CN112687904A

CN112687904A - 用于燃料电池组的双极板

Info

Publication number: CN112687904A
Application number: CN202011109268.0A
Authority: CN
Inventors: J·安德烈; C·布维耶; E·克劳德; N·雅宁; D·西拉克; D·扎菲尔
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-04-20
Also published as: FR3102308B1; EP3809504A1; CA3093799A1; US20210119227A1; US20240105967A1; FR3102308A1; JP2021077631A

Abstract

本发明涉及燃料电池组的双极板、电池和燃料电池组，当电池组处于使用位置，板在竖直平面中延伸；在竖直使用位置，板包括第一横向边缘、与第一横向边缘相对的第二横向边缘、上部和下部纵向边缘、在边缘之间的中央区域、用于传热流体入口的第一开口、收集传热流体的第二开口、用于氧化剂特别是空气的入口的第三开口、收集氧化剂的第四开口、用于燃料特别是氢气的入口的第五开口、收集燃料的第六开口，第一、第三和第六开口布置在第一横向边缘中且彼此轴向地布置，第二、第四和第五开口布置在第二横向边缘中且彼此轴向地布置，在板的竖直使用位置：第六开口在第一和第三开口下方，第四开口在第二和第五开口下方，第二开口在第四和第五开口上方。

Description

用于燃料电池组的双极板

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池组的双极板，一种包括这种板的用于燃料电池组的电池以及一种包括这种电池的燃料电池组。本发明特别有利地但非排他地适用于燃料电池组，其电池包括双极板，当电池组处在使用位置时，该双极板在竖直平面中延伸。

背景技术

以本身已知的方式，燃料电池组是一种电化学装置，其允许使用燃料(通常为氢气)和氧化剂(通常为氧气或包含氧气的气体如空气)将化学能转换为电能，反应产物是水，同时释放热量并产生电力。

燃料电池组例如可通过向车辆中包含的电装置供电来用于驱动机动车辆。

燃料电池组可由一个或多个电池组成。

参考图1，其示出了用于现有技术的燃料电池组的电池1，这种电池1包括质子传导电解质2，其夹在两个多孔的阴极电极3和阳极电极4之间，并在这两个电极3、4之间提供质子转移。

为此，电解质2可以是聚合物质子交换膜，尤其是厚度为20μm至200μm的聚合物质子交换膜，所得的电池组是PEM(质子交换膜)或PEMFC(质子交换膜燃料电池)组。

由电解质2和两个电极3、4制成的组件形成膜电极组件(MEA)5，膜电极组件自身夹在第一双极板6和第二双极板7之间，第一双极板和第二双极板收集电流、将氧化剂和燃料分配至电极3、4并使传热流体循环。

通常使用的双极板6、7由提供良好的耐腐蚀性和导电性的材料制成，例如基于碳的材料如石墨、聚合物浸渍的石墨或通过机械加工或模制成型的柔性石墨片。

还可行的是，为制造双极板6、7而使用金属材料如基于钛、基于铝和基于铁的合金，包括不锈钢。在这种情况下，双极板的成型/形状确定可通过压制或冲压低厚度的片状件来实现。

为了确保将氧化剂、燃料和传热流体分配到构成电池组的所有电池，第二双极板7包括六个开口7a、7b、7c、7d、7e、7f，其中三个开口7a、7b、7c布置在该板7的上边缘8上，另外三个开口7d、7e、7f以对称的方式布置在该板7的下边缘9上。

尽管图1仅示出了三个上开口6a、6b、6c和一个下开口6d，但第一双极板6包括布置在与双极板7上相同位置处的相同开口。

第一双极板6的开口6a、6b、6c、6d和第二双极板7的开口7a、7b、7c、7d、7e、7f对齐以由此形成歧管，所述歧管允许流体流过构成电池组的所有电池。

在这些开口7a、7b、7c、7d、7e、7f、6a、6b、6c、6d中的每一个处，导管(未示出)使得可以供应或收集在板6、7的表面上流动的、或流动穿过板6、7的、或流动穿过为此目的而设置的流体流动通道的传热流体、燃料或氧化剂。

参照图2，该图是沿图1的线II-II截取的截面，阴极电极3和阳极电极4中的每个均包括分别作为阴极反应和阳极反应的部位的各自的活性层10、11和插在活性层10、11和相应的双极板7、6之间的各自的扩散层12、13，该扩散层12、13例如可以是纸基质或碳纤维。

扩散层12、13允许流经各自通道14、15的反应物如氢气和氧气的扩散，所述通道14、15由在各自双极板7、6中开设的沟槽形成。

以此方式，经由扩散层13向阳极电极4的活性层11供应氢气，并且在该活性层11中发生的反应如下：H₂→2e^-+2H⁺。以相同的方式，经由扩散层12向阴极电极3的活性层10供应氧气，并且在该活性层10中发生的反应如下：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。通过膜2的存在使这些反应成为可能，该膜允许质子从阳极4的活性层11转移到阴极3的活性层10。

在燃料电池组被液体冷却的情况下，特别是在低温燃料电池组(也称为“低温质子交换膜(LT-PEM)”)的情况下，当电池组处于使用位置时，双极板在竖直平面中延伸。重要的是，确保流体均匀地循环并且防止水积聚在歧管中和/或位于板的下部的通道中以及防止溶解的气体滞留在歧管和/或位于板的下部的通道中。

另外，配备有燃料电池组的系统的性能和使用寿命在很大程度上取决于反应物的输送质量和反应产生的水的管理。反应物的分布需要尽可能均匀，膜电极组件需要保持良好的水合作用，同时，还需要精确地从电极的孔隙除去尽可能多的水，以允许反应物进入反应部位。更具体地，必须在气体入口处的膜的质子导体的变干与气体出口处的电极的溢流(flooding)之间取得折中。

发明内容

本发明旨在通过提供用于燃料电池组的双极板来有效地克服这些缺陷，当该电池组处于使用位置时，该板在竖直平面中延伸，在竖直使用位置，该板包括第一横向边缘、与第一横向边缘相对的第二横向边缘、上部纵向边缘、下部纵向边缘、布置在这些边缘之间的中央区域、用于传热流体的入口的第一开口、用于收集传热流体的第二开口、用于氧化剂(特别是空气)的入口的第三开口、用于收集氧化剂的第四开口、用于燃料(特别是氢气)的入口的第五开口、用于收集燃料的第六开口，第一、第三和第六开口布置在第一横向边缘中并且相对于彼此轴向布置，第二、第四和第五开口布置在第二横向边缘中并且相对于彼此轴向地布置，该板包括至少一个分配腔室，其特征在于，在该板的竖直使用位置：

-第六开口布置在第一和第三开口的下方，

-第四开口布置在第二和第五开口的下方，

-第二开口布置在第四和第五开口的上方。

由于传热流体在其流经电池时温度升高，在阴极的入口处，过量的空气促进了部分地构成膜的活性层的离聚物的干燥。另外，在阴极的出口处，产生的水的积聚促使电极的溢流。因此，在板处于竖直使用位置时，即当电池组处于水平使用位置时，本发明能够在不损害流体分配的均匀性的情况下促进水的去除和传热流体的脱气。

第二开口的特定定位允许滞留在冷却回路中的气泡自然逸出。具体地，在板的竖直位置，在该回路中形成的气泡位于分配腔室的上部，并因此可经由位于相同高度处的第二开口逸出。

出人意料的是，冷却回路的这种布置所提供的优点有利地补偿了由于第六和第五开口之间缺乏对称性而引起的压头损失的不平衡。

根据一个实施例，在板的竖直使用位置，第三开口布置在第一开口和第六开口上方。

这样的构造使得可以通过燃料收集部的相对配置/分布来防止阳极室溢流，同时氧化剂/燃料逆流和氧化剂/传热流体并流的情况通过更好的水管理使电池的操作条件均化。

根据一个实施例，分配腔室在板的表面上布置在第一横向边缘上，分配腔室特别地至少面向第三，第一和第六开口延伸。

根据一个实施例，分配腔室在板的表面上布置第二横向边缘上，分配腔室特别地至少面向第二，第五和第四开口延伸。

这种构造使得可以平衡(在入口和收集部之间的)压头损失，使得无需专门将分配腔室设计成能平衡流体流。因此，减少了板的体积和压头损失。

根据一个实施例，分配腔室包括突出的图案，特别是由焊料(solder)构成的隆起部或线条，以促进流体分配的均匀性。

根据一个实施例，所述板包括布置在中央区域中的流动通道，特别是在板的表面上布置在中央区域中的流动通道，所述流动通道例如呈所述表面的波纹部的形式。

根据一个实施例，流动通道沿板的纵向轴线延伸。

这种构造使得可以减小板的体积，同时保持流体分配中的良好均匀度。

根据一个实施例，每个开口均包括贯穿板的厚度的孔。

本发明的另一主题是用于燃料电池组特别是用于质子交换膜燃料电池组的电池，该电池包括如上所述的两个双极板和膜电极组件，所述板布置为相互配合并且其中膜电极组件夹在这两个板之间。

根据一个实施例，膜电极组件在分配腔室中不含催化剂。

本发明的另一主题是燃料电池组，特别是质子交换膜燃料电池组，其包括至少一个如上所述的电池。

根据一个实施例，该电池组包括：

-用于传热流体的入口歧管，其旨在连接至传热流体进口，以允许流体流过第一开口；

-用于氧化剂的入口歧管，其旨在连接至氧化剂进口，以允许氧化剂流过第三开口；和

-用于燃料的入口歧管，其旨在连接至燃料进口，以允许燃料流过第五开口。

附图说明

通过阅读以下描述并研究附图，将更好地理解本发明。这些附图仅以举例说明的方式给出，并不以任何方式限制本发明。

图1示意性地示出了现有技术的电池；

图2是沿图1的II-II轴线的图；和

图3是根据本发明的用于电池的双极板的主视图。

在各图中，那些相同、相似或类似的元件采用相同的附图标记。

具体实施方式

根据本发明的用于燃料电池组的电池是结合图1和2描述的类型。该电池包括两个图3所示类型的双极板70和与参考图1和图2所述类型相同的膜电极组件。这两个双极板70布置成能相互配合，以使得膜电极组件被夹在这两个板70之间。

根据本发明的燃料电池组包括一组电池，如以上所描述的那些。

参照图3，本发明的双极板70的横截面为矩形。在一个示例性实施例中，该双极板的长度大于其宽度的约两倍。

当电池组处于使用位置时，双极板70在竖直平面中延伸，并且其包括第一横向边缘22、与第一横向边缘22相对的第二横向边缘24、上部纵向边缘20、下部纵向边缘26和布置在边缘20、22、24、26之间的中央区域30。

双极板70包括用于氧化剂的入口的第三开口63，该第三开口布置在第一横向边缘22中。

在板70中开设用于引入氧化剂的引入通道50，以允许将氧化剂从第三开口63引入到用于分配氧化剂的分配腔室42中，该分配腔室在第一横向边缘22上布置在板70中。

用于分配氧化剂的分配腔室42包括由焊料构成的隆起部或线条，所述隆起部或线条使得可以促进由此引入的氧化剂的分配的均匀性，从而使氧化剂流过中央区域30，并且更具体地使氧化剂流过膜电极组件的紧靠双极板70的一个表面的阴极电极。分配腔室42在中央区域30的整个高度上竖直延伸。

用于氧化剂循环的流动通道44在板70的表面上并且在板的一侧上布置在中央区域30中，以允许氧化剂循环。这些流动通道44沿板70的纵向轴线延伸并且通向位于第二横向边缘24上的、用于分配氧化剂的另一个分配腔室42。

双极板70还包括布置在第二横向边缘24中的、用于收集氧化剂的第四开口64。

在板70中开设用于收集氧化剂的收集通道54，以允许氧化剂从位于第二横向边缘上的分配腔室42被收集在第四开口64中。因此，这些收集通道54使得可以收集已经流过流动通道44并且已经由分配腔室42分配的氧化剂。

在图3中，仅可看到板70的一个表面，并且在该表面上，可以看见用于分配氧化剂的分配腔室42、流动通道44，引入通道50和收集通道54。

当电池组已被组装时，所有板的、用于氧化剂的入口的第三开口63和用于收集氧化剂的第四开口64均重叠并且形成歧管，该歧管将氧化剂输送通过电池组。当电池组处于使用位置时，歧管沿与板70的宽度正交的轴线延伸。

双极板70包括布置在第一横向边缘22中的、用于传热流体的入口的第一开口61。

类似地，在板70中开设用于引入传热流体的引入通道，以允许将传热流体从第一开口61引入到在第一横向边缘上布置在板70中的分配腔室中。分配腔室包括由焊料构成的隆起部或线条，所述隆起部或线条能够促进由此引入的传热流体的分配的均匀性，从而使传热流体在双极板70内在中央区域30中流动。有利地，用于分配传热流体的分配腔室可由与用于分配氧化剂或燃料的分配腔室所应用的图案互补的图案形成。分配腔室在中央区域30的整个高度上竖直延伸。

在中央区域30中布置有用于使传热流体循环的流动通道(未示出)，以允许流体循环。这些通道沿板70的纵向轴线延伸并且通向位于第二横向边缘上的、用于分配传热流体的分配腔室。

双极板70还包括用于收集传热流体的第二开口62，该第二开口布置在第二横向边缘24中。

在板70中开设用于收集传热流体的收集通道，以允许将传热流体从位于第二横向边缘上的分配腔室收集到第二开口62中。因此，这些收集通道使得可以收集已经流过流动通道并且已经由用于分配传热流体的分配腔室分配的传热流体。

当电池组已被组装时，所有板的、用于传热流体的入口的第一开口61和用于收集传热流体的第二开口62均重叠并且形成歧管，该歧管将传热流体输送通过电池组。当电池组处于使用位置时，歧管沿与板70的宽度正交的轴线延伸。

双极板70包括布置在第二横向边缘24中的、用于燃料入口的第五开口65。

类似地，在板70中开设用于引入燃料的引入通道，以允许将燃料从第五开口65引入到在第二横向边缘24上布置在板70中的、用于分配燃料的分配腔室中。

用于分配燃料的分配腔室包括由焊料构成的隆起部或线条，所述隆起部或线条使得可以促进由此引入的燃料分配的均匀性，从而使燃料流过中央区域30，并且更具体地使燃料流过膜电极组件的紧靠双极板70的另一表面的阳极电极。分配腔室在中央区域30的整个高度上竖直延伸。

用于燃料循环的流动通道在板70的表面上并且在板的另一侧上布置在中央区域30中，以允许燃料循环。这些流动通道沿板70的纵向轴线延伸并且通向位于第一横向边缘22上的、用于分配燃料的另一个分配腔室。

双极板70还包括布置在第一横向边缘22中的用于收集燃料的第六开口66。

在板70中开设用于收集燃料的收集通道，以允许燃料从位于第一横向边缘22上的分配腔室被收集在第六开口66中。这些收集通道因此使得可以收集流过流动通道并由分配腔室分配的燃料。

当电池组已被组装时，所有板的、用于燃料入口的第五开口65和用于收集燃料的第六开口66均重叠并且形成歧管，该歧管将燃料输送通过电池组。当电池组处于使用位置时，歧管沿与板70的宽度正交的轴线延伸。

Claims

1.一种用于燃料电池组的双极板(70)，当所述燃料电池组处于使用位置时，所述双极板(70)在竖直平面中延伸；在竖直使用位置，所述双极板(70)包括第一横向边缘(22)、与所述第一横向边缘(22)相对的第二横向边缘(24)、上部纵向边缘(20)、下部纵向边缘(26)、布置在所述第一横向边缘(22)、所述第二横向边缘(24)、所述上部纵向边缘(20)和所述下部纵向边缘(26)之间的中央区域(30)、用于传热流体的入口的第一开口(61)、用于收集传热流体的第二开口(62)、用于氧化剂特别是空气的入口的第三开口(63)、用于收集氧化剂的第四开口(64)、用于燃料特别是氢气的入口的第五开口(65)、用于收集燃料的第六开口(66)；所述第一开口(61)、所述第三开口(63)和所述第六开口(66)布置在所述第一横向边缘(22)中并且相对于彼此轴向地布置，所述第二开口(62)、所述第四开口(64)和所述第五开口(65)布置在所述第二横向边缘(24)中并且相对于彼此轴向地布置，所述双极板(70)包括至少一个分配腔室(42)，其特征在于，在所述双极板的竖直使用位置：

-所述第六开口(66)布置在所述第一开口(61)和所述第三开口(63)的下方，

-所述第四开口(64)布置在所述第二开口(62)和所述第五开口(65)的下方，

-所述第二开口(62)布置在所述第四开口(64)和所述第五开口(65)的上方。

2.根据权利要求1所述的双极板(70)，其特征在于，在所述双极板的竖直使用位置，所述第三开口(63)布置在所述第一开口(61)和所述第六开口(66)的上方。

3.根据权利要求1或2所述的双极板(70)，其特征在于，所述分配腔室(42)在所述双极板(70)的表面上布置在所述第一横向边缘(22)上，所述分配腔室(42)特别是至少面向所述第三开口(63)、所述第一开口(61)和所述第六开口(66)延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(70)，其特征在于，所述分配腔室(42)包括突出的图案，以促进流体分配的均匀性，所述突出的图案特别是由焊料构成的隆起部或线条。

5.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(70)，其特征在于，所述双极板(70)包括流动通道(44)，所述流动通道布置在所述中央区域(30)中，特别是在所述双极板(70)的表面上布置在所述中央区域中，所述流动通道例如呈所述表面的波纹部的形式。

6.根据权利要求5所述的双极板(70)，其特征在于，所述流动通道(44)沿所述双极板(70)的纵向轴线延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(70)，其特征在于，所述第一开口(61)、所述第二开口(62)、所述第三开口(63)、所述第四开口(64)、所述第五开口(65)和所述第六开口(66)中的每一个均包括贯穿所述双极板(70)的厚度的孔。

8.一种用于燃料电池组、特别是用于质子交换膜燃料电池组的电池，其特征在于，所述电池包括膜电极组件和两个根据前述权利要求中任一项所述的双极板(70)，两个双极板(70)布置成一起协作，其中所述膜电极组件夹在两个双极板(70)之间。

9.一种燃料电池组、特别是质子交换膜燃料电池组，其包括至少一个根据权利要求8所述的电池。

10.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料电池组包括：

-用于传热流体的入口歧管，该用于传热流体的入口歧管旨在连接至传热流体进口，以允许传热流体流过第一开口(61)；

-用于氧化剂的入口歧管，该用于氧化剂的入口歧管旨在连接至氧化剂进口，以允许氧化剂流过第三开口(63)；和

-用于燃料的入口歧管，该用于燃料的入口歧管旨在连接至燃料进口，以允许燃料流过第五开口(65)。