專利名稱：燃料電池組及其裝配方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池組及其裝配方法和應用。
由EP 0795205B1已知一種燃料電池和一種燃料電池組，其中，燃料電池單元機械地堆疊并借助螺栓通過端板連接在一起。在各通道上的密封唇起密封材料的作用，通道有支承環作為機械支座。但在這種結構中系統本身導致在設計為雙極板的極板與膜片之間存在直接的接觸，這會帶來腐蝕問題。
因此上述已知的結構不適用于較高的工作溫度，這種溫度例如在PEM燃料電池的高溫方案中是常見的。
本發明的目的是創造一種燃料電池組，它適用于各種類型的PEM燃料電池，以及與此同時克服了先有技術的缺點。
本發明的目的通過權利要求1所述特征來達到。在其從屬權利要求中說明其進一步的發展。權利要求11的內容是用于裝配這種燃料電池組的方法，一種優選的應用由權利要求14給出。
本發明的對象是一種包括至少兩個堆疊在一起的燃料電池單元和至少一塊端板和/或一個外殼和/或一塊最外部的極板或雙極板的燃料電池組，其中，燃料電池單元借助一種具有密封和固定特性的材料互相連接。此外，本發明的對象還涉及一種裝配燃料電池組的方法，其中，至少兩個燃料電池單元借助一種有密封和固定特性的材料連接成電池組。本發明的對象還包括這種燃料電池組在含有高溫PEM燃料電池的燃料電池裝置中的應用。
按照燃料電池組的一種實施形式，這種材料還有粘結特性，所以借助這種材料連接的燃料電池單元互相粘結并密封地連接。其結果是不再需要另外借助夾緊裝置通過端板施加密封壓力或只需要較小的密封壓力。
上述通過電池的粘結在電池或電池組內部承力的方式，允許使用由薄、輕和便宜的材料制的端板，或甚至干脆取消大塊的端板，在這種情況下此電池組最外部的界面便是第一個和最后一個燃料電池單元的極板，換句話說是電池組最外部的燃料電池單元的極板。
按電池組的一種實施形式，這種材料是彈性的，所以可通過連接材料的彈性，補償電池組非彈性的結構部分因受熱引起的體積改變，上述結構部分尤其如雙極板、電極、膜片和/或基體(Matrix)。
按電池組的另一種實施形式，這種材料周期地局部彈性。在這里指的是這種材料在彼此相繼的區域內并不是連續彈性的，而是彈性與非彈性(亦即機械剛性)交替，所以同時還賦予電池組一定的機械強度。為此，例如具有非彈性部分的材料的一些區域用例如纖維增強。這些纖維可以由金屬、碳、玻璃纖維等構成，也就是能與基本材料結合在一起承受拉力的纖維。在這方面可指出玻璃纖維增強的塑料，它們同樣可投入使用。
按一種替換方式，材料也可以有針對性地按區域局部化交聯，例如通過所謂輻射交聯(Strahlvernetzung)。由此可使此同一種材料有周期的或按區域的彈性或非彈性特性。這些非彈性的分區優選地處于電池組的外側。
在本發明的范圍內，燃料電池單元的元件，如膜片一電極組件和極板，同樣借助具有密封和固定特性的材料互相連接。優選地，這種連接設計為使雙極板與膜片和/或基體之間不發生直接接觸，因為直接接觸存在這樣的危險，即在膜片或基體中存在的酸會侵蝕材料和/或極板的表層。
這種材料優選地是一種到約300℃仍是穩定的塑料。對此適用的例如是一種聚合材料，它由一致的或不同的單體單元構成。根據在電池組內的使用區域，在塑料內有不同的單體單元和添加劑。例如，將一種彈性體作為材料，優選地是一種粘結彈性體，尤其優選地是一種包括非彈性分區和/或有周期性局部彈性區的粘結彈性體。
按一種實施形式，塑料構成一框形件，它圍繞著電池組。按另一種實施形式，塑料構成支承環和/或密封環，它們將燃料電池單元在軸向通道和/或所謂歧管(Manifold)的通孔處互相密封連接。按另一種實施形式，相鄰電池的極板通過這種材料互相粘結。
也可以根據位置使用不同的材料。尤其是塑料制的支承環和/或密封環可以如已提及的那樣按一種實施形式用金屬或玻璃纖維增強。
按另一種實施形式，電池組裝入一個導引壓力的外殼體內，所以至少對于過程氣體和/或冷卻介質不需要內部歧管。在這種情況下燃料電池組優選地構成一種封閉的設計。
采用本發明也可實現一種開式的電池組設計，此時燃料電池單元互相僅局部密封連接。在帶有氫氣回流管和重整器(Reformer)的開式電池組中，由于不可避免的污染，所以采用例如安裝在進氣管內的氣體凈化膜是有利的。為了除去凝結成液態的產物水(這種產物水在工作溫度低于水的沸點時會堵塞氣體擴散層)，電池組在開式設計的情況下優選地將垂直定向的活性電池面布置成，使水從活性電池面滴出。
按一種特殊的實施形式，電池組除此之外還在端板處通過錨桿和螺栓連接，在這種情況下至少一根錨桿可穿過一軸向供應通道。
下面通過對附圖所示實施方式的說明并結合權利要求給出本發明的其他優點和詳情。在示意圖中分別表示
圖1是燃料電池組的一個剖面示圖，此燃料電池組是燃料電池裝置的一部分；圖2為圖1中邊緣區的局部剖示圖；圖3和4為裝配前兩種不同結構的局部剖視圖；以及圖5示出一密封件，它設計為交替地固定和/或密封。
在這些圖中相同的或作用相同的部分采用相同的或相應的附圖標記來標示。下面部分地共同說明這些附圖。
電池組指的是一個堆疊，它由至少兩個燃料電池單元組成，它們有相關的管道和至少一部分冷卻系統。
燃料電池裝置指的是整個燃料電池系統，它有一個或多個分系統。每個分系統有至少一個燃料電池單元，相應的供應管道，亦即過程氣體輸入和輸出通道、端板和/或一個外殼和/或一塊最外部的極板、一個帶有冷卻劑和冷卻管道的冷卻系統以及一個“燃料電池組外圍設備”。此外圍設備例如包括一個重整器(Reformer)、壓縮機、鼓風機和/或用于預熱過程氣體的加熱裝置、以及必要時其他一些部件。
圖1中用10表示燃料電池組。該電池組包括許多單個燃料電池單元11、11′、…，它們堆疊成一個牢固的復合體。每個燃料電池單元11、11′、…包含一個膜片-電極組件(MEA＝Membrane Electrode Assembly)，它由能傳導質子的膜片110(例如已公知的商標名為Nafion的膜片)與兩側的電極111和112以及所謂的極板115組成，極板115恰當地設計為用于兩個相鄰燃料電池單元11和11′的雙極板。借助端板12和13以及多根錨桿(在圖中可看到其中的錨桿14和15)將整個裝置連接起來。
在這種裝置中重要之點在于，各燃料電池單元11、11′、…總是密封地固定在一框架內。為此在圖中存在一種具有調整和固定特性的材料，在圖2至3中用20表示其結構。
借助材料20的特殊結構將各燃料電池11、11′、…互相連接、固定，并與此同時保證密封。此材料結構20在區域21內可設計為彈性的，以便吸收溫度引起的應力，而在區域22內此材料是非彈性的，在那里一定程度上起剛性框架的作用。
由圖2可見燃料電池組10的各燃料電池單元11、11′、…的結構。每個燃料電池單元11包括至少一個膜片110和/或含有化合和/或物理結合的電解質的基體以及兩個電極111和112，這兩個電極處于膜片和/或基體的相對側上。一個反應腔113、114與至少一個電極111、112相鄰，該反應腔分別借助一塊極板或共同用于兩個燃料電池單元的一塊雙極板115和/或一相應的邊緣結構，相對于周圍封閉。此外還設有一些可將過程氣體引入和排出反應腔的裝置。例如從圖中可看到一個軸向通道120，它用于向燃料電池單元供應過程氣體或冷卻劑等。
尤其由圖2可以詳細看到密封裝置20的結構它在內部區有一個密封21，它是彈性地密封的并可變形。在外部區則有一個具有固定作用且不能變形的密封22。采用這種結構，尤其借助固定的密封22，可使裝置獲得穩定性。
在先有技術中采用重的不可彎的板作為端板，錨桿的壓力通過它們進一步傳給燃料電池單元的縱向棱邊。而在具有已說明的密封材料的本發明中，通過“電池內部承力”第一次有可能可以使用較輕和較薄的端板。必要時也可以完全取消這種單獨的構件。
在圖1和2中實現了燃料電池組的一種封閉的設計。對于在垂直排列燃料電池組10的各燃料電池單元11、11′時的開式設計，在下部區設相應的開口。
為了裝配圖2所示燃料電池組，分別在雙極板115上加上，例如硫化膠合上由包括可變形區21和不可變形區22的材料構成的密封裝置20。真正的膜片-電極組件夾在兩個由雙極板115和密封21組成的這種裝置之間。為了密封需要一個力，它使密封裝置20的彈性區21變形到非彈性區22互相貼靠為止。如此確定的距離的總和決定了電池組的總高度尺寸。
在圖4中示出，在密封上，尤其是在固定密封30上，事先加上粘結面31作為密封。必要時此密封只是一側加粘結面。由此同樣可實現各燃料電池單元密封地及固定地組合，并因而可在整個燃料電池組10采用雙極板時做到這一點。
借助圖5可以清楚看出，一個密封件40可交替地有固定和密封特性。此密封件40有一外部區41，它例如預成形為隆凸狀并有彈性特性以適用于壓緊由膜片110和電極111、112組成的MEA。朝極板方向的區域42則相反有固定特性。這些特性可例如通過加入由另一些材料例如金屬材料制的纖維獲得，或也可在某些聚合物的情況下通過輻射交聯達到。
采用圖5所示的元件，在相應地彼此層疊的情況下，一方面在有彈性特性的區域內實現了MEA的密封，另一方面則與此同時在具有非彈性特性的支承環內實現了固定，所以可以實現在電池內部的承力，并在總體上降低了對端板及其夾緊的要求。這是有可能的，因為通過所采用的塑料可在規定的部位實現支承功能。
在上述裝置中，一個簡單的或雙層壁容器可起外殼的作用。在這里具有隔熱的可能性可起重要作用，在雙層壁的設計中例如空腔可充填蓄潛熱的材料，優選地充填石蠟。在具有外殼和外殼內加壓的開式電池組設計中，外殼必須耐壓。
本發明改善了已知電池組結構的熱穩定性，并可將工作溫度提高到300℃。因此這種電池組結構可應用于這樣一種PEM燃料電池，即，它們按特殊的設計可在這樣的工作溫度下工作并因而稱為高溫PEM燃料電池。作為與工作溫度約為60℃的PEM燃料電池的分界，高溫PEM燃料電池的工作溫度在80與300℃之間。由于在這種PEM燃料電池中使用有腐蝕性的磷酸，所以其中材料的選擇有特殊意義。
通過采用粘結性彈性體作為邊界密封，就實現了在電池組內的內部承力，從而降低了對端板的抗彎強度的要求。由于避免了在雙極板與膜片之間的直接接觸，所以可以顯著延長極板的使用壽命，因為并不面臨受儲存在膜片內的酸腐蝕的危險。
權利要求
1.一種燃料電池組，它包括至少兩個堆疊在一起的燃料電池單元、兩塊端板、兩塊最外部的極板或雙極板和/或一個外殼，其中，燃料電池單元(11、11′、…)借助至少一種材料(20、30、40)互相連接，這種材料一方面具有密封性另一方面具有固定特性。
2.按照權利要求1所述的燃料電池組，其特征為所述材料(20、30、40)是一種熱穩定的塑料。
3.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為所述材料(20、30、40)將燃料電池單元(11、11′、…)密封地粘結在一起。
4.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為所述材料(20、40)是一種彈性體并且是彈性的和/或按區段局部彈性的。
5.按照權利要求4所述的燃料電池組，其特征為所述材料(20、40)至少局部用纖維增強。
6.按照權利要求4所述的燃料電池組，其特征為所述材料(20、40)按區段交聯。
7.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為在燃料電池單元內，極板與膜片之間不存在直接的接觸。
8.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為所述材料以至少一個支承環和/或密封環的形式存在。
9.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為所述外殼是一個導引壓力的外殼體。
10.按照上述任一項權利要求所述的燃料電池組，其特征為所述端板通過錨桿連接在一起，其中至少一根錨桿穿過電池組的軸向供應通道。
11.一種用于裝配按照權利要求1至10之一所述燃料電池組的方法，其中，至少兩個燃料電池單元連接成一電池組，為此使用一種有密封和固定特性的材料。
12.按照權利要求11所述的方法，其特征為為了密封燃料電池單元利用材料的彈性，而為了固定燃料電池單元則利用材料的非彈性特性。
13.按照權利要求11所述的方法，其特征為通過粘結使帶有非彈性材料的燃料電池單元實現密封。
14.在高溫PEM燃料電池中應用按照權利要求1至10之一所述的燃料電池組。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池組及其裝配方法和應用。此燃料電池組借助一種有密封和固定特性的材料連接在一起。
文檔編號H01M8/02GK1460302SQ0081867
公開日2003年12月3日 申請日期2000年12月22日 優先權日1999年12月23日
發明者曼弗雷德·鮑爾多夫, 里特馬·馮赫爾莫爾特, 曼弗雷德·波平格, 羅爾夫·布魯克, 喬基姆·格羅斯, 喬爾格－羅曼·科尼茲尼, 彼得·巴克納, 阿諾·馬特賈特, 艾格爾·梅爾特雷特, 康拉德·芒特, 曼弗雷德·韋達斯, 米克·萊齊格 申請人:西門子公司, 伊密泰克放射技術有限責任公司