燃料电池以及机动车制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池（100）以及一种具有这种燃料电池（100）的机动车，所述燃料电池（100）包括交替的双极板（113）和膜电极单元（114）的堆（1）以及被构造在双极板（113）与膜电极单元（114）之间的流体通道（104、105）和被构造在双极板（113）之内的流体通道（104、105）。规定：所述流体通道（104、105）的至少一部分的能被流体溢出的表面（101）关于所述流体通道（104、105）的延伸方向至少局部地具有关于所述流体通道（104、105）的横截面的疏水区段（101a）和亲水区段（101b）。

Fuel cell and motor vehicle

The invention relates to a fuel cell (100) and having such a fuel cell (100) of the motor vehicle, the fuel cell (100) includes alternating bipolar plate (113) and membrane electrode unit (114) of the reactor (1) and (113) in the structure of bipolar plate and membrane electrode unit (114) the fluid channel between (104, 105) and is configured in the bipolar plate (113) within the fluid channel (104, 105). Requirements: the fluid channel (104, 105) at least a portion of the surface can be fluid overflow (101) of the fluid channel (104, 105) in the direction of at least part of the fluid passage (104, 105) section of the cross section of the hydrophobic and hydrophilic segments (101A) (101b).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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membraneelectrodeassembly（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O2-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，WO2008/086819A1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，DE102009012995A1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WO2008/086819A1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。
技术实现思路
因此，本专利技术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。该任务通过具有独立权利要求的特征的燃料电池以及机动车来解决。因此，本专利技术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。按照本专利技术，关于流体通道的横截面，流体通道的至少一部分的外溢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。通过燃料电池的按照本专利技术的设计方案，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，按照本专利技术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。在本专利技术中，外溢的或者能外溢的表面可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溢出的部分。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，外溢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。在本专利技术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。按照本专利技术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专利技术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。在本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池（100），所述燃料电池（100）包括交替的双极板（113）和膜电极单元（114）的堆（1）以及被构造在双极板（113）与膜电极单元（114）之间的流体通道（104、105）和被构造在双极板（113）之内的流体通道（104、105），其特征在于，所述流体通道（104、105）的至少一部分的能被流体溢出的表面（101）关于所述流体通道（104、105）的延伸方向至少局部地具有关于所述流体通道（104、105）的横截面的疏水区段（101a）和亲水区段（101b）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.04 DE 102014217700.61.一种燃料电池（100），所述燃料电池（100）包括交替的双极板（113）和膜电极单元（114）的堆（1）以及被构造在双极板（113）与膜电极单元（114）之间的流体通道（104、105）和被构造在双极板（113）之内的流体通道（104、105），其特征在于，所述流体通道（104、105）的至少一部分的能被流体溢出的表面（101）关于所述流体通道（104、105）的延伸方向至少局部地具有关于所述流体通道（104、105）的横截面的疏水区段（101a）和亲水区段（101b）。2.根据权利要求1所述的燃料电池（100），其特征在于，所述堆（1）具有分配区域和活性区域，并且具有所述疏水区段和亲水区段（101a、101b）的流体通道（104、105）布置在所述堆（1）的分配区域中。3.根据上述权利要求之一所述的燃料电池（100），其特征在于，所述堆（1）被取向为使得所述流体通道（104、105）具有水平的走向并且所述亲水区段（101b）的至少一部分沿重力方向布置在下方。4.根据上述权利要求之一所述的燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：D延森，CM齐利希，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE