CN107078317B

CN107078317B - 燃料电池

Info

Publication number: CN107078317B
Application number: CN201580057537.4A
Authority: CN
Inventors: C.M.齐利希; F.瓦尔克林
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: US20170317361A1; US10790520B2; DE102014221351A1; WO2016062550A1; CN107078317A

Abstract

本发明涉及一种带有堆栈的燃料电池(10)，包括：双极板(20)，该双极板(20)具有流场(22)，该流场(22)通过双极板(20)的成型部构造，以及纵向延伸的密封元件(21)，该密封元件(21)至少部分包围流场(22)；和膜片电极单元(30)。设置成，在空腔(25)内布置有在空腔(25)的延伸方向上延伸的填充体(24)，该空腔(25)构造在膜片电极单元(30)与双极板(20)之间在在密封元件(21)与流场(22)之间的区域中。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池由至少一个双极板和通过框架被固定的膜片电极单元的堆栈构成。在此，双极板具有由双极板的成型部构造的流场。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧气到水的化学转换，以为了产生电能。为此，燃料电池作为核心部件含有所谓的膜片电极单元(MEA代表membrane electrode assembly)，该膜片电极单元是由离子传导的尤其质子传导的膜片和分别在两侧布置在膜片处的电极(阳极和阴极)构成的组合体。此外，气体扩散层(GDL)能够在膜片电极单元的两侧布置在电极的背对膜片的侧边处。通常，燃料电池由多个以堆栈(stack)布置的MEA形成，其电功率叠加。在燃料电池的运行中，燃料(尤其氢气H₂或含氢气的气体混合物)被供应给阳极，在该处在释放出电子的情形下发生H₂到H⁺的电化学氧化。通过电解质或膜片(该膜片气密地彼此分开并且电气绝缘反应腔)实现质子H⁺从阳极腔到阴极腔中的(含水的或不含水的)输送。在阳极处所提供的电子通过电导线被导入给阴极。氧气或含氧气的气体混合物被供应给阴极，从而在接收电子的情形下从O₂到O^2-的还原发生。同时，在阴极腔中这些氧阴离子与通过膜片输送的质子在形成水的情况下起反应。通过从化学能到电能的直接的转换，燃料电池相对于其它的发电机由于卡诺因子(Carnot-Faktor)的折算(Umgehung)得到改善的效率。

燃料电池通过多个以堆栈布置的单电池形成，从而也称为燃料电池堆。在膜片电极单元之间布置有双极板，该双极板确保利用运行介质(也就是说反应物和冷却液)供应单电池。此外，双极板负责相对于膜片电极单元的导电的接触。

双极板至少由一对轮廓成型的板构建，这两个板分别具有冷却剂侧和电池侧并且两个板如此彼此相对布置和连接，使得在彼此面对的冷却剂侧之间构造有用于输送冷却剂的通道。板在其活性区域中具有由凹槽或通道构成的编组，其在其电池侧上形成用于将反应物分配到相应的阳极和阴极的表面之上的敞开的流场或流动场。在在双极板内的板之间成形有冷却剂通道并且将冷却剂分配到燃料电池堆之上用于其冷却。

为了使阳极腔或者阴极腔物理上与燃料电池的周围环境绝缘，电池堆栈在双极板的边界区域中具有密封元件。这些密封元件用于密封和电气绝缘并且典型地以环绕活性和非活性区域的框架的形式布置在双极板上。

在已知的燃料电池堆中，密封元件和流场彼此间隔开，以为了容纳膜片电极单元的制造公差、安置焊缝并且避免扩散层和膜片与密封元件的重叠。扩散层和密封元件的重叠能够导致气态的运行介质的不期望的泄漏。密封元件和与此间隔开的流场因此形成缝隙，其在堆栈中导致构造空腔。该空腔引起，大量反应物气体绕开双极板的活性区域，这也称为反应物旁路流。反应物旁路流是不经济的，因为反应物气体未被引导到燃料电池堆的活性领域处并且因此未供电化学反应使用。此外，反应物旁路流导致在活性区域中的压力损失，必须利用相应的反应物气体的增加的供应应对该压力损失。此外，反应物旁路流能够由于反应物不足对燃料电池堆的耐久性、可靠性和有效功率具有不期望的影响。为了解决该问题，在文件DE 10 2009 017 906 A1提出了，在密封元件处布置阻挡层，该阻挡层向内朝向双极板的活性区域延伸并且因此减少了反应物旁路流。

在该解决方案中不利的是，必须设置缝隙，以为了确保，膜片电极单元在压缩电池时不由非弹性的双极板损坏。

发明内容

现在本发明的任务在于，提供现有技术的问题的一种备选的解决方案并且尤其进一步减少或阻止反应物旁路流。

该任务通过一种带有独立权利要求的特征的燃料电池解决。因此，本发明涉及一种带有堆栈的燃料电池，该堆栈包括双极板，该双极板具有由双极板的成型部构造的流场；以及纵向延伸的密封元件，该密封元件至少部分包围流场。根据本发明设置成，在在密封元件与流场之间构造的空腔内部布置有填充体，该填充体在空腔的延伸方向上延伸。

根据本发明的燃料电池的优点在于，在空腔内部的自由的容积减少。因此，反应物旁路流的容积同样减少。这导致，反应物需求明显地减少并且反应物气体由于反应物旁路流的损失不必通过压力提高或对反应物气体的提高的物质输送克服。此外与用于减少反应物旁路流的传统的措施相比，膜片电极单元尽最大可能地保持不受损伤。根据本发明的燃料电池使之可能，即，不依赖于膜片电极单元的待遵循的制造公差减少反应物旁路流。

当前，空腔理解为在双极板和在堆栈中毗邻的层(也就是说膜片电极单元和/或其气体扩散层)之间在在密封元件与双极板的流场之间的区域中构造的缝隙或空腔。该空腔通常由双极板的型材结构得出并且一方面通过在流场的区域中的型材结构的高度并且另一方面通过密封元件的高度限定。空腔平行地沿流场延伸。因此在双极板的每个侧边上(也就是说在阳极侧上和在阴极侧上)分别得出两个在密封元件与流场之间伸延的空腔。有利地，尤其两个双极板侧的两个空腔设有填充体。

密封元件是在双极板的外边界处伸延的密封单元，该密封单元例如实施为翻边密封件和/或聚合体密封件。

在本发明的一种优选的设计方案中设置成，填充体沿流场的长度延伸。该设计方案的优点在于，反应物旁路流在布置在流场的长度之上中很大程度上并且因此有效地抑制。在此，填充体优选占据空腔的容积的大于一半、尤其大于三分之二、优选地大于四分之三。在此，填充体能够具有圆形的、椭圆形的、矩形的、正方形的或四边形的横截面。

尤其优选的是，以未压缩的形式的(也就是说在组装堆栈之前的)填充体的高度h_F大于流场的成型部的高度h_P。该设计方案以有利的方式导致，即，在填充体和相邻于双极板的层(也就是说膜片电极单元和/或气体扩散层)之间产生接触，该区域因此被气密地封闭，并且反应物旁路流被阻止。此外产生气体扩散层和膜片电极单元的压缩并且因此在气密的接触中产生其固定。

此外优选的是，填充体是聚合体，尤其弹性体或热塑性弹性体(TPE)。这些材料(尤其弹性体或TPE)通过以下方式出众，即其可通过外部压力容易地并且可逆地变形。因此，这些材料能够特别良好地匹配空腔的外部的形状，在此在处理中是容易的并且关于反应物是气密的。特别有利地使用这样的弹性体材料，该弹性体材料在压力中已变形，在该压力中膜片电极单元不被损坏。因此实现成，在膜片电极单元与双极板之间或者在膜片电极单元的框架与双极板之间的区域气密地通过填充体来密封，并且不必遵循间隔以为了不损坏膜片电极单元。

在本发明的另一优选的设计方案中，填充体与双极板连接。有利地，该填充体在此被固定在双极板上。该设计方案尤其提供了生产优点。在此，填充体优选布置在双极板处，在实现膜片电极单元在双极板处的布置之前。因此，填充体在双极板处的布置能够不依赖于膜片电极单元的待遵循的公差实现，而后者不被损伤。填充体在该设计方案中作为硬化的材料被粘上到双极板上，要不然借助于分送器以非硬化的形式被涂覆到双极板上。

在本发明的另一设计方案中设置成，填充体(关于位置)多件式地实施。这以有利的方式在同时提高尤其关于双极板和毗邻于其的层的形状的灵活性的情形中导致材料节省。此外，填充体在空腔中的根据本发明的布置能够与用于减少反应物旁路流的另外的措施组合。如果填充体多件式地实施，优选的是，填充体的至少一部分分别布置到流场的边界处(也就是说在纵向延伸的空腔的两个端部处)。

此外优选的是，密封元件是翻边密封件，也就是说同样如流场那样从双极板的成型部中得出的密封件。该优点尤其在于，密封件(也就是说翻边)可在双极板的成型期间构造。备选地或附加地，密封元件能够是聚合体密封件，该聚合体密封件后来被涂覆到双极板上。有利地，聚合体密封件的涂覆的生产步骤可与填充体的涂覆组合。

在本发明的另一优选的设计方案中设置成，即，填充体与膜片电极单元连接。通过在填充体与膜片电极单元之间的直接的接触实现，在膜片电极单元与双极板之间的间隔完全通过填充体填满并且因此在该区域中反应物旁路流被完全阻止。备选地对于填充体在双极板处的布置，填充体为此被粘上到膜片电极单元的垫圈(框架)上。

不仅在填充体在双极板上而且在膜片电极单元上的布置的情形中有利的是，填充体与膜片电极单元的气体扩散层重叠。因此以有利的方式产生膜片电极单元(尤其气体扩散层)通过填充体的支撑。

本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括根据本发明的燃料电池中的多个并且例如用于机动车的电机的供电。

本发明的另外的优选的设计方案由其余的在从属权利要求中所提及的特征得出。

本发明的不同的在该申请中所提及的实施方式可有利地彼此组合，只要在个别情况下不另外地实施。

附图说明

在下面在实施例中根据附图解释本发明。其中：

图1显示了燃料电池堆的示意图，

图2显示了双极板的俯视图的示意图，

图3显示了燃料电池堆的示意性的横截面图，

图4在优选的第一设计方案中以透视图显示了燃料电池堆的示意性图，

图5显示了在优选的第二设计方案中的根据本发明的燃料电池堆的示意性的横截面图，并且

图6显示了在优选的另一设计方案中的根据本发明的燃料电池堆的示意性的横截面图。

具体实施方式

图1在示意图中显示了燃料电池堆11。燃料电池堆11包括两个端板12。在端板12之间布置有多个相叠地堆垛的堆栈元件，该堆栈元件包括双极板20和膜片电极单元30。双极板20与膜片电极单元30交替地堆垛。膜片电极单元30分别包括膜片以及在膜片两侧紧接着的电极，即阳极和阴极(未示出)。贴靠在膜片处，膜片电极单元30此外能够具有气体扩散层33。在燃料电池堆11的端板12之间借助于拉力元件16(例如拉杆或夹紧板)被压制。

在图1中，从双极板20和膜片电极单元30仅可看见窄侧。双极板20和膜片电极单元30的主侧彼此贴靠。在图1中的示图不按尺寸比例。典型地，由双极板20和膜片电极单元30组成的单个电池的厚度为若干mm，其中，膜片电极单元30是更薄得多的部件。此外，单个电池的数量通常明显大于示出。

图2显示了双极板20的俯视图的示意图。双极板20能够划分成三个部分区域、即两个分配器区域26和活性区域27。在此，分配器区域26分别相邻于活性区域27在终端布置在双极板20处。分配器区域26包括用于冷却剂和反应物气体的供应通道。活性区域27具有流场22，该流场22由双极板20的型材结构得出。在流场22内部由型材结构构造通道，在该通道中反应物气体由分配器区域26经由活性区域27引导到其他的分配器区域26。流场通过密封元件21侧向上被限制，也就是说至少在两个侧面处、即在流场22的与密封元件21相邻的纵侧处。在密封元件21与流场22之间沿着流场22的纵侧得出空腔25。空腔25以及在流场22的型材结构22内部的通道是两个分配器区域26的流动技术的连接。

如果在图2中所显示的双极板20相对于燃料电池堆布置到膜片电极单元处，则这如此实现，使得催化电极相邻地布置在活性区域处，从而使得燃料电池反应仅在流场22的区域中发生。这也就是说，仅仅在流场22内部由分配器区域26引导到另一分配器区域26的反应物气体供燃料电池反应使用。不通过流场22引导而是通过流场22的空腔25绕流的反应物气体的部分作为反应物旁路流不供燃料电池反应使用。

在图3中示出了燃料电池堆11的横截面图。显示了由双极板20构成的堆栈，该双极板20与膜片电极单元30交替地布置。膜片电极单元30包括例如以聚合体电解质膜片的形式构造的膜片31以及固定膜片31的框架32。框架32例如以支持膜的形式构造，该支持膜层压在膜片31两侧并且空出毗邻流场22的活性区域27。在活性区域27中，膜片31由两个催化层(未示出)包围，这两个催化层能够层压到膜片31上。此外，膜片电极单元30包括两个相邻地布置在膜片31处的气体扩散层33，该两个气体扩散层33在所显示的设计方案中与框架32重叠。

在图3中所显示的密封元件21示例性地实施为双极板20的翻边密封件。备选地或附加地，密封元件21也能够构造为聚合体密封件，该聚合体密封件例如被涂覆到双极板20上要不然到双极板20的卷边上。图3显示了，密封元件21基本上平行于流场22伸延。

流场22从双极板20的型材结构中得出。尤其在型材结构内部得出通道35，该通道35通过双极板的活性区域输送反应物气体、尤其氧气和氢气。为了构造冷却剂通道34，两个板29被如此彼此拼接成双极板20，使得在板29之间在反应物气体通道35和36的区域中构造有封闭的冷却剂通道34。为了密封冷却剂通道，在流场22的边界处的双极板20的直接彼此布置的板20通过平行于流场伸延的焊缝28被密封。

如果这样的双极板20与膜片电极单元30交替地相对于燃料电池堆11布置，则由于双极板20的型材结构在密封元件21与流场22之间得出空腔25。

在图4中示出了，在空腔25内部分别布置有填充体24。在示出的实施方式中，填充体24作为带有基本上矩形的横截面的条带存在，其在流场22的整个长度上单件式地构造。备选地，填充体24也能够多件式地构造，其中，至少在流场22的边界区域中(也就是说在空腔的相邻于分配器区域的区域中)布置有填充体24的部分。

填充体24是聚合体材料。弹性体和热塑性弹性体是特别好地合适的，因为由于外部压力变形。特别好地合适的材料例如是硅酮和/或氟橡胶。根据本发明，至少一个空腔25各燃料电池具有这样的填充体24。当然有利的是，不仅在流场22两侧而且在双极板20两侧空腔25分别具有填充体24。在此，填充体24在两个电池侧(即阴极侧和阳极侧)处相同地实施，要不然在其设计方案中尤其在其材料中变化。

填充体24能够或者布置并且连接到双极板20上，要不然布置并且连接到膜片电极单元30上。

图5显示了在双极板20上的填充体24的布置。明显的是，在该设计方案中空腔的宽度(也就是说从密封元件21直到流场22的开端)基本上完全通过填充体24填满。因此，所产生的从卷边形式中得出的空腔25被最小化。在该设计方案中适宜的是，填充体24或者作为硬化的弹性体(例如软橡胶辊)自粘地固定在双极板上，要不然借助于分送器将未硬化的弹性体在在空腔25内的双极板20上注射成型并且硬化。

在图5中示出了，填充体24的高度h_F在所显示的设计方案中少许突出超出流场22的型材结构，然而不平衡气体扩散层33的高度。因此，在与气体扩散层33的重叠区域中填充体24以及气体扩散层33在堆栈的组合而成中被压合/压缩，由此得到了良好的密封效果。

在填充体24与框架32之间出现的缝隙能够通过以下方式消除，进一步提高填充体24的高度h_F，从而填充体24也与膜片电极单元30的框架32处于接触中。这除阻止反应物流之外也带来这样的优点，即气体扩散层通过填充体24被夹紧并且因此被固定。

在图6中显示了本发明的一种备选的设计方案，在该设计方案中填充体24布置在膜片电极单元的框架32上以及与气体扩散层33重叠地布置。这能够例如通过贴上合适的聚合体要不然通过借助于分送器喷涂或涂覆聚合体实现。在在图6中所显示的示图中显示了，填充体的高度h_F突出超出型材结构的高度h_P并且填满空腔25的高度。由于膜片电极单元30的制造公差，在图6中所显示的设计方案不利用填充体24填充空腔的整个宽度(在卷边与流场之间)。与图5相比，在图6中空腔25的高度被最佳地填充，而在图5中在空腔25的宽度方面明显地减少了穿过空腔25的反应物旁路流。

本发明的在图4到6中所显示的设计方案具有这样的功能，减少穿过空腔25的反应物旁路流，通过填充容积的填充体24布置在空腔25内部，空腔25的对于反应物气体供使用的容积减少并且有利于反应物气体通过流场22的通道的流动。

附图标记列表

10 燃料电池

11 燃料电池堆

20 双极板

21 密封元件

22 流场

23 型材结构

24 填充体

25 空腔

26 分配器区域

27 活性区域

28 焊缝

29 板

30 膜片电极单元

31 膜片

32 框架

33 气体扩散层

34 冷却剂通道

35 第一反应物气体通道

36 第二反应物气体通道。

Claims

1.一种带有堆栈的燃料电池(10)，包括

- 双极板(20)，该双极板(20)具有流场(22)，该流场(22)通过所述双极板(20)的成型部构造；以及至少部分包围所述流场(22)且构造成翻边密封件的纵向延伸的密封元件(21)，

- 膜片电极单元(30)，

- 和填充体(24)，其布置在空腔(25)内部且在所述空腔(25)的延伸方向上延伸，所述空腔(25)在所述膜片电极单元(30)与所述双极板(20)之间构造在密封元件(21)与流场(22)之间的区域中，其中以未压缩的形式的所述填充体(24)的高度h_F大于所述流场(22)的成型部的高度h_P。

2.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)在所述流场(22)的长度之上延伸。

3.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)是聚合体。

4.根据权利要求3所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述聚合体是弹性体。

5.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)与所述双极板(20)连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)被粘上在所述双极板(20)上。

7.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)多件式地实施。

8.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述填充体(24)与所述膜片电极单元(30)连接。

9.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述膜片电极单元(30)具有固定的框架(32)并且所述填充体(24)与该框架(32)连接。

10.根据权利要求4所述的燃料电池(10)，其特征在于，所述聚合体是热塑性弹性体。