具有至少一個(gè)活性表面層的燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括陽(yáng)極一陰極堆的燃料電池，該陽(yáng)極一陰極堆具有至少一個(gè)活性表面層，該表面層設(shè)有第一通道結(jié)構(gòu)，該第一通道結(jié)構(gòu)包括用于在表面層上沿第一方向引導(dǎo)第一流體的多個(gè)第一通道，該表面層設(shè)有第二通道結(jié)構(gòu)，該第二通道結(jié)構(gòu)包括用于在表面層上沿第二方向引導(dǎo)第二流體的多個(gè)第二通道，其中，第二方向大致橫向于第一方向延伸，該表面層設(shè)有用于將第一流體導(dǎo)入所述多個(gè)第一通道中的第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)并且該表面層設(shè)有用于將第二流體導(dǎo)入所述多個(gè)第二通道中的第二導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及這種燃料電池在機(jī)動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明類(lèi)型的燃料電池尤其是構(gòu)造為聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)、具有陽(yáng)極一陰極堆(雙極板堆)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，該陽(yáng)極一陰極堆具有多個(gè)活性表面層。每個(gè)表面層設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極，它們通過(guò)膜分開(kāi)。為了在膜中可發(fā)生質(zhì)子傳輸，必須向表面層中供應(yīng)氫(氣體形式)和氧氣(空氣形式)以及可能需要的冷卻劑(液態(tài)水形式)作為反應(yīng)流體。
[0003]為此，每個(gè)表面層設(shè)有用于在表面層上引導(dǎo)第一流體的第一通道結(jié)構(gòu)和用于將第一反應(yīng)流體導(dǎo)入第一通道結(jié)構(gòu)中的第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。另外在表面層上設(shè)有用于在表面層上引導(dǎo)第二流體的第二通道結(jié)構(gòu)和用于將第二流體導(dǎo)入第二通道結(jié)構(gòu)中的第二導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。各通道結(jié)構(gòu)分別設(shè)有多個(gè)并排的通道，這些通道以這種方式在表面層的整個(gè)面上延伸。導(dǎo)入結(jié)構(gòu)位于表面層的邊緣上并且用于將相應(yīng)流體盡可能均勻地導(dǎo)入多個(gè)相配的通道中。導(dǎo)入結(jié)構(gòu)可作為所謂的內(nèi)部歧管集成在構(gòu)成導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的板中。作為替換方案，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)可構(gòu)造為所謂的外部歧管。在該方案中，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)作為獨(dú)立的構(gòu)件在外部連接到陽(yáng)極一陰極堆上。
[0004]出于成本和重量的原因，這類(lèi)外部歧管可能是優(yōu)選的。然而在密封外部歧管和陽(yáng)極一陰極堆之間產(chǎn)生的接縫方面，這種方案并非沒(méi)有問(wèn)題。尤其是在為導(dǎo)入第一和第二流體而應(yīng)使用彼此橫向延伸的通道結(jié)構(gòu)、即所謂的交叉流動(dòng)區(qū)(Cross-Flow-Field)時(shí)是這種情況。因?yàn)閷?duì)于這種結(jié)構(gòu)需要在在此矩形的表面層的三至四個(gè)邊緣上設(shè)置歧管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明提供一種包括陽(yáng)極一陰極堆的燃料電池，該陽(yáng)極一陰極堆具有至少一個(gè)活性表面層，該表面層設(shè)有第一通道結(jié)構(gòu)，該第一通道結(jié)構(gòu)包括用于在表面層上沿第一方向引導(dǎo)第一流體的多個(gè)第一通道，該表面層設(shè)有第二通道結(jié)構(gòu)，該第二通道結(jié)構(gòu)包括用于在表面層上沿第二方向引導(dǎo)第二流體的多個(gè)第二通道，其中，第二方向大致橫向于第一方向延伸，該表面層設(shè)有用于將第一流體導(dǎo)入所述多個(gè)第一通道中的第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)并且該表面層設(shè)有用于將第二流體導(dǎo)入所述多個(gè)第二通道中的第二導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，所述第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)入結(jié)構(gòu)二者都設(shè)置在表面層的一個(gè)第一邊緣上并且第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)附加地具有一個(gè)用于將第一流體導(dǎo)向表面層的一個(gè)與第一邊緣成橫向定向的第二邊緣的邊緣通道。
[0006]借助根據(jù)本發(fā)明的方案只需兩個(gè)外部歧管即可實(shí)現(xiàn)交叉流動(dòng)區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的解決方案的成本和復(fù)雜度相應(yīng)地相對(duì)低。
[0007]為此，根據(jù)本發(fā)明在相應(yīng)表面層的一個(gè)邊緣上導(dǎo)入兩種流體并且隨后借助一個(gè)橫向于該第一邊緣的邊緣通道沿表面層的一個(gè)第二邊緣引導(dǎo)其中一種流體。根據(jù)本發(fā)明第一流體向表面層的第二邊緣的這種側(cè)向轉(zhuǎn)向優(yōu)選以反應(yīng)氣體氫氣來(lái)實(shí)施。氫氣具有較低的粘度，因而在小的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)也可以轉(zhuǎn)向。在此，對(duì)于邊緣通道可利用本來(lái)就存在于表面層上的、位于密封裝置下的結(jié)構(gòu)空間。另外可節(jié)省在堆的其它邊緣上的用于否則必需的歧管的結(jié)構(gòu)空間。因此，根據(jù)本發(fā)明的陽(yáng)極一陰極堆的總體積與傳統(tǒng)的堆相比可更小。另外，在本發(fā)明的解決方案中上述密封問(wèn)題也特別小。
[0008]在根據(jù)本發(fā)明的這種燃料電池的一種有利方案中，表面層構(gòu)造成矩形的，于是第一邊緣是該矩形形狀的第一長(zhǎng)邊并且第二邊緣是矩形形狀的與第一長(zhǎng)邊相鄰的第二長(zhǎng)邊。
[0009]用于導(dǎo)入第一流體的邊緣通道優(yōu)選沿表面層的整個(gè)第二邊緣延伸。借助這樣長(zhǎng)的邊緣通道，第一流體可在整個(gè)第二邊緣上轉(zhuǎn)向到相配通道結(jié)構(gòu)的在第二邊緣上開(kāi)始的通道中。
[0010]在此，也優(yōu)選在表面層的與第二邊緣相對(duì)置的第三邊緣上，沿表面層的整個(gè)第三邊緣構(gòu)造有用于將第一流體從所述多個(gè)通道排出的另一邊緣通道。通過(guò)這種方式形成Z形形狀，其中，第一流體在陽(yáng)極一陰極堆的一側(cè)上被導(dǎo)入，然后橫向于之前的方向穿過(guò)堆并且隨后在另一側(cè)上再次橫向于之前的方向被排出。
[0011]作為替換方案，用于導(dǎo)入第一流體的邊緣通道僅沿第二邊緣的一部分延伸，第一通道在相配的表面層中構(gòu)造成S形延伸的，并且在表面層的與第二邊緣相對(duì)置的第三邊緣上，用于將第一流體從所述多個(gè)第一通道排出的另一邊緣通道僅沿整個(gè)第三邊緣的一部分延伸。借助該結(jié)構(gòu)形狀可特別高效地利用可用的結(jié)構(gòu)空間。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中，第二導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)有垂直于表面層延伸的用于供應(yīng)第二流體的第二供應(yīng)通道，該第二供應(yīng)通道在第一邊緣上設(shè)置在該第一邊緣的遠(yuǎn)離第二邊緣的角部區(qū)域中。在此，優(yōu)選為空氣的第二流體尤其是傾斜于第一和第二方向或S形地在表面層上被引導(dǎo)。在S形的通道導(dǎo)向時(shí)，第二流體首先沿第一方向、然后沿第二方向并且接著再次沿第一方向在表面層上被引導(dǎo)。
[0013]第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)有垂直于表面層延伸的用于供應(yīng)第一流體的第一供應(yīng)通道，該第一供應(yīng)通道在第一邊緣上設(shè)置在該第一邊緣的至第二邊緣的角部區(qū)域中。第一流體的導(dǎo)入裝置和排出裝置因此優(yōu)選設(shè)置在陽(yáng)極一陰極堆的兩個(gè)在一條直徑上對(duì)置的角部上，所述兩個(gè)角部便尤其是位于第三流體的位于第一邊緣中間的導(dǎo)入裝置或排出裝置側(cè)旁，這在下面還將詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]另外，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中優(yōu)選設(shè)置第三通道結(jié)構(gòu)，該第三通道結(jié)構(gòu)設(shè)有用于在表面層上沿第三方向引導(dǎo)第三流體的多個(gè)第三通道，并且設(shè)有用于將第三流體導(dǎo)入所述多個(gè)第三通道的第三導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。在此，第三導(dǎo)入結(jié)構(gòu)也設(shè)置在第一邊緣上。借助這種第三通道結(jié)構(gòu)可尤其是傾斜于第一和第二方向或S形地在表面層上引導(dǎo)優(yōu)選為冷卻劑的第三流體。在S形的通道導(dǎo)向時(shí)，第三流體首先沿第一方向、然后沿第二方向并且接著再次沿第一方向在表面層上被引導(dǎo)。
[0015]在此，第三導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)有垂直于表面層延伸的用于供應(yīng)第三流體的第三供應(yīng)通道，該第三供應(yīng)通道在第一邊緣上設(shè)置在該第一邊緣的中間區(qū)域中。第三供應(yīng)通道位于第三邊緣上、即尤其是位于第一和第二供應(yīng)通道之間。通過(guò)這種方式，第三流體可居中地被導(dǎo)入第三通道中，所述第三通道在此尤其是彼此平行并排地在表面層上延伸。
[0016]最后，本發(fā)明還特別涉及這種根據(jù)本發(fā)明的燃料電池在汽車(chē)、尤其是混合動(dòng)力車(chē)上的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0017]下面參考示意性的附圖詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的解決方案的實(shí)施例。附圖如下:
[0018]圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的陽(yáng)極一陰極堆的表面層的透視性剖視圖；
[0019]圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的表面層上的第一通道結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0020]圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的表面層上的第二通道結(jié)構(gòu)和第三通道結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0021]圖4示出根據(jù)本發(fā)明第一種實(shí)施例的、具有相配的第一導(dǎo)入結(jié)構(gòu)和相配的邊緣通道的表面層上的第一通道結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0022]圖5示出根據(jù)本發(fā)明第二種實(shí)施例的、根據(jù)圖4的俯視圖；
[0023]圖6示出根據(jù)圖4的第一種實(shí)施例的、具有相配的第二和第三導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的表面層上的第二通道結(jié)構(gòu)和第三通道結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0024]圖7示出根據(jù)圖5的第二種實(shí)施例的、根據(jù)圖6的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、用于汽車(chē)、尤其是混合動(dòng)力車(chē)的燃料電池的未進(jìn)一步示出的陽(yáng)極一陰極堆的表面層10。該表面層10在上下疊置的層中包括作為“膜電極組件”的下膜12、下氣體擴(kuò)散層14、下雙極板16、上雙極板18、上氣體擴(kuò)散層20和上膜22。在此，膜12和22以及氣體擴(kuò)散層14和20在活性表面上延伸，在該活性表面之內(nèi)雙極板16和18構(gòu)成分別具有多個(gè)通道26的通道結(jié)構(gòu)24。在這些通道結(jié)構(gòu)24上游設(shè)有導(dǎo)入結(jié)構(gòu)28，所述導(dǎo)入結(jié)構(gòu)也借助雙極板16和18形成。導(dǎo)入結(jié)構(gòu)28用于將總共三種流體、即氣態(tài)氫30 (H2)、空氣32以及液態(tài)冷卻劑34分布到通道結(jié)構(gòu)24中。
[0026]在如此分布流體30、32和34時(shí)存在下述問(wèn)題:這三種流體30、32和34應(yīng)從不同側(cè)面被導(dǎo)入通道結(jié)構(gòu)24中，以便在至少兩個(gè)彼此橫向定向的方向36和38上穿流作為所謂的交叉流動(dòng)區(qū)的通道結(jié)構(gòu)24(參見(jiàn)圖2和3)。相應(yīng)地必須為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)入結(jié)構(gòu)28在相配的、在此具有矩形表面層10的(在這里未詳細(xì)進(jìn)一步示出的)陽(yáng)極一陰極堆上在一個(gè)邊緣40上連接用于導(dǎo)入流體30的歧管42并且將其密封在那里。另外，必須在一個(gè)與邊緣40橫向定向的邊緣44上連接用于將流體32以及流體34導(dǎo)向相應(yīng)表面層10的歧管46并且將其密封在那里。為了排出流體30或32和34，必須分別在相對(duì)置的邊緣48上設(shè)置歧管50或在邊緣52上設(shè)置歧管54。因此總共要設(shè)置及密封至少四個(gè)歧管42、46、50和54。然后在歧管42中設(shè)有用于氫氣的供應(yīng)通道56，該供應(yīng)通道垂直于表面層10延伸并且氫氣從該供應(yīng)通道被導(dǎo)入由一個(gè)通道結(jié)構(gòu)60形成的通道58中。通道58在此沿方向36延伸。類(lèi)似地，在歧管46中延伸一個(gè)通向一個(gè)通道結(jié)構(gòu)66之通道64的用于空氣的供應(yīng)通道62以及一個(gè)通向一個(gè)通道結(jié)構(gòu)72之通道70的用于冷卻劑的供應(yīng)通道68。通道結(jié)構(gòu)66和72在此相互交錯(cuò)地延伸，因此通道64和70沿方向38彼此平行并且因此橫向于方向36延伸。
[0027]在圖4至圖7中示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池74，這些燃料電池在其相應(yīng)的表面層76上僅具有兩個(gè)相配的歧管78和80。歧管78在此不僅用于將氫氣而且也用于將空氣和冷卻劑導(dǎo)入表面層76中。歧管80用于從相應(yīng)表面層76排出這三種介質(zhì)。歧管78關(guān)于附圖位于在此為矩形的表面層76的下邊緣82上并且在那里在該邊緣的整個(gè)縱向長(zhǎng)度上延伸。歧管80相對(duì)置地位于上邊緣84上。歧管76是用于氫氣的導(dǎo)入結(jié)構(gòu)86的組成部分，該導(dǎo)入結(jié)構(gòu)還設(shè)有垂直地橫貫表面層76的供應(yīng)通道88以及設(shè)有邊緣通道90。邊緣通道90在橫向于邊緣82和84延伸的參照附圖在左側(cè)的邊緣92上延伸并且通入多個(gè)通道