CN113508481A - 燃料电池结构、燃料电池系统和燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池结构，其带有膜电极组件(1)，该膜电极组件包括膜(2)和第一电极(3)，该第一电极布置在膜(2)的第一侧(4)处并且该第一电极关联有第一气体扩散层(7)，以及带有框架(11)，其中，在膜电极组件(1)的边缘区域(9)处存在有将膜电极组件(1)与框架(11)至少局部地直接连接的粘附涂层(10)。粘附涂层(10)穿透第一电极(3)，并且膜(2)由于该穿透直接与框架(11)连接。本发明还涉及包括这种燃料电池结构的燃料电池系统和燃料电池车辆。

Description

燃料电池结构、燃料电池系统和燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池结构，其带有膜电极组件，该膜电极组件包括膜和第一电极，该第一电极布置在膜的第一侧处并且与第一气体扩散层相关联；以及带有框架，该框架优选布置在第一电极与第一气体扩散层之间，其中，在膜电极组件的边缘区域处存在有将膜电极组件与框架至少局部地直接连接的粘附涂层。本发明还涉及带有一个或多个这种燃料电池结构的燃料电池系统和燃料电池车辆。
背景技术
这种燃料电池结构由申请人的未公开的申请已知，该燃料电池结构已被证明为良好的并且该燃料电池结构在稳定性高的同时对于其制造而言仅表现出低的材料投入。
另一种燃料电池结构可由WO2018/217586A1得出，其中，粘接涂层将双极板与膜电极组件的电极连接。在WO2010/080450A1和US2014/0004442A1中描述了燃料电池结构，其研究膜电极组件的固定和密封。
发明内容
因此，本发明的任务是，给出改善的燃料电池结构。此外，本发明的任务是，提供改善的燃料电池系统和改善的燃料电池车辆。
本发明的任务通过根据权利要求1的特征的燃料电池结构、通过带有权利要求9的特征的燃料电池系统以及通过带有权利要求10的特征的燃料电池车辆解决。带有本发明的适宜的改进方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
根据本发明的燃料电池结构在此尤其通过以下方式出众，粘附涂层部分地、但优选完全地穿透第一电极，并且膜由于该穿透与框架直接连接。
这一方面确保了：电极与框架在机械上更稳定地连接，因为粘附涂层部分地、但优选完全地穿透电极。但另一方面，通过利用粘附涂层的材料穿透电极而附加地确保膜在框架处的可靠的固定，这有助于提升燃料电池结构的稳定性。两者此外都引起电极在膜处的还更好的固定。
粘附涂层或粘接剂的材料优选由聚合物构成。由此，实现膜与粘附涂层的适当的接触，因为因此存在聚合物与（如有可能另外的）聚合物的连接，随之而来的是增强的粘附效果。当框架也由聚合物构成时，则由此也实现粘附涂层与框架的适当的接触。在此，则也存在聚合物与（如有可能另外的）聚合物的连接，随之而来的是增强的粘附效果
在本发明中尤其正好一个框架布置在第一电极与第一气体扩散层之间，其中，粘附涂层在边缘区域中横向地至少部分地包围膜电极组件。所述正好一个框架减少了对于燃料电池结构所需的材料并且对于燃料电池结构所需的层，从而简化了制造。同时，粘附涂层实现膜电极组件的膜与框架的稳定的连接，其中，通过使粘附涂层仅布置在膜电极组件的边缘区域中也减少了材料量。
膜电极组件的边缘区域理解为在外周缘侧包围膜电极组件的、至少穿透第一电极的、平行于堆叠方向(Stapelrichtung)且部分地正交于堆叠方向延伸的区域。边缘区域正交于堆叠方向的延伸在此分别相应于膜电极组件的横向的总延伸的少于百分之30、优选少于百分之20、进一步优选少于百分之10并且完全特别优选少于百分之5。
粘附涂层的横截面在此优选U形或C形地构成。由此粘附涂层不仅用作附加的横向保护涂层，而且用于膜电极组件的绝缘和/或密封。在一种备选的设计方案中，粘附涂层的横截面也可L形地构成。
尤其有意义的是，膜电极组件包括第二电极，该第二电极布置在与第一侧相对置的第二侧上，其中，第二电极优选地关联有第二气体扩散层。粘附涂层在该改进设计方案中也可以构造成，穿透第二电极并且由此直接接触膜电极组件的膜。
以粘附涂层的材料穿透电极能够以有利的方式通过如下实现，即第一电极具有这样的多孔性，即该多孔性如此选择，使得粘附涂层部分地、优选完全地穿透第一电极，以便将框架与膜连接。电极的多孔性/表面能量(或一般而言:特性)和粘接剂的流动行为(粘性(Viskosität)等)在此彼此相协调。
备选地或补充地，粘附涂层也可具有这样的粘性，即该粘性如此选择，使得该粘附涂层部分地、优选完全地穿透第一电极，以便将框架与膜连接。在此也存在各个部件彼此间的适当的协调，该协调引起期望的粘附连接。由此，即使在电极的多孔性小的情况下也可实现：粘附涂层与聚合物电解质膜进行直接接触。
附加地或备选地，粘附涂层可具有在电极材料方面这样的表面能量(Oberflächenenergie)和/或表面张力(Oberflächenspannung)，即所述表面能量和/或表面张力如此选择，使得第一和/或第二电极被部分地、优选完全地穿透，以便尤其将框架与膜连接。
为了简化燃料电池结构的装配，已被证明为有意义的是，包围膜的粘附涂层具有在边缘区域处将膜电极组件的膜与框架连接的第一粘附涂层区段和在边缘区域处将膜电极组件的膜与第二气体扩散层连接的第二粘附涂层区段。
为了进一步减少制造耗费优选的是，膜和电极在横向延展上构成为带有相同的面积。由于对适合的单位尺寸的选择，能够减少用于切换冲压设备或准备热压的准备时间(Rüstzeiten)。
就此而言有利的是，框架具有空隙，该空隙带有小于所述横向面积的流动横截面。这改善了燃料电池的反应物的流动行为。
有利的是，第一气体扩散层在其面向第一电极的侧上具有第一多微孔层和/或第二气体扩散层在其面向第二电极的侧上具有第二多微孔层。多微孔的层用于改善阴极或燃料输送并且提高燃料电池的功率，其方式为，提高膜电极组件的含水量。多微孔的层在此可以是相应的气体扩散层的整体式组成部分。但所述多微孔的层也可以作为分开的、单独的构件存在。
此外存在如下可行性，即将第一气体扩散层在周缘侧密封的第一密封层与框架在第一框架侧上关联，并且将第二气体扩散层和膜在周缘侧密封的第二密封层与框架在与第一框架侧相对置的第二框架侧上关联。在此，密封层优选构成为可压缩的密封唇(Dichtungslippen)或密封线(Dichtungslinien)。
为了改善周缘侧的密封，密封唇横向地分别多重地设置，尤其双重地或三重地设置。第一密封层的密封唇在此优选地比第二密封层的密封唇具有更大的直径。这实现了，在横向方向中液体密封地和/或气体密封地或者流体密封地密封气体扩散层和膜电极组件。
根据本发明的燃料电池结构在使用在根据本发明的燃料电池系统中时发挥其优点。针对燃料电池结构所描述的优点和优选的实施方式在此也适用于根据本发明的燃料电池系统，该燃料电池系统通过提高的安全性和稳定性出众。
针对燃料电池结构所描述的优点和优选的实施方式在此也适用于根据本发明的燃料电池车辆。它通过更大的航程出众，因为反应物、尤其地燃料的扩散损耗在使用根据本发明的燃料电池结构的情况中比迄今为止的更少发生。
上面在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能够以分别给出的组合使用，而且能够以其它组合或单独地使用，而不离开本发明的范围。由此，在附图中未明确示出或阐释但通过单独的特征组合由所阐释的阐述内容得出和可产生的阐述内容也应视为被本发明包括和公开。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、下面对优选的实施方式的描述以及根据附图得出。在此：
图1示出燃料电池结构的剖视图。
具体实施方式
图1示出带有膜电极组件1的燃料电池结构，该膜电极组件包括半透的膜2连同位于膜的第一侧4上的第一电极3和位于膜的与第一侧4相对置的第二侧6上的第二电极5。第一电极3在此优选地构成为阳极，而第二电极5优选地构成为阴极；但也存在这样的可行性，即第一电极3构成膜电极组件的阴极，而第二电极5构成膜电极组件1的阳极。膜2优选地在第一侧4上以及在第二侧6上利用由贵金属或包括贵金属(如铂、钯、钌或类似物)的混合物构成的催化剂涂层覆层，所述催化剂涂层用作在燃料电池反应时的反应加速器。相应的催化剂涂层在此是相应的电极3,5的整体式组成部分或构造所述电极本身。
在这种聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，在第一电极3(阳极)处燃料或燃料分子、尤其是氢气分裂成质子和电子。膜2能够让质子(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)或全氟磺酸聚合物(PFSA)构成。备选地，膜2也可构成为磺化的碳氢化合物膜。在阳极处在此进行以下反应：2H2→4H++4e-(氧化/放出电子)。
在质子穿过膜2至第二电极5(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、尤其是氧气或包含氧气的空气，从而在此发生以下反应：O2+4H++4e-→2H2O(还原/接收电子)。
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=“碳纤维纸”)构成。统一的尺寸使针对燃料电池结构1的单个组成部件的制造耗费保持尽可能小。因此，膜2在横向延展上具有与电极3,5的(横截面)面积对应的(横截面)面积。
为了改善在燃料电池结构内的流体或气体流动以及为了提高膜中的含水量，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。
为了增加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，该框架带有空隙12。膜电极组件1的活性区域14在此借助于通过空隙12预设的流动横截面13预设。
同时，空隙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33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的在外周缘侧包围膜电极组件1的、平行于且部分正交于堆叠方向延伸的区域。
为了将框架11与膜电极组件1牢固连接存在有粘附涂层10。粘附涂层10根据本发明将框架11与膜电极组件的膜2直接连接。在此，第一电极3被粘附涂层10的材料完全地穿透，为此该第一电极优选具有适当的多孔性。以相同的方式，膜电极组件1的膜2可在边缘区域9中借助于粘附涂层10附加地直接与第二气体扩散层8连接，其中，在此第二电极5也设有适当的多孔性并且被粘附涂层10的材料完全地穿透。
当前，粘附涂层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的膜、尤其完全地。粘附涂层10在此具有U形的或C形的横截面并且由第一粘附涂层区段16和第二粘附涂层区段17构成。第一粘附涂层区段16（穿过第一电极3）在膜电极组件1的边缘区域9中将膜2与框架11的存在于空隙12附近的内边缘区域18连接。框架11的内边缘区域18在此构成为框架11的在内周缘侧部分向外延伸的子区域。第二粘附涂层区段17（穿过第二电极5）在膜电极组件1的边缘区域9中将第二气体扩散层8与膜2连接。此外，存在有第二粘附涂层19，该第二粘附涂层将框架11的内边缘区域18与第一气体扩散层7连接。在装配燃料电池结构时，这两个粘附涂层区段16和17融合成共同的带有单体式结构的粘附涂层10。
为了将燃料供应给第一电极3，在阳极侧存在有施加到第一气体扩散层7处的或与该第一气体扩散层相关联的以及提供阳极气体流动区28的第一双极板27。此外，阴极侧的第二气体扩散层8关联有用于供应阴极气体的第二双极板29，该第二双极板具有阴极气体流动区30。借助于阴极气体流动区30使阴极气体穿过第二气体扩散层8供应给第二电极5。
双极板27,28的横向延伸、即垂直于堆叠方向的延伸大于气体扩散层7,8的横向延伸并且基本上相应于框架11的横向延伸。在框架11的第一框架侧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在此构成为可压缩的密封唇，所述密封唇横向地分别多重地设置。在当前的实施例中，横向地分别设置有三个密封唇，所述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因此分别具有总共六个密封唇。其它数量是可行的。在此，第一密封层22的密封唇比第二密封层26的密封唇具有更大的直径
此外，横向于膜电极组件1分别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。通道31,32在此如此布置在燃料电池结构内，使得在面向气体扩散层7,8的侧上第一密封层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，而在与其相对置的侧上第一密封层22的一个密封唇和第二密封层24的一个密封唇分别布置在外部。
由于利用粘附涂层10的材料穿过电极3,5，产生适合的接触搭配件对，因为不仅膜2而且粘附涂层10都由聚合物构成，这引起改善的粘附连接。因为框架11也可由聚合物构成，则在框架11与粘附涂层10的接触面处也可出现这种增强的粘附效果。这总体上导致还更稳定的燃料电池结构，该燃料电池结构同时具有改善的密封。
附图标记列表
1 膜电极组件
2 膜
3 第一电极
4 第一侧(膜)
5 第二电极
6 第二侧(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 粘附涂层
11 框架
12 空隙
13 流动横截面(空隙)
14 活性区域(膜电极组件)
15 流动横截面(第二气体扩散层)
16 第一粘附涂层区段
17 第二粘附涂层区段
18 框架的内边缘区域
19 第二粘附涂层
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
24 第二密封层
25 第二框架侧
27 第一双极板
28 阳极气体流动区
29 第二双极板
30 阴极气体流动区
31 第一通道
32 第二通道
33 流动横截面(第一气体扩散层)

Claims (10)

1.一种燃料电池结构，所述燃料电池结构带有膜电极组件(1)，所述膜电极组件包括膜(2)和第一电极(3)，所述第一电极布置在所述膜(2)的第一侧(4)处并且所述第一电极关联有第一气体扩散层(7)，以及所述燃料电池结构带有框架(11)，其中，在所述膜电极组件(1)的边缘区域(9)处存在有将所述膜电极组件(1)与所述框架(11)至少局部地直接连接的粘附涂层(10)，其特征在于，所述粘附涂层(10)穿透所述第一电极(3)，并且所述膜(2)由于所述穿透直接地与所述框架(11)连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述第一电极(3)具有这样的多孔性，即所述多孔性如此选择，使得所述粘附涂层(10)部分地或完全地穿透所述第一电极(3)，以便将所述框架(11)与所述膜(2)连接。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池结构，其特征在于，所述粘附涂层(10)具有这样的粘性，即所述粘性如此选择，使得所述粘附涂层部分地或完全地穿透所述第一电极(3)，以便将所述框架(11)与所述膜(2)连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池结构，其特征在于，所述粘附涂层(10)具有这样的表面能量和/或表面张力，即所述表面能量和/或表面张力如此选择，使得所述粘附涂层部分地或完全地穿透所述第一电极(3)，以便将所述框架(11)与所述膜(2)连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池结构，其特征在于，所述膜电极组件(1)包括第二电极(5)，所述第二电极布置在与所述第一侧(4)相对置的第二侧(6)上，所述第二电极(5)关联有第二气体扩散层(8)，并且所述粘附涂层(10)具有在所述边缘区域(9)处将所述膜电极组件(1)的所述膜(2)与所述框架(11)连接的第一粘附涂层区段(16)和在所述边缘区域(9)处将所述膜电极组件(1)的所述膜(2)与所述第二气体扩散层(9)连接的第二粘附涂层区段(17)。
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)和所述电极(3,5)在横向延展上构成为带有相同的面积。
7.根据权利要求6所述的燃料电池结构，其特征在于，所述框架(11)具有带有这样的流动横截面(13)的空隙(12)，即所述流动横截面的面积小于所述膜(2)的横向面积。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的燃料电池结构，其特征在于，将所述第一气体扩散层(7)在周缘侧密封的第一密封层(22)与所述框架(11)在第一框架侧(23)上关联，并且将所述第二气体扩散层(8)和所述膜(2)在周缘侧密封的第二密封层(24)与所述框架(11)在与所述第一框架侧(23)相对置的第二框架侧(25)上关联。
9.一种燃料电池系统，带有根据权利要求1至8中任一项的燃料电池结构。
10.一种燃料电池车辆，带有包括根据权利要求1至8中任一项的燃料电池结构的燃料电池系统。
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