燃料电池堆和具有燃料电池堆的燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种燃料电池堆和一种具有燃料电池堆的燃料电池系统，所述燃料电池堆具有多个单电芯，单电芯具有公共的阴极区域和公共的阳极区域。本发明特别涉及一种具有多个单电芯的燃料电池堆和一种具有燃料电池堆的燃料电池系统，其中，单电芯具有公共的阴极区域和与公共的阴极区域隔开的公共的阳极区域。

背景技术：

1、由多个单电芯组成的燃料电池堆大体上在现有技术中是已知的。通常，单电芯被夹紧在两个端板之间，并且形成用于燃料电池堆的所有单电芯的公共阴极区域和公共阳极区域。为此，流入和流出区域通常在堆叠方向上在堆叠的整个长度上延伸，并且由形成在单电芯中的穿孔形成，这些穿孔相对于穿流的气态离析物使燃料电池堆的所有电芯彼此平行地连接。

2、在实践中目前的情况是，这种类型的燃料电池堆用在燃料电池系统中。当使用pem技术、即利用质子传导膜或聚合物电解质膜形成具有单电芯的燃料电池堆时，当新鲜气体被计量加入以用于起动时，则在燃料电池系统起动时，处于燃料电池系统中的气体被经过燃料电池堆冲走。这对于阳极区域特别关键。如果阳极区域中的氢气在燃料电池堆运行结束后已经挥发或者已经在燃料电池中被伴流的空气中的氧气耗尽，则空气大多存在于阳极区域中。如果现在计量补充氢气，则空气/氢气前沿并行地流经燃料电池堆的所有单电芯。这与阴极区域中的空气一起导致在该前沿处出现临界电位差，所述电位差损坏燃料电池的催化器。燃料电池堆的这种起动(也称为空气/空气起动)会对使用寿命产生不利影响。

3、为了解决这个问题，在此例如可以将氢气保存在阳极区域中，在理想情况下，在燃料电池堆的整个停机时间期间氢气不会被耗尽。其机制之一是阻止空气补充流入阴极区域中。在如从现有技术中已知的燃料电池系统中的情况是，此处阀装置通常用于在燃料电池系统处于停机状态中时封闭燃料电池堆的阴极区域。这些也称为阴极截止阀的构件通常是在燃料电池堆外围使用的大型阀或活门。它们很重、容易发生故障、密封性容易出问题，而且——至少在结构足够紧密的情况下——相对昂贵。此外，它们连同其控制电子装置和用于操控阀的执行器一起需要相对较大的安装空间。

技术实现思路

1、在此，本发明的目的在于，进一步改进根据权利要求1的前序部分中提到的类型的燃料电池堆，以便实现长的使用寿命，并且提供一种具有这种燃料电池堆的改进的燃料电池系统。

2、根据本发明，该目的通过具有权利要求1中的特征并且在此特别是权利要求1的特征部分中的特征的燃料电池堆来实现，以及通过具有权利要求15中的特征的燃料电池系统来实现。有利的设计方案和改进方案由从属权利要求得到。

3、在根据本发明的燃料电池堆中规定，该燃料电池堆以集成方式具有至少一个阀装置，用于阻断特别是流入阴极区域中和/或从阴极区域流出的流动路径、特别是优选包含空气的阴极气体的进入和/或离开阴极区域的流动路径。这种将阀装置在燃料电池堆的内部的集成使得能够在燃料电池系统的区域中、特别是在燃料电池堆的外部省去这种阀装置，这非常有助于节省安装空间，特别是对于燃料电池系统来说。在此，唯一一个阀装置已经可以相应地封锁穿过阴极区域的流动路径，从而不可能再穿流经过阴极区域。这已经确保了非常积极的效果，因为空气只能通过从阀、特别是阀装置的一侧和另一侧的对流过程在阴极区域中被交换。

4、在此，按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案，至少一个阀装置设计为集成到至少一个端板中。如上所述，燃料电池堆的单电芯通常在两个端板之间彼此夹紧。在这些端板——其具有比燃料电池堆的相应的单电芯更大的厚度——的区域中，通常存在足够的安装空间，以便能够以所描述的方式集成阀装置。例如，它可以集成到进入空气联接部和/或排出空气联接部中，特别是通过将其从至燃料电池堆的进入空气管路和/或排出空气管路的联接侧拧入端板中。

5、在此，至少一个阀装置可以设计为在正常情况下被关闭的阀装置。这种在正常情况下被关闭的阀装置确保穿过燃料电池堆的阴极区域的流动路径被密封，而无需有源操作且没有持久的能量需求。用于打开的有源操作可以例如通过电磁力来执行，从而必须有意识地切换阀装置。

6、对此替代地也可以设想，当永磁体与可磁化的阀体和/或阀座结合使用时，提供克服弹簧压力和/或克服磁力、特别是永磁力的磁力，以便形成无需操控的结构。

7、在此，磁力特别具有非常决定性的优势，因为通过它们可以形成或者说已经形成了无源的、磁力递减的阀装置。磁力递减是指，阀装置在正常情况下通过磁体保持关闭，其中，使阀装置保持关闭的力很大，且在打开后想要再次关闭的力——其也称为关闭力——随着开度增大而减小，与弹簧加载的阀不同，在所述弹簧加载的阀中，关闭力随着开度增大而增大。

8、特别地，在正常情况下，在没有以相应压力和/或相应流速流向阀座时，阀体被保持在阀座中。则在这种非运行状态中，该结构密封且特别可以具有一个或多个密封件或者说一个或多个密封元件，它们优选布置在阀体的背风区中，并且一方面，用于良好的密封并且在穿流情况下不造成不必要的压力损失。

9、在此，在使用无源的、磁力递减的阀装置的情况下，由阀装置引起的用于阻断流动路径的封闭功能特别显著，因为阀装置的阀体由一个或多个(永)磁体结合一个或多个其他(永)磁体和/或阀体的可磁化区域和/或阀座的可磁化区域特别稳定且密封地保持在阀座中。由此可以减少有害的、促使燃料电池堆退化的空气/空气起动的次数，并延长氢气保护时间(英文：hydrogen protection time)。

10、如果在此空气或者说阴极气体有源地流向阴极区域，所述空气或者说阴极气体通过进入空气管路和空气供给装置、例如一个或多个流动压缩机、压缩机等输入，则输入的空气的压力和流速导致阀体克服弹力和/或特别优选地克服磁力从阀座升起，并且相应的阀装置因此在空气供给接通时自动释放阴极区域的穿流。特别是，布置为或可以布置为在阀座中或与阀座间隔开的永磁体的磁力结合可磁化阀体的磁力则能够导致：在不同的流量下实现可靠地穿流阀装置。整个结构轻便、坚固，并且由于使用了磁体和在该磁体中典型的递减的力路径特性，使得既在最小流量也在最大流量时实现无障碍的穿流，所述最小流量刚好足以打开阀装置。通过对该穿流情况来说理想的磁体渐进力路径特性曲线，在两种情况下都出现了穿流，且在阀或者说阀装置的打开和关闭之间没有永久的变换，从而因此能够可靠地阻止阴极区域中的压力脉冲，且所述单个阀或多个阀或者说单个阀装置或多个阀装置能够高效地且低噪音地工作。这也称为“无噪”运行。

11、此外，通过使用至少一个无源的磁力递减的阀装置可以进一步减少所需的安装空间，因为不需要附加的安装空间用于布线和/或控制。

12、阀体本身优选可以设计为软磁部件，特别是设计为软磁转动部件，或者可以包含软磁的、特别是可磁化的材料和/或永磁体，且优选设计为具有流动优化的造型。

13、按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案，阀体具有朝向至少一个阀装置的入口的端部，该端部在一个实施方案中具有环形的凹部或者说槽，其中，在一个实施方案中在按照规定使用时，阀体的端部向上指向。

14、由此在一个实施方案中，可能从阴极区域流出的液体、例如水可以借助凹部或者说槽来收集。

15、按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案，至少一个阀装置具有带有一个或多个引导面的引导装置，该一个或多个引导面设置用于，引导阀体的打开或关闭运动，其中，引导装置具有柱形部段，阀体具有朝向至少一个阀装置的出口的方向延伸的至少一个突出部，其中，在一个实施方案中，至少一个突出部中的中心突出部延伸到通过引导装置的柱形部段形成的空腔中和/或至少一个突出部中的突出部包围引导装置的柱形部段的、朝向至少一个阀装置的入口的端部。

16、在一个实施方案中，由此可以可靠地阻止阀体的运动例如由于倾斜而被限制和/或封锁。

17、按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案，引导装置的柱形部段的、背离至少一个阀装置的入口的端部被关闭或者具有通道。

18、由此在引导装置的柱形部段具有通道的实施方案中，可能存在的液体、例如水可以穿过通道并接着穿过阀出口从阀装置流出。

19、按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案，至少一个阀装置具有一固定的、在一个实施方案中安装在引导装置上的磁体以及一安装在阀体上的、能与阀体一起运动的磁体，其中，在固定的磁体和能与阀体一起运动的磁体之间的磁力导致固定的磁体和能与阀体一起运动的磁体彼此吸引。

20、由此在一个实施方案中可以有利地实现，关闭力随着阴极截止阀的开度增大而进一步减小。

21、在下述的区域中可以设置疏水表面，在所述区域中阀体在随后的运行中贴靠在阀座上或者在阀体和环绕的材料之间的仅很小的流动横截面被释放。这些疏水表面可以例如通过合适的表面处理或涂层来实现。它们优选可以在阀装置中补充地设置有亲水表面，以便防止水在对于阀装置的操作重要的区域中积聚，并且同时实现在其中能够不关键地出现水积聚的区域。从而实现了，在燃料电池堆的阴极区域中，且在此特别在流出的介质的区域中，将不需要阻止的水积聚有针对性地引导到在其中水积聚不关键的位置中，即使水在那里可能会结冰。

22、在这种情况下，至少一个阀装置特别可以具有带有疏水表面的区域，其中，在一个实施方案中，阀座的表面和/或布置在阀座的区域中的密封元件的表面和/或阀体的表面设计为疏水的，其中，阀座的和/或密封元件的表面朝向阀体的表面，和/或其中，引导装置的引导面和/或引导装置的朝向阀装置的入口的端面和/或阀体的朝向引导装置的表面部段设计为疏水的。

23、由此在一个实施方案中可以有利地至少很大程度上防止液体、特别是水在具有疏水表面的区域处的积聚。

24、此外，该至少一个阀装置在此特别可以具有带有亲水表面的区域，其中在一个实施方案中，凹部的表面和/或底切部的、指向阀装置的出口的方向的表面设计为亲水的，所述底切部在阀体的侧面设置在燃料电池堆的在其中集成有阀装置的部段中。

25、由此在一个实施方案中可以实现，在这些具有亲水表面的区域中，积聚必要时在阴极气体中包含的液体、例如水，以及进而至少暂时将其从燃料电池堆或者说燃料电池系统的其余部分去除。即使由于低温导致在这些区域中积聚的水形成冰，这对阀装置的运行也没有影响或仅有很小的影响，因为由此特别是阀体的可动性不受限制，就像例如在阀座或者说密封元件处发生阀体的结冰时会发生的情况一样。

26、按照根据本发明的燃料电池堆的一个极其有利的改进方案可以规定，在阴极区域的流入侧和流出侧构造有相应一个阀装置。在根据本发明的燃料电池堆的该特别有利的改进方案中，该燃料电池堆因此具有两个分开的阀装置，所述阀装置能够在非运行的情况下在流入侧和流出侧封闭燃料电池堆，以便因此安全且可靠地阻止由于对流效应、风效应等造成的空气的补充流入。

27、按照根据本发明的燃料电池堆的另一个极其有利的改进方案，在此还可以规定，两个阀装置构造为相同部件。因此，两个阀装置可以构造为相同部件，这使得它们相对于整体结构而言更加经济，因为每个阀装置的制造件数较大，这导致了规模效应。然后将它们以颠倒的安装位置安装在燃料电池堆内部，从而它们在入口侧和出口侧以相同方向被流经。

28、根据本发明的燃料电池系统具有上述的燃料电池堆，其中，燃料电池堆具有布置在阴极区域的出口的下游且集成在燃料电池堆中的阀装置，该阀装置在一个实施方案中设计为无源的、磁力递减的阀装置，燃料电池系统还具有：布置在阴极区域的入口的上游的(有源的)多路阀；以及带有至少一个抽吸入口和驱动入口的气体喷射泵，其中，多路阀的入口与阴极区域的进入空气管路连接，多路阀的第一出口与阴极区域的入口连接，多路阀的第二出口与气体喷射泵的驱动入口连接；气体喷射泵的至少一个抽吸入口中的一个抽吸入口在一个实施方案中在阀装置的上游可切换地、在一个实施方案中借助阴极抽吸阀与阴极区域的出口连接，和/或气体喷射泵的至少一个抽吸入口中的另一个抽吸入口在一个实施方案中通过与阳极区域的出口连接的再循环管路可切换地、在一个实施方案中借助放气/排放阀与阳极区域的出口连接。

29、由此可以将必要时存在的液体、例如水通过在低压下蒸发或者说在低压下蒸发后，以及将气体、例如空气即使在低温下也与从阴极区域的体积中相同地从阳极区域的体积中抽吸出去。在理想情况下，抽吸在此相对均匀地进行，以避免阴极区域和阳极区域之间的压差过大，并进而保护膜。

30、在此对于能够将燃料电池堆置于低压下的优点来说，接受了必须布线以进行有源的多路阀的操控的缺点，利用在阴极区域的入口侧和出口侧的两个无源的阀装置不可能实现所述优点，因为其中一个阀装置将始终被推开。

31、按照根据本发明的燃料电池系统的另一个非常有利的设计方案，多路阀的第二出口通过在其中布置有气体喷射泵的阴极旁通管路与阴极区域的排出空气管路连接。

32、按照根据本发明的燃料电池系统的另一个非常有利的实施方案，多路阀被集成到燃料电池系统的部件中。

33、由此可以在一个实施方案中减少燃料电池系统所需的安装空间。

34、按照根据本发明的燃料电池系统的另一个非常有利的实施方案，该燃料电池系统还具有作为部件的气体/气体加湿器和气体/气体加湿器旁通管路，所述气体/气体加湿器布置在阴极区域的入口的上游，所述气体/气体加湿器旁通管路在气体/气体加湿器的上游与进入空气管路连接，在气体/气体加湿器的上游与阴极区域的排出空气管路连接，其中，多路阀——在一个实施方案中和气体/气体加湿器的加湿器旁路阀瓣一起——被集成到气体/气体加湿器中，和/或气体喷射泵以如下方式布置在气体/气体加湿器旁通管路中，使得多路阀的第二出口与气体喷射泵的驱动入口连接。