CN117178393A - 用于燃料电池堆的单电芯装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃料电池堆的单电芯装置(13)，其具有：带框架的膜电极组件(14)，其具有电化学活性区域(23)，电化学活性区域包括两个气体扩散层(17)和催化剂涂覆膜(16)，它们与框架(18)粘接；双极板(1)，双极板在与电化学活性区域(23)相对应的流动区域(25)中具有流动分配和导流元件(6、7)，在双极板(1)的包围流动区域(25)的边缘区域中在双极板表面中的至少一个上，用于接纳框架(18)与双极板(1)之间的密封件(21)的密封槽(22)环绕流动区域(25)。根据本发明的单电芯装置的特征在于，在双极板(1)的至少一个表面上在密封槽(22)与流动区域(25)之间为框架(18)与膜电极组件(15)之间的连接区域(20)布置有接纳槽(26)。

Description

用于燃料电池堆的单电芯装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分详细限定类型的用于燃料电池堆的单电芯装置。

背景技术

燃料电池堆原则上由现有技术已知。在此，在燃料电池堆中，大量的单电芯相互堆叠，并经由双极板流体连接且彼此电接触，以便将整个堆垛电串联。这种结构尤其是在PEM燃料电池中普遍已知且常见。在此的情况是，每个单电芯装置都具有双极板中的一个和所谓的膜电极组件(MEA)。如果这些单电芯彼此堆叠，那么膜电极组件分别位于相邻单电芯装置的两个相邻双极板之间，以便因此构成整个堆垛。

DE 10 2017 219 507 A1示出了一种用于制造由一双极板和一膜电极组件构成的这种结构的方法，双极板和膜电极组件经由注入的密封剂彼此连接。此外，经由密封剂在堆叠时实现单电芯装置相互间的密封。这种结构在此存在的问题在于，在密封剂的区域中存在比其他区域中更大的厚度，从而使得在将多个单电芯装置堆叠时在密封剂的区域中作用到双极板上的压紧力将大于如下相邻区域中的压紧力：在这些相邻区域中布置有用于向膜电极组件供应介质的导流和分配结构(如例如通道)。这种不均匀的负载可能会导致结构发生机械故障。

如果膜电极组件被构造为所谓的带框架的膜电极组件，在带框架的膜电极组件中除了原来的膜电极组件外还存在有框架，膜电极组件的各个层与框架粘接，则尤其发生上述情况。在框架与膜电极组件各个层彼此粘接的区域中，由于粘接剂而更进一步地损害柔韧性，从而在此处可预料到压紧力会特别大。同时，这也降低了活性面域和双极板的进行流动分配的元件或导流元件区域中的压紧力，从而在此存在使得介质在密封件与流动区域之间的旁路中流动并因此不在膜电极组件的电化学活性面区域中流动的风险。此外，双极板与膜电极组件的气体扩散层(GDL)的面式贴靠也变差。由此提高了电阻。这将导致废热变多和效率变差。

对于更多的现有技术，还可以参考EP 2 054 965 B1。在此也描述了一种双极板，在其中，通过相应设计的导流元件来改善流动分配。

发明内容

因此本发明的目的是，提出一种改进的具有带框架的膜电极组件的单电芯装置，其中，避免或最小化了前面提到的问题。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征且在此尤其是具有权利要求1的特征部分的特征的单电芯装置来实现。有利的设计方案和改进方案由从属权利要求得出。

对于根据本发明的单电芯装置，在该单电芯装置中安装有双极板和带框架的膜电极组件，该带框架的膜电极组件一方面具有在中心的电化学活性面区域，另一方面具有包围该电化学活性面区域的框架。然后沿同一方向将单电芯装置相互堆叠，从而使一个单电芯装置的膜电极组件的表面分别贴靠在相邻的单电芯装置的双极板的背侧。按照常见的方式和方法，在双极板的边缘区域中在双极板表面中的至少一个上设有密封槽以用于接纳密封件。在带框架的膜电极组件中，该密封件位于框架与双极板之间。为此例如可以将密封件放入密封槽中，或者，在双极板上和/或框架上涂覆相应的密封材料，从而在组装时让该密封材料位于密封槽的区域内，并可靠地密封所堆叠的结构。

现在，根据本发明，在双极板的至少一侧上在密封槽与包括流动分配和导流元件的流动区域之间设置有另外的槽。该另外的槽用作框架与膜电极组件之间的连接区域的接纳槽。即，该接纳槽位于包括流场和用于分配和收集介质的分配区域的真正的流动区域之外。因此，该接纳槽被布置成对应于在框架与膜电极组件各层之间的连接区域。在该连接区域中，框架通常与膜电极组件的催化剂涂覆膜和两个气体扩散层相粘接。在粘接区域中，所有四种材料或层至少局部重叠。在连接区域中还设置有粘接剂，该粘接剂的柔性和可压缩性通常低于由粘接剂粘接的层。因此，在实践中，环绕于膜电极组件的电化学活性面地在其与框架连接的连接区域中形成一种凸台。这导致了开头所述的问题。现在，所有这些问题都可以通过额外的接纳槽来避免。由此，在双极板的区域内为连接区域的上述凸台提供了空间，从而使得尽管有凸台，但在双极板的区域内且在此尤其是在双极板的流动区域内仍然可以实现相对较均匀的压紧力分配。

在此，如已经说过地，用于连接区域的接纳槽可以形成在双极板的至少一侧上。在实践中，这将导致连接区域产生相应的变形，这是因为一个双极板上具有接纳槽，而另一个双极板被平坦地构造。然而，带框架的膜电极组件的材料在实践中大多是柔性的，从而不造成另外的问题。尽管如此，按照根据本发明的单电芯装置的一种非常有利的改进方案也可以规定，在双极板的两个表面上相对应地布置接纳槽。这种在两个表面上相对应地布置的接纳槽能够实现，在堆叠单电芯装置时使连接区域被部分地接纳在相邻双极板的一个上且部分地接纳在相邻双极板的另一个上。

根据一种有利的设计方案，接纳槽的深度在此可以被构造成大于框架与膜电极组件之间的连接区域的平均厚度。在此，在一个接纳槽的情况下，接纳槽的深度就是该接纳槽的深度。在两个相对应的接纳槽(这两个接纳槽在双极板堆叠时相对接)的情况下，接纳槽的深度显然是这两个接纳槽的总深度，因此在双极板每个表面上的接纳槽的深度分别仅是在上一种情况下所需深度的一半。在这两种情况下，在连接区域的部段中几乎没有压紧力，或者至少没有与周围区域相比变大的压紧力作用到双极板上。因此可以使膜电极组件在流动区域内的贴靠非常均匀。这使得反应物分配均匀，并使得膜电极组件与双极板之间的接触电阻在面(积)上非常均匀且低。

但在这种结构中还存在另外的问题，即：在燃料电池或单电芯装置的使用寿命期间，膜电极组件的各个层、即催化剂涂覆膜和两个气体扩散层从连接区域起偶尔出现脱层/层离。为了克服这种脱层，根据本发明的单电芯装置的一种特别有利的改进方案还可以规定，在双极板的至少一个表面上的接纳槽中以及在接纳槽的围绕流动区域的周部的至少一个部段中在其朝向流动区域的侧上设置有压挤凸起部。现在，这种压挤凸起部的目的是，在部分区域上对带框架的膜电极组件的材料进行压挤并将其机械地束紧，更确切地说尤其是在膜电极组件的三个层呈扇形散开并与框架粘接的过渡区域中进行压挤并束紧。在此，压挤凸起部的高度小于该压挤凸起部所在的相应的接纳槽的深度。因此，压挤原则上在接纳槽的预先给定的局部部段中实现，而不会像完全省去接纳槽那样出现大的力。由于布置在流动区域的侧上，使得基本上膜电极组件的三个层在此被束紧，并且没有值得注意的压紧力被施加到额外具有框架的区域上。

在此，根据本发明的单电芯装置的一种非常有利的改进方案，压挤凸起部可以被构造为在接纳槽的槽底上的台阶部。尤其是，当在相应的双极板中有两个相对应的接纳槽时，其中一个槽底具有相应的压挤凸起部就足够了。此外可以规定，压挤凸起部仅相邻于流动区域的流场布置，这是因为连接区域在结构的长度上特别容易脱层。压挤凸起部在此在其所在的区域内既可以连贯地形成，也可以由单个的线性地前后相继的部段、点或类似物组成，这是因为这已经足以防止脱层。

为了克服介质在膜电极组件的与流场相邻的电化学活性面周围的所描述的旁路效应，现在还可以设置，在接纳槽与流动区域之间，设置双极板的两个表面的环绕闭合的平坦区域，该平坦区域与流动分配和导流元件齐平或超出于该流动分配和导流元件。因此，环绕闭合的平坦区域就像围墙一样包围着流动区域。由此防止了所输入的反应物在流动区域与密封槽之间的旁路中围绕单电芯装置的电化学活性区域流淌或流动。为了不对流动区域中的压紧力分配产生不利影响，在此，平坦区域的高度与流动分配和导流元件一样大就足够了。然而，也能设想设计成轻微凸起部。

这对于普遍已知的由两个层构成的双极板的结构特别有利，这两个层分别具有用于阳极侧或阴极侧的流动区域并在其相互朝向的表面上具有冷却剂流场。于是，阴极侧和/或阳极侧的流动区域、尤其是这两个侧的流动区域经由双极板的相应层中的缺口(即所谓的“回流槽”)与该层的另一表面连接，在该层的另一表面的区域内，流动区域与介质联接开口连接。由此，介质的真正输入和排出就被移位到了层之间并因此很大程度上被转移到双极板的内部中。关于“回流槽”，示例性地可以参考WO 2008/061094A1。通过这种具有“回流槽”的结构，实现了不中断地环绕整个流动区域的平坦区域或轻微凸起部，以便特别有效地防止旁路流动。

对于根据本发明的具有带框架的膜电极组件的单电芯装置的双极板所产生的几何形状在此初看之下相对复杂。然而，在由含碳材料在塑料基体中设计双极板时，双极板的构造相对容易地实现，这是因为这种双极板或其半部通常在模具或冲模中制造，从而使得用于附加引入接纳槽、压挤凸起部和/或用于防止旁路流动的凸起部的成本相对可以接受。由于这种基于含碳材料的双极板也是根据本发明的单电芯装置的双极板的主要设计方案，因此其能实现的优点远远超过了所提高的制造花费。在此，接纳槽具有减少所需材料量的优点，这是因为在板内部“填充”的材料的体积较小。因此，在大批量生产的情况下，能在经济上实现明显的节省，同时还能改善板的特性。

附图说明

从下面参照附图更详细描述的实施例得出根据本发明的用于燃料电池堆的单电芯装置的另外的有利设计方案。其中：

图1示出根据现有技术的可行的双极板的俯视图；

图2示出在根据该现有技术的一种变型方案中沿剖面A-A剖开的在非压紧状态下的单电芯装置和附加的双极板的结构；

图3类似于剖面A-A地示出在压紧状态下的根据本发明的单电芯装置以及附加的双极板的第一可行实施方式；

图4类似于剖面A-A地示出在压紧状态下的根据本发明的单电芯装置以及附加的双极板的第二可行实施方式；

图5类似于剖面A-A地示出在压紧状态下的根据本发明的单电芯装置以及附加的双极板的第三可行实施方式；以及

图6类似于剖面A-A地以三维视图示出第三实施方式的双极板的片段。

具体实施方式

在图1中示例性地示出从阴极侧观察的双极板1。在此，该结构例如相应于现有技术或示意图，并在此仅用于解释各个区域。实际结构在此由两个半板或板层组成，即阴极侧层和布置在阴极侧层后面的阳极侧层，阴极侧层和阳极侧层彼此连接并在它们之间包围出在后面附图中还可以看到的冷却介质流场24。

在这里示例性示出的阴极侧层中，空气或氧气经由在此被用作介质入口的介质联接开口2导入。该介质联接开口2贯穿整个在此未示出的燃料电池堆，从而使得燃料电池堆内部的所有单电芯装置13(参见图2)都可以经由该介质联接开口2被相应供应氧气。在相对置的侧上可以看到介质联接开口3，阴极排气经由该介质联接开口再次流出。在许多情况下，介质联接开口2、3经由在这里所示的图中位于双极板1的后侧或各层之间的通道4与缺口5相连。然后，该缺口自身与具有流动分配元件8的分配区域6相连。沿着在双极板1下方用箭头标出的介质的流动方向S，该介质从氧气流入的介质联接开口2出发通过通道4并经由也被称为“回流槽”的缺口5流到分配区域6中。流体经由开放的(即，不阻塞流体的且引导流体的)在此被构造为粒结的流动分配元件8被分配到双极板1的整个横截面上，然后流过与单电芯装置13的活性面相邻的流场7。在流场7中，流动被引导通过平行延伸的形式为肋的导流元件29。然后，流动进入另外的分配区域6中，以便然后经由在此同样用5标记的缺口和位于双极板1的半板之间的通道4达到介质联接开口3，并从那里再次流出。两个分配区域6和流场7在此形成在双极板1的相应表面上的流动区域25。

介质联接开口9和10的穿流也类似于此，它们被用于在双极板1的相对置的侧上输入和排出氢气。在其之间设有冷却介质流场24，该冷却介质流场经由介质联接开口11和12被相应供应。

下面的图2至图5现在分别示出了示意性地说明的单电芯装置13的部段，该单电芯装置由一个双极板1和一个带框架的膜电极组件14(缩写MEFA，英文membrane electrodeframe assembly)以及一个附加的双极板1组成，以便可以解释在将单电芯装置13堆叠时的效果。在剖视图中可以看出，带框架的膜电极组件14在一侧由膜电极组件15(MEA)组成。该膜电极组件由一个催化剂涂覆膜16(其也被称为CCM(英文catalyst coated membrane))和两个气体扩散层17(GDL)构成。在带框架的膜电极组件14的边缘区域中，催化剂涂覆膜16在此局部地与框架18重叠，该框架通常由PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)制成。图2中用十字阴影线表示粘接剂19，该粘接剂将膜电极组件15的各个层16、17与框架18彼此连接。在实践中，带框架的膜电极组件14的在图2中用20表示的连接区域现在具有的厚度大于带框架的膜电极组件14的其他部分。同时，粘接剂19的区域内的结构是不可剧烈压缩的或其可剧烈压缩性低于带框架的膜电极组件14的在粘接剂周围的区域、尤其是低于电化学活性区域。

在图2中的现有技术中在此示出的是未压紧的结构。如果现在压紧该结构，则密封材料21被压入一个双极板1的密封槽22与另一双极板1的表面或可选地另外的密封槽之间并使得该结构对外密封。同时，在图2中位于连接区域20右侧的电化学活性面(其在此标记为23)与相应的双极板1的相应的流场7压紧，其中，对于该流场7只能分别看到一些通道和导流元件29。在双极板1的两个流场7之间还可以在其内部看到冷却介质流场，该冷却介质流场通过用附图标记24对其通道中的一些进行标记来表示。分隔线30示出了在实践中常见的、由两个相叠并彼此连接的层组成的双极板1结构。

在根据图2的图示中的两个双极板1被压紧时，现在，一方面实现所述结构在密封槽22区域中被密封材料21密封，并且同时导致带框架的膜电极组件14的连接区域20上非常大的压紧力，这导致两个双极板1受到高的机械负载。在最坏的情况下，这可能会导致机械损坏、裂缝或类似情况，这是极不期望的，因为可能会使阳极侧和阴极侧在流动技术上彼此连接，并且此外还会影响整个结构的密封性。另外的缺点是，在流场7区域中的压紧力远低于相邻的连接区域20，从而在电化学活性区域23中存在如下风险，即：由于流场7区域中的压紧力较低，介质侧向溢出并且例如流入连接区域中或在真正的流场7与连接区域之间流动。由此，电化学活性面至少局部被流动介质所绕过，这对于由这种单电芯装置13构成的燃料电池的性能、尤其是功率密度而言，是严重的缺点。此外，随着压紧力的降低，双极板1与气体扩散层17之间的接触电阻也将以不期望的方式升高。

图3中所示的结构现在为上述问题提供了一种解决方案。在密封槽22和与电化学活性区域23对应的流动区域25之间，在双极板1表面中的至少一个上、在此优选在每个双极板1的两个表面上都布置有用于带框架的膜电极组件14的连接区域20的接纳槽26。该接纳槽26在此非常重要的优点是，使得很大程度上在带框架的膜电极组件14中环绕地形成凸台的连接区域可以接纳在接纳槽26中。在理想情况下，接纳槽26的深度为，使得没有压紧力或几乎没有压紧力被施加到连接区域20上，从而可在流动区域25中的流场7与膜电极组件15的电化学活性区域23之间实现尽可能均匀的压紧力。这确保了介质在为其所设置的区域内的尽可能均匀的分配，以及确保均匀和较低的接触电阻。

在实践中，膜电极组件15的结构偶尔出现脱层。这种情况大多开始于连接区域20中，更确切地说在膜电极组件15的三个层16、17呈扇形散开以便经由粘接剂19与框架18连接的区域中。在该基于原理而在两个气体扩散层17与催化剂涂覆膜16之间存在间距的区域中，往往会出现脱层问题。为了克服脱层问题，在根据图4的单电芯装置13的变型方案中，在其中至少一个接纳槽26的槽底处设置有压挤凸起部27。压挤凸起部27在此被构造成，使得其高度明显小于接纳槽26的深度，从而压挤凸起部虽然在机械上将膜电极组件24的三层束紧在一起，但并不造成在开头提到的现有技术中所描述的、在该区域中压紧力高于流场7相邻区域中的压紧力的问题。

作为该结构的另外的变型方案，图4示出了两侧的密封槽22。

如已描述的，通过流场7区域中更均匀的压紧力，已经明显降低了在流场7周围可能出现旁路流动的风险。尽管如此，但作为补充的且在图5中所示的单电芯装置13的双极板1的变型方案仍提出，设置无缺口地在流动区域25周围环绕的平坦区域28。经由该平坦区域28可以实现整个流动区域对外密封，以便因此防止介质溢出进入流场7或流动区域25周围的旁路流动。该平坦区域28在此被设置在两侧上。如图5中所示地，该平坦区域也可以在其中一侧上构造成双极板1的边缘的完全平坦的面。然而，也可设想在图3至图5中所示的和/或根据图3至图5描述的所有单个方面的相互间的任意组合。

最后，在图6中在指向阴极侧的观察方向上示出了双极板1的三维片段。在此与图1相对应地可以看到两个介质联接开口，在此是介质联接开口11和2。它们分别被自己的密封槽31包围。介质联接开口2经由(由于在双极板1内部中延伸而在此无法看到的)通道4与缺口5连接，该缺口在此被构造成三个开口的形式。在介质的流动方向上在该缺口之后是具有其点状结构8的用6表示的分配区域，然后是流场7。整个流动区域25在此在双极板1边缘区域中被密封槽22包围。向内在该密封槽之后是接纳槽26以及用28标注的作为旁路阻挡部的平坦区域28。在此所示的实施例中，压挤凸起部27可与实际的流场7相邻地连续地被看到。如在此通过虚线32示出地，压挤凸起部可以围绕分配区域6可选地持续延伸。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池堆的单电芯装置(13)，所述单电芯装置具有带框架的膜电极组件(14)，所述带框架的膜电极组件包括电化学活性区域(23)，该电化学活性区域包括催化剂涂覆膜(16)和两个气体扩散层(17)，所述气体扩散层和催化剂涂覆膜与框架(18)粘接，所述单电芯装置还具有双极板(1)，该双极板在与电化学活性区域(23)对应的流动区域(25)中具有流动分配和导流元件(6、7)，其中，在双极板(1)的包围该流动区域(25)的边缘区域中在双极板表面中的至少一个上，用于接纳框架(18)与双极板(1)之间的密封件(21)的密封槽(22)环绕所述流动区域(25)，

其特征在于，在双极板(1)的至少一个表面上、在密封槽(22)与流动区域(25)之间为框架(18)与膜电极组件(15)之间的连接区域(20)布置有接纳槽(26)。

2.根据权利要求1所述的单电芯装置(13)，其特征在于，接纳槽(26)相对应地布置在双极板(1)的两个表面上。

3.根据权利要求1或2所述的单电芯装置(13)，其特征在于，接纳槽(26)的深度等于或大于框架(18)与膜电极组件(15)之间的连接区域(20)的平均厚度，或者对于在双极板(1)堆叠时两个相对应的接纳槽(26)相对而置的情况，这两个接纳槽的总深度等于或大于框架与膜电极组件之间的连接区域的平均厚度。

4.根据权利要求1、2或3所述的单电芯装置(13)，其特征在于，在双极板(1)的表面中的至少一个表面上的接纳槽(26)中，以及在接纳槽(26)的围绕流动区域(25)的周部的至少一个部段中，在接纳槽的朝向所述流动区域(25)的侧上设置有压挤凸起部(27)，所述压挤凸起部的高度小于相应的接纳槽(26)的深度。

5.根据权利要求4所述的单电芯装置(13)，其特征在于，压挤凸起部(27)被构造为在接纳槽(26)的槽底上的台阶。

6.根据权利要求2和权利要求4或5所述的单电芯装置(13)，其特征在于，压挤凸起部(27)仅布置在接纳槽(26)之一中。

7.根据权利要求4、5或6所述的单电芯装置(13)，其特征在于，压挤凸起部(27)仅与所述流动区域(25)的流场(7)相邻地布置在接纳槽(26)中。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的单电芯装置(13)，其特征在于，压挤凸起部(27)由一系列离散的单个凸起部组成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的单电芯装置(13)，其特征在于，在接纳槽(26)与流动区域(25)之间设置有双极板(1)的两个表面的环绕闭合的平坦区域(28)，所述平坦区域与流动分配和导流元件(6、7)齐平或突出于所述流动分配和导流元件。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的单电芯装置(13)，其特征在于，双极板(1)由塑料基质中的含碳材料制成。