CN116868383A - 燃料电池堆叠及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆叠(1)，包括至少一个双极板(3)、至少一个气体扩散层(5)和至少一个电解质、尤其是至少一个膜(7)，其中，在所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)之间布置有涂层(9)作为连接器件，并且所述涂层(9)是能导电的。此外，本发明涉及一种用于制造燃料电池堆叠(1)的方法。

Description

燃料电池堆叠及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆叠，包括至少一个双极板、至少一个气体扩散层和至少一个电解质、尤其是至少一个膜，其中，在至少一个双极板和至少一个气体扩散层之间布置有涂层。此外，本发明涉及一种用于制造燃料电池堆叠的方法。
背景技术
燃料电池是电化学电池，该电化学电池将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。因此，燃料电池是电化学能量转化器。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转化为水(H2O)、电能和热。
此外，已知质子交换膜(Proton Exchange Membran＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有中央布置的膜作为电解质，该膜对于质子、即氢离子是可透过的。氧化剂、尤其是空气中的氧由此在空间上与燃料、尤其是氢隔开。
此外，固态氧化物燃料电池、也称为固体氧化物燃料电池(SOFC)是已知的。SOFC燃料电池具有比PEM燃料电池更高的运行温度和废气温度并且尤其应用于固定式运行。
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在释放电子的情况下被催化氧化成质子，所述质子到达阴极。释放的电子从燃料电池导出并且通过外部电路流到阴极。
氧化剂、尤其是空气中的氧被供应给燃料电池的阴极并且通过接收来自外部电路的电子和质子而反应成水。如此形成的水从燃料电池导出。总反应是：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继布置成燃料电池堆叠、也称为堆垛并且电串联。
燃料电池堆叠通常具有将单个燃料电池相互压紧并且赋予燃料电池堆叠稳定性的端板。端板也用作燃料电池堆叠的正极或负极，用于引导电流。
电极、即阳极和阴极以及膜可以在结构设计上合并成膜电极组件(MEA)，也称为Membrane Electrode Assembly。通常，膜涂覆以催化剂并且称为催化剂涂覆膜(CCM)。
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分布到阳极上以及用于将氧化剂均匀分布到阴极上。此外，双极板通常具有表面结构、例如通道状结构，用于将燃料和氧化剂分布到电极上。双极板通常具有波浪形轮廓，在所述波浪形轮廓中，通道和接片(Stege)交替。通道状结构也用于导出在反应时形成的水。此外，冷却介质可以被引导通过双极板的通道状结构，用于将热量通过燃料电池导出。
除了关于氧气、氢气和水的介质引导外，双极板还确保与电解质的面式电接触。
燃料电池堆叠通常包括直至几百个单个的燃料电池，这些燃料电池层状地作为所谓的三明治彼此堆叠。单个燃料电池通常具有MEA以及分别在阳极侧和阴极侧上的双极板半部。燃料电池尤其包括阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板和阴极单极板合并在一起并且形成双极板。
通常，气体扩散层和双极板在燃料电池堆叠中彼此压在一起，由此形成呈挤压接触部形式的电接触部。在此，气体扩散层和双极板之间的接触电阻随着增大的挤压力而降低。然而，同时随着挤压力增大，导致气体扩散层损坏的风险增加，该气体扩散层通常由例如借助特氟龙相互粘合的碳纤维构造。尤其，碳纤维损坏的风险增加。此外，由于强烈的压紧，气体扩散层的孔隙率减小，这可能导致燃料电池堆叠中的恶化的气体分布。此外，气体分布在面、尤其是膜的面上也变得不均匀。
在Mason等人的“Effect of Clamping Pressure on Ohmic Resistance andCompression of Gas Diffusion Layers for Polymer Electrolyte Fuel Cells”，Journal of Power Sources(《夹紧压力对聚合物电解质燃料电池的气体扩散层的欧姆电阻和压缩的影响》，能源杂志)，第219卷，第52-59页，2012年出版中说明了挤压力对气体扩散层的影响。
已知的是，气体扩散层(GDL)和催化剂涂覆的膜(CCM)相互粘合，使得形成膜电极单元，该膜电极单元然后放置到双极板上并且与该双极板堆叠。然而，不但碳纤维而且特氟龙都具有差的用于粘合的特性，因为仅能建立很小的粘附力。
DE 11 2005 002 974 B4说明了一种用于提高燃料电池-膜-电极组件的待粘合的元件之间的粘合力的方法。
DE 102 24 452C1针对传导质子的聚合物膜。涂覆以催化剂的传导质子的聚合物膜是膜电极单元的一部分，该膜电极单元在阴极侧和阳极侧分别具有气体分配器结构和扩散层。催化剂层或膜的粘合特性得到改善。
发明内容
提出了一种燃料电池堆叠，包括至少一个双极板、至少一个气体扩散层和至少一个电解质、尤其是至少一个膜，其中，在至少一个双极板和至少一个气体扩散层之间布置有涂层作为连接器件，并且该涂层是能导电的。
此外，提出一种用于制造燃料电池堆叠的方法，包括以下步骤：
a.提供至少一个双极板、至少一个气体扩散层和至少一个电解质、尤其是至少一个膜；
b.将包括涂层材料的能导电的涂层施加到至少一个双极板和/或至少一个气体扩散层上；
c.将至少一个双极板、至少一个气体扩散层和至少一个电解质、尤其是至少一个膜堆叠，并且将至少一个双极板和至少一个气体扩散层借助能导电的涂层连接，使得在至少一个双极板和至少一个气体扩散层之间产生电接触部，和
d.使涂层材料硬化。
至少一个双极板和至少一个气体扩散层优选借助涂层材料锁合和/或形状锁合地相互连接。更优选地，至少一个双极板和至少一个气体扩散层借助涂层材料锁合地相互连接。进一步优选地，至少一个气体扩散层和至少一个双极板以不超过1.4N/mm2的压紧力相互连接。优选地，将至少一个双极板和至少一个气体扩散层以小于1.4N/mm2的压紧力堆叠。尤其优选地，至少一个双极板和至少一个气体扩散层仅材料锁合和/或形状锁合地相互连接。
气体扩散层优选地包括纤维、尤其是碳纤维并且包括基体，所述基体尤其包括特氟龙。进一步优选地，至少一个气体扩散层由碳纤维和特氟龙构成。
优选地，涂层能成型、尤其已成型到至少一个气体扩散层的纤维上，这使得能够实现至少一个双极板和至少一个气体扩散层的形状锁合连接。
材料锁合连接也可以称为粘附或粘接连接。尤其，至少一个双极板和至少一个气体扩散层通过涂层相互粘合。涂层也可以称为粘合剂或粘合材料。
涂层优选地在至少一个双极板和至少一个气体扩散层之间具有低接触电阻。接触电阻处于50mm Ohm x cm2的数量级。尤其，从至少一个双极板到至少一个气体扩散层的过渡部处的收缩电阻RE是低的。
优选地，涂层包括涂层材料，并且涂层材料进一步优选地含有可导电的填料。尤其，涂层由含有可导电填料的涂层材料构成。填料含量在5％至95％之间、优选在50％至95％之间。从化学角度看，材料例如可以是环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯有机硅或聚酯或这些材料的混合物。
优选地，可导电的填料包括石墨和/或金属如银。进一步优选地，可导电的填料由石墨和/或金属如银构成、尤其由银构成。
涂层材料可以是单组分粘合剂或双组分粘合剂。优选地，涂层材料在硬化之前具有触变的流动特性。触变的流动特性被理解为涂层材料的粘度由于持续的外部影响而减小并且在载荷结束之后又呈现初始粘度。
优选地，将涂层施加到至少一个双极板上。进一步优选地，该涂层仅施加到双极板的一些部分上。尤其优选地，至少一个双极板具有接片，并且涂层施加在接片上、尤其仅施加在接片的一些部分上。涂层可以施加在双极板的阴极侧和/或阳极侧上。
由于触变的流动特性，涂层材料在施加时是可流动的，并且可以精确地施加、尤其施加到至少一个双极板的接片上。在施加、也可以称为涂覆之后，涂层材料的粘度突然增加，使得涂层材料保留在接片上并且不流走。
至少一个双极板的接片优选地分别具有在0.3mm至1.5mm、进一步优选0.5mm至1mm范围内的接片宽度。此外，至少一个双极板的接片优选以1mm至2mm、进一步优选1.25mm至1.60mm范围内的相互间距布置。在接片之间优选地存在凹部也可以称为通道。所述凹部优选具有在0.25mm至0.75mm、进一步优选在0.45mm至0.60mm范围内的深度。在接片上优选地存在与至少一个气体扩散层的接触部，该接触部具有在0.1mm至0.5mm、进一步优选地在0.15mm至0.3mm范围内的接触宽度。涂层材料优选地至少覆盖接片的接触宽度。
涂层材料的硬化优选在10℃至90℃、进一步优选在15℃至80℃范围内的温度下实施。
可导电的涂层例如可以借助配量或丝网印刷方法施加。在丝网印刷方法中，至少一个双极板的多个区域尤其同时和选择性地被涂覆。双极板的具有涂层的面积比例位于5％至50％之间。在配量时，对于每个配量过程和位置优选施加在0.001ml至9ml范围内的涂层材料量。
优选地，在施加可导电的涂层之前，借助等离子体对至少一个双极板和/或至少一个气体扩散层进行预处理。
至少一个气体扩散层也可以与至少一个尤其催化剂涂覆的膜一起形成膜电极组件，其中，至少一个双极板相应地与膜电极组件的至少一个气体扩散层连接。
优选地，至少一个气体扩散层具有介孔层(MPL)。对介孔层、至少一个膜和/或膜电极单元的框架(也可以称为衬垫)也可以借助等离子体预处理。
通过借助等离子体的预处理增强粘附力，其中，等离子体在表面上产生反应基团，使得涂层材料可以共价地键合到该反应基团上。碳纤维的共价连接例如可以通过胺基团与环氧树脂实现。借助等离子体进行的预处理尤其在含有空气、尤其是氧气的大气中执行。大气可以还含有NH3、N2、SO2、H2O和/或空气。为了借助等离子体进行预处理，可以使用各种不同实施方式的喷嘴。
借助等离子体进行的预处理优选地直接在施加可导电涂层之前进行。在此可以使用阴影掩模(Schattenmasken)，使得借助等离子体进行的预处理仅在选择的区域中执行。至少一个膜和/或至少一个气体扩散层也可以在它们尤其借助粘合接合在一起形成膜电极组件之前借助等离子体进行预处理。
优选地，在堆叠之前实施可导电涂层的施加。此外，优选地在堆叠之后实施硬化。
优选地，包含在燃料电池堆叠中的所有双极板与分别邻接的气体扩散层借助涂层连接。
本发明的优点：
通过将至少一个双极板与至少一个气体扩散层借助可导电涂层连接，在双极板和气体扩散层之间产生改善的电接触部，其中，同时可以显著降低或完全避免力、例如作用到气体扩散层上的挤压力。因此可以避免气体扩散层的损坏、尤其对纤维的损坏或孔隙率的减少并且可以改善气体分布。双极板和气体扩散层之间的接触电阻减小。压紧燃料电池堆叠以确保足够好的电接触变得多余。
此外，通过涂层防止在堆垛燃料电池堆叠时气体扩散层或者说膜电极组件在双极板上滑动。
此外，例如与通过焊接进行的连接相比，在可导电地粘合时仅需要低的硬化温度，该硬化温度相应于燃料电池的应用温度。
附图说明
根据附图和下面的说明更详细地阐述本发明的实施方式。
附图示出了：
图1：根据现有技术的燃料电池堆叠，
图2：根据本发明的燃料电池堆叠，
图3：双极板，
图4：双极板的横截面，
图5：双极板的横截面的局部，和
图6：用于制造燃料电池堆叠的方法的示意图。
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，在个别情况下省略对这些元件的重复描述。这些附图仅示意性地构成本发明的内容。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的燃料电池堆叠1。燃料电池堆叠1包括双极板3和气体扩散层5的层。此外示出膜7。通过压紧力15在各一个气体扩散层5和双极板3之间产生电接触部17。氢气19在一侧并且空气21和水23在另一侧流过双极板3，所述氢气、空气和水分别通过气体扩散层5到达膜7或从该膜除去。此外，电子25被引导通过双极板3。
图2示出根据本发明的燃料电池堆叠1。与根据图1的现有技术的燃料电池堆叠1不同地，在图2中所示的燃料电池堆叠1上不存在压紧力15。根据图2，通过可导电并且包括涂层材料13的涂层9在气体扩散层5和双极板3之间建立电接触部17。在上下文中，“可导电的”应理解为大于100S/m的电导率。涂层9分别布置在气体扩散层5和双极板3之间并且将它们材料锁合和形状锁合地相互连接。此外，涂层9局部地布置在双极板3的接片11上。
图3在俯视图中示出双极板3以及在立体视图中示出双极板3的局部。供应氢气19和空气21，以及导出未消耗的氢气19和未消耗的空气21。此外，冷却介质27被引导通过双极板3。
此外示出双极板3的中心的局部的示意图，在该局部上可看到双极板3的接片11。在所示的接片11上布置有涂层9。
图4在横截面视图中示出根据图3的双极板3的局部。明显看到具有接片11的双极板3的波浪形轮廓。
图5示出双极板3的横截面视图的局部。双极板3具有接片11和凹部29。接片11具有接片宽度31并且相对彼此具有间距33。在接片11上存在接触宽度35。凹部29具有深度37和凹部宽度39。
图6示出用于制造燃料电池堆叠1的方法的示意图。给两个气体扩散层5部分地设置涂层9。在具有涂层9的气体扩散层5之间布置具有密封件41的双极板3并且将其通过涂层9与气体扩散层5材料锁合地连接。
替代地，可以给已经具有密封件41的双极板3部分地设置涂层9。然后，两个气体扩散层5可以分别布置在双极板3的一侧上。将具有衬垫43的膜7放置到气体扩散层5上。具有气体扩散层5和膜7的多个双极板3堆叠成燃料电池堆叠1。
本发明不限于在此所描述的实施例和其中强调的方面。而是，在通过权利要求给定的范围内可以实现大量修改，这些修改位于本领域技术人员能力的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆叠(1)，包括至少一个双极板(3)、至少一个气体扩散层(5)和至少一个电解质、尤其是至少一个膜(7)，其中，在所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)之间布置有涂层(9)作为连接器件，并且所述涂层(9)是能导电的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆叠(1)，其特征在于，所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)借助所述涂层(9)材料锁合和/或形状锁合地相互连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆叠(1)，其特征在于，所述涂层(9)包括涂层材料(13)并且所述涂层材料(13)含有能导电的填料。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆叠(1)，其特征在于，所述能导电的填料包括石墨和/或金属如银。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆叠(1)，其特征在于，所述至少一个双极板(3)具有接片(11)并且所述涂层(9)施加在所述接片(11)上。
6.一种用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池堆叠(1)的方法，包括以下步骤：
a.提供至少一个双极板(3)、至少一个气体扩散层(5)和至少一个电解质、尤其是至少一个膜(7)，
b.将包括所述涂层材料(13)的能导电的涂层(9)施加到所述至少一个双极板(3)和/或所述至少一个气体扩散层(5)上，
c.将所述至少一个双极板(3)、所述至少一个气体扩散层(5)和所述至少一个电解质、尤其是至少一个膜(7)堆叠，和
将所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)借助所述能导电的涂层(9)连接，使得在所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)之间建立电接触部，和
d.使所述涂层材料(13)硬化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在施加所述能导电的涂层(9)之前，借助等离子体对所述至少一个双极板(3)和/或所述至少一个气体扩散层(5)进行预处理。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述涂层材料(13)在硬化之前具有触变的流动特性。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层材料(13)的硬化在10℃至90℃范围内的温度下实施。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个双极板(3)和所述至少一个气体扩散层(5)以小于1.4N/mm2的压紧力堆叠。
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