燃料电池和用于燃料电池的运行方法与流程

本发明涉及一种燃料电池。此外，本发明还涉及一种用于燃料电池的运行方法。

背景技术：

文献ep2924793a1涉及一种燃料电池。

在文献ep1238881a1中描述了一种轨道车辆。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种燃料电池，其可以被有效地冷却。

所述技术问题按照本发明通过一种燃料电池解决，所述燃料电池具有

-至少一个电极薄膜单元，

-至少两个双极板，

其中，

-双极板的凸出区域侧向地突伸超出至少一个电极薄膜单元，并且

-所述凸出区域设计用于被冷却气体绕流。

所述技术问题按照本发明还通过一种用于前述类型的燃料电池的运行方法解决，其中，双极板的凸出区域被空气冷却。

所述的燃料电池包括双极板，其从燃料电池的其余部件凸出。因此，能够通过双极板有效地冷却燃料电池。

在此为了简单起见，即使当在电气方面，端板基于仅唯一的极性严格来说不是双极板，并且尤其因此可以被修改时，燃料电池的端板也包含在术语双极板内，端板限界具有一个电极薄膜单元或具有多个电极薄膜单元和位于它们之间的双极板的堆叠。

根据至少一个实施方式，燃料电池包括多个电极薄膜单元，其也被称为membraneelectrodeassembly或简称为mea。电极薄膜单元设计用于通过氢气和氧气生成水的反应来产生电流，也就是说，电极薄膜单元设计用于将氢气和氧气的化学反应能量转换为电能。优选地，多个电极薄膜单元通过电极板在电路上串联地存在。优选地，多个电极薄膜单元在电路上串联地存在。

优选地，运载气体包括需要的氢气。氢气从运载气体转换出。优选地，运载气体包括需要的氢气。针对氢气的运载气体例如是氢气气体，简称为h2。同样可能的是，惰性气体和/或重组气体用作针对氢气的运载气体。

针对燃料电池的氧气优选来自于环境空气，但也可以作为纯氧被输送。尤其例如在以燃料电池运行的列车中可能的是，用于运行燃料电池的氧气来自于空气通道、如用于运行列车制动的主压力空气通道。

根据至少一个实施方式，与电极薄膜单元的数量相关地，燃料电池包括一个、两个或多于两个的双极板。优选更多个双极板分别位于相邻的电极薄膜单元之间。通过双极板产生电极薄膜单元的电气串联连接。电极薄膜单元和双极板因此作为堆叠(也被称为堆栈)存在。

此外优选地，双极板用于给分别相邻的电极薄膜单元供应至少一个反应气体、例如氢气气体和空气。针对氢气和氧气的运载气体彼此分离地引导，并且分别优选仅位于双极板的主侧面。也就是说，在双极板的一侧，空气输送至一个相邻的电极薄膜单元，并且在双极板的另一对置的侧面上，h2气体输送至另一相邻的电极薄膜单元。双极板装备有针对气体的相应的供应通道。

根据至少一个实施方式，至少一个双极板具有凸出区域。凸出区域侧向地突伸超出电极薄膜单元。也就是说，凸出区域从具有电极薄膜单元的堆叠(也被称为堆栈)的其余部件突伸出。凸出区域因此形成燃料电池上的凸出部或外翻部或壁板(sims)。

根据至少一个实施方式，凸出部设计用于被冷却气体绕流。相对冷却气体备选地可以考虑冷却液体。因此，通过凸出区域能够实现经由冷却气体来冷却燃料电池。

在至少一个实施方式中，燃料电池包括至少一个或至少两个电极薄膜单元以及至少一个或至少两个双极板，双极板优选分别位于相邻的电极薄膜单元之间。双极板的凸出区域侧向地突伸超出电极薄膜单元，并且设计用于被冷却气体绕流。

燃料电池系统现在大多通过外部冷却机组冷却。这种冷却机组减小了燃料电池系统的总效率。在所述的燃料电池中延长双极板的侧面，从而双极板从实际的堆叠凸出。修改的双极板因此用作为冷却鳍件(kühlfinne)。

通过双极板作为气体输送板和冷却鳍件的双重功能，可以放弃外部冷却机组。因此省去了外部冷却机组。总效率被提高。因此此外，例如在存在燃料电池的车辆上可提供更多的结构空间，因为可以放弃冷却机组。

根据至少一个实施方式，双极板在凸出区域中具有多个冷却结构。例如通过冷却鳍件、通过凹口和/或通过波浪形成冷却结构。术语波浪尤其意味着，双极板的基体在凸出区域中变形，并且在凸出区域中例如类似于波浪板地成型。

根据至少一个实施方式，在俯视图中，沿电极薄膜单元的堆叠方向观察，凸出区域的面积是电极薄膜单元的平面面积的至少5％或至少10％或至少20％。备选或附加地，凸出区域的面积是电极薄膜单元的平面面积的最高100％或最高70％或最高50％。

根据至少一个实施方式，燃料电池包括多个双极板，其分别布置在相邻的电极薄膜单元之间。

根据至少一个实施方式，双极板沿电极薄膜单元的堆叠方向在横截面中垂直于电极薄膜单元地尤其交替地不同远度地突伸超出电极薄膜单元。换言之，双极板不同远度地、例如交替突伸超出电极薄膜单元。双极板超过电极薄膜单元的凸出也可以沿堆叠方向首先增大，并且随后又减小，从而产生三角形的或梯形的尤其是在堆叠的中间具有最大凸出的轮廓。由此可以实现在相邻的凸出区域之间的间距增大。因此可以调节冷却气体在凸出区域周围的流动特性，由此可以改进冷却特性。

根据至少一个实施方式，一个双极板或多个双极板包括一个或多个以下材料或由一个或多个以下材料构成，即：不锈钢、石墨、铝、钛、石墨-化合物-热塑性塑料。

石墨-化合物-热塑性塑料是热塑性的合成材料、如聚丙烯，其具有石墨的较高的重量份额。石墨重量份额例如是至少70％或至少80％或至少90％。石墨-化合物-热塑性塑料作为用于至少一个双极板的材料是特别优选的。

根据至少一个实施方式，至少一个双极板在凸出区域中或总厚度是至少1mm，和/或最多10mm或5mm。

根据至少一个实施方式，燃料电池设计用于干燥运行。也就是说，在常规的使用中，燃料电池不与液体接触。因此，氧气和氢气为了在燃料电池中获得电力通过气体被输送。此外，在不使用冷却液体的情况下进行冷却，而是仅通过气体或散热进行冷却。

此外提供一种用于这种燃料电池的运行方法。运行方法的特征也对于燃料电池是公开的，反之亦然。

在运行方法的至少一个实施方式中，至少一个双极板的凸出区域被气体冷却、尤其被空气冷却。也就是说，冷却气体是空气。空气可以涡流地和/或流线形地在至少一个凸出区域上方被引导经过。

根据至少一个实施方式，燃料电池安装在车辆中。车辆例如是列车、如区域列车，其也被称为市郊列车。

根据至少一个实施方式，燃料电池的常规的最大功率是至少50kw或至少100kw或至少150kw。备选或附加地，燃料电池的最大功率是最高1mw或最高500kw或最高300kw。最大功率涉及燃料电池的电功率输出。

根据至少一个实施方式，暂时地或持续地通过行车风冷却燃料电池。也就是说，通过车辆的行驶速度产生行车风，并且行车风绕流燃料电池，用于对其进行冷却，或者提供流动压力，从而燃料电池被绕流。

附图说明

以下参考附图根据实施例详细阐述所述的燃料电池和所述的运行方法。在不同附图中的相同的附图标记在此分别表示相同的或相同作用的元件。然而在此，没有示出按比例的关系，相反地，为了更好地理解可以过大地示出各个元件。在附图中：

图1、2和8示出所述的燃料电池的实施例的截面示意图；

图3和4示出针对所述的燃料电池的双极板的实施例的截面示意图；

图5示出针对所述的燃料电池的双极板的实施例的侧视示意图；

图6示出针对所述的燃料电池的双极板的实施例的端侧示意性视图；

图7示出针对列车中燃料电池的实施例的所述的运行方法的截面示意图；

图9示出针对所述的燃料电池的电接头的俯视示意图；

图10示出针对所述的燃料电池的电接头的侧视示意图；和

图11示出针对所述的燃料电池的双极板的实施例的侧视示意图。

具体实施方式

图1示出一种燃料电池1的实施例。在电接头6之间存在多个电极薄膜单元2。优选地，分别通过气体扩散层5形成电极薄膜单元2的电极。例如存在至少15个和/或最多10个电极薄膜单元2。

在相邻的电极薄膜单元2之间分别存在电极板3。通过电极板3实现电极薄膜单元2的串联电路，以及向电极薄膜单元供应针对氧气和氢气的反应气体。气体供应在附图中为了图示的简化没有被画出。双极板3和电极薄膜单元2一起形成堆叠，也被称为堆栈。例如，双极板3由石墨-化合物-热塑性塑料构成并且例如具有大约3mm的厚度。

双极板3突伸超出燃料电池2的其他部件。由此，双极板3用作为散热器和冷却鳍件。因此能够通过双极板3实现对燃料电池的有效的冷却。

在电接头6上实现在燃料电池1中产生的电流的引出，电接头是堆叠的端部部分。分别可以通过双极板3或通过修改的双极板3形成接头6。此外，可以通过接头6相应向下一电极薄膜单元供应反应气体，这没有示出。

双极板3的分别突伸超出燃料电池1的其余部件的凸出区域31例如具有电极薄膜单元2的基本平面的大约25％的面积。

在图2的实施例中示出，电接头6和双极板3一样可以设计为冷却体，冷却体突伸超出燃料电池1的其余部件。如也在图1中那样，可以通过双极板3或通过修改的双极板3形成接头6。接头6的凸出区域31可以与双极板3的凸出区域一样大。与图2中的图示不同地，接头6和双极板3的凸出区域31也可以设计为不一样大。

在图3中示出双极板3的截面图，其中，剖切方向平行于电极薄膜单元2地延伸。根据图3，在突伸超出基体33的凸出区域31中成型有多个冷却结构32。通过凹口形成冷却结构32。因此，双极板3在凸出区域31中局部具有减小的厚度。

与此相对，通过超过基体33的隆起部形成图4中的鳍件。也就是说，基于冷却结构32，双极板3在凸出区域31中局部具有相对于基体33增大的厚度。

在图5的双极板3的侧视图中可看到的是，通过凹口形成冷却结构32。例如借助冲压或切割产生凹口。可能的是，凸出区域31具有和基体33相同的或类似的厚度。

在图6中示出双极板3的另外示例的端侧俯视图。基体33设计为直的、平坦的板。与此相对地，燃料电池1在凸出区域31中具有波浪形的结构。波浪形成冷却结构32，双极板3在凸出区域31中例如通过弯曲、冲压和/或挤压成型为波浪。

在图7中示出车辆7，车辆包括一个或多个燃料电池1。车辆7例如是列车、如区域列车。

可选地，从车辆7的周围环境到燃料电池1可以相应存在冷却气体输送装置8。冷却气体输送装置8例如是冷却通道。备选地可能的是，与在图7中不同地画出的燃料电池1突伸超出车辆7的基体，并且因此直接暴露于环境空气中。

如果车辆7运行，那么其沿行驶方向9运动。基于行车风，例如通过冷却气体输送装置8，借助空气绕流进而冷却燃料电池1。因此，借助双极板3上的凸出区域31能够实现燃料电池1的有效的空气冷却。

因此，冷却气体4通过冷却气体输送装置8流至燃料电池1，通过环境空气形成冷却气体。因此，在车辆7的行驶期间可以确保较高的空气转换和在燃料电池1处的足够的空气绕流。

相对冷却气体输送装置8备选或附加地，也可以存在鼓风机或其他的通风装置，其当车辆7静止时尤其确保对燃料电池1的足够的冷却。另一方面，燃料电池1在车辆7静止期间的功率输出通常明显小于在行驶期间的功率输出，从而也可以可选地完全取消借助鼓风机通过空气流实现的附加冷却。

在图8的实施例中说明的是，双极板3交替地不同远度地突伸超出燃料电池1的其余部件。因此，相邻的凸出区域31相互可以具有更大的间距。由此，利用冷却气体4、例如空气可以实现更有效的绕流。

在图9和10中示出针对电接头6的示例。接头6具有集电器61，集电器优选突伸超出实际的堆叠。此外存在气体端口62，其中，与图9不同地，也可以设置两个气体端口。也可能的是，气体通道从气体端口62到对置的接头6，或者到最远的双极板3形成回路。气体端口62可以沿远离堆叠的方向突伸超出接头6，这没有示出。

在图11中示出凸出区域31的另外的示例。冷却结构32流动优化地布置，并且设计为不一样大的鳍件。冷却结构32可以沿纵向和/或沿横向相对于相应的中间轴线对称地布置。冷却气体4在图11的附图平面中优选从上方流至下方或从下方流至上方，但也可以垂直于附图平面地被引导。

如图11所示的那样，凸出区域31的冷却结构32的布置也可以转移至堆叠中的多个双极板的凸出区域31，从而双极板总体上可以根据图11中的结构布置。

所述的本发明并不局限于根据实施例的描述。相反地，本发明包括每个新的特征和特征的每个组合，这尤其是包含说明书中的特征的每个组合，即使当没有详细在说明书或实施例中说明该特征或组合本身。

附图标记清单

1燃料电池

2电极薄膜单元

3双极板

31凸出区域

32冷却结构

33基体

4冷却气体

5气体扩散层

6电接头

61集电器

62气体端口

7车辆

8冷却气体输送装置

9行驶方向