具有双极板的燃料电池堆以及燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有双极板（10）的燃料电池堆，所述双极板分别具有两个隔膜板（12、14），所述两个隔膜板分别具有活跃区（16）以及两个分布区（18、20），所述两个分布区具有主气体端口（22、24）以及冷却剂主端口（26），其中所述隔膜板（12、14）被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），所述通道使得用于两个分布区（18、20）的反应气体的主气体端口（22、24）和冷却剂主端口（26）彼此连接。规定：用于反应气体的通道（28）在所述活跃区（16）的入口区（40）具有不能透过的第一隔离板（38），所述第一隔离板使所述通道（28）分成两个体积区（58、60）；而且为了输送反应气体，除了第一主气体端口（22）之外，还在分布区（18）设置第二主气体端口（23）。本发明专利技术的主题也是一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有按照本发明专利技术的燃料电池堆。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有双极板的燃料电池堆以及燃料电池系统
本专利技术涉及一种具有双极板的燃料电池堆，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板，所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区以及两个分布区，所述两个分布区分别具有：两个主气体端口，用于将反应气体引向活跃区和从活跃区排出；以及冷却剂主端口，用于将冷却剂引向活跃区和从活跃区排出，其中所述隔膜板被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道，所述通道使得两个分布区的用于反应气体的主气体端口和冷却剂主端口彼此连接，其中用于反应气体的通道分别由隔膜板的表面和气体扩散层的表面限制，以及本专利技术涉及一种燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元（MEA，针对membraneelectrodeassembly）作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的、尤其是传导氢离子的膜和分别布置在该膜两侧的电极（阳极和阴极）构成的复合体。此外，在膜电极单元两侧的气体扩散层（GDL）可以布置在电极的背离膜的侧面上。燃料电池堆通常通过多个布置成堆（stack）的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在燃料电池运行时，燃料、尤其是氢气H2或者含氢气的气体混合物被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H2电化学氧化成H+。通过电解质或者使反应室气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，（水结地或者无水地）将氢离子H+从阳极区运输到阴极区。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧气的气体混合物被输送给阴极，使得在吸收氢离子和电子的情况下从O2还原成水H2O。燃料电池通过多个布置成堆的膜电极单元形成，使得也谈及燃料电池堆。在两个膜电极单元之间分别布置有双极板，所述双极板保证了给单个电池供应工作介质、即反应物和冷却流体。此外，双极板还引起与膜电极单元的导电接触。此外，所述双极板还确保了在阳极区与阴极区之间的密封隔离。双极板大多由两个被压型的导电隔膜板来构造，所述隔膜板具有以布置在板两侧的高度轮廓的形式的结构。通过该轮廓，在板两侧得到或多或少的分立式通道，所述分立式通道被构造为引导工作介质。工作介质又通过这些板彼此隔离，使得在板的内部引导冷却剂，而在外部引导反应气体。反应气体的通道一方面由相应的板限制，而另一方面由气体扩散层限制。为了关于在双极板中的反应气体来控制水供应从而提高燃料电池的功率密度、效率和使用寿命，尤其已经在WO2012/143781A1和US20090197134A1中提出：将多个由钛构成的金属条引入到用于要润湿的反应气体的通道中，然而这是昂贵的而且在制造中也是花费高的，因为这些金属条可能难以固定并且难以定位；或将穿孔的金属板引入到通道中，这同样是昂贵的而且在制造中是花费高的。此外，这些解决方案不能与石墨双极板组合地来应用。从现有技术中公知的是：已经在燃料电池堆之外借助于润湿器使反应气体达到所限定的湿度。
技术实现思路
现在，本专利技术所基于的任务在于提供一种具有双极板的燃料电池堆以及一种燃料电池系统，所述燃料电池堆或所述燃料电池系统能够以简单的并且成本有利的方式实现对反应气体的水供应的控制。该任务通过具有双极板的燃料电池堆来解决，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板，所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区以及两个分布区，所述两个分布区分别具有：两个主气体端口，用于将反应气体引向活跃区和从活跃区排出；以及冷却剂主端口，用于将冷却剂引向活跃区和从活跃区排出，其中所述隔膜板被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道。所述通道使得两个分布区的用于反应气体的主气体端口和冷却剂主端口彼此连接，其中用于反应气体的通道分别由隔膜板的表面和气体扩散层的表面限制。按照本专利技术，这些通道对于这些反应气体之一来说在活跃区的入口区具有不能透过的第一隔离板，所述第一隔离板使这些通道在入口区分别分成两个体积区，而且所述第一隔离板沿反应气体的流动方向延伸，其中这些通道的仅仅一个体积区与气体扩散层相邻。按照本专利技术还规定：为了将反应气体输送到被分成两个体积区的通道，除了第一主气体端口之外，还在分布区布置第二主气体端口，其中与气体扩散层相邻的体积区与第一主气体端口连接，而没有与气体扩散层相邻的体积区与第二主气体端口连接。有利地，通过具有用于反应气体、优选地空气的两个主气体端口的所述一个分布区的按照本专利技术的设计方案，可能的是：将已经被润湿的空气输送给与气体扩散层相邻的体积区，而通过另一主气体端口来输送干燥的、未被润湿的反应气体、优选地空气，使得与气体扩散层保持接触的被润湿的空气从一开始就具有适当的湿度。还要求保护一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有用于至少一种反应气体的至少一个润湿器，其中有利地，所述一个或多个润湿器可以被设计得小于常见的，因为仅仅只须润湿总共所使用的反应气体的部分数量。优选地，隔离板相对于相对应的隔膜板并且相对于其组成部分是气体扩散层的膜电极单元（MEA）密封，使得有利地，被润湿的反应气体与干燥的反应气体保持隔离或被润湿的空气与干燥的空气保持隔离，而且这样在活跃区的开始就得到借助于润湿器来设定的湿度。根据本专利技术的一个的实施方式，用于两种反应气体的通道可以分别配备有隔离板。这些通道优选地彼此不同，因为由于不同的反应气体也得到对所述通道的设计方案的不同的要求。与此相应地，针对第二反应气体同样设置第二主气体端口，使得通过隔离板形成的体积区由不同的主气体端口供应。燃料电池堆的润湿器及其接线应与此相应地适配。必要时应设置第二润湿器。通过所述按照本专利技术的设计方案，有利地实现了：由于不能透过的隔离板，穿过气体扩散层的水只是润湿了反应气体的已经拥有所希望的湿度的部分。该部分自然位于通道的相邻于气体扩散层的区域内。有利地，燃料电池堆的按照本专利技术的设计方案适合于金属或石墨双极板的使用。有利地，隔离板在不超过用于反应气体的通道的一半长度内延伸，因为在这段路程之后通常存在对反应气体的充分的润湿。根据一个优选的实施方式，在通道中布置有至少一个其它的不能透过的隔离板，优选地2至4个、特别优选地2至3个隔离板。这些隔离板彼此间分别具有如下间隔，使得在该处可以实现反应气体的两个体积流的混匀，以便避免对反应气体的过于强烈的润湿以及避免反应物的由于正在进行的电化学反应引起的过于强烈的稀缺。在两个隔离板之间的间隔或空隙之后，在湿度由于下一个空隙而重新下调之前，所述湿度可以重新升高。这样，在通道的整个长度内可以实现相对均匀的润湿。在两个连续的隔离板之间的间隔应被选择为使得可以进行两个体积流的混合。出于该原因，该间隔应该是通道深度的多倍。可以通过如下方式来实现相对应的效果：后面的隔离板优选地具有比相应前面的隔离板更小的长度。为了在通道中不引起压力差，所述至少一个隔离板优选地平行于气体扩散层地来取向。用于通道的至少一个隔离板的设计方案取决于相应的燃料电池系统的特定的要求。两个体积区的横截面可以是不同的。在考虑湿度变化过程、压力损失以及反应物消耗（反应气体）的情况下，重要的是所述至少一个隔离板的形状和长度的符合设计目的的实施方案。在此应注意：在与气体扩散层GDL相邻的体积区中流动的体积流越小，通过隔离板来划分的通道部分就必须越短。这样，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双极板（10）的燃料电池堆，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板（12、14），所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区（16）以及两个分布区（18、20），所述两个分布区分别具有：两个主气体端口（22、24），用于将反应气体引向所述活跃区（16）和从所述活跃区（16）排出；以及冷却剂主端口（26），用于将冷却剂引向所述活跃区（16）和从所述活跃区（16）排出，其中所述隔膜板（12、14）被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），所述通道使得两个分布区（18、20）的用于反应气体的主气体端口（22、24）和冷却剂主端口（26）彼此连接，其中用于反应气体的通道（28、30）在所述活跃区分别由隔膜板（12、14）的表面和气体扩散层（52）的表面限制，其特征在于，用于反应气体的通道（28）在所述活跃区（16）的入口区（40）具有不能透过的第一隔离板（38），所述第一隔离板使所述通道（28）分别分成两个体积区（58、60），而且所述第一隔离板沿流动方向（48）延伸，其中所述通道（28）的仅仅一个体积区（58）与所述气体扩散层（52）相邻；而且为了将反应气体输送到被分成两个体积区（58、60）的通道（28），除了第一主气体端口（22）之外，还在分布区（18）设置第二主气体端口（23），其中与所述气体扩散层（52）相邻的体积区（58）与所述第一主气体端口（22）连接，而没有与所述气体扩散层（52）相邻的体积区（60）与所述第二主气体端口（23）连接。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.16 DE 102015222552.61.一种具有双极板（10）的燃料电池堆，所述双极板分别具有两个被压型的隔膜板（12、14），所述两个被压型的隔膜板分别具有活跃区（16）以及两个分布区（18、20），所述两个分布区分别具有：两个主气体端口（22、24），用于将反应气体引向所述活跃区（16）和从所述活跃区（16）排出；以及冷却剂主端口（26），用于将冷却剂引向所述活跃区（16）和从所述活跃区（16）排出，其中所述隔膜板（12、14）被构造并且重叠地布置为使得相应的双极板（10）具有用于反应气体和冷却剂的单独的通道（28、30、32），所述通道使得两个分布区（18、20）的用于反应气体的主气体端口（22、24）和冷却剂主端口（26）彼此连接，其中用于反应气体的通道（28、30）在所述活跃区分别由隔膜板（12、14）的表面和气体扩散层（52）的表面限制，其特征在于，用于反应气体的通道（28）在所述活跃区（16）的入口区（40）具有不能透过的第一隔离板（38），所述第一隔离板使所述通道（28）分别分成两个体积区（58、60），而且所述第一隔离板沿流动方向（48）延伸，其中所述通道（28）的仅仅一个体积区（58）与所述气体扩散层（52）相邻；而且为了将反应气体输送到被分成两个体积区（58、60）的通道（28），除了第一主气体端口（22）之外，还在分布区（18）设置第二主气体端口（23），其中与所述气体扩散层（52）相邻的体积区（58）与所述第一主气体端口（22）连接，而没有与所述气体扩散层（52）相邻的体积区（60）与所述第二主气体端口（23）连接。2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，在所述通道（28）中，在所述第一隔离板（38）的下游布置有一个或多个其它的不能透过的隔离板、优选地两个或三个、特别优选地三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：H肖尔茨，JP布林克迈尔，D格伦代，C施利茨贝格尔，C卢卡斯，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE