CN110114924A - 用于燃料电池的双极板和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(2)的双极板(40)，双极板包括：第一分配结构(50)，其具有第一分配区域(150)以将燃料分配给第一电极(21)；第二分配结构(60)，其具有第二分配区域(160)以将氧化剂分配给第二电极(22)；和布置在第一分配结构(50)和第二分配结构(60)之间的第三分配结构(70)，第三分配结构具有第三分配区域(170)以引导冷却剂通过，其中，第三分配区域(170)通过流体密封的第一内分离层(85)与第一分配区域(150)分离并且通过流体密封的第二内分离层(86)与第二分配区域(160)分离。第三分配区域(170)在此由柱(75)穿过，柱从第一内分离层(85)延伸直至第二内分离层(86)。本发明也涉及一种燃料电池，其包括至少一个膜电极单元和至少一个根据本发明的双极板(40)，膜电极单元具有通过膜彼此分离的第一电极和第二电极。

Description

用于燃料电池的双极板和燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括：第一分配结构，该第一分配结构具有第一分配区域以将燃料分配给第一电极；第二分配结构，该第二分配结构具有第二分配区域以将氧化剂分配给第二电极；第三分配结构，该第三分配结构布置在第一分配结构和第二分配结构之间，该第三分配结构具有第三分配区域以引导冷却剂通过，其中，第三分配区域通过流体密封的第一内分离层与第一分配区域分离并且通过流体密封的第二内分离层与第二分配区域分离。本发明也涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括至少一个根据本发明的双极板。
背景技术
燃料电池是将连续供给的燃料和氧化剂的化学反应能转换成电能的原电池。因此，燃料电池是电化学的能量转换器。在已知的燃料电池的情况下，将氢气(H2)和氧气(O2)尤其转换成水(H2O)、电能和热。
此外，已知质子交换膜(Proton-Exchange-Membran＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有中心地布置的膜，该膜对于质子、即氢离子是可通过的。由此，氧化剂、尤其空气中的氧气与燃料、尤其氢气在空间上分离。
此外，质子交换膜燃料电池包括阳极和阴极。燃料被供给给燃料电池的阳极并且在释放电子变成质子的情况下被催化地氧化。质子穿过膜到达阴极。所释放的电子从燃料电池导出并且通过外部的电路回路流到阴极。
氧化剂被供给给燃料电池的阴极，并且该氧化剂通过接收来自外部的电流回路的电子和已经通过膜到达阴极的质子反应成水。将如此产生的水从燃料电池中导出。总反应是：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间施加电压。为了提高电压，多个燃料电池可以机械地相继地布置成燃料电池堆叠并且电串联地连接。
为了将燃料均匀地分配给阳极以及为了将氧化剂均匀地分配给阴极，设置气体分配器板，所述气体分配器板也称为双极板。双极板具有例如通道状的结构以将燃料以及氧化剂分配给电极。此外，通道状的结构用于将在反应时所产生的水导出。此外，双极板可以具有用于将冷却液引导穿过燃料电池以排出热的结构。
也已知如下的双极板：所述双极板具有用于将燃料分配给阳极以及将氧化剂分配给阴极的分配结构，所述分配结构具有多孔的泡沫。在此，泡沫具有这样的孔隙度使得所供给的反应气体以及在反应时所产生的水可以流过。
由DE 10 2013 223 776 A1也已知一种用于燃料电池堆叠的双极板。该双极板具有分配结构，该分配结构由金属的泡沫制成并且该分配结构用于将反应气体导入到燃料电池堆叠中以及用于导出在反应时所产生的水。此外，双极板具有分配结构，该分配结构由金属的泡沫制成并且用于引导冷却液体通过。
发明内容
提供一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括：第一分配结构，该第一分配结构具有第一分配区域以将燃料分配给第一电极；第二分配结构，该第二分配结构具有第二分配区域以将氧化剂分配给第二电极；第三分配结构，该第三分配结构布置在第一分配结构和第二分配结构之间，该第三分配结构具有第三分配区域以引导冷却剂通过。在此，第三分配区域通过流体密封的第一内分离层与第一分配区域分离并且通过流体密封的第二内分离层与第二分配区域分离。
在此，“流体密封”可以理解如下：所述内分离层对于供给给燃料电池的气态的燃料、供给给燃料电池的气态的氧化剂以及对于从燃料电池导出的水是不可通过的。内分离层尤其对于冷却剂也是不可通过的。
根据本发明，第三分配区域由一些柱穿过(durchsetzen)，这些柱从第一内分离层延伸直至第二内分离层。这些柱如此布置在第三分配区域中，使得冷却剂可以从第一分配结构和第二分配结构最佳地吸收热。这些柱可以具有任意的横截面，例如圆形、椭圆形、液滴状、三角形或多边形。这些柱可以对称地布置以及也可以非对称地布置。
优选地，双极板长方体形地构造，并且双极板的盖面和相对置的底面流体可通过地构造。在此，第一分配区域邻接底面，并且第二分配区域邻接盖面。燃料可以通过流体可通过的底面到达第一电极。氧化剂可以通过流体可通过的盖面到达第二电极。
根据本发明的一种有利的构型，第一分配结构和第二分配结构分别由多孔的泡沫构成，其中，流体密封的第一内分离层与第一分配结构的多孔的泡沫一体地构造，并且流体密封的第二内分离层与第二分配结构的多孔的泡沫一体地构造。
这种泡沫可以例如通过熔融金属冶金制造工艺来制造。在此，首先多孔的成型体制造为由例如聚氨酯或类似的材料构成的占位件(Platzhalter)。该占位件如此构造，使得在其内部产生敞开多孔的空间，并且一些侧完全没有占位件材料。此外，通过两个空余的空间来划分敞开多孔的内部空间。端区域也由部分空余的空间构成，从而以后可以产生用于密封介质所需的分离壁。然后成型体以液态的浇铸料(Vergussmasse)包围。液态的浇铸料例如涉及金属熔融。在此，浇铸料渗入敞开多孔的空间中或成型体的空余的端空间、内部空间和侧空间中并且在固化后形成敞开多孔的泡沫或流体密封的分离层，所述分离层是10至100μm厚。然后，通过冲洗或烧掉来移除占位件材料。
如果由于泡沫的制造工艺所有面都由流体密封的分离层封闭，那么随后在底面以及盖面上移除该分离层。
根据本发明的一种有利的构型，第一分配结构和/或第二分配结构的多孔的泡沫不均匀地构造并且具有变化的孔隙度。在此，“孔隙度”可以理解为空心空间体积相对于多孔的泡沫的总体积的比例。因此，孔隙度越大，泡沫中存在越多和越大的空心空间。
优选地，第一分配结构的多孔的泡沫在底面附近的孔隙度小于在第一内分离层附近的孔隙度。同样地，第二分配结构的多孔的泡沫在盖面附近的孔隙度小于在第二内分离层附近的孔隙度。
有利地，双极板的两个相对置的侧面分别完全由流体密封的外分离层构成，所述流体密封的外分离层与多孔的泡沫一体地构造。同样，双极板的两个相对置的端面有利地分别完全由流体密封的外分离层构成，所述流体密封的外分离层与多孔的泡沫一体地构造。
但是也可以设想：流体可通过的区域——通过该区域燃料到达第一电极以及氧化剂到达第二电极——至少部分地布置在侧面以及端面上。
优选地，第一分配结构的多孔的泡沫和第二分配结构的多孔的泡沫由金属材料制成。因此，分配结构能导电。
根据本发明的一种有利的扩展方案，第一内分离层和/或第二内分离层波浪状地构造。
因此，第一内分离层和/或第二内分离层不是平面式地或平整地构造，而是具有至双极板的盖面以及底面的变化的间距。
第三分配区域中的柱例如可以由多孔的材料制成。这些柱尤其可以由多孔的泡沫构成，类似于第一分配结构和第二分配结构。
但是第三分配区域中的柱也可以由实心的材料制成并且因此不具有孔隙度。
也提出一种如下的燃料电池：该燃料电池包括至少一个膜电极单元和至少一个根据本发明的双极板，所述至少一个膜电极单元具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极通过膜彼此分离。燃料电池如此构造，使得双极板分别在两侧连接到膜电极单元。
本发明的优点
在根据本发明的双极板中，确保在第三分配结构中的冷却剂处最佳的散热。通过第三分配结构中的第三分配区域的根据本发明的构型得出冷却剂在流过第三分配区域时最小的压力损失。由此，对冷却剂泵的要求、尤其对冷却剂泵的功率的要求下降，该冷却剂泵将冷却剂泵送通过双极板。由于用于分配燃料以及氧化剂的不均匀地构造的分配结构，这些分配结构可以共同地承担气体扩散层的功能。因此不需要分离的气体扩散层。双极板也具有突出的导电能力和导热能力。借助根据本发明的双极板，燃料以及氧化剂的分配和通过反应所产生的水的运走是最佳的。此外，双极板以及燃料电池堆叠的制造成本相对较低。
附图说明
根据附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施方式。附图示出：
图1示出具有多个燃料电池的燃料电池堆叠的示意图；
图2示出图1中的燃料电池堆叠的双极板的截面图；
图3示出图2中的双极板的截面；
图4示出第一分配结构的截面的放大图；
图5示出第二分配结构的截面的放大图；
图6示出根据修改的实施方式的图1中的燃料电池堆叠的双极板的截面图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的以下描述中，相同的附图标记表示相同或相似的元件，其中，在个别情况下省略这些元件的重复描述。附图仅示意性地说明本发明的主题。
图1示出一种具有多个燃料电池2的燃料电池堆叠5的示意图。每个燃料电池2具有膜电极单元10，该膜电极单元包括第一电极21、第二电极22和膜18。两个电极21、22布置在膜18的彼此相对置的侧上并且因此通过膜18彼此分离。第一电极21以下也称为阳极21而第二电极22以下也称为阴极22。膜18构造为聚合物电解质膜。膜18对于氢离子、即H+离子是可通过的。
此外，每个燃料电池2具有两个双极板40，所述两个双极板在两侧连接到膜电极单元10。在这里示出的燃料电池堆叠5中的多个燃料电池2的布置的情况下，双极板40中的每个可以看作属于两个彼此相邻地布置的燃料电池2。
双极板40分别包括一个用于分配燃料的第一分配结构50，该第一分配结构面向阳极21。双极板40也分别包括一个用于分配氧化剂的第二分配结构60，该第二分配结构面向阴极22。第二分配结构60同时用于导出在燃料电池2中的反应时产生的水。
此外，双极板40包括布置在第一分配结构50和第二分配结构60之间的第三分配结构70。第三分配结构70用于引导冷却剂通过双极板40并且因此用于冷却燃料电池2和燃料电池堆叠5。
第一分配结构50和第三分配结构70通过第一内分离层85彼此分离。第二分配结构60和第三分配结构70通过第二内分离层86彼此分离。双极板40的内分离层85、86流体密封地构造。
在燃料电池2的运行中，燃料通过第一分配结构50被引导至阳极21。同样地，氧化剂通过第二分配结构60被引导至阴极22。燃料——当前为氢气——在阳极21处在释放电子成质子的情况下被催化地氧化。质子通过膜18到达阴极22。所释放的电子通过分配结构50、70、60流至相邻的燃料电池2的阴极22，或者从处在一个边缘处的燃料电池2的阳极21通过外部的电流回路流至处在另一边缘处的燃料电池2的阴极22。氧化剂——当前为空气中的氧气——通过接收如此引导的电子和通过膜18已到达阴极22的质子反应成水。
图2示出图1中的燃料电池堆叠5的双极板40的截面图。双极板40由第一供给通道151、第二供给通道161和第三供给通道171贯通(durchbrechen)。双极板40也由第一排出通道152、第二排出通道162和第三排出通道172贯通。在所示出的示图中，第一分配结构50穿过第一供给通道151和第一排出通道152进行剖视，第二分配结构60穿过第二供给通道161和第二排出通道162进行剖视，而第三分配结构70穿过第三供给通道171和第三排出通道172进行剖视。
第一分配结构50由金属材料制成的多孔的泡沫80构成。第一分配结构50具有处在中心的第一分配区域150以将燃料分配给阳极21。第一分配区域150与第一供给通道151和第一排出通道152连接。流体密封的第一内分离层85与第一分配结构50的多孔的泡沫80一体地构造。
第二分配结构60由金属材料制成的多孔的泡沫80构成。第二分配结构60具有处在中心的第二分配区域160以将氧化剂分配给阴极22。第二分配区域160与第二供给通道161和第二排出通道162连接。流体密封的第二内分离层86与第二分配结构60的多孔的泡沫80一体地构造。
第三分配结构70具有处在中心的第三分配区域170以引导冷却剂通过。第三分配区域170与第三供给通道171和第三排出通道172连接。第三分配区域170基本上空心地构造。第三分配区域170由多个柱75穿过，这些柱从第一内分离层85延伸直至第二内分离层86。这些柱75在此由实心的材料、尤其由金属制成。这些柱也可以由多孔的材料、例如由泡沫80制成。
双极板40长方体形地构造并且具有盖面42、相对置的底面43、第一端面47、相对置的第二端面48、在此不可见的第一侧面45和在此不可见的相对置的第二侧面46。盖面42和底面43彼此平行地延伸并且在此也与内分离层85、86平行地延伸。盖面42和底面43相对于端面47、48呈直角地延伸并且相对于侧面45、46呈直角地延伸。端面47、48相对于侧面45、46呈直角地延伸。
第一分配区域150邻接底面43，该底面流体可通过地构造。第一供给通道151用于导入燃料。第一排出通道152用于导出不需要的燃料。燃料在第一流动方向51上通过第一供给通道151流入第一分配区域150中。燃料的一部分从那里通过底面43流至在此未示出的阳极21。燃料的另一部分通过第一排出通道152从第一分配结构50流出。
第二分配区域160邻接盖面42，该盖面流体可通过地构造。第二供给通道161用于导入氧化剂。第二排出通道162用于导出不需要的氧化剂。氧化剂在第二流动方向61上通过第二供给通道161流入第二分配区域160中。氧化剂的一部分从那里通过盖面42流至在此未示出的阴极22。氧化剂的另一部分通过第二排出通道162从第二分配结构60流出。
第三供给通道171用于导入冷却剂。第三排出通道172用于导出冷却剂。冷却剂在第三流动方向71上通过第三供给通道171流入第三分配区域170中并且通过第三排出通道172从第三分配结构70流出。
双极板40具有安装接头167、168，所述安装接头从第二分配结构60突出并且在此空心柱状地构造。第一安装接头从第一供给通道151突出，第二安装接头从第一排出通道152突出，第三安装接头167从第二供给通道161突出，第四安装接头168从第二排出通道162突出，第五安装接头从第三供给通道171突出并且第六安装接头从第三排出通道172突出。在这里所示的示图中，仅可以看出第三安装接头167和第四安装接头168。在安装好的燃料电池堆叠5的情况下，安装接头167、168突入到供给通道151、161、171中并且突入到相邻的双极板40的排出通道152、162、172中。
图3示出双极板40、尤其第三分配结构70沿着图2中的截面线A-A的截面。第三分配结构70在供给通道151、161、171和排出通道152、162、172附近具有由多孔的泡沫80构成的区域。
供给通道151、161、171通过流体密封的分离壁88彼此分离，所述分离壁与多孔的泡沫80一体地构造。排出通道152、162、172也通过流体密封的分离壁88彼此分离，所述分离壁与多孔的泡沫80一体地构造。侧面45、46和端面47、48分别完全由流体密封的外分离层82构成。在此，侧面45、46和端面47、48的外分离层82与多孔的泡沫80一体地构造。内分离层85、86过渡到外分离层82中。分离壁88过渡到内分离层85、86中并且过渡到外分离层82中。
第一排出通道152如此布置，使得关于第一供给通道151能够实现燃料的最佳流动。第一供给通道151和第一排出通道152例如布置在第一分配结构50的对角线地相对置的角处。第二排出通道162如此布置，使得关于第二供给通道161能够实现氧化剂的最佳流动。第二供给通道161和第二排出通道162例如布置在第二分配结构60的对角线地相对置的角处。
图4示出第一分配结构50的截面的放大图。第一分配结构50的多孔的泡沫80不均匀地构造并且具有变化的孔隙度。与在第一内分离层85附近相比，多孔的泡沫80的孔隙度在底面43附近更小。
图5示出第二分配结构60的截面的放大图。第二分配结构60的多孔的泡沫80不均匀地构造并且具有变化的孔隙度。第二分配结构60的多孔的泡沫80在盖面42附近的孔隙度小于在第二内分离层86附近的孔隙度。
图6示出根据修改的实施方式的图1中的燃料电池堆叠的双极板40的截面图。在此示出的根据修改的实施方式的双极板40在很大程度上相应于图2中示出的双极板40。以下仅详细研究区别。
在此，第二内分离层86不是平面式地或平整地而是波浪状地构造。因此，第二内分离层86具有沿着第三分配区域170变化的至双极板40的盖面42和底面43的间距。第一内分离层85在此平面式地构造，但同样可以波浪状地构造。
通过内分离层85、86的相应的构型可以影响第一分配区域150中的燃料的流动以及第二分配区域160中的氧化剂的流动。
本发明不限于在此描述的实施例和其中强调的方面。而是在通过权利要求说明的范围内可以进行多种修改，所述修改处在本领域技术人员处理的范围内。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池(2)的双极板(40)，所述双极板包括：第一分配结构(50)，所述第一分配结构具有第一分配区域(150)以将燃料分配给第一电极(21)；第二分配结构(60)，所述第二分配结构具有第二分配区域(160)以将氧化剂分配给第二电极(22)；第三分配结构(70)，所述第三分配结构布置在所述第一分配结构(50)和所述第二分配结构(60)之间，所述第三分配结构具有第三分配区域(170)以引导冷却剂通过，其中，所述第三分配区域(170)通过流体密封的第一内分离层(85)与所述第一分配区域(150)分离并且通过流体密封的第二内分离层(86)与所述第二分配区域(160)分离，其特征在于，所述第三分配区域(170)由柱(75)穿过，所述柱从所述第一内分离层(85)延伸直至所述第二内分离层(86)。
2.根据权利要求1所述的双极板(40)，其特征在于，所述双极板(40)长方体形地构造，并且所述双极板(40)的盖面(42)和相对置的底面(43)流体可通过地构造，其中，所述第一分配区域(150)邻接所述底面(43)，并且所述第二分配区域(160)邻接所述盖面(42)。
3.根据权利要求2所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)和所述第二分配结构(60)分别由多孔的泡沫(80)构成，其中，所述流体密封的第一内分离层(85)与所述第一分配结构(50)的多孔的泡沫(80)一体地构造，并且所述流体密封的第二内分离层(86)与所述第二分配结构(60)的多孔的泡沫(80)一体地构造。
4.根据权利要求3所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)和/或所述第二分配结构(60)的多孔的泡沫(80)不均匀地构造并且具有变化的孔隙度。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)的多孔的泡沫(80)在所述底面(43)附近的孔隙度小于在所述第一内分离层(85)附近的孔隙度，和/或所述第二分配结构(60)的多孔的泡沫(80)在所述盖面(42)附近的孔隙度小于在所述第二内分离层(86)附近的孔隙度。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述双极板(40)的两个相对置的侧面(45，46)分别完全由流体密封的外分离层(82)构成，所述流体密封的外分离层与所述多孔的泡沫(80)一体地构造，和/或所述双极板(40)的两个相对置的端面(47，48)分别完全由流体密封的外分离层(82)构成，所述流体密封的外分离层与所述多孔的泡沫(80)一体地构造。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)的多孔的泡沫(80)和/或所述第二分配结构(60)的多孔的泡沫(80)由金属材料制成。
8.根据以上权利要求中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一内分离层(85)和/或所述第二内分离层(86)波浪状地构造。
9.根据以上权利要求中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述柱(75)由多孔的材料制成。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述柱(75)由实心的材料制成。
11.一种燃料电池(2)，所述燃料电池包括至少一个膜电极单元(10)和至少一个根据以上权利要求中任一项所述的双极板(40)，所述膜电极单元具有第一电极(21)和第二电极(22)，所述第一电极和第二电极通过膜(18)彼此分离。
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