CN111052470B

CN111052470B - 用于燃料电池堆的组件、燃料电池堆和用于制造该组件的方法

Info

Publication number: CN111052470B
Application number: CN201880057379.6A
Authority: CN
Inventors: E.R.加拉格尔
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2024-04-05
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: WO2019048166A1; DE102017215504A1; EP3679615B1; JP7123144B2; EP3679615A1; CN111052470A; JP2020533775A

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆（100）的组件（10），该组件包括极板（12）和框架（13），该框架与该极板（12）材料配合连接，其中该框架（13）在背离该极板（12）的一侧具有至少一个与该框架（13）连接的密封部（14）。本发明还涉及一种包括该组件（10）的燃料电池堆（100）和一种用于制造该组件（10）的方法。

Description

用于燃料电池堆的组件、燃料电池堆和用于制造该组件的方法

技术领域

本发明涉及用于燃料电池堆的组件，该组件包括极板和密封部。本发明还包括一种包括该组件的燃料电池堆和一种用于制造该组件的方法。

背景技术

燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极装置(MEA，针对membrane electrode assembly)作为核心部件，所述膜电极装置是由传导离子的(大多是传导氢离子的)膜和分别布置在该膜两侧的催化电极(阳极和阴极)构成的结构。后者大多包括被支承的贵金属、尤其是铂。此外，在膜电极装置两侧的气体扩散层(GDL)可以布置在电极的背离膜的侧面上。燃料电池堆通常通过多个布置成堆(燃料电池堆)的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在各个膜电极装置之间通常布置有双极板(也称作流场板或隔膜板)，所述双极板保证了给单电池供应工作介质、即反应物，而且通常也用于冷却。此外，双极板还引起与膜电极装置的导电接触。在燃料电池堆的堆边缘上布置单极板而不是双极板，其中双极板在两侧而单极板在一侧具有用于反应物的流场。双极板和单极板都被归纳在术语极板下。

在燃料电池运行时，燃料(阳极工作介质)、尤其是氢气H₂或者含氢的气体混合物通过双极板的在阳极侧打开的流场被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H₂电化学氧化成氢离子H⁺(H₂→2H⁺+2e^–)。通过电解质或者使反应室气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，(水结地或者无水地)将氢离子从阳极区运输到阴极区。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧的气体混合物(例如空气)作为阴极工作介质通过双极板的在阴极侧打开的流场被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从O₂还原成O^2-(1/2O₂+2e^–→O^2-)。同时，氧离子在阴极区中在形成水的情况下与被运输经过所述膜的氢离子发生反应(O^2-+2H⁺→H₂O)。

通过工作介质通道给燃料电池堆供应它的工作介质，即阳极气体燃料(例如氢气)、阴极气体燃料(例如空气)和冷却剂，所述工作介质通道沿堆的整个堆叠方向穿过所述堆，并且工作介质由所述主供应通道经过双极板被输送给单电池。对于每种工作介质来说，存在至少两个这种工作介质通道(主供应通道)，即一个用于输送相应的工作介质的工作介质通道和一个用于排出相应的工作介质的工作介质通道。

公知的是：借助于注塑成型工艺来将燃料电池堆的单电池的密封部直接注塑到燃料电池堆的膜电极装置或者极板上。

在此，密封部可以被注塑到膜电极装置的框架上。不过，由于框架的原因，产生大量的塑料垃圾。此外，只实现了对催化剂涂层膜(英文：catalyst coated membrane，CCM)的差的利用率，这提高了成本。还公知的是：将密封部注塑到齐平地切割的膜电极装置上。然而，这些膜电极装置具有柔性边缘，这些柔性边缘使得在组装燃料电池堆时、尤其是在高件数的情况下组装燃料电池堆时的定位变得困难。

如果将密封部直接注塑到极板上，则这造成了相对薄的板的高负荷。因此，该注塑需要相对复杂的注塑成型工具和符合发展趋势地更厚的板。

因此，对密封部的注塑成型似乎与对于功率密度相对高的应用来说所需的相对薄的极板并不兼容。到目前为止，已通过将密封部注塑到了膜电极装置上来考虑到这一点。这是可能的，因为膜电极装置相对可伸缩，使得可以吸收负荷。然而，由此得到的构件使用和组装俱难。密封部也可以被注塑在层压的膜电极装置组件上。不过，在废品率微小的情况下安装对称地双侧成型的密封部是非常困难的。

DE 102015015392 A1公开了一种用于燃料电池堆的双极板装置。至少一个密封元件被涂覆到双极板装置的至少一个侧面上。这两个板中的至少一个板包括锁定元件，该锁定元件构造为将该至少一个密封元件固定在该板上。在包括该锁定元件的区域，该至少一个密封元件的一部分布置在这两个板之间的中间空隙内。密封元件的材料借助于注塑成型被涂覆到该板上。

出版文献DE 102015004803 A1也公开了借助于注塑成型来将密封部涂覆在双极板毛坯的表面侧。该密封部完全包围入口区和/或出口区。

US2015/0357656 A1公开了一种燃料电池，其包括极板、膜电极装置和膜框架，该膜框架与该极板借助于塑料薄膜来连接。在此，该膜电极装置的外边缘区域布置在该膜框架与该极板之间。

从JP 2007-066766 A公知一种燃料电池，其包括极板、膜电极装置和构造为实心压型元件的框架，该框架将膜电极装置围住并且借助于粘接层来与该极板连接。在该框架上构造密封部。

US2015/0030960 A1公开了一种燃料电池，其包括极板、膜电极装置和框架，该框架与该极板通过压敏粘合密封部来材料配合连接。

发明内容

现在，本发明所基于的任务在于提出一种简化燃料电池堆的制造和组装的解决方案。

该任务通过一种用于燃料电池堆的组件来解决。

按照本发明，提供了一种用于燃料电池堆的组件。该组件包括极板和框架，该框架与该极板材料配合连接，其中该框架在背离该极板的一侧具有至少一个与该框架连接的密封部。该组件还包括膜电极装置，该膜电极装置包括膜、布置在所述膜两侧的催化剂和布置在所述催化剂两侧的气体扩散层，其中该膜电极装置固定在极板和/或框架上，而且其中该膜电极装置的外边缘区域至少部分地布置在框架与极板之间。按照本发明，该极板具有凹陷部，其中该膜电极装置布置在该凹陷部中。

通过本发明，提供了具有至少一个密封部的极板，该密封部能够实现燃料电池堆的批量生产、相对薄的极板和膜电极装置的高利用率。这一点是可能的，因为密封部不是直接被注塑到极板上，而是可以借助于该框架被涂覆到极板上。由此，防止了极板的电压峰值。

优选地，该框架是塑料膜。还优选地，该框架电绝缘。尤其是，该框架是塑料膜。该框架也可被称作薄膜，尤其可以被称作层压薄膜。密封部的材料尤其是硅树脂、三元乙丙橡胶(EPDM，Ethylen-Propylen-Dien；M组)或者其它适合于燃料电池的密封材料。该框架尤其具有不同于密封部的材料，使得框架和密封部的材料可以关于所要满足的任务来选择。尤其构造材料配合连接，使得该材料配合连接使框架环绕密封地与极板连接。材料配合连接表示其中连接伙伴通过原子或分子力集合在一起的连接。在本申请中提到的材料配合连接尤其是粘接，其中尤其是热塑性塑料或环氧化物用作粘接的粘合剂。

该膜电极装置固定在极板和/或框架上。“固定”在极板和/或框架上意味着“紧固”在极板和/或框架上。因此，提供了如下组件，所述组件可以特别简单地组装成燃料电池堆，其方式是将这些组件堆叠。因为膜电极装置固定在极板和/或框架上，所以即使在组装时也保证了膜电极装置相对于极板和/或框架的准确的定位。膜电极装置尤其包括膜、优选地催化剂涂层膜(英文：catalysator coated membrane，CCM)。膜电极装置还可以包括布置在膜两侧的气体扩散层。气体扩散层尤其可以与膜材料配合连接。

该框架尤其仅仅在一侧具有密封部，使得避免了在两侧都制造密封部时的问题。

通过膜电极装置的外边缘区域至少部分地布置在该框架、尤其是该框架的内边缘区域与该极板之间，膜电极装置形状配合地被固定在极板上。

优选地，膜电极装置固定在极板上，其方式是膜电极装置与框架和/或极板材料配合连接。

按照本发明的一个优选设计方案规定：该框架、尤其是该框架的内边缘区域与膜电极装置、尤其是该膜电极装置的外边缘区域环绕地材料配合连接。因此，膜电极装置不仅被固定在极板上，而且确保了膜电极装置的两个对置的侧面彼此间的环绕式密封。为此，优选地，该框架与膜电极装置的膜环绕地材料配合连接。

按照本发明的另一优选设计方案规定：膜电极装置、尤其是该膜电极装置的外边缘区域与该极板环绕地材料配合连接。这提供了一种确保膜电极装置的两个对置的侧面彼此间的环绕式密封的替选的或额外的途径。

还提供了一种燃料电池堆，该燃料电池堆包括按照本发明的组件。该燃料电池堆尤其包括多个堆叠的、按照本发明的组件，其中优选地在这些组件之间没有布置中间层。借助于易于使用的组件，能特别简单地制造该燃料电池堆。

还提供了一种车辆，该车辆包括按照本发明的燃料电池堆。该车辆尤其具有用于驱动车辆的电机，该电机借助于燃料电池系统的燃料电池来供应电能。因此，该车辆也可以被称作燃料电池车辆。

还提供了一种按照本发明的用于制造按照本发明的组件的方法，其中该方法包括在框架上(在框架的区域内)制造密封部的步骤。该方法还包括如下紧接着的步骤：使框架与极板材料配合连接，使得该密封部布置在该框架的背离该极板的侧面上。

由于膜只在该框架的背离该极板的侧面上具有至少一个密封部、即布置在一侧的、尤其是被注塑的密封部，消除了当试图使在注塑成型的情况下的压力适配或补偿得使得密封部可以在两侧被注塑时所形成的问题。

优选地规定：该材料配合连接借助于粘合剂来实现。尤其是，框架或极板用粘合剂来(预先)涂层。优选地，该框架是自粘框架、尤其是自粘膜框架。该极板还可以借助于粘合剂来涂层，以便简化在框架上对密封部的制造。用粘合剂来涂层可以借助于印刷来实现。

按照本发明的一个优选设计方案规定：借助于将密封部注塑到框架上来实现对密封部的制造。因此，已经被证明可靠的注塑成型方法可以被用于对密封部的制造。

优选地规定：该方法包括将膜电极装置放置在极板上的步骤。在此或紧接着，膜电极装置可以被固定在极板上。

为此，优选地规定：在使框架与极板的材料配合连接的步骤中，使框架与膜电极装置进行材料配合连接。因此，能实现在框架与膜电极装置之间的尤其是环绕式密封。

替选地或此外，该方法优选地包括使膜电极装置与极板材料配合连接的步骤。因此，能实现在极板与膜电极装置之间的环绕式密封。

本发明的其它优选的设计方案从其余的、在下文中提到的特征中得到。

只要在个别情况下不另作解释，本发明的在本申请中提到的不同的实施方式就能有利地彼此结合。

附图说明

随后，本发明在实施例中依据所属的附图来阐述。其中：

图1示出了按照一个优选设计方案的燃料电池堆；

图2示出了不是按照本发明的组件的各个部件；

图3示出了按照图2的在组装状态下的组件；

图4示出了组件的第一优选设计方案的各个部件；

图5示出了按照图4的在组装状态下的组件；

图6示出了组件的第二优选设计方案的各个部件；而

图7示出了按照图6的在组装状态下的组件。

具体实施方式

图1以示意图示出了按照一个优选设计方案的整体上用100来表示的燃料电池堆。燃料电池堆100可以是未进一步示出的车辆、尤其是电动车辆的部分，所述车辆具有牵引电机，所述牵引电机通过燃料电池堆100来供应电能。

燃料电池堆100包括多个交替地、在它们的扁平侧上排列在一起的(堆叠的)组件10。组件10分别包括极板12和至少一个密封部14。这些组件还可以分别包括膜电极装置(在该图示中不可见)。因此，整体上，多个被堆叠的组件10或单电池11构成燃料电池堆100，其中不仅这些单电池11中的任何一个而且燃料电池堆100一般都可以被称作燃料电池。

只要极板12布置在膜电极装置22之间，这些极板就可以构造为双极板。布置得最靠近燃料电池堆100的端板16的两个极板12被称作单极板。在极板12与相应的膜电极装置之间布置有未示出的阳极和阴极区，所述阳极和阴极区受到环绕式密封部14的限制。尤其是，为了制造密封部14的密封功能，燃料电池堆100沿堆叠方向S借助于拉紧装置18来压在一起(压紧)。为此，拉紧装置18在两个端板16之间传递拉力，使得端板16借助于拉紧装置18来被拉向彼此。为此，拉紧装置18沿燃料电池堆100的堆叠方向S延伸。燃料电池堆100还包括两个集流体20。

图2示出了根据不是按照本发明的设计方案的组件10的各个部件。组件10包括极板12、例如双极板或单极板，作为单独的部件。该组件还包括框架13，该框架可以是层压薄膜。密封部14或者也包括仅仅一个(共同的)密封部14与框架13连接。在下文，术语“一个密封部”和“多个密封部”同义地来使用。组件10还可以包括膜电极装置22，该膜电极装置具有膜24和布置在膜24两侧的催化剂(未明确示出)。膜24可以构造为催化剂涂层膜22(英文：catalyst coated membrane，CCM)。膜电极装置22还可以具有布置在膜24两侧的气体扩散层26。气体扩散层26可以与膜24粘接。

密封部14例如可以由硅树脂或者三元乙丙橡胶(Ethylen-Propylen-Dien；M组，EPDM)来制造。

为了制造组件10，首先借助于将密封部14注塑到框架13上来实现至少一个密封部14。这通常以注塑成型工具在注塑成型工艺(英文：Liquid Injection Molding(液体注塑成型)，LIM)中实现。该至少一个密封部14可包括唯一的密封部或多个单独的密封部。因为密封部14仅仅在框架13的唯一的侧面上被注塑(模制)，所以简化了注塑工艺。

膜电极装置22被放在极板12上，该膜电极装置包括膜24和朝向极板12的气体扩散层26。膜24和气体扩散层26可以已经粘接。背离极板12的气体扩散层26(环绕地)实施得稍小于另一气体扩散层26并且被放在膜24上。替选地，两个气体扩散层26也可能会与膜24预粘接。膜24的朝向极板12的一侧可以是阳极侧，而膜24的另一侧形成阴极侧(或者反过来)。

在框架13上制造密封部14之后，才使框架13与极板12材料配合连接，使得密封部14布置在框架13的背离极板12的侧面上。

为此，按照在图2和3中示出的设计方案，框架13可以用粘合剂28在制造密封部14之前或者之后已经预先涂层。粘合剂28可以是热塑性粘合剂。该热塑性粘合剂可包括聚偏氟乙烯(PVDF)。这种热塑性粘合剂例如在Arkema公司的品名Kynar下公知。

为了进行材料配合连接，框架13连同密封部14被放在或压紧在极板12和膜电极装置22上并且被加热，由此该热塑性粘合剂与极板12连接。粘合剂28建立在一侧的框架13与在另一侧的极板12以及膜24之间的环绕式材料配合连接(27，参见图7)。在此，粘合剂28使框架13朝向膜24的背离极板12的侧面环绕式密封并且将膜电极装置22固定。背离极板12的气体扩散层26也通过粘合剂28来固定。

在图3中可见：由此实现了用于燃料电池堆100的组件10，该组件包括极板12和框架13。框架13与极板12材料配合连接并且在背离极板12的侧面上具有至少一个与框架13连接的密封部14。组件10还具有膜电极装置22，该膜电极装置固定在极板12上，其中膜电极装置22的外边缘区域至少部分地布置在框架13的内边缘区域与极板12之间。框架13的内边缘区域与膜电极装置22的外边缘区域借助于粘合剂28环绕地材料配合连接。

因此，一个或多个密封部14布置在能有利地制造的载体、即框架13上，该框架用于将密封部14粘接到极板12上。由此只是造成极板12的相对微小的负荷。

框架13还可以用于：将膜电极装置22与极板12组合成组件10。为此，膜电极装置22的各个部件可以在切割之后直接与极板12对齐，由此实现了最佳的对齐并且因此实现了尽可能微小的废品率。极板12本身可具有多个单板(未示出)。通过所组合的组件10，可能特别简单地组装燃料电池堆100。此外，实现了膜电极装置的材料、尤其是催化剂涂层膜24的材料的高利用率。

图4示出了组件10的按照本发明的第一设计方案的各个部件，而图5示出了在制造完成的状态下的组件10。所示出的设计方案除了如下提到的点之外都对应于那个在图2和3中示出的设计方案。借助于该设计方案，能够实现膜24(CCM)的材料的可能被改善的利用率。

首先，将附加的粘合剂28层涂覆、例如印刷到极板12上。粘合剂28可以是热塑性粘合剂或者环氧化物(环氧树脂)。这些粘合剂原则上适合于所有提到的实施方式。紧接着，将环绕式尺寸稍小的气体扩散层26放置在极板12上，尤其是放置在极板12的凹陷部中。在图3中示出的膜电极装置22也可以布置在极板12的凹陷部中，使得膜24齐平地放在极板12上。在此，气体扩散层26布置在被涂覆在极板12上的粘合剂28的边界之内。紧接着，将与已经放置的气体扩散层26相比环绕地突出的、因为更大的膜24(CCM)和第二气体扩散层26放置在极板12上。膜24和第二气体扩散层26可以预粘接。同样，包括两个气体扩散层26和膜24的整个膜电极装置22都可能会预粘接，使得只须将膜电极装置22整个放置在极板12上。

现在，不同于对之前提到的设计方案的制造，使膜电极装置22与极板12环绕地材料配合连接。因此，粘合剂28引起了在膜电极装置22的膜24的外边缘区域与极板12之间的环绕式材料配合连接(27)以及因此密封。紧接着或同时，又配备有粘合剂28的框架13或者整个组件10都被加热，而热塑性粘合剂28引起了在框架13与极板12之间的形状配合连接。同时，框架13也与背离极板12的气体扩散层26粘接，使得气体扩散层26和膜24可以被紧固在极板12上。

不同于在图2和3中示出的设计方案，没有将该框架与膜24粘接。也可能的是：将框架13的中央孔扩展得宽得使得框架13不将背离极板12的气体扩散层26紧固在极板12上。借助于在膜24与极板12之间以及在膜24与背离极板12的气体扩散层26之间的材料配合连接27，仍然使膜电极装置22紧固在极板12上。

图6示出了组件10的按照本发明的第二设计方案的各个部件，而图7示出了在组装状态下的组件10。所示出的设计方案除了如下提到的区别之外都对应于那个在图4和5中示出的设计方案。

在之前示出的两个设计方案中，将密封部14铸造到用热塑性粘合剂28来涂层的框架13(层压薄膜)上。这要么需要注塑温度低于粘合剂28的熔化温度，要么需要铸模(注塑成型工具)适合于熔融流动的粘合剂，例如其方式是该铸模包围粘合剂28。

按照该设计方案，将已经提到的粘合剂28之一涂覆、例如印刷到极板12上。在此，粘合剂28绕着所要密封的区域、例如工作介质通道30和极板12的外边缘区域涂覆，所述工作介质通道用于给单电池11供应工作介质。此外，如从图4和5中公知的那样，粘合剂28绕着在极板12中的凹陷部(在膜电极装置22的随后的周向上)环绕地涂覆，朝向极板12的气体扩散层26被插入到该凹陷部中。

由此，密封部14可以再次被铸造(注塑)到框架13上，该框架仅仅具有塑料薄膜(塑料膜)，作为唯一的部件。这可能比将密封部14直接注塑到极板12上实现得更简单。接着，使框架13连同密封部14与极板12材料配合连接(粘接)。膜电极装置22同样借助于粘合剂28来与极板12材料配合连接。

在框架13中的用于不遮盖膜电极装置22的活性区的窗口可以被确定尺寸为使得背离极板12的气体扩散层26被紧固(固定)在极板12上(参见图7)。但是，如已经关于图4和5的直接在前的实施方式所提及的那样，该窗口也可以增大到该框架稍稍在背离极板12的气体扩散层26之外结束的程度。

整体上，通过本发明能够实现：用于高功率密度的相对薄的构件同时适合于高件数的批量生产。

此外，可以使这些实施方式的解决方案彼此结合。

附图标记列表

10 组件

11 单电池

12 极板

13 框架

14 密封部

16 端板

18 拉紧装置

20 集流体

22 膜电极装置

24 膜/催化剂涂层膜

26 气体扩散层

27 材料配合连接

28 粘合剂

30 工作介质通道

Claims

1.一种用于燃料电池堆(100)的组件(10)，所述组件(10)包括：

极板(12)；

框架(13)，所述框架(13)与所述极板(12)材料配合连接，其中所述框架(13)在背离所述极板(12)的一侧具有至少一个与所述框架(13)连接的密封部(14)；和

膜电极装置(22)，所述膜电极装置(22)包括膜(24)、布置在所述膜(24)两侧的催化剂和布置在所述催化剂两侧的气体扩散层(26)，其中所述膜电极装置(22)固定在所述极板(12)和/或所述框架(13)上，而且其中所述膜电极装置(22)的外边缘区域至少部分地布置在所述框架(13)与所述极板(12)之间，

其特征在于，

所述极板(12)具有凹陷部，而且所述膜电极装置(22)布置在所述凹陷部中，使得所述膜(24)平放在所述极板(12)上。

2.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述框架(13)与所述膜电极装置(22)环绕地材料配合连接。

3.根据权利要求1或2所述的组件(10)，其特征在于，所述膜电极装置(22)与所述极板(12)环绕地材料配合连接。

4.根据权利要求1或2所述的组件(10)，其特征在于，所述框架(13)是膜框架。

5.一种燃料电池堆(100)，其包括根据权利要求1至4之一所述的组件(10)。

6.一种用于制造根据权利要求1至4之一所述的组件(10)的方法，其中所述方法包括如下步骤：

-在所述框架(13)上制造所述密封部(14)；而且

-紧接着使所述框架(13)与所述极板(12)材料配合连接，使得所述密封部(14)布置在所述框架(13)的背离所述极板(12)的侧面上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述材料配合连接借助于粘合剂(28)来实现。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，借助于将所述密封部(14)注塑到所述框架(13)上来实现对所述密封部(14)的制造。