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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201380036659.6 (22)申请日 2013.07.10 1256638 2012.07.10 FR H01M 8/02(2006.01) H01M 8/10(2006.01) (71)申请人 阿海珐能量存储公司 地址 法国艾克斯普罗旺斯 (72)发明人 克里斯蒂安昆蒂耶里 (74)专利代理机构 北京银龙知识产权代理有限 公司 11243 代理人 张敬强 严星铁 (54) 发明名称 具有改进的电绝缘的燃料电池 (57) 摘要 本发明涉及一种燃料电池 (12)，其包括至少 一个电化学电池单元 (15) 的堆叠 (14)，适于从 氧。
2、化流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电 流，所述或各电池单元 (15) 包括界定用于还原流 体的循环的通道 (30) 的阳极导电板 (18)、界定 用于氧化流体的循环的通道 (32) 的阴极导电板 (20)以及置于导电板(18，20)之间的离子交换膜 (22)，所述膜 (22) 形成用于自由电子的屏障。根 据本发明的一方面，膜 (22) 相对于导电板 (18， 20) 设置以使膜 (22) 的外围边缘 (25) 相对于导 电板 (18，20) 朝向堆叠 (14) 的外侧伸出，以在所 述导电板 (18，20) 间延伸空气泄漏路径 (28)。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶。
3、段日 2015.01.09 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2013/064538 2013.07.10 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2014/009397 FR 2014.01.16 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104508881 A (43)申请公布日 2015.04.08 CN 104508881 A 1/1 页 2 1.一种燃料电池(12)，其包括至少一个电化学电池单元(15)的堆叠(14)，适于从氧化 流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电流。
4、，所述或各电池单元 (15) 包括界定用于还 原流体的循环的通道 (30) 的阳极导电板 (18)、界定用于氧化流体的循环的通道 (32) 的阴 极导电板 (20) 以及置于导电板 (18，20) 之间的离子交换膜 (22)，所述膜 (22) 形成用于自 由电子的屏障， 其特征在于，膜 (22) 相对于导电板 (18，20) 设置以使膜 (22) 的外围边缘 (25) 相对于 导电板 (18，20) 朝向堆叠 (14) 的外侧伸出，从而延长所述导电板 (18，20) 间的空气泄漏路 线 (28)。 2.根据权利要求 1 所述的燃料电池 (12)，其特征在于，所述膜 (22) 的所述外围边缘 (。
5、25) 保持自由。 3.根据权利要求 1 或 2 所述的燃料电池 (12)，其特征在于，所述各导电板 (18，20) 都 具有外围边缘 (26)，其与所述其他导电板 (18，20) 的外围边缘 (26) 相距距离 D，且其中，所 述膜(22)的所述外围边缘(25)相对于所述导电板(18，20)伸出长度L，从而验证了以下关 系式 ：2L+D 0.4mm。 4.根据权利要求3所述的燃料电池(12)，其特征在于，验证了以下关系式： 2L+D 1mm。 5.根据权利要求 3 或 4 所述的燃料电池 (12)，其特征在于，所述距离 D 严格地小于 0.5mm，且优选严格地小于 0.4mm。 6.根据权利。
6、要求 1 至 4 中任意一项所述的燃料电池 (12)，其特征在于，固态电绝缘层 (42) 被置于所述各导电板 (18，20) 的所述外围边缘 (26) 与所述膜 (22) 之间。 7.根据权利要求 6 所述的燃料电池 (12)，其特征在于，所述各导电板 (18，20) 的所述 外围边缘 (26) 至所述其他导电板 (18，20) 的所述外围边缘 (26) 距离大于 0.4mm。 8.根据前述任意一项权利要求所述的燃料电池(12)，其特征在于，所述膜(22)的所述 外围边缘 (25) 相对于所述导电板 (18，20) 伸出长度 L，该长度 L 大于 0.2mm。 9.根据权利要求 8 所述的燃料。
7、电池 (12)，其特征在于，所述长度 L 大于 0.3mm。 权 利 要 求 书CN 104508881 A 1/4 页 3 具有改进的电绝缘的燃料电池 技术领域 0001 本发明涉及一种燃料电池，其是包括至少一个电化学电池单元的堆叠的类型，其 适于从氧化流体与还原流体间的氧化还原反应中产生电流，所述或各电池单元包括界定用 于还原流体的循环的通道的阳极导电板、界定用于氧化流体的循环的通道的阴极导电板、 以及置于导电板之间的离子交换膜，所述膜形成用于自由电子的屏障。 背景技术 0002 这样的燃料电池是已知的并且是用于提供电能的一种生态解决方案。 0003 某些燃料电池面临的问题是导电板的短路。。
8、当这样的情况发生时，燃料电池不能 运行且甚至面临最终损坏的风险。 0004 为了避免这种短路的发生，可能的是将离子交换膜延伸至发生氧化还原反应的电 池单元的有效面积外部。因此，离子交换膜的外围边缘一般与导电板的外围边缘齐平。衬 垫最经常被置于膜与各导电板之间以用于保证密封性，该衬垫有助于所述板的电绝缘。 0005 然而，在形成有衬垫及离子交换膜的组件为确保导电板之间良好的电绝缘而一般 太薄的情况下，该解决方案没有令人满意。进一步地，堆叠外侧在空气中的泄露路线非常 短，且由于燃料电池一般用于潮湿环境中，因此存在在空气中发生电介质击穿而造成导电 板间短路的重大风险。最后，有可能，通过考虑用于处理燃。
9、料电池的操作，外部导电元件将 会被容纳于导电板之间并且在这些板间形成短路。 0006 JP2002 352417 提供了用于弥补由膜和衬垫形成的组件的厚度缺陷的解决方案， 其提出在有效面积周围、在导电板表面沉积电绝缘材料。然而，这样在导电板上沉积绝缘材 料是高成本的操作。 0007 为了保护燃料电池不受外部导电元件影响及避免在空气中的电介质击穿，可能的 是将堆叠包覆于绝缘树脂中。然而，就在燃料电池的制造中强加了附加的操作、在运行时干 扰散热以及对抗运行的导电板的热膨胀的方面来说，这种解决方案是有高度限制性的。进 一步地，由于树脂覆层的存在，燃料电池的维护复杂。 0008 因此，前面所述的解决方。
10、案不能完全令人满意。 发明内容 0009 本发明的目的在于提供一种成本较低的燃料电池，其适于避免在电池单元的导电 板间发生短路，且维护方便。 0010 为此，本发明的目的是上述类型的燃料电池，其中，膜相对于导电板设置以使膜的 外围边缘相对于导电板朝向堆叠的外侧伸出，从而延长所述导电板间的空气泄漏路线。 0011 在本发明的特定实施方式中，单独地或根据任意技术上可能的组合来看，燃料电 池具有一个或者几个以下特点 ： 0012 - 膜的外围边缘保持自由 ； 0013 - 各导电板都具有外围边缘，其与其他导电板的外围边缘相距距离 D，且其中，膜 说 明 书CN 104508881 A 2/4 页 4。
11、 的外围边缘相对于导电板伸出长度 L，从而验证了以下关系式 ：2L+D 1mm ； 0014 - 长度 L 大于 0.3mm ； 0015 - 距离 D 严格地小于 0.5mm，且优选严格地小于 0.4mm ； 0016 - 固态电绝缘层被置于各导电板的外围边缘与膜之间 ； 0017 - 各导电板的外围边缘至其他导电板的外围边缘距离大于 0.4mm。 附图说明 0018 本发明的其它的特征及优点在阅读后面的描述后会变得明显，该描述仅仅作为例 子给出且参考附图作出，其中 ： 0019 - 图 1 是根据本发明的燃料电池的一半的截面图 ；及 0020 - 图 2 是根据本发明的可替代方式的燃料电池。
12、的细部截面图。 具体实施方式 0021 如图1所示，燃料电池12适于通过氧化流体与还原流体间的氧化还原反应产生电 流。为此，它包括沿着纵向堆积方向 X 堆积的电化学电池单元 15 的堆叠 14。 0022 为了简明起见，仅示出了沿着纵向中心平面切割的电池 12 的一半。 0023 各电池单元 15 都包括膜电极组件 16，其沿着纵向方向 X 在阳极导电板 18 与阴极 导电板 20 间插入。 0024 膜电极组件16包括离子交换膜22，其沿着纵向方向X夹在阳极24a与阴极24b之 间。 0025 膜 22 将氧化流体与还原流体分离。 0026 膜 22 一般为质子交换膜，适于只允许质子穿过。特。
13、别地，膜 22 形成用于自由电子 的屏障。因此，它使阴极 24b 的阳极 24a 电绝缘，且使阳极板 18 与阴极板 20 电绝缘。 0027 膜 22 通常为聚合物材料。 0028 膜 22 的外围边缘 25 相对于阳极 24a 及阴极 24b 朝向电池单元 15 的外侧、垂直于 纵向方向 X 伸出。外围边缘 25 伸出遍及膜 22 的整个圆周，以使其在垂直于纵向方向 X 的 平面中围绕阳极 24a 和阴极 24b 延伸。因此，阳极 24a 及阴极 24b 在任何位置都不会与膜 22 的外围边缘 25 齐平。 0029 阳极 24a 及阴极 24b 各自包括催化剂，通常为铂或铂合金，以用于促。
14、进反应。它们 在膜 22 两侧被互相成直角设置，且一起限定电池单元 15 氧化还原反应发生的有效面积。 0030 各导电板 18、20 都具有外围边缘 26。导电板 18、20 的外围边缘 26 大体上沿着纵 向方向 X 对齐。各导电板 18、20 的外围边缘 26 都相对于阳极 24a 及阴极 24b 朝向堆叠 14 的外侧、垂直于纵向方向 X、在导电板 18、20 的整个圆周上伸出。 0031 沿着纵向方向 X 来看，阳极板 18 的外围边缘 26 与阴极板 20 的外围边缘 26 相隔 距离 D。 0032 膜 22 的外围边缘 25 相对于导电板 18、20 朝向堆叠 14 的外侧、垂。
15、直于纵向方向 X 伸出。通过在垂直于纵向方向 X 的平面内从导电板 18、20 突出遍及膜 22 的整个圆周，外围 边缘 25 伸出遍及膜 22 的整个圆周。因此，导电板 18、20 与膜 22 的外围边缘 25 在任何位 置不齐平。 说 明 书CN 104508881 A 3/4 页 5 0033 外围边缘 25 相对于导电板 18、20 伸出长度 L，长度 L 为在外围边缘 25 与膜 22 上 的各导电板 18、20 的外围边缘 26 沿着纵向方向 X 的正交投影间被测量的长度。优选的，长 度 L 大于或等于 0.2mm，尤其为 0.3mm。 0034 在任何情况下，长度 L 与距离 D。
16、 验证了以下关系式 ： 0035 2L+D 0.4mm，特别是，2L+D 1mm 0036 因此，在图 1 中通过虚线 28 具体化的相同电池单元的导电板 18、20 间的空气泄漏 路线具有大于 0.4mm 的长度，尤其是，大于 1mm。因此，符合 IEC62282-2 及 IEC62282-3-1 标 准规定的电绝缘条件。 0037 优选地，包含在各导电板18、20的外围边缘26与膜22的外围边缘25之间的膜22 的外围区域 27 保持自由。因此，其不考虑材料基体，例如绝缘树脂基体。 0038 阳极板18界定用于还原流体沿着阳极24a的循环并且与后者接触的阳极管道30。 为此，板 18 设置。
17、有面对板 18 制成的、朝向膜电极组件 16 且由所述膜电极组件 16 闭合的至 少一条通道。阳极板18由导电材料形成，通常为石墨。使用的还原流体为包含二氢的流体， 例如包含纯二氢的流体。 0039 阴极板20界定用于氧化流体沿着阴极24b的循环并且与后者接触的阴极管道32。 为此，板 20 设置有面对板 20 制成的、朝向膜电极组件 16 且由所述膜电极组件 16 闭合的至 少一条通道。阴极板 20 由导电材料形成，通常为石墨。使用的氧化流体是包含二氧分子氧 的流体，例如包含纯二氧分子氧或包含空气的和二氧分子氧的混合物的流体。 0040 阳极 24a 与阳极板 18 电接触。阴极 24b 与。
18、阴极板 20 电接触。在阳极 24a 处还原 流体发生氧化且在此处产生电子及质子。然后电子通过阳极板 18 而在运输中朝向相邻电 池单元 15 的阴极 24b 移动，从而参与相邻电池单元 15 中氧化流体的还原。 0041 在堆叠 14 内，各电池单元 15 的阳极板 18 与相邻电池单元 15 的阴极板 20 接触。 导电板18、20因此确保在堆叠14的一个电池单元15内循环的还原流体的电子朝向堆叠14 的其他电池单元 15 内循环的氧化流体转移。优选地，用于冷却流体的循环的通道 ( 未显 示 ) 被形成于阳极板 18 与阴极板 20 之间的交界面处。 0042 可选择地，临近堆叠 14 的。
19、两个电池单元 15 的阳极板 18 及阴极板 20 由相同的材 料制成且一起形成双极板。 0043 电池单元 15 进一步地包括衬垫 34、36，其一方面用于确保导电板 18、20 间的密封 另一方面确保膜电极组件 16 的密封。第一衬垫 34 沿着纵向方向 X 被置于阳极导电板 18 与膜 22 之间，且在与第一衬垫 34 成直角处，第二衬垫 36 沿着纵向方向 X 被置于阴极导电 板 20 与膜 22 之间。各衬垫，分别为 34、36，分别在阳极 24a 及阴极 24b 周围延伸。 0044 电池单元 15 通过设置于堆叠 14 的纵向端部的夹板 ( 未示出 ) 而保持堆积。夹紧 螺栓 (。
20、 未示出 ) 在这些板上施加夹紧力以用于保持它们压缩抵住电池单元 15。 0045 在图 1 示出的可替代方式中，各导电板 18、20 的外围边缘 26 沿着纵向方向 X 与膜 22 相隔一定距离。换句话说，外围边缘 26 与膜 22 间隔开。距离 D 大于膜 22 的厚度。 0046 尤其是，在各导电板 18、20 的外围边缘 26 与膜 22 之间构成空白空间 40。在这个 空白空间 40 内没有设置固态元件。因此促进了堆叠 14 的制造。 0047 然后，距离 D 优选严格地小于 0.4mm。因此，堆叠 14 的尺寸被限制。 0048 在图 2 示出的可替代方式中，电绝缘材料的层 42，。
21、其通常为树脂，其被沉积于各导 说 明 书CN 104508881 A 4/4 页 6 电板 18、20 的外围边缘 26 与膜 22 之间。各个层 42 填充膜 22 的相应的导电板 18、20 的外 围边缘 26 之间的空间。膜 22 的外围边缘 25 垂直于纵向方向 X、从置于膜 22 与各导电板 18、20 间的绝缘材料的层 42 中伸出。 0049 绝缘材料的层 42 及膜 22 避免导电板 18、20 间的导电元件的沉积。 0050 然后，距离 D 大于 0.4mm，以符合 IEC 62282-2 标准和 IEC 62282-3-1 标准。 0051 通过本发明，以较低的成本避免了相同电池单元15的导电板18、20之间的短路的 发生。尤其是，板 18、20 之间的空气泄漏路线足够长以避免任何介电击穿的风险，且防止了 板 18、20 受到会接触到堆叠 14 的可能的外部导电元件的影响。 0052 进一步地，促进了对于堆叠 14 的元件的接触，这使得电池 12 维护方便。 说 明 书CN 104508881 A 1/1 页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104508881 A 。