用于燃料电池和电解装置的气体分配器结构制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于燃料电池或电解装置、尤其是PEM燃料电池(10)的气体分配器结构(14)，该气体分配器结构具有用于分配反应物的织物(80)，其中，所述织物(80)具有至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)。所述织物(80)的所述至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)实施为载体材料(104、106)的沿竖直方向或沿水平方向延伸的线材(90、92)，该载体材料设有由功能材料(108、110、112)组成的涂层(100)或多层涂层(113)。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池和电解装置的气体分配器结构
本专利技术涉及一种尤其适用于燃料电池和电解装置的气体分配器结构以及其应用。
技术介绍
燃料电池是原电池，该原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化成电能。因此，燃料电池是电化学换能器。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转化成水(H2O)、电能和热量。电解装置是电化学换能器，该电化学换能器借助于电能将水(H2O)裂解成氢气(H2)和氧气(O2)。此外，已知质子交换膜片(Proton-Exchange-Membrane＝PEM)燃料电池。还已知的是既用于燃料电池也用于电解装置的阴离子交换膜片。质子交换膜片-燃料电池具有中央布置的膜片，该膜片对于质子、即对于氢离子而言是能传导的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分开。质子交换膜片-燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处被供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子经由膜片达到阴极。所给出的电子从燃料电池导出并且经由外部电路流动至阴极。氧化剂在燃料电池的阴极处被供应并且通过接收来自外部电路的电子和经由膜片达到阴极的质子而反应成水。以该方式产生的水从燃料电池导出。总反应为：O2+4H++4e-→2H2O在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池以机械的方式彼此相继地布置成燃料电池堆并且电串联。为了使燃料均匀分配到阳极上以及为了使氧化剂均匀分配到阴极上，设置有双极板。双极板例如具有用于将燃料以及氧化剂分配到电极上的通道状结构。通道状结构还用于将反应时产生的水导出。双极板还可以具有用于将冷却液体引导经过燃料电池以导出热量的结构。由DE102012221730A1已知具有双极板的燃料电池，该双极板由两个板半部构造。在此，这两个板半部中的每个板半部具有一个分配区域，该分配区域设置成用于分配反应气体。DE102014207594A1示出用于燃料电池的双极板。在此，双极板具有曲折形的通道，该通道例如构造为槽。在此，该曲折形的通道用于将氢气或氧气导入到燃料电池中。不同于在运行温度≤120℃的情况下运行的PEM燃料电池，电解装置不配备冷却通道。该构造的堆叠或重复单元形成堆。在空气或水中以及在冷却液体中的反应物H2和O2通过介质分配器结构导入到电池中。该分配器结构例如可以实现为通道或者也可以实现为能导电的多孔层。在阳极侧和阴极侧上的气体分配器结构的功能如下：-反应气体或反应物水应均匀地分配到活性面上，-电子应传导到紧接着的电池中，-作为反应产物以及产物气体的液态水或水蒸汽应从电池中输送出来，并且-由催化剂层生成的热量应排放至冷却剂。根据当前的现有技术，将冲压金属板用作为气体分配器结构。由此产生隔片-通道结构。在燃料电池中，通过通道结构将反应气体分配到电化学活性面上。然而在隔片下方存在受限的气流。根据多个文献来源，在空气侧上在这些隔片下面可以积聚液态产物水，所述产物水妨碍朝着催化剂层的气体输送。由此局部上极大地阻碍了朝着催化剂层的O2输送，使得燃料电池的功率在局部下降，这导致整个燃料电池的整体性能变差。通道结构是对于开孔泡沫的替代方案。这些泡沫具有≥90％的孔隙率。在泡沫内部的隔片具有几微米的厚度。在隔片下方不聚集值得注意的液态水。因此，这种泡沫能够实现反应产物、液态水的优化运出。因此，相较于通道结构，通过泡沫结构可以实现更高的流密度(＝更大量的产物水)并且由此实现改善的功率密度。然而泡沫在制造中相对较贵并且多孔结构是随意的，因为不能预给定定向结构。出于这些原因，泡沫相比于通道具有高的压力损失。这又导致针对将空气压到电池中的空气压缩机的提升的要求。替代于泡沫也可以使用由塑料、金属、碳纤维或类似材料制成的丝或线材，其借助于织造设施手动地或机械地连接成织物。为此使用的机器大部分来自于纺织工业，但可以通过简单的改型适配于前面提到的非纺织材料。所述织物应用在不同的领域中。由金属制成的织物例如作为过滤器使用。通常平面的、近似二维的结构可以针对一些材料扩展成三维网。由此除了正交的过滤方向之外附加地得出在织物本身中的过滤平面。该织物结构的孔大小和孔隙率可以在大范围中改变。
技术实现思路
根据本专利技术，提出一种用于燃料电池或电解装置、尤其是PEM燃料电池的气体分配器结构，该气体分配器结构具有用于分配反应物的织物，其中，织物具有至少两个彼此不同的纤维。织物的所述至少两个彼此不同的纤维实施为由载体材料制成的、沿竖直方向或水平方向延伸的线材或带，所述载体材料在表面上设有功能材料的涂层或多层涂层。由于涂层材料存在以下可能性，替代不锈钢使用成本更有利的材料、如塑料或钢并且其特性通过相应涂层材料的合适选择有利地受影响，如织物的横向于流体流动方向的导电性、耐腐蚀性、机械稳定性、水排出和制造成本。因此，例如当载体材料如钢或塑料设有相应的涂层时，例如能够避免贵的耐腐蚀的不锈钢的使用。在根据本专利技术提出的解决方案的其他实施方案中，涂层可以实施为单层涂层或多层涂层并且例如由导电材料制造。作为制成单层涂层或多层涂层的导电材料例如可以使用材料如钛、塑料或不锈钢。除了优选使用的材料、钛和不锈钢之外同样可以使用贵重元素，金、钯和铂。此外，导电聚合物或基于碳的涂层如石墨是可能的，如由类金刚石组成的涂层。对于涂层或多层涂层可以由钛、碳或不锈钢实施的情况，载体材料可以从成本相对偏移的材料如塑料或钢中选择。依照根据本专利技术提出的解决方案，涂层(单层涂层或多层涂层)用作为对于载体材料的腐蚀防护部，该载体材料例如也可以是具有较高机械强度的材料。具有较高机械强度的载体材料例如可以是马氏体钢。除了马氏体钢之外也可以使用另外的、不那么抗腐蚀的、尤其可选地高合金化的不锈钢。另一方面，涂层(构造为单层涂层或多层涂层)也可以由不导电材料如PTFE组成。在根据本专利技术提出的气体分配器结构中，该气体分配器结构能够以有利的方式如此构造，使得织物与燃料电池堆的双极板的接触点是没有不导电材料的和/或在接触点上涂覆有导电材料。为此，接触点可以设有多层涂层，其中，仅在接触点上选择性地移除由不导电材料制成的层，从而在接触点上存在导电性。在实施变型方案中，根据本专利技术提出的气体分配器结构例如可以仅在单侧上、即要么仅在前侧上要么仅在后侧上设有涂层，所述涂层实现为单层涂层或者实施为多层涂层。气体分配器结构也可以这样实现，使得例如织物的第一部分设有不导电材料或导电材料，而织物的第二部分、例如位于该第一部分下方的部分可以涂覆有与该材料不同的材料。气体分配器结构或织物能够以有利的方式如此实现，使得多层涂层实施为因地点而变化的多层涂层。因地点而变化的多层涂层例如可以在用作为气体分配器结构的织物的载体材料上这样构造，使得在例如可以呈波形实施的织物上在波峰的区域中实施有提供较小的过渡电阻的涂层、如导电材料(如金)，而例如在织物的各个波峰之间的波谷中，另外的涂层由更抗腐蚀的材料制成，该材料提供较小的过渡电阻，例如碳基涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于燃料电池或电解装置、尤其是PEM燃料电池(10)的气体分配器结构(14)，该气体分配器结构具有用于分配反应物的织物(80)，其中，所述织物(80)具有至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)，其特征在于，所述织物(80)的所述至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)实施为待涂覆材料(104)的沿竖直方向或沿水平方向延伸的线材(90、92)，该待涂覆材料设有功能材料(108、110、112)的涂层(100)或多层涂层(113)。/n

【技术特征摘要】
20190118 DE 102019200617.51.用于燃料电池或电解装置、尤其是PEM燃料电池(10)的气体分配器结构(14)，该气体分配器结构具有用于分配反应物的织物(80)，其中，所述织物(80)具有至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)，其特征在于，所述织物(80)的所述至少两个彼此不同的纤维(81、82、83)实施为待涂覆材料(104)的沿竖直方向或沿水平方向延伸的线材(90、92)，该待涂覆材料设有功能材料(108、110、112)的涂层(100)或多层涂层(113)。


2.根据权利要求1所述的气体分配器结构(14)，其特征在于，所述涂层(100)或所述多层涂层(113)由导电材料(108)制成。


3.根据权利要求2所述的气体分配器结构(14)，其特征在于，所述涂层(100)或所述多层涂层(113)包含：钛，碳，不锈钢，或贵重元素如金、钯、铂，导电聚合物或者复合材料、例如具有碳颗粒的聚合物，或者碳基涂层、如石墨。


4.根据权利要求2或3所述的气体分配器结构(14)，其特征在于，作为待涂覆材料(104)选择塑料或钢。


5.根据权利要求1所述的气体分配器结构(14)，其特征在于，所述涂层(100)或所述多层涂层(113)用作为腐蚀防护部并且使用具有较高机械强度的待涂覆材料(104)。


6.根据权利要求5所述的气体分配器结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·贝尔纳，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE