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CN109716567A - 燃料电池 - Google Patents

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CN109716567A CN201780058233.9A CN201780058233A CN109716567A CN 109716567 A CN109716567 A CN 109716567A CN 201780058233 A CN201780058233 A CN 201780058233A CN 109716567 A CN109716567 A CN 109716567A
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(2)，其包括至少一个膜‑电极单元(10)和至少一个双极板(40)，所述双极板包括隔板(50)。所述双极板(40)包括至少一个结构件(51,52)，所述结构件具有：基体(60)，在所述基体中引入槽口(65)；和翼部(61,62)，所述翼部从所述槽口(65)的侧(70,72)突出并延伸至至少一个膜‑电极单元(10)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，其包括至少一个膜-电极单元和至少一个包括隔板的双极板。
背景技术
燃料电池是一种原电池(galvanische Zelle)，它将被连续供应的燃料与氧化剂的化学反应能量转换成电能。因此，燃料电池是一种电化学能量转换装置。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转换成水(H2O)、电能和热。但也已知借助甲醇或甲烷或借助它们的混合物工作的燃料电池。
此外已知质子交换膜(Proton-Exchange-Membran＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有布置在中心的膜，其仅允许质子、即仅允许氢离子通过。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分离。质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料被供应到燃料电池的阳极并且在放出电子的情况下被催化氧化成质子。质子通过膜到达阴极。放出的电子从燃料电池中被导出并且通过外部电路流动到阴极。氧化剂被供应给燃料电池的阴极并且通过接收来自外部电路的电子和穿过膜到达阴极的质子而反应成水。这样产生的水从燃料电池被导出。
在此，在燃料电池的阳极与阴极之间施加电压。为了提高电压，多个燃料电池可以以机械的方式依次布置成燃料电池堆并且串联地电连接。
为了使燃料均匀分布在阳极上以及为了使氧化剂均匀分布在阴极上，设置有分布板，所述分布板也称为流场(Flow Field)。流场例如具有用于使燃料以及氧化剂分布的通道状结构。多个分布板的也用作两个电池之间的接触的组合称作双极板。双极板还可以具有用于引导冷却液穿过燃料电池以排出热量的结构。
在DE 10 2013 226 815 A1中公开了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括分别具有膜-电极单元的多个燃料电池。在此，膜-电极单元被两个构型为双极板的隔板包围。
由DE 10 2012 221 730 A1已知一种具有双极板的燃料电池，所述双极板由两个板半部构成。在此，两个板半部中的每一个都具有分布结构，所述分布结构设置为用于分布反应气体以及冷却液体。
由DE 10 2014 207 594 A1已知一种用于燃料电池的双极板。在此，双极板具有例如构造为槽的波纹形通道。该波纹形通道用于将氢气或氧气导入到燃料电池中。
DE 10 2013 223 817 A1公开了一种具有多个燃料电池的燃料电池堆。在此，每个燃料电池包括被介质分布单元包围的膜-电极单元。
由JP 5252193 B2以及JP 2010-061992 A已知一种燃料电池，其具有用于分布燃料以及空气的气体扩散层。在此，在气体扩散层与隔板之间布置有金属格栅。
在JP2010-061994 A中公开了一种燃料电池，其包括用于使气体引导通过的金属格栅。在此，该格栅具有交替布置的大开口和小开口。
发明内容
提出一种燃料电池，其包括至少一个膜-电极单元和至少一个双极板。在此，双极板包括隔板。膜-电极单元包括阳极和阴极以及布置在它们之间的膜。在此，在膜-电极单元和隔板之间在双极板中构成介质空间，所述介质空间设置为用于将燃料供应至阳极或者将空气中的氧气供应至阴极。
根据本发明，双极板包括至少一个结构件，所述结构件具有：基体和翼部，在所述基体中引入槽口，所述翼部离开槽口的侧突出并延伸直至至少一个膜-电极单元。所述结构件的基体例如构造为扁平板。
根据本发明的一个有利构型，至少一个结构件的基体贴靠在隔板上。
根据本发明的另一有利构型，至少一个结构件的基体与隔板间隔开地布置，并且翼部从槽口的侧延伸直至隔板。因此，结构件的翼部部分地延伸至膜-电极单元并且部分地延伸至隔板。
根据本发明的一个有利扩展方案，双极板附加地包括至少一个结构元件，所述结构元件也具有引入有槽口的基体并具有离开槽口的侧突出的翼部。在此，结构元件的翼部穿过结构件中的槽口突出，而结构件的翼部穿过结构元件中的槽口突出。
根据本发明的一个优选实施方式，结构元件的基体贴靠在结构件的基体上。结构元件的基体例如构造为扁平板。
根据本发明的另一优选实施方式，结构元件的基体与结构件的基体间隔开地布置。
有利地，结构件基体中的槽口以及结构元件基体中的槽口构造为矩形。在此，结构件基体中的这些槽口中的每一个以及结构元件基体中的这些槽口中的每一个包括两个相对置的纵向侧和两个相对置的横向侧。在此，纵向侧与横向侧成直角地延伸。
在此，结构件的翼部离开结构件基体中的槽口的相对置的纵向侧突出，以及结构元件的翼部离开结构元件基体中的槽口的相对置的纵向侧突出。
根据本发明的一个优选扩展方案，离开结构件基体中的槽口的至少一个横向侧和结构元件基体中的槽口的至少一个横向侧地突出有至少一个翅片。
根据本发明的一个有利实施方式，结构件翼部的远离结构件基体的端部以及结构元件翼部的远离结构元件基体的端部具有转向部。
有利地，本发明的燃料电池使用在电动车辆(EV)中、混合动力车辆(HEV)中或插电式混合动力车辆(PHEV)中。
本发明的优点：
在本发明的燃料电池中，通过对应的介质空间改善了燃料至阳极的供应和空气中的氧气至阴极的供应。也改善了所产生的产物水从介质空间中的运走。替代地，本发明也可用作冷却通道中的流场。此外，简化了双极板与膜-电极单元的电极的电接触。双极板的制造也可以相对较简单地通过冲压出槽口和弯曲出在此产生的翼部来实现。
附图说明
根据附图和以下说明书详细阐述本发明的实施方式。附图示出：
图1燃料电池的示意图，
图2燃料电池堆的示意图，
图3根据第一实施方式的燃料电池的截面，
图4根据图3中的燃料电池的第一变型的结构件的俯视图，
图5图4中的结构件的前视图，
图6根据图3中的燃料电池的第二变型的结构件的俯视图，
图7图6中的结构件的前视图，
图8根据图3中的燃料电池的第三变型的结构件的前视图，
图9根据图3中的燃料电池的第四变型的结构件的前视图，
图10根据第二实施方式的燃料电池的截面，
图11图10中的燃料电池的结构件的俯视图，
图12图11中的结构件的前视图，
图13根据第三实施方式的燃料电池的截面，
图14图13中的燃料电池的结构件的俯视图，
图15图14中的结构件的前视图，
图16根据第四实施方式的燃料电池的截面，和
图17根据第五实施方式的燃料电池的截面。
具体实施方式
在对本发明实施方式的以下说明中，用相同的附图标记标注相同或相似的元件，其中，在一些个别情况下省略对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出本发明的主题。
在图1中示意性地示出了燃料电池2。燃料电池2包括负端子11和正端子12。通过端子11,12可以截取(abgreifen)由燃料电池2提供的电压。在燃料电池2运行期间，电流经由外部电路在两个端子11,12之间流动。
燃料电池2具有第一连接部位31，所述第一连接部位用于供应燃料，在此是氢气。燃料电池2还具有第二连接部位32，所述第二连接部位用于供应氧化剂，在此是空气中的氧气。燃料电池2也具有第三连接部位33，所述第三连接部位用于导出产生的水以及剩余空气。
此外，燃料电池2具有阳极21、阴极22和膜18。在此，膜18布置在阳极21与阴极22之间。在阳极21的一侧布置有第一双极板40，所述第一双极板与第一连接部位31连接。在阴极22的一侧布置有第二双极板40，所述第二双极板与第二连接部位32和第三连接部位33连接。第一双极板40以及第二双极板40是能导电的并且例如由石墨或由金属制成。
在阳极21与第一双极板40之间设置有第一气体扩散层30。第一气体扩散层30是能导电的并且例如由多孔碳纸制成。第一气体扩散层30确保经由第一双极板40供应到阳极21的燃料均匀分布。
在阴极22与第二双极板40之间设置有第二气体扩散层30。第二气体扩散层30是能导电的并且例如由多孔碳纸制成。第二气体扩散层30确保经由第二双极板40供应到阴极22的氧化剂均匀分布。
阳极21、阴极22、膜18和两个气体扩散层30共同构成膜-电极单元10，所述膜-电极单元在燃料电池2内部布置在中央。第一气体扩散层30以及第二气体扩散层30是可选的并且也可以省去。
在第一双极板40中构成第一介质空间41，所述第一介质空间邻接到膜-电极单元10上。经由燃料电池2的第一连接部位31供应的燃料通过第一介质空间41进一步被引导到阳极21。
在第二双极板40中构成第二介质空间42，所述第二介质空间邻接到膜-电极单元10上。经由燃料电池2的第二连接部位32供应的氧化剂通过第二介质空间42进一步被引导到阴极22。在燃料电池2运行期间产生的水与未消耗的剩余空气一起通过第二介质空间42经由第三连接部位33从燃料电池2中也被导出。
阳极21、第一双极板40和布置在它们之间的第一气体扩散层30与燃料电池2的负端子11电连接。阴极22、第二双极板40和布置在它们之间的第二气体扩散层30与燃料电池2的正端子12电连接。
在图2中示意性地示出燃料电池堆5。在此，燃料电池堆5包括多个交替布置的膜-电极单元10和双极板40。在此，膜-电极单元10如在图1中所示那样构造并且分别包括阳极21、阴极22、布置在它们之间的膜18和两个气体扩散层30。
布置在各两个膜-电极单元10之间的双极板40分别包括布置在中央的隔板50。邻接到这些相邻的膜-电极单元10中的各一个膜-电极单元上的第一介质空间41和第二介质空间42包围隔板50。
此外，双极板40分别还包括面向第一介质空间41的第一结构件51和面向第二介质空间42的第二结构件52。第一结构件51也可以布置在第一介质空间41内，第二结构件52也可以布置在第二介质空间42内。
此外，双极板40具有在此未示出的结构，例如是呈冷却剂空间形式的结构，用于引导冷却剂穿过燃料电池2。由此使得能够将在燃料电池2运行期间产生的热量排出，并从而能够实现燃料电池2的冷却。
图3示出了根据第一实施方式的燃料电池2的截面。隔板50构型为扁平板。在隔板50上贴靠有第一结构件51的构造为扁平板的基体60。在第一结构件51的基体60与膜-电极单元10之间构成第一介质空间41。
翼部61,62从第一结构件51的基体60突出穿过第一介质空间41直至膜-电极单元10。在所示示图中，第二翼部62被第一翼部61遮挡并因此不可见。在燃料电池2运行期间，燃料沿流动方向S流动穿过第一介质空间41。
第一结构件51可以由金属，例如铁、不锈钢或钛，制成。第一结构件51的基体60具有最大为150μm、优选最大为75μm、进一步优选最大为25μm的厚度。第一介质空间41可以具有最大为1mm、优选最大为700μm、进一步优选最大为350μm的高度。
第一结构件51与隔板50彼此机械连接。作为连接技术适用有例如硬钎焊、软钎焊、扩散接合以及熔焊、尤其是激光熔焊，但也适用有其他的焊接方法。
图4示出根据图3中的燃料电池2的第一变型的第一结构件51的俯视图。在第一结构件51的基体60中引入、尤其冲压出多个槽口65。当前，槽口65构造为矩形并且分别包括两个相对置的纵向侧70和两个相对置的横向侧72。尤其，槽口65也可以是正方形。槽口65的纵向侧70平行于流动方向S延伸，而槽口65的横向侧72与流动方向S成直角地延伸。
槽口65也可以这样布置，使得槽口65的纵向侧70与流动方向S成直角地延伸，而槽口65的横向侧72平行于流动方向S延伸。也可以考虑，槽口65的纵向侧70和横向侧72都相对于流动方向S倾斜地、例如倾斜45°的角度地延伸。
槽口65也可以具有任意其他形状并且例如构造为三角形以及六角形。槽口65的侧70,72也可以相对彼此倾斜地延伸，即并非强制性地平行或成直角地延伸。
槽口65成排地布置。通过分隔部66将在一排中的相邻槽口65彼此分开。根据在此所示的第一变型，这些槽口65均匀地这样分布在相继的排中，使得后一排的分隔部66位于前一排的槽口65的中间。
纵向侧70的长度最大相当于双极板40的长度，优选可以考虑具有几毫米长度的短区段(Stück)。槽口65的两排之间的间距应尽可能小，优选最大为1mm、进一步优选最大为500μm。分隔部66的宽度也选择得尽可能窄，优选最大为1mm，进一步优选最大为500μm。
图5示出图4中的第一结构件51的前视图。第一翼部61和第二翼部62从槽口65的纵向侧70离开突出并延伸直至膜-电极单元10。在此，在翼部61,62与基体60中的槽口65之间分别构成翼部角A。翼部61,62的远离第一结构件51的基体60的端部分别具有转向部69。转向部69可以防止膜-电极单元10损坏。
横向侧72的宽度由第一介质空间41的高度和翼部角A以及由转向部69的实施方式预先给定。翼部角A处于70°与90°之间、优选处于80°与90°之间的范围内。通过翼部角A和转向部69可以将预压力施加到膜-电极单元10上，以便改善电接触。
图6示出根据图3中的燃料电池2的第二变型的第一结构件51的俯视图，图7示出图6的第一结构件51的前视图。槽口65如在图4和图5中所示的第一变型中那样成排地布置，并且一排中的相邻槽口65通过分隔部66彼此分开。
与第一变型不同，相继的排中的槽口65当前彼此错开了横向侧72的宽度的约三分之一。此外，可以考虑槽口65在相继的排中不均匀地错开。
图8示出根据图3中的燃料电池2的第三变型的第一结构件51的前视图。隔板50也构型为扁平板。与第一和第二变型不同，第一结构件51的基体60与隔板50间隔开地布置并且例如位于第一介质空间41的中心。
第一翼部61从槽口65的纵向侧70突出至膜-电极单元10。第二翼部62从槽口65的分别相对置的纵向侧70突出至隔板50。
图9示出根据图3中的燃料电池2的第四变型的第一结构件51的前视图。如在第三变型中那样，第一结构件51的基体60与隔板50间隔开地布置并且例如位于第一介质空间41的中心。槽口65在基体60中成排地布置。
翼部61,62从一排中的槽口65的纵向侧70突出至膜-电极单元10。翼部61,62从相邻的排中的槽口65的纵向侧70突出至隔板50。
图10示出根据第二实施方式的燃料电池2的截面。各一个翅片63从槽口65的横向侧72离开基体60地突出并延伸至第一介质空间41中。在此，翅片63与流动方向S成直角地延伸。借助翅片63可以有针对性地使燃料流动向着膜-电极单元10的方向转向。
在此，在翅片63与基体60中的槽口65之间分别构成翅片角B。翅片角B处于30°与90°之间、优选45°与90°之间的范围内。
图11示出图10中的燃料电池2的第一结构件51的俯视图，图12示出图11中的第一结构件51的前视图。翅片63的最大长度最多为第一介质空间41的高度的0.7倍、优选最多为第一介质空间41的高度的0.5倍、进一步优选最多为第一介质空间41的高度的0.3倍。
图13示出根据第三实施方式的燃料电池2的截面。第一结构件51的基体60与隔板50间隔开地布置并且例如位于第一介质空间41的中心。第一翼部61从槽口65的纵向侧70突出至膜-电极单元10，第二翼部62从槽口65的各个相对置的纵向侧70突出至隔板50。
各一个翅片63从槽口65的沿流动方向S设在上游的横向侧72离开基体60地向着膜-电极单元10的方向突出。各一个翅片63从槽口65的沿流动方向S设在下游的横向侧72离开基体60地向着隔板50的方向突出。借助翅片63，可以有针对性地使燃料流动向着膜-电极单元10的方向转向。
图14示出图13中的燃料电池2的第一结构件51的俯视图，图15示出图14中的第一结构件51的前视图。翅片63的最大长度最多为第一介质空间41的高度的0.3倍。
在根据图13、图14和图15的示图中，在各左侧上，翅片63分别一件式地实施。由此，减小了翼部61,62与膜-电极单元10以及与隔板50的接触面积。
在根据图13、图14和图15的示图中，在各右侧上，翅片63分别两件式地实施并且分别包括第一部分翅片63a和第二部分翅片63b。由此，与图15的左侧相比，增大了翼部61,62与膜-电极单元10以及隔板50的接触面积。
图16示出根据第四实施方式的燃料电池2的截面。第一翼部61从第一结构件51的基体60中的槽口65的纵向侧70突出至膜-电极单元10，而第二翼部62突出至隔板50。
在此，双极板40附加地包括具有基体60的结构元件55，在所述基体60中也引入槽口65。第一翼部61从结构元件55的基体60中的槽口65的纵向侧70也突出至膜-电极单元10，而第二翼部62也突出至隔板50。当前，结构元件55的基体60贴靠在第一结构件51的基体60上。
第一结构件51和结构元件55这样布置，使得结构元件55的第一翼部61穿过第一结构件51的槽口65突出，而第一结构件51的第二翼部62穿过结构元件55的槽口65突出。
图17示出根据第五实施方式的燃料电池2的截面，所述燃料电池与在图16中所示的根据第四实施方式的燃料电池2类似地构造。与根据第四实施方式的燃料电池2不同，在根据第五实施方式的燃料电池2中，结构元件55的基体60与第一结构件51的基体60间隔开地布置。
在燃料电池2的第四以及第五实施方式中，提高了与膜-电极单元10以及与隔板50的接触部位数量以及接触面积。此外，可以减少这些接触排之间的间距，然而又存在从膜-电极单元10至隔板50的闭合电流路径。由此实现了较大的电流承载能力，由此结构件51,52与结构元件55的基体60可以具有更小的材料厚度。
本发明不限于在此所说明的实施例和其中强调的方面。而是在通过权利要求给出的范围内可以实现多种在专业技术人员的处理范围内的变型。

Claims (10)

1.一种燃料电池(2)，包括：
至少一个膜-电极单元(10)和
至少一个双极板(40)，
所述双极板包括隔板(50)，
其特征在于，
所述双极板(40)包括至少一个结构件(51,52)，所述结构件具有：
基体(60)，在所述基体中引入槽口(65)；和
翼部(61,62)，所述翼部离开所述槽口(65)的侧(70,72)突出并延伸直至所述至少一个膜-电极单元(10)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述至少一个结构件(51,52)的基体(60)贴靠在所述隔板(50)上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述至少一个结构件(51,52)的基体(60)与所述隔板(50)间隔开地布置，而所述翼部(61,62)从所述槽口(65)的侧(70,72)延伸直至所述隔板(50)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述双极板(40)包括至少一个结构元件(55)，所述结构元件具有：
基体(60)，在所述基体中引入槽口(65)；和
翼部(61,62)，所述翼部离开所述槽口(65)的侧(70,72)突出，
其中，所述结构元件(55)的翼部(61,62)穿过所述结构件(51,52)的槽口(65)突出，而所述结构件(51,52)的翼部(61,62)穿过所述结构元件(55)的槽口(65)突出。
5.根据权利要求4所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述结构元件(55)的基体(60)贴靠在所述结构件(51,52)的基体(60)上。
6.根据权利要求4所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述结构元件(55)的基体(60)与所述结构件(51,52)的基体(60)间隔开地布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述槽口(65)构造为矩形，并且所述翼部(61,62)离开所述槽口(65)的相对置的纵向侧(70)突出。
8.根据权利要求7所述的燃料电池(2)，其特征在于，
至少一个翅片(63)从所述槽口(65)的至少一个横向侧(72)离开所述基体(60)突出。
9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)，其特征在于，
所述翼部(61,62)的远离所述基体(60)的端部具有转向部(69)。
10.一种对根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(2)的使用，所述燃料电池被使用在电动车辆(EV)中、混合动力车辆(HEV)中或插电式混合动力车辆(PHEV)中。
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