用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法
【专利说明】用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法
[0001]本发明涉及一种用于燃料电池的双极性板，其中所述双极性板具有燃料侧、氧化剂侧、两个单板、和布置在所述单板之间的冷却剂空腔，所述单板中的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件并且所述单板是借助于至少一个连接缝相连接的。本发明还涉及一种包括至少一个双极性板的燃料电池以及一种用于制造所述双极性板的方法。
[0002]料电池使用燃料与氧气化学转化为水从而产生电能。为此，燃料电池包括作为核心部件的、所谓的膜电极单元(MEA)(离子传导膜、尤其是质子传导膜的构造物)以及在各自情况下布置在所述膜的任一侧上的电极(阳极和阴极)。另外，可以将气体扩散层(GDL)布置在所述膜电极单元的任一侧上、在所述电极的被定向成背离所述膜的所述侧上。总体上，燃料电池是由多个堆叠的MEA组成，其电功率相累加。当燃料电池处于工作中时，燃料(尤其为氢气4或者含氢的气体混合物)被供应至阳极，在这里伴随着电子的失去发生H2到H+的电化学氧化。电解质或膜(提供多个反应区相对于彼此的不漏气体的分离以及电绝缘)将质子H+(以水合或无水的方式)从阳极区传输至阴极区。在阳极处提供的电子经由电气线路传导至阴极。阴极被供以氧气或含氧的气体混合物，使得伴随着电子的增加发生了 02到O2的还原。与此同时，所述氧阴离子在阴极区与被传输透过所述膜的质子发生反应从而形成水。通过化学能直接转化为电能，燃料电池通过规避卡诺因素而与其它发电机相比实现了更好的效率。
[0003]目前最先进的燃料电池技术是基于聚合物电解质膜(PEM)，其中所述膜本身是由聚合物电解质组成。在此背景下，通常使用酸改性的聚合物、尤其是全氟化的聚合物。这类聚合物电解质的最广泛代表是由磺化聚四氟乙烯共聚物制成的膜(商品名=Naf1n;四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的一种磺酰基氟化物衍生物的共聚物)。在此背景下，经由水合质子发生电解导电，为此原因，水的存在是质子导电性的一个条件，并且当PEM燃料电池处于工作中时，需要润湿所述工作气体。考虑到需要水，将标准压力下所述燃料电池的最大操作温度局限在低于100°C。高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM燃料电池)的电解电导率是基于一种电解质，所述电解质通过静电络合物形成而被结合到聚合物电解质膜(例如，掺杂有磷酸的聚苯并咪唑(PBI)膜)的聚合物骨架上并且在160°C的温度下工作，与高温聚合物电解质膜燃料电池相比，这种燃料电池类型也称为低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEM燃料电池)。
[0004]所述燃料电池由多个堆叠的独立电池组成，这样使得所述燃料电池还能称为燃料电池堆。在所述膜电极单元之间布置了多个双极性板，所述双极性板确保了所述独立电池被供以工作介质(即，反应物)和冷却液体。此外，所述双极性板确保与所述膜电极单元的导电性接触。
[0005]在所述膜电极单元与所述双极性板之间布置了多个密封件，所述密封件将阳极区和阴极区相对于外部进行密封并且防止所述工作介质从所述燃料电池中漏出。
[0006]可以将所述密封件提供在所述膜电极单元或所述双极性板的侧面上并且尤其可以连接至所述部件上。此外，所述密封件还可以采用插入式密封件的形式，而无需固定在所述双极性板或膜电极单元上。
[0007]燃料电池的金属双极性板通常由两个通过焊接而彼此相连的单板(半部)组成。DE 102011009805 Al和DE 102011117095 Al描述了以下双极性板:聚合物密封件施加至其上并且其单板通过缝焊接而彼此相连。
[0008]目前，首先将所述单板进行焊接并且仅在之后对其提供密封件，因为透过所述密封件进行焊接是不可能的。然而，如果在将密封件施加到双极性板上时有必要使用压力，例如像在注塑模制时，则在所述双极性板的所述半部通过空隙彼此分离的区域中存在损坏所述双极性板的风险。如果使用无压力的方法(例如粘接剂粘合)，则所述密封的可靠工艺处理是非常繁重的。在施加密封件时减小压力是旨在防止所述双极性板过载。由于例如在注塑模制的情况下需要某些最小压力，所以考虑到用于施加所述密封件的密封材料的黏性，减小注射压力大大地减少了可以使用的密封材料的选择。
[0009]另一方面，所述密封件还可以施加至燃料电池的膜上。在此背景下，所述膜的热强度和机械强度限制了所述密封件的制造工艺，这导致工艺时间长且废品率高。为了不损坏所述膜，相应地选择适中的工作参数。这一方面限制了可以使用的密封材料的数量并且另一方面导致工艺时间长。
[0010]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种双极性板以及一种用于制造所述双极性板的方法，借此可以降低废品成本和用于制造燃料电池所需要的时间。
[0011]所述技术问题按本发明通过一种用于燃料电池的双极性板解决，其中所述双极性板具有燃料侧、氧化剂侧、两个单板以及布置在所述单板之间的冷却剂空腔，所述单板的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件并且所述单板是借助于至少一个连接缝相连接的。本发明的特征在于，所述至少一个连接缝不与所述至少一个密封件交叉和/或重叠。
[0012]所述双极性板的燃料侧和氧化剂侧是当所述双极性板在燃料电池内工作时与氧气或燃料接触的侧面。尤其将氢气H2用作燃料以及将氧气O 2用作氧化剂，其尤其通过输入空气而提供给燃料电池。
[0013]在此，所述外部面表示相应单板的背离冷却剂空腔的一侧(平坦侧)。所述至少一个密封件连接至所述双极性板上，其方式为将所述密封件施加到、尤其注塑到所述双极性板上。在工作中，所述密封件尤其环绕地密封双极性板与燃料电池的膜之间的过渡区(空隙)。在本发明的背景下，术语“密封件”应理解为(尤其环绕地)界定双极性板上的区域的密封件。而连接缝尤其环绕地密封双极性板的所述单板之间的空隙。
[0014]所述至少一个连接缝与所述至少一个密封件不相交或交叉、重叠和/或接触是指，它们在与双极性板的主面垂直的俯视图中尤其在它们的整个长度上是彼此间隔开的，其中尤其这种间隔在极限处可以基本上等于零。在此，尤其没有连接缝与密封件重叠和/或相交。特别地，尤其没有连接缝与环绕的周向密封件重叠和/或相交。换言之，至少在燃料电池内具有密封功能的所述区域中，密封件没有被连接缝重叠和/或相交。
[0015]优选地，单板是板材和/或连接缝是焊缝。通过使用由(金属)板材制成的、通过焊缝相连接的单板，能够以有成本效益的方式制造双极性板。
[0016]本发明使得能够首先将燃料电池所需的密封件安装到双极性板上，S卩，将所述密封件安装至所述双极性板的单板(半部)上并且接着将所述单板相连接(尤其焊接)。这确保了，密封件在其上延伸的区域可以是机械稳定化的，以便防止所述单板在施加(例如通过注塑方法)所述密封件时变形。双极性板的制造(其中首先将所述密封件施加至所述半部上并且接着才焊接所述半部)仅通过以下方式实现，即，所述密封件和焊缝走向没有彼此相交或者甚至上下叠置，因为如果这样，则不再能焊接所述半部。因此这实现了密封件和双极性板的更灵活且更快速的制造。用于密封件的制造工艺不再需要受膜的较低强度或者双极性板的已经焊接在一起的区域的较低压力稳定性所影响，其中所述区域在所述单板之间具有缝隙。密封件和焊缝走向的这种布置不是从现有技术中已知的。因此，迄今一直在试图避开所述问题。
[0017]根据本发明的优选设计方案规定，所述双极性板具有穿过所述双极性板的至少一个燃料开口，其中所述至少一个密封件包括至少布置在所述氧化剂侧上的至少一个燃料密封件，所述至少一个连接缝包括至少一个燃料连接缝，并且所述至少一个燃料开口是