CN109075357A - 具有横截面积可变的反应气体通道的双极板、燃料电池堆以及具有这种燃料电池堆的车辆 - Google Patents

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Abstract

为了改进用于燃料电池的双极板（10）（该双极板具有带阳极气体通道（22）的阳极板（19）和带阴极气体通道（21）的阴极板（20），该阳极板和阴极板具有活跃区（AA）以及供应区（SA），而且该阳极板和阴极板重叠地布置为使得该阳极板和阴极板形成冷却剂通道（23）），使得该双极板（10）中的反应物和冷却剂的流动情况被优化，提出：阴极气体通道（21）的高度（H）和/或宽度（B）从活跃区（AA）的第一侧面（26）到活跃区（AA）的第二侧面（27）增大而阳极气体通道（22）的高度（H）和/或宽度（B）从活跃区（AA）的第一侧面（26）到活跃区（AA）的第二侧面（27）减小，其中阴极气体通道（21）的横截面积和/或水力直径增大而阳极气体通道（22）的横截面积和/或水力直径减小。还提出了一种燃料电池堆和一种车辆。

Description

具有横截面积可变的反应气体通道的双极板、燃料电池堆以 及具有这种燃料电池堆的车辆
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括阳极板和阴极板，该阳极板和阴极板分别具有一个活跃区以及两个用于将工作介质输送到该活跃区或者将工作介质从该活跃区排出的供应区，其中所述供应区分别具有用于输送或排出燃料的阳极气体端口、用于输送或排出氧化剂的阴极气体端口以及用于输送或排出冷却剂的冷却剂端口，而且其中该阳极板具有阳极气体通道而该阴极板具有阴极气体通道，所述阳极气体通道和所述阴极气体通道分别构造为敞开的槽形的通道结构而且重叠地布置和成形，使得阳极板和阴极板在彼此相邻的侧面形成冷却剂通道，所述冷却剂通道使两个供应区的冷却剂端口连接；以及本发明涉及一种燃料电池堆和一种具有这种燃料电池堆的车辆。
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装置（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（大多是传导氢离子的）膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。后者大多包括被支承的贵金属、尤其是铂。此外，在膜电极装置两侧的气体扩散层（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。在各个膜电极装置之间通常布置有双极板（也称作流场板或隔膜板），所述双极板保证了给单个电池供应工作介质、即反应物，而且通常也用于冷却。此外，双极板还引起与膜电极装置的导电接触。
在燃料电池运行时，燃料（阳极工作介质）、尤其是氢气H2或者含氢的气体混合物通过双极板的在阳极侧敞开的流场被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H2电化学氧化成氢离子H+（H2 2 H+ + 2 e–）。通过电解质或者使反应室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（例如空气）作为阴极工作介质通过双极板的在阴极侧打开的流场被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从O2还原成O2-（½ O2 + 2e– O2-）。同时，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（O2- + 2 H+ H2O）。
存在不同的方案来优化双极板中的反应物与冷却剂的流动情况。
这样，在DE 103 23 644 B4中描述了一种燃料电池，其中有反应气体沿流动方向流过的通道的通道体积通过逐段地减少平行地走向的通道的数目而被减小。
US 6756149 B2提出了一种燃料电池，其中反应气体通道的高度和宽度超越流场地变化，其中然而横截面积保持恒定。
发明内容
现在，本发明所基于的任务在于提供一种双极板，其中考虑在与活跃区的长度有关的反应气体通道中的气体组成和质量流。
按照本发明，设置一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括经压型的阳极板和阴极板，该阳极板和阴极板分别具有一个活跃区以及两个用于将工作介质输送到该活跃区或者将工作介质从该活跃区排出的供应区，其中所述供应区分别具有用于输送或排出燃料的阳极气体端口、用于输送或排出氧化剂的阴极气体端口以及用于输送或排出冷却剂的冷却剂端口，而且其中该阳极板具有阳极气体通道而该阴极板具有阴极气体通道，所述阳极气体通道和所述阴极气体通道分别构造为敞开的槽形的通道结构（所述敞开的槽形的通道结构呈现所提到的压型）而且重叠地布置和成形，使得阳极板和阴极板在彼此相邻的侧面形成冷却剂通道，所述冷却剂通道使两个供应区的冷却剂端口连接，其中所述阴极气体通道的高度和/或宽度从该活跃区的第一侧面到该活跃区的第二侧面增大而所述阳极气体通道的高度和/或宽度从该活跃区的第一侧面到该活跃区的第二侧面减小，其中所述阴极气体通道的横截面积和/或水力直径增大而所述阳极气体通道的横截面积和/或水力直径减小。
术语“阳极气体端口”、“阴极气体端口”和“冷却剂端口”分别包括阳极入口孔、阳极出口孔、阴极入口孔、阴极出口孔、冷却剂入口孔和冷却剂出口孔。在下文，也使用这些术语。
按照本发明的设计方案提供如下优点：通过反应气体通道的可变的造型，可以研究各个通道内的在流过活跃区时有变化的气体组成或可以优化流动情况。这里，例如可以保证对反应气体的最优的润湿。
通过双极板或阳极板和阴极板的按照本发明的设计方案，优化了在双极板的活跃区中的阳极气体通道和阴极气体通道内的压力分布、湿度分布和速度分布。在该上下文中，“优化”指的是：在整个活跃区内尽可能存在一致的压力情况、对反应物的均匀的润湿以及相同的流速。
能将阳极气体通道的变窄看作为此的示例，在该阳极气体通道中，由于阳极气体沿着流动方向的消耗，质量流降低。这可能导致：在阳极气体通道的后半段，流速小得使得所形成的液态水不再能稳定地被排出。这会降低燃料电池的功率和使用寿命。由于阳极气体通道变窄，抑制了该效应，因为流速被提高。借此，有利地提高了燃料电池或燃料电池堆的功率和使用寿命。
相对于宽度改变，改变阳极气体通道和阴极气体通道的高度是优选的，因为阳极板和阴极板与膜的接触情况在宽度相同的情况下能更简单并且更好地来调整。
优选地，该双极板是矩形双极板，以便能够实现燃料电池堆的良好的、也就是说节约空间的布置。由此，还使得对MEA的裁剪变得容易并且避免了切削损耗。
同样优选的是：阳极板和阴极板的经压型的侧面彼此平面平行地来取向，以便能够实现燃料电池的简单的可堆叠性并且以便获得方形的电池堆，所述方形的电池堆同样能特别节约空间地来使用。
优选地，阳极板和阴极板的朝向彼此的侧面与经压型的侧面也是平面平行的。
但是，也要求保护如下实施方式，其中阳极板和阴极板的朝向彼此的侧面却并不与阳极板和阴极板的经压型的侧面平面平行，另一方面，所述经压型的侧面彼此平面平行。得到楔形的阳极板和阴极板，所述楔形的阳极板和阴极板拼合在一起地构造出方形的双极板，所述方形的双极板可以良好地堆叠。在此，阴极板的厚度从活跃区的第一侧面朝着活跃区的第二侧面的方向增大，而这在阳极板中相反地来设计。
冷却剂通道按份额地由阳极板和阴极板来构造，使得在阳极板和阴极板中分别存在部分冷却剂通道，所述部分冷却剂通道在阳极板和阴极板拼合在一起时构造出所述冷却剂通道。
冷却剂通道的横截面积或者水力直径沿着活跃区基本上保持相同，其中在此构造在阳极板和阴极板中的部分冷却剂通道可以像反应气体通道那样是可变的。
只要阳极板和阴极板的所有表面都是平面平行的，这些部分冷却剂通道就优选地是可变的，以便与阳极气体通道和阴极气体通道的走向适配或在所述阳极气体通道和阴极气体通道之间基本上平行地走向，其中如下实施方式也是可能的，其中冷却剂通道并没有平行于阳极气体通道和阴极气体通道地走向。
这些部分冷却剂通道可以构造为使得最终得到的冷却剂通道平行于阳极气体通道和阴极气体通道地走向或者平行于阳极板和阴极板的经压型的侧面地走向。
在其中朝向彼此的侧面并不与经压型的侧面平面平行的实施方式中，只要朝向彼此的侧面的坡度对应于阳极气体通道和阴极气体通道的坡度，这些部分冷却剂通道就优选地不可变。
此外，所有实施方式的阳极板的部分冷却剂通道和阴极板的部分冷却剂通道并不强制必须具有相同的横截面积或水力直径。所述横截面积或所述水力直径通过其与阳极气体通道或阴极气体通道的接近程度来确定。
根据按照本发明的双极板的特别优选的实施方式，阳极气体通道和阴极气体通道的高度有变化。
在本发明的一个优选的实施方式中，工作介质通道以小于90°的牙侧角槽形地来设计，使得有利地，简化的制造是可能的。
按照本发明的燃料电池堆包括：交替地布置的膜电极单元和双极板的堆，所述双极板如上文描述的那样来设计。
本发明的另一方面涉及一种车辆，该车辆具有至少一个按照本发明的燃料电池堆。该车辆优选地是电动车辆，其中由燃料电池系统产生的电能用于供应牵引电机和/或牵引电池组。
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解释，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示出了双极板的俯视图；
图2示出了沿按照本发明的根据第一实施方式的双极板的纵向的截面图（C-C），该双极板布置在两个膜电极单元之间；
图3示出了沿根据图2的双极板的横向的截面图（A-A）；
图4示出了沿根据图2的双极板的横向的截面图（B-B）；
图5示出了沿根据图2的双极板的横向的截面图（A-A）；
图6示出了沿根据图2的双极板的横向的截面图（B-B）；
图7示出了沿按照本发明的根据第二实施方式的双极板的纵向的截面图（C-C），该双极板布置在两个膜电极单元之间；
图8示出了沿根据图7的双极板的横向的截面图（A-A）；
图9示出了沿根据图7的双极板的横向的截面图（B-B）；
图10示出了沿根据图7的双极板的横向的截面图（A-A）；
图11示出了沿根据图7的双极板的横向的截面图（B-B）；
图12示出了沿按照本发明的根据第三实施方式的双极板的纵向的截面图（C-C），该双极板布置在两个膜电极单元之间；
图13示出了沿根据图12的双极板的横向的截面图（A-A）；
图14示出了沿根据图12的双极板的横向的截面图（B-B）；
图15示出了沿根据图12的双极板的横向的截面图（A-A）；而
图16示出了沿根据图12的双极板的横向的截面图（B-B）。
具体实施方式
图1以俯视图示出了按照本发明的矩形双极板10。
双极板10被分成活跃区AA和不活跃区IA。活跃区AA的特点在于：在该区域内发生燃料电池反应。不活跃区IA可以分别被分成供应区SA和分布区DA，其中分布区DA使供应区SA与活跃区AA连接。
在供应区SA之内设置有阳极入口孔11，用于输送阳极气体，即燃料、例如氢气。在另一供应区SA内的阳极出口孔12用于在阳极废气流出活跃区AA之后将阳极废气排出。在第一供应区SA内的阴极入口孔13用于输送阴极气体，该阴极气体尤其是氧气或含氧混合物、优选地是空气。阴极出口孔14用于在阴极废气流出活跃区AA之后将阴极废气在另一供应区SA中排出。冷却剂入口孔15用于在不同的供应区SA中输送冷却剂，而冷却剂出口孔16用于在不同的供应区SA中排出冷却剂。
在图1中示出的双极板10具有在该图示中可见的阴极侧17以及不可见的阳极侧18，其中该双极板10由拼合在一起的阳极板19和阴极板20来构造。在所示出的阴极侧17，阴极气体通道21被构造为敞开的槽形的通道结构，所述阴极气体通道21使阴极入口孔13与阴极出口孔14连接。这里不可见的阳极侧18同样具有相对应的阳极气体通道22，所述阳极气体通道22使阳极入口孔11与阳极出口孔12连接。阳极气体通道22也被构造为敞开的、槽形的通道结构。被围出的冷却剂通道23在双极板10内部、即在阳极板19与阴极板20之间走向，所述冷却剂通道23使冷却剂入口孔15与冷却剂出口孔16连接。在图1中用中断线来表示密封垫24。
图2以纵剖面C-C示出了按照图1的双极板10，该纵剖面C-C的走向在图3中示出。在图3和4中示出了双极板10的横截面A-A和B-B，所述横截面A-A和B-B示出了双极板10的活跃区AA的第一侧面26（入口侧）或第二侧面27（出口侧）。
在双极板10的阴极侧17以及在双极板10的阳极侧18都布置有膜电极单元25。如已经关于图1阐述的那样，阳极气体通道22、阴极气体通道21和冷却剂通道23在活跃区AA内延伸或从活跃区AA的第一侧面26延伸到活跃区AA的第二侧面27，其中冷却剂通道23由阳极板19和阴极板20中的部分冷却剂通道23a、23b来构造。阳极板和阴极板19、20的经压型的侧面以及所述阳极板和阴极板19、20的朝向彼此的侧面28、29平面平行地来构造，部分冷却剂通道23a、23b被引入到所述朝向彼此的侧面28、29中。
阳极气体通道22的高度H从活跃区AA的第一侧面26到活跃区AA的第二侧面27减小。而阴极气体通道21的高度H从活跃区AA的第一侧面26到活跃区AA的第二侧面27增大。而冷却剂通道23以相同的横截面积和/或相同的水力直径在活跃区AA内延伸，其中距阳极气体通道和阴极气体通道21、22的距离保持相同，而且其中阳极板19中的部分冷却剂通道23a具有增大的部分横截面积和/或部分水力直径。在阴极板20中，这正好相反地成形。
图5和6示出了根据图2至4的双极板的略微有变化的实施方式，而且又示出了横截面A-A和B-B，所述横截面A-A和B-B示出了活跃区AA的第一侧面26（入口侧）或第二侧面27（出口侧），然而这里未示出膜电极单元。为了经简化的可制造性，阳极气体通道22和阴极气体通道21以及冷却剂通道23并非矩形地来成形，而是以小于90°的牙侧角槽形地来成形。此外，在该实施方式中，阳极板或阴极板19、20中的部分冷却剂通道23a具有彼此不同的宽度B。在活跃区AA的第一侧面26的区域内，阳极板19中的部分冷却剂通道23a比阴极板20中的部分冷却剂通道更窄。在第二侧面27的区域内，这颠倒过来，而且阴极板20的部分冷却剂通道23b比阳极板19中的部分冷却剂通道更窄。在第一侧面26与第二侧面27之间当然存在如下区域，在该区域内，两个部分冷却剂通道23a、23b具有相同的宽度B。
同样，图7以纵剖面C-C示出了双极板10，该纵剖面C-C的走向在图8中示出。在图8和9中示出了双极板10的横截面A-A和B-B，所述横截面A-A和B-B示出了双极板10的活跃区AA的第一侧面26（入口侧）或第二侧面27（出口侧）。
不同于在图2至6中示出的实施方式，阳极板和阴极板19、20的经压型的侧面是平面平行的，然而朝向彼此的侧面28、29不是平面平行的，部分冷却剂通道23a、23b被引入到所述朝向彼此的侧面28、29中。朝向彼此的侧面28、29平行于阳极气体通道和阴极气体通道地走向。由此，阳极板和阴极板19、20中的部分冷却剂通道23a、23b的部分横截面积和/或部分水力直径不发生变化。
如图5和6那样，图10和11示出了根据图7至9的双极板的略微有变化的实施方式，该实施方式具有槽形的阳极气体通道22和阳极气体通道21以及冷却剂通道23并且具有小于90°的牙侧角。在该变型方案中，虽然部分冷却剂通道23a、23b的部分冷却剂横截面的形状不同，但是横截面积和/或水力直径保持恒定。此外，在冷却剂通道23与相邻的阳极气体通道22和阴极气体通道21之间的材料强度也恒定。
另一方面，图12以纵剖面C-C示出了按照图1的双极板10，该纵剖面C-C的走向在图13中示出。在图13和14中示出了双极板10的横截面A-A和B-B，所述横截面A-A和B-B示出了双极板10的活跃区AA的第一侧面26（入口侧）或第二侧面27（出口侧）。
阳极板和阴极板19、20的经压型的侧面以及所述阳极板和阴极板19、20的朝向彼此的侧面28、29平面平行地来构造，部分冷却剂通道23a、23b被引入到所述朝向彼此的侧面28、29中。
不同于所示出的其它实施方式，冷却剂通道23并不平行于阳极气体通道和阴极气体通道22、21地取向，而是平行于阳极板19和阴极板20的朝向彼此的侧面28、29地取向。
图15和16示出了双极板10的如下实施方式，其中阳极气体通道和阴极气体通道22、21的宽度B有变化，而且图15和16又示出了横截面A-A和B-B，所述横截面A-A和B-B示出了活跃区AA的第一侧面26（入口侧）或第二侧面27（出口侧），其中阳极气体通道22的宽度B从活跃区AA的第一侧面26到活跃区AA的第二侧面27减小。而阴极气体通道21的宽度B从活跃区AA的第一侧面26到活跃区AA的第二侧面27增大。而冷却剂通道23以相同的横截面积和/或相同的水力直径在活跃区AA内延伸，其中距阳极气体通道和阴极气体通道21、22的距离保持相同，而且其中阳极板19中的部分冷却剂通道23a具有增大的部分横截面积和/或部分水力直径。在阴极板20中，这正好相反地成形。阳极板和阴极板19、20的经压型的侧面以及所述阳极板和阴极板19、20的朝向彼此的侧面28、29平面平行地来构造，部分冷却剂通道23a、23b被引入到所述朝向彼此的侧面28、29中。
阳极气体通道22和阴极气体通道21以及冷却剂通道23以小于90°的牙侧角槽形地来成形。
附图标记列表
10 双极板
11 阳极入口孔
12 阳极出口孔
13 阴极入口孔
14 阴极出口孔
15 冷却剂入口孔
16 冷却剂出口孔
17 阴极侧
18 阳极侧
19 阳极板
20 阴极板
21 阴极气体通道
22 阳极气体通道
23 冷却剂通道
23a、23b 部分冷却剂通道
24 密封垫
25 膜电极单元
26 第一侧面
27 第二侧面
28、29 侧面
AA 活跃区（反应区，active area）
IA 不活跃区（inactive area）
SA 供应区（supply area）
DA 分布区（distribution area）
H 高度
B 宽度

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的双极板（10），所述双极板包括阳极板（19）和阴极板（20），所述阳极板和阴极板分别具有一个活跃区（AA）以及两个用于将工作介质输送到所述活跃区（AA）或者将工作介质从所述活跃区（AA）排出的供应区（SA），其中所述供应区（SA）分别具有用于输送或排出燃料的阳极气体端口（11、12）、用于输送或排出氧化剂的阴极气体端口（13、14）以及用于输送或排出冷却剂的冷却剂端口（15、16），而且其中所述阳极板（19）具有阳极气体通道（22）而所述阴极板（20）具有阴极气体通道（21），所述阳极气体通道和所述阴极气体通道分别构造为敞开的槽形的通道结构而且重叠地布置和成形，使得阳极板（19）和阴极板（20）在彼此相邻的侧面（28、29）形成冷却剂通道（23），所述冷却剂通道使两个供应区（SA）的冷却剂端口（15、16）连接，其特征在于，所述阴极气体通道（21）的高度（H）和/或宽度（B）从所述活跃区（AA）的第一侧面（26）到所述活跃区（AA）的第二侧面（27）增大而所述阳极气体通道（22）的高度（H）和/或宽度（B）从所述活跃区（AA）的第一侧面（26）到所述活跃区（AA）的第二侧面（27）减小，其中所述阴极气体通道（21）的横截面积和/或水力直径增大而所述阳极气体通道（22）的横截面积和/或水力直径减小。
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）为矩形。
3.根据权利要求1和2所述的双极板（10），其特征在于，所述阳极板（19）和所述阴极板（20）的背离彼此的侧面彼此平面平行。
4.根据权利要求3所述的双极板（10），其特征在于，所述阳极板（19）和所述阴极板（20）的朝向彼此的侧面平面平行，而且能够与所述阳极板（19）和所述阴极板（20）的背离彼此的侧面平面平行。
5.根据权利要求1至4之一所述的双极板（10），其特征在于，所述冷却剂通道（23）的横截面积和/或水力直径在所述活跃区（AA）内是恒定的。
6.根据权利要求1至5之一所述的双极板（10），其特征在于，所述冷却剂通道（23）的横截面积和/或水力直径沿着所述活跃区（AA）相同。
7.根据权利要求1至6之一所述的双极板（10），其特征在于，构造在所述阳极板（19）中的部分冷却剂通道（23a）的部分横截面积和/或部分水力直径从所述活跃区（AA）的第一侧面（26）到所述活跃区（AA）的第二侧面（27）增大，其中构造在所述阴极板（20）中的部分冷却剂通道（23b）的部分横截面积和/或水力直径减小。
8.一种燃料电池堆（10），其特征在于，所述燃料电池堆（10）具有至少一个根据权利要求1至7之一所述的双极板（10）。
9.一种车辆，其具有燃料电池系统（100），所述燃料电池系统具有根据权利要求8所述的燃料电池堆（10）。
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