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1. CN107925107 - Bipolar plate and membrane electrode unit for a fuel cell arranged in a fuel cell stack, fuel cell and fuel cell stack

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[ ZH ]
用于在燃料电池堆叠中的燃料电池的双极性板和膜-电极-单 元、燃料电池和燃料电池堆叠


技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的双极性板,所述双极性板包括成型的阳极板和成型的阴极板,所述阳极板和所述阴极板分别具有一个活性区域以及两个分配器区域,用于将运行介质导入到所述活性区域中或从所述活性区域中导走,其中,所述分配器区域分别具有用于供给和导出燃料的阳极气体主端口、用于供给和导出氧化剂的阴极气体主端口,所述阴极气体主端口如此布置,使得从所述阴极气体主端口出发的阴极通道至少部分地在所述双极性板的分配器区域上直线伸展,并且具有相应于到在所述活性区域中的阴极通道中的主流动方向的流动方向。此外,所述分配器区域具有用于供给和导出冷却剂的冷却剂主端口,其中,所述板如此构造并且相叠地布置,使得所述双极性板具有用于所述运行介质的通道,所述通道将两个分配器区域的运行剂主端口连接,并且其中,所述分配器区域具有第一相交区段和第二相交区段,在所述第一相交区段中,阴极通道和阳极通道相互非流体连接地相交,在所述第二相交区段中,阳极通道和冷却剂通道相互非流体连接地相交。此外,本发明涉及一种具有四边形形状的膜-电极-单元以及一种具有双极性板和膜-电极-单元的燃料电池。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气成为水的化学转化来产生电能。为此,燃料电池包含所谓的膜-电极-单元(MEA:膜电极组件)作为核心部件,所述膜-电极-单元是由质子传导的膜和在两侧布置在膜上的分别一个电极(阳极和阴极)组成的复合体。在燃料电池的运行中,给阳极供给燃料、尤其氢气H 2 或含氢气的气体混合物,在阳极那发生( H 2 →2H++2e-)的电化学氧化,释放电子。通过将反应室气体密封地相互分离和电隔离的膜实现质子H+从阳极室到阴极室中的运输。在阳极处所提供的电子通过电线路输送给阴极。给阴极供给氧气或含氧气的气体混合物,使得发生氧气的还原(),吸收电子。同时,在阴极室中所述氧负离子与通过膜运输的质子发生反应,形成水()。通过化学能量到电能量的直接转化,燃料电池相对于其他电发生器由于绕过卡诺因子而具有改善的效率。此外基于氧气的相对于氢气较小的扩散速度,阴极反应是燃料电池反应的速度限制环节。
通常,燃料电池通过布置成堆叠(stack)的多个膜-电极-单元构造,所述多个膜-电极-单元的电功率相加。在燃料电池堆叠的两个膜-电极-单元之间分别布置有一个双极性板,所述双极性板一方面具有用于供给过程气体到相邻的膜-电极-单元的阳极或阴极的通道以及具有用于导出热的冷却通道。此外,双极性板由电传导的材料制成,以便建立电连接。因此,所述双极性板具有进行膜-电极-单元的过程气体供应、冷却和电连接的三重功能。
双极性板以不同的结构型式已知。在双极性板的设计中的基本目标是重量减小、结构空间减小以及功率密度的提高。这些标准尤其对于燃料电池的移动应用是重要的,例如对于车辆的电动牵引是重要的。
US 2005/0058864 A1(US 6,974,648 B2)和US 2006/0029840 A1(US 7,601,452B2)描述了用于燃料电池的双极性板,所述双极性板由起皱的和相互嵌套的两个板构造。这些板中的每一个具有曲折成型,使得在两侧上分别构造有沟槽,所述沟槽由壁状的突出部限界。在此,这两个板具有所构造的沟槽或突起部的不同宽度。在这些板的嵌套式结构中构造封闭通道,所述通道用作冷却通道。在该结构的两侧存在的敞开的通道(沟槽)在组装的燃料电池堆叠中在所述一侧上朝向相邻的MEA的阳极并且在另一侧上朝向相邻的MEA的阴极并且用于给它们供应空气/氧气或燃料/氢气。
在WO 03/050905 A2中示出的双极性板在一侧上具有连续的凹部用于构造阳极通道并且在另一侧上具有连续的凹部用于构造阴极通道。此外,该板具有被包围的冷却剂通道。全部通道相互平行地伸展。
发明内容
本发明现在基于以下任务:提供一种燃料电池,所述燃料电池的特点在于紧凑的形状和提高的功率密度。
通过提供具有独立权利要求的特征的双极性板和膜-电极-单元以及通过具有这些部件的燃料电池来解决所述任务。
因此,本发明的第一方面涉及一种用于燃料电池的双极性板,所述双极性板包括成型的阳极板和成型的阴极板,所述阳极板和所述阴极板分别具有一个活性区域以及两个分配器区域,用于将运行介质导入到所述活性区域中或从所述活性区域中导走,其中,所述分配器区域分别具有用于供给和导出燃料的阳极气体主端口、用于供给和导出氧化剂的阴极气体主端口以及用于供给和导出冷却剂的冷却剂主端口。在此,所述阴极气体主端口被布置为,使得从所述阴极气体主端口出发的阴极通道至少在所述双极性板的分配器区域上直线伸展,并且具有相应于到在所述活性区域中的阴极通道中的主流动方向的流动方向。此外,所述板被如此构造并且相叠地布置,使得所述双极性板具有用于所述运行介质的通道,所述通道将两个分配器区域的运行剂主端口连接,其中,所述分配器区域具有第一相交区段和第二相交区段,在所述第一相交区段中,阴极通道和阳极通道相互非流体连接地相交,在所述第二相交区段中,阳极通道和冷却剂通道相互非流体连接地相交。根据本发明规定,所述冷却剂主端口和所述阳极气体主端口相互相邻地,与所述阴极气体主端口相邻地并且在活性区域的平齐部之外布置。
根据本发明的双极性板的优点尤其在于提高的功率密度。这通过以下方式来实现:基于主端口在分配器区域中的布置,所述分配器区域具有较大的区域,在所述区域中,阴极通道与阳极通道重叠。该区域有利地已经用于燃料电池反应并且因此用于能量产生。在分配器区域中减小非活性区域。
此外,根据本发明的双极性板具有非常紧凑的形状。
替代已知的对于每分配器区域具有两个臂的双-T-形状,根据本发明的双极性板优选地具有双-L-形状并且因此对于每个分配器区域具有仅仅一个臂。可以基于主端口的布置同样减小在分配器区域中的进行供给的流动通道的长度。
因此,具有根据本发明的双极性板的燃料电池可以在较小的电池面积的情况下生成与具有根据现有技术的双极性板的燃料电池相同的燃料电池功率。
在此,双极性板中的端口可以理解为开口,所述开口在燃料电池堆叠中得出用于引导运行介质的通道。
此外,根据本发明的双极性板具有以下优点:基于阴极通道的直线性,有利于水排放,并且因此最大程度上或完全抑制阴极通道的由于水积聚引起的阻塞。此外,阳极通道和阴极通道的根据本发明的相交导致燃料和冷却剂在相交区段上的基本上均匀的分布。这又有利于反应物流体压力在阴极通道内在双极性板的整个面上的均匀分布(因为反应物流体尤其以气体形状存在,所以反应物流体在后面也称作反应物气体)。
通道理解为用于运输运行剂的敞开的(即沟槽状的)和/或封闭的(即管状的)流体连接。通道可以构造为离散的通道和/或流场或者流动场,其允许横向流动。在第一相交区段中,阴极通道和阳极通道优选在离散的通道中并且相互平行地布置。此外,阴极通道在第一相交区段中优选地以在0°至70°范围内、尤其优选地在10°至50°范围的角相互布置。
当前,双极性板划分成三个区域,所述三个区域包括两个分配器区域和一个活性区域。在此,第一分配器区域用于将运行介质导入到双极性板的活性区域,第二分配器区域用于从活性区域导走运行介质。优选地,两个分配器区域相同地实施并且尤其通过旋转对称可转变成彼此。在分配器区域中又布置有运行剂主端口、即阳极气体主端口,冷却剂主端口和阴极气体主端口。优选地,在分配器区域内,阴极气体主端口和冷却剂气体主端口或者阳极气体主端口沿着双极性板的第一侧棱边布置。此外优选地,在分配器区域内,冷却剂气体主端口和阳极气体主端口沿着与第一侧棱边相邻的第二侧棱边布置。在此,第一侧棱边优选地相对于活性区域的延伸方向成直角地布置。
通常,运行剂主端口根据其构造、尤其其尺寸比例可分类。因此,不仅在现有技术中而且在本发明中,三个不同的运行剂主端口中的阴极气体主端口始终具有最大的净面积,相反,阳极气体主端口的净面积大多比阴极气体主端口的面积和冷却剂主端口的面积小地实施。因此,在本发明中,在被动状态中,相应的运行剂主端口的功能也明确唯一地可辨识。
布置在两个分配器区域之间的活性区域的特点在于,在燃料电池堆叠的组装状态中,该区域与膜-电极-单元的电极相对置。该活性区域通过分配器区域限界并且大多以矩形形状构造。也就是说,在活性区域中发生化学反应,所述化学反应是在燃料电池中的能量产生的基础。
运行介质在此是流体、即液态地或气态地存在的物质,所述物质通过相应的运行剂主端口经由合适的供给引导到板上。在此涉及两种反应物流体、尤其阴极运行剂(氧化剂)和阳极运行剂(燃料)以及冷却剂、优选地水。优选地,将氧气用作氧化剂并且将氢气用作燃料。
在此,双极性板的阴极通道至少在分配器区域上直线地或者无转向地、即无方向改变地伸展。这在此可以理解为,俯视阴极板,阴极通道不具有回转。优选地,阴极通道相互平行地布置。这样的布置至少在分配器区域中存在。同样优选地,在双极性板的整个长度上、也即在活性区域中继续该布置。阴极通道的直线走向具有以下优点:即通过改善整个阴极通道区域中的液压横截面来阻止阴极通道的水积聚和伴随之的阻塞。此外,根据本发明的双极性板可以以低压策略、即小于2bar的运行剂压力运行。
阳极通道优选地如此构造,使得阳极通道在阴极流场的整个宽度上延伸,其中,阴极流场相应于所有阴极通道的总和。由此,有利地实现了,在整个宽度上以基本上相同的初始压力将燃料供给给流场,与此相反,在双极性板的常规的构造中,已经在分配器区域中产生燃料的不均匀的压力分布。
本发明意义上的相交区段是双极性板的分配器区域内的以下区域:在所述区域中,流动通道、即冷却剂通道,阴极通道和/或阳极通道中的至少两个类型非流体引导地重叠。在此,在各两个类型的通道之间可以围成在0°至180°范围内的角。如果围成在0°至89°范围内的角,则在相应的通道中引导的流体的流动方向视为基本上相同,相反,如果围成在91°至180°范围内的角,则流动方向基本上相反。
特别有利地,阳极通道和冷却剂通道在第一相交区段中彼此平行地伸展,并且与阴极通道围成在10°至90°范围中、尤其20°至80°、优选25°至75°、特别优选35°至55°的角。
在本发明的一种优选的构型中优选的是,所述第一相交区段沿所述活性区域的延伸方向布置在所述活性区域的平齐部处。这确保,阴极通道在分配器区域中直线地伸展并且还具有与在活性区域中的流动方向相同的流动方向。进一步优选地,从阴极主端口出来的所有阴极通道的宽度的总和基本上相应于活性区域的宽度。进一步优选地,冷却剂气体主端口和阳极气体主端口布置在平齐部之外,尤其布置在一侧。
有利地,第一相交区段具有三角形的、尤其直角的三角形的形状。该形状的特点在于其简单性。
尤其通过该构型,从相互垂直布置的两侧并且因此完全地以及均匀地给第一相交区段施加反应气体。因此,第一相交区段可供燃料电池反应使用。
优选通过以下方式实现第一相交区段的优选的形状,其方式是运行剂主端口中的至少一个运行剂主端口、尤其阴极气体主端口具有基本上三角形的形状。阴极气体主端口然后有利地如此布置在分配器区域中,使得角(Ecke)、尤其直角布置在分配器区域的背离第二相交区段的一侧上,其中,三角形的与该角相邻的侧棱边沿着双极性板的与双极性板的延伸方向垂直地布置的侧棱边伸展。
此外优选,所述第一相交区段如此布置,使得所述第一相交区段的第一侧棱边、尤其直角边在所述活性区域的棱边的延长部中伸展。该构型的优点在于最优地利用可供使用的面。与布置在双极性板处的膜-电极-单元相关联地产生以下优点:可以全面积地涂覆膜,而电极的、即催化覆层的区域不参与燃料电池反应。
有利地,所述第一相交区段还如此布置,使得所述第一相交区段的第二侧棱边、尤其直角边随着所述活性区域的进行限界的边界线伸展。在此,边界线与活性区域的延伸方向垂直地延伸并且将活性区域与分离器区域隔开。
根据本发明的双极性板在分配器区域中还具有第二相交区段。仅仅以下阳极通道和冷却剂通道在第二相交区段中伸展,所述阳极通道和所述冷却剂通道以大于0°的角、尤其以在55°至125°范围内、优选地在70°至110°范围内的角相交。第二相交区段不具有阴极通道,并且根据优选的构型位于活性区域的平齐部之外。这能够实现第一相交区段的最大扩展以及双极性板的紧凑形状。
进一步优选地,阳极通道如此在第二相交区段中伸展,使得流动方向沿背离活性区域的方向延伸。也就是说,阳极气体在该区段中与在第一相交区段内阴极气体到阴极通道中的流动方向基本上相反地流动。换言之,在第二相交区段中的阳极通道与在第一相交区段中的阴极通道成在91°至180°范围内、尤其在100°至170°范围内的角地伸展。第二相交区段中的冷却剂通道与在第一相交区段内的阴极通道相反优选具有在0°至90°范围内、尤其在20°至80°范围内的角。在该构型中,分配器区域的冷却剂主端口具有最大可能的直径。此外,冷却剂通道如此布置,使得冷却剂强烈定向地并且均布分布地被引导到活性区域中,而不进行显著的回转,在所述回转中可能发生沉积物的或冰的积聚。
本发明的另一个方面涉及膜-电极-单元,所述膜-电极-单元包括膜,所述膜具有包括两个平行的长侧和两个相互相对置的短侧的四边形形状,其中,通过短侧和与短侧相邻的长侧围成的至少一个角α不同于90°。此外,膜-电极-单元包括布置在膜的两侧的两个电极,其中,所述电极面具有与所述膜面相同的形状。根据本发明,电极面的形状相应于膜面的形状。在此,所围成的角始终可以理解为由短侧和长侧围成的角中的较小的角,即使该角相应于四边形的内角。根据本发明的膜-电极-单元因此如此设计,使得该膜-电极-单元可以布置到根据本发明的双极性板处。
燃料电池的电极通常作为气体扩散层上的催化覆层存在,所述电极那么称作气体扩散电极。然而,所述电极也可以作为膜上的催化覆层存在。在这种情况下,也谈及催化涂覆的膜或CCM(代表catalytic coated membrane)。已知不同的技术用于制造CCM、以催化材料涂覆膜材料并且因此产生催化剂层。属于此的尤其有:印刷方法、喷溅方法、沉积方法、涂抹方法等等。对于批量制造,值得期望的是具有高的生产率的有价值的方法。
根据本发明的膜相对于已知的膜具有以下优点:活性区域的一部分在功能上延伸到双极性板的分配器区域中,并且因此膜-电极-单元的功率密度提高。根据本发明的膜如此设计,使得有利地激活整个膜、即以催化材料涂覆整个膜(catalytic coated membrane,CCM)用于制造膜-电极-单元。替代地,在邻接膜的整个区域中的邻接膜的气体扩散层以催化材料涂覆,由此使可利用的活性面最大化并且提高膜-电极-单元的功率密度。
MEA的以下区域称作激活的区域:所述区域在燃料电池堆叠中给阳极和阴极施加两种反应物气体,并且在所述区域处发生燃料电池反应,产生电。然而,激活的区域仅仅占用MEA的整个面的一部分。可能具有可变的形状的其余区域用于供给并且分配运行介质给激活的区域,并且用于对MEA进行密封以及机械稳定化。这些区域称作非活性的区域或非活性区域。在常规的燃料电池中,激活的区域具有双极性板的活性区域的形状并且因此大多具有矩形的形状。在实现用于激活的区域的高的面积充分利用的追求中,最近也研发了具有非矩形的激活的区域的布置,其例如具有如在图2中示出的那样的规则的或不规则的六边形轮廓。出于成本原因,值得期望的基本上是,唯一地给激活的区域配备催化层。借助印刷方法、例如偏移印刷或丝网印刷能够选择性涂覆激活的区域。然而,这些方法在丝网印刷的情况下是相对耗费时间的或者要求成本密集的机器(偏移印刷)。与此相对,连续的涂覆方法是更快的并且与较少的耗费相关联,在所述连续的涂覆方法中,连续地以催化材料涂覆膜材料,并且稍后通过成衣步骤来剪制催化涂覆的膜。在此不利的是,在非矩形的激活区域的情况下,膜的或膜边角料的非活性区域的涂覆是不可避免的。只要非所期望地以催化材料涂覆非活性区域,则事后必须例如通过扩散势垒层的施加来锁止这些区域。在任何情况下,多余的覆层意味着催化材料的损耗。
在一种优选的构型中,三角形的所有内角不同于90°。因此,膜可以具有梯形或平行四边形的形状。该构型的优点是,膜个别地如此适配双极性板,使得膜-电极-单元的一部分延伸到分配器区域中。
此外优选的是,相对置的短侧相互平行。因此,根据本发明的膜在该构型中具有平行四边形的形状,其中,分别相对置的角相同大小。如果膜具有平行四边形的形状、即规则的矩形的形状,则所述制造相比于不规则的几何形状简化了。
此外,本发明涉及一种燃料电池,所述燃料电池包括根据本发明的双极性板和根据本发明的膜-电极-单元。根据本发明的燃料电池相对于现有技术具有提高的功率密度。
此外,本发明涉及一种燃料电池堆叠,所述燃料电池堆叠包括多个与双极性板交替地堆叠的根据本发明的膜-电极-单元。所述燃料电池堆叠尤其可以应用在具有电动驱动装置的车辆中,其中,所述燃料电池堆叠用于电动机的和/或牵引电池的电力供应。
本发明的其他优选的构型由其余的在从属权利要求中提到的特征得出。
只要在个别情况下没有另行说明,本发明的在本申请中提到的不同的实施方式可以有利地相互组合。
附图说明
下面在实施例中根据所属的附图阐述本发明。其中:
图1示出燃料电池堆叠的示意图,
图2以俯视图示出本发明的第一实施方式中的双极性板的断面的示意性原理略图,
图3以俯视图示出本发明的另一种实施方式中的双极性板的断面的示意性原理略图,
图4A示出根据现有技术的膜-电极-单元的示意图,
图4B示出根据本发明的一种优选的构型的膜-电极-单元的示意图,
图5示出根据本发明的一种优选的构型的膜的示意图,
图6A示出根据现有技术的膜的横截面的示意图,
图6B示出在一种优选的构型中的膜的横截面的示意图。
具体实施方式
图1以示意图示出燃料电池堆叠100。燃料电池堆叠100包括第一末端板111以及第二末端板112。在末端板111、112之间布置有彼此相叠的多个堆叠元件,所述多个堆叠元件包括双极性板113和膜-电极-单元114。双极性板113与膜-电极-单元114交替地堆叠。膜-电极-单元114分别包括一个膜和在膜的两侧连接的电极、即阳极和阴极(未示出)。邻接膜地,膜-电极-单元114还可以具有(同样未示出的)气体扩散层。在双极性板113与膜-电极-单元114之间分别布置有一个密封元件115,所述密封元件将阳极室和阴极室气体密封地对外严密密封。燃料电池堆叠 100借助夹持元件116、例如拉杆或张紧薄片挤压在末端板 111和112之间。
在图1中,从双极性板113和膜-电极-单元114仅仅可看见窄侧。双极性板113的和膜-电极-单元114的主面相互靠触。图1中的示图部分是非尺寸如实的。典型地,由双极性板113和膜-电极-单元114组成的单个电池单元的厚度为数毫米,其中,所述膜-电极-单元114是薄得多的部件。此外,单个电池单元的数目通常比所示出的大得多。
图2以双极性板1的俯视图示出本发明的第一实施方式中的双极性板1的断面的示意性原理略图。示出双极性板1的分配器区域2和邻接分配器区域的活性区域6。分配器区域2相比活性区域6更宽地构造。分配器区域具有三个运行剂主端口、即阴极气体主端口4、冷却剂主端口5和阳极气体主端口3。所述三个运行剂主端口如此布置,使得阴极气体主端口4和冷却剂主端口5沿着双极性板1的侧棱边彼此相邻地定位。此外,阴极气体主端口4布置在至活性区域6的延长部中、即与所述活性区域平齐地布置。与冷却剂主端口5相邻的阳极气体主端口3相反地位于活性区域6的平齐部之外。因此,双极性板1在所示出的断面中示出L形状。
流动通道31、41和51从运行剂主端口3、4和5通过分配器区域2引导到活性区域6中。在此,至少两类流动通道局部重叠地布置。构造第一相交区段9和第二相交区段10。
在第一相交区段9中,所有流动通道31、41和51重叠,其中,阳极通道31和冷却剂通道51基本上相互平行地伸展,并且与阴极通道41以在10°至45°的范围内的角相交。流动通道31、41和51的相交不是流体引导地实现,从而不发生运行介质的混合或交换。第一相交区段9在所示出的实施方式中在相应于活性区域6的宽度上延伸并且经由边界线12邻接边界线。第一相交区段9的另一侧棱边11形成活性区域6的长棱边13的延长部。根据阴极主端口4的成型,第一相交区段9具有三角形的、尤其直角三角形的形状。阴极通道41直线地在分配器区域2上伸展,并且直接绕过到活性区域6的阴极通道中。
第二相交区段10相邻地布置在第一相交区段9侧面。因此,第二相交区段位于活性区域6的平齐部之外。第二相交区段同样优选三角形地构造并且以侧棱边、尤其斜边邻接第一相交区段9的侧棱边11,所述第一相交区段的侧棱边形成活性区域6的长棱边13的延长部。在第二相交区段10的其他侧邻接有阳极气体主端口3和冷却剂主端口5。冷却剂主端口5在此优选与阴极气体主端口4相邻,从而从冷却剂主端口5出发的冷却剂通道51与阴极通道41成一个角度地到达第一相交区段9并且基本上具有与阴极通道41相同的流动方向。所述冷却剂通道还直线地在第二相交区段10上伸展。相反,阳极流动通道31从阳极主端口3出发以大于0的角度到达第一相交区段9,从而阳极流动通道在其在第二相交区段10上的直线伸展之后经历流动折回,以便在第一相交区段9中关于阳极气体的流动方向基本上同向地伸展至阴极通道41。
在所示出的实施方式中,流动通道31、41和51在活性区域6中相互平行地并且直线地伸展。可替代地,至少一类流动通道31、41和/或51迂回地在活性区域上伸展。
此外,优选地,流体在流动通道31、41和/或51中的流动方向是同向的,尽管可能选择了以下实施方式:在所述实施方式中,两类、例如阳极通道31和阴极通道41相反地流动。
图3以本发明的另一实施方式示出双极性板的断面的示意性原理略图。双极性板1的断面同样在俯视图中示出,并且基本上相应于图2中的实施方式的结构。第二实施方式与在图2中示出的实施方式的区别在于阳极气体主端口3和冷却剂主端口5的布置。它们与第一实施方式相比交换了。这影响冷却剂通道51的和阳极通道31的布置和流动方向。而在第一实施方式中,阳极通道31在第二与第一相交区段9、10之间的边界处经历流动折回,这在图3示出的实施方案中适用于冷却剂通道。作为应对,阳极通道31在此在整个分配器区域2上直线地伸展。
因为在第一相交区段9中,阴极通道41和阳极通道31叠加,所以该区域已经适合于燃料电池反应,因为在此,不仅燃料而且氧化剂可供使用,并且因此可以称作可激活的区域28。为了给燃料电池反应供给燃料和氧化剂,必要的是,在该区域中,适当的电极表面可供使用。这可以通过根据本发明的膜-电极-单元20的提供来实现,如从以下附图可得出的那样。
图4A以膜-电极-单元20的平坦侧的俯视图示出根据现有技术的膜-电极-单元20。膜-电极-单元20具有催化涂覆的膜21。在所示出的例子中,催化涂覆的膜21具有六边形的轮廓。在该六边形的轮廓内布置有活性区域6,所述活性区域通过虚线标出。在活性区域6之外,催化涂覆的膜21具有可激活的区域28和非活性区域25。活性区域6具有双极性板1的活性区域6的形状。根据可激活的区域28是否具有催化覆层22以及可激活的区域28中的多少具有催化覆层22,活性区域6和可激活的区域28共同地形成激活的区域29。在该激活的区域29中,在膜-电极-单元20到燃料电池堆叠100的安装状态中,在阳极和阴极处发生燃料电池反应并且因此产生电。相反,非活性区域25用于其他功能、例如供给运行介质到活性区域6。理想地,聚合物电解质膜21仅仅在活性区域6中以催化覆层22涂覆。
膜-电极-单元20包括不同的通孔3至5,所述通孔用于不同的运行介质的供给和导出。所述通孔优选地布置在膜的保护层和/或支撑层26中。因此,第一阳极气体主端口3用于供给阳极运行气体到燃料电池堆叠100的阳极,并且相对置的第二阳极气体主端口3用于导出阳极运行气体。相似地,第一阴极气体主端口4用于供给阴极运行气体到燃料电池堆叠100的阴极,相对置的第二阴极气体主端口4用于导出阴极运行气体。最后,第一冷却剂主端口5用于供给冷却剂到双极性板1的内部的冷却剂通道51,并且相对置的第二冷却剂主端口5用于导出冷却剂52。未单独示出的双极性板1具有与所示出的膜-电极-单元20基本上相同的裁剪,尤其对应的端口3、4和5。通过这种方式,在膜-电极-单元20和双极性板1的堆叠状态中构造有运行剂主通道,所述运行剂主通道沿燃料电池堆叠100的堆叠方向(见图1)贯穿燃料电池堆叠100。(所述运行介质主通道在图1中未示出,图1仅仅示出燃料电池堆叠的活性区域6的一个剖面。)阳极气体主端口和阴极气体主端口3至4通过在堆叠100中邻接的双极性板1的敞开的分配器通道与双极性板1的相应的阳极通道或阴极通道31、41流体引导地连接。冷却剂主端口5与双极性板1的内部的冷却剂通道51连接。连接活性区域6的阳极通道或阴极通道31、41以及端口3、4和5的分配器通道结构在非活性区域25中伸展。
为了进行机械支撑,膜21通常在两侧由分别一个支撑层26围住,所述支撑层在膜21的边缘区域处包围膜21。
可选地,膜21也可以在膜-电极-单元20的整个面上延伸,并且在其边缘区域处以支撑层26层压。此外,在图4A中可看出密封装置27,所述密封装置围住运行剂通孔3、4和5以及催化涂覆的膜21,以便将它们对外密封。可选地,替代布置在膜-电极-单元20上地,密封装置27可以布置在双极性板1上,或者布置在两者上。
如已经说明的那样,燃料电池反应仅仅发生在激活的区域29中。因此追求,尽可能仅在该区域中施加催化剂层22,因为催化材料比燃料电池堆叠的其他单个部件昂贵得多。在另一方面追求,将活性区域6设计为尽可能大的,并且将非活性区域25设计为尽可能小的,以便实现尽可能高的能量利用率或者使燃料电池的所需的结构空间和重量最小化。激活的区域29的与该追求相应地得出的轮廓可能与常规的矩形轮廓(如在图4A中所示的那样)不同并且具有不规则的轮廓。
具有非矩形的活性区域的催化涂覆的膜21的成本有利的和节省时间的批量制造到目前为止仅仅不令人满意地被解决。例如,所述制造可以通过选择性的涂覆方法来实现,在选择性的涂覆方法中,催化材料例如通过选择性的印刷方法、如丝网印刷或偏移印刷仅仅被施加到膜材料的激活的区域6上。然而,这些方法的特点在于缓慢的生产速度(丝网印刷)或成本密集的机器(偏移印刷)。在另一方面,连续的涂覆方法是较快并且较成本高效的,在所述连续的涂覆方法中,在产生恒定的涂覆宽度的情况下将催化材料施加到膜材料上。
图4B示出根据本发明的膜-电极-单元20'。根据本发明的膜-电极-单元20'的基本结构基本上相应于在图4A中示出的膜-电极-单元。区别在于膜21的和电极的形状。
在此,膜21具有包括两个平行的长侧的四边形形状。短侧23与长侧24成一个角,该角是不同于90的°。在图4B中,膜具有平行四边形的形状。
在分配器区域2中布置有运行剂主端口3、4和5。在此,阴极气体主端口4平齐地位于活性区域6的延长部中。冷却剂主端口5和阳极气体主端口3在分配器区域2中布置在膜21的侧面。
图5示出根据本发明的在图4B中优选的构型的膜21。膜21在俯视图中具有四边形形状,其中,长侧24彼此平行地布置。长侧24的端点通过各个短侧23相互连接。在此,第一短侧23与两个长侧24围成一个角α,第二短侧23与长侧24围成一个角ß。两个角α和/或ß中的至少一个不同于90°。此外,在所示出的实施方式中,角α和ß是相同大小的。因此,这两个短侧23是彼此平行的,并且膜21具有平行四边形的形状。在膜21内的具有与膜21相同的宽度的最大可能的矩形相应于在先前的图中示出的双极性板1的活性区域6。
为了布置在膜-电极-单元20'中,在膜21两侧布置催化材料22。这例如可以通过膜21的或气体扩散层(未示出)的催化覆层来实现。催化覆层22在活性区域6中并且根据本发明附加地在可激活的区域28中并且因此全面积地,具有局部去活或不具有局部去活地或仅仅局部地实现。在此,目标是,稍后的膜-电极-单元20'的所有区域在以下区域中具有活性的催化覆层22:在所述区域中,燃料和氧化剂同时存在。
图6A和6B示出两个实施方案中的具有邻接的催化覆层22的膜21的横截面。图6A的实施方案示出部分催化覆层22,所述催化覆层仅仅在活性区域6中邻接膜。形成非活性区域25,所述非活性区域不可供燃料电池反应使用。不同于此,图6B以横截面示出根据本发明的膜21的优选的构型,所述膜在整个面上具有催化覆层22。因为在其中燃料电池反应产生能量的区域越过活性区域6,所以所述膜21在用于在图2和3中描述的类型的双极性板1的膜-电极-单元20中的布置提高了所形成的燃料电池的功率密度。
附图标记列表
1 双极性板
2 分配器区域
3 阳极气体主端口
4 阴极气体主端口
5 冷却剂主气体端口
6 活性区域
7 阳极板
8 阴极板
9 第一相交区段
10 第二相交区段
11 第一相交区段的侧棱边
12 边界线
13 活性区域的长棱边
20 膜-电极-单元
20' 根据现有技术的膜-电极-单元
21 膜
22 催化覆层
23 短侧
24 长侧
25 非活性区域
26 支撑层
27 密封装置
28 可激活的区域
29 激活的区域
31 阳极通道
41 阴极通道
51 冷却剂通道
52 冷却剂
100 燃料电池堆叠
111 第一末端板
112 第二末端板
113 双极性板(现有技术)
114 膜-电极-单元
115 密封元件
116 夹持元件
S 堆叠方向。