CN115280558A - 燃料电池单元 - Google Patents

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CN115280558A CN202180020439.9A CN202180020439A CN115280558A CN 115280558 A CN115280558 A CN 115280558A CN 202180020439 A CN202180020439 A CN 202180020439A CN 115280558 A CN115280558 A CN 115280558A
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Abstract

本发明涉及一种作为燃料电池堆叠的燃料电池单元，所述燃料电池单元用于以电化学的方式产生电能，所述燃料电池单元包括：以堆叠的方式布置的燃料电池，所述燃料电池分别包括质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层、双极板(10)，所述双极板具有三个分开的通道结构(29)，所述通道结构具有用于将氧化剂、燃料和冷却流体分开地引导通过的通道，并且所述通道结构(29)具有用于所述氧化剂、所述燃料和所述冷却流体的入口区域(37)和出口区域(38)；至少一个供应通道(43)，所述供应通道用于将氧化剂作为过程流体输入到用于所述燃料电池的氧化剂的气体空间中；至少一个供应通道(48)，所述供应通道用于将燃料作为过程流体输入到用于所述燃料电池的燃料的气体空间中；用于作为过程流体的冷却剂的至少一个供应通道(50)，所述供应通道用于将所述冷却剂输入到用于冷却剂的通道中；分配结构(45)，所述分配结构用于将所述过程流体从所述供应通道(43、48、50)引导和分配到所述双极板(10)的通道结构(29)中；其中，在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少两个供应通道(43、48、50)在纵向方向(57)上并排地构造，或者，在具有主要在纵向方向(57)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的纵向侧(55)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少两个供应通道(43、48、50)在横向方向(58)上并排地构造。

Description

燃料电池单元
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的燃料电池单元以及一种根据权利要求15前序部分的燃料电池***。
背景技术
作为原电池的燃料电池单元借助在阳极和阴极上的氧化还原反应将持续供应的燃料和氧化剂转化为电能和水。燃料电池用于各种不同的固定应用和移动应用，例如用在没有连接到电网上的房屋中或者机动车中、轨道交通中、航空中、航天中和航海中。在燃料电池单元中，多个燃料电池相叠地布置在作为堆(Stack)的堆叠(Stapel)中。
在燃料电池单元中，大量燃料电池相叠地布置成燃料电池堆叠。在燃料电池内，分别存在用于氧化剂的气体空间，即用于将氧化剂引导通过的流动空间，所述氧化剂例如是来自周围环境的带有氧气的空气。用于氧化剂的气体空间由双极板上的通道并且由用于阴极的气体扩散层形成。因此，所述通道由双极板的相应的通道结构形成，并且氧化剂、即氧气通过气体扩散层到达燃料电池的阴极。在阴极上由于电化学反应产生水，使得由此在用于氧化剂的气体空间上、尤其是在气体扩散层上发生水或冷凝物的积聚。水在阴极区域中的积聚、即尤其是在用于阴极的气体扩散层上的积聚，导致催化剂层的氧化剂供应因气体扩散层被水淹没而不足，使得由燃料电池产生的电压由此大幅下降。此外，这导致燃料电池的老化因水的积聚而增加。出于这个原因，尝试避免水在用于氧化剂的气体空间中的这种类型的积聚。来自周围环境的空气借助气体输送装置、例如鼓风机或者压缩机导入到用于氧化剂的气体空间中。
氧化剂通过至少一个供应通道导入到用于氧化剂的气体空间中并且通过至少一个导出通道从用于氧化剂的气体空间中排出。在双极板和膜电极组件中，延长部构造为密封板，在所述密封板中包含有流体开口。流体开口以对齐的方式堆叠地在燃料电池单元中定向，使得流体开口形成至少一个供应通道和至少一个导出通道。在密封板之间在流体开口的区域中布置有密封部，以便氧化剂不以不受控制的方式进入到密封板之间的中间空间中。氧化剂从至少一个供应通道中导入到用于氧化剂的通道中。用于氧化剂的供应通道具有小的横向延展尺度，使得在分配结构中在用于氧化剂的供应通道与具有用于氧化剂的通道的通道结构的入口区域之间需要大的横向分配。这是不利的，因为由此氧化剂在具有不同的温度和压力的情况下就已经流入到用于氧化剂的通道中。这类似地适用于作为燃料电池的另外的过程流体的冷却剂和燃料，使得这些另外的过程流体也在具有所提到的缺点的情况下流入到双极板的别的通道结构上的、用于冷却剂和燃料的通道中。用于燃料和冷却剂的供应通道和导出通道以类似的方式构造为密封板上的流体开口。由于仅在通道结构的一个端部上的、作为入口区域的一个子区域上导入各一个过程流体，因此，过程流体不是在任何地方都平行地流动通过该通道结构，使得只能够在小范围中实现通道结构内的过程流体之间的热量传递。这导致在用于氧化剂和燃料的气体空间中的温度和湿度方面的大的区别。因此，燃料电池的功率降低，老化增加。
DE 10 2006 019 114 A1公开了一种燃料电池***，该燃料电池***具有多个燃料电池，其中，所述燃料电池中的每个燃料电池包括膜电极组件、在膜电极组件的第一侧上的阳极催化剂层和在膜电极组件的第二侧上的阴极催化剂层，其中，所述多个燃料电池布置在至少两个梯级中，其中，所述多个燃料电池在所述至少两个梯级中的每个梯级中以并联布置的方式布置并且所述梯级以串联布置的方式布置，其中，第一梯级具有第一多个燃料电池，第二梯级具有第二多个燃料电池，其中，第一多个燃料电池所包括的燃料电池的数量大于第二多个燃料电池所包括的燃料电池的数量；该燃料电池***具有与第一梯级连接的阳极气体进入分配器；该燃料电池***具有用于阳极气体的至少一个进入分配器/排放分配器，其中，用于阳极气体的进入分配器/排放分配器使得阳极废气能够离开第一梯级并且使得阳极废气能够进入到第二梯级中；该燃料电池***具有与第二梯级连接的阳极气体排放分配器。
发明内容
根据本发明的燃料电池单元作为燃料电池堆叠，该燃料电池单元用于以电化学的方式产生电能，该燃料电池单元包括：以堆叠的方式布置的燃料电池，所述燃料电池分别包括质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层、双极板，该双极板具有三个分开的通道结构，所述通道结构具有用于将氧化剂、燃料和冷却流体分开地引导通过的通道，并且所述通道结构具有用于氧化剂、燃料和冷却流体的入口区域和出口区域；至少一个供应通道，该供应通道用于将氧化剂作为过程流体输入到用于燃料电池的氧化剂的气体空间中；至少一个供应通道，该供应通道用于将燃料作为过程流体输入到用于燃料电池的燃料的气体空间中；用于作为过程流体的冷却剂的至少一个供应通道，该供应通道用于将冷却剂输入到用于冷却剂的通道中；分配结构，该分配结构用于将过程流体从供应通道引导和分配到双极板的通道结构中；其中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，至少两个供应通道在纵向方向上并排地构造，或者，在具有主要在纵向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间的情况下，至少两个供应通道在横向方向上并排地构造。纵向方向和横向方向与由燃料电池张开的虚拟平面平行地定向。
在另一种构型中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，至少三个供应通道在纵向方向上并排地布置。
在一种附加的构型中，在具有主要在纵向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间的情况下，至少三个供应通道在横向方向上并排地布置。
在一种补充的实施方式中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，至少一个供应通道在横向方向上基本上居中地布置。“基本上居中”优选指的是，在与由燃料电池张开的虚拟平面平行的截面中，至少一个供应通道的中心点或者重心与燃料电池的中心纵向中心线的间距小于燃料电池的横向延展尺度的一半的30％、20％或者10％。
在另一种构型中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，所有供应通道在横向方向上基本上居中地布置。“基本上居中”优选指的是，在与由燃料电池张开的虚拟平面平行的截面中，相应至少一个供应通道的中心点或者重心与燃料电池的中心纵向中心线的间距小于燃料电池的横向延展尺度的一半的30％、20％或者10％。
在另一种实施方式中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，用于输入氧化剂的至少一个供应通道是在纵向方向上与通道结构的入口区域具有最大间距的供应通道。
在一种附加的构型中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，用于输入燃料的至少一个供应通道是在纵向方向上与通道结构的入口区域具有最小间距的供应通道。
符合目的地，在分配结构中构造有分开的第一、第二和第三分配通道，所述第一、第二和第三分配通道用于第一、第二和第三过程流体。
在另一种实施方式中，所述第一、第二和第三分配通道中的两个分配通道在与由燃料电池张开的虚拟平面垂直的方向上彼此分开地构造。因此，在水平定向的虚拟平面的情况下，所述第一、第二和第三分配通道中的两个分配通道与虚拟平面垂直地彼此分开地构造。因此，所述第一、第二和第三分配通道中的所述两个分配通道以节省空间的方式构造在不同平面中。
在另一种实施方式中，所述第一、第二和第三分配通道中的一个分配通道在与由燃料电池张开的虚拟平面平行的方向上与所述第一、第二和第三分配通道中的另一个分配通道并排地构造。因此，在水平定向的虚拟平面的情况下，所述第一、第二和第三分配通道中的两个分配通道与虚拟平面水平地并排地构造。因此，该分配结构需要的结构空间小。
在另一种实施方式中，燃料电池单元、尤其是燃料电池在纵向方向上具有纵向延展尺度并且在横向方向上具有横向延展尺度，所述纵向方向和所述横向方向彼此垂直地且与由燃料电池张开的虚拟平面平行地定向。
在一种补充的变型中，在分配结构构造在燃料电池单元的横向侧与双极板的通道结构之间的情况下，分配结构的横向延展尺度基本上相应于通道结构的入口区域的横向延展尺度。“基本上”优选意味着具有小于30％、20％或者10％的偏差。
优选地，所述第一、第二和第三分配通道相对于彼此呈小于45°或者30°的角度地定向。
在另一种构型中，优选在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，用于氧化剂的至少一个供应通道的横向延展尺度或者用于氧化剂的至少一个供应通道的横向延展尺度的和基本上相应于通道结构的入口区域的横向延展尺度。“基本上”优选意味着具有小于30％、20％或者10％的偏差。因此，基本上不需要燃料电池的从至少一个供应通道到通道结构的入口区域的横向分配。
根据本发明的燃料电池***、尤其是用于机动车的燃料电池***包括作为燃料电池堆叠的燃料电池单元、用于存储气态燃料的压缩气体存储器、用于将气态氧化剂输送至燃料电池的阴极的气体输送设备，所述燃料电池单元具有燃料电池，其中，所述燃料电池单元构造为在本专利申请中描述的燃料电池单元。
在另一种构型中，在纵向方向上从横向侧到双极板的通道结构的入口区域，首先构造用于氧化剂的至少一个供应通道，随后构造用于冷却剂的至少一个供应通道，并且紧接着在纵向方向上构造用于燃料的至少一个供应通道。
在另一种构型中，在横向方向上从纵向侧到双极板的通道结构的入口区域，首先构造用于氧化剂的至少一个供应通道，随后构造用于冷却剂的至少一个供应通道，并且紧接着在横向方向上构造用于燃料的至少一个供应通道。
在另一种构型中，在具有主要在横向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，用于氧化剂的至少一个供应通道的横向延展尺度或者用于氧化剂的至少一个供应通道的横向延展尺度的和基本上相应于通道结构的入口区域的横向延展尺度。“基本上”优选意味着具有小于30％、20％或者10％的偏差。因此，基本上不需要氧化剂的从至少一个供应通道到通道结构的入口区域的横向分配。
符合目的地，用于冷却剂的至少一个供应通道的横向延展尺度或者用于冷却剂的至少一个供应通道的横向延展尺度的和小于通道结构的入口区域的横向延展尺度的90％、70％或者50％。
在另一种变型中，用于燃料的至少一个供应通道的横向延展尺度或者用于燃料的至少一个供应通道的横向延展尺度的和小于通道结构的入口区域的横向延展尺度的90％、70％或者50％。
在一种附加的构型中，用于氧化剂和/或燃料和/或冷却剂的至少一个供应通道和/或至少一个导出通道与由燃料电池张开的虚拟平面基本上垂直地定向。用于氧化剂和/或燃料和/或冷却剂的至少一个供应通道和/或导出通道的定向是过程流体在该供应通道和/或导出通道中的纵轴线和/或流动方向。“基本上垂直”优选意味着具有小于30°、20°或10°的偏差。
在一种补充的变型中，通道结构的入口区域和出口区域在该入口区域和该出口区域主要在横向方向上的延展尺度的情况下仅构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间。因此，入口区域和出口区域不构造在纵向侧与通道结构之间。
在一种附加的实施方式中，在入口区域构造在燃料电池的横向侧与通道结构之间的情况下，入口区域的横向延展尺度基本上相应于通道结构的和/或燃料电池的横向延展尺度。“基本上”优选意味着具有小于30％、20％或者10％的偏差。
在一种补充的变型中，通道结构的入口区域和出口区域在该入口区域和该出口区域主要在纵向方向上的延展尺度的情况下仅构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间。因此，入口区域和出口区域不构造在横向侧与通道结构之间。
在一种附加的实施方式中，在入口区域构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间的情况下，入口区域的纵向延展尺度基本上相应于通道结构的和/或燃料电池的纵向延展尺度。“基本上”优选意味着具有小于30％、20％或者10％的偏差。
在一种补充的实施方式中，用于氧化剂、燃料和冷却剂的所有通道以如下方式构造在双极板的通道结构中，使得氧化剂、燃料和冷却剂基本上平行地流动通过所述通道。“基本上平行”优选意味着具有小于30°、20°或10°的偏差。
在另一种变型中，燃料电池单元包括至少一个导出通道，该导出通道用于将燃料从燃料电池中排出。
在一种补充的构型中，燃料电池单元包括至少一个导出通道，该导出通道用于将冷却剂从燃料电池中排出。
在另一种实施方式中，在具有主要在纵向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间的情况下，用于输入氧化剂的至少一个供应通道是在横向方向上与通道结构的入口区域具有最大间距的供应通道。
在一种附加的构型中，在具有主要在纵向方向上的延展尺度的入口区域构造在燃料电池的纵向侧与通道结构之间的情况下，用于输入燃料的至少一个供应通道是在横向方向上与通道结构的入口区域具有最小间距的供应通道。
在另一种构型中，在本保护权中公开的关于一个燃料电池的至少一个特征、尤其是所有特征构造在燃料电池单元的所有燃料电池中。
在一种附加的构型中，燃料电池单元的燃料电池以对齐的方式堆叠、尤其是上下相叠地堆叠。
在另一种变型中，燃料电池单元包括至少一个连接设备、尤其是多个连接设备和张紧元件。
符合目的地，用于燃料电池的部件是质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层和双极板。
在另一种构型中，燃料电池分别包括一个质子交换膜、一个阳极、一个阴极、至少一个气体扩散层和至少一个双极板。
在另一种实施方式中，连接设备构造为螺栓和/或构造为棒形和/或构造为张紧带(Spanngurt)。
符合目的地，张紧元件构造为张紧板。
在另一种变型中，气体输送设备构造为鼓风机/或者压缩机和/或带有氧化剂的压力容器。
尤其是，燃料电池单元包括至少3个、4个、5个或者6个连接设备。
在另一种构型中，张紧元件构造为板状的和/或片状的和/或扁平的和/或构造为格栅。
优选地，燃料是氢气、富氢气体、重整气或天然气。
符合目的地，燃料电池构造为基本上扁平的和/或片状的。
在一种补充的变型中，氧化剂是含氧的空气或者是纯氧。
优选地，燃料电池单元是具有PEM燃料电池的PEM燃料电池单元。
附图说明
以下参考所附附图详细描述本发明的实施例。附图示出：
图1示出具有燃料电池的部件的燃料电池***的大幅简化分解图，
图2示出燃料电池的一部分的透视图，
图3示出燃料电池的纵截面，
图4示出作为燃料电池堆叠、即燃料电池堆的燃料电池单元的透视图，
图5示出根据图4的燃料电池单元的截面，
图6示出第一实施例中的根据本发明的燃料电池单元的双极板的俯视图，
图7示出第二实施例中的根据本发明的燃料电池单元的双极板的俯视图。
具体实施方式
在图1至图3中示出燃料电池2作为PEM燃料电池3(聚合物电解质燃料电池3)的基本构造。燃料电池2的原理在于，借助电化学反应产生电能或电流。氢气H2作为气态燃料被传导到阳极7上，并且阳极7形成负极。气态氧化剂(即含氧的空气)被传导到阴极8上，即空气中的氧提供必需的气态氧化剂。在阴极8上发生还原(电子接收)。在阳极7上实施氧化作为电子输出。
电化学过程的氧化还原方程式是：
阴极：
O2+4H++4e-→2H2O
阳极：
2H2→4H++4e-
阴极和阳极的总反应方程式：
2H2+O2→2H2O
在作为无负载的燃料电池2的可逆燃料电池电压或者开路电压的标准条件下，电极对的正常电势的差为1.23V。在实际中达不到该1.23V的理论电压。在静止状态下和小电流的情况下，能够达到大于1.0V的电压，在以较大电流运行时，达到0.5V与1.0V之间的电压。多个燃料电池2的串联，尤其是作为多个堆叠地布置的燃料电池2的燃料电池堆叠1的燃料电池单元1，具有较高的电压，该较高的电压相应于燃料电池2的数量乘以各一个燃料电池2的单电压。
此外，燃料电池2包括布置在阳极7与阴极8之间的质子交换膜5(Proton ExchangeMembrane，PEM)。阳极7和阴极8层状或片状地构造。PEM5用作用于反应气体的电解质、催化剂载体和分离器。此外，PEM5用作电绝缘体并防止阳极7与阴极8之间的电短路。一般，使用12μm至150μm厚的、由全氟化的和磺化的聚合物制成的、传导质子的箔。PEM5传导质子H+并且基本上阻挡除质子H+之外的其他离子，使得由于PEM5对于质子H+而言的穿透性能够进行电荷迁移。PEM5对于反应气体(即氧气O2和氢气H2)而言基本上是不可穿透的，即，PEM5阻挡氧气O2和氢气H2在具有燃料(即氢气H2)的阳极7上的气体空间31与具有作为氧化剂的空气或氧气O2的阴极8上的气体空间32之间流动。PEM5的质子传导能力随着温度和水含量的增加而提高。
电极7、8作为阳极7和阴极8放置在PEM5的、分别面向气体空间31、32的两侧上。由PEM5和电极6、7组成的单元被称为膜电极组件6(Membran Electrode Assembly，MEA)。电极7、8与PEM5压紧。电极6、7是含铂的碳颗粒，所述碳颗粒结合在PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯-丙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基)、PVDF(聚偏二氟乙烯)和/或PVA(聚乙烯醇)上并被热压在微孔的碳纤维垫、玻璃纤维垫或塑料垫中。通常，各一个催化剂层30在朝向气体空间31、32的一侧施加在电极6、7上。在阳极7上具有燃料的气体空间31上的催化剂层30包括石墨化碳黑颗粒上的纳米级分散(nanodisperse)的铂钌，所述石墨化碳黑颗粒结合在结合剂上。在阴极8上具有氧化剂的气体空间32上的催化剂层30类似地包括纳米级分散的铂。例如，
Figure BDA0003840179360000101
PTFE乳化液或聚乙烯醇用作结合剂。
气体扩散层9(Gas Diffusion Layer，GDL)平放在阳极7和阴极8上。阳极7上的气体扩散层9将来自用于燃料的通道12的燃料均匀分布到阳极7上的催化剂层30上。阴极8上的气体扩散层9将来自用于氧化剂的通道13的氧化剂均匀分布到阴极8上的催化剂层30上。此外，GDL9在与反应气体的流动方向相反的方向上、即在从各个催化剂层30到通道12、13的方向上将反应水抽出。此外，GDL9保持PEM5湿润并且传导电流。GDL9例如由疏水性的碳纸和所结合的碳粉层构建。
在GDL9上存在双极板10。能够导电的双极板10用作集电器，用于排出水并且用于引导作为过程流体的反应气体通过通道结构29和/或流场29并且用于排出尤其是在放热的电化学反应时在阴极8上出现的废热。为了排出废热，双极板10中包含有通道14作为用于将液态的或者气态冷却剂作为过程流体传导通过的通道结构29。在用于燃料的气体空间31上的通道结构29由通道13形成。在用于氧化剂的气体空间32上的通道结构29由通道13形成。例如，金属、能够导电的塑料和复合材料或者石墨用作用于双极板10的材料。
多个燃料电池2以对齐的方式堆叠地布置在燃料电池单元1和/或燃料电池堆叠1和/或燃料电池堆1中(图4和图5)。在图1中示出两个以对齐的方式堆叠地布置的燃料电池2的分解图。密封件11以流体密封的方式密封气体空间31、32。在压缩气体存储器21(图1)中，氢气H2作为燃料以例如350巴至700巴的压力来存储。燃料从压缩气体存储器21通过高压管线18传导至减压器20，用以将中压管线17中的燃料的压力减小为大约10巴至20巴。燃料从中压管路17传导至喷射器19。在喷射器19上，燃料的压力降低为在1巴与3巴之间的吹入压力。燃料由喷射器19供应给用于燃料的供应管线16(图1)并且从供应管线16供应给用于燃料的通道12，所述通道形成用于燃料的通道结构29。燃料由此穿流用于燃料的气体空间31。用于燃料的气体空间31由通道12和阳极7上的GDL9形成。在流动通过通道12之后，在阳极7上的氧化还原反应中未消耗的燃料和可能来自阳极7的受控加湿的水通过导出管线15从燃料电池2中排出。
例如构造为鼓风机23或者压缩机24的气体输送装置22将来自周围环境的空气作为氧化剂输送到用于氧化剂的供应管线25中。空气从供应管线25供应给用于氧化剂的通道13(所述通道形成在双极板10上的用于氧化剂的通道结构29)，使得氧化剂流动通过用于氧化剂的气体空间32。用于氧化剂的气体空间32由通道13和阴极8上的GDL9形成。在流动通过用于氧化剂的通道13或气体空间32之后，在阴极8上未消耗的氧化剂和在阴极8上由于电化学氧化还原反应所产生的反应水通过导出管线26从燃料电池2中排出。供应管线27用于将冷却剂供应到用于冷却剂的通道14中，并且导出管线28用于排出被传导通过通道14的冷却剂。为简单起见，供应管线和导出管线15、16、25、26、27、28在图1中作为单独的管线示出，并且在结构上实际上在通道12、13、14附近的端部区域上构造为密封板41上的对齐的流体开口42，所述密封板作为彼此叠置的双极板10(图6和图7)和膜电极组件6(未示出)的端部区域上的延长部。燃料电池堆1与压缩气体存储器21和气体输送装置22一起形成燃料电池***4。
在燃料电池单元1中，燃料电池2布置在作为张紧板34的两个张紧元件33之间。上方的张紧板35放置在最上方的燃料电池2上，下方的张紧板36放置在最下方的燃料电池2上。燃料电池单元1包括大约200个至400个燃料电池2，所述燃料电池出于绘图的原因未全都在图4中示出。张紧元件33将压力施加到燃料电池2上，即上方的张紧板35以压力施加在最上方的燃料电池2上，下方的张紧板36以压力施加在最下方的燃料电池2上。因此，燃料电池堆叠2被张紧，以便确保用于燃料、氧化剂和冷却剂的密封性，尤其是由于弹性密封件11产生的密封性，并且以便还将燃料电池堆叠1内的电接触电阻保持得尽可能小。为了借助张紧元件33张紧电池燃料2，在燃料电池单元1上构造有四个连接设备39作为螺栓40，所述螺栓承受拉力。四个螺栓40与张紧板34固定连接。
图1至图5仅用于示出燃料电池2的基本工作方式，对本发明重要的特征在图1至图5中部分地未画出来。
在图6中示出第一实施例中的根据本发明的燃料电池单元1的燃料电池2的双极板10。双极板10由两个成型的板构成，即由上方的板和下方的板(图2和图3)构成，使得在双极板10中，通道12、13和14构造为三个分开的通道结构29。双极板10和膜电极组件6的密封板41上的流体开口42以对齐的方式堆叠地布置在燃料电池单元1内，使得构成供应通道和导出通道43、44、48、49、50、51。在此，在密封板42之间布置有未示出的密封部，用于流体密封地密封由流体开口42形成的供应通道和导出通道43、44、48、49、50、51。双极板10(图6)和膜电极组件6基本上矩形地构造，并且具有纵向方向57上的纵向延展尺度53作为长度和横向方向58上的横向延展尺度54。基本上层状的双极板10、膜电极组件6和气体扩散层9张开虚拟平面52。图6的绘图平面在虚拟平面52中或与这些虚拟平面平行地定向。
燃料电池单元1、燃料电池2和具有密封板41的双极板10具有两个在横向方向58上对置的纵向侧55作为横向方向58上的端部和两个在纵向方向57上对置的横向侧56作为纵向方向57上的端部。在图6中在左侧示出的横向侧56与通道结构29上的入口区域37之间构造有分配结构45，该入口区域用于将第一过程流体作为氧化剂导入到通道13中、将第二过程流体作为冷却剂导入到通道14中并且将第三过程流体作为燃料导入到通道12中。在分配结构45中布置有用于氧化剂的供应通道43、用于冷却剂的供应通道50和用于燃料的供应通道48。
通道结构29的入口区域37的横向延展尺度64相应于通道结构29的出口区域38的横向延展尺度65，并且略微小于双极板10的横向延展尺度54，即略微小于两个纵向侧55之间的在横向方向58上的间距。横向延展尺度64、65基本上相应于通道结构的横向延展尺度63，即入口区域和出口区域37、38在通道结构29的纵向方向57上构造在整个端部区域上。通道结构的纵向延展尺度62是双极板10的纵向延展尺度的大约60％至90％。
用于氧化剂的供应通道43的横向延展尺度66仅略微小于通道结构的入口区域37的横向延展尺度64，使得为了将氧化剂从用于氧化剂的供应通道43引导到从入口区域37开始的、用于氧化剂的通道13中，基本上不需要氧化剂在横向方向58上的横向分配，而是基本上只需要在纵向方向57上的纵向分配或纵向引导。出于这个原因，基本上只有第一分配通道59从供应通道43通向入口区域37，所述第一分配通道基本上与纵向方向57平行地定向。
用于冷却剂的供应通道50的横向延展尺度67明显小于通道结构的入口区域37的横向延展尺度64，使得为了将冷却剂从用于冷却剂的供应通道50引导到从入口区域37开始的、用于冷却剂的通道14中，不仅需要冷却剂在横向方向58上的横向分配，还需要在纵向方向57上的纵向分配或纵向引导。出于这个原因，用于作为冷却剂的第二过程流体的第二分配通道60从供应通道50通向入口区域37，并且第二分配通道60相对于纵向方向57呈小于45°的角度地定向。
用于燃料的供应通道48的横向延展尺度68明显小于通道结构的入口区域37的横向延展尺度64，使得为了将燃料从用于燃料的供应通道48引导到从入口区域37开始的、用于燃料的通道12中，不仅需要燃料在横向方向58上的横向分配，还需要在纵向方向57上的纵向分配或纵向引导。出于这个原因，用于作为燃料的第三过程流体的第三分配通道61从供应通道48通向入口区域37，并且第三分配通道61相对于纵向方向57呈小于45°的角度地定向。
供应通道43、48、50在横向方向上居中地构造。因此，供应通道43、48、50的中心点或重心与中心的纵向中心线47在纵向方向57上不具有间距。此外，供应通道43、48、50关于纵向中心线47轴对称地构造。作为虚拟重心的重心相应于与虚拟平面52平行地定向的、呈供应通道43、48、50形式的板在与虚拟平面52平行的截面中的重心。
过程流体，即氧化剂、冷却剂和燃料，在分配结构45的端部区域上从用于氧化剂的第一分配通道59导入到通道13中、从用于冷却剂的第二分配通道60导入到通道14中、从用于燃料的第三分配通道61导入到通道12中。在过程流体流动通过通道12、13、14之后，这些、即所述过程流体在出口区域38上在此从双极板10的通道结构29中逸出。在出口区域38与在图6中在右侧示出的横向侧56之间构造有收集结构46。收集结构46关于分配结构45基本上轴对称地和/或互补地构造。
用于氧化剂的导出通道44的横向延展尺度仅略微小于通道结构29的出口区域38的横向延展尺度65，使得为了将氧化剂从在出口区域38处结束的、用于氧化剂的通道13引导到用于氧化剂的导出通道44中，基本上不需要氧化剂在横向方向58上的横向分配，而是基本上只需要在纵向方向57上的纵向分配或纵向引导。出于这个原因，基本上第一收集通道69从出口区域38通向导出通道44，所述第一收集通道基本上与纵向方向57平行地定向。
用于冷却剂的导出通道51的横向延展尺度明显小于通道结构29的出口区域38的横向延展尺度65，使得为了将冷却剂从在出口区域38处结束的、用于冷却剂的通道14引导到用于冷却剂的导出通道51中，不仅需要冷却剂在横向方向58上的横向收集，还需要在纵向方向57上的纵向收集或纵向引导。出于这个原因，用于作为冷却剂的第二过程流体的第二收集通道70从出口区域38通到导出通道51中，并且第二收集通道70相对于纵向方向57呈小于45°的角度地定向。
用于燃料的导出通道49的横向延展尺度明显小于通道结构的出口区域38的横向延展尺度65，使得为了将燃料从在出口区域38处结束的、用于燃料的通道12引导到用于燃料的导出通道49中，不仅需要冷却剂在横向方向58上的横向收集，还需要在纵向方向57上的纵向收集或纵向引导。出于这个原因，用于作为燃料的第三过程流体的第三收集通道71从出口区域38通到导出通道49中，并且第三收集通道71相对于纵向方向57呈小于45°的角度地定向。
导出通道44、49、51在横向方向上居中地构造。因此，导出通道44、49、51的中心点与中心的纵向中心线47在纵向方向57上不具有间距。此外，导出通道44、49、51关于纵向中心线47轴对称地构造。
在图7中示出第二实施例中的根据本发明的燃料电池单元1的燃料电池2的双极板10。以下基本上只描述与第一实施例的区别。用于氧化剂的供应通道43两件式地构造，或者说构造有两个供应通道43并且在两个用于氧化剂的供应通道43之间布置有用于冷却剂的供应通道50。所述两个供应通道43具有共同的中心点，该共同的中心点位于中心的纵向中心线47上。因此，在第二实施例中仅在纵向方向57上并排地布置两个用于冷却剂和燃料的供应通道48、50。用于氧化剂的导出通道44两件式地构造，或者说构造有两个导出通道44并且在两个用于氧化剂的导出通道44之间布置有用于冷却剂的导出通道51。因此，在第二实施例中仅在纵向方向57上并排地布置两个用于冷却剂和燃料的导出通道49、51。
在上文描述的第一实施例中，分配结构45布置在横向侧56与通道结构29之间，使得过程流体在纵向方向57上基本上平行地流动通过通道结构29并且入口区域和出口区域37、38在横向方向上延伸。在第一实施例中，入口区域和出口区域37、38的横向延展尺度基本上相应于通道结构29的横向延展尺度63。在未示出的另一个实施例中，分配结构45布置在纵向侧55与通道结构29之间，使得过程流体在横向方向58上基本上平行地流动通过通道结构29并且入口区域和出口区域37、38在纵向方向上延伸。在未示出的第二实施例中，入口区域和出口区域37、38的纵向延展尺度基本上相应于通道结构29的纵向延展尺度62。
总的来说，根据本发明的燃料电池单元1和根据本发明的燃料电池***4具有显著的优点。所有过程流体在分配结构45和收集结构46中基本上彼此平行地被引导通过分配结构59、60、61和收集结构69、70、71。因此，可以在低的压力下降和由于过程流体之间的热量传递而产生的过程流体之间的温度均衡的情况下实现过程流体的均匀分配。有利地，因此在用于氧化剂和燃料的气体空间31、32中以及在用于冷却剂的通道14中的温度和湿度方面出现小的区别。因此，在运行期间发生轻微的老化的情况下，燃料电池单元1具有大的单位质量功率。

Claims (15)

1.一种作为燃料电池堆叠(1)的燃料电池单元(1)，所述燃料电池单元用于以电化学的方式产生电能，所述燃料电池单元包括：
-以堆叠的方式布置的燃料电池(2)，所述燃料电池(2)分别包括质子交换膜(5)、阳极(7)、阴极(8)、气体扩散层(9)、双极板(10)，所述双极板具有三个分开的通道结构(29)，所述通道结构具有用于将氧化剂、燃料和冷却流体分开地引导通过的通道(12、13、14)，并且所述通道结构(29)具有用于所述氧化剂、所述燃料和所述冷却流体的入口区域(37)和出口区域(38)，
-至少一个供应通道(43)，所述供应通道用于将氧化剂作为过程流体输入到用于所述燃料电池(2)的氧化剂的气体空间(32)中，
-至少一个供应通道(48)，所述供应通道用于将燃料作为过程流体输入到用于所述燃料电池(2)的燃料的气体空间(31)中，
-用于作为过程流体的冷却剂的至少一个供应通道(50)，所述供应通道用于将所述冷却剂输入到用于冷却剂的通道(14)中，
-分配结构(45)，所述分配结构用于将所述过程流体从所述供应通道(43、48、50)引导和分配到所述双极板(10)的通道结构(29)中，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少两个供应通道(43、48、50)在纵向方向(57)上并排地构造，
或者
在具有主要在纵向方向(57)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的纵向侧(55)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少两个供应通道(43、48、50)在横向方向(58)上并排地构造。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少三个供应通道(43、48、50)在纵向方向(57)上并排地构造。
3.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在纵向方向(57)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的纵向侧(55)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少三个供应通道(43、48、50)在横向方向上并排地构造。
4.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，至少一个供应通道(43、48、50)在横向方向上基本上居中地布置。
5.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，所有供应通道(43、48、50)在横向方向(58)上基本上居中地布置。
6.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，用于输入氧化剂的至少一个供应通道(43)是在纵向方向(57)上与所述通道结构(29)的入口区域(37)具有最大间距的供应通道(43、48、50)。
7.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在具有主要在横向方向(58)上的延展尺度的入口区域(37)构造在所述燃料电池(2)的横向侧(56)与所述通道结构(29)之间的情况下，用于输入燃料的至少一个供应通道(48)是在纵向方向(57)上与所述通道结构(29)的入口区域(37)具有最小间距的供应通道(43、48、50)。
8.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在所述分配结构(45)中构造有分开的第一、第二和第三分配通道(59、60、61)，所述第一、第二和第三分配通道用于第一、第二和第三过程流体。
9.根据权利要求7所述的燃料电池单元，
其特征在于，
所述第一、第二和第三分配通道(59、60、61)中的两个分配通道在与由所述燃料电池(2)张开的虚拟平面(52)垂直的方向上彼此分开地构造。
10.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
所述第一、第二和第三分配通道(59、60、661)中的一个分配通道在与由所述燃料电池(2)张开的虚拟平面(52)平行的方向上与所述第一、第二和第三分配通道(59、60、61)中的另一个分配通道并排地构造。
11.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
所述燃料电池单元(1)、尤其是所述燃料电池(2)在纵向方向(57)上具有纵向延展尺度(53)并且在横向方向(58)上具有横向延展尺度(54)，所述纵向方向(57)和横向方向(58)彼此垂直地且与由所述燃料电池(2)张开的虚拟平面(52)平行地定向。
12.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
在所述分配结构(45)构造在所述燃料电池单元(1)的横向侧(56)与所述双极板(2)的通道结构(29)之间的情况下，所述分配结构(45)的横向延展尺度基本上相应于所述通道结构(29)的入口区域(37)的横向延展尺度(64)。
13.根据上述权利要求8至12中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
所述第一、第二和第三分配通道(59、60、61)相对于彼此呈小于45°或者30°的角度地定向。
14.根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元，
其特征在于，
用于氧化剂的至少一个供应通道(43)的横向延展尺度(66)或者用于氧化剂的至少一个供应通道(43)的横向延展尺度的和基本上相应于所述通道结构(29)的入口区域(37)的横向延展尺度(64)。
15.一种燃料电池***(4)、尤其是用于机动车的燃料电池***，所述燃料电池***包括：
-作为燃料电池堆叠的燃料电池单元(1)，所述燃料电池单元具有燃料电池(2)，
-压缩气体存储器(21)，所述压缩气体存储器用于存储气态燃料，
-气体输送设备(22)，所述气体输送设备用于将气态氧化剂输送至燃料电池(2)的阴极(8)，
其特征在于，
所述燃料电池单元(1)构造为根据上述权利要求中任一项或者多项所述的燃料电池单元(1)。
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