燃料电池、燃料电池堆以及用于运行燃料电池堆的方法与流程

1.本发明涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的用于燃料电池堆的燃料电池。此外，本发明还涉及一种具有至少两个根据本发明的燃料电池的燃料电池堆以及一种用于运行这种燃料电池堆的方法。


背景技术：

2.燃料电池是电化学能量转换器。作为反应物可以使用氢气(h2)和氧气(o2)，它们借助燃料电池转化为电能、水(h2o)和热量。
3.为此，燃料电池具有阳极和阴极以及位于中间的电解质。在燃料电池的运行中，给阳极供应氢气并且给阴极供应氧气。
4.燃料电池中的电化学反应通常由铂催化。为此，通常将小的铂颗粒涂施到多孔的碳载体上。
5.在燃料电池的运行中，(至少暂时地)会发生局部氢气供给不足，并因此发生不希望的副反应。氢气供应不足的危险尤其是在燃料电池启动时存在。因为这样不仅阴极区域而且阳极区域都填充有空气(“空气/空气起动”)。利用供应氢气来填充阳极区域，然而其中单个区保持较长时间没有氢气。在这些区域中，在阴极和电解质之间出现高的电势差，这进而可能导致阴极催化剂层中的碳腐蚀。这种也称为“反向电流衰退(rcd)”退化过程一直持续，只要h2/o2气体前沿在运动通过阳极区域。
6.因为每当阳极区域局部地氢气供给不足而阴极区域被填充空气时，上述过程就可能发生，所以当燃料电池停止运转时也可能发生相同的效果。这是因为氢气供给被中断并且在阳极区域中存在的剩余氢气在与通过环境空气到达阳极区域中的氧气接触时发生反应。在此，在入口或出口附近存在的氢气首先发生反应，从而出现不均匀的氢气分布，所述氢气分布触发或促进了退化过程。
7.当在燃料电池的运行中氢气供给不足以满足电流需求时，出现另一被称为“电池反向(cell reversal)”的退化机制。当电流流过氢气不足的燃料电池时，可能在阳极催化剂层中发生不期望的副反应(例如，碳腐蚀和/或水电解质)，以便提供所需的电子。这又会导致燃料电池的不可逆的损坏。
8.预防在燃料电池启动和/或停止运转时退化的有效方法是电池短路。短路负责使阴极和阳极彼此间的电势下降并且使有害的电势提高减少。然而，如果短路被施加给多个电池，则电池电压的总和虽然为零，但是不一定在每个单个电池中为零，从而可能继续导致电池的损坏。如果此外单个电池的氢气供给不足，那么可能由于“电池反向”而导致退化。
9.因此在现有技术中已经提出，电池单独地施加断路。例如，在这里参考de 10 2013 226 028 a1。然而，在电池单独的短路中的问题是需要具有多个开关的复杂的布线或者相应的接通和关断逻辑的电路。


技术实现要素：

10.从上述现有技术出发，本发明的任务在于简化电池单独的短路。此外，应在实施时应节省成本和结构空间。
11.为了解决该任务，提出了一种具有权利要求1的特征的燃料电池。有利的改进方案可以从从属权利要求中获知。此外，提出一种具有权利要求7的特征的燃料电池堆以及一种具有权利要求8的特征的用于运行燃料电池堆的方法。
12.为燃料电池堆提出的燃料电池包括用作电解质的聚合物膜，该聚合物膜在两侧分别具有催化剂层，用于在一侧形成阳极并且在另一侧形成阴极。在此，在两个催化剂层上分别施加有气体扩散层以及双极板。根据本发明，在至少一个双极板上，更确切地说在背离气体扩散层的一侧上，施加、优选压印有短路元件。
13.因此，所提出的燃料电池在至少一个外侧上、优选在两个外侧上具有短路元件，用于实现电池单独的短路。短路元件为此与另一燃料电池的另一短路元件接触，所述另一燃料电池以镜像布置的方式布置在第一燃料电池上。为了结束短路，接触被取消。因此，电池单独的短路的优点完全在没有布线和开关的情况下实现，因为短路元件本身用作开关。以这种方式同时节省结构空间和成本。
14.优选地，短路元件是可弹性变形的元件，例如薄板或膜。切换过程在这种情况下可以通过短路元件的弹性变形来实现。
15.为了引起短路元件的切换或为此所需的弹性变形，还提出，短路元件限界可被加载压力的压力室。通过对压力室加载压力，压力作用到可弹性变形的短路元件上，该压力最终导致短路元件的所需的弹性变形。如果压力加载结束和/或压力室中的压力下降，那么短路元件重新具有其初始形状。
16.短路元件可以构造成使得弹性变形导致短路或者取消已存在的短路。也就是说，根据短路元件的具体实施方式，压力室的压力加载导致短路或短路的取消。
17.有利地，如果在压力室或侧通道中降低压力，使得两个相邻的燃料电池的短路元件弹回到其初始状态并且短路元件的短路面直接彼此叠置，建立短路。该实施方案具有的优点是，在停机阶段或在故障情况下存在短路，这是本质安全的状态。短路的取消在运行中发生，也就是说在存在压力的状态下发生。该压力然后可以用于对压力室加载压力。
18.优选地，短路元件在松弛状态下已经实施成凹形或凸形，这简化了压力室的形成。此外提出，短路元件与双极板一起限界压力室。在这种情况下，压力室构造在双极板和短路元件之间。也就是说，短路元件不是全面地贴靠在双极板上。
19.在本发明的改进方案中提出，压力室可以通过侧通道被加载压力，该侧通道优选构造在双极板中和/或贯穿双极板。压力介质可以是气体，例如氢气或空气，因为这些气体是可用的。替代地，可以使用液体、例如在燃料电池系统中通常也可用的冷却剂作为压力介质。在用相应的压力介质加载压力时，在压力室中的压力例如可以为2至3bar。
20.有利地，短路元件被预紧。预紧可以在施加、优选压印到双极板上时和/或在多个燃料电池彼此堆叠时已经实现。优选地，在堆叠时，两个燃料电池这样叠置，使得短路元件面向彼此并且上下叠置。
21.在短路元件的预紧的情况下，压力室的压力加载会导致短路元件逆着预紧地或在预紧方向上进一步变形。
22.此外提出，在双极板和短路元件上至少局部地施加、优选压印有密封件。密封件的主要任务是，向外密封压力室。因此，密封件优选环绕地包围短路元件。此外，优选地，密封件也围绕侧通道引导，使得该侧通道也被向外密封。
23.替代地或补充地提出，密封件全面地覆盖短路元件。密封件因此能够(至少暂时地)防止短路。
24.为了不妨碍短路元件的必要的弹性变形，优选密封件也由可弹性变形的材料制造。
25.作为改进的措施提出，短路元件具有不同的区域，这些区域在其电阻方面不同。这些区域尤其可以彼此嵌套地构造，从而例如具有第一电阻的第一区域被具有第二电阻的第二区域包围，等等。根据短路元件的形状，不同的区域也可以高度错开，使得具有第一电阻的第一区域与例如具有第二电阻的第二区域相比具有更大的到双极板的间距，等等。在这种情况下，优选地，距离更远的区域比紧接的区域具有更高的电阻。由此确保了，在短路元件的每次接触时电阻连续地减小或者在每次取消短路时电阻连续地增大。
26.为了解决开头所述的任务，还提出了一种燃料电池堆，其包括至少两个根据本发明的燃料电池。在此，燃料电池堆叠成使得相应的短路元件以镜像布置的方式叠置地布置并且在短路的情况下在共同的短路面的区域中接触。
27.有利地，为了形成燃料电池堆，多于仅两个的燃料电池彼此堆叠。以这种方式，燃料电池堆的功率可以被提高。在堆的每两个燃料电池之间则分别布置两个短路元件，其中，第一短路元件布置在第一燃料电池的双极板上，而另一短路元件布置在另一燃料电池的双极板上。因此，为了能够实现这种布置，优选每个燃料电池在两个外侧上分别具有一个短路元件。
28.此外，提出一种用于运行根据本发明的燃料电池堆的方法。在该方法中，燃料电池堆的燃料电池的短路元件通过中央的压力供给装置选择性地接通和关断。通过中央压的力供给装置进行的切换使得耗费的布线和设置多个开关变得多余。也就是说，能够节省结构空间和成本。同时，借助于中央的压力供给装置可以实现每个单个的燃料电池或每个短路元件，从而可以实现电池单独的短路。
29.优选地，燃料电池堆的燃料电池的短路元件通过中央的压力供给装置被加载压力并且弹性地变形。弹性变形在这种情况下导致短路元件的接通或关断。也就是说，短路元件也分别作为开关起作用。
30.根据本发明的第一优选实施方式，为了加载压力使用气体、例如氢气或空气。氢气和空气根据方案存在于燃料电池系统中并且因此是可用的。替代地提出，为了加载压力使用液体、例如冷却剂。通常，燃料电池系统具有冷却回路或者至少连接到冷却回路上，从而冷却剂作为压力介质也是可用的。
附图说明
31.下面借助附图详细阐述本发明。这些附图示出：
32.图1燃料电池的示意图，
33.图2根据本发明的燃料电池的示意性俯视图，
34.图3图2的燃料电池的短路元件的示意图，
35.图4图2的燃料电池的示意性纵截面图，
36.图5包括图4的燃料电池的燃料电池堆的示意性纵截面图，其没有短路，
37.图6包括图4的燃料电池的燃料电池堆的示意性纵截面图，其具有短路，
38.图7一种替代的短路元件的示意图，
39.图8具有图7的短路元件的燃料电池的示意性纵截面图，
40.图9燃料电池的工作方式的原理图，和
41.图10燃料电池中的电势分布。
具体实施方式
42.借助于图1示例性地描述了根据本发明的燃料电池1的结构。中央的元件是用作电解质的聚合物膜2。聚合物膜2在两侧具有催化剂层3、4，其中，催化剂层3形成阳极并且催化剂层4形成阴极。跟随在催化剂层3、4之后分别在两侧有气体扩散层5以及双极板6。
43.在燃料电池1的运行中，氢气(h2)被供应给阳极3并且氧气(o2)被供应给阴极4。在化学反应中，反应物氢气和氧气被转化为电能，其中，还产生水(h2o)，所述水作为产物水被导出。
44.在图1中可以看出，分别在外部在双极板6上布置有元件7。该元件是短路元件7，下面根据图2至8详细阐述该短路元件。
45.从图2的俯视图中可以得出，短路元件7在外部、更确切地说在角部区域中被施加到燃料电池的双极板6上。短路元件7例如能够是薄板或膜，使得其相对扁平地构造。短路元件7可弹性变形。
46.短路元件7限界压力室8，该压力室优选构造在短路元件7和双极板6之间(参见图4)。压力室8可以通过在双极板6中构造的侧通道9被加载压力介质，使得短接元件7弹性变形。为了密封压力室8，短路元件7被密封件10包围，该密封件10延伸直到双极板6上并且也向外密封侧通道9(参见图3和图4)。
47.如果两个分别具有至少一个短路元件7、7’的燃料电池1、1’为了构造燃料电池堆11而叠置地布置，那么所述布置以如下方式实现：两个分别具有短路元件7、7’的双极板6、6’彼此对置，从而使得两个短路元件7、7’重叠并且已经略微弹性变形(参见图5)。如果压力室8、8’(未示出)通过中央的压力供给装置被加载压力介质，那么两个短路元件7、7’进一步变形。以这种方式，通过共同的短路面12建立短路(参见图6)。为了再次达到图5中所示的初始状态，压力室8、8’中的压力被降低。
48.从图7和8中可以得出用于根据本发明的燃料电池1的短路元件7的一种替代的实施方式。在此，短路元件7具有区域a、b、c，这些区域在其电阻方面不同。区域a的电阻最高且在kω范围内，而区域b的电阻在ω范围内，并且区域c的电阻在mω范围内或更低。以这种方式实现，在每次接触短路元件7时电阻连续地降低或者在每次取消短路时电阻连续地提高。
49.在图9中示出了在启动燃料电池堆11期间燃料电池1的状态。在初始状态下，阳极区域13和阴极区域14分别填充有空气和氧气(o2)。为了启动，氢气(h2)被引入到填充有空气的阳极区域13中，使得氢气逐渐排挤空气。在图9所示的状态下，阳极区域13的左侧已经被供给氢气，而在阳极区域13的右侧仍然存在空气。在此出现电势分布，如其示例性地在图10中示出的那样。由于所描述的气体分布，在阴极4和由聚合物膜2形成的电解质之间出现高
的电势差，因此适用以下等式：
[0050][0051]
该电势差导致阴极催化剂层4中的碳腐蚀，并因此导致燃料电池1的退化。只要h2/o2气体前沿在运动通过阳极区域13，退化就一直保持。
[0052]
借助于本发明，更确切地说通过电池单独的短路，能够抵抗由于在燃料电池1的启动时和停止运转时的高电势差所引起的退化。