[发明专利]用于燃料电池的双极板以及具有该双极板的燃料电池组

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池或者燃料电池组的双极板。本发明还涉及一种具有这种双极板的燃料电池或者燃料电池组。此外，本发明还涉及一种交通工具或者燃料电池系统，它具有这种燃料电池或者这种燃料电池组。

背景技术

燃料电池利用燃料的化学变化将氧气变为水，以便产生电能。为此，燃料电池包括作为部件的所谓的膜电极装置(membraneelectrodeassembly,简写为MEA)，它具有由离子传导(多数为质子传导)的膜和分别安置在膜两侧上的催化电极(阳极和阴极)构成的组织结构。后者包括多数被承载的贵金属，尤其铂。此外，能够在膜电极装置的两侧上在电极的背向膜的一侧上安置气体扩散层(GDL)。通常燃料电池通过多个堆叠安置(stack)的MEA构成，它们的电功率相加。在单个膜电极装置之间，通常安置双极板(也称为流量场板或者分选板)，它确保向单个电池供应工作介质、即反应物，并且通常还用于冷却。此外，双极板负责与膜电极装置的导电接触。

在燃料电池工作时，燃料(阳极气体、阳极工作介质)、尤其氢气H₂或者含氢的混合气通过双极板的阳极侧开口的流量场(Flussfeld)被输送给阳极，在此在产生电子的情况下进行电化学氧化从H₂到质子H⁺(H₂→2H⁺+2e^-)。通过电解质或者膜(它将反应空间气密地相互隔离和电绝缘)将质子从阳极空间传输到阴极空间中。在阳极上提供的电子通过外部的电路被导向阴极，在该外部电路中连接有电气消耗器或者能量存储器。阴极通过双极板的阴极侧开口的流量场输送作为阴极工作介质(阴极气体)的氧气或者含氧的混合气(例如空气)，从而在接收电子的情况下进行反应从O₂变为O^2-(1/2O₂+2e^-→O^2-)。同时，在阴极空间中氧离子与通过膜传送的质子反应生成水(O^2-+2H⁺→H₂O)。

双极板在不同的结构方式中已知。原则上，在设计双极板时目的是降低重量、降低结构空间、降低成本以及提高功率密度。这种标准尤其对于燃料电池在汽车领域中的使用是重要的，例如用于车辆的电动驱动。

双极板由导电的材料制成，因为通过它实现单个电池的相互和对外的电气连接。通常双极板由金属材料制成、如钢和类似材料。但是也已知这样的双极板，它由以碳元素为基础的导电材料制成，尤其是石墨和石墨复合材料。碳基础的材料(也称为碳素材料)具有一些有利的特性，尤其是较低的密度，因此它特别适用于汽车领域。但是缺点是，碳素材料由于机械原因相对于金属的双极板要求较高的壁厚，这还使得不能满足降低结构空间的目的。通常，碳-双极板的壁厚在0.2至0.25mm的区域内，相反地在金属的双极板中壁厚只有0.1mm。原则上，至今为止使用的碳-双极板由于较大的壁厚而具有与金属双极板不同的设计。

金属的双极板通常由两个相互焊接的型材的半板(所谓的阴极板和阳极板)制成，在这些半板中用于工作介质(阳极气体、阴极气体和冷却剂)所需的流量场通过在两个半板中的合适的型材构成。在此，在阳极侧上设有阳极流量场并且在阴极侧上设有阴极流量场，相对地在内部的冷却剂流量场设在两个板之间。在流量场外部，双极板具有设计为通孔的供应口，其中，设有至少两个阳极通气口用于输入或输出阳极气体，设有至少两个阴极通气口用于输入或输出阴极气体，并且设有至少两个冷却剂口用于输入或输出冷却剂。在堆积的状态下，这些供应口相互对齐并且构成多个工作介质主通道，在燃料电池组的整个长度上贯穿燃料电池组。从双极板的供应口开始相应的阳极-、阴极-和冷却剂分配通道在双极板的全部宽度上分配工作介质，以便把工作介质输送给催化电极(阳极和阴极)。问题是，在这些分配区域中不同的通道在相对较小的面积上相交。这会导致，双极板的整体厚度增加并且由此燃料电池组的结构空间要求也随之增加。

根据上述说明的双极板的示例在US 2006/0127706 A1和DE 102007 008 214 A1中公开。在此，供应口分别被安置在双极板的两个相互对置的窄侧上，其中，冷却剂口相应地基本上定位在阳极通气口和阴极通气口之间。金属双极板的另外的设计方案在DE 10 2013 210 542 A1中公开。为了相互均衡阳极气体分配通道的通道长度，在此在阴极通气口和冷却剂口之间安置阳极通气口。