本發(fā)明涉及一種用于燃料電池或者燃料電池組的雙極板。本發(fā)明還涉及一種具有這種雙極板的燃料電池或者燃料電池組。此外，本發(fā)明還涉及一種交通工具或者燃料電池系統(tǒng)，它具有這種燃料電池或者這種燃料電池組。

背景技術(shù)：

燃料電池利用燃料的化學變化將氧氣變?yōu)樗?，以便產(chǎn)生電能。為此，燃料電池包括作為部件的所謂的膜電極裝置(membraneelectrodeassembly,簡寫為mea)，它具有由離子傳導(多數(shù)為質(zhì)子傳導)的膜和分別安置在膜兩側(cè)上的催化電極(陽極和陰極)構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)。后者包括多數(shù)被承載的貴金屬，尤其鉑。此外，能夠在膜電極裝置的兩側(cè)上在電極的背向膜的一側(cè)上安置氣體擴散層(gdl)。通常燃料電池通過多個堆疊安置(stack)的mea構(gòu)成，它們的電功率相加。在單個膜電極裝置之間，通常安置雙極板(也稱為流量場板或者分選板)，它確保向單個電池供應工作介質(zhì)、即反應物，并且通常還用于冷卻。此外，雙極板負責與膜電極裝置的導電接觸。

在燃料電池工作時，燃料(陽極氣體、陽極工作介質(zhì))、尤其氫氣h2或者含氫的混合氣通過雙極板的陽極側(cè)開口的流量場(flussfeld)被輸送給陽極，在此在產(chǎn)生電子的情況下進行電化學氧化從h2到質(zhì)子h⁺(h2→2h⁺+2e^-)。通過電解質(zhì)或者膜(它將反應空間氣密地相互隔離和電絕緣)將質(zhì)子從陽極空間傳輸?shù)疥帢O空間中。在陽極上提供的電子通過外部的電路被導向陰極，在該外部電路中連接有電氣消耗器或者能量存儲器。陰極通過雙極板的陰極側(cè)開口的流量場輸送作為陰極工作介質(zhì)(陰極氣體)的氧氣或者含氧的混合氣(例如空氣)，從而在接收電子的情況下進行反應從o2變?yōu)閛^2-(1/2o2+2e^-→o^2-)。同時，在陰極空間中氧離子與通過膜傳送的質(zhì)子反應生成水(o^2-+2h⁺→h2o)。

雙極板在不同的結(jié)構(gòu)方式中已知。原則上，在設計雙極板時目的是降低重量、降低結(jié)構(gòu)空間、降低成本以及提高功率密度。這種標準尤其對于燃料電池在汽車領域中的使用是重要的，例如用于車輛的電動驅(qū)動。

雙極板由導電的材料制成，因為通過它實現(xiàn)單個電池的相互和對外的電氣連接。通常雙極板由金屬材料制成、如鋼和類似材料。但是也已知這樣的雙極板，它由以碳元素為基礎的導電材料制成，尤其是石墨和石墨復合材料。碳基礎的材料(也稱為碳素材料)具有一些有利的特性，尤其是較低的密度，因此它特別適用于汽車領域。但是缺點是，碳素材料由于機械原因相對于金屬的雙極板要求較高的壁厚，這還使得不能滿足降低結(jié)構(gòu)空間的目的。通常，碳-雙極板的壁厚在0.2至0.25mm的區(qū)域內(nèi)，相反地在金屬的雙極板中壁厚只有0.1mm。原則上，至今為止使用的碳-雙極板由于較大的壁厚而具有與金屬雙極板不同的設計。

金屬的雙極板通常由兩個相互焊接的型材的半板(所謂的陰極板和陽極板)制成，在這些半板中用于工作介質(zhì)(陽極氣體、陰極氣體和冷卻劑)所需的流量場通過在兩個半板中的合適的型材構(gòu)成。在此，在陽極側(cè)上設有陽極流量場并且在陰極側(cè)上設有陰極流量場，相對地在內(nèi)部的冷卻劑流量場設在兩個板之間。在流量場外部，雙極板具有設計為通孔的供應口，其中，設有至少兩個陽極通氣口用于輸入或輸出陽極氣體，設有至少兩個陰極通氣口用于輸入或輸出陰極氣體，并且設有至少兩個冷卻劑口用于輸入或輸出冷卻劑。在堆積的狀態(tài)下，這些供應口相互對齊并且構(gòu)成多個工作介質(zhì)主通道，在燃料電池組的整個長度上貫穿燃料電池組。從雙極板的供應口開始相應的陽極-、陰極-和冷卻劑分配通道在雙極板的全部寬度上分配工作介質(zhì)，以便把工作介質(zhì)輸送給催化電極(陽極和陰極)。問題是，在這些分配區(qū)域中不同的通道在相對較小的面積上相交。這會導致，雙極板的整體厚度增加并且由此燃料電池組的結(jié)構(gòu)空間要求也隨之增加。

根據(jù)上述說明的雙極板的示例在us2006/0127706a1和de102007008214a1中公開。在此，供應口分別被安置在雙極板的兩個相互對置的窄側(cè)上，其中，冷卻劑口相應地基本上定位在陽極通氣口和陰極通氣口之間。金屬雙極板的另外的設計方案在de102013210542a1中公開。為了相互均衡陽極氣體分配通道的通道長度，在此在陰極通氣口和冷卻劑口之間安置陽極通氣口。

當今的碳素雙極板具有的整體板厚度、即在最低點和最高點之間、大約為1.5mm。較薄的碳素雙極板目前還是未知的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，建議一種碳素雙極板，它具有比已知的碳素雙極板更低的結(jié)構(gòu)高度(整體板厚度)。該雙極板應該也能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的燃料電池組，它在相同的功率密度下具有比已知的以碳素雙極板為基礎的燃料電池組更低的結(jié)構(gòu)高度(堆棧高度)。

所述技術(shù)問題通過具有獨立權(quán)利要求的特征的雙極板以及燃料電池組所解決。本發(fā)明的優(yōu)選設計方案由在從屬權(quán)利要求中所述的特征給出。

根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的雙極板包括陽極側(cè)和陰極側(cè)，其中，所述雙極板在陽極側(cè)或者陰極側(cè)的俯視圖方面具有：

-工作介質(zhì)流場，包括安置在陽極側(cè)上的陽極氣體流場、安置在陰極側(cè)上的陰極氣體流場和設在內(nèi)部的冷卻劑流場，

-第一供應區(qū)域和第二供應區(qū)域，它們被安置在雙極板的在工作介質(zhì)流場的側(cè)面的相互對置的部段上，

-安置在供應區(qū)域中并且設計為通孔的供應口，其中，在第一供應區(qū)域和第二供應區(qū)域中分別安置至少一個用于輸入或輸出陽極氣體的陽極通氣口、至少一個用于輸入或輸出陰極氣體的陰極通氣口、以及至少一個用于輸入或輸出冷卻劑的冷卻劑口，其中，在供應區(qū)域內(nèi)、在陰極通氣口和冷卻劑口之間分別安置一個陽極通氣口，和

-其中，所述雙極板包括以碳為基礎的導電材料或者由這種材料組成。

在傳統(tǒng)的以碳元素為基礎的雙極板中，供應口通常如此布置，使得冷卻劑口設在陽極通氣口和陰極通氣口之間。通過將陽極通氣口設在陰極通氣口和冷卻劑口之間的布置，以有利的方式實現(xiàn)了，分配區(qū)域(在該區(qū)域中工作介質(zhì)在雙極板的活性區(qū)域的寬度上被分配或被聚集)能夠比在冷卻劑口中央布置的情況下具有更低的整體板厚度。分配區(qū)域尤其能夠被如此配置，使得冷卻劑分配通道從冷卻劑口開始首先在陰極側(cè)、不與陰極分配通道相交地延伸，并且隨后轉(zhuǎn)入陽極側(cè)。這能夠?qū)崿F(xiàn)雙極板的結(jié)構(gòu)高度的降低。

雙極板優(yōu)選地具有最大為1.2mm，尤其最大為1.1mm，優(yōu)選最大為1.0mm的整體板厚度(從雙極板的最低點到最高點的結(jié)構(gòu)高度)。雙極板的結(jié)構(gòu)高度越低，具有這種雙極板的燃料電池組的結(jié)構(gòu)高度也越低?？梢岳斫獾剑Y(jié)構(gòu)高度的下限通過對雙極板的功能和穩(wěn)定性要求所限制。在以碳元素為基礎的雙極板中，低于0.8mm的結(jié)構(gòu)高度會導致用于工作介質(zhì)的流動橫截面不可接受地小，和/或?qū)е绿畹姆€(wěn)定性。雙極板的壁厚、尤其它的半板的壁厚優(yōu)選在0.2至0.25mm的區(qū)間內(nèi)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中設定，以碳元素為基礎的導電材料是石墨材料，尤其是石墨或者石墨塑料復合物。例如，能夠使用由石墨和環(huán)氧聚合物構(gòu)成的復合材料。這種材料的特點在于良好的導電性和較低的密度。當前的以碳元素為基礎的導電材料也被稱為碳素材料或者碳。

在本發(fā)明的另外優(yōu)選的實施例中設定，雙極板由兩個相互接合的經(jīng)過塑形的半板、即陽極板和陰極板構(gòu)成，在半板中設有優(yōu)選以通道形狀的相應的工作介質(zhì)流場。由兩個型材式半板構(gòu)成的制造方式具有這樣的優(yōu)點，即在兩個半板之間能夠以簡單的方式形成冷卻劑流場。半板能夠由具有統(tǒng)一厚度的碳素型材例如通過壓印、深沖和沖壓等制造方法并且隨后材料接合式相互連接而制成。

在本發(fā)明的實施例中，工作介質(zhì)流場具有中央的、活性部段和兩個在兩側(cè)與它連接的分配部段，它們安置在活性部段和供應口之間，并且陽極氣體分配通道、陰極氣體分配通道和冷卻劑分配通道在分配部段中延伸。分配部段和分配通道所要解決的技術(shù)問題是，對由輸送的供應口輸送的工作介質(zhì)在活動的流量場的整個寬度上進行分配或者對由活動的流量場流出的工作介質(zhì)進行收集并且導向相應的輸出的供應口。

分配部段優(yōu)選具有在雙極板的陽極側(cè)或陰極側(cè)的俯視圖方面基本上三角形的幾何結(jié)構(gòu)。這能夠有利地實現(xiàn)，(相對較小的)陽極通氣口與陰極通氣口或者冷卻劑口一起被安置在三角形分配部段的三角邊旁，并且剩下的通氣口(冷卻劑口或者陰極通氣口)被安置在分配部段的另外的自由的三角邊上。因此，在每種情況下都可將較大的通氣口(冷卻劑口和陰極通氣口)安置在不同的邊上。

在本發(fā)明的范圍內(nèi)，概念“活性區(qū)域”指的是雙極板的這種區(qū)域，它在被裝配好的燃料電池組中朝向膜電極單元的催化電極，也就是說它是這樣的區(qū)域，在燃料電池工作時在它上面進行化學反應。在此限定地“非活性區(qū)域”指的是這樣的區(qū)域，在它上面不進行化學反應?！胺腔钚詤^(qū)域”包括具有供應口以及雙極板的邊緣區(qū)域的供應區(qū)域。通常，非活性區(qū)域還包括工作介質(zhì)流場的分配部段?？梢岳斫獾?，雙極板作為這種非活性區(qū)域中在狹隘的定義中不是化學活性的。

陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道優(yōu)選只在分配部段的第一部分部段中延伸。在此，冷卻劑分配通道通過在陰極側(cè)的造型通道、尤其陰極板上的造型通道構(gòu)成，并且陽極氣體分配通道通過在陽極側(cè)的、尤其陽極板上的造型通道構(gòu)成。這種布置能夠?qū)崿F(xiàn)在分配部段的第一部分部段中的較低的結(jié)構(gòu)高度。雙極板在該第一部分部段中的結(jié)構(gòu)高度基本上等于陽極板的通道高度(型廓高度)與陰極板的通道高度(型廓高度)之和。因為在這種第一部分部段中沒有陰極氣體分配通道，這也就沒有形成結(jié)構(gòu)高度。在此注意，陰極工作氣體的體積流通常明顯大于陽極工作氣體的體積流，陽極工作氣體的體積流在三種工作介質(zhì)中是最小的體積流。

另外優(yōu)選的是，在分配部段的第一部分部段中陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道相互交叉地延伸。

在優(yōu)選的實施例中，陽極氣體分配通道、陰極氣體分配通道和冷卻劑分配通道在分配部段的第二部分部段中延伸。在此，冷卻劑分配通道和陽極氣體分配通道通過在陽極側(cè)上的、尤其在陽極板上的造型通道構(gòu)成，并且陰極氣體分配通道通過在陰極側(cè)上的、尤其在陰極板上的造型通道構(gòu)成。這意味著，在分配部段的第一部分部段中的冷卻劑分配通道在(否則不被使用的)陰極側(cè)上延伸，以便在向第二部分部段過渡位置處轉(zhuǎn)入陽極側(cè)。這是有利的，因為在第二部分部段中工作介質(zhì)的主體積流(通過冷卻劑和陰極氣體構(gòu)成)被傳導到雙極板的不同的側(cè)面上。這能夠在第二部分部段中實現(xiàn)更寬的分配通道和較低的結(jié)構(gòu)高度。

此外優(yōu)選的是，在分配部段的第二部分部段中陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道相互平行地延伸，和/或陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道與陰極氣體分配通道交叉地延伸。通過在第二部分部段中的陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道的平行布置尤其能夠?qū)崿F(xiàn)，冷卻劑分配通道通過陽極氣體分配通道的后側(cè)造型構(gòu)成，也就是說這兩個通道相互嵌套地延伸。這種布置能夠?qū)崿F(xiàn)特別節(jié)省空間地結(jié)構(gòu)設計，因為對于這兩種工作介質(zhì)只需考慮陽極板的型材高度。在第二部分部段中的雙極板的結(jié)構(gòu)高度基本上等于陽極板的通道高度(型廓高度)和陰極板的通道高度(型廓高度)之和。

總體上，通過分配區(qū)域的上述設計方案可實現(xiàn)，在它的整個平面上的結(jié)構(gòu)高度等于陽極板的型廓高度和陰極板的型廓高度之和。在第二部分部段中(其中導引全部三種工作介質(zhì))不需要附加的結(jié)構(gòu)高度。分配區(qū)域的第二部分部段的結(jié)構(gòu)高度優(yōu)選等于分配區(qū)域的第一部分部段的結(jié)構(gòu)高度，也就是說，該第二部分部段在它的整個平面上具有基本上恒定的整體板厚度，它優(yōu)選還等于活性區(qū)域的結(jié)構(gòu)高度。

本發(fā)明的另外的主題涉及一種燃料電池組，它包括根據(jù)本發(fā)明的雙極板和膜電極裝置，它們相互交替地堆疊。

根據(jù)優(yōu)選的實施例，燃料電池組還包括相應安置在膜電極裝置和雙極板之間的氣體擴散層，它在全部陽極氣體流場、全部陰極氣體流場和全部冷卻劑流場上延伸，也就是說在活性區(qū)域和分配區(qū)域上延伸。氣體擴散層優(yōu)選在所述的工作介質(zhì)流場上延伸并且因此基本上不伸進供應區(qū)域中。氣體擴散層是已知的并且由導電的、可氣體穿流的材料制成。氣體擴散層用于均勻地將通過雙極板輸入的氣體式工作介質(zhì)分配給催化電極。氣體擴散層通常只在活性區(qū)域上延伸，并且不在流場的分配區(qū)域上延伸。通過根據(jù)這種實施例氣體擴撒層還在分配區(qū)域上延伸，不僅可實現(xiàn)膜在分配區(qū)域中的機械穩(wěn)定性，還可以實現(xiàn)雙極板在分配區(qū)域中的機械穩(wěn)定性。由于雙極板由碳素材料制成和分配區(qū)域的與之相關(guān)的脆性，這種設計尤其對于在其中最狹窄的空間內(nèi)安置的通道有特別的意義。通過氣體擴散層以及工作介質(zhì)流場相疊，抵抗通過在工作介質(zhì)(陰極氣體、陽極氣體和冷卻劑)之間的壓力差形成的壓力。氣體擴散層能夠設計為單獨的構(gòu)件或者設計為膜電極裝置的組件。

本發(fā)明的另外的主題涉及一種燃料電池系統(tǒng)，它具有這種燃料電池組。該燃料電池系統(tǒng)除了燃料電池組外還具有配備相應的外圍組件的陽極供應裝置和陰極供應裝置。

本發(fā)明的另外的主題涉及一種交通運輸工具，它具有配備根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)。這種交通運輸工具優(yōu)選是電動車，其中，由燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于向電動機和/或驅(qū)動電池供應。

在該申請中所述的本發(fā)明的不同的實施方式，如果在在單獨使用情況下不是不同的，則以有利的方式相互結(jié)合。

附圖說明

下面在實施例中結(jié)合附圖闡述本發(fā)明。附圖為：

圖1示出根據(jù)優(yōu)選的實施例的燃料電池系統(tǒng)的方框圖，

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的膜電極裝置的俯視圖，

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的雙極板的俯視圖，

圖4示出由圖3所示的雙極板的細節(jié)圖，和

圖5示出由圖4所示的具有工作介質(zhì)的流體路線的細節(jié)圖。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的總體上用100標記的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)100是未詳細示出的交通工具、尤其電動車的一部分，該交通工具具有電動機，它通過該燃料電池系統(tǒng)100被供應電能。

燃料電池系統(tǒng)100包括作為核心組件的燃料電池組10，它具有多個堆疊式布置的單個電池11，這些單個電池通過交替堆疊的膜電極裝置(mea)14和雙極板15(參見細節(jié)放大圖)構(gòu)成。每個單個電池11因此分別包括一個mea14和安置在兩側(cè)的催化電極，即陽極和陰極，所述mea14具有在此未詳細示出的能傳導離子的聚合電解膜，所述催化電極能夠催化燃料電池轉(zhuǎn)化的相應的部分反應并且尤其能夠設計為在薄膜上的層。陽和陰電極具有催化材料，例如鉑，它支承地設在較大的特定的表面的導電支承材料上、例如以碳為基礎的材料上。因此，在雙極板15和陽極之間設有陽極空間12，并且在陰極和下一個雙極板15之間設有陰極空間13。雙極板15用于將工作介質(zhì)輸送到陽極和陰極空間12、13中，并且還會形成在單個的燃料電池11之間的電連接?？蛇x地能夠在膜電極裝置14和雙極板15之間布置氣體擴散層。

為了向燃料電池組10提供工作介質(zhì)，燃料電池系統(tǒng)100在一側(cè)具有陽極供應裝置20和在另一側(cè)具有陰極供應裝置30。同樣存在的冷卻循環(huán)在圖1中未示出。

陽極供應裝置20包括陽極供應線路21，它用于將陽極工作介質(zhì)(燃料)、例如氫氣、輸入到燃料電池組10的陽極空間12中。出于這個目的，陽極供應線路21將燃料存儲裝置23與燃料電池組10的陽極入口相連接。陽極供應裝置20還包括陽極廢氣線路22，它將陽極廢氣從陽極空間12通過燃料電池組10的陽極出口導出。在燃料電池組10的陽極空間12中的陽極工作壓力能夠通過在陽極供應線路21中的調(diào)節(jié)器件24調(diào)節(jié)。此外，陽極供應裝置20能夠如圖所示具有燃料再循環(huán)管路25，它將陽極線路22與陽極供應線路21相連接。燃料的再循環(huán)通常是用于將大部分過化學計量使用的燃料往回到電池組并且被使用。在燃料再循環(huán)管路25中能夠可選地布置另外的調(diào)節(jié)器件26，借助它能夠調(diào)節(jié)再循環(huán)率。

陰極供應裝置30包括陰極供應線路31，它向燃料電池組10的陰極空間13輸送含氧的陰極工作介質(zhì)、尤其空氣，空氣可從外周環(huán)境中吸取。陰極供應裝置30還包括陰極廢氣線路32，它將陰極廢氣(尤其排出空氣)從燃料電池組10的陰極空間13中輸出，并且必要時將所述陰極廢氣輸送給未示出的廢氣設備。為了輸送和壓縮陰極工作介質(zhì)將壓縮機33安置在陰極供應線路31中。在所示的實施例中，壓縮機33設計為主要電氣驅(qū)動的壓縮機，通過配備相應的功率電子件35的電動機34實現(xiàn)對壓縮機的驅(qū)動。壓縮機33還能夠被安置在陰極廢氣線路32中的渦輪機36(必要時具有可變的渦輪機幾何形狀)支撐在整體的軸(未示出)上驅(qū)動。

根據(jù)所示的實施例，陰極供應裝置30還能夠具有放氣閥管路37，它將陰極供應管路31與陰極廢氣管路32相連接，即示出燃料電池組10的旁通通道。放氣閥管路37允許，在燃料電池組10上的過剩的空氣質(zhì)量流旁邊繞過，而不經(jīng)過壓縮機33。安置在放氣閥管路37中的調(diào)節(jié)器件38用于控制陰極工作介質(zhì)的繞過燃料電池組10的數(shù)量。燃料電池系統(tǒng)100的全部調(diào)節(jié)器件24、26、38能夠設計為可調(diào)節(jié)或不可調(diào)節(jié)的閥或活門。相應的其它調(diào)節(jié)器件能夠安置在管路21、22、31和32中，以便能夠?qū)⑷剂想姵亟M10與外部環(huán)境隔離。

燃料電池系統(tǒng)100還能夠具有加濕器39，它通常具有多層水蒸氣可滲透的膜，這些膜要么設計為平面的、要么設計為空心纖維的樣式。加濕器39被如此安置在陰極供應路徑31內(nèi)，使得膜在它的一側(cè)上被相對干燥的陰極工作氣體流過，并且在另一側(cè)上被如此安置在陰極廢氣路徑32內(nèi)，使得膜在它的另一側(cè)上被相對濕潤的陰極廢氣流過。通過在陰極廢氣中的較高的水蒸氣-分壓力的傳動會導致水蒸氣通過膜轉(zhuǎn)移到陰極工作氣體中，以這種方式使得陰極工作氣體加濕。

陽極和陰極供應裝置20、30的不同的另外細節(jié)由于視野原因而未在簡化的圖1中示出。因此，在陽極和/或陰極廢氣路徑22、32中構(gòu)造脫水器，以便冷凝和排出由燃料電池反應產(chǎn)生的生成水。最后，陽極廢氣管路22能夠匯入陰極廢氣管路32中，因而陽極廢氣和陰極廢氣通過共同的廢氣設備被輸出。

圖2和3分別根據(jù)本發(fā)明的俯視圖示出示例性的膜電極裝置14和雙極板15。

兩個構(gòu)件14、15具有活性區(qū)域aa，為了清楚顯示用矩形輪廓的虛線包圍該區(qū)域。活性區(qū)域aa的特征在于，在該區(qū)域內(nèi)進行燃料電池反應。為了實現(xiàn)這個目的，膜電極裝置14在活性區(qū)域aa內(nèi)在聚合電解膜的兩側(cè)具有催化電極143。部件14、15的剩下的非活性區(qū)域具有兩個供應區(qū)域sa和兩個分配區(qū)域da。在供應區(qū)域sa內(nèi)部在膜電極裝置14一側(cè)安置供應點144至149，和/或在雙極板一側(cè)安置供應點154至159，它們在堆積狀態(tài)下基本上相互對準并且在燃料電池組10的內(nèi)部構(gòu)成主供應通道。陽極入口144和/或154用于輸入陽極工作氣體，即燃料，例如氫氣。陽極出口145和/或155用于在活性區(qū)域aa溢流后輸出陽極廢氣。陰極入口146和/或156用于輸入陰極工作氣體，尤其是氧氣或含氧的混合氣體，優(yōu)選是空氣。陰極出口147和/或157用于在活性區(qū)域aa溢流后輸出陰極廢氣。冷卻劑入口148和/或158用于輸入冷卻劑，并且冷卻劑出口149和/或159用于輸出冷卻劑。根據(jù)本發(fā)明，雙極板15的陽極通氣口154、155基本上分別被安置在其中一個陰極通氣口156、157和其中一個冷卻劑口158、159之間，也就是說，陰極通氣口156、157以及冷卻劑口158、159基本上被安置在雙極板15的角部區(qū)域內(nèi)。以相同的方式，mea14的陽極通氣口144、145基本上分別被安置在其中一個陰極通氣口146、147和其中一個冷卻劑口148、149之間。陽極通氣口144、145、154、155在所有的供應口內(nèi)部分別具有最小的橫截面面積，因為根據(jù)通常的工作方式向燃料電池輸送具有最小體積流的陽極工作氣體。

mea14具有陰極側(cè)142，它在圖2中可見。因此，所示的催化電極143設計為陰極，例如設計為在聚合電解膜上的涂層。在圖2中不可見的陽極側(cè)141具有相應的催化電極，在此為陽極。聚合電解膜能夠在膜電極裝置14的整個延展上延伸，但是至少延伸跨過活性區(qū)域aa。在其余的區(qū)域中能夠安置加強的支承薄膜，它包圍所述膜。

在圖2中未示出氣體擴散層，它被安置在膜電極裝置14的兩側(cè)并且不僅跨過活性區(qū)域aa而且跨過所述兩個分配區(qū)域da延伸。根據(jù)圖2所示的示例，氣體擴散層因此具有六邊形的設計形式，并且隨后延伸跨過活性區(qū)域aa和分配區(qū)域da，也就是說，它不會伸入供應區(qū)域sa中。氣體擴散層由導電的能被氣體穿過的材料制成，例如由以碳為基礎的材料制成，并且用于將通過雙極板14向催化電極143輸送的工作介質(zhì)均勻的分配。氣體擴散層能夠設計為獨立的構(gòu)件，或者在此優(yōu)選設計為膜電極裝置14的組件，方法是，氣體擴散層例如利用輕度重疊通過支承薄膜與膜和催化電極相結(jié)合。這種膜電極裝置14在活性區(qū)域aa和在分配區(qū)域da中的層順序因此是氣體擴散層/電極(陽極)/膜/電極(陰極)/氣體擴散層。該氣體擴散層會形成對膜、以及雙極板15的柔軟的分配區(qū)域da的機械支撐。

在圖3中所示的雙極板15具有兩個接合的板半部，即陽極板151和在此視圖中被遮蓋的陰極板152。兩個板半部由導電的碳基礎的材料(碳素材料)制成。板151、152材料接合式相互連接，例如通過環(huán)形的焊縫或者類似方式連接。雙極板15還能夠在兩個半板151、152上具有密封裝置(未示出)，它們例如設計為環(huán)繞整個雙極板15的密封凸起的樣式。此外，單個的供應口154-159還能夠分別被密封裝置環(huán)繞。

在所示的陽極板151上設有工作介質(zhì)流量場153(陽極流量場)，它通常以開口的槽形通道的系統(tǒng)的形式，該通道將陽極入口154與陽極出口155連接起來。同樣地，在此不可見的陰極板152具有配備通道的相應的陰極流量場，該通道將陰極入口156與陰極出口157連接起來。這種用于陽極工作介質(zhì)的工作介質(zhì)通道也設計為開口的、槽形的通道結(jié)構(gòu)。在雙極板15內(nèi)部、尤其在兩個板半部151、152之間延伸有封閉的冷卻劑通道，它將冷卻劑入口158與冷卻劑出口159相連接。

圖4和5分別示出如圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的雙極板15的局部截面圖，尤其示出供應區(qū)域sa的輸入的入口154、156、158、分配區(qū)域da以及活性區(qū)域aa的一部分。還示出了陽極板151的視圖。在圖4中示出工作介質(zhì)的流動路線，其中，用實線表示的箭頭162代表陽極氣流，用虛線表示的箭頭163代表陰極氣流，并且用點劃線表示的箭頭164代表冷卻劑流。

根據(jù)本發(fā)明，在雙極板15的其中一個短邊上的陽極通氣口154基本上被布置在陰極通氣口156和冷卻劑口158之間。陰極通氣口156以及冷卻劑口158基本上被安置在雙極板15的角部區(qū)域內(nèi)。

在圖4和5中可見的陽極板151上，在分配區(qū)域da內(nèi)通過陽極板151的相應的形狀形成陽極氣體分配通道160。在分配區(qū)域da的內(nèi)部，陽極氣體分配通道160具有方向變化(轉(zhuǎn)向)(參見在圖5中的陽極氣流162)。在此，陽極氣體分配通道160在從陽極氣體入口154流出后、首先直線地、朝向雙極板15的在圖中右側(cè)的長邊的方向被導引通過分配區(qū)域da的第一部段da1。在過渡進入分配區(qū)域da的第二部段da2時，陽極氣體分配通道160被轉(zhuǎn)向，在此例如轉(zhuǎn)向90°，從而陽極氣體在第二部段da2內(nèi)部直線地朝向雙極板15的相對置的一側(cè)、在此也是朝向左側(cè)的長邊地延伸。在過渡進入活性區(qū)域aa時，陽極氣體分配通道160發(fā)生另外的方向變化，以便作為陽極流場153的陽極通道161平行于雙極板15的長邊地穿過活性區(qū)域aa。陽極通道在活性區(qū)域aa中的另外的實施例，例如彎曲地延伸，同樣也是可行的。

在圖4和5中被遮蓋的陰極板152在分配區(qū)域da通過陰極板152的相互的形狀形成陰極氣體分配通道。陰極氣體分配通道從陰極氣體入口156流出并且直線形流過分配區(qū)域da，而不發(fā)生轉(zhuǎn)向。在過渡進入活性區(qū)域aa中時，陰極氣體分配通道過渡進入活性區(qū)域aa的陰極流場的陰極通道中(參見在圖5中的陰極氣流163)。

同樣地，冷卻劑從冷卻劑入口158開始流入設在兩個板半部151和152之間的和在圖中不可見的直線形的冷卻劑分配通道中，并且從這里流入活性區(qū)域aa(參見在圖5中的陰極氣流164)。在分配區(qū)域da的第一部段da1中首先在陰極側(cè)通過陰極板152的相應的形狀形成內(nèi)部的冷卻劑分配通道。在第一部段da1中只安置冷卻劑分配通道和陽極分配通道160，并且不安置陰極分配通道。在根據(jù)圖4和5所示的陽極側(cè)的視圖中示出，與冷卻劑口158連接的冷卻劑分配通道被安置在第一部段da1的后側(cè)上，并且首先在陽極分配通道160的下方沿著與它相交的方向延伸。在第一部段da1進入第二部段da2的過渡位置上，冷卻劑分配通道從陰極側(cè)變換到雙極板15的陽極側(cè)。因此在第二部段da2中，冷卻劑分配通道30延伸進入陽極板151中，在該陽極板中冷卻劑分配通道還是設計為通道形狀。陽極氣體分配通道和冷卻劑分配通道在陽極板151內(nèi)的部段da2上尤其相互平行地導引，其中，陽極氣體分配通道160的底部構(gòu)成冷卻劑分配通道的側(cè)向邊緣，并且反之亦可。因此，冷卻劑分配通道30被如此安置在該第二部段da2中，從而使得它們分別在兩個陽極氣體分配通道160之間延伸，即基本上在與陽極氣體分配通道相同的平面內(nèi)。在背側(cè)的陰極板152中，在第二部段da2中只設有陰極分配通道。

陰極氣體因此沒有轉(zhuǎn)向地直接流入板平面內(nèi)，并且從板側(cè)到另外的陰極通氣口156沒有過渡地流入活性區(qū)域aa。陽極工作介質(zhì)從陽極通氣口154無干擾地通過在陰極側(cè)延伸的冷卻劑分配通道流入到陽極側(cè)的部段da1中，其中，陽極工作介質(zhì)與冷卻劑分配通道相交。在第二部段da2中，將陽極氣體在冷卻劑分配通道之間平行地導入相同的板151中。在該部段da2中陽極氣體與設在陰極板152中的陰極分配通道相交。冷卻劑最后從冷卻劑口158直線地、在板平面內(nèi)沒有轉(zhuǎn)向地、首先在第一部段da1中流入陰極板152的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)，并且隨后轉(zhuǎn)換板平面，以便在第二部段da2中可轉(zhuǎn)移到另外一側(cè)上，并且在具有陽極氣體的平面內(nèi)導入陽極板151的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)中。

冷卻劑供應通道的這種導引能夠?qū)崿F(xiàn)對陽極和陰極工作介質(zhì)的盡可能小的干擾，并且因此同時實現(xiàn)最低的壓力損失。在分配區(qū)域da內(nèi)部的通道設計還能夠?qū)崿F(xiàn)，兩個部段da1和da2具有相同的結(jié)構(gòu)高度，即使在第二部段da2中安置只在兩個半板151、152中的三條疊加的介質(zhì)流。陰極氣體和冷卻劑的兩個最大的體積流還這樣在整個分配區(qū)域da內(nèi)導引，使得它們不會相互損害。

所示的設計方案能夠?qū)崿F(xiàn)總體上的雙極板的結(jié)構(gòu)高度的降低?？傮w上，利用這種設計方案可以實現(xiàn)，雙極板15只有1.0mm的整體板厚度，而不會造成機械穩(wěn)定性上的損傷。借助本發(fā)明能夠因此利用碳素材料的優(yōu)點并且能夠?qū)崿F(xiàn)雙極板的特別低的結(jié)構(gòu)高度，并由此實現(xiàn)燃料電池組10的特別低的結(jié)構(gòu)高度。

附圖標記列表

100燃料電池系統(tǒng)

10燃料電池組

11單個電池

12陽極空間

13陰極空間

14膜電極裝置(mea)

141陽極側(cè)

142陰極側(cè)

143催化電極/陰極

144供應口/陽極通氣口/陽極入口

145供應口/陽極通氣口/陽極出口

146供應口/陰極通氣口/陰極入口

147供應口/陰極通氣口/陰極出口

148供應口/冷卻劑口/冷卻劑入口

149供應口/冷卻劑口/冷卻劑出口

15雙極板(分離板、流量場板)

151陽極板

152陰極板

153工作介質(zhì)流場/工作介質(zhì)流量場/陽極氣體流場

154供應口/陽極通氣口/陽極入口

155供應口/陽極通氣口/陽極出口

156供應口/陰極通氣口/陰極入口

157供應口/陰極通氣口/陰極出口

158供應口/冷卻劑口/冷卻劑入口

159供應口/冷卻劑口/冷卻劑出口

160陽極氣體分配通道(在分配區(qū)域da中)

161陽極通道(在活性區(qū)域aa中)

162陽極氣體流動路線

163陰極氣體流動路線

164冷卻劑流動路線

20陽極供應裝置

21陽極供應路徑

22陽極廢氣路徑

23燃料槽

24調(diào)節(jié)器件

25燃料循環(huán)管路

26調(diào)節(jié)器件

30陰極供應裝置

31陰極供應路徑

32陰極廢氣路徑

33壓縮器

34電動機

35功率電子裝置

36渦輪機

37放氣閥管路

38調(diào)節(jié)器件

39加濕模塊

aa活性區(qū)域(反應區(qū)域，activearea)

sa供應區(qū)域(supplyarea)

da分配區(qū)域(distributionarea)

da1分配區(qū)域da的第一部分部段

da2分配區(qū)域da的第二部分部段