[发明专利]隔膜电极装置以及带有这种隔膜电极装置的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的隔膜电极装置，其包括隔膜电极单元和带有两个子区段的一体式密封件。此外，本发明涉及包括多个根据本发明的隔膜电极装置的燃料电池。

背景技术

燃料电池利用通过氧气将燃料变成水的化学转换，以便于产生电能。为此燃料电池包含所谓的隔膜电极单元（MEA用于隔膜电极元件）作为核心部件，所述的隔膜电极单元是由离子传导隔膜、尤其是质子传导隔膜与分别在两侧布置在隔膜上的电极（阳极和阴极）构成的复合结构。此外，隔膜电极单元能够包括气体扩散层，该气体扩散层通常布置在隔膜电极单元的两侧在电极的、背离隔膜的侧上。通常燃料电池通过大量以堆叠（堆栈）形式布置的MEA构成，其电功率相加。在燃料电池的运行中，燃料、尤其是氢气H₂或者含氢混合气体输送给阳极，在该阳极处在释放电子的情况下进行从H₂到H⁺的电化学氧化。通过将反应空间互相气密分离且电绝缘的隔膜或电解质，进行质子H⁺从阳极空间到阴极空间中（有水的或者无水的）运输。在阳极处提供的电子通过阴极的电导体引导。氧气或者含氧气的混合气体输送给阴极，因此在吸收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。同时在阴极空间中这些氧气负离子与通过隔膜运输的质子在构成水的情况下起反应。通过从化学能到电能的直接转换，燃料电池相比于其他电产生器由于绕开卡诺-系数取得更佳的效率。

现在发展最广泛的燃料电池技术基于聚合物电解质隔膜(PEM)，在其中隔膜本身由聚合物电解质组成。在此经常使用酸改性聚合物，尤其是全氟化聚合物。该聚合物电解质种类分布最广泛的代表是由硫化的聚四氟乙烯-共聚物（商品名：Nafion；共聚物由四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚的磺酸氟衍生物构成的共聚物）构成的隔膜。电解的导体在此通过水合的质子出现，因此，对于质子导电率水的存在是条件并且在PEM燃料电池运行中需要运行气体的湿润。由于水的必需性，该燃料电池最大的运行温度在常压时限制到100摄氏度以下。与高温聚合物电解质隔膜燃料电池（HT-PEM-燃料电池）（其电解导电率基于通过静电复合键连接到聚合物电解质隔膜的聚合物晶格的电解质（例如掺杂磷酸的聚苯并咪唑（PBI）-隔膜）并且在温度160摄氏度时运行）划界，该燃料电池类型也称为低温聚合物电解质隔膜燃料电池（NT-PEM-燃料电池）。

如同起初所提及的，燃料电池由多个以堆叠方式布置的单电池构成，因此称为燃料电池堆叠。在隔膜电极单元之间通常布置所谓的双极板，该双极板保证向单电池供应运行介质，即反应物和通常还有的冷却液。此外，双极板负责至隔膜电极单元的导电接触。

图1中示意性地呈现燃料电池10，该燃料电池包括带有多个单电池14、两个端板16以及强力元件18的燃料电池堆叠12。单电池单元14包括带有质子传导隔膜22（聚合物电解质隔膜）的相应隔膜电极单元20以及在两侧布置在隔膜22上的电极（阳极和阴极；未呈现）。此外，隔膜电极单元20在两侧能够包括相应的气体扩散层24，其中接着在隔膜22和气体扩散层24之间布置电极。电极要么能够在两侧涂敷到隔膜22上，要么能够与气体扩散层24连接，来作为所谓的气体扩散电极。隔膜电极单元20又布置在双极板26之间。双极板26通过其气体扩散层24向隔膜电极单元20供应反应物，对此通常在双极板26中提供合适的通道。此外，双极板26导电地连接两个相邻的隔膜电极单元20，由此串联这些隔膜电极单元。两个位于端部的双极板26也称为单极板，原因在于这些双极板只在一侧供应紧接着的隔膜电极单元20并且为此只在其一侧上拥有相应的通道。

在隔膜电极单元20和双极板26之间布置此处不可见的密封件，所述密封件向外密封阳极空间和阴极空间并且阻止运行介质离开燃料电池堆叠12。

为了即便在振动时也保证密封件的功能性以及双极板26与隔膜电极单元20的导电接触，挤压燃料电池堆叠12。这通常通过两个端板16（其布置在燃料电池堆叠12的两个端部）结合多个强力元件18进行。强力元件18传导拉力到端板16中，因此端板16压合燃料电池堆叠12。

隔膜电极单元20和双极板26之间布置的密封件能够在隔膜电极单元20侧和/或双极板26侧提供并且尤其是与这些部件连接。

为此，密封件能够在一侧或两侧硫化在双极板26上。此外，密封履带(Dichtraupe)形式的密封件能够借助于机器人施加在双极板26上。利用机器人施加的密封件能够具有显著的、能导致泄漏的公差。该问题迄今为止通过利用机器人施加密封履带的过程优化得以抵消。