CN115516669A - 双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极板(10)，其具有：第一进入端口(13)和具有多个通道(11)的流场(12)，该流场用于将所述第一进入端口(13)与用于第一反应物的第一排出端口(14)连接；以及第二进入端口(15)和具有多个通道(11)的流场(12)，该流场用于将所述第二进入端口(15)与用于第二反应物的第二排出端口(16)连接，其中，在至少一个流场(12)的边缘侧存在至少一个旁路通道(25)。旁路通道(25)配属有至少一个流动连接部(26)，该流动连接部从旁路通道(25)分岔到流场(12)的相邻边缘通道(27)中。

Description

双极板
技术领域
本发明涉及一种双极板，其具有：第一进入端口和具有多个通道的第一流场，该第一流场用于将第一进入端口与用于第一反应物的第一排出端口连接；以及第二进入端口和具有多个通道的第二流场，该第二流场用于将第二进入端口与用于第二反应物的第二排出端口连接，其中，在流场中的至少一个的边缘侧存在至少一个旁路通道，并且其中，旁路通道配属有至少一个流动连接部，该流动连接部从所述旁路通道分岔到流场的相邻边缘通道中。
背景技术
燃料电池包括由质子传导膜形成的膜电极组件，在其一侧上构造阳极，并且在其另一侧上构造阴极。在燃料电池装置中，通常多个燃料电池线性组合成燃料电池堆，以实现足够大的功率输出。
燃料电池的电极借助于双极板被供应反应气体，即在阳极侧尤其是供应氢气以及在阴极侧供应氧气或含氧气体、尤其是空气。在以反应物供给燃料电池时，这些反应物经由通道被引导到板中，该板在使用该通道或多个通道的情况下应引起反应物到活性区域中的分布，以便借助于流场尽可能均匀地供给电极的整个面。由于在活性区域的整个面上进行化学反应，新鲜的反应气体总是不断耗尽，使得从进入口朝向排出口的反应气体的分压力降低，而产物气体的份额增加。
除了反应气体之外，冷却介质也穿引通过双极板，从而必须在最小的空间上技术上紧密分离地引导三种不同的介质。因此，通常将两个金属成型部件焊接到双极板，其中，由于活性流场周围的结构空间要求而必须保持重叠区域，在该重叠区域中由于制造公差和装配公差而产生空腔，反应气体可以通过该空腔流动经过流场，即存在不希望的旁路，其横截面通过阻断元件减小。然而，反应气体经过活性区域未使用地到达排出口。在DE 10 2017118 143 A1中，在第一双极板的旁路通道中构造有压印件作为阻断元件，其干扰反应剂流动的方向并引起湍流和压力增加，这将反应剂从旁路通道转向到布置在第一双极板和第二双极板之间的气体扩散层中。US 2012/0129071 A1中描述了从用于燃料和氧化剂的进入通道均匀地运送流场，其中，后置于进入口构造有进入缓冲器，其用于在流场的整个宽度上的改善均匀分布。DE 10 2016 225 651 A1描述了一种端部电池加热组件，在其中在壳体中设置有旁路流路，其用于将进入分配器和排出分配器连接，以便使流入到燃料电池堆中的液滴改道。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极板，在其中改善了反应物中的至少一种的使用。
该目的通过具有权利要求1的特征的双极板来实现。在从属权利要求中说明了具有本发明的适宜的改进的有利实施方案。
开头提及的双极板提供如下优点：较少的反应物从进入端口通过旁路通道直接引导到排出通道，并且因此不供反应使用。而是，通过旁路流的减少损失，并同时引起缓解在流场中由于反应物的消耗而发生的浓度降低，因为新鲜的反应物以原始浓度再次供应到流场。旁路通道本身在板的如下区域中伸延，该区域位于进行电子反应的活性区域之外的。
如果在第一流场的两侧和第二流场的两侧上分别存在旁路通道，并且如果至少一个流动连接部从旁路通道中的每个分岔到相邻的边缘通道中，那么所述优点特别明显。在此利用的是，通常在每个单独流场的两侧上存在反应物电流，并且因此提供每个反应物的更好的利用，并且将更少的反应物直接引导到排出端口。因此，在相应流场的两个边缘处也存在反应物浓度的增加。
尤其优选的是，如果流动连接部构造在流场的面向排出端口的半部中。在这半部中，反应物的浓度或它们的分压力的显著降低已经存在，使得从旁路通道供应反应物再次导致浓度增加或分压力增加，并且因此期望的反应进行得更好。避免了供给不足。
也是有利的是，旁路通道配属有多个流动连接部，所述流动连接部在流动方向上彼此间隔开地构造，因为因此更好地利用旁路通道中的反应物流，并且可以通过随后的流动连接部校正通过第一流动连接部的不完全导离。
反应物流的改善利用还用于在旁路通道中的排出端口的上游设置有旁路阻断器，从而由于旁路阻断器，导离通过流动连接部进行。因此，也可以通过显著增加的流动阻力或通过密封件或密封结构来形成旁路阻断器，以便因此迫使反应物以阻力最小的路径流动通过流动连接部。
如果在流动连接部的下游在边缘通道中构造有与流场的相邻通道的边缘通道连接部，并且如果在边缘通道连接部的下游在流场中分别相邻的通道具有通道连接部，那么可以横向于流场中的流动方向为多个通道提供反应物的新鲜气体，从而不仅流场的最外部通道(即边缘通道)受益于旁路流动。
双极板的制造通常包含金属板的成型，使得流场的通道和旁路通道通过桥接部彼此分离。然后，流动连接部可以通过降低桥接部高度简单地来实现。如果边缘通道连接部和/或通道连接部通过降低桥接部高度来实现，则该优点也类似地适用。在此桥接部高度也可以完全降低，即直到桥接部高度为零，因为如此简化了成型。
在不脱离本发明的范围的情况下，上述描述中提及的特征和特征组合以及以下附图描述中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在相应说明的组合中使用，也可以在其他组合中使用或单独使用。因此，如下实施方案也应视为由本发明包括并由本发明公开，所述实施方案在附图中未明确示出或解释，但通过单独的特征组合从所解释的实施方案中得知并可产生。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从权利要求书、优选实施形式的以下描述和附图中得出。其中：
图1示出燃料电池装置的示意图，该燃料电池装置带有具有多个燃料电池的燃料电池堆，其燃料电池具有双极板，
图2示出对现有技术中已知的双极板的示意图的俯视图，
图3示出对现有技术中已知的双极板的示意图的俯视图，其中示意性示出了反应气体在流场中的浓度下降并表示了旁路流，
图4示出在流场的通道方向上通过现有技术中已知的双极板的横截面，
图5示出对应于图3的改进双极板的图示，
图6示出用于使用旁路流的原理图，
图7示出对应于图4的简化示意图，用于将旁路流引入到流场的边缘通道中，
图8示出备选实施形式的对应于图6的图示，
图9示出图8中的实施形式的对应于图7的图示，
图10示出用于在流场的多个通道中使用旁路流的原理图，
图11示出对应于图6的图示，用于解释根据图10的实施形式，
图12示出图10中的实施形式的对应于图7的图示，
图13示出另一实施方案的对应于图11的图示，
图14示出图13中的实施形式的对应于图12的图示，以及
图15示出对应于图10的图示，用于将旁路流多次引入到流场中。
具体实施方式
图1中示意性地示出了燃料电池装置1，其具有燃料电池或多个组合成燃料电池堆2的燃料电池。
燃料电池堆2由串联连接的多个燃料电池组成。燃料电池中的每个燃料电池包括阳极和阴极以及将阳极和阴极分开的质子传导膜。该膜由离聚物形成，优选磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟磺酸聚合物(PFSA)。备选地，该膜可以形成为磺化烃膜。
阳极和/或阴极可以附加地与催化剂混合，其中，膜优选在其第一侧和/或其第二侧上涂覆有由贵金属或包括贵金属(如铂、钯、钌等)的混合物组成的催化剂层，其在相应的燃料电池的反应中充当反应加速器。
燃料(例如氢气)经由燃料电池堆2内的阳极室供应到阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处分裂成质子和电子。该膜允许质子(如H+)通过，但对于电子(e-)而言是不可透过的。在此，在阳极进行以下反应：2H2→4H++4e-(氧化/电子释放)。在质子穿过膜到达阴极期间，电子经由外部电路传导到阴极或能量存储器处。阴极气体(例如氧气或含氧空气)可以经由燃料电池堆2内的阴极室供应到阴极，从而在阴极侧进行以下反应：O2+4H++4e-→2H2O(还原/电子接收)。
压缩空气通过压缩机4经由阴极新鲜气体线路3供应到燃料电池堆2。此外，燃料电池与阴极废气线路6连接。在阳极侧，在氢气罐5中制备的氢气经由阳极新鲜气体线路8供应到燃料电池堆2，以提供对于燃料电池中的电化学反应所需的反应物。这些气体被转移到双极板10，在所述双极板中构造有通道11并组合成流场12，用于将气体分布到膜处。此外，双极板10设置用于冷却介质的通过引导，从而在最小的空间中引导三种不同的介质。从现有技术中已知的双极板10在图2至图4中示出，其中，图2针对介质示出了通过第一进入端口13的引入与到流场12处的转移以及通过第一排出端口14的引出。针对第二反应物，以类似的方式存在双极板10的背侧供使用，其带有第二进入端口15和第二排出端口16。第一进入端口13和第二进入端口15可以与用于冷却剂的介质端口17一起组合在进入集管18中。类似地，存在排出集管19供使用。
旁路流流动经过流场12，即使通过旁路阻断的结构20也不能完全抑制该旁路流。图3指出如下基本事实：由于反应物的消耗，它们的分压力从进入集管18朝向排出集管19降低。图4指出双极板10的已知的结构，针对两个金属成型部件21设有密封轨道22并将其焊接。在双极板10的上方和在其下方布置有膜电极组件MEA 23。还可见用于燃料和氧化剂的通道11以及用于冷却介质的通道24。
在例如图5中所示的双极板10中，双极板10具有：第一进入端口13和具有多个通道11的第一流场12，该第一流场用于将第一进入端口13与用于第一反应物的第一排出端口14连接；以及第二进入端口15和具有多个通道11的第二流场，该第二流场用于将第二进入端口15与用于第二反应物的第二排出端口16连接，其中，在流场12中的至少一个的边缘侧存在至少一个旁路通道25，设计如此进行，使得旁路通道25配属有至少一个流动连接部26，该流动连接部从旁路通道25分岔到流场12的相邻边缘通道27中。在所示的实施例中，在第一流场12的两侧和第二流场12的两侧上分别存在旁路通道25，其中，至少一个流动连接部26从旁路通道25中的每个分岔到相邻的边缘通道27中。这在图5中针对用于反应物中的一个的流场12中的一个示出，其中，针对第二流场的状况适宜相同地设计。
图5还能够看出，流动连接部26构造在流场12的面对排出端口14的半部中，以便因此将反应物引入到流场12的区域中，在其中已经存在反应物浓度的显著降低。
图15指出，旁路通道25还可以配属有多个流动连接部26，所述流动连接部在流动方向上彼此间隔开地构造，因此新鲜气体可以在不同的部位处再次供应到流场12。
图10和图11示出了，在流动连接部26下游在边缘通道27中，构造有与流场12的相邻通道11的边缘通道连接部28。在边缘通道连接部28的下游在流场12中分别相邻的通道11还具有通道连接部29。由此存在如下可行性：横向于流场12中的流动方向再次将新鲜气体供应到流场，使得不仅流场12的边缘通道27能够充分利用旁路流。
图4示出了流场12的通道11和旁路通道25通过桥接部30彼此分开。在所示的属于本发明的实施形式中，流动连接部26通过降低桥接部高度来实现，更确切地说也关于边缘通道连接部28和通道连接部29，其中，桥接部高度的降低可以完成，因此省去了在这些区域中的桥接部30，如图7和图12中所示。
在排出端口14的上游在旁路通道25中布置有旁路阻断器，即旁路阻断的结构20(图6)，其确保旁路流遵循最小阻力的路径并流过流动连接部26。
附图标记列表
1 燃料电池装置
2 燃料电池堆
3 阴极新鲜气体线路
4 压缩机
5 氢气罐
6 阴极废气线路
7 阳极循环线路
8 阳极新鲜气体线路
9 阳极废气线路
10 双极板
11 通道
12 流场
13 第一进入端口
14 第一排出端口
15 第二进入端口
16 第二排出端口
17 介质端口
18 进入集管
19 排出集管
20 旁路阻断的结构
21 成型部件
22 密封轨道
23 膜电极组件
24 用于冷却介质的通道
25 旁路通道
26 流动连接部
27 边缘通道
28 边缘通道连接部
29 通道连接部
30 桥接部。

Claims (10)

1.一种双极板(10)，其具有：第一进入端口(13)和具有多个通道(11)的流场(12)，所述流场用于将所述第一进入端口(13)与用于第一反应物的第一排出端口(14)连接；以及第二进入端口(15)和具有多个通道(11)的流场(12)，所述流场用于将所述第二进入端口(15)与用于第二反应物的第二排出端口(16)连接，其中，在所述流场(12)中的至少一个的边缘侧存在至少一个旁路通道(25)，其特征在于，所述旁路通道(25)配属有至少一个流动连接部(26)，所述流动连接部从所述旁路通道(25)分岔到所述流场(12)的相邻边缘通道(27)中。
2.根据权利要求1所述的双极板(10)，其特征在于，在两个流场(12)的两侧上分别存在旁路通道(25)，并且至少一个流动连接部(26)从所述旁路通道(25)中的每个分岔到相邻的边缘通道(27)中。
3.根据权利要求1或2所述的双极板(10)，其特征在于，所述流动连接部(26)构造在所述流场(12)的面向所述排出端口(14)的半部中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述旁路通道(25)配属有多个流动连接部(26)，所述流动连接部在流动方向上彼此间隔开地构造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，在所述排出端口(14)的上游在所述旁路通道(25)中布置有旁路阻断器(20)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，在流动连接部(26)的下游在边缘通道(27)中构造有与所述流场(12)的相邻通道(11)的边缘通道连接部(28)。
7.根据权利要求6所述的双极板(10)，其特征在于，在所述边缘通道连接部(28)的下游在所述流场(12)中分别相邻的通道(11)具有通道连接部(29)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的双极板(10)，其特征在于，所述流场(12)的通道(11)和所述旁路通道(25)通过桥接部(30)彼此分开，并且所述流动连接部(26)通过降低所述桥接部高度来实现。
9.根据权利要求8所述的双极板(10)，其特征在于，所述边缘通道连接部(28)和/或所述通道连接部(29)通过降低所述桥接部高度来实现。
10.根据权利要求8或9所述的双极板(10)，其特征在于，所述桥接部高度完全降低。
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