CN110268565B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(2)，燃料电池包括至少一个膜电极单元(10)和至少两个双极板(40)，膜电极单元具有第一电极(21)和第二电极(22)，第一电极和第二电极通过膜(18)彼此分离，至少两个双极板在两侧邻接膜电极单元(10)，其中，所述双极板(40)由用于供给燃料的第一供给通道和用于供给氧化剂的第二供给通道贯通，其中，面向第一电极(21)的第一分配结构(50)邻接第一供给通道的第一边缘，而面向第二电极(22)的第二分配结构(60)邻接第二供给通道的第二边缘。第一电极(21)沿着膜(18)在与第一供给通道的第一边缘间隔开的区域中延伸，并且第二电极(22)沿着膜(18)在与第二供给通道的第二边缘间隔开的区域中延伸。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括至少一个膜电极单元和至少两个双极板，所述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，所述至少两个双极板在两侧邻接膜电极单元。在此，双极板由用于供给燃料的第一供给通道和用于供给氧化剂的第二供给通道贯通(durchbrechen)。
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。但是也已知以甲醇或甲烷工作的燃料电池。
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流回路流至阴极。
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穿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，在燃料电池的阳极与阴极之间施加电压。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，设置分配器板，所述分配器板也称为双极板。双极板具有例如通道状的结构用以分配燃料和氧化剂。此外，双极板可以具有用于使冷却液引导穿过燃料电池以排出热的结构。
由DE 10 2013 226 815 A1已知一种如下的燃料电池：该燃料电池具有布置在两个双极板之间的膜电极单元。在此，双极板分别具有用于将反应气体分配给电极的分配结构。
在此，膜电极单元的膜必须保持湿润，以使燃料电池正常地运行。尤其在燃料电池在相对较高的温度下运行的情况下，膜可能由于空气的吸水性增大而变干，由此可能影响燃料电池的运行。
发明内容
提出一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个膜电极单元和至少两个双极板，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，所述至少两个双极板在两侧邻接膜电极单元。在此，双极板由用于供给燃料的第一供给通道和用于供给氧化剂的第二供给通道贯通。面向第一电极的用于分配燃料的第一分配结构邻接第一供给通道的第一边缘，并且面向第二电极的用于分配氧化剂的第二分配结构邻接第二供给通道的第二边缘。
第一电极也称为阳极而第二电极也称为阴极。燃料涉及例如氢气，而氧化剂例如涉及氧气、尤其周围环境空气中所含有的氧气。
根据本发明，第一电极沿着膜在与第一供给通道的第一边缘间隔开的区域中延伸，并且第二电极沿着膜在与第二供给通道的第二边缘间隔开的区域中延伸。
因此，中心地布置的膜突出超过施加在两侧的电极。因此，膜在两侧具有如下区域：所述区域与第一供给通道以及第二供给通道相邻放置，且所述区域直接邻接第一分配结构或第二分配结构并且在此没有电极。
因此，通过第一供给通道和第一分配结构引导至第一电极的燃料也流过膜的区域，并且因此以水蒸气形式的水分可以直接输送至膜。因此，通过第二供给通道和第二分配结构引导至第二电极的氧化剂也流过膜的区域，并且因此以水蒸气形式的水分可以直接输送至膜。
优选地，膜对于水蒸气是可通过的。因此，以水蒸气形式的水分可以从第一分配结构穿过膜输送至第二分配结构并且也可以从第二分配结构穿过膜输送至第一分配结构。
根据本发明的一种有利的构型，双极板由用于排出燃料的第一排出通道贯通，其中，第一分配结构邻接第一排出通道的第一边缘。第一排出通道用于从第一分配结构中排出未使用的燃料。在此，第一电极沿着膜在如下区域中延伸：该区域也与第一排出通道的第一边缘间隔开。因此，膜也具有如下区域：该区域与第一排出通道相邻放置并且直接邻接第一分配结构并且在此没有第一电极。
优选地，第一分配结构具有第一流入区域和第一流出区域，该第一流入区域邻接第一供给通道的第一边缘并且该第一流出区域邻接第一排出通道的第一边缘。在此，在第一流入区域与第一流出区域之间布置有具有矩形横截面的第一主分配区域。
优选地，第一电极沿着膜在与第一流入区域和第一流出区域间隔开的区域中延伸。因此，第一电极仅邻接第一分配结构的第一主分布区域。
根据本发明的一种有利的构型，双极板由用于排出氧化剂的第二排出通道贯通，其中，第二分配结构邻接第二排出通道的第二边缘。第二排出通道用于从第二分配结构中排出未使用的氧化剂。在此，第二电极沿着膜在如下区域中延伸：该区域也与第二排出通道的第二边缘间隔开。因此，膜也具有如下区域：该区域与第二排出通道相邻放置，并且该区域直接邻接第二分配结构并且在此没有第二电极。
优选地，第二分配结构具有第二流入区域和第二流出区域，该第二流入区域邻接第二供给通道的第二边缘并且该第二流出区域邻接第二排出通道的第二边缘。在此，在第二流入区域与第二流出区域之间布置有具有矩形横截面的第二主分配区域。
优选地，第二电极沿着膜在与第二流入区域和第二流出区域间隔开的区域中延伸。因此，第二电极仅邻接第二分配结构的第二主分配区域。
优选地，电极全等(deckungsgleich)地布置在膜上。因此，第一电极和第二电极具有相同的横截面并且安装在膜的相对置的区域上。因此，膜电极单元镜像对称地构型。
根据本发明的燃料电池有利地应用在电动车辆(EV)中。
本发明的优点
通过燃料电池的根据本发明的构型在膜上产生如下区域：所述区域直接邻接分配结构并且没有电极。由此，膜电极单元的膜始终可以被充分润湿。即使在燃料电池在相对较高的温度下运行时，也可以避免膜变干。在此，用于使膜润湿的外部润湿器可以设计得更小或者不需要通过外部润湿器使膜润湿，由此可以节省位置和成本。
流入到第二分配结构中的空气在到达阴极前已经被加热。由此，在阴极前通过蒸汽压力下降已经将水从第一分配结构穿过膜传输到第二分配结构中。该过程发生在阳极后的第一分配结构中。因此，在第一分配结构中保留多个路径以及时间用以使水穿过膜释放到第二分配结构中。在阴极后富含反应水的空气具有额外的路径以及时间，用以将水穿过膜传输到第一分配结构中。在第一分配结构中，流入的氢气已经在阳极前被加热并且具有额外的路径和时间用以从第二分配结构接收水。
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示出燃料电池的分解图；
图2示出装配的燃料电池沿着图1中的剖面线A-A的剖视图；
图3示出装配的燃料电池沿着图2中的剖面线B-B的剖视图。
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。
在图1中示出根据本发明的燃料电池2的分解图。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的相对置的侧上并因此通过膜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。
当前，电极21、22全等地布置在膜18上。在此，阳极21和阴极22 具有相同的横截面并且安装在膜18的相对置的区域上。因此，膜电极单元 10镜像对称地构型。在此，中心地布置的膜18突出超过施加在两侧的电极 21、22。
膜18当前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。同样，膜18对于水蒸气也是可通过的。因此，尤其在燃料电池2 中发生反应时在阴极22处产生的反应水可以扩散到膜18中并穿过膜18扩散至阳极21。
燃料电池2还具有两个双极板40，所述两个双极板在两侧邻接膜电极单元10。在此，分别以俯视图示出双极板40。在此，由一个双极板40示出第一表面33，该第一表面在燃料电池2的组装状态中面向阳极21。由另一双极板40示出第二表面34，该第二表面在燃料电池2的组装状态中面向阴极22。
因此，在组装燃料电池2时需要将一个双极板40(示出其第一表面33) 绕着第一轴线35沿第一旋转方向37旋转90°。在组装燃料电池2时需要将另一双极板40(示出其第二表面34)绕着第二轴线36沿第二旋转方向38 旋转90°。
两个双极板40由用于供给燃料的第一供给通道52和用于供给氧化剂的第二供给通道64贯通。此外，两个双极板40由用于排出未使用的燃料的第一排出通道54和用于排出未使用的氧化剂以及水的第二排出通道62 贯通。两个双极板40也由用于供给冷却剂的第三供给通道74和用于排出冷却剂的第三排出通道72贯通。冷却剂用于在运行中冷却燃料电池2。
在此，第一供给通道52、第二排出通道62和第三排出通道72施加在双极板40的头侧。第二供给通道64、第一排出通道54和第三供给通道74 施加在相对置的脚侧。因此，在燃料电池2的运行中，燃料从头侧流至脚侧并且氧化剂以及冷却剂沿相反方向从脚侧流至头侧。
双极板40分别包括一个用于分配燃料的第一分配结构50，该第一分配结构布置在第一表面33上并面向阳极21。第一分配结构50从第一供给通道52的第一边缘57延伸直至第一排出通道54的第一边缘58。在燃料电池 2的运行中，燃料从第一供给通道52沿着第一流动方向43流至第一排出通道54。
第一分配结构50具有第一流入区域51和第一流出区域59，该第一流入区域邻接第一供给通道52的第一边缘57并且该第一流出区域邻接第一排出通道54的第一边缘58。在第一流入区域51与第一流出区域59之间布置有具有矩形横截面的第一主分配区域53。
双极板40分别包括一个用于分配氧化剂的第二分配结构60，该第二分配结构布置在第二表面34上并面向阴极22。第二分配结构60从第二供给通道64的第二边缘67延伸直至第二排出通道62的第二边缘68。在燃料电池2的运行中，氧化剂从第二供给通道64沿着第二流动方向44流至第二排出通道62。
第二分配结构60具有第二流入区域69和第二流出区域61，该第二流入区域邻接第二供给通道64的第二边缘67并且该第二流出区域邻接第二排出通道62的第二边缘68。在第二流入区域69与第二流出区域61之间布置有具有矩形横截面的第二主分配区域63。
图2示出装配的燃料电池2沿着图1中的剖面线A-A的剖视图。在此，燃料电池2是如下燃料电池堆叠的部分：该燃料电池堆叠由分别交替地布置的双极板40和膜电极单元10构成。双极板40和膜电极单元10如此布置，使得阳极21面向一个双极板40的第一分配结构50并且阴极22面向另一双极板40的第二分配结构60。
双极板40包括第三分配结构70，该第三分配结构从这里不可见的第三供给通道74延伸至这里同样不可见的第三排出通道72。在此，第三分配结构70分别布置在第一分配结构50与第二分配结构60之间并且用于引导冷却剂穿过双极板40并穿过燃料电池2。
阳极21沿着膜18在如下区域中延伸：该区域与第一供给通道52的这里不可见的第一边缘57和第一排出通道54的第一边缘58间隔开。阳极21 尤其沿着膜18在如下区域中延伸：该区域与第一流入区域51和第一流出区域59间隔开。因此，阳极21仅邻接第一分配结构50的第一主分配区域 53并且突入到该第一主分配区域中。
因此，膜18在阳极21的侧上具有与第一供给通道52相邻放置且在此没有阳极21的区域。因此，膜18也具有与第一排出通道54相邻放置且在此没有阳极21的区域。这两个没有阳极21的区域直接邻接第一分配结构 50。
阴极22沿着膜18在如下区域中延伸：该区域与第二供给通道64的这里不可见的第二边缘67和第二排出通道62的第二边缘68间隔开。阴极22 尤其沿着膜18在如下区域中延伸：该区域与第二流入区域69和第二流出区域61间隔开。因此，阴极22仅邻接第二分配结构60的第二主分配区域 63并且突入到该第二主分配区域中。
因此，膜18在阴极22的侧具有与第二供给通道64相邻放置且在此没有阴极22的区域。因此，膜18还具有与第二排出通道62相邻放置且在此没有阴极22的区域。这两个没有阴极22的区域直接邻接第二分配结构60。
在燃料电池2运行中，燃料通过第一供给通道52和第一分配结构50 被引导至阳极21并且进一步被引导至第一排出通道54。在此，燃料也沿第一流动方向43流过膜18的没有阳极21的区域。
在燃料电池2运行中，氧化剂通过第二供给通道64和第二分配结构60 被引导至阴极22并进一步被引导至第二排出通道62。在此，氧化剂沿着第二流动方向44也流过膜18的没有阴极22的区域。
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。质子穿过膜18到达阴极22。所释放的电子从燃料电池2导出并且通过外部电路流至阴极22。氧化剂(当前为空气中的氧气)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。
在燃料电池2中发生反应时在阴极22处产生的水可以部分地从第二分配结构60沿着第一扩散方向47扩散到膜18中并且穿过膜18扩散到第一分配结构50中并且扩散至阳极21。在此，沿着第一扩散方向47扩散的水被在第一分配结构50中流动的燃料接收。
接下来，被燃料接收的水可以从第一分配结构50沿第二扩散方向48 扩散到膜18中并穿过膜18扩散到第二分配结构60中并扩散至阴极22。在此，沿第二扩散方向48扩散的水被在第二分配结构60中流动的氧化剂接收。
因此，膜18的没有电极21、22并且邻接分配结构50、60的区域能够使水持续地扩散到膜18中并穿过膜18。由此，膜18持续地被润湿。过量的水——尤其从第二分配结构60通过第二排出通道62——从燃料电池2导出。
图3示出装配的燃料电池2沿着图2的剖面线B-B的剖视图。在此，膜18具有中心地放置的区域，在该区域上布置有阳极21。膜18也具有如下区域：该区域延伸通过第一主分配区域53的一部分和第一流入区域51 且该区域没有阳极21。膜18也具有如下区域：该区域延伸通过第一主分配区域53的一部分和第一流出区域59且该区域没有阳极21。
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 (8)

1.一种燃料电池(2)，所述燃料电池包括至少一个膜电极单元(10)和至少两个双极板(40)，所述膜电极单元具有第一电极(21)和第二电极(22)，所述第一电极和所述第二电极通过膜(18)彼此分离，所述至少两个双极板在两侧邻接所述膜电极单元(10)，其中，所述双极板(40)由用于供给燃料的第一供给通道(52)和用于供给氧化剂的第二供给通道(64)贯通，其中，面向所述第一电极(21)的第一分配结构(50)邻接所述第一供给通道(52)的第一边缘(57)，并且面向所述第二电极(22)的第二分配结构(60)邻接所述第二供给通道(64)的第二边缘(67)，其特征在于，所述第一分配结构(50)包括第一流入区域(51)和第一主分配区域(53)，所述第一流入区域(51)连接至所述第一供给通道(52)且在燃料的流动方向上延伸，且所述第一主分配区域(53)容纳所述第一电极(21)；并且
所述第二分配结构(60)包括第二流入区域(69)和第二主分配区域(63)，所述第二流入区域(69)连接至所述第二供给通道(64)且在氧化剂的流动方向上延伸，且所述第二主分配区域(63)容纳所述第二电极(22)；并且
当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述第一主分配区域(53)包括以下空间：所述空间不包括所述第一电极(21)且在所述第一电极(21)在燃料的流动方向上的上游侧在燃料的流动方向上具有恒定的横截面，且所述空间连接至所述第一流入区域(51)；并且
当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述第二主分配区域(63)包括以下空间：所述空间不包括所述第二电极(22)且在所述第二电极(22)在氧化剂的流动方向上的上游侧在氧化剂的流动方向上具有恒定的横截面，且所述空间连接至所述第二流入区域(69)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述膜(18)对于水蒸气是可通过的。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述双极板(40)由用于排出燃料的第一排出通道(54)贯通，其中，所述第一分配结构(50)包括第一流出区域(59)，所述第一流出区域(59)连接至所述第一排出通道(54)且在燃料的流动方向上收缩，并且当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述第一主分配区域(53)包括以下空间：所述空间不包括所述第一电极(21)且在所述第一电极(21)在燃料的流动方向上的下游侧在燃料的流动方向上具有恒定的横截面，且所述空间连接至所述第一流出区域(59)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述第一分配结构(50)具有如下区域：所述区域容纳所述第一电极(21)，且当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述区域是矩形的。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述双极板(40)由用于排出氧化剂的第二排出通道(62)贯通，其中，所述第二分配结构(60)包括第二流出区域(61)，所述第二流出区域(61)连接至所述第二排出通道(62)且在氧化剂的流动方向上收缩，并且当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述第二主分配区域(63)包括如下空间：所述空间不包括所述第二电极(22)且在所述第二电极(22)在氧化剂的流动方向上的下游侧在氧化剂的流动方向上具有恒定的横截面，且所述空间连接至所述第二流出区域(61)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述第二分配结构(60)具有如下区域：所述区域容纳所述第二电极(22)，且当从所述双极板(40)的表面的法线方向上观察时，所述区域是矩形的。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述第一电极(21)和所述第二电极(22)全等地布置在所述膜(18)上。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的燃料电池(2)的应用，其应用在电动车辆(EV)中。
CN201780086235.9A 2016-12-12 2017-11-30 燃料电池 Active CN110268565B (zh)

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