CN110945700A - 用于提供至少一种反应气体的分配器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为燃料电池(100)或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物(O2)的分配器结构(10)，所述分配器结构具有第一结构元件(11)和第二结构元件(12)，其中，所述第一结构元件(11)和所述第二结构元件(12)这样构造并且相对彼此这样布置，使得在所述第一结构元件(11)与所述第二结构元件(12)之间构造有用于所述反应气体的分配面(15)，使得从所述分配面(15)分支出多个输送通道(16)，这些输送通道与所述分配面(15)基本垂直地定向，并且使得在所述第二结构元件(12)下方构造有多个排出通道(17)，这些排出通道平行于所述分配面(15)定向。

Description

用于提供至少一种反应气体的分配器结构
技术领域
本发明涉及一种根据独立装置权利要求的前序部分的用于为燃料电池或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物的分配器结构。本发明还涉及一种根据并列独立装置权利要求的前序部分的燃料电池或电解装置，所述燃料电池或电解装置例如具有用于运输质子或氢氧根离子的聚合物膜。
背景技术
燃料电池和电解装置是电化学能量转换器。在燃料电池中，例如将氢气和氧气转换为水、电能和热量。相反，在电解装置中借助电流例如将水分解成氢气和氧气。多个燃料电池还可以组成电池组、即所谓的电池堆。在燃料电池的情况下包括氢气、氧气和在电解装置的情况下包括水的反应物以及冷却液经由分配器结构被引导到每个电池中。这种分配器结构构成用于反应物和冷却液的通道。在此，分配器结构承担以下功能：将反应物均匀地分配到燃料电池或电解装置的活性面上；将电子引导到下一个电池中；将产物水(在燃料电池的情况下)和产物气体(在电解装置的情况下)从单体中运走；以及将热量从催化器层导出给冷却剂。已知的分配器结构实施为压制的金属板材，所述金属板材通过腹板或沟槽构成通道结构(双极板)。在燃料电池中，通过通道结构将反应气体分配到电化学活性面上。然而在腹板下方不存在气体流。在双极板的这些腹板下面(尤其是在流体密度较高的情况下)，在阴极侧上可能聚集液态的产物水，所述液态的产物水阻塞催化器层内部的细孔。由此，向催化器层的氧气运输在局部受到强烈阻碍，使得电池的功率在局部下降，从而导致电池的整体性能变差。
发明内容
本发明设置一种用于为根据独立装置权利要求的燃料电池或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物的分配器结构，并且设置一种根据另一独立装置权利要求的燃料电池或电解装置，所述燃料电池或电解装置例如具有用于运输质子或氢氧根离子的聚合物膜。由从属权利要求、说明书和附图得到本发明的进一步优点、特征和细节。在此，与本发明的分配器结构结合所说明的特征和细节当然也适用于与本发明的燃料电池或本发明的电解装置结合，并且分别反之亦然，使得在关于本发明各个方面的公开内容方面始终可以互换地参考。
本发明提出一种用于为燃料电池或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物的分配器结构，所述分配器结构实施为具有第一结构元件和第二结构元件，其中，第一结构元件和第二结构元件这样构造并且相对彼此这样布置，使得在第一结构元件与第二结构元件之间构造有用于反应气体的分配面，使得从分配面分支出多个输送通道，这些输送通道基本垂直于分配面定向，并且使得在第二结构元件下方构造有多个排出通道，这些排出通道平行于分配面定向。
在此，本发明的构思在于，在例如由金属板构成的两个结构元件之间提供平坦的分配面，通过所述分配面将至少一种反应气体均匀地且带有小压力损失地分配到燃料电池或电解装置的整个活性面上，以便优化效率。分配面能与燃料电池或电解装置的延伸平面平行地布置。此外，所述分配面实施为具有从分配面分支出的多个输送通道，通过这些输送通道将反应气体垂直于活性面地引入到气体扩散层中。因此，也可以确保将产生的产物水运走。
在两个结构元件之间，柱形或线形的连接件可以负责电接触以及机械稳定性，这些连接件仅最小程度地阻碍自由流动。
在下方的或者说第二结构元件中以规律的或者说变化的间距压印出例如呈具有不同的、例如矩形或圆形的横截面的凹陷部形式的凹块(Noppe)和/或沟槽，所述下方的或第二结构元件能贴靠在具有所施加的催化器层的气体扩散层上。通过凹块和/或沟槽构成输送通道，这些输送通道与分配面基本垂直地定向。输送通道可以在底侧上设置有一个或多个孔。因此，空气从分配面分支到输送通道中并通过这些孔逸出到位于下方的气体扩散层和催化器层中，在所述催化器层中发生电化学反应。
产物气体和/或产物水经由处于在第二结构元件下方的输送通道之间的或处于气体扩散层与第二结构元件之间的敞开空间与分配面平行地或者说与气体扩散层的延伸平面平行地从电池中被排出。
因此，通过两个结构元件构成用于反应气体和用于产物气体的两个单独的通道结构，使得反应气体和产物气体在流体技术上相对彼此分开。
从燃料电池或电解装置的另一侧，能够以任意形式实现用于第二反应气体的第二分配器结构。
借助这种用于(优选含氧的)反应气体的两件式分配器结构实现多个优点。一方面，经由分配面将所输送的气体均匀地、优选带有小压力损失地分配到燃料电池或电解装置的整个活性面上。因此，逐点地为活性面供应新鲜气体(反应气体)。与已知的双极板相对，气体浓度从输入口到输出口不是降低，而是逐点地为整个活性面供应新鲜气体。通过所有输送通道的均匀的新鲜气体供应通过以下方式实现：分配面内的压力损失明显小于通过输送通道的压力损失。另一方面，本发明分配器结构从输入口到输出口的总压降很小，因为总气体输送量的仅一小部分流过凹块。
此外，通过本发明的分配器结构可靠地防止在第二结构的腹板下面出现液态水聚集，因为在本发明的结构中气流流过输送通道的底部并从而流过处于分配器结构与气体扩散层之间的接触面。因此，确保了将液态水运走并且第二结构元件的腹板不会被液态水淹没。
进一步的优点是，气体输送垂直于活性面。因此，得到向活性面的活性中心的、到催化器层中的对流式气体运输。在传统的双极板中，气体平行于活性面流动，并且向催化器层的气体运输以纯扩散的方式进行。对流式气体运输能够比扩散式气体运输更均匀且更受控地实施到整个活性面上。
为了实现优化的流动引导，输送通道的构型还能沿着活性面或者说沿着分配面变化。一方面，输送通道在流入处可以比在流出处包含更少的孔或洞或者具有更小直径的洞。另一方面，输送通道的整个构型可以在宽度上和/或在形状上变化。
此外可考虑，可以设置有例如呈抽吸装置形式的通风装置，以便在第二结构下方或在第二结构元件与气体扩散层之间将废气吸走。
此外，本发明可以设置，第一结构元件以平坦的板元件的形式构造。这种第一结构元件是简单且低成本的，但会带来多个优点，其中一些优点是使处于平坦的第一结构元件与第二结构元件之间的空间分开以便分配反应气体，并且使处于第二结构元件与气体扩散层之间的空间分开以便运走产物气体和/或产物水。在此可考虑，甚至可以通过这种第一结构元件来加装已知和/或现有的双极板，其方式是，将所述第一结构元件定位在双极板的板之间并且与阴极侧的板保持一定距离。因此，本发明可以用于制造改进的分配器结构以及用于加装已知的分配器结构。借助这种经改进或经加装的分配器结构可以显著提高燃料电池或电解装置在运行时的性能。
本发明还可以设置，第二结构元件以压制和/或冲压和/或至少区域地穿孔的板元件的形式构造。这种结构元件也能简单且低成本地制造。通过这种第二结构元件可以提供与活性面基本垂直地定向的输送通道。由此，又实现了垂直于活性面地输送反应气体。因此，反应气体的分配可以对流式地进行并从而有针对性地、受控地且均匀地实现到整个活性面上。
此外，在本发明的范畴内可以设置，在第一结构元件与第二结构元件之间设置至少一个导电的、尤其柱状的连接元件。以这种简单的方式能够在下面的第二结构元件与上面的第一结构元件之间确保用于引导电子的电接触和用于引导废热的热接触。在第一结构元件上方可以设置呈任意形式的另一分配器结构用于第二反应气体。在用于第一(例如含氧的)反应气体的本发明分配器结构的第一结构元件与用于第二(例如含燃料的)反应气体的另一分配器结构之间可以设置有用于冷却液的通道结构。
此外可考虑，第二结构元件具有凹块结构和/或沟槽结构，以便在输送通道的底部处建立与气体扩散层的交替的接触面。凹块结构和/或沟槽结构可以简单且低成本地例如通过压制金属板来实施。凹块还可以交替地、优选周期性地在第二结构元件的两个延伸方向上被分配。凹块可以具有不同的、例如平行六面体的，柱体的或半圆形的形状。
此外，在本发明的范畴内可以设置，所述输送通道构造在第二结构元件的面向第一结构元件的第一侧上，其中，所述排出通道构造在第二结构元件的能朝向气体扩散层的第二侧上。因此能够实现，反应气体被引导通过通道，所述通道与将废气或产物气体运走所通过的通道在流体技术上分开。因此，又可以产生以下优点：产物水不会与新鲜的反应气体发生气流混合。因此，能够以更容易且更可预测的方式监控和/或控制新鲜的反应气体和废气的气流湿度。除了提供通过本发明分配面的阴极管路以外，还可以为排出通道提供单独的废气管路。此外可考虑，可以在单独的废气管路的输出口处设置例如呈抽吸装置形式的通风装置。
此外，本发明可以设置，在输送通道的底部处在第二结构元件中构造至少一个孔，通过所述孔能将反应气体与气体扩散层的延伸平面基本上垂直地引入到气体扩散层中。因此，除了通过输送通道对流式地输送反应气体以外，还可以在通过孔时充分利用在垂直于活性面的方向上的所谓文丘里效应，以便均匀化并且有利于反应气体的分配。
此外，根据本发明可考虑，输送通道在通过分配面进行的反应气体输送的方向上具有变大的横截面。因此可以确保，尽管在通过分配面的反应气体输送的方向上出现可能的压力损失，也能够实现反应气体到整个分配面上的均匀分配。
此外，在本发明的范畴内可以设置，在输送通道的底部处，从输送通道到输送通道构造有数量可变的孔或在通过分配面的反应气体输送方向上数量增加的孔。通过数量增加的孔能够实现：尽管存在压力损失，仍能够始终均匀地为气体扩散层提供大量反应气体。
在本发明的范畴内也可以设置，在输送通道的底部处，从输送通道到输送通道构造有多个孔，所述孔具有不同的横截面或在通过分配面进行的反应气体输送的方向上变大的横截面积。由此也可以使得能够补偿在反应气体输送的方向上的可能压力损失。
本发明还提供一种燃料电池或电解装置，所述燃料电池或电解装置实施为具有阳极室和阴极室，其中，如上所述的分配器结构设置用于向阴极室提供含氧的气体混合物。借助本发明的燃料电池或本发明的电解装置实现上面结合本发明分配器结构所述的相同优点。
附图说明
下面，参照附图详细阐述本发明的气体分配器结构和其扩展方案以及优点并阐述本发明的燃料电池或电解装置和其扩展方案以及其优点。附图分别示意性地示出：
图1作为气体分配结构的已知双极板的示意性结构，
图2本发明的气体分配结构的示意图，
图3具有本发明气体分配器结构的燃料电池或电解装置的示意图，和
图4根据另一实施例的本发明气体分配器结构的示意图。
在附图中，具有相同附图标记的特征通常仅说明一次。
具体实施方式
图1示出例如用于燃料电池100或电解装置的已知分配器结构10*，所述分配器结构呈由两个压制的板材构成的双极板的形式。在所述板材之间构成用于冷却液、例如水H2O的通道结构。在板材上方，第一反应气体、例如含氧的反应气体O2，或第二反应气体、例如含燃料的反应气体H2被引导到相应地施加的气体扩散层GDL上。然而，在燃料电池100中，在分配器结构10*的阴极侧上，液态的产物水H2O聚集在双极板的腹板与气体扩散层GDL之间的接触面上，所述液态的产物水阻塞气体扩散层GDL内的细孔。由此，向催化器层的氧气运输在局部受到强烈阻碍，使得燃料电池100的功率在局部减小，从而导致燃料电池100的整体性能变差。
图2示出为燃料电池100或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物O2的本发明分配器结构10，所述分配器结构实施为具有第一结构元件11和第二结构元件12。根据本发明，第一结构元件11和第二结构元件12这样构造并且相对彼此这样布置，使得在第一结构元件11与第二结构元件12之间构造有用于反应气体的分配面15，使得从分配面15分支出多个输送通道16，这些输送通道基本上沿与分配面15垂直并因此与燃料电池100或电解装置的活性面垂直的方向F2定向，并且使得在第二结构元件12下方构造有多个排出通道17，这些排出通道平行于分配面15定向。此外，排出通道17沿与通过分配面15的反应气体输送方向F1垂直的方向F3定向。
根据本发明，现在，至少在分配器结构10*的阴极侧上不是如图1所示仅提供一个结构元件，而是如图2所示提供两个结构元件11，12。反应气体、优选含氧的反应气体O2在结构元件11，12之间被引导。在下方的或者说第二结构元件12与气体扩散层GDL之间，在第二结构元件12下方构成排出通道17，用于运走具有产物水H2O的废气。在此，输送通道16和排出通道17相对彼此流体分开。
如图3所说明那样，反应气体通过分配面15来分配，所述分配面能与燃料电池100的延伸平面平行地布置并且实施为具有从分配面15分支出的多个输送通道16。分配面15和输送通道16构造在例如由金属板材制成的两个本发明结构元件11，12之间。因此，反应气体可以均匀地且带有小压力损失地分配到燃料电池100或电解装置的整个活性面上。
如在图2中所表明那样，可以在结构元件11，12之间设置柱形或线形的连接元件13用于电接触以及机械稳定性，而不会阻碍反应气体通过分配面15的自由流动。
输送通道16例如能够以具有不同的、例如矩形或圆形的横截面的沟槽或凹块的形式被压印在第二结构元件12中。通过输送通道16，基本上与燃料电池100或电解装置的活性面垂直地输送反应气体。
在输送通道16的下侧处构造有一个或多个孔14，反应气体可以通过所述孔逸出到气体扩散层GDL中。膜M与气体扩散层GDL邻接，通过所述膜运输氢离子。
在第二结构元件12下方的用于输送通道16的凹陷部之间或者说在气体扩散层GDL与第二结构元件12之间，产物气体(在电解装置的情况下)或具有过量气体混合物的产物水H2O(在燃料电池100的情况下)与分配面15平行地或者说与气体扩散层GDL的延伸平面平行地从燃料电池100中或从电解装置中被排出。
因此，由两个结构元件11，12构成两个单独的通道结构，所述通道结构用于反应水H2O(在电解装置的情况下)或反应气体(在燃料电池100的情况下)并且用于产物气体(在电解装置的情况下)或具有过量气体混合物的产物水H2O(在燃料电池100的情况下)，使得相应的电化学反应的反应物和产物在流体技术上相对彼此分开。从燃料电池100或电解装置的另一侧，可以实现本身呈任意形式的、例如作为压制的金属板的第二分配器结构，该第二分配器结构用于第二反应气体、例如含燃料的反应气体H2。此外，在用于第一(例如含氧的)反应气体的本发明分配器结构10的第一结构元件11与用于第二(例如含燃料的)反应气体的第二分配器结构之间设置有用于冷却液、例如水H2O的通道结构。
有利地，经由分配面15将所输送的反应气体均匀地、优选带有小压力损失地从燃料电池100或电解装置的侧面分配到整个活性面上。从分配面分支出地，逐点地为活性面供应新鲜气体(反应气体)。与由图1已知的一件式双极板相对，气体浓度从输入口到输出口不是降低，而是逐点地为整个活性面供应新鲜气体。通过所有输送通道16的均匀的新鲜气体供应通过以下方式实现：分配面15内的压力损失明显小于通过输送通道16的压力损失。另一方面，本发明分配器结构10从输入口到输出口的总压降很小，因为总气体输送量的仅一小部分流过每个输送通道16。
通过本发明的分配器结构10，可靠地防止在第二结构元件12的凹陷部下面出现液态水聚集，因为反应气体直接流过处于分配器结构10与气体扩散层GDL之间的接触面12a。因此，确保了液态水的运走并且第二结构元件12的凹陷部不会被液态水淹没。
进一步的优点是气体输送垂直于活性面，由此能够实现到气体扩散层GDL中的对流式气体运输。在图1中的双极板中，反应气体O2，H2平行于活性面流动，并且向催化器层的气体运输以纯扩散的方式进行。本发明意义上的对流式气体输送能够以有利的方式均匀且受控地实施到整个活性面上。
在本发明的范畴内能考虑，可以设置通风装置或抽吸装置，以便在第二结构元件12下方或第二结构元件12与气体扩散层GDL之间将废气抽吸走，因此有利于废气流过排出通道17。
如图1和2所示，第一结构元件11能够以平坦的板元件的形式构造。第二结构元件12能够以压制和/或冲压和/或至少区域地穿孔的板元件的形式构造。这种结构元件11，12是简单且低成本的构件。因此，提供了分配器结构10的低成本且简单的制造。
在第二结构元件12的面向第一结构元件11的第一侧12.1上构造有输送通道16，其中，在第二结构元件12的能朝向气体扩散层GDL的第二侧12.2上构造有排出通道17。除了穿过本发明分配面15的阴极管路以外，还可以为排出通道17提供单独的废气管路。此外可考虑，可以在单独的废气管路的输出口处设置例如呈抽吸装置形式的通风装置。
在输送通道16的底部16a，在第二结构元件12中构造有至少一个、优选多个孔14，反应气体能通过这些孔基本上与气体扩散层GDL的延伸平面垂直地被引入到气体扩散层GDL中。因此，除了通过输送通道16对流式地输送反应气体以外，在穿过孔14时还能够利用在与活性面垂直的方向上的所谓文丘里效应，以便均匀化并有利于反应气体的分配。
如图4所示，或者孔14或者输送通道16本身能够在反应气体输送的方向F1上具有变大的横截面，以便尽管从输入口通过分配面15到输出口出现可能的压降，仍能实现反应气体到气体扩散层GDL的均匀的气体输送。此外可考虑，从输送通道16到输送通道16，在输送通道16的底部16a上构造有在通过分配面15的反应气体输送的方向Fl上数量增加的孔14。
如图3还表明那样，在本发明的范畴内提供一种具有阳极室A和阴极室K的燃料电池100或电解装置，所述燃料电池或电解装置构造有相应的分配器结构10用于将含氧的气体混合物O2提供给阴极室K。
对图1至4的上述说明仅在示例的范围内说明本发明。当然，只要在技术上有意义，那么在不偏离本发明范围的情况下可以将实施方式的各个特征相互自由组合。

Claims (10)

1.一种用于为燃料电池(100)或电解装置提供至少一种反应气体、尤其含氧的气体混合物(O2)的分配器结构(10)，所述分配器结构具有第一结构元件(11)和第二结构元件(12)，其中，所述第一结构元件(11)和所述第二结构元件(12)这样构造并且相对彼此这样布置，
使得在所述第一结构元件(11)与所述第二结构元件(12)之间构造有用于所述反应气体的分配面(15)，
使得从所述分配面(15)分支出多个输送通道(16)，这些输送通道与所述分配面(15)基本垂直地定向，
并且使得在所述第二结构元件(12)下方构造有多个排出通道(17)，这些排出通道平行于所述分配面(15)定向。
2.根据权利要求1所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
所述第一结构元件(11)以平坦的板元件的形式构造。
3.根据权利要求1或2所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
所述第二结构元件(12)以压制和/或冲压和/或至少区域地穿孔的板元件的形式构造。
4.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
在所述第一结构元件(11)与所述第二结构元件(12)之间设置有至少一个导电的、尤其柱状的连接元件(13)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
所述第二结构元件(12)具有凹块结构和/或沟槽结构，以便在所述输送通道(16)的底部(16a)处建立与所述气体扩散层(GDL)的交替接触表面(12a)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
所述输送通道(16)构造在所述第二结构元件(12)的面向所述第一结构元件(11)的第一侧(12.1)上，
其中，所述排出通道(17)构造在所述第二结构元件(12)的能朝向气体扩散层(GDL)的第二侧(12.2)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
在所述输送通道(16)的底部(16a)处在所述第二结构元件(12)中构造有至少一个孔(14)，通过所述孔能将所述反应气体与所述气体扩散层(GDL)的延伸平面基本垂直地引入到所述气体扩散层(GDL)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
所述输送通道(16)在通过所述分配面(15)进行的反应气体输送的方向(F1)上具有变大的横截面。
9.根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)，
其特征在于，
在所述输送通道(16)的底部(16a)处，从输送通道(16)到输送通道(16)构造有数量变化的孔或在通过所述分配面(15)进行的反应气体输送的方向(F1)上数量增加的孔，
和/或，在所述输送通道(16)的底部(16a)处从输送通道(16)到输送通道(16)构造有多个孔，所述孔具有不同的横截面或在通过所述分配面(15)进行的反应气体输送的方向(F1)上变大的横截面积。
10.燃料电池(100)或电解装置，该燃料电池或电解装置具有阳极室(A)和阴极室(K)，
其特征在于，
设置有根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构(10)用于向所述阴极室(K)提供含氧的气体混合物(O2)。
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