燃料电池堆、用于制造燃料电池堆的方法和用于运行燃料电池堆的方法

摘要

本发明涉及一种燃料电池堆(10)和一种用于制造这种燃料电池堆(10)的方法。在此，所述燃料电池堆(10)包括分别具有至少两个单电池(5)的至少两个燃料电池模块(58)和燃料电池堆压缩器件(82)，其中，每个燃料电池模块(58)在两个电池堆外侧(66)上具有模块端板(70)，所述堆叠在彼此上的燃料电池模块(58)通过所述燃料电池堆压缩器件被夹紧成燃料电池堆(10)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆、用于制造燃料电池堆的方法和用于运行燃料电池堆的方法。

背景技术

在燃料电池系统中通常使用来自周围空气的氧气作为氧化剂，以便在燃料电池中与氢反应成水，并且因此通过电化学转化提供电功率。

由EP 2 869 376A1已知形成一种燃料电池堆，该燃料电池堆通过多个事先通过多个燃料电池单元或者说单电池的层构成的燃料电池模块层组成。

本发明的背景在于，在燃料电池堆中，对于在制造堆时出错的最大风险来自电池中的密封部位。尽管每个单电池本身对于密封部位而言具有高的可靠性，但在每堆有总计几千个密封部位的情况下总故障风险显著提高，使得在制造燃料电池堆之后尽管如此，还是会产生在10％范围内的较高的故障燃料电池堆的废品率。故障燃料电池堆的高废品率由此提高了无故障燃料电池堆的价格。此外，通过具有燃料电池模块的结构形式也可以更好地监控在运行中的密封性或者说氢泄漏。

本发明的另一方面在于，在燃料电池堆以模块结构形式的有利构型和应用中，单电池可以以导致相对较小衰退的电压来运行，并且不同燃料电池模块的单电池甚至可以不同优化地构型，例如在优化的催化剂加载方面。

发明内容

因此，本发明的任务是提出一种燃料电池堆、一种用于制造这种燃料电池堆的方法，借助该方法降低了故障燃料电池堆的废品率，使得能够经济地制造燃料电池堆，并且此外，因此提出一种燃料电池堆，其具有优化的单电池、降低的衰退和提高的使用寿命。此外，要提出一种用于运行这种燃料电池堆的方法，借助该方法能够实现降低的衰退和提高的使用寿命。

该任务通过具有根据权利要求1特征的燃料电池堆来解决。在用于制造这种燃料电池堆的方法方面参考权利要求13。在用于运行这种燃料电池堆的方法方面参考权利要求15。各引用的从属权利要求体现了本发明的有利扩展方案。

在此，根据本发明的燃料电池堆包括至少两个燃料电池模块和燃料电池堆压缩器件，所述燃料电池模块分别具有至少两个单电池，其中，每个燃料电池模块在两个电池堆外侧上具有模块端板，堆叠在彼此上的燃料电池模块通过所述燃料电池堆压缩器件被夹紧成燃料电池堆。

本发明涉及一种燃料电池堆(10)和一种用于制造这种燃料电池堆(10)的方法。在此，燃料电池堆(10)包括至少两个燃料电池模块(58)和燃料电池堆压缩器件(82)，所述燃料电池模块分别具有至少两个单电池(5)，其中，每个燃料电池模块(58)在两个电池堆外侧(66)上具有模块端板(70)，堆叠在彼此上的燃料电池模块(58)通过所述燃料电池堆压缩器件被夹紧成燃料电池堆(10)。

在此，单电池在本发明意义上是指在阴极-双极板和阳极-双极板之间具有催化涂层膜的气体扩散层的常规布置。在此，电池堆外侧是电池堆的阴极-双极板或阳极-双极板的自由侧，该自由侧正交于电池堆上的燃料流动方向。与此相应地，模块堆外侧是模块堆的在相同平面内延伸的自由侧。在此，燃料电池堆压缩器件是优选与两个堆端板机械连接的器件，使得整个模块堆能够在这两个堆端板之间夹紧。

燃料电池堆的根据本发明的结构具有以下优点：每个燃料电池模块在堆叠在彼此上之前可以通过模块端板进行检查、尤其检查介质密封性。因此，可不在将所有电池组装在整个燃料电池堆上之后才进行检查。由此，仅在相应地测试为故障的燃料电池模块中堆叠在彼此上的单电池才是废品。由此明显降低了对于废品的成本。附加地，明显降低了完全组装的燃料电池堆的失效概率。由此明显提高了制造这种燃料电池堆的经济性。

在本发明的一个优选实施方式中，燃料电池堆具有模块压缩器件，通过该模块压缩器件将每个燃料电池模块的单电池夹紧在模块端板之间。在此，在本发明的意义上，模块压缩器件应理解为优选与两个模块端板机械连接的器件，使得整个电池堆能够夹紧在这两个模块端板之间。由此避免了堆叠在彼此上的单电池相对彼此地移动，使得因此避免了另一可能的故障源。由此进一步降低了燃料电池堆的失效概率。

在本发明的另一优选实施方式中，模块压缩器件是夹紧带。通过夹紧带可以实现燃料电池模块的良好夹紧。在此，特别有利的是，每个燃料电池模块使用五至八个夹紧带。

在本发明的一个有利的构型中，模块端板由金属构成。在此，该金属特别优选地具有良好的导电性。金属具有以下优点：其通常具有良好的机械稳定性，使得模块端板可以与此相应地更薄地构造。此外，金属具有高的可用性和良好的可加工性。

替代地，模块端板由石墨构成。石墨具有以下优点：石墨是导电的并且具有低的材料成本。附加地，石墨具有相对较小的重量，使得通过设置由石墨构成的模块端板，这种燃料电池堆的总重量与传统制造的燃料电池堆相比仅略微更高。

在另一替代方案中，模块端板由能导电的塑料制造。塑料具有以下优点：塑料可以大量地并且不同数量地可供使用。此外，塑料具有低的成本并且可以简单地以例如注塑方法的方式加工。由此，燃料电池堆可以更经济地制造。此外，塑料具有相对较小的重量，使得通过设置由塑料构成的模块端板，这种燃料电池堆的总重量与传统制造的燃料电池堆相比仅略微更高。

在另一替代方案中，模块端板由与单电池的双极板相同的材料制造。由此可以减少用于制造堆所需的材料的数量。因此，取消了这种其它材料的支承，使得能够更经济地制造堆。

优选地，模块端板具有5mm-15mm的厚度。在此，在本发明的意义上，厚度是指模块端板在堆叠方向上存在的厚度或者说延伸量。在该区域中可以保证模块端板的足够的稳定性。特别优选地，模块端板的厚度在5mm-20mm的范围中。

有利地，燃料电池堆与功率有关地由80至450个单电池组成。燃料电池堆的特别优选的实施方式包括六个至十二个燃料电池模块，这些燃料电池模块优选分别具有20至50个单电池。在此，单电池的数量对于单个燃料电池模块也可以是不同的。这种燃料电池堆具有以下优点：提供足够的功率。附加地，这种燃料电池堆可以用于大多数应用。特别优选地，燃料电池堆由420至450个单电池组成。借助这种燃料电池堆可以提供高功率。

在有利的扩展方案中，模块压缩器件，尤其当该模块压缩器件实施为夹紧带时，仅在单电池的侧向接触面的区域中电绝缘。由此，电绝缘材料的体积减小，由此减小了材料成本。

在优选的实施方式中，每个燃料电池模块具有自身的电流接头，该电流接头优选布置在模块端板上。由此，燃料电池模块在停止时可以被短接，或者也可以在运行期间单独地与用电装置(例如电池)连接。该实施方式则也可以用于燃料电池堆的有利的运行方法。

有利地，每个燃料电池模块具有自身的电压控制。因此，单个燃料电池模块的电压控制可以彼此独立地布置。

优选地，每个燃料电池模块具有自身的氢传感器。由此，实现提早并且稳健地探测燃料电池堆内部的氢的可能的内部泄漏。

在优选的扩展方案中，一个或多个模块端板具有冷却分配区。通过将相对较厚的模块端板包含在冷却回路中，非常有效地实施燃料电池模块的冷却。

特别优选地，一个或多个模块端板具有可关闭的端口穿引部(Portdurchführungen)。由此，可以中断或者说停止向燃料电池模块或下一个燃料电池模块的介质供给。这尤其是有利的，对于低负载区域而言，不是所有燃料电池模块都与用电装置连接。

在有利的实施方式中，单个燃料电池模块能够借助电开关与燃料电池堆的电流回路分离。因此，燃料电池模块不再与用电装置连接，这尤其与可关闭的端口开口结合地是对于低负载区域的一个优选实施方式。因此，本发明还涉及一种用于在低负载区域中运行燃料电池堆的相应方法。

在优选的扩展方案中，能够与电流回路分离的燃料电池模块的单电池具有改变的设计，例如相对较低的催化剂加载。这些单电池则仅在负载峰值时与用电装置连接。

附加地，本发明包括一种用于制造燃料电池堆、尤其是根据本发明的燃料电池堆的方法。在此，该方法包括以下步骤：将燃料电池堆的至少两个单电池堆叠在彼此上，将模块端板布置在堆叠在彼此上的单电池的两个电池堆外侧上，将单电池借助模块压缩器件夹紧在模块端板之间，用于形成燃料电池模块，对燃料电池模块在无故障性和/或密封性方面进行检查，将至少两个这样制造的燃料电池模块堆叠在彼此上，并且将堆叠在彼此上的燃料电池模块借助燃料电池堆压缩器件夹紧。在此，燃料电池模块可以布置在堆端板之间。

用于制造燃料电池堆的方法具有如之前所说明的燃料电池堆那样的优点。尤其，借助该方法能够在堆叠在彼此上之前对燃料电池模块在无故障性、尤其密封性方面进行检查。此外，燃料电池模块也可以单独地被条件处理(konditionieren)。在此，条件处理首先理解为在装配燃料电池模块之后使膜润湿，然而也理解为使催化剂激活。在此，特别有利的是，已经针对单个燃料电池模块执行所述条件处理(即在堆叠在彼此上之前)，因为条件处理可能是带有潜在故障的，使得在最不利的情况下由于错误的条件处理仅须更换燃料电池模块，而不必更换整个燃料电池堆。

在本方法的一个优选的实施例中，在夹紧堆叠在彼此上的燃料电池模块之后移除模块压缩器件。由此，可以节约模块压缩器件的重量。因此，模块压缩器件也不必针对燃料电池堆的使用寿命设计。

附加地，本发明包括一种用于在低负载区域中运行燃料电池堆、尤其是根据本发明的燃料电池堆的方法，其中，该方法包括以下步骤：

-尤其借助可关闭的端口穿引部将燃料电池模块与气体供给分离。

-借助至少一个开关将同一燃料电池模块与电流回路分离。

因此，一个或多个燃料电池模块对于低负载区域与以还原剂(优选氢)和氧化剂(优选氧)的供给部分离，以及与用电装置电分离。由此，在电流回路中保留的、未分离的单电池可以在最优的电压区域中运行。在有利的实施方式中，相应地匹配单电池的设计；例如可以减小在低负荷区域中不运行的单电池的催化剂加载。

附加地，本发明包括具有根据本发明的燃料电池堆的机动车。在此，机动车具有与燃料电池堆相同的所述优点。附加地，通过燃料电池堆的事后的失效减少这种机动车的失效。

附图说明

在附图中示出并且在下面的说明书中详细地阐述本发明的实施例。附图示出了：

图1根据本发明的燃料电池堆的单电池的实施例的剖视图，其中，仅示出主要区域；

图2根据本发明的燃料电池堆的第一实施例的剖视图，其中，仅示出主要区域；

图3根据本发明的燃料电池堆的燃料电池模块的侧视图，其中，仅示出主要区域；

图4根据本发明的燃料电池堆的另一实施例的剖视图，其中，仅示出主要区域；

图5在剖视图和俯视图中的模块端板的实施例，其中，仅示出主要区域；

图6在示意性俯视图中的模块端板的另一实施例；

图7示意性地示出另一燃料电池堆；

图8又示意性地示出另一燃料电池堆；

图9在U-I曲线图中的单电池的特性曲线。

具体实施方式

图1示出根据本发明的燃料电池堆10的单电池5的实施例的剖视图(参见图2和图3)。单电池5由具有卷边(Sicken)14的阴极-双极板18构成。与阴极-双极板18镜像相反地布置有阳极-双极板22，使得两个双极板18、22的卷边14相对置。由此，在阴极-双极板18和阳极-双极板22之间形成通道26。在通道26内布置有层结构30。该层结构30示例性地在通道26上示出。在此，层结构30由第一和第二气体扩散层34、38组成，所述第一和第二气体扩散层通过膜42分离。用于氧化所需的氧46在第一气体扩散层34和阴极-双极板18之间流动。优选用作燃料的氢50在第二气体扩散层38和阳极-双极板22之间流动。

通常，单电池5的阳极-双极板22与相邻的单电池5的阴极-双极板18合并为一个双极板。

在卷边14与阴极-双极板18和阳极-双极板22相对置的位置处，在膜42和双极板18、22之间设置有密封材料54。如之前已经所说明的那样，在这些位置处出现大部分故障。

在图2中示出根据本发明的燃料电池堆10的第一实施例的剖视图。在该实施例中，例如三个燃料电池模块58彼此堆叠。在此，每个燃料电池模块58包括一个、在这里例如以四个示出的单电池5。在此，每个单电池5相应于图1地构造。这些单电池5彼此堆叠并且在这样形成的电池堆62上在电池堆外侧66上布置有模块端板70。通过与两个模块板70机械连接的模块压缩器件74，彼此堆叠的单电池5相互夹紧。

燃料电池堆10的一个优选实施方式包括六至十二个燃料电池模块58，这些燃料电池模块优选分别具有20至50个单电池5。在此，单电池5的数量对于各个燃料电池模块58而言也可以是不同的。

这样形成的燃料电池模块58与模块端板70相互贴靠地堆叠在彼此上。在这样形成的模块堆76上，在两个模块堆外侧77上、在最后的模块端板70上布置有堆端板78。通过与堆端板78机械连接的燃料电池堆压缩器件82，堆叠在彼此上的燃料电池模块58夹紧成燃料电池堆10。

由此，每个燃料电池模块58在引入到模块堆76中之前能够在无故障性方面进行检查。因此，不必再等到直至完全制造燃料电池堆10才进行检查。这些燃料电池模块58可以在特殊设备上以单个的预装配步骤构造并且以显著提高的定位精度(在所有单电池5沿堆叠方向精确定向的意义上)定向。因此，与传统地装配所有的电池组件相比(在该装配中交替地堆叠整个燃料电池堆10的所有双极板18、22和膜-电极单元)，沿堆叠方向在相邻的双极板18、22与位于它们之间的膜-电极单元之间的力传递更精确地进行，所述膜-电极单元由膜42、阳极侧电极、阴极侧电极和两个气体扩散层34、38组成。

在很大程度上避免了在膜-电极单元在与双极板18、22的过渡处的边缘区域的部分挤压。通过双极板18、22相对彼此更准确的定位，通过自动化也能够实现膜-电极单元相对于每个双极板18、22的更精确的定位(在通过机器人自动放置膜-电极单元时减小公差)。优选地，燃料电池模块58的单电池5被压紧到所希望的目标值(例如位移控制地压紧60μm/单电池或将力控制到15bar)。随后，每个燃料电池模块58借助模块压缩器件74暂时地被固定，优选借助金属夹紧带，替代地也借助由非常能负载的塑料构成的夹紧带。由此实现相对较小的堆、即燃料电池模块58，该燃料电池模块可以被独立地检查密封性并且随后被条件处理。

图3示出具有多个单电池5的燃料电池模块58的侧视图，所述单电池借助三个模块压缩器件74夹紧在两个模块端板70之间。在此，模块压缩器件74实施为夹紧带。在优选的实施方式中，包括面积约200x300mm

优选地，夹紧带74仅在单电池5的侧向接触面的区域中绝缘，以便避免双极板之间的短路。

有利地，燃料电池模块58的两个模块端板70之一具有电流接头71。由此，每个燃料电池模块58具有自身的可开关的电触点，用于量取电压，使得通过每个燃料电池模块58的可开关的触点或者说所限定/所希望数量的燃料电池模块58向外部电路供电(每个单电池5约0.6V至1V)。

优选地，每个燃料电池模块58具有自身的电压控制，以便可以提早识别故障的单电池5。理想地，同样借助电流接头71进行电压控制。通过具有多个燃料电池模块58的模块化设计，能够在故障的情况下或者也在缺乏密封性的情况下非常简单地更换单个燃料电池模块58。由此可以节约高成本，因为不必将整个燃料电池堆10中的每个单电池5拆开或甚至由于仅一个故障的单电池5而必须更换整个燃料电池堆10。通过减少在寻找故障的单电池5时的检查费事和减少在故障情况下所需的后续处理，减少用于燃料电池堆10的装配费事。

此外优选地，每个燃料电池模块58具有自身的氢传感器。由此可以提早识别燃料电池模块58的内部泄漏；这种泄漏例如可以通过膜42中的损坏而出现并且导致燃料电池模块58或者说燃料电池堆10的提前失效。

如果为每个燃料电池模块58分配氢传感器，则与仅一个氢传感器可供用于整个燃料电池堆10相比，能够实现泄漏原因的位置的改善的空间分辨和关联性。此外，未被安装得足够靠近氢浓度升高的位置的氢传感器仅能够求取多个单电池5的平均值信号。在优选至0.5％的氢含量的信号探测下极值和约4％的空气中氢的点火极限之间(局部观察)是相对较窄的路径。通过为每个单个的燃料电池模块58分配一个氢传感器，可以实现提早或者说及时地并且稳健地探测在燃料电池堆10内部中的氢的内部泄漏。

在图4中示出根据本发明的燃料电池堆10的另一实施例的剖视图。该燃料电池堆10与图2和3的燃料电池堆10的区别基本上在于，在该燃料电池堆10中不存在模块压缩器件74。在该实施例中，在堆叠在彼此上的燃料电池模块58被夹紧之后，取消了模块压缩器件74。

通过将燃料电池堆10分成多个燃料电池模块58确保了，在最终装配燃料电池模块58时，定位精度主要通过这些位于彼此上的燃料电池模块58相对彼此的定位误差产生，并且在最终装配期间通过相应最上方的燃料电池模块58的适当移动而比在堆叠过大数量的单电池5时更简单地实现修正。同样情况适用于燃料电池堆10的密封性：该密封性基本上通过位于彼此上的模块端板70来确定，因为还不能检查燃料电池堆的密封性，并且单个燃料电池模块58的密封性在最终装配之前自身已经可以被检查并且然后必要时也可以被后续改进。

同时，通过装配和检查燃料电池模块58实现了用于整个燃料电池堆10的整体上降低的检查费事，结果是在最终检查中降低了制成的燃料电池堆10的失效风险。因此，整体上实现了对于燃料电池堆10的成本优势。因此，有利地，在检查中引人注意的燃料电池模块58可以简单地与其它模块进行更换并且也可以组合地用于特别的检验(例如具有不同铂负荷的性能或在燃料电池堆10的预期使用寿命的终点)。在最终的装配步骤中，将所有燃料电池模块58一起夹紧到目标值，并且为了预固定而将单个燃料电池模块58的模块压缩器件74截断并且从燃料电池堆10中移除。为此，模块端板70优选具有适当的留空部(约0.5mm厚)。

图5以横截面和俯视图示出模块端板70的一个有利的实施方式。模块端板70(类似于双极板18、22)具有用于给燃料电池模块58或者说单电池5供应介质的端口穿引部72。在优选的实施方式中，燃料电池堆10的一个或多个模块端板70具有冷却分布区73，该冷却分布区从用于冷却介质的端口穿引部72分支并且在平面x-y上(平面内，类似于单电池5的激活面)延伸。

由此，模块端板70具有冷却分配区73的集成的冷却水通道。在冷却回路中包括这种模块端板70是一个优选的实施例。

可选地，模块端板70优选可以包含柔性的公差补偿元件75。在图5的实施方式中，该公差补偿元件板状地构型并且布置在模块端板70的两个x-y面之一上。公差补偿元件75可以有效地改善燃料电池模块58相对彼此的夹紧精度并且使表面压力均匀化。

图6示出另一模块端板70的俯视图。该模块端板70具有可关闭的端口穿引部72，使得在需要时可以中断流体流，并且由此实施为阀板70。由此，燃料电池堆10的单个燃料电池模块58可以选择性地与流体供给部(尤其与供给空气和氢的供给部)分离。这可以通过模块端板70上的滑块实现，或者也可以通过与各个燃料电池模块58的合适的阀连接线路实现。

为此，图7示意性地示出了具有两个(可选地也具有多个)燃料电池模块58的燃料电池堆10。两个燃料电池模块58通过实施为阀板的模块端板70分离。如果现在关闭阀板70的端口穿引部72，则如示例性地对于气体所示的那样，气体流动仅还在下方的燃料电池模块58中进行，而上方的燃料电池模块58与气体供给部分离。

图8示意性地示出燃料电池堆10，其燃料电池模块58分别设有电开关80。燃料电池堆10具有带有用电装置11的电流回路12。有利地，开关80与燃料电池模块58的相应的电流接头71接触。用电装置11例如可以是电池。

优选地，至少一个模块端板70具有可关闭的端口穿引部72，使得可以中断到相应的或到后续的燃料电池模块58中的流体供应。

通常，在燃料电池堆10中彼此重叠地布置有最大400个单电池5。典型地，根据用电装置11的负载点，以匹配的气体(空气和氢)的体积流流过这些单电池5，这在功率小的情况下导致在单电池5的激活区域中的非常缓慢的气体速度。此外，因为总是使用所有400个单电池5的全部激活面，所以特定的电流密度非常小，由此在单电池5中实现非常高的电池电压，这加速了电池老化并且与此相应地缩短了整个燃料电池堆10的使用寿命。具有根据本发明的燃料电池堆10(该燃料电池堆结合了图7和图8的示意性实施方式)的负载调制的主要优点在于，在燃料电池堆10的满负载区域和低负载区域中都对单电池5施加几乎最优的电压。

通过使用燃料电池模块58的仅一部分用于低负载区域(通过关闭可关闭的端口穿引部72给燃料电池模块58的仅一部分供给气体)，在处于负载下的单电池5上的电压可以从紧急的第一状态1降低到更无害的第二状态2，参见图9。为此，在图8的示图中，下方开关80将闭合，而上方开关80打开，使得仅下方的燃料电池模块58布置在电流回路12中。

紧急区域3表示具有低电流密度的单电池5上的高电压，所述高电压导致单电池5中的退化。通过燃料电池堆10的有效的较小的总激活面积(如在图9中所示的那样)，在功率小的情况下，U-I特性曲线上的运行点有利地向较低的电池电压移动，其中，气体速度提高，这对质量传输送限制起积极作用。

对于满负荷区域，所有燃料电池模块58被供给以氢和氧，使得用于用电装置11的电功率提高。为此，在图8的示图中，下方开关80将打开，而上方开关80闭合，使得两个燃料电池模块58将布置在电流回路12中。

优选地，在满负荷区域中，单电池5也以第二状态2运行。由此，这样地调制燃料电池堆10、即关于负载点调制，使得燃料电池堆的整个激活面匹配于负载点。为此，单个燃料电池模块58的气体供给(参见图7)与开关80的相应的接通位态(参见图8)同步。

因此，通过电流的接通来控制各个燃料电池模块58的电流下降。有利地，在使用较少数量的单电池5时可以中间连接有附加的DC/DC转换器。

在有利的实施方式中，不同燃料电池模块58的单电池5具有不同设计。在此，单电池5可以在例如气体扩散层34、38中、在阳极侧电极中、在阴极侧电极中、在膜42中和/或在双极板18、22中从燃料电池模块58到燃料电池模块58有所不同。在此，特别优选地，单电池5在阳极侧电极和阴极侧电极中不同地构型。

对于燃料电池模块58的单电池5，优选适用以下优化的特征，所述单电池也针对低负载区域被供给气体或介质：

-阳极侧电极和/或阴极侧电极中的相对较高的催化剂加载，其尤其匹配于高的(0.75-1V)和经常变换的电势。

-阳极侧电极和/或阴极侧电极和/或气体扩散层34、38匹配于低的和变化的湿度。

-膜42和/或气体扩散层34、38具有附加的自由基捕获剂或增加的自由基捕获剂含量。

对于燃料电池模块58的单电池5而言，其对于低负载区域与气体或介质供给分离，优选适用以下优化的特征，这些特征匹配于高负载：

-阳极侧电极和/或阴极侧电极中的相对较低的催化剂加载，其尤其匹配于平均的、稳定的电势(0.6-0.75V)。

-阳极侧电极和/或阴极侧电极和/或气体扩散层34、38匹配于高湿度，有利地尤其在阴极侧也匹配于液态水。