CN210123781U - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池(2)，包括至少一个薄膜电极单元(10)和至少一个双极板(40)，所述薄膜电极单元具有通过薄膜(18)相互分隔的第一电极(21)和第二电极(22)，所述双极板包括用于将燃料分布到第一电极(21)上的第一分布区域(50)和用于将氧化剂分布到第二电极(22)上的第二分布区域(60)。其中，在所述分布区域(50、60)中的至少一个分布区域内设置有分布单元(30)，所述分布单元具有多孔结构(80)，在多孔结构(80)上施加有保护层(81)，该保护层具有包含钛和半金属和/或钛和非金属的化合物。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，它包括至少一个薄膜电极单元和至少一个双极板，薄膜电极单元具有通过薄膜相互分隔的第一电极和第二电极。在此，燃料电池的双极板包括用于将燃料分布到第一电极上的第一分布区域和用于将氧化剂分布到第二电极上的第二分布区域。
背景技术
燃料电池是原电池，它将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转换成电能。因而燃料电池是电化学能量转换器。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转换为水(H2O)、电能和热。
已知质子交换膜(Proton-Exchange-Membran＝PEM)燃料电池等。质子交换膜燃料电池具有在中心布置的薄膜，其对于质子、即对于氢离子是可透过的。氧化剂、尤其是空气中的氧由此在空间上与燃料、尤其是氢分离。
质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料被供应到燃料电池的阳极并且在放出电子的情况下被催化氧化成质子。质子穿过薄膜到达阴极。放出的电子被从燃料电池导出并且通过外部电路流入阴极。
氧化剂被供应到燃料电池的阴极并且通过接收来自外部电路的电子和通过薄膜到达阴极的质子而反应成水。由此产生的水被从燃料电池导出。
总反应是：
O2+H2+4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地依次布置成燃料电池堆并且电串联。
为了使燃料均匀分布到阳极上并使氧化剂均匀分布到阴极上，设置了双极板。双极板例如具有通道状结构，用于将燃料和氧化剂分布到电极上。通道状结构还用于导出在反应中产生的水。双极板还可以具有用于引导冷却液通过燃料电池以排出热的结构。
DE 10 2013 223 776 A1也公开了一种用于燃料电池堆的双极板。该双极板具有分布结构，该分布结构由金属泡沫制成并且用于将反应气体导入燃料电池堆中以及导出在反应中产生的水。该双极板还具有分布结构，该分布结构由金属泡沫制成并且用于引导冷却液通过。
发明内容
本发明提出一种燃料电池，其包括至少一个薄膜电极单元和至少一个双极板，薄膜电极单元具有通过薄膜相互分隔的第一电极和第二电极。尤其是，燃料电池以这种方式构造，即在薄膜电极单元的两侧各连接有一个双极板。在此，燃料电池的双极板包括用于将燃料分布到第一电极上的第一分布区域和用于将氧化剂分布到第二电极上的第二分布区域。
在此，根据本发明，在双极板的所述分布区域中的至少一个分布区域内设置有分布单元，该分布单元具有多孔结构。该多孔结构对于氧化剂以及对于燃料并且还对于要导出的水都是可透过的。多孔结构优选具有在0.1毫米至10毫米之间的材料厚度。多孔结构的孔径大小优选在50微米至5毫米之间。
根据本发明，在多孔结构上施加保护层，该保护层具有化合物。该化合物包含钛和半金属和/或钛和非金属。在此，保护层可以直接施加到多孔结构上。但也可以在保护层和多孔结构之间还布置一个或多个另外的层。
分布单元优选设置在第二分布区域中，该第二分布区域用于将氧化剂分布到第二电极上以及用于导出在反应过程中产生的水。然而，替代地或附加地，分布单元也可以设置在用于将燃料分布到第一电极上的第一分布区域中。
根据本发明的有利构型，施加到多孔结构上的保护层的化合物包含钛和硼，其中，硼是半金属。
该保护层在多孔结构上的沉积例如通过磁控溅射来进行，优选以二硼化钛、即TiB2的化学计量组成，借助氩作为工艺气体直接由二硼化钛靶材料进行。替代地也可以使用其它惰性气体，例如氖、氪或氙。
在沉积方法中，既可以使用直流电压也可以使用脉冲电压以产生等离子。优选，该沉积基于HiPIMS方法(高功率脉冲磁控溅射)与偏置电压结合。通过偏置电压，HiPIMS放电的离子被偏转到待涂覆的多孔结构处并且在上多孔结构产生致密且很大程度上均匀的保护层。有由产生尽可能致密、紧凑的保护层，其具有相对低的几何形状依赖性。
优选，钛和硼的比例、尤其化学计量比在10：1至1：10之间的范围内。化学计量比在此相应于化合物中的钛原子数与硼原子数之比。特别优选，保护层的化合物是二硼化钛，即TiB2。在这种情况下钛与硼的化学计量比为1：2。
根据本发明的另一有利构型，施加到多孔结构上的保护层的化合物包含钛和氮，其中，氮是非金属。
该保护层在多孔结构上的沉积例如通过等离子体方法进行，如磁控溅射或PECVD(等离子体增强化学气相沉积)。借助于磁控溅射进行的沉积直接由氮化钛靶材料以惰性气体作为工艺气体例如氖、氩、氪或氙来进行，或者由钛靶材料与作为工艺气体的氮气-惰性气体混合物进行反应来进行。借助于PECVD进行的沉积是用由含钛气体(例如氯化钛)和含氮气体(例如氮气或氨气)组成的气体混合物来进行的。
在沉积方法中，既可以使用直流电压也可以使用脉冲电压来产生等离子。优选，沉积基于HiPIMS方法(高功率脉冲磁控溅射)与脉冲的或非脉冲的偏置电压结合。通过偏置电压，HiPIMS放电的离子被偏转到待涂覆的多孔结构处并且在多孔结构上产生致密且很大程度上均匀的保护层。由此产生尽可能致密、紧凑的保护层，其具有相对低的几何形状依赖性。HiPIMS沉积优选借助氩和氮在使用钛靶的情况下进行。
优选，钛和氮的比例、尤其化学计量比在10：1至1：10之间的范围内。化学计量比在此相应于化合物中的钛原子数与氮原子数之比。特别优选，保护层的化合物是氮化钛，即TiN。在这种情况下，钛与氮的化学计量比为1：1。
根据本发明的优选构型，保护层具有在10纳米至10微米之间的层厚度。在此，保护层的层厚度特别优选小于或等于2微米。
根据本发明的有利改进方案，在多孔结构和保护层之间设置有附着层。在此，附着层也包含钛。附着层改善保护层在多孔结构上的附着性。
优选，附着层具有在10纳米至1微米之间的层厚度。
根据本发明的另一有利改进方案，在附着层和保护层之间设置有梯度层。在此，梯度层也包含钛。在梯度层中，面向附着层的区域中的钛浓度大于面向保护层的区域中的钛浓度。因此，钛在梯度层内不均匀地分布，其中，钛的浓度从面向附着层的区域到面向保护层的区域减小。
优选，梯度层也包含在保护层的化合物中所包含的相同半金属和/或相同非金属。在梯度层中，面向附着层的区域中的半金属和/或非金属的浓度小于面向保护层的区域中的半金属和/或非金属的浓度。因此，半金属和/或非金属在梯度层内不均匀地分布，其中，半金属和/或非金属的浓度从面向附着层的区域到面向保护层的区域增大。
优选，梯度层具有在10纳米至1微米之间的层厚度。
有利地，多孔结构构造为可导电的。因此，多孔结构建立与电极的可导电连接。因而多孔结构可以传导在燃料电池的电化学反应中释放的电子。
根据本发明的可能实施方式，多孔结构包含金属材料，尤其钢。钢是一种相对便宜的材料，也相对容易加工。通过施加的保护层，无需担心多孔结构的腐蚀，尤其是多孔结构的表面氧化。
多孔结构允许燃料和氧化剂以相对低的压力损耗通过。因此，分布单元允许燃料和氧化剂在分布区域中良好且均匀地分布到电极上。施加到多孔结构上的保护层是化学稳定的，因此保护多孔结构免受腐蚀，尤其免受氧化。由此有利地提高了根据本发明的燃料电池的稳定性和使用寿命。此外，保护层具有相对高的导电率。因此，分布单元的电阻也相对较低。由此有利地提高了根据本发明的燃料电池的效率。通过保护层尤其可以实现，用成本低且不贵重的金属例如钢制造多孔结构。通过保护层确保了分布单元的防腐蚀保护和良好的导电性。由此有利地降低了用于制造根据本发明的燃料电池的材料成本。
附图说明
参考附图和下面的说明书进一步解释本发明的实施方式。
附图示出：
图1具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意图，
图2根据第一实施方式的分布单元的示意图，并且
图3根据第二实施方式的分布单元的示意图。
具体实施方式
在下面对本发明实施例的明中，相同或相似的元件用相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省略对这些元件的重复说明。附图仅示意性地描述本发明的主题。
图1示出具有多个燃料电池2的燃料电池堆5的示意图。每个燃料电池2具有一个薄膜电极单元10，该薄膜电极单元包括第一电极21、第二电极22和薄膜18。两个电极21、22布置在薄膜18的彼此对置的侧上，因此被薄膜18彼此分隔。第一电极21在下面也被称为阳极21，第二电极22在下面也被称为阴极22。薄膜18构造为聚合物电解质膜。薄膜18对于氢离子、即H+离子是可透过的。
每个燃料电池2还具有两个双极板40，双极板在两侧与薄膜电极单元10连接。在这里示出的多个燃料电池2在燃料电池堆5中的布置的情况下，每个双极板40可以被看作属于彼此相邻布置的两个燃料电池2。
每个双极板40分别包括用于分布燃料的第一分布区域50，该区域面向阳极21。每个双极板40还分别包括用于分布氧化剂的第二分布区域60，该区域面向阴极22。第二分布区域60同时用于导出在燃料电池2中反应时产生的水。
在第一分布区域50中布置有分布单元30。此处，在第二分布区域60中当前也布置有分布单元30。两个分布单元构造为多孔的并且因此对于气态燃料和气态氧化剂以及对于液态水是可透过的。
当前，双极板40包括第三分布区域70，其被布置在第一分布区域50和第二分布区域60之间。第三分布区域70用于引导冷却剂通过双极板40，从而用于冷却燃料电池2和燃料电池堆5。
第一分布区域50和第三分布区域70通过第一分隔板75彼此分隔开。第二分布区域和60和第三分布区域70通过第二分隔板76彼此分隔开。当前，双极板40的分隔板75、76构造为薄金属板。分隔板75、76也可以由其它材料构成，例如碳或石墨。
在燃料电池2运行时，燃料(当前为氢)经由具有分布单元30的第一分布区域50引导到阳极21。同样，在燃料电池2运行时，氧化剂(当前为空气中的氧)通过具有分布单元30的第二分布区域60引导到阴极22。
燃料(当前为氢)在阳极21上在放出电子的情况下被催化氧化成质子。质子通过薄膜18到达阴极22。释放出的电子从燃料电池2导出并经由外部电路流向阴极22。氧化剂(当前为空气中的氧)通过接收来自外部电路的电子和通过薄膜18到达阴极22的质子反应成水。
图2示出根据第一实施方式的分布单元30的示意图。分布单元30具有多孔结构80，该多孔结构对于燃料以及对于氧化剂是可通过的。多孔结构80包含金属材料(当前为钢)并且因此也构造为可导电的。
附着层83直接施加在多孔结构80上。附着层83包含钛，优选完全由钛组成。在附着层83的背离多孔结构30的一侧上施加有梯度层82，其也包含钛。在梯度层82的背离附着层83的一侧上施加有保护层81。
附着层83具有在10nm至1μm之间范围内的层厚度。梯度层82也具有在10nm至1μm之间范围内的层厚度。保护层具有在10nm至10μm之间的厚度。
保护层81具有包含钛和半金属或者钛和非金属的化合物。当前，保护层81的化合物包含硼化钛或氮化钛。硼化钛和氮化钛一样是可导电的并且是耐腐蚀的。
梯度层82包括钛和硼，或者钛和氮。在梯度层82中，面向附着层83的区域中的钛浓度大于面向保护层81的区域中的钛浓度。因此，钛在梯度层82中不均匀分布。因此，钛浓度从面向附着层83的区域朝着面向保护层81的区域方向减小。
梯度层82中的硼或者氮的浓度也是不均匀的。面向附着层83的区域中的硼或氮的浓度小于面向保护层81的区域中的硼或氮的浓度。硼或氮的浓度从面向粘合剂层83的区域朝着面向保护层81的区域增加。
也可以取消附着层83和梯度层82。因而，分布单元30可以仅包括多孔结构80和施加在多孔结构上的保护层81。
图3示出根据第二实施方式的分布单元30的示意图。这里示出的根据第二实施方式的分布单元30在很大程度上相应于根据第一实施方式的分布单元30。不同的是，根据第二实施方式的分布单元30在两侧具有保护层81。该分布单元30也在两侧具有附着层83和梯度层82。因此，根据第二实施方式的分布单元30近似镜像对称地构造。
本发明不局限于这里说明的实施例和在其中突出强调的方面。而是在通过权利要求给出的范围内可以进行很多修改，这些修改都在专业人员处理的范围内。

Claims (13)

1.燃料电池(2)，包括：
至少一个薄膜电极单元(10)，所述薄膜电极单元具有通过薄膜(18)相互分隔的第一电极(21)和第二电极(22)，和
至少一个双极板(40)，所述双极板包括用于将燃料分布到第一电极(21)上的第一分布区域(50)和用于将氧化剂分布到第二电极(22)上的第二分布区域(60)，
其特征在于，
在所述分布区域(50、60)中的至少一个分布区域内设置有分布单元(30)，所述分布单元具有多孔结构(80)，并且，在所述多孔结构(80)上施加有具有包含钛和半金属和/或钛和非金属的化合物的保护层(81)。
2.按照权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述化合物包含钛和硼。
3.按照权利要求2所述的燃料电池(2)，其特征在于，钛与硼的比例在10:1至1:10之间的范围内。
4.按照权利要求1所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述化合物包含钛和氮。
5.按照权利要求4所述的燃料电池(2)，其特征在于，钛与氮的比例在10:1至1:10之间的范围内。
6.按照权利要求1至5之一所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述保护层(81)具有在10nm至10μm之间的层厚度。
7.按照权利要求1至5之一所述的燃料电池(2)，其特征在于，在所述多孔结构(80)和所述保护层(81)之间设置有包含钛的附着层(83)。
8.按照权利要求7所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述附着层(83)具有在10nm至1μm之间的层厚度。
9.按照权利要求7所述的燃料电池(2)，其特征在于，在所述附着层(83)和所述保护层(81)之间设置包含钛的梯度层(82)，其中，在所述梯度层(82)中，面向所述附着层(83)的区域中的钛浓度大于面向所述保护层(81)的区域中的钛浓度。
10.按照权利要求9所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述梯度层(82)具有在10nm至1μm之间的层厚度。
11.按照权利要求1至5之一所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述多孔结构(80)构造为可导电的。
12.按照权利要求11所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述多孔结构(80)包含金属材料。
13.按照权利要求11所述的燃料电池(2)，其特征在于，所述多孔结构(80)包含钢。
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