧面2上彼此平行延伸的通道9’来构造。
当然，与第一实施方式不同，在根据图7和图8的第二实施方式中，给在阴极通道结构中的各个通道9’都配有一个过道14，通过过道14第一板侧面2的各个通道9’与在第二板侧面15上的冷却通道结构16的相应的凹处17流体连接。
参考两个实施方式，构造在阴极通道结构3中的凹处8与将阴极通道结构3与冷却通道结构16流体连接的过道14的数量的比例至少是一并且最大是七。而最后，上限为七并不是确定的，因为对于实际比例来说更加取决于在输出的冷却剂流中的阴极产物在一定运行时刻的稀释程度。
详细说明的阴极板1、1’用于燃料电池堆中，由此获得了用于运行阴极板1、1‘的方法，其中，冷却剂和氧化剂分布输送给阴极板1、1’。在此，在电化学反应之后在第一板侧面2上产生的阴极产物通过过道14(其将阴极通道结构3与冷却通道结构16流体连接)被导入第二板侧面15上的冷却通道结构16中。在此之后，阴极产物通过冷却通道结构16与冷却剂一起被导出或输出阴极板1、1’。
概括来说，上文说明了根据本发明的阴极板1、1’的结构设计，阴极板用于空冷的燃料电池中并且在阴极板中将阴极产物转送到冷却的空气流，使得将阴极产物和冷却空气流一同输出离开阴极板1、1’。在本发明中，将阴极产物和冷却的空气流单独输送给燃料电池或燃料电池堆。但在燃料电池堆中阴极产物还被转送到空气冷却的体积流，因此本发明也称作组合的介质输送方案。这意味着，分开进行阴极和通风的供应，如“封闭的阴极”的方案那样，其中共同发生阴极的废气流和通风，如在“开发的阴极”的方案中那样。在图7中示出了一种实施方案，其中，流场的每个通道具有单独到空气流的转送。但本发明包括阴极产物在燃料电池堆内转送到冷却的空气流的总体转送。此外，本发明也包括如下的实施方案，其中，在燃料电池堆内给出一个或多个收集通道，其中，阴极产物被转送到冷却的空气流。通过产物还在燃料电池堆内的转送，在合适的运行条件下可避免损失产物水。组合的体积流的露点可下降到如下的程度，即使得产物水可以气态形式离开系统。因此，阴极可独立于空气冷却来调节并且可没有问题地、特别在低温的情况下也迅速启动反应堆。阴极供应的流体流小于空气冷却的流体流的多倍。由此，在组合的介质输送的情况下，以一目了然的成本实现阴极空气的过滤。组合的介质输送的优点在于分开供应阴极和通风，使得可单个调节介质流，这改善了燃料电池堆的冷启动特性。此外，有针对性地过滤阴极的空气供应，使得具有根据本发明的阴极板的燃料电池堆适用于在具有高空气负载的安装地点的运行。通过阴极和通风的共同的废气流，潮湿的阴极废气利用空气流在反应堆中被“稀释”，这明显减少了相对于封闭的系统沉淀形成的危险。
上文所述在不同的实施方式中使用相同的附图标记，只要这些附图标记涉及相似或相同的元件或构件，使得之前对一个实施方式的元件或构件的说明也适用于其他实施方式。彼此相应的构件在所有附图中设有相同的附图标记。
上文说明的发明当然不限制于所说明和示出的实施方式。可见的是，从附图中的实施方式可推断出无数、对于本领域技术人员来说相应于谨慎使用容易想到的变型，而无需偏离本发明的范围。在此所有在说明中包含和/或在附图中示出的都属于本发明的内容，包括对于本领域技术人员来说容易想到的与具体实施例不同的内容。

Claims (9)

1.双极元件的阴极板(1、1’)具有：
第一板侧面(2)，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)，以及；
与所述第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，
其特征在于，
构造有至少一个从所述第一板侧面(2)延伸至所述第二板侧面(15)穿过整个所述阴极板(1、1’)的过道(14)，所述过道将所述阴极通道结构(3)和所述冷却通道结构(16)流体连接。
2.根据权利要求1所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)在所述第一板侧面(2)上具有至少一个通道端部(12)，至少一个所述通道端部(12)经由至少一个所述过道(14)与构造在所述第二板侧面(15)上的冷却通道结构(16)流体连接。
3.根据权利要求1或2所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述冷却通道结构(16)具有用于冷却剂的入口区域(18)和构造在所述入口区域(18)下游的出口区域(20)，其中，从所述第一板侧面(2)延伸直至所述第二板侧面(15)的至少一个所述过道(14)在所述出口区域(20)上游通向所述冷却通道结构(16)中。
4.根据上述权利要求中任一项所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)被构造成至少一个被构造在所述第一板侧面(2)中的凹处(8)和/或所述冷却通道结构(16)被构造成至少一个被构造在所述第二板侧面(15)中的凹处(17)。
5.根据权利要求4所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，在所述阴极通道结构(3)中的每个凹处(8)关联有一个过道(14)，通过所述过道每个所述凹处(8)与所述冷却通道结构(16)流体连接。
6.根据权利要求4所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)具有多个凹处(8)并且所述阴极通道结构(3)的至少两个凹处(8)关联有一个过道(14)，通过所述过道每个所述凹处(8)与所述冷却通道结构(16)流体连接。
7.根据权利要求4所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，构造在所述阴极通道结构(3)中的凹处(8)与将所述阴极通道结构(3)与所述冷却通道结构(16)流体连接的过道(14)的数量的比例至少是一并且最大是七。
8.根据上述权利要求中任一项所述的阴极板(1、1‘)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)利用在所述第一板侧面(2)上弯曲延伸的通道(9)或者利用在所述第一板侧面(2)上彼此平行延伸的通道(9’)来构造。
9.一种用于运行燃料电池的阴极板(1、1’)的方法，其中，所述阴极板具有第一板侧面(2)和与所述第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在所述第一板侧面上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)，在所述第二板侧面上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，并且其中，将所述冷却剂和所述氧化剂单独输送给所述阴极板(1、1’)，
其特征在于，
在电化学反应之后在所述第一板侧面(2)上生成的阴极产物通过至少一个过道(14)被引导到在所述第二板侧面(15)上的所述冷却通道结构(16)中，至少一个所述过道将所述阴极通道结构(3)和所述冷却通道结构(16)流体连接，并且所述阴极产物经由所述冷却通道结构(16)与所述冷却剂一同被输送离开所述阴极板(1、1’)。
CN201680006354.4A 2015-01-19 2016-01-15 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法 Active CN107592945B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015100704.5A DE102015100704B3 (de) 2015-01-19 2015-01-19 Kathodenplatte eines Bipolarelements und Verfahren zum Betreiben einer solchen Kathodenplatte
DE102015100704.5 2015-01-19
PCT/EP2016/050833 WO2016116381A1 (de) 2015-01-19 2016-01-15 Kathodenplatte eines bipolarelements und verfahren zum betreiben einer solchen kathodenplatte

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107592945A true CN107592945A (zh) 2018-01-16
CN107592945B CN107592945B (zh) 2020-11-06

Family

ID=54326247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680006354.4A Active CN107592945B (zh) 2015-01-19 2016-01-15 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN107592945B (zh)
DE (1) DE102015100704B3 (zh)
WO (1) WO2016116381A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110581288A (zh) * 2018-06-07 2019-12-17 上海尚理投资有限公司 一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020192522A1 (en) * 2001-06-14 2002-12-19 Mikio Wada Separator for a fuel cell
JP2005216848A (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 Samsung Sdi Co Ltd 燃料電池システム
JP2008510271A (ja) * 2004-08-12 2008-04-03 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション 燃料電池スタック設計及び作動方法
CN101453029A (zh) * 2007-12-05 2009-06-10 本田技研工业株式会社 燃料电池
JP2011165559A (ja) * 2010-02-12 2011-08-25 Toyota Auto Body Co Ltd 燃料電池
CN102598379A (zh) * 2009-03-31 2012-07-18 丰田车体株式会社 燃料电池
JP2013201091A (ja) * 2012-03-26 2013-10-03 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
WO2014060078A1 (de) * 2012-10-17 2014-04-24 Daimler Ag Brennstoffzellenstapel
WO2014132706A1 (ja) * 2013-02-28 2014-09-04 トヨタ車体 株式会社 燃料電池のガス流路形成体及び燃料電池

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2241566A1 (en) * 1998-06-23 1999-12-23 Bondface Technology Inc. Flow field plate
DE10015360B4 (de) * 2000-03-28 2006-11-23 Ballard Power Systems Inc., Burnaby Separatoreinheit für Elektrolysezellen und Brennstoffzellen
JP4815916B2 (ja) * 2005-07-21 2011-11-16 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池及び燃料電池システム
US7887968B2 (en) * 2007-03-19 2011-02-15 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell control valve

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020192522A1 (en) * 2001-06-14 2002-12-19 Mikio Wada Separator for a fuel cell
JP2005216848A (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 Samsung Sdi Co Ltd 燃料電池システム
JP2008510271A (ja) * 2004-08-12 2008-04-03 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション 燃料電池スタック設計及び作動方法
CN101453029A (zh) * 2007-12-05 2009-06-10 本田技研工业株式会社 燃料电池
CN102598379A (zh) * 2009-03-31 2012-07-18 丰田车体株式会社 燃料电池
JP2011165559A (ja) * 2010-02-12 2011-08-25 Toyota Auto Body Co Ltd 燃料電池
JP2013201091A (ja) * 2012-03-26 2013-10-03 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
WO2014060078A1 (de) * 2012-10-17 2014-04-24 Daimler Ag Brennstoffzellenstapel
WO2014132706A1 (ja) * 2013-02-28 2014-09-04 トヨタ車体 株式会社 燃料電池のガス流路形成体及び燃料電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110581288A (zh) * 2018-06-07 2019-12-17 上海尚理投资有限公司 一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用
CN110581288B (zh) * 2018-06-07 2021-02-12 上海尚理投资有限公司 一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016116381A1 (de) 2016-07-28
DE102015100704B3 (de) 2015-11-05
CN107592945B (zh) 2020-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9048465B2 (en) Bipolar plate for a fuel cell comprising a by-passed serpentine flow path for oxidant gas; a cooling plate for a fuel cell comprising a by-passed serpentine flow path for coolant fluid; fuel cell comprising such plates and uses thereof
TW541754B (en) Solid polymer electrolyte fuel cell assembly, fuel cell stack, and method of operating cell assembly
TW552737B (en) Solid polymer electrolyte fuel cell assembly, fuel cell stack, and method of supplying reaction gas in fuel cell
CN109904484B (zh) 一种燃料电池双极板结构及燃料电池
US9876237B2 (en) Fuel cell separator and fuel cell stack and reactant gas control method thereof
KR20030081502A (ko) 고체고분자형 연료전지 어셈블리, 연료전지스택, 및연료전지의 반응가스 공급방법
US9190680B2 (en) Fuel battery
US7935455B2 (en) Balanced hydrogen feed for a fuel cell
CN102089911A (zh) 用于燃料电池布置结构的、尤其用于布置在两个相邻的膜电极布置结构之间的双极性板
US20130122389A1 (en) Fuel cell bipolar plate exit for improved flow distribution and freeze compatibility
CN109728322A (zh) 用于燃料电池的电池单元框架及燃料电池堆
CN107851824A (zh) 燃料电池和燃料电池堆
US7618734B2 (en) Branched fluid channels for improved fluid flow through fuel cell
CN101286568B (zh) 质子交换膜燃料电池出口中恒定的通道横截面
WO2004075326A1 (ja) 高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の運転方法
KR20180068657A (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
KR101534940B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
CN107592945A (zh) 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法
KR101636613B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지
CN101826620B (zh) 燃料电池用双极板
CN100369308C (zh) 高分子电解质型燃料电池及其运转方法
CN105143518A (zh) 用于soec单元的气体入口
CN203850383U (zh) 一种pem燃料电池组的阴极流场板
KR101876061B1 (ko) 연료전지 스택
JP2015056296A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant