CN108028394A - 双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆 - Google Patents

双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆。本发明涉及一种用于燃料电池堆的双极板（10）。所述双极板（10）分别具有两个被压型的隔膜板（12、14），所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区（16）；以及两个分布区（18、20），用于将反应气体和冷却剂引向所述活跃区（16）或从所述活跃区（16）排出，其中所述隔膜板（12、14）被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），所述通道的用于两个分布区（18、20）的反应气体和冷却剂的端口（22、24、26）彼此连接。在装配好的燃料电池堆中，用于反应气体的通道（28、30）分别由隔膜板（12、14）的表面和气体扩散层（58）的表面限制。规定：所述双极板（10）具有不能透过的第一隔离板（38），所述不能透过的第一隔离板将用于反应气体的通道（28）在所述活跃区（16）的入口区（40）中分别分成两个体积区，而且沿反应气体的流动方向（42）延伸，其中所述通道（28）的只有一个体积区邻近所述气体扩散层（58）。本发明的主题也是一种具有这种双极板（10）的燃料电池堆以及一种具有按照本发明的燃料电池堆的燃料电池系统。

Description

双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池堆的双极板，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板，所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区；以及两个分布区，用于将反应气体和冷却剂引向活跃区或从活跃区排出，其中所述隔膜板被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道，所述通道的用于两个分布区的反应气体和冷却剂的端口彼此连接，其中用于反应气体的通道分别由隔膜板的表面和气体扩散层的表面限制。此外，本发明还涉及一种具有这种双极板的燃料电池堆以及一种具有这种燃料电池堆的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元（MEA，针对membrane electrode assembly）作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的、尤其是传导氢离子的膜和分别布置在该膜两侧的电极（阳极和阴极）构成的复合体。此外，在膜电极单元两侧的气体扩散层（GDL）可以布置在电极的背离膜的侧面上。燃料电池堆通常通过多个布置成堆（stack）的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在燃料电池运行时，燃料、尤其是氢气H2或者含氢的气体混合物被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H2电化学氧化成H+。通过电解质或者使反应区气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，（水结地或者无水地）将氢离子H+从阳极区运输到阴极区。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧的气体混合物被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从O2还原成O2-。同时，所述氧离子在阴极区中在形成水的情况下与被运输经过所述膜的氢离子发生反应。
燃料电池通过多个布置成堆的膜电极单元形成，使得也谈及燃料电池堆。在两个膜电极单元之间分别布置有双极板，所述双极板保证了给单个电池供应工作介质、即反应物和冷却流体。此外，双极板还引起与膜电极单元的导电接触。此外，所述双极板还确保了在阳极区与阴极区之间的密封隔离。
双极板大多由两个被压型的导电隔膜板来构造，所述隔膜板具有以布置在板两侧的高度轮廓的形式的结构。通过该轮廓，在板两侧得到或多或少的分立式通道，所述分立式通道被构造为引导工作介质。工作介质又通过这些板彼此隔离，使得在板的内部引导冷却剂，而在板之外引导反应气体。反应气体的通道一方面由相应的板限制，而另一方面由气体扩散层限制。
为了关于在双极板中的反应气体来控制水供应从而提高燃料电池的功率密度、效率和使用寿命，尤其已经在WO 2012/143781 A1（丰田集团（Toyota））和US 20090197134 A1（戴姆勒集团（Daimler））中提出：将多个由钛构成的金属条引入到用于要润湿的反应气体的通道中，然而这是昂贵的而且在制造中也是花费高的，因为这些金属条可能难以固定并且难以定位；或将穿孔的金属板引入到通道中，这同样是昂贵的而且在制造中是花费高的。此外，这些解决方案不能与石墨的双极板组合地来应用。
发明内容
现在，本发明所基于的任务在于提供一种用于燃料电池堆的双极板，所述双极板能够简单地实现对反应气体的水供应的控制。
该任务通过一种用于燃料电池堆的双极板来解决，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板，所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区；以及两个分布区，用于将反应气体和冷却剂引向活跃区或从活跃区排出，其中所述隔膜板被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道，所述通道的用于两个分布区的反应气体和冷却剂的端口彼此连接，其中在装配好的燃料电池堆中，用于反应气体的通道分别由隔膜板的表面和相邻的气体扩散层的表面限制。按照本发明，双极板具有不能透过的第一隔离板，所述不能透过的第一隔离板将用于反应气体的通道在活跃区的入口区中分别分成两个体积区，而且沿反应气体的流动方向延伸，其中所述通道的只有一个体积区邻近相邻的气体扩散层。
换句话说，反应气体通道（阳极气体通道和/或阴极气体通道）因此在活跃区之内的向上流动的入口区中具有关于板平面平行地延伸的隔离板，所述隔离板将通道的流体横截面分成两个体积区。所述两个体积区中，第一体积区朝向双极板的表面，而第二体积区朝向双极板的外侧或朝向在组装好的燃料电池堆中相邻于双极板的气体扩散层。
根据本发明的一个优选的实施方式，用于两种反应气体（阳极气体和阴极气体）的通道可以分别配备有相对应的隔离板。这些隔离板优选地彼此不同，因为由于不同的反应气体也得到对所述隔离板的设计方案的不同的要求。
通过所述按照本发明的设计方案，有利地实现了：由于不能透过的隔离板，穿过气体扩散层的水只是润湿了反应气体的一部分。该部分自然位于通道的相邻于气体扩散层的区域内。这样，实现了在入口区对反应气体更高的润湿率，因为只须润湿比平常更小的体积流。这样可以避免在入口区的反应气体对于最优的转化来说过于干燥。
在本情况下，在双极板中的孔尤其应被理解为端口，所述孔在燃料电池堆中得到遍布于堆的通道，用于引导工作介质。
有利地，双极板的按照本发明的设计方案适合于金属或石墨双极板的使用。
有利地，隔离板在不超过用于反应气体的通道的一半长度内延伸，因为在这段距离之后通常存在对反应气体的充分的润湿。
根据一个优选的实施方式，在通道中布置有至少一个其它的不能透过的隔离板，优选地2至4个、特别优选地2至3个不能透过的隔离板。这些隔离板彼此间分别具有如下间隔，使得在该处可以实现反应气体的两个体积流的混匀，以便避免对反应气体的过于强烈的润湿以及避免反应物的由于正在进行的电化学反应引起的过于强烈的稀缺。在两个隔离板之间的间隔或空隙之后，在润湿率由于下一个空隙而重新下调之前，所述润湿率可以重新升高。这样，在通道的整个长度内可以实现相对均匀的润湿。在两个连续的隔离板之间的间隔应被选择为使得可以进行两个体积流的混合。出于该原因，该间隔应该是通道深度的多倍。
可以通过如下方式来实现相对应的效果：后面的隔离板优选地具有比相应前面的隔离板更小的长度。
为了在通道中不引起压力差，所述至少一个隔离板优选地平行于气体扩散层地来取向。
用于通道的所述至少一个隔离板的设计方案取决于相应的燃料电池系统的特定的要求。
两个体积区的横截面可以是不同的。在考虑湿度变化过程、压力损失以及反应物消耗的情况下，重要的是所述至少一个隔离板的形状和长度的与设计目的相对应的实施方案。在此应注意：在与气体扩散层GDL相邻的体积区中流动的体积流越小，通过隔离板来划分的通道部分就必须越短。
这样，所述至少一个隔离板可以平地或立体地来成形，以便以所希望的方式来构建体积区或确定体积区的尺寸。在此应注意：体积流不应该被构造得太小。此外，相邻于气体扩散层的体积区的高度应尽可能高地来安排，因为相应的隔膜板被压入到所述气体扩散层中直至一定程度，使得体积区的高度又可以被降低。
在下文，所述至少一个隔离板的不同的实施方式在附图中示例性地予以示出。
相对应地，也可以使至少一个隔膜板成形，使得在与所述至少一个隔离板的设计方案的共同作用下，得到用于设定冷却剂以及（具有不同的含水量的）一种或多种反应气体的体积流的其它可能性。
此外还优选的是：通道主要是直线地延伸，以便阻止反应气体的不符合期望的涡流，所述涡流也许可能会妨碍均匀的润湿。
优选的是按照本发明来设计用于运输阴极气体的通道。这样的设计方案对于用于运输阳极气体的通道来说也可以是有利的。按照本发明，所有通道、也就是说用于阴极气体运输和阳极气体运输的通道也可以具有这种特性。
此外，还要求保护一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括根据本发明的双极板、布置在双极板两侧的气体扩散层以及布置在气体扩散层两侧的膜电极装置：膜电极装置就其而言包括一个传导氢离子的膜以及两个布置在所述传导氢离子的膜两侧的催化电极、即阳极和阴极。因此，按照本发明的燃料电池堆包括多个按照本发明的双极板以及多个膜电极单元，其中所述双极板和所述膜电极单元交替地重叠地来堆叠而且分别通过气体扩散层彼此隔离。
优选地，在按照本发明的燃料电池堆中使用的膜是聚合物电解质膜。
燃料电池堆可以被用于移动或静止的应用。尤其是，所述燃料电池堆用于给用于驱动车辆的电动机供电。因此，本发明的主题也是一种具有按照本发明的燃料电池堆的燃料电池系统以及一种具有这种系统的车辆。
按照本发明的燃料电池堆的双极板尤其具有如下优点：由于阴极通道的直线性，有助于排水而且因此尽可能或完全阻止了由于积水引起的对阴极通道的堵塞。此外，由于按照本发明的装置，所有阴极通道都一样长。这又有助于反应气体的压力和体积流的均匀分布。
有利地，按照本发明的燃料电池在各个双极板内但是也包括在整个燃料电池堆内都具有经优化的压力分布，所述经优化的压力分布具有工作介质、尤其是冷却剂的低的压力损失。
本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。
只要在个别情况下不另作实施，本发明的在本申请中提到的不同的实施方式就能有利地彼此结合。
附图说明
随后，本发明在实施例中依据所属的附图来阐述。其中：
图1以示意图示出了按照本发明的用于燃料电池堆的双极板的按照本发明的结构；
图2以示意图示出了根据现有技术的双极板的结构以及在用于反应气体的通道之内的含水量的变化过程；
图3以示意图示出了按照本发明的双极板的结构以及在用于反应气体的通道之内的含水量的变化过程；
图4以示意图示出了按照本发明的双极板根据另一实施方式的结构以及在用于反应气体的通道之内的含水量的变化过程；
图5以示意性截面图示出了燃料电池堆的单个燃料电池的结构，所述燃料电池在用于反应气体的通道的完整的区域内具有根据现有技术的金属双极板或者按照本发明的金属双极板；
图6至11以示意性截面图示出了燃料电池堆的单个燃料电池的结构，所述燃料电池在隔离板的区域内具有按照本发明的金属双极板的不同的实施方式；
图12以示意性截面图示出了燃料电池堆的单个燃料电池的结构，所述燃料电池在用于反应气体的通道的完整的区域内具有根据现有技术的石墨双极板或者按照本发明的石墨双极板；而
图13至16以示意性截面图示出了燃料电池堆的单个燃料电池的结构，所述燃料电池在隔离板的区域内具有按照本发明的石墨双极板的不同的实施方式。
具体实施方式
在图1中示出了用于按照本发明的、未示出的燃料电池堆的按照本发明来设计的双极板10。
双极板10具有两个被压型的隔膜板12、14，所述两个被压型的隔膜板12、14共同构造出活跃区16，分布区18、20相邻于所述活跃区16两侧，所述分布区18、20分别具有两个用于反应气体的端口22、24和一个用于冷却剂的端口26，通过它们将反应气体和冷却剂引向活跃区16。
用于反应气体和冷却剂的单独的通道28、30、32在双极板10中延伸，所述用于反应气体和冷却剂的单独的通道28、30、32在随后的图5至16中才更精确地示出。仅仅用于反应气体的通道28通过加粗的线条象征性地来表现。
活跃区16又被划分成两个分区34、36，其中在分区34中，用于所述反应气体之一的通道28配备有在图1中不可见的隔离板38，其中该分区34对应于相对应的反应气体在活跃区16中的入口区40。
图2示出了双极板10，在所述双极板10关于活跃区16与分区36相同、也就是说没有设置隔离板这一点上，所述双极板10对应于来自图1的双极板。此外，图2还示出了经过用于反应气体的通道28之一的纵剖面，其中流动方向42通过箭头来说明。如随后还予以阐述的那样，从通道28的相邻于气体扩散层的侧面44，产物水46渗入到所述通道28中（通过箭头象征性地表现），使得反应气体被润湿。反应气体中的含水量（H2O/体积（H2O/Vol.））在图2的图表中通过关于活跃区16的长度l的曲线48来示出。从该图表可见：具有低含水量的反应气体进入到活跃区16中并且在流经活跃区16的过程中不断地吸收水，使得反应气体的含水量持续升高，直至离开活跃区16。
同样，图3示出了水进入到用于反应气体的通道28中，然而以按照图1的按照本发明来设计的双极板10为例。在图3的经过用于反应气体的通道28之一的纵剖面中，流动方向42通过箭头来说明。从通道28的相邻于气体扩散层的侧面44，产物水46渗入到所述通道28中（通过箭头象征性地表现），使得反应气体被润湿。反应气体中的含水量（H2O/体积）在图2的图表中通过关于活跃区16的长度l的曲线48来示出。反应气体以低含水量进入到活跃区16中，其中由于在活跃区16的入口区40中的隔离板38而得到曲线48的分裂。这样，存在子曲线48a，所述子曲线48a应被分配给通道28的如下区域50，产物水46渗入到所述区域50中。通道28的另一区域52示出了按照子曲线48b的曲线变化过程（以虚线绘出）。产物水46渗入到其中的区域50的子曲线48a示出了比图2的类似的曲线48更陡峭的变化过程，而含水量按照另一区域52的曲线48b留在相同的水平，因为这里没有出现由于产物水46引起的附加的润湿。而曲线48a的陡峭的变化过程通过如下原因得到解释：等量的产物水46通过隔离板38渗入到反应气体的更小的体积中并且这样得到更高的含水量。一旦通道28的反应气体n越过隔离板38，子曲线48a和48b就迅速合并，因为含水量分布在反应气体的整个体积内。随后，曲线48又示出了含水量的连续的升高。
图4示出了在本发明的一个优选的实施方式中有水进入到通道28中。这样，用于反应气体的通道28具有第二隔离板54，所述第二隔离板54相对第一隔离板38具有间隔56。又以示意图、以纵剖面示出了双极板10，而且示出了含水量关于活跃区的长度的曲线。对于重复的附图标记来说参考之前的附图。沿流动方向42直至隔离板38之后，曲线变化过程48、48a、48b对应于图3中的曲线变化过程48、48a、48b。紧接着，又使两条子曲线48a、48b合并。根据关于图3的理由，一旦反应气体到达第二隔离板54，曲线48就又分裂成两条子曲线48a、48b。子曲线48a、48b的具有子曲线48a、48b的合并的进一步的变化过程又对应于只有在含水量不同时的子曲线48a、48b的第一次合并。在该实施方式中明显的是：由于反应气体重复地分裂成两个体积流，可以控制所述反应气体的润湿，使得在此始终可以实现对反应气体的最优的润湿。
图5示出了燃料电池堆的具有金属双极板10的单个燃料电池的结构，其中所述结构或者对应于来自现有技术的双极板10或者对应于按照本发明的双极板10的如下区域，在所述区域内没有布置隔离板48、54。双极板10具有两个隔膜板12、14，所述两个隔膜板12、14被压型为使得针对两种反应气体分别构造通道28、30而针对冷却剂构造通道32。在电极12、14的两侧分别布置有具有膜电极装置60的气体扩散层58。
根据图6至11的按照本发明的双极板10以如下区别对应于图5中的双极板10：在用于反应气体的通道28中插入隔离板38、54，其中通道28被分成两个区域50、52，所述两个区域50、52包含相同的反应气体，然而所述反应气体具有不同的含水量。用于反应介质和冷却剂的通道28、30、32的在图6至11中示出的不同的几何形状具有不同的优点。在根据图6和11的最简单的变型方案中，隔离板38、54平地来实施并且布置在隔膜板12、14之间。在随后的按照图7至10的实施方式中，隔离板38、54设计有凹槽，使得用于冷却介质的通道32的体积流增大而且同时在通道28的具有更低的含水量的区域52中的体积流减小。此外，通过相对应的隔膜板14的设计方案可以对在通道28的区域50、52内的以及在用于冷却剂的通道32内的各个体积流产生影响，具有隔离板38、54的通道28使所述隔膜板14成形。这样，通过选择构造出压型的凹槽的例如高度和宽度，体积流可以与相应的目的适配（图7至11）。
图12示出了燃料电池堆的具有石墨双极板10的单个燃料电池的结构，其中所述结构或者对应于来自现有技术的双极板10或者对应于按照本发明的双极板10的如下区域，在所述区域内没有布置隔离板48、54。双极板10具有两个隔膜板12、14，所述两个隔膜板12、14被压型为使得针对两种反应气体分别构造通道28、30而针对冷却剂构造通道32。在隔膜板12、14的两侧分别布置有具有膜电极装置60的气体扩散层58。
根据图12至16的按照本发明的双极板10对应于图5中的双极板10，其中在用于反应气体的通道28中插入隔离板32、54，使得通道28被分成两个区域50、52，所述两个区域50、52包含相同的反应气体，然而所述反应气体具有不同的含水量。用于反应介质和冷却剂的通道28、30、32的在图12至16中示出的不同的几何形状具有不同的优点。如已经以针对金属双极板10的图6至11为例，由于隔离板32、58以及隔膜板14的相对应的设计方案，在具有至少一个隔离板38、54的通道28内的反应介质的体积流以及冷却介质的通道32的体积流都可以任意地变化。
附图标记列表
10 双极板
12、14 隔膜板
16 活跃区
18、20 分布区
22、24 用于反应气体的端口
26 用于冷却剂的端口
28、30、32 用于工作介质的通道
34、36 分区
38 隔离板
40 入口区
42 流动方向
44 侧面
46 产物水
48 曲线
48a、48b 子曲线
50、52 区域
54 隔离板
56 间隔
58 气体扩散层
60 膜电极装置
l 长度。

Claims (10)

1.用于燃料电池堆的双极板（10），所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板（12、14），所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区（16）；以及两个分布区（18、20），用于将反应气体和冷却剂引向所述活跃区（16）或从所述活跃区（16）排出，其中所述隔膜板（12、14）被构造并且重叠地布置为使得所述双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），所述通道的用于两个分布区（18、20）的反应气体和冷却剂的端口（22、24、26）彼此连接，其中用于反应气体的通道（28、30）分别由隔膜板（12、14）的表面和在所述燃料电池堆中相邻的气体扩散层（58）的表面限制，其特征在于，所述双极板（10）具有不能透过的第一隔离板（38），所述不能透过的第一隔离板将用于反应气体的通道（28）在所述活跃区（16）的入口区（40）中分别分成两个体积区，而且沿流动方向（42）延伸，其中所述通道（28）的只有一个体积区邻近所述气体扩散层（58）。
2.根据权利要求1所述的双极板（10），其特征在于，所述双极板（10）是金属或石墨的。
3.根据权利要求1或2所述的双极板（10），其特征在于，所述双极板（10）具有一个或多个其它不能透过的隔离板（54），优选地两个或三个、特别优选地三个隔离板（54），所述一个或多个其它不能透过的隔离板（54）在所述通道（28）中布置在所述第一隔离板（38）下游，其中所有隔离板（38、54）都彼此间隔开地来布置。
4.根据权利要求3所述的双极板（10），其特征在于，从所述通道（28）的入口区（40）出发，每个沿流动方向跟随所述第一隔离板（38）的隔离板（54）都具有比相应前面的隔离板（38、54）更小的长度。
5.根据权利要求1至4之一所述的双极板（10），其特征在于，所述隔离板（38）或所述隔离板（38、54）平行于板平面地或平行于所述气体扩散层（58）地延伸。
6.根据权利要求1至5之一所述的双极板（10），其特征在于，由于所述隔离板（38）或所述隔离板（54）而存在的区域（50、52）被构造为容许反应气体的相同的体积流。
7.根据权利要求1至6之一所述的双极板（10），其特征在于，所述通道（20、30、32）直线地延伸。
8.根据权利要求1至7之一所述的双极板（10），其特征在于，具有至少一个隔离板（38、54）的通道（28、30）用于运输阴极气体或阳极气体；或者所述通道（28、30）分别配备有所述至少一个隔离板（38、54），而且通道（28、30）用于运输阴极气体而通道（28、38）用于运输阳极气体。
9.燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：根据权利要求1至8之一所述的双极板（10），布置到所述双极板（10）两侧的气体扩散层（58）以及布置到所述气体扩散层（58）两侧的膜电极装置（60）。
10.燃料电池系统，所述燃料电池系统包括根据权利要求9所述的燃料电池堆。
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