[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，它包含一个外壳、至少一个由质子传导性的聚合物材料组成的第一层，该层的两侧被催化剂涂层覆盖、在催化剂层上的可导气的电极、和双极板，双极板与电极以密切相邻的距离作电导性地接触且与电极共同限定出导气的通道。

现有技术

这样一种燃料电池由“科学领域(Spektrum der Wissenschaft)”，1995年7月，第98页中已知。其中通道模制成在双极板中的相互平行地延伸。其制备相应地耗费且昂贵。该已知燃料电池的高的重量/功率比是不令人满意的。

发明描述

本发明的目的是制备一种开头所说的燃料电池，它是技术上简单的和制备费用上便宜的。

按照本发明，该目的可通过开头所说类型的、具有权利要求1所述特征的燃料电池来达到。在从属权利要求中规定了有利的实施方案。

按本发明的燃料电池有如下设计，使第一层或第二层构造成一种带波纹、褶子和/或低弯折的通道，且使另一层或多层制成平整的形状。第一层和第二层面对面放置的表面相互平行地延伸，其结果是，它或是使有效表面积扩大，或是使侧边相邻的通道面对面地搭接，因而使每个单位空间上的功率密度明显上升，并借此使功率/重量比值得以改进，尤其当用汽车领域时这有很大的优点。

两层中那一设计成波纹、Plissierung和/或低弯折的层和那个平面构型的层在本发明范围内并无其它作用。由技术的原因看，这样一种实施方案是优选的，其中第一层包括在其上安排的催化剂层，且电极构造成平面的且多数情况下由金属构成，第二层具有波纹、褶子和/或低弯折。大多数情况下，这种实施方案的功能安全性高于其它变通方案的情况。

这种燃料电池的横截面可构造成类似于波纹纸板的结构，其中一个波纹化的、起褶的或低弯折的层和一个平整的层相互交替放置，直至达到所需的总厚度或总功率为止。在相互交替放置的各单个层之间的通道在具体应用过程中轮流地有一种含氢和氧的气体流动通过，它还同时可用作从燃料电池中导走过量的热量和在化学反应期间产生的水。为此目的有利的是，使至少那些其中有水生成的通道在具体应用时垂直放置且使气体由上向下流动通过。在足够高的温度下，燃料电池中存在气态水。它称之为水蒸汽。在这种情况下水的分离可在通道外进行，且留下的、未曾使用的气体必要时加温并循环返回通道中。其余的通道有利地平行于“导水的”通道延伸。它们也可与这些通道交错地延伸。

在这样的实施方案-其中或是第一层或是第二层构造成弹性可压缩的，且与它通常是啮合接触的另一层构造成不可压缩的-中，自动会产生相互邻接的通道的很好密封，这可能弥补制造中的误差并获得好的效率。因为波纹、起褶和低弯折形成可压缩的层的构成部分，则其制造特别简单。它可使用在纺织品加工中应用的方法来实现，例如采用低拉伸(Tiefziehen)或起褶方法。在板材加工中已知有类似的方法。它们均可类似地成功采用。

第一层可由一种多孔性箔膜、一种织物或针织物或由短纤维或连续纤维(Endlosfasern)形成的无纺织物组成，它充以最多至饱和的全氟化的离子交联聚合物，其中在氧化的离子交联聚合物可以是一种带有磺化的全氟乙烯基醚侧链的聚四氟乙烯。作为替代方案建议的是，将微纤维无纺织物用1-5摩尔硫酸水溶液或用浓磷酸浸渍。其它可能性是，使用水合的磷酸锆或磷酸二氢铵浸渍。

由于厚度下降，第一层使得燃料电池的效率得到改善。从这个角度看，证明有利的作法是，第一层中含有的无纺织物由微纤维、纤维膜(Filmfibrillen)或微长丝组成。同样可能的是使用多孔箔膜。尤其是PTFE和聚砜已证明可用作该材料。

在使用一种微纤维-无纺织物作为质子导体时可以作以下安排，将这些材料用一种电解质浸渍直至饱和；其中微纤维-无纺织物在至多+200℃、及在氧化性和还原性条件下对电解质要呈化学和物理惰性，且其中微纤维-无纺织物的平面重量为20-200g/m²；其中无纺织物厚度最多为1mm，且孔体积为65-92％。

微纤维-无纺织物的平均孔径应为20nm-10μm。

第一层可被电极直接包覆，例如通过在一段距离中相互存在的面积范围内直接的相互粘着而包覆。电极可由碳化的纤维构成，该纤维是由聚合物材料形成的，例如由碳化的聚丙烯腈纤维或沥青纤维形成，且电极在厚度小于0.5mm的情况下，其面积重量为20-100g/m²。