CN106104878A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(10)，所述燃料电池(10)具有至少一个膜装置(13)，所述膜装置(13)布置在燃料电池的至少两个极板(14)之间，其中，所述燃料电池(10)在膜装置(13)的活性区域(16)外具有至少一个流场对(25)，所述流场对(25)包括布置在膜装置(13)两侧的、重叠的流场(20)。其特征在于，在重叠的流场(20)的其中一个中、在膜装置(13)的单侧、在膜装置(13)和极板(14)中的一个之间布置有支承件(18)，所述支承件(18)构造用于支承膜装置(13)。

Description

燃料电池
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池具有至少一个膜装置，该膜装置布置在燃料电池的至少两个极板之间。该燃料电池在膜装置的活性区域外具有至少一个流场对，该流场对包括布置在膜装置两侧的、重叠的流场。
燃料电池利用燃料与氧气生成水的化学转化用于产生电能。为此，燃料电池包含有所谓的膜电极单元(MEA：membrane electrode assembly)作为核心组件，膜电极单元是由可传导质子的膜和分别布置在膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的联合体。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜电极单元两侧地布置在电极的背向膜的侧面上。燃料电池一般通过大量的、堆叠(englisch：stack)布置的膜电极单元构成，这些膜电极单元的电功率相互叠加。在燃料电池工作中，燃料、尤其氢气H2或者含氢气的混合气被导向阳极，在阳极进行H2向H+的电化学式的氧化以释放出电子。通过电解质或者使反应室气密地相互分开的并且电绝缘的膜进行质子H+从阳极室向阴极室的(与水结合的或者不含水的)输送。在阳极制备的电子通过电路导向阴极。氧气或者含氧的混合气被导向阴极，以便通过吸收电子从O2到O2-的还原。同时在阴极室该氧离子与通过膜输送的质子反应生成水。相比于其他的发电系统，燃料电池通过化学能向电能的直接转化由于不必考虑卡诺因子而实现了更好的效率。
目前研究最多的燃料电池技术基于聚合物电解质膜(PEM)，其中，膜自身由聚合物电解质构成。在此通常使用酸化的聚合物、尤其全氟化聚合物。该类别聚合物电解质的应用最广的代表是由磺化聚四氟乙烯共聚物(品名：Nafion；由四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚的氟磺酸衍生物构成的共聚物)构成的膜。在此，电解质电路通过水合质子进行，因此质子传导能力的前提条件是有水存在和在PEM燃料电池的工作中要使工作气体湿润。由于需要水，所以在标准压力下该燃料电池的最大工作温度被限制为低于100℃。这种类型的燃料电池也被称为低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEM燃料电池)，其与高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM燃料电池)的区别是，后者的电解质导电能力基于通过静电络合键合在聚合物电介质膜的聚合物晶格上的电解质(例如磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)膜)，和工作温度在160℃。
例如专利文献DE 10 2005 057 045 A1公开了一种具有双极板的燃料电池单元，双极板在流体端口和流动场之间具有分配区和收集区。在此，膜电极单元夹在分配区和收集区的凸起的支承位置之间。分配区和收集区应在流场外(在膜电极单元的活性区域外)实现尽可能均匀的反应物导入和导出。
其他已知的分配区和收集区具有带例如沟槽形凹陷部的结构。在燃料电池工作之后，包围膜电极单元的膜的屏障层(通常也被称为边缘加固)在分配结构和收集结构的区域中会变形。这导致在分配结构和收集结构中可流通截面的变小和因此导致反应物在流场中的不均匀分布。
本发明要解决的技术问题在于，提供一种燃料电池，其具有提高的耐久性。
按照本发明地提供一种燃料电池，其具有至少一个膜装置，膜装置布置在燃料电池的至少两个极板之间。燃料电池在膜装置的活性区域之外具有至少一个流场对，该流场对包括布置在膜装置的两侧的、重叠的流场。特点是，在重叠的流场的其中一个中、在膜装置的单侧、在膜装置和极板中的一个之间布置有支承件，该支承件构造用于支承膜装置。
通过所述支承，减小或者防止了膜装置的变形。通过仅在膜装置单侧布置支承件使得可能的由于支承件产生的对流动的削弱仅在流场对的两个流场的其中一个进行。
因此，通过支承件的空间扩展可以在燃料电池的单个电池的厚度不变时使该流场的自由横截面减小，在其中布置有支承件。优选的是，自由横截面的这种减小被分配在流场对的两个相对的流场中。这可以通过极板的相应设计实现。优选地，极板具有管道，管道底部在从活性区域向具有支承件的流场过渡的位置处下沉(构成台阶部)。因此在不具有支承件的相对的流场中，所述底部在从活性区域向流场过渡的位置处升起。通过这种设计方案使得由于(可以向管道突伸的)支承件导致的通流的横截面的减小被分配在两个相对的流场上，以此在两个流场中实现均匀的流动条件。
极板一般也被称为隔板并且尤其可以被构造为双极板，双极板被布设为双侧地向膜装置输送反应物。备选地，极板也可以构造为单极板，单极板被布设为单侧地向膜装置输送反应物。双极板通常具有中间平面，即只要双极板(像公知的那样)由两个板件构成，中间平面就是在这两个板件之间的分隔平面。若流通横截面的减小由于支承件而被分配在两个相对的流场上(见上文)，那么分隔平面就不是连续的平面，而是在从活性区域到重叠的流场过渡的情况下具有错移部。在此，错移部向不具有支承件的流场的方向延伸。
尤其这样地构造支承件，使得膜装置通过支承件支承在极板上。支承件尤其具有面式的构造，以此使得极板在膜装置上的压紧力分布在比没有支承件情况中的更大的面上。
若按照本发明的燃料电池具有多于一个的膜装置，此燃料电池就也可被称为燃料电池堆。通常，燃料电池堆的分别具有一个膜装置的单个电池串联地电连接。
在燃料电池工作中，向流场尤其这样地供应反应物，使得在其中布置有支承件的流场具有的压力小于在流场对的相对的流场中的压力。因此使膜装置被挤压抵向支承件。若支承件被布置在具有较高压力的侧上，那么其优点在于支承件与膜装置机械式地连接、例如粘接，以便防止膜装置从支承件脱落。
流场对的两个流场在尤其与膜装置垂直的俯视视角中重叠，其中，可以认为两个流场投影在膜装置的中间平面上。
膜装置的(化学的)活性区域是在燃料电池工作中进行燃料电池反应的区域。膜装置为此可以在其活性区域中优选地在两侧具有电极，该电极可以包括催化涂层。在此情况中，由膜和电极构成紧凑的单元，其常常也被称为膜电极装置或者膜电极单元。
在本发明中，膜装置的两侧指的是在膜装置的两个(相对的)平展侧(主侧)。因此膜装置的单侧指的是仅在膜装置的两个平展侧的其中一个上。支承件位于各流场对中因此就是仅仅在两个平展侧的其中一个上，同时在各流场对的另一平展侧上不存在支承件。通过仅单侧存在的支承件使其仅存在于需要支承件的地方，以此避免燃料电池厚度或者在流场中流动损失不必要的升高。如果在各流场对的两个流场中都设置支承件，那么燃料电池厚度或者在流场中流动损失会不必要地升高。
优选地规定，流场对的重叠的流场的至少一个是用于收集从活性区域导出的反应物和/或反应产物的收集区域，并且支承件布置在该收集区域中。通过这种设计方案避免由于膜装置变形引起的在收集区域中自由的可流通的横截面的不受控制的减小。通过保持不变的、在工作期间不收缩的横截面，减少了尤其防止了反应物随工作时间增加的不均匀分布。备选地，流场对的重叠的流场的至少一个也可以是用于使反应物分布在活性区域上的分配区域，其中，支承件就可以布置在分配区域中而不是在收集区域中。
按照上述设计方案优选的是，流场对的与收集区域重叠的流场是用于将反应物分配到活性区域上的分配区域。通过在膜装置一侧上的分配区域和在膜装置另一侧上重叠的收集区域通常会出现显著的压差。通过在收集区域中的支承件抑制由该压差引起的膜装置的变形。
按照本发明的有利的设计方案规定，燃料电池包括至少两个流场对，其中，第一流场对的分配区域和第二流场对的收集区域布置在膜装置的同侧。由此可知，第二流场对的分配区域和第一流场对的收集区域占有膜装置的另一侧。因此，燃料电池按照对流原理通流，即两个在膜装置的相对的侧上流动的反应物以相反的方向流动。本发明尤其在这种燃料电池的情况下是有优点的，因为具有一般较低压力的收集区域分别与具有一般较高压力的分配区域重叠。备选地可以使两个膜装置分别具有在另一侧相对地分别与收集区域对置的分配区域。支承件仅在收集区域中布置在两侧。
在通过支承件使可能的横截面减小分配在两个相对的流场的情况下，在燃料电池内阳极侧的分配区域和/或阳极侧的收集区域和/或阴极侧的分配区域和/或阴极侧的收集区域可以具有一样大的可流通横截面。此外，两个相对的流场也可以具有一样大的可流通横截面。
优选地规定，流场对的重叠的流场的至少一个包括至少一个与活性区域在流体技术上连接的极板的通孔，并且支承件布置在膜装置的背向该至少一个通孔的侧上。通孔尤其可以是导入口，反应物通过其以相当高的速度从双极板流出。借助在膜装置的与通孔相对的侧上的支承件避免了由流出的反应物导致的膜装置变形。
优选地规定，支承件覆盖极板的至少两个凸起部。因此膜装置不仅压靠在极板的至少两个凸起部上，而挤压的负荷借助支承件分布在更大的面上。极板在凸起部之间具有凹陷部，在燃料电池的工作中该凹陷部用于对反应物的管道。
优选地，支承件包括燃料电池的气体扩散层的材料。支承件还可以由气体扩散层的材料构成、即由其组成。通过由反应物可以穿过的材料构造支承件减小或者避免了由反应物引起的可能的流动阻力升高。此外优选的是，支承件备选地也可以由金属板件构造，金属板厚度尤其最高为0.1mm，优选最高0.05mm。
优选地规定，支承件与燃料电池的气体扩散层的其中之一一体式地构造。因此除了气体扩散层材料用作支承件材料的上述优点以外还实现了特别低成本的燃料电池，因为为了实现支承件仅须使气体扩散层在各流场中延伸。
优选地规定，膜装置至少在重叠的流场中具有至少一个屏障层，该屏障层尤其环绕地包围(膜装置的)活性区域。这种屏障层通常也被称为边缘加固、尤其边缘加固膜，因为其可以与膜装置的膜的边缘重叠，并且包围膜的布置在活性区域中的部分。
此外提供一种包括按照本发明的燃料电池的机动车。通常该燃料电池布设用于机动车的电驱动件的能源供应。机动车的特点是持久性提高和保持有效功率不变。
备选地，按照本发明的燃料电池也可以是固定装置、例如固定的发电装置的一部分。其特点同样是持久性提高和保持有效功率不变。
本发明的其他优选的设计方案由其余的在从属权利要求中所述特征中得出。
只要没有另外的详细解释，本申请中所述不同的实施方式可以以优点相互组合。
下面在实施例中借助附图阐述本发明。附图中：
图1示出按照本发明的优选设计方案的燃料电池，和
图2示出按照本发明的优选设计方案的双极板。
图1示出按照本发明的优选设计方案的燃料电池10。仅示出燃料电池10和包含该燃料电池10的机动车100的部分区域。在图1的上部是燃料电池10的阳极侧11的俯视图，接着示出燃料电池10的阴极侧12的俯视图。然后示出剖切燃料电池10的局部区域的剖切面A-A。放大示出剖切面A-A的细节部C、B、D和E(相互之间并没有遵循比例)。
燃料电池10包括至少一个膜装置13，膜装置13布置在燃料电池10的至少两个极板14之间。在所示例中，极板14是双极板14，其中，燃料电池10包括多个极板14和多个膜装置13。膜装置13总是布置在两个极板14之间，其中，在图1中仅涉及中部的膜装置13。在膜装置13的活性区域16以外燃料电池10具有至少一个流场对25，流场对25包括布置在膜装置13两侧的、重叠的流场20。在重叠的流场20的其中一个中、在膜装置13单侧、在膜装置13和极板14其中一个之间布置有支承件18。支承件18构造用于支承膜装置13。在此，支承件18将膜装置13支承在邻接的极板14上。
各个膜装置13的第一流场对26的重叠的流场20的其中之一是用于使反应物(在此为阴极气体52)分布在活性区域16上的分配区域22。第二个重叠的流场20是用于收集从活性区域16导出的反应物(在此为阳极气体50)的收集区域24。在此，支承件18布置在收集区域24中。
在各个膜装置13的第二流场对28中，重叠的流场20的其中之一也是用于使反应物(在此为阳极气体50)分布在活性区域16上的分配区域22，同时重叠的流场20的第二个是用于收集从活性区域16导出的反应物(在此为阴极气体52)或者反应产物(例如水)的收集区域24。在第二流场对28中支承件18也布置在收集区域24中，并且相较于第一流场对26是布置在膜装置13的相对的侧上。
在支承件18的区域中可以在膜装置13的相对的侧上布置穿过极板14表面的通孔。通孔30在流体技术上与活性区域16连接。
膜装置13除了具有可以基本上限制在活性区域16上的膜32，还具有环绕地包围膜32的屏障层34。因为屏障层34通常与膜32的边缘重叠并使膜32稳定，所以屏障层34经常也被称为边缘加固或者边缘加固膜。屏障层34也可以在其整个面上都与膜32重叠。屏障层34通常是塑料膜。
膜装置13还在活性区域16外和在流场20外具有工作介质开口35，其在燃料电池10工作中引导工作介质(阳极气体、阴极气体和冷却剂)通过燃料电池10。
在膜装置13与极板14之间布置有气体扩散层36。气体扩散层36在活性区域16上延伸，按照优选的设计方案同时也构成支承件18。由此可以特别方便地实现支承件18，方法是使气体扩散层36简单地向应该布置支承件18的流场20、在本例中向收集区域24中延伸。
图2示出极板14的阴极侧12。极板14的阴极侧12在燃料电池10内指向膜装置13的阴极侧12。通过支承件18面式的构造使得支承件18覆盖极板14的凸起部38。凸起部38的位置和走向在图2中示意性在同样示意性示出的极板14的表面的管道40之间示出。凸起部38和管道40在收集区域24中构成收集结构，同时凸起部38和管道40在分配区域22中构成分布结构。管道40分别具有(管道)底部，其在从活性区域16向具有支承件18的流场20过渡的情况下下沉。即管道40的底部在从活性区域16向收集区域24过渡的情况下具有下沉部。
气体扩散层36覆盖活性区域16和收集区域24，以此通过气体扩散层36构造支承件18。在此，气体扩散层36部分地向管道40突伸。由气体扩散层36引起的管道40横截面的减小因此通过所述底部的下沉被分配在极板14的两侧。
此外，在分配区域22的侧面上可以看到通孔30，在该区域中在邻接的膜装置13的相对的侧上同样可以布置支承件18。例如支承件18可以延伸到该区域中。
按照备选的设计方案，在两个附图1和附图2中所示的阳极侧11和阴极侧12可以互换。因此，所示的阳极侧11可以是阴极侧。于是在附图所示的阴极侧12就是阳极侧。若在图2中视线看向阳极侧，则阳极气体50通过通孔30流动。
在图2中借助阴影部分示意性示出气体扩散层36的延伸。实际中支承件18可以配属膜装置13或者极板14，由此得到在燃料电池10组装时容易处理的组合件。
因此这种类型的膜装置组合件42在除了膜装置外也还包括至少一个支承件18，在实施例中即为两个支承件18和因此也包括两个气体扩散层36。
备选地，借助极板14也可以构成组合件，其中，双极板组合件44在除了双极板外还包括至少一个支承件18。即在实施例中双极板组合件44包括两个支承件18和因此包括两个气体扩散层36。
在燃料电池10工作中，阳极气体50通过在膜装置13和极板14的阳极侧11上的入口侧的通孔30流进分配区域22。阳极气体50先后经分配区域22、活性区域16和收集区域24流过各膜装置13。剩余的、未转化的阳极气体50接着通过出口侧的通孔30从燃料电池10导出，通常要再循环。在穿过燃料电池10的路径中阳极气体50从阳极入口侧54流向阳极出口侧56。
在膜装置13和极板14的阴极侧12上，阴极气体52通过入口侧的通孔30流进分配区域22。阴极气体52先后经分配区域22、活性区域16和收集区域24流过各膜装置13。剩余的、未转化的阴极气体52和在活性区域16中构成的反应产物接着通过出口侧的通孔30从燃料电池10导出。在此，阴极气体50从阴极入口侧28流向阴极出口侧60。
如图1和图2中所示，阳极气体52(例如氢气)和阴极气体54(例如空气)以对流形式流过阳极侧11和阴极侧12。在穿过燃料电池10的路径中气体52、54经历压力损失。这意味着，反应物在各入口、即在各分配区域22中具有比在反应物的各出口、即收集区域24中更高的压力。
由于在各阳极入口和各阴极出口之间以及在各阴极入口和各阳极出口之间的压力差结合提高的温度对按照现有技术的燃料电池会使屏障层34蠕变。这会导致向压力较小的方向的剩余变形。
通过膜装置13、尤其即屏障层34(边缘加固)的按照本发明的单侧的支承件，使得由于压力差引起的力由支承件18支承、本例中通过延长的气体扩散层36和极板14的收集结构支承。通过使支承件18实施为气体扩散层36的延长部，使得只要膜装置13作为膜装置组合件42制造，就对其制造没有明显的影响。因此就不需要其他部件。在此情况中，收集结构的高度仅通过气体扩散层36的一层减小。通过气体扩散层36引起的高度减小还可以分配在阳极和阴极收集结构与阳极和阴极分配结构上。
附图标识列表
10 燃料电池
11 阳极侧
12 阴极侧
13 膜装置
14 极板
16 活性区域
18 支承件
20 流场
22 分配区域
24 收集区域
26 第一流场对
28 第二流场对
30 通孔
32 膜
34 屏障层
35 工作介质开口
36 气体扩散层
38 凸起部
40 管道
42 膜装置组合件
44 双极板组合件
50 阳极气体
52 阴极气体
54 阳极入口侧
56 阳极出口侧
58 阴极入口侧
60 阴极出口侧
100 机动车

Claims (10)

1.一种燃料电池(10)，所述燃料电池(10)具有至少一个膜装置(13)，所述膜装置(13)布置在燃料电池的至少两个极板(14)之间，其中，所述燃料电池(10)在膜装置(13)的活性区域(16)外具有至少一个流场对(25)，所述流场对(25)包括布置在膜装置(13)两侧的、重叠的流场(20)，其特征在于，在重叠的流场(20)的其中一个中、在膜装置(13)的单侧、在膜装置(13)和极板(14)中的一个之间布置有支承件(18)，所述支承件(18)构造用于支承膜装置(13)。
2.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述流场对(20)的重叠的流场(20)的至少一个是用于收集从活性区域(16)导出的反应物和/或反应产物的收集区域(24)，并且所述支承件(18)布置在所述收集区域(24)中。
3.按照权利要求2所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述流场对(25)的与所述收集区域(24)重叠的流场(20)是用于将反应物分配到活性区域(16)上的分配区域(22)。
4.按照权利要求3所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述燃料电池(10)包括至少两个流场对(25)，其中，第一流场对(26)的分配区域(22)和第二流场对(28)的收集区域(24)布置在膜装置(13)的同侧。
5.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述流场对(25)的重叠的流场(20)的至少一个包括至少一个与活性区域(26)在流体技术上连接的极板(14)的通孔(30)，并且所述支承件(18)布置在所述膜装置(13)的背向所述至少一个通孔(30)的侧面上。
6.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述支承件(18)覆盖所述极板(14)的至少两个凸起部。
7.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述支承件(18)包括所述燃料电池(10)的气体扩散层(36)的材料。
8.按照权利要求7所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述支承件(18)与所述燃料电池(10)的气体扩散层(36)一体式地构造。
9.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述膜装置(13)至少在重叠的流场(20)的区域中具有至少一个屏障层(34)。
10.按照权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述极板(14)具有管道(40)，其中，管道(40)底部在从所述活性区域(16)向具有支承件(18)的流场(20)过渡的位置处下沉。
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