CN104508881B - 具有改进的电绝缘的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(12)，其包括至少一个电化学电池单元(15)的堆叠(14)，适于从氧化流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电流，所述或各电池单元(15)包括界定用于还原流体的循环的通道(30)的阳极导电板(18)、界定用于氧化流体的循环的通道(32)的阴极导电板(20)以及置于导电板(18，20)之间的离子交换膜(22)，所述膜(22)形成用于自由电子的屏障。根据本发明的一方面，膜(22)相对于导电板(18，20)设置以使膜(22)的外围边缘(25)相对于导电板(18，20)朝向堆叠(14)的外侧伸出，以在所述导电板(18，20)间延伸空气泄漏路径(28)。

Description

具有改进的电绝缘的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，其是包括至少一个电化学电池单元的堆叠的类型，其适于从氧化流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电流，所述或各电池单元包括界定用于还原流体的循环的通道的阳极导电板、界定用于氧化流体的循环的通道的阴极导电板、以及置于导电板之间的离子交换膜，所述膜形成用于自由电子的屏障。
背景技术
这样的燃料电池是已知的并且是用于提供电能的一种生态解决方案。
某些燃料电池面临的问题是导电板的短路。当这样的情况发生时，燃料电池不能运行且甚至面临最终损坏的风险。
为了避免这种短路的发生，可能的是将离子交换膜延伸至发生氧化还原反应的电池单元的有效面积外部。因此，离子交换膜的外围边缘一般与导电板的外围边缘齐平。衬垫最经常被置于膜与各导电板之间以用于保证密封性，该衬垫有助于所述板的电绝缘。
然而，在形成有衬垫及离子交换膜的组件为确保导电板之间良好的电绝缘而一般太薄的情况下，该解决方案没有令人满意。进一步地，堆叠外侧在空气中的泄露路线非常短，且由于燃料电池一般用于潮湿环境中，因此存在在空气中发生电介质击穿而造成导电板间短路的重大风险。最后，有可能，通过考虑用于处理燃料电池的操作，外部导电元件将会被容纳于导电板之间并且在这些板间形成短路。
JP2002 352417提供了用于弥补由膜和衬垫形成的组件的厚度缺陷的解决方案，其提出在有效面积周围、在导电板表面沉积电绝缘材料。然而，这样在导电板上沉积绝缘材料是高成本的操作。
为了保护燃料电池不受外部导电元件影响及避免在空气中的电介质击穿，可能的是将堆叠包覆于绝缘树脂中。然而，就在燃料电池的制造中强加了附加的操作、在运行时干扰散热以及对抗运行的导电板的热膨胀的方面来说，这种解决方案是有高度限制性的。进一步地，由于树脂覆层的存在，燃料电池的维护复杂。
因此，前面所述的解决方案不能完全令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本较低的燃料电池，其适于避免在电池单元的导电板间发生短路，且维护方便。
为此，本发明的目的是上述类型的燃料电池，其中，膜相对于导电板设置以使膜的外围边缘相对于导电板朝向堆叠的外侧伸出，从而延长所述导电板间的空气泄漏路线。
在本发明的特定实施方式中，单独地或根据任意技术上可能的组合来看，燃料电池具有一个或者几个以下特点：
-膜的外围边缘保持自由；
-各导电板都具有外围边缘，其与其他导电板的外围边缘相距距离D，且其中，膜的外围边缘相对于导电板伸出长度L，从而验证了以下关系式：2×L+D≥1mm；
-长度L大于0.3mm；
-距离D严格地小于0.5mm，且优选严格地小于0.4mm；
-固态电绝缘层被置于各导电板的外围边缘与膜之间；
-各导电板的外围边缘至其他导电板的外围边缘距离大于0.4mm。
附图说明
本发明的其它的特征及优点在阅读后面的描述后会变得明显，该描述仅仅作为例子给出且参考附图作出，其中：
-图1是根据本发明的燃料电池的一半的截面图；及
-图2是根据本发明的可替代方式的燃料电池的细部截面图。
具体实施方式
如图1所示，燃料电池12适于通过氧化流体与还原流体间的氧化还原反应产生电流。为此，它包括沿着纵向堆积方向X堆积的电化学电池单元15的堆叠14。
为了简明起见，仅示出了沿着纵向中心平面切割的电池12的一半。
各电池单元15都包括膜电极组件16，其沿着纵向方向X在阳极导电板18与阴极导电板20间插入。
膜电极组件16包括离子交换膜22，其沿着纵向方向X夹在阳极24a与阴极24b之间。
膜22将氧化流体与还原流体分离。
膜22一般为质子交换膜，适于只允许质子穿过。特别地，膜22形成用于自由电子的屏障。因此，它使阴极24b的阳极24a电绝缘，且使阳极板18与阴极板20电绝缘。
膜22通常为聚合物材料。
膜22的外围边缘25相对于阳极24a及阴极24b朝向电池单元15的外侧、垂直于纵向方向X伸出。外围边缘25伸出遍及膜22的整个圆周，以使其在垂直于纵向方向X的平面中围绕阳极24a和阴极24b延伸。因此，阳极24a及阴极24b在任何位置都不会与膜22的外围边缘25齐平。
阳极24a及阴极24b各自包括催化剂，通常为铂或铂合金，以用于促进反应。它们在膜22两侧被互相成直角设置，且一起限定电池单元15氧化还原反应发生的有效面积。
各导电板18、20都具有外围边缘26。导电板18、20的外围边缘26大体上沿着纵向方向X对齐。各导电板18、20的外围边缘26都相对于阳极24a及阴极24b朝向堆叠14的外侧、垂直于纵向方向X、在导电板18、20的整个圆周上伸出。
沿着纵向方向X来看，阳极板18的外围边缘26与阴极板20的外围边缘26相隔距离D。
膜22的外围边缘25相对于导电板18、20朝向堆叠14的外侧、垂直于纵向方向X伸出。通过在垂直于纵向方向X的平面内从导电板18、20突出遍及膜22的整个圆周，外围边缘25伸出遍及膜22的整个圆周。因此，导电板18、20与膜22的外围边缘25在任何位置不齐平。
外围边缘25相对于导电板18、20伸出长度L，长度L为在外围边缘25与膜22上的各导电板18、20的外围边缘26沿着纵向方向X的正交投影间被测量的长度。优选的，长度L大于或等于0.2mm，尤其为0.3mm。
在任何情况下，长度L与距离D验证了以下关系式：
2×L+D≥0.4mm，特别是，2×L+D≥1mm
因此，在图1中通过虚线28具体化的相同电池单元的导电板18、20间的空气泄漏路线具有大于0.4mm的长度，尤其是，大于1mm。因此，符合IEC62282-2及IEC62282-3-1标准规定的电绝缘条件。
优选地，包含在各导电板18、20的外围边缘26与膜22的外围边缘25之间的膜22的外围区域27保持自由。因此，其不考虑材料基体，例如绝缘树脂基体。
阳极板18界定用于还原流体沿着阳极24a的循环并且与后者接触的阳极管道30。为此，板18设置有面对板18制成的、朝向膜电极组件16且由所述膜电极组件16闭合的至少一条通道。阳极板18由导电材料形成，通常为石墨。使用的还原流体为包含二氢的流体，例如包含纯二氢的流体。
阴极板20界定用于氧化流体沿着阴极24b的循环并且与后者接触的阴极管道32。为此，板20设置有面对板20制成的、朝向膜电极组件16且由所述膜电极组件16闭合的至少一条通道。阴极板20由导电材料形成，通常为石墨。使用的氧化流体是包含二氧分子氧的流体，例如包含纯二氧分子氧或包含空气的和二氧分子氧的混合物的流体。
阳极24a与阳极板18电接触。阴极24b与阴极板20电接触。在阳极24a处还原流体发生氧化且在此处产生电子及质子。然后电子通过阳极板18而在运输中朝向相邻电池单元15的阴极24b移动，从而参与相邻电池单元15中氧化流体的还原。
在堆叠14内，各电池单元15的阳极板18与相邻电池单元15的阴极板20接触。导电板18、20因此确保在堆叠14的一个电池单元15内循环的还原流体的电子朝向堆叠14的其他电池单元15内循环的氧化流体转移。优选地，用于冷却流体的循环的通道(未显示)被形成于阳极板18与阴极板20之间的交界面处。
可选择地，临近堆叠14的两个电池单元15的阳极板18及阴极板20由相同的材料制成且一起形成双极板。
电池单元15进一步地包括衬垫34、36，其一方面用于确保导电板18、20间的密封另一方面确保膜电极组件16的密封。第一衬垫34沿着纵向方向X被置于阳极导电板18与膜22之间，且在与第一衬垫34成直角处，第二衬垫36沿着纵向方向X被置于阴极导电板20与膜22之间。各衬垫，分别为34、36，分别在阳极24a及阴极24b周围延伸。
电池单元15通过设置于堆叠14的纵向端部的夹板(未示出)而保持堆积。夹紧螺栓(未示出)在这些板上施加夹紧力以用于保持它们压缩抵住电池单元15。
在图1示出的可替代方式中，各导电板18、20的外围边缘26沿着纵向方向X与膜22相隔一定距离。换句话说，外围边缘26与膜22间隔开。距离D大于膜22的厚度。
尤其是，在各导电板18、20的外围边缘26与膜22之间构成空白空间40。在这个空白空间40内没有设置固态元件。因此促进了堆叠14的制造。
然后，距离D优选严格地小于0.4mm。因此，堆叠14的尺寸被限制。
在图2示出的可替代方式中，电绝缘材料的层42，其通常为树脂，其被沉积于各导电板18、20的外围边缘26与膜22之间。各个层42填充膜22的相应的导电板18、20的外围边缘26之间的空间。膜22的外围边缘25垂直于纵向方向X、从置于膜22与各导电板18、20间的绝缘材料的层42中伸出。
绝缘材料的层42及膜22避免导电板18、20间的导电元件的沉积。
然后，距离D大于0.4mm，以符合IEC 62282-2标准和IEC 62282-3-1标准。
通过本发明，以较低的成本避免了相同电池单元15的导电板18、20之间的短路的发生。尤其是，板18、20之间的空气泄漏路线足够长以避免任何介电击穿的风险，且防止了板18、20受到会接触到堆叠14的可能的外部导电元件的影响。
进一步地，促进了对于堆叠14的元件的接触，这使得电池12维护方便。

Claims (9)

1.一种燃料电池(12)，其包括至少一个电化学电池单元(15)的堆叠(14)，适于从氧化流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电流，电池单元(15)包括界定用于还原流体的循环的通道(30)的阳极导电板(18)、界定用于氧化流体的循环的通道(32)的阴极导电板(20)以及置于阳极导电板(18)和阴极导电板(20)之间的离子交换膜(22)，所述离子交换膜(22)形成用于自由电子的屏障，
其特征在于，离子交换膜(22)相对于阳极导电板(18)和阴极导电板(20)设置以使离子交换膜(22)的外围边缘(25)相对于阳极导电板(18)和阴极导电板(20)朝向堆叠(14)的外侧伸出，从而延长所述阳极导电板(18)和阴极导电板(20)间的空气泄漏路线(28)，并且其中，所述阳极导电板(18)和阴极导电板(20)各自都具有外围边缘(26)，其与其他阳极导电板(18)和阴极导电板(20)的外围边缘(26)相距距离D，且其中，所述离子交换膜(22)的所述外围边缘(25)相对于阳极导电板(18)和阴极导电板(20)遍及所述离子交换膜(22)的整个圆周伸出长度L，从而验证了以下关系式：2×L+D≥0.4mm。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述离子交换膜(22)的所述外围边缘(25)保持自由。
3.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其特征在于，验证了以下关系式：2×L+D≥1mm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述距离D小于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述距离D小于0.4mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池(12)，其特征在于，固态电绝缘层(42)被置于所述阳极导电板(18)和阴极导电板(20)的所述外围边缘(26)与所述离子交换膜(22)之间。
7.根据权利要求6所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述阳极导电板(18)和阴极导电板(20)的所述外围边缘(26)至其他阳极导电板(18)和阴极导电板(20)的所述外围边缘(26)距离大于0.4mm。
8.根据权利要求1-5或7任一项所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述离子交换膜(22)的所述外围边缘(25)相对于所述阳极导电板(18)和阴极导电板(20)伸出长度L，该长度L大于0.2mm。
9.根据权利要求8所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述长度L大于0.3mm。
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