CN105453319A - 用于制造燃料电池和燃料电池系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法,所述方法包括:在膜电极装置的每一侧上分别设置一个气体扩散层和一个双极板,所述膜电极装置包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解膜片,其中,各气体扩散层相对于双极板和膜电极装置缩进,各气体扩散层分别具有至少一个反应流体输入区域、至少一个反应流体输出区域以及至少一个反应流体密封区域。所述方法的特征在于步骤:将密封材料注入到至少一个气体扩散层的至少一个反应流体密封区域中,使得气体扩散层向外密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造燃料电池和燃料电池系统的方法,其中,包含在燃料电池或燃料电池系统中的气体扩散层和/或可能设置的冷却通道被密封。此外,本发明涉及一种安装在燃料电池的气体扩散层上的阻隔层的应用。
背景技术
在燃料电池系统中,各单个的燃料电池被串联成燃料电池堆,以便实现更高的电压。在燃料电池堆的每个端部上有端板。在端板和燃料电池堆之间有集电器(多数由铜构成),该集电器汇集所有燃料电池的电流并且将电流从燃料电池堆导出。各燃料电池分别包含一个膜电极装置,该膜电极装置装入到阴极侧的气体扩散层和阳极侧的气体扩散层之间,其中,在各气体扩散层的背离膜电极装置的一侧上分别设置一个双极板。这些气体扩散层相对于各双极板和膜电极装置缩进。这些气体扩散层包含用于将反应气体和/或液体运输到电极的反应流体输入区域以及用于将反应气体和/或液体从电极运走的反应流体输出区域。在燃料电池的双极板的区域中也经常设置用于运输冷却剂的冷却通道。为了密封各燃料电池的各自的引导气体或引导流体的层或通道,必须设置密封装置,这些密封装置被挤压、粘贴或嵌入。为此,例如将密封装置施加到双极板或膜电极装置的两侧上,以便对处于双极板和膜电极装置之间的气体扩散层或者可能也设置的冷却通道进行密封,也就是说,防止气体或其它反应流体或其它液体、例如冷却液的流出。这些密封装置具有预先限定的高度或厚度并且被单独施加到每个双极板或膜电极装置上。这导致的缺点在于,正是在燃料电池部件的公差大或者密封厚度小的情况下,系统的密封性难以得到保证,其中,各密封装置的单独施加是非常昂贵的并且制造过程的成本变贵。因此,为了预防泄漏,使用更高的密封线,它们应最大程度地覆盖所有部件的公差,由此,材料投入增加并且气体和液体(一般性为流体)的通流区域减小。由于后者,介质的压力损失增大,这导致辅机组件(BoP组件)中的大损失并且降低系统效率。
发明内容
因此,由该现有技术出发,本发明的任务在于,给出一种用于制造燃料电池或燃料电池系统的方法,通过该方法以简单的节省成本的方式实现气体扩散层和/或设置的冷却通道的有效的、即气密或液密(以下概括为“流密”)的密封。
该任务在用于制造燃料电池的第一方法中实现,该方法包括步骤:在膜电极装置的每一侧上分别设置一个气体扩散层和一个双极板,该膜电极装置包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的电解膜片,其中,各气体扩散层相对于双极板和膜电极装置缩进,其中,这些气体扩散层分别具有至少一个反应流体输入区域、至少一个反应流体输出区域以及至少一个反应流体密封区域,按照本发明包括另一步骤:将密封材料注入到至少一个气体扩散层的至少一个反应流体密封区域内,使得该气体扩散层(2、3)向外密封。注入的密封材料通过注入使得实现气体扩散层相对于流体的高的密封性,其中,反应流体输入区域以及反应流体输出区域不密封。
此外,该任务也通过用于制造燃料电池的第二方法实现,该方法包括步骤:在膜电极装置的每一侧上分别设置一个气体扩散层和一个双极板,该膜电极装置包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解膜片,其中,各气体扩散层相对于双极板和膜电极装置缩进,其中,这些气体扩散层分别具有至少一个反应流体输入区域和至少一个反应流体输出区域,并且至少一个双极板具有至少一个冷却通道,该冷却通道包括至少一个冷却剂输入区域、至少一个冷却剂输出区域和至少一个冷却通道密封区域,按照本发明包括步骤:将密封材料注入到所述至少一个双极板的至少一个冷却通道密封区域中,使得冷却通道向外密封。
“气体扩散层”在本发明的意义上包括传统的气体扩散层,但是也包括微孔层或泡沫状材料。所述反应流体输入区域和反应流体输出区域可以从燃料电池外部供给(外部歧管)或者可以集成在燃料电池的区域中、尤其是双极板的区域中(内部歧管)。密封材料的注入是有时间有效的方法,通过该方法密封线能快速地以特定的与要被覆盖的区域一致的高度被精确地施加,在同时考虑和局部补偿燃料电池部件的材料公差和制造公差的情况下。对本发明重要的注入密封材料的步骤可以类似地应用到燃料电池的所有气体扩散层或冷却通道上。因此以简单的经济的并且节省材料的方式提供具有非常高的流密性的燃料电池。
各从属权利要求包含本发明的有利的扩展方案和实施方案。
按照本发明的第一方法的一种有利的扩展方案,在至少一个双极板上设置至少一个包括至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域的冷却通道。该冷却通道可以设置在双极板两侧和/或集成在双极板中。该冷却通道用于引导冷却剂并且由此从燃料电池中运走热量。
按照本发明的第一方法的一种另外的有利的扩展方案规定,在具有带有至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域的冷却通道的双极板上,设置至少一个冷却通道密封区域,并且密封材料如此注入到双极板的至少一个冷却通道密封区域中,使得该冷却通道向外密封。因此,不仅气体扩散层被流密地密封,而且所述冷却通道也被流密地密封,这有效地防止冷却剂不期望的流出并且更可靠地允许燃料电池的运行。
一种有利的扩展方案规定,将密封材料注入到至少一个气体扩散层的反应流体密封区域上和/或注入到双极板的至少一个冷却通道密封区域上也包括:注入到气体扩散层的侧表面上和/或冷却通道的侧表面上。由此实现气体扩散层和/或冷却通道的尤其良好的密封。
进一步有利地规定,所述注入借由一个或多个设置在燃料电池的侧面的和/或至少部分装入到反应流体密封区域和/或冷却通道密封区域中的喷嘴进行。通过使用设置在侧面的喷嘴能够以高的精度、厚度和高度实现密封线。只要喷嘴被至少部分地装入到反应流体密封区域和/或冷却通道密封区域中,那么密封线就能更好地更简单地例如直接注射到气体扩散层的侧表面上,使得密封材料更少地到达双极板的易接近的边缘上,而是直接到达要被密封的引导流体的层上。
为了更均匀更完整地密封引导气体的层,喷嘴可在密封材料的注入期间被运动。尤其有利的是,喷嘴在此偏转或翻转并因此密封材料的注入角度变化。由此,难以接近的角落区域也能完整地均匀地被密封材料覆盖。此外,通过适当地选择注入角度可以使更多的材料注射到双极板的附近,这防止膜的压开和/或防止密封材料流到相邻通道中。
进一步有利的是,燃料电池在密封材料的注入期间的运动也有助于密封材料的更好更均匀的分布。燃料电池的运动也包括在喷嘴运动时燃料电池偏转或翻转并因此密封材料注入角度变化,由此密封材料到难以接近的角落区域的分布也得到简化。
按照一种有利的扩展方案,按照本发明的方法包括另外的步骤:干燥(凝固或硬化)密封材料,其中,燃料电池在干燥密封材料期间被压缩。压缩压力或压紧压力将燃料电池的各单层压实。由此产生公差补偿,方式为,密封材料由于作用的压力(在必要的地方)分布在侧面上。由此,以这种方式,密封线可以适配于实际的运行条件并且避免密封材料在高度上的过量。在此,压缩压力能有利地等于在燃料电池堆中存在的压力,但也能比在燃料电池堆中存在的压力更小或更大。
进一步有利的是,双极板具有至少一个压制部并且密封材料只注入在该压制部区域中。该压制部用作为密封材料的流出阻挡器并且将注入区域限定在预定的位置上。此外,也可因此在密封材料和双极板之间形成形状锁合的连接,这抑制密封件在机械作用时滑落。
为了减少燃料电池的制造时间,注入可在高压下进行,如在例如注塑中使用高压一样。但是在此为了不减弱气体扩散层的功能性,应该避免密封材料变形、压缩或渗入到气体扩散层中。因此,一种另外的有利的扩展方案规定,在至少一个气体扩散层的至少一个反应流体密封区域的侧表面的至少一部分上和/或在冷却通道的冷却剂密封区域的侧表面的至少一部分上安装阻隔层,该阻隔层在注入时防止密封材料渗入到气体扩散层或冷却通道中。该部分可尤其包括气体扩散层的整个反应流体密封区域或冷却通道的整个冷却剂密封区域。
尤其有利的是,该阻隔层在密封材料注入之后又被去除,以便不损害引导气体的层的功能性。这可以物理地和/或化学地进行并且优选通过在燃料电池运行时存在的条件实施。为此,阻隔层优选地由水溶的和/或热不稳定的和/或易气化的和/或酸不稳定的和/或压力敏感的材料构成。
进一步有利的是,按本发明的方法的特征在于,在双极板和膜电极装置之间在注入密封材料期间安装一个间距器。替代地,出于相同的目的也可使用多个间距器。一个或多个间距器用于对层进行支承(密封材料被注入到这些层之间)和/或可以防止密封材料流入到相邻的通道中。所述一个或多个间距器在密封过程结束之后又以适合的方式被去除。
替代或附加于间距器的使用,也可进行双极板和膜电极装置的支承,方式为,气体扩散层的反应气密区域被如此支承,即气体扩散层的侧表面伸出的程度恰好如膜电极装置一样。
按照本发明也描述安装在气体扩散层上的阻隔层的应用,该阻隔层由可去除的材料制成,用于在密封材料注入到气体扩散层的反应流体密封区域时防止密封材料渗入到气体扩散层中,即气体扩散层向外密封。由此提供流密的(即气密和/或液密的)系统,该系统正好在气体扩散层的敏感区域中在密封材料注入时受到保护并且由此防止密封材料渗入到气体扩散层中或防止该气体扩散层变形。
此外,本发明涉及一种用于制造燃料电池系统的方法,该燃料电池系统包括多个组合为燃料电池堆的燃料电池,该方法的特征在于步骤:堆叠至少两个燃料电池,其中,至少一个燃料电池按照上文描述的方法制成。通过按照本发明的用于制造燃料电池系统的方法,以简单的、减少成本和节省材料的方式制造燃料电池系统,由于密封材料的注入在考虑燃料电池系统的单个部件的局部材料公差和制造公差的情况下,该燃料电池系统的优点在于相对于反应流体和/或冷却通道的非常好的密封性。
用于描述按照本发明的用于制造燃料电池的方法的扩展方案、优点和效果也适用于按照本发明的用于制造燃料电池系统的方法。
为了提高方法的效率,密封材料的注入可以通过多个喷嘴同时进行。如上文已经描述的,各喷嘴可构成为可运动、可翻转、可偏转或可旋转的,使得注入角度能被改变。通过用多个喷嘴同时注入在一个系统上,燃料电池系统能尤其节省成本地在短时间内制成。
基于按照本发明的解决方案及其扩展方案,得到以下优点:
按照本发明的方法由于使用标准过程可简单地、节省成本地执行;
本发明的方法允许密封材料精确地施加到燃料电池或燃料电池系统的引导流体的层上,在考虑和局部补偿燃料电池或燃料电池系统的各单个部件的材料公差和制造公差的情况下;
通过在干燥密封材料时预压缩,密封高度能适配到在燃料电池系统运行时出现的密封高度上并且因此也节省密封材料;
制造薄的均匀的密封线得到简化;
所述方法是节省时间的并且因此适合批量生产。
附图说明
本发明其它细节、特征和优点从下面的说明和附图中得出。附图如下:
图1示出按照本发明的第一扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图2示出按照本发明的第二扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图3示出按照本发明的第三扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图4示出按照本发明的第四扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图5示出按照本发明的第五扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图6示出按照本发明的第六扩展方案用于制造燃料电池系统的第一方法的示意图;
图7示出用于制造替代的燃料电池系统的其它的方法的示意图。
具体实施方式
在附图中只示出按照本发明的用于制造燃料电池系统的方法的在此要了解的方面,所有其余的方面为了清楚的表示而被省略。此外,相同的附图标记涉及燃料电池系统的相同的构件。
图1示出按照本发明的第一扩展方案用于制造燃料电池系统的方法的示意图。具体在剖视图中示出燃料电池系统的局部。该燃料电池系统包括双极板1和膜电极装置4以及分别在所述双极板和膜电极装置之间的气体扩散层2、3,其中,气体扩散层2是阳极侧的气体扩散层并且气体扩散层3是阴极侧的气体扩散层。气体扩散层2、3如此构成,即它们相对于双极板1和膜电极装置4缩进或者说后缩。换句话说,双极板1和膜电极装置4突出于气体扩散层2、3,以便在双极板1和膜电极装置4之间构成自由空间。
每个气体扩散层2、3具有至少一个反应流体输入区域以及至少一个反应流体输出区域,用于输入和输出反应流体,反应流体以任意形式和分布状态流过各个气体扩散层2、3。为了更清楚地表示,在图1中示出区域2b和区域3b,其中,区域2b在此示例性地构成阳极侧的反应流体输入区域并且区域3b示例性地构成阴极侧的反应流体输入区域。区域9构成阳极侧和阴极侧的反应流体密封区域,即既不用于反应流体输入也不用于反应流体输出的区域。在燃料电池系统的这些区域中应该防止反应流体的流出,以保证燃料电池系统的可靠的高效的运行,而不会在它们的功能方面阻碍反应流体输入区域2b、3b和反应流体输出区域。
如果燃料电池系统例如构成为由多个单层组成的立方体,那么在每个气体扩散层2、3中露出四个周向的侧。在此,上侧被双极板1覆盖并且下侧被膜电极装置4覆盖。例如,这四个露出的周向的侧中的一侧用于反应流体输入并且另一侧用于反应流体输出。这两侧因此是反应流体输入区域和反应流体输出区域。因此,其余的两侧可能是要被密封的反应流体密封区域。
在图1中,在燃料电池系统的侧面安装有喷嘴6,借由该喷嘴,密封材料5被注入到反应流体密封区域9中并且可能也被注入到各气体扩散层2a、3a的侧表面上。在此,密封材料5至少部分填充反应流体密封区域9,然而在任何情况下,气体扩散层2、3向外密封。
图2示出按照本发明的第二扩展方案用于制造燃料电池系统的方法的示意图。不同于图1中示出的示意图,在此示出的喷嘴6可偏转,使得密封材料5的注入角度可改变。因此,足够的密封材料5可被施加到反应流体密封区域9的尤其是难以到达的角落区域中,即由气体扩散层2、3和双极板1构成的角落区域中,由此有效地避免该区域中的泄漏。
优选喷嘴6不仅可偏转而且也可旋转,并且可在水平方向上运动,使得密封材料5即使在密封线薄的情况下也完全覆盖反应流体密封区域9的部分并且必要时也完全覆盖气体扩散层2a、3a的侧表面。
按照图3中示出的按照本发明的方法的第三扩展方案,在双极板1和膜电极装置4之间在与气体扩散层2a、3a被注射或注入密封材料5的侧表面对置的侧2c、3c上安装有间距器7,这些间距器主要使双极板1相对于膜电极装置4支承并且此外防止密封材料5渗入到非规定的区域中。
间距器7可以在其维持在双极板1和膜电极装置4之间间隔的功能上设置为可运动的,即绕气体扩散层2、3的侧表面循环。由此,间距器在注入过程期间可支承到与反应流体密封区域9对应的周围区域中。
间距器7优选在密封材料的注入之后、也就是说在气体扩散层2、3密封之后又被去除。
图4示出间距器7的一种替代形式。间距器7又承担功能:防止密封材料5渗入到非规定的区域中以及使双极板1相对于膜电极装置4彼此相对地支承。
如图5所示,在该实施形式中在注入密封材料5之前,在气体扩散层2a、3a的侧表面上安装阻隔层8,这些阻隔层防止气体扩散层2、3在注入密封材料时被密封材料5渗入和发生变形。
阻隔层8的材料可在燃料电池系统密封之后又去除或者保留在规定的位置上,并且为此其优选由可物理地和/或化学地去除的材料构成,例如由水溶的和/或热不稳定的和/或易气化的和/或酸不稳定的和/或压力敏感的材料构成。尤其优选阻隔层8通过在燃料电池运行时存在的条件去除。
图6说明可替代或附加于图3应用的扩展方案。在此,气体扩散层2、3,更准确地说阳极侧的反应流体输入区域2b的侧表面2c和阴极侧的反应流体输入区域3b的侧表面3c伸出的程度恰好如膜电极装置4一样。这有助于双极板1相对于膜电极装置4的支承。
图7是用于制造替代的燃料电池系统的一种另外的方法的示意图,该燃料电池系统包括集成的用于反应流体的接头。具体地,该燃料电池系统的局部示出与上述的燃料电池系统类似的层结构,该层结构具有一个膜电极装置4、一个阳极侧的气体扩散层2、一个阴极侧的气体扩散层3和两个在两侧的双极板1。气体扩散层2、3相对于双极板1和膜电极装置4缩进。气体扩散层具有反应流体输入区域(未示出)、反应流体输出区域(未示出)和反应流体密封区域9,其中,图7例如示出阳极侧的反应流体密封区域。反应流体通过反应流体通道10输送给燃料电池系统。为了使反应流体不从反应流体通道10流出和流入到燃料电池系统的层结构的非规定的层中,密封材料5又借由喷嘴6注入到反应流体密封区域9中,由此燃料电池系统在该区域中被密封。
通过附图说明的本发明的实施形式描述双流体燃料电池系统。但是本发明也可类似地用于更多流体燃料电池系统、例如三流体燃料电池系统。
此外,不必须使密封材料通过反应流体密封区域9直接注射到气体扩散层2、3的侧表面2a、3a上。而是,密封材料5也可以注入到边缘区域中、例如反应流体密封区域9的入口。
本发明的上述说明仅用于说明的目的而不是为了对本发明进行限制。在本发明范畴中,不同的变化和修改是可能的,而不脱离本发明和其等同方案的范围。
附图标记列表
1双极板
2阳极侧的气体扩散层
2a阳极侧的气体扩散层的侧表面
2b阳极侧的反应流体输入区域
2c阳极侧的反应流体输入区域的侧表面
3阴极侧的气体扩散层
3a阴极侧的气体扩散层的侧表面
3b阴极侧的反应流体输入区域
3c阴极侧的反应流体输入区域的侧表面
4膜电极装置
5密封材料
6喷嘴
7间距器
8阻隔层
9反应流体密封区域
10反应流体通道
Claims (16)
1.用于制造燃料电池的方法,所述方法包括:在膜电极装置(4)的每一侧上分别设置一个气体扩散层(2、3)和一个双极板(1),所述膜电极装置包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解膜片,其中,各气体扩散层(2、3)相对于双极板(1)和膜电极装置(4)缩进,各气体扩散层(2、3)分别具有至少一个反应流体输入区域(2b、3b)、至少一个反应流体输出区域以及至少一个反应流体密封区域(9),其特征在于步骤:将密封材料(5)注入到至少一个气体扩散层(2、3)的至少一个反应流体密封区域(9)中,使得该气体扩散层(2、3)向外密封。
2.用于制造燃料电池的方法,所述方法包括:在膜电极装置(4)的每一侧上分别设置一个气体扩散层(2、3)和一个双极板(1),所述膜电极装置包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解膜片(4),其中,各气体扩散层(2、3)相对于双极板(1)和膜电极装置(4)缩进,各气体扩散层(2,3)分别包括至少一个反应流体输入区域(2b、3b)和至少一个反应流体输出区域,并且至少一个双极板(1)包括至少一个冷却通道,所述冷却通道具有至少一个冷却剂输入区域、至少一个冷却剂输出区域和至少一个冷却通道密封区域,其特征在于步骤:将密封材料(5)注入到至少一个双极板(1)的至少一个冷却通道密封区域中,使得冷却通道向外密封。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,在至少一个双极板(1)上设置有至少一个冷却通道,所述冷却通道具有至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域。
4.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,在双极板(1)上设置有至少一个冷却通道密封区域,该双极板具有冷却通道,该冷却通道具有至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域,并且密封材料(5)注入到双极板(1)的至少一个冷却通道密封区域中,使得该冷却通道向外密封。
5.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,将密封材料(5)注入到至少一个气体扩散层(2、3)的反应流体密封区域(9)上和/或注入到双极板(1)的至少一个冷却通道密封区域上也包括:注入到气体扩散层(2、3)的侧表面上和/或冷却通道的侧表面上。
6.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述注入借由一个或多个设置在燃料电池侧面的和/或至少部分被装入到反应流体密封区域(9)和/或冷却通道密封区域中的喷嘴(6)进行。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述喷嘴(6)在密封材料(5)的注入期间运动和/或尤其偏转并因此注入角度变化。
8.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述燃料电池在密封材料(5)的注入期间运动。
9.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于另一步骤:干燥密封材料(5),其中,燃料电池在密封材料(5)的干燥期间被压缩。
10.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述双极板(1)包括至少一个压制部,并且密封材料(5)仅注入在该压制部的区域中。
11.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,将阻隔层(8)安装到至少一个气体扩散层(2、3)的至少一个反应流体密封区域(9)的侧表面(2a、3a)的至少一部分上和/或安装到冷却通道的冷却剂密封区域的侧表面的至少一部分上,该阻隔层防止密封材料(5)在注入时渗入到气体扩散层(2、3)和/或冷却通道中。
12.按照权利要求11所述的方法,其特征在于,所述阻隔层(8)在密封材料(5)注入之后去除,优选通过燃料电池运行时存在的条件去除。
13.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,在双极板(1)和膜电极装置(4)之间在密封材料(5)注入期间安装间距器(7)。
14.按照上述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述气体扩散层(2、3)的反应流体密封区域(9)在注入期间被支承,方式为,气体扩散层的侧表面(2c、3c)伸出的程度恰好如膜电极装置(4)一样。
15.安装在气体扩散层(2、3)上的阻隔层(8)的应用,该阻隔层由可去除的材料构成,用于在密封材料(5)注入到气体扩散层(2、3)的反应流体密封区域(9)的期间防止密封材料(5)渗入到气体扩散层(2、3)中,使得气体扩散层(2、3)向外密封。
16.用于通过堆叠至少两个燃料电池来制造燃料电池系统的方法,所述燃料电池系统具有多个组合成燃料电池堆的燃料电池,其中,至少一个燃料电池按照权利要求1至14之一所述的方法制成。
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