CN117501481A - 用于受控地引导反应流体的电池复合体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于受控地引导反应流体的电池复合体(100)，其中，所述电池复合体(100)包括膜(101)，所述膜具有第一侧以及与第一侧对置的第二侧，其中，在第一侧和第二侧上分别布置催化剂层(103)和多微孔层(105)，其中，这样对至少一侧的所述多微孔层(105)和/或所述催化剂层(103)制花纹，使得催化剂层(103)的表面粗糙度与多微孔层(105)的表面粗糙度不同，从而使所述催化剂层(103)与所述多微孔层(105)局部地交叠。

Description

用于受控地引导反应流体的电池复合体
技术领域
本发明涉及一种用于受控地引导反应流体的电池复合体、一种用于制造电池复合体的制造方法、一种燃料电池系统和一种具有所述电池复合体的电解装置。
背景技术
燃料电池系统和电解装置通常包括不同单体电池的电池复合体的电池堆，反应流体在所述电池复合体中被引导，以便在燃料电池系统的情况下共同反应或者在电解装置的情况下彼此分开地被排出。
电池堆的每个单独的电池复合体由多个不同的层构成。半透的隔离层、例如膜始终布置在电池复合体的中心，所述隔离层在两个对置的侧上由催化剂层包围。所述隔离层可以是引导离子的聚合物层，所述聚合物层设计为电隔离的并且对于水是可通过的。
因为各个电池复合体通过双极板中的宏观气体通道被供应，所以由纤维网构成的气体扩散电极和朝向催化剂层的方向的多微孔层被用作为宏观气体通道与电池复合体的微观流动区域之间的中介物质。
双极板包括流动区域，所述流动区域在例如0.1mm的板厚度和弯曲的通道的情况下在制造技术上具有大约0.1至0.2mm的连接部宽度，所述连接部宽度彼此相距大约0.5mm。纤维网实现0.05至0.4mm的范围内的网孔。
催化剂层的催化剂颗粒实现小于0.001mm的范围内的尺寸。
由制造决定地，第一子复合体通常由膜和催化剂层(Carbon Coated membrane，CCM)制成并且与第二子复合体、即气体扩散层(GDL)叠置，所述第二子复合体由碳骨架(GDB)和多微孔层(MPL)构成。
为了物质传输、导电能力和避免可积聚水的空腔等功能，必须制造紧密的复合物，也就是说，第一子复合体必须与第二子复合体紧密地连接。这可以在置入两个双极板之间之前在堆叠时通过层合进行或者也在堆叠过程中通过压紧进行。
催化剂层通常是相对光滑的和平坦的，尤其当催化剂层在转移箔上被制造并且然后被转印到膜上时，因为催化剂层的光滑的侧面指向外部，该光滑的侧面先前在转移箔上，这公知为所谓的“贴花(Decal)工艺”。
在GDL上的MPL覆层通常是“波浪形的”，因为纤维网的不平度通过该纤维网的大的公差被复现，从而在放置到膜上时不能实现面状的复合体。在MPL和催化剂层中所使用的炭黑通常是尽可能相同的，从而MPL表面虽然是波浪形的，然而也是光滑的。在堆叠过程之前压紧到膜上是根本不可能的，因为GDL纤维网不均匀地变形。在堆叠时，只能在对应的连接部的区域中压复合体，而在各个气体通道的区域中复合体松地放置。
发明内容
在本发明的框架内提出一种电池复合体、一种制造方法、一种燃料电池系统和一种电解装置。本发明的另外的特征和细节由相应的从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合根据本发明的电池复合体所描述的特征和细节当然也适用于根据本发明的燃料电池系统、根据本发明的电解装置和根据本发明的制造方法，并且相应地反之亦然，从而关于各个发明方面的公开内容始终可以彼此相参考。
本发明特别是用于提供一种鲁棒的电池复合体以使用在燃料电池系统或电解装置中。
由此，根据本发明的第一方面提出一种用于受控地引导反应流体的电池复合体。该电池复合体包括膜，所述膜具有第一侧以及与第一侧对置的第二侧。在第一侧和第二侧上相应地布置催化剂层和多微孔层，其中，对至少一侧的多微孔层和/或催化剂层制花纹，使得催化剂层的表面粗糙度与多微孔层的表面粗糙度不同，从而催化剂层和多微孔层局部地交叠。
催化剂层在本发明的上下文中可以理解为电池复合体的包含下述材料的层，该材料包括使流过电池复合体的流体的反应的反应焓最小。
多微孔层在本发明的上下文中可以理解为电池复合体的具有气孔的层，从双极板被引导到电池复合体中的流体通过所述气孔以受控的质量流被导入或到相应的催化剂层或者从相应的催化剂层导出或者说引导。
花纹部或有花纹的层在本发明的上下文中理解为可以层的具有这样的结构的表面：该结构在其高度特征方面局部地改变，如同例如由轮胎花纹已知的那样。有花纹的层特别是可以具有这样的图案：所述图案包括升高区域和低矮区域，从而升高区域可以进入另一个层的低矮区域中并且反之亦然。
所述电池复合体基于下述原理：对电池复合体的催化剂层和多微孔层中的至少一个层制花纹，从而电池复合体的多微孔层的表面粗糙度与催化剂层的表面粗糙度不同。不同的表面粗糙度引起不同的层、即多微孔层和催化剂层建立连接，在所述连接中相接触的层局部地交叠。这意味着，例如催化剂层的花纹的升高区域进入到多微孔层的低矮区域中并且反之亦然。
通过根据本发明设置催化剂层与多微孔层的局部交叠实现催化剂层与多微孔层的均匀附接，从而产生连续的和鲁棒的接触区域，所述接触区域可靠地防止层分离。特别是通过根据本发明的电池复合体的不同层的不同表面粗糙度实现不同层之间的例如彼此啮合的最大接触面。
由于通过根据本发明设置的花纹部避免了层分离过程，可以避免电池堆的老化现象、例如单个区的超负荷，并且可以实现改善电接触和散热。此外避免水积聚在电池复合体的连接较差的区中。相应地，特别是燃料电池系统中的根据本发明的电池复合体导致最大化的电流密度和相应最大化的功率密度。
此外，根据本发明的电池复合体允许在使用紧凑或与现有技术相比减小的夹紧系统的情况下使施加在电池堆中的压紧力最小并且由此决定地简化结构设计以及最小化安装空间需求和最小化重量。
可以设置，多微孔层借助于粘结剂硬化，从而作用于多微孔层上的机械力均匀地分布在多微孔层中。
借助于在制造根据本发明设置的多微孔层时使用的粘结剂、例如聚偏二氟乙烯(PVDF)，所述粘结剂导致，多微孔层不是如在现有技术中通常那样在使用可延展的PTFE的情况下保持柔性，而是硬化或变得刚性，可以实现作用于多微孔层上的机械力均匀地分布在多微孔层中。相应地可以借助于刚性的多微孔层提供花纹部，所述花纹部在压紧或层合过程中也被维持并且特别高效地使相应接触的层交叠。换句话说，通过刚性的多微孔层防止花纹部变形并且使在压紧时所提供的机械力不是被局部衰减，而是均匀地通过相应的层传导，从而可以特别简单地例如借助于花纹辊对相应的层制花纹。
此外可以设置，多微孔层被施加在载体层上，或者特别是仅仅通过粘结剂被硬化。
通过使用载体层、例如碳纤维网，可以提供例如50μm厚度的特别薄的多微孔层。
通过使用由粘结剂硬化的、即在没有载体层的情况下制造的多微孔层，可以提供所谓的“空的多微孔层”，所述空的多微孔层可以特别简单地例如通过使用有花纹的贴花箔或通过使用制花纹工具、例如花纹辊来制花纹。
此外可以设置，粘结剂包括导电组份和/或机械加固组份和/或疏水剂。
借助于包括导电组份、例如石墨或炭黑的粘结剂可以实现多微孔层与催化剂层之间的特别高效的电接触。
借助于机械加固组份、例如碳短纤维或玻璃碳颗粒可以提供特别坚硬的多微孔层，该多微孔层使在压紧过程中提供的机械力特别均匀地分布在相应的电池复合体内部。例如通过压铸工艺或通过无溶剂地干燥地挤压或挤出成型的多微孔层中的机械加固组份特别是使得能够实现特别均匀的层厚度，能够特别简单地例如在使用花纹辊的情况下来制花纹。
借助于疏水剂、例如由聚四氟乙烯(PTFE)或硅烷构成的颗粒或丝可以使电池复合体中的水积累和由此决定的、特别是由于水结冰而导致的层分离减小到最小程度。
此外可以设置，构成多微孔层的材料的组份大于或小于构成催化剂层的材料的组份。
通过在多微孔层和催化剂层中的具有不同大小的不同组份，可以实现不同的花纹部，即多微孔层和催化剂层的不同的表面粗糙度，从而多微孔层和催化剂层特别强地或广地交叠并且实现多微孔层与催化剂层的紧密连接。例如可以设置，多微孔层富含石墨组份而催化剂层富含炭黑组份。
此外可以设置，构成多微孔层的材料的组份中的至少一些大于构成催化剂层的材料的组份，是至少2倍、优选至少5倍、特别优选至少10倍。
例如可以设置，多微孔层富含大于阈值的石墨组份，而催化剂层富含小于阈值的炭黑组份。阈值尤其可以是1μm。
为了实现将特别大的组份、例如5μm、优选30μm的石墨颗粒或具有5μm和10μm之间的直径的石墨纤维引入到多微孔层中，可以设置，多微孔层特别厚地构型，例如厚度在50μm和250μm之间、优选100μm和200μm之间、特别优选150μm。
在第二方面，本发明涉及一种用于制造电池复合体的制造方法。所述制造方法包括用于将膜的多微孔层布置在催化剂层上的布置步骤，其中，这样对至少一侧的多微孔层和/或催化剂层制花纹，使得催化剂层的表面粗糙度与多微孔层的表面粗糙度不同，从而使催化剂层和多微孔层局部地交叠。
根据本发明的制造方法特别是用于制造根据本发明的电池复合体。
在根据本发明的制造方法中，将多微孔层和催化剂层彼此置于接触中或者布置在彼此上。在此，多微孔层和催化剂层中的至少一个层具有花纹部，从而产生催化剂层与多微孔层的紧密连接，在该连接中，多微孔层和催化剂层局部地交叠或彼此嵌接或彼此啮合。
可以设置，所述制造方法包括用于将构成催化剂层的材料提供在具有花纹结构的箔上和/或用于将构成多微孔层的材料提供在具有花纹结构的箔上的提供步骤。
为了产生层、例如多微孔层或催化剂层的花纹部，可以将该层施加在有花纹的箔上，该箔例如具有该层的花纹的阴模。为此可以将构成该层的材料压到箔上或浇注到箔上。在将该层从箔取下之后，保留有花纹的层，所述有花纹的层可以以根据本发明的方法被进一步加工。
此外可以设置，所述制造方法包括用于借助于花纹工具对催化剂层和/或多微孔层制花纹的制花纹步骤，和/或用于通过对构成多微孔层的材料进行混合来对多微孔层制花纹的制花纹步骤，所述混合在使用粒度大于或小于催化剂层的组份粒度的组份的情况下进行。
在使用花纹工具、例如具有图案、例如菱形图案的花纹辊或者任何其他技术上适用于产生花纹部的花纹工具、特别是激光或冲模的情况下，可以实现宏观的花纹部，在所述花纹部中实现特别粗糙的表面，所述表面相应地大地交叠并且由此决定地可以极强地啮合。例如可以提供具有特别是100μm的均匀层厚度的、具有呈特别是50μm间距的花纹图案的多微孔层，从而花纹图案规律地除了基本粗糙度以外还附加提供特别粗糙的或深的接触点，所述接触点使得能够实现特别好的啮合或交叠。
在使用不同粒度的材料的情况下可以实现微观的花纹部，在所述微观的花纹部中产生相应表面的特别广地分布的粗糙度，从而产生特别大的接触面，各个层在该接触面中交叠。各个组份在此可以具有例如特别大的颗粒和/或纤维，所述颗粒或纤维可以例如是5μm、优选30μm大并且可以具有5μm和10μm之间的直径。相应地，各个组份可以至少部分地从表面突出，并且所述表面相应地被“起毛”或者说结构化。各个组份的数量和大小分布在此可以这样选择，使得表面的例如25％的预给定份额由各个组份构成，这些组份突出于表面的基面。
在第三方面，本发明涉及一种燃料电池系统，其具有所述电池复合体的一种可能的构型。
在第四方面，本发明涉及一种电解装置，其具有所述电池复合体的一种可能的构型。
本发明的另外的优点、特征和细节得出由后面的说明中得出，在该说明中参考附图详细地描述本发明的实施例。在此权利要求和说明书中所阐述的特征可以分别单独地或者以任意组合地对于本发明有实质意义。
附图说明
附图示出：
图1示出根据本发明的电池复合体的一个可能的设计方案的示意图，
图2示出根据图1的电池复合体的第二层的细节图，
图3示出根据本发明的制造方法的一个可能的设计方案的示意图，
图4示出根据本发明的燃料电池系统的一个可能的设计方案的示意图，
图5示出根据本发明的电解装置的一个可能的设计方案的示意图。
具体实施方式
在图1中示出电池复合体100。电池复合体包括膜101，所述膜具有由催化剂层103、多微孔层105和可选的载体层107组成的构建，所述载体层由碳纤维网构成，所述载体层与双极板109以引导流体的方式接触。
膜101上的构建可以在与催化剂层103对置的一侧重复，从而在膜101上两种流体可以聚集并且彼此反应或者分开地被排出。
根据本发明，催化剂层103与多微孔层105紧密地连接，其方式是，催化剂层103与多微孔层105在区域111中交叠。
在区域111中，多微孔层105的花纹部的升高区域113进入催化剂层103的低矮区域115中，如同在图2中详细示出的那样。花纹部可以例如是3D图案、特别是菱形图案，所述图案局部地或全面地被施加到多微孔层105的表面上。
此外，多微孔层105包括粗粒度的颗粒117，这些颗粒使多微孔层105的表面粗糙度最大化。相应地，颗粒117也进入到区域111中并且负责与催化剂层103的接触面最大化。
通过在区域111中交叠产生特别大的接触面，在所述接触面中，催化剂层103与多微孔层105啮合。相应地，催化剂层103和多微孔层105特别强地附着在彼此上并且使催化剂层103从多微孔层105分开变得困难。
在图3中示出制造方法300。所述制造方法包括用于将多微孔层布置在膜的催化剂层上的布置步骤301，其中，对多微孔层和/或催化剂层这样制花纹，使得催化剂层的表面粗糙度与多微孔层的表面粗糙度不同，从而催化剂层与多微孔层局部地交叠。
所述制造方法300可选地包括用于将形成催化剂层的材料提供在具有花纹结构的箔上的和/或用于将形成多微孔层的材料提供在具有花纹结构的箔上的提供步骤303。
所述制造方法300此外可选地包括用于借助于制花纹工具对催化剂层和/或多微孔层制花纹和/或用于通过对形成多微孔层的材料进行混合来对多微孔层制花纹的制花纹步骤305，所述混合在使用粒度大于或小于催化剂层的组份粒度的组份的情况下进行。
在图4中示出具有根据图1的电池复合体100的燃料电池系统400。
基于根据本发明的电池复合体100，燃料电池系统是特别长寿命的并且实现高的功率密度。
在图5中示出具有根据图1的电池复合体100的电解装置500。
基于根据本发明的电池复合体100，电解装置500是特别长寿命的并且高效的。

Claims (12)

1.一种用于受控地引导反应流体的电池复合体(100)，
其中，所述电池复合体(100)包括膜(101)，所述膜具有第一侧以及与所述第一侧对置的第二侧，
其中，在所述第一侧和所述第二侧上分别布置有：
催化剂层(103)，
多微孔层(105)，
其中，使至少一侧的所述多微孔层(105)和/或所述催化剂层(103)有花纹，使得所述催化剂层(103)的表面粗糙度与所述多微孔层(105)的表面粗糙度不同，从而使所述催化剂层(103)与所述多微孔层(105)局部地交叠。
2.根据权利要求1所述的电池复合体(100)，其特征在于，所述多微孔层(105)借助于粘结剂硬化，从而作用于所述多微孔层(105)上的机械力均匀地分布在所述多微孔层(105)中。
3.根据权利要求2所述的电池复合体(100)，其特征在于，所述多微孔层(105)被施加在载体层(107)上或者通过所述粘结剂硬化。
4.根据权利要求3所述的电池复合体(100)，其特征在于，所述粘结剂包括导电组份和/或机械加固组份和/或疏水剂。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池复合体(100)，其特征在于，构成所述多微孔层(105)的材料的组份至少部分地大于或小于构成所述催化剂层(103)的材料的组份。
6.根据权利要求6所述的电池复合体(100)，其特征在于，构成所述多微孔层(105)的材料的组份大于构成所述催化剂层(103)的材料的组份，是至少2倍、优选至少5倍、特别优选至少10倍。
7.根据权利要求5或6所述的电池复合体(100)，其特征在于，构成所述多微孔层(105)的材料的组份包括具有大于1μm的粒度的石墨，并且构成所述催化剂层(103)的材料的组份包括具有小于1μm的粒度的炭黑。
8.一种用于制造电池复合体(100)的制造方法(300)，
其中，所述制造方法(300)包括：
将多微孔层(105)布置(301)在膜(101)的催化剂层(103)上，
其中，对至少一侧的所述多微孔层(105)和/或所述催化剂层(103)制花纹，使得所述催化剂层(103)的表面粗糙度与所述多微孔层(105)的表面粗糙度不同，从而使所述催化剂层(103)与所述多微孔层(105)局部地交叠。
9.根据权利要求8所述的制造方法(300)，其特征在于，所述制造方法(300)包括：
将构成所述催化剂层(103)的材料提供(303)在具有花纹结构的箔上，和/或
将构成所述多微孔层(105)的材料提供(303)在具有花纹结构的箔上。
10.根据权利要求8所述的制造方法(300)，其特征在于，所述制造方法(300)包括：
借助于制花纹工具对所述催化剂层(103)和/或所述多微孔层(105)制花纹(305)，和/或
通过对构成所述多微孔层(105)的材料进行混合来对所述多微孔层(105)制花纹(305)，所述混合在使用其粒度大于或小于所述催化剂层(103)的组份粒度的组份的情况下进行。
11.一种燃料电池系统(400)，具有根据权利要求1至7中任一项所述的电池复合体(100)。
12.一种电解装置(500)，具有根据权利要求1至7中任一项所述的电池复合体(100)。
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