CN116134645A

CN116134645A - 用于电化学电池堆叠的加热装置、燃料电池堆叠和用于加热的方法

Info

Publication number: CN116134645A
Application number: CN202180060092.0A
Authority: CN
Inventors: E·豪克; H·鲍尔; L·奥勒姆斯; E·迈尔; A·雷蒂希; J·韦斯内尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2021-05-05
Publication date: 2023-05-16
Also published as: DE102020206347A1; WO2021233685A1

Abstract

本发明涉及一种用于电化学电池堆叠的加热装置(12)，其中，所述加热装置(12)包括具有第一侧(56)和相对的第二侧(58)的加热层(54)、第一隔热层(60)和第二隔热层(62)，所述第一隔热层(60)布置在所述加热层(54)的第一侧(56)上，并且所述第二隔热层(62)布置在所述加热层(54)的第二侧(58)上，并且其中，所述加热层(54)具有中央区域(64)和边缘区域(66)，并且所述第一隔热层(60)在所述加热层(54)的边缘区域(66)处具有第一缺口(68)，并且所述第二隔热层(62)在所述加热层(54)的中央区域(64)处具有第二缺口(70)。

Description

用于电化学电池堆叠的加热装置、燃料电池堆叠和用于加热的方法

技术领域

本发明涉及一种用于电化学电池堆叠的加热装置，其中，加热装置包括加热层和第一隔热层。此外，本发明涉及一种包括该加热装置的燃料电池堆叠和一种用于加热燃料电池堆叠的部件的方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。因此，燃料电池是一个电化学能量转换器。在已知的燃料电池中，尤其氢气(H₂)和氧气(O₂)转化为水(H₂O)、电能和热量。

其中，质子交换膜(PEM)燃料电池是已知的。质子交换膜燃料电池具有中央布置的隔膜，该隔膜对于质子，即氢离子是可透过的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分离。

此外，固体氧化物燃料电池，也称为solid oxide fuel cells(SOFC)是已知的。与PEM燃料电池相比，SOFC燃料电池具有更高的运行温度和废气温度，尤其应用在固定运行中。

燃料电池具有阳极和阴极。燃料被供应给燃料电池的阳极并且催化地在释放出电子的情况下氧化成质子，这些质子到达阴极。释放的电子从燃料电池中导出并且通过外部电路流到阴极。

氧化剂、尤其是空气中的氧气，被供应给燃料电池的阴极，并且通过吸收来自外部电路的电子与质子反应成水。由此产生的水从燃料电池中导出。总反应是：

O₂+4H⁺+4e^—→2H₂O

在此，在燃料电池的阳极和阴极之间施加一个电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继布置成一个燃料电池堆叠，也称为堆垛，并且将其电串联。

燃料电池堆叠通常具有端板，该端板将各个燃料电池相互压紧并且使燃料电池堆叠稳定。当在相应的外部燃料电池和端板之间没有布置单独的集流器时，端板也可以用为燃料电池堆叠的正极或负极，用于放电。

电极，即阳极和阴极，以及隔膜可以在结构设计上合并成一个隔膜电极组件(MEA)，也称为membrane electrode assembly。

此外，燃料电池堆叠具有双极板，也称为气体分配器板。双极板用于将燃料均匀地分配到阳极上以及将氧化剂均匀地分配到阴极上。双极板通常具有一个表面结构，例如通道状结构，用于将燃料以及氧化剂分配到电极上。通道状结构也用于导出在反应时产生的水。

此外，双极板可以具有引导冷却介质通过燃料电池用于散热的结构。

除了关于氧气、氢气和水的介质引导外，双极板还确保与隔膜的面式电接触。

燃料电池堆叠中的燃料电池通常通过垂直于燃料电池隔膜布置的供应通道或导出通道供给以介质、尤其是氢气和氧气。介质也通过这些供应通道或导出通道导出。供应通道或导出通道通过端口(也可以称为流体接头)与燃料电池，尤其与双极板连接。

燃料电池堆叠中的每个燃料电池通常通过端口与其它燃料电池连接。从端口出发，介质通过端口贯通部被引导到实际上所谓的流场，即双极板的活性面中。

燃料电池堆叠通常由多达几百个单个燃料电池组成，这些燃料电池作为所谓的三明治彼此堆叠。单个燃料电池具有隔膜电极组件以及在阳极侧上和在阴极侧上的各一个双极板半部。

供应通道或导出通道，也可以称为介质通道，通常位于燃料电池堆叠的边缘处，用于分配从燃料电池堆叠外供应的介质和再次向外导出的介质。供应通道或导出通道通常垂直穿过各个双极板延伸并且由彼此重合地布置的、形成端口的缺口产生。

燃料电池堆叠通常由两个端板封闭。与这两个端板相邻地通常分别布置有一个集流器。端板通常具有端口结构，端口从燃料电池堆叠内汇入到该端口结构中。

如果燃料电池堆叠在温度低于水的冻结点的情况下投入运行，则会出现冻结的水，尤其在端口结构处。当燃料电池堆叠能够借助加热层电加热时，这也会发生，因为端口结构可以被绝缘的中间层热隔绝并且因此与加热装置隔开。

燃料电池堆叠中的端板区域尤其在温度低于0℃的启动时可能如此冷，使得必须防止燃料电池堆叠中的水冻结。此外，这在Maruo等人的文章“针对零下环境条件的燃料电池系统控制的发展”，SAE技术论文，2017，出版号:10.4171/2017-01-1189中有所描述。

在冷的燃料电池堆叠启动时，由燃料电池堆叠包含的燃料电池迅速加热并且随着这些燃料电池，沿堆叠方向穿过燃料电池堆叠的端口或者说供应通道和导出通道的区域也加热。然而，端板由于其热容量防止边缘区域，尤其外部燃料电池的快速加热，即燃料电池堆叠中的第一个和最后一个燃料电池以及端板上的端口结构的快速加热。

在端板区域中可以设置如在US 9,525,185中所描述的加热元件，如加热箔，这些加热元件可以布置在集流器和端板之间。为了防止加热箔主要加热端板，根据US 9,525,185，在加热箔和端板之间设置一个热障，使得热流从加热箔至集流器和因此朝燃料电池堆叠的冷的外部燃料电池的方向进行，而从加热箔朝端板方向的热流中断。因此，在此还存在水在冷启动时在端板的端口结构中冻结的危险，使得可能损害燃料电池堆叠的介质供给或清运，由此降低燃料电池堆叠的效率和/或使用寿命。

发明内容

提出一种用于电化学电池堆叠、尤其燃料电池堆叠的加热装置，其中，加热装置包括具有第一侧和相对的第二侧的加热层、第一隔热层和第二隔热层，第一隔热层布置在加热层的第一侧上，并且第二隔热层布置在加热层的第二侧上，并且其中，加热层具有中央区域和边缘区域，并且第一隔热层在加热层的边缘区域处具有第一缺口，并且第二隔热层在加热层的中央区域处具有第二缺口。

此外，提出一种燃料电池堆叠，以给定的顺序包括至少以下层：具有端口结构的端板、根据本发明的加热装置、集流器、隔膜电极组件和双极板，其中，加热装置如此布置在集流器和端板之间，使得加热层的第一侧指向端板，并且加热层的第二侧指向集流器。

燃料电池堆叠优选包括两个端板、两个加热装置和两个集流器，其中，所述加热装置之一优选分别布置在端板和集流器之间。

在燃料电池堆叠中，第一隔热层和/或第二隔热层可以布置在加热层上并且与该加热层，例如借助粘合剂连接。附加地或替代地，第一隔热层可以布置在端板上并且必要时与端板连接。附加地或替代地，第二隔热层可以布置在集流器上并且必要时与集流器连接。集流器优选是一个平面构件。

加热装置优选地是一体式或多件式的平面构件。此外，加热层优选实施为箔。进一步优选地，加热层由柔性材料构造，该柔性材料尤其可以适配端板或集流器的表面的不平度并且可以贴靠在该表面上。加热层可以由导电聚合物构造或包括该导电聚合物，尤其是含有填充材料如石墨的聚丙烯(PP)，所述导电聚合物通过电阻加热。

加热层尤其是一个面加热元件。加热层可以实施为电阻加热装置，优选地实施为单独的导线或印刷电路板。尤其，电阻加热装置在两个电绝缘的箔之间具有加热丝，即第一热隔绝层和第二热隔绝层，其中，这些箔在不同侧上可以具有不同的厚度，以便因此控制热流。

替代地，加热层可以借助导电聚合物，也称为热诱导热塑性塑料实施，其优选地具有2W/cm至3W/cm²的功率。导电聚合物优选地借助注塑和/或箔拉伸加工成加热层。导电聚合物的优选的基体材料，也被称为复合材料，例如是硬质聚乙烯或高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)以及它们的混合物。导电率越低并且电阻越高，则发热越大。导电聚合物进一步优选地包含导电填充材料如导电炭黑、石墨和/或金属粉末，由此呈颗粒的形式。

加热层的边缘区域和中央区域可以与加热回路，尤其一个共同的加热回路连接。替代地，加热层的中央区域和边缘区域可以与不同的加热回路连接。

优选地，加热层的中央区域被加热层的边缘区域包围。进一步优选地，如果隔膜电极组件的活性面是矩形的，则中央区域具有矩形形状，或基本上复制隔膜电极组件的活性面，即电化学活性区域的几何形状。尤其，边缘区域具有矩形框架的形状。

第一隔热层和/或第二隔热层优选地实施为加热层或端板或集流器的涂层。第一隔热层和/或第二隔热层优选地包括陶瓷和/或聚合物，如PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)、PP、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯酸酯和/或聚苯乙烯。进一步优选地，第一隔热层和/或第二隔热层由陶瓷和/或聚合物，如PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)、PP、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯酸酯和/或聚苯乙烯构成。聚合物是特别优选的。此外，

箔可以被用作第一隔热层和/或第二隔热层。尤其，第一隔热层和第二隔热层由同一材料构成。

优选地，第一隔热层具有第一厚度，并且第二隔热层具有第二厚度。优选地，第一厚度和/或第二厚度位于19μm至500μm的范围内。

在一个实施方式中，相对于第一厚度，第二厚度与第一厚度的偏差不超过30％。

替代地，第一厚度和第二厚度可以根据在加热层上的位置来调整。因此，在第一缺口和第二缺口中可以分别存在第一隔热层或第二隔热层的材料，分别具有减少或更小的厚度。优选地，第一隔热层的第一厚度在边缘区域中比在中央区域中更小，进一步优选地，相对于中央区域中的较大的第一厚度小至少30％，尤其至少60％，优选不超过95％。第二隔热层的第二厚度优选在中央区域中比在边缘区域中更小，进一步优选地相对于边缘区域的较大的第二厚度小至少30％、尤其至少60％，优选不超过95％。第一隔热层或第二隔热层的热阻优选地与第一厚度或第二厚度线性相关。例如，较小的第一厚度和/或较小的第二厚度可以是19μm，而较大的第一厚度和/或较大的第二厚度可以是60μm。

加热层在两侧分别具有一个隔热层，其中，第一隔热层和第二隔热层相对于加热层的总面积优选地重叠至少小于30％，进一步优选小于10％，特别优选小于5％，尤其优选不重叠。尤其，在第一隔热层和第二隔热层之间或在边缘区域和中央区域之间存在间隙。加热层的总面积尤其可以理解为加热层的第一侧的面积或第二侧的面积。

加热层优选地在第一缺口处与端板热接触，并且在第二缺口处与集流器和必要时与燃料电池堆叠的相邻于集流器的燃料电池热接触，尤其与相邻于集流器的隔膜电极组件热接触。隔膜电极组件优选地包括聚合物电解质膜。

第一隔热层和/或第二隔热层也可以称为部分的热障。

优选地，相对于加热层的总面积，边缘区域占据加热层的5％至30％，而中央区域占据加热层的70％至95％。

优选地，第一隔热层的第一缺口与加热层的边缘区域基本重合，和/或第二隔热层的第二缺口与加热层的中央区域基本重合。

基本重合可以如下理解，第一缺口覆盖边缘区域的面积的至少90％，优选至少95％，尤其99％，并且相对于边缘区域的总面积，不超过边缘区域的面积10％，优选不超过5％，特别优选不超过1％。相应情况适用于第二隔热层和加热层的中央区域。

此外，加热层的中央区域优选地与隔膜电极组件的活性面重合。活性面尤其理解为隔膜电极组件的一个区域，在所述区域中，通过当前结构设计或几何形状和当前工艺参数，电化学反应实际上可以在隔膜的至少一侧上进行。这些参量尤其涉及隔膜、两侧的催化剂、介质供应、催化剂层的电子接触、温度和加湿。

优选地，加热层的边缘区域包括端口。进一步优选地，加热层的边缘区域包括燃料电池堆叠的所有端口，这些端口尤其汇入到端板的端口结构中。

优选地，加热层的边缘区域与端板的端口结构基本重合或更大。进一步优选地，相对于端口结构所占据的端板面积，加热层的边缘区域比端口结构所占据的端板面积大至少10％，进一步优选至少30％，特别优选至少50％。

端板优选由聚合物-金属复合材料构造，尤其以便保持端板的热容量低。如果端板由聚合物-金属复合材料构造，则端板的一部分可以构成第一隔热层。

此外，本发明还涉及一种用于加热根据本发明的燃料电池堆叠的部件的方法，其中，端板的端口结构借助加热层的边缘区域加热，并且隔膜电极组件的活性面借助加热层的中央区域加热。这可以如下理解为，端口结构和边缘区域之间的热流大于端口结构和中央区域之间的热流，反之亦然。尤其，端口结构和活性面借助同一加热层加热。隔膜电极组件尤其是与集流器相邻地布置的隔膜电极组件。

加热装置也可使用在热交换器和/或板式过滤器中。

通过根据本发明的加热装置或通过根据本发明的燃料电池堆叠和根据本发明的方法优化了燃料电池堆叠的加热，尤其对于冷启动的辅助加热的热流。端板的端口结构和活性区域，尤其外部的燃料电池可以仅借助一个加热层优化地解冻或加热。相应地仅需要一个结构元件用于加热。

能量需求直至不但燃料电池堆叠中的外部燃料电池的活性区域，而且端板的端口结构被充分加热的时间点被最小化，因为避免了通过加热层对端板芯和燃料电池的边缘区域的过度加热。

减少或防止燃料电池和燃料电池堆叠的端板中的水冻结和因此对燃料电池堆叠的介质供应或清运的损害。这导致了燃料电池堆叠的更高的效率和提高的使用寿命。

在由用于减轻重量的聚合物-金属复合材料制成的端板的情况下，根据本发明的加热装置是特别有利的，因为减少了加热的端口或加热的端口结构的散热。

附图说明

参照附图和下面的说明详细地阐述本发明的实施方式。

附图示出了：

图1：燃料电池堆叠的示意图；

图2：根据本发明的燃料电池堆叠的侧视图；

图3：根据图2的燃料电池堆叠的第一端板的俯视图；

图4：根据图2的燃料电池堆叠的隔膜电极组件的俯视图；

图5：根据图2的燃料电池堆叠的第一加热装置的第一侧的俯视图；

图6：第一加热装置的第二侧的俯视图；

图7：根据图2的燃料电池堆叠的第二端板的俯视图；

图8：根据图2的燃料电池堆叠的第二加热装置的第一侧的俯视图；和

图9：第二加热装置的第二侧的俯视图。

在下面的本发明实施方式的描述中，相同或相似的元件用相同的附图标记标明，其中，省去在单个情况下对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出本发明的内容。

具体实施方式

图1示出具有多个燃料电池3的燃料电池堆叠4的示意图。每个燃料电池3具有一个隔膜23、两个气体扩散层1、一个阳极侧31和一个阴极侧32。各个燃料电池3通过双极板50彼此隔开，该双极板可以包括一个冷却板45。

被供应了氢气40和氧气42以及冷却剂44的燃料电池堆叠4通过两个端板48封闭，并且具有集流器52。不同供应部通过密封件46彼此隔开。加热装置12分别布置在端板48和集流器52之间。

图2示出燃料电池堆叠4的侧视图，该燃料电池堆叠具有第一端板47和第二端板49。

此外，燃料电池堆叠4具有两个加热装置12。第一加热装置11布置在第一端板47和集流器52之间。第二加热装置13布置在第二端板49和另一集流器52之间。加热装置12分别具有一个加热层54，该加热层具有第一侧56和与第一侧56相对的第二侧58。

此外，加热装置12分别包括第一隔热层60和第二隔热层62。第一隔热层60分别布置在加热层54的第一侧56上，并且第二隔热层62分别布置在加热层54的第二侧58上。

加热层54分别具有中央区域64和边缘区域66。在各加热层54的边缘区域66处，第一隔热层60具有第一缺口68，并且在各加热层54的中央区域64处，第二隔热层62具有第二缺口70。第一缺口68分别与边缘区域66重合，并且第二缺口70分别与中央区域64重合。

第一隔热层60分别具有第一厚度74，并且第二隔热层62分别具有第二厚度76，其中，第一厚度74在所示的实施方式中等于第二厚度76。

在燃料电池堆叠4中，双极板50和隔膜电极组件80堆叠在集流器52之间。双极板50、隔膜电极组件80和加热层54之一具有端口72，该端口引导穿过燃料电池堆叠4并且汇入到第一端板47的端口结构78中。

因此，加热装置12分别布置在集流器52和相应端板48之间，使得第一侧56指向端板48，而第二侧58指向集流器52。

此外，隔膜电极组件80分别具有一个活性面82，其中，加热层54的中央区域64分别与隔膜电极组件80的活性面82重合。

第一端板47的端口结构78可以借助第一加热装置11的加热层54的边缘区域66加热，并且相邻的隔膜电极组件80的活性面82可以借助第一加热装置11的加热层54的中央区域64加热。第一隔热层60的第一缺口68位于加热层54的边缘区域66处，而第二隔热层62的第二缺口70位于加热层54的中央区域64处。

图3示出根据图2的第一端板47的俯视图，该第二端板具有端口结构78。

图4示出根据图2的燃料电池堆叠4的隔膜电极组件80的俯视图，该隔膜电极组件包括端口72和活性面82。

图5示出根据图2的第一加热装置11的第一侧56的俯视图。中央区域64被第一隔热层60覆盖，而加热层54的边缘区域66露出并且可以发出热流，由此可以加热第一端板47的端口结构78。

图6示出根据图2的燃料电池堆叠4的第一加热装置11的第二侧58的俯视图。端口72位于加热层54的边缘区域66中，该边缘区域被第二隔热层62覆盖。

第二缺口70位于加热层54的中央区域64处，使得加热层54可以在中央区域64中发出热流，由此可以加热相邻地布置的隔膜电极组件80的活性面82。

图7示出第二端板49的俯视图。

图8示出根据图2的第二加热装置13的第一侧56的俯视图，该第二加热装置布置在第二端板49上，而图9示出根据图2的第二加热装置13的第二侧58的俯视图。图8基本上相应于图5，而图9基本上相应于图6，但区别在于，与第一加热装置11不同，第二加热装置13没有端口72。

本发明不限于在此所描述的实施例和其中突出的方面。而是，在通过权利要求给出的范围内，各种变型都是可能的，这些变型都在本领域技术人员的能力范围内。

Claims

1.一种用于电化学电池堆叠的加热装置(12)，其中，所述加热装置(12)包括具有第一侧(56)和相对的第二侧(58)的加热层(54)、第一隔热层(60)和第二隔热层(62)，所述第一隔热层(60)布置在所述加热层(54)的第一侧(56)上，并且所述第二隔热层(62)布置在所述加热层(54)的第二侧(58)上，并且其中，所述加热层(54)具有中央区域(64)和边缘区域(66)，并且所述第一隔热层(60)在所述加热层(54)的边缘区域(66)处具有第一缺口(68)，并且所述第二隔热层(62)在所述加热层(54)的中央区域(64)处具有第二缺口(70)。

2.根据权利要求1所述的加热装置(12)，其特征在于，所述第一隔热层(60)的第一缺口(68)与所述加热层(54)的边缘区域(66)基本重合和/或所述第二隔热层(62)的第二缺口(70)与所述加热层(54)的中央区域(64)基本重合。

3.根据权利要求1或2所述的加热装置(12)，其特征在于，所述加热层(54)的边缘区域(66)包括端口(72)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置(12)，其特征在于，相对于所述加热层(54)的总面积，所述加热层(54)的边缘区域(66)相应地占据10％至30％，而所述加热层(54)的中央区域(64)相应地占据70％至90％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置(12)，其特征在于，所述加热层(54)由柔性材料构造。

6.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置(12)，其特征在于，所述加热层(54)包括导电聚合物。

7.一种燃料电池堆叠(4)，以给定的顺序至少包括以下层：

具有端口结构(78)的端板(48)、根据权利要求1至6中任一项所述的加热装置(12)、集流器(52)、隔膜电极组件(80)和双极板(50)，其中，所述加热装置(12)布置在所述集流器(52)和所述端板(48)之间，使得所述加热层(54)的第一侧(56)指向所述端板(48)，并且所述加热层(54)的第二侧(58)指向所述集流器(52)。

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆叠(4)，其特征在于，所述加热层(54)的中央区域(64)与所述隔膜电极组件(80)的活性面(82)基本重合。

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池堆叠(4)，其特征在于，所述端板(48)由聚合物-金属复合材料构造。

10.一种用于加热根据权利要求7至9中任一项所述的燃料电池堆叠(4)的部件的方法，其中，所述端板(48)的端口结构(78)借助所述加热层(54)的边缘区域(66)加热，并且所述隔膜电极组件(80)的活性面(82)借助所述加热层(54)的中央区域(64)加热。