CN116686122A - 具有可压缩的织物结构的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆(1)，其具有多个沿着堆叠方向彼此堆叠的燃料电池(2)。燃料电池(2)中的至少一个具有至少一个可压缩的织物结构(3)，该可压缩的织物结构配属有具有弹性常数的弹性功能。借助于弹性功能，燃料电池(2)沿着堆叠方向的长度变化可通过可压缩的织物结构(3)的与该长度变化相反的负的长度变化来补偿。

Description

具有可压缩的织物结构的燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，其具有多个沿着堆叠方向彼此堆叠的燃料电池。

背景技术

燃料电池装置被用于使燃料与氧气化学地转化成水，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元(MEA，membrane electrode assembly膜电极组件)作为核芯部件，该膜电极单元是由传导质子的膜和分别在两侧布置在膜处的电极(阳极和阴极)构成的复合物。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜电极单元两侧布置在电极的背离膜的侧面处。在具有多个联合成燃料电池堆的燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其是氢气H₂或含氢气的气体混合物被供应给阳极，在该处在释放电子的情况下进行从H₂到H⁺的电化学氧化。经由电解质或使反应腔气密地相互分离并且电绝缘的膜，进行质子H⁺从阳极腔到阴极腔中的输送。在阳极处提供的电子经由阴极的电气线路进行传导。氧气或含氧气的气体混合物被供应给阴极，从而在吸收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。同时，在阴极腔中，这些氧离子与经由膜输送的质子在形成水的情况下进行反应。

DE 10 2005 022 484 A1示出了一种气体扩散层，到该气体扩散层中集成有由可压缩的织物构成的层，该层应防止气体扩散层被压入到双极板的气体通道中。

DE 100 427 44A1公开了一种用于燃料电池堆的气体分配层，该气体分配层由可压缩的织物构成，以便通过气体分配层的限定的压缩提高电池电阻。

DE 43 401 53C1公开了一种导电的、弹性的且气体可透过的接触垫，该接触垫具有可变形的表面结构。在此，接触垫用于补偿电极的表面处的不平度。

在燃料电池堆的典型的结构形式中，彼此堆叠的燃料电池或单元电池在外部借助于固定元件、尤其是借助于带保持在一起。这些固定元件固定到燃料电池堆的两个位于末端的燃料电池处并且使这些燃料电池彼此以限定的且恒定的距离保持。

在此不利的是，所堆叠的电池的长度在运行期间不保持恒定。这尤其是导致了使例如对于进行电池电压监测所需的联接的实施和定位变困难。

发明内容

因此本发明的任务是，提供一种燃料电池堆，该燃料电池堆实现在所有运行状态下恒定的堆长度。

该任务借助于权利要求1所述的特征来解决。本发明的具有适宜改进方案的有利设计方案在从属权利要求中说明。

该燃料电池堆的特征尤其是在于，燃料电池中的至少一个具有至少一个可压缩的织物结构，该可压缩的织物结构配属有具有弹性常数的弹性功能，并且借助于该弹性功能，燃料电池沿着堆叠方向的长度变化可通过可压缩的织物结构的与该长度变化相反的负的长度变化来补偿。

换句话说，可压缩的织物结构的弹性功能在所有运行状态下实现燃料电池的长度补偿，使得燃料电池在堆叠方向上独立于运行状态总是具有限定的长度。因此，由于导致膜电极组件的膨胀的热延展或者静液的长度变化，燃料电池在堆叠方向上的长度延展(由于导致膜电极组件的膨胀的热延展或者静液的长度变化)可以通过将可压缩的织物结构压在一起而完全补偿。在此，由于热的或静液的长度变化，在层之间发生压力升高，从而激活可压缩的织物结构的弹性功能并且将其压在一起。因此，可压缩的织物结构的弹性功能防止由于压力过高而出现的燃料电池和燃料电池堆的部件的损坏。因此，在燃料电池堆之内在两个位于末端的燃料电池之间作用特定的压紧力，该压紧力在燃料电池堆的所有运行方式上都是恒定的。此外，在所有运行状态上恒定的堆长度和压紧力实现更简单地实施燃料电池堆中的电池电压监测，因为缆线长度可以在没有预留环线(Reserveschleife)的情况下来实施。这导致所需的结构空间减少。在所有运行状态上恒定的燃料电池堆长度的另一个优点在于，所有引导电流的部件的长度都可以恒定地实施，尤其是汇流排的长度。

就此而言优选的是，燃料电池中的每个具有带有配属弹性功能的至少一个可压缩的织物结构。

此外，就此而言有利的是，不同的燃料电池具有在其弹性常数方面不同的可压缩的织物结构。这实现在燃料电池堆的不同区域中使用不同的可压缩的织物结构，使得弹性常数可以在燃料电池堆的中心中(即在其芯部中)与在燃料电池堆的端部处不同地进行选择。由此，实现了在燃料电池堆的不同区域上单独地适配和控制压紧力。

尤其有利的是，可压缩的织物结构由彼此交织的纤维构成，并且弹性功能通过无序地布置纤维构造。在一个特别简单的构造方式中，弹性功能借助于有序地布置纤维来构造。备选地或附加地优选的是，可压缩的织物结构通过波形构造的纤维构成，所述纤维提供弹性功能。因此，织物结构的纤维不彼此交织，而是波形地构造。优选地，波形构造的纤维的平均幅度大于交织的织物结构的纤维的平均幅度。在此，可压缩的织物结构也可以具有无规律的结构，也就是说，波形构造的纤维的幅度沿着织物结构不同。

备选地或附加地有利的是，织物结构由具有第一平均幅度的彼此交织的纤维构成，并且为了提供弹性功能，存在波形形成的弹性纤维，该弹性纤维与织物结构的纤维相配属或者与这些纤维交织，并且弹性纤维的第二平均幅度大于织物结构的纤维的第一平均幅度。

为了可以特别简单地提供具有配属弹性常数的弹性功能，优选的是，提供弹性功能的纤维至少部分地由塑料或金属构成。

在位于末端的燃料电池之间作用的压紧力在此可以单独针对每个燃料电池并且也在燃料电池内进行控制，其方式为可压缩的织物结构具有第一区域和第二区域，第一区域配属有第一弹性常数，第二区域配属有与第一弹性常数不同的第二弹性常数。可压缩的织物结构也可以具有在其弹性常数方面不同的多于两个区域。

为了简单地实施可压缩的织物结构，有利的是，燃料电池分别具有活性区域，存在用于将第一反应物输送到活性区域中和/或从活性区域输送出的第一介质引导部，用于将第二反应物输送到活性区域中和/或从活性区域输送出的第二介质引导部，以及用于将冷却介质输送到活性区域中和/或从活性区域输送出的第三介质引导部，并且可压缩的织物结构与介质引导部中的至少一个相配属或者布置在其中。在此，介质引导部优选地形成为流场。

就此而言尤其有利的是，介质引导部中的多个具有可压缩的织物结构，并且不同介质引导部的可压缩的织物结构配属有不同的弹性常数。因此，在单个介质引导部或介质腔中的弹性可以不同地设计并且由此进行调整。这允许应对不同的介质引导部的特定的边界条件。因此，输送或具有反应物的介质腔(即阳极腔和阴极腔)的大小例如可以在大小方面保持几乎恒定，以便在静液的状态下也确保燃料和空气到活性区域中的供应。与此相比，优选地具有冷却介质的第三介质腔可最强烈地压缩，因此具有比其余的介质腔的弹性常数更小的弹性常数。因此尤其优选的是，可压缩的织物结构至少与输送冷却介质的第三介质引导部相配属或布置在其中。

以上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/或在图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在相应说明的组合中使用，而且可以在其它组合中使用或者单独使用，而不离开本发明的范围。因此，在图中未明确示出或解释但通过独立的特征组合从所解释的实施方案中得出并可产生的实施方案也可视为由本发明包括和公开。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节从权利要求书、优选的实施方式的下面描述中以及根据附图得出。其中：

图1示出了未被压缩的燃料电池堆的示意图，

图2示出了被压缩的燃料电池堆的示意图，

图3示出了可压缩的织物结构的示意图，

图4示出了另外的可压缩的织物结构的示意图，以及

具体实施方式

图1示出了燃料电池堆1，其具有可以形成为单元电池的多个燃料电池。每个燃料电池2由具有活性区域的膜电极组件9构成，该膜电极组件在阳极侧和阴极侧分别配属有双极板14。在膜电极组件9和双极板14之间此外分别布置有阴极侧的和阳极侧的气体扩散层10。双极板14由两个彼此接合的单板构成，单板中的一个提供第一介质引导部6(即阴极流场11)，并且单板中的另一个提供第二介质引导部7(即阳极流场12)。在其之间构造有第三介质引导部8(即冷却介质流场13)。可压缩的织物结构3分别与介质引导部6,7,8相配属或者布置在其中，该可压缩的织物结构配属有具有弹性常数的弹性功能。在此，该弹性功能实现了燃料电池2沿着堆叠方向的长度变化通过可压缩的织物结构3的与该长度变化相反的负的长度变化来补偿。换句话说，可压缩的织物结构3的弹性功能实现在所有运行状态下燃料电池2的长度补偿，使得燃料电池2在堆叠方向上并且因此燃料电池堆1独立于运行状态总是具有限定的长度。

图2示出了其中可压缩的织物结构3部分压缩的燃料电池堆1。由于例如膜电极组件9的热的或静液的延展，在燃料电池堆1的位于末端的燃料电池2之间发生压力升高。这种压力升高通过压缩可压缩的织物结构3来补偿，从而在燃料电池堆1内在两个位于末端的燃料电池之间作用特定的压紧力，该压紧力在燃料电池堆1的所有运行方式上都是恒定的，并且燃料电池堆的长度同样保持恒定。

然而，图2也表明了可压缩的织物结构3可以具有不同的弹性常数。因此，在单个介质引导部6,7,8或流场11,12,13中的弹性可以不同地设计并且由此进行调整。当前，第一介质引导部6和第二介质引导部7(即阳极流场11和阴极流场12)的织物结构3具有比第三介质引导部8(即冷却介质流场13)更高的弹性常数。因此，冷却介质流场13的可压缩的织物结构被最强烈地压缩，而与阳极流场12和阴极流场11相配属的或布置在其中的织物结构3可仅略微压缩。由此，阳极腔和阴极腔的大小在压紧力和燃料电池堆长度仍恒定的情况下保持几乎恒定。

此外也可能的是，在燃料电池堆1内的不同的燃料电池2具有带有不同弹性常数的可压缩的织物结构3。例如，弹性常数可以在燃料电池堆1的中心中(即在其芯部中)与在燃料电池堆1的端部处不同地进行选择。

此外，可压缩的织物结构3也可以具有第一区域和第二区域，第一区域配属有第一弹性常数，第二区域配属有与第一弹性常数不同的第二弹性常数。

在图1和图2中，可压缩的织物结构3的弹性功能通过有规律地布置彼此交织的纤维4来形成。备选地且未示出，弹性功能也可以通过无规律地布置彼此交织的纤维4来提供。

在图3中示出了可压缩的织物结构3的另一个备选方案。在此，可压缩的织物结构3具有带有第一平均幅度的彼此交织的纤维4。为了提供弹性功能，存在具有第二平均幅度的波形形成的弹性纤维5。在此，第二平均幅度大于第一平均幅度，从而可以通过弹性纤维5提供具有弹性常数的弹性功能。

在图4中示出了可压缩的织物结构3的另一个实施方式，其中弹性功能通过纤维4自身波形地形成(即不彼此交织)来提供。

在此，提供弹性功能的纤维4,5至少部分地由塑料或金属构成。

附图标记列表

1 燃料电池堆

2 燃料电池

3 可压缩的织物结构

4 纤维

5 弹性纤维

6 第一介质引导部

7 第二介质引导部

8 第三介质引导部

9 膜电极组件

10 气体扩散层

11 阴极流场

12 阳极流场

13 冷却介质流场

14 双极板

Claims (10)

1.一种燃料电池堆(1)，其具有多个沿着堆叠方向彼此堆叠的燃料电池(2)，其特征在于，所述燃料电池(2)中的至少一个具有至少一个可压缩的织物结构(3)，所述可压缩的织物结构配属有具有弹性常数的弹性功能，并且借助于所述弹性功能，所述燃料电池(2)沿着所述堆叠方向的长度变化能够通过所述可压缩的织物结构(3)的与所述长度变化相反的负的长度变化来补偿。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述燃料电池(2)中的每个具有带有配属弹性功能的至少一个可压缩的织物结构(3)。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述可压缩的织物结构(1)由彼此交织的纤维(4)构成，并且所述弹性功能通过无序地布置所述纤维(4)来构造。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述可压缩的织物结构(3)通过波形构造的纤维(4)构成，所述波形构造的纤维提供所述弹性功能。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述可压缩的织物结构(3)由具有第一平均幅度的彼此交织的纤维(4)构成，并且为了提供所述弹性功能，存在波形形成的弹性纤维(5)，所述弹性纤维与所述织物结构(3)的纤维(4)相配属或者与所述纤维交织，并且所述弹性纤维的第二平均幅度大于所述第一平均幅度。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的所述燃料电池堆(1)，其特征在于，提供所述弹性功能的纤维(4,5)至少部分地由塑料或金属构成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的所述燃料电池堆(1)，其特征在于，所述可压缩的织物结构(3)具有第一区域和第二区域，所述第一区域配属有第一弹性常数，所述第二区域配属有与所述第一弹性常数不同的第二弹性常数。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的所述燃料电池堆(1)，其特征在于，所述燃料电池(2)分别具有活性区域，存在用于将第一反应物输送到所述活性区域中和/或从所述活性区域输送出的第一介质引导部(6)，用于将第二反应物输送到所述活性区域中和/或从所述活性区域输送出的第二介质引导部(7)，以及用于将冷却介质输送到所述活性区域中和/或从所述活性区域输送出的第三介质引导部(8)，并且所述可压缩的织物结构与所述介质引导部(6,7,8)中的至少一个相配属或者布置在其中。

9.根据权利要求8所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述介质引导部(6,7,8)中的多个具有所述可压缩的织物结构(3)，并且所述不同介质引导部(6,7,8)的可压缩的织物结构(3)配属有不同的弹性常数。

10.根据权利要求8或9所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述可压缩的织物结构(3)与所述输送所述冷却介质的第三介质引导部(8)相配属或布置在其中。