燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有多个组成为堆的单燃料电池的燃料电池系统，所述单燃料电池分别包括一个基本上平面的膜电极单元、两个与膜电极单元的彼此相对置的较大表面邻接的形式为纤维结构的气体扩散层以及双极板，该双极板建立与相邻的位于其上面或位于其下面的单燃料电池的电连接，包括由边缘区域包围的活性区域。
【背景技术】
[0002]燃料电池系统通过使用由铂或含有铂的合金构成的催化剂实现高的功率密度，其中，应用200?350cm2的有效面积。该燃料电池系统通常具有冷却板，在这些冷却板内引导冷却介质。为了产生用于冷却介质的流场，通常需要成型的双极板。成本密集的全氟化的膜用作膜。此外，每个燃料电池堆需要一个端板单元。
[0003]高的功率密度需要用于膜的耗费的冷却和保湿方案，降低效率并且促进部件腐蚀。利用液体冷却的冷却方案需要冷却通道，这些冷却通道加大了单电池的结构高度。对于形成冷却通道所需的双极板的接触电阻降低了功率和/或需要用于最小化的涂层过程。具有耗费流场的设计需要提高的空间并且由于在制造时多个生产步骤而担心附加成本。此夕卜，由于少的贵金属铂的可用性以及每个燃料电池的高需求，以燃料电池车辆足够地渗透市场是不可能的。使用的全氟化的膜也须耗费地制造且成本密集。
【发明内容】
[0004]从该现有技术出发，因此本发明的目的是，创建一种开头所述类型的燃料电池系统，该燃料电池系统结构特别薄，在重量、体积和功率系数方面没有缺点并且此外可以成本低廉地实现。
[0005]在一种具有多个组成为堆的单燃料电池的燃料电池系统中，所述单燃料电池分别包括一个基本上平面的膜电极单元、两个与膜电极单元的彼此相对置的较大表面邻接的形式为纤维结构的气体扩散层以及双极板，该双极板建立与相邻的位于其上面或位于其下面的单燃料电池的电连接，包括由边缘区域包围的活性区域，所述目的根据本发明通过如下方式实现，即，双极板在活性区域中实施为完全平面的，使得导气区域仅仅由气体扩散层形成，这占单燃料电池的高度的至少60%。
[0006]从属权利要求包含本发明的有利的进一步改进方案和设计方案。
[0007]有利地设定，膜电极单元的厚度在10?50 μ m的数量级和/或气体扩散层的厚度在50?150 μ m的数量级和/或双极板的厚度在10?100 μ m的数量级。
[0008]此外，当在燃料电池系统中设有包括至少一个用于引导冷却剂的冷却通道的冷却通道结构时，根据一种优选的进一步改进方案，所述冷却通道结构设置成邻接于单燃料电池的至少其中一个侧棱边。
[0009]根据一种有利的设计方案，单燃料电池的至少两个这样的堆彼此并排设置，在所述堆之间存在共同的冷却通道结构。由于该设计方案，根据模块化设计原理，各个堆可以被任意组合。此外，得到根据本发明的燃料电池系统的一种总体上真正紧凑的结构形式。
[0010]如果在相应堆的自由端部设有端板，那么有利地单燃料电池的至少两个并排设置的堆具有共同的端板。由此，在电流输出和操作中给出与在传统的燃料电池系统中相同的前提条件。
[0011]设置在不同的冷却通道结构中的冷却通道可以有利地按交叉流、并联地、串联地或以交替的流动方向并联地连接。这也能够实现较快速的冷启动性能或严寒启动性能。在此，在多个堆中冷却剂质量流可以被分开或者可以相继流过所有堆。根据保持固定的堆几何，各个堆的流动方向也可以变化(例如，第一堆从上向下；第二堆从左向右)。
[0012]此外，可以以优选周期性的间隔在单燃料电池的堆内部设有附加的包括少一个冷却通道的冷却板。这改善了堆内部的冷却和温度分布。例如，按照每10到30个双极板可以设有一个这样的内部冷却通道。
[0013]根据一种优选的设计方案，双极板涂有催化剂材料，该催化剂材料基本上不含有铂或者是基本上不含有含铂的合金。
[0014]通过由位于外部的冷却通道决定的狭长结构形状以及小的电流密度，每单位进口面积需要这样少的气体，以至于由此在双极板内部不需要通道。在这里，流过气体扩散层就足够了。双极板由于其平面的构造而可以构成为非常薄的(〈ΙΟΟμπι;目标:铝箔厚度)。由此，质量、加工时间、用于冷启动性能的热质量、各单燃料电池的厚度(目标:150μπι到300 μm)以及因此还有总体积和制造成本降低。涂层也明显更简单。
[0015]通过省去堆内部的冷却通道，各个堆的高度降低。这可以至少部分地补偿必需的活性面积大的缺点，使得在根据本发明的燃料电池系统中必要时相对于传统的燃料电池可预期仅稍微增大的结构体积。此外，由于省去内部冷却通道，每个燃料电池也可仅使用一个双极板。
[0016]通过电流密度中质子电导率中的低的要求，也可以使用成本更低廉的膜材料(碳氢化合物膜、复合膜等)。此外，可以使用高温膜或者说燃料电池系统可以在较高温度下运行。因为通过更便利的冷却可能性，可以容忍与周围环境的较高的温度差，这带来了较高的效率，例如在机动车中应用时。
[0017]此外，这里也可以放弃(或者明显降低)气体的加湿(湿度)，因为在电流密度小的情况下以及在小的相对湿度情况下也可以实现传导性。
[0018]因为不使用铂或仅使用少量的铂，所以材料成本明显降低。虽然由于不含铂的催化剂的活性现在还小，在0.6到0.75V的电压下仅可实现小的电流密度(例如200mA/cm2)，使得与功率密度>lW/cm2的传统的燃料电池系统相比需要多倍的活性面积，以便带来类似的总功率，然而由于各个堆的冷却通过双极板导热到外部冷却通道来实现的事实，在双极板(大约30?80mm)的平面中可以实现非常狭窄的结构形状。
【附图说明】
[0019]从借助附图的下面的描述中得出本发明的其他细节、特征和优点。其中:
[0020]图1示出根据本发明的燃料电池系统的俯视图，
[0021]图2示出根据图1的燃料电池系统的剖面图，
[0022]图3示出单燃料电池的堆的横截面的局部断面图，以及
[0023]图4示出燃料电池系统的横截面图。
【具体实施方式】
[0024]在附图中仅示出燃料电池系统的在这里关注的部件，为了清楚起见而省去了所有其他的元件。
[0025]图1至3示出了根据本发明的燃料电池系统1，该燃料电池系统具有多个分别组成为一个堆Ia-1f的基本上矩形的或正方形的单燃料电池2。各单燃料电池2分别包括一个基本上平面的膜电极单元3、两个与膜电极单元3的彼此相对置的较大表面邻接的形式为纤维结构的气体扩散层4、5以及一个双极板6，该双极板建立与相邻的位于其上面或位于其下面的单燃料电池2的电连接，包括由边缘区域包围的活性区域。
[0026]双极板6在活性区域中实施为完全平面的，使得仅仅由气体扩