[发明专利]分离器板、膜-电极-单元和燃料电池

说明书

本发明涉及分离器板、膜‑电极‑单元、和燃料电池。本发明涉及一种分离器板（16’）、一种膜‑电极‑单元（15’）和一种燃料电池堆叠，它们针对较高的电压设计。规定了，在活性区域中所述电池部件中的至少一个包含至少一个隔离元件，所述至少一个隔离元件持久地能够实现在电池层面（与堆叠方向正交）中的不同的电位。

技术领域

本发明涉及一种分离器板、膜-电极-单元和具有所述分离器板、膜-电极-单元的燃料电池。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧气成为水的电化学转化，以便产生电能。为此，燃料电池作为核心部件包括所谓的膜-电极-单元（MEA，membrane electrode assembly：膜电极组件），所述膜-电极-单元是由离子传导的、尤其质子传导的膜和分别布置在膜两侧的电极（阳极和阴极）组成的复合体。此外，气体扩散层（GDL）可以在膜-电极单元的两侧布置在电极的背离膜的侧上。通常，燃料电池通过以堆叠（stack）方式布置的多个电池单元构成，所述多个电池单元包括分离器板和MEA，它们的电功率相加。在燃料电池的运行中，将燃料、尤其氢气H₂或含氢的气体混合物输送到阳极，在那里，在释放电子的情况下发生从H₂到H⁺的电化学氧化。经由电解质或将反应室气体密封地相互分离且电隔离的膜，发生质子H⁺从阳极室到阴极室中的（与水结合的或无水的）运输。在阳极处提供的电子经由电线路传递给阴极。给阴极输送氧气或含氧气的气体混合物，使得在吸附质子和电子的情况下发送Q₂到H₂O的还原。

燃料电池通过以堆叠方式布置的多个单电池构成，从而也提及燃料电池堆叠。在膜-电极-单元之间布置有分离器板，所述分离器板确保给单电池供应运行介质、即反应物和冷却介质。此外，分离器板负责与膜-电极-单元的导电接触。

分离器板以不同的结构型式已知。在分离器板的设计中的基本目标是，重量减小、结构空间减小、成本减小以及功率密度的提高。这些标准尤其对于燃料电池的移动式应用、例如对于车辆的电动机式牵引是重要的。

分离器板由导电的原料制成，因为经由分离器板实现单电池相互的和向外部的实际的电连接。通常，分离器板由金属原料、诸如钢制造。但也已知以下分离器板，其由基于碳的导电原料、尤其石墨和石墨复合原料制成。基于碳的原料（在此也称作碳原料（Carbon-Werkstoffe））具有一些有利的特性、尤其低的密度，因此它们特别对于移动应用是令人感兴趣的。但不利的是，碳原料出于机械原因，相对于金属的分离板要求更高的壁厚度，这又与结构空间减小的目的相悖。电压电平的提高一般通过堆叠高度的提高来实现。这例如在基于石墨的原料中将会再次不利地影响堆叠高度和功率密度。

分离器板通常由相互连接的、例如粘合的或焊接的、成型的两个半板（所谓的阳极板和阴极板）制造，在所述两个半板中，对于运行介质（阳极气体、阴极气体和冷却剂）的所需的流场通过适当的轮廓构造在两个半板中。在此，阳极流场存在于阳极侧上，阴极流畅存在于阴极侧上，而冷却剂流场在内部在两个半板之间构造。在流场之外，分离器板具有构造为分配区域（Verteilerbereiche）内的贯通开口的供应口（Versorgungsports），其中，设有用于输送或导出阳极气体的至少两个阳极气体口、用于输送或导出阴极气体的至少两个阴极气体口和用于输送或导出冷却剂的至少两个冷却剂口。在经堆叠的状态中，这些供应口相互平齐并且构造运行剂主通道（Betriebsmittelhauptkanäle），所述运行剂主通道在燃料电池堆叠的整个长度上贯通燃料电池堆叠。