CN112740451A - 燃料电池结构、燃料电池装置以及机动车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池结构，其带有：阴极侧的第一气体扩散层(7)、阳极侧的第二气体扩散层(8)、布置在第一气体扩散层(7)与第二气体扩散层(8)之间的膜(2)、位于膜(2)与第一气体扩散层(7)之间的第一电极(3)和位于膜(2)与第二气体扩散层(8)之间的第二电极(5)以及具有凹部(12)的、借助于粘附层(10)相对于气体扩散层(7,8)保持的框架(11)。电极中的一个电极(3)布置在气体扩散层中的一个气体扩散层(7)上以用于构造气体扩散电极(36)，电极中的另一个电极(5)布置在膜(1)的与气体扩散电极(36)相对而置的侧面上以用于构造单侧的膜电极组件(1)。膜(2)的无电极的侧面直接通过粘附层(10)连结到框架(11)处。本发明此外涉及一种燃料电池装置以及一种带有燃料电池装置的机动车。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池结构，其带有：阴极侧的第一气体扩散层、阳极侧的第二气体扩散层、布置在第一气体扩散层与第二气体扩散层之间的离子交换膜、位于离子交换膜与第一气体扩散层之间的第一电极和位于离子交换膜与第二气体扩散层之间的第二电极以及具有凹部的、借助于粘附层相对于气体扩散层保持的框架。本发明此外涉及一种燃料电池装置以及一种带有燃料电池装置的机动车。
背景技术
在US 7 226 689 B2中示出一种膜电极组件，在该膜电极组件中使用单侧用催化剂来涂覆的膜(单侧催化剂涂敷膜，即one sided catalyst coated membrane(CCM))，该膜在具有催化剂的侧面上关联有气体扩散层并且在相对而置的侧面上关联有气体扩散电极，以便提供如下可行方案：为了提高耐逆向性(Reversionstoleranz)可在未涂覆的侧面上补充PTFE。
在已知的燃料电池结构中需要高的耗费，以便实现稳定的结构。
发明内容
本发明的目的是如此改进开头提及的类型的燃料电池结构，使得该燃料电池结构的稳定性得到提高。此外目的是，提供改善的燃料电池装置和改善的机动车。
本发明的目的关于燃料电池结构利用权利要求1的特征部分实现，关于燃料电池装置通过权利要求7的特征并且关于机动车通过权利要求8的特征实现。带有本发明的适宜的改进方案的有利设计方案在从属权利要求中给出。
本发明的特征在于，所述电极中的一个电极布置在气体扩散层中的一个气体扩散层上以用于构造气体扩散电极，所述电极中的另一个电极布置在膜的与气体扩散电极相对而置的侧面上以用于构造单侧的膜电极组件，其中，膜的无电极的侧面直接通过粘附层连结到框架处。通过膜与框架的直接连接实现改善的粘附，该粘附不由于在该侧面上缺少的电极而受影响，其中，电极的所需要的提供通过将气体扩散层改进成气体扩散电极来引起。
此外有利的是，气体扩散电极在其尺寸方面与凹部的大小相适配，因为如此可减少承载催化剂的层在粘附层下方的构造并且由此可部分地节省通过贵金属如铂、钯、钌形成的催化剂。
当气体扩散电极嵌入到凹部中时，还能够增强该优点，其中，附加地存在如下优点：燃料电池结构的总厚度减小。
当气体扩散电极伸出穿过凹部并且在框架的指向膜的侧面上接触粘附层时，还能够增强该优点。
通过使气体扩散电极的电极在其尺寸方面小于相关联的气体扩散层和凹部，并且通过使膜的无电极的侧面直接通过粘附层连结到定位在凹部中的气体扩散层处，能够充分利用粘附层的直接粘附作用的优点。通过这种设计也又使所需要的催化剂量减小。
通过使第一双极板布置在第一气体扩散层的背离框架的侧面上、第二双极板布置在第二气体扩散层的背离框架的侧面上、在框架与这两个双极板之间相应布置在周缘侧密封气体扩散层的密封层，其中，与气体扩散电极相关联的密封层具有相对于另一个密封层减小的厚度，也有利地显示出燃料电池结构的厚度的减小。
尤其地，当在燃料电池装置中带有上文描述的燃料电池结构的多个燃料电池联合在燃料电池堆叠中时，特别明显地显示出在改善的稳定性和减小的总厚度方面的优点。
由此也可实现提供一种带有燃料电池装置的改善的机动车。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由权利要求书、下面对优选的实施方式的描述以及根据附图得出。其中：
图1示出第一燃料电池结构的剖面图，
图2示出第二燃料电池结构的剖面图，
图3示出另一种燃料电池结构的剖面图，以及
图4示出由现有技术已知的燃料电池结构的相应于图1的图示。
具体实施方式
图4示出已知的带有膜电极组件1的燃料电池的基本结构，该膜电极组件包括半透性的膜2连同位于膜的第一侧面4上的第一电极3和位于膜的与第一侧面4相对而置的第二侧面6上的第二电极5。第一电极3在此在所示的示例中形成为阴极，而第二电极5形成为阳极；阴极和阳极的相反的关联关系也是可行的。膜2在第一侧面4上以及在第二侧面6上用由贵金属或包括贵金属的混合物构成的催化剂层涂覆，所述贵金属例如是铂、钯、钌等，所述催化剂层用作在燃料电池反应时的反应加速器。
在这种聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，在第二电极5(阳极)处燃料或燃料分子、尤其是氢分裂成质子和电子。膜2让质子(例如H+)穿过，但对于电子(e-)是不可穿透的。膜2由离子聚合物、优选磺化的四氟乙烯-聚合物(PTFE)或全氟磺酸的聚合物(PFSA)形成。备选地，膜2也可形成为碳氢化合物膜。在阳极处在此发生以下反应：2H2→4H++4e-(氧化/放出电子)。
在质子穿过膜2跨越至第一电极3(阴极)期间，电子经由外部的电路导引给阴极或蓄能器。在阴极处提供阴极气体、尤其是氧气或含有氧气的空气，从而在此发生以下反应：O2+4H++4e-→2H2O(还原/吸收电子)。
第一电极3关联有第一气体扩散层7，而第二电极5关联有第二气体扩散层8。气体扩散层优选由碳纤维纸(CFP="Carbon Fiber Paper")形成。
为了改善在燃料电池结构内的流体流动或气体流动以及为了提高在膜中的含水量，第一气体扩散层7在其面向第一电极3的侧面上关联有第一多微孔层20。同样地，第二气体扩散层8在其面向第二电极5的侧面上关联有第二多微孔层21。多微孔层20,21的横向尺寸在此基本上相应于相应的气体扩散层7,8的横向尺寸。
为了增大燃料电池结构的稳定性，在第一电极3与第一气体扩散层7之间布置有框架11，该框架带有凹部12。膜电极组件1的活性区域14在此借助于通过凹部12预设的流动横截面13来预设。为了优化材料消耗，在未详细示出的实施方案中，凹部12的流动横截面13的面积相应于第一电极3的面的面积。
同时，凹部12的流动横截面13具有比第二气体扩散层8的流动横截面15的面积更小的面积。第一气体扩散层7的流动横截面35基本上相应于第二气体扩散层8的流动横截面15或正交于堆叠方向定向的横截面。
膜电极组件1在外周缘侧具有边缘区域9。膜电极组件1的边缘区域9理解为膜电极组件1的在外周缘侧围绕膜电极组件1的、平行于且部分地正交于堆叠方向延伸的区域。
为了尽管材料减少仍实现稳定的燃料电池结构，膜电极组件1与第二气体扩散层8仅在边缘区域9中借助于粘附层10连接。此外，粘附层10在边缘区域9中横向地(即在外周缘侧)包围膜电极组件1；当前完全地包围膜电极组件。粘附层10在此具有U形的或C形的横截面并且由第一粘附层区段16和第二粘附层区段17形成。第一粘附层区段16使膜2在膜电极组件1的边缘区域9中与框架11的设置在凹部12附近的内边缘区域18连接。框架11的内边缘区域18在此形成为框架11的在内周缘侧部分地向外延伸的子区域。第二粘附层区段17在膜电极组件1的边缘区域9中将第二气体扩散层8与第二电极5和膜2连接。此外，设置有第二粘附层19，该第二粘附层将框架11的内边缘区域18与第一气体扩散层7连接。在组装燃料电池组件时，这两个粘附层区段16和17熔融成共同的粘附层10。
此外，阳极侧的第二气体扩散层8关联有用于供应燃料气体的第二双极板29，该第二双极板具有燃料流场(Brennstoffflussfeld)30。借助于燃料流场30，燃料穿过第二气体扩散层8供应给第二电极5。在阴极侧，第一气体扩散层7关联有包括阴极气体流场28的第一双极板27，该第一双极板用于将阴极气体供应给第一电极3。
双极板27,28的横向延伸尺寸(或延伸量，即Erstreckung)、即垂直于堆叠方向的延伸尺寸大于气体扩散层7,8的横向延伸尺寸并且基本上相应于框架11的横向延伸尺寸。在框架11的第一框架侧面23与第一双极板27之间布置有在周缘侧密封第一气体扩散层7的第一密封层22。在框架的第二框架侧面25与第二双极板28之间设置有第二密封层24。密封层22,24在此形成为能压缩的密封唇，所述密封唇横向上相应多重地设置。在当前的实施例中，横向上相应地设置三个密封唇，这些密封唇在周缘侧围绕第一气体扩散层7和第二气体扩散层8布置。第一密封层22和第二密封层24因而相应具有总共六个所述密封唇。其他数量是可行的。在此，与第二密封层26的密封唇相比，第一密封层22的密封唇具有更大的直径。
此外，横向于膜电极组件1相应设置有沿堆叠方向延伸通过第一双极板27、第二双极板29和框架11的用于供应燃料的第一通道31和用于将阴极气体供应至燃料电池结构的第二通道32。各通道31,32在此在燃料电池结构内布置成使得在面向气体扩散层7,8的侧面上第一密封层22的相应两个密封唇和第二密封层24的相应两个密封唇布置在内部，而在与前述侧面相对而置的侧面上第一密封层22的一个密封唇和第二密封层24的一个密封唇相应地布置在外部。
在图1中示出本发明的第一实施例，在该第一实施例中，所述电极中的一个电极3布置在所述气体扩散层中的一个气体扩散层7上以用于构造气体扩散电极36，其中，所述电极中的另一个电极5布置在膜2的与气体扩散电极36相对而置的侧面上以用于构造单侧的膜电极组件1(半涂敷式催化剂涂敷膜(CCM))并且膜2的无电极的侧面直接通过粘附层10连结到框架11处。这又用于提高稳定性。
图2示出一种燃料电池结构，在该燃料电池结构中，气体扩散电极36在其尺寸方面与凹部12的大小相适配并且嵌入到凹部12中，其中，气体扩散电极36伸出穿过凹部12，并且又为了提高稳定性而在框架11的指向膜2的侧面上直接接触粘附层10。与图1的比较也能够看出，燃料电池结构的总厚度减小并且因此实现更紧凑的结构形式。
图3示出另一种实施例，在该另一种实施例中，气体扩散电极36的电极3在其尺寸方面小于相关联的气体扩散层7和凹部12，其中，膜2的无电极的侧面直接通过粘附层10连结到定位在凹部12中的气体扩散层7处。
图2和3也示出，在框架11与这两个双极板27,29之间相应布置有在周缘侧密封气体扩散层7,8的密封层22,24，其中，与气体扩散电极36相关联的密封层22具有相对于另一个密封层24减小的厚度。
当在燃料电池装置中多个燃料电池联合成燃料电池堆叠时，则该新颖的燃料电池结构的优点是特别简明突出的，因为减少的厚度和改善的稳定性相叠加。由此也得到燃料电池装置在机动车中的使用的改善的合适性。
附图标记列表：
1 膜电极组件
2 膜
3 第一电极
4 第一侧面(膜)
5 第二电极
6 第二侧面(膜)
7 第一气体扩散层
8 第二气体扩散层
9 边缘区域(膜电极组件)
10 粘附层
11 框架
12 凹部
13 流动横截面(凹部)
14 活性区域(膜电极组件)
15 流动横截面(第二气体扩散层)
16 第一粘附层区段
17 第二粘附层区段
18 框架的内边缘区域
19 第二粘附层
20 第一多微孔层
21 第二多微孔层
22 第一密封层
23 第一框架侧面
24 第二密封层
25 第二框架侧面
27 第一双极板
28 阴极气体流场
29 第二双极板
30 阳极气体流场
31 第一通道
32 第二通道
35 流动横截面(第一气体扩散层)
36 气体扩散电极
Claims (10)
1.一种燃料电池结构，带有：阴极侧的第一气体扩散层(7)、阳极侧的第二气体扩散层(8)、布置在所述第一气体扩散层(7)与所述第二气体扩散层(8)之间的膜(2)、位于所述膜(2)与所述第一气体扩散层(7)之间的第一电极(3)和位于所述膜(2)与所述第二气体扩散层(8)之间的第二电极(5)以及具有凹部(12)的、借助于粘附层(10)相对于所述气体扩散层(7,8)保持的框架(11)，其特征在于，所述电极中的一个电极(3)布置在所述气体扩散层中的一个气体扩散层(7)上以用于构造气体扩散电极(36)，所述电极中的另一个电极(5)布置在所述膜(1)的与所述气体扩散电极(36)相对而置的侧面上以用于构造单侧的膜电极组件(1)，并且所述膜(2)的无电极的侧面直接通过所述粘附层(10)连结到所述框架(11)处。
2.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述气体扩散电极(36)在其尺寸方面与所述凹部(12)的大小相适配。
3.根据权利要求2所述的燃料电池结构，其特征在于，所述气体扩散电极(36)嵌入到所述凹部(12)中。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池结构，其特征在于，所述气体扩散电极(36)伸出穿过所述凹部(12)，并且在所述框架(11)的指向所述膜(2)的侧面上接触所述粘附层(10)。
5.根据权利要求3所述的燃料电池结构，其特征在于，所述气体扩散电极(36)的电极(3)在其尺寸方面小于相关联的所述气体扩散层(7)和所述凹部(12)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于，所述膜(2)的无电极的侧面直接通过所述粘附层(10)连结到定位在所述凹部(12)中的所述气体扩散层(7)处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池结构，其特征在于，第一双极板(27)布置在所述第一气体扩散层(7)的背离所述框架(11)的侧面上，第二双极板(29)布置在所述第二气体扩散层(8)的背离所述框架(11)的侧面上，在所述框架(11)与两个双极板(27,29)之间相应布置有在周缘侧密封所述气体扩散层(7,8)的密封层(22,24)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池结构，其特征在于，与所述气体扩散电极(36)相关联的第一密封层(22)具有相对于第二密封层(24)减小的厚度。
9.一种燃料电池装置，带有燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠具有带有根据权利要求1至8所述的燃料电池结构的多个燃料电池。
10.一种机动车，带有根据权利要求9所述的燃料电池装置。
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