[发明专利]燃料电池

说明书

本发明涉及一种带有堆栈的燃料电池(10)，包括：双极板(20)，该双极板(20)具有流场(22)，该流场(22)通过双极板(20)的成型部构造，以及纵向延伸的密封元件(21)，该密封元件(21)至少部分包围流场(22)；和膜片电极单元(30)。设置成，在空腔(25)内布置有在空腔(25)的延伸方向上延伸的填充体(24)，该空腔(25)构造在膜片电极单元(30)与双极板(20)之间在在密封元件(21)与流场(22)之间的区域中。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池由至少一个双极板和通过框架被固定的膜片电极单元的堆栈构成。在此，双极板具有由双极板的成型部构造的流场。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧气到水的化学转换，以为了产生电能。为此，燃料电池作为核心部件含有所谓的膜片电极单元(MEA代表membrane electrode assembly)，该膜片电极单元是由离子传导的尤其质子传导的膜片和分别在两侧布置在膜片处的电极(阳极和阴极)构成的组合体。此外，气体扩散层(GDL)能够在膜片电极单元的两侧布置在电极的背对膜片的侧边处。通常，燃料电池由多个以堆栈(stack)布置的MEA形成，其电功率叠加。在燃料电池的运行中，燃料(尤其氢气H₂或含氢气的气体混合物)被供应给阳极，在该处在释放出电子的情形下发生H₂到H⁺的电化学氧化。通过电解质或膜片(该膜片气密地彼此分开并且电气绝缘反应腔)实现质子H⁺从阳极腔到阴极腔中的(含水的或不含水的)输送。在阳极处所提供的电子通过电导线被导入给阴极。氧气或含氧气的气体混合物被供应给阴极，从而在接收电子的情形下从O₂到O^2-的还原发生。同时，在阴极腔中这些氧阴离子与通过膜片输送的质子在形成水的情况下起反应。通过从化学能到电能的直接的转换，燃料电池相对于其它的发电机由于卡诺因子(Carnot-Faktor)的折算(Umgehung)得到改善的效率。

燃料电池通过多个以堆栈布置的单电池形成，从而也称为燃料电池堆。在膜片电极单元之间布置有双极板，该双极板确保利用运行介质(也就是说反应物和冷却液)供应单电池。此外，双极板负责相对于膜片电极单元的导电的接触。

双极板至少由一对轮廓成型的板构建，这两个板分别具有冷却剂侧和电池侧并且两个板如此彼此相对布置和连接，使得在彼此面对的冷却剂侧之间构造有用于输送冷却剂的通道。板在其活性区域中具有由凹槽或通道构成的编组，其在其电池侧上形成用于将反应物分配到相应的阳极和阴极的表面之上的敞开的流场或流动场。在在双极板内的板之间成形有冷却剂通道并且将冷却剂分配到燃料电池堆之上用于其冷却。

为了使阳极腔或者阴极腔物理上与燃料电池的周围环境绝缘，电池堆栈在双极板的边界区域中具有密封元件。这些密封元件用于密封和电气绝缘并且典型地以环绕活性和非活性区域的框架的形式布置在双极板上。

在已知的燃料电池堆中，密封元件和流场彼此间隔开，以为了容纳膜片电极单元的制造公差、安置焊缝并且避免扩散层和膜片与密封元件的重叠。扩散层和密封元件的重叠能够导致气态的运行介质的不期望的泄漏。密封元件和与此间隔开的流场因此形成缝隙，其在堆栈中导致构造空腔。该空腔引起，大量反应物气体绕开双极板的活性区域，这也称为反应物旁路流。反应物旁路流是不经济的，因为反应物气体未被引导到燃料电池堆的活性领域处并且因此未供电化学反应使用。此外，反应物旁路流导致在活性区域中的压力损失，必须利用相应的反应物气体的增加的供应应对该压力损失。此外，反应物旁路流能够由于反应物不足对燃料电池堆的耐久性、可靠性和有效功率具有不期望的影响。为了解决该问题，在文件DE 10 2009 017 906 A1提出了，在密封元件处布置阻挡层，该阻挡层向内朝向双极板的活性区域延伸并且因此减少了反应物旁路流。

在该解决方案中不利的是，必须设置缝隙，以为了确保，膜片电极单元在压缩电池时不由非弹性的双极板损坏。

发明内容