CN101336493A - 气体扩散单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(2)的气体扩散单元(1)，其包括至少两个设计成平面的气体扩散层(3)，在所述气体扩散层的边缘上设置有密封结构(4)，其中所述至少两个气体扩散层(3)相互铰接连接。

Description

气体扩散单元
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的气体扩散单元，该气体扩散单元包括至少两个设计成平面的气体扩散层，在所述气体扩散层的边缘上设置有密封结构。
背景技术
燃料电池由单个的电池相互串联而成。这形成所谓的(电池)组或电池堆，其中通常还集成有用于冷却的附加部件。在此，一个(电池)组可包括500以内的单个电池。电池的突出特点是层状结构，其中电池具有由两个具有气体分配结构的双极板、两个气体扩散层和一个催化膜形式的反应层形成的结构。在此，两个气体扩散层分别包围反应层并形成膜电极结构。为了避免泄漏，装备有密封结构。泄漏会导致燃料电池的损坏并降低燃料电池的效率。由US 2003/0082430 A1中已知一种气体扩散单元，在该气体扩散单元中密封结构被注塑到设计成平面的气体扩散层上。在此，在安装时很难使气体扩散层相互对齐以无泄漏地密封气体扩散层和反应层的接触区域以及气体扩散层和双极板的接触区域。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可较简单和较可靠地密封安装的气体扩散单元。
上述目的通过权利要求1的特征来实现。优选的实施形式参见从属权利要求。
为了实现所述目的，使至少两个气体扩散层相互铰接连接。在此，在即可使用的状态中，在所述气体扩散层之间设置有膜片。通过铰接连接得到限定的转动轴线，所述气体扩散层可绕该转动轴线相对转动。为了制造膜电极单元，首先将膜片设置在(气体扩散)层之间，然后使气体扩散层转动成彼此叠置。通过这种确定的转动保证了，所述两个气体扩散层及其密封结构上下对齐地设置。通过密封结构的精确对齐可靠地防止了泄漏。在另一种实施形式中，密封结构能设置在由聚合物材料制成的支承框架上。
气体扩散层的密封结构能相互连接。通过该连接结构能以简单的方式、在不用附加元件的情况下建立气体扩散层的可动连接。
密封结构能设计成材料相同(材料一致)的和一体的。由此使气体扩散层的密封结构相互连接。所述密封结构可价格低廉地制造。
密封结构能通过连接条带(Verbindungsstreifen)相互连接。在此，该连接条带为膜铰链(Filmscharnier)，通过该膜铰链使气体扩散层可转动地相互连接。同时，所述连接条带具有在制造时能使材料溢出的限定区域。由此所有密封结构都能在一个工序中进行制造。
在另一种实施形式中，密封结构能通过连接片相互连接。连接片是气体扩散层的一种同样可转动的、另外还是节省材料的连接结构。
所述连接条带或连接片可至少在一侧上具有沿纵向延伸的槽或渐缩部。通过所述槽和渐缩部精确确定了运动轴线，并因此使气体扩散层更好地对齐，而这又产生了更好的密封效果。
密封结构能由弹性的聚合物材料制成。合成橡胶材料是弹性的、可大变形的且易于加工的。密封结构例如能由硅树脂、FKM(氟橡胶/含氟弹性体)、EPDM(三元乙丙橡胶，Ethylen-Propylen-Dien-Monomer)、PIB(聚异丁烯)、PU(聚氨酯)、BR(丁二烯橡胶)或这些材料的混合物制成。通过该混合物使得能够特定地组合各材料的有利特征。氟橡胶的优点是耐热性好以及耐化学腐蚀性好，所述氟橡胶在燃料电池环境中证明是特别有利的。
在另一种实施形式中也可考虑将热塑性材料、如热塑性橡胶/热塑性弹性体(TPE)用作密封材料。热塑性橡胶的特殊优点是它如同热塑性材料那样能够在短周期内进行加工。
所有列出的材料的优点是，它们都允许以成形方法进行加工。
用于将密封结构安装到气体扩散层上的可考虑的制造方法有注塑、压制、胶粘和浇注。在此，压制是一种特别是由于工具成本和机械成本小而有利的制造方法，该制造方法使得能在尺寸精度高的情况下以燃料电池的常见的小公差来制造密封结构。
胶粘方法实现了模块式的制造，在这种制造中密封结构的不同实施形式能与气体扩散层的不同实施形式相组合，胶粘方法由于其灵活性而特别适合于构件数少的情况。
密封结构可被注塑到气体扩散层上。注塑是一种用于批量生产的制造方法。通过注塑在气体扩散层上形成环绕的密封结构，该密封结构完全包围设置在气体扩散层之间的反应层从而避免泄漏。注塑有利的是，在气体扩散层上注塑而成的密封材料渗入气体扩散层中。这种渗透特别是在由无纺布形成的气体扩散层中发生。由此改进了密封效果以及加工性能/工艺性能(Handhabbarkeit)。
密封结构可具有至少一个至少部分环绕的密封凸起。该密封凸起可特别设计成V形。密封凸起改进了密封效果、简化了膜电极单元的安装。为了安装，相互连接的气体扩散层与设置在它们之间的膜片例如通过双极板之间的螺纹连接结构而相互压紧。由于密封凸起的接触面积很小，压紧力起初很小，但该压紧力随着压缩的增加而持续增大。在完全压缩密封凸起之后，邻近的设计成平面地密封区域相接合并且压紧力超比例地增大，这(种现象)可作为合适的压紧力的标志，因而作为密封力的标志。由此可避免过大的压紧力造成的密封结构的过压
Figure A20068005236000061
此外，密封凸起补偿了待密封表面中的公差和不平度。
气体扩散单元的厚度可小于2mm。这实现了特别紧凑的燃料电池的结构，特别是用于机动车辆或小型电气设备的燃料电池。
密封结构可具有至少一个至少部分环绕的密封凸起和至少一个环绕的凹部，其中所述凹部设置成与所述密封凸起相邻。所述凹部提供了当压紧力增大时供密封凸起的材料挤入的空间。由此避免了会导致密封凸起磨损或破裂的剧烈的延伸。密封效果得以改进。
密封结构可另外围绕双极板中的用于输送反应介质或冷却介质的穿孔。因为这些区域对密封结构在安装时的错位特别灵敏地做出反应，所以本发明提供了附加的优点。以这种方式，能够价格低廉地仅以一个密封元件满足燃料电池密封的不同需求。
气体扩散层可包括无纺布。无纺布价格低廉，并且形成稳定的气体扩散层。此外，因为密封结构的材料由于无纺布的多孔性而能渗透入无纺布中，所以无纺布形成了良好的用于密封材料的附着基体(Haftgrund)。在此，该无纺布通常被碳化。由此气体扩散层可包括多孔的、包括碳纤维物或含碳物的无纺布。碳纤维改进了气体扩散层的导电性。
附图说明
下面根据附图详细说明根据本发明的气体扩散单元的多个实施例，在附图中：
图1示意性示出具有连接条带的气体扩散单元；
图2示意性示出具有连接片的气体扩散单元；
图3示意性示出注塑过程之后的气体扩散单元；
图4示意性示出具有嵌入的反应层的气体扩散单元；
图5示意性示出即可使用的气体扩散单元；
图6示意性示出具有根据本发明的气体扩散单元的燃料电池；
图7示意性示出气体扩散单元的渐缩的铰接连接；
图8示意性示出气体扩散单元的有槽的铰接连接；
图9示意性示出具有连接条带和围绕反应介质输送区域的密封元件的气体扩散单元。
具体实施方式
图1示出一种用于燃料电池2的气体扩散单元1，该气体扩散单元包括两个设计成平面的气体扩散层3。气体扩散层3包括碳化的无纺布，其中在气体扩散层3的边缘上设置有密封结构4。密封结构4在此实施例中由含硅树脂的混合物制成，并通过注塑固定在气体扩散层3上，其中密封材料渗入无纺布的细孔中。在另一个实施例中，密封结构也可由热塑性合成橡胶、EPDM(三元乙丙橡胶)和PIB(聚异丁烯)、PU(聚氨酯)、BR(丁二烯橡胶)制成，或由包括这些材料以及硅树脂的混合物制成。两个气体扩散层3的密封结构4都设计成材料相同的和一体的，在此实施例中所述密封结构通过连接条带5相互连接。这两个气体扩散层3通过该连接条带5相互铰接连接。
图2示出按照图1的气体扩散单元1，其中密封结构4在此实施例中通过连接片6相互连接。
图3至5示出气体扩散单元1的制造步骤，其中膜片9设置在所述气体扩散层3之间。膜片9由聚合物制成。为了制造(气体扩散单元1)，将膜片9设置在一个气体扩散层3上并使两个气体扩散层3转动成相互叠置，从而使膜片9设置在所述气体扩散层3之间。由气体扩散层3的铰接连接来确定所述扩散层转动成使这两个气体扩散层3独立对中，而密封结构4进入相互贴合的状态，由此使膜片9密封至两侧。
密封结构4具有环绕的密封凸起7，该密封凸起在安装之后设置在背朝膜片9的一例上并指向双极板(未示出)的方向。图5所示的密封结构4在密封凸起7旁边附加地具有两个环绕的凹部8，该凹部设置成在两侧邻近密封凸起7。
图6示出用于机动车辆的燃料电池2。设置在燃料电池2中的气体扩散单元1具有小于1毫米的厚度。
图7示出气体扩散层3的连接结构，该连接结构在根据图1的实施例中由连接条带5形成，而在根据图2的实施例中由连接片6形成。所述连接结构大约在两侧的中央处具有槽10。在根据图8的实施例中所述连接结构大约在两侧的中央处具有圆弧形的渐缩部11。
图9示出根据图1的气体扩散单元1，其中密封结构4另外包围反应介质输送区域12。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池(2)的气体扩散单元(1)，该气体扩散单元包括至少两个设计成平面的气体扩散层(3)，在所述气体扩散层的边缘上设置有密封结构(4)，其特征在于，所述至少两个气体扩散层(3)相互铰接连接。
2.根据权利要求1所述的气体扩散单元，其特征在于，所述气体扩散层(3)的密封结构(4)相互连接。
3.根据权利要求1或2所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)设计成材料相同的和一体的。
4.根据权利要求2或3所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)通过连接条带(5)相互连接。
5.根据权利要求2或3所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)通过连接片(6)相互连接。
6.根据权利要求4或5所述的气体扩散单元，其特征在于，所述连接条带(5)或连接片(6)至少在一侧上具有沿连接条带(5)的纵向延伸的槽(10)或渐缩部(11)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)由弹性的聚合物材料制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)由硅树脂、FKM、EPDM、PIB、TPE或这些材料的混合物制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)用成形方法制造。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)被注塑到气体扩散层(3)上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)具有至少一个至少部分地环绕的密封凸起(7)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述气体扩散层(3)的厚度小于2mm。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)具有至少一个至少部分地环绕的密封凸起(7)和至少一个至少部分地环绕的凹部(8)，其中所述凹部设置成与所述密封凸起(7)相邻。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的气体扩散单元，其特征在于，所述密封结构(4)另外密封在双极板中的用于输送反应介质的穿孔(12)。
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