CN113767489A - 包括可变双极板的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种燃料电池堆，该燃料电池堆具有膜电极装置和用于给这些膜电极装置供应工作介质和冷却剂的双极板（12），其中第一双极板（12.1）具有流动通路（35、45、52），这些流动通路的通路深度（TA、TK、TC）不同于第二双极板（12.2）的相对应的流动通路（35、45、52）的通路深度。本发明还涉及一种具有燃料电池系统的车辆，该燃料电池系统具有这种燃料电池堆。

Description

包括可变双极板的燃料电池堆
背景技术
燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极装置（MEA，针对membrane electrode assembly）作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的（大多是传导氢离子的）膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。后者大多包括被支承的贵金属、尤其是铂。此外，在膜电极装置两侧的气体扩散层（GDL）可以布置在电极的背离该膜的侧面上。燃料电池通常通过多个布置成堆（stack）的MEA形成，所述MEA的电压相加。在各个膜电极装置之间通常布置有双极板（也称作流场板或隔膜板），这些双极板保证了给单电池供应工作介质、即反应物，而且通常也用于冷却。这些双极板还引起与这些膜电极装置的导电接触。
在燃料电池运行时，燃料（阳极工作介质）、尤其是氢气H2或者含氢的气体混合物通过双极板的在阳极侧敞开的流场被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H2电化学氧化成氢离子H+（H2 → 2 H+ + 2 e–）。通过电解质或者使反应区气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，（水结地或者无水地）将氢离子从阳极区运输到阴极区。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧的气体混合物（例如空气）作为阴极工作介质通过双极板的在阴极侧敞开的流场被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从O2还原成O2-（½ O2 +2 e– → O2-）。同时，氧离子在阴极区中在形成水的情况下与被运输经过所述膜的氢离子发生反应（O2- + 2 H+ →H2O）。
通过主供应通道给燃料电池堆供应它的工作介质，即阳极工作气体（例如氢气）、阴极工作气体（例如空气）和冷却剂，所述主供应通道沿堆的整个堆叠方向穿过所述堆，并且工作介质由所述主供应通道经过双极板被输送给单电池。对于每种工作介质来说，存在至少两个这种主供应通道，即一个用于输送相应的工作介质的主供应通道和一个用于排出相应的工作介质的主供应通道。
通常，双极板由两个彼此连接的半板组成，所述两个彼此连接的半板分别在两侧结构化。在彼此背离的侧面需要用于输送工作介质的结构化部并且在朝向彼此的侧面需要用于输送冷却剂的结构化部。在此，这些半板必须分别彼此协调，因为必须借助于两个半板来提供三个单独的输送路线。这导致其它边界条件，所述其它边界条件降低了双极板的设计的灵活性。在典型的实施方案中，已知的双极板的半板压型地来形成，其中型材彼此啮合或嵌套。
由于阴极侧的反应而形成水作为反应产物，必须将水从燃料电池中除去。还必须将反应热量有效地散发出，以便避免燃料电池的过热。已经发现：在燃料电池堆的情况下，在控制生热以及排水方面都存在困难。
发明内容
因此，本发明的任务在于：消除现有技术中所描述的燃料电池的问题，尤其是改善对散热以及排水的控制。
该任务通过具有独立权利要求的特征的一种双极板、一种燃料电池堆以及一种具有这种燃料电池堆的车辆来被解决。
按照本发明的第一方面，描述了一种燃料电池堆，该燃料电池堆包括在两个端板之间交替布置的膜电极装置和双极板的堆，其中这些双极板包括：具有阳极侧和冷却剂侧的阳极板；以及具有阴极侧和冷却剂侧的阴极板；以及多个电极侧流动通路；和多个冷却剂侧流动通路，其特征在于，第一双极板具有至少一个阳极侧流动通路，该阳极侧流动通路的通路深度不同于第二双极板的至少一个阳极侧流动通路的通路深度；和/或第一双极板具有至少一个阴极侧流动通路，该阴极侧流动通路的通路深度不同于第二双极板的至少一个阴极侧流动通路的通路深度；和/或第一双极板具有至少一个冷却剂侧流动通路，该冷却剂侧流动通路的通路深度不同于第二双极板的至少一个冷却剂侧流动通路的通路深度。
即，按照本发明的燃料电池堆通过沿堆叠方向的通路深度的有针对性的变化来解决现有技术中的燃料电池堆的问题。经此，能够实现对排水的经改善的控制以及对散热的经改善的控制。还可以优化跨电池流动。通过按照本发明的燃料电池堆，由于燃料电池堆可以根据应用领域而单独被设计，所以燃料电池的设计自由度增加。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中第一双极板在第一堆叠方向上相比于第二双极板布置得更靠近燃料电池堆的第一端板，而且第一双极板的冷却剂侧流动通路中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度小于第二双极板的冷却剂侧流动通路中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度。
经此，能够实现对散热的经改善的控制。在端板附近的生热不同于在堆中心的生热的事实被考虑到。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中第一双极板在第一堆叠方向上相比于第二双极板布置得更靠近燃料电池堆的第一端板，而且第一双极板的阴极侧流动通路中的至少一个阴极侧流动通路的深度大于第二双极板的阴极侧流动通路中的至少一个阴极侧流动通路的深度。
经此，能够实现对生水的经改善的控制。在端板附近的生水不同于其余堆的生水的事实被考虑到。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中双极板在阳极侧具有阳极侧结构元件，用于形成阳极侧流动通路，而且双极板在阴极侧具有阴极侧结构元件，用于形成阴极侧流动通路，其中第一双极板具有至少一个阳极侧结构元件，该阳极侧结构元件的高度不同于第二双极板的至少一个阳极侧结构元件的高度；和/或第一双极板具有至少一个阴极侧结构元件，该阴极侧结构元件的高度不同于第二双极板的至少一个阴极侧结构元件的高度。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中双极板具有冷却剂侧结构元件，用于形成冷却剂侧流动通路，其中第一双极板具有至少一个冷却剂侧结构元件，该冷却剂侧结构元件的高度不同于第二双极板的至少一个冷却剂侧结构元件的高度。
优选地，这些结构元件彼此间隔开地布置，使得氧化剂或还原剂/燃料或冷却剂可以以尽可能低的压力损失流经双极板的相对应的流场。
此外，阳极板和阴极板的流场以及冷却剂流场可以彼此独立地被单独设计。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中阳极板和阴极板包括金属或导电碳基材料，优选石墨或者由石墨和碳构成的复合材料。尤其描述了一种双极板，其中阳极板和阴极板基本上由金属或导电碳基材料、优选石墨或者由石墨和碳构成的复合材料组成。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中电极侧结构元件中的至少一个电极侧结构元件包括弹性导电聚合物并且优选地由该弹性导电聚合物组成。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中冷却剂侧结构元件中的至少一个冷却剂侧结构元件弹性地来构造。
按照一个优选的实施方式，描述了一种燃料电池堆，其中冷却剂侧结构元件包括弹性导电聚合物并且优选地由该弹性导电聚合物组成。
按照本发明提供的结构元件可以由弹性导电聚合物组成，该弹性导电聚合物在燃料电池运行的温度范围内是稳定的。优选地，使用硅酮或硅氧烷，其中聚二甲基硅氧烷是特别优选的。
该聚合物优选地具有>100 S/cm的导电能力。电阻优选为0.0008Ωcm并且压缩模量优选小于150 MPa，进一步优选小于30 MPa。
按照另一实施方式，描述了一种双极板，其中这些结构元件中的一个或多个结构元件构造成柱状并且优选地具有矩形或椭圆形截面。与此相对应地，阳极侧结构元件和/或阴极侧结构元件和/或冷却剂侧结构元件可以构造成柱状并且分别优选地具有矩形或椭圆形截面，使得能够实现非常简单的制造。具有一个或两个对称轴的圆形或椭圆形截面也是优选的。
这些结构元件可具有分布在该双极板的表面上的不一样大的截面积，以便满足对在该双极板的不同区域内的弹力的不同要求。
根据按照本发明的双极板的特别优选的实施方式，结构化部、即阳极板和阴极板的结构元件的布置被设计为使得至少在阳极板和阴极板的分别不同侧面上的结构元件的接触面被这些结构化部所覆盖，以便使压力分布在整个堆高度上。
因此，阳极侧的结构元件和阴极板的结构元件以及冷却剂侧结构元件沿双极板的堆叠方向直接重叠地布置。这样，可以有利地避免双极板的损坏。
为了优化流动条件，能够没有任何问题地实现阳极板和阴极板的结构化部的超出的空间设计。与冷却剂侧结构元件的设计方案等效的设计方案是优选的。
按照本发明，也能够实现对具有不同截面的结构元件的混合。
这些结构元件可以在形成流动区域的情况下均匀或不均匀地布置在冷却剂流场中，以便避免压力损失并且根据需要来使用所需的弹力。优选地，这些结构元件在均匀布置的情况下形成网格图案。
按照另一实施方式，描述了一种双极板，其中阳极侧结构元件与阳极板连接和/或阴极侧结构元件与阴极板连接。在该实施方式中，阳极侧结构元件并不借助于阳极侧载体板与阳极板连接，和/或阴极侧结构元件并不借助于阴极侧载体板与阴极板连接。
按照另一替选的实施方式，描述了一种双极板，其中阳极侧结构元件借助于阳极侧载体板与阳极板连接，和/或阴极侧结构元件借助于阴极侧载体板与阴极板连接。在此，这些阳极侧结构元件优选地一体化地是阳极侧载体板的组成部分。这些阴极侧结构元件优选地一体化地是阴极侧载体板的组成部分。
可以形成上述实施方式的混合形式。这样，这些阴极侧结构元件可以借助于阴极侧载体板与阴极板连接，而这些阳极侧结构元件在没有载体板的情况下与阳极板连接。在另一种混合形式中，这些阴极侧结构元件在没有阴极侧载体板的情况下与阴极板连接，而这些阳极侧结构元件借助于载体板与阳极板连接。这些载体板具有带这些结构元件的结构化侧并且具有没有这些结构元件的基本上平坦的相反侧。载体板以没有这些结构元件的平坦侧来与阳极板或与阴极板连接。
按照另一实施方式，描述了一种双极板，其中冷却剂侧结构元件不仅与阳极板连接而且与阴极板连接。按照该实施方式，这些冷却剂侧结构元件不是载体板的组成部分。这些结构元件优选地与至少阳极板或阴极板例如粘接，其中单侧粘接可以使双极板的安装变得容易并且通常足够。优选地，在这种情况下，与引导氧化剂的阴极板粘接。
按照一个替选的实施方式，描述了一种双极板，其中这些冷却剂侧结构元件是冷却剂侧载体板的组成部分。这些冷却剂侧结构元件优选地一体化地是冷却剂侧载体板的组成部分。该载体板具有带这些结构元件的结构化侧并且具有没有这些结构元件的基本上平坦的相反侧。载体板以没有这些结构元件的平坦侧来与阳极板或者与阴极板连接。
按照另一实施方式，描述了一种双极板，其中阳极侧结构元件和/或阴极侧结构元件构造成柱状。
按照另一实施方式，描述了一种车辆，其中该车辆具有燃料电池堆，该燃料电池堆具有按照本发明所描述的双极板之一。
本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。
只要在个别情况下不另作解释，本发明的在本申请中提到的不同的实施方式就能有利地彼此结合。
附图说明
随后，本发明在实施例中依据所属的附图来被阐述。其中：
图1示出了燃料电池堆的示意图；
图2以从上方的透视图示出了按照本发明的按照第一实施方式的燃料电池堆的双极板；
图3以截面图示出了根据图2的双极板；
图4以示意性侧视图示出了燃料电池堆，该燃料电池堆指明了第一双极板和第二双极板的方位；
图5以截面图示出了按照本发明的按照第二实施方式的燃料电池堆的双极板；
图6以俯视图示出了用于按照本发明的燃料电池堆的双极板的在载体板上的具有基本上椭圆形截面的结构元件。
具体实施方式
图1以示意图示出了按照本发明的整体上用100来表示的燃料电池堆。燃料电池堆100是未进一步示出的车辆、尤其是电动车辆的部分，该车辆具有牵引电机，通过燃料电池堆100来给该牵引电机供应电能。
燃料电池堆100包括多个交替地、在它们的扁平侧排在一起的（堆叠的）膜电极装置10和双极板12。即，整体上，多个被堆叠的单电池11构成燃料电池堆100，其中不仅这些单电池11中的任何一个而且燃料电池堆100一般都可以称为燃料电池。燃料电池堆100在两侧具有端板18。在双极板12与相应的膜电极装置10之间布置有未示出的阳极和阴极区，所述阳极和阴极区受到环绕式密封部20的限制。尤其是，为了建立密封部20的密封功能，燃料电池堆100沿堆叠方向S借助于夹紧系统来被压在一起（压紧）。
该夹紧系统包括外部夹紧装置22以及双极板12的这里不可见的弹性结构元件。这些弹性结构元件在下文还更详细地被描述。
为了建立被传递到燃料电池堆100中的结构元件上的外部应力，外部夹紧装置22的细长拉伸体24在两个端板18之间传递拉力，使得端板18借助于拉伸体24被拉向彼此。为此，拉伸体24沿燃料电池堆100的堆叠方向S延伸。经此，在堆之内形成相当大的压力。
图2和3以不同视图示出了按照本发明的根据第一实施方式的双极板12。分别示出了双极板12的细节。
在这种情况下，双极板12包括两个单板，即阳极板30以及阴极板40。阳极板30具有阳极侧31和面向阴极板40的冷却剂侧32。阴极板40具有阴极侧41和面向阳极板30的冷却剂侧42。为了形成冷却剂流场50，在阳极板30与阴极板40之间分别在冷却剂侧32、42上布置冷却剂侧结构元件51，这些冷却剂侧结构元件与阳极板30和阴极板40接触。这些结构元件51是柱状的并且具有方形截面。这些结构元件均匀分布并且因此形成以网格网络为形式的流动通路52，冷却剂可以沿相对于双极板12的主轴线的纵向和横向方向流经这些流动通路。
在背离冷却剂流场50的阳极侧31和阴极侧41，设置阳极侧结构元件33或阴极侧结构元件43，这些阳极侧结构元件和这些阴极侧结构元件两者类似于冷却剂流场50的冷却剂侧结构元件51地来设计并且形成阳极流场34或阴极流场44。也就是说，这些阳极侧结构元件和这些阴极侧结构元件呈具有方形截面的柱状。这并不排除这些结构元件具有其它形状的截面。双极板12具有至少一个阳极侧流动通路35，该阳极侧流动通路具有通路深度TA。双极板12还具有阴极侧流动通路45，所述阴极侧流动通路具有通路深度TK。双极板12还具有冷却剂侧流动通路52，所述冷却剂侧流动通路具有通路深度TC。在图4中，现在示出了第一双极板12.1和第二双极板12.2的相对布置。第一双极板12.1具有至少一个阳极侧流动通路TA，该阳极侧流动通路的通路深度TA不同于第二双极板12.2的至少一个阳极侧流动通路35的通路深度TA。第一双极板12.1还可具有至少一个阴极侧流动通路45，该阴极侧流动通路的通路深度TK不同于第二双极板12.2的至少一个阴极侧流动通路TK的通路深度TK。第一双极板12.1还可具有至少一个冷却剂侧流动通路52，该冷却剂侧流动通路的通路深度TC不同于第二双极板12.2的至少一个冷却剂侧流动通路TC的通路深度TC。
在此，第一双极板12.1在第一堆叠方向S1上相比于第二双极板12.2布置得更靠近燃料电池堆100的第一端板12.1，如同样从图4中可见。现在，第一双极板12.1的冷却剂侧流动通路52中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度TC优选地小于第二双极板12.2的冷却剂侧流动通路52中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度TC。经此，能够实现对散热的更好的控制。这里，第一堆叠方向S1表示从堆的中间平面M到第一端板18.1的方向。第二堆叠方向S2表示从堆的中间平面M到第二端板18.2的方向。
阳极侧结构元件33具有高度HA。阴极侧结构元件43具有高度HK。冷却剂侧结构元件51具有高度HC。高度HA、HK、HC分别与深度TA、TK、TC对应。
图4进而以截面示出了根据第二实施方式的双极板12的细节。在该实施方式中，结构元件51与载体板56一体化地形成，该载体板以扁平侧放在阴极板40的冷却剂侧42上。该载体板56的使用使得双极板12的安装明显变得容易。在该变型方案中，也可以将载体板56或结构元件51粘接。此外，在该实施方式中，阳极侧结构元件33与阳极侧载体板36一体化地形成，该阳极侧载体板以扁平侧放在阴极板30的阳极侧31上。该载体板36的使用使得双极板12的安装还进一步变得容易。此外，在该实施方式中，阴极侧结构元件43也与阴极侧载体板46一体化地形成，该阴极侧载体板以扁平侧放在阴极板40的阴极侧41上。该载体板46的使用进而再次使得双极板12的安装变得容易。即，总的来说，在图6中示出的实施方式与在图2和3中示出的实施方式的区别在于：结构元件33、43、51不是直接被施加到阳极板30或阴极板40上，而是借助于载体板36、46、56被施加到该阳极板或该阴极板上。
只要未明确说明，这些实施方案就同等地涉及所有实施方式。
附图标记清单
100 燃料电池堆
10 膜电极装置
11 单电池
12 双极板
12.1 第一双极板
12.2 第二双极板
18 端板
18.1 第一端板
18.2 第二端板
20 密封部
22 夹紧装置
24 细长拉伸体
30 阳极板
31 阳极侧
32 冷却剂侧
33 阳极侧结构元件
34 阳极流场
35 阳极侧流动通路
36 阳极侧载体板
40 阴极板
41 阴极侧
42 冷却剂侧
43 阴极侧结构元件
44 阴极流场
45 阴极侧流动通路
46 阴极侧载体板
50 冷却剂流场
51 冷却剂侧结构元件
52 冷却剂侧流动通路
56 冷却剂侧载体板
TA 阳极侧流动通路的深度
TK 阴极侧流动通路的深度
TC 冷却剂侧流动通路的深度
HA 阳极侧结构元件的高度
HK 阴极侧结构元件的高度
HC 冷却剂侧结构元件的高度
S 堆叠方向
S1 第一堆叠方向
S2 第二堆叠方向
M 燃料电池堆的中间平面

Claims (12)

1.一种燃料电池堆（100），所述燃料电池堆包括在两个端板（18、18.1、18.2）之间交替布置的膜电极装置（10）和双极板（12、12.1、12.2）的堆，其中所述双极板（12、12.1、12.2）包括：
阳极板（30），所述阳极板具有阳极侧（31）和冷却剂侧（32）；以及阴极板（40），所述阴极板具有阴极侧（41）和冷却剂侧（42）；以及多个具有通路深度（TA、TK）的电极侧流动通路（35、45）；和多个具有通路深度（TC）的冷却剂侧流动通路（52），
其特征在于，
第一双极板（12.1）具有至少一个阳极侧流动通路（35），所述阳极侧流动通路的通路深度（TA）不同于第二双极板（12.2）的至少一个阳极侧流动通路（35）的通路深度（TA）；和/或
所述第一双极板（12.1）具有至少一个阴极侧流动通路（45），所述阴极侧流动通路的通路深度（TK）不同于所述第二双极板（12.2）的至少一个阴极侧流动通路（45）的通路深度（TK）；和/或
所述第一双极板（12.1）具有至少一个冷却剂侧流动通路（52），所述冷却剂侧流动通路的通路深度（TC）不同于第二双极板（12.2）的至少一个冷却剂侧流动通路（52）的通路深度（TC）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆（100），其特征在于，所述第一双极板（12.1）在第一堆叠方向（S1）上相比于所述第二双极板（12.2）布置得更靠近所述燃料电池堆（100）的第一端板（18.1），而且所述第一双极板（12.1）的冷却剂侧流动通路（52）中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度（TC）小于所述第二双极板（12.2）的冷却剂侧流动通路（52）中的至少一个冷却剂侧流动通路的深度（TC）。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆（100），其特征在于，所述第一双极板（12.1）在第一堆叠方向（S1）上相比于所述第二双极板（12.2）布置得更靠近所述燃料电池堆（100）的第一端板（18.1），而且所述第一双极板（12.1）的阴极侧流动通路（45）中的至少一个阴极侧流动通路的深度（TK）大于所述第二双极板（12.2）的阴极侧流动通路（45）中的至少一个阴极侧流动通路的深度（TK）。
4.根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，所述双极板（12、12.1、12.2）在所述阳极侧（31）具有阳极侧结构元件（33），用于形成所述阳极侧流动通路（35），而且所述双极板在所述阴极侧（41）具有阴极侧结构元件（43），用于形成所述阴极侧流动通路（44），其中
所述第一双极板（12.1）具有至少一个阳极侧结构元件（33），所述阳极侧结构元件的高度（HA）不同于第二双极板（12.2）的至少一个阳极侧结构元件（33）的高度（HA）；和/或
所述第一双极板（12.1）具有至少一个阴极侧结构元件（43），所述阴极侧结构元件的高度（HK）不同于第二双极板（12.2）的至少一个阴极侧结构元件（43）的高度（HK）。
5.根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，所述双极板（12、12.1、12.2）具有冷却剂侧结构元件（51），用于形成所述冷却剂侧流动通路（52），其中
所述第一双极板（12.1）具有至少一个冷却剂侧结构元件（51），所述冷却剂侧结构元件的高度（HA）不同于第二双极板（12.2）的至少一个冷却剂侧结构元件（51）的高度（HA）。
6.根据上述权利要求4或5中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，冷却剂侧结构元件（51）和/或阳极侧结构元件（33）和/或阴极侧结构元件（43）构造成柱状。
7.根据上述权利要求4至6中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，冷却剂侧结构元件（51）和/或阳极侧结构元件（33）和/或阴极侧结构元件（43）具有矩形或椭圆形截面。
8.根据上述权利要求4至7中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，阳极侧结构元件（33）与所述阳极板（30）连接，和/或阴极侧结构元件（43）与所述阴极板（40）连接。
9.根据上述权利要求4至7中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，阳极侧结构元件（33）借助于阳极侧载体板（36）与所述阳极板（30）连接，和/或阴极侧结构元件（43）借助于阴极侧载体板（46）与所述阴极板（40）连接。
10.根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，冷却剂侧结构元件（51）不仅与所述阳极板（30）连接而且与所述阴极板（40）连接。
11.根据权利要求4至9中任一项所述的燃料电池堆（100），其特征在于，冷却剂侧结构元件（51）是冷却剂侧载体板（56）的组成部分。
12.一种具有燃料电池系统的车辆，所述燃料电池系统具有根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆（100）。
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