[发明专利]燃料电池以及机动车

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池以及一种具有这种燃料电池的机动车，所述燃料电池包括交替的双极板和膜电极单元的堆以及被构造在双极板与膜电极单元之间的流体通道和被构造在双极板之内的流体通道。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧化学反应成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元（MEA代表membrane electrode assembly（膜电极组））作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的、尤其是传导质子的膜和分别布置在所述膜两侧上的电极（阳极和阴极）构成的复合体。此外，在所述膜电极单元的两侧在所述电极的背对所述膜的侧上可以布置有气体扩散层（GDL）。通常，燃料电池由多个以堆（stack）来布置的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在燃料电池运行时，燃料、尤其是氢气H₂或者含氢的气体混合物被输送给阳极，在所述阳极上在输出电子的情况下进行从H₂到H⁺的电化学氧化。通过将反应空间彼此气密地隔离并且电隔离的电解质或者膜，将质子H⁺从阳极空间（有水地或者无水地）传输到阴极空间中。在阳极上提供的电子通过电导线被导向阴极。氧气或者含氧的气体混合物被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。同时，在阴极空间内，所述氧离子与经过所述膜传输的质子在形成水的情况下发生反应。通过从化学能到电能的直接反应，燃料电池由于卡诺因子的规避相对于其它的电力发生器实现了改进的效率。

燃料电池由多个以堆来布置的膜电极单元形成，使得也说成是燃料电池堆。在两个膜电极单元之间分别布置有一个双极板，所述双极板保证了用工作介质、即反应物和冷却液来供应单电池。此外，双极板还负责与膜电极单元的导电接触。此外，所述双极板确保了在阳极空间与阴极空间之间的密封隔离。

双极板大多由两个独特的板来构造，所述两个独特的板具有布置在所述板两侧的高度凹凸花纹形式的结构。通过该凹凸花纹，在所述板两侧得到不连续的流体通道，所述流体通道被构造来引导工作介质。所述工作介质又通过所述板相互隔离，使得在板的内部引导冷却剂，而在外部引导反应气体。反应气体的流体通道一方面受相应的板限制并且另一方面受膜电极单元限制。

因为在燃料电池系统中有水，所以在低温下、尤其是在温度明显低于0摄氏度的情况下启动燃料电池系统可能是有问题的。所述水尤其是来源于燃料电池反应，但是也可能随着燃料电池反应的反应气体、即阳极或者阴极气体被导入到所述系统中。因为燃料电池反应放热地进行并且因此燃料电池系统自动地发热，所以在切断之后，所述燃料电池系统的温度又下降。在对系统进行冷却时，尤其是在低温的情况下，可能发生低于露点并且因此发生处在系统中的水蒸气的冷凝。在相应低的温度下，水结冰并且在管道系统中可能导致流体技术上和/或机械上的阻塞。在通流的系统中的冰覆盖的表面开始融化时，也可能发生由于被流体扯下并且在系统中移动的冰粒所致的损坏。

为了解决该问题，WO 2008/086819 A1提出给燃料电池的管道系统的部件（即具有自由横截面的管道）以及用于流体控制的活动元件（如阀、用于输送气流的泵）在内部横截面的一个区域上亲水地并且在该内部横截面的另一区域上疏水地进行涂层，所述自由横截面大于冷凝的水滴。所描述的是，这导致：冷凝的水以水滴状积聚在管道的内部周围的疏水涂层的部分上，而冷凝的水扁平地分布在所述内部周围的亲水涂层的区域上。

然而，在燃料电池堆之内的流体通道具有如下直径，所述直径小于冷凝的水滴的直径。因此，水滴、尤其是结冻的水已经导致流体通道的阻塞。因此，为了防止流体通道的阻塞，需要防止上面所描述的水滴形成，因为尤其是具有结冻的水滴的流体通道的阻塞导致了燃料电池的不起作用。

因此，DE 10 2009 012 995 A1提出：在燃料电池堆之内的流体通道沿着所述通道的纵向延伸交替地装备有疏水和亲水区域，并且因此有利于水沿着流体通道的延伸方向传输。而WO 2008/086819 A1提出：在所述堆之内的流体通道完全配备亲水涂层。

然而，这些设计方案的共同之处是由于流体通道的小的横截面而形成毛细吸力，所述毛细吸力对燃料电池系统起不利的作用并且妨碍或者甚至阻止水从所述系统排出。

发明内容