燃料电池制造技术

一种燃料电池(1)包括至少一个膜、至少一个阳极电极层、至少一个阴极电极层、至少两个气体扩散层和至少两个流场结构，其中，至少一个膜(2)布置在一个阳极电极层(3)和一个阴极电极层(4)之间，从而形成膜电极组件并限定活性区域(Aij)，其中，一个气体扩散层(5)布置成与每个电极层(3；4)相邻，并且其中，一个流场结构(6；7)布置成与每个气体扩散层(5)相邻，其中，每个流场结构(6；7)包括至少三个燃料歧管(90)、至少三个氧化剂歧管(91)和至少三个冷却剂歧管(92)，其特征在于，燃料电池(1)包括至少两个活性区域(A11；A12)，并且至少一个燃料歧管(90)、至少一个氧化剂歧管(91)和至少一个冷却剂歧管(92)布置在至少两个活性区域(A11；A12)之间。A12)之间。A12)之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池，特别地涉及燃料电池模块。

技术介绍

[0002]燃料电池是将氢能转化为电力的电化学装置，近年来，作为更清洁的能源和化石燃料的替代品吸引了相当多的关注。有若干种类型的燃料电池正在开发中，燃料电池主要基于材料和操作温度进行分类。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)由于其高功率密度和紧凑性是不仅用于移动电话和汽车而且用于固定应用的最佳候选者之一。
[0003]PEMFC中的单个电池由薄电解质和阳极侧的催化剂层以及阴极侧的催化剂层组成，其中该组件被称为膜电极组件(MEA)。燃料(通常为氢)穿过膜的一个表面和另一侧的氧化剂(通常为空气)，发生电化学反应以产生电力和作为副产品的水。利用目前的技术，可以获得高达2至3[A/cm2]的电流密度和4至5[W/m3]的体积功率密度。为了提高这些值并改善燃料电池的性能，需要朝着尺寸紧凑性努力。在燃料电池堆的操作中起重要作用的主要参数是燃料电池堆两端的压降、氧利用率(氧的消耗)、相变和水管理以及膜脱水。当电池堆在动态和负载调节条件下操作时，这些参数的影响变得更微不足道。例如，这种燃料电池可从WO 2019/207811、US 2019/0221868和US 2019/0214654中获知。

技术实现思路

[0004]在本专利技术中，要解决的问题是电流和体积功率密度的增加。利用本专利技术，6至7[kW/L]和更高的值是可能的。另外，根据本专利技术的燃料电池的制造方法被简化并显著地改进。
[0005]该问题通过具有权利要求1的特征的燃料电池解决。燃料电池的其它实施方式由其它权利要求的特征限定。
[0006]根据本专利技术的燃料电池包括至少一个膜、至少一个阳极电极层、至少一个阴极电极层、至少两个气体扩散层和至少两个流场结构。至少一个膜布置在一个阳极电极层和一个阴极电极层之间，从而形成膜电极组件并限定活性区域。一个气体扩散层布置成与每个电极层相邻，并且一个流场结构布置成与每个气体扩散层相邻。每个流场结构包括至少三个燃料歧管、至少三个氧化剂歧管和至少三个冷却剂歧管。燃料电池包括至少两个活性区域，并且至少一个燃料歧管、至少一个氧化剂歧管和至少一个冷却剂歧管布置在至少两个活性区域之间。
[0007]利用这种设计，介质的供给被分成多个分支，这些分支即独立于其它区段进入和离开活性区域的小的区段(所谓“节段”)。换句话说，单个电池的活性区域被分成几个更小的活性区域，流体在电池上的特定位置处进入和离开这些活性区域。流体可以是加湿的或未加湿的(通常为气体)气体，例如空气、氢气，或液体(例如去离子水、防冻剂等)。
[0008]通过参考燃料电池理论，氢燃料电池的“可逆开路电压”由“能斯特(Nernst)”方程定义，其中电池的电压与氧的分压直接相关。这意味着，电池内部的氧的利用和减少导致较低的电池电压。在气体通道中，从入口开始朝向出口，通过消耗氧气，电池的电压下降，这降
低了平均电池电压。然而，当前的方法通过在分段的活性区域之间引入新鲜流体来帮助克服这个问题。因此，增加了每个进入点处的电池的电压，并因此增加了平均电池电压。
[0009]本专利技术的另一个优点是，由于电池的活性区域的分段，气体通道更短，因此与任何常规方法相比，跨每个节段的压降显著减小。因此，利用根据本专利技术的燃料电池，通过使用鼓风机而不是压缩机来运行电池堆是可能的。换句话说，可以提供具有较少寄生负载的燃料电池系统。
[0010]电池分段的另一个优点是，随着温度变化将更均匀并且由于小的节段而在活性区域内再现，电池的热管理变得更容易。它在不影响性能的情况下，在电池的外部尺寸上给出了更大的灵活性。
[0011]通过与现有技术的设计相比较，可以更详细地解释该概念。考虑了具有300[cm2](普通尺寸)的活性区域、30[cm]的长度、10[cm]的宽度和30[cm]的气体通道长度的汽车电池堆。在标称操作条件下，预期在通道的入口和出口之间以及因此在电池的入口和出口之间存在约20至50[KPa]的压降和5至8℃的温度变化。此外，氧化剂和燃料利用和水管理将受限于通道的几何形状和长度。
[0012]通过将电池分段，气体通道可以被分成具有较小通道长度如5[cm]的若干区段，导致较小的压降(线性关系，即，小五倍)、入口和出口之间的较小的温差，即，更好的耐久性、更容易的水管理和氧化剂利用。此外，电池可以具有不同的尺寸，例如30
×
10[cm2]或20
×
15[cm2]或任何其它结构，而不影响性能。
[0013]在一个实施方式中，三种歧管中的每一种中的至少一个歧管是入口歧管，并且它们中的至少两个歧管是出口歧管。或者，三种歧管中的至少两个是入口歧管，并且它们中的至少一个是出口歧管。
[0014]在一个实施方式中，出口歧管的数量是入口歧管的数量的两倍。替代地，入口歧管的数量是出口歧管数量的两倍。
[0015]在一个实施方式中，所有歧管的横截面尺寸是相同的。替代地，歧管中的至少一个(或一种)歧管的横截面尺寸与其它歧管(或其它种歧管)的尺寸不同。
[0016]在一个实施方式中，所有歧管的横截面形状是相同的。替代地，歧管中的至少一个歧管(或一种歧管)的横截面形状与其它歧管(或其它种歧管)的形状不同。
[0017]在一个实施方式中，歧管的形状是包括三角形、矩形、正方形、椭圆形和圆形的组中的一种。然而，任何形状都是可能的。
[0018]在一个实施方式中，对于三种歧管中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积等于所有出口歧管的总横截面面积。
[0019]在一个实施方式中，对于三种歧管中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积大于所有出口歧管的总横截面面积。替代地，对于三种歧管中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积小于所有出口歧管的总横截面面积。
[0020]在一个实施方式中，燃料歧管的总横截面面积等于氧化剂歧管的总横截面面积和/或冷却剂歧管的总横截面面积。
[0021]在一个实施方式中，燃料歧管的总横截面面积大于氧化剂歧管的总横截面面积和/或冷却剂歧管的总横截面面积。替代地，燃料歧管的总横截面面积小于氧化剂歧管的总横截面面积和/或冷却剂歧管的总横截面面积。
[0022]在一个实施方式中，燃料电池包括在至少第一方向上重复自身的歧管图案。替代地，图案在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上重复自身。
[0023]在一个实施方式中，两个重复图案之间的距离与图案内两个相邻歧管之间的距离相同。替代地，两个重复图案之间的距离大于图案内两个相邻歧管之间的距离。
[0024]在一个实施方式中，燃料电池包括至少两个垫圈，其中，一个垫圈布置成与每个流场结构相邻，并且其中，每个垫圈在相同位置处包括与流场结构相同数量的歧管。
[0025]在一个实施方式中，燃料电池包括至少一个子垫圈，其中，子垫圈在两侧至少覆盖膜的边界区域。替代地，子垫圈在两侧至少覆盖膜和电极层的边界区域。
[0026]在一个实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池(1)，所述燃料电池包括至少一个膜(2)、至少一个阳极电极层(3)、至少一个阴极电极层(4)、至少两个气体扩散层(5)和至少两个流场结构(6；7)，其中，所述至少一个膜(2)布置在一个阳极电极层(3)和一个阴极电极层(4)之间，从而形成膜电极组件并限定活性区域(Aij)，其中，一个气体扩散层(5)布置成与每个电极层(3；4)相邻，并且其中，一个流场结构(6；7)布置成与每个气体扩散层(5)相邻，其中，每个流场结构(6；7)包括至少三个燃料歧管(90)、至少三个氧化剂歧管(91)和至少三个冷却剂歧管(92)，其特征在于，所述燃料电池(1)包括至少两个活性区域(A11；A12)，并且至少一个燃料歧管(90)、至少一个氧化剂歧管(91)和至少一个冷却剂歧管(92)布置在所述至少两个活性区域(A11；A12)之间。2.根据权利要求1所述的燃料电池(1)，其中，三种歧管(90；91；92)中的每一种中的至少一个歧管是入口歧管，并且至少两个歧管是出口歧管，或者其中，所述三种歧管(90；91；92)中的至少两个歧管是入口歧管，并且至少一个歧管是出口歧管。3.根据权利要求2所述的燃料电池(1)，其中，出口歧管的数量是入口歧管的数量的两倍，或者其中，入口歧管的数量是出口歧管的数量的两倍。4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(1)，其中，所有歧管(90；91；92)的横截面尺寸相同，或者其中，所述歧管(90；91；92)中的至少一个歧管的横截面尺寸与其它歧管的尺寸不同。5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池(1)，其中，所有歧管(90；91；92)的横截面形状相同，或者其中，所述歧管中的至少一个歧管的横截面形状与其它歧管的横截面形状不同。6.根据权利要求5所述的燃料电池(1)，其中，所述歧管(90；91；92)的形状是包括三角形、矩形、正方形、椭圆形和圆形的组中的一种。7.根据权利要求2至6中任一项所述的燃料电池(1)，其中，对于三种歧管(90；91；92)中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积等于所有出口歧管的总横截面面积。8.根据权利要求2至6中任一项所述的燃料电池(1)，其中，对于所述三种歧管(90；91；92)中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积大于所有出口歧管的总横截面面积，或者其中，对于所述三种歧管(90；91；92)中的每一种，所有入口歧管的总横截面面积小于所有出口歧管的总横截...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：EH集团工程公司，
类型：发明
国别省市：