CN103703598A - 燃料电池板和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的板（4；40），所述燃料电池由堆叠的板（4；40）和膜电极组件（6）形成。所述板包括至少一个沟纹密封表面（30，44），所述密封表面（30，44）用于以密封的方式压靠膜电极组件（6）或另一燃料电池板（40）。所述板为双极板、单级板或所述双极板或单级板的单元板。

Description

燃料电池板和燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池的领域并且更具体地涉及燃料电池的堆叠组件之间的密封的形成。
背景技术
离子交换膜燃料电池包括堆叠的单元电化学电池。每个所述电化学电池包括夹在两个隔板之间的膜电极组件（membrane electrode assembly，“MEA”）。
所述膜电极组件是层叠的并且包括夹在两个电极之间的离子交换膜。每个电极包括相邻于所述膜的活性层和气体扩散层。一个电极构成了阳极并且另一个电极构成了阴极。
每个所述隔板包括设置在其表面的凹槽，所述表面以如下方式与所述膜电极组件接触：在所述隔板和所述膜电极组件之间限定出通道，所述通道用于与所述膜电极组件接触的反应气体的流通。密封形成在所述隔板和所述膜电极组件之间以便确保对反应气体流通通道的密封。
可选地，每个所述隔板由堆叠的两个单元板形成，所述两个单元板在它们之间限定了用于使冷却液流通的通道。在这种情况下，密封形成在所述两个单元板之间以便确保对所述冷却液流通通道的密封。
文献FR 2 899 386公开了一种电化学电池，其中，所述膜电极组件和所述隔板之间的密封利用附连到隔板上的垫片密封件来形成。
文献FR 2 887 687公开了一种电化学电池，其中，膜电极组件和隔板之间的密封由丝网印刷密封件来形成。
专利文献US 2009/0325036公开了一种燃料电池，其中，形成隔板的两个单元板之间的密封由于将单独的单元板焊接而实现。
发明内容
本发明的一个目标涉及提供一种燃料电池板，所述燃料电池板提供了形成可靠密封的同时以简单且经济的方式制成的能力。
为此，本发明提供了一种用于燃料电池的板，所述燃料电池由堆叠的板和膜电极组件形成，其特征在于，所述板包括至少一个沟纹密封表面，所述密封表面用于以密封的方式压靠膜电极组件或另一燃料电池板。
沟纹密封表面具有由凸起线分隔的平行的凹槽或沟纹。
根据实施的其它方法，所述燃料电池板包括一个或多个的单独考虑或根据任何技术上可能的组合的以下区别特征：
-所述燃料电池板形成有单元板，所述单元板被设计为与另一单元板堆叠到一起，以便形成燃料电池隔板，并且所述单元板包括至少一个沟纹密封表面，所述沟纹密封表面用于以密封的方式压靠所述另一单元板；
-所述燃料电池板包括沉积在沟纹密封表面上的加强膜；
-所述燃料电池板形成有燃料电池隔板，所述燃料电池隔板被设置为与至少一个膜电极组件一起限定出用于流体在所述隔板和所述膜电极组件之间流通的通道；
-所述燃料电池板在一个表面或每个表面上包括至少一个沟纹密封表面，所述沟纹密封表面用于以密封的方式压靠膜电极组件；
-所述燃料电池板为单级板或双极板；
-所述燃料电池板由两个单独的单元板形成，所述两个单元板堆叠并且布置成通过至少一对面对面布置的密封表面以密封的方式压靠彼此，所述密封表面各自形成在相应的单元板上，使至少一个密封表面加有沟纹；以及
-所述燃料电池板包括至少一对密封表面，其中两个密封表面加有沟纹；
-所述燃料电池板包括夹在一对密封表面的两个密封表面之间的加强膜。
本发明还涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括堆叠的板和膜电极组件，每个所述膜电极组件被布置在两个板之间，所述两个板与所述膜电极组件一起限定出用于流体在两个板中的每个板和所述膜电极组件之间流通的通道，每个所述板在其表面中的至少一个表面上包括密封表面，所述密封表面用于以密封的方式压靠所述膜电极组件或另一个板，其特征在于，至少一个板包括沟纹密封表面。
根据实施的其它方法，所述燃料电池包括一个或多个的单独考虑或根据任何技术上可能组合的以下区别特征：
-所述燃料电池包括板，所述板包括至少一个沟纹密封表面和加强膜，所述密封表面用于以密封的方式压靠膜电极组件，所述加强膜位于所述沟纹密封表面和所述膜电极组件之间；
-所述加强膜夹在所述沟纹密封表面和所述膜电极组件之间或被沉积在所述沟纹密封表面和所述膜电极组件上；
-所述燃料电池包括隔板，所述隔板由至少两个单元板形成，所述至少两个单元板被堆叠以便通过至少两个被布置成彼此面对的密封表面以密封的方式压靠彼此，所述密封表面中的至少一个密封表面加有沟纹；以及
-所述燃料电池包括加强膜，所述加强膜通过所述隔板的两个单独的单元板夹在面对面布置的所述两个密封表面之间。
附图说明
根据阅读仅以示例的方式提供的以下描述并且参考附图，将更好地理解本发明和本发明的优点，在附图中：
图1为根据本发明的燃料电池的示意性剖视图；
图2为图1中的区域II的放大视图；
图3为类似于图2的视图的示出实施例的变形的视图；
图4为图1的区域IV的放大视图；以及
图5和图6为类似于图4的视图的示出实施例的变形的视图。
具体实施方式
参考图1，燃料电池2包括交替布置的隔板4和膜电极组件6（membraneelectrode assembly，MEA）。术语“堆叠”通常被用来指这样的堆垛。
按照本身已知的方式，所述堆垛在压缩作用下沿堆叠方向E被保持。压缩下的保持确保了所述隔板4和所述膜电极组件6之间的密封并且在压缩作用下将所述膜电极组件6保持在所述隔板4之间。
每个所述膜电极组件6夹在两个隔板4之间。由设置在膜电极组件6的两侧上的两个隔板4形成的每个组件均限定出燃料电池2的单独的单元电化学电池8。
图1中完整地示出了一个单个的电化学电池8。燃料电池实际上包括一个或多个的电化学电池8。
每个所述膜电极组件6包括堆叠的离子交换膜10，所述离子交换膜10夹在所述两个电极12、14之间，所述两个电极12、14被设置在所述膜10的两侧上。一个电极12限定了阳极14并且另一个电极限定了阴极。
所述膜10具体为质子交换膜并且所述燃料电池为质子交换膜（ProtonExchange Membrane，PEM）类型。
每个所述电极为导电的。每个所述电极12、14为双分子层并且分别包括一个活性层18、20和气体扩散层22、24。
所述隔板4提供导电的功能。所述隔板4为导电的并且与所述电极12电接触。
所述隔板4提供将反应气体分布在所述膜电极组件6的两侧上和排出合成产物的功能。
图1中示出的隔板4是“具有双极的”；每个所述隔板4布置在两个所述膜电极组件6之间并且利用其相对的两个表面中的每个表面来与各自的膜电极组件6形成电接触。当所述隔板与所述膜电极组件单面接触时，所述隔板被称为“单极的”。可在堆叠的燃料电池2的两端发现所述单极的隔板（未示出）。
每个所述隔板4通过其表面中的一个表面与膜电极组件6的阳极形成电极12接触，并且通过其表面中的另一表面与另一膜电极组件6的阴极形成电极14接触。
每个所述隔板4包括多个设置在所述隔板4与膜电极组件6接触的表面中的每一个表面上的凹槽20，以便在所述隔板4和所述膜电极组件6之间限定供应通道26、28，所述供应通道26、28用于反应气体沿所述膜电极组件6与所述膜电极组件6的电极12、14接触的表面的流通。
按照本身已知的方式，燃料电池2的各个不同的电化学电池8的阳极供应通道26相互流体地连接以提供燃料的供应和所产生的流体的排出。燃料电池2的各个不同的电化学电池8的阴极供应通道28相互流体地连接以提供氧化-燃烧剂的供应和所产生的流体的排出。
在操作期间，沿形成所述电极12的阳极限定的阳极供应通道26被供应有燃料（例如，氢气），并且沿形成电极14的阴极限定的阴极供应通道28被供应有氧化-燃烧剂（例如，氧气或空气）。
在每个所述电化学电池8中，氢气在与形成电极12的阳极接触时会进行释放质子和电子的催化氧化反应。
所述电子在外部电路中流动。所述质子经过所述膜电极组件6并且与由形成电极14的阴极供应的氧气和电子重新结合，从而在阴极组件中产生水。电势差在每个膜电极组件6的两侧上的隔板4之间出现。堆叠的电化学电池8提供了适于所需的电压值和电流值的能力。
为了确保所述供应通道26、28针对外部环境的密封，每个所述隔板4被设置为利用板/膜电极组件密封表面30以密封的方式压靠所述膜电极组件6。
每个所述膜电极组件6的膜10具有不被所述电极12、14覆盖的空缺边缘区域31并且每个所述隔板4被布置为以密封的方式压靠所述膜10的边缘区域31。
如图2所示，所述密封表面30加有沟纹。每个所述密封表面30因此具有多个凸起线32，所述凸起线32在它们之间限定了平行的凹槽或沟纹34。所述膜10的边缘区域31被夹紧在面向两个隔板4放置的沟纹密封表面30之间。
每个所述密封表面30被布置为利用所述密封表面20的多个凸起线32以密封的方式压靠膜电极组件6并且更具体地压靠所述膜电极组件6的膜10。
在成对的燃料电池2被保持处于压缩的作用下，所述沟纹密封表面30的凸起线32深入到所述膜10中。
结果，所述密封表面30在不必提供附加的密封装置的情况下提供了每个所述隔板4和所述膜10之间的足够的密封，。
在图3中示出的变形中，加强膜36被设置在每个所述沟纹密封表面30和所述膜10之间。
所述加强膜36意在防止所述凸起线32和/或所述膜10的损耗。
所述加强膜36是能够呈现出凸起线32形状的柔性膜，所述加强膜36与所述隔板4和所述膜10分隔并且在所述堆垛设置到位期间被设置在所述沟纹密封表面30和所述膜10之间。作为变型，所述加强膜36通过被沉积在所述密封表面30或所述膜10上而形成。
所述加强膜36例如由聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）制成。
有利地，所述隔板4提供冷却所述燃料电池的功能。
为此，如图1中示出，每个所述隔板4被设计为“双极板”：所述隔板4由堆叠的两个单元板40形成。
每个所述膜电极组件6被夹在两个不同的隔板4的两个单元板40之间。每个单独的单元板40与膜电极组件6堆叠在一起，从而与所述膜电极组件6限定了阳极流道26或阴极流道28。
所述单元板40是导电的。形成隔板4的相关联的单元板40相互之间电连接。
所述单元板40被设置为以便在所述单元板40之间限定内部冷却通道42，所述内部冷却通道42在所述隔板4内用于冷却液的流通。
为了确保所述冷却通道42针对外部环境的密封，所述单元板40被布置为利用板/板密封表面44以密封的方式压靠彼此。
所述密封表面44成对地布置，每对密封表面44均包括面向彼此布置的两个密封表面44，所述两个密封表面44各自在相应的单元板40上形成。
如图4所示，每个单独的单元板40在所述单元板40朝向相关的单元板40的表面上压靠所述板/板密封表面44。每个所述板/板密封表面44加有沟纹并且包括多个平行的凸起线46，所述凸起线46在它们之间限定凹槽或沟纹48。
单元板40的每个板/板密封表面44被布置为利用其多个凸起线46以密封的方式压靠另一个单元板40并且更具体地压靠所述其它的单元板40的板/板密封表面44。
在成对的燃料电池2被保持处于压缩的作用下，给出的单对的密封表面44被互锁在一起并且在不必提供附加的密封装置的情况下提供了所述单元板40之间的足够的密封。
如图4所示，面向两个单元板40布置的两个板/板密封表面44各自加有沟纹。作为变形，仅两个密封表面44中的一个密封表面加有沟纹，并且另一个密封表面是光滑的。
每个所述隔板4的板/膜电极组件的沟纹密封表面30在形成所述隔板4的单元板40面向所述隔板的外部（面向膜电极组件6）的表面上形成。
如图5所示，在一个变形中，加强膜50被置于相互面对的两个板/板密封表面44之间。所述加强膜50与所述单元板40分隔，并且当被堆叠或沉积在所述单元板中的一个单元板上时，所述加强膜50被置于所述单元板40之间。
所述加强膜50仅仅在所述密封表面44上延伸，并且所述单元板40同样处于直接接触，所述直接接触确保了电连接。所述加强膜50由导电的或绝缘的材料制成。
如图6所示，在变形中，所述加强膜50在所述单元板40的整个表面上延伸。所述单元板40通过所述加强膜50来分隔。
在这种情况下，所述加强膜50是导电的以便确保所述单元板40之间的电连接。
由于本发明，可以以简单的方式并且以低成本在所述膜电极组件和所述隔板之间并且在隔板的单元板之间形成密封。
燃料电池板包括至少一个沟纹密封表面，所述密封表面包括多个平行的凸起线，以便利用所述密封表面的多个凸起线以密封的方式压靠膜电极组件或另一燃料电池板。
所述沟纹密封表面易于制成，不管所述密封表面是否是机器加工的或模塑的金属板或由包括通过纤维加强（例如由模塑制成的）的基质复合材料制成的板。
本发明适用于质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）燃料电池的制造并且更通常地适用于离子交换膜燃料电池的制造。本发明还尤其适用于“固体氧化物燃料电池”（指的是SOFC）。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池的板（4；40），所述燃料电池由堆叠的板（4；40）和膜电极组件（6）形成，其特征在于，所述板（4；40）包括至少一个沟纹密封表面（30，44），所述密封表面（30，44）用于以密封的方式压靠膜电极组件（6）或另一燃料电池板（40）。
2.根据权利要求1所述的板，形成有单元板（40），所述单元板（40）被设计为与另一单元板（40）堆叠到一起，以便形成燃料电池隔板（4），所述单元板（40）包括至少一个沟纹密封表面（44），所述密封表面（44）用于以密封的方式压靠所述另一单元板（40）。
3.根据权利要求2所述的板，包括沉积在所述沟纹密封表面（44）上的加强膜。
4.根据权利要求1所述的板，形成有燃料电池隔板（4），所述燃料电池隔板（4）被设置为与至少一个膜电极组件（6）一起限定出用于流体在所述隔板（4）和所述膜电极组件（6）之间流通的通道。
5.根据权利要求4所述的板，在一个表面或每个表面上包括至少一个沟纹密封表面（30），所述密封表面（30）用于以密封的方式压靠膜电极组件（6）。
6.根据权利要求4或5所述的板，为双极的或单级的。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的板，由两个单独的板（40）形成，所述两个单独的板（40）堆叠并且布置成通过至少一对面对面布置的密封表面（44）以密封的方式压靠彼此，所述密封表面（44）各自形成在相应的单元板（40）上，使至少一个密封表面（44）加有沟纹。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的板，包括至少一对密封表面（44），其中两个密封表面（44）加有沟纹。
9.根据权利要求7或8所述的板，包括夹在一对密封表面的两个密封表面（44）之间的加强膜。
10.一种燃料电池（2），包括堆叠的板（4；40）和膜电极组件（6），每个所述膜电极组件（6）被布置在两个板（4；40）之间，所述两个板（4；40）与所述膜电极组件（6）一起限定出用于流体在两个板（4；40）中的每个板和所述膜电极组件（6）之间流通的通道，每个所述板（4；40）在其表面中的至少一个表面上包括密封表面（30；40），所述密封表面（30；40）用于以密封的方式压靠所述膜电极组件（6）或另一个板（40），其特征在于，至少一个板（4；40）包括沟纹密封表面（30，44）。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，包括板，所述板包括至少一个沟纹密封表面（30）和加强膜（36），所述密封表面（30）用于以密封的方式压靠膜电极组件（6），所述加强膜（36）位于所述沟纹密封表面（30）和所述膜电极组件（6）之间。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述加强膜（36）夹在所述沟纹密封表面（30）和所述膜电极组件（6）之间或被沉积在所述沟纹密封表面（30）和所述膜电极组件（6）上。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的燃料电池，包括隔板（4），所述隔板（4）由至少两个单元板（40）形成，所述至少两个单元板（40）被堆叠以便通过至少两个布置成彼此面对的密封表面（40）以密封的方式压靠彼此，所述密封表面（40）中的至少一个密封表面加有沟纹。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，包括加强膜，所述加强膜通过所述隔板（6）的两个单独的单元板（40）夹在面对面布置的所述两个密封表面（40）之间。
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