[發明專利]具有可變的水滲透性的燃料電池

有效

• 申請號: 201880075125.7
• 申請日: 2018-10-15
• 公開（公告）號: CN111373585B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: M·赫爾曼;S·舍恩鮑爾
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: H01M8/04291
• 分類號: H01M8/04291;H01M8/1004;H01M8/1007;H01M8/1067;H01M8/1053;H01M8/1044;H01M8/1041;H01M8/1018
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 侯鳴慧

本發明涉及一種燃料電池(100)，具有用于提供含燃料的氣體混合物的陽極室(10)、用于提供含氧氣的氣體混合物的陰極室(20)和用于將燃料離子從所述陽極室(10)輸送至所述陰極室(20)的膜片(30)。為此，根據本發明設置為，所述膜片(30)構造有分級的水滲透性。

技術領域

本發明涉及一種根據獨立的裝置權利要求的前序部分的燃料電池。

背景技術

燃料電池、例如PEM燃料電池是用于無CO2的能量經濟的吸引人的科技。燃料電池具有傳導質子的膜片。然而，膜片的質子傳導性強烈地取決于膜片濕度。因此，盡可能高的膜片濕度對于燃料電池的穩定運行是絕對必要的。當然，除了質子之外，水分子也通過電滲拖曳從陽極移動至陰極。同時，燃料電池的歐姆電阻取決于膜片厚度。在最近十年之內，膜片厚度從約100-200μm減小到10μm。可以預期膜片厚度的進一步減小。隨著膜片厚度下降，膜片的水滲透性也提升，這不利地促進陽極的脫水的效果。此外，燃料電池大部分過化學計量地運行，其中，含氧氣的氣體混合物被壓縮并且在此被加熱，這同樣有助于膜片的脫水。針對膜片的脫水的已知措施是陽極氣體混合物的再循環和陰極進入空氣通過外部加濕器的潤濕。

發明內容

本發明設置具有獨立的裝置權利要求的、尤其特征部分中的特征的燃料電池。本發明的其他優點、特征和細節由相應的從屬權利要求、說明書和附圖得出。在此，結合本發明的各個實施方式描述的特征和細節當然可以組合，從而關于本發明的各個方面的公開總是可以相互參考。

本發明提供一種燃料電池，該燃料電池構造有用于提供含燃料的氣體混合物的陽極室、用于提供含氧氣的氣體混合物的陰極室和用于將燃料離子從陽極室輸送至陰極室的膜片。為此，根據本發明設置為，膜片構造有分級的水滲透性。

在本發明的意義中，“分級的水滲透性”理解為單調地(例如上升或下降構型的)、即不周期性地改變的水滲透性。在本發明的意義中，燃料電池可以在堆疊中與另外的相同的燃料電池接合成燃料電池系統、即所謂的堆。這樣形成的燃料電池系統可以使用在移動應用中、例如在機動車中使用，并且使用在固定應用中、例如作為發電機使用。

本發明的思想在于膜片的使用，該膜片在面上具有用于水的滲透性的梯度，例如：具有分級的、尤其沿含氧氣的氣體混合物的流動方向下降的厚度或者說材料尺寸或相應的可變的化學組分的膜片。通過膜片的分級的水滲透性，可以出現用于低歐姆損失的小的平均膜片厚度和在陰極入口或陽極出口處(尤其在幾何延伸尺度上)的足夠大的膜片厚度的優化折中。本發明的優點在于燃料電池在運行中的穩定的水管理或穩定的水平衡。由此，持續高的燃料電池功率也是可能的并且在膜片技術中的進步(厚度減小)可以在實際運行中實施。總結而言，能夠確定，具有分級的水滲透性的膜片即使在使用非常薄的膜片時也確保燃料電池陽極或陽極室的改善的潤濕。

此外，本發明可以在燃料電池中設置，膜片沿含氧氣的氣體混合物的流動方向看具有輸入區域和運行區域，其中，在輸入區域中至少部分地設定比運行區域中低的水滲透性。沿含氧氣的氣體混合物的流動方向，在燃料電池陰極或陰極室的輸入區域處存在高溫，該高溫可以導致出現干燥的氣體混合物。產物水在含氧氣的氣體混合物中的濃度在氣體混合物流經陰極室時首先升高。在輸入到燃料電池中的入口處的干燥空氣可以不利地將水從陽極室抽出。因此，剛好在輸入區域中有利的是，減小水滲透性，以便防止水從陽極室擴散到陰極室中。

此外，本發明可以設置為，膜片的輸入區域沿含氧氣的氣體混合物的流動方向看位于膜片的總長度的1％和20％之間、優選1％至10％。令人驚訝地，本發明發現，具有減小的水滲透性的非常窄的輸入區域已經可以足夠用于有效地并且可靠地防止膜片在陽極側的干燥，因為該效應在輸入到陰極室中的入口處最強。有利地，直至20％的區域并且在較厚的膜片中甚至直至10％的區域已經可以可靠地防止水從陽極室過渡到陰極室中。因此，膜片僅須在窄的輸入區域中被處理或加厚，以便實現膜片在總長度上的均勻潤濕。