本技术涉及一种用于低温聚合物电解质膜燃料电池(nt-pem燃料电池)的双极板以及相关的nt-pem燃料电池。
背景技术：
1、nt-pem燃料电池，也称作为质子交换膜燃料电池，使用氢气作为燃料来产生电能。质子可穿透的聚合物膜作用为固体电解质并且在两侧上用催化活性的电极覆层以形成膜电极单元。气态的反应配对物即氢气和空气(氧气)的供给以及作为反应产物的水的导出经由所谓的双极板进行，所述双极板出于该目的具有用于这些运行介质的相应的通道系统。为了尽可能全面地且均匀地给电极加载反应气体，在双极板的膜电极单元和通道系统之间通常设置多孔的气体扩散层。
2、为了产生可技术上适宜地使用的运行电压，nt-pem燃料电池通常构成为由多个电串联连接的单个单池形成的堆叠。每个双极板在这种堆叠中作用为用于这两个邻接的膜电极单元的阳极侧或阴极侧的承载板并且保证在单池的阳极与其相邻单池的阴极之间的导电连接。此外，双极板设立用于导出运行热量并且出于该目的例如具有用于使冷却流体引导穿过的另一通道系统。
3、nt-pem燃料电池的一个重要应用是在燃料电池车辆中使用，所述燃料电池车辆消耗直接在电驱动器中产生的电能或将其暂存在驱动电池中。例如，用于移动式应用的nt-pem燃料电池的双极板包括用于运行介质的蜿蜒形的通道系统。蜿蜒形的通道系统具有非常长的多条单个通道，当气态运行介质引导川谷时，沿着所述多条单个通道会产生高的压力损失，这可能导致在单池反应中形成的水的所不期望的积聚。此外，具有气体分配结构的双极板是已知的，其构成用于在有源的、产生电流的面的区域中在相关端口和通道系统之间引入和引出运行介质。由于气体分配结构的空间需求，燃料电池的面积相关的功率密度降低，并且此外，在阴极侧上由于气体分配结构中的整个气体体积流被聚集到少量通道上导致在单池运行中形成的水无法充分地运出。
技术实现思路
1、本实用新型公开一种用于nt-pem燃料电池的双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合，其中-阳极板具有外侧的氢气通道系统，所述外侧的氢气通道系统用于在氢气输入端口和氢气输出端口之间引导氢气，其中氢气输入端口和氢气输出端口在双极板的相对置的边缘侧上彼此错开地设置，并且其中氢气通道系统包括多个氢气通道，所述多个氢气通道分别沿着前部段、中部段和后部段分段地直线地并且彼此平行地伸展，其中中部段分别与前部段和后部段成直角地取向，
2、-阴极板具有外侧的空气通道系统，所述外侧的空气通道系统用于在空气输入端口和空气输出端口之间引导空气，其中空气输入端口和空气输出端口设置在双极板的相对置的边缘侧上，并且其中空气通道系统包括多个空气通道，所述多个空气通道分别直线地彼此平行并且平行于氢气通道的中部段伸展，并且
3、-阳极板和阴极板分别具有在内侧与氢气通道系统或空气通道系统互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统以在冷却流体输入端口和冷却流体输出端口之间引导冷却流体，其中冷却流体输入端口和冷却流体输出端口与氢气输入端口和氢气输出端口设置在双极板的相同的边缘侧上并且冷却流体输入端口和冷却流体输出端口相对置地并且彼此错开地设置。
4、本实用新型基于如下思想：将双极板的通道系统设计用于使相关的nt-pem燃料电池的面相关的功率密度最大化。出于该目的，尤其需要将在单池运行中形成的水有效地引出。为此，氢气和空气通道系统的通道尤其与从现有技术中已知的蜿蜒形的通道结构相比分别非常短地构成。因此，空气通道直线地沿着在空气输入端口和空气输出端口之间的最短的路段伸展，并且氢气通道直线地沿着三个部段伸展，其中所述氢气通道在部段之间的过渡部中分别以90°转向。由于通道长度小，在引导气态的运行介质时仅产生相对小的压降，使得形成的水能够被有效地一起引导到气体体积流中并且被迅速地运出。由于通道的直线式的伸展在此也能够降低或减少所不期望的液滴形成，否则所述液体形成尤其在通道壁部(流转向部)的沿着流动方向弯曲的部段上发生。
5、通过弃用从现有技术中已知的气体分配结构以及通过在根据本实用新型的双极板的边缘侧上设置用于运行介质的所有端口，提高在整个构件面上的可供电流产生使用的面积的份额，由此提高相关的nt-pem燃料电池的比面积功率密度。
6、阳极板和阴极板分别由适宜的、尤其能良好导电的材料构成，例如由金属或适合的塑料构成。阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合以形成双极板，使得氢气通道系统和空气通道系统分别设置在双极板的外侧上。阳极板和阴极板的厚度分别例如为100微米和500微米之间。
7、在内侧上阳极板和阴极板分别具有与氢气通道系统或空气通道系统互补的通道结构，由此形成冷却流体通道系统以引导冷却流体例如水。双极板的这种有源且大面积的冷却是对于根据本实用新型所致力于最大化nt-pem燃料电池的功率密度的另一主要贡献，其中冷却尤其引起在燃料电池的持续运行中的恒定高的功率密度。冷却流体输入端口和冷却流体输出端口与氢气输入端口和氢气输出端口设置在双极板的相同的边缘侧上并且冷却流体输入端口和冷却流体输出端口相对置地和彼此错开地设置；例如在一个边缘侧上氢气输入端口和冷却流体输入端口并排地设置，并且在相对置的边缘侧上氢气输出端口和冷却流体输出端口以相反的顺序设置。冷却流体通道系统确保冷却流体在根据本实用新型的双极板的整个的有源面上大面积的分布。为了使冷却流体的流均匀化例如能够将适合的节流部位引入各个冷却流体通道中。
8、在一个有利的实施方式中，阳极板和阴极板具有矩形的轮廓，其中-空气输入端口和空气输出端口设置在阳极板和阴极板的短的边缘侧上和/或沿着短的边缘侧的总长度延伸，
9、-氢气输入端口，氢气输出端口、冷却流体输入端口和冷却流体输出端口设置在阳极板和阴极板的长的边缘侧上，
10、-空气通道和氢气通道的中部段平行于长的边缘侧伸展，并且氢气通道的前部段和后部段平行于短的边缘侧伸展。
11、矩形的轮廓实现将用于运行介质的六个端口沿着阳极板和阴极板的边缘侧适宜地设置，其中在长的边缘侧上存在对于设置各两个足够大地定尺寸的用于氢气或冷却流体的端口所需的空间。
12、在另一实施方式中，氢气通道的至少一部分在中部段中划分为至少两个彼此平行地伸展的子通道，其中每个子通道的横截面积优选对应于氢气通道的在前部段中和在后部段中的横截面积。根据阳极板的优选矩形的轮廓的纵横比能够将氢气通道的中部段划分为两个或更多个子通道。这些结构方面的措施针对通过氢气通道系统在横截面积优选连续恒定的情况(除了在相邻的部段之间的流转向区域以外)下尽可能整面地覆盖阳极板。
13、在另一实施方式中，所有氢气通道在氢气输入端口和氢气输出端口之间基本上具有相同的长度，和/或最长的氢气通道和最短的氢气通道的长度彼此相差小于1％。由于长度相同，沿着所有氢气通道存在类似的流量比，使得相关的燃料电池的有源面全部被均匀地供给氢气，这又有益于高的单池功率。
14、空气通道系统能够有利地构成为，使得空气通道分别具有至少一个狭窄部位，所述狭窄部位具有减小的通道直径以节流可引导穿过的空气。在这种狭窄部位上游，产生用于引导穿过的空气的拥塞效应，由此在膜电极单元的与其邻接的气体扩散层中产生横向于空气的主流动方向取向的扩散，这引起有源的单池面被加载空气方面的改善的均匀度。空气体积流的在狭窄部位下游产生的加速引起在单池反应中形成的水的更有效的携带。此外，空气体积流的在狭窄部位上出现的压降引起空气对于水蒸气的吸纳能力的提高，使得较大量的水在没有不期望的液滴形成的情况下可通过空气通道系统导出。尤其地，每个空气通道能够具有多个狭窄部位，所述狭窄部位彼此间隔开地设置，使得在单池运行中沿着空气通道存在恒定的相对湿度。
15、在另一实施方式中，冷却流体通道系统在邻接于冷却流体输入端口和冷却流体输出端口的部段中具有多个在相邻的冷却流体通道之间的连接部位，使得冷却流体可在相邻的冷却流体通道之间引导穿过。由此，确保冷却流体通道被均匀地加载冷却流体进而确保在整个的双极板之上均匀的冷却功率。
16、本实用新型还涉及一种nt-pem燃料电池，其至少包括在两个根据上述实施方式之一所述的双极板之间具有气体扩散层的膜电极单元。尤其地，nt-pem燃料电池构成为由多个电串联连接的单个单池形成的堆叠。运行介质(氢气、空气、水、冷却流体)的管理以及借助于根据本实用新型的双极板的散热是有效的，使得nt-pem燃料电池的功率密度由所使用的膜电极单元限制。例如，借助nt-pet燃料电池能够产生在0.6v的单池电压下的2a/cm2的持续电功率(按燃料电池连同端口和密封装置的有源面计)。
1.一种用于低温聚合物电解质膜燃料电池的双极板(1000)，包括阳极板(100)和阴极板(200)，所述阳极板和阴极板彼此堆叠地设置和/或接合，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的双极板(1000)，
3.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
4.根据权利要求3所述的双极板(1000)，
5.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
6.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
7.根据权利要求1或2所述的双极板(1000)，
8.一种低温聚合物电解质膜燃料电池(5000)，至少包括膜电极单元(2000)，其特征在于，该膜电极单元在两个根据权利要求1至7中任一项所述的双极板(1000)之间具有气体扩散层。
