具有可插入的遮挡件的双极板和燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，双极板具有活性区域和包围活性区域的边缘区域，边缘区域配属有具有第一穿通部的第一介质引导部和具有第二穿通部的第二介质引导部。此外，存在伸延穿过活性区域的将第一穿通部与第二穿通部流动机械地连接的介质通道。

本发明还涉及一种具有至少一个双极板的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池装置用于将燃料与氧气化学转化为水，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元(MEA代表膜电极组件membrane electrode assembly)作为核心部件，膜电极单元是由一个传导质子的膜和各一个布置在膜两侧的电极(阳极和阴极)组成的复合物。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。在具有多个组合成燃料电池堆的燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其是氢气H

反应物气体借助双极板供应到燃料电池的电极。除了反应物气体之外，还将冷却介质引导穿过双极板，从而三种不同的介质在最小的（或非常小的，即kleinstem）空间内引导穿过双极板。

为了能够满足高功率要求，将多个燃料电池组合或相叠地堆叠成燃料电池堆。在此，介质引导部可以构造为在边缘区域中形成为留空部的介质端口，在燃料电池堆的各个层相叠堆叠时，所述介质端口能够产生多个三维空间。备选地，介质引导部也可以构成为配属给燃料电池和双极板的边缘区域的并且与其分开构造的功能构件，在该功能构件中形成三维空间。换言之，相叠地堆叠的燃料电池和双极板可以配属有外部的集管。由此，沿着堆叠方向形成多个用于将反应物和冷却介质供应到燃料电池的活性区域中的三维空间，并且沿着堆叠方向形成多个用于排出反应物和产物以及冷却介质的三维空间。通过双极板的活性区域通常形成由介质通道构成的通道结构，该通道结构将介质引导部中的一个介质引导部(例如介质端口)与介质引导部中的另外的介质引导部流动机械地连接。在此，在双极板的双极板主体中实现至少一个穿通部，所述穿通部将介质引导部、例如介质端口与所述一个或多个介质通道流动机械地连接。

燃料电池的效率在此受流经介质通道的介质质量流显著影响。该介质质量流在很大程度上通过在制造双极板时的流动横截面、即穿通部的直径的选择来确定。直径的选择在此展现对燃料电池的功率提供和加湿的不同要求的折衷。由此使得难以快速适配燃料电池堆在运行期间的功率曲线(Leistungsprfils)。

此外，期望反应物在燃料电池堆内的均匀分布，以便向所有燃料电池最佳地供应湿气和燃料。为此，在DE 10 2014 22 06 82 A1描述了一种双极板，该双极板具有多个形成收集管路的介质端口，其中，置入元件能够被插入到收集管路中。该置入元件区段式地改变收集管线的横截面，以便为燃料电池堆内的燃料电池中的每个燃料电池供应相同的体积流的介质。DE 10 2016 225 444 A1也描述了一种具有多个介质端口的隔板，这些介质端口形成收集管路，置入元件分别可以插入到介质端口中，其中，置入元件具有多个留空部。这也实现针对不同的燃料电池适配收集管路的横截面。CN 207 690 923 U也描述了一种具有介质进入通道的双极板，置入元件布置在该介质进入通道中。

在此不利的是，置入元件的横截面形状要么必须适配介质端口的横截面形状，这导致高的材料消耗，要么必须存在用于置入元件的单独引导部。这提高了用于双极板的材料耗费和制造步骤的数量，并且因此也提高了针对燃料电池堆的材料耗费和制造步骤的数量。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种双极板和一种燃料电池堆，在所述种双极板和燃料电池堆的情况下减少了上述缺点。

涉及双极板的任务通过具有权利要求1的特征存在的双极板解决。涉及燃料电池堆的任务通过具有权利要求10的特征存在的燃料电池堆来解决。具有本发明的适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

双极板的特征在于，所述介质引导部中的至少一个介质引导部包括第一子腔室和具有所述穿通部的第二子腔室，在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间，所述介质引导部的流动横截面变细地(或渐缩地，即verjüngt)构造，并且遮挡件被插入或能被插入到所述第二子腔室中。介质引导部的第二子腔室因此用于接纳和引导遮挡件。因此可以省去遮挡件的附加引导元件或附加引导部。这减少了材料消耗并且简化了双极板的制造。

尤其有利的是，所述遮挡件借助致动器可调节地支承在所述第二子腔室内，以用于调整所述穿通部的流动横截面。遮挡件因此不仅在第二子腔室内被引导，而且还可以在第二子腔室内被调节，从而可以实现穿通部的至少部分的遮盖并且实现流动横截面的减小。可借助致动器调节的遮挡件在此实现了穿通部处的流动横截面的动态调整，这又根据需要调节介质通道中的质量流。遮挡件在此优选地能够在第一位置和第二位置之间调节，在第一位置中穿通部至少部分地被遮盖，流动横截面因此减少，在第二位置中穿通部未被遮盖。在此，遮挡件也可以如此通过致动器调节，使得穿通部完全被遮挡件遮盖，从而防止介质质量流穿过穿通部进入介质通道中。这种介质供应的迅速减少导致：只有位于活性区域内的介质还可供用于电化学反应。这允许燃料电池堆的电功率提供的快速减少，以便能够在车辆中对动态过程做出反应，例如对防抱死制动系统的干预做出反应。反之，也可以实现迅速的功率升高，或者介质引导部可以如此适配功率要求，使得优化介质消耗。通过使第二穿通部配属有能借助致动器控制的遮挡件，还可以动态地控制燃料电池堆的湿度平衡。

遮挡件可优选布置在穿通部之前或穿通部中。

在此，遮挡件可以具有与第一穿通部和/或第二穿通部相同的横截面形状；尤其有利的是，遮挡件构成为椭圆形。这实现了穿通部的简单制造和良好遮盖。在备选的实施方案中可行的是，遮挡件的横截面形状形成为多边形，即例如矩形、正方形、六边形、正交或三角形。此外，遮挡件还可以朝着穿通部的方向或逆着穿通部的方向弯曲地形成。

在此，遮挡件可以具有与第一穿通部和/或第二穿通部相同的横截面形状；尤其有利的是，遮挡件构成为椭圆形。这实现了穿通部的简单制造和良好遮盖。

就此而言优选的是，遮挡件借助于致动器可移动地、即可平移地支承在第二子腔室内，以用于调整所述穿通部的流动横截面。

备选地，穿通部可以可转动地支承在穿通部处或穿通部中。

此外有意义的是，第二子腔室的横截面面积大致相应于遮挡件的横截面面积。这实现了遮挡件在第二子腔室内的最佳引导。此外，遮挡件或第二子腔室也可以配属有密封唇，以便将第二子腔室相对于介质密封。

为了实现双极板的简单制造，优选的是，在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间的变细的流动横截面通过至少一个突出的凸起部形成。凸起部因此构成为双极板的一部分并且可以在与双极板相同的制造步骤中产生。换言之，不需要附加的制造步骤来构造第二子腔室和第一子腔室。这降低了构件的复杂性并减少了材料需求，从而实现了成本降低。

此外有利的是，在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间的变细的流动横截面通过两个相对置的突出的凸起部形成。这导致介质引导部的对称构造并降低了双极板的复杂性。

尤其有利的是，所述凸起部形成用于所述遮挡件的引导轨道。此外优选的是，两个凸起部形成用于遮挡件的引导轨道。

为了容易调节燃料电池内的湿度含量，有利的是，所述介质引导部中的另一介质引导部也包括第一子腔室和具有穿通部的第二子腔室，在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间介质引导部的流动横截面变细地构造，并且第二遮挡件被插入或能被插入到所述第二子腔室中。

就此而言有意义的是，所述第二遮挡件借助致动器可调节地支承在所述第二子腔室内，以用于调整所述穿通部的流动横截面。这实现了介质的引导以及使得介质质量流也能够通过该另一介质引导部调整。第二遮挡件在此也可以借助致动器可移动地、即可平移地支承在第二子腔室内。此外有利的是，该另一介质引导部的变细部通过在第一子腔室和第二子腔室之间突出的至少一个凸起部形成。或者通过两个相对置的、突出的凸起部形成。遮挡件的所描述的有利构造在此也适用于第二遮挡件。

此外可行的是，第一介质引导部的第二子腔室的横截面面积不同于第二介质引导部的第二子腔室的横截面面积。备选地或附加地，整个第一介质引导部的横截面面积也可以不同于第二介质引导部的横截面面积。这也导致通过构造压力落差来适配介质的引导。

燃料电池堆的特征尤其在于，设置多个沿堆叠方向相叠地堆叠的燃料电池，所述燃料电池具有至少一个双极板和膜电极组件。燃料电池和双极板的堆叠形成沿堆叠方向延伸的介质空间。类似地，相叠地堆叠的第二子腔室也形成三维空间，遮挡件被插入或能被插入到该三维空间中以适配穿通部的流动横截面。尤其有利的是，遮挡件沿堆叠方向或逆着堆叠方向可调节地支承；这实现穿通部的流动横截面的动态适配并且因此实现介质质量流的动态适配。针对双极板描述的优点和设计也类似地适用于具有至少一个双极板的燃料电池堆。

上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合使用，而且能以其它组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。因此，如下实施方案也被本发明包括并视为被公开，所述实施方案未在图中明确示出或解释，但是从所解释的实施方案中的单独的特征组合得出以及可产生。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、以下优选实施例的描述以及根据附图得到。其中：

图1示出双极板的示意图。

具体实施方式

图1示出用于燃料电池的双极板1，该双极板具有活性区域3和包围活性区域3的边缘区域4。边缘区域4具有三个构成为第一介质端口的第一介质引导部10，即用于将第一反应物供应到双极板1的活性区域3中的介质端口10a、用于将第二反应物供应到双极板1的活性区域3中的介质端口10b和用于将冷却剂供应到双极板1的活性区域3中的介质端口10c。此外，存在三个构成为第二介质端口的第二介质引导部7，即用于排出第一反应物的介质端口7a、用于排出第二反应物的介质端口7b和用于排出冷却剂的介质端口7c。在第一介质引导部10和第二介质引导部7之间存在在活性区域3上伸延的介质通道8，所述介质通道分别形成用于相关工作介质的流场。

第一介质引导部10具有多个第一穿通部5。第二介质引导部7具有多个第二穿通部6。此外，构造有多个介质通道8，所述多个介质通道伸延穿过双极板1的活性区域3。介质通道8将第一介质引导部10的第一穿通部5与相应的第二介质引导部7的第二穿通部6流动机械地连接。介质通道8在图1中简化地示出。由此，介质通道8优选构成为介质通道网络，该介质通道网络优选蜿蜒状地伸延穿过双极板1的活性区域3。尤其是，介质通道8在一侧上敞开地伸延，以便为与双极板1相邻的层的活性区域供应以介质。第一穿通部5和第二穿通部6构造在双极板主体15内，从而穿通部5、6在双极板1下隧穿。

第一介质引导部10具有第一子腔室2和具有穿通部5的第二子腔室11。在第一子腔室2和第二子腔室11之间，第一介质引导部10的流动横截面变细地构造。换言之，在第一子腔室2和第二子腔室11之间布置有带有减小的流动横截面的介质引导通道12。遮挡件9(Blende)被插入或能被插入到第二子腔室11中。当前，遮挡件9借助致动器可移动地支承在第二子腔室11内，从而可以通过移动遮挡件9来适配一个或多个穿通部5的流动横截面。第二子腔室11的横截面面积在此大致相应于遮挡件9的横截面面积，从而实现遮挡件9与穿通部5的提高的接触面积，以便实现相应的介质密封。

为了更容易地制造双极板1，介质引导通道12或在第一子腔室2和第二子腔室11之间的变细的流动横截面通过两个相对置的突出的凸起部13形成，所述凸起部为了清楚起见仅在第二介质引导部7之一中标明。凸起部13因此构造在双极板主体15本身中。两个子腔室2、11和相应介质引导部10、7的介质引导通道12由此可以在唯一的制造步骤中制造。凸起部13在此形成用于遮挡件9的引导轨道，从而该遮挡件可以在没有附加的引导元件或固定元件的情况下沿着第二子腔室11移动。

图1的实施例还示出，第二介质引导部7中的至少一个第二介质引导部也包括第一子腔室2和具有穿通部6的第二子腔室11。在第一子腔室2和第二子腔室11之间，第二介质引导部7的流动横截面变细地构造。第二遮挡件14同样被插入或能被插入到第二子腔室中。第二遮挡件14也可以在第二子腔室11内借助致动器调节，尤其是可移动地支承，以便能够调整穿通部6的流动横截面。遮挡件9优选地插入到第一介质引导部10的所有第二子腔室11中，该遮挡件可以通过致动器来调节。存在如下可能性，即，可借助致动器调节的遮挡件14附加地插入到第二介质引导部10的所有第二子腔室11中。

在根据图1的实施方式中，第一介质引导部10的第二子腔室11的横截面面积相应于第二介质引导部7的第二子腔室11的横截面面积。然而，在一种备选的实施例中，第二子腔室11的横截面面积也可以不同，这导致了介质供应和介质排出的附加的调节可能性。

图1中描述的双极板1可以集成到具有多个沿堆叠方向相叠地堆叠的燃料电池的燃料电池堆中。为此，在每两个这样的双极板1之间安放有膜电极组件，以便借助双极板1的流场给所述膜电极组件供应以反应物。通过所述堆叠产生基本上平行于堆叠方向伸延的介质空间。介质空间形成沿堆叠方向延伸的三维的第二子腔室11，共同的遮挡件9、14插入并可调节地支承到第二子腔室11中。这实现燃料电池堆内的介质的动态引导和调节。

1双极板

2第一子腔室

3活性区域

4边缘区域

5第一穿通部

6第二穿通部

7第二介质引导部

7a用于第一反应物的第二介质端口

7b用于第二反应物的第二介质端口

7c用于冷却剂的第二介质端口

9遮挡件

10第一介质引导部

10a用于第一反应物的第一介质端口

10b用于第二反应物的第一介质端口

10c用于冷却剂的第一介质端口

11第二子腔室

12介质引导通道

13凸起部

14第二遮挡件

15双极板主体。