CN110140246A - 用于燃料电池的气体分配器板和燃料电池 - Google Patents

用于燃料电池的气体分配器板和燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的气体分配器板，包括：用于将燃料分配到第一电极上的第一分配结构和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配结构(60)。在此，在所述分配结构(60)的至少一个分配结构中设置有至少一个线材元件(80)。本发明还涉及一种燃料电池，包括至少一个具有第一电极和第二电极的膜‑电极单元，所述第一电极和第二电极被膜分隔开；和包括至少一个根据本发明的气体分配器板。

Description

用于燃料电池的气体分配器板和燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的气体分配器板，该气体分配器板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配结构和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配结构。本发明也涉及燃料电池，该燃料电池包括至少一个根据本发明的气体分配器板。
背景技术
燃料电池是一种原电池，该原电池将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。即燃料电池是电化学的能量转换器。在已知的燃料电池中，尤其氢气(H2)和氧气(O2)转换为水(H2O)、电能和热。
电解装置是一种电化学能量转换器，该电化学能量转换器借助电能将水(H2O)分解为氢气(H2)和氧气(O2)。
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在中央布置的膜，该膜对于质子、即氢离子是可透过的。氧化剂、尤其空气中的氧气由此在空间上与燃料、尤其氢气分隔开。
此外，质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料被供应到燃料电池的阳极处并且通过催化在释放电子的情况下被氧化成质子。所述质子穿过膜到达阴极。被释放的电子从燃料电池被导出并且经由外部电路流到阴极。
氧化剂被供应到燃料电池的阴极处，并且通过接收来自外部电路的质子和穿过膜到达阴极的电子反应成水。这样形成的水从燃料电池被导出。总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间施加有电压。为了提高电压，多个燃料电池可以机械式地彼此相叠地布置成燃料电池堆并且以串联方式电连接。
为了将燃料均匀地分配到阳极处以及将氧化剂均匀地分配到阴极处设置有也被称为双极板的气体分配器板。该气体分配器板例如具有通道状的结构，用于将燃料以及氧化剂分配到电极处。此外，该通道状的结构还用于导出在反应时形成的水。此外，气体分配器板还可以具有用于引导冷却液穿过燃料电池来导出热的结构。
由DE 10 2012 221 730 A1已知一种具有此类气体分配器板的燃料电池，所述气体分配器板由两个板面构造。在此，所述两个板面中的每个板面都具有分配结构，该分配结构设置为用于分配反应气体。
由DE 10 2014 207 594 A1也已知一种用于燃料电池的气体分配器板。所述气体分配器板在此具有回曲形的通道，该通道例如构造为槽。在此，该回曲形的通道用于将氢气或者氧气导入到燃料电池中。
发明内容
本发明提出一种用于燃料电池的气体分配器板，该气体分配器板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配结构和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配结构。然而，该气体分配器板也可以被用于其它电化学能量转换器中，例如电解装置中。
在此，根据本发明在分配结构中设置至少一个线材元件。通过线材元件的适合的布置能够有针对性地在分配结构中构造通道。由此可以影响分配结构的通流。
在此优选地，在第二分配结构中设置至少一个线材元件，该第二分配结构用于将氧化剂分配到第二电极上以及用于导出在反应时形成的水。然而，替代地或附加地，至少一个线材元件也可以设置在用于将燃料分配到第一电极上的第一分配结构中。
根据本发明的一个有利构型，线材元件具有圆的、即圆形的横截面。由此能够相对成本低地且简单地制造线材元件。然而也可以考虑线材元件的其它横截面形状。线材元件例如也可以具有椭圆形的、三角形的、四角形的、五角形的、六角形的或多边形的横截面。
优选地，线材元件由金属材料制成。因此，线材元件是能够导电的并且能够引导在电化学反应时在燃料电池中释放的电子。例如耐腐蚀的金属如铜、铝、银、金以及不锈钢适合作为用于线材元件的可能的材料。然而，也可以考虑其它的、优选能够导电的材料如石墨或者普通钢。
根据本发明的一个有利的扩展方式，线材元件具有纳米结构化的和/或微米结构化的表面。该纳米结构化的和/或微米结构化的表面影响线材元件被水的湿润。因此，线材元件可以含有或者亲水性的或者疏水性的特性。这可以根据所希望的工艺条件改善或减缓水去除。纳米结构化或微米结构化能够以不同的常用方法实现，其中，该可以在制造线材元件时已经实现。作为示例提及以下方法：电化学的(例如三维铜结构或金属结构的电化学分离)、等离子蚀刻、CVD、PVD、机械式粗糙化、平版印刷、基于激光的方法(例如借助飞秒激光脉冲使金属材料结构化)。
为了保护线材元件免受腐蚀，尤其当线材元件由非贵重金属例如钢制造时，线材元件可以有利地设有外皮。该外皮尤其含有塑料或者说聚合物。尽管线材元件的外皮是电绝缘的，为了保证对于在电化学反应时在燃料电池中释放的电子的导电性，线材元件与相邻的可导电元件的一些接触部位没有外皮。此外，这样地选择保护的外皮，使得该外皮的导电性满足要求。
有利地，分配结构被分隔板限界，该分隔板与线材元件材料锁合地连接。分隔板例如构造为薄金属板材并且将所述分配结构例如与相邻的分配结构分隔开。此外，为了连接线材元件与分隔板还使用如下方法：扩散接合、熔焊、激光焊、电阻焊、钎焊、硬钎焊、软钎焊或者烧结。
根据本发明的一个有利的扩展方式，线材元件和分隔板设置有共同的涂层。该涂层尤其包含塑料或者说聚合物。在制造气体分配器板时，首先将线材元件与分隔板连接并且随后施加涂层。该涂层尤其用于保护线材元件以及分隔板免受腐蚀，尤其当线材元件和分隔板由非贵重金属例如钢制成时。
根据本发明的一个有利的构型，线材元件具有至少一个弯曲部。通过线材元件具有合适弯曲部的相应布置能够在分配结构内构造有变化宽度的通道。由此，在氧化剂通流时在分配结构中产生压差并且因此也产生变化的通流速度。因此，改善在分配结构内的混合。
根据本发明的一个有利的扩展方式，在分配结构中设置有至少两个线材元件，所述线材元件在相互倾斜的方向上延伸。所述线材元件例如彼此相叠地层叠并且相互成直角延伸。通过两个或多个线材元件的这种布置能够在分配结构中实现多孔性。
本发明也提出一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个具有第一电极和第二电极的膜-电极单元和至少一个根据本发明的气体分配器板，所述第一电极和第二电极彼此被膜分隔开。该燃料电池尤其这样地构造，使得在两侧在膜-电极单元上分别附接有气体分配器板。
气体分配器板的根据本发明的构型能够实现分配结构的灵活构型。能够以不同的实施方式放置线材元件并且因此形成具有不同几何形状的通道。线材元件可以由不同材料制成。线材元件可以被涂覆、被镀覆、被包封或者被同轴地嵌埋到不同材料中。在多个线材元件彼此相叠的布置中也可以在气体分配器板中产生多孔结构。通过通道或线材元件的几何形状的相应改变可以控制气体通流以及水排出和水液化。尤其可以将在相应模拟中获得的知识相对快速且简单地转化为实际的测试。
此外，通过对线材元件表面的相应加工可以影响线材元件的润湿特性。此外，借助线材元件的包封可以调整分配结构的疏水特性。也可以考虑，在制造燃料电池或具有多个燃料电池的燃料电池堆时，通过压紧将线材元件力锁合地保持在分配结构中。在此，可以取消附加的连接，例如通过焊接。
附图说明
根据附图和下面的说明更详细地阐述本发明的实施方式。
附图示出了：
图1具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意图，
图2根据第一实施方式的气体分配器板的分配结构，
图3根据第二实施方式的气体分配器板的分配结构，
图4根据第三实施方式的气体分配器板的分配结构，
图5根据第四实施方式的气体分配器板的分配结构，
图6根据第五实施方式的气体分配器板的分配结构，和
图7根据第六实施方式的气体分配器板的分配结构。
在下面本发明实施方式的说明中，相同的或相似的元件用相同的附图标记标明，其中，在个别情况中省去这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出本发明的内容。
具体实施方式
图1示出具有多个燃料电池2的燃料电池堆的示意图。每个燃料电池2具有一个膜-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的彼此对置的侧上并且因此彼此被膜18分隔开。第一电极21在下面也被称为阳极21并且第二电极22在下面也被称为阴极22。膜18构造为聚合物电解质膜。膜18对于氢离子、即H+离子是可透过的。
此外，每个燃料电池2具有两个气体分配器板40，所述气体分配器板在两侧附接到膜-电极单元10上。在这里所示的多个燃料电池2布置成燃料电池堆的情况下，所述气体分配器板40中的每个气体分配器板可以被视为属于两个彼此相邻地布置的燃料电池2。
气体分配器板40分别包括面向阳极21的、用于分配燃料的第一分配结构50。气体分配器板40还分别包括面向阴极22的、用于分配氧化剂的第二分配结构60。第二分配结构60同时用于导出在反应时在燃料电池中形成的水。
此外，气体分配器板40包括第三分配结构70，该第三分配结构布置在第一分配结构50和第二分配结构60之间。第三分配结构70用于引导冷却剂穿过气体分配器板40并且从而用于冷却燃料电池2。
第一分配结构50和第三分配结构70被第一分隔板75相互分隔开。第二分配结构60和第三分配结构70被第二分隔板76相互分隔开。气体分配器板40的分隔板75,76当前构造为薄金属板材。
在燃料电池2运行中，燃料经由第一分配结构50被引导至阳极21。同样地，氧化剂经由第二分配结构60被引导至阴极22。燃料、当前是氢气在阳极21处通过催化在释放电子情况下被氧化成质子。所述质子穿过膜18到达阴极22。被释放的电子从燃料电池2被导出并且经由外部电路流到阴极22。氧化剂、当前是空气中的氧气通过接收来自外部电路的电子和穿过膜18到达阴极22的质子反应成水。
图2示出根据第一实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个、当前是三个线材元件80。
线材元件80当前具有圆的横截面。线材元件80由金属、当前是铝制成。在此，线材元件80与第二分隔板76材料锁合地连接。
图3示出根据第二实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个、当前是三个线材元件80。
线材元件80当前具有椭圆形的横截面。线材元件80由金属、当前是钢制成。在此，线材元件80与第二分隔板76材料锁合地连接。线材元件80和第二分隔板76设有共同的涂层84。该涂层84包含聚合物并且用于保护线材元件80以及第二分隔板76免受腐蚀。
图4示出根据第三实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个、当前是三个线材元件80。
线材元件80当前具有圆的横截面。线材元件80由金属、当前是钢制成。在此，线材元件80分别设有外皮82。该外皮82包含聚合物并且用于保护线材元件80免受腐蚀。线材元件80在这里具有不可见的接触部位，该接触部位没有外皮82。在所述接触部位处，线材元件80与第二分隔板76材料锁合地连接。
图5示出根据第四实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个线材元件80，其中，在所示的示图中，三个线材元件80是可见的。
在此，直接平放在第二分隔板76上的两个线材元件80相互平行地延伸。另外的线材元件80平放在所述直接平放在第二分隔板76上的两个线材元件80上并且与这两个线材元件成直角延伸。在此，平放在其它线材元件80上的线材元件80是弯曲的并且在所述其它线材元件80之间的中间空间中靠近第二分隔板76。
图6示出根据第五实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个线材元件80，其中，在所示的示图中，三个线材元件80是可见的。
在此，直接平放在第二分隔板76上的两个线材元件80相互平行地延伸。另外的线材元件80平放在所述直接平放在第二分隔板76上的两个线材元件80上并且与这两个线材元件成直角延伸。平放在其它线材元件80上的线材元件80当前是直的并且相互平行地延伸。因此，平放在其它线材元件80上的线材元件80具有到第二分隔板76的保持不变的间距。
图7示出根据第六实施方式的气体分配器板40的第二分配结构60。在被第二分隔板76限界的第二分配结构60中设置有多个、当前是四个线材元件80。
线材元件80具有弯曲部86。因此，线材元件80仅区段地相互平行地延伸。通过在这里所示的具有所述弯曲部86的线材元件80的布置，在第二分配结构69内在线材元件80之间构造有宽度变化的通道。
在此形成具有较小宽度的第一通流区域91。也形成比第一通流区域91具有更大宽度的第二通流区域92。
在燃料电池2运行中，当氧化剂流过第二分配结构60时，氧化剂在第一通流区域91中具有比在第二通流区域92中更高的通流速度。此外，氧化剂在第一通流区域91中具有比在第二通流区域92中更小的压力。
本发明不限于在这里所说明的实施例和在此强调的方面。更确切地说，在通过权利要求给定的范围内可存在处于本领域技术人员处理范畴内的多种变型。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池(2)的气体分配器板(40)，所述气体分配器板包括：
-用于将燃料分配到第一电极(21)上的第一分配结构(50)和
-用于将氧化剂分配到第二电极(22)上的第二分配结构(60)，
其特征在于，
在所述分配结构(50,60)的至少一个分配结构中设置有至少一个线材元件(80)。
2.根据权利要求1所述的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)具有圆的横截面。
3.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)由金属材料制成。
4.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)具有纳米结构化的和/或微米结构化的表面。
5.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)设有外皮(82)。
6.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，所述分配结构(50,60)被分隔板(75,76)限界，所述分隔板与所述线材元件(80)材料锁合地连接。
7.根据权利要求6所述的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)和所述分隔板(75,76)设有共同的涂层(84)。
8.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，所述线材元件(80)具有至少一个弯曲部(86)。
9.根据前述权利要求中任一项的气体分配器板(40)，其特征在于，设置有至少两个线材元件(80)，所述至少两个线材元件在相互倾斜的方向上延伸。
10.一种燃料电池(2)，所述燃料电池包括：
至少一个具有第一电极(21)和第二电极(22)的膜-电极单元(10)，所述第一电极和第二电极被膜(18)分隔开；和
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的气体分配器板(40)。
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