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带有密封组件的膜片 电极单元、燃料 电池以及燃料电池堆垛

阅读：871发布：2020-05-08

专利汇可以提供带有密封组件的膜片电极单元、燃料电池以及燃料电池堆垛专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且为了提供一种带有布置在棱边区域(23)处的密封件 (24)的膜片电极单元(10)，其中密封件(24)一部分侵入到膜片电极单元(11)的棱边区域(23)中地存在且另一部分在膜片电极单元(11)外部完全盖住棱边区域(23)地存在，其能够实现燃料电池的气体室的密封且同时在膜片电极单元(11)的情形中以平切(平切)可靠地中断在棱边(23)处的泄漏路径，提出了，膜片电极单元(11)由密封框架 (19)包围，其以密封件(24)至少部分地包绕棱边区域(23)。此外公开了一种燃料电池和一种燃料电池堆垛。，下面是带有密封组件的膜片电极单元、燃料电池以及燃料电池堆垛专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带有布置在棱边区域(23)处的密封件(24)的膜片电极单元(10)，其中所述密封件(24)一部分侵入到所述膜片电极单元(11)的棱边区域(23)中地存在且另一部分在所述膜片电极单元(11)外部完全盖住所述棱边区域(23)地存在，其特征在于，所述膜片电极单元(11)由密封框架(19)所包围，该密封框架以所述密封件(24)至少部分地包绕所述棱边区域(23)。
2.根据权利要求1所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封件(24)在所述膜片电极单元(11)的两侧上包绕所述棱边区域(23)。
3.根据权利要求1或2所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封件(24)侵入到所述膜片电极单元(11)中0.1至1mm、优选地0.2至0.7mm、特别优选地0.4至0.6mm且最优选地0.5mm地存在且/或在所述膜片电极单元(11)的两侧上包绕所述棱边区域(23)0.1至1mm、优选地0.2至0.7mm、特别优选地0.4至0.6mm且最优选地0.5mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封框架(19)单件式或两件式地构造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封框架(19)具有环绕的边缘(28)，其在所述膜片电极单元(11)的平面中从其远离地延伸，其中在所述环绕的边缘(28)上在一侧或两侧上布置有至少一个密封件(30)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封框架(19)由聚合物组成，其可具有起密封作用的性质。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的膜片电极单元(11)，其特征在于，所述密封件(24,29)由聚合材料、优选地硅酮组成。
8.一种燃料电池，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的膜片电极单元(11)。
9.一种燃料电池堆垛，其具有大量带有膜片电极单元(11)和双极板(10)的根据权利要求8所述的燃料电池。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆垛，其特征在于，所述双极板(10)在两侧上具有至少一个密封件(29)，其与相邻布置的膜片电极单元(11)的密封框架(19)对应。

说明书全文

带有密封组件的膜片电极单元、燃料 电池以及燃料电池堆垛

技术领域

[0001] 本发明涉及一种带有布置在棱边区域处的密封件(Dichtung)的膜片电极单元，其中密封件一部分侵入到膜片电极单元的棱边区域中地存在且另一部分在膜片电极单元外部完全盖住棱边区域地存在；一种燃料电池；以及一种燃料电池堆垛。

背景技术

[0002] 燃料电池使用燃料与氧气到水的化学转化，以便生成电能。为此，燃料电池作为核心构件含有所谓的膜片电极单元(MEA代表膜片电极组件)，其是由传导离子的、尤其传导质子的膜片和各一个在膜片两侧布置的电极(阳极或阴极)组成的复合物。此外，气体扩散层(GDL)在膜片电极单元两侧布置在电极的背离膜片的侧处。通常，燃料电池通过大量、以堆垛(堆叠)布置的MEA形成，其电功率累加。在燃料电池的运行中，燃料、尤其氢气H2或含氢的气体混合物被供应给阳极，在其处H2到H+的电化学氧化在输出电子的情况下进行。经由将反应室气密地彼此分离且电绝缘的电解质或膜片，实现质子H+从阳极室到阴极室中的(结合水的或无水的)运输。在阳极处提供的电子经由电导线引向阴极。阴极被供应有氧气或含氧的气体混合物，从而O2到O2-的还原在吸收电子的情况下进行。同时，在阴极室中这些氧阴离子与经由膜片运输的质子在形成水的情况下反应。通过由化学能直接转化成电能，燃料电池相对于其他的发电机由于卡诺因子(Carnot-Faktor)的回避(Umgehung)得到改善的效率。

[0003] 燃料电池通过大量以堆垛布置的单个电池(Einzelzelle)形成，从而同样谈及燃料电池堆垛。在膜片电极单元之间布置有双极板，其保证单个电池以运行介质、即反应物和冷却液的供应。此外，双极板用于至膜片电极单元的导电接触。

[0004] 在膜片电极单元和双极板之间布置有密封件，其向外密封阳极室和阴极室且阻止运行介质从燃料电池的逸出。

[0005] 密封件可在膜片电极单元或双极板方面设置且尤其与这些构件相连接。

[0006] 在文件EP 1 906 476 A1中公开了一种用于燃料电池的密封结构和一种用于其制造的方法，其模制在膜片电极单元的边缘处且构造密封唇，其促使关于分离器板的密封。此外，从MEA突出来的膜片连结到密封结构中。在制造密封结构的情形中，MEA的边缘区域以密封材料浸透。

[0007] 文件WO 2007/022464 A1描述了一种用于燃料电池的密封结构，其布置在膜片电极单元的直线的截棱边处且包绕其。密封结构可具有不同的轮廓(Profilierung)，其贴靠在分离器处且提供气密的空间。

[0008] 文件US 2007/0003821 A1涉及一种用于相对于用于燃料电池的分离器密封的单件式的浇铸的密封件，在其中膜片电极单元的膜片添入到密封件中。密封材料到膜片电极单元中的侵入仅轻微地在表面区域处实现。

发明内容

[0009] 本发明此时基于如下任务，提供一种带有密封组件(Dichtungsanordnung)的膜片电极单元，其能够实现燃料电池的气体室的密封且同时在膜片电极单元的情形中以平切(flush-cut)(平切(Glattschnitt))可靠地中断在截棱边处的泄漏。

[0010] 该任务通过根据权利要求1所述的膜片电极单元解决。

[0011] 本发明的有利的设计方案在从属权利要求中表明。

[0012] 根据本发明，提供一种带有布置在棱边区域处的密封件的膜片电极单元，其中密封件一部分侵入到膜片电极单元的棱边区域中地存在且另一部分在膜片电极单元外部完全盖住棱边区域地存在且其中膜片电极单元由密封框架包围，其以密封件至少部分地包绕棱边区域。

[0013] 膜片电极单元在本申请文件的范畴中理解为由传导离子的、尤其传导质子的膜片和各一个在膜片两侧布置的电极(阳极或阴极)和在两侧布置的气体扩散层(GDL)组成的复合物(Verbund)。

[0014] 密封框架意味着，其同样装备有密封功能。对此，密封框架自身由起密封作用的(弹性)材料组成且/或设有至少一个密封件，其中优选地所述至少一个密封件分别在密封框架的两侧上布置。

[0015] 膜片电极单元的棱边在分开以滚动存在的材料的情形中借助于平切(平切)构造，从而膜片电极单元的所有层相同地设计尺寸。

[0016] 如此，两种密封功能可有利地联合在根据本发明的膜片电极单元中。一方面，通过在棱边区域处的密封件，阳极气体室的MEA相对于阴极气体室(内部的密封件)密封且另一方面阳极气体室和阴极气体室相对于周围环境(外部的密封件)密封。在内部的密封件的情形中，反应气体经由MEA的棱边的交换被阻止。

[0017] 通过经由不同的构件提供两种密封功能，MEA可有利地作为滚动材料加工和分开且紧接着在任意的单个电池构想中基于密封框架被使用。

[0018] 密封团块(Dichtungsmasse)可侵入到MEA或GDL中0.1至1mm、优选地0.2至0.7mm、特别优选地0.4至0.6mm且最优选地0.5mm地存在，从而可以可靠地避免不密封性。同时，有利地，仅MEA或活性区域的少量部分通过密封件失去功能。侵入深度可经由调节未硬化的密封材料的粘度来变化。

[0019] 优选地，通过密封件不仅膜片电极单元的棱边区域被盖住，而且MEA的上侧和下侧中的一部分被盖住，以便再次降低密封件的泄漏的危险。在上侧和下侧上的膨胀应自然地尽可能小。尺寸设计优选地相应于上面描述的侵入深度。

[0020] 根据膜片电极单元的一种优选的实施方式，密封框架单件式地构造。这意味着，密封框架优选地具有角形的或L形的横截面轮廓。在可有利地预制的这样的密封框架中，膜片电极单元被置入且若有可能被固定。

[0021] 固定的另一方式是另一优选的实施方式。在此，前面提到的单件式的密封框架在膜片电极单元由其置入的侧上在置入后以相应的框架部件封闭。因此，密封框架两件式地设计。

[0022] 在密封框架的另一两件式的优选的设计方案中，两个相同成型的框架部件彼此粘接、焊接或类似处理。两个框架部件分别优选地由塑料薄膜、优选地聚对苯二甲酸乙酯或聚萘二甲酸乙二醇酯-(PEN)薄膜组成。

[0023] 优选地，密封框架可在所有实施方式中此外具有环绕的边缘，其在MEA的平面中从其远离地延伸。通过边缘，改善了膜片电极单元的可处理性和稳定性。在环绕的边缘上，可有利地安装有至少一个密封件。所述至少一个密封件特别优选地设置在密封框架的两侧上。

[0024] 密封件的设计方案和布置方案可无问题地匹配相应的对象。如此，也可将两个或多个密封件依次布置在膜片电极单元的相应的侧上。

[0025] 密封框架和其组成部分优选地由聚合物制成。合适的聚合物对于本领域的技术人员而言原则上从现有技术已知。当密封框架自身应证实密封作用时，其优选地由硅酮制成。

[0026] 密封件优选地由聚合材料制成，其单体具有如此低的粘度，以至于能够实现沿着棱边到MEA中的侵入，从而有利地不可得出在MEA和密封件之间的缝隙且同样多孔的GDL在两侧上封闭，因此在边缘区域中的多孔性可降低至零。合适的聚合物对于本领域的技术人员而言原则上从现有技术中已知，其中硅酮优选地被使用。

[0027] 本发明的对象此外是一种燃料电池堆垛，其具有大量根据本发明的膜片电极单元，其与双极板交替地分层堆放。

[0028] 双极板可分别在相对于膜片电极单元转向的侧上同样具有至少一个密封件，其与密封框架或其组成部分对应。

[0029] 本发明的另外的方面涉及一种燃料电池系统，其具有根据本发明的燃料电池堆垛；以及一种车辆，其具有带有根据本发明的燃料电池堆垛的燃料电池系统。车辆优选地是电动车，在其中由燃料电池系统生成的电能用于供给电牵引马达和/或牵引电池。

[0030] 只要在具体情况中未另外阐述，本发明的不同的在本申请文件中提到的实施方式可以有利地彼此组合。附图说明

[0031] 本发明随后在实施例中根据附图来阐释。其中：图1以俯视图示出了带有布置在其上的膜片电极单元的双极板，
图2以剪切部分视图示出了在密封框架中的MEA的边缘区域，
图3以剪切部分视图示出了在两个分离器板(Separatorplatte)之间的根据图2的密封框架中的MEA的边缘区域，
图4以剪切部分视图示出了根据第二实施方式的在两个分离器板之间的根据图2的密封框架中的MEA的边缘区域，
图5以剪切部分视图示出了带有密封框架的变化的MEA的边缘区域，且
图6以剪切部分视图示出了带有密封框架的另一变化的MEA的边缘区域。

具体实施方式

[0032] 图1示出了带有布置在其上的MEA 11的双极板10。两个构件划分成活性区域AA和非活性区域IA。活性区域AA通过以下方式出众，即，在该区域中燃料电池反应进行。非活性区域IA可分别划分成供给区域SA和分配区域DA。在供给区域SA内布置有供给开口12至17，其在堆垛的状态中基本上彼此对准且主供给通道构造在未呈现的燃料电池堆垛内。阳极进入开口12用于供应阳极运行气体、即燃料、例如氢气。阳极离开开口13用于在活性区域AA的溢流后引走阳极废气。阴极进入开口14用于供应阴极运行气体，其尤其是氧气或含氧的混合物、优选地空气。阴极离开开口15用于在活性区域AA的溢流后引走阴极废气。冷却剂进入开口16用于供应冷却剂且冷却剂离开开口17用于导走冷却剂。

[0033] 在图2中呈现了在密封框架19中的MEA 11的边缘区域18。MEA 11由布置在两个气体扩散层20,21之间的聚合物电解质膜片22组成。

[0034] 在MEA 11的棱边区域23处设置有密封件24，其包绕棱边区域23。此外，边缘区域28由密封框架19包绕，其在MEA 11的棱边区域23处构造空心室25，其至少部分地由密封件24填满。即使在密封框架19的其他实施方式中，空心室25有利地阻止，密封件24的稍后沿堆垛方向挤压的弹性体不具有膨胀空间且然后压靠力分布变得不适宜。在图2中且同样在随后的图中，密封件24仅示意性地呈现。其通过框架19限制。密封框架19在两个相同类型地成形的框架部件26上存在，其彼此相连接且在连接区域27中构造环绕的边缘28，其从MEA 11远离地延伸。框架部件26优选地借助于塑料薄膜构造。

[0035] 在图3和4中，呈现了带有密封框架19的MEA 11的相同的实施方式，其中在MEA 11的两侧上分别布置有分离器板10。在图3中，在环绕的边缘28两侧布置有密封件29，其密封气体室。在根据图4的实施方式中，密封件29分别在分离器板10上对应地设有密封框架19的环绕的边缘28。

[0036] 图5示出了带有具有L形的横截面轮廓的单件式的密封框架19的MEA 11，从而MEA 11在装配时可简单地置入到密封框架19中且可选地固定。该密封框架19可自身由起密封作用的材料组成或优选地在两侧上设有至少一个密封件。

[0037] 基于单件式的密封框架19的在图5中呈现的变型方案，在图6中将MEA 11带入到密封框架19中，其以框架部件30封闭，从而密封框架19总体上具有U形的横截面轮廓。

[0038] 参考符号列表10 双极板(分离器板，流场板)
11 膜片电极组件(MEA)
12 阳极进入开口/供给开口
13 阳极离开开口/供给开口
14 阴极进入开口/供给开口
15 阴极离开开口/供给开口
16 冷却剂进入开口/供给开口
17 冷却剂离开开口/供给开口
18 边缘区域
19 密封框架
20,21 气体扩散层
22 聚合物电解质膜片
23 棱边区域
24 密封件
25 空心室
26 框架部件
27 连接区域
28 环绕的边缘
29 密封件
30 框架部件
AA 活性区域(反应区域，活性区域)
IA 非活性区域(非活性区域)
SA 供给区域(供给区域)
DA 分配区域(分配区域)。

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