CN117203801A - 用于燃料电池单元堆叠体或电解槽堆叠体的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池单元堆叠体或电解槽堆叠体的双极板(6，7)，双极板(6，7)包括面对彼此、组装到彼此的阳极板(16)和阴极板(17)，阳极板(16)的面与阴极板(17)的面相对，从而限定内部空间，该内部空间形成用于分配第一流体的回路，阳极板(16)和阴极板(17)具有不同的尺寸，使得阳极板(16)的外周端部的至少一部分和阴极板(17)的外周端部的至少一部分在双极板(6，7)的平面中相对彼此偏移，从而在双极板(6，7)的外周端部处形成肩部。

Description

用于燃料电池单元堆叠体或电解槽堆叠体的双极板

本发明涉及一种用于燃料电池单元堆叠体或用于电解槽堆叠体的双极板，涉及一种具有这种板的用于燃料电池单元堆叠体或电解槽的电池单元，并且涉及一种具有这种电池单元的燃料电池单元堆叠体或电解槽。

以本身已知的方式，燃料电池单元堆叠体是一种电化学装置，其使得可以使用燃料(通常是氢气)和氧化剂(通常是氧气或含有氧气的气体，比如空气)将化学能转换成电能，反应产物是水，同时释放热量并且产生电力。

电解槽基于相反的原理，具体是输入电能以产生化学反应，例如产生燃料(比如氢气)和氧化剂(比如氧)。以下描述更特别地涉及燃料电池单元堆叠体，但可以应用于电解槽。

燃料电池单元堆叠体或电解槽是多个电池单元的堆叠，每个电池单元具有将膜电极组件(AME(Assemblage Membrane Electrode))夹在中间的两个双极板。当将每个双极板添加到电池单元的堆叠体时，从内部藉由设置在双极板的开口(专用开口或通过利用一个或多个集流器)中的引导件将堆叠体的部件对准，或者从外部藉由与双极板的相应边缘接触的至少三个引导销将堆叠体的部件对准。

使几十个电池单元或甚至几百个电池单元的堆叠体的部件对准是棘手的。堆叠体的各种部件(尤其是双极板和AME)具体地可能倾向于在彼此上滑动，由此导致美学缺陷、性能损失、泄漏以及抗振性降低。双极板和AME的不良对准还会增加短路的风险。如果在不同电位的两个点之间存在短距离、甚至是局部距离，并且如果导体元件填充该空间(金属碎片、灰尘等)，则风险就更大。

因此，在燃料电池单元堆叠体或电解槽的制造期间，需要正确地堆叠双极板，也就是说，使双极板沿着堆叠轴线正确地对准。

本发明旨在通过提出一种用于燃料电池单元堆叠体或用于电解槽堆叠体的双极板来有效地克服这些缺点，该双极板具有彼此面对面地接合的阳极板和阴极板，该阳极板的面面对着该阴极板的面，从而界定内部空间，该内部空间形成用于分配第一流体的回路，阳极板和阴极板具有不同的尺寸，使得阳极板的外周端部的至少一部分和阴极板的外周端部的至少一部分在双极板的平面中相对彼此偏移，从而在双极板的外周端部处形成肩部。

这种构型使得可以确保在堆叠体的制造期间正确地引导双极板，并且防止阳极板与阴极板之间形成任何短路。

根据一个实施例，阳极板和阴极板的相应尺寸被设置成使得至少在双极板的外周端部的一部分上，阴极板的外周端部和阳极板的外周端部不面对彼此。

根据一个实施例，肩部被认为垂直于双极板的平面。换句话说，肩部在双极板的边缘上延伸超过双极板的厚度。

根据一个实施例，阳极板的外周端部和阴极板的外周端部各自具有垂直于双极板的平面延伸的直边缘。

根据一个实施例，肩部形成台阶或锯齿。

根据一个实施例，双极板具有用于在堆叠体的制造期间引导双极板的至少一个引导区，该引导区设置在肩部处，引导区包括双极板的外边缘。

根据一个实施例，肩部在双极板的外周端部的周边的至少90％上延伸。

根据一个实施例，肩部包括钝角、尤其是在92°与100°之间的钝角。

根据一个实施例，阳极板具有第一开口，阴极板具有第二开口，该第一开口和该第二开口面对彼此，以形成用于允许第一流体或第二流体通过双极板的集流器，第一开口和第二开口具有不同的尺寸，使得第一开口的外周端部的至少一部分和第二开口的外周端部的至少一部分在双极板的平面中相对彼此偏移，从而在集流器的外周端部处形成第二肩部。

根据一个实施例，第二肩部被认为垂直于双极板的平面。

根据一个实施例，第一流体是冷却流体。

根据一个实施例，第二流体是燃料或氧化剂。

根据一个实施例，阳极板通过模制来制造，并且阳极板的边缘中的至少一个包括第一倾角，该第一倾角与肩部分开。

根据一个实施例，阴极板通过模制来制造，并且阴极板的边缘中的至少一个包括第二倾角，该第二倾角与肩部分开。

本发明还包括一种用于燃料电池单元堆叠体或电解槽的电池单元，该电池单元具有两个如上所述的双极板，其中，这两个双极板将膜电极组件夹在中间。

根据一个实施例，膜电极组件的尺寸使得可以在肩部处将膜电极组件的外周端部与阳极板和阴极板中离内部空间最远的那一个的外周端部对准。

根据一个实施例，双极板中有外周端部的一部分不具有肩部，膜电极组件在该部分中通过在双极板的平面方向上突出超过双极板而从双极板的外周端部突出。

本发明还涉及一种燃料电池单元堆叠体或电解槽、尤其是具有质子交换膜的燃料电池单元堆叠体或电解槽，该燃料电池单元堆叠体或电解槽具有如上所述的电池单元的堆叠。

通过阅读下面的描述以及通过研究附图，将更好地理解本发明。这些附图仅作为说明给出并且不以任何方式限制本发明。

[图1][图1]是现有技术的电池单元的示意性表示；

[图2][图2]是沿着[图1]的电池单元的轴线II-II的表示；

[图3][图3]是根据本发明的双极板的立视示意性表示；

[图4][图4]是根据本发明的电池单元的截面示意性表示；以及

[图5][图5]是根据本发明的电池单元的另一实施例的截面示意性表示。

相同、相似或类似的那些元件从一个图到下一个图保持相同的附图标记。

参考[图1]，其示出了用于现有技术的燃料电池单元堆叠体的电池单元1，可以观察到这种电池单元1具有质子传导电解质2，该质子传导电解质被夹在两个多孔电极(阴极3与阳极4)之间，并确保质子在这两个电极3、4之间转移。

为此，电解质2可以是特别是厚度在5μm与200μm之间的聚合物质子交换膜，所得到的堆叠体是PEM(“质子交换膜”)或PEMFC(“质子交换膜燃料电池单元”)堆叠体。

由电解质2和两个电极3、4组成的组件形成膜电极组件(AME)5，该膜电极组件本身被夹在第一双极板6与第二双极板7之间，该第一双极板和该第二双极板收集电流，将氧化剂和燃料分配到电极3、4，并且循环传热流体。

通常使用的双极板6、7是由提供良好耐腐蚀性和导电性能的材料制成，如碳基板料，比如石墨、聚合物浸渍石墨或通过机加工或通过模制成形的柔性石墨片。

制造双极板6、7也可以使用金属材料，比如基于钛、基于铝以及基于铁的合金，包括不锈钢。在这种情况下，双极板6、7可以通过压制或冲压低厚度的片材来成形。

为了确保氧化剂、燃料和传热流体在堆叠体的所有组成电池单元中的分配，第二双极板7具有六个开口7a至7f。

第一双极板6具有设置在如双极板7上那样的相同位置的相同开口，其中[图1]仅示出了四个开口6a至6d。

第一双极板6中的开口6a至6d和第二双极板7中的开口7a至7f对准，以形成集流器，从而确保流体循环穿过堆叠体的所有组成电池单元。

在这些开口7a至7f、6a至6d中的每一个处，导管(未示出)使得可以向这些开口供应或收集在板6、7的表面上或在板6、7中或在为此设置的流体循环通道中循环的传热流体、燃料或氧化剂。

参考[图2]，该图是沿着[图1]中的线II-II的截面，阴极电极3和阳极电极4各自具有相应的活性层10、11和相应的扩散层12、13，活性层分别是发生阴极反应和阳极反应的地方，扩散层介于活性层10、11与对应的双极板6、7之间，扩散层12、13可以是例如纸基板或碳布。

扩散层12、13确保反应物(比如氢气和氧气)的扩散，这些反应物在相应的通道14、15中循环，这些通道由在相应的双极板6、7中制成的凹槽形成。

以这种方式，阳极电极4的活性层11经由扩散层13被供应氢气，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，阴极电极3的活性层10经由扩散层12被供应氧，并且在该活性层10中发生的反应如下：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。这些反应通过膜2的存在而成为可能，该膜确保质子从阳极4的活性层11转移到阴极3的活性层10。

以本身已知的方式，燃料电池单元堆叠体或电解槽堆叠体具有电池单元1的堆叠、第一端板和第二端板，电池单元1的堆叠被安装在第一端板与第二端板之间。

根据本发明的燃料电池单元堆叠体具有如上所述的电池单元1的堆叠。电池单元1确保电流的收集、氧化剂和燃料到电极的分配、以及传热流体的循环。

参考[图3]，双极板6、7具有阳极板16和阴极板17，该阳极板和阴极板面对面地粘接或焊接、具有形成用于分配第一流体的回路的内部空间的界限。阳极板16和阴极板17各自具有矩形形状的截面(在厚度上，边缘是直的，也就是说，该边缘沿着垂直于板的平面的方向延伸)。

阳极板16的面对阴极板17的面的面具有不同的尺寸，使得阳极板16的外周端部的至少一部分和阴极板17的外周端部的至少一部分在双极板6、7的平面中相对彼此偏移，从而在双极板6、7的外周端部处形成肩部，该肩部被认为垂直于双极板6、7的平面。

换句话说，在双极板6、7的端部的至少一部分上，阳极板16或阴极板17突出超过另一个。

肩部形成台阶或锯齿。

双极板6、7具有用于在堆叠体的制造期间引导双极板6、7的引导区，该引导区设置在肩部处，引导区包括双极板的外边缘。因此，引导区是阳极板16或阴极板17的突出超过另一个的端部的部分。

在[图3]的示例中，肩部在双极板6、7的外周端部的整个周边上延伸。换句话说，肩部在双极板6、7的整个周边上是连续的。结果是，可以在板的周边的任何部分上实现引导。

在[图3]的示例中，阳极板16具有用于第二流体的流入或流出的第一开口，并且阴极板17具有用于第二流体的流入或流出的第二开口，第一开口和第二开口面对彼此，以形成用于允许第二流体通过双极板6、7的集流器18。第一开口和第二开口具有不同的尺寸，使得第一开口的外周端部的至少一部分和第二开口的外周端部的至少一部分在双极板6、7的平面中相对彼此偏移，从而在集流器18的外周端部处形成第二肩部，该第二肩部被认为垂直于双极板6、7的平面。

在[图3]的示例中，双极板6、7的所有外边缘(板6、7的外周端部和集流器18的外周端部)具有肩部，并且每个肩部在所讨论的边缘的整个周边上是连续的。

[图4]示出了用于燃料电池单元堆叠体或电解槽的电池单元1，该电池单元具有两个如上结合[图3]所述的双极板6、7，其中，这两个双极板6、7将膜电极组件5夹在中间。

膜电极组件5的尺寸使得可以在肩部处将膜电极组件5的外周端部与阳极板16和阴极板17中离内部空间最远的那一个的外周端部对准。在所讨论的示例中，AME 5和阳极板16在肩部处边缘对边缘地对准。

结果是，引导区在肩部处由阳极板16的突出超过阴极板17的那些外周边缘实现。可以以相反的构型执行组装，其中，AME 5与阴极板17边缘对边缘地对准。

[图5]示出了根据另一实施例的用于燃料电池单元堆叠体或电解槽的电池单元1。与[图4]的电池单元1的不同之处在于，在该实施例中，阳极板16通过模制来制造。阳极板16中的第一开口的终端边缘包括第一倾角。在[图5]的示例中，该倾角位于该板的厚度中。

阴极板17也通过模制来制造。阴极板17中的第二开口的终端边缘包括第二倾角。该第二倾角位于阴极板17的平面中。

在[图5]的示例中，肩部由于这些倾角而包括至少一个钝角。在所讨论的示例中，肩部包括在92°与100°之间的角度。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池单元堆叠体或用于电解槽堆叠体的双极板(6，7)，该双极板(6，7)具有彼此面对面地接合的阳极板(16)和阴极板(17)，该阳极板(16)的面面对着该阴极板(17)的面，从而界定内部空间，该内部空间形成用于分配第一流体的回路，该阳极板(16)和该阴极板(17)具有不同的尺寸，使得该阳极板(16)的外周端部的至少一部分和该阴极板(17)的外周端部的至少一部分在该双极板(6，7)的平面中相对彼此偏移，从而在该双极板(6，7)的外周端部处形成肩部。

2.如前一项权利要求所述的双极板(6，7)，该阳极板(16)的外周端部和该阴极板的外周端部各自具有垂直于该双极板的平面延伸的直边缘。

3.如前述权利要求中任一项所述的双极板(6，7)，该肩部形成台阶或锯齿。

4.如前述权利要求之一所述的双极板(6，7)，该双极板具有用于在堆叠体的制造期间引导该双极板(6，7)的至少一个引导区，该引导区设置在该肩部处，该引导区包括该双极板(6，7)的外边缘。

5.如前述权利要求之一所述的双极板(6，7)，该肩部在该双极板(6，7)的外周端部的周边的至少90％上延伸。

6.如前述权利要求之一所述的双极板(6，7)，该阳极板(16)具有第一开口，该阴极板(17)具有第二开口，该第一开口和该第二开口面对彼此，以形成用于允许该第一流体或第二流体通过该双极板(6，7)的集流器(18)，该第一开口和该第二开口具有不同的尺寸，使得该第一开口的外周端部的至少一部分和该第二开口的外周端部的至少一部分在该双极板(6，7)的平面中相对彼此偏移，从而在该集流器(18)的外周端部处形成第二肩部。

7.一种用于燃料电池单元堆叠体或电解槽的电池单元(1)，该电池单元具有两个如前述权利要求中任一项所述的双极板(6，7)，其中，这些双极板(6，7)将膜电极组件(5)夹在中间。

8.如前一项权利要求所述的电池单元(1)，该膜电极组件(5)的尺寸使得能够在该肩部处将该膜电极组件(5)的外周端部与该阳极板(16)和该阴极板(17)中离该内部空间最远的那一个的外周端部对准。

9.如权利要求7和8中任一项所述的电池单元(1)，该双极板(6，7)中有该外周端部的一部分不具有肩部，该膜电极组件(5)在该部分中通过在该双极板(6，7)的平面方向上突出超过该双极板(6，7)而从该双极板(6，7)的外周端部突出。

10.一种燃料电池单元堆叠体或电解槽、尤其是具有质子交换膜的燃料电池单元堆叠体或电解槽，该燃料电池单元堆叠体或电解槽具有如权利要求7至9之一所述的电池单元(1)的堆叠。