CN110121807A - 用于燃料电池的具有经改进的流动分布的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板(1)，双极板包括：具有孔图案(2)的波纹板(1a)，孔图案由至少一个第一孔排(2a)构成；以及第二板(1b)，第二板密封地布置在波纹板(1a)上，其中，波纹板(1a)由金属板材构成并且具有由上升波纹和下降波纹(3a、3b)构成的规则的波纹形状，其中，孔图案(2)还用于使气体基本横向于波纹形状地通过，其中，至少一个第一孔排(2a)在气体流动方向上具有在相应的上升波纹(3a)中的相应第一横截面开口(4a)，第一横截面开口大于至少一个第一孔排(2a)的在相应的下降波纹(3b)中的相应第二横截面开口(4b)。本发明还涉及具有至少一个这种双极板(1)的燃料电池。

Description

用于燃料电池的具有经改进的流动分布的双极板

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板。双极板是聚合物电解质膜燃料电池的主要部件并且将单个的电池串联成燃料电池堆。在这种情况下，电池由分别位于阴极侧和阳极侧上的双极板、气体扩散层和催化剂层构成，它们通过膜片电分离。双极板不仅在阳极侧上而且在阴极侧上具有气体分配场，气体分配场可不同地或相同地成型。气体分配场的目的是使气体均匀分配，从而实现在催化剂层中的均匀分布。在催化剂层中在反应气体参与的情况下进行反应。在这种情况下，在阴极的催化剂层中产生水，水由于低于100℃的温度也以液态存在。膜片是透水的，从而液态的水不仅会出现在阴极侧也会出现在阳极侧上。双极板除了引入气体之外也用于将产生的水从电池中排出。除此之外，必须确保好的电传导和热传导。

背景技术

DE 10 2007 009 905公开了一种燃料电池，该燃料电池通过膜电极组件的堆叠和在水平的堆叠方向中的双极板形成。膜电极组件包括一对电极和布置在电极之间的电解质膜。此外，双极板具有矩形形状，双极板的长侧在重力方向上延伸并且其短侧水平地在正交于堆叠方向的方向上延伸，其中，双极板具有气体分配场，从而沿着电极表面在重力方向上引导反应气体中的一种，其中，气体分配场在上侧位置包括在气体入口处的分配场且在下侧位置包括在气体出口处的分配场。用于将反应气体中的一种输送给气体分配场的反应气体输入通道和用于将反应气体中的一种从气体分配场输出的反应气体输出通道在堆叠方向上延伸穿过双极板。反应气体输出通道布置在分配场之下在气体出口处并且至少分配场在气体出口处朝反应气体输出通道倾斜。因此一方面形成使反应气体流过的通道，并且另一方面形成使气体扩散层以及催化剂层电接触和热接触的连接片。通常在连接片之下设有较冷的并且难以流过的区域，该区域在湿式的工作条件下导致在该区域中积水。这通常导致燃料电池的功率变差。

此外，DE 10 2015 207 397 A1公开了一种用于燃料电池的多孔的通道结构。该通道结构包括：具有多个接片部分的通道板，接片部分接触气体扩散层，从而在气体流动方向上形成波纹形的横截面；多个通道部分，通道部分接触平板，从而产生不透水性；以及通道开口，反应气体通过通道开口流动。如此冲压通道开口，使得通道开口包括至少多个接片部分中的一个接片部分或多个通道部分中的一个通道部分的一个区段。因此，通道板不是如在DE 10 2007 009 905 A1中沿着形成的通道流过，而是垂直于形成的通道流过。这通过以下方式实现，即，存在规则图案的孔，孔形成在垂直方向上的通道。在此实现了两个不同的流动路径。在平滑的板和孔板之间的流动路径和在孔板和气体扩散层之间的流动路径。通过图案产生在第一图案排和第二图案排之间的横向流动，从而更好地流过形成的接片区域并且可更好地排出水。

发明内容

本发明的目的是，改进用于燃料电池的双极板，其中，尤其改善双极板的气体流通。此外也可提高整个燃料电池的功率密度。

该目的的实现方案从独立权利要求1的特征中得到。本发明的有利改进方案和构造方式可由从属权利要求中得出。

根据本发明的用于燃料电池的双极板包括：具有孔图案的波纹板，其由至少一个第一孔排构成；以及第二板，第二板密封地布置在波纹板上，其中，波纹板由金属板材构成并且具有由上升波纹和下降波纹构成的规则波纹形状，其中，孔图案还用于使气体基本横向于波纹形状地通过，其中，至少一个第一孔排在气体的流动方向上具有在相应的上升波纹中的相应第一横截面开口，第一横截面开口大于该至少一个第一孔排的在相应的下降波纹中的相应第二横截面开口。

孔图案用于使气体基本横向于波纹形状地通过，其中，在此“基本横向于”理解为，在俯视图中看，气体在流动方向中垂直于波纹板的边缘地流入波纹板，并且在到达孔图案的孔的区域中，流入该孔，并且气体从看向波纹板的俯视图中垂直于相应的波峰延伸的线开始在-45°至+45°的角范围中传导。

孔排理解为多个凹口或孔彼此设置成排的布置方式。此外，横截面开口理解为波纹板中的凹口。换句话说，波纹板具有穿孔，其中，穿孔优选具有多个相邻的孔排。每个孔排包括多个横截面开口，其中，在流动方向上彼此交替地布置相应的第一横截面开口和相应的第二横截面开口。相应的第一横截面开口和第二横截面开口有利地彼此连接并且由此形成共同的凹口。横截面开口用于使气体通过，尤其用于使燃料气体或氧化剂通过。因此，双极板不仅可在阳极侧借助燃料气体工作而且可在阴极侧借助氧化剂工作。第二板密封地贴靠在波纹板上并且由此横向于波纹形状形成用于相应气体的流动路径。尤其多个孔排并排布置。

在波纹板的俯视图中，孔排尤其垂直于波纹的波峰伸延。但是孔排的走向相对于该垂线偏差直至α＝±45°是有利的。对此，孔排的取向显著影响向前流动的气体至下一波纹元件的流动方向。

由于相应的第二横截面开口相对于相应的第一横截面开口减小，气体流的第一部分通过波纹板的波纹形状朝气体扩散层转向并且因此朝催化剂转向。与此相对，气体流的第二部分通过相应的第二横截面开口朝下一波纹形状转向。由此引起气体扩散层和催化剂层与反应气体的更好混合并且实现了水从气体扩散层和催化剂层中朝气体分配场的方向的更好的水排出。由此实现了更加均匀的流密度分布和总体更好的功率。

根据优选的实施方式，孔图案具有至少一个第二孔排，至少一个第二孔排平行于第一孔排并且横向于波纹形状地构造。尤其多个交替的第一孔排和第二孔排并排地布置。

优选地，至少一个第二孔排在气体的流动方向上具有在相应的上升波纹中的相应的第一横截面开口，该第一横截面开口小于或大于至少一个第二孔排的在相应的下降波纹中的相应的第二横截面开口。相应的第一横截面开口和第二横截面开口有利地彼此连接并且由此形成共同的凹口。在此，基于压力比将气体的一部分从减小的横截面开口导向到增大的横截面开口，并且进而基于横向流动在该区域中实现了在气体扩散层中以及在催化剂层中的额外的气体混合。

根据另一优选的实施方式，孔图案具有至少一个第三孔排，至少一个第三孔排平行于第一孔排并且横向于波纹形状地构造。尤其多个交替的第一孔排、第二孔排和第三孔排并排地布置。

优选地，至少一个第三孔排在气体的流动方向上具有在相应的上升波纹和相应的下降波纹中的保持不变的横截面开口。因此，在相应的上升波纹中的横截面开口与在相应的下降波纹中的横截面开口相同。相应的第一横截面开口和第二横截面开口有利地彼此连接并且由此形成共同的凹口。

优选地，至少一个第三孔排的保持不变的横截面开口小于至少一个第一孔排和/或第二孔排的相应较大的横截面开口。由此通过在接片区域中的额外的横向流动再次提高了气体扩散层的流通。

本发明包括如下的技术教导，即，可通过对波纹板进行冲压制造相应的横截面开口，其中，相应的横截面开口的形状至少部分地构造成椭圆形和/或有角形状。可替代地，相应的横截面开口也能够以不同的方式被引入波纹板中，尤其通过激光切割。同样地，可首先对平板进行冲压，然后通过成形加工转变为波纹板。此外，该形状可为椭圆形或斜椭圆形、三角形或矩形、或由至少两个大小不同的矩形构成的形状。该形状也可呈多边形。

此外优选地，所有横截面开口在气体的流动方向上均以相同比例逐渐减小。尤其相应的横截面开口的宽度在气体的流动方向上以相同的比例逐渐减小。换句话说，位于一排的所有横截面开口在气体的流动方向上始终变得更小，由此流量率朝下游减小。尤其所有的横截面开口在气体的流动方向上如此以相同的比例逐渐减小，使得通过反应气体的损耗引起的流动速度的减小保持在恒定水平。由此确保流场在流动下游的部分中更均匀地混合气体和更好地排走水。

优选地，第二板构造成平的或波纹的，并且至少部分地贴靠在波纹板的波纹形状的区段、尤其平顶区段上，其位于一个平面中或分别位于一个平面中。平板是指宏观的平滑的没有波纹、隆起部或凹陷部的板。与此相对，第二板的波纹构造通过由上升波纹的和下降的波纹构成的规则波纹形状压制而得。第二板的波纹构造成平行于波纹板的波纹。第二板的波纹形状与第一板的波纹形状在波纹形状、波纹高度和波纹长度方面不同。由此在波纹板和第二板之间产生额外的朝向气体扩散层以及朝向催化剂层的方向的气体流动。波纹板上的贴靠第二板的区段总体提供了第二板在波纹板上的足够大的支承面，从而实现足够好的电接触。

本发明还涉及具有至少一个这种双极板的燃料电池。燃料电池包括多个电池，其中，每个电池包括分别位于阴极侧和阳极侧上的双极板、气体扩散层和催化剂层，它们通过膜片电分离。

附图说明

下面根据附图结合对本发明的优选实施例的描述进一步阐述改进本发明的其他措施，其中，相同的或相似的元件具有相同的附图标记。在此示出：

图1示出了燃料电池的多个电池中的一者的示意图，其中，该电池具有两个双极板，

图1a示出了根据第一实施例的双极板的波纹板的示意性俯视图，

图1b示出了根据图1a的波纹板的第一孔排的示意性剖视图，

图1c示出了根据图1a的波纹板的第二孔排的示意性剖视图，

图2a示出了根据图1a的波纹板的示意性立体图，

图2b示出了根据图2a的波纹板在气体流动方向上的示意性前视图，

图3a示出了根据第二实施例的双极板的波纹板的示意性俯视图，

图3b示出了根据图3a的波纹板的第一孔排的示意性剖视图，

图3c示出了根据图3a的波纹板的第二孔排的示意性剖视图，

图3d示出了根据图3a的波纹板的第三孔排的示意性剖视图，

图4a示出了根据图3a的波纹板的示意性立体图，

图4b示出了根据图4a的波纹板在气体流动方向上的示意性前视图，

图5a示出了根据第三实施例的双极板的波纹板的示意性俯视图，

图5b示出了根据图5a的波纹板的孔排的示意性剖视图，

图6a示出了根据图5a的波纹板的示意性立体图，

图6b示出了根据图6a的波纹板在气体流动方向上的示意性前视图，

图7a示出了另一波纹板的俯视图，以及

图7b示出了又一波纹板的俯视图。

具体实施方式

根据图1，此处未示出的燃料电池的电池8不仅在阳极侧9而且在阴极侧10分别包括：双极板1，双极板由包括孔图案2的波纹板1a和密封地布置在波纹板1a上的第二板1b构成；气体扩散层11；和催化剂层12。两个催化剂层12通过膜片13彼此电分离。在相应的双极板1上的孔图案2在阳极侧9设置用于使燃料气体穿过并且在阴极侧10设置用于使氧化剂穿过。借助根据本发明的双极板1实现了相应气体在相应的催化剂层12中的均匀分布。相应的第二板1b在此构造成平的并且至少部分地贴靠在波纹板1a的波纹形状的平顶区段7上，平顶区段处于一个平面中。在波纹板1a的相应相反侧上，相应的气体扩散层11贴靠在波纹板1a的波纹形状的平顶区段7上，平顶区段处于一个平面中。

图1a示出了具有孔图案2的双极板1的波纹板1a，孔图案2由第一孔排2a和第二孔排2b构成，第一孔排和第二孔排彼此交替地并排布置。为了简化，在此以及在下面的示意图中省略了双极板1的第二板1b的示意图。波纹板1a由金属板材构成并且具有由上升的和下降的波纹3a、3b构成的规则的波纹形状。孔图案2的孔排2a、2b设置成用于使气体通过(参见在波纹板1a的右边缘上的水平延伸的箭头)并且基本横向于波纹形状地构造。在这种情况下，气体沿在此在纸张平面中从右向左的流动方向流入波纹板1a。由此在俯视图中看，气体沿垂直于波纹3a、3b的波峰的流动方向流入波纹板1a。气体到达孔图案的孔的区域中，气体流向该孔并且在波纹板1a的俯视图中气体垂直于相应的波峰延伸的线在-45°至+45°的角范围中传导。

图1b示出了根据图1a的第一孔排2a的沿着剖切线A的剖视图，根据图1b，在气体流动方向上，在相应的上升波纹3a中的相应的第一横截面开口4a大于在相应的下降波纹3b中的相应第二横截面开口4b。

图1c示出了根据图1a的第二孔排2b的沿着剖切线B的剖视图，根据图1c，在气体流动方向上，在相应的上升波纹3a中的相应第一横截面开口5a大于在相应的下降波纹3b中的相应第二横截面开口5b。

第一气体流动路径a，如在图1b中所示，位于波纹板1a和在一侧贴靠的第二板1b之间。第二气体流动路径b，如在图1c中所示，位于波纹板1a和在另一侧贴靠的气体扩散层之间。通过使在气体流动方向上在相应的上升波纹3a中的相应第一横截面开口4a、5a大于在相应的下降波纹3b中的相应第二横截面开口4b、5b，分别实现了在朝向气体扩散层的方向上的气体流动，该气体流动用在图1b和图1c中的倾斜箭头c、d示出。

额外地，由于减小的横截面开口4b、5b，在波纹通道中实现了横向于波纹通道的流动。在这种情况下，不仅在邻接第二板1b的在图1a中借助实线的倾斜箭头示出的波纹通道中而且在邻接气体扩散层的在图1a中借助虚线的倾斜箭头示出的波纹通道中形成流动。由此一方面在该区域中产生经改进在气体扩散层中的气体混合并且改进了从气体扩散层中的水排出。

图2a示出了根据图1a的波纹板1a的立体示意图。由图2a特别清楚地看出波纹板1a的波纹形状。孔图案2在波纹形状中如此构造，使得相应的第一孔排2a的横截面开口4a、4b定位在波纹板1a的一侧上并且相应的第二孔排2b的横截面开口5a、5b定位在波纹板1a的另一侧上。由此实现两种不同的重复的气体通道，气体通道横向于波纹板1a的波纹形状地布置。孔图案2通过冲压波纹板1a而制成。波纹板1a不仅可在冲压之前而且也可在冲压之后进行成形加工。相应的横截面开口4a、4b、5a、5b的形状至少部分地构造成椭圆形。

图2b示出了在图2a中示出的波纹板1a在气体流动方向上的前视图。从该视图中可特别清楚地看出两个气体流动路径a、b，两个气体流动路径构造成彼此交替并排地横向于波纹形状。

图3a示出了双极板1的具有孔图案2的波纹板1a的另一实施方式，孔图案由彼此交替并排布置的第一孔排2a、第二孔排2b和第三孔排2c构成。为了简化，在此以及在下面的示意图中省略了双极板1的第二板1b的示图。波纹板1a由金属板材构成并且具有由上升的和下降的波纹3a、3b构成的规则的波纹形状。孔图案2的孔排2a、2b、2c设置成用于使气体通过并且基本横向于波纹形状地构造。

图3b示出了根据图3a的第一孔排2a的沿着剖切线A的剖视图，根据图3b，在气体流动方向上，在相应的上升波纹3a中的相应的第一横截面开口4a大于在相应的下降波纹3b中的相应第二横截面开口4b。

图3c示出了根据图3a的第二孔排2b的沿着剖切线B的剖视图，根据图3c，在气体的流动方向上，在相应的上升波纹3a中的相应第一横截面开口5a小于在相应的下降波纹3b中的相应第二横截面开口5b。

图3d示出了根据图3a的第三孔排2c的沿着剖切线C的剖视图，根据图3d，在气体流动方向上，相应的横截面开口6相同地构造。

气体流动路径a，如在图3b和3c中所示，位于波纹板1a和在一侧贴靠的第二板1b之间。根据图3b，第一孔排2a的相应的横截面开口4a、4b产生额外的在朝向气体扩散层的方向上的气体流动路径c。此外，根据图3c，第二孔排2b的相应的横截面开口5a、5b产生额外的来自气体扩散层的气体流动路径d。第一孔排2a和第二孔排2b在流动方向上相对彼此错开地布置，并且由此使得气体能够额外地横向地沿着波纹形状流动。这在图3a中通过虚线的倾斜箭头示出。由此，在该区域中改进了在气体扩散层中气体混合。第三孔排2c的横截面开口6小于第一孔排2a和第二孔排2b的相应的较大的横截面开口4a、5b。第三孔排2c布置在波纹板1a的朝向气体扩散层的方向的平顶区段7上。由此在该区域中实现了额外的底流，底流不仅提高了在气体扩散层中的气体混合，而且促进从气体扩散层中的水排出。在图3d中借助虚线箭头示出额外的气体流动路径。

图4a示出了根据图3a的波纹板1a的立体图。从图4a中可特别清楚地看出波纹板1a的波纹形状。孔图案2在波纹形状中如此构造，使得相应的第一孔排2a和第二孔排2b的横截面开口4a、4b、5a、5b定位在波纹板1a的一侧上并且相应的第三孔排2c的横截面开口6定位在波纹板1a的另一侧上。孔图案2通过冲压波纹板1a而制成。第一孔排2a和第二孔排2b的横截面开口4a、4b、5a、5b的形状由两个矩形组成，其中，第三孔排2c的横截面开口6的形状由一个矩形构成。

图4b示出了在图2a中示出的波纹板1a在气体流动方向上的前视图。从该视图中可特别清楚看出气体流动路径a。

图5a示出了双极板1的具有孔图案2的波纹板1a，孔图案由多个相同构造的孔排2a构成，孔排构造成横向于由上升的和下降的波纹3a、3b构成的规则的波纹形状。为了简化，在此以及在下面的示意图中省略了双极板1的第二板1b的示图。波纹板1a由金属板材构成。孔图案2设置成用于使气体通过。相应的孔排2a的所有横截面开口4a、4b在气体流动方向上以相同的比例逐渐减小。在此，横截面开口4a、4b的宽度减小。由此尤其关注在催化剂层上的反应物消耗。为了使从双极板1的入口直至出口的流动速度保持近似相等，在波纹形状中引入的横截面开口4a、4b根据产生的气流减小而减小。由于该调节，通过反应气体的消耗反作用于流动速度的减小。同时在流动长度上的压力损失提升。

图5b示出了沿着根据图5a的孔排2a的剖视示意图，根据图5b，在气体流动方向上，在相应的上升波纹3a中的相应的第一横截面开口4a大于在相应的下降波纹3b中的相应的第二横截面开口4b。第一气体流动路径a，如在图5b中所示，位于波纹板1a和在一侧贴靠的第二板1b之间。根据图5b，相应的横截面开口4a、4b产生额外的朝气体扩散层的气体流动路径。在图5b中借助虚线箭头c示出了额外的气体流动路径。

图6a示出了根据图5a的波纹板1a的立体图。从图6a中可特别清楚地看出波纹板1a的波纹形状。孔图案2在波纹形状中如此构造，使得所有横截面开口4a、4b定位在波纹板1a的一侧上。孔图案2通过冲压波纹板1而制成。横截面开口4a、4b的形状由两个矩形组成。

图6b示出了在图6a中所示的波纹板1a在气体流动方向上的前视图。从该视图中可特别清楚地看出气体流动路径a。

图7a示出了波纹板1a的俯视图，在波纹板中有多个孔排2a、2b。气体沿流动方向上流向波纹板1a，流动方向遵循垂直于波峰30的线14。在每个孔的区域中，气体分散在-45°至+45°的角范围中。

图7b示出了波纹板1a的俯视图，在该波纹板中每个孔排2a’、2b’相对于垂直于波峰30的线14以45°的角α伸延。气体随着线14流入波纹板1a并且重新在任一孔处被分散。

本发明不限于前述实施例。可替代地，图1中的第二板1b也可构造成波纹式。此外，横截面开口4a、4b、5a、5b、6也可具有其他形状。同样地，孔图案2可具有另外的孔排和/或该另外的孔排在不同的角α中伸延。

附图标记列表

1 双极板

1a 波纹板

1b 第二板

2 孔图案

2a、2a’ 第一孔排

2b、2b’ 第二孔排

2c 第三孔排

3a 上升波纹

3b 下降波纹

4a 第一横截面开口

4b 第二横截面开口

5a 第一横截面开口

5b 第二横截面开口

6 相同的横截面开口

7 平顶区段

8 电芯

9 阳极侧

10 阴极侧

11 气体扩散层

12 催化剂层

13 膜片

14 线

30 波峰

A 沿着第一孔排的剖切线

B 沿着第二孔排的剖切线

C 沿着第三孔排的剖切线

α 角

a 第一气体流动路径

b 第二气体流动路径

c、d 额外的气体流动路径

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的双极板(1)，所述双极板包括波纹板(1a)以及第二板(1b)，所述波纹板具有孔图案(2)，所述孔图案由至少一个第一孔排(2a)构成，所述第二板密封地布置在所述波纹板(1a)上，其中，所述波纹板(1a)由金属板材构成并且具有由上升波纹和下降波纹(3a、3b)构成的规则的波纹形状，其中，所述孔图案(2)还用于使气体基本横向于所述波纹形状地通过，

其特征在于，所述至少一个第一孔排(2a)在所述气体的流动方向上具有在相应的上升波纹(3a)中的相应第一横截面开口(4a)，所述第一横截面开口大于所述至少一个第一孔排(2a)的在相应的下降波纹(3b)中的相应第二横截面开口(4b)。

2.根据权利要求1所述的双极板(1)，其特征在于，所述孔图案(2)具有至少一个第二孔排(2b)，所述至少一个第二孔排平行于所述第一孔排(2a)并且横向于所述波纹形状地构造。

3.根据权利要求2所述的双极板(1)，其特征在于，所述至少一个第二孔排(2b)在所述气体的流动方向上具有在相应的上升波纹(3a)中的相应的第一横截面开口(5a)，所述第一横截面开口小于或大于所述至少一个第二孔排(2b)的在相应的下降波纹(3b)中的相应的第二横截面开口(5b)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，所述孔图案(2)具有至少一个第三孔排(2c)，所述至少一个第三孔排平行于所述第一孔排(2a)并且横向于所述波纹形状地构造。

5.根据权利要求4所述的双极板(1)，其特征在于，所述至少一个第三孔排(2c)在所述气体的流动方向上具有在相应的上升波纹和相应的下降波纹(3a、3b)中的保持不变的横截面开口(6)。

6.根据权利要求5所述的双极板(1)，其特征在于，所述至少一个第三孔排(2c)的保持不变的横截面开口(6)小于所述至少一个第一孔排和/或第二孔排(2a、2b)的相应较大的横截面开口(4a、5b)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，能通过对所述波纹板(1a)进行冲压制造相应的横截面开口(4a、4b、5a、5b、6)，其中，所述相应的横截面开口(4a、4b、5a、5b、6)的形状至少部分地构造成椭圆形和/或有角形状。

8.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，所有横截面开口(4a、4b、5a、5b、6)在所述气体的流动方向上均以相同比例逐渐减小。

9.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，所述第二板(1b)构造成平的或波纹的，并且至少部分地贴靠在所述波纹板(1a)的波纹形状的区段、尤其平顶区段(7)上。

10.一种燃料电池，所述燃料电池具有根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)。