[发明专利]用于燃料电池和电池单元的极板组件

说明书

本发明涉及一种用于燃料电池的极板组件(50)，包括‑极板(2)，其在其平侧的至少一个处具有抬高部(52)和在其间布置的自由腔(54)，其构造用于反应物的流动结构，和‑支撑结构(56)，其构造用于防止或至少减少邻接到支撑结构(56)处的气体扩散层(40)和/或膜片电极组件(10)到流动结构的自由腔(54)中的穿入。设置成，极板组件(50)构造成，使极板(12)伸入到支撑结构(56)中。此外，本发明涉及一种带有根据本发明的极板组件(10)的电池单元(11)。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的极板组件。极板组件包括极板，其在其平侧的至少一个处具有抬高部和在其间布置的自由腔，该自由腔构成用于反应物的流动结构。此外，极板包括支撑结构，其构造用于防止或至少减少邻接到支撑结构处的气体扩散层和/或膜片电极组件到流动结构的自由腔中的穿入。本发明另外涉及一种电池单元，其具有这样的极板组件。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧气化学地转化成水以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜片电极组件(membrane electrode assembly简称MEA)作为核心部件，其为一种由传导离子(大多传导质子)的膜片和分别在两侧布置在膜片处的催化电极(阳极和阴极)构成的结构。后者包括大多被承载的贵金属、尤其铂。此外，气体扩散层(GDL)可在膜片电极组件的两侧布置在电极的背对膜片的侧处。通常，燃料电池通过多个在堆垛(燃料电池垛)中布置的其电功率相叠加的MEA来形成。在各个膜片电极组件之间通常布置有双极板(还称为流动场板或分离器板)，其确保以运行介质、即反应物供给电池单元并且一般还用于冷却。此外，双极板用于与膜片电极组件的可导电的接触。

在燃料电池的运行中，将燃料(阳极运行介质)、尤其氢气H₂或含氢气的混合气体经由双极板的阳极侧的敞开的流动场输送给阳极，在该处，在释放电子的情况下进行H₂至质子H⁺的电化学的氧化(H₂→2H⁺+2e^-)。经由使反应腔气密地彼此分离且电绝缘的膜片或电解质实现质子从阳极室到阴极室中的(水合的或无水的)运送。将在阳极处提供的电子经由电导线导送给阴极。经由双极板的阴极侧的敞开的流动场将氧气或含氧气的混合气体(例如空气)作为阴极运行介质输送给阴极，从而在吸收电子的情况下进行O₂到O^2-的还原(½O²+2e^-→O^2-)。同时，在阴极室中这些氧阴离子在形成水的情况下与经由膜片运送的质子反应(O^2-+2H⁺→H₂O)。

在燃料电池垛的垛端部处代替双极板布置有所谓的单极板，其仅在面向燃料电池垛的侧上具有流动场。总的来说，双极板和单极板可归纳为概念“极板”。

燃料电池垛的以其运行介质、即阳极运行气体(例如氢气)、阴极运行气体(例如空气)和冷却介质的供给经由主供给通道来实现，该主供给通道在堆垛的整个堆垛方向上穿过该堆垛并且由该主供给通道将运行介质经由双极板输送给电池单元。对于每种运行介质而言存在至少两个这样的主供给通道、即一个用于输入而另一个用于导出相应的运行介质。

典型地，膜片电极组件包括薄膜框架，其包围带有电极的膜片。其允许将膜片和电极限制到活性区域上，以便于节省用于相对昂贵的膜片和电极的材料成本。然而，薄膜框架的热塑性薄膜大多对于蠕变而言不具有抵抗性并且因此限制了双极板的所谓的分配区域的通道。而且还可使用热固性薄膜(框架)，然而其处理起来更为复杂。

此外已知的是，膜片电极组件的膜片延伸直至双极板的边缘并且密封部在邻接的双极板上针对膜片密封或密封部直接布置在膜片上并且针对双极板密封。这里还存在所述如下问题，即，膜片随时间蠕变到分配区域和汇集区域的通道中。

在活性区域中，在膜片电极组件与双极板之间布置的气体扩散层变小，从而膜片电极组件在活性区域中使流动场的通道变窄。然而由于燃料电池垛在堆垛方向上被挤压，气体扩散层被压到流动场的通道中，由此同样可引起通道的限制。