本發(fā)明涉及一種燃料電池，該燃料電池由至少一個雙極板和通過框架被固定的膜片電極單元的堆棧構(gòu)成。在此，雙極板具有由雙極板的成型部構(gòu)造的流場。

背景技術(shù)：

燃料電池利用燃料與氧氣到水的化學(xué)轉(zhuǎn)換，以為了產(chǎn)生電能。為此，燃料電池作為核心部件含有所謂的膜片電極單元(mea代表membraneelectrodeassembly)，該膜片電極單元是由離子傳導(dǎo)的尤其質(zhì)子傳導(dǎo)的膜片和分別在兩側(cè)布置在膜片處的電極(陽極和陰極)構(gòu)成的組合體。此外，氣體擴(kuò)散層(gdl)能夠在膜片電極單元的兩側(cè)布置在電極的背對膜片的側(cè)邊處。通常，燃料電池由多個以堆棧(stack)布置的mea形成，其電功率疊加。在燃料電池的運(yùn)行中，燃料(尤其氫氣h2或含氫氣的氣體混合物)被供應(yīng)給陽極，在該處在釋放出電子的情形下發(fā)生h2到h⁺的電化學(xué)氧化。通過電解質(zhì)或膜片(該膜片氣密地彼此分開并且電氣絕緣反應(yīng)腔)實(shí)現(xiàn)質(zhì)子h⁺從陽極腔到陰極腔中的(含水的或不含水的)輸送。在陽極處所提供的電子通過電導(dǎo)線被導(dǎo)入給陰極。氧氣或含氧氣的氣體混合物被供應(yīng)給陰極，從而在接收電子的情形下從o2到o^2-的還原發(fā)生。同時，在陰極腔中這些氧陰離子與通過膜片輸送的質(zhì)子在形成水的情況下起反應(yīng)。通過從化學(xué)能到電能的直接的轉(zhuǎn)換，燃料電池相對于其它的發(fā)電機(jī)由于卡諾因子(carnot-faktor)的折算(umgehung)得到改善的效率。

燃料電池通過多個以堆棧布置的單電池形成，從而也稱為燃料電池堆。在膜片電極單元之間布置有雙極板，該雙極板確保利用運(yùn)行介質(zhì)(也就是說反應(yīng)物和冷卻液)供應(yīng)單電池。此外，雙極板負(fù)責(zé)相對于膜片電極單元的導(dǎo)電的接觸。

雙極板至少由一對輪廓成型的板構(gòu)建，這兩個板分別具有冷卻劑側(cè)和電池側(cè)并且兩個板如此彼此相對布置和連接，使得在彼此面對的冷卻劑側(cè)之間構(gòu)造有用于輸送冷卻劑的通道。板在其活性區(qū)域中具有由凹槽或通道構(gòu)成的編組，其在其電池側(cè)上形成用于將反應(yīng)物分配到相應(yīng)的陽極和陰極的表面之上的敞開的流場或流動場。在在雙極板內(nèi)的板之間成形有冷卻劑通道并且將冷卻劑分配到燃料電池堆之上用于其冷卻。

為了使陽極腔或者陰極腔物理上與燃料電池的周圍環(huán)境絕緣，電池堆棧在雙極板的邊界區(qū)域中具有密封元件。這些密封元件用于密封和電氣絕緣并且典型地以環(huán)繞活性和非活性區(qū)域的框架的形式布置在雙極板上。

在已知的燃料電池堆中，密封元件和流場彼此間隔開，以為了容納膜片電極單元的制造公差、安置焊縫并且避免擴(kuò)散層和膜片與密封元件的重疊。擴(kuò)散層和密封元件的重疊能夠?qū)е職鈶B(tài)的運(yùn)行介質(zhì)的不期望的泄漏。密封元件和與此間隔開的流場因此形成縫隙，其在堆棧中導(dǎo)致構(gòu)造空腔。該空腔引起，大量反應(yīng)物氣體繞開雙極板的活性區(qū)域，這也稱為反應(yīng)物旁路流。反應(yīng)物旁路流是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)榉磻?yīng)物氣體未被引導(dǎo)到燃料電池堆的活性領(lǐng)域處并且因此未供電化學(xué)反應(yīng)使用。此外，反應(yīng)物旁路流導(dǎo)致在活性區(qū)域中的壓力損失，必須利用相應(yīng)的反應(yīng)物氣體的增加的供應(yīng)應(yīng)對該壓力損失。此外，反應(yīng)物旁路流能夠由于反應(yīng)物不足對燃料電池堆的耐久性、可靠性和有效功率具有不期望的影響。為了解決該問題，在文件de102009017906a1提出了，在密封元件處布置阻擋層，該阻擋層向內(nèi)朝向雙極板的活性區(qū)域延伸并且因此減少了反應(yīng)物旁路流。

在該解決方案中不利的是，必須設(shè)置縫隙，以為了確保，膜片電極單元在壓縮電池時不由非彈性的雙極板損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)在本發(fā)明的任務(wù)在于，提供現(xiàn)有技術(shù)的問題的一種備選的解決方案并且尤其進(jìn)一步減少或阻止反應(yīng)物旁路流。

該任務(wù)通過一種帶有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的燃料電池解決。因此，本發(fā)明涉及一種帶有堆棧的燃料電池，該堆棧包括雙極板，該雙極板具有由雙極板的成型部構(gòu)造的流場；以及縱向延伸的密封元件，該密封元件至少部分包圍流場。根據(jù)本發(fā)明設(shè)置成，在在密封元件與流場之間構(gòu)造的空腔內(nèi)部布置有填充體，該填充體在空腔的延伸方向上延伸。

根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的優(yōu)點(diǎn)在于，在空腔內(nèi)部的自由的容積減少。因此，反應(yīng)物旁路流的容積同樣減少。這導(dǎo)致，反應(yīng)物需求明顯地減少并且反應(yīng)物氣體由于反應(yīng)物旁路流的損失不必通過壓力提高或?qū)Ψ磻?yīng)物氣體的提高的物質(zhì)輸送克服。此外與用于減少反應(yīng)物旁路流的傳統(tǒng)的措施相比，膜片電極單元盡最大可能地保持不受損傷。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池使之可能，即，不依賴于膜片電極單元的待遵循的制造公差減少反應(yīng)物旁路流。

當(dāng)前，空腔理解為在雙極板和在堆棧中毗鄰的層(也就是說膜片電極單元和/或其氣體擴(kuò)散層)之間在在密封元件與雙極板的流場之間的區(qū)域中構(gòu)造的縫隙或空腔。該空腔通常由雙極板的型材結(jié)構(gòu)得出并且一方面通過在流場的區(qū)域中的型材結(jié)構(gòu)的高度并且另一方面通過密封元件的高度限定。空腔平行地沿流場延伸。因此在雙極板的每個側(cè)邊上(也就是說在陽極側(cè)上和在陰極側(cè)上)分別得出兩個在密封元件與流場之間伸延的空腔。有利地，尤其兩個雙極板側(cè)的兩個空腔設(shè)有填充體。

密封元件是在雙極板的外邊界處伸延的密封單元，該密封單元例如實(shí)施為翻邊密封件和/或聚合體密封件。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計方案中設(shè)置成，填充體沿流場的長度延伸。該設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)在于，反應(yīng)物旁路流在布置在流場的長度之上中很大程度上并且因此有效地抑制。在此，填充體優(yōu)選占據(jù)空腔的容積的大于一半、尤其大于三分之二、優(yōu)選地大于四分之三。在此，填充體能夠具有圓形的、橢圓形的、矩形的、正方形的或四邊形的橫截面。

尤其優(yōu)選的是，以未壓縮的形式的(也就是說在組裝堆棧之前的)填充體的高度hf大于流場的成型部的高度hp。該設(shè)計方案以有利的方式導(dǎo)致，即，在填充體和相鄰于雙極板的層(也就是說膜片電極單元和/或氣體擴(kuò)散層)之間產(chǎn)生接觸，該區(qū)域因此被氣密地封閉，并且反應(yīng)物旁路流被阻止。此外產(chǎn)生氣體擴(kuò)散層和膜片電極單元的壓縮并且因此在氣密的接觸中產(chǎn)生其固定。

此外優(yōu)選的是，填充體是聚合體，尤其彈性體或熱塑性彈性體(tpe)。這些材料(尤其彈性體或tpe)通過以下方式出眾，即其可通過外部壓力容易地并且可逆地變形。因此，這些材料能夠特別良好地匹配空腔的外部的形狀，在此在處理中是容易的并且關(guān)于反應(yīng)物是氣密的。特別有利地使用這樣的彈性體材料，該彈性體材料在壓力中已變形，在該壓力中膜片電極單元不被損壞。因此實(shí)現(xiàn)成，在膜片電極單元與雙極板之間或者在膜片電極單元的框架與雙極板之間的區(qū)域氣密地通過填充體來密封，并且不必遵循間隔以為了不損壞膜片電極單元。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選的設(shè)計方案中，填充體與雙極板連接。有利地，該填充體在此被固定在雙極板上。該設(shè)計方案尤其提供了生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)。在此，填充體優(yōu)選布置在雙極板處，在實(shí)現(xiàn)膜片電極單元在雙極板處的布置之前。因此，填充體在雙極板處的布置能夠不依賴于膜片電極單元的待遵循的公差實(shí)現(xiàn)，而后者不被損傷。填充體在該設(shè)計方案中作為硬化的材料被粘上到雙極板上，要不然借助于分送器以非硬化的形式被涂覆到雙極板上。

在本發(fā)明的另一設(shè)計方案中設(shè)置成，填充體(關(guān)于位置)多件式地實(shí)施。這以有利的方式在同時提高尤其關(guān)于雙極板和毗鄰于其的層的形狀的靈活性的情形中導(dǎo)致材料節(jié)省。此外，填充體在空腔中的根據(jù)本發(fā)明的布置能夠與用于減少反應(yīng)物旁路流的另外的措施組合。如果填充體多件式地實(shí)施，優(yōu)選的是，填充體的至少一部分分別布置到流場的邊界處(也就是說在縱向延伸的空腔的兩個端部處)。

此外優(yōu)選的是，密封元件是翻邊密封件，也就是說同樣如流場那樣從雙極板的成型部中得出的密封件。該優(yōu)點(diǎn)尤其在于，密封件(也就是說翻邊)可在雙極板的成型期間構(gòu)造。備選地或附加地，密封元件能夠是聚合體密封件，該聚合體密封件后來被涂覆到雙極板上。有利地，聚合體密封件的涂覆的生產(chǎn)步驟可與填充體的涂覆組合。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選的設(shè)計方案中設(shè)置成，即，填充體與膜片電極單元連接。通過在填充體與膜片電極單元之間的直接的接觸實(shí)現(xiàn)，在膜片電極單元與雙極板之間的間隔完全通過填充體填滿并且因此在該區(qū)域中反應(yīng)物旁路流被完全阻止。備選地對于填充體在雙極板處的布置，填充體為此被粘上到膜片電極單元的墊圈(框架)上。

不僅在填充體在雙極板上而且在膜片電極單元上的布置的情形中有利的是，填充體與膜片電極單元的氣體擴(kuò)散層重疊。因此以有利的方式產(chǎn)生膜片電極單元(尤其氣體擴(kuò)散層)通過填充體的支撐。

本發(fā)明的另一方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中的多個并且例如用于機(jī)動車的電機(jī)的供電。

本發(fā)明的另外的優(yōu)選的設(shè)計方案由其余的在從屬權(quán)利要求中所提及的特征得出。

本發(fā)明的不同的在該申請中所提及的實(shí)施方式可有利地彼此組合，只要在個別情況下不另外地實(shí)施。

附圖說明

在下面在實(shí)施例中根據(jù)附圖解釋本發(fā)明。其中：

圖1顯示了燃料電池堆的示意圖，

圖2顯示了雙極板的俯視圖的示意圖，

圖3顯示了燃料電池堆的示意性的橫截面圖，

圖4在優(yōu)選的第一設(shè)計方案中以透視圖顯示了燃料電池堆的示意性圖，

圖5顯示了在優(yōu)選的第二設(shè)計方案中的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆的示意性的橫截面圖，并且

圖6顯示了在優(yōu)選的另一設(shè)計方案中的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆的示意性的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1在示意圖中顯示了燃料電池堆11。燃料電池堆11包括兩個端板12。在端板12之間布置有多個相疊地堆垛的堆棧元件，該堆棧元件包括雙極板20和膜片電極單元30。雙極板20與膜片電極單元30交替地堆垛。膜片電極單元30分別包括膜片以及在膜片兩側(cè)緊接著的電極，即陽極和陰極(未示出)。貼靠在膜片處，膜片電極單元30此外能夠具有氣體擴(kuò)散層33。在燃料電池堆11的端板12之間借助于拉力元件16(例如拉桿或夾緊板)被壓制。

在圖1中，從雙極板20和膜片電極單元30僅可看見窄側(cè)。雙極板20和膜片電極單元30的主側(cè)彼此貼靠。在圖1中的示圖不按尺寸比例。典型地，由雙極板20和膜片電極單元30組成的單個電池的厚度為若干mm，其中，膜片電極單元30是更薄得多的部件。此外，單個電池的數(shù)量通常明顯大于示出。

圖2顯示了雙極板20的俯視圖的示意圖。雙極板20能夠劃分成三個部分區(qū)域、即兩個分配器區(qū)域26和活性區(qū)域27。在此，分配器區(qū)域26分別相鄰于活性區(qū)域27在終端布置在雙極板20處。分配器區(qū)域26包括用于冷卻劑和反應(yīng)物氣體的供應(yīng)通道?；钚詤^(qū)域27具有流場22，該流場22由雙極板20的型材結(jié)構(gòu)得出。在流場22內(nèi)部由型材結(jié)構(gòu)構(gòu)造通道，在該通道中反應(yīng)物氣體由分配器區(qū)域26經(jīng)由活性區(qū)域27引導(dǎo)到其他的分配器區(qū)域26。流場通過密封元件21側(cè)向上被限制，也就是說至少在兩個側(cè)面處、即在流場22的與密封元件21相鄰的縱側(cè)處。在密封元件21與流場22之間沿著流場22的縱側(cè)得出空腔25?？涨?5以及在流場22的型材結(jié)構(gòu)22內(nèi)部的通道是兩個分配器區(qū)域26的流動技術(shù)的連接。

如果在圖2中所顯示的雙極板20相對于燃料電池堆布置到膜片電極單元處，則這如此實(shí)現(xiàn)，使得催化電極相鄰地布置在活性區(qū)域處，從而使得燃料電池反應(yīng)僅在流場22的區(qū)域中發(fā)生。這也就是說，僅僅在流場22內(nèi)部由分配器區(qū)域26引導(dǎo)到另一分配器區(qū)域26的反應(yīng)物氣體供燃料電池反應(yīng)使用。不通過流場22引導(dǎo)而是通過流場22的空腔25繞流的反應(yīng)物氣體的部分作為反應(yīng)物旁路流不供燃料電池反應(yīng)使用。

在圖3中示出了燃料電池堆11的橫截面圖。顯示了由雙極板20構(gòu)成的堆棧，該雙極板20與膜片電極單元30交替地布置。膜片電極單元30包括例如以聚合體電解質(zhì)膜片的形式構(gòu)造的膜片31以及固定膜片31的框架32。框架32例如以支持膜的形式構(gòu)造，該支持膜層壓在膜片31兩側(cè)并且空出毗鄰流場22的活性區(qū)域27。在活性區(qū)域27中，膜片31由兩個催化層(未示出)包圍，這兩個催化層能夠?qū)訅旱侥て?1上。此外，膜片電極單元30包括兩個相鄰地布置在膜片31處的氣體擴(kuò)散層33，該兩個氣體擴(kuò)散層33在所顯示的設(shè)計方案中與框架32重疊。

在圖3中所顯示的密封元件21示例性地實(shí)施為雙極板20的翻邊密封件。備選地或附加地，密封元件21也能夠構(gòu)造為聚合體密封件，該聚合體密封件例如被涂覆到雙極板20上要不然到雙極板20的卷邊上。圖3顯示了，密封元件21基本上平行于流場22伸延。

流場22從雙極板20的型材結(jié)構(gòu)中得出。尤其在型材結(jié)構(gòu)內(nèi)部得出通道35，該通道35通過雙極板的活性區(qū)域輸送反應(yīng)物氣體、尤其氧氣和氫氣。為了構(gòu)造冷卻劑通道34，兩個板29被如此彼此拼接成雙極板20，使得在板29之間在反應(yīng)物氣體通道35和36的區(qū)域中構(gòu)造有封閉的冷卻劑通道34。為了密封冷卻劑通道，在流場22的邊界處的雙極板20的直接彼此布置的板20通過平行于流場伸延的焊縫28被密封。

如果這樣的雙極板20與膜片電極單元30交替地相對于燃料電池堆11布置，則由于雙極板20的型材結(jié)構(gòu)在密封元件21與流場22之間得出空腔25。

在圖4中示出了，在空腔25內(nèi)部分別布置有填充體24。在示出的實(shí)施方式中，填充體24作為帶有基本上矩形的橫截面的條帶存在，其在流場22的整個長度上單件式地構(gòu)造。備選地，填充體24也能夠多件式地構(gòu)造，其中，至少在流場22的邊界區(qū)域中(也就是說在空腔的相鄰于分配器區(qū)域的區(qū)域中)布置有填充體24的部分。

填充體24是聚合體材料。彈性體和熱塑性彈性體是特別好地合適的，因?yàn)橛捎谕獠繅毫ψ冃?。特別好地合適的材料例如是硅酮和/或氟橡膠。根據(jù)本發(fā)明，至少一個空腔25各燃料電池具有這樣的填充體24。當(dāng)然有利的是，不僅在流場22兩側(cè)而且在雙極板20兩側(cè)空腔25分別具有填充體24。在此，填充體24在兩個電池側(cè)(即陰極側(cè)和陽極側(cè))處相同地實(shí)施，要不然在其設(shè)計方案中尤其在其材料中變化。

填充體24能夠或者布置并且連接到雙極板20上，要不然布置并且連接到膜片電極單元30上。

圖5顯示了在雙極板20上的填充體24的布置。明顯的是，在該設(shè)計方案中空腔的寬度(也就是說從密封元件21直到流場22的開端)基本上完全通過填充體24填滿。因此，所產(chǎn)生的從卷邊形式中得出的空腔25被最小化。在該設(shè)計方案中適宜的是，填充體24或者作為硬化的彈性體(例如軟橡膠輥)自粘地固定在雙極板上，要不然借助于分送器將未硬化的彈性體在在空腔25內(nèi)的雙極板20上注射成型并且硬化。

在圖5中示出了，填充體24的高度hf在所顯示的設(shè)計方案中少許突出超出流場22的型材結(jié)構(gòu)，然而不平衡氣體擴(kuò)散層33的高度。因此，在與氣體擴(kuò)散層33的重疊區(qū)域中填充體24以及氣體擴(kuò)散層33在堆棧的組合而成中被壓合/壓縮，由此得到了良好的密封效果。

在填充體24與框架32之間出現(xiàn)的縫隙能夠通過以下方式消除，進(jìn)一步提高填充體24的高度hf，從而填充體24也與膜片電極單元30的框架32處于接觸中。這除阻止反應(yīng)物流之外也帶來這樣的優(yōu)點(diǎn)，即氣體擴(kuò)散層通過填充體24被夾緊并且因此被固定。

在圖6中顯示了本發(fā)明的一種備選的設(shè)計方案，在該設(shè)計方案中填充體24布置在膜片電極單元的框架32上以及與氣體擴(kuò)散層33重疊地布置。這能夠例如通過貼上合適的聚合體要不然通過借助于分送器噴涂或涂覆聚合體實(shí)現(xiàn)。在在圖6中所顯示的示圖中顯示了，填充體的高度hf突出超出型材結(jié)構(gòu)的高度hp并且填滿空腔25的高度。由于膜片電極單元30的制造公差，在圖6中所顯示的設(shè)計方案不利用填充體24填充空腔的整個寬度(在卷邊與流場之間)。與圖5相比，在圖6中空腔25的高度被最佳地填充，而在圖5中在空腔25的寬度方面明顯地減少了穿過空腔25的反應(yīng)物旁路流。

本發(fā)明的在圖4到6中所顯示的設(shè)計方案具有這樣的功能，減少穿過空腔25的反應(yīng)物旁路流，通過填充容積的填充體24布置在空腔25內(nèi)部，空腔25的對于反應(yīng)物氣體供使用的容積減少并且有利于反應(yīng)物氣體通過流場22的通道的流動。

附圖標(biāo)記列表

10燃料電池

11燃料電池堆

20雙極板

21密封元件

22流場

23型材結(jié)構(gòu)

24填充體

25空腔

26分配器區(qū)域

27活性區(qū)域

28焊縫

29板

30膜片電極單元

31膜片

32框架

33氣體擴(kuò)散層

34冷卻劑通道

35第一反應(yīng)物氣體通道

36第二反應(yīng)物氣體通道。