CN109417176B

CN109417176B - 双极板、燃料电池堆、燃料电池系统以及车辆

Info

Publication number: CN109417176B
Application number: CN201780038724.7A
Authority: CN
Inventors: H.肖尔茨
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: JP6745920B2; DE102016111638A1; JP2019518317A; US20190229347A1; WO2017220552A1; CN109417176A; EP3430662A1; US11108059B2; KR102307256B1; KR20190021357A

Abstract

为了提供一种用于燃料电池的双极板（10），该双极板具有两个被压型的隔膜板（12、14），所述两个被压型的隔膜板构造为使得该双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），其中考虑在活跃区内的气体成分，提出：用于一种反应气体或两种反应气体的通道（28、32）在活跃区（16）的入口区（34）比在活跃区（16）的其余分区（36）具有更小的宽度（B2），其中所述通道（28、32）的宽度（B2）从入口区（34）的开始直至入口区（34）的结束连续增加，而处在所述通道（28、32）之间的隔片（54）比在活跃区（16）的其余分区（36）具有更大的宽度（B1），其中所述通道的宽度（B2）和所述隔片（54）的宽度（B1）之和是恒定的，而且所述通道（28、32）和所述隔片（54）的宽度（B2、B1）在整个其余分区（36）内都是恒定的。本发明的主题也是一种燃料电池堆、一种燃料电池系统以及一种车辆。

Description

双极板、燃料电池堆、燃料电池系统以及车辆

技术领域

本发明涉及：一种用于燃料电池的双极板，所述双极板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为使得所述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，而且所述通道分别构造为敞开的槽形的通道结构，其中所述两个被压型的隔膜板重叠地布置为使得在相邻的侧面通过通道结构来使冷却剂通道成形；一种燃料电池堆；一种燃料电池系统；以及一种车辆。

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O^2-。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和US 20090197134 A1中提出：将多个由钛构成的金属条引入到用于所要润湿的反应气体的通道中，然而这是昂贵的而且在制造方面也是花费高的，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方面是花费高的。此外，这些解决方案不能与石墨双极板组合地来应用。

还从DE 10 2008 033 211 A1中公知一种双极板，其中反应气体的通道以及在这些通道之间的隔片的宽度连续地变化。

发明内容

现在，本发明所基于的任务在于提供一种双极板和一种燃料电池堆，其中考虑反应气体通道中关于活跃区的长度的气体组成和质量流。

按照本发明，提供了一种用于燃料电池的双极板，所述双极板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为使得所述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，而且所述通道分别构造为敞开的槽形的通道结构。所述两个被压型的隔膜板重叠地布置，使得在相邻的侧面通过通道结构来使冷却剂通道成形。按照本发明的双极板的特点在于通道结构的如下构造方案：

- 用于一种反应气体或两种反应气体的通道在活跃区的入口区比在活跃区的其余分区具有更小的宽度，其中通道的宽度从入口区的开始直至入口区的结束连续增加。

- 处在通道之间的隔片在入口区比在活跃区的其余分区具有更大的宽度。

- 通道的宽度和隔片的宽度之和是恒定的。

- 通道的宽度和隔片的宽度在整个其余分区内都是恒定的。

通道宽度与隔片宽度之和是一个通道-隔片单元并且也被称作“通道节距（channel pitch）”。

通过双极板的按照本发明的设计方案，在燃料电池堆中使用该双极板时，在一种或多种反应气体的入口区进行对膜的被提高的润湿，有利地甚至在阴极气体的进入湿度低的情况下进行对膜的被提高的润湿。

为了实现该经优化的润湿，反应气体通道的宽度在气体进入到活跃区的区域与在其它活跃区中设置的那样相比被减小，而且因此在反应气体通道之间的隔片的宽度被提高，使得反应气体以及也包括产物水程度更小地经过GDL扩散，而且因此在膜与反应气体通道之间出现更高的湿度差。

根据一个优选的实施方式，入口区占据活跃区的5至30%、优选地活跃区的10至25%而特别优选地活跃区的20%，使得膜在活跃区的开始已经足够地润湿，而且同时避免了在活跃区的进一步延伸中过于强烈的润湿。

为了可以使润湿与相应的燃料电池系统最优地匹配，通道或隔片的宽度可以从入口区的开始直至入口区的结束连续或不连续增加地来设计。

不连续能被理解为：通道宽度在入口区小于在其余的活跃区，然而是恒定的，而且通道只有在进入到活跃区的其余区域中时才变宽。为了避免所述一种或多种反应气体在该位置的涡流，可以设置短的过渡区，该短的过渡区避免了通道中的阶梯。

双极板的按照本发明的设计方案可以有利地在金属或者石墨双极板中实现。

本发明可以优选地被用于控制阴极气体的润湿，然而也适合于控制阳极气体的湿度。同样，两种反应气体也可以同时关于润湿方面受到双极板的入口区的按照本发明的设计方案影响。

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。

通过双极板或双极板的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、对反应物以及膜的均匀的润湿以及相同的流速。借此，还有利地提高了燃料电池堆的功率和使用寿命。

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至少一个按照本发明的燃料电池堆的车辆。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。

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以示意图示出了根据现有技术的双极板的结构；

图2以图表示出了膜的相对湿度和在沿着双极板的活跃区的反应气体通道内的相对湿度相比于膜的最小湿度的变化过程；

图3以示意图示出了双极板的按照本发明的结构；

图4以图表示出了图3的双极板关于活跃区的隔片-通道比；

图5以图表示出了膜的相对湿度和在沿着图3的双极板的活跃区的反应气体通道内的相对湿度相比于膜的最小湿度的变化过程；

图6以示意性截面图示出了根据现有技术的金属双极板或者按照本发明的双极板在用于反应气体的通道的完整区域内的结构；

图7以图3的双极板的示意性截面图A-A和B-B示出了金属实施方式的结构；

图8以图表示出了不同的通道几何形状的电流-电压特性曲线；

图9以示意图示出了根据第二实施方式的双极板的按照本发明的结构；

图10以图表示出了图9的双极板关于活跃区的隔片-通道比；而

图11以图表示出了膜的相对湿度和在沿着图9的双极板的活跃区的反应气体通道内的相对湿度相比于膜的最小湿度的变化过程。

具体实施方式

在图1中示出了根据现有技术的双极板10。

双极板10具有两个被压型的隔膜板12、14，其中在俯视图中只能看到一个隔膜板12、14。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并且又将它们从该活跃区排出。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，所述单独的通道是敞开的槽形的结构，所述单独的通道中，仅仅用于反应气体的通道28通过加粗线象征性地示出。

此外，图1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。从通道28的当双极板10布置在未示出的燃料电池堆中时相邻于气体扩散层的侧面44，电池反应的产物水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。

反应气体中的水含量（曲线48a）和燃料电池的膜中的水含量（曲线48b）在图2中的图表中与膜关于活跃区16的长度l的所允许的最小湿度（曲线48）相对照。

从该图表中可见：在根据现有技术的双极板10的燃料电池中，水含量过低的反应气体进入到活跃区16中，也就是说水含量低于膜的所需的最小湿度。与此相应地，膜的实际水含量在活跃区16的开始对于反应气体的最优反应来说过低。在流经活跃区16的延伸中,反应气体不断吸收产物水46，使得反应气体和膜的水含量升高超过所需的最小湿度。

在图3中示出了用于按照本发明的、这里未示出的燃料电池堆的按照本发明来设计的双极板10。按照本发明的双极板10的结构对应于图1的双极板10的结构，按照本发明的区别在于：活跃区16被分成入口区34和其余分区36，反应气体在所述入口区流入到活跃区16中。用于反应气体的通道28在入口区34具有比在分区36更小的宽度B2，而处在通道28之间的隔片54具有更大的宽度B1。这在图5和7中进一步示出。

入口区34通过垂线与分区36以光学方式分界，该垂线在其它情况下没有技术含义。这相对应地适用于图9中的垂线。

在按照图4的图表中，以曲线49示出了隔片54的宽度B1与反应气体通道28的宽度B2的比例。在入口区34，该比例例如为2:1（附图标记49a），该比例随着进入到活跃区16的其余分区36中而降低到1:1（附图标记49b）。

像图2那样，图5以图表示出了在燃料电池的反应气体中的水含量（曲线48a）和在燃料电池的膜中的水含量（曲线48b）的变化过程以及示出了膜关于活跃区16的长度l的所允许的最小湿度（曲线48）。在入口区34，通过按照本发明的设计方案实现了膜的如下湿度，该湿度超过所需的最小湿度，使得在入口区已经可以进行经优化的电池反应。该湿度一直升高，直至入口区34结束，而且接着突然降低，直至所需的最小湿度。入口区34的延长会导致湿度的进一步升高，其中然而会起如下负面作用：反应气体流到和/或流经窄通道28会被阻碍。

图6和图7以截面图A-A和B-B示出了按照图3的双极板10，其中截面A-A位于入口区34而截面B-B位于活跃区16的其余分区36。在这些图示中，敞开的槽形的反应气体通道28、32相邻于GDL 50，膜52处在该GDL 50中。在图7、截面A-A中还绘制了通过冷却剂的通道30来构造的隔片54的宽度B1和反应气体通道28的宽度B2，所述宽度B1和宽度B2共同得到一个通道-隔片单元的宽度B3。

图8示出了局部电流-电压特性曲线的仿真结果，在假定不同的通道几何形状的情况下，也就是说窄隔片54与宽隔片54相比或根据窄或宽通道28以及在反应气体通道28中不一样地设定的相对湿度（60%与100%对比）的情况下。曲线示出了宽隔片54的相对湿度100%（56a）、窄隔片54的相对湿度100%（58a）、宽隔片54的相对湿度60%（56b）、窄隔片54的相对湿度60%（58b）。结果表明：虽然在湿度高的情况下窄隔片54有利（虚线），但是在湿度低的情况下宽隔片54可能导致功率更高（实线）。因而，活跃区16的按照本发明的如下设计方案是有利的，该设计方案在入口区34具有宽隔片54而在活跃区16的其余分区36具有更窄的隔片54。

在图9中示出了按照本发明来设计的根据第二实施方式的双极板10。不同于图3的实施方式，入口区34被设计为使得通道28的宽度B2从入口区34的开始直至其余分区36连续地增加并且接着保持其宽度B2。

在按照图10的图表中，以曲线49示出了隔片54的宽度B1与反应气体通道28的宽度B2的比例。在入口区34，该比例例如为2:1并且连续降低（附图标记49a），直至进入到活跃区16的其余分区36中而降低到1:1（附图标记49b）。

图11以图表示出了在燃料电池的反应气体中的水含量48a和在燃料电池的膜中的水含量48b的变化过程以及示出了膜关于活跃区16的长度l的所允许的最小湿度48。在入口区34，通过按照本发明的设计方案实现了膜的如下湿度，该湿度超过所需的最小湿度，使得在入口区已经可以进行经优化的电池反应。然而，湿度没有升高到反应气体流经窄通道28会被阻碍的程度。

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 入口区

36 分区

42 流动方向

44 侧面

46 产物水

48、48a、48b 曲线

49 通道-隔片比

49a、49b 在入口区和在分区的通道-隔片比

50、52 区域

54 隔片

56a 宽隔片湿度100%的曲线

58a 窄隔片湿度100%的曲线

56b 宽隔片湿度60%的曲线

58b 窄隔片湿度60%的曲线

l 长度

B1 隔片宽度

B2 通道宽度

B3 通道宽度加隔片宽度。

Claims

1.一种用于燃料电池的双极板（10），所述双极板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，而且所述通道分别构造为敞开的槽形的通道结构，其中所述两个被压型的隔膜板（12、14）重叠地布置为使得在相邻的侧面通过通道结构来使冷却剂通道（30）成形，其中

- 用于一种反应气体或两种反应气体的通道（28、32）在所述活跃区（16）的入口区（34）比在所述活跃区（16）的其余分区（36）具有更小的宽度（B2），其中所述通道（28、32）的宽度（B2）从所述入口区（34）的开始直至所述入口区（34）的结束连续增加，

- 处在所述通道（28、32）之间的隔片（54）在所述入口区（34）比在所述活跃区（16）的其余分区（36）具有更大的宽度（B1），

- 所述通道的宽度（B2）和所述隔片（54）的宽度（B1）之和是恒定的，其中所述隔片（54）的宽度（B1）与所述通道的宽度（B2）的比例在所述入口区（34）中为2:1并且连续降低，直至进入到所述其余分区（36）中降低到1:1，

- 所述通道（28、32）的宽度（B2）和所述隔片（54）的宽度（B1）在整个其余分区（36）内都是恒定的，而且

- 所述入口区（34）占据所述活跃区（16）的5-30%。

2.根据权利要求1所述的双极板（10），其特征在于，所述入口区（34）占据所述活跃区（16）的10-25%。

3.根据权利要求2所述的双极板（10），其特征在于，所述入口区（34）占据所述活跃区（16）的20%。

4.根据权利要求1至3之一所述的双极板（10），其特征在于，所述双极板（10）是金属或石墨的。

5.一种燃料电池堆，其具有根据权利要求1至4之一所述的双极板（10）。

6.一种燃料电池系统，其具有根据权利要求5所述的燃料电池堆。

7.一种车辆，其具有燃料电池系统，所述燃料电池系统具有根据权利要求5所述的燃料电池堆。