具有用于均匀分配运行介质的弹性结构的单电池和燃料电池堆的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池装置的燃料电池堆的单电池。在单电池的活性区域中布置有膜电极组件，该膜电极组件配属有至少一个单板，但优选由两个相互连接的单板制成的双极板。单板在此形成有用于将运行介质供应到膜电极组件的活性区域中的流场，该流场本身与在活性区域旁边存在的介质端口在流动力学上连接。上下堆叠且彼此对齐取向的多个介质端口，形成用于运行介质尤其是阴极气体、燃料或冷却剂的主通道。本发明还涉及一种具有上下堆叠的多个单电池的燃料电池堆。


背景技术：

2.燃料电池装置用于将燃料与氧气化学转化成水以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元(mea，即膜电极组件)作为核心部件，该膜电极单元是由质子传导膜和分别布置在该膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的复合物。此外，气体扩散层(gdl)可以在膜电极单元的两侧布置在电极的背离膜的一侧处。在具有联合成燃料电池堆的多个燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其是氢气h2或含氢的气体混合物被供应给阳极，在阳极处在释放电子的情况下进行h2至h
+
的电化学氧化。经由将反应室气密地彼此分开并使其电绝缘的电解质或膜，进行质子h
+
从阳极室到阴极室的传输。在阳极处提供的电子经由电气线路被输入给阴极。氧气或含氧的气体混合物被供应给阴极，从而在接收电子的情况下进行o2至o
2-的还原。同时，在阴极室中，这些氧阴离子与经由膜传输的质子在形成水的情况下发生反应。
3.反应气体借助于双极板被供应给燃料电池的电极。除了反应气体之外，由于在燃料电池反应中产生的热，冷却介质也穿引通过双极板，使得三种不同的介质在非常小的空间内引导通过双极板。
4.在向燃料电池供给以反应物时，这些反应物经由主通道(端口)导引到双极板中，所述双极板应引起反应物到活性区域中的分配，以便借助于流场尽可能均匀地供给电极的整个面。由于在燃料电池堆中堆叠有多个双极板与膜电极单元，因此使用如下密封件，所述密封件纵向通过燃料电池堆密封主通道。此外，必须相对于在冷却介质通道中流动的冷却介质进行良好的密封。
5.为了引起导入到堆中的运行介质的均匀分配，de 10 2017 202 705 a1、de 10 2014 220 682 a1和de 10 2017 211 755 a1提出了在主通道中使用置入元件或插入元件，其改变了在相应主通道的纵向延伸上的可用流动横截面。以这种方式，可以实现运行介质的均匀的压力分配和因此均匀的流动分配。通过使用置入元件或插入元件，双极板可以形成有相同的尺寸，从而增加标准件的数量，这导致成本降低。
6.但备选地存在如下可能性：双极板的介质端口设计有不同的流动横截面，其中，例如将出口主通道的流动横截面选择得大于入口主通道的流动横截面。出口侧的较大的横截面减慢了流动速度并且增加了出口中的压力，这影响了均匀分配。由于单电池的在此产生
的不对称性，需要许多结构空间用于如此形成的燃料电池堆，其中，单电池相对于燃料电池堆的张力也受到必须进行平衡的不对称的力分配。


技术实现要素：

7.本发明的目的是，提供一种单电池和燃料电池堆，其考虑到上述缺点中的至少一个。
8.该目的通过具有权利要求1的特征的单电池和具有权利要求9的特征的燃料电池堆来实现。具有本发明的适宜改进的有利设计方案在从属权利要求中说明。
9.根据本发明的双极板特征尤其在于，关于膜电极组件横向地，存在至少部分覆盖介质端口的流动横截面的板片，该板片由轴向流动通过介质端口的反应介质的力可弹性弯曲或弹性屈服地形成，以改变介质端口的可用流动横截面。以这种方式，借助于沿相关主通道的多个弯曲或翻折的板片，产生均匀分配的优化，所述主通道由单电池的介质端口的对齐堆叠的布置产生。
10.优选的是，为板片提供不同的(尤其是离散的)状态，该板片设定介质端口的可用流动横截面。因此有利的是，板片可根据流动的运行介质作用在其上的力在翻折的构型和无偏转的构型之间进行调整，在所述翻折的构型中存在介质端口的增大的可用流动横截面，在所述无偏转的构型中存在介质端口的相对于增大的可用流动横截面减小的可用流动横截面。
11.为了将燃料电池堆的轴向延展保持得较小，有利的是，单电池的膜电极组件包围在绝缘层中，并且板片形成该绝缘层的一部分。
12.在此提供了如下可能性：绝缘层是围绕膜电极组件的框架和/或围绕膜电极组件的密封层(例如所谓的“子垫片”或rim)。这些构件本来存在于燃料电池中，从而通过附加使用板片来影响主通道或介质端口的可用流动横截面，不必设置另外的组成部分或构件。
13.如果在绝缘层的突出到介质端口的可用流动横截面中的部分中引入至少一个单侧敞开的槽，则能够以简单的方式形成板片。例如，在仅使用唯一的敞开的槽的情况下，可以产生两个突出到介质端口中的半板片。
14.但优选的是，在绝缘层的突出到介质端口的可用流动横截面中的部分中引入彼此平行伸延的单侧敞开的两个槽，因为以这种方式有利于板片由于流动的运行介质的力而“翻折”。
15.为了能够针对性地设定可用流动横截面，已经证明为有利的是，板片包括突出到介质端口的可用流动横截面中的凹形区段。突出到流动横截面中的凸形区段的构造方案也是可能的。也可以使用有利于在堆上均匀分配的其他几何形状。
16.为了增加燃料电池堆中标准件的数量，已经证明为有利的是，单板或双极板的流场与入口侧的介质端口在流动力学上连接并与出口侧的介质端口在流动力学上连接，并且入口侧和出口侧的介质端口形成有相同的尺寸。以这种方式，能够制造高度对称的单电池，其中优选地多个、尤其是所有现有的板片形成有相同的尺寸。
17.结合根据本发明的单电池解释的优点、有利设计方案和作用同样适用于根据本发明的燃料电池堆，其形成有多个这样的单电池，其中介质端口彼此对齐地取向。其特征还在于，经由由介质端口形成的主通道改善运行介质的均匀分配。
18.在此存在如下可能性，即单电池的板片如此设计尺寸，使得第一单电池的板片在由力引起的翻折中支撑在与第一单电池相邻堆叠的单电池的板片处。以这种方式，板片因此相互支撑在彼此处，其中，随着在运行介质的流动方向上与介质接头的间距增加，存在板片的逐渐增加的积累由于板片的这种积累，流动横截面逐渐变窄，这对均匀分配产生积极影响。同时，这样的构型能够通过重叠的板片实现附加的横向密封。
19.上面在描述中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合，不仅能够在相应说明的组合中使用，而且还能够在其他组合中使用或单独使用，而不偏离本发明的范围。因此，如下实施方案也应视为由本发明包括和公开，所述实施方案未在附图中明确示出或解释，但通过所解释的实施方案中的单独的特征组合得知并且可产生。
附图说明
20.本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求、对优选实施方式的以下描述以及依据附图得出。其中：
21.图1示出了具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意图，其中单电池示出了主通道，
22.图2示出了通过图1中的燃料电池堆的活性区域的截面ii-ii的示意性详细示图，
23.图3示出了对单电池中的一个的入口侧的介质端口的示意性详细俯视图，其中箭头表示介质流或介质引导，
24.图4示出了对单电池中的一个的另一入口侧的介质端口的示意性详细俯视图，其中箭头表示介质流或介质引导，
25.图5示出了对单电池中的一个的另一入口侧的介质端口的示意性详细俯视图，其中箭头表示介质流或介质引导，
26.图6示出了对单电池中的一个的另一入口侧的介质端口的示意性详细俯视图，其中箭头表示介质流或介质引导，
27.图7示出了通过主通道的区域中的燃料电池堆的示意性详细截面视图，以及
28.图8示出了通过主通道的区域中的燃料电池堆的另一示意性详细截面视图。
具体实施方式
29.图1中所示的燃料电池堆1由多个串联的燃料电池2组成。燃料电池2中的每个包括阳极和阴极以及将阳极与阴极隔开的能传导质子的膜。两个电极与膜一起形成膜电极组件7(简称：mea)。该膜由离聚物、优选磺化四氟乙烯聚合物(ptfe)或全氟磺酸聚合物(pfsa)形成。备选地，该膜可以形成为磺化烃膜。
30.燃料(例如氢气)经由燃料电池堆1内的阳极室供应到阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(pem燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处分裂成质子和电子。膜允许质子(例如h
+
)通过，但对电子(e-)是不可渗透的。在阳极处在此进行以下反应：2h2→
4h
+
+4e-(氧化/电子释放)。在质子通过膜到达阴极期间，电子经由外部电路传导到阴极或能量存储器处。阴极气体(例如氧气或含氧空气)可以经由燃料电池堆1内的阴极室供应到阴极，从而在阴极侧进行以下反应：o2+4h
+
+4e-→
2h2o(还原/电子接收)。
31.由压缩机压缩的空气经由阴极新鲜气体线路供应到燃料电池堆1。此外，燃料电池
堆1与阴极废气线路连接。在阳极侧，保持在氢气罐中的氢气经由阳极新鲜气体线路供应到燃料电池堆1，以提供对于燃料电池2中的电化学反应所需的反应物。这些气体被转移到双极板3，所述双极板具有来自介质端口的主通道4，用于将气体分配到膜和导出部处。此外，双极板具有来自介质端口的主冷却剂通道5，用于冷却剂通道6中的冷却剂的通过导引，使得三种不同的介质在非常小的空间中被引导。图1中还示出了具有双极板3的形成燃料电池堆1的多个燃料电池2的分别成对组合的主通道4,5。膜电极组件7与其相关的双级板3一起形成燃料电池堆1的单电池。
32.在图2中示出了燃料电池堆1沿图1中的截面ii-ii的细节截段。该截面穿过燃料电池堆1的活性区域13伸延。双极板3的活性区域13在此本身当然不是电化学活性的，但它与燃料电池2的这样的组成部分相邻地布置，在其中进行电化学燃料电池反应，即在膜电极组件7处或在膜电极组件上。可以看出，双极板3在该活性区域13中在其彼此背向的表面上具有反应物流场，所述反应物流场相对而置地布置，并且因此构造相对而置的构造。反应物流场分布具有由桥接部10的壁11界定的用于相应反应介质的多个流动通道9。单板8中的一个的桥接部10和流动通道9在该活性区域13中因此设计成与单板8中的另一个的桥接部10和流动通道9相对而置地伸延。以这样的方式，形成单板8之间延伸的冷却剂流场的冷却剂通道6。
33.需要将运行介质尽可能均匀分配地导入到双极板3的活性区域13中，因此已知在形成主通道的介质端口4,5和活性区域13之间引入分配区域14，其具有包括通道的分配器场。为此，通道具有用于引导运行介质的合适的分支。在活性区域3的下游，即在相应流场的下游，介质部分流再次被收集在收集区域18中，并且经由出口侧的介质端口4,5导出。
34.为了越过主通道实现运行介质的均匀流动，(至少入口侧的)介质端口4,5设置使用至少一个板片12。该板片关于膜电极组件7横向或侧向地布置，并且至少部分地覆盖介质端口4,5的可用流动横截面。板片12由轴向流动通过介质端口4,5的反应介质的力可弹性地弯曲或弹性地屈服，以改变介质端口4,5的可用流动横截面。
35.在图3至图6中可以得知图1中的燃料电池堆1的左上方所示的介质端口4的详细视图。在此，膜电极组件7处于绝缘位置，在当前情况下被包围在框架16中，其中，板片12形成框架16的一部分。板片也可以是密封结构的一部分(“子垫片”/rim)。
36.在根据图3的设计方案中，在框架内，在突出到介质端口4,5的可用流动横截面中的部分中引入两个彼此平行伸延的、单侧敞开的槽15。通过这两个槽15形成板片12，该板片可弹性地弯曲、尤其是可翻折进入到纸平面中或从纸平面中出来。可以看出，板片12设有凹形区段17，该凹形区段突出到介质端口4,5的可用流动横截面中，并且用于制造期望的流动阻力。用于制造其他期望的流动阻力的其他造型也是可能的。
37.在根据图4的设计方案中，存在刚好一个槽15，其当前关于介质端口中间居中地取向，从而在左侧和右侧形成两个较小的(子)板片12。在此也示出了如下可能性，即两个板片12设有凹形区段17，该凹形区段突出到介质端口4,5的可用流动横截面中。根据图5的板片12的设计方案对应于根据图4的板片12的设计方案，其中区别在于，在图中上部的板片12不具有凹形区段17。而是，它设有更确切地说凸形的造型。
38.图6中示出了板片12的一种设计方案，其(如在根据图3的设计方案中所示)由两个侧向槽15以及(如在根据图4的设计中所示)由一个中心槽15形成。在此，在两个板片12处也
存在凹形区段17。
39.根据当前的边界条件，可以有针对性地改变和设定板片12相对于无板片的、截取的介质端口4,5的覆盖的份额，以便针对相应的燃料电池堆1优化均匀分配。板片12的尺寸和造型在此有针对性地适配于框架(mea的框架)的绝缘和机械性能的材料厚度。
40.在根据图7的通过燃料电池堆1(其由多个这样的上下堆叠的单电池形成)的详细截面视图中可以得知，介质端口4,5对齐地取向以形成主通道。在此，在图中未流动的状态下，板片12水平地突出到由介质端口4,5形成的主通道中。如果运行介质流过板片12，则这些板片弹性地弯曲，这由虚线画出的图示说明。优选的是，板片12可根据流动的运行介质的作用在其上的力在翻折的构型和无偏转的构型之间进行调整，在所述翻折的构型中存在介质端口4,5的增大的可用流动横截面，在所述无偏转的构型中存在介质端口4,5的相对于增大的可用流动横截面减小的可用流动横截面。
41.根据图8的截面视图示出，单电池的板片12在此如此设计尺寸，使得第一单电池的板片12在由力引起的翻折中支撑在与第一单电池相邻堆叠的单电池的板片12处。以这种方式，板片12因此相互支撑在彼此处，其中，随着在运行介质的流动方向上与介质接头的间距增加，存在板片12的逐渐增加的积累。由于板片12的这种积累，主通道的可用流动横截面逐渐变窄，这有利于流动的运行介质的均匀分配。同时，这样的构型能够通过重叠的板片12实现附加的横向密封。当前，板片12具有相同的尺寸。还可以设想板片12的有针对性的、在堆上可变的尺寸。
42.因此，利用本发明已经在主通道中提供了介质流的均匀分配，从而在整个双极板3上、在整个单电池上和因此在整个燃料电池堆1上存在改善的介质分配。
43.附图标记列表
44.1 燃料电池堆
45.2 燃料电池
46.3 双极板
47.4 用于反应物的主通道/介质端口
48.5 用于冷却介质的主冷却剂通道/介质端口
49.6 冷却剂通道
50.7 膜电极组件(mea)
51.8 单板
52.9 流动通道
53.10 桥接部
54.11 壁
55.12 板片
56.13 活性区域
57.14 分配区域
58.15 槽
59.16 框架
60.17 凹形区段(板片)
61.18 收集区域
62.19 端板。