[發明專利]包括可變雙極板的燃料電池堆

在審

• 申請號: 202080032026.8
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN113767489A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: A·吉拉尼;S·庫馬爾;R·P·布拉迪恩;S·福格特
• 申請（專利權）人: 奧迪股份公司
• 主分類號: H01M8/0267
• 分類號: H01M8/0267;H01M8/026;H01M8/0239;H01M8/0265;H01M8/2457
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 孫云漢;劉春元

本發明描述了一種燃料電池堆，該燃料電池堆具有膜電極裝置和用于給這些膜電極裝置供應工作介質和冷卻劑的雙極板（12），其中第一雙極板（12.1）具有流動通路（35、45、52），這些流動通路的通路深度（TA、TK、TC）不同于第二雙極板（12.2）的相對應的流動通路（35、45、52）的通路深度。本發明還涉及一種具有燃料電池系統的車輛，該燃料電池系統具有這種燃料電池堆。

背景技術

燃料電池利用了將燃料與氧氣化學轉化成水來產生電能。為此，燃料電池包含所謂的膜電極裝置（MEA，針對membrane electrode assembly）作為核心部件，所述膜電極單元是由傳導離子的（大多是傳導氫離子的）膜和分別布置在該膜兩側的催化電極（陽極和陰極）構成的結構。后者大多包括被支承的貴金屬、尤其是鉑。此外，在膜電極裝置兩側的氣體擴散層（GDL）可以布置在電極的背離該膜的側面上。燃料電池通常通過多個布置成堆（stack）的MEA形成，所述MEA的電壓相加。在各個膜電極裝置之間通常布置有雙極板（也稱作流場板或隔膜板），這些雙極板保證了給單電池供應工作介質、即反應物，而且通常也用于冷卻。這些雙極板還引起與這些膜電極裝置的導電接觸。

在燃料電池運行時，燃料（陽極工作介質）、尤其是氫氣H₂或者含氫的氣體混合物通過雙極板的在陽極側敞開的流場被輸送給陽極，在所述陽極，在釋放電子的情況下從H₂電化學氧化成氫離子H⁺（H₂ → 2 H⁺ + 2 e^–）。通過電解質或者使反應區氣密地彼此隔離并且電絕緣的膜，（水結地或者無水地）將氫離子從陽極區運輸到陰極區。在陽極上提供的電子通過電線被引向陰極。氧氣或含氧的氣體混合物（例如空氣）作為陰極工作介質通過雙極板的在陰極側敞開的流場被輸送給陰極，使得在吸收電子的情況下從O₂還原成O^2-（? O₂ +2 e^– → O^2-）。同時，氧離子在陰極區中在形成水的情況下與被運輸經過所述膜的氫離子發生反應（O^2- + 2 H⁺ →H₂O）。

通過主供應通道給燃料電池堆供應它的工作介質，即陽極工作氣體（例如氫氣）、陰極工作氣體（例如空氣）和冷卻劑，所述主供應通道沿堆的整個堆疊方向穿過所述堆，并且工作介質由所述主供應通道經過雙極板被輸送給單電池。對于每種工作介質來說，存在至少兩個這種主供應通道，即一個用于輸送相應的工作介質的主供應通道和一個用于排出相應的工作介質的主供應通道。

通常，雙極板由兩個彼此連接的半板組成，所述兩個彼此連接的半板分別在兩側結構化。在彼此背離的側面需要用于輸送工作介質的結構化部并且在朝向彼此的側面需要用于輸送冷卻劑的結構化部。在此，這些半板必須分別彼此協調，因為必須借助于兩個半板來提供三個單獨的輸送路線。這導致其它邊界條件，所述其它邊界條件降低了雙極板的設計的靈活性。在典型的實施方案中，已知的雙極板的半板壓型地來形成，其中型材彼此嚙合或嵌套。

由于陰極側的反應而形成水作為反應產物，必須將水從燃料電池中除去。還必須將反應熱量有效地散發出，以便避免燃料電池的過熱。已經發現：在燃料電池堆的情況下，在控制生熱以及排水方面都存在困難。

發明內容

因此，本發明的任務在于：消除現有技術中所描述的燃料電池的問題，尤其是改善對散熱以及排水的控制。

該任務通過具有獨立權利要求的特征的一種雙極板、一種燃料電池堆以及一種具有這種燃料電池堆的車輛來被解決。