CN221041172U - 双极板和低温聚合物电解质膜燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于低温聚合物电解质膜燃料电池的双极板和一种低温聚合物电解质膜燃料电池。所述双极板包括彼此堆叠地设置和/或接合的阳极板和阴极板，阳极板具有用于在氢气输入端口和氢气输出端口之间引导氢气的外侧的氢气通道系统，并且氢气通道系统包括多个氢气通道；阴极板具有用于在空气输入端口和空气输出端口之间引导空气的外侧的空气通道系统，并且阳极板和阴极板分别具有在内侧与氢气通道系统或空气通道系统互补的通道结构，由此形成用于在冷却流体输入端口和冷却流体输出端口之间引导冷却流体的冷却流体通道系统，其中冷却流体输入端口和冷却流体输出端口与氢气输入端口和氢气输出端口设置在双极板的相同的边缘侧上并且冷却流体输入端口和冷却流体输出端口相对置地并且彼此错开地设置。所述低温聚合物电解质膜燃料电池，至少包括膜电极单元，该膜电极单元在两个所述双极板之间具有气体扩散层。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于低温聚合物电解质膜燃料电池(NT-PEM燃料电池)的双极板以及相关的NT-PEM燃料电池。
背景技术
NT-PEM燃料电池，也称作为质子交换膜燃料电池，使用氢气作为燃料来产生电能。质子可穿透的聚合物膜作用为固体电解质并且在两侧上用催化活性的电极覆层以形成膜电极单元。气态的反应配对物即氢气和空气(氧气)的供给以及作为反应产物的水的导出经由所谓的双极板进行，所述双极板出于该目的具有用于这些运行介质的相应的通道系统。为了尽可能全面地且均匀地给电极加载反应气体，在双极板的膜电极单元和通道系统之间通常设置多孔的气体扩散层。
为了产生可技术上适宜地使用的运行电压，NT-PEM燃料电池通常构成为由多个电串联连接的单个单池形成的堆叠。每个双极板在这种堆叠中作用为用于这两个邻接的膜电极单元的阳极侧或阴极侧的承载板并且保证在单池的阳极与其相邻单池的阴极之间的导电连接。此外，双极板设立用于导出运行热量并且出于该目的例如具有用于使冷却流体引导穿过的另一通道系统。
NT-PEM燃料电池的一个重要应用是在燃料电池车辆中使用，所述燃料电池车辆消耗直接在电驱动器中产生的电能或将其暂存在驱动电池中。例如，用于移动式应用的NT-PEM燃料电池的双极板包括用于运行介质的蜿蜒形的通道系统。蜿蜒形的通道系统具有非常长的多条单个通道，当气态运行介质引导川谷时，沿着所述多条单个通道会产生高的压力损失，这可能导致在单池反应中形成的水的所不期望的积聚。此外，具有气体分配结构的双极板是已知的，其构成用于在有源的、产生电流的面的区域中在相关端口和通道系统之间引入和引出运行介质。由于气体分配结构的空间需求，燃料电池的面积相关的功率密度降低，并且此外，在阴极侧上由于气体分配结构中的整个气体体积流被聚集到少量通道上导致在单池运行中形成的水无法充分地运出。
实用新型内容
本实用新型公开一种用于NT-PEM燃料电池的双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合，其中-阳极板具有外侧的氢气通道系统，所述外侧的氢气通道系统用于在氢气输入端口和氢气输出端口之间引导氢气，其中氢气输入端口和氢气输出端口在双极板的相对置的边缘侧上彼此错开地设置，并且其中氢气通道系统包括多个氢气通道，所述多个氢气通道分别沿着前部段、中部段和后部段分段地直线地并且彼此平行地伸展，其中中部段分别与前部段和后部段成直角地取向，
-阴极板具有外侧的空气通道系统，所述外侧的空气通道系统用于在空气输入端口和空气输出端口之间引导空气，其中空气输入端口和空气输出端口设置在双极板的相对置的边缘侧上，并且其中空气通道系统包括多个空气通道，所述多个空气通道分别直线地彼此平行并且平行于氢气通道的中部段伸展，并且
-阳极板和阴极板分别具有在内侧与氢气通道系统或空气通道系统互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统以在冷却流体输入端口和冷却流体输出端口之间引导冷却流体，其中冷却流体输入端口和冷却流体输出端口与氢气输入端口和氢气输出端口设置在双极板的相同的边缘侧上并且冷却流体输入端口和冷却流体输出端口相对置地并且彼此错开地设置。
本实用新型基于如下思想：将双极板的通道系统设计用于使相关的NT-PEM燃料电池的面相关的功率密度最大化。出于该目的，尤其需要将在单池运行中形成的水有效地引出。为此，氢气和空气通道系统的通道尤其与从现有技术中已知的蜿蜒形的通道结构相比分别非常短地构成。因此，空气通道直线地沿着在空气输入端口和空气输出端口之间的最短的路段伸展，并且氢气通道直线地沿着三个部段伸展，其中所述氢气通道在部段之间的过渡部中分别以90°转向。由于通道长度小，在引导气态的运行介质时仅产生相对小的压降，使得形成的水能够被有效地一起引导到气体体积流中并且被迅速地运出。由于通道的直线式的伸展在此也能够降低或减少所不期望的液滴形成，否则所述液体形成尤其在通道壁部(流转向部)的沿着流动方向弯曲的部段上发生。
通过弃用从现有技术中已知的气体分配结构以及通过在根据本实用新型的双极板的边缘侧上设置用于运行介质的所有端口，提高在整个构件面上的可供电流产生使用的面积的份额，由此提高相关的NT-PEM燃料电池的比面积功率密度。
阳极板和阴极板分别由适宜的、尤其能良好导电的材料构成，例如由金属或适合的塑料构成。阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合以形成双极板，使得氢气通道系统和空气通道系统分别设置在双极板的外侧上。阳极板和阴极板的厚度分别例如为100微米和500微米之间。
在内侧上阳极板和阴极板分别具有与氢气通道系统或空气通道系统互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统以引导冷却流体例如水。双极板的这种有源且大面积的冷却是对于根据本实用新型所致力于最大化NT-PEM燃料电池的功率密度的另一主要贡献，其中冷却尤其引起在燃料电池的持续运行中的恒定高的功率密度。冷却流体输入端口和冷却流体输出端口与氢气输入端口和氢气输出端口设置在双极板的相同的边缘侧上并且冷却流体输入端口和冷却流体输出端口相对置地和彼此错开地设置；例如在一个边缘侧上氢气输入端口和冷却流体输入端口并排地设置，并且在相对置的边缘侧上氢气输出端口和冷却流体输出端口以相反的顺序设置。冷却流体通道系统确保冷却流体在根据本实用新型的双极板的整个的有源面上大面积的分布。为了使冷却流体的流均匀化例如能够将适合的节流部位引入各个冷却流体通道中。
在一个有利的实施方式中，阳极板和阴极板具有矩形的轮廓，其中-空气输入端口和空气输出端口设置在阳极板和阴极板的短的边缘侧上和/或沿着短的边缘侧的总长度延伸，
-氢气输入端口，氢气输出端口、冷却流体输入端口和冷却流体输出端口设置在阳极板和阴极板的长的边缘侧上，
-空气通道和氢气通道的中部段平行于长的边缘侧伸展，并且氢气通道的前部段和后部段平行于短的边缘侧伸展。
矩形的轮廓实现将用于运行介质的六个端口沿着阳极板和阴极板的边缘侧适宜地设置，其中在长的边缘侧上存在对于设置各两个足够大地定尺寸的用于氢气或冷却流体的端口所需的空间。
在另一实施方式中，氢气通道的至少一部分在中部段中划分为至少两个彼此平行地伸展的子通道，其中每个子通道的横截面积优选对应于氢气通道的在前部段中和在后部段中的横截面积。根据阳极板的优选矩形的轮廓的纵横比能够将氢气通道的中部段划分为两个或更多个子通道。这些结构方面的措施针对通过氢气通道系统在横截面积优选连续恒定的情况(除了在相邻的部段之间的流转向区域以外)下尽可能整面地覆盖阳极板。
在另一实施方式中，所有氢气通道在氢气输入端口和氢气输出端口之间基本上具有相同的长度，和/或最长的氢气通道和最短的氢气通道的长度彼此相差小于1％。由于长度相同，沿着所有氢气通道存在类似的流量比，使得相关的燃料电池的有源面全部被均匀地供给氢气，这又有益于高的单池功率。
空气通道系统能够有利地构成为，使得空气通道分别具有至少一个狭窄部位，所述狭窄部位具有减小的通道直径以节流可引导穿过的空气。在这种狭窄部位上游，产生用于引导穿过的空气的拥塞效应，由此在膜电极单元的与其邻接的气体扩散层中产生横向于空气的主流动方向取向的扩散，这引起有源的单池面被加载空气方面的改善的均匀度。空气体积流的在狭窄部位下游产生的加速引起在单池反应中形成的水的更有效的携带。此外，空气体积流的在狭窄部位上出现的压降引起空气对于水蒸气的吸纳能力的提高，使得较大量的水在没有不期望的液滴形成的情况下可通过空气通道系统导出。尤其地，每个空气通道能够具有多个狭窄部位，所述狭窄部位彼此间隔开地设置，使得在单池运行中沿着空气通道存在恒定的相对湿度。
在另一实施方式中，冷却流体通道系统在邻接于冷却流体输入端口和冷却流体输出端口的部段中具有多个在相邻的冷却流体通道之间的连接部位，使得冷却流体可在相邻的冷却流体通道之间引导穿过。由此，确保冷却流体通道被均匀地加载冷却流体进而确保在整个的双极板之上均匀的冷却功率。
本实用新型还涉及一种NT-PEM燃料电池，其至少包括在两个根据上述实施方式之一所述的双极板之间具有气体扩散层的膜电极单元。尤其地，NT-PEM燃料电池构成为由多个电串联连接的单个单池形成的堆叠。运行介质(氢气、空气、水、冷却流体)的管理以及借助于根据本实用新型的双极板的散热是有效的，使得NT-PEM燃料电池的功率密度由所使用的膜电极单元限制。例如，借助NT-PET燃料电池能够产生在0.6V的单池电压下的2A/cm2的持续电功率(按燃料电池连同端口和密封装置的有源面计)。
附图说明
根据以下附图详细示出本实用新型的实施例。在示意图中示出：
图1示出根据本实用新型的双极板的氢气通道系统；
图2示出图1的细节；
图3a、图3b示出在标记所选择的氢气通道的情况下根据图1的氢气通道系统；
图4a、图4b示出根据本实用新型的双极板的冷却流体的通道系统的细节；
图5示出根据本实用新型的双极板的空气通道系统；
图6示出图5的细节；
图7示出根据本实用新型的双极板的阳极板的横截面；
图8示出根据本实用新型的双极板的阴极板的横截面；以及
图9示出根据本实用新型的NT-PEM燃料电池的横截面。
具体实施方式
图1示出在根据本实用新型的双极板1000的阳极板100的外侧上的氢气通道系统1的俯视图。氢气通道系统1用于在氢气输入端口101和氢气输出端口102之间引导氢气，其中氢气输入端口101和氢气输出端口102在双极板1000的相对置的边缘侧上彼此错开地设置，并且其中氢气通道系统1包括多个氢气通道11，所述多个氢气通道分别沿着前部段11a、中部段11b和后部段11c分段地直线式并且彼此平行地伸展，其中中部段11b分别与前部段11a和后部段11c成直角地取向。
阳极板100和设置在其下方的阴极板具有矩形的轮廓。与空气通道系统相关联的空气输入端口201和空气输出端口202设置在短的边缘侧上并且沿着其整个长度延伸。氢气输入端口101、氢气输出端口102、冷却流体输入端口301和冷却流体输出端口302设置在长的边缘侧上。氢气通道11的中部段11b平行于长的边缘侧伸展，并且氢气通道11的前部段11a以及后部段11c与短的边缘侧平行地伸展。氢气通道系统1具有对阳极板100的外侧的尽可能完整的覆盖。
图2示出根据图1的实施例的阳极板100的细节视图，其中示出在氢气通道11的前部段11a和中部段11b之间的过渡区域。在图2中示出的氢气通道11在中部段11b中分别划分为两个彼此平行伸展的子通道11.1、11.2，其中每个子通道11.1、11.2的横截面积对应于各个氢气通道11在前部段11a中和在后部段中的横截面积。
图3a和图3b示出阳极板100，其具有根据图1的实施例的氢气通道系统1，其中标记最长的(图3a)和最短的(图3b)氢气通道。长度示例性地为304.7mm或304.3mm进而仅相差大约0.13％。
总体来说，本实施例的氢气通道系统3包括数量为43个的氢气通道11，其中33个在中部段11b中划分为子通道11.1、11.2。
图4a和图4b示出在根据本实用新型的双极板的阳极板100的内侧上的冷却流体通道系统3的细节。阳极板100在内侧具有与氢气通道系统互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统3的在此示出的半部。在邻接于冷却流体输入端口(在此未示出)和冷却流体输出端口302的部段中，冷却流体通道系统3具有在相邻的冷却流流体通道31之间的多个连接部位32，使得冷却流体可在相邻的冷却流体通道31之间引导穿过。连接部位32构成为溢流结。
图5示出在根据本实用新型的双极板1000的阴极板200的外侧上的空气通道系统2的俯视图。空气通道系统构成用于将空气在矩形的阴极板200的相对置的短的边缘侧上的空气输入端口201和空气输出端口202之间引导，并且包括多个空气通道21，所述空气通道分别直线式彼此平行并且与氢气通道的中部段平行地在阳极板(参见图1)上伸展。
图6示出根据图5的实施例的阴极板200的细节视图。空气通道21分别具有多个狭窄部位22，所述狭窄部位具有减小的通道直径以节流可引导穿过的空气。
在本实施例中，空气通道系统2包括数量为75个的空气通道21，所述空气通道风具有12个狭窄部位22。
图7和图8分别示出根据本实用新型的双极板的阳极板100或阴极板200的横截面视图。通过内侧的与氢气通道系统1和空气通道系统2分别互补的通道结构，在阳极板100和阴极板200彼此堆叠地设置时形成冷却流体通道系统3。例如，各种单个通道的通道横截面积为0.3mm2至1mm2。
图9示出根据本实用新型的NT-PEM燃料电池1000，所述NT-PEM燃料电池具有电串联的单个单池的堆叠式的设置，其中单个单池分别由在两个双极板1000之间具有气体扩散层的膜电极单元2000形成。具有氢气通道11的阳极板100分别与膜电极单元200的阳极相关联，并且具有空气通道21的阴极板200分别与阴极相关联。在每个双极板1000的阳极板100和阴极板200之间在内侧形成用于进行NT-PEM燃料电池5000的有源的散热的冷却流体通道31。所示出的横截面伸展穿过氢气通道11的中部段，在所述中部段中所述氢气通道平行于空气通道21伸展。
Claims (8)
1.一种用于低温聚合物电解质膜燃料电池的双极板(1000)，包括阳极板(100)和阴极板(200)，所述阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合，其特征在于，
-所述阳极板(100)具有外侧的氢气通道系统(1)，所述氢气通道系统用于在氢气输入端口(101)和氢气输出端口(102)之间引导氢气，其中所述氢气输入端口(101)和所述氢气输出端口(102)在所述双极板(1000)的相对置的边缘侧上彼此错开地设置，并且其中所述氢气通道系统(1)包括多个氢气通道(11)，所述氢气通道分别沿着前部段(11a)、中部段(11b)和后部段(11c)分段直线地且彼此平行地伸展，其中所述中部段(11b)分别与所述前部段(11a)和所述后部段(11c)成直角地取向，
-所述阴极板(200)具有外侧的空气通道系统(2)，所述空气通道系统用于在空气输入端口(201)和空气输出端口(202)之间引导空气，其中所述空气输入端口(201)和所述空气输出端口(202)设置在所述双极板(1000)的相对置的边缘侧上，并且其中所述空气通道系统(2)包括多个空气通道(21)，所述空气通道分别直线地彼此平行并且平行于所述氢气通道(11)的中部段(11b)伸展，并且
-所述阳极板(100)和所述阴极板(200)分别具有在内侧与所述氢气通道系统(1)或所述空气通道系统(2)互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统(3)以在冷却流体输入端口(301)和冷却流体输出端口(302)之间引导冷却流体，其中所述冷却流体输入端口(301)和所述冷却流体输出端口(302)与所述氢气输入端口(101)和所述氢气输出端口(102)设置在所述双极板(1000)的相同的边缘侧上并且所述冷却流体输入端口(301)和所述冷却流体输出端口(302)相对置地并且彼此错开地设置。
2.根据权利要求1所述的双极板(1000)，
其特征在于，
所述阳极板(100)和所述阴极板(200)具有矩形的轮廓，其中
-所述空气输入端口(201)和所述空气输出端口(202)设置在所述阳极板(100)和所述阴极板(200)的短的边缘侧上和/或沿着所述短的边缘侧的总长度延伸，
-所述氢气输入端口(101)，所述氢气输出端口(102)、所述冷却流体输入端口(301)和所述冷却流体输出端口(302)设置在所述阳极板(100)和所述阴极板(200)的长的边缘侧上，
-所述空气通道(21)和所述氢气通道(11)的中部段(11b)平行于所述长的边缘侧伸展，并且所述氢气通道(11)的所述前部段(11a)和所述后部段(11c)平行于所述短的边缘侧伸展。
3.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
其特征在于，所述氢气通道(11)的至少一部分在所述中部段(11b)中划分为至少两个彼此平行地伸展的子通道(11.1、11.2)。
4.根据权利要求3所述的双极板(1000)，
其特征在于，每个子通道(11.1、11.2)的横截面积对应于所述氢气通道(11)的在所述前部段(11a)中和在所述后部段(11c)中的横截面积。
5.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
其特征在于，所有氢气通道(11)在所述氢气输入端口(101)和所述氢气输出端口(102)之间具有相同的长度，和/或其中最长的氢气通道和最短的氢气通道的长度彼此相差小于1％。
6.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
其特征在于，所述空气通道(21)分别具有至少一个狭窄部位(22)，所述狭窄部位具有减小的通道直径以节流可引导穿过的空气。
7.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
其特征在于，所述冷却流体通道系统(3)在邻接于所述冷却流体输入端口(301)和所述冷却流体输出端口(302)的部段中具有多个在相邻的冷却流体通道(31)之间的连接部位(32)，使得冷却流体能够在相邻的冷却流体通道(31)之间引导穿过。
8.一种低温聚合物电解质膜燃料电池(5000)，至少包括膜电极单元(2000)，其特征在于，该膜电极单元在两个根据权利要求1至7中任一项所述的双极板(1000)之间具有气体扩散层。
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- 2022-08-05 DE DE102022119689.5A patent/DE102022119689A1/de not_active Withdrawn
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2023
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant |