燃料电池的双极板、具有这种双极板的燃料电池堆以及具有这种燃料电池堆的车辆的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括：具有阳极侧和冷却剂侧的阳极板，其中在该阳极侧形成用于形成阳极流场的第一结构化部；具有阴极侧和冷却剂侧的阴极板，其中在该阴极侧形成用于形成阴极流场的第二结构化部，其中在阳极板与阴极板之间为了形成冷却剂流场而布置结构元件，这些结构元件与阳极板和阴极板的冷却剂侧接触。本发明还涉及一种具有这种双极板的燃料电池堆以及一种具有这种燃料电池堆的车辆。


背景技术：

2.燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极装置（mea，针对membrane electrode assembly）作为核心部件，所述膜电极单元是由传导离子的（大多是传导氢离子的）膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。后者大多包括被支承的贵金属、尤其是铂。此外，在膜电极装置两侧的气体扩散层（gdl）可以布置在电极的背离该膜的侧面上。燃料电池通常通过多个布置成堆（stack）的mea形成，所述mea的电压相加。在各个膜电极装置之间通常布置有双极板（也称作流场板或隔膜板），这些双极板保证了给单电池供应工作介质、即反应物，而且通常也用于冷却。这些双极板还引起与这些膜电极装置的导电接触。
3.在燃料电池运行时，燃料（阳极工作介质）、尤其是氢气h2或者含氢的气体混合物通过双极板的在阳极侧敞开的流场被输送给阳极，在该阳极处，在释放电子的情况下从h2电化学氧化成氢离子h （h2ꢀ→ꢀ
2 h
2 e
–
）。通过电解质或者使反应区气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，（水结地或者无水地）将氢离子从阳极区运输到阴极区中。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧的气体混合物（例如空气）作为阴极工作介质通过双极板的在阴极侧敞开的流场被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从o2还原成o2‑
（
½ꢀ
o
2 2 e
–
ꢀ→
o2‑
）。同时，氧离子在阴极区中在形成水的情况下与被运输经过所述膜的氢离子发生反应（o2‑ 2 h
→
h2o）。
4.通过主供应通道给燃料电池堆供应它的工作介质，即阳极气体燃料（例如氢气）、阴极气体燃料（例如空气）和冷却剂，所述主供应通道沿堆的整个堆叠方向穿过所述堆，并且工作介质由所述主供应通道经过双极板被输送给单电池。对于每种工作介质来说，存在至少两个这种主供应通道，即一个用于输送相应的工作介质的主供应通道和一个用于排出工作介质的主供应通道。
5.通常，双极板由两个彼此连接的半板组成，所述两个彼此连接的半板分别在两侧结构化。在彼此背离的侧面需要用于输送工作介质的结构化部并且在朝向彼此的侧面需要用于输送冷却剂的结构化部。在此，这些半板必须分别彼此协调，因为必须借助于两个半板来提供三个单独的输送路线。这引起其它边界条件，所述其它边界条件降低了双极板的设计的灵活性。在典型的实施方案中，已知双极板的半板压型地来形成，其中型材彼此啮合或
嵌套。
6.燃料电池堆在其相反的堆端部通常具有端板，这些端板借助于作为夹紧系统的部分的夹紧装置来彼此连接。借助于这些夹紧装置来传递拉力，这些拉力将这些端板拉向彼此并且将布置在其间的单电池压紧、即彼此压紧。此外，压缩弹簧是夹紧系统的部分，以便使堆均匀地承受负荷并且避免在该堆上的损坏。


技术实现要素：

7.本发明所基于的任务在于：提供一种双极板，该双极板至少部分地消除了双极板的与压缩弹簧相关的缺点。
8.该任务通过具有独立权利要求的特征的一种双极板、一种燃料电池堆以及一种具有这种燃料电池堆的车辆来被解决。
9.该双极板包括阳极板，该阳极板具有阳极侧和冷却剂侧，其中在阳极侧形成用于形成阳极流场的第一结构化部。该双极板还包括阴极板，该阴极板具有阴极侧和冷却剂侧，其中在阴极侧形成用于形成阴极流场的第二结构化部。在阳极板与阴极板之间为了形成冷却剂流场而布置结构元件，这些结构元件与阳极板和阴极板的冷却剂侧接触。按照本发明，这些结构元件由弹性材料制成。
10.这些结构元件用作在具有按照本发明的双极板的燃料电池堆中的嵌入式弹簧，主要用于在提高结构鲁棒性的同时优化压缩。
11.此外，由此与现有技术相比可以降低燃料电池堆的堆高度，因为能省去通常使用的压缩弹簧。此外，根据现有技术的这些压缩弹簧不提供对双极板的活性表面的接触压力的良好控制，其中由于由此造成的不均匀的堆压缩而可能导致板断裂。通过按照本发明的双极板来避免这一点。通过省去压缩弹簧，还可以减轻重量。端板的弯曲也可以被减小到最低限度。还特别有利的是：gdl/mea的侵入的影响可以被减小到最低限度。
12.还可以实现在板制造方面的成本降低，例如通过省去压缩弹簧并且通过使用现场成型（fip（form
‑
in
‑
place））工艺进行大批量生产的可能性来实现在板制造方面的成本降低。
13.除了这些结构元件之外，按照本发明的双极板优选地由导电材料组成，优选地由碳基材料组成，特别优选地由石墨或由石墨和碳构成的复合材料组成。也提供对金属的使用。
14.按照本发明提供的结构元件优选地由弹性导电聚合物组成，该弹性导电聚合物在燃料电池运行的温度范围内稳定，其中优选地至少一个结构元件导电。优选地，使用硅酮或硅氧烷，其中聚二甲基硅氧烷是特别优选的。
15.该聚合物优选地具有> 100 s/cm的导电能力。电阻优选地为0.0008 ω cm并且压缩模量优选地为5 mpa。
16.这些结构元件在阳极板与阴极板之间彼此间隔开地布置，使得冷却剂可以以尽可能低的压力损失流经该双极板的冷却剂流场。
17.为此，这些结构元件设计成柱状，优选地具有在单个结构元件的整个长度内相同的截面或者也具有在该长度内变化的截面，例如具有在这些结构元件的中间减小的截面。
18.这些结构元件可具有分布在该双极板的表面上的不一样大的截面积，以便满足对
在该双极板的不同区域内的弹簧力的不同要求。
19.优选地，这些结构元件具有矩形或方形截面，使得能够实现非常简单的制造。此外，具有一个或两个对称轴的圆形或椭圆形截面也是可能的。
20.根据按照本发明的双极板的特别优选的实施方式，阳极板和阴极板的结构化部设计为使得至少在阳极板和阴极板的分别不同侧面上的结构元件的接触面被这些结构化部所覆盖，以便使压力分布在整个堆高度上。
21.因此，阳极侧的第一结构化部和阴极板的第二结构化部以及这些结构元件沿双极板的堆叠方向直接重叠地布置。这样，可以有利地避免双极板的损坏。
22.为了优化流动条件，能够没有任何问题地实现阳极板和阴极板的结构化部的附加的空间设计。优选地，提供与这些结构元件等效的设计。
23.按照本发明，也能够实现对具有不同截面的结构元件的混合。
24.这些结构元件可以在形成流动区域的情况下均匀或不均匀地布置在冷却剂流场中，以便避免压力损失并且根据需要来使用所需的弹簧力。优选地，这些结构元件以及可选地这些结构化部在均匀布置的情况下形成网格图案。
25.这些结构元件优选地与至少阳极板或阴极板固定，例如通过粘接来固定，其中单侧固定可以使双极板的安装变得容易并且通常足够。优选地，在这种情况下，与引导氧化剂的阴极板粘接。
26.根据按照本发明的双极板的一个特别优选的实施方式，这些结构元件布置在载体板上地来被提供。这些载体板优选地由与这些结构元件相同的材料组成并且优选地与这些结构元件一体化地制造。
27.这些载体板要么贴靠在阳极板上地布置要么贴靠在阴极板上地布置。该有利的设计能够实现对按照本发明的双极板的显著简化的安装。在该实施方式中，与至少阳极板和阴极板的粘接也可以与各个结构元件类似地实现。
28.除了上述规定之外，阳极板和阴极板的流场以及冷却剂流场可以彼此独立地被单独设计。
29.本发明的另一方面涉及一种燃料电池堆，该燃料电池堆包括在两个端板之间交替布置的膜电极装置和按照本发明的双极板的堆。
30.本发明还涉及一种车辆，该车辆具有燃料电池系统，该燃料电池系统具有按照本发明的燃料电池堆。该车辆优选地是电动车辆，其中由燃料电池系统产生的电能用于供应牵引电机和/或牵引电池组。
31.本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。
32.只要在个别情况下不另作解释，本发明的在本技术中提到的不同的实施方式就能有利地彼此结合。
发明内容
33.随后，本发明在实施例中依据所属的附图来被阐述。其中：图1示出了燃料电池堆的示意图；图2以从上方的透视图示出了按照本发明的双极板的细节；图3以从下方的透视图示出了根据图2的双极板的细节；
图4以截面图示出了根据图2和3的双极板的细节；图5以透视图示出了具有结构元件的阴极板的细节；图6以截面图示出了按照本发明的根据第二实施方式的双极板的细节；图7以透视图示出了具有布置在载体板上的结构元件的阴极板的细节；图8以透视图示出了具有布置在载体板上的根据第二实施方式的结构元件的阴极板的细节；图9以俯视图示出了在载体板上的具有椭圆形截面的结构元件；以及图10以俯视图示出了根据第二实施方式的在载体板上的具有椭圆形截面的结构元件。
具体实施方式
34.图1以示意图示出了按照本发明的整体上用100来表示的燃料电池堆。燃料电池堆100可以是未进一步示出的车辆、尤其是电动车辆的部分，该车辆具有牵引电机，通过燃料电池堆100来给该牵引电机供应电能。
35.燃料电池堆100包括多个交替地、在它们的扁平侧排在一起的（堆叠的）膜电极装置10和双极板12。即，整体上，多个被堆叠的单电池11构成燃料电池堆100，其中不仅这些单电池11中的任何一个而且燃料电池堆100一般都可以称为燃料电池。燃料电池堆100在两个端侧具有端板18。在双极板12与相应的膜电极装置10之间布置有未示出的阳极和阴极区，所述阳极和阴极区受到环绕式密封部20的限制。尤其是，为了建立密封部20的密封功能，燃料电池堆100沿堆叠方向s借助于夹紧系统来被压在一起（压紧）。
36.该夹紧系统包括外部夹紧装置22以及这里不可见的弹性结构元件，这些弹性结构元件布置在双极板12的冷却剂区域中。这些弹性结构元件在下文还更详细地被描述。
37.为了建立被传递到燃料电池堆100中的结构元件上的外部应力，外部夹紧装置22的细长拉伸体24在两个端板18之间传递拉力，使得端板18借助于拉伸体24被拉向彼此。为此，拉伸体24沿燃料电池堆100的堆叠方向s延伸。
38.图2至4以不同视图示出了按照本发明的根据第一实施方式的双极板12。分别示出了双极板12的细节。
39.在这种情况下，双极板12包括两个单板，即阳极板30以及阴极板40。阳极板30具有阳极侧31和面向阴极板40的冷却剂侧32。阴极板40具有阴极侧41和面向阳极板30的冷却剂侧42。为了形成冷却剂流场50，在阳极板30与阴极板40之间分别在冷却剂侧32、42上布置弹性结构元件51，这些弹性结构元件与阳极板30和阴极板40接触。结构元件51是柱状的并且具有方形截面。这些结构元件均匀分布并且因此形成以网格网络为形式的流动通路52，冷却剂可以沿相对于双极板12的主轴线的纵向和横向方向流经这些流动通路。
40.在背离冷却剂流场50的阳极侧31和阴极侧41，设置第一结构化部33或第二结构化部43，该第一结构化部和该第二结构化部两者类似于冷却剂流场50的结构元件51地来设计并且形成阳极流场34和阴极流场44。也就是说，该第一结构化部和该第二结构化部呈具有方形截面的柱状。该第一结构化部和该第二结构化部还形成用于两种反应介质的流动通路35、45，其中该第一结构化部和该第二结构化部在图2至4中沿堆叠方向s与结构元件51全等。
41.在图5中，同样示出了按照图2至4的实施方式，然而区别在于未示出阳极板30。在阴极板40中心的结构元件51与在边缘处的结构元件的不同的大小只能归因于所示出的片段并且没有技术意义，其中当然原则上可能的是：将这些结构元件51的尺寸设计得不一样并且不均匀地分布。为了简化双极板12的安装，这些结构元件51至少被固定或粘接在阴极板40的冷却剂侧42。
42.图6进而以截面示出了根据第二实施方式的双极板12的细节。在该实施方式中，结构元件51与载体板53一体化地形成，该载体板以扁平侧放在阴极板40的冷却剂侧42上。在将具有结构元件51的载体板53布置在阴极板40上之后，放置未示出的阳极板30，以便使双极板12完整。该载体板53的使用使得双极板12的安装明显变得容易。在该变型方案中，也可以将载体板53或结构元件51粘接。
43.在图8中示出了另一变型方案，其中承载结构元件51的载体板53的侧面放在阴极板40的冷却剂侧42上。在其它方面，该变型方案对应于在图7中示出的变型方案。
44.图9和10分别示出了具有放置在其上的结构元件51的载体板53，这些结构元件具有带两个对称轴的椭圆形截面（图9）和带一个对称轴的椭圆形截面（图10）。这些实施方式用于优化冷却剂的流动条件。这些截面也可以被选择作为第一结构化部33和/或第二结构化部43。
45.只要未明确说明，这些实施方案就同等地涉及所有实施方式。
46.说明：100
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燃料电池堆10
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膜电极装置11
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单电池12
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双极板18
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端板20
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密封部21
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弹簧系统22
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夹紧装置24
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细长拉伸体30
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阳极板31
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阳极侧32
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冷却剂侧33
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第一结构化部34
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阳极流场35
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流动通路40
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阴极板41
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阴极侧42
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冷却剂侧43
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第二结构化部44
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阴极流场45
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流动通路
50
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冷却剂流场51
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结构元件52
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流动通路53
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载体板s
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堆叠方向