用于燃料电池的双极板以及具有该双极板的燃料电池组制造技术

技术编号:15793956 阅读:297 留言:0更新日期:2017-07-10 06:36
本发明专利技术涉及一种用于燃料电池(10)的双极板(15),包括阳极侧和阴极侧,其中,参照阳极侧或者阴极侧的俯视图所述双极板(15)具有:‑工作介质流场,包括安置在阳极侧上的阳极气体流场(154)、安置在阴极侧上的阴极气体流场和设在内部的冷却剂流场,‑第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA),它们被安置在所述双极板(15)在工作介质流场(153)的侧面的相互对置的部段上,‑安置在供应区域(SA)中并且设计为通孔的供应口(154‑159),其中,在第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA)中分别安置至少一个用于输入或输出阳极气体的阳极通气口(154,155)、至少一个用于输入或输出阴极气体的阴极通气口(156,157)、以及至少一个用于输入或输出冷却剂的冷却剂口(158,159),其中,在供应区域(SA)内部分别在阴极通气口(156,157)和冷却剂口(158,159)之间安置阳极通气口(154,155),和‑其中,所述双极板(15)包括以碳为基础的导电的材料或者由这种材料组成。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的双极板以及具有该双极板的燃料电池组
本专利技术涉及一种用于燃料电池或者燃料电池组的双极板。本专利技术还涉及一种具有这种双极板的燃料电池或者燃料电池组。此外,本专利技术还涉及一种交通工具或者燃料电池系统,它具有这种燃料电池或者这种燃料电池组。
技术介绍
燃料电池利用燃料的化学变化将氧气变为水,以便产生电能。为此,燃料电池包括作为部件的所谓的膜电极装置(membraneelectrodeassembly,简写为MEA),它具有由离子传导(多数为质子传导)的膜和分别安置在膜两侧上的催化电极(阳极和阴极)构成的组织结构。后者包括多数被承载的贵金属,尤其铂。此外,能够在膜电极装置的两侧上在电极的背向膜的一侧上安置气体扩散层(GDL)。通常燃料电池通过多个堆叠安置(stack)的MEA构成,它们的电功率相加。在单个膜电极装置之间,通常安置双极板(也称为流量场板或者分选板),它确保向单个电池供应工作介质、即反应物,并且通常还用于冷却。此外,双极板负责与膜电极装置的导电接触。在燃料电池工作时,燃料(阳极气体、阳极工作介质)、尤其氢气H2或者含氢的混合气通过双极板的阳极侧开口的流量场(Flussfeld)被输送给阳极,在此在产生电子的情况下进行电化学氧化从H2到质子H+(H2→2H++2e-)。通过电解质或者膜(它将反应空间气密地相互隔离和电绝缘)将质子从阳极空间传输到阴极空间中。在阳极上提供的电子通过外部的电路被导向阴极,在该外部电路中连接有电气消耗器或者能量存储器。阴极通过双极板的阴极侧开口的流量场输送作为阴极工作介质(阴极气体)的氧气或者含氧的混合气(例如空气),从而在接收电子的情况下进行反应从O2变为O2-(1/2O2+2e-→O2-)。同时,在阴极空间中氧离子与通过膜传送的质子反应生成水(O2-+2H+→H2O)。双极板在不同的结构方式中已知。原则上,在设计双极板时目的是降低重量、降低结构空间、降低成本以及提高功率密度。这种标准尤其对于燃料电池在汽车领域中的使用是重要的,例如用于车辆的电动驱动。双极板由导电的材料制成,因为通过它实现单个电池的相互和对外的电气连接。通常双极板由金属材料制成、如钢和类似材料。但是也已知这样的双极板,它由以碳元素为基础的导电材料制成,尤其是石墨和石墨复合材料。碳基础的材料(也称为碳素材料)具有一些有利的特性,尤其是较低的密度,因此它特别适用于汽车领域。但是缺点是,碳素材料由于机械原因相对于金属的双极板要求较高的壁厚,这还使得不能满足降低结构空间的目的。通常,碳-双极板的壁厚在0.2至0.25mm的区域内,相反地在金属的双极板中壁厚只有0.1mm。原则上,至今为止使用的碳-双极板由于较大的壁厚而具有与金属双极板不同的设计。金属的双极板通常由两个相互焊接的型材的半板(所谓的阴极板和阳极板)制成,在这些半板中用于工作介质(阳极气体、阴极气体和冷却剂)所需的流量场通过在两个半板中的合适的型材构成。在此,在阳极侧上设有阳极流量场并且在阴极侧上设有阴极流量场,相对地在内部的冷却剂流量场设在两个板之间。在流量场外部,双极板具有设计为通孔的供应口,其中,设有至少两个阳极通气口用于输入或输出阳极气体,设有至少两个阴极通气口用于输入或输出阴极气体,并且设有至少两个冷却剂口用于输入或输出冷却剂。在堆积的状态下,这些供应口相互对齐并且构成多个工作介质主通道,在燃料电池组的整个长度上贯穿燃料电池组。从双极板的供应口开始相应的阳极-、阴极-和冷却剂分配通道在双极板的全部宽度上分配工作介质,以便把工作介质输送给催化电极(阳极和阴极)。问题是,在这些分配区域中不同的通道在相对较小的面积上相交。这会导致,双极板的整体厚度增加并且由此燃料电池组的结构空间要求也随之增加。根据上述说明的双极板的示例在US2006/0127706A1和DE102007008214A1中公开。在此,供应口分别被安置在双极板的两个相互对置的窄侧上,其中,冷却剂口相应地基本上定位在阳极通气口和阴极通气口之间。金属双极板的另外的设计方案在DE102013210542A1中公开。为了相互均衡阳极气体分配通道的通道长度,在此在阴极通气口和冷却剂口之间安置阳极通气口。当今的碳素双极板具有的整体板厚度、即在最低点和最高点之间、大约为1.5mm。较薄的碳素双极板目前还是未知的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,建议一种碳素双极板,它具有比已知的碳素双极板更低的结构高度(整体板厚度)。该双极板应该也能够实现这样的燃料电池组,它在相同的功率密度下具有比已知的以碳素双极板为基础的燃料电池组更低的结构高度(堆栈高度)。所述技术问题通过具有独立权利要求的特征的双极板以及燃料电池组所解决。本专利技术的优选设计方案由在从属权利要求中所述的特征给出。根据本专利技术的用于燃料电池的双极板包括阳极侧和阴极侧,其中,所述双极板在阳极侧或者阴极侧的俯视图方面具有:-工作介质流场,包括安置在阳极侧上的阳极气体流场、安置在阴极侧上的阴极气体流场和设在内部的冷却剂流场,-第一供应区域和第二供应区域,它们被安置在双极板的在工作介质流场的侧面的相互对置的部段上,-安置在供应区域中并且设计为通孔的供应口,其中,在第一供应区域和第二供应区域中分别安置至少一个用于输入或输出阳极气体的阳极通气口、至少一个用于输入或输出阴极气体的阴极通气口、以及至少一个用于输入或输出冷却剂的冷却剂口,其中,在供应区域内、在阴极通气口和冷却剂口之间分别安置一个阳极通气口,和-其中,所述双极板包括以碳为基础的导电材料或者由这种材料组成。在传统的以碳元素为基础的双极板中,供应口通常如此布置,使得冷却剂口设在阳极通气口和阴极通气口之间。通过将阳极通气口设在阴极通气口和冷却剂口之间的布置,以有利的方式实现了,分配区域(在该区域中工作介质在双极板的活性区域的宽度上被分配或被聚集)能够比在冷却剂口中央布置的情况下具有更低的整体板厚度。分配区域尤其能够被如此配置,使得冷却剂分配通道从冷却剂口开始首先在阴极侧、不与阴极分配通道相交地延伸,并且随后转入阳极侧。这能够实现双极板的结构高度的降低。双极板优选地具有最大为1.2mm,尤其最大为1.1mm,优选最大为1.0mm的整体板厚度(从双极板的最低点到最高点的结构高度)。双极板的结构高度越低,具有这种双极板的燃料电池组的结构高度也越低。可以理解到,结构高度的下限通过对双极板的功能和稳定性要求所限制。在以碳元素为基础的双极板中,低于0.8mm的结构高度会导致用于工作介质的流动横截面不可接受地小,和/或导致太差的稳定性。双极板的壁厚、尤其它的半板的壁厚优选在0.2至0.25mm的区间内。在本专利技术的优选实施例中设定,以碳元素为基础的导电材料是石墨材料,尤其是石墨或者石墨塑料复合物。例如,能够使用由石墨和环氧聚合物构成的复合材料。这种材料的特点在于良好的导电性和较低的密度。当前的以碳元素为基础的导电材料也被称为碳素材料或者碳。在本专利技术的另外优选的实施例中设定,双极板由两个相互接合的经过塑形的半板、即阳极板和阴极板构成,在半板中设有优选以通道形状的相应的工作介质流场。由两个型材式半板构成的制造方式具有这样的优点,即在两个半板之间能够以简单的方式形成冷却剂流场。半板能够由具有统一厚度的本文档来自技高网
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用于燃料电池的双极板以及具有该双极板的燃料电池组

【技术保护点】
一种用于燃料电池(10)的双极板(15),包括阳极侧和阴极侧,其中,所述双极板(15)在阳极侧或者阴极侧的俯视图方面具有:‑工作介质流场(153),包括安置在阳极侧上的阳极气体流场(153)、安置在阴极侧上的阴极气体流场和设在内部的冷却剂流场,‑第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA),它们被安置在所述双极板(15)在工作介质流场(153)侧面的相互对置的部段上,‑安置在供应区域(SA)中并且设计为通孔的供应口(154‑159),其中,在第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA)中分别安置至少一个用于输入或输出阳极气体的阳极通气口(154,155)、至少一个用于输入或输出阴极气体的阴极通气口(156,157)、以及至少一个用于输入或输出冷却剂的冷却剂口(158,159),其中,在供应区域(SA)内分别在阴极通气口(156,157)和冷却剂口(158,159)之间安置阳极通气口(154,155),和‑其中,所述双极板(15)包括以碳为基础的导电的材料或者由这种材料组成。

【技术特征摘要】
2015.11.24 DE 102015223169.0;2015.12.15 DE 10201521.一种用于燃料电池(10)的双极板(15),包括阳极侧和阴极侧,其中,所述双极板(15)在阳极侧或者阴极侧的俯视图方面具有:-工作介质流场(153),包括安置在阳极侧上的阳极气体流场(153)、安置在阴极侧上的阴极气体流场和设在内部的冷却剂流场,-第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA),它们被安置在所述双极板(15)在工作介质流场(153)侧面的相互对置的部段上,-安置在供应区域(SA)中并且设计为通孔的供应口(154-159),其中,在第一供应区域(SA)和第二供应区域(SA)中分别安置至少一个用于输入或输出阳极气体的阳极通气口(154,155)、至少一个用于输入或输出阴极气体的阴极通气口(156,157)、以及至少一个用于输入或输出冷却剂的冷却剂口(158,159),其中,在供应区域(SA)内分别在阴极通气口(156,157)和冷却剂口(158,159)之间安置阳极通气口(154,155),和-其中,所述双极板(15)包括以碳为基础的导电的材料或者由这种材料组成。2.根据权利要求1所述的双极板(15),其特征在于,所述双极板(15)具有最大为1.2mm,尤其最大为1.1mm,优选最大为1.0mm的整体板厚度。3.根据权利要求1或2所述的双极板(15),其特征在于,所述以碳为基础的导电的材料是石墨材料,尤其是石墨或者石墨塑料复合物。4.根据上述权利要求之一所述的双极板(15),其特征在于,所述双极板(15)由两个相互接合的经过造型的半板(151,152),即阳极板(151)和阴极板(152)构成,在所述半板中构成相应的工作介质流场(153)。5.根据上述权利要求之一所述的双极板(15),其特...

【专利技术属性】
技术研发人员:B迪克森A德苏扎
申请(专利权)人:大众汽车有限公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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