CN107112562B - 用于燃料电池堆的电化学单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池堆的电化学单元，在该燃料电池堆中，分别具有电化学单元的多个燃料电池单元沿着堆叠方向依次排布，该电化学单元包括膜电极单元，膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面，通过阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元的阳极，并且阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件限定的外边缘，膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面，通过阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元的阴极，并且阴极侧的电化学活性面具有由阴极侧的边缘限定元件限定的外边缘，在该电化学单元中，通过向膜电极单元的若干区域仅供应氧化剂而避免了膜电极单元的加剧的老化，为了提供这种用于燃料电池堆的电化学单元，提出的是，将阳极侧的电化学活性面的外边缘至少区段式地相对阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。

Description

用于燃料电池堆的电化学单元
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池堆的电化学单元，在该燃料电池堆中，分别具有电化学单元的多个燃料电池单元沿着堆叠方向依次排布，其中，电化学单元包括膜电极单元，膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面，通过阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元的阳极，并且阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件限定的外边缘，膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面，通过阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元的阴极，并且阴极侧的电化学活性具有由阴极侧的边缘限定元件限定的外边缘。
背景技术
在其内沿着堆叠方向彼此相叠地布置有多个燃料电池单元的燃料电池堆中，不同的媒介在燃料电池单元的不同平面中以及视设计而定地也在同一平面的不同区域中被导引。这些媒介可以尤其是阳极侧的流体(可燃气体)、阴极侧的流体(氧化剂)以及必要时还指的是冷却流体。
这些被导引通过燃料电池堆的媒介应当既不互相混合也不从电化学电池中溢出，因此在多个平面中都需要密封装置。
彼此相邻的电化学单元分别通过隔板或双极板彼此分开。
密封装置可以作为单独的部件置入燃料电池堆中或固定在双极板上或固定在用于燃料电池单元的电化学单元的组成部分上，例如固定在气体扩散层上或在膜电极单元上。
由于操作和制造中的优势以及由于简单的密封实施方案，通常优选将密封装置固定在双极板上或气体扩散层上。这一点可以例如通过将特别是由弹性体材料制成的密封装置喷溅到双极板的层上或气体扩散层上完成。
在这种密封配置中，固定在双极板上或气体扩散层上的密封装置与在膜电极单元的边缘区域中固定在膜电极单元上(特别是在以催化剂涂层的膜(CCM)上)的边缘增强设施的组合被证实是合适的，其中，边缘增强设施充当用于密封装置的对应部件，有助于防止膜电极单元的不利的机械负荷且同时确保了膜电极单元的电化学活性区域到膜电极单元的边缘区域的有利的连接。
这种边缘增强设施例如在EP 1 403 949B1中公开。
这种边缘增强设施也被称为子垫圈(Sub-Gasket)。
这种边缘增强设施可以包括一个或多个层，其中，常见的结构包括两个层，这两个层被布置在形式为环绕式框的膜电极单元的两个彼此对置的侧上。
在制造燃料电池堆时，每个燃料电池单元的双极板、气体扩散层、膜电极单元、密封装置和必要时边缘增强设施(子垫圈)都必须相对彼此进行定位，其中，这些部件可以单独地或作为已经至少部分地相互连接的组件被组装起来。
在使用边缘增强设施时，边缘增强设施的边缘增强层必须相对膜电极单元来定位。在两件式的边缘增强设施中，边缘增强设施的第二边缘增强层也必须相对膜电极单元和/或相对边缘增强设施的第一边缘增强层来定位。
两个气体扩散层必须分别相对由膜电极单元和边缘增强设施构成的单元来定位。
由膜电极单元和边缘增强设施构成的单元然后必须相对双极板和密封装置来定位，其中，密封装置可以在双极板上和/或在边缘增强设施上使用。
沿堆叠方向看，在膜电极单元的两个彼此对置的侧(主表面)上的电化学活性区域(与阳极侧的或阴极侧的催化剂子层邻接)视结构的类型而定地被边缘增强设施限界或被密封元件限界，其中，电化学反应可以发生在所述电化学活性区域中，密封元件分别与膜电极单元处于直接接触且由此禁止了在阳极或阴极上朝着膜电极单元的气体流动。
在公知的燃料电池单元中，在膜电极单元的两侧上的电化学活性面在名义上分别大小相同且沿着堆叠方向看全等地实施，其中，电化学活性面由边缘增强设施的大小和/或位置或者由密封装置来限定。
由于单个部件的制造公差和单个部件以及组件在组装中的定位公差，由密封装置或边缘增强设施的边缘增强层限定的电化学活性区域在膜电极单元的两个侧上可能在有些地方(沿垂直于堆叠方向取向的方向)彼此移位地布置。因此可能局部地在膜电极单元的边缘区域中产生若干区段，在这些区段中，膜电极单元仅在一侧被边缘增强设施或密封装置遮盖，并且在这些区段中，膜电极单元的电化学活性区域从另一侧(阳极或阴极)被供以反应气体。当现在膜电极单元的一个区域仅被供以氧化剂时，那么在这个局部限界的区域中膜电极单元缺乏可燃气体(通常是含氢的气体)的供应会导致加剧老化效应。在此运行的机制在文献书籍已作详细探讨，主要涉及由于燃料电池被水部分淹没而堵塞气体路径，例如在《Electrochemical and Solid-State Letters(电化学与固体快报)》9(4)(2006)，A183至A185页中，在《ECS Transactions(电化学学会会刊)》3(1)(2006)，811至825页中以及在《International Journal of Heat and Mass Transfer(传热和传质国际期刊)》50(2012)，4745至4765页中。
在供应不足的区域中的膜(电解质)电势尤其因为可燃气体的局部不充分的供应以及与之关联的阳极上氢气的氧化的减少而下降。在阳极上和阴极上的电极电势大幅上升，因此可能出现膜电极单元的部件的电化学损伤或化学损伤。
因此，在阳极侧的和阴极侧的电化学活性面的边缘区域中由于密封装置或边缘增强设施的相对移位引起的在膜电极单元的阳极侧上的气体路径的局部阻塞可能在这个局部限界的区域中会对催化剂子层的老化和膜电极单元的膜的老化有加速作用。几个十分之一毫米的移位量在燃料电池的很高的运行持续时间下就已经可能导致很强的老化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种本文开头所述类型的用于燃料电池堆的电化学单元，在该电化学单元中，避免了由于向膜电极单元的若干区域仅供应氧化剂而引起的膜电极单元的加剧的老化。
通过本发明，该技术问题在具有权利要求1的前序部分的特征的电化学单元中通过如下方式解决，即，膜电极单元的阳极侧的电化学活性面的外边缘至少区段式地相对膜电极单元的阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。
本发明基于这样的构想，即，电化学单元被有意地这样设计，使得膜电极单元的被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性区域至少区段式地在侧向突出超过膜电极单元的被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性区域。由此避免了，由于单个部件的制造公差和/或单个部件和组件在组装时的定位公差而产生膜电极单元的如下区域，该区域在阴极侧被供以氧化剂，但在阳极侧没有被供以可燃气体。
更确切地说，有意地假设的是，通过膜电极单元的阳极侧的电化学活性面相对膜电极单元的阴极侧的电化学活性面的至少局部的扩大，在膜电极单元上产生了如下区域，这些区域在阳极侧被供以可燃气体，但在阴极侧没有被供以氧化剂。
这个构想基于这样的认识，即，加剧的老化机理不是源于仅在一侧向膜电极单元供以用于膜电极单元的可燃气体，并且就膜电极单元的耐久度来说，仅在一侧向膜电极单元供以可燃气体比相反的情况(在一侧向膜电极单元供以氧化剂)更好。
电化学活性面的阳极侧和阴极侧的边缘限定元件(它们在垂直于堆叠方向延伸的平面中向外限界出膜电极单元的电化学活性面)在此优选以如下方式实施，使得被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性面在移位的区域中在侧向突出超过被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性面，并且使得被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性面的外边缘相对被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性面的外边缘在垂直于堆叠方向延伸的平面中至少区段式移位地布置。
特别有利的是，阳极侧的电化学活性面的外边缘在其整个长度的至少三分之二上，特别是在其整个长度的至少90％上，尤其优选在其基本上整个长度上相对阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。
除了膜电极单元的在其内确保了两侧供应反应气体，亦即氧化剂和可燃气体的区域之外，产生了仅在一侧供应可燃气体的区域，更确切地说优选在膜电极单元的环绕的边缘上产生了这样的区域。对于膜电极单元来说，加剧的老化机理并不是源于局部仅供应可燃气体。
垂直于堆叠方向对膜电极单元的阳极侧的电化学活性面和阴极侧的电化学活性面进行限界的部件，特别是密封元件和/或边缘增强设施以如下方式实施，使得即使在充分考虑到电化学单元的部件的制造公差和组装公差时，在膜电极单元的任何一个区域内，阴极侧的电化学活性面都不会大于阳极侧的电化学活性面。
针对移位量V的额定大小，即，针对阳极侧的电化学活性面的外边缘优选至少区段式地，特别是在这些边缘的整个长度的至少90％上，特别优选在这些边缘的整个长度上相对阴极侧的电化学活性面的外边缘向外所移位的移位量的额定大小为至少约0.1mm，特别是至少约0.2mm。
为了使膜电极单元的仅被供以可燃气体的区域(在其上不会发生电化学的反应)不会过大，有利的是，针对移位量V的额定大小,即，针对阳极侧的电化学活性面的外边缘至少区段式地，优选在这些边缘的整个长度的至少90％上，特别是在这些边缘的整个长度上相对阴极侧的电化学活性面的外边缘向外所移位的移位量的额定大小最大约为0.6mm，特别是最大约为0.4mm。
特别有利的是，阳极侧的电化学活性面的外边缘在任何部位上都不会相对阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向的方向向内移位。
在本发明的一种特别的设计方案中规定，阳极侧的边缘限定元件和/或阴极侧的边缘限定元件包括至少一个密封元件。
这种密封元件可以被固定在分别配属的气体扩散层上或双极板上。
至少一个密封元件可以包括至少一个接驳区域和密封区域，接驳区域限定阳极侧或阴极侧的电化学活性面的边缘，密封区域具有至少一个密封唇，优选两个或两个以上的密封唇。
在此优选规定，用来在安装燃料电池堆时挤压接驳区域的挤压力小于用来在安装燃料电池堆时挤压整个密封元件的挤压力的50％，特别是小于该挤压力的30％。
当电化学单元包括阳极侧的密封元件和阴极侧的密封元件时，那么优选阳极侧的密封元件的至少一个密封唇和阴极侧的密封元件的至少一个密封唇至少部分彼此相叠地布置。
在沿着堆叠方向的投影中，阳极侧的密封元件的至少一个密封唇和阴极侧的密封元件的至少一个密封唇至少部分重叠，优选基本上完全重叠。
作为对此的备选或补充可以规定，阳极侧的边缘限定元件和/或阴极侧的边缘限定元件包括至少一个例如形式为边缘增强覆膜的边缘增强层。
特别优选的是，无论是阳极侧的边缘限定元件还是阴极侧的边缘限定元件都分别包括边缘增强层，其中，边缘增强层被布置在膜电极单元的彼此对置的侧上。
可以规定，阳极侧的边缘限定元件和/或阴极侧的边缘限定元件包括至少一个由弹性体材料构成的密封元件或包括边缘增强覆膜，其中，密封元件或边缘增强覆膜限定阳极侧的电化学活性面或阴极侧的电化学活性面的边缘。
阳极侧的边缘限定元件和/或阴极侧的边缘限定元件可以分别固定在电化学单元的气体扩散层上，特别是当这种边缘限定元件涉及优选由弹性体材料制成的密封元件时。
作为对此的备选或补充可以规定，至少一个阳极侧的边缘限定元件和/或至少一个阴极侧的边缘限定元件被固定在双极板上且在燃料电池堆的已安装的状态下贴靠在膜电极单元上。
作为对此的备选或补充可以规定，至少一个阳极侧的边缘限定元件和/或至少一个阴极侧的边缘限定元件被固定在膜电极单元上。
因为在按本发明的电化学单元中，膜电极单元的阳极侧的电化学活性面的外边缘相对膜电极单元的阴极侧的电化学活性面的外边缘向外移位，所以也可以规定，电化学单元的阳极侧的气体扩散层具有如下的外边缘，该外边缘至少区段式地相对电化学单元的阴极侧的气体扩散层的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。
在此优选规定，阳极侧的气体扩散层的外边缘至少区段式地，特别是在该外边缘的长度的至少90％上，尤其优选在该外边缘的整个长度上相对阴极侧的气体扩散层的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。
但作为对此的备选也可以规定，阳极侧的气体扩散层和阴极侧的气体扩散层基本上彼此全等地构造且它们的外边缘沿着堆叠方向看基本上彼此相叠。
在按本发明的电化学单元的一种优选的设计方案中规定，膜电极单元的阳极侧的电化学活性面大于膜电极单元的阴极侧的电化学活性面。
电化学单元在此尤其被有意地这样设计，使得膜电极单元的被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性区域具有比膜电极单元的被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性区域更大的额定大小。
按本发明的电化学单元尤其适合使用在燃料电池堆中，该燃料电池堆包括多个按本发明的电化学单元，它们沿堆叠方向依次排布。
按本发明的电化学单元的膜电极单元优选包括聚合物电解质膜。
阳极侧的电化学活性面的和阴极侧的电化学活性面的外边缘相对彼此的移位量优选至少与单个部件的制造公差以及单个部件的彼此间的组装公差之和一样大，因而即使在考虑到制造公差和组装公差时也不会在膜电极单元上产生如下区域，在该区域中，阴极侧的电化学活性面突出超过阳极侧的电化学活性面。
限定了膜电极单元的阳极侧的电化学活性面和阴极侧的电化学活性面且优选与膜电极单元处于直接接触的边缘限定元件可以尤其是密封元件、边缘增强层和/或机械的支撑元件。
当边缘增强设施包括仅一个(优选阴极侧的)边缘增强层且该边缘增强层作为边缘限定元件限定了膜电极单元的电化学活性面(优选阴极侧的电化学活性面)时，那么膜电极单元的另一个电化学活性面(亦即优选阳极侧的电化学活性面)的外边缘优选由膜电极单元的外边缘本身形成。
附图说明
本发明的其它的特征和优势是对实施例的以下说明和图示的主题。
附图中：
图1示出了用于燃料电池堆的电化学单元以及两块与电化学单元邻接的双极板的局部纵剖面，在该燃料电池堆中，分别具有电化学单元的多个燃料电池单元沿着堆叠方向依次排布，其中，电化学单元包括膜电极单元，它们的电化学活性面在阳极侧和阴极侧上分别被固定在气体扩散层上的密封元件限定边缘；
图2示出了用于燃料电池堆的电化学单元的第二实施形式的局部纵剖面，在该实施形式中，膜电极单元的电化学活性面在阳极侧和阴极侧上分别被固定在膜电极单元上的边缘增强覆膜限定边缘；
图3示出了用于燃料电池堆的电化学单元的第三实施形式的局部纵剖面，在该实施形式中，膜电极单元的电化学活性面在阴极侧和阳极侧上分别被固定在气体扩散层上的密封元件限定边缘，其中，密封元件的接驳区域未被密封唇支撑，并且阳极侧的气体扩散层和阴极侧的气体扩散层基本上优选全等地构造；以及
图4示出了用于燃料电池堆的电化学单元的第四实施形式的局部纵剖面，在该实施形式中，膜电极单元的电化学活性面在阴极侧和阳极侧上分别被密封元件限定边缘，其中，密封元件的接驳区域分别被密封唇支撑在分别配属的双极板上，并且阳极侧的气体扩散层和阴极侧的气体扩散层优选基本上全等地构造。
相同或功能相似的元件在所有图中都用同一附图标记标注。
具体实施方式
在图1中截断式示出的、整体用附图标记100标注的用于燃料电池堆的电化学单元包括膜电极单元104、阴极侧的气体扩散层106a、固定在阴极侧的气体扩散层106a上的阴极侧的密封元件108a、阳极侧的气体扩散层106b和固定在阳极侧的气体扩散层106b上的阳极侧的密封元件108b，其中，在燃料电池堆中，分别具有电化学单元100的多个燃料电池单元沿着堆叠方向102依次排布。
膜电极单元104包括面朝阴极侧的气体扩散层106a的阴极、面朝阳极侧的气体扩散层106b的阳极和布置在阴极与阳极之间的电解质膜，特别是聚合物电解质膜。
膜电极单元104的这种三层的结构在图中未被示出。
阴极侧的气体扩散层106a由透气的材料形成且用于使氧化剂从双极板114a的阴极侧的流动区112的通道110穿通到膜电极单元104的阴极，双极板114a沿着堆叠方向102紧接着电化学单元100且与阴极侧的气体扩散层106a处于接触。
阳极侧的气体扩散层106b同样由透气的材料形成且用于使可燃气体从沿堆叠方向102布置在电化学单元100下方的双极板114b的阳极侧的流动区118的通道116穿通到膜电极单元104的阳极，双极板114b与阳极侧的气体扩散层106b处于接触。
密封元件108a、108b例如由弹性体材料形成。
密封元件108a、108b可以尤其通过注塑方法制造且优选接驳到阴极侧的气体扩散层106a或阳极侧的气体扩散层106b，其中，分别配属的气体扩散层106a、106b的一部分被密封材料渗入。
在此处示出的实施例中，每一个密封元件108a、108b都分别包括具有一个或多个密封唇122的密封区域120以及都分别包括优选具有密封唇126的接驳区域124。
在燃料电池堆的已安装的状态中，密封元件108的密封区域120的密封唇122和接驳区域124的密封唇126在弹性的挤压力下分别贴靠在分别配属的双极板114a或114b的密封面128上。
在此，在燃料电池堆安装时以其来挤压密封元件108a、108b的接驳区域124的挤压力在此优选小于在燃料电池堆安装时用来挤压整个密封元件108a或108b的挤压力的50％，特别是小于该挤压力的30％。
每一个密封元件108a、108b的接驳区域124延伸穿过分别配属的气体扩散层106a或106b直至膜电极单元104，在那里，密封元件108a、108b的边缘同时形成了膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a的外边缘130a和膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b的外边缘130b。
膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a是膜电极单元104的这样一个面，在燃料电池堆运行中，通过该面能将来自阴极侧的流动区112的氧化剂输送给膜电极单元104的阴极。
这个面由阴极侧的密封元件108a限定边缘，阴极侧的密封元件因此在这个实施形式中用作阴极侧的边缘限定元件134a。
膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b是膜电极单元104的这样一个面，在燃料电池堆运行中，通过该面能将来自阳极侧的流动区118的可燃气体输送给膜电极单元104的阳极。
这个面由阳极侧的密封元件108b限定边缘，因而阳极侧的密封元件108b在这个实施形式中用作阳极侧的边缘限定元件134b。
密封元件108a、108b分别与膜电极单元104处于直接接触且限定了电化学活性面132a和132b在膜电极单元104的阴极侧上或阳极侧上的延展。
由图1可以看到，阳极侧的电化学活性面132b的外边缘130b相对阴极侧的电化学活性面132a的外边缘130a沿着垂直于堆叠方向102且平行于膜电极单元104的主面136延伸的方向138向外移位了移位量V，也就是说，背离电化学活性面132a、132b的中心地移位了移位量V。
膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b因此优选大于膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a。
因此在膜电极单元104的外边缘区域中产生了如下区域，在该区域中，膜电极单元104仅从阳极侧被供以反应气体，但未从阴极侧被供应。
由此实现的是，膜电极单元104的所有电化学活性区域在燃料电池堆运行中被供以可燃气体(通常是含氢的气体)，因而避免了由于缺乏向膜电极单元104的区域供应可燃气体而引起的加剧的老化效应。
外边缘130a和130b彼此间的给定移位量或额定移位量，优选略大于电化学单元100的单个部件的制造公差和组装公差，因而即使在充分考虑到这些公差的情况下，阳极侧的电化学活性面132b也始终大于阴极侧的电化学活性面132a。
优选规定，在外边缘130a与130b之间的移位量V至少约为0.1mm，特别是至少约为0.2mm。
为了使膜电极单元104的仅被供以可燃气体的区域(在其上不发生电化学的反应)不会过大，还有利的是，移位量V最大约为0.6mm，尤其最大约为0.4mm。
密封元件108a和108b以如下方式被结构化，使得为了建立起充分的密封作用所需的挤压压力而需要尽可能小的总挤压力。
密封元件108a和108b在膜电极单元104的两侧优选基本上彼此全等地构造，因此密封元件108a、108b在阳极侧上和阴极侧上的力导入线沿着堆叠方向102基本上彼此相叠。
尤其优选规定，密封元件108a和108b的密封区域120的密封唇122的密封面在沿着堆叠方向102的投影中彼此至少部分重叠，优选基本上完全重叠。
密封元件108a和108b的接驳区域124的密封唇126可以沿垂直于堆叠方向102延伸的方向相对彼此移位，因而密封唇126的贴靠面的投影沿着堆叠方向102基本上不重叠。
在图2中截断式示出的用于燃料电池堆的电化学单元100的第二实施形式与图1中示出的第一实施形式的区别在于，膜电极单元104的电化学活性面132a和132b至少区段式地被边缘增强设施140限界，该边缘增强设施被布置在膜电极单元104的外边缘上。
这种边缘增强设施140也被称为子垫圈。
这种边缘增强设施140可以包括两个边缘增强层142，例如形式为边缘增强覆膜，其中，阴极侧的边缘增强层142a贴靠在膜电极单元104的阴极侧144上，而阳极侧的边缘增强层142b则贴靠在膜电极单元104的阳极侧146上。
在突出超过膜电极单元104的外边缘148的超出区域150中，两个边缘增强层142a和142b优选材料锁合地(stoffschlüssig)，特别是通过热层压和/或粘接相互固定。
此外可以规定，阴极侧的边缘增强层142a优选材料锁合地，特别是通过热层压和/或粘接固定在膜电极单元104的阴极侧144上，并且/或者阳极侧的边缘增强层142b优选材料锁合地，特别是通过热层压和/或粘接固定在膜电极单元104的阳极侧146上。
其中每一个边缘增强层142a、142b优选具有至少约为10μm以及优选最大约为150μm的厚度。
其中每一个这种边缘增强层142a、142b可以由热塑性的、热固性的或弹性体的聚合物形成，聚合物优选包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酯、聚酰胺、共聚多酰胺、聚酰胺弹性体、聚酰亚胺、聚安酯、聚安酯弹性体、硅酮、硅胶和/或基于硅酮的弹性体。
阴极侧的气体扩散层106a在这个实施形式中在其外边缘区域中从膜电极单元104抬起并且优选贴靠在阴极侧的边缘增强层142a的背对膜电极单元104的一侧上。
阳极侧的气体扩散层106b在这个实施形式中同样在其外边缘区域中从膜电极单元104抬起并且优选贴靠在阳极侧的边缘增强层142b的背对膜电极单元104的一侧上。
阴极侧的边缘增强层142a的面朝膜电极单元104的边缘同时形成了膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a的外边缘130a。
阳极侧的边缘增强层142b的面朝膜电极单元104的边缘同时形成了膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b的外边缘130b。
由图2可以看到，膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b的外边缘130b沿着垂直于燃料电池堆的堆叠方向102且平行于膜电极单元104的主面136延伸的方向138相对膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a的外边缘130a向外移位了移位量V，也就是说背离膜电极单元104的中心地移位了移位量V。
在第二实施形式中，膜电极单元104的阳极侧的电化学活性面132b也优选大于膜电极单元104的阴极侧的电化学活性面132a，因而膜电极单元104的任何区域都未被供以氧化剂且在膜电极单元104的任何区域中都未出现增强的老化效应。
通过边缘增强设施140，使膜电极单元104在其外边缘区域中以机械方式稳定。
边缘增强层142a、142b可以分别构造成环绕膜电极单元104的框的形式。
边缘增强层142a和142b与膜电极单元104的重叠面以如下方式来选择，使得有足够大的面可供用于边缘增强层142a、142b到膜电极单元104的机械接驳。
在膜电极单元104的电化学活性面132a、132b的外部以及在边缘增强层142a、142b与膜电极单元104之间的重叠区域外部布置有阴极侧的密封元件152a和阳极侧的密封元件152b。
在此，密封元件152a、152b可以分别固定在相邻的边缘增强层142a或142b上和/或相邻的双极板114a或114b上。
在这种第二实施形式中，在阳极侧的电化学活性面132b的外边缘130b与阴极侧的电化学活性面132a的外边缘130a之间的移位量V也优选至少约为0.1mm，特别是至少约为0.2mm以及优选最大约为0.6mm，特别是最大约为0.4mm。
此外，电化学单元100的在图2中示出的第二实施形式在结构、功能和制造方式方面都与在图1中示出的第一实施形式相一致，就此而言可以参考前述说明。
用于燃料电池堆的电化学单元100的在图3中截断式示出的第三实施形式与图1中示出的第一实施形式的区别在于，密封元件108a、108b的接驳区域124不具有利用其使接驳区域124分别支撑在相邻的双极板114a或114b上的密封唇126，密封元件108a、108b通过该接驳区域124接驳到阴极侧的气体扩散层106a或接驳到阳极侧的气体扩散层106b。
密封元件108a、108b的密封区域120在这个实施形式中配设有一个或多个密封唇122，密封区域120借助所述密封唇分别支撑在相邻的双极板114a、114b上。
此外，在这个实施形式中，阴极侧的气体扩散层106a和阳极侧的气体扩散层106b基本上彼此全等地构造，因而阴极侧的气体扩散层106a或阳极侧的气体扩散层106b的外边缘154a和154b沿着堆叠方向102看基本上彼此相叠地放置。
此外，电化学单元100的在图3中示出的第三实施形式在结构、功能和制造方式方面都与在图1中示出的第一实施形式相一致，就此而言可以参考前述说明。
用于燃料电池堆的电化学单元100的在图4中截断式示出的第四实施形式与图3中示出的第三实施形式的区别在于，在第四实施形式中，密封元件108a、108b的接驳区域124还分别配设有至少一个密封唇126，其中，各接驳区域124以各自的密封唇126分别支撑在相邻的双极板114a或114b上，如在图1中示出的第一实施形式中那样。
但在第四实施形式中优选规定，密封元件108a、108b的接驳区域124的密封唇126的密封面在沿着堆叠方向102的投影中彼此至少部分重叠，优选基本上完全重叠。
在第四实施形式中，阴极侧的气体扩散层106a和阳极侧的气体扩散层106b也优选基本上彼此全等地构造，并且阴极侧的气体扩散层106a或阳极侧的气体扩散层106b的外边缘154a和154b沿着堆叠方向102看优选基本上彼此相叠。
此外，电化学单元100的在图4中示出的第四实施形式在结构、功能和制造方式方面都与在图1中示出的第一实施形式相一致，就此而言可以参考前述说明。

Claims (15)

1.一种用于燃料电池堆的电化学单元，在所述燃料电池堆中，分别具有电化学单元(100)的多个燃料电池单元沿着堆叠方向(102)依次排布，所述电化学单元包括：
膜电极单元(104)，所述膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面(132b)，通过所述阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元(104)的阳极，并且所述阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件(134b)限定的外边缘(130b)，所述膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面(132a)，通过所述阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元(104)的阴极，并且所述阴极侧的电化学活性面具有由阴极侧的边缘限定元件(134a)限定的外边缘(130a)，
其特征在于，
所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)至少区段式地相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)延伸的方向(138)向外移位，
所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)包括至少一个密封元件(108a、108b)，
密封元件(108a、108b)接驳到阴极侧的气体扩散层(106a)或阳极侧的气体扩散层(106b)，其中，分别配属的气体扩散层(106a、106b)的一部分被密封材料渗入，
电化学单元(100)的阳极侧的气体扩散层(106b)具有如下的外边缘，该外边缘至少区段式地相对电化学单元的阴极侧的气体扩散层(106a)的外边缘沿着垂直于堆叠方向(102)延伸的方向向外移位。
2.按照权利要求1所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)在基本上其整个长度上相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)延伸的方向(138)向外移位。
3.按照权利要求1或2所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)至少区段式地相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)向外所移位的移位量(V)至少为0.1mm。
4.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)向外所移位的移位量(V)最大为0.6mm。
5.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，在任何部位上，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)都不相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)的方向(138)向内移位。
6.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，至少一个密封元件(108a、108b)包括至少一个接驳区域(124)和密封区域(120)，所述接驳区域限定了所述阳极侧的电化学活性面(132b)的边缘或所述阴极侧的电化学活性面(132a)的边缘，所述密封区域具有至少一个密封唇(122)。
7.按照权利要求6所述的电化学单元，其特征在于，用来在安装燃料电池堆时挤压所述接驳区域(124)的挤压力小于用来在安装燃料电池堆时挤压整个密封元件(108a、108b)的挤压力的50％。
8.按照权利要求6所述的电化学单元，其特征在于，电化学单元(100)包括阳极侧的密封元件(108b)和阴极侧的密封元件(108a)，其中，阳极侧的密封元件(108b)的至少一个密封唇(122)和阴极侧的密封元件(108a)的至少一个密封唇(122)至少部分地沿着所述堆叠方向(102)彼此相叠地布置。
9.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)包括至少一个边缘增强层(142a、142b)。
10.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)包括至少一个由弹性体材料制成的密封元件(108a、108b)或边缘增强覆膜，其中，所述密封元件(108a、108b)或所述边缘增强覆膜限定了阳极侧的电化学活性面(132b)的边缘或阴极侧的电化学活性面(132a)的边缘。
11.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)固定在所述电化学单元(100)的气体扩散层(106a、106b)上。
12.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)固定在双极板(114a、114b)上并且在燃料电池堆的已安装的状态下贴靠在所述膜电极单元(104)上。
13.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)固定在所述膜电极单元(104)上。
14.按照权利要求1至2中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述膜电极单元(104)的阳极侧的电化学活性面(132b)大于所述膜电极单元(104)的阴极侧的电化学活性面(132a)。
15.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个按照权利要求1至14中任一项所述的电化学单元(100)，所述电化学单元沿着堆叠方向(102)依次排布。
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