燃料电池以及机动车的制作方法

本发明涉及一种燃料电池以及一种具有这种燃料电池的机动车，所述燃料电池包括交替的双极板和膜电极单元的堆以及被构造在双极板与膜电极单元之间的流体通道和被构造在双极板之内的流体通道。

背景技术：

燃料电池利用燃料与氧化学反应成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元（MEA代表membrane electrode assembly（膜电极组））作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的、尤其是传导质子的膜和分别布置在所述膜两侧上的电极（阳极和阴极）构成的复合体。此外，在所述膜电极单元的两侧在所述电极的背对所述膜的侧上可以布置有气体扩散层（GDL）。通常，燃料电池由多个以堆（stack）来布置的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在燃料电池运行时，燃料、尤其是氢气H2或者含氢的气体混合物被输送给阳极，在所述阳极上在输出电子的情况下进行从H2到H⁺的电化学氧化。通过将反应空间彼此气密地隔离并且电隔离的电解质或者膜，将质子H⁺从阳极空间（有水地或者无水地）传输到阴极空间中。在阳极上提供的电子通过电导线被导向阴极。氧气或者含氧的气体混合物被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下进行从O2到O^2-的还原。同时，在阴极空间内，所述氧离子与经过所述膜传输的质子在形成水的情况下发生反应。通过从化学能到电能的直接反应，燃料电池由于卡诺因子的规避相对于其它的电力发生器实现了改进的效率。

燃料电池由多个以堆来布置的膜电极单元形成，使得也说成是燃料电池堆。在两个膜电极单元之间分别布置有一个双极板，所述双极板保证了用工作介质、即反应物和冷却液来供应单电池。此外，双极板还负责与膜电极单元的导电接触。此外，所述双极板确保了在阳极空间与阴极空间之间的密封隔离。

双极板大多由两个独特的板来构造，所述两个独特的板具有布置在所述板两侧的高度凹凸花纹形式的结构。通过该凹凸花纹，在所述板两侧得到不连续的流体通道，所述流体通道被构造来引导工作介质。所述工作介质又通过所述板相互隔离，使得在板的内部引导冷却剂，而在外部引导反应气体。反应气体的流体通道一方面受相应的板限制并且另一方面受膜电极单元限制。

因为在燃料电池系统中有水，所以在低温下、尤其是在温度明显低于0摄氏度的情况下启动燃料电池系统可能是有问题的。所述水尤其是来源于燃料电池反应，但是也可能随着燃料电池反应的反应气体、即阳极或者阴极气体被导入到所述系统中。因为燃料电池反应放热地进行并且因此燃料电池系统自动地发热，所以在切断之后，所述燃料电池系统的温度又下降。在对系统进行冷却时，尤其是在低温的情况下，可能发生低于露点并且因此发生处在系统中的水蒸气的冷凝。在相应低的温度下，水结冰并且在管道系统中可能导致流体技术上和/或机械上的阻塞。在通流的系统中的冰覆盖的表面开始融化时，也可能发生由于被流体扯下并且在系统中移动的冰粒所致的损坏。

为了解决该问题，WO 2008/086819 A1提出给燃料电池的管道系统的部件（即具有自由横截面的管道）以及用于流体控制的活动元件（如阀、用于输送气流的泵）在内部横截面的一个区域上亲水地并且在该内部横截面的另一区域上疏水地进行涂层，所述自由横截面大于冷凝的水滴。所描述的是，这导致：冷凝的水以水滴状积聚在管道的内部周围的疏水涂层的部分上，而冷凝的水扁平地分布在所述内部周围的亲水涂层的区域上。

然而，在燃料电池堆之内的流体通道具有如下直径，所述直径小于冷凝的水滴的直径。因此，水滴、尤其是结冻的水已经导致流体通道的阻塞。因此，为了防止流体通道的阻塞，需要防止上面所描述的水滴形成，因为尤其是具有结冻的水滴的流体通道的阻塞导致了燃料电池的不起作用。

因此，DE 10 2009 012 995 A1提出：在燃料电池堆之内的流体通道沿着所述通道的纵向延伸交替地装备有疏水和亲水区域，并且因此有利于水沿着流体通道的延伸方向传输。而WO 2008/086819 A1提出：在所述堆之内的流体通道完全配备亲水涂层。

然而，这些设计方案的共同之处是由于流体通道的小的横截面而形成毛细吸力，所述毛细吸力对燃料电池系统起不利的作用并且妨碍或者甚至阻止水从所述系统排出。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供一种燃料电池，所述燃料电池消除或者至少减少现有技术的缺点。尤其是应该提供一种燃料电池，所述燃料电池具有如下流体通道，所述流体通道基本上阻止了由于液态和/或结冻的水引起的对燃料电池堆的流体通道的阻塞。

该任务通过如下所述的燃料电池以及机动车来解决。因此，本发明的第一方面涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括交替的双极板和膜电极单元的堆。此外，所述燃料电池还包括被构造在双极板与膜电极单元之间的流体通道和被构造在双极板之内的流体通道。按照本发明，关于流体通道的横截面，用于传输反应气体的流体通道的至少一部分的能被流体从上方流过的表面在延伸方向的区域内具有至少一个疏水区段和亲水区段。所述堆被取向为使得所述用于传输反应气体的流体通道具有水平的走向，并且所述用于传输反应气体的流体通道的阴极流体通道的亲水区段的至少一部分沿重力方向被布置在下方。

通过燃料电池的按照本发明的设计方案，几乎禁止了进行冷凝的水的水滴形成。由此，又可以阻止流体通道的阻塞。此外，按照本发明的燃料电池还阻止了在很小的流体通道之内的毛细作用的展开，使得可以利用仅仅小的力作用运送水。尤其是，相应的反应气体的流体压强足以使水排出。所有这一切都以有利的方式导致所述燃料电池的工作能力保持稳定。

当前，流体通道被理解为用于传输反应气体、即阳极和阴极气体的流体通道。所述流体通道不仅处在燃料电池的活性区域内而且处在燃料电池的非活性区域内、即处在分配区域内，并且尤其是在分配区域内不仅可以封闭地而且可以打开地来实施。在此，打开的通道在一侧上通过双极板来限制并且在另一侧上通过膜电极单元（例如膜或者电极的气体扩散层）来限制。而封闭的流体通道处在如下双极板之内，所述双极板由于其凹凸花纹结构而形成内部的流体通道。

在本发明中，被从上方流过的或者能被从上方流过的表面可被理解为流体通道的内部周围、即所述表面的被阳极或阴极气体从上方流过的部分。关于流体通道的横截面，所述表面处在内部、即处在所述横截面的对准流体通道的中点的一侧上。

优选地，被从上方流过的表面的润湿性借助水的静态接触角来测量，使得所述表面在疏水区段内具有大于90度的接触角并且在亲水区段内具有小于90度的接触角。

在本发明的一种优选的设计方案中规定：所述堆具有非活性区域和活性区域，其中所述非活性区域、即不具有电极材料的区域包括用于燃料电池的工作介质的分配区域，所述分配区域用于供应所述活性区域。按照本发明装备有亲水区段和疏水区段的流体通道优选地被布置在燃料电池的分配区域内。

通常，双极板具有两个分配区域，其中一个分配区域用于将反应气体输送到活性区域并且另一分配区域用于使反应气体从所述活性区域排出。尤其是在排出区域内发生水的增强的形成或水的冷凝，所述水必须从流体通道排出。所述流体通道的按照本发明的设计方案支持将水从流体通道运出，并且因此阻止了水的积聚，所述水的积聚导致由于水滴形成和毛细作用而引起的阻塞。

在本发明的另一优选的设计方案中规定：所述堆被取向为使得所述流体通道具有基本上水平的走向，并且亲水区段的至少一部分沿重力方向布置在下方。这以有利的方式导致：水膜沿重力方向在下方聚集并且在那里由于很小的接触角而被拉长。于是，重力有利于所形成的水的排出。该设计方案尤其对于阴极通道是有利的，因为这里增强地发生水形成。因此，特别优选的是，交替的双极板和膜电极单元的堆被取向为使得阴极通道的亲水区段的至少一大部分沿重力方向布置在下方。

疏水区段被布置在双极板上和/或被布置在膜电极单元上。特别有利地，疏水区段被布置在双极板上，因为所述双极板与燃料电池的其它组成部分（诸如膜电极单元的元件或者气体扩散层的元件）相比关于润湿性可以更简单地改动。

因此特别优选的是：双极板至少局部地疏水化。该设计方案带来如下优点：可以将如下材料用于构造双极板，所述材料本身是更容易亲水的，但是关于稳定性、导电性和重量更好地适合于制造燃料电池堆。双极板的疏水化优选地通过表面的涂层和/或打毛来实现。尤其是，多种多样的方法和材料可提供用于涂层，所述方法和材料可以良好地被结合到双极板或燃料电池的生产中。

在本发明的一种进一步优选的设计方案中规定：水的毛细吸力FK在具有至少一个亲水区段和至少一个疏水区段的流体通道之内比在具有所述横截面的相同几何形状设计方案的以下流体通道之内小至少50%，所述流体通道的被从上方流过的表面在整个横截面内具有相同的润湿性。优选地，毛细吸力FK减小75%、尤其是减小80%、优选地减小85%、尤其是减小90%、特别优选地减小95%，使得毛细吸力在按照本发明设计的流体通道之内尽可能接近零。因为毛细吸力由水和被从上方流过的表面之间的附着力与水柱之内的内聚力之比引起，所以在流体通道的内部中的毛细吸力的减小导致水与所述被从上方流过的表面的静摩擦的减小，并且因此导致更容易并且更完全地将在流体通道之内冷凝的水排出。

随后的方程说明了毛细吸力FK的通用公式：

关于流体通道，

=被从上方流过的面积

=毛细压强

=水在表面上的接触角

=流体通道的半径

=水的表面应力

=地球加速度。

在具有相同的几何形状、相同的材料和相同的横截面的流体通道之内，所得出的毛细吸力FK与接触角成比例。与此相对应，如果在被从上方流过的表面的横截面之内在所述被从上方流过的表面的每个点上的接触角的余弦之和接近零，那么毛细吸力FK趋向于零。

优选地，这通过疏水区段关于横截面的份额相对于亲水区段关于横截面的份额的变化来实现。因此，在本发明的一种特别优选的设计方案中，毛细吸力FK通过疏水区段与亲水区段的大小比例、更准确地说疏水半径与亲水半径的大小比例来调整。针对亲水区段得到，并且针对疏水区段得到。因此，例如如果在疏水区段中的接触角的余弦的绝对值（）明显小于在亲水区段中的接触角的余弦的绝对值，那么在所述各个区段中本身均匀的润湿性的情况下，可以通过疏水区段的面积尺寸的或半径的增加来实现毛细吸力FK的减小。

此外优选的是，所述毛细吸力FK通过水在疏水区段中的静态接触角来调整。也就是说，在疏水区段与亲水区段的恒定的大小比例的情况下，毛细吸力的变化、尤其是毛细吸力的减小优选地通过调整静态接触角来实现。疏水性、即在疏水区段之内相对于水的接触角优选地通过涂层的组成和/或通过双极板的表面的粗糙度来调整。

本发明的另一方面涉及一种机动车，所述机动车在优选的设计方案之一中具有燃料电池。

本发明的其它优选的设计方案从本申请其余的公开内容得到。

只要不在个别情况下另作说明，本发明的不同的在本申请中提到的实施方式就可以有利地彼此结合。

附图说明

随后，本发明在实施例中借助所属的附图来解释。其中：

图1示出了燃料电池堆的示意图，

图2示出了在一种优选的实施方式中的按照本发明的燃料电池堆的横截面图，和

图3示出了在一种优选的实施方式中的流体通道的横截面的示意图。

具体实施方式

图1以强烈示意性的图示示出了燃料电池堆1。燃料电池堆1包括第一端板111以及第二端板112。在所述端板111、112之间布置有多个相叠堆叠的堆元件，所述堆元件包括双极板113和膜电极单元114。双极板113与膜电极单元114交替地堆叠。所述膜电极单元114分别包括膜110和连接在所述膜115两侧上的电极、即阳极和阴极（未示出）。此外，贴靠在所述膜110上，膜电极单元114还可具有（同样未示出的）气体扩散层。在双极板113与膜电极单元114之间分别布置有未示出的密封元件，所述密封元件使阳极空间和阴极空间向外气密地密封。借助于拉伸元件116、例如拉杆或者夹板将燃料电池堆1压入端板111与112之间。

在图1中，双极板113和膜电极单元114中，仅仅窄面可见。双极板113和膜电极单元114的主面彼此紧贴。图1中的图示部分地是没有严格按照尺寸的。典型地，由双极板113与膜电极单元114组成的单电池的厚度为几毫米，其中膜电极单元114是薄得多的部件。此外，所述单电池的数目通常显著大于所示出的。

在图2中示出了燃料电池堆1的单电池的示意截面图。

燃料电池堆1包括膜电极单元114作为核心部件，所述膜电极单元114具有聚合物电解质膜110以及分别连接到所述膜110的两个平面侧之一上的电极108、109，也就是阳极109以及阴极108。所述膜110是优选地有能力传导阳离子、尤其是质子（H⁺）的膜。电极108、109包括催化材料、例如铂，所述催化材料以被支撑的方式存在于导电材料、例如碳基材料上。

气体扩散层107分别连接到电极108、109上，使所输送的工作气体在电极108、109或膜110的主面上均匀分布的任务基本上应归于所述气体扩散层107。

在每个气体扩散层107的外侧上都布置有一个双极板113，所述双极板113这里由两个单板117来构造。双极板113具有如下任务：将堆中的单电池的各个膜电极单元114彼此电接线、冷却燃料电池堆1以及将工作气体输送给所述电极108、109。为了后者的目的，双极板113（也称作流场板）具有流场。所述流场例如包括多个彼此平行布置的流体通道104和105，所述流体通道104和105以切口或者沟槽的形式被加入到所述板113中。通常，每个双极板113在其一侧上具有朝向阳极109的阳极流场、即多个阳极流体通道105，并且在其另一侧上具有朝向阴极108的阴极流场，所述阴极流场由多个阴极流体通道104组成。燃料、尤其是氢气（H2）被输送给所述阳极流体通道105，而包含氧气（O2）的工作介质、尤其是空气被输送给所述阴极流体通道104。

在所示出的实施方式中，阳极109沿重力方向（g）布置在下面，而阴极108沿重力方向（g）布置在上面。在双极板113的区域内，阴极流体通道104具有疏水区段101a，所述疏水区段101a基于由双极板113/阳极109/膜110/阴极108/双极板113构成的层堆的布置沿重力方向（g）处在上方。替代地，疏水区段101a可处在所述膜电极单元114的与流体通道108、109相邻的层上。在所示出的实施方式中，气体扩散层107对应于这样的层。

图3示出了在本发明的一种优选的实施方式中的流体通道104、105的横截面的强烈示意性的细节图。流体通道的横截面强烈地简单化，使得形状和大小比例不容许关于工作原理进行推论。关于图2，所示出的流体通道是阴极流体通道104。所述阴极流体通道104本身在其内部周围的被从上方流过的表面102上具有疏水区段101a和亲水区段101b。疏水区段沿重力方向（g）布置在上方，并且已经在所示出的实施方式中通过对被从上方流过的表面102的涂层来实现。所述涂层例如通过如下材料来实现，在所述材料的表面上布置有烃基或者氟化烃基、尤其是甲基和/或三氟甲基。在此，每面积单位的基团的数目与表面的疏水性直接成比例。疏水区段101a与亲水区段101b的大小比例示范性地1:1地来选择，但是例如可以根据所述两个区段101a、b的润湿性从流体通道104、105到流体通道104、105变化。

在图2和3中示出的流体通道104、105的按照本发明的设计方案导致毛细吸力FK的减小。在理想情况下，在被从上方流过的表面101与在流体通道之内冷凝的水之间的附着力与在冷凝的水之内的内聚力相互保存，使得在流体通道中最终得到的毛细吸力趋向零。冷凝的水在疏水区段101a上滴下并且积聚在亲水区段101b中，在那里，所述冷凝的水由于很小的接触角而散布、即没有形成或者只形成很平的水滴或者薄膜。通过最小的力、诸如重力（g）或者（小的）气流的作用，所述水滴被从流体通道104、105驱赶出来。

附图标记列表

1 燃料电池堆

100 燃料电池

101 被从上方流过的表面

101a 疏水区段

101b 亲水区段

102 疏水涂层

103 冷却剂通道

104 阴极流体通道

105 阳极流体通道

107 气体扩散层

108 阴极

109 阳极

110 膜

111 第一端板

112 第二端板

113 双极板

114 膜电极单元

116 电极。