双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法技术

在一种双极元件的阴极板(1、1’)中，该阴极板具有：第一板侧面(2)，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)；与第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，本发明专利技术提供了一种解决方案，通过该解决方案以结构上简单的方式提供了改进的以及节约安装空间的燃料电池堆。该问题由此来解决，即构造有至少一个从第一板侧面(2)延伸至第二板侧面(15)穿过整个阴极板(1、1’)的过道(14)，过道将阴极通道结构(3)和冷却通道结构(16)流体连接。

A cathode plate for a bipolar element and a method for running the cathode plate

The cathode plate in a bipolar device (1, 1 '), the cathode plate has a first side plate (2), on the structure of distribution channel structure for cathode oxidant (3); and the first side plate (2) back to the second side (15), in the on the structure of cooling channel structure for the distribution of coolant (16), the present invention provides a solution by the solution to a simple structural mode provides improved and saving fuel cell stack installation space. The problem is solved by constructing at least one passageway (14) extending from the first plate side (2) to the second plate side (15) through the entire cathode plate (1, 1 '), and the passageway connects the cathode channel structure (3) with the cooling channel structure (16).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法
本专利技术涉及一种双极元件的阴极板，该阴极板具有：第一板侧面，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构；与第一板侧面背对的第二板侧面，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构。本专利技术同样涉及一种用于运行燃料电池的阴极板的方法，其中，阴极板具有：第一板侧面，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构；与第一板侧面背对的第二板侧面，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构，并且其中，将冷却剂和氧化剂分别输送给阴极板。
技术介绍
燃料电池和特别的聚合物-电解-膜片-燃料电池(缩写PEMFC也或者PEM-燃料电池)的原则上的结构、例如其示例性地在文献US2008/0233443AI中所描述的，包括膜片-电极-组件(MEA)，该组件再由阳极、阴极和布置在阳极与阴极之间的聚合物-电解-膜片(PEM)来构造，该膜片也叫做离子聚合物-膜片。膜片-电极-组件(MEA)在其自身也布置在两个分离板级之间。在此一个分离板级具有用于分布燃料(例如氢)的通道，而另一个分离板级具有用于分布氧化剂(例如富含氧的空气)的通道。用于分布燃料的通道和用于分布氧化剂的通道面向膜片-电极-组件(MEA)，其中，通道分别形成通道结构，该通道结构称作所谓的流场或者也称作流场分布。在此，电极、即阳极和阴极构造成气体扩散电极(GDE)并且具有该功能，可排出在电化学反应时(例如2H2+O2→2H2O2)产生的电流并且可以完全扩散反应物(分解物和产物)。一种这样的燃料电池可以在相对低的运行温度情况下产生带高功率的电流。为达到高的功率输出，实际的燃料电池大部分堆叠所提及的燃料电池堆(反应堆)。在此，使用所谓的双极元件(双极分离板级)代替单极分离板级，而单极分离板级仅形成两个位于末端的燃料电池堆的终端。单极分离板级也称作端部板极并且可以在结构上与双极元件明显不同。因此，在燃料电池堆中双极元件机械地、电地和热地将燃料电池的阳极与另一个燃料电池的阴极相连。双极元件可以由单独的双极板极制成(一件式的)或者由两个部分板组装(多件式的)。在一件式的双极元件中双极板极在其板侧面上(该侧面在构建状态中面向燃料电池的阴极)具有用于分布氧化剂的通道结构，而在另一板侧面上(该侧面在构建状态中面向邻近的燃料电池的阳极)构成用于分布燃料电池的通道结构。另一方面在多件式的双极元件情况下，两个部分板可以具有基本上互补和对称的形式。两个部分板(也称作阳极板和阴极板)而不必强制对称。唯一重要的是，该部分板具有至少一个共同的接触表面，该部分板可以在该表面处相连。部分板具有凹凸不平的表面形状。因此，在相应的部分板的彼此分别远离的表面处形成前述已经提及的用于在阳极(阳极板)侧面上分布燃料和用于在阴极(阴极板)侧面上分布氧化剂的通道结构。除电能之外在燃料电池中或在燃料电池堆中也没有热能，必须持续散发该热能，因此，燃料电池或堆叠的燃料电池不过热。介质空气提供用于冷却的最简单的可能性，其中，由于相比较其它冷却介质或冷却剂低的热容量需要更大的体积流量，以散发热量。相对于利用空气冷却，由现有技术已知两个下述描述的方案。在第一个方案中，借助于在双极板极侧面上的相同的通道结构实现以氧化剂和冷却空气供应燃料电池或堆叠的燃料电池，该双极板极面向阴极。因此，用于氧化剂的通道系统也同时是用于冷却空气的通道系统。在阴极侧面上输送的空气相应地不仅用作氧化剂而且用作冷却剂，使得分离的冷却通道系统在双极板极中是非必要的，由此，可以最小化结构空间。在该第一方案中人们把它称作“开放的阴极”，在该方案中通过调节足够大的阴极侧氧化剂的体积流量达到冷却燃料电池，该氧化剂同时用于冷却。但是由于烘干效果，在使用第一方案时，运行温度和由此相关的使用寿命明显受限。在该方案中尤其不利的是，不能分开调节用于阴极的氧化剂的体积流量和冷却空气的体积流量，这影响燃料电池堆的操作实践。为避免不利影响(例如由于大体积流量的烘干)适宜的是，引导分开冷却空气和氧化剂。但是也在低运行温度情况下(例如在冷启动电池时经历)，低冷却体积流量是必要的，由此，可以加热燃料电池，而可调节氧化剂大的体积流量，由此，可以运走在低温时大量涌入的液态水。然后另一方面，在高环境温度情况下，燃料电池在特别高的温度情况下运行是必要的。高的环境温度使得以最大冷却空气供应燃料电池的是必要的。而为了阻碍燃料电池的烘干，应当尽可能少地输送氧化剂，以阻碍运走过多产生的水并且像这样保证良好地湿润膜片。相应地已知燃料电池堆，在其中阴极通道结构完全从冷却通道结构分开。不同的和彼此分开的通道结构(其实现分开输送氧化剂和冷却剂到不同的通道结构)体现了第二方案，其称作“封闭的阴极”。在该第二方案中，相应的双极元件由两个部分板(面向阳极的阳极板和面向阴极的阴极板)组成。在其中，分别彼此指向的部分板表面具有互补的通道结构，通过该结构在叠起两个部分板时在部分板之间在其彼此指向的表面上产生空腔结构。空腔结构在两个部分板边缘区域中密封，其中，设置孔用于输送和输出冷却空气，使得空腔结构显示冷却通道结构并且可用于分布冷却空气。面向阴极部分板与开头所示类型阴极板相符并且例如在文献DE10015360B4中公开。“封闭的阴极”的已知的方案具有优点，可以彼此独立地实现燃料电池的调温和阴极供应。然而不利的是，阴极产物的单独的“排除物”。在阴极-产物中包含大部分产物水，其中，在燃料电池外这样程度地冷却阴极的产物水流，使得包含液态水。在静态和移动地使用这种燃料电池堆的情况中必须集成用于排除液态水的解决方案，这尤其在带有0℃以下的环境条件的外部应用情况下导致带有更大结构体积的昂贵的解决方案，由此提高生产成本。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种解决方案，在其中，以结构简单的方法提供了改进以及节约空间地构造的燃料电池堆，该燃料电池堆实现了没有上述缺点地冷却堆叠的燃料电池。在开始时提及的类型的阴极板中，该目的根据本专利技术由此来实现，即构造有至少一个从所述第一板侧面延伸至所述第二板侧面穿过整个所述阴极板的过道，所述过道将所述阴极通道结构和所述冷却通道结构流体连接。同样，该目的在开始时提及的那类方法中由此来实现，即在电化学反应之后在所述第一板侧面上生成的阴极产物通过至少一个过道被引导到在所述第二板侧面上的所述冷却通道结构中，至少一个所述过道将所述阴极通道结构和所述冷却通道结构流体连接，并且所述阴极产物经由所述冷却通道结构与所述冷却剂一同被输送离开所述阴极板。从从属权利要求中得出本专利技术的有利并且适宜的设计方案和改进方案。通过本专利技术提供了双极元件的阴极板，其特征在于功能正确的结构并且具有简单且节约成本的结构。在此，有创造性地组合两个方案。在该组合介质输送方案中，将氧化剂(阴极反应物)和冷却剂(空气)分别输送给燃料电池堆的各个燃料电池的各个通道结构。但在电化学反应中产生的阴极产物根据本专利技术在燃料电池堆中被转送到冷却剂流。在本专利技术的意义中，因此短语“组合的介质输送方案”意味着，分别进行给阴极通道结构和冷却通道结构的供应，如在“封闭的阴极”的方案中的情况那样，其中，阴极产物和冷却的废气流如在“开放的阴极”的方案中那样一同进行。有利地，通过将阴极产物转送到冷却通道结构中还在燃料电池堆内在合适的运行条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
双极元件的阴极板(1、1’)具有：第一板侧面(2)，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)，以及；与所述第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，其特征在于，构造有至少一个从所述第一板侧面(2)延伸至所述第二板侧面(15)穿过整个所述阴极板(1、1’)的过道(14)，所述过道将所述阴极通道结构(3)和所述冷却通道结构(16)流体连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.19 DE 102015100704.51.双极元件的阴极板(1、1’)具有：第一板侧面(2)，在其上构造有用于分布氧化剂的阴极通道结构(3)，以及；与所述第一板侧面(2)背对的第二板侧面(15)，在其上构造有用于分布冷却剂的冷却通道结构(16)，其特征在于，构造有至少一个从所述第一板侧面(2)延伸至所述第二板侧面(15)穿过整个所述阴极板(1、1’)的过道(14)，所述过道将所述阴极通道结构(3)和所述冷却通道结构(16)流体连接。2.根据权利要求1所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)在所述第一板侧面(2)上具有至少一个通道端部(12)，至少一个所述通道端部(12)经由至少一个所述过道(14)与构造在所述第二板侧面(15)上的冷却通道结构(16)流体连接。3.根据权利要求1或2所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述冷却通道结构(16)具有用于冷却剂的入口区域(18)和构造在所述入口区域(18)下游的出口区域(20)，其中，从所述第一板侧面(2)延伸直至所述第二板侧面(15)的至少一个所述过道(14)在所述出口区域(20)上游通向所述冷却通道结构(16)中。4.根据上述权利要求中任一项所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，所述阴极通道结构(3)被构造成至少一个被构造在所述第一板侧面(2)中的凹处(8)和/或所述冷却通道结构(16)被构造成至少一个被构造在所述第二板侧面(15)中的凹处(17)。5.根据权利要求4所述的阴极板(1、1’)，其特征在于，在所述阴极通道结构(3)中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：索克·戈斯林，
申请(专利权)人：燃料电池技术中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE