CN116613336A - 燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

由单个金属板冲压而成的相同双极板制成氢燃料电池单元，按顺序包括：(i)第一双极板，其具有正面和背面，背面是单元中的阳极，(ii)第一膜电极组件，(iii)第二双极板，其具有正面和背面，正面是单元中的阴极，背面是单元中的阳极，其中，第一膜电极组件位于第一和第二双极板之间，第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供有氢气流路，第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供有氧气流路，(iv)第二膜电极组件，(v)第三双极板，其具有正面和背面，正面是单元中的阴极，其中，第二膜电极组件位于第二和第三双极板之间，第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供有氢气流路，第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供有氧气流路。

Description

燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及用于氢燃料电池(特别是PEM燃料电池)的双极板及其制备方法。
背景技术
对气候变化影响的认识日益提高已经使得对替代的“无化石”能源(如氢气)的研究增加。已经开发出了氢燃料电池，其通过电化学(通常是催化)氧化氢生成水来产生电能。
广泛使用的氢燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池，其包括半渗透膜，所述半渗透膜允许质子穿过膜，同时充当电子和反应物(例如氢气和氧气)的屏障。PEM燃料电池具有许多优点，包括具有高能量转换率、环境友好和低操作温度。
由于PEM燃料电池中的每个电池产生相对较低的电压，因此可以串联连接多个PEM电池以增加输出电压。多电池组件有时被称为燃料电池堆。相邻的PEM电池连接在一起，其中一个电池的阴极连接到另一个的阳极，从而有效地形成双极板，所述双极板将电流从一个PEM电池传导到相邻PEM电池。每个阴极板和阳极板，以及因此双极板的每一半，通常也在其表面上包含通道，反应物或冷却剂可以沿着所述通道供给。作为氢燃料电池的核心部件，双极板具有许多重要功能，包括传导电流、支撑膜电极、均匀地输送和隔离反应气体和循环冷却剂以快速冷却。
当连接相邻的PEM电池时，双极板由相邻电池的相应两个单独的板(阳极和阴极)形成。这些板通常焊接在一起。与此相关的问题有很多。特别是，焊接部位的氧化和腐蚀会降低双极板的效能。然而，当有多个电池串联时，双极板在该领域中是常规的。
US 2020/212470公开了一种燃料电池单元，所述燃料电池单元由多个以堆叠构造布置的流动板组件形成，相邻的流动板组件以相对于彼此的偏斜角布置。
DE 10 2020 207353公开了用于燃料电池系统的双极板，其中所述板被对齐，使得通过第一通道结构和第二通道结构的冷却剂流不同。
US 2015/325876公开了一种燃料电池，其具有含第一通道结构和第二通道结构的阳极/阴极堆，所述第一通道结构和第二通道结构分别具有第一进料结构和第二进料结构。
US 4292 379公开了一种旨在减轻不均匀反应分布的燃料电池系统。
US 2019/169759公开了由互连件分离的互连固体氧化物电化学气体分离器(SOEGS)电池的堆叠。
本发明的目的是改善已知燃料电池堆的问题，或者提供已知燃料电池堆和相邻燃料电池之间的双极板的替代方案。具体实施方案的目的是提供一种用于燃料电池堆的改进的双极板，以及提供一种包含一个或多个改进双极板的燃料电池堆，以及它们的制造方法。
发明内容
本发明提供一种氢燃料电池单元，其按顺序包含：
(i)第一双极板，其具有正面和背面，所述背面是单元中的阳极，
(ii)第一膜电极组件，
(iii)第二双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，所述背面是单元中的阳极，
其中，第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，并且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路，
(iv)第二膜电极组件，和
(v)第三双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，
其中，第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路。
优选地，双极板包括用于氧气流动的通道，其中相邻板的氧气流动通道在所述板上重复地分叉和会聚(diverge and converge)，例如以十字交叉的模式。
本发明还提供一种制备双极板的方法，包括
(i)提供金属或合金片材；
(ii)冲压所述片材以形成包括多个氢气通道和多个氧气通道的双极板，
其中所述双极板可用于制造根据本发明的氢燃料电池单元。
此外，本发明还提供一种制备氢燃料电池的方法，包括
(i)提供第一双极板和第二极板，所述第一双极板具有正面和背面，所述正面是阴极，所述第二双极板具有正面和背面，正面是阴极，背面是阳极，
(ii)将第一膜电极组件定位在第一双极板和第二双极板之间，
其中当第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间时，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路，
(iv)提供第三双极板，所述第三双极板具有正面和背面，所述正面是阴极，以及
(v)将第二膜电极组件定位在第二双极板和第三双极板之间，
其中，当第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间时，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，且在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路。
所有板都可以是相同的设计，每个板都由金属或合金片材冲压而成，相邻板相对于彼此旋转180度。
因此，本发明的氢燃料电池单元按顺序包含：
(i)第一双极板，其具有正面和背面，所述背面是单元中的阳极，
(ii)第一膜电极组件，
(iii)第二双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，所述背面是单元中的阳极，
其中，第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间(例如，位于第一双极板的背侧和第二双极板的前侧之间)，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路，
(iv)第二膜电极组件，和
(v)第三双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，
其中，第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间(例如，位于第二双极板的背侧和第三双极板的前侧之间)，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路。
所述板包含用于氢气流动的通道(也称为氢气流动通道)，每个通道具有入口和出口。燃料电池单元中相邻板的氢气流动通道的各自的入口和出口在板块的垂直堆叠中适当地垂直对齐。在堆叠中，这使得板之间的垫圈设计变得简单；例如，可以在每个板的阴极侧上始终使用相同的垫圈(例如，以密封板阴极侧上的氢气入口和出口，以防止氢气在阴极侧流动)。
每个氢气流动通道还包括位于其入口和出口之间的导管。燃料电池中相邻板的导管或通道优选地不沿其整个长度垂直对齐。因此，相邻的板在被固定(例如被夹紧)到作为燃料电池一部分的堆叠中时不会嵌套在一起。相邻板的彼此邻接的部分将膜电极组件固定在相邻板之间，从而协助密封氢气和氧气通道，以使这些各自的通道彼此隔离。通道沿其部分长度的不对齐，也意味着相邻的板在堆叠中彼此支撑，并将膜电极组件密封在双极板之间。
如下面更详细描述的示例所示，相邻板的氢气流动通道可以使其各自的入口垂直对齐，然后氢气流动通道在板上分叉和会聚，最后在垂直对齐的出口处会聚。氢气流动通道可以在板上重复地分叉和会聚，例如以十字交叉的模式(无论相邻板的入口和出口是否垂直对齐)。在优选的实施方案中，相邻板的氢流动通道可以以规则的模式分叉和会聚。
所述板包含用于氧气流动的通道(也称为氧气流动通道)，每个通道具有入口和出口。燃料电池中相邻板的氧气流动通道的各自的入口和出口也可以独立地对齐，在板块的垂直堆叠中适当地垂直排列。。同样，垫圈设计因此可以简化，因为可以在每个板的阳极侧使用相同的垫圈(例如，以密封板阳极侧的氧气入口和出口，以防止氧气在阳极侧流动)。
进一步地，氧气流动通道各自包含位于其入口和出口之间的导管。燃料电池中相邻板的氧气流动通道的导管不沿其整个长度方向垂直对齐。同样，这可以防止相邻板的嵌套，并有助于将膜电极组件以密封接合的方式紧密地固定在板之间。由于部分不对齐，相邻板可以在堆叠中更好地彼此支撑，优选的是，氢气流动通道部分和氧气流动通道部分均不对齐。
如下面更详细描述的示例所示，相邻板的氧气流动通道可以使其各自的入口垂直对齐，且氧气流动通道在板上分叉并会聚，最后在垂直对齐的出口处会聚。氧气流动通道可以在板上重复地分叉和会聚，例如以十字交叉的模式(无论相邻板的入口和出口是否垂直对齐)。在优选的实施方案中，相邻板的氧气流动通道可以以规则(即重复)模式分叉和会聚。
参考下面的示例，将理解的是，氢气和氧气流动通道可以由一个板中的凹陷和保持在该板和相邻板之间的膜电极组件的组合来限定。
如以下实施例中更详细地示出的，双极板可包含基本上彼此横向的氢气流动通道和氧气流动通道。例如，氢气流动通道可以基本上从左到右跨越板，而氧气流动通道基本上从后到前跨越板，或反之亦然。适当地，大多数氢气流动通道与氧气流动通道基本上是横向(垂直)的。在具体的实施方案中，所有的氢气流动通道基本上横向(垂直)于所有的氧气流动通道。
本发明的一个优点是，每个板可以由单个片材(sheet)冲压而成，而无需焊接或以其他方式连接相应的阳极和阴极侧，以形成实际上的双极板。相反，本发明的每个冲压的板自行形成双极板。
氢气和氧气流动通道由一块板，优选是冲压的板，与膜电极组件(MEA)的界面形成，所述MEA固定在两块板之间。板上的凸起与膜密封接合，板上的凹陷在凹陷和MEA之间形成通道。
根据本发明的实施方案，对于横向流动，氢气通道和氧气通道彼此横穿。氧气流动通道可以适当地由双极板中的凹陷形成，横向氢气流动通道可以同时包括形成氧气流动通道的凹陷中的凹口。凹口可以降低该点处的氧气通道的高度，在凹口和MEA之间的另一侧形成氢气通道。反之亦然。因此，氢气流动通道可以由双极板中的凹陷形成，而横向氧气流动通道可以包括形成氢气流动通道的凹陷中的凹口。
在本发明的实施方案中，氢气流动通道和氧气流动通道交叉的一个效果是，如上所述，双极板可以由单个片材冲压而成。如下面实施例所示，板在彼此顶部垂直堆叠的情况下，可以取板的水平横截面(即，穿过每个板中心的平面，垂直于板堆叠放的垂直方向)，使得所述横截面穿过氢气流动通道和氧气流动通道。而对于已知的氢燃料电池堆来说，情况并非如此。
在本发明的优选实施方案中，所有板，例如氢燃料电池单元的第一、第二和第三双极板中的每一个，都是相同的设计。这意味着不仅可以通过冲压来制造板，而且只需要单个冲压工具。相邻板方便地布置成堆，相对于彼此旋转180度(适当地围绕垂直于板平面的轴)。非对称板设计意味着板可以有效地堆叠在一起，形成氢气流动通道和氧气流动通道，同时不在相邻板中嵌套通道，且同时保持足够的板与板接触，以将MEA保持在板之间，从而形成密封通道，使氢气和氧气两侧分离。
在这样的实施方案中，双极板在堆的垂直方向上不具有围绕穿过板中心的线(即，垂直于板的平面穿过板中心的线)的旋转对称性。因此，通过将相邻的双极板相对于彼此旋转180度，板上的凹陷不对齐，这意味着板不能嵌套。在优选的实施方案中，不具有旋转对称性归因于氧气流动通道的形状设计。
在双极板不具有整体旋转对称性的实施方案中，在板的特定特征或元件之间仍可能存在旋转对称性。例如，每个板的歧管孔可能具有旋转对称性。优选地，每个双极板上的歧管孔具有2阶旋转对称性。也就是说，当任何双极板围绕在板堆的垂直方向上穿过板的中心的线从第一位置旋转180度到第二位置时，第一位置中的歧管孔的位置映射第二位置中的歧管孔的位置。这种旋转对称性允许相邻板的歧管孔垂直对齐，形成歧管。
独立地，双极板上的氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口可以具有旋转对称性(例如2阶旋转对称性)。优选地，每个双极板上的氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口具有2阶旋转对称性。也就是说，当任何双极板围绕在板堆的垂直方向上穿过板中心的线从第一位置旋转180度到第二位置时，在第一位置中的每个双极板上的氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口的位置映射在第二位置中的入口和出口的位置。这样的旋转对称性允许氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口在板堆中垂直对齐，其中相邻板相对于彼此旋转180度，如上所述。
在本发明的替代实施方案中，使用不同的冲压工具来形成相邻的双极板(例如，第一和第三双极板使用相同的冲压工具冲压，而第二双极板使用不同的冲压工具冲压)。当使用两个(或更多)冲压工具时，相邻板不需要旋转以防止相邻板的通道嵌套。在这些实施方案中，优选具有2个双极板设计，其中相邻板的氢气流动通道和/或氧气流动通道沿其整个长度不对齐，从而防止相邻板嵌套。
在存在2个双极板设计的这样的实施方案中，优选的是，特定特征或元件在两个设计中保持在相同的位置。例如，歧管孔以及独立的氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口，优选在两个设计中处于相同的位置。
本文还提供了一种用于本发明的燃料电池单元的双极板，所述双极板围绕在板堆的垂直方向(即，垂直于板的平面)上通过板中心的线不具有旋转对称性。所述双极板适合为上述氢燃料电池单元中的第一双极板、第二双极板和/或第三双极板中的任何一个。
在优选的实施方案中，缺乏旋转对称性归因于氧气流动通道的形状。如上所述，即使在双极板不具有整体旋转对称性的实施方案中，在板的特定特征或元件之间仍然可以存在旋转对称性。例如，如上所述，在双极板上的歧管孔之间，或者在氢气流动通道和/或氧气流动通道的入口和出口之间，仍然可以存在旋转对称性。特定元件的旋转对称性可以是2阶旋转对称性，即，通过每个360度的旋转，元件将映射到其自身上两次。在优选的实施方案中，双极板包括两个或更多个歧管孔，并且歧管孔具有旋转对称性。特别优选的是，歧管孔的旋转对称性是2阶旋转对称性。
双极板优选由单个金属或合金片材(例如钢、钛或铝或其合金)冲压而成。它可以用例如ta-C涂覆。优选地，双极板没有焊接接头，即在双极板的形成中没有焊接步骤。
本文还提供了一种制备双极板的方法，包括
(i)提供金属或合金片材；
(ii)冲压所述片材以形成包含多个氢气通道和多个氧气通道的双极板，
其中所述双极板可用于制备根据本发明的氢燃料电池单元，包括根据其任何其实施方式和优选实施方式或特征组合。
所述方法优选地不包括焊接步骤。
本发明还提供了一种制造氢燃料电池的方法，包括
(i)提供第一双极板和第二双极板，所述第一双极板具有正面和背面，所述正面是阳极，所述第二双极板具有正面和背面，正面是阴极，背面是阳极，
(ii)将第一膜电极组件定位在第一双极板和第二双极板之间，
其中当第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间(例如，位于第一双极板的背侧和第二双极板的前侧之间)时，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路，
(iv)提供第三双极板，所述第三双极板具有正面和背面，所述正面是阴极，以及
(v)将第二膜电极组件定位在第二双极板和第三双极板之间，
其中，当第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间(例如，位于第二双极板的背侧和第三双极板的前侧之间)时，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路。
制备氢燃料电池的优选方法包括本文别处描述的本发明的一个或多个或所有任选或优选的特征。
在所述方法中，双极板优选地具有相同的设计，相邻板相对于彼此旋转180度。
一种制备氢燃料电池单元的方法，包括：
(i)提供金属或合金片材；
(ii)冲压所述片材以形成包含多个氢气通道和多个氧气通道的双极板，
(iii)重复步骤(i)和(ii)至少一次以提供多个类似的双极板，以及(iv)将多个类似的双极板布置成堆，相邻板相对于彼此旋转180度。
制备氢燃料电池单元的另一种方法包括：
(i)提供多个类似的双极板，每个双极板包括多个氢气通道和多个气氧通道，以及
(ii)将所述多个类似的双极板布置成堆，相邻板相对于彼此旋转180度。
所述双极板因此可用于制备根据本发明的氢燃料电池单元，包括根据其任何实施方案和优选实施方案或本文所述特征的组合。示例性的堆在堆中包括5个或更多个，或者特别是10个或更多个类似的双极板。
垫圈在氢燃料电池中是常规的，并且在本发明中适当地用于相邻板之间以防止燃料电池的相应氢气侧和氧气侧之间的泄漏，在氢气流动通道入口和出口以及氢气歧管之间提供密封，如在氢燃料电池中常规呈现的，以及将堆中的顶板和底板密封至集电器。包括氧气歧管是可选的，如果确实存在，可以使用垫圈密封氧气流动通道入口和出口至氧气歧管。
在优选的实施方案中，第一垫圈可用于所有双极板的阴极侧(称为阴极垫圈)，第二垫圈可用于全部双极板的阳极侧(称为阳极垫圈)。优选地，所有阴极垫圈相同(即具有相同的形状)，且所有阳极垫圈相同(即具有同样的形状)。在一些实施方案中，阳极集电器可能需要第三垫圈，阴极集电器可能需要第四垫圈。在其他优选的实施方案中，第一垫圈(即，在所有板的阴极侧使用的垫圈)可用于阴极集电器，第二垫圈(即在所有板阳极侧使用的)可用于阳极集电器。可能还需要用于端板的单独的垫圈。
因此，所述方法适当地包括添加氢气歧管和添加集电器以及在相应的部件之间定位垫圈，以及将板、垫圈和其他部件夹合在一起。
本发明实施方案的单个板双极板不需要相邻板之间的焊接。因此，避免了先前焊接板中出现的氧化和腐蚀。
单个双极板可以比至今现有的双极板更薄，且所需材料更少。可减小与焊接堆输出相当的氢燃料电池堆的总尺寸和/或重量。
单个双极板可以具有相同的设计，只是从板堆中的一层到下一层的定向不同，减少了板的制备和板堆结构的复杂性。单个冲压工具可用于制备堆中的所有板。
已经发现，在本发明的实施方案中使用的单个板通过使用内部垫圈和MEA容易且可靠地彼此密封。
附图说明
参考附图说明本发明，其中：
图1示出了燃料电池堆中已知双极板；
图2示出了形成双极板的已知阳极板和阴极板的组件；
图3示出了本发明双极板俯视和侧视图；
图4示出了本发明双极板一侧的俯视图；
图5是示出了本发明的两个独立双极板的通道的俯视图，其中一个双极板直接堆叠在另一个双极板上，两个板具有相同的形状和配置，且一个双极板相对于另一个双极板旋转180度；
图6示出了图4的双极板的俯视图，顶部有质子交换膜，所述质子交换膜密封双极板的阳极侧；
图7示出了图4双极板的俯视图，示出了板上的阳极垫圈；
图8示出了图4的双极板的俯视图，示出了板上的阴极垫圈；
图9示出了本发明的双极板堆的一部分俯视和侧视图，能够看到穿过堆的横截面，示出了空气流动通道；
图10示出了燃料电池堆中心处与图9的部分相同方向的更详细横截面；
图11示出了沿垂直于图9和图10的方向穿过燃料电池堆的横截面，示出了氢气流动通道；
图12示出了燃料电池堆边缘处更详细的横截面，横截面截取的方向与图11相同；
图13示出了本发明双极板的另一替代实施方案的俯视图；
图14示出了示出图13所示实施方案的两个单独双极板的通道的俯视图，其中一个板直接堆叠在另一个双极板上，两个双极板具有相同的形状和配置，一个双极板相对于另一个双极板旋转180度；
图15a和15b示出了本发明双极板的另一实施方案的俯视图；
图16示出了本发明双极板的另一个实施方案的俯视图，所述双极板具有封闭阴极，用于与氧气歧管一起；
图17a和17b示出了本发明双极板的另一实施方案的俯视图，所述双极板具有封闭阴极，用于与氧气歧管一起；
图18示出了包含本发明双极板堆的燃料电池的俯视和侧视图；
图19示出了图18的燃料电池堆的分解图；
图20示出了穿过图18和19的燃料电池堆中心的横截面的俯视和侧视图，示出了流动通道；
图21示出了与图20相同方向的更详细横截面，示出了连接至氢气歧管的导管；
图22示出了与图20相同方向的类似横截面，但穿过周边垫圈；
图23示出了沿与图20-22相同方向穿过周边垫圈的更详细的局部截面图；
图24示出了穿过图18的燃料电池堆中心的横截面的俯视和侧视图，其方向与图20-23垂直，示出了氢气流动通道；
图25示出了与图24类似方向的更详细的横截面，但是从侧面看，示出了氢气流动通道和周边垫圈；
图26示出了与图24相同方向的类似横截面，但是通过了阴极垫圈的附加部分；
图27示出了通过阴极垫圈附加部分的更详细的局部截面，方向与图26相似，但是从侧面看；
图28示出了本发明双极板的另一替代实施方案的俯视和侧视图；
图29示出了图28的双极板的俯视图；
图30示出了图28的双极板的阳极侧的俯视图，示出了阳极垫圈；
图31示出了图28双极板阴极侧俯视图，示出了阴极垫圈；
图32a、32b和32c分别示出了图28-31所示本发明实施方案的阳极垫圈、阴极垫圈和端板垫圈的俯视和侧视图；
图33示出了穿过图28双极的阳极垫圈特征(沿图29中的线A)的横截面；
图34示出了根据图28的双极板堆(平行于图29中的线A)的边缘视图；
图35示出了穿过图28的双极板的氢气入口通道(沿图29中的线B)的横截面；
图36示出了穿过图28的双极板中心(沿图29中的线C)的横截面；和
图37至图40是图33至图36的彩色版本，在其他方面相互等效。
具体实施方式
参考图1和图2，作为参考，已知的双极板组件包括交替的双极板1和膜电极组件(MEA)2，它们由气体扩散层3隔开。每个已知的双极板1实际上包括第一电池的阳极片5、相邻电池的阴极片6和焊缝7，以形成双极板。阳极片5和阴极片6因此被焊接在一起以形成双极板，在双极板的任一侧是垫圈8。
参考图3和图4，本发明的双极板10形成为具有两侧的单个冲压钢板，在燃料电池堆中间，一侧形成并用作阳极侧11，另一侧形成并且用作阴极侧12；堆的顶部和底部的板分别是阳极或阴极。本发明的双极板在每一端还具有通孔14，用于在板堆中密封连接到板堆顶部和底部的氢气歧管(此处未示出，在下面的图中示出)。孔使得H2能够从入口歧管(未示出)沿着并穿过板堆中的板的阳极侧，经由H2通道16流到出口歧管(未显示)。氢气纵向流过板，并通过保持在垫圈通道18中的相邻板之间的垫圈(此处未示出，在下面的图中示出)和质子交换膜(未示出)防止氢气逸出。通过仅存在于双极板的阴极侧上的附加垫圈部分(此处未示出，在下面的图中示出)防止氢气从双极板阴极侧上的H2歧管孔14流出。因此，氢气可以流入阳极侧的通道，但不流入阴极侧的通道。本发明的双极板在板的阴极侧12上另外具有空气通道17，空气通过空气通道17在阴极侧侧向流过板的宽度20。空气流(侧向)与氢气流(纵向)基本垂直(横向)。当单独观察双极板时(即没有垫圈或MEA)，双极板的阳极侧和阴极侧之间没有差异(除了方向)，然而图4被标记为双极板的阴极侧11。
图5显示了本发明的两个双极板10，一个在另一个的顶部，顶部双极板是部分透明的(仅用于表现目的)，使得图中可以看到下板的氢气通道(未标记，但参考图4)和空气通道17a、17b。板的方向交替：燃料电池堆中相邻的双极板围绕板中心垂直于板表面的线旋转180度。通道有目的地设计为使相邻双极板的空气通道17不完全对齐，即不沿其整个长度对齐：在图5中可以看出，顶部板的空气通道17a在其边缘(即入口和出口)垂直对齐，但随后在相反方向上交叉，其路径重复分叉，然后会聚，使得它们不与下板的空气通道17b完全对齐。板的设计使得相邻板(即，一个板相对于下一个板旋转)的空气通道有意地部分不对齐，使得相邻板的通道不相互配合或“嵌套”，并使得MEA(未示出)能够夹在相邻板之间，夹持在一个板的下表面与另一个板上表面相交的点处，而不会落入或推入空气通道17中，因为这将减少空气流动和/或损害密封。
通道的弯曲形状也是重要的。空气通道不是直的，以防止燃料电池堆部分压缩/塌陷。本发明的双极板的燃料电池堆中的交替双极板旋转180°。因此，由于相邻板上的空气通道不平行，板不能彼此嵌套。这对于提供从一个板到下一个板的支撑以及防止空气通道和氢气通道被相邻板上的通道彼此挤压而堵塞是重要的。相邻板之间的部分非平行通道还允许质子交换膜以及阳极和阴极垫圈牢固地夹在相邻板之间，以防止H2泄漏出电池并防止H2和空气在燃料电池内混合。
图6显示了本发明双极板阳极侧11上的MEA膜20。所述膜延伸穿过在两侧的垫圈通道18(此处存在垫圈)之间的双极板的宽度，并延伸穿过在双极板的每一端处的H2歧管孔14之间的双极板的长度。所述膜允许H2通过氢气通道(未示出)纵向流过板从H2歧管(未示出)流出，并进入双极板另一端处的H2歧管孔，而不会逸出，也不会泄漏到相邻双极板的阴极侧。
图7和图8分别示出了本发明双极板阳极侧和阴极侧上的垫圈。阳极垫圈22在垫圈通道18中绕过双极板的外侧；这防止H2泄漏并允许H2流过H2通道。阴极垫圈23包括附加部分23a，其防止H2从双极板的阴极侧上的H2歧管通道流出。
图9和图10示出了通过图4中所示的线A截取的燃料电池堆的横截面。在堆中可以看到多个双极板10，每个双极板的下侧是阴极侧12，上侧是阳极侧11。在堆的顶部可以看到膜20，所述膜连接到燃料电池堆中每个双极板的阳极侧。阳极垫圈22防止空气在每个板的阳极侧流动，而每个板的阴极侧上的空气通道17打开以允许空气流动。在其他地方注意到，燃料电池堆的相邻双极板中的空气通道不沿其整个长度对齐，但所示的横截面取自通道对齐的位置，以方便在图9中查看。
图11和图12示出了燃料电池堆的横截面，该横截面垂直于图9中的横截面，沿图4所示的线B截取。在堆中可以看到多个双极板10，每个双极板的下侧为阴极侧12，上侧为阳极侧11。在堆的顶部可以看到MEA膜20，并且膜20也附接到燃料电池堆中每个双极板的阳极侧。阴极垫圈的附加部分23a(沿其截取横截面)防止H2在每个板的阴极侧流动，而H2通道16允许氢气在堆中的每个双极板10的阳极侧流动。图12还示出了垫圈通道18中的阳极垫圈22，以防止空气沿着双极板的阳极侧11流动。
图11和12中的H2通道16不延伸穿过每个双极板10的整个厚度。这是为了防止H2通道16阻塞垂直的空气通道17(如图9和图10所示)。空气通道17被冲压到双极板中，使得每个通道具有深度d1，然后垂直的H2通道被冲压到双极板中，具有深度d2。H2通道的深度d2小于空气通道的深度d1。在空气通道和H2通道相交的位置(在双极板的相对侧上)，空气通道在其中具有凹口，并且变窄到深度d1-d2。这种布置使得空气和氢气能够在每个双极板的相对侧上以大致垂直的方向通过它们各自的通道以彼此交叉方向同时流动。
图13所示的双极板是本发明的另一个替代实施方案。类似于上面关于图3-8所述的双极板，冲压图13的双极板30，然后将交替板旋转180度。这种旋转防止空气通道38对齐，从而允许阴极和阳极垫圈(未示出)和质子交换膜(未示出)固定在相邻板之间。由于冲压空气通道的形状不同，图13的双极板与图3-8的双极板不同。除此之外，图13的双极板的特征与图3-8的双极板相同或对应。
图14示出了本发明的两个双极板30，一个在另一个上面。顶部双极板部分透明(仅用于表现目的)，使得图中可以看到下部板的氢气通道(未标记，但参考图13中的标记36)和空气通道38b。板的方向交替：燃料电池堆中的相邻双极板围绕板中心的垂直于板表面的线旋转180度。有意设计通道使得相邻双极板的空气通道38不完全对齐：在图14中可以看到，顶部板的空气通道38a在其边缘(即入口和出口)处垂直对齐，但随后在相反方向交叉，其路径重复分叉然后会聚，使得它们不与下部板的空气通道38b完全对齐。设计所述板使得相邻板(即，一个板相对于下一个板旋转)的空气通道有意部分不对齐，使得相邻板的通道不相互配合或“嵌套”，并使得MEA膜(未示出)能够夹持在相邻板之间，夹持在一个板的下表面与另一个板上表面相交的点处，而不会落入或被推入空气通道38中，因为这将减少空气流动和/或损害密封。
图15a和15b所示的双极板是本发明的另一个替代实施方案。如上所述(例如，关于图5和图13所述)，冲压图3-8和图13中所述类型的双极板，然后旋转180度，以防止空气通道对齐。在图15a和15b所示的实施方案中，堆叠双极板时无需旋转双极板。使用不同的冲压工具形成双极板50(图15a所示)和双极板60(图15b所示)。因此，当通过交替双极板50和双极板60形成燃料电池堆时，不需要旋转任何所述板。除了空气通道57、67的模式之外，这些双极板的通道遵循与图3-8所示相同的原理。每个双极板的上表面是阳极侧51、61，而下侧是阴极侧(未显示)。在每个双极板50、60的任一侧具有孔54、64，所述孔将氢气歧管(未示出)连接到板的阳极侧的氢气流动通道56、66。此外，在图15a和15b中的每一个中，具有垫圈通道58、68，阳极垫圈52、62位于其中。相邻板彼此不嵌套，可以将MEA密封地保持在相邻板之间。
图16中的双极板是本发明的另一个替代实施方案。图16中的双极板80具有封闭的阴极，这意味着它可以连接到氧气歧管。图3-8和13所示的本发明双极板均具有开放的阴极，这意味着空气通道未密封。在图16中，示出了一个具有封闭阴极的实施方案，这意味着空气通道87是密封的，空气从连接到空气歧管(未示出)的孔94进入空气通道。封闭阴极布置还允许纯氧气或具有附加氧气的空气通过空气通道87。除了存在空气孔94之外，具有封闭阴极布置的双极板80还具有不同形状的垫圈通道88以补充不同形状的阳极垫圈82，以及封闭阴极布置所需的阴极垫圈(未示出)。阳极垫圈82和阴极垫圈具有用于密封空气孔94的附加部分。
图17a和17b示出了具有封闭阴极的本发明双极板的替代布置。与双极板50和60(如图15a和15b所示)类似，双极板100和110(如图17a和17b所示)在堆叠时不需要旋转。而是，使用两个单独的压模来形成两个双极板100和110。当形成燃料电池堆时，这些双极板是交替的，这防止了相邻板上的空气通道107、117对齐。除了空气通道107、117的形状之外，双极板100和110与图16所示的双极板80相同并具有相同的特征。
参考图18和图19，示出了包含本发明的双极板的燃料电池堆。该燃料电池堆的特点是双极板具有开放的阴极(如图3-8、13和15所示)。燃料电池堆包括双极板堆120，双极板堆的任一端是集电器板123和端板121。燃料电池堆的特征还在于多个不同的垫片，特别是双极板堆中的阳极垫片128和阴极垫片(未示出)、集电器垫片127和每端的端板垫片129。螺栓124将两个端板121保持在一起，压缩所述堆，并确保在所述堆中的各种垫圈127、128和129与双极板/端板之间存在密封，防止气体在氢气通道和空气通道之间泄漏。示出了氢气入口125，氢气通过该入口以受控的方式泵入氢气歧管，并通过每个双极板中的孔(未示出)和氢气流动通道(未示出)。另外，在所述堆的每一侧的集电器板和端板之间存在绝缘层126。
图20和图21显示了穿过图18和图19的燃料电池堆中心的横截面，显示了空气通道130。该横截面还使得可以看到氢气歧管131和双极板120中的孔132，氢气通过它们进入和离开燃料电池堆双极板阳极侧的氢气通道。可以看到阴极垫圈136防止氢气泄漏出燃料电池堆，还可以看到阴极垫圈的附加部分136a，防止氢气沿着所述堆中双极板的阴极侧通过。阳极垫圈137额外地围绕氢气孔132的外侧通过，防止氢气从燃料电池堆泄漏，同时允许氢气沿着每个双极板的阳极侧通过氢气通道。
图22和图23示出了沿与图20和图21相同方向穿过燃料电池堆的另一个横截面，但该横截面穿过周边垫圈，并且不是燃料电池堆中心。阳极垫圈135防止空气进入双极板120的阳极侧。MEA膜和集电器垫圈127和138存在于双极板堆和集电器板123之间，位于堆的每一侧，以防止氢气从双极板堆泄漏。另外，在集电器123和燃料电池堆的端板120之间还有端板垫圈129。
图24和图25示出了沿垂直于图20-23横截面的方向穿过相同燃料电池堆中心的横截面。示出了氢气通道140，氢气通过该通道沿着燃料电池堆中每个双极板的阳极侧前行。此外，可以看到阳极垫圈128，阳极垫圈128防止空气进入双极板的阳极侧142(这些图中的上侧)。也可见阴极垫圈143，阴极垫圈143防止氢气进入双极板的阴极侧(这些图中的下侧)。此外，在每个双极板之间具有MEA膜，所述膜防止氢气从一个双极板的阳极侧流到相邻双极板的阴极侧。
图26和图27示出了沿与图24和图25相同的方向穿过燃料电池堆的另一横截面，但该横截面穿过邻近氢气孔的阴极垫圈的附加部分136a。阴极垫圈的附加部分136a防止氢气进入双极板的阴极侧。另外，可以看到阳极垫圈135，阳极垫圈135防止空气进入双极板的阳极侧。这些垫圈与每个双极板之间的质子交换膜相结合，对于确保燃料电池堆中空气和氢气之间的分离非常重要。
图28-40示出了本发明的一个替代实施方案。首先参考图28和29，双极板200以与上述实施方案相同的方式形成为具有两个侧面的单个冲压板，第一侧是阳极侧211，另一侧是阴极侧212。双极板在每一端具有孔214，以在多个板密封地堆叠在一起时形成氢气歧管。氢气能够从入口歧管(未示出)经由氢气入口通道216，经由主氢气通道216b(例如形成为空气通道中的凹口)和阳极谷221(由于板的阴极侧上的空气通道而形成)，通过氢气出口通道216c流到出口歧管(未示出)。在该实施方案中，氢气入口通道和出口通道位于双极板的一侧，这些通道可以在孔214的宽度上均匀分布。由于阴极垫圈(此处未示出，在下图示出)将氢气歧管密封在双极板的阴极侧，氢气只能在双极板阳极侧流动。
该实施方案的双极板还具有空气通道217，空气(以及因此氧气)可通过空气通道217在板的阴极侧212上沿基本上垂直于氢气流的方向流动。通过阳极垫圈特征220和阳极垫圈(此处未示出，在下图示出)之间的相互作用，防止了双极板的阳极侧上的气流。阳极垫圈特征是双极板的冲压部分，其在双极板的阳极侧具有升高的轮廓。阳极垫圈特征不连接到阳极谷221。因此，当阳极垫圈在阳极垫圈特征220和MEA(未示出)之间被压缩时，阳极侧被密封，并且阻止了空气在双极板阳极侧的流动。
当堆叠时，交替板旋转180度以防止相邻板之间的空气通道堆叠，从而允许MEA(未示出)保持在相邻板之间。
图30和31示出了分别位于本发明双极板阳极侧和阴极侧的阳极垫圈和阴极垫圈。这些图应与图32a-c结合考虑，图32a-c依次显示阳极垫圈、阴极垫圈和端板垫圈。如上所述，阳极垫圈230密封在板的阳极侧211上的阳极垫圈特征(此处未示出，在上图中示出)和MEA(未示出)之间。阳极垫圈是具有连续厚度的环。
阴极垫圈235密封在板的阴极侧212和MEA(未示出)之间，以防止氢气从板阴极侧上的孔214流出。阴极垫圈被成形为与氢气入口/出口通道216a、216c互补。在优选的实施方案中，如这里所示，在氢气入口通道216a和氢气出口通道216c之间存在旋转对称。这样，相同的阴极垫圈235可用于板的每一端处的孔214。
端板垫圈237可以存在于燃料电池堆(未示出)的一端或两端，以密封氢气歧管(未示出)。例如，如果氢气歧管入口和出口位于燃料电池堆的同一侧，则在燃料电池堆同一侧的集电器板和端板之间将需要两个端板垫圈237以密封孔(未示出)。在该实施例中，燃料电池堆另一侧的集电器板和端板之间不需要端板垫圈。在替代的实施方案中，氢气歧管入口和出口可以位于燃料电池堆的相对侧，在这种情况下，可以设想在燃料电池堆任一侧的集电器板和端板之间需要一个端板垫圈来密封孔。
图33(以及相应的彩色图37)示出了穿过两个相邻双极板200的阳极垫圈特征的横截面(横截面通过图29中的线A截取)。在该图中，每个板的上侧是阳极侧211，每个板的下侧是阴极侧212。在每个双极板的阴极侧可以看到空气通道217，所述空气通道由双极板的阳极侧和MEA 238限定。阳极垫圈特征220存在，并在每个双极板的阳极侧211和阳极垫圈230之间形成密封，从而防止空气进入双极板的阳极侧。
图34(以及相应的彩色图38)示出了与图33横截面相同方向的燃料电池堆边缘的视图，但未截取阳极垫圈特征。因此可以看出，阳极垫圈特征220被密封且不连接到阳极谷221，使得阳极垫圈特征能够接触阳极垫圈230并密封阳极侧211(在该图中为每个板的上侧)与空气隔绝。空气通道217在阴极侧212(在该图中为每个板的下侧)是可见的，并允许含氧空气在每个板的阴极侧流动。
图35(以及相应的彩色图39)示出了通过两个相邻双极板200的氢气入口通道的横截面(横截面通过图29中的B线截取)。氢气入口通道216a在每个双极板上是可见的。氢气入口通道形成在每个双极板的阳极侧(该图中的上侧)和MEA 238之间。通过阴极垫圈235防止氢气进入每个双极板的阴极侧(该图中的下侧)，所述阴极垫圈235被成形为与氢气入口通道的形状相对应，并密封在板的阴极侧和MEA 238之间。每个双极板的阳极垫圈特征220和两个双极板之间的阳极垫圈230也是可见的。
图36(以及相应的彩色图40)示出了沿着图29中的线C穿过两个双极板200的中心的横截面。可以在每个双极板的阳极侧(该图中的上侧)看到氢气通道216b。可以看到MEA238位于两个双极板之间。横截面截取双极板的边缘，因此在每个板上以及阳极垫圈230上可以看到阳极垫圈特征220。
在使用中，氢气被泵入氢气歧管，然后通过燃料电池堆一侧的孔，然后氢气通过H2通道沿着堆中每个双极板的阳极侧流过。在另一侧，具有出口歧管，未使用的氢气可以通过该出口歧管再循环。通过阴极垫圈防止氢气进入每个板的阴极侧的通道。在通过阳极时，H2在催化剂(MEA的一部分或包含在MEA中)作用下转化为H+离子(质子)。然后质子穿过质子交换膜，在那里它们在阴极催化剂作用下与氧和电子结合生成水。通过将氢气转化为H+离子而产生的电子通过外部电路(未示出)到达集电器，在那里收集电。集电器存在于燃料电池堆的每一端。
空气流动可以被动发生。与受控的氢气流动同时，风扇可以通过每个双极板的阴极侧上近似垂直的空气通道泵送空气。通过阳极垫圈防止空气进入每个板的阳极侧。空气流动向阴极提供氧气，氧气通过与阴极催化剂(未示出)上的电子结合转化为O2-离子。由O2-离子与H+离子结合形成的水在空气通道中作为水蒸气流出燃料电池。
在本发明的燃料电池堆中的每个双极板之间存在膜电极组件(MEA)。MEA在本领域是常规的，通常按顺序包括第一气体扩散层(GDL)、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和第二气体扩散层(GDL)。这些层中的每一层在本领域中都是常规的。在本发明的燃料电池堆中，第一GDL(与MEA中的阳极催化剂层相邻)将与第一双极板10的阳极侧相邻，第二GDL(相邻于相同MEA的阴极催化剂层)将与第二双极板的阴极侧相邻。MEA的其他布置也是已知的，并且可以与本发明的双极板一起使用，例如GDL和催化剂层可以组合成单层。
在制备所述板和板堆时，可以使用单个冲压工具来制备多个板，并且每个相邻板相对于前一个板旋转180°，MEA位于相邻板之间，并且相邻板用垫圈彼此密封。或者，可以使用两种不同的冲压工具，然后所述堆中对使用每个冲压工具制备的双极板进行交替。使用两种不同的冲压工具避免了旋转相邻的板材。使用两个单独的冲压工具的另一个优点是阴极流场可以是均匀的，消除了双极板中心的未使用空间，这在使用单个冲压工具时是不可避免存在的。板表面上的通道形成用于氢气和氧气的密封通道，垫圈和板之间压缩的MEA保持氢气通道和氧气通道分离以及氢气通道密封，防止各自通道之间的泄漏。板堆由夹具或外部燃料堆体牢固地保持在一起。集电器被添加到所述堆的相应阳极和阴极端。氢气通道的密封在堆的一端形成单个氢气入口，在另一端形成单个出口。氢气歧管连接到入口和出口并密封到其上，以使氢气能够受控地流过氢气通道，这在燃料电池中是常规的，不是本发明的一部分。
在所示的实施方案中，氧气(包含在空气中)自由地流入和流过板的阴极侧上的氧气通道(空气通道)，同时通过歧管和气体入口控制系统控制进入阳极侧的氢气，并且燃料电池运行以发电。如将理解的，对氢气通道的引用是指用于包括氢气或由氢气组成的气体流动的通道，且对氧气流动通道的引用指用于包括氧气或由氧气组成的气体(特别是在空气中)流动的通道。
在另一实施方案中，还提供氧气歧管(空气歧管)用于控制氧气(或空气)的输入和水的排出。在该替代实施方案中，氧气歧管和氧气通道都由歧管密封，并且气体流动由相应气体入口和出口处的阀门控制。
因此，本发明提供双极板和包括该板的氢燃料电池单元及其制备方法。

Claims (15)

1.一种氢燃料电池单元，按顺序包括
(i)第一双极板，其具有正面和背面，所述背面是单元中的阳极，
(ii)第一膜电极组件，
(iii)第二双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，所述背面是单元中的阳极，
其中，第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，并且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路，
(iv)第二膜电极组件，和
(v)第三双极板，其具有正面和背面，所述正面是单元中的阴极，
其中，第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供有用于氢气流动的流路，在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供有用于氧气流动的流路，
其中所述双极板包括用于氧气流动的通道，并且其中相邻板的氧气流动通道在所述相邻板上重复地分叉和会聚。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池单元，其中每个氧气流动通道包括入口和出口以及位于其入口和其出口之间的导管，且其中燃料电池中相邻板的氧气导管不沿其整个长度垂直对齐，使得相邻的板在固定到作为燃料电池一部分的堆中时不会嵌套在一起。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池单元，其中所述双极板包括基本上彼此横向的氢气流动通道和氧气流动通道。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池单元，其中氧气流动通道由双极板中的凹陷形成，且横向氢气流动通道包括形成氧气流动通道的凹陷中的凹口，或反之亦然，即，其中氢气流动通道由双极板中的凹陷形成，且横向氧气流动通道包括形成氢气流动通道的凹陷中的凹口。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池单元，其中双极板在彼此顶部垂直堆叠的情况下，任一双极板的水平横截面(即，穿过任一双极板的中心、垂直于板堆的垂直方向的平面上截取的横截面)，穿过氢气流动通道和氧气流动通道。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池单元，其中所述第一双极板、第二双极板和第三双极板设计相同。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池单元，其中相邻的双极板相对于彼此旋转180度。
8.一种用于燃料电池单元的双极板，其围绕在双极板堆的垂直方向(即垂直于板的平面的方向)上穿过双极板的中心的线不具有旋转对称性，其中所述双极板适合于根据任一前述权利要求的第一双极板、第二双极板和第三双极板中的任何一个。
9.根据权利要求8所述的双极板，其由单个金属或合金片材，例如钢板，冲压而成。
10.根据权利要求8所述的双极板，其中不具有旋转对称性归因于氧气流动通道的形状设计。
11.根据权利要求8所述的双极板，其中所述双极板包括两个或更多个歧管孔，并且每个板上的歧管孔具有旋转对称性(例如2阶旋转对称性)。
12.一种制备双极板的方法，包括：
(i)提供金属或合金片材；
(ii)冲压所述片材以形成包含多个氢气流动通道和多个氧气流动通道的双极板，
其中所述双极板可用于制备根据权利要求1所述的氢燃料电池单元。
13.根据权利要求12所述的制备双极板的方法，其中所述方法不包括焊接步骤。
14.一种制备氢燃料电池的方法，包括：
(i)提供第一双极板和第二双极板，所述第一双极板具有正面和背面，所述正面是阳极，所述第二双极板具有正面和背面，正面是阴极，背面是阳极，
(ii)将第一膜电极组件定位在第一双极板和第二双极板之间，
其中当第一膜电极组件位于第一双极板和第二双极板之间时，在第一双极板的背面和第一膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，且在第二双极板的正面和第一膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路，
(iv)提供第三双极板，所述第三双极板具有正面和背面，所述正面是阴极，以及
(v)将第二膜电极组件定位在第二双极板和第三双极板之间，
其中，当第二膜电极组件位于第二双极板和第三双极板之间时，在第二双极板的背面和第二膜电极组件之间提供用于氢气流动的流路，在第三双极板的正面和第二膜电极组件之间提供用于氧气流动的流路。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述双极板均具有相同的设计，相邻的板相对于彼此旋转180度。
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