CN115836418A - 具有铸造材料的燃料电池堆和用于制造燃料电池堆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆(2)，其具有由多个单元电池单体(4)构成的电池排，所述单元电池形成有电池内部的介质引导部，并且所述单元电池容纳在燃料电池堆壳体(5)中的相互张紧的两个端板(3)之间。存在于燃料电池堆壳体(5)中的电池排完全嵌入到电绝缘铸造材料(6)中。本发明还涉及一种用于制造燃料电池堆(2)的方法。

Description

具有铸造材料的燃料电池堆和用于制造燃料电池堆的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，其具有由多个单元电池构成的电池排，所述单元电池形成有电池内部的介质引导部，并且所述单元电池容纳在燃料电池堆壳体中的相互张紧的两个端板之间。本发明还涉及一种用于制造这样的燃料电池堆的方法。
背景技术
燃料电池用于通过电化学反应提供电能，其中，多个燃料电池可以串联联合成燃料电池堆，以增加可用的功率。燃料电池中的每个包括阳极、阴极以及将阳极与阴极分开的质子传导膜，该膜覆层有催化剂以促进电化学反应。此外，在每个燃料电池的燃料电池堆中，在膜两侧提供有双极板，用于供应反应物且必要时还供应冷却剂。此外，使用气体扩散层来将引向双极板中的反应物尽可能均匀地分布在覆层有催化剂的膜的整个面上。
这些联合成燃料电池堆的多个燃料电池通常借助于拉力元件以数千牛顿范围内的力来压制，以便在经催化剂覆层的膜处获得足够的接触压力以减少欧姆损失，并且借助于较高的压制避免使用的密封件的不密封性。
燃料电池堆通过交替堆叠统称为单元电池的双极板和膜电极组件(MEA)形成，其以这种方式形成电池排。为了避免介质从堆中出来或进入到堆中，在双极板的表面上或在MEA的表面上施加聚合物密封件，其通过借助于张紧***对电池排进行最后压制来压缩，并且由此提供密封作用。
EP 0 897 196 A1示出了一种用于制造用于高温燃料电池的绝缘部件的方法。从DE 11 2004 001 748 B4中已知一种用于制造燃料电池组件的方法，其中，燃料电池组件利用密封剂来浇铸。DE 10 2010 011 206 A1中示出了一种用于制造燃料电池堆的方法，其中借助于电绝缘浇铸料进行密封。没有公开燃料电池利用绝缘部件的注入或浇铸。
已知密封件的问题是相对于氢气的渗透性，这使得堆壳体的持续通风成为必要。此外，氢气从堆中的损失可能导致：在燃料电池***重新启动时，空气首先存在于阳极侧(所谓的空气-空气启动)上，这导致燃料电池的严重损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的密封性的燃料电池堆。该目的还是说明一种用于制造这样的燃料电池堆的改进的方法。
所述目的通过由具有权利要求1的特征的燃料电池堆和具有权利要求10的特征的方法来实现。本发明的具有适宜的改进方案的设计方案在从属权利要求中说明。
开头提及的燃料电池堆特征在于，存在于燃料电池堆壳体中的电池排完全嵌入在电绝缘铸造材料中。电池排在此在气体交换方面密封，其方式是，延迟氢气从堆中的损失并且附加地减少存在于燃料电池堆壳体中的空腔，其中，抑制或至少显著减少空气到燃料电池堆中的侵入。
已经证明为有意义的是，铸造材料支撑在燃料电池堆处。在此，也可以通过注入到合适的材料中来改善电池排的机械稳定性，因为电池相对于彼此的附着力不再仅仅基于密封件，而是将电池排支撑在壳体处。一般来说，具有非常低的H2渗透率或气体渗透率的材料是优选的，因为这些材料相对于氢气和其他气态介质具有更可靠的密封性。
为了积极影响电气爬电距离(Kriechstrecke)，已经证实为有利的是，单元电池包括容纳在两个双极板之间的膜电极组件，并且存在侧向突出部，其构造在膜电极组件处、在包围膜电极组件的框架处或在侧向围绕膜电极组件的密封件处。
浇铸层的厚度优选可以如此进行选择：将堆壳体的内部中的剩余气体体积如此程度地减少，使得在考虑并遵守氢气安全准则和标准的情况下可以省去堆壳体的任何通风。在此证明为特别适宜的是，突出部完全嵌入到铸造材料中。
备选地亦或补充地存在如下可能性：突出部仅部分嵌入到铸造材料中。在另一种设计方案中，可以减少浇铸层的厚度和/或增加MEA的突出部，以便积极影响电气爬电距离。该设计方案也减少了燃料电池堆的质量。
除了在气体交换方面对电池排进行密封之外，燃料电池堆壳体也气密地封闭，其中，存在于燃料电池堆壳体中的空腔由存在的铸造材料来减少。
存在如下可能性：燃料电池堆壳体在没有风扇的情况下形成，由此可以省去燃料电池堆壳体的任何通风。
此外有利的是，端板中的至少一个设有用于向单元电池供给以运行介质的所有联接部，所述联接部与电池内部的介质引导部流动机械地连接。以这种方式，将介质全部从一侧或同一侧导入到燃料电池堆中并还再次导出，这在利用存在于机动车中的结构空间时提供优点。
结合根据本发明的燃料电池堆描述的优点和优选实施形式也适用于根据本发明的方法。它包括以下步骤：将设有电池内部的介质引导部的由双极板和位于其间的膜电极组件构成的单元电池堆叠成电池排；使所堆叠的单元电池在燃料电池堆壳体中的两个端板之间张紧；以及将电池排铸造到支撑在燃料电池堆壳体处的电绝缘铸造材料中。
上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能够以相应说明的组合使用，而且还能够以其他组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。因此，在附图中未明确示出或解释但通过单独的特征组合由所解释的实施方案得知和可产生的实施方案也应视为由本发明包括和公开。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求书、优选实施形式的以下描述以及依据附图得出。其中：
图1示出了燃料电池装置的示意图，
图2示出了燃料电池堆，其中电池排完全嵌入到铸造材料中，
图3示出了与图2相对应的图示，其中MEA的突出部没有铸造材料。
具体实施方式
图1中示意性地示出了燃料电池装置1，其包括由多个串联连接的燃料电池组成的燃料电池堆2。该燃料电池装置1尤其可以是未更详细示出的燃料电池车辆的一部分。
燃料电池中的每个包括阳极和阴极以及将阳极和阴极分开的质子传导膜。该膜由离聚物、优选磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟磺酸(PFSA)聚合物形成。备选地，该膜可以形成为磺化烃膜。
燃料(例如氢气)从燃料箱20中经由燃料电池堆2内的阳极室被供应到阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处***成质子和电子。膜允许质子(例如H+)通过，但对电子(e-)是不可渗透的。在阳极处在此进行如下反应：2H2→4H++4e-(氧化/电子放出)。在质子通过膜到达阴极期间，电子经由外部电路传导到阴极或能量存储器。由压缩机21输送并由加湿器22加湿的阴极气体(例如氧气或含氧气的空气)可以经由燃料电池堆2内的阴极室被供应到阴极，从而在阴极侧进行如下反应：O2+4H++4e-→2H2O(还原/电子接收)。
图2中示出了燃料电池堆2，其具有由多个单元电池4构成的电池排，所述单元电池形成有电池内部的介质引导部，并且其容纳在燃料电池堆壳体5中的两个相互夹紧的端板3之间。单元电池4中的每个包括两个双极板7和容纳在其间的膜电极组件8。端板3设有用于向单元电池4供给以运行介质的联接部10，所述联接部与电池内部的介质引导部流动机械地连接。存在于燃料电池堆壳体5中的电池排完全嵌入到电绝缘铸造材料6中；因此还有在膜电极组件8或其框架或密封件中存在的突出部9。因此就此而言应注意，突出部9本身不一定是电化学活性的膜电极组件8的组成部分。这些突出部可以存在于围绕相应的膜电极组件8的框架处，该框架积极地影响堆的稳定性，并且附加地侧向密封。由于铸造材料6，可以省去燃料电池堆壳体5的通风，由此该燃料电池堆壳体即在没有风扇的情况下形成。在所示的实施例中，铸造材料6支撑在燃料电池堆壳体5处，由此此外改善了电池排的机械稳定性。铸造材料6优选由选自如下组的材料形成：热塑性聚氨酯(TPU)、三元乙丙橡胶(EPDM)和氯丁橡胶。
图3中示出了另外的燃料电池堆2，其中膜电极组件8的框架的突出部9没有完全由铸造材料6覆盖，这导致堆的总质量减少。然而在此存在如下可能性：电池排因此完全嵌入到铸造材料6中，因为铸造材料6轴向完全穿透并因此浸渍突出部9。
总体上，根据本发明的燃料电池堆2和根据本发明的用于制造燃料电池堆2的方法特征在于，电池排嵌入到电绝缘铸造材料6中，该铸造材料相对于气体交换密封，并且减少存在于电池堆壳体中的空腔。
附图标记列表
1 燃料电池装置
2 燃料电池堆
3 端板
4 单元电池
5 燃料电池堆壳体
6 铸造材料
7 双极板
8 膜电极组件(MEA)
9 突出部
10 联接部
20 燃料箱
21 压缩机
22 加湿器

Claims (10)

1.一种燃料电池堆(2)，其具有由多个单元电池单体(4)构成的电池排，所述单元电池形成有电池内部的介质引导部，并且所述单元电池容纳在燃料电池堆壳体(5)中的相互张紧的两个端板(3)之间，其特征在于，存在于所述燃料电池堆壳体(5)中的电池排完全嵌入到电绝缘铸造材料(6)中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述铸造材料(6)支撑在所述燃料电池堆壳体(5)处。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述铸造材料(6)选自包括热塑性聚氨酯(TPU)、三元乙丙橡胶(EPDM)和氯丁橡胶的组。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述单元电池(4)包括容纳在两个双极板(7)之间的膜电极组件(8)，并且存在侧向突出部(9)，其构造在所述膜电极组件(8)处、在包围所述膜电极组件(8)的框架处或在侧向围绕所述膜电极组件(8)的密封件处。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述突出部(9)完全嵌入到所述铸造材料(6)中。
6.根据权利要求4所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述突出部(9)仅部分嵌入到所述铸造材料(6)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述燃料电池堆壳体(5)气密地封闭。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述燃料电池堆壳体(5)在没有风扇的情况下形成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池堆(2)，其特征在于，所述端板(3)中的至少一个设有用于向所述单元电池(4)供给以运行介质的所有联接部(10)，所述联接部与电池内部的介质引导部流动机械地连接。
10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池堆(2)的方法，其包括如下步骤：将设有电池内部的介质引导部的由双极板(7)和位于其间的膜电极组件(8)构成的单元电池(4)堆叠成电池排；使所堆叠的单元电池(4)在燃料电池堆壳体(5)中的两个端板(3)之间张紧；以及将所述电池排铸造到支撑在所述燃料电池堆壳体(5)处的电绝缘铸造材料(6)中。
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