用于燃料电池堆的重复单元制造技术

本发明专利技术涉及一种用于燃料电池堆（８）的重复单元（１０），具有电解质膜结构（２０）和流场（３０），流场被设置用于为电解质膜结构（２０）的活性表面（２２）供给气体（３２），流场还具有至少一个气体穿流孔（３４）。按照本发明专利技术，在活性表面（２２）和气体穿流孔（３４）之间设置气密的气体流动屏障（３６），从而使流过第一气体穿流孔（３４）的气体环绕气体流动屏障（３６）流动，其中，气体流动屏障（３６）在活性表面（２２）的边缘上的投影至少为气体穿流孔（３４）在活性表面（２２）的边缘上的投影的一半长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于燃料电池堆的重复单元，具有电解质膜结构和流场， 该流场用于供给电解质膜结构的活性表面以气体，且具有至少一个第一气 体穿流孔。
技术介绍
燃料电池与电池类似，用于将化学能直接转化为电能。燃料电池的核心部件是电解质膜结构(简称MEA，英文为Membrane Electrode Assembly),其由阳极层、阴极层以及将阳极层与阴极层分开的电解质膜 组成。为了产生电流向阳极层输送燃烧气体、比如氢气，而向阴极层输送 氧化气体、比如空气。为此，在阳极上发生燃烧气体的氧化，其中，由燃 烧气体释放的电子经过导电连接从阳极移动到阴极并在此处还原氧化气 体。由此产生的氧化气体负离子与燃烧气体正离子相结合。如果比如使用氢气H2作为燃烧气体，使用氧气02作为氧化气体，在使用固体氧化物燃料电池(SOFC，英文为Solid Oxide Fuel Cell)的情况下氧离子02—在阳极层内 以及阳极层上与氢离子tf结合成水分子H20。通过在阳极和阴极之间连接耗电 器负荷，由此释放的能量可以得到利用。阳极表面或阴极表面的吸附燃烧气体或氧化气体的部分在下面被称 作活性表面。由于单个的燃料电池只提供较小的电压(典型地位于0.1V至IV之 间)，通过将多个燃料电池以燃料电池堆的形式串联起来，从而燃料电池 堆的各燃料电池的电压可以累加起来。此外，燃料电池的阴极层分别与相 邻的燃料电池的阳极层通过双极板相连。在双极板内部或与双极板相邻存 在用于将燃烧气体和氧化气体分配给两个相邻的燃料电池的流场。燃料电 池堆因此包括多个完全相同的重复单元，其中，每个重复单元包括电解质 膜结构(MEA)和双极板，双极板优选组成或限定出两个流场。现有技术中公知了流场的各种实施方式，通过流场确保了整个活性表 面的尽可能一致的气体供给和在燃料电池堆中的最佳压力分布和温度分 布。通过各种不同的装置可以有助于在燃料电池堆的每个燃料电池的电 极表面上以及在燃料电池堆内部很好地平均分配气体，比如-使用瓶颈来产生峰滞压力，类似于淋浴头。不过其具有压力损耗升 高和因此燃料电池堆的附带损耗的升高的缺点，这是因为运行所需的增压 器功率与压力损耗是成比例的。-设置非常多的进气孔，由此入口区域(分配区域)向上游转移。 -通过扩散道引导气体，扩散道缓慢地扩散穿过其流动的气体。 通过置入瓶颈产生峰滞压力对于固体氧化物燃料电池堆来说是非常 难于实现的。必须非常精确地加工瓶颈，因为其横截面的很小的偏差就可 能导致压力损耗的很大不同且因此导致气体分布的很大差别。此外，如上 所述，不希望看到由于提高了所需的增压器功率而引起燃料电池上的较高 的压力损耗。对于此类的重复单元来说，用于供给(此处被假设为水平设置的)活 性表面的气体从电极层旁边的圆形的气体穿流孔首先垂直地流入电极层 的活性部分旁的区域，以便以水平的方向沿着活性表面流过，然后以垂直 的方向穿过电极层旁边的其它圆形的气体穿流孔被引导。此外，气体不需 绕行而在直接的路径上从进气孔流向出气孔，其缺点在于，可能会产生在 进气孔和对面的出气孔之间的所谓气体短路，即气体至少部分地未经使用 就从进气孔流到出气孔，而气体的重要的部分没有被活性表面所吸收。为 了避免此类气体短路，己经考虑在活性表面旁边设置非常多的进气孔和出 气孔以及相应大小的密封面，不过这提高了故障风险。为了在燃料电池堆中产生尽可能均匀的温度分布，可以使用所谓的流 向相反的结构和流向相同的结构。为此， 一个燃料电池中的燃烧气体/氧 化气体以相对于相邻的燃料电池中的流动方向相反的方向沿阳极順极层 流动。为此，氧化气体的输入装置和输出装置必须设置在与用于燃烧气体 的输入装置和输出装置相同的区域，这是不容易实现的，特别是当为了均 匀分配气体而需要非常多的进气孔和出气孔的时候。另一个问题在于在燃料电池堆的所有(典型地为30或60个)平面上 均匀地分配气体。根据计算，在进气孔和出气孔的横截面相同的情况下气 体分布不是最佳的，比如会出现燃料电池堆的下部的平面相比于上部的平 面得到更好的气体供给的情况。这又导致较差的燃烧气体利用且由此导致 较差的燃料电池堆效率。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于，提出一种用于燃料电池堆的重复单元，其 实现了在活性表面上以及在整个燃料电池堆上的特别均匀的气体分布。 该目的通过权利要求1的特征实现。本专利技术的其它有利的设计方案和改进方案由从属权利要求中得出。按照本专利技术的重复单元在现有技术下如此改进，在活性表面和气体穿 流孔之间设置气密的气体流动屏障，从而使穿过气体穿流孔的气体环绕气 体流动屏障流动，其中，气体流动屏障在活性表面边缘上的投影至少为气 体穿流孔在活性表面边缘上的投影的一半长(除了系数0. 5外还优选系数 为0.75、 1和1.25)。本专利技术基于能够避免气体短路，为此，输送的气体 借助于此类屏障被阻止直接从进气孔流到出气孔。屏障使得进入的气体首 先向燃料电池堆的外部边缘流动，然后从边缘和屏障处转向活性区域。此 外，特别宽的屏障、即相对于气体穿流孔具有在活性表面的边缘上的更大 的投影的屏障实现了特别可靠的气体短路保护。气体流动屏障可以比如通 过所谓的置入的隔板实现。其还可以比如通过流场板的相应的铸造实现。特别有利的是，气体流动屏障向活性表面的方向逐渐变细。因此实现 了在活性表面的边缘上的特别均匀的气体分布。特别是确保了在活性表面 的位于气体流动屏障的阴影中的区域中的良好的气体分布。因此，有利的是，气体流动屏障基本上具有V形或U形的形状 和定向，其开口背向活性表面。呈U形或V形逐渐变细的屏障是镜像对称 的且可以由此至少近似对称地由气体环绕流过。有利的还有，气体穿流孔向活性表面的方向逐渐变细。特别是结合逐 渐变细的气体流动屏障使穿过气体穿流孔的气流持续地扩散或(根据流向 的不同)收縮。在特别优选的实施方式中，气体穿流孔向活性表面方向的逐渐变细通 过气体穿流孔基本上呈带有倒圆的角的三角形实现。这种形状在几何上是 非常简单的。特别有利的是，设置所描述的用于向活性表面输送气体的气体穿流孔 且流场具有用于将气体从活性表面输出的第二气体穿流 L，其中，在活性 表面和第二气体穿流孔之间设置气密的第二气体流动屏障，从而使穿过第 二气体穿流孔流动且至少经过活性表面的一部分流动的气体环绕第二气 体流动屏障流动，其中，第二气体流动屏障在活性表面的边缘上的投影至 少为第二气体穿流孔在活性表面的边缘上的投影的一半长。因此实现了流 场不仅在输入气体方面而且在将气体从活性表面输出方面也按照本专利技术 进行设计的实施方式，因此，本专利技术已经阐述的优点不仅对气体的输入是 有利的而且对气体的输出也是有利的。此外有利的还有，为了输出气体设置的第二气体穿流孔具有比用于输 入气体设置的第一气体穿流孔更大的横截面。因此，根据流体力学上的测 算得出了在整个燃料电池堆中更好的压力分布。按照本专利技术的一个特别优选的实施方式是，活性表面基本上为矩形且 被分为一个或多个基本上为矩形的供给区域，其中，为每个供给区域设置 一个用于输入气体的第一气体穿流孔和一个用于输出气体的第二气体穿 流孔。多个按照本专利技术的气体穿流孔和所属的气体流动屏障以这种方式有 利地组合成更大的流场。矩形的分布实现了以特别简单的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池堆（８）的重复单元（１０），具有电解质膜结构（２０）和流场（３０），所述流场被设置用于为电解质膜结构（２０）的活性表面（２２）供给气体（３２），并且所述流场具有至少一个气体穿流孔（３４），其特征在于，在活性表面（２２）和气体穿流孔（３４）之间设置气密的气体流动屏障（３６），从而使流过第一气体穿流孔（３４）的气体（３２）环绕气体流动屏障（３６）流动，其中，气体流动屏障（３６）在活性表面（２２）的边缘上的投影至少为气体穿流孔（３４）在活性表面（２２）的边缘上的投影的一半长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2007-6-11 102007026850.7;DE 2007-7-16 1020070331.一种用于燃料电池堆(8)的重复单元(10)，具有电解质膜结构(20)和流场(30)，所述流场被设置用于为电解质膜结构(20)的活性表面(22)供给气体(32)，并且所述流场具有至少一个气体穿流孔(34)，其特征在于，在活性表面(22)和气体穿流孔(34)之间设置气密的气体流动屏障(36)，从而使流过第一气体穿流孔(34)的气体(32)环绕气体流动屏障(36)流动，其中，气体流动屏障(36)在活性表面(22)的边缘上的投影至少为气体穿流孔(34)在活性表面(22)的边缘上的投影的一半长。2. 如权利要求1所述的重复单元(10)，其特征在于，气体流动屏障 (36)向活性表面(22)的方向逐渐变细。3. 如权利要求2所述的重复单元(10)，其特征在于，气体流动屏障 (36)基本上具有V形或U形的形状和定向，其开口背向活性表面 (22)。4. 如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)，其特征在于，气 体穿流孔(34)向活性表面(22)的方向逐渐变细。5. 如权利要求4所述的重复单元(IO)，其特征在于，气体穿流孔(34)具有基本上为带倒圆的角的三角形的形状。6. 如前述权利要求中任一项所述的重复单元(10)，其特征在于，设 置用于向活性表面(22)输送气体(...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁赖纳特，
申请(专利权)人：斯塔克塞拉有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]