专利名称：燃料电池组及其装配方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池组及其装配方法和应用。
由EP 0795205B1已知一种燃料电池和一种燃料电池组，其中，燃料电池单元机械地堆叠并借助螺栓通过端板连接在一起。在各通道上的密封唇起密封材料的作用，通道有支承环作为机械支座。但在这种结构中系统本身导致在设计为双极板的极板与膜片之间存在直接的接触，这会带来腐蚀问题。
因此上述已知的结构不适用于较高的工作温度，这种温度例如在PEM燃料电池的高温方案中是常见的。
本发明的目的是创造一种燃料电池组，它适用于各种类型的PEM燃料电池，以及与此同时克服了先有技术的缺点。
本发明的目的通过权利要求1所述特征来达到。在其从属权利要求中说明其进一步的发展。权利要求11的内容是用于装配这种燃料电池组的方法，一种优选的应用由权利要求14给出。
本发明的对象是一种包括至少两个堆叠在一起的燃料电池单元和至少一块端板和/或一个外壳和/或一块最外部的极板或双极板的燃料电池组，其中，燃料电池单元借助一种具有密封和固定特性的材料互相连接。此外，本发明的对象还涉及一种装配燃料电池组的方法，其中，至少两个燃料电池单元借助一种有密封和固定特性的材料连接成电池组。本发明的对象还包括这种燃料电池组在含有高温PEM燃料电池的燃料电池装置中的应用。
按照燃料电池组的一种实施形式，这种材料还有粘结特性，所以借助这种材料连接的燃料电池单元互相粘结并密封地连接。其结果是不再需要另外借助夹紧装置通过端板施加密封压力或只需要较小的密封压力。
上述通过电池的粘结在电池或电池组内部承力的方式，允许使用由薄、轻和便宜的材料制的端板，或甚至干脆取消大块的端板，在这种情况下此电池组最外部的界面便是第一个和最后一个燃料电池单元的极板，换句话说是电池组最外部的燃料电池单元的极板。
按电池组的一种实施形式，这种材料是弹性的，所以可通过连接材料的弹性，补偿电池组非弹性的结构部分因受热引起的体积改变，上述结构部分尤其如双极板、电极、膜片和/或基体(Matrix)。
按电池组的另一种实施形式，这种材料周期地局部弹性。在这里指的是这种材料在彼此相继的区域内并不是连续弹性的，而是弹性与非弹性(亦即机械刚性)交替，所以同时还赋予电池组一定的机械强度。为此，例如具有非弹性部分的材料的一些区域用例如纤维增强。这些纤维可以由金属、碳、玻璃纤维等构成，也就是能与基本材料结合在一起承受拉力的纤维。在这方面可指出玻璃纤维增强的塑料，它们同样可投入使用。
按一种替换方式，材料也可以有针对性地按区域局部化交联，例如通过所谓辐射交联(Strahlvernetzung)。由此可使此同一种材料有周期的或按区域的弹性或非弹性特性。这些非弹性的分区优选地处于电池组的外侧。
在本发明的范围内，燃料电池单元的元件，如膜片一电极组件和极板，同样借助具有密封和固定特性的材料互相连接。优选地，这种连接设计为使双极板与膜片和/或基体之间不发生直接接触，因为直接接触存在这样的危险，即在膜片或基体中存在的酸会侵蚀材料和/或极板的表层。
这种材料优选地是一种到约300℃仍是稳定的塑料。对此适用的例如是一种聚合材料，它由一致的或不同的单体单元构成。根据在电池组内的使用区域，在塑料内有不同的单体单元和添加剂。例如，将一种弹性体作为材料，优选地是一种粘结弹性体，尤其优选地是一种包括非弹性分区和/或有周期性局部弹性区的粘结弹性体。
按一种实施形式，塑料构成一框形件，它围绕着电池组。按另一种实施形式，塑料构成支承环和/或密封环，它们将燃料电池单元在轴向通道和/或所谓歧管(Manifold)的通孔处互相密封连接。按另一种实施形式，相邻电池的极板通过这种材料互相粘结。
也可以根据位置使用不同的材料。尤其是塑料制的支承环和/或密封环可以如已提及的那样按一种实施形式用金属或玻璃纤维增强。
按另一种实施形式，电池组装入一个导引压力的外壳体内，所以至少对于过程气体和/或冷却介质不需要内部歧管。在这种情况下燃料电池组优选地构成一种封闭的设计。
采用本发明也可实现一种开式的电池组设计，此时燃料电池单元互相仅局部密封连接。在带有氢气回流管和重整器(Reformer)的开式电池组中，由于不可避免的污染，所以采用例如安装在进气管内的气体净化膜是有利的。为了除去凝结成液态的产物水(这种产物水在工作温度低于水的沸点时会堵塞气体扩散层)，电池组在开式设计的情况下优选地将垂直定向的活性电池面布置成，使水从活性电池面滴出。
按一种特殊的实施形式，电池组除此之外还在端板处通过锚杆和螺栓连接，在这种情况下至少一根锚杆可穿过一轴向供应通道。
下面通过对附图所示实施方式的说明并结合权利要求给出本发明的其他优点和详情。在示意图中分别表示
图1是燃料电池组的一个剖面示图，此燃料电池组是燃料电池装置的一部分；图2为图1中边缘区的局部剖示图；图3和4为装配前两种不同结构的局部剖视图；以及图5示出一密封件，它设计为交替地固定和/或密封。
在这些图中相同的或作用相同的部分采用相同的或相应的附图标记来标示。下面部分地共同说明这些附图。
电池组指的是一个堆叠，它由至少两个燃料电池单元组成，它们有相关的管道和至少一部分冷却系统。
燃料电池装置指的是整个燃料电池系统，它有一个或多个分系统。每个分系统有至少一个燃料电池单元，相应的供应管道，亦即过程气体输入和输出通道、端板和/或一个外壳和/或一块最外部的极板、一个带有冷却剂和冷却管道的冷却系统以及一个“燃料电池组外围设备”。此外围设备例如包括一个重整器(Reformer)、压缩机、鼓风机和/或用于预热过程气体的加热装置、以及必要时其他一些部件。
图1中用10表示燃料电池组。该电池组包括许多单个燃料电池单元11、11′、…，它们堆叠成一个牢固的复合体。每个燃料电池单元11、11′、…包含一个膜片-电极组件(MEA＝Membrane Electrode Assembly)，它由能传导质子的膜片110(例如已公知的商标名为Nafion的膜片)与两侧的电极111和112以及所谓的极板115组成，极板115恰当地设计为用于两个相邻燃料电池单元11和11′的双极板。借助端板12和13以及多根锚杆(在图中可看到其中的锚杆14和15)将整个装置连接起来。
在这种装置中重要之点在于，各燃料电池单元11、11′、…总是密封地固定在一框架内。为此在图中存在一种具有调整和固定特性的材料，在图2至3中用20表示其结构。
借助材料20的特殊结构将各燃料电池11、11′、…互相连接、固定，并与此同时保证密封。此材料结构20在区域21内可设计为弹性的，以便吸收温度引起的应力，而在区域22内此材料是非弹性的，在那里一定程度上起刚性框架的作用。
由图2可见燃料电池组10的各燃料电池单元11、11′、…的结构。每个燃料电池单元11包括至少一个膜片110和/或含有化合和/或物理结合的电解质的基体以及两个电极111和112，这两个电极处于膜片和/或基体的相对侧上。一个反应腔113、114与至少一个电极111、112相邻，该反应腔分别借助一块极板或共同用于两个燃料电池单元的一块双极板115和/或一相应的边缘结构，相对于周围封闭。此外还设有一些可将过程气体引入和排出反应腔的装置。例如从图中可看到一个轴向通道120，它用于向燃料电池单元供应过程气体或冷却剂等。
尤其由图2可以详细看到密封装置20的结构它在内部区有一个密封21，它是弹性地密封的并可变形。在外部区则有一个具有固定作用且不能变形的密封22。采用这种结构，尤其借助固定的密封22，可使装置获得稳定性。
在先有技术中采用重的不可弯的板作为端板，锚杆的压力通过它们进一步传给燃料电池单元的纵向棱边。而在具有已说明的密封材料的本发明中，通过“电池内部承力”第一次有可能可以使用较轻和较薄的端板。必要时也可以完全取消这种单独的构件。
在图1和2中实现了燃料电池组的一种封闭的设计。对于在垂直排列燃料电池组10的各燃料电池单元11、11′时的开式设计，在下部区设相应的开口。
为了装配图2所示燃料电池组，分别在双极板115上加上，例如硫化胶合上由包括可变形区21和不可变形区22的材料构成的密封装置20。真正的膜片-电极组件夹在两个由双极板115和密封21组成的这种装置之间。为了密封需要一个力，它使密封装置20的弹性区21变形到非弹性区22互相贴靠为止。如此确定的距离的总和决定了电池组的总高度尺寸。
在图4中示出，在密封上，尤其是在固定密封30上，事先加上粘结面31作为密封。必要时此密封只是一侧加粘结面。由此同样可实现各燃料电池单元密封地及固定地组合，并因而可在整个燃料电池组10采用双极板时做到这一点。
借助图5可以清楚看出，一个密封件40可交替地有固定和密封特性。此密封件40有一外部区41，它例如预成形为隆凸状并有弹性特性以适用于压紧由膜片110和电极111、112组成的MEA。朝极板方向的区域42则相反有固定特性。这些特性可例如通过加入由另一些材料例如金属材料制的纤维获得，或也可在某些聚合物的情况下通过辐射交联达到。
采用图5所示的元件，在相应地彼此层叠的情况下，一方面在有弹性特性的区域内实现了MEA的密封，另一方面则与此同时在具有非弹性特性的支承环内实现了固定，所以可以实现在电池内部的承力，并在总体上降低了对端板及其夹紧的要求。这是有可能的，因为通过所采用的塑料可在规定的部位实现支承功能。
在上述装置中，一个简单的或双层壁容器可起外壳的作用。在这里具有隔热的可能性可起重要作用，在双层壁的设计中例如空腔可充填蓄潜热的材料，优选地充填石蜡。在具有外壳和外壳内加压的开式电池组设计中，外壳必须耐压。
本发明改善了已知电池组结构的热稳定性，并可将工作温度提高到300℃。因此这种电池组结构可应用于这样一种PEM燃料电池，即，它们按特殊的设计可在这样的工作温度下工作并因而称为高温PEM燃料电池。作为与工作温度约为60℃的PEM燃料电池的分界，高温PEM燃料电池的工作温度在80与300℃之间。由于在这种PEM燃料电池中使用有腐蚀性的磷酸，所以其中材料的选择有特殊意义。
通过采用粘结性弹性体作为边界密封，就实现了在电池组内的内部承力，从而降低了对端板的抗弯强度的要求。由于避免了在双极板与膜片之间的直接接触，所以可以显著延长极板的使用寿命，因为并不面临受储存在膜片内的酸腐蚀的危险。
权利要求
1.一种燃料电池组，它包括至少两个堆叠在一起的燃料电池单元、两块端板、两块最外部的极板或双极板和/或一个外壳，其中，燃料电池单元(11、11′、…)借助至少一种材料(20、30、40)互相连接，这种材料一方面具有密封性另一方面具有固定特性。
2.按照权利要求1所述的燃料电池组，其特征为所述材料(20、30、40)是一种热稳定的塑料。
3.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为所述材料(20、30、40)将燃料电池单元(11、11′、…)密封地粘结在一起。
4.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为所述材料(20、40)是一种弹性体并且是弹性的和/或按区段局部弹性的。
5.按照权利要求4所述的燃料电池组，其特征为所述材料(20、40)至少局部用纤维增强。
6.按照权利要求4所述的燃料电池组，其特征为所述材料(20、40)按区段交联。
7.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为在燃料电池单元内，极板与膜片之间不存在直接的接触。
8.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为所述材料以至少一个支承环和/或密封环的形式存在。
9.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为所述外壳是一个导引压力的外壳体。
10.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征为所述端板通过锚杆连接在一起，其中至少一根锚杆穿过电池组的轴向供应通道。
11.一种用于装配按照权利要求1至10之一所述燃料电池组的方法，其中，至少两个燃料电池单元连接成一电池组，为此使用一种有密封和固定特性的材料。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征为为了密封燃料电池单元利用材料的弹性，而为了固定燃料电池单元则利用材料的非弹性特性。
13.按照权利要求11所述的方法，其特征为通过粘结使带有非弹性材料的燃料电池单元实现密封。
14.在高温PEM燃料电池中应用按照权利要求1至10之一所述的燃料电池组。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池组及其装配方法和应用。此燃料电池组借助一种有密封和固定特性的材料连接在一起。
文档编号H01M8/02GK1460302SQ0081867
公开日2003年12月3日 申请日期2000年12月22日 优先权日1999年12月23日
发明者曼弗雷德·鲍尔多夫, 里特马·冯赫尔莫尔特, 曼弗雷德·波平格, 罗尔夫·布鲁克, 乔基姆·格罗斯, 乔尔格－罗曼·科尼兹尼, 彼得·巴克纳, 阿诺·马特贾特, 艾格尔·梅尔特雷特, 康拉德·芒特, 曼弗雷德·韦达斯, 米克·莱齐格 申请人:西门子公司, 伊密泰克放射技术有限责任公司