CN211017245U - 用于燃料电池的双极板和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于燃料电池的双极板(40)，包括：具有第一分配区域的第一分配结构(50)以用于将燃料分配到第一电极上，和具有第二分配区域的第二分配结构(60)以用于将氧化剂分配到第二电极上，其中，所述分配结构(50、60)由多孔泡沫(80)形成。所述分配结构(50、60)由与第一分配区域连接的第一供应通道(151)和与第二分配区域连接的第二供应通道(161)穿通，其中，所述供应通道(151、161)通过至少一个液密的分隔壁(88)彼此分开，该分隔壁与所述多孔泡沫(80)一体式地构造。本实用新型也涉及一种燃料电池，包括至少一个膜片‑电极单元和根据前述权利要求中任一项所述的至少一个双极板(40)，该膜片‑电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极。

Description

用于燃料电池的双极板和燃料电池
技术领域
本实用新型涉及一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括具有第一分配区域的第一分配结构以用于将燃料分配到第一电极上和具有第二分配区域的第二分配结构以用于将氧化剂分配到第二电极上，其中，分配结构由多孔泡沫形成。本实用新型也涉及一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个根据本实用新型的双极板。
背景技术
燃料电池是原电池，该原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化成电能。因此燃料电池是电化学能量转化器。在已知的燃料电池中尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转化成水(H2O)、电能和热量。
此外，已知质子交换膜(Proton-Exchange-膜片＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有居中布置的膜片，该膜片对于质子、也对于氢离子是可穿透的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分开。
质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极上被供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子通过膜片达到阴极。所给出的电子从燃料电池中导出并且经过外部电路流至阴极。
氧化剂在燃料电池的阴极上被供应并且通过接收来自外部电路的电子和穿过膜片达到阴极的质子反应成水。所生成的水从燃料电池中导出。总化学反应如下：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继布置成燃料电池堆并且使它们电串联。
为了将燃料均匀地分配到阳极上以及将氧化剂均匀地分配到阴极上而设置有气体分配板，其也被称为双极板。双极板例如具有通道状结构以将燃料以及氧化剂分配到电极上。
此外，通道状结构用于将反应时生成的水导出。双极板还可以具有用于使冷却液传输经过燃料电池以排出热量的结构。
也已知具有分配结构的双极板，该分配结构用于将燃料分配到阳极上以及用于将氧化剂分配到阴极上，该分配结构具有多孔泡沫。在此，泡沫具有这样的孔隙度，使得所供应的反应气体以及在反应时生成的水可以穿流。
由DE 10 2013 223 776 A1也已知一种用于燃料电池堆的双极板。双极板具有分配结构，该分配结构由金属泡沫制造并且该分配结构用于将反应气体导入到燃料电池堆中以及用于将反应时生成的水导出。双极板还具有分配结构，该分配结构由金属泡沫制造并且该分配结构用于使冷却液穿过。
实用新型内容
本实用新型提出一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括具有第一分配区域的第一分配结构以用于将燃料分配到第一电极上和具有第二分配区域的第二分配结构以用于将氧化剂分配到第二电极上。在此，分配结构由多孔泡沫形成。因此，分配结构的分配区域是多孔的并且因此构造得能被液体穿透。
根据本实用新型，分配结构由与第一分配区域连接的第一供应通道和与第二分配区域连接的第二供应通道穿通。供应通道通过至少一个液密的分隔壁彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫一体式地构造。第一供应通道用于将燃料供应给第一分配区域。第二供应通道用于将氧化剂供应给第二分配区域。
在上下文中，液密理解为，分隔壁对于供应给燃料电池的气态燃料、对于供应给燃料电池的气态氧化剂以及对于由燃料电池导出的水是不可穿透的。
这种泡沫例如可以通过冶金制造过程制造。在此，首先由例如聚氨酯或类似材料制成多孔的模制体作为占位件(Platzhalter)。占位件这样形成，使得在其内部产生开孔空间并且一些侧完全没有占位件材料。开孔内部空间还被分成两个自由空间。端部区域也通过部分自由的空间形成，使得对于介质密封必需的分隔壁之后可以产生。然后模制体由液态浇铸材料浇铸。液态浇铸材料例如是熔融金属。在此，浇铸材料侵入到模制体的开孔空间或者说自由的端部、内部和侧部空间中并且在凝固之后形成开孔泡沫或液密的分隔层，该分隔层的厚度是10至100μm。然后占位件材料通过清洗或燃烧除去。
根据本实用新型的有利构型，第一分配区域与第二分配区域通过至少一个液密的内部分隔层分开，该内部分隔层与多孔泡沫一体式地构造。
优选地，双极板方形地构造并且双极板的盖面和相对置的底面构造得能被液体穿透。在此，第一分配区域邻接到底面上并且第二分配区域邻接到盖面上。燃料可以通过能被液体穿透的底面达到第一电极。氧化剂可以通过能被液体穿透的盖面达到第二电极。
如果通过泡沫的制造过程由液密的分隔层封闭所有面，那么在底面上以及在盖面上的该分隔层随后被除去。
有利地，双极板的两个相对置的侧面分别完全由液密的外部分隔层形成，该外部分隔层与多孔泡沫一体式地构造。同样有利地，双极板的两个相对置的端面分别完全由液密的外部分隔层形成，该外部分隔层与多孔泡沫一体式地构造。
也可以考虑，双极板的相对置的侧面分别部分地由液密的外部分隔层形成，其中，液密的外部分隔层与多孔泡沫一体式地构造。在这种情况下，侧面也可以具有能被液体穿透的区域，尤其用于使燃料、氧化剂以及要导出的水进入或排出。
根据本实用新型的有利扩展方案，在第一分配结构和第二分配结构之间设置具有第三分配区域的第三分配结构以使冷却剂穿过，该第三分配结构由多孔泡沫形成。在此，第三分配结构同样由第一供应通道和第二供应通道穿通。此外，第一分配结构、第二分配结构和第三分配结构由第三供应通道穿通，该第三供应通道与第三分配区域连接。
根据本实用新型的有利构型，第一分配结构与第三分配结构材料锁合地连接，和/或第二分配结构与第三分配结构材料锁合地连接。那么所述分配结构首先分开地制成并且随后通过焊接或钎焊相互连接。替代地，第一分配结构例如也可以与第三分配结构一体式地构造，和/或第二分配结构可以与第三分配结构一体式地构造。
在此，为了简化双极板的装配，每个分配结构可以具有至少一个装配接套，该装配接套伸入到相邻的分配结构中。
根据本实用新型的另一可能的有利构型，双极板一体式地构造。这意味着，分配结构由多孔泡沫一体式地形成。
为了简化燃料电池或燃料电池堆的装配，双极板可以具有至少一个装配接套。在装配的燃料电池或在装配的燃料电池堆中，所述至少一个装配接套伸入到相邻的双极板中。
优选地，第一分配结构的多孔泡沫以及第二分配结构的多孔泡沫以及第三分配结构的多孔泡沫由金属材料制成。由此分配结构能导电。
也提出一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个膜片-电极单元和至少一个根据本实用新型的双极板，该膜片-电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极。燃料电池尤其这样构建，使得在膜片-电极单元的两侧上分别连接有一个双极板。
根据本实用新型的双极板具有显著的导电性和导热性。分配结构以及整个双极板由与液密的分隔壁和分隔层一体式构造的泡沫的制造可以相对简单和成本有利地实施。也明显简化用于提高分配结构的防腐蚀性的涂覆。此外，所需要的密封件的数量明显减小。这样在向外指向的侧面和端面之间不需要单独的密封件。仅仅在供应通道上并且必要时在盖面上需要密封件。在装配燃料电池堆时所需要的挤压力明显减小。此外，对将冷却剂泵送经过双极板的冷却剂泵、尤其是对其功率的要求降低。
附图说明
参照附图和下面的说明书详细阐释本实用新型的实施方式。
附图示出：
图1具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意性视图，
图2a第一分配结构的剖视图，
图2b图2a的第一分配结构沿着第一剖面线A-A的剖面，
图3a第二分配结构的剖视图，
图3b图3a的第二分配结构沿着第二剖面线B-B的剖面，
图4a第三分配结构的剖视图，
图4b图4a的第三分配结构沿着第三剖面线C-C的剖面，
图5图1的燃料电池堆的双极板的剖视图，和
图6图1的具有燃料电池堆的膜片-电极单元的双极板的俯视图。
具体实施方式
在下面对本实用新型的实施方式的说明中，相同或类似的元件标有相同的附图标记，其中，取消在个别情况下对这些元件的重复说明。附图仅示意性示出本实用新型的技术方案。
图1示出具有多个燃料电池2的燃料电池堆5的示意性视图。每个燃料电池2具有膜片-电极单元10，该膜片-电极单元包括第一电极21、第二电极22和膜片18。两个电极21、22布置在膜片18的彼此相对置的侧上并且因而通过膜片18彼此分开。第一电极21接下来也称为阳极21并且第二电极22接下来也称为阴极22。膜片18构造为聚合物电解质膜片。膜片18对于氢离子、即H+离子是可穿透的。
此外，每个燃料电池2具有两个双极板40，这两个双极板在两侧邻接到膜片-电极单元10上。在这里示出的多个燃料电池2布置在燃料电池堆5中的情况下，所述双极板40中的每个双极板可以视为属于两个彼此相邻布置的燃料电池2。
双极板40分别包括用于分配燃料的第一分配结构50，该第一分配结构面向阳极21。双极板40分别也包括用于分配氧化剂的第二分配结构60，该第二分配结构面向阴极22。第二分配结构60同时用于将反应时在燃料电池2中生成的水导出。
双极板40还包括第三分配结构70，该第三分配结构布置在第一分配结构50和第二分配结构60之间。第三分配结构70用于使冷却剂穿过双极板40并且由此用于冷却燃料电池2和燃料电池堆5。
第一分配结构50和第三分配结构70通过第一内部分隔层85彼此分开。第二分配结构60和第三分配结构70通过第二内部分隔层86彼此分开。双极板40的内部分隔层85、86液密地构造。
在燃料电池2的运行中，燃料通过第一分配结构50引导至阳极21。同样地，氧化剂通过第二分配结构60引导至阴极22。燃料、这里是氢气在阳极21上在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子经由膜片18达到阴极22。所给出的电子经过分配结构50、60、70流动至相邻燃料电池2的阴极22，或者说由位于边缘上的燃料电池2的阳极21通过外部电路流动至位于另一边缘上的燃料电池2的阴极22。氧化剂、这里是空气中的氧气通过接收这样引导的电子和经由膜片18达到阴极22的质子反应成水。
图2a示出第一分配结构50的剖视图。第一分配结构50由多孔泡沫80形成，该泡沫由金属材料制成。第一分配结构50具有居中放置的第一分配区域150以将燃料分配到阳极21上。
第一分配结构50由第一供应通道151、第二供应通道161和第三供应通道171穿通。第一分配结构50也由第一排出通道152、第二排出通道162和第三排出通道172穿通。第一分配区域150与第一供应通道151和第一排出通道152连接。
第一排出通道152这样布置，使得关于第一供应通道151能够实现燃料的优化流动。第一供应通道151和第一排出通道152例如布置在第一分配结构50的斜对角上。
供应通道151、161、171通过液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。排出通道152、162、172也通过液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。因此，第一分配区域150也与第二供应通道161、第二排出通道162、第三供应通道171和第三排出通道172分开。
图2b示出图2的第一分配结构50沿着第一剖面线A-A的剖面。第一分配区域150邻接到底面43上，该底面构造得能被液体穿透。第一分配区域150的与底面43相对置的面由液密的第一内部分隔层85形成。
第一分配结构50的与底面43垂直地取向的外面分别完全由液密的外部分隔层82形成。液密的外部分隔层82与多孔泡沫80一体式地构造。
第一供应通道151用于导出燃料。第一排出通道152用于排出不需要的燃料。燃料在第一流动方向51中经过第一供应通道151流到第一分配区域150中。从那里燃料的一部分通过底面43流动至这里未示出的阳极21。燃料的另一部分通过第一排出通道152从第一分配结构50中流出。
图3a示出第二分配结构60的剖视图。第二分配结构60由多孔泡沫80形成，该多孔泡沫由金属材料制成。第二分配结构60具有居中放置的第二分配区域160以用于将氧化剂分配到阴极22上。
第二分配结构60由第一供应通道151、第二供应通道161和第三供应通道171穿通。第二分配结构60也由第一排出通道152、第二排出通道162和第三排出通道172穿通。第二分配区域160与第二供应通道161和第二排出通道162连接。
第二排出通道162这样布置，使得关于第二供应通道161能够实现氧化剂的优化流动。第二供应通道161和第二排出通道162例如布置在第二分配结构60的斜对角上。
供应通道151、161、171通过液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。排出通道152、162、172也通过液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。因此，第二分配区域160也与第一供应通道151、第一排出通道152、第三供应通道171和第三排出通道172分开。
图3b示出图3a的第二分配结构60沿着第二剖面线B-B的剖面。第二分配区域160邻接到盖面42上，该盖面构造得能被液体穿透。第二分配区域160的与盖面42相对置的面由液密的第二内部分隔层86形成。
第二分配结构60的与盖面42垂直地取向的外面分别完全由液密的外部分隔层82形成。液密的外部分隔层82与多孔泡沫80一体式地构造。
第二供应通道161用于导入氧化剂。第二排出通道162用于排出不需要的氧化剂。氧化剂在第二流动方向61中通过第二供应通道161流到第二分配区域160中。从那里氧化剂的一部分通过盖面42流动至这里未示出的阴极22。氧化剂的另一部分通过第二排出通道162从第二分配结构60中流出。
图4a示出第三分配结构70的剖视图。第三分配结构70由多孔泡沫80形成，该多孔泡沫由金属材料制成。第三分配结构70具有居中放置的第三分配区域170以用于使冷却剂穿过。
第三分配结构70由第一供应通道151、第二供应通道161和第三供应通道171穿通。第三分配结构70也由第一排出通道152、第二排出通道162和第三排出通道172穿通。第三分配区域170与第三供应通道171和第三排出通道172连接。
供应通道151、161、171通过液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。排出通道152、162、172也液密的分隔壁88彼此分开，所述分隔壁与多孔泡沫80一体式地构造。因此，第三分配区域170也与第一供应通道151、第一排出通道152、第二供应通道161和第二排出通道162分开。
图4b示出图4a的第三分配结构70沿着第三剖面线C-C的剖面。第三分配区域170的两个相对置的面由液密的第一内部分隔层85以及液密的第二内部分隔层86形成。
第三分配结构70的与内部分隔层85、86垂直地取向的外面分别完全由液密的外部分隔层82形成。液密的外部分隔层82与多孔泡沫80一体式地构造。
第三供应通道171用于导入冷却剂。第三排出通道172用于排出冷却剂。冷却剂在第三流动方向71中通过第三供应通道171流动到第三分配区域170中并且通过第三排出通道172从第三分配结构70中流出。
在图2中示出的第一分配结构50、在图3中示出的第二分配结构60和在图4中示出的第三分配结构70分别具有装配接套157、158、167、168、177、178，所述装配接套在这里空心柱形地构造。第一装配接套157分别从第一供应通道151中伸出，第二装配接套158分别从第一排出通道152中伸出，第三装配接套167分别从第二供应通道161中伸出，第四装配接套168分别从第二排出通道162中伸出，第五装配接套177分别从第三供应通道171中伸出，并且第六装配接套178分别从第三排出通道172中伸出。
图5示出图1的燃料电池堆5的双极板40的剖视图。双极板40具有在图2中示出的第一分配结构50、在图3中示出的第二分配结构60和在图4中示出的第三分配结构70。在此，分配结构50、60、70如在图2b、图3b和图4b中示出的那样剖开。
第一分配结构50的装配接套157、158、167、168、177、178伸到第三分配结构70的供应通道151、161、171和排出通道152、162、172中。第三分配结构70的装配接套157、158、167、168、177、178伸到第二分配结构60的供应通道151、161、171和排出通道152、162、172中。第二分配结构60的装配接套157、158、167、168、177、178在装配的燃料电池堆5中伸到相邻的双极板40的供应通道151、161、171和排出通道152、162、172中。
在此，装配接套157、158、167、168、177、178与供应通道151、161、171和排出通道152、162、172分别形成过盈配合。因此，供应通道151、161、171和排出通道152、162、172是密封的。
第三分配结构70与第一分配结构50在第一内部分隔层85处材料锁合地连接。第三分配结构70与第二分配结构60在第二内部分隔层86处材料锁合地连接。在替代构型中，双极板40也可以一体式地构造。在这种情况下，双极板40的第一分配结构50、第二分配结构60和第三分配结构70由多孔泡沫80一体式地形成。
双极板40方形地构造并且在盖面42和相对置的底面43旁边具有第一端面47、相对置的第二端面48、在这里不可见的第一侧面45和相对置的这里不可见的第二侧面46。盖面42和底面43彼此平行并且与内部分隔层85、86平行地延伸。盖面42和底面43垂直于端面47、48并且垂直于侧面45、46地延伸。端面47、48垂直于侧面45、46地延伸。
侧面45、46和端面47、48分别完全由液密的外部分隔层82形成。在此，侧面45、46和端面47、48的外部分隔层82与多孔泡沫80一体式地构造。内部分隔层85、86过渡到外部分隔层82中。这里不可见的分隔壁88过渡到内部分隔层85、86和外部分隔层82中。
图6示出具有图1的燃料电池堆5的膜片-电极单元10的双极板40的俯视图。在此，膜片-电极单元10具有由环绕的壁制成的框架12。膜片18、阳极21和阴极22嵌入到框架12中，为此该框架在这里具有200μm的凹部。
本实用新型不限于这里所述实施例和在其中表明的方面。而在通过权利要求说明的范围内部，在本领域技术人员操作的框架中的多个变型是可能的。

Claims (11)

1.用于燃料电池(2)的双极板(40)，该双极板包括：
具有第一分配区域(150)的第一分配结构(50)以用于将燃料分配到第一电极(21)上，和具有第二分配区域(160)的第二分配结构(60)以用于将氧化剂分配到第二电极(22)上，其中，所述第一分配结构(50)和所述第二分配结构(60)由多孔泡沫(80)形成，其特征在于，所述第一分配结构(50)和第二分配结构(60)都被与所述第一分配区域(150)连接的第一供应通道(151)和与所述第二分配区域(160)连接的第二供应通道(161)穿通，其中，所述第一供应通道(151)和第二供应通道(161)通过至少一个液密的分隔壁(88)彼此分开，该分隔壁与所述多孔泡沫(80)一体式地构造。
2.根据权利要求1所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配区域(150)通过至少一个液密的内部分隔层(85、86)与所述第二分配区域(160)分开，该内部分隔层与所述多孔泡沫(80)一体式地构造。
3.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)，其特征在于，所述双极板(40)方形地构造，并且所述双极板(40)的盖面(42)和对置的底面(43)构造得能被液体穿透，其中，所述第一分配区域(150)邻接到所述底面(43)上，并且所述第二分配区域(160)邻接到所述盖面(42)上。
4.根据权利要求3所述的双极板(40)，其特征在于，
所述双极板(40)的两个相对置的侧面(45、46)分别完全由液密的外部分隔层(82)形成，该外部分隔层与所述多孔泡沫(80)一体式地构造，和/或，
所述双极板(40)的两个相对置的端面(47、48)分别完全由液密的外部分隔层(82)形成，该外部分隔层与所述多孔泡沫(80)一体式地构造。
5.根据权利要求1或2所述的双极板(40)，其特征在于，在所述第一分配结构(50)和所述第二分配结构(60)之间设置具有第三分配区域(170)的第三分配结构(70)以用于使冷却剂穿过，该第三分配结构由多孔泡沫(80)形成。
6.根据权利要求5所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)与所述第三分配结构(70)材料锁合地连接，和/或，所述第二分配结构(60)与所述第三分配结构(70)材料锁合地连接。
7.根据权利要求5所述的双极板(40)，其特征在于，每个分配结构(50、60、70)具有至少一个装配接套(157、158、167、168、177、178)，该装配接套伸入到相邻的分配结构(50、60、70)中。
8.根据权利要求1或2所述的双极板(40)，其特征在于，所述双极板(40)一体式地构造。
9.根据权利要求8所述的双极板(40)，其特征在于，所述双极板(40)具有至少一个装配接套(157、158、167、168、177、178)。
10.根据权利要求5所述的双极板(40)，其特征在于，所述第一分配结构(50)的多孔泡沫(80)和/或所述第二分配结构(60)的多孔泡沫(80)和/或所述第三分配结构(70)的多孔泡沫(80)由金属材料制成。
11.燃料电池(2)，包括至少一个膜片-电极单元(10)和至少一个双极板(40)，该膜片-电极单元具有通过膜片(18)彼此分开的第一电极(21)和第二电极(22)，其特征在于，所述双极板是根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)。
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