CN110785881A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(2)，包括具有通过膜片(18)彼此分开的第一电极(21)和第二电极(22)的至少一个膜片电极单元(10)和至少一个双极板(40)，该双极板包括用于将燃料分配到所述第一电极(21)上的第一分配区域(50)和用于将氧化剂分配到所述第二电极(22)上的第二分配区域(60)。在所述分配区域(50、60)中的至少一个分配区域中设置有分配单元(30)，该分配单元具有至少一个扁平的织物(80)，其中，所述扁平的织物(80)这样变形，使得所述织物(80)的凸起部(32)接触所述电极(21、22)中的一个电极。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池具有至少一个膜片电极单元和至少一个双极板，该膜片电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极，在此，燃料电池的双极板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配区域。
背景技术
燃料电池是原电池，该原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化成电能。因此，燃料电池是电化学换能器。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转化成水(H2O)、电能和热量。
电解装置是电化学能量转换器，其借助于电能将水(H2O)裂解成氢气(H2)和氧气(O2)。
此外，已知质子交换膜片(Proton-Exchange-Membrane＝PEM)-燃料电池。还已知的是既用于燃料电池也用于电解装置的阴离子交换膜片。质子交换膜片-燃料电池具有中央布置的膜片，该膜片对于质子、即对于氢离子而言是能穿透的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分开。
质子交换膜片-燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处被供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子经由膜片达到阴极。所给出的电子从燃料电池导出并且经由外部电路流动至阴极。
氧化剂在燃料电池的阴极处被供应并且通过接收来自外部电路的电子和经由膜片达到阴极的质子而反应成水。这样产生的水从燃料电池导出。
总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池以机械的方式彼此相继地布置成燃料电池堆并且电串联。
为了使燃料均匀分配到阳极上以及为了使氧化剂均匀分配到阴极上，设置有双极板。双极板例如具有用于将燃料以及氧化剂分配到电极上的通道状结构。通道状结构还用于将反应时产生的水导出。双极板还可以具有用于将冷却液体引导经过燃料电池以导出热量的结构。
由DE 10 2012 221 730 A1已知具有这种类型的双极板的燃料电池，该双极板由两个板半部构造。在此，这两个板半部中的每个板半部具有一个分配区域，该分配区域设置成用于分配反应气体。
由DE 10 2014 207 594 A1也已知用于燃料电池的双极板。在此，双极板具有曲折形的通道，该通道例如构造为槽。在此，该曲折形的通道用于将氢气或氧气导入到燃料电池中。
发明内容
提出一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个膜片电极单元和至少一个双极板，该膜片电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极。燃料电池尤其这样构造，使得在两侧分别有一个双极板连接到膜片电极单元上。在此，燃料电池的双极板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配区域。
根据本发明，在此在所述分配区域中的至少一个分配区域中设置有分配单元，该分配单元具有至少一个扁平的织物。在此，扁平的织物这样变形，使得织物的凸起部接触所述电极中的一个电极。通过织物的这种变形，可以有针对性地构造用于分配在分配区域中的反应气体的结构。
优选地，在第二分配区域中设置织物，该第二分配区域用于将氧化剂分配到第二电极上以及用于将反应时生成的水导出。但所述织物也可以替代地或附加地设置在用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域中。所述织物也可以替代地或附加地设置在用于引导冷却剂经过的第三分配区域中。
在本发明的意义上，织物理解为由相互编织的丝、线或纤维形成的结构。在此，所述织物相对较平地构造。所述织物在根据本发明的变形之前在一个面中延伸，该面限定织物平面、比垂直于该织物平面的方向上明显更宽。
有利地，所述织物在此多孔地并且导电地构造。因此，所述织物对于氧化剂以及对于燃料并且也对于要导出的水而言是能穿透的。此外，所述织物建立与电极的导电连接。因此，所述织物可以传导在燃料电池中的电化学反应中释放的电子。
根据本发明的有利构型，分配单元的扁平的织物波浪状地变形，其中，织物的凸起部构造为波峰。波峰例如直线地构造。但波峰也可以具有与此不同的形状。
根据本发明的可能实施方式，织物的凸起部垂直于在双极板的相应分配区域中的燃料或氧化剂的流动方向地延伸。
根据本发明的另外的可能实施方式，织物的凸起部平行于在双极板的相应分配区域中的燃料或氧化剂的流动方向地延伸。
根据本发明的另外的可能实施方式，织物的凸起部相对于在双极板的相应分配区域中的燃料或氧化剂的流动方向以一角度倾斜地延伸。
根据本发明的另外的有利构型，扁平的织物具有局部的升高部(Elevation)，所述升高部形成织物的凸起部。所述织物主要在织物平面中延伸，其中，由局部的升高部形成的凸起部尤其以矩形的方式远离织物平面突出。
根据本发明的可能实施方式，所述织物的由局部的升高部形成的凸起部截锥形地或半球形地构造。但也可以考虑局部升高部的其他构型。
分配单元的织物有利地具有至少一种包含金属的纤维。包含金属的纤维尤其确保织物的导电性。作为用于包含金属的纤维的可能材料例如适用钛、铜、铝、镍或不锈钢。
分配单元的织物有利地具有至少一种包含碳的纤维。包含碳的纤维是特别耐腐蚀的并且附加地提高织物的必要的机械稳定性。
分配单元的织物有利地具有至少一种包含塑料的纤维。包含塑料的纤维相比于由其他材料制成的纤维而言较轻并且因此减小分配单元的重量。此外，包含塑料的纤维是成本有利的和耐腐蚀的。
根据本发明的有利扩展方案，所述织物具有至少两种不同类型的纤维。
根据本发明的另外的实施方式，分配单元具有彼此堆叠的至少两个织物。在此，所述至少两个织物的凸起部彼此错位地布置。在此，所述至少两个彼此堆叠的织物能够以不同的取向布置。所述至少两个彼此堆叠的织物可以同样地建立和构造。但所述至少两个彼此堆叠的织物也可以不同地构造。所述至少两个彼此堆叠的织物例如可以由不同的材料制成或具有不同的孔隙度。
织物是极其多孔的，即具有高孔隙率。通过在制造织物所使用的材料的相应变化，所述织物可以适配于存在的条件和要求。尤其相比于泡沫，织物也能够非常简单并且成本有利地制造。在以空气、尤其燃料或氧化剂流经织物时，仅产生相对较小的用于气体流动的压力损失。在使用相应的金属纤维的情况下，织物的导电性也相对较高。具有所期望的特性的不同材料可以有利地组合。例如可以考虑由导电性好的金属纤维与具有较好耐腐蚀性的含碳纤维的组合。虽然通过多个细线织物的堆叠可以提升分配单元的电阻，但其他材料的使用也是可能的。
附图说明
参照附图和下面的说明书详细阐释本发明的实施方式。
附图示出：
图1具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意图，
图2根据第一变型方案的分配单元的立体示图，
图3根据第二变型方案的分配单元的立体示图，
图4根据第三变型方案的分配单元的立体示图，
图5根据第四变型方案的分配单元的立体示图，
图6根据第一实施方式的图2中的分配单元的剖面，
图7根据第二实施方式的图2中的分配单元的剖面，
图8根据第三实施方式的图2中的分配单元的剖面，
图9根据第五变型方案的分配单元的立体示图，
图10图9中的分配单元的剖面，
图11根据第六变型方案的分配单元的俯视图，
图12图11中的分配单元的剖面，
图13图11中的分配单元的另一剖面，
图14图11中的分配单元的另一剖面，
图15具有图2中的分配单元的图1中的燃料电池堆的双极板，和
图16具有图9中的分配单元的图1中的燃料电池堆的双极板，和
在下面对本发明的实施方式的说明中，相同的或类似的元件标有相同的附图标记，其中，在个别情况下取消对这些元件的重复描述。所述附图仅示意性示出本发明的主题。
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5的示意图。每个燃料电池2具有膜片电极单元10，该膜片电极单元包括第一电极21、第二电极22和膜片18。两个电极21、22布置在膜片18的彼此相对置的侧面上并且由此通过膜片18彼此分隔开。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。膜片18构造为聚合物电解质膜片。膜片18对于氢离子、即H+离子而言是能穿透的。
此外，每个燃料电池2具有两个双极板40，所述双极板在两侧连接到膜片电极单元10上。在这里示出的多个燃料电池2在燃料电池堆5中的布置，所述双极板40中的每个双极板可以被视为属于两个彼此相邻布置的燃料电池2。
双极板40分别包括一个用于分配面向阳极21的燃料的第一分配区域50。双极板40分别也包括一个用于分配面向阴极22的氧化剂的第二分配区域60。第二分配区域60同时用于导出在燃料电池2中反应时产生的水。在第二分配区域60中布置有分配单元30。
在这里，双极板40分别包括第三分配区域70，该第三分配区域布置在第一分配区域50和第二分配区域60之间。第三分配区域70用于将冷却剂引导穿过双极板40并且由此用于使燃料电池2和燃料电池堆5冷却。
第一分配区域50和第三分配区域70通过第一分隔板75彼此分隔开。第二分配区域60和第三分配区域70通过第二分隔板76彼此分隔开。在这里，双极板40的分隔板75、76构造为薄的金属片。分隔板75、76也可以由另外的材料、如碳或石墨构造。
在燃料电池2的运行中，燃料经由第一分配区域50引导至阳极21。同样地，氧化剂经由具有分配单元30的第二分配区域60引导至阴极22。燃料、在这里是氢气在阳极21处在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子经由膜片18达到阴极22。所给出的电子从燃料电池2中导出并且经由外部的电路流动至阴极22。氧化剂、在这里是空气中的氧气通过接收来自外部电路的电子和经由膜片18达到阴极22的质子反应成水。
图2示出根据第一变型方案的分配单元30的立体示图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80波浪状地变形并且具有形成织物80的凸起部32的波峰。凸起部32直线地构造并且垂直于氧化剂的第二流动方向44地延伸。
图3示出根据第二变型方案的分配单元30的立体示图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80波浪状地变形并且具有形成织物80的凸起部32的波峰。凸起部32直线地构造并且平行于氧化剂的第二流动方向44地延伸。
图4示出根据第三变型方案的分配单元30的立体示图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80波浪状地变形并且具有形成织物80的凸起部32的波峰。凸起部32直线地构造并且相对于氧化剂的第二流动方向44以一角度倾斜地延伸。
图5示出根据第四变型方案的分配单元30的立体示图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80波浪状地变形并且具有形成织物80的凸起部32的波峰。凸起部32在这里不直线地构造，而是呈蛇形曲线的形式构造或者说构造为鱼骨状图案或锯齿形地构造。凸起部32基本上平行于氧化剂的第二流动方向44延伸。
图6示出根据第一实施方式的图2中的分配单元30沿着剖面线A-A的剖面。分配单元30的织物80以正弦函数的形式变形。凸起部32是正弦函数的局部最大值。
图7示出根据第二实施方式的图2中的分配单元30沿着剖面线A-A的剖面。分配单元30的织物80还呈矩形函数的形式变形。凸起部32是矩形函数的局部最大值。有利地，在这里是平面的放置点。
图8示出根据第三实施方式的图2中的分配单元30沿着剖面线A-A的剖面。分配单元30的织物80呈三角函数或锯齿函数的形式变形。凸起部32是三角函数或锯齿函数的局部最大值。
在图3中示出的根据第二变型方案的分配单元30、在图4中示出的根据第三变型方案的分配单元30和在图5中示出的根据第四变型方案的分配单元30可以同样具有织物80，所述织物相应于在图6、图7或图8中的示图变形。
图9示出根据第五变型方案的分配单元30的立体示图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80具有局部的升高部，所述升高部形成织物80的凸起部32。在这里，织物80的凸起部32示例性截锥形地构造。
图10示出图9中的分配单元30沿着剖面线B-B的剖面。织物80的截锥形构造的凸起部32彼此平行地延伸。
图11示出根据第六变型方案的分配单元30的俯视图。分配单元30具有扁平的织物80。扁平的织物80具有局部的升高部，所述升高部形成织物80的凸起部32。根据第六变型方案的分配单元30包括由凸起部32和直的通道的混合结构，所述通道优选平行于氧化剂的第二流动方向44地延伸。为了更好地阐明，在图11中除了剖面线C、D和E之外也画出辅助线X1、X2、X4和X5。
图12示出图11中的分配单元30沿着剖面线D-D的剖面。图13示出图11中的分配单元30沿着剖面线E-E的剖面。图14示出图11中的分配单元30沿着剖面线C-C的剖面。
在图2、图3、图4、图5、图9和图11中示出的分配单元30的织物80例如具有包含金属的纤维、包含碳的纤维和包含塑料的纤维。所述纤维编织成平面构造的结构。因此，织物80多孔地并且导电地构造。
图15示出图1中的燃料电池堆5的双极板40的放大示意图，该双极板布置在两个膜片电极单元10之间。分隔板75、76构造为扁平的薄金属片并且在所述分隔板之间形成用于引导冷却剂经过的第三分配区域70。在第一分隔板75和相邻的膜片电极单元10的阳极21之间存在第一分配区域50。
在第二分隔板76和另外的相邻的膜片电极单元10的阴极22之间存在第二分配区域60，该第二分配区域具有在图2中示出的根据第一变型方案的分配单元30。分配单元30的织物80这样布置，使得织物80的凸起部32接触阴极22。此外，织物80也接触第二分隔板76。
图16示出图1中的燃料电池堆5的双极板40的放大示意图，该双极板布置在两个膜片电极单元10之间。分隔板75、76构造为扁平的薄金属片并且在所述分隔板之间形成用于引导冷却剂经过的第三分配区域70。在第一分隔板75和相邻的膜片电极单元10的阳极21之间存在第一分配区域50。
在第二分隔板76和另外的相邻的膜片电极单元10的阴极22之间存在第二分配区域60，该第二分配区域具有在图9中示出的根据第五变型方案的分配单元30。分配单元30的织物80这样布置，使得织物80的凸起部32接触阴极22。此外，织物80也接触第二分隔板76。
在图15和图16中示出的双极板40中，将燃料、这里是氢气在第一流动方向43中引导到第一分配区域50中。氧化剂、在这里是空气中的氧气在第二流动方向44中引导到第二分配区域60中。在这里，第一流动方向43和第二流动方向44彼此平行地走向。也可以考虑，第一流动方向43和第二流动方向44彼此相反地走向或者也彼此垂直地走向。
本发明不局限于这里所述的实施例和其中提到的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内，多种在本领域技术人员处理的范畴内的改型均是可能的。

Claims (10)

1.燃料电池(2)，包括：
具有通过膜片(18)彼此分开的第一电极(21)和第二电极(22)的至少一个膜片电极单元(10)，和
至少一个双极板(40)，该双极板包括用于将燃料分配到所述第一电极(21)上的第一分配区域(50)和用于将氧化剂分配到所述第二电极(22)上的第二分配区域(60)，
其特征在于，
在所述分配区域(50、60)中的至少一个分配区域中设置有分配单元(30)，该分配单元具有至少一个扁平的织物(80)，其中，
所述扁平的织物(80)这样变形，使得所述织物(80)的凸起部(32)接触所述电极(21、22)中的一个电极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)多孔地并且导电地构造。
3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述扁平的织物(80)波浪状地变形，并且，所述织物(80)的所述凸起部(32)构造为波峰。
4.根据权利要求3所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)的所述凸起部(32)垂直于所述燃料或所述氧化剂的流动方向(43、44)地延伸。
5.根据权利要求3所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)的所述凸起部(32)平行于所述燃料或所述氧化剂的流动方向(43、44)地延伸。
6.根据权利要求3所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)的所述凸起部(32)相对于所述燃料或所述氧化剂的流动方向(43、44)倾斜地延伸。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述扁平的织物(80)具有局部的升高部，所述升高部形成所述织物(80)的所述凸起部(32)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)的所述凸起部(32)截锥形或半球形地构造。
9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述织物(80)具有至少两种不同类型的纤维。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述分配单元(30)具有彼此堆叠的至少两个织物(80)，其中，所述至少两个织物(80)的所述凸起部(32)彼此错位地布置。
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