用于燃料电池堆的电化学单元制造技术

一种用于燃料电池堆的电化学单元，在该燃料电池堆中，分别具有电化学单元的多个燃料电池单元沿着堆叠方向依次排布，该电化学单元包括膜电极单元，膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面，通过阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元的阳极，并且阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件限定的外边缘，膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面，通过阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元的阴极，并且阴极侧的电化学活性面具有由阴极侧的边缘限定元件限定的外边缘，在该电化学单元中，通过向膜电极单元的若干区域仅供应氧化剂而避免了膜电极单元的加剧的老化，为了提供这种用于燃料电池堆的电化学单元，提出的是，将阳极侧的电化学活性面的外边缘至少区段式地相对阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池堆的电化学单元
本专利技术涉及一种用于燃料电池堆的电化学单元，在该燃料电池堆中，分别具有电化学单元的多个燃料电池单元沿着堆叠方向依次排布，其中，电化学单元包括膜电极单元，膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面，通过阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元的阳极，并且阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件限定的外边缘，膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面，通过阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元的阴极，并且阴极侧的电化学活性具有由阴极侧的边缘限定元件限定的外边缘。
技术介绍
在其内沿着堆叠方向彼此相叠地布置有多个燃料电池单元的燃料电池堆中，不同的媒介在燃料电池单元的不同平面中以及视设计而定地也在同一平面的不同区域中被导引。这些媒介可以尤其是阳极侧的流体(可燃气体)、阴极侧的流体(氧化剂)以及必要时还指的是冷却流体。这些被导引通过燃料电池堆的媒介应当既不互相混合也不从电化学电池中溢出，因此在多个平面中都需要密封装置。彼此相邻的电化学单元分别通过隔板或双极板彼此分开。密封装置可以作为单独的部件置入燃料电池堆中或固定在双极板上或固定在用于燃料电池单元的电化学单元的组成部分上，例如固定在气体扩散层上或在膜电极单元上。由于操作和制造中的优势以及由于简单的密封实施方案，通常优选将密封装置固定在双极板上或气体扩散层上。这一点可以例如通过将特别是由弹性体材料制成的密封装置喷溅到双极板的层上或气体扩散层上完成。在这种密封配置中，固定在双极板上或气体扩散层上的密封装置与在膜电极单元的边缘区域中固定在膜电极单元上(特别是在以催化剂涂层的膜(CCM)上)的边缘增强设施的组合被证实是合适的，其中，边缘增强设施充当用于密封装置的对应部件，有助于防止膜电极单元的不利的机械负荷且同时确保了膜电极单元的电化学活性区域到膜电极单元的边缘区域的有利的连接。这种边缘增强设施例如在EP1403949B1中公开。这种边缘增强设施也被称为子垫圈(Sub-Gasket)。这种边缘增强设施可以包括一个或多个层，其中，常见的结构包括两个层，这两个层被布置在形式为环绕式框的膜电极单元的两个彼此对置的侧上。在制造燃料电池堆时，每个燃料电池单元的双极板、气体扩散层、膜电极单元、密封装置和必要时边缘增强设施(子垫圈)都必须相对彼此进行定位，其中，这些部件可以单独地或作为已经至少部分地相互连接的组件被组装起来。在使用边缘增强设施时，边缘增强设施的边缘增强层必须相对膜电极单元来定位。在两件式的边缘增强设施中，边缘增强设施的第二边缘增强层也必须相对膜电极单元和/或相对边缘增强设施的第一边缘增强层来定位。两个气体扩散层必须分别相对由膜电极单元和边缘增强设施构成的单元来定位。由膜电极单元和边缘增强设施构成的单元然后必须相对双极板和密封装置来定位，其中，密封装置可以在双极板上和/或在边缘增强设施上使用。沿堆叠方向看，在膜电极单元的两个彼此对置的侧(主表面)上的电化学活性区域(与阳极侧的或阴极侧的催化剂子层邻接)视结构的类型而定地被边缘增强设施限界或被密封元件限界，其中，电化学反应可以发生在所述电化学活性区域中，密封元件分别与膜电极单元处于直接接触且由此禁止了在阳极或阴极上朝着膜电极单元的气体流动。在公知的燃料电池单元中，在膜电极单元的两侧上的电化学活性面在名义上分别大小相同且沿着堆叠方向看全等地实施，其中，电化学活性面由边缘增强设施的大小和/或位置或者由密封装置来限定。由于单个部件的制造公差和单个部件以及组件在组装中的定位公差，由密封装置或边缘增强设施的边缘增强层限定的电化学活性区域在膜电极单元的两个侧上可能在有些地方(沿垂直于堆叠方向取向的方向)彼此移位地布置。因此可能局部地在膜电极单元的边缘区域中产生若干区段，在这些区段中，膜电极单元仅在一侧被边缘增强设施或密封装置遮盖，并且在这些区段中，膜电极单元的电化学活性区域从另一侧(阳极或阴极)被供以反应气体。当现在膜电极单元的一个区域仅被供以氧化剂时，那么在这个局部限界的区域中膜电极单元缺乏可燃气体(通常是含氢的气体)的供应会导致加剧老化效应。在此运行的机制在文献书籍已作详细探讨，主要涉及由于燃料电池被水部分淹没而堵塞气体路径，例如在《ElectrochemicalandSolid-StateLetters(电化学与固体快报)》9(4)(2006)，A183至A185页中，在《ECSTransactions(电化学学会会刊)》3(1)(2006)，811至825页中以及在《InternationalJournalofHeatandMassTransfer(传热和传质国际期刊)》50(2012)，4745至4765页中。在供应不足的区域中的膜(电解质)电势尤其因为可燃气体的局部不充分的供应以及与之关联的阳极上氢气的氧化的减少而下降。在阳极上和阴极上的电极电势大幅上升，因此可能出现膜电极单元的部件的电化学损伤或化学损伤。因此，在阳极侧的和阴极侧的电化学活性面的边缘区域中由于密封装置或边缘增强设施的相对移位引起的在膜电极单元的阳极侧上的气体路径的局部阻塞可能在这个局部限界的区域中会对催化剂子层的老化和膜电极单元的膜的老化有加速作用。几个十分之一毫米的移位量在燃料电池的很高的运行持续时间下就已经可能导致很强的老化。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种本文开头所述类型的用于燃料电池堆的电化学单元，在该电化学单元中，避免了由于向膜电极单元的若干区域仅供应氧化剂而引起的膜电极单元的加剧的老化。通过本专利技术，该技术问题在具有权利要求1的前序部分的特征的电化学单元中通过如下方式解决，即，膜电极单元的阳极侧的电化学活性面的外边缘至少区段式地相对膜电极单元的阴极侧的电化学活性面的外边缘沿着垂直于堆叠方向延伸的方向向外移位。本专利技术基于这样的构想，即，电化学单元被有意地这样设计，使得膜电极单元的被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性区域至少区段式地在侧向突出超过膜电极单元的被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性区域。由此避免了，由于单个部件的制造公差和/或单个部件和组件在组装时的定位公差而产生膜电极单元的如下区域，该区域在阴极侧被供以氧化剂，但在阳极侧没有被供以可燃气体。更确切地说，有意地假设的是，通过膜电极单元的阳极侧的电化学活性面相对膜电极单元的阴极侧的电化学活性面的至少局部的扩大，在膜电极单元上产生了如下区域，这些区域在阳极侧被供以可燃气体，但在阴极侧没有被供以氧化剂。这个构想基于这样的认识，即，加剧的老化机理不是源于仅在一侧向膜电极单元供以用于膜电极单元的可燃气体，并且就膜电极单元的耐久度来说，仅在一侧向膜电极单元供以可燃气体比相反的情况(在一侧向膜电极单元供以氧化剂)更好。电化学活性面的阳极侧和阴极侧的边缘限定元件(它们在垂直于堆叠方向延伸的平面中向外限界出膜电极单元的电化学活性面)在此优选以如下方式实施，使得被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性面在移位的区域中在侧向突出超过被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性面，并且使得被供以可燃气体的阳极侧的电化学活性面的外边缘相对被供以氧化剂的阴极侧的电化学活性面的外边缘在垂直于堆叠方向延伸的平面中至少区段式移位地布置。特别有利的是，阳极侧的电化学活性面的外边缘在其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池堆的电化学单元，在所述燃料电池堆中，分别具有电化学单元(100)的多个燃料电池单元沿着堆叠方向(102)依次排布，所述电化学单元包括：膜电极单元(104)，所述膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面(132b)，通过所述阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元(104)的阳极，并且所述阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件(134b)限定的外边缘(130b)，所述膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面(132a)，通过所述阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元(104)的阴极，并且所述阴极侧的电化学活性面具有由阴极侧的边缘限定元件(134a)限定的外边缘(130a)，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)至少区段式地相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)延伸的方向(138)向外移位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.20 DE 102015100740.11.一种用于燃料电池堆的电化学单元，在所述燃料电池堆中，分别具有电化学单元(100)的多个燃料电池单元沿着堆叠方向(102)依次排布，所述电化学单元包括：膜电极单元(104)，所述膜电极单元具有阳极侧的电化学活性面(132b)，通过所述阳极侧的电化学活性面能将可燃气体输送给膜电极单元(104)的阳极，并且所述阳极侧的电化学活性面具有由阳极侧的边缘限定元件(134b)限定的外边缘(130b)，所述膜电极单元还具有阴极侧的电化学活性面(132a)，通过所述阴极侧的电化学活性面能将氧化剂输送给膜电极单元(104)的阴极，并且所述阴极侧的电化学活性面具有由阴极侧的边缘限定元件(134a)限定的外边缘(130a)，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)至少区段式地相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)延伸的方向(138)向外移位。2.按照权利要求1所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)在基本上其整个长度上相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)延伸的方向(138)向外移位。3.按照权利要求1或2所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)至少区段式地相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)向外所移位的移位量(V)至少为0.1mm。4.按照权利要求1至3中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)向外所移位的移位量(V)最大为0.6mm。5.按照权利要求1至4中任一项所述的电化学单元，其特征在于，在任何部位上，所述阳极侧的电化学活性面(132b)的外边缘(130b)都不相对所述阴极侧的电化学活性面(132a)的外边缘(130a)沿着垂直于所述堆叠方向(102)的方向(138)向内移位。6.按照权利要求1至5中任一项所述的电化学单元，其特征在于，所述阳极侧的边缘限定元件(134b)和/或所述阴极侧的边缘限定元件(134a)包括至少一个密封元件(108a、108b)。7.按照权利要求1至6中任一项所述的电化学单元，其特征在于，至少一个密封元件(108a、108b)包括至少一个接驳区域(124...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·施塔尔，于尔根·克拉夫特，米夏埃尔·格茨，
申请(专利权)人：爱尔铃克铃尔股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE