具有至少一个活性表面层的燃料电池 |
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| 申请号 | CN201380065708.9 | 申请日 | 2013-12-06 | 公开(公告)号 | CN104871353B | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 宝马股份公司; | 发明人 | M·鲍尔; A·布赫纳; S·哈斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种包括 阳极 － 阴极 堆的 燃料 电池 ，该阳极－阴极堆具有至少一个活性表 面层 ，该表面层设有第一通道结构，该第一通道结构包括用于在表面层上沿第一方向引导第一 流体 的多个第一通道，该表面层设有第二通道结构，该第二通道结构包括用于在表面层上沿第二方向引导第二流体的多个第二通道，其中，第二方向大致横向于第一方向延伸，该表面层设有用于将第一流体导入所述多个第一通道中的第一导入结构并且该表面层设有用于将第二流体导入所述多个第二通道中的第二导入结构。根据本发明，所述第一导入结构和第二导入结构二者都设置在表面层的一个第一边缘上，并且第一导入结构附加地具有一个用于将第一流体导向表面层的与第一边缘横向定向的第二边缘的边缘通道。 | ||||||
| 权利要求 | 1.包括阳极－阴极堆的燃料电池(74)，该阳极－阴极堆具有至少一个活性表面层(76)， |
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| 说明书全文 | 具有至少一个活性表面层的燃料电池技术领域背景技术[0002] 本发明类型的燃料电池尤其是构造为聚合物电解质燃料电池(PEFC)、具有阳极－阴极堆(双极板堆)的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，该阳极－阴极堆具有多个活性表面层。每个表面层设有一个阳极和一个阴极，它们通过膜分开。为了在膜中可发生质子传输，必须向表面层中供应氢(气体形式)和氧气(空气形式)以及可能需要的冷却剂(液态水形式)作为反应流体。 [0003] 为此，每个表面层设有用于在表面层上引导第一流体的第一通道结构和用于将第一反应流体导入第一通道结构中的第一导入结构。另外在表面层上设有用于在表面层上引导第二流体的第二通道结构和用于将第二流体导入第二通道结构中的第二导入结构。各通道结构分别设有多个并排的通道，这些通道以这种方式在表面层的整个面上延伸。导入结构位于表面层的边缘上并且用于将相应流体尽可能均匀地导入多个相配的通道中。导入结构可作为所谓的内部歧管集成在构成导入结构的板中。作为替换方案，导入结构可构造为所谓的外部歧管。在该方案中，导入结构作为独立的构件在外部连接到阳极－阴极堆上。 [0004] 出于成本和重量的原因，这类外部歧管可能是优选的。然而在密封外部歧管和阳极－阴极堆之间产生的接缝方面，这种方案并非没有问题。尤其是在为导入第一和第二流体而应使用彼此横向延伸的通道结构、即所谓的交叉流动区(Cross-Flow-Field)时是这种情况。因为对于这种结构需要在在此矩形的表面层的三至四个边缘上设置歧管。 发明内容[0005] 根据本发明提供一种包括阳极－阴极堆的燃料电池，该阳极－阴极堆具有至少一个活性表面层，该活性表面层设有第一通道结构，该第一通道结构包括用于在活性表面层上沿第一方向引导第一流体的多个第一通道，该活性表面层设有第二通道结构，该第二通道结构包括用于在活性表面层上沿第二方向引导第二流体的多个第二通道，其中，第二方向大致横向于第一方向延伸，该活性表面层设有用于将第一流体导入所述多个第一通道中的第一导入结构并且该活性表面层设有用于将第二流体导入所述多个第二通道中的第二导入结构；根据本发明，所述第一导入结构和第二导入结构二者都设置在活性表面层的一个第一边缘上并且第一导入结构附加地具有一个用于将第一流体导向活性表面层的一个与第一边缘成横向定向的第二边缘的边缘通道，用于导入第一流体的边缘通道仅沿第二边缘的一部分延伸，第一通道在相配的活性表面层中构造成S形延伸的，并且在活性表面层的与第二边缘相对置的第三边缘上，用于将第一流体从所述多个第一通道排出的另一边缘通道仅沿整个第三边缘的一部分延伸。 [0006] 借助根据本发明的方案只需两个外部歧管即可实现交叉流动区。根据本发明的解决方案的成本和复杂度相应地相对低。 [0007] 为此，根据本发明在相应表面层的一个边缘上导入两种流体并且随后借助一个横向于该第一边缘的边缘通道沿表面层的一个第二边缘引导其中一种流体。根据本发明第一流体向表面层的第二边缘的这种侧向转向优选以反应气体氢气来实施。氢气具有较低的粘度，因而在小的结构空间内也可以转向。在此，对于边缘通道可利用本来就存在于表面层上的、位于密封装置下的结构空间。另外可节省在堆的其它边缘上的用于否则必需的歧管的结构空间。因此，根据本发明的阳极－阴极堆的总体积与传统的堆相比可更小。另外，在本发明的解决方案中上述密封问题也特别小。 [0008] 在根据本发明的这种燃料电池的一种有利方案中，表面层构造成矩形的，于是第一边缘是该矩形形状的第一长边并且第二边缘是矩形形状的与第一长边相邻的第二长边。 [0009] 用于导入第一流体的边缘通道优选沿表面层的整个第二边缘延伸。借助这样长的边缘通道，第一流体可在整个第二边缘上转向到相配通道结构的在第二边缘上开始的通道中。 [0010] 在此，也优选在表面层的与第二边缘相对置的第三边缘上，沿表面层的整个第三边缘构造有用于将第一流体从所述多个通道排出的另一边缘通道。通过这种方式形成Z形形状，其中，第一流体在阳极－阴极堆的一侧上被导入，然后横向于之前的方向穿过堆并且随后在另一侧上再次横向于之前的方向被排出。 [0011] 作为替换方案，用于导入第一流体的边缘通道仅沿第二边缘的一部分延伸，第一通道在相配的表面层中构造成S形延伸的，并且在表面层的与第二边缘相对置的第三边缘上，用于将第一流体从所述多个第一通道排出的另一边缘通道仅沿整个第三边缘的一部分延伸。借助该结构形状可特别高效地利用可用的结构空间。 [0012] 在根据本发明的燃料电池中，第二导入结构优选设有垂直于表面层延伸的用于供应第二流体的第二供应通道，该第二供应通道在第一边缘上设置在该第一边缘的远离第二边缘的角部区域中。在此，优选为空气的第二流体尤其是倾斜于第一和第二方向或S形地在表面层上被引导。在S形的通道导向时，第二流体首先沿第一方向、然后沿第二方向并且接着再次沿第一方向在表面层上被引导。 [0013] 第一导入结构优选设有垂直于表面层延伸的用于供应第一流体的第一供应通道，该第一供应通道在第一边缘上设置在该第一边缘的至第二边缘的角部区域中。第一流体的导入装置和排出装置因此优选设置在阳极－阴极堆的两个在一条直径上对置的角部上，所述两个角部便尤其是位于第三流体的位于第一边缘中间的导入装置或排出装置侧旁，这在下面还将详细说明。 [0014] 另外，在根据本发明的燃料电池中优选设置第三通道结构，该第三通道结构设有用于在表面层上沿第三方向引导第三流体的多个第三通道，并且设有用于将第三流体导入所述多个第三通道的第三导入结构。在此，第三导入结构也设置在第一边缘上。借助这种第三通道结构可尤其是倾斜于第一和第二方向或S形地在表面层上引导优选为冷却剂的第三流体。在S形的通道导向时，第三流体首先沿第一方向、然后沿第二方向并且接着再次沿第一方向在表面层上被引导。 [0015] 在此，第三导入结构优选设有垂直于表面层延伸的用于供应第三流体的第三供应通道，该第三供应通道在第一边缘上设置在该第一边缘的中间区域中。第三供应通道位于第三边缘上、即尤其是位于第一和第二供应通道之间。通过这种方式，第三流体可居中地被导入第三通道中，所述第三通道在此尤其是彼此平行并排地在表面层上延伸。 [0017] 下面参考示意性的附图详细说明根据本发明的解决方案的实施例。附图如下： [0018] 图1示出根据现有技术的燃料电池的阳极－阴极堆的表面层的透视性剖视图； [0019] 图2示出根据现有技术的表面层上的第一通道结构的俯视图； [0020] 图3示出根据现有技术的表面层上的第二通道结构和第三通道结构的俯视图； [0021] 图4示出根据本发明第一种实施例的、具有相配的第一导入结构和相配的边缘通道的表面层上的第一通道结构的俯视图； [0022] 图5示出根据本发明第二种实施例的、根据图4的俯视图； [0023] 图6示出根据图4的第一种实施例的、具有相配的第二和第三导入结构的表面层上的第二通道结构和第三通道结构的俯视图； [0024] 图7示出根据图5的第二种实施例的、根据图6的俯视图。 具体实施方式[0025] 图1示出根据现有技术的、用于汽车、尤其是混合动力车的燃料电池的未进一步示出的阳极－阴极堆的表面层10。该表面层10在上下叠置的层中包括作为“膜电极组件”的下膜12、下气体扩散层14、下双极板16、上双极板18、上气体扩散层20和上膜22。在此，膜12和22以及气体扩散层14和20在活性表面上延伸，在该活性表面之内双极板16和18构成分别具有多个通道26的通道结构24。在这些通道结构24上游设有导入结构28，所述导入结构也借助双极板16和18形成。导入结构28用于将总共三种流体、即气态氢30(H2)、空气32以及液态冷却剂34分布到通道结构24中。 [0026] 在如此分布流体30、32和34时存在下述问题：这三种流体30、32和34应从不同侧面被导入通道结构24中，以便在至少两个彼此横向定向的方向36和38上穿流作为所谓的交叉流动区的通道结构24(参见图2和3)。相应地必须为根据现有技术的导入结构28在相配的、在此具有矩形表面层10的(在这里未详细进一步示出的)阳极－阴极堆上在一个边缘40上连接用于导入流体30的歧管42并且将其密封在那里。另外，必须在一个与边缘40横向定向的边缘44上连接用于将流体32以及流体34导向相应表面层10的歧管46并且将其密封在那里。为了排出流体30或32和34，必须分别在相对置的边缘48上设置歧管50或在边缘52上设置歧管54。因此总共要设置及密封至少四个歧管42、46、50和54。然后在歧管42中设有用于氢气的供应通道56，该供应通道垂直于表面层10延伸并且氢气从该供应通道被导入由一个通道结构60形成的通道58中。通道58在此沿方向36延伸。类似地，在歧管46中延伸一个通向一个通道结构66之通道64的用于空气的供应通道62以及一个通向一个通道结构72之通道70的用于冷却剂的供应通道68。通道结构66和72在此相互交错地延伸，因此通道64和70沿方向38彼此平行并且因此横向于方向36延伸。 [0027] 在图4至图7中示出根据本发明的燃料电池74，这些燃料电池在其相应的表面层76上仅具有两个相配的歧管78和80。歧管78在此不仅用于将氢气而且也用于将空气和冷却剂导入表面层76中。歧管80用于从相应表面层76排出这三种介质。歧管78关于附图位于在此为矩形的表面层76的下边缘82上并且在那里在该边缘的整个纵向长度上延伸。歧管80相对置地位于上边缘84上。歧管76是用于氢气的导入结构86的组成部分，该导入结构还设有垂直地横贯表面层76的供应通道88以及设有边缘通道90。边缘通道90在横向于边缘82和84延伸的参照附图在左侧的边缘92上延伸并且通入多个通道94中。借助这些通道94，如此被导入的氢气均匀分布到表面层76上。这些通道94在此通入一个边缘通道96中，这个边缘通道在表面层76的与边缘92相对置的边缘98上沿该边缘的整个长度构造。使用过的氢气从边缘通道96流出到构造在歧管80上的排出通道100中。导入结构86因此首先使氢气垂直于表面层76穿过供应通道88，然后沿方向38穿过边缘通道90、接着沿方向36穿过通道94，然后再次沿方向38穿过边缘通道96并且最后垂直于表面层76地通过排出通道100排出。 [0028] 在图5中示出这样的燃料电池74的一种实施例，在其中边缘通道90仅在边缘92的整个长度的一部分102上延伸并且边缘通道96仅在边缘98的整个长度的一部分104上延伸。在此，通道94首先沿方向36、然后沿方向38、接着逆着方向36、然后再次沿方向38并且随后再次沿方向36这样导向，以致氢气总体上S形地在表面层76上被引导。 [0029] 相配的、连接在边缘通道90或边缘通道96上的供应通道86和排出通道100在此分别在歧管78的参照图4和5在左侧的角部区域106和在歧管80的右侧的角部区域108中延伸。 [0030] 在图6和7中示出在图4和5的燃料电池74的这两种实施方式中可以如何设计相配的、用于供应和排出空气及冷却剂的结构。在此，在歧管78中也设有用于空气的导入结构110连同其供应通道112。供应通道112通入多个通道114中，借助这些通道将空气分布于表面层76上并且随后导入歧管80中的排出通道116中。在此参照图6和7，供应通道112位于歧管78的右侧的角部区域118中并且排出通道116位于歧管80的左侧的角部区域120中。 [0031] 另外，在根据图4和5的带有歧管78的实施方式中设有一部分用于冷却剂的导入结构122，在其中用于冷却剂的供应通道124通入通道126中，这些通道分别平行地在通道114旁延伸。借助通道126便将冷却剂在表面层76上分布地导入设置在歧管80中的排出通道128中。用于冷却剂的供应通道124和用于冷却剂的排出通道128在此分别在歧管78和80的中间区域130和132中延伸。 [0032] 图7在此示出一种实施方案，在其中空气或冷却剂借助通道114和通道126额外S形地首先沿方向38、然后逆着方向36并且随后再次沿方向38被引导。借助这种转向，在各个通道114或126中形成的流动行程的长度可在很大程度上保持同样长并且因此流动阻力可在很大程度上保持同样大。 [0033] 附图标记列表 [0034] 10 燃料电池的表面层 [0035] 12 下膜 [0036] 14 下气体扩散层 [0037] 16 根据现有技术的下双极板 [0038] 18 根据现有技术的上双极板 [0039] 20 上气体扩散层 [0040] 22 上膜 [0041] 24 通道结构 [0042] 26 通道 [0043] 28 根据现有技术的导入结构 [0044] 30 作为第一流体的氢气 [0045] 32 作为第二流体的空气 [0046] 34 作为第三流体的冷却剂 [0047] 36 氢气在表面层上的流动方向 [0048] 38 空气和冷却剂在表面层上的流动方向 [0049] 40 边缘 [0050] 42 歧管 [0051] 44 边缘 [0052] 46 歧管 [0053] 48 边缘 [0054] 50 歧管 [0055] 52 边缘 [0056] 54 歧管 [0057] 56 用于氢气的供应通道 [0058] 58 用于氢气的通道 [0059] 60 用于氢气的通道结构 [0060] 62 用于空气的供应通道 [0061] 64 用于空气的通道 [0062] 66 用于空气的通道结构 [0063] 68 用于冷却剂的供应通道 [0064] 70 用于冷却剂的通道 [0065] 72 用于冷却剂的通道结构 [0066] 74 根据本发明的燃料电池 [0067] 76 表面层 [0068] 78 歧管 [0069] 80 歧管 [0070] 82 边缘 [0071] 84 边缘 [0072] 86 用于氢气的导入结构 [0073] 88 用于氢气的供应通道 [0074] 90 边缘通道 [0075] 92 边缘 [0076] 94 用于氢气的通道 [0077] 96 边缘通道 [0078] 98 边缘 [0079] 100 用于氢气的排出通道 [0080] 102 边缘的一部分 [0081] 104 边缘的一部分 [0082] 106 角部区域 [0083] 108 角部区域 [0084] 110 用于空气的导入结构 [0085] 112 用于空气的供应通道 [0086] 114 用于空气的通道 [0087] 116 用于空气的排出通道 [0088] 118 角部区域 [0089] 120 角部区域 [0090] 122 用于冷却剂的导入结构 [0091] 124 用于冷却剂的供应通道 [0092] 126 用于冷却剂的通道 [0093] 128 用于冷却剂的排出通道 [0094] 130 中间区域 [0095] 132 中间区域 |
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