具有完整密封性的燃料电池的双极板和具有该双极板的燃料电池单元

摘要

本发明主要涉及一种燃料电池的双极板(22)，该双极板在其至少一个面(51)上包括至少一个凸边(47，23a，33a，40a，27a，35a，41a，23a)，该凸边完全或部分地支持密封垫(54)，以便确保所述电池的在助燃剂进入线路、燃料进入线路、载热流体进入线路、助燃剂输出线路、燃料输出线路和载热流体输出线路中的至少一个流体线路的密封性，其中密封垫是金属薄片或者丝印的，所述线路是由在所述板(22)上分别形成助燃剂和燃料的进入和输出装置(33，40，35，41)的开口和分别形成载热流体进入和输出装置(23，27)的开口的重叠而形成的。

权利要求

1.一种燃料电池的双极板(22)，其特征在于，所述双极板在其至少一面(51)上包括至少一个凸边(47，23a，33a，40a，27a，35a，41a，23a)以便确保所述电池在助燃剂进入线路、燃料进入线路、载热流体进入线路、助燃剂收集线路、燃料收集线路和载热流体收集线路中的至少一个流体线路的密封性，所述线路是在组装所述燃料电池的构成单元(1)时由在所述板(22)上分别形成助燃剂和燃料的进入和输出装置(33，40，35，41)的开口和分别形成载热流体进入和输出装置(23，27)的开口的重叠而形成的，并且其特征还在于，至少一个凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)完全或部分地支撑密封垫(54)，所述密封垫是金属薄片或者是丝印的。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板包括至少一个外围凸边(47)，所述外围凸边包围形成反应物进入和输出装置(33，40，35，41)的开口和形成载热流体进入和输出装置(23，27)的开口。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，当组装所述电池的所述构成单元时，至少一个内部凸边(23a，27a，33a，40a，41a，35a)包围形成反应物进入和输出装置(33，40，35，41)的开口和形成载热流体进入和输出装置(23，27)的开口中的至少一个开口，以便密封对应的流体线路。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，当组装所述电池的所述构成单元时，所述内部凸边(23a，27a，33a，40a，41a，35a)包围形成反应物进入和输出装置(33，40，35，41)的每个开口以及形成载热流体进入和输出装置(23，27)的每个开口，以便密封所有流体线路。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的双极板，其特征在于，所述外围凸边(47)接合于包围至少一个形成反应物进入或输出装置(33，40，35，41)的开口以及至少一个形成载热流体进入或输出装置(23，27)的开口的所述内部凸边(23a，27a，，33a，35a，40a，41a)的最外面的部分。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，当组装所述电池的所述构成单元时，至少一个内部凸边(23a，27a，33a，40a，41a，35a)包围形成反应物进入和输出装置(33，40，35，41)的开口和形成载热流体进入和输出装置(23，27)的开口中的至少一个开口，以便密封对应的流体线路。

7.根据权利要求2-4中任一项所述的双极板，其特征在于，所述板(22)的所述外围凸边(47)以及包围形成反应物进入和输出装置(33，35，40，41)和形成载热流体进入和输出装置(23，24，27，28)的开口的所述内部凸边(33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)被所述密封垫(54)覆盖。

8.根据权利要求1-4或6中任一项所述的双极板，其特征在于，所述板由金属材料制成。

9.根据权利要求1-4或6中任一项所述的双极板，其特征在于，所述板由膨胀石墨或者填充复合物制成。

10.根据权利要求1-4或6中任一项所述的双极板(22)，其特征在于，包括外围凸边和内部凸边的所述凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)通过拉伸或者冲压而形成。

11.一种燃料电池单元，其特征在于，它包括至少一个膜电极组装板(50)，所述膜电极组装板(50)包括作为阳极和阴极反应场所的活性区(52)，并且所述膜电极组装板(50)被夹在两个根据权利要求1至9中任一项所述的双极板之间。

12.根据权利要求11所述的单元，其特征在于，所述膜电极组装板(50)包括外围框架(53)，当组装所述单元时，所述外围框架抵靠在所述双极板(22)的至少一个凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)上。

13.根据权利要求12所述的单元，其特征在于，所述膜电极组装板(50)包括外围框架(53)，当组装所述单元时，所述外围框架抵靠在所述双极板(22)的所有所述凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)上。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的单元，其特征在于，所述膜电极组装板(50)的所述框架(53)与所述双极板(22)是机械兼容的。

15.一种燃料电池，包括至少一个根据权利要求11至14中任一项所述的单元。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种燃料电池的双极板。

本发明还涉及一种具有该双极板的燃料电池单元。

背景技术

燃料电池是一种基于燃料(通常为氢)和助燃剂(氧气或含氧气的气体例如空气)能够将化学能转化为电能的电化学装置，反应唯一的产物是水，同时释放热量并产生电。
在燃料电池内部，导致在电极发生反应的一般化学反应如下：
H2+O2→H2O
燃料电池可用于为所有的设备例如电脑、或手机提供电能，而且它也可以用来驱动机动车辆和/或给容纳在车辆中的电气装置供电。
燃料电池(燃料电池叠层)可以由一个或多个单元组成。
参照图1，图1是现有技术的燃料电池单元，该单元(cellule)1包括质子传导电解质2，该电解质夹在阴极多孔电极3和阳极多孔电极4之间，它确保在这两个电极3、4之间的电子传递。
为此，电解质2可以是厚度在20至200μm的质子交换聚合物膜，所得的电池是PEMFC(即质子交换膜燃料电池)类型的电池。
由电解质2和两个电极3、4构成的组件形成了膜电极组装板(MEA)5，而膜电极组装板本身又被夹在第一双极板6和第二双极板7之间，第一双极板6和第二双极板7用于确保电流的积聚(收集)、电极中助燃剂和燃料的分布(分配)以及载热流体的循环。
通常使用的双极板6，7是由具有良好抗腐蚀和导电性能的材料，例如含碳材料，如石墨、浸渍聚合物的石墨或者柔软的石墨片，通过加工或模塑成型而制成的。
也可以使用金属材料例如钛基合金、铝基合金和铁基合金(如不锈钢)来制造双极板6，7。在这种情况下，双极板的成型可以通过对薄片的拉伸或冲压来实现。
为了确保助燃剂、燃料和载热流体分布在电池的所有构成单元中，第二双极板7具有六个孔7a，7b，7c，7d，7e，7f，其中三个孔7a，7b，7c规则地设置在该板7的上边缘8，另外三个孔7d，7e，7f以对称的方式同样规则地设置在该板7的下边缘9。
第一双极板6具有设置在与双极板7相同的地方的相同的孔，图1仅示出了上面的三个孔6a，6b，6c和下面的一个孔6d。
第一双极板6的孔6a，6b，6c，6d和第二双极板7的孔7a，7b，7c，7d，7e，7f应该对齐以确保在组装该电池时流体穿过电池的所有构成单元来循环。
在这些孔7a，7b，7c，7d，7e，7f，6a，6b，6c，6d的每个孔处，导管(未示出)可以用于供应或者回收载热流体、助燃剂或者燃料，这些载热流体、助燃剂或者燃料在板6，7的表面上或者在板6，7中在为此目的设置的管道或流体循环线路中循环，这些管道或流体循环线路将在下面详细描述。
参照图2，图2是沿图1的线II-II的剖视图，阴极电极3和阳极电极4每一个均包括各自的活性层10，11(其分别是发生阴极和阳极反应的所在地)和各自的插在活性层10，11之间的扩散层12，13以及对应的双极板7，6，该扩散层12，13可以是纸基体或碳织物。
扩散层12，13确保反应物(例如氢和氧)在它们相应的管道14，15中均匀扩散，管道14，15通过在相应的双极板7，6中形成凹槽来形成。
这样，通过扩散层13给阳极电极4的活性层11供应氢，并且在该活性层11中发生如下反应：
H2→2e-+2H+          (1)
以相同的方式，通过扩散层12给阴极电极3的活性层10供应氧，并且在该活性层10中发生如下反应：
O2+2H++2e-→H2O    (2)
通过导电膜2的存在这些反应是可以发生的，导电膜2的存在确保了从阳极4的活性层11到阴极3的活性层10的质子传递。
由于所使用的流体特性和发生的电化学反应，所以在燃料电池的设计中，密封性是重要的考虑因素。
参照图3，图3示出了现有技术的燃料电池单元，该密封性可以通过插在对应的基本长方形的双极板6，7和膜电极组装板(plaque d’assemblage membrane électrodes)5之间的密封垫16，17来实现，膜电极组装板5由活性区19和围绕该活性区19的框架18构成，该活性区19是电化学反应的场所。
参照该图示出的电池单元1的阳极部分，在电池组装中，密封垫17嵌入在双极板6上设置的、围绕反应物分布管道15的相配合的基本长方形的周边凹槽20。
在这个组装操作中，组件5的框架18靠在双极板6的整个周边上并压紧对应的密封垫16，这实现了在阳极部分和电极外部之间的密封性。
当然，对称地，在单元1的阴极部分，双极板7也具有容纳密封垫17并围绕该板7的助燃剂分布管道(因为清楚起见，在该图上没有示出也没有标记)的周边凹槽。可以理解，被示出并标记的凹槽21和双极板7的分布管道14’属于与(电池)单元1相邻的(电池)单元的阳极部分。
同样凹槽20和阴极部分的双极板中的对应凹槽可以设置为圆形形状，这种情况下，使用的密封垫16是O形环。
根据现有技术，密封垫16也可以是平的或者丝印(sérigraphié)的密封垫，在这种情况下，电池单元部件以及尤其是双极板6，7具有合适的形状。
也可以这样设计，密封垫在安装前定位在膜电极组装板5上而不是定位在双极板上，在这种情况下，构成(电池)单元的部件也是适合的。
在图3示出的现有技术的装置中，必须制造双极板6，7，并且密封垫必须符合特别是用于确保电池的密封性的抗耐性方面的严格标准。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的尤其是提供一种可以解决上述问题的燃料电池的双极板。
本发明的双极板22的主要特征在于，所述双极板在其至少一面51上包括至少一个凸边47，23a，33a，40a，27a，35a，41a，23a以便确保所述电池的在助燃剂进入线路(le circuit d’entrée，或供应线路)、燃料进入线路、载热流体进入线路、助燃剂收集线路(le circuit de collecte，或排出线路)、燃料收集线路和载热流体收集线路中的至少一个流体线路的密封性，所述线路是在组装构成所述燃料电池的单元1时由在所述板22上分别形成助燃剂和燃料的进入(entrée，或入口)和输出(sortie，或出口)装置33，40，35，41的开口和形成载热流体进入和输出装置23，27的开口相重叠而形成的。
优选地，本发明的双极板包括至少一个外围凸边47，所述外围凸边包围形成反应物进入和输出装置33，40，35，41的开口和形成载热流体进入和输出装置23，27的开口。
优选地，当组装电池的构成单元时，至少一个凸边23a，27a，33a，40a，41a，35a包围在形成反应物进入和输出装置33，40，35，41的开口和形成载热流体进入和输出装置23，27的开口中的至少一个开口，以便密封对应的流体线路。
在这种情况下，当组装电池的构成单元时，凸边23a，27a，33a，40a，41a，35a可以包围形成反应物进入或输出装置33，40，35，41的每个开口和形成载热流体进入或输出装置23，27的每个开口，以便密封所有流体线路。
另外，对于至少一个形成反应物进入或输出装置33，40，35，41的开口或者形成载热流体进入或输出装置23，27的开口，所述外围凸边47可以接合所述凸边23a，24a，27a，28a的最外面的部分。
根据一个优选的实施例，至少一个凸边47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a支撑部分的或者全部的密封垫54。
优选地，所述双极板22的外围凸边47和形成反应物进入和输出装置33，35，40，41和形成载热流体进入和输出装置23，24，27，28的开口的凸边，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a被所述密封垫54覆盖。
另外，密封垫可以是金属薄片或者是被丝网印刷的。
优选地，所述双极板是由金属材料制成的，也可以由膨胀石墨或者填充复合物(composite chargé)制成。
优选地，所述凸边47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a通过拉伸或者冲压而形成。
本发明还涉及一种燃料电池单元，该燃料电池单元包括膜电极组装板50，所述膜电极组装板50尤其包括作为阳极和阴极反应场所的活性区52，并且所述膜电极组装板50被夹在两个前述的双极板之间。
优选地，所述膜电极组装板50包括外围框架53，当组装所述单元时，所述外围框架抵靠在所述双极板22的至少一个凸边47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a上。
更优选地，所述膜电极组装板50包括外围框架53，当组装所述单元时，所述外围框架抵靠在所述双极板22的所有凸边47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a上。
优选地，所述膜电极组装板50与所述双极板22是机械兼容的。
最后，本发明还涉及一种燃料电池，该燃料电池包括至少一个前述的单元。

附图说明

参照附图，通过阅读以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它目的、优点和特征将变得更加清楚，附图示出了本发明装置的非限制性实施例，附图中：
图1是现有技术的燃料电池单元的分解透视图；
图2是沿图1的线II-II的剖视图；
图3是现有技术的燃料电池单元的分解透视图；
图4是本发明的双极板的正视图；
图5是图4中标记为V的圈部分的放大透视图；
图6是当双极板与膜电极组装板装配在一起时双极板上部的沿图5的线VI-VI的剖视图；以及
图7是当双极板与膜电极组装板装配在一起时双极板上部的沿图5的线VII-VII的剖视图。

具体实施方式

参照图4，本发明的双极板22具有长方形的形状。
板22包括载热流体进入窗口23，该窗口在板22的周边在第一纵向边缘31上纵向延伸，从第一纵向边缘始在板22中形成的两个载热流体导入管道25，26从该进入窗口23延伸到一个长方形中央表面46的周边，在中央表面处它们在板22中穿过。
因此，这些管道25，26确保了载热流体自进入窗口23导入到板22中，由此导入的载热流体在整个厚度的板的中央表面处在示意性示出并标记为26a和25a的分布线路中循环(流通)。
双极板22还包括载热流体收集(排出)窗口27，该窗口在板22的周边在相对的第二纵向边缘32上纵向延伸，自该第二纵向边缘，在板22中形成的两个载热流体收集管道29，30从长方形中央表面46延伸到窗口27，从而使该载热流体在载热流体分布管道25a，26a中循环后被收集。
在组装电池时，电池的所有构成单元的载热流体的进入窗口23和收集窗口27重叠(superposer)在一起，形成由载热流体的进入线路和载热流体的输出线路组成的载热流体线路。
板22还包括助燃剂的进入窗口33以及助燃剂的输出窗口35，该进入窗口设置在板22的周边并在板22的第一横向边缘34的第一二分之一部分上横向地延伸，而助燃剂的输出窗口35设置在板22的周边并基本上在助燃剂进入窗口33的对角线处在相对的第二横向边缘36的二分之一部分上横向地延伸。
助燃剂导入管道37在板22中形成并从助燃剂的进入窗口33朝长方形中央表面46延伸，以便助燃剂从该导入管道37朝着在双极板22中的在长方形中央表面46处形成的助燃剂分布管道37a扩散并扩散到助燃剂分布管道37a，助燃剂分布管道37a朝上开口，以便(助燃剂)在膜电极组装板的阴极电极中扩散，阴极电极在该图中未示出，阴极电极抵靠在双极板上，更具体地说，抵靠在下文将描述的中央区域46处。
助燃剂的收集管道(或输出管道)39在板22中形成并从助燃剂的输出窗口35朝向中央表面46延伸以便助燃剂从分布管道37a朝输出窗口35扩散，同时通过收集管道39。
当组装电池时，电池的所有构成单元的窗口33和35重叠形成用于输送助燃剂的流体线路，该流体线路由助燃剂的进入线路和输出线路构成。
对称地，双极板22还包括燃料的进入窗口40，该窗口沿第一横向边缘34的第二二分之一部分横向地延伸，而燃料的输出窗口41沿基本上设置在进入窗口40的对角线上的、第二横向边缘36的一个二分之一部分横向地延伸。
双极板22还包括燃料导入管道42和燃料收集管道(或输出管道)43，它们分别从燃料的进入窗口40和输出窗口41朝中央表面46延伸。
这样，燃料通过在双极板22中形成的燃料分布管道42a从进入窗口40朝向输出窗口41循环，该分布管道42a朝下开口以便扩散到膜电极组装板的阴极电极中，该阴极电极在该图中未示出，其靠在双极板的下面。
在组装电池时，电池的所有构成单元的窗口40和41重叠形成一个由燃料的进入线路和输出线路构成的用于输送燃料的流体线路。
参照图4和图5，双极板22包括设置在板22的整个周边的外围凸边47，该外围凸边47围住载热流体进入窗口23、助燃剂进入窗口33、燃料进入窗口40、载热流体输出窗口27、助燃剂输出窗口35、燃料输出窗口41和双极板22的长方形中央表面46。
该凸边可以确保被组装的电池内部和该电池外部之间的密封性。
而且，载热流体进入窗口23，助燃剂进入窗口33，燃料进入窗口40，载热流体输出窗口27，助燃剂输出窗口35，以及燃料输出窗口41均包括各自的凸边23a，33a，40a，27a，35a，41a，这些凸边分别确保组装电池(下文描述)时每个窗口23，33，40，27，35，41的密封性。
在载热流体进入窗口23和输出窗口27处，各自的凸边23a，27a的最外面部分与板22的外围凸边47接合，而在助燃剂和燃料对应的进入窗口33，40和输出窗口35，41处，双极板22的外围边47围住每个窗口33，40，41，35以及它的对应凸边33a，40a，41a，35a。
双极板22的外围边47以及载热流体进入窗口23、助燃剂进入窗口33、燃料进入窗口40，载热流体输出窗口27，助燃剂输出窗口35，以及燃料输出窗口41的各自凸边23a，33a，40a，27a，35a，41a可以通过拉伸(emboutissage)或冲压(estampage)来制成，并且具有与双极板22的平面平行的平坦的正面48(见图5)，该平坦正面48通过直的或倾斜的边缘49与双极板相连。
参照图6，当组装燃料电池时，膜电极组装板50倚靠在双极板22上，只有双极板22的上部面51具有助燃剂分布管道37a(在图上示出)。
膜电极组装板50的活性区域52主要包括电极和质子传导电解质，并且倚靠在双极板22的中央表面46上，以便在分布管道37a中循环(流通)的反应物在接触电极中扩散。
根据本发明，膜电极组装板50包括一个倚靠在双极板22的外围边47上并且不发生过度变形的框架53，该边47被丝印密封垫54覆盖。
因此，膜电极组装板50和双极板22的装配能够确保在发生电化学反应的活性区域和电池单元的外界之间的密封性，还能够更广泛地确保在组装的电池的内部和外部之间的密封性。
可以理解，电池的构成单元的每个半双极板优选包括该外围边47以便确保上述的密封性。
参照图7，当膜电极组装板50的框架53在载热流体的第一进入窗口23处重叠在双极板22上时，该框架53具有一个与该载热流体进入窗口23相符合的窗口56。
这样，框架53倚靠(或支撑)在窗口23的所有凸边上，这用于确保在载热流体的进入窗口23和单元的外界之间的密封性。
可以理解，膜电极组装板50的框架53还倚靠在每个助燃剂的进入和输出窗口33、35处、燃料的进入和输出窗口40、41处和载热流体的进入和输出窗口23、27处，并且可以理解在助燃剂的进入窗口33、燃料的进入窗口40处和在助燃剂的输出窗口35和燃料的输出窗口41处，框架53倚靠在这些窗口33，40，35，41的每一个窗口的外围边33a，40a，35a，41a上以及在外围边47上，该外围边47围住这四个窗口33，40，35，41的外围边33a，40a，35a，41a。
因此，当组装电池时，双极板的所有周边以及由此所有上述定义的凸边47，23a，24a，27a，28a，33a，35a，40a，41a与膜电极组装板50的框架53接触，并且在压紧力的作用下，它们可以发生弹性甚至塑性变形以便重叠在一起并确保在框架53上足够的线性力。
这样，在电池内部和外部之间的密封性通过双极板的外围凸边47的存在而获得，而反应物的进入和输出窗口33，40，41，35或者载热流体的进入和输出窗口23，27的每个窗口的特定密封性通过每个相应的凸边33a，40a，41a，35a，23a，27a的存在而获得。
优选地，膜电极组装板50的框架53被设计成与双极板22机械地兼容。