没有双极板的燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及没有双极板的燃料电池，由所述燃料电池构成的燃料电池模块由在阳极面和阴极面上具有端板（１３，１４）的电池摞（１）组成，具有电压系统（１７）并具有用于氧气、氢气和冷却剂的介质接头（３０－３５）并且具有许多单个电池（７ｉ，７ｉ＋１，７ｉ＋２），它们分别具有膜－电极单元（１０），它们由多孔透气材料制成的阳电极和阴电极（５，６）和设置在其间的具有阳极催化剂和阴极催化剂（３，４）的电解膜（２）组成，并且在阳极面和阴极面上具有集电器（１５，１６），其特征在于，所述介质输入管道（３０，３１，３２）和介质排出管道（３３，３４，３５）附属于冷却和介质模块（４０），所述冷却和介质模块（４０）只设计成用于提供二次功能空间（４２，４３，４４）和形成叠摞并且分别在冷却和介质模块（４０）的两个侧面上设置相邻单个电池（７ｉ，７ｉ＋１，７ｉ＋２）的膜－电极单元（１０）的或者氢气电极（５，５’）或者氧气电极（６，６’）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池模块，它由在阳极面和阴极面上具有端板的电池摞组成，具有电压系统并具有用于氧气、氢气和冷却剂的介质接头并且具有许多单个电池，它们分别具有膜-电极单元，它们由多孔透气材料制成的阳电极和阴电极和设置在其间的具有阳极催化剂和阴极催化剂的电解膜组成，并且在阳极面和阴极面上具有集电器。
技术介绍
这种燃料电池模块由单个电池组成，它们分别具有阳极和阴极和位于其间的电解膜。在阳极上氢气氧化，在阴极上氢核通过氧气和在耗电器和电流导体上流动的电子转换成水。如果阳极和阴极通过电导体连接，则电流流动。此外释放热量。整个过程可以连续地运行，即，持续地将水和氧气输送到各电极。例如由DE 12 72 678 Al以及EP 0 490 808 Al已知这种燃料电池。在这些已知的燃料电池中使用高多孔率的电极，由此提供大的表面积供电化学转换使用。这些电极在具有催化作用的膜面上具有微小尺寸的惰性金属颗粒， 尤其由具有钼或钼合金制成的颗粒，以及具有导电层。在常见的结构中氧气和氢气通过双极板输送到电极，其中在这些双极板中铣出通道，用于使氢气和氧气精细地分布在电极表面上。从那里通过扩散使氧气和氢气输送到反应区。这些双极板必需设置在模-电极单元的两面上并且在加工中是费事且昂贵的。上述通道不仅作为参与产生电流过程介质的输入管道，同时作为参与产生电流过程介质的排出管道。此外缺陷是，它们不仅必需输送不混合输送的气体，而且必需排出剩余气体和反应产品。顶端、保留在通道之间的短臂作为从电极到双极板的电流传导，而通道横截面必需导引所需的气体量。由此引起结构上的抵触-大的电流传递面积抵制大的通流横截面-只能难以或者根本不能解决。双极板浪费空间地构造并且明显地影响整个燃料电池模块的尺寸。它们还必需是良好导电和导热的并且必需防止气体从单个电池扩散到下一电池，例如通过所谓的由相应的材料层组成的气体栅栏，材料层加入到双极板里面。难以抑制在双极板中的气体扩散，由此气体损失率可能相对较大， 或者说，燃料电池总效率较低。双极板容纳气体通道，用于能够通导过程介质。它们要有助于形成电池摞的机械结构。缺陷是，双极板不是弹性的，即具有刚性的结构。此外目前需要使双极板对于腐蚀性介质是化学和电化学稳定的并且在直到200°C的运行温度时持久耐用的。因此寻找适合的材料或者说材料妥协和加工工艺目前不是令人满意的并且导致例如双极板的大壁厚并由此导致不利的总电池摞结构高度。在过程期间产生的过程热量的去耦联也是有问题的。或者将热量通过辐射从叠摞体输运到环境并且接受微小的叠摞效率或者在双极板中加入冷却通道，伴随显著的缺陷和加工成本，尤其在以类似注塑工艺加工的结构中。在此缺陷是由于双极板材料特性和可能双层的气体栅栏造成大的结构高度。因此通常将叠摞结构、冷却电池设置在单个电池之间的确定网目里面，通过去掉相应的单个电池。这个结构形式是有意义的，如果要达到更高的叠摞效率并且排除热量，但是加大叠摞高度，或者说加大单位叠摞体积的功率密度。这种叠摞的双布线的作用是，通过单个电池的串联导引相应的电流通过整个电池，以部分不利的且安全技术上不允许的电压水平。接着的电参数转换(符合实际的标度)只能以昂贵的电系统实现。此外，如果一个单个电池失效，则整个叠摞失效。这种叠摞的维修难以或者根本不能实现，只有拆卸叠摞、即损坏叠摞才能回收昂贵的原料(催化颗粒)。此外可能自发地形成电解作用的“巢”，如果零部件如双极板在酸性介质中工作并且电流流动的时候。双极板的刚性结构的作用是，使叠摞上的零部件(膜-电极单元、双极板、密封、端板)的加工误差和不均勻的热膨胀通过叠摞横截面相加并且导致叠摞的倾斜位置。在通过夹紧装置的相应预夹紧装配时叠摞方向的机械压缩导致在一侧上的不密封性和在另一侧上的棱边挤压，伴随各种零部件损伤，尤其损伤密封。缺陷还在于， 整个叠摞在实际起动前带到运行温度，需要显著的能量，它们由为其规定的能源提供，例如相应接通的电池。通过这种方式可能损伤膜并且在很大程度上避免催化。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是，通过新的结构并且通过新的零部件在放弃双极板的条件下实现良好加工的且小或窄构造的燃料电池模块。按照本专利技术这个目的由此得以实现，所述介质输入管道和介质排出管道附属于冷却和介质模块并且与它连接，所述冷却和介质模块设计成只用于提供二次功能空间和形成叠摞并且分别在冷却和介质模块的两个侧面上设置相邻单个电池的膜-电极单元的或者氢气电极或者氧气电极。在这样构成的单个电池中，它如同目前一样可以与其它单个电池组合成燃料电池模块，首次能够省去双极板，因为冷却和介质模块简单地构成，可以以微少的费用加工并且完全实现功能，尽管它不必导电并且因为可以完全省去气体栅栏。通过现在能够简单实现的布线通过从属的电流接片在产生电流的地方截取电流，即，无需通过整个叠摞导引电流， 在现有技术中是这样。此外冷却和介质模块的构造比双极板的构造简单得多，因为只需功能室、即介质通道，无需使用特殊的导电材料或者使用气体栅栏或类似结构。由于简单的结构给出变化性，它给出可能性，建立不仅小结构尺寸的、而且主要是具有微小叠摞高度的燃料电池或燃料电池模块。与已知的结构相比叠摞高度可以以系数3降低。这同时带来的优点是，可以完全省去浪费空间和复杂的双极板并且还使每个单个电池独立连接并且可以任意串联、并联或单个或成组或分叠摞地连接，由此例如在电池失效时在电池组中毫无问题地可以使整个电池以这种形式继续运行。此外可以设有备用电池，它们接通并且当然可以正好毫无问题地断开有缺陷的电池，直到需要大修。由此实现冷却和介质模块与其余功能单元在电池框架里面的准确配合，使冷却和介质模块通过用于气体的由弹性结构、最好由两个或多个零部件组成的冷却通道和输入通道构成。这些由允许膨胀的材料或弹性结构制成的零部件易于在各个模块的叠摞轴线和功能单元里面固定和调整，其中对于这个结构首先考虑特种钢和薄板。如果这些零部件相应地膨胀，由此实现相对于电池框架或端板的夹紧和膜-电极单元的均勻面顶压并补偿加工误差和热膨胀，这导致改善的功能并且避免不密封性和类似问题。如果电池叠摞的内部叠摞由在叠摞轴线中允许呼吸的结构构成，则尤其得到这个补偿。此外在前面已经证实，作为弹性膨胀的材料首先规定薄板，其中本专利技术规定，冷却和介质模块或至少七个零部件由特种钢制成的薄板、膜或冷带构成。特种钢的特征尤其是， 通过氢气和其它腐蚀性的组成部分不会产生不利影响，由此实现模块的长使用寿命。按照另一结构规定，所述冷却和介质模块由如上所述直到七个由塑料、最好由塑料膜组成的零部件构成。在这个结构中除了总体上有利的弹性以外还突出的是，腐蚀性介质在燃料电池技术范围内对这些塑料不会产生不利影响。此外弹性是突出的。材料的弹性膨胀由此保证，使用于气体的冷却通道和输入管道通道里面的压力可以变化并且可以相应地在膜-电极单元上调整所期望的面压力。对此指的是内部叠摞，它在外部叠摞内部由于空隙可以变化。在薄板结构中可以使用最薄壁的薄板，即实际上的膜，因为按照本专利技术规定，电极盖、密封薄板、弹簧板和冷却通道和输入管道的零部件通过间隔体分开。在此这样选择间隔体的数量、形状和结构，使相关通道分别在其整个长度上可靠地保持开孔横截面。不仅氧气而且氢气在电解膜和位于其上本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一个燃料电池模块，它由在阳极面和阴极面上具有端板（１３，１４）的电池摞（１）组成，所述阳极面和阴极面具有电压系统（１７）并具有用于氧气、氢气和冷却剂的介质接头（３０－３５）并且具有许多单个电池（７ｉ，７ｉ＋１，７ｉ＋２），它们分别具有膜－电极单元（１０），它们由多孔透气材料制成的阳电极和阴电极（５，６）和设置在其间的具有阳极催化剂和阴极催化剂（３，４）的电解膜（２）组成，并且在阳极面和阴极面上具有集电器（１５，１６），其特征在于，所述介质输入管道（３０，３１，３２）和介质排出管道（３３，３４，３５）附属于冷却和介质模块（４０），所述冷却和介质模块（４０）只设计成用于提供二次功能空间（４２，４３，４４）和形成叠摞并且分别在冷却和介质模块（４０）的两个侧面上设置相邻单个电池（７ｉ，７ｉ＋１，７ｉ＋２）的膜－电极单元（１０）的或者氢气电极（５，５’）或者氧气电极（６，６’）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B布吕内，
申请(专利权)人：特朗普夫机床有限责任两合公司，
类型：发明
国别省市：DE