CN104756293A - 隔膜电极布置以及带有这种隔膜电极布置的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池(10)的隔膜电极布置(28)。隔膜电极布置(28)包括隔膜电极单元(20)和带有第一子区段(42)和第二子区段(44)的一体式密封件(30)。隔膜电极单元(20)具有穿孔(36)，密封件(30)沿着所述穿孔在隔膜电极单元(20)两侧延伸，其中密封件(30)的第一子区段(42)布置在隔膜电极单元(20)的第一平面侧上且第二子区段(44)布置在隔膜电极单元(20)的第二平面侧上并且两个子区段(42、44)都穿过穿孔(36)一体地互相连接。此外，本发明涉及包括多个根据本发明的隔膜电极布置(28)的燃料电池(10)。

Description

隔膜电极布置以及带有这种隔膜电极布置的燃料电池
本发明涉及用于燃料电池的隔膜电极布置，其包括隔膜电极单元和带有两个子区段的一体式密封件。此外，本发明涉及包括多个根据本发明的隔膜电极布置的燃料电池。
燃料电池利用通过氧气将燃料变成水的化学转换，以便于产生电能。为此燃料电池包含所谓的隔膜电极单元（MEA用于隔膜电极元件）作为核心部件，所述的隔膜电极单元是由离子传导隔膜、尤其是质子传导隔膜与分别在两侧布置在隔膜上的电极（阳极和阴极）构成的复合结构。此外，隔膜电极单元能够包括气体扩散层，该气体扩散层通常布置在隔膜电极单元的两侧在电极的、背离隔膜的侧上。通常燃料电池通过大量以堆叠（堆栈）形式布置的MEA构成，其电功率相加。在燃料电池的运行中，燃料、尤其是氢气H2或者含氢混合气体输送给阳极，在该阳极处在释放电子的情况下进行从H2到H+的电化学氧化。通过将反应空间互相气密分离且电绝缘的隔膜或电解质，进行质子H+从阳极空间到阴极空间中（有水的或者无水的）运输。在阳极处提供的电子通过阴极的电导体引导。氧气或者含氧气的混合气体输送给阴极，因此在吸收电子的情况下进行从O2到O2-的还原。同时在阴极空间中这些氧气负离子与通过隔膜运输的质子在构成水的情况下起反应。通过从化学能到电能的直接转换，燃料电池相比于其他电产生器由于绕开卡诺-系数取得更佳的效率。
现在发展最广泛的燃料电池技术基于聚合物电解质隔膜(PEM)，在其中隔膜本身由聚合物电解质组成。在此经常使用酸改性聚合物，尤其是全氟化聚合物。该聚合物电解质种类分布最广泛的代表是由硫化的聚四氟乙烯-共聚物（商品名：Nafion；共聚物由四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚的磺酸氟衍生物构成的共聚物）构成的隔膜。电解的导体在此通过水合的质子出现，因此，对于质子导电率水的存在是条件并且在PEM燃料电池运行中需要运行气体的湿润。由于水的必需性，该燃料电池最大的运行温度在常压时限制到100摄氏度以下。与高温聚合物电解质隔膜燃料电池（HT-PEM-燃料电池）（其电解导电率基于通过静电复合键连接到聚合物电解质隔膜的聚合物晶格的电解质（例如掺杂磷酸的聚苯并咪唑（PBI）-隔膜）并且在温度160摄氏度时运行）划界，该燃料电池类型也称为低温聚合物电解质隔膜燃料电池（NT-PEM-燃料电池）。
如同起初所提及的，燃料电池由多个以堆叠方式布置的单电池构成，因此称为燃料电池堆叠。在隔膜电极单元之间通常布置所谓的双极板，该双极板保证向单电池供应运行介质，即反应物和通常还有的冷却液。此外，双极板负责至隔膜电极单元的导电接触。
图1中示意性地呈现燃料电池10，该燃料电池包括带有多个单电池14、两个端板16以及强力元件18的燃料电池堆叠12。单电池单元14包括带有质子传导隔膜22（聚合物电解质隔膜）的相应隔膜电极单元20以及在两侧布置在隔膜22上的电极（阳极和阴极；未呈现）。此外，隔膜电极单元20在两侧能够包括相应的气体扩散层24，其中接着在隔膜22和气体扩散层24之间布置电极。电极要么能够在两侧涂敷到隔膜22上，要么能够与气体扩散层24连接，来作为所谓的气体扩散电极。隔膜电极单元20又布置在双极板26之间。双极板26通过其气体扩散层24向隔膜电极单元20供应反应物，对此通常在双极板26中提供合适的通道。此外，双极板26导电地连接两个相邻的隔膜电极单元20，由此串联这些隔膜电极单元。两个位于端部的双极板26也称为单极板，原因在于这些双极板只在一侧供应紧接着的隔膜电极单元20并且为此只在其一侧上拥有相应的通道。
在隔膜电极单元20和双极板26之间布置此处不可见的密封件，所述密封件向外密封阳极空间和阴极空间并且阻止运行介质离开燃料电池堆叠12。
为了即便在振动时也保证密封件的功能性以及双极板26与隔膜电极单元20的导电接触，挤压燃料电池堆叠12。这通常通过两个端板16（其布置在燃料电池堆叠12的两个端部）结合多个强力元件18进行。强力元件18传导拉力到端板16中，因此端板16压合燃料电池堆叠12。
隔膜电极单元20和双极板26之间布置的密封件能够在隔膜电极单元20侧和/或双极板26侧提供并且尤其是与这些部件连接。
为此，密封件能够在一侧或两侧硫化在双极板26上。此外，密封履带(Dichtraupe)形式的密封件能够借助于机器人施加在双极板26上。利用机器人施加的密封件能够具有显著的、能导致泄漏的公差。该问题迄今为止通过利用机器人施加密封履带的过程优化得以抵消。
EP 2201157B1描述在双极板边缘区域中带有密封槽的双极板，在该密封槽中引入密封件，尤其是O型环或者密封环和/或引入所应用的密封件。所应用的密封件能够由软塑料或弹性体例如用多部件注塑方法集成到双极板中。
对于这种密封件变体，双极板与位于其间的隔膜电极单元的错位是不利的，原因在于通过错位密封件，比较软的隔膜电极单元能够容易变形。
DE 202005008749U1描述带有聚合物隔膜的隔膜电极单元，该隔膜电极单元在两侧涂敷有电极结构并且在边缘区域中在至少一侧在电极结构之间突出。聚合物隔膜部分地嵌进由弹性体材料构成的密封主体。优选地通过削尖（Umspitzen）或注入（Angiessen）密封主体进行嵌进。此外，聚合物隔膜两侧上的电极结构与密封主体重叠。在此聚合物隔膜的边缘区域尤其是材料配合地嵌进密封主体。密封主体能够具有例如密封凸缘或密封槽形式的密封结构，所述密封结构例如框架状地围绕隔膜电极单元的电化学活跃区域。
US 6057054描述用于隔膜电极单元的密封件，该密封件进入隔膜电极单元的多孔电极层。密封件例如借助于注塑方法，优选地通过加以真空来制造。
EP 1608033B1建议用于隔膜电极单元的、具有改进肋片结构的密封件，所述密封件特征在于互相错位的空腔。这引起肋片结构的均匀的刚性分布。密封件围绕隔膜电极单元的、配备有防水方法（Impraegnierung）的边缘区域。
本发明现在基于如下的任务：提供带有可靠地定位在隔膜电极单元上的密封件的隔膜电极布置。
该任务通过带有权利要求1特征的隔膜电极布置得以解决。本发明其他优选的设计方案从其余的在从属权利要求中提及的特征得到。
根据本发明的、用于燃料电池的隔膜电极布置包括如下隔膜电极布置，所述隔膜电极布置包括隔膜电极单元和带有第一子区段和第二子区段的一体式密封件。隔膜电极单元具有穿孔，密封件沿着所述穿孔在隔膜电极单元的两侧延伸，其中密封件的第一子区段布置在隔膜电极单元的第一平面侧上并且第二子区段布置在隔膜电极单元的第二平面侧上以及两个子区段穿过穿孔一体式互相连接。
通过根据本发明的隔膜电极布置，密封件与隔膜电极单元形状配合地连接。典型地，通过穿孔和穿过穿孔走向的密封件提供大量形状配合的连接点。
隔膜电极单元通常包括隔膜，所述隔膜至少部分地布置在两个电极之间。此外，隔膜电极单元能够包括气体扩散层，其中隔膜连同两个电极布置在气体扩散层之间。
优选地，两个子区段到隔膜电极单元（MEA）上的法线投影包括覆盖相同的区域，其中隔膜电极单元在覆盖相同的区域内具有穿孔。穿孔包括以任意形状（例如环形）、以任意布置（即以规则或不规则的间隔）并且以任意数量（然而至少一个间隙）、由MEA穿过的间隙。通常密封件闭合环状地构造，因此所述密封件围绕隔膜电极单元的部分。
通过第一子区段沿着隔膜电极单元的第一主面（第一平面侧）延伸以及第二子区段沿着隔膜电极单元的第二主面（第二平面侧）延伸，两个子区段在隔膜电极单元两侧延伸。
优选地，两个子区段都具有密封面并且第一子区段的密封面和第二子区段的密封面在隔膜电极单元上构成覆盖基本相同的法线投影区域。密封面是这样的面，其构造成紧贴和密封对立面，例如双极板。尤其优选的是，密封面关于隔膜电极单元（或者位于该隔膜电极单元中的平层）镜面对称地构造。
优选地，隔膜电极单元在边缘区域中至少在一个其平面侧上具有边缘加固件，其中密封件沿着边缘加固件延伸。通过边缘加固件能够加固隔膜电极单元的边缘区域。尤其是隔膜电极单元在其两个平面侧上都分别包括边缘加固件，在所述边缘加固件之间布置隔膜电极单元的隔膜。在该情况中密封件的两个子区段沿着两个边缘加固件延伸。
对于边缘加固件而言，优选的材料是金属、纸或者塑料。优选地，边缘加固件是由塑料制成的边缘加固膜。边缘加固膜尤其是PEN膜（聚萘二甲酸乙二醇酯，polyethylennaphthalat）或者边缘加固膜包括PEN。
根据本发明一优选的设计方案，隔膜电极单元具有用于中间杆穿过的中间开口以及隔膜电极单元包括电绝缘的间隔元件，所述间隔元件围绕中间开口布置并且在与隔膜电极单元的面扩展成直角的方向上延伸。通过间隔元件提高短路可靠性，其方式是阻止两个双极板通过中间开口的短路。尤其是构造由与密封件相同的材料构成的间隔元件。间隔元件能够有利地在同样的注塑过程中同时利用密封件溅射到隔膜电极单元处。这导致成本节约，原因在于不需要绝缘垫片作为额外的构件。优选地，间隔元件布置在隔膜电极单元两侧并且尤其是穿过另一穿孔一体式互相连接。优选地，间隔元件围绕中间开口四周。
优选地，隔膜电极单元的、在运行中加载运行介质的化学活跃区域由密封件环状围绕。通过使密封件围绕化学活跃区域，阻碍反应物和反应产物从包括该隔膜电极布置的燃料电池泄漏。
根据本发明一优选的设计方案，隔膜电极单元的电极至少基本布置在由密封件环状围绕的化学活跃区域内部。通过该设计方案，至少基本上将电极的扩展限制在化学活跃区域上，由此节约材料和成本。在此上下文中，“基本上”意味着：化学活跃区域外部的电极面优选地小于化学活跃区域内部的电极面的30%，尤其优选地小于15%。尤其是电极完全由密封件围绕四周，这就是说密封件外部不存在电极面。
优选地，隔膜电极单元包括气体扩散层，所述气体扩散层布置在由密封件围绕四周、化学活跃的区域内部。因此，按照该设计方案在密封件外部的边缘区域上不存在气体扩散层。通过该设计方案，气体扩散层限制在密封件内部的化学活跃区域上，由此能够节约成本并降低隔膜电极布置的构造高度，原因在于密封件布置在比较厚壁（starkwandig）的气体扩散层的外部。
在本发明一特别优选的设计方案中，隔膜电极单元的、密封件布置在其上的边缘区域仅仅包括隔膜和优选两侧的边缘加固件。
优选地，隔膜电极单元具有至少一个用于穿过运行介质的开口，所述开口由密封件环状围绕。用于穿过运行介质的开口用于向隔膜电极单元供应运行介质。由此能够紧凑且节约位置地向燃料电池堆叠供应运行介质。运行介质包括反应物，即燃料（例如氢气）和氧化介质（例如氧气或空气），以及冷却介质，尤其是冷却液。此外，反应产物（例如水）能够通过隔膜电极单元的通道导出。
根据本发明一优选的设计方案，用于穿过运行介质的开口和化学活跃区域由密封件共同地环状围绕并且单次相互分离。因此，密封件围绕用于穿过运行介质的开口以及围绕化学活跃区域走向并且将两者互相分离。在此，通过密封件，用于穿过运行介质的开口和化学活跃区域不是双重、而是仅仅单次相互分离。
优选地，密封件与隔膜电极单元材料配合地连接。因此，除了密封件和隔膜电极单元之间形状配合的连接之外还额外地实现密封件和隔膜电极单元之间材料配合的连接。典型地，这能够通过溅射密封件到隔膜电极单元处在相关材料部分熔融的情况下实现。
优选地，密封件具有两个密封凸缘，所述密封凸缘由子区段的相应穿孔构成。由此构成两个互相独立的密封线，即实际上两个密封区域，这些密封区域针对泄漏引起双重的安全性。典型地，两个密封凸缘环形地围绕密封的区域延续。
此外还提供燃料电池。燃料电池包括多个交替堆叠的双极板和根据本发明的隔膜电极布置。典型地，密封件的子区段密封隔膜电极单元和双极板之间的空间。通过根据本发明的隔膜电极布置，能够实现密封件在燃料电池内部尤其可靠的固定。通过密封件与隔膜电极单元形状配合的连接，在装配时或者运行燃料电池期间密封件的两个子区段能够不在隔膜电极单元上滑动。
优选地，密封件的两个子区段啮合进关联双极板的沟槽中。典型地，密封件和关联双极板之间的密封区域位于沟槽的槽底处。因此给出密封件在双极板内部形状配合的固定。
另外提供根据本发明的隔膜电极布置的生产方法，所述方法包括下列步骤：
1）将隔膜电极单元放进注塑机器的打开的注塑工具中；
2）关闭注塑工具；
3）注入反应混合物，其包括待交联的聚合物或单体以及必要时将交联介质注入注塑工具中；
4）在预先定义的时长加热反应混合物以便开始交联和/或聚合；
5）打开注塑工具，以及
6）取出隔膜电极布置。
另外提供包括根据本发明的燃料电池的机动车。优选地，燃料电池用于向机动车的电驱动器供应电流。
接下来在实施例中根据所属的附图解释本发明。
图1示出燃料电池，
图2以透视视图示出根据本发明的隔膜电极布置的支承结构，以及
图3以带有放大的细节视图和截面视图的法线视图示出根据本发明的隔膜电极布置。
已经探讨了图1用以解释技术现状。根据本发明的燃料电池能够基本上具有根据图1的构造，然而包含根据当前发明的隔膜电极布置。
图2示出在本发明的一优选设计方案中根据本发明的隔膜电极布置28的透视视图。隔膜电极布置28包括隔膜电极单元20（MEA）和密封件30。隔膜电极单元20典型地具有化学活跃区域32以及此外还能够具有用于穿过运行介质的开口34。
化学活跃区域32和用于穿过运行介质的开口34能够如示出的那样由密封件30共同地环状围绕并且通过该密封件单次相互分离。
接下来根据图3解释用于构造图2中示出的隔膜电极布置28的进一步细节。对此，图3采用带有放大的细节视图和截面视图的法线视图示出在本发明的一优选设计方案中根据本发明的隔膜电极布置28。
除了图2中所示出的示图之外，还示意性地在俯视图中示出隔膜电极单元20的本来由密封件30覆盖的穿孔36，所述穿孔以细节视图D放大地示出。穿孔36能够包括大量的、以规则间隔布置的间隙，隔膜电极单元20穿过所述间隙。间隙能够例如如示出的那样具有环状外型并适应于相应应用情况。
在对应于通过穿孔36的间隙之一的截面的截面示图A-A中，可看到隔膜电极单元20和密封件30的构造。
典型情况下，隔膜电极单元20在其化学活跃区域中包括隔膜22（聚合物电解质隔膜），所述隔膜布置在两个未示出的电极（阳极或阴极）之间，所述电极能够实施为隔膜22的催化涂层。此外，隔膜电极单元20能够如示出的那样包括两个气体扩散层24，所述气体扩散层与电极一起与隔膜22相邻。根据图3中示出的本发明一优选设计方案，电极和气体扩散层24限制在化学活跃区域32上。由此能够节约用于电极和气体扩散层24的材料。典型地，隔膜22通过化学活跃区域32平面地走向并且无缝地进入隔膜电极单元20的边缘区域。
在边缘区域中隔膜电极单元20的隔膜22布置在两个边缘加固膜38之间，这些边缘加固膜构成所谓的边缘加固件。边缘加固膜38用于使典型情况下非常薄且松软的隔膜22机械稳定化。此外，在示出的情况中，边缘加固件用作密封件30的支座。该详细的构造尤其在相比较于截面视图A-A再一次放大的细节视图R中可看到。边缘加固膜38能够是PEN膜（聚萘二甲酸乙二醇酯）或包括PEN。借助于粘合剂40（例如丙烯酸粘合剂），边缘加固膜38此外还能够与隔膜22材料配合地连接。隔膜电极单元20具有边缘加固膜38和气体扩散层24在其中重叠的过渡区域，以便于在化学活跃区域32和边缘区域之间能够实现尽可能稳定的过渡。
此外，在截面示图A-A中以切割方式示出密封件30。密封件30包括布置在隔膜电极单元20的第一平面侧上的第一子区段42和布置在隔膜电极单元20的第二平面侧上的第二子区段44。两个子区段42和44穿过穿孔36一体地相互连接。通过穿孔36的间隙，实现密封件30与隔膜电极单元20的形状配合的机械连接。在截面示图A-A中，第一子区段42布置在隔膜电极单元上方且第二子区段44布置在隔膜电极单元下方。两个子区段42和44能够例如如示出的那样每两个密封凸缘46构造穿孔，其中每个密封凸缘46具有密封面48。
在示出的设计方案中，第一子区段42和第二子区段44的密封面48在隔膜电极单元上具有覆盖基本上相同的法线投影区域。两个子区段42和44关于镜面平层镜面对称，所述镜面平层在该情况中穿过隔膜22走向。由此，在燃料电池10内部压合密封件30的情况下，阻止或者至少减少隔膜电极单元20的变形。
隔膜电极单元20能够具有用于穿过中间杆的、未示出的中间开口。围绕该中间开口能够在隔膜电极单元20的两侧将电绝缘间隔元件布置在隔膜电极单元20上且尤其是在边缘加固膜38上。优选地，施加电绝缘间隔元件在与施加密封件30相同的生产步骤中进行。尤其是，间隔元件能够由与密封件30相同的材料组成。类似于密封件30，间隔元件能够闭合地环绕中间开口并穿过另一穿孔一体地互相连接。通过电绝缘间隔元件在燃料电池10内部阻止对与隔膜电极布置28相邻的双极板26的导电接触。没有间隔元件，双极板26可能穿过中间开口突出并彼此接触，由此可能发生短路。
通过例如在隔膜电极单元20的边缘加固件上溅射成形的密封件（挤压包封隔膜电极单元），能够制造根据本发明的隔膜电极布置28。对此，隔膜电极单元20放入注塑机器的打开的注塑工具中。接着闭合注塑工具并且将未交联的聚合物或单体注入注塑工具中以便产生密封件30的弹性体。然后在打开注塑工具和取出隔膜电极布置28之前，在预先定义的时长加热（升温）密封件30的聚合物，以便于开始交联和/或聚合。通过该溅射进程能够在密封件30和隔膜电极单元20之间尤其取得材料配合的连接，在示出的情况中取得边缘加固膜38。
在燃料电池10中布置根据本发明的隔膜电极布置28时，隔膜电极布置28和双极板26交替地互相上下堆叠成燃料电池堆叠12。根据本发明的燃料电池10能够如同已经讨论的那样基本上具有根据图1的构造，然而根据当前发明包含根据本发明的隔膜电极布置28。挤压燃料电池堆叠12，因此压缩隔膜电极布置28的密封件30。由此密封件30、尤其是其子区段42和44在其密封面48处密封相应的隔膜电极布置28和双极板26之间的空间四周。这些空间尤其包括化学活跃区域32和用于穿过运行介质34的开口。
这优选通过如下方式进行：将两个子区段42和44啮合进双极板的沟槽中，即至少部分布置进该沟槽中并且尤其是将密封面48朝沟槽的沟底挤压。由此除了密封件30与隔膜电极单元20的形状配合的连接之外，还给出密封件30与相邻双极板26的形状配合的连接。因此密封件30相对于隔膜电极布置28与双极板26的错位是不灵敏的，原因在于密封凸缘相对于刚性双极板中的密封槽锁止。
借助于密封件30，密封尤其是具有大约1mm的电池间隔（从双极板26的中心到最近的双极板26的中心的法线间隔）的金属燃料电池堆叠12是能够实现的。由此实现在挤压状态中在边缘加固件和双极板之间密封件30的子区段42和44只有大约0.4mm的高度。
附图标记
10　燃料电池
12　燃料电池堆叠
14　单电池
16　端板
18　强力元件
20　隔膜电极单元
22　隔膜
24　气体扩散层
26　双极板
28　隔膜电极布置
30　密封件
32　化学活跃区域
34　用于穿过运行介质的开口
36　穿孔
38　边缘加固膜
40　粘合剂
42　第一子区段
44　第二子区段
46　密封凸缘
48　密封面

Claims (10)

1. 用于燃料电池(10)的隔膜电极布置(28)，所述隔膜电极布置(28)包括隔膜电极单元(20)和带有第一子区段(42)和第二子区段(44)的一体式密封件(30)，
其特征在于，
所述隔膜电极单元(20)具有穿孔(36)，沿着所述穿孔密封件(30)在所述隔膜电极单元(20)两侧延伸，其中所述密封件(30)的第一子区段(42)布置在所述隔膜电极单元(20)的第一平面侧上且第二子区段(44)布置在所述隔膜电极单元(20)的第二平面侧上，并且两个子区段(42、44)穿过穿孔(36)一体地互相连接。
2. 根据权利要求1所述的隔膜电极布置(28)，其中所述两个子区段(42、44)都具有密封面(48)且第一子区段(42)的密封面和第二子区段(44)的密封面(48)在所述隔膜电极单元（20）上构成覆盖基本相同的法线投影区域。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的隔膜电极布置(28)，其中所述隔膜电极单元（20）在边缘区域中至少在其平面侧之一上具有边缘加固件（38），其中所述密封件（30）沿着所述边缘加固件（38）延伸。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的隔膜电极布置(28)，其中所述隔膜电极单元(20)的化学活跃区域(32)由密封件(30)环状围绕。
5. 根据权利要求4所述的隔膜电极布置(28)，其中所述隔膜电极单元(20)的电极至少基本上布置在由所述密封件(30)环状围绕的化学活跃区域(32)内部。
6. 根据权利要求4或5所述的隔膜电极布置(28)，其中所述隔膜电极单元包括气体扩散层(24)，所述气体扩散层布置在由所述密封件(30)环状围绕的化学活跃区域(32)内部。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的隔膜电极布置(28)，其中所述隔膜电极单元(20)具有至少一个用于穿过运行介质的开口(34)，所述开口由所述密封件(30)环状围绕。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的隔膜电极布置(28)，其中所述密封件(30)具有两个密封凸缘(46)。
9. 燃料电池(10)，其包括多个交替堆叠的双极板(26)和根据上述权利要求中任一项所述的隔膜电极布置(28)。
10. 根据权利要求9所述的燃料电池(10)，其中所述双极板(26)具有沟槽，所述密封件(30)的子区段(42、44)啮合进所述沟槽中。
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