CN115516670A - 双极板和燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双极板(3)，其由两个相互连接的单板(8)形成，所述单板在其彼此背离的板表面处分别形成有反应物流场，其包括通过桥接部(10)的壁(11)界定的多个用于反应介质的流动通道(9)，其中，单板(8)中的一个的桥接部(10)和流动通道(9)在活性区域(13)中与单板(8)中的另一个的桥接部(10)和流动通道(9)相对而置地伸延，以便因此形成单板(8)之间延伸的冷却剂流场的冷却剂通道(6)。在活性区域(13)的边缘区域外和/或在其中在单板(8)的桥接部(10)之间存在侧向偏移，如此使得冷却剂流场的在那里相邻伸延的冷却剂通道(6)借助于穿通开口(14)在流动力学上相互连接，以分配冷却剂流。本发明还涉及一种具有多个这样的双极板(3)的燃料电池堆(1)。

Description

双极板和燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种双极板，该双极板由相互连接的两个单板形成。单板中的每个具有用于燃料电池反应的反应物的反应物流场，其中，流场中的相应一个存在于在连接的状态下彼此远离指向的板表面上。反应物流场中的每个包括通过桥接部的壁界定的多个用于反应介质的流动通道。单板中的一个的桥接部和流动通道在活性区域中与单板中的另一个的桥接部和流动通道相对而置，由此换言之它们在活性区域中即彼此对齐地伸延。以这样的方式，单板的彼此朝向的板表面构造单板之间延伸的冷却剂流场。本发明还涉及一种具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池配属有这种双极板。

背景技术

燃料电池装置用于将带有氧的燃料化学转化为水以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元(MEA，即膜电极组件)作为核心部件，其是由质子传导膜和分别在两侧布置在膜处的电极(阳极和阴极)组成的复合物。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜电极单元的两侧布置在电极的背离膜的一侧处。在具有多个组合成燃料电池堆的燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其是氢气H₂或含氢气体混合物被供应到阳极，在阳极处在释放电子的情况下进行H₂至H⁺的电化学氧化。经由以气密方式将反应室彼此隔开并使其电绝缘的电解质或膜，进行质子H⁺从阳极室到阴极室的传输。在阳极处提供的电子经由电气线路馈送到阴极。氧气或含氧气体混合物被供应到阴极，从而在接收电子的情况下进行O₂到O^2-的还原。同时，在阴极室中，这些氧阴离子与经由膜传输的质子在形成水的情况下发生反应。

反应气体借助于双极板供应到燃料电池的电极。除了反应气体之外，由于在燃料电池反应中产生的热，冷却介质也穿引通过双极板，从而使三种不同的介质在最小的空间上引导通过双极板。

在以反应物供给燃料电池时，这些反应物经由主通道(端口)导引到双极板中，所述双极板应引起反应物到活性区域中的分配，以便借助于流场尽可能均匀地供给电极的整个面。由于在燃料电池堆中堆叠有具有膜电极单元的多个双极板，因此使用纵向通过燃料电池堆密封主通道的密封件。此外，必须对在冷却剂通道中流动的冷却介质进行良好的密封。

在文献US 2017/0 214 063 A1、DE 10 2015 225 228 A1和DE 10 2014 206 333A1中可以得知具有分配器区域的双极板，其在分配器区域中应引起反应物流动的均匀化。

恰恰冷却介质在双极板上或在双极板中的引导迄今在开发阶段不如用于反应物流的引导重要。这导致，常规的双极板还没有为冷却介质提供最佳的均匀分配，从而可能出现：由于局部存在的仅仅较小的体积流而可能产生局部过热(所谓的“热点”)。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种避免这种局部过热的双极板和燃料电池堆。

该目的通过具有权利要求1的特征的双极板和具有权利要求10的特征的燃料电池堆来实现。在从属权利要求中说明了具有本发明的适宜改进的有利设计方案。

根据本发明的双极板特征尤其在于，在活性区域的边缘区域外和/或在其中在单板的桥接部之间存在侧向偏移，如此使得冷却剂流场的在那里相邻伸延的冷却剂通道借助于穿通开口在流动力学上相互连接，以分配冷却剂流。

以这种方式，因此就在活性区域之前亦或完全在活性区域的边缘处存在冷却剂的均匀化或均衡化，从而有效地避免了局部过热或热点。冷却剂通道由于桥接部的侧向偏移而交叉的区域例如也可以是直接邻接到介质端口处的分配器区域，其中，在活性区域和分配器区域之间也可以存在带有用于冷却剂的穿流开口的交叉区域。

已证明是有利的是，单板中的一个在活性区域的边缘区域外和/或在其中的桥接部相对于活性区域中的桥接部以第一角度成角度地伸延。第一角度在此根据双极板的特定设计来选择。在那里存在的交叉部或穿通开口的长度也尤其取决于双极板的期望设计。

附加地存在如下可行方案：单板中的另一个在活性区域的边缘区域外和/或在其中的桥接部相对于活性区域中的桥接部以第二角度成角度地伸延。由此也可以提供导致冷却剂流在双极板上均匀分配的穿通开口。

第一角度优选地不同于第二角度并且两个角度都不为零。在此，第一角度可以是正角度，而第二角度可以是负角度，其中，但这两个角度按量值也可以是一样大的。就此而言因此可行的是，所有的桥接部可以以相同的量值成角度，因此可以导致冷却介质的期望的均匀分配。

成角度伸延的桥接部以及在它们之间伸延的流动通道的长度优选地介于5和50mm之间。以这种方式，在非常狭窄的有限区域上引起了冷却剂流的均匀分配，使得双极板本身可以设计得非常紧凑。只有这样，桥接部和流动通道才会在活性区域中转变成相对而置的构造。

为了实现桥接部和在它们之间伸延的流动通道的仅轻微调整，已证明有利的是，第一单板和/或第二单板的桥接部的角度为10度至45度。这样的角位置已经足以避免在双极板的延伸部上的热点。

为了引起冷却剂的更均匀的、尤其是湍流的流动，已证明有利的是，第一单板和/或第二单板的桥接部成角度或调整的角度介于45度之间和80度。

双极板的紧凑设计方案此外可以通过以下方式实现，即由成角度的桥接部界定的流动通道分别在流动力学上与布置在单板的拐角中的主通道连接。成角度的桥接部优选地定位成尽可能靠近活性区域，因为在活性区域中由于相对而置的构造而优选地存在相同数量的阴极通道和阳极通道。

此外，已证明为有利的是，冷却剂通道在流动力学上与主冷却剂通道连接，该主冷却剂通道布置在反应物的两个主通道之间的板边缘处。

结合根据本发明的双极板解释的优点、有利的设计方案和效果同样适用于根据本发明的燃料电池堆，该燃料电池堆配备有多个具有根据本发明的双极板的燃料电池。由于避免了局部过热部位，该燃料电池堆还通过改善热管理而出众。

上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在分别说明的组合中使用，而且还可以在其他组合中或单独使用，而不脱离本发明的范围。因此，如下实施方案也应视为由本发明包括和公开，所述实施方案在附图中未明确示出或解释，然而通过单独的特征组合从所解释的实施方案中得出并且可产生。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节从权利要求书、下面对优选实施形式的描述中以及借助于附图得出。其中：

图1示出了具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意图，其具有示出了主通道的双极板，

图2示出了图1中的双极板的截面II-II的示意性详细图示，

图3示出了图1中的双极板的截面III-III的示意性详细图示，

图4示出了对反应物流场的桥接部和流动通道的示意性详细俯视图，其中，第一反应物的通道以实线呈现，并且第二反应物的通道以虚线呈现，以及

图5示出了对应于图4的图示，其中通过调整桥接部/流动通道进行冷却剂交叉/冷却剂分配。

具体实施方式

图1中所示的燃料电池堆1由多个串联的燃料电池2组成。燃料电池2中的每个包括阳极和阴极以及将阳极与阴极隔开的能传导质子的膜。两个电极与膜一起形成膜电极组件7(简称：MEA)。该膜由离聚物、优选磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟磺酸聚合物(PFSA)形成。备选地，该膜可以形成为磺化烃膜。

燃料(例如氢气)经由燃料电池堆1内的阳极室供应到阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处分裂成质子和电子。膜允许质子(例如H⁺)通过，但对电子(e^-)是不可渗透的。在阳极处在此进行以下反应：2H₂

4H⁺+4e^-(氧化/电子释放)。在质子通过膜到达阴极期间，电子经由外部电路传导到阴极或能量存储器处。阴极气体(例如氧气或含氧空气)可以经由燃料电池堆1内的阴极室供应到阴极，从而在阴极侧进行以下反应：O₂+4H⁺+4e^-

2H₂O(还原/电子接收)。

由压缩机压缩的空气经由阴极新鲜气体线路供应到燃料电池堆1。此外，燃料电池堆1与阴极废气线路连接。在阳极侧，保持在氢气罐中的氢气经由阳极新鲜气体线路供应到燃料电池堆1，以提供对于燃料电池2中的电化学反应所需的反应物。这些气体被转移到双极板3，所述双极板具有主通道4(端口)，用于将气体分配到膜和导出部处。此外，双极板具有主冷却剂通道5(端口)，用于冷却剂通道6中的冷却剂的通过导引，使得三种不同的介质在非常小的空间中被引导。

图1中还示出了具有双极板3的形成燃料电池堆1的多个燃料电池2的分别成对组合的主通道4,5。

燃料电池堆1沿图1中的截面II-II的细节截段在图2中示出。该截面穿过燃料电池堆1的活性区域13伸延。双极板3的活性区域13在此本身当然不是电化学活性的，但它与燃料电池2的进行电化学燃料电池反应的部分相邻地布置。可以看出，双极板3在该活性区域13中在其彼此背向的表面上具有反应物流场，所述反应物流场相对而置地布置，并且因此构造相对而置的构造。反应物流场分布具有由桥接部10的壁11界定的用于相应反应介质的多个流动通道9。单板8中的一个的桥接部10和流动通道9在该活性区域13中因此设计成与单板8中的另一个的桥接部10和流动通道9相对而置地伸延。以这样的方式，形成单板8之间延伸的冷却剂流场的冷却剂通道6。

如果冷却剂通道6中的冷却剂不以相同的压力或相同的体积流量存在，则可能出现局部过热的部位(所谓的“热点”)。因此，需要更均匀地分配冷却剂流，以避免这样的局部过热的部位。

根据本发明的双极板3从这里开始，其可以在图3中在沿图1中的截面III-III的详细视图中更详细地看到。双极板3在活性区域13的边缘区域外和/或在其中在单板8的桥接部10之间设置侧向偏移。该偏移如此选择，使得冷却剂流场的在那里相邻地伸延的冷却剂通道6借助于穿通开口12在流动力学上相互连接，以分配冷却剂流。以这种方式，冷却剂因此可以就在活性区域13之前或直接在活性区域13的边缘处通过适当的分裂再次均匀分配，从而在活性区域13中的冷却剂流场上存在均衡的冷却剂流。在图3中只能看到两个单板8中的一个的偏移，其中，两个单板8中的另一个也可以偏移。

根据图4，单板8中的一个在活性区域13的边缘区域外和/或在其中的桥接部10相对于活性区域13中的桥接部10以第一角度成角度地取向。还可以看出，单板8中的另一个在活性区域13的边缘区域外和/或在其中的桥接部10相对于活性区域13中的桥接部10以第二角度成角度地伸延。在图4中，仅示例性选择用于调整桥接部10的相同角度，其中，对于单板8中的一个，该角度被选择为正，并且其中，对于单板8中的另一个，该角度被选择为负。以这种方式，因此位于两个单板8之间的冷却剂流场产生从图3中可见的穿通开口12，其导致冷却剂在双极板3上的补偿。

根据双极板设计方案优选的是，成角度伸延的桥接部10以及在它们之间伸延的流动通道9在它们在活性区域13中转变为相对而置的构造之前的长度在5mm和50mm之间。所有桥接部10优选地以相同的量值成角度。根据该设计方案，该角度为10度到45度，其中，在双极板3的另一个备选设计方案中，该角度介于45度和80度之间。

当然，由成角度的桥接部10界定的流动通道9分别在流动力学上与主通道4中的一个连接，该主通道当前布置在两个矩形设计的单板8的拐角中。由于穿流开口12而在其交叉区域15中具有交错的冷却剂通道6就此而言在流动力学上与主冷却剂通道5连接，该主冷却剂通道处于主通道4中的两个之间的板边缘处。

最后，图5中再次示出了冷却剂如何由于穿通开口12而划分，这导致在双极板3上更均匀的冷却剂分配。在此，多个穿通开口12可以存在于活性区域13的边缘区15中，其中，但交叉区域15也可以位于活性区域13之外。优选地，在交叉区域15和介质端口4,5之间还存在合适的分配区域14，以便也将反应物均匀地分配到反应物流场上。

结果，利用本发明，因此可以均匀分配热，因为冷却剂可以均匀地分配在双极板3上并且因此均匀地分配在整个燃料电池堆1上。

附图标记列表

1 燃料电池堆

2 燃料电池

3 双极板

4 用于反应物的主通道

5 用于冷却介质的主冷却剂通道

6 冷却剂通道

7 膜电极组件(MEA)

8 单板

9 流动通道

10 桥接部

11 壁

12 穿通开口

13 活性区域

14 分配器区域

15 边缘区域/交叉区域(活性区域)。

Claims (10)

1.一种双极板(3)，其由两个相互连接的单板(8)形成，所述单板在其彼此背向的板表面处分别形成有反应物流场，所述反应物流场包括通过桥接部(10)的壁(11)界定的多个用于反应介质的流动通道(9)，其中，所述单板(8)中的一个的所述桥接部(10)和流动通道(9)在活性区域(13)中与所述单板(8)中的另一个的所述桥接部(10)和流动通道(9)相对而置地伸延，以便因此形成所述单板(8)之间延伸的冷却剂流场的冷却剂通道(6)，其特征在于，在所述活性区域(13)的边缘区域外和/或在其中在所述单板(8)的桥接部(10)之间存在侧向偏移，如此使得冷却剂流场的在那里相邻伸延的冷却剂通道(6)借助于穿通开口(12)在流动力学上相互连接，以分配冷却剂流。

2.根据权利要求1所述的双极板(3)，其特征在于，所述单板(8)中的一个在所述活性区域(13)的边缘区域外和/或在其中的所述桥接部(10)相对于所述活性区域(13)中的所述桥接部以第一角度成角度地伸延。

3.根据权利要求2所述的双极板(3)，其特征在于，所述单板(8)中的另一个在所述活性区域(13)的边缘区域外和/或在其中的所述桥接部(10)相对于所述活性区域(13)中的所述桥接部以第二角度成角度地伸延。

4.根据权利要求2或3所述的双极板(3)，其特征在于，成角度伸延的所述桥接部(10)和在它们之间伸延的流动通道(9)在它们在所述活性区域(13)中转变成相对而置的构造之前的长度在5和50毫米之间。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的双极板(3)，其特征在于，所有桥接部(10)以相同的量值成角度。

6.根据权利要求5所述的双极板(3)，其特征在于，所述角度为10度至45度。

7.根据权利要求5所述的双极板(3)，其特征在于，所述角度介于45度和80度之间。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的双极板(3)，其特征在于，由所述成角度的桥接部(10)界定的所述流动通道(9)在流动力学上分别与主通道(4)连接，所述主通道布置在所述单板(8)的拐角中。

9.根据权利要求8所述的双极板(3)，其特征在于，所述冷却剂通道(6)在流动力学上与主冷却剂通道(5)连接，所述主冷却剂通道布置在两个主通道(4)之间的板边缘处。

10.一种燃料电池堆(1)，其包括多个燃料电池(2)，所述燃料电池具有根据权利要求1至9中任一项所述的双极板(3)。

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