CN114982024A - 燃料电池及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(1),其包括聚合物电解质膜(2),在所述聚合物电介质膜的第一侧上分配有阳极电极(3),在所述聚合物电介质膜的第二侧上分配有阴极电极(4),其中每个电极(3、4)在其背离所述聚合物电介质膜(2)的侧上分配有气体扩散层(5),以及其中每个气体扩散层(5)在其背离所述聚合物电介质膜(2)的侧上分配有流场板(6),所述流场板(6)具有用于分布反应物的流场,其特征在于,存在至少一个由吸湿材料和/或毛细活性材料形成的管道段(7),用于传导水并因此用于对所述聚合物电解质膜(2)加湿。

Description

燃料电池及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池,其包括聚合物电解质膜,在所述聚合物电介质膜的第一侧上分配有阳极电极,在所述聚合物电介质膜的第二侧上分配有阴极电极,其中每个电极在其背离所述聚合物电介质膜的侧上分配有气体扩散层,以及其中每个气体扩散层在其背离所述聚合物电介质膜的侧上分配有流场板,所述流场板具有用于分布反应物的流场。本发明还涉及一种具有燃料电池堆的燃料电池系统,所述燃料电池堆具有多个这样的燃料电池。
背景技术
燃料电池使用加湿气体运行,以提高燃料电池膜的质子传导率并由此提高燃料电池的效率。为此通常使用加湿器,以便在两种具有不同湿气含量的气态介质的情况下能够将湿气传输到较干燥的介质上。这种气体/气体加湿器在阴极循环中用于供应燃料电池堆的阴极室,其中由压缩机吸入的空气对于膜电极单元来说不够湿。由压缩机提供的干燥空气经过加湿,其方式是使得干燥空气从水蒸气可透过的加湿器膜的一侧经过,该加湿器膜的另一侧被来自燃料电池堆的潮湿废气扫过。
为了通过加湿器的加湿器膜提供足够的水传输,这种加湿器必须被构造得比较大,因此需要很多安装空间。此外,加湿器因此具有相应大的重量,其中还必须提供足够的液态水来用于加湿。
根据权利要求1的前序部分的燃料电池例如由WO 2007/144 357 A1公开。该燃料电池解决了聚合物电解质膜的溢流和干燥问题,并通过在聚合物电解质膜的材料中嵌入吸湿材料来解决这个问题。
在DE 199 17 812 A1中描述了一种自润湿的聚合物电解质膜,其中将催化剂层层压到所述膜中以用于将氢(H2)和氧(O2)重组合以形成水。
此外,WO 2007/ 050 448 A2公开了为了改进燃料电池内的水传输,为阳极侧气体扩散层设置亲水涂层并为阴极侧气体扩散层设置疏水涂层。
发明内容
本发明的任务是提供一种燃料电池和一种燃料电池系统,它们能够有效地加湿并且促进使用具有最小可能尺寸的加湿器。
该任务通过具有权利要求1的特征的燃料电池和具有权利要求10的特征的燃料电池系统来解决。在从属权利要求中说明了具有本发明的适宜扩展的有利设计。
根据本发明的燃料电池的特征特别是在于,存在至少一个由吸湿材料和/或毛细活性材料形成的管道段,用于传导水并因此用于对聚合物电解质膜加湿。
吸湿材料和/或毛细活性材料、特别是储水材料在此优选是硅酸盐,特别是硅酸钙,或沸石。替代地,吸湿材料和/或毛细活性材料、特别是储水材料也可以是多孔金属泡沫或烧结金属。也可以考虑使用塑料泡沫作为至少一个管道段的材料。
有可能的是,至少一个管道段与所述流场的反应物通道平行地或相同地延伸,使得存在“沿通道”配置。通过这种方式,在反应物通道中流动的液体可以有效地由管道段容纳并均匀地输送到聚合物电解质膜以对其进行加湿。
可以通过以下方式实现燃料电池内聚合物电解质膜的同样均匀的加湿,即至少一个管道段垂直于流场的反应物通道延伸,由此存在“平面内”配置。
为了使具有这种燃料电池的燃料电池堆尽可能紧凑和节省空间,已证明有利的是,将至少一个管道段嵌入所述聚合物电解质膜中。通过这种方式,附加地液体已经直接存在于需要液体的地方,即离子传导膜上。
替代地或附加地,还有可能将至少一个管道段嵌入所述气体扩散层中,从而可靠地防止燃料电池的溢流。同时,由吸湿材料和/或毛细活性材料制成的管道段既可以存在于所述聚合物电解质膜中又可以存在于气体扩散层中和/或分配给所述气体扩散层的微孔层中。
为了在使用吸湿材料和/或毛细活性管道段时不利地影响燃料电池的效率,已证明有利的是,至少一个管道段沿着流场的将两个反应物通道彼此分隔的流场脊延伸。因此通过这种方式,管道段布置在接触脊的下方,使得在流场的脊之间流动的气体经由气体扩散层可靠地到达电极。
因此,在这种背景下有利的是,所述至少一个管道段的尺寸适配于流场脊的尺寸,从而使“死区”的数量最小化。
为了能够借助于管道段将液体可靠地引入聚合物电解质膜中,已证明有利的是,所述至少一个管道段以流体力学方式连接到反应物出口,特别是连接到包括多个燃料电池的燃料电池堆的反应物出口。
也有可能借助于水分离器在阳极回路中收集水,从而被证明有利的是,所述至少一个管道段以流体力学方式连接到布置在阳极废气管道中的水分离器的出口。
根据本发明的燃料电池在用于燃料电池系统、特别是机动车辆的燃料电池系统中的情况下展现其效果,其中多个根据本发明的燃料电池串联连接。为根据本发明的燃料电池提及的优点和有利的设计因此在相同程度上适用于根据本发明的燃料电池系统。
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和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可用于分别说明的组合,而且还用于其他组合或单独使用,而不脱离本发明的范围。因此,没有在附图中明确示出或解释,但是通过来自所解释的实施例的单独特征组合出现和可产生的实施例也应被视为由本发明包括和公开。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从权利要求、优选实施方式的以下描述中以及基于附图得出。在此:
图1示出了第一燃料电池的示意性截面图,
图2示出了第二燃料电池的示意性截面图,
图3示出了第三燃料电池的示意性截面图,
图4示出了第四燃料电池的示意性截面图,以及
图5示出了具有由根据图1至图4的多个燃料电池组成的燃料电池堆的燃料电池系统。
具体实施方式
图1至4示出了燃料电池1。
燃料电池1包括聚合物电解质膜,在其第一侧上分配有阳极电极3,在其第二侧上分配有阴极电极4,其中电极3、4在其背离聚合物电解质膜的侧上分别分配有气体扩散层5。该气体扩散层5还包括微孔层10,该微孔层10使得气体扩散层5在其面向聚合物电解质膜2的侧上具有较小的孔隙率。气体扩散层5在其背离聚合物电解质膜2的侧上分别分配有具有用于分布反应物的流场的流动板6。根据本发明,在燃料电池1中存在至少一个、优选多个由吸湿材料和/或毛细活性材料形成的管道段7,用于传导水并因此对聚合物电解质膜2加湿。
在此根据图1和图3,有可能至少一个管道段7嵌入聚合物电解质膜2中。替代或补充地,根据图2和图4,有可能至少一个管道段7嵌入气体扩散层5中。在此,根据图1,每个气体扩散层5可以分配有至少一个或多个管道段7。
根据图1和图2的燃料电池,管道段7与流场板6的流场的反应物通道8平行或相同地延伸,使得管道段7存在“沿通道”配置。在根据图2的示例中——其中至少一个管道段7嵌入气体扩散层5中,管道段7沿着流场的将两个反应通道8彼此分隔的流场脊9延伸。
在此,至少一个管道段7的尺寸适配于流场脊9的尺寸,使得不会由于管道段7嵌入气体扩散层5中而产生另外的“死区”。
根据图3和图4的设计展示了至少一个管道段7也可以垂直于流场的反应物通道8之一延伸的可能性,由此存在“平面内”配置。
图5示出了具有多个串联连接的根据图1至图4的燃料电池1的燃料电池系统100。燃料电池系统100包括作为核心部件的燃料电池堆102,其具有大量以堆叠形式布置的这里未详细示出的燃料电池1。为了向燃料电池堆102供应燃料,燃料电池堆102在阳极侧连接到阳极输送管道104,以用于经由热传输器108(优选以回收器的形式)从阳极储存器106输送含氢的阳极气体。燃料电池堆102的阳极侧上的阳极运行压力可以经由阳极输送管道104中的调节元件110来调节。在阳极出口侧存在阳极废气管道112,该阳极废气管道112流体机械地连接到阳极再循环管道114以用于将未反应的阳极气体输送出去,阳极再循环管道114流体机械地连接到阳极输送管道104。在阳极侧,在阳极再循环管路114中还存在分离器,特别是水分离器116,该分离器的出口借助于液体输送管道118以流体机械方式连接到至少一个管道段7,以由此将收集在分离器中的水经由管道段7来对聚合物电解质膜2加湿。替代地,管道段7也可以直接吸取在反应物出口130处累积的液体。
在阴极侧,燃料电池堆102连接到用于输送含氧阴极气体的阴极输送管道120。为了输送和压缩阴极气体,压缩机26连接在阴极输送管道120的上游。在所示的设计中,压缩机122被设计为主要由电动机驱动的压缩机122,该压缩机的驱动通过配备有对应功率电子器件且未详细示出的电动机进行。
从环境中吸取的阴极气体经由压缩机122直接经由阴极输送管道120引导至燃料电池堆102。在阴极出口侧存在用于导出阴极废气的阴极废气管道124。
此外,在压缩机122的下游存在旁通管路126。旁通管路126将阴极输送管道126以流体机械方式连接到阴极废气管道124,以借助于调节元件128调节流过阴极输送管道126的阴极气体质量流量。
附图标记列表:
1 燃料电池
2 高分子电解质膜
3 阳极电极
4 阴极电极
5 气体扩散层
6 流场板
7 管道段
8 反应物通道
9 流场脊
10 微孔层
100 燃料电池系统
102 燃料电池堆
104 阳极输送管道
106 阳极储存器
108 热传输器
110 调节元件
112 阳极废弃管道
114 阳极再循环管道
116 水分离器
118 液体输送管道
120 阴极输送管道
122 压缩器
124 阴极废气管道
126 旁通管路
128 调节元件
130 反应物出口

Claims (10)

1.一种燃料电池(1),其包括聚合物电解质膜(2),在所述聚合物电介质膜的第一侧上分配有阳极电极(3),并且在所述聚合物电介质膜的第二侧上分配有阴极电极(4),其中每个电极(3、4)在其背离所述聚合物电介质膜(2)的侧上分配有气体扩散层(5),以及其中每个气体扩散层(5)在其背离所述聚合物电介质膜(2)的侧上分配有流场板(6),所述流场板(6)具有用于分布反应物的流场,其特征在于,
存在至少一个由吸湿材料和/或毛细活性材料形成的管道段(7),用于传导水并因此用于对所述聚合物电解质膜(2)加湿。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)与所述流场的反应物通道(8)平行地或相同地延伸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)垂直于所述流场的反应物通道(8)延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)嵌入所述聚合物电解质膜(2)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)嵌入所述气体扩散层(5)中。
6.根据权利要求5所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)沿着所述流场的将两个反应物通道(8)彼此分隔的流场脊延伸。
7.根据权利要求6所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)的尺寸适配于所述流场脊(9)的尺寸。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)以流体力学方式连接到反应物出口(130)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池(1),其特征在于,所述至少一个管道段(7)以流体力学方式连接到布置在阳极废气管道(112)中的水分离器(116)的出口。
10.一种燃料电池系统(100),具有多个串联连接的根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池(1)。
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