CN105186026A - 电解质电池或燃料电池用的双极性板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解质电池或燃料电池用的双极性板(10)，带有至少一个在双极性板(10)上和/或在其中形成的热管(12)。本发明还涉及一种电解质电池或燃料电池用的冷却装置，带有至少一个这种类型的双极性板(10)和一个连接在至少一个双极性板(10)的至少一个热管(12)上的热交换器(24)。此外，本发明还涉及一种带有至少一个相应的双极性板(10)或配有双极性板的冷却装置的电解质电池和/或燃料电池。另外，本发明还涉及一种带有至少一个双极性板(10)的电解质电池和/或燃料电池，其中该电解质电池和/或燃料电池附加地包括至少一个热管(12)，它布置在靠近该电解质电池或燃料电池的唯一的双极性板(10)处或至少一个双极性板(10)处。

Description

电解质电池或燃料电池用的双极性板

技术领域

本发明涉及一种电解质电池或燃料电池用的双极性板。本发明还涉及的电解质电池或燃料电池用的冷却装置。另外，本发明涉及的电解质电池和/或燃料电池。

背景技术

从现有技术已知电解质电池或燃料电池用的双极性板，其往往也称为流场板(flow-fieldplates)。一般这样的双极性板至少有一个在其上形成的蛇形沟道/蛇形凹槽，在设有双极性板的电解质电池或燃料电池运行期间气态或液态介质通过它进行引导。这些气态或液态介质往往是借助于电解质电池或燃料电池进行的反应的离析物，同时用作冷却介质。这样应该可以阻止电解质电池或燃料电池由于其运行时出现的废热而过热。

在DE102012019678Al中描述了一种双极性板单元用的流场板，其上不仅形成引导离析物/反应介质用的通道，而且形成引导附加地利用的冷却介质用的通道。此外，在流场板的支持壁上还形成泄载通道，借此在形成冰时应该可以阻止流场板开裂。

发明内容

本发明创造一种电解质电池或燃料电池用的双极性板、电解质电池或燃料电池用的冷却装置和电解质电池和/或燃料电池。

本发明的优点

按照本发明的双极性板配备至少一个在其上和/或其中形成的热管，使相对于现有技术更均匀地冷却包括双极性板的电解质电池或燃料电池成为可能。相应地在按照本发明的、具有至少一个布置在唯一的双极性板或布置在双极性板中至少一个的附近处的热管的电解质电池或燃料电池的情况下，布置布置，也保证电解质电池或燃料电池的更均匀冷却。

在这两种情况下，在电解质电池或燃料电池的整个容积上，尤其在双极性板的整个平面上都实现均匀的冷却。借此还不会在各双极性的板流场(flowfields)的输入和输出端之间出现温度差。这样可以保证在各电解质电池或燃料电池的整个容积上存在(几乎)相同的温度。这也使在各电解质电池或燃料电池上达到均匀的电流密度成为可能。由此使各电解质电池或燃料电池获得较低的退化速率和较长寿命。

除了至少在双极性板上和/或在其中形成的热管以外，或除了布置在唯一双极性板/双极性板中至少一个附近处的热管以外，即使不使用其他冷却元件/冷却剂，也可以实现在前面的段落中描述的优点。此外，应用按照本发明的双极性板，就不需要借助于电解质电池或燃料电池实现的/要实现的化学反应产生的至少一个离析物来冷却双极性板/电解质电池或燃料电池。因为不再需要离析料流来进行冷却，所以至少一个离析物的较小的容积流通过双极性板便已足够。这使按照本发明的双极性板更紧凑的结构方式成为可能，因为引导至少一个离析料流通过的至少一个通道/至少一个凹槽可以做得比较小/比较窄，或者可以在流动上优化。尤其在常规上需要借助于去离子水冷却的电解质电池系统/燃料电池系统上，还可以简化整个系统的结构方式，因为需要制备的水少得多，并因此不再用这样多的零件与去离子水接触。因为在这种情况下去离子水经常是腐蚀性的，而且组分有时溶解于其中，因此借助于本发明还可以可靠地排除点状腐蚀的危险。

常规上减少作为冷却介质采用的至少一个离析物流过双极性板的流量提高(在要引导至少一个离析物所采用的通道的入口和出口之间的)温度差，而在本发明上免去这个问题。在按照本发明的双极性板上，以此可以把至少一个离析料流的流量减少直至一百的因数。

例如，该至少一个热管包括至少一个热导管和/或至少一个两相热虹吸管。因此可以使用至少一个热管的成本低廉的实施例，这可以比较简单地在双极性板上和/或在其中形成。(在按照本发明的电解质和/或燃料电池的唯一的双极性板或双极性板中的至少一个附近处，也可以布置至少一个热导管和/或至少一个两相热虹吸管作为至少一个热管。)

在一个优选的实施形式中，在该双极性板上附加地形成至少一个蛇形沟道，可以通过它引导至少一种气态或液态介质。至少一种气态或液态介质可以是借助于该电解质电池或燃料电池可实施的/要实施的化学反应的至少一个离析物和/或该化学反应的至少一个产物。因此至少一个离析物和/或至少一个产物可以简单地和可靠地引导和/或引出该电解质电池或燃料电池。(在按照本发明的电解质和/或燃料电池的唯一的双极性板或双极性板上中的至少一个处也可以形成至少一个这种蛇形沟道。)

有利地，(按照本发明的双极性板或按照本发明的电解质电池或燃料电池的)至少一个热管用至少一种冷却剂填充。(按照本发明的双极性板或按照本发明的电解质电池或燃料电池的)至少一个热管例如可以用二氧化碳、R410a(ASHRAE级)、水和/或酒精作为至少一种冷却剂填充。因此可以使用大量有利的冷却剂来冷却按照本发明的双极性板和按照本发明的电解质电池或燃料电池。

在一个有利的实施例中，该双极性板有一个有源侧，在将双极性板布置在电解质电池或燃料电池之后，该有源侧向着另一个双极性板定向，和至少一个热管垂直于有源侧穿过双极性板连续延伸。这使均匀地冷却双极性板或配有双极性板的电解质电池或燃料电池成为可能。

在另一个有利的实施方式中，至少一个热管与有源侧平行地穿过该双极性板连续延伸。在这种情况下也借助于至少一个热管来保证有利的均匀地冷却双极性板/电解质电池或燃料电池。

在电解质电池或燃料电池用的冷却装置的情况下也实现上面列举的优点，它包括至少一个相应的双极性板和热交换器，后者连接在至少一个双极性板的至少一个热管上。

相应地在带有至少一个这种类型的双极性板或相应的冷却装置的电解质电池或燃料电池也保证这些优点。

另外，带有至少一个双极性板和至少一个热管的电解质电池和/或燃料电池也实现上述优点，该热管布置在该电解质电池或燃料电池的唯一的双极性板或双极性板中的至少一个附近处。该电解质电池和/或燃料电池还可以具有按照本发明的双极性板的几个上述特征。

附图说明

现将参照附图阐述本发明的其他特征和优点。附图中：

图1是双极性板的一个实施方式的示意图

图2是电解质电池或燃料电池的示意图。

具体实施方式

图1表示双极性板的一个实施方式的示意图。

图1所示双极性板亦可以称为流场板(flow-fieldplate)。双极性板10不仅可以用于电解质电池，而且可以用于燃料电池。双极性板10尤其可以用于PEM电池(ProtonExchangeMembrane质子交换膜)，它往往称为PEM-堆(protonexchangemembraneStack质子交换膜堆)。双极性板10还适用于其他也可以称为实施化学反应和/或发电的电池的电化学组件中。

在双极性板10上和/或在其中形成至少一个热管12(以此双极性板10与至少一个热管12形成一个紧凑的单元)。该至少一个热管12可以理解为一个传热体，它在利用介质/冷却剂的蒸发热下，允许高的热流密度。因此可以在至少一个热管12的一个比较小的截面积上输送大量的热量。例如，该至少一个热管12可以包括至少一个热导管和/或至少一个两相热虹吸。尤其在这里列举的实施例中，对于至少一个热管12，介质/冷却剂的输送一般可以在没有附加的辅助的机械设备，例如，泵(循环泵)下实现。以此双极性板10借助于至少一个热管12可靠的冷却比较节能。此外，在双极性板10配备至少一个热管12时，由于借此取消泵，例如循环泵而节省成本。

一般每个双极性板10都可以定义一个有源侧14，它在把双极性板10布置在电解质电池或燃料电池之后相对于另一个双极性板和/或半渗透膜定向。有源侧14还可以作为反应配对侧面解释。(在双极性板10布置在电解质电池或燃料电池中之后与其他双极性板和/或半渗透膜相离开地指向的一侧往往称作无源侧16。)在图1的实施方式中，双极性板10有多个热管12，它们与有源侧14平行(并与无源侧16平行)通过双极性板10连续延伸。只要该至少一个热管12垂直于有源侧14(和垂直于无源面16)通过双极性板10延伸，就可以实现希望的均匀地冷却双极性板10。

图1所示的5热管12的数目只作为示例解释。双极性板10的热管12的数目可以这样简单地选择，使得借助于至少一个热管12实现双极性板10的均匀冷却。

有利地，(除了该至少一个热管12以外附加地)在双极性板10上形成至少一个蛇形沟道18，通过它可以引导至少一种气态或液态介质。该至少一个蛇形沟道18还可以称为至少一个蛇形凹槽。通过至少一个蛇形沟道18(或至少一个蛇形凹槽)至少一个借助于该电解质电池或燃料电池可实现的/要实现的化学反应的离析物和/或至少一个化学反应产物可以作为至少一个气态或液态介质运输或引走。例如，氧和/或水可以作为至少一种气态或液态介质通过该至少一个蛇形沟道引导。该至少一个蛇形沟道18可以具有至少一个沟道入口(离析物入口/产物入口)20和/或至少一个沟道出口(离析物出口/产物出口)22。

由于双极性板10有利地配备至少一个热管12，免去使用至少一种气态或液态介质(它可以通过至少一个蛇形沟道18引导)来冷却双极性板10的必要性。由此该至少一个介质的低于冷却介质的需要的最低流速的流动速度就已经足够了。相应地还可以把至少一个蛇形沟道18形成得小一些。

取消借助于通过至少一个蛇形沟道18引导的介质来冷却双极性板10的必要性的另一个优点在于，在沟道入口20上和在沟道出口22上存在(大体)相同的温度。常规上在沟道入口20和沟道出口22之间往往出现温度差异(达10度开尔文)，这可能导致电解质电池或燃料电池(例如，PEM-堆)在空间上出现不同的退化，因此不必容忍这种情况。此外，由于沟道入口20和沟道出口22上温度相同，出现相同的离子扩散速率，由此还给出在各位置上存在的电流相等。以此省去局部较高的电流导致双极性板10局部较强的温升的风险。相应地没有局部较高的电流，免致电解质电池或燃料电池(例如，PEM-堆)局部较高的退化。

常规上在电解质电池或燃料电池运行时，电解质电池或燃料电池的寿命由最热位置确定，并影响其可能的工作方式，而借助于通过该至少一个热管12对双极性板10的冷却可以达到各电解质电池或燃料电池的有利的长寿命和比较低的退化速率。此外，不必容忍在它们的可能性下利用电解质电池或燃料电池较冷的位置。因此借助于通过该至少一个热管12对双极性板10的均匀的冷却，可以达到改善电解质电池或燃料电池的效率，这可以有助于减少电解质电池或燃料电池需要的电池面积/需要结构空间。通过借助于有利地用该至少一个热管12冷却双极性板，使电解质电池或燃料电池更均匀地充分利用，以此可以实现较小和较轻的电解质或燃料电池系统，这尤其可以用于移动式应用。

优选该至少一个热管12用至少一种冷却剂填充。例如，该至少一个热管12可以用二氧化碳、R410a、水和/或酒精作为至少一种冷却剂填充。这里列举的所有冷却剂都保证双极性板10均匀和可靠的冷却。注意，其他冷却剂也可以在该至少一个热管12中用于双极性板10可靠的冷却。用水作为冷却剂便于实施而且完全无危险。此外，可以简单地在该至少一个热管12中设置几毫巴的负压(或在一个接于其上二相冷却循环中)，以便使水的沸腾温度可以降到几度摄氏。然而对于许多应用，例如，双极性板10在高温PEM电池/高温PEM堆(温度高达200℃)不需要给冷却剂水施加负压。

在图1的实施方式中热交换器24连接在所显示双极性板10的该至少一个热管12上。至少一个热管12可以在各一端上通过第一收集段26，而在各另一端上通过第二收集段28连接到热交换器24。以此双极性板10和热交换器24(或许与收集段26和28一起)形成电解质电池或燃料电池用的冷却装置。

尤其借助于收集段26和28，冷却装置可以实现为压力相等的封闭系统，以便使所有热管12处于相同的压力下。冷却剂可以在封闭的系统作为二相混合物存在。例如，该冷却剂在第一收集段26和在至少一个热管12内以液态存在，而该冷却剂在第二收集段28和在热交换器24中以气态存在。

在压力相等的封闭系统中，在热交换器24中的热量可以放出，这导致冷却剂在热交换器24内冷凝。通过冷却剂的冷凝在热交换器24内出现局部压力下降，由此气态的冷却剂从至少一个第一收集段26和/或至少一个热管12续流。在该至少一个热管12中蒸发的冷却剂的数量与在热交换器22冷凝的数量相同。特别强调的是，在一个压力相等的封闭系统中，冷却剂总是在最热位置上蒸发。因此借助于这个机制在双极性板10的整个平面上自动调整到相同的温度。

在压力相等的封闭系统中也无需驱动电能来进行热输送。代之以借助于在前面段落中描述的机制自动进行热输送。此外，自动调整的热输送比在传统的冷却循环中的水输送快约100的因数，因为蒸发点和冷凝点之间的决定性的压力差以所选择的冷却剂的音速进行平衡。

图2表示电解质电池或燃料电池的示意图。

图2所示的电解质电池或燃料电池可以称为PEM电池/PEM堆(ProtonExchangeMembraneStack质子交换膜堆)。该电解质电池或燃料电池包括至少一个对氢离子渗透的膜50。对氢离子渗透的膜50布置在两个电极52之间。此外，该电解质电池或燃料电池还有两个双极性板10。每个双极性板10都布置在电极52的与氢离子可渗透的膜50背离指向的一侧。

至少一个双极性板10可以形成得带有至少一个集成(未示出)的热管12，后者可以在该双极性板10上和/或在其中形成。例如图1的实施方式可以在该电解质电池或燃料电池中用作双极性板10。然而作为替代方案，还可以在电解质电池或燃料电池至少一个双极性板10附近处布置至少一个(未勾勒出轮廓的)热管12。该至少一个热管12尤其可以接触各双极性板10，而双极性板10和该至少一个热管12不在该电解质电池或燃料电池内形成紧凑的子单元。由此即使在双极性板10上或其中不集成至少一个热管12也能实现前面描述的优点。

膜50对于氢离子的渗透性可以用来实施电解或实施燃料电池功能。为了实施电解质电池功能，电极52一般施加一个电压。所施加的电压，例如可以用来使分子(例如，水分子)分裂为单个原子。在这种情况下阳离子(例如，氢离子/氢原子)集合在阴极上，而阴离子(例如，氧离子/氧原子)附在阳极上。(作为离析物，去离子水可以通过双极性板10的至少一个蛇形沟道18给入。)

为了实施燃料电池功能，向电极52输入不同的离析物。例如在阳极填充氢，而阴极输入氧。在这种情况下氢离子通过膜50漫游并在阴极上反应成为水。在该阳极上释放的电子产生电流，可供电气仪器运行使用。

不仅在实施电解时，而且在实施燃料电池功能时，借助于图2示意地显示的电池，在电极52和膜50之间都出现废热。若这个废热在这两个过程中都通过流过的电流产生，该电流必须克服膜50、电极52和连接于其上的触点的电阻。(下降的热功率由电流强度的平方乘以电阻给出。)此外，在燃料电池运行时向进行的放热反应的能量作为附加的热量释放。借助于该至少一个热管12，它或者布置在至少一个双极性板10附近处，或者集成在双极性板10中的至少一个中，然而在这两种情况下都可以保证电解质电池或燃料电池的均匀冷却。以此不必担心电解质电池或燃料电池由于其温度提高而损坏。

Claims (10)

1.电解质电池或燃料电池用的双极性板(10)，

其特征在于

至少一个在双极性板(10)上和/或在其中形成的热管(12)。

2.按照权利要求1的双极性板(10)，其中，该至少一个热管(12)包括至少一个热导管和/或至少一个二相热虹吸管。

3.按照权利要求1或2的双极性板(10)，其中在双极性板(10)上附加地形成至少一个蛇形沟道(18)，通过它可以引导至少一种气态或液态介质。

4.按照上述权利要求中任一项的双极性板(10)，其中该至少一个热管(12)用至少一种冷却剂填充。

5.按照权利要求4的双极性板(10)，其中该至少一个热管(12)用二氧化碳、R410a、水和/或酒精作为至少一种冷却剂填充。

6.按照上述权利要求中任一项的双极性板(10)，其中该双极性板(10)有一个有源侧(14)，它在把双极性板(10)布置在电解质电池或燃料电池中之后面向另一个双极性板(10)定向，并且该至少一个热管(12)垂直于有源侧(14)通过双极性板(10)连续地延伸。

7.根据权利要求1至5中任一项的双极性板(10)，其中该至少一个热管(12)与有源侧(14)平行地通过双极性板(10)连续地延伸。

8.电解质电池或燃料电池用的冷却装置，带有

至少一个按照上述权利要求中任一项的双极性板(10)，和

连接在该至少一个双极性板(10)的至少一个热管(12)上的热交换器(24)。

9.电解质电池和/或燃料电池，带有至少一个根据权利要求1至7中任一项的双极性板(10)或根据权利要求8的冷却装置。

10.电解质电池和/或燃料电池，带有

至少一个双极性板(10)，

其特征在于

至少一个热管(12)，它布置在靠近电解质电池或燃料电池的唯一的双极性板(10)处或双极性板(10)中的至少一个双极性板处。