CN114375516A - 质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质子交换膜类型的燃料电池(P)，按以下顺序堆叠，其包括：第一终端(T1)、端部阳极板(EA)、多个膜板(ME)、插入在每两个连续膜板(ME)之间的双极板(BI)、端部阴极板(EK)和第二终端(T2)；按以下顺序预组装，双极板(BI)包括：中间阴极板(MK)和中间阳极板(MA)；每个中间阳极板(MA)、端部阳极板(EA)、中间阴极板(MK)和端部阴极板(EK)包括至少一个用于分配反应物的管道；其中所述端部阳极板(EA)由具有相同取向的双极板(BI)和阳极封闭装置制造，所述阳极封闭装置能够封闭所述双极板(BI)的中间阴极板(MK)的至少一个管道中的所有管道；以及所述端部阴极板(EK)由相同取向的双极板(BI)和阴极封闭装置制造，所述阴极封闭装置能够封闭所述双极板(BI)的中间阳极板(MA)的至少一个管道中的所有管道。

Description

质子交换膜燃料电池

本发明涉及燃料电池领域，更具体地涉及阳极和/或阴极端板的优选实施方案。

氢燃料电池或质子交换膜或PEMFC(质子交换膜燃料电池)类型的燃料电池允许以已知方式通过膜电极组件进行水合成的化学反应来产生电能，所述膜电极组件包括由两层催化剂包围的电解质。氢气H₂被供应给位于膜一侧的阳极，它通过氧化作用而分解成两个氢质子H⁺和两个电子e^-：2H₂→4H⁺+4e^-。两个H⁺质子通过膜电极组件迁移到位于膜电极组件另一侧的阴极。氧气O₂优选地以空气的形式供应到阴极。如果在阳极和阴极之间建立了电路，允许电子e^-循环，这些电子随后到达阴极。在那里，它们可以将氧气O₂还原为两个氧离子O^2-：O₂+4e^-→2O^2-。氢质子和氧离子在阴极结合形成水：4H⁺+2O^2-→2H₂O。该反应强烈放热。电子e^-的循环产生电能。

已知燃料电池以将阳极(优选为金属)、膜电极组件和阴极(优选为金属)叠置(优选以薄层的形式)进行生产。

由于单个电池仅产生少量电能，因此已知将数十或数百个这样的电池叠置在一个堆叠中。然后，电池的每个阳极或阴极分别与下一个或前一个电池的阴极或阳极电接触。电池串联连接。然后电路将第一个阳极/阴极与堆叠的最后一个阴极/阳极连接起来。

阳极、阴极或膜电极组件分别组装在阳极板、阴极板或膜板内。板包括其元件：阳极或阴极或膜电极组件(由组件元件完成)，以及用于反应气体的供应或反应产物的出口的管道。

因此，所有类型的板：阳极、阴极、双极(稍后描述)或膜，都呈现相似或至少可叠置的形状，以便可以使它们可堆叠。所有的所述板都被至少一个叠置的面向孔穿过，以形成至少一个输送氢气的管道，以便将这种气体供应给阳极。所有的所述板都被至少一个叠置的面向孔穿过，以形成至少一个输送空气的主管道，以便将氧气供应给阴极并提取化学反应产生的水。所有的所述板还被至少一个叠置的面向孔刺穿，以形成至少一个管道，冷却的流体在所述管道中循环以排出化学反应产生的大量热量。

同时已知将阳极板和阴极板背对背预组装以获得双极板。然后可以通过周期性地使双极板和膜板堆叠来组装电池。如果所有的双极板都排列在同一个方向，我们会发现周期性的顺序：阳极、膜电极组件、阴极、阳极等......只有电池的两个端部不同，使得它们包括单个阳极或端部阴极以及终端，允许燃料电池连接到不同的反应气体流和冷却流体。

如图1所示，燃料电池可以通过依次堆叠来构建：第一终端T1、端部阳极板EA、多个膜板ME、插入在每两个连续膜板ME之间的双极板BI、端部阴极板EK和第二终端T2。这种组装需要六种不同的部件、六种不同的管理参考和六种不同的制造电路。这导致非必要的高生产成本。

本发明提出减少不同部件的数量，这里为四个。

为此目的，本发明提出在堆叠的至少一端优选在两端重复使用双极板BI，制造阳极端板EA和阴极端板EK。

本发明的目的是质子交换膜型的燃料电池，包括按以下依次堆叠：第一终端、端部阳极板、多个膜板、插入每两个连续膜板之间的双极板、端部阴极板和第二终端，按以下顺序预组装，双极板包括：中间阴极板和中间阳极板；每个中间阳极板、端部阳极板、中间阴极板和端部阴极板包括至少一个用于分配反应物的管道；其中所述端部阳极板由具有相同取向的双极板和阳极封闭装置制造，所述阳极封闭装置能够封闭所述双极板的中间阴极板的至少一个管道中的所有管道，和/或所述端部阴极板由相同取向的双极板和阴极封闭装置制造，所述阴极封闭装置能够封闭所述双极板的中间阳极板的至少一个管道中的所有管道。

可单独或组合使用的特定技术特征或实施方案是：

所述至少一个管道包括至少一个穿过所述堆叠的所述板的主管道，以及至少一个用于将反应物分配到板的次级管道，其中阳极或阴极封闭装置通过封闭次级管道来封闭管道，

-阳极或阴极封闭装置通过封闭次级管道的入口来封闭次级管道，

-阳极或阴极封闭装置通过封闭次级管道的出口来封闭次级管道，

-阳极或阴极封闭装置通过封闭主管道来封闭管道，

-阳极或阴极封闭装置包括，优选通过沉积在所述终端和/或所述端板上，设置在终端和相邻端板之间的密封件，

-所述密封件被沉积以填充所述管道的出口，

-所述密封件被沉积以围绕所述管道的出口，

-所述密封件与在所述终端和所述端板之间提供密封的密封件同时沉积，

-所述密封件包括树脂、聚合物和/或粘合剂。

通过阅读以下仅作为示例的说明并参考附图将更好地理解本发明，其中：

[图1]示出了燃料电池的透视图。

[图2]示出了燃料电池堆叠及其工作原理的透视图

[图3]示出了阳极侧半个双极板的正视图，

[图4]示出了阴极侧半个双极板的正视图，

[图5]示出了堆叠和不同的管道，

[图6]示出了相同的堆叠的具有终端的接口的剖面侧视图，

[图7]示出了根据现有技术的具有终端的接口的透视图，

[图8]示出了根据本发明第一实施方案的具有终端接口的透视图，

[图9]示出了根据本发明第二实施方案的具有终端接口的透视图，

[图10]示出了根据本发明第三实施方案的具有终端接口的透视图。

参考图1，质子交换膜型燃料电池P，按以下顺序堆叠，包括：第一终端T1、端部阳极板EA、多个膜板ME、插入在每两个连续膜板ME之间的双极板BI、端部阴极板EK和第二终端T2。

所述终端T1、T2用作电极，这里T1是电池P的阳极，T2是电池P的阴极。它们还确保维持板EA、ME、BI、EK的组装，以及通过端口IO连接到网络：反应气体(空气和氢气)和冷却液体。

膜板ME包括膜1，化学反应围绕该膜发生并展开。为此，每个膜1必须由设置在膜1的一侧(这里为下方)的阳极供给氢气，并且必须由设置在膜1的另一侧(这里为上方)的阴极供给空气。此外，膜板ME以阳极板：中间阳极板MA或端部阳极板EA，以及以阴极板：中间阴极板MK或端部阴极板EK为框架。阳极板MA、EA、膜板ME和阴极板MK、EK形成电池CE。

堆叠中ME膜板的数量可以是任意的，可以达到几十个或几百个。在两个膜板之间有系统地设置的包括中间阳极板MA和中间阴极板MK的组。这两个板MA、MK优选以双极板BI的形式预先组装。在电池P中，双极板BI都具有相同的取向：因此，对于图1，中间阳极板MA位于下方(以便位于膜上方)，中间阴极板MK位于上方(以便在位于膜下方)。所述堆叠以这里设置在下方的端部阳极板EA和这里设置在上方的端部阴极板EK为框架。

为了允许反应物从连接端口IO经由阳极板MA、EA和阴极板MK、EK循环到所述膜1，每个板EA、ME、BI、EK包括至少一个管道2、3、6、7。如图2所示，每个板EA、EK、ME、BI以及MA和MK，根据相同的计划被穿过，以便通过六个孔10、11、12、13、14、15叠置。每个孔的堆叠形成主管道2、6。

所述孔10和11，设置在所述板两侧中任一侧，让空气循环。第一系列孔，例如孔10，穿过所述堆叠中的所有板并形成主空气管道2以允许将空气供应到所有需要它的板，即阴极板MK、EK。第二系列孔，例如空气返回孔11，穿过所述堆叠中的所有板并形成主管道2以允许未消耗的空气从这些相同阴极板MK、EK返回。每个阴极板MK、EK还包括至少一个与所述主空气管道2连接的次级空气管道3，以及至少一个与所述主空气管道2连接的次级空气管道3。

设置在板两侧中任一侧的氢气供应孔12和返回孔13允许氢气循环。第一系列孔，例如孔12，穿过所述堆叠的所有板并形成主管道6以允许将氢气供应到所有需要它的板，即阳极板MA、EA。第二系列的孔，例如孔13，穿过所述堆叠的所有板并形成主管道6以允许未消耗的氢气从这些相同的阳极板MA、EA返回。每个阳极板MA、EA还包括至少一个提供与所述氢气主管道6连接的次级管道7，以及至少一个提供与所述氢气主管道6的连接的次级管道7，以供氢气返回。

所述孔14、15形成两个管道，冷却的流体在其中循环，以吸收反应产生的热量。该流体在双极板BI之间循环以去除反应的热量。

如图2所示，其中所述堆叠围绕膜板ME部分地分开，空气通过所述孔10供应。阴极板MK将其带入其孔10，并依靠第一空气扩散器5通过位于下方的膜ME的下表面扩散到上表面。未被反应使用的过量空气依靠第二扩散器5由同一阴极板MK回收，该阴极板MK将其通过返回孔11送回。这个过程对所有阴极板MK、EK和膜ME重复。以类似的方式，氢气通过所述孔12进入。阳极板MA将其带入其孔12，并通过第一氢气扩散器9通过位于上方的膜ME的下表面扩散到上表面。未被反应使用的过量氢气通过第二扩散器9由同一阳极板MA回收，该阳极板MA通过返回孔13将其送回。这个过程对所有阳极板MA、EA和膜ME重复。

参考图3、4、5，更具体地示出了主管道和次级管道的细节。

图3示出了双极半板BI的正视图，即包括叠置的中间阳极板MA和中间阴极板MK的组件，这里是从所述阳极侧MA观察。可以看到次级管道7，将由所述孔13形成的所述主导管6连接到在所述阳极板MA表面上开口的所述出口8。氢气扩散器9允许将该氢气分配到膜1的相邻表面。另一个半板(未示出)以类似的方式确保通过孔12回收多余的氢气。

图4示出了双极半板BI的正视图，这里是从所述阴极侧MK观察。可以看到次级管道3，将由所述孔10形成的所述主导管2连接到在所述阴极板MK表面上开口的次级空气出口4。空气扩散器5允许将该空气分配到膜1的相邻表面。另一个半板(未示出)以类似方式确保通过孔11回收过量空气。

图5以剖面轮廓图示出了半板的堆叠。有膜板ME、阴极板MK或阳极MA、阳极板MA或阴极MK，以及再次膜板ME并且周期性排列。膜板ME及其两个直接相邻的阳极板MA、EA和阴极板MK、EK形成电池CE。因此，属于两个相邻但不同电池CE的两个相邻的阳极MA板和阴极MK板，例如通过焊缝20组装以形成双极板BI。存在孔10-13，它们形成主流体16在其中通过的所述主管道2、6。所述阳极板MA和阴极板MK中或之间的设置形成允许次级流体17通过的所述次级管道3、6。该次级流体17在所述出口4、8处打开以与膜1接触。

通过所述密封件21实现所述膜板ME与其相邻的阴极板MK的密封。通过所述密封件22实现所述膜板ME与其相邻的阳极板MA的密封。

参照图6更具体地描述本发明，图6示出了终端附近半板的堆叠的截面轮廓图，例如T2。最靠近所述终端T2的膜板ME，在其与所述终端之间仅需要阴极板来完成最后的电池CE。然而，这将导致特定部件的创建。

此外，根据本发明的一个重要技术特征，最后的阴极板或端部阴极板EK可替代地由双极板BI制造。该双极板BI被适当地定向以提供与最后的膜板ME接触的阴极板MK。换句话说，用作所述端部阴极板EK的所述双极板BI，以与所述堆叠中其他双极板BI相同的方式定向，即这里所述阴极板MK位于下方而所述阳极板MA位于上方。

通过以下巧妙的观察，可以(重新)使用双极板BI作为端部阴极板EK。定向良好的双极板BI为最后的膜板ME提供阴极板MK，它执行这种阴极板的所有预期功能，特别是反应气体(在这种情况下为空气)的供应/返回，以及密封。附带的阳极板MA虽然在功能上没有用，但一点也不麻烦。这种设置的唯一缺点是附带的阳极板MA会留下至少一个用于反应气体的管道2、3、6、7，在这种情况下氢气(也是非必要的)留下可能非必要的反应气体循环。此外，使用双极板BI作为端部阴极板EK，必须优选伴随添加封闭所述至少一个管道2、3、6、7的封闭装置OK。在这里涉及端部阴极板EK的这个封闭装置称为阴极封闭装置OK。这种装置必须能够封闭所述至少一个管道2、3、6、7的所有可能的分支，以防止或限制任何非必要的反应气体流(这里是氢气)。

同时，最靠近终端T1的膜板ME，在其与终端之间仅需要阳极板来完成最后的电池CE。此外，根据本发明，最后的阳极板或端部阳极板EA由双极板BI提供。该双极板BI被适当地定向以提供与最后的膜板ME接触的阳极板MA。换句话说，用作端部阳极板EA的双极板BI以与堆叠中其他双极板BI相同的方式定向，即例如，如这里所示，阴极板MK位于下方而阳极板MA位于上方。

通过以下巧妙的观察，可以(重新)使用双极板BI作为端部阳极板EA。定向良好的双极板BI为最后的膜板ME提供阳极板MA，其确保了这种阳极板的所有预期功能，特别是反应气体的供应/返回和密封。附带的阴极板MK，虽然功能上没有用，但一点也不麻烦。这种设置的唯一缺点是附带的MK阴极板留下至少一个用于反应气体的管道2、3、6、7，在这种情况下，空气也是无用的，留下可能非必要的反应气体循环。此外，使用双极板BI作为端部阳极板EA，必须优选伴随添加封闭所述至少一个管道2、3、6、7的封闭装置OA。在这里涉及端部阳极板EA的这个封闭装置称为阳极封闭装置OA。这种装置必须能够封闭所述至少一个管道2、3、6、7的所有可能的分支，以防止或限制任何非必要反应气体的流(这里是空气)。

因此，该技术特征可以显著减少部件的数量。所述堆叠仅包括两个不同的部件，膜板ME和双极板BI。

根据一个优选的实施方案，阳极封闭装置OA、阴极封闭装置OK分别地不构成附加部件，所有这些都意味着：附加的管理参考、单独的项目和生产线，而只是在组装电池P期间的附加或修改的生产步骤。

反应物分配管道2、3、6、7穿过板MA、MK、EA、EK并且包括用于反应物分配的至少一个主管道2、6和至少一个次级管道3、7。此外，阳极OA或阴极OK封闭装置可以在所述管道2、3、6、7的任何点处封闭管道。

根据第一技术特征，管道2、3、6、7的封闭是通过封闭次级管道3、7产生的。根据该技术特征，可以有多个选择。根据第一种选择，通过封闭所述次级管道3、7的入口来实现次级管道3、7的封闭。根据另一个选择，更具体地在图6中示出，通过封闭所述次级管道3、7的出口4、8来实现次级管道3、7的封闭。

根据另一个技术特征，管道2、3、6、7的封闭是通过在主管道2、6处封闭来实现的。

根据特别优选的技术特征，阳极或阴极封闭装置OA、OK，包括设置在终端T1、T2和相邻端板EA、EK之间的密封件24。该密封件24优选通过沉积来产生。这种沉积可以在所述终端T1、T2、所述端板EA、EK或两者上进行。

图7示出了现有技术，其中终端T1和端板EA之间的密封通过确保围绕所述开口10、13、15密封的至少一个密封件21以及通过确保围绕板EA密封的至少一个密封件23来实现。

根据另一个技术特征，更具体地在图8中示出，所述密封件24被沉积以填充所述管道2、3、6、7的出口4、8。

根据补充的或可替代的技术特征，更具体地在图9中示出，所述密封件24可以进一步沉积以围绕所述管道2、3、6、7的出口4、8。

图10示出了进一步的技术特征，其中在主管道处通过填充其开口来进行密封，这里密封件24填充所述开口11。

根据另一个优选的技术特征，所述密封件24优选地在沉积其他密封件21、23的相同操作期间沉积，以提供所述终端T1、T2和所述端板EA、EK之间的密封。因此，本发明不添加任何部件或参考，也不添加任何制造操作。根据本发明，仅对沉积密封件21、23的预先存在的操作进行修改，因为它增加了所述密封件24。

用于制造密封件24的材料，如所述预先存在的密封件21、23，可以是树脂、聚合物和/或粘合剂。

已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明。后者应被认为是说明性的并作为示例给出，而不是将本发明仅限制于该描述。许多替代性实施方案是可能的。

附图标识列表

1：膜，

2：主空气管道，

3：次级空气管道，

4：次级空气管道出口，

5：空气扩散器，

6：氢气主管道，

7：氢气次级管道，

8：氢气次级管道出口，

9：氢气扩散器，

10：空气供应，

11：空气返回，

12：氢气供应，

13：氢气返回，

14、15：冷却，

16：主流体，

17：次级流体，

20：焊缝，

21：端密封/EA，

22：ME密封

23：外部密封

24：发明密封

BI：双极板，

CE：电池，

EA：阳极端板，

EK：阴极端板，

MA：中间阳极板，

ME：膜板，

MK：中间阴极板，

OA：阳极快门，

OK：阴极快门，

P：电池，

T1、T2：终端。

Claims (10)

1.一种质子交换膜类型的燃料电池(P)，按以下顺序堆叠，其包括：第一终端(T1)、端部阳极板(EA)、多个膜板(ME)、插入在每两个连续膜板(ME)之间的双极板(BI)、端部阴极板(EK)和第二终端(T2)；按以下顺序预组装，双极板(BI)包括：中间阴极板(MK)和中间阳极板(MA)；每个中间阳极板(MA)、端部阳极板(EA)、中间阴极板(MK)和端部阴极板(EK)包括至少一个用于分配反应物的管道(2、3、6、7)，其特征在于，所述端部阳极板(EA)由具有相同取向的双极板(BI)和阳极封闭装置(OA)制造，所述阳极封闭装置(OA)能够封闭所述双极板(BI)的中间阴极板(MK)的至少一个管道(2、3、6、7)中的所有管道；以及所述端部阴极板(EK)由相同取向的双极板(BI)和阴极封闭装置(OK)制造，所述阴极封闭装置(OK)能够封闭所述双极板(BI)的中间阳极板(MA)的至少一个管道(2、3、6、7)中的所有管道。

2.根据权利要求1所述的燃料电池(P)，其中所述至少一个管道(2、3、6、7)包括至少一个穿过所述堆叠的所述板(EA、ME、BI、EK)的主空气管道(2、6)，以及至少一个用于将反应物分配到所述板(EA、BI、EK)的次级空气管道(3、7)；其中阳极或阴极封闭装置(OA、OK)通过封闭次级空气管道(3、7)来封闭管道(2、3、6、7)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池(P)，其中阳极或阴极封闭装置(OA、OK)通过封闭次级空气管道(3、7)的入口来封闭次级管道(3、7)。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的燃料电池(P)，其中阳极或阴极封闭装置(OA、OK)通过封闭次级管道(3、7)的出口(4、8)来封闭次级空气管道(3、7)。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的燃料电池(P)，其中阳极或阴极封闭装置(OA、OK)通过封闭主空气管道(2、6)来封闭管道(2、3、6、7)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池(P)，其中阳极或阴极封闭装置(OA、OK)包括，优选通过沉积在所述终端(T1、T2)和/或所述端板(EA、EK)上，设置在终端(T1、T2)和相邻端板(EA、EK)之间的密封件(24)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池(P)，其中密封件(24)被沉积以封闭所述管道(2、3、6、7)的出口(4、8)。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的燃料电池(P)，其中密封件(24)被沉积以围绕所述管道(2、3、6、7)的出口(4、8)。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的燃料电池(P)，其中密封件(24)与在所述终端(T1、T2)和所述端板(EA、EK)之间提供密封的密封件(21、23)同时沉积。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的燃料电池(P)，其中密封件(24)包括树脂、聚合物和/或粘合剂。

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