[发明专利]燃料电池

说明书

本发明涉及一种燃料电池(110)，具有两个气体扩散层(70)、两个电极元件(10、10’)和一个膜片元件(30)。膜片元件(30)布置在这两个气体扩散层(70)之间，其中，各一个电极元件(10、10’)嵌入在一个气体扩散层(70)和所述膜片元件(30)之间。膜片元件(30)实施为非晶碳层。

背景技术

由现有技术、例如由公开文献DE 10 2009 001 153 A1已知燃料电池。已知的燃料电池包括两个气体扩散层、两个电极元件和一个膜片元件。膜片元件在各一个电极元件位于中间的情况下布置在两个气体扩散层之间。通过供应管路将氧化剂、通常是环境空气供应给燃料电池，并且通过燃料管路将气态燃料、例如氢气供应给燃料电池。在燃料电池中，在催化剂参与的情况下出现燃料与氧化剂的电化学反应。为此，膜片元件必须离子传导地实施，优选这样实施，使得燃料的阳离子可以扩散通过膜片元件。通常地，使用聚合物作为膜片元件。该聚合物的离子传导性能随着液态水含量增大。因此，聚合物应仅承受小于100℃的运行温度，使得液态水不蒸发。

发明内容

与此相对地，根据本发明的燃料电池具有明显提高的可靠的运行温度，即直至至少350℃。由此，可以明显简化用于燃料电池的热管理并且提高燃料电池的功率密度。

为此，燃料电池包括两个气体扩散层、两个电极元件和一个膜片元件。膜片元件布置在两个气体扩散层之间，其中，各一个电极元件嵌入在气体扩散层和膜片元件之间。膜片元件实施为非晶碳层。

非晶碳层是气密的、电绝缘的、质子传导的和非常温度稳定的。由此，燃料电池的膜片元件也适用于相对较高的温度、优选直至350℃。因此，燃料电池的冷却可以更简单地实施，可以减小膜片元件的层厚度，燃料电池的功率密度因此增大。膜片元件在润湿明显低于通常的情况下也具有质子传导性能；这是非晶碳层的大的优势。

因此，在用于运行燃料电池的方法中不需要膜片元件的润湿。在所述方法中，在两个气体扩散层中的一个气体扩散层上提供燃料、优选氢气，并且在两个气体扩散层中的另一个气体扩散层上提供氧化剂、优选氧气。在此，燃料和氧化剂均不富集有湿气，因为膜片元件实施为非晶碳层并且因此在没有外部润湿的情况下也是质子传导的。因此，在具有根据本发明的燃料电池的燃料电池系统中可以取消润湿装置。

在优选构造方案中，膜片元件实施为含氢的非晶碳层，或者也构造为四面体的含氢的非晶碳层。由此膜片元件的电阻特别高。

在替代的有利构造方案中，膜片元件实施为四面体的不含氢的非晶碳层。由此膜片元件的质子传导性能特别高。

有利地，非晶碳层是掺杂的。由于所述掺杂，进一步改善膜片元件的质子传导性能和电绝缘，所述掺杂优选是半金属、碱金属或非金属。

在有利的扩展方案中，在电极元件的至少一个上布置有催化剂结构。在此有利地，催化剂结构(优选铂)嵌入到电极元件中；它们共同形成所谓的电极。催化剂结构用于燃料和/或氧化剂的离子化以用于在燃料电池中的电化学反应。当膜片元件实施为非晶碳层时、尤其当催化剂结构在涂覆过程期间作为掺杂物质被添加时，简化催化剂结构和膜片元件之间的连接。对此优选地，将催化剂结构作为掺杂物质添加给膜片元件。催化剂、优选铂或者催化剂结构优选可以借助于涂覆过程集成到膜片元件中。有利地，为此首先将催化剂结构施加到气体扩散层上，随后进行以膜片元件的涂覆，其中，在过渡阶段中可以并行地进行两个涂覆。

在有利的实施方案中，在电化学转化时气态燃料优选通过气体扩散层中的一个气体扩散层流到催化剂结构上。在电化学转化时燃料与氧化剂反应，电流通过电极元件流动。气体扩散层布置在电极元件上，布置在电极元件的背离膜片元件的一侧上，或者包围电极元件。