双极板的制作方法

1.本发明涉及一种双极板，其具有入口端口和具有多个通道的流场的至少一个组合，所述流场用于将第一入口端口与用于第一反应物的出口端口连接，其中在所述流场中的至少一个的边缘侧存在至少一个旁路通道，其中旁路通道中的流动阻力在放弃突出到旁路通道的横截面中的阻塞元件的情况下通过旁路通道的设计来决定。


背景技术：

2.燃料电池包含由能传导质子的膜形成的膜电极组件，在其一侧上构造阳极，在其另一侧上构造阴极。在燃料电池装置中，通常使多个燃料电池线性组合成燃料电池堆，以实现足够大的功率输出。
3.反应气体借助于双极板供应到燃料电池的电极，即阳极侧尤其是氢气和阴极侧是氧气或含氧气体，尤其是空气。在向燃料电池供应反应物时，这些反应物经由通道引导到板中，该板在使用通道或多个通道的情况下应引起反应物到活性区域中的分配，以便借助于流场尽可能均匀地供应电极的整个面。由于在活性区域的整个面上进行的化学反应，新鲜的反应气体不断继续被消耗，从而使反应气体的分压从入口到出口降低，而产物气体的份额增加。
4.除了反应气体之外，冷却介质也穿引通过双极板，从而必须在最小的空间上以技术上紧密分离的方式引导三种不同的介质。因此通常将两个金属成型部件焊接成双极板，其中由于活性流场周围的结构空间要求，必须维持重叠区域，在其中由于制造公差和装配公差产生空腔，通过该空腔反应气体可以流动经过流场，其应该通过用于泄露流的阻塞元件来减少。然而，由于冷却介质也流动通过双极板，因此在使用阻塞元件时必须在避免针对反应气体的泄露流和避免针对冷却介质的泄漏流之间做出妥协。
5.在de 10 2017 118 143 a1中，在第一双极板的旁通通道中压印部(pr
ä
gung)构造为阻塞元件，其扰乱反应介质流动的方向并引起湍流和压力增加，其使反应介质从旁通通道偏转到第一双极板与第二双极板之间布置的气体扩散层中。wo 2003/041199 a2 描述了一种由能导电的板制成的双极板，在其一侧上构造第一流场并且在其另一侧上构造第二流场，并且更确切地以这样的方式，使得如此选择第一流场和第二流场的形状，使得它们不直接处在彼此之上。流场的通道曲折形地设计用于增加通道长度。在us 2018/0342744 a1中公开了燃料电池堆的结构，其中燃料电池以多层组合并且布置在端板之间。燃料电池堆的每个端板与相邻的燃料电池之间布置有中间板，在其中构造用于导入和导出反应气体的分配结构。在中间板中构造旁路通道，其盘绕地从入口端口伸延到出口端口，以便收集冷凝水。


技术实现要素：

6.本发明的任务是提供一种双极板，其中可以简化地设定通过反应气体旁路的流动。
7.该任务通过具有权利要求1的特征的双极板来解决。在从属权利要求中说明了具有本发明的适宜改进的有利设计方案。
8.开头提到的双极板提供以下优点，一方面，通过有针对性地允许在流场的边缘区域中的质量流来得到更好的均匀分配，并且此外提供可以由冷却剂流过的空腔减少。由此导致冷却剂的热质量降低，即在燃料电池堆中的冷却剂的降低的绝对热容量，从而提供改善的霜冻启动特性。结构空间优势也可以通过放弃阻塞元件来实现。最后，可以优化反应气体和冷却剂的不期望的泄漏流。旁路通道本身在板的区域中伸延，该区域位于活性区域之外，在该活性区域中进行电化学反应。
9.这些优势尤其明显，当在两个流场的两侧上分别存在相应设计的旁路通道。
10.在此优选的是，当通过入口端口和出口端口之间重复的方向变化来增加旁路通道的长度，因为这样通过流动经过带有通道壁的旁路通道的接触面的增加，以更简单并且易于制造的方式提供用于设置流动阻力的参数供使用。
11.再次在简化的制造和最大化旁路通道的长度的意义上设置成，方向变化规则分布地在入口端口和出口端口之间进行并且根据这样的形状成型，该形状选自包含以下的组：锯齿轮廓、矩形轮廓、双蛇形轮廓、舌轮廓。这些轮廓的共同点是，在旁路通道中的流动的方向改变是强制的，其中每个方向改变增加流动阻力，尤其当方向改变在旁路通道的分支之间包夹大角度时。尤其地在旁路通道的长度剧烈增加时，具有大欧米茄基本形状的双蛇形轮廓在小空间上提供许多尖锐的方向变化。
12.除了旁路通道的长度之外，提供另一用于增加流动阻力的参数供使用，从而旁路通道的横截面根据这样的横截面形状成型，该横截面形状选自包括以下的组：v形轮廓、矩形轮廓、半圆形轮廓、梯形轮廓、锤头轮廓。这些轮廓尤其没有提供针对通道内容与其壁面相比的最大值，从而对于给定的流动体积，流动阻力通过增加的壁面再次增加。
13.尤其地，出于制造原因，轮廓的棱边可以用半径倒圆。
14.旁路通道中的表面被粗糙化也用于增加流动阻力，其中这可以通过适当的表面处理或通过涂层来实现。
15.如果旁路通道在入口端口和出口端口之间具有至少一个分支，那么流动阻力也增加，即通过壁面与流动体积相比的增加。分支可以在两个、三个或更多个支部中进行并且也可以重复。
16.旁路通道的开始部由流场的边缘通道的支路形成用于改善通过旁路通道的流动的控制。
17.备选地也存在这样的可能性，旁路通道的开始部在流场上游在入口端口的分配区域中形成。这尤其地用于旁路通道的长度的增大和泄露流在其到达其中泄露流是不期望的或不利的区域之前的导入。
18.上面在说明书中提到的特征和特征组合以及随后在附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在分别给定的组合中使用，而且还可以在其它组合中或单独使用，而不脱离本发明的范围。因此，如下实施方案也应视为由本发明包括和公开，所述实施方案在附图中未明确示出或解释，然而通过单独的特征组合从所解释的实施方案中得出并且可产生。
附图说明
19.本发明的其它的优点、特征和细节从权利要求书、下面对优选的实施形式的描述以及借助于附图得出。在此：图1示出了具有燃料电池堆的燃料电池装置的示意图，该燃料电池堆具有多个燃料电池，该燃料电池堆的燃料电池具有双极板；图2示出了对现有技术中已知的双极板的示意图的俯视图；图3示出了对现有技术中已知的双极板的示意图的俯视图，带有示意性示出的反应气体在流场中的浓度下降和简绘的旁路流；图4示出了在流场的通道方向上穿过现有技术已知的双极板的横截面；图5示出了对应于图4的具有反应气体旁路和冷却剂旁路的双极板的示图；图6示出了针对反应气体旁路从流场边缘通道导出的原理图；图7示出了针对反应气体旁路从分配区域的导出的原理图；图8示出了针对与用于该反应气体的介质端口相邻的反应气体旁路的开始部的原理图；图9示出了流场旁边的反应气体旁路的伸延的示意图；图10示出了根据另一实施形式的流场旁边的反应气体旁路的伸延的示意图；图11示出了根据另一实施形式的流场旁边的反应气体旁路的伸延的示意图；图12示出了根据另一实施形式的流场旁边的反应气体旁路的伸延的示意图；图13示出了根据另一实施形式的流场旁边的反应气体旁路的伸延的示意图；图14示出了对应于图9的实施形式的示图，带有在反应气体旁路的分支方面的变型方案；图15示出了在反应气体旁路的横截面轮廓方面的变型方案的示图。
具体实施方式
20.在图1中示意地示出了燃料电池装置1，该燃料电池装置1具有燃料电池或多个组合成燃料电池堆2的燃料电池。
21.燃料电池堆2由多个串联的燃料电池组成。每个燃料电池包含阳极和阴极，以及将阳极与阴极隔开的能传导质子的膜。该膜由离聚物、优选磺化四氟乙烯聚合物(ptfe)或全氟磺酸聚合物(pfsa)形成。备选地，该膜可以形成为磺化烃膜。
22.可以将催化剂额外与阳极和/或阴极混合，其中膜优选地在它们的第一侧和/或它们的第二侧上用由贵金属或包含贵金属如铂、钯、钌等的混合物制成的催化剂层来涂层，它们在各个燃料电池的反应中用作反应加速剂。
23.燃料(例如氢气)经由燃料电池堆2内的阳极室供应给阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(pem燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处分裂成质子和电子。膜允许质子(例如h

)通过，但对电子(e-)是不可渗透的。在阳极处在此进行以下反应：2h2→
4h

4e-(氧化/电子释放)。在质子通过膜到达阴极期间，电子经由外部电路传导到阴极或能量存储器处。阴极气体(例如氧气或含氧空气)可以经由燃料电池堆2内的阴极室供应到阴极，从而在阴极侧进行以下反应：o2 4h

4e-→
2h2o(还原/电子接收)。
24.由压缩机4压缩的空气经由阴极新鲜气体线路3供应到燃料电池堆2。此外，燃料电
池与阴极废气线路6连接。在阳极侧，保持在氢气罐5中的氢气供应到燃料电池堆2，以提供对于燃料电池中的电化学反应所需的反应物。这些气体被转移到双极板10，在所述双极板10中构造通道11并组合成流场12，用于将气体分配到膜。此外，双极板10设置用于冷却介质通道19的通过导引，从而在最小的空间内引导三种不同的介质。从现有技术已知的双极板10在图2至图4中示出，其中图2示出了针对介质通过入口端口13的导入与到流场12的转移，以及通过第一出口端口14的导出。双极板10的背侧以可对照的方式供第二反应物使用。入口端口13可以与用于冷却剂的介质端口15一起组合在入口集管16中。类似地提供出口集管17供使用。
25.旁路流流动经过流场12处，该旁路流通过旁路阻塞结构也不能完全被抑制，它的制造涉及额外的耗费。为了避免这样的旁路阻塞结构，在由图5可见的双极板10中采取了如此的设计，即至少一个流场12的边缘侧存在至少一个旁路通道18，其中，在放弃突出到旁路通道18的横截面中的阻塞元件的情况下，旁路通道18中的流动阻力通过旁路通道18的设计决定。在优选的实施示例中，在两个流场12的两侧上分别存在相应设计的旁路通道18。
26.在此，旁路通道18的长度通过入口端口13和出口端口14之间的重复的方向变化20增加，其中，方向变化20规则分布地在入口端口13和出口端口14之间进行。在图9到图13中示出旁路通道18的不同的方向变化20，所述方向变化根据这样的形状成型，该形状选自包含以下的组：锯齿轮廓21、矩形轮廓22、双蛇形轮廓23、舌轮廓24。方向变化20的角度在此同样地可以改变，从而锯齿轮廓21可以例如对称地存在为锯齿形线。此外，图9中的舌轮廓改进了燃料电池堆2的霜冻启动特性，因为在流场12的边缘通道25和旁路通道18之间针对冷却剂流过的体积减小并且燃料电池堆2中的冷却剂的热质量因此较低。
27.在图15的备选方案中(从上到下)，旁路通道18的横截面根据以下横截面形状成型，该横截面形状具有：v形轮廓、矩形轮廓、半圆形轮廓、梯形轮廓、锤头轮廓，其中为了通过成型工艺简化制造，轮廓的棱边用半径倒圆。
28.旁路通道18中的表面被粗糙化的可能性存在。
29.图14示出了备选方案，其中旁路通道18在入口端口13和出口端口14之间具有分支26，即分支26分成两个支部(左)、三个支部(中间)或重复的分支26分成两个支部(右)。
30.图6示出了一种变型方案，其中旁路通道的开始部通过来自流场12的边缘通道25的支路27形成，而图7和图8表明，旁路通道18的开始部在流场12上游在入口端口13的分配区域28中形成并不同程度地接近入口端口13处。
31.参考符号列表1 燃料电池装置2 燃料电池堆3 阴极新鲜气体线路4 压缩机5 氢气罐6 阴极废气线路7 阳极再循环线路8 阳极新鲜气体线路9 阳极废气线路
10 双极板11 通道12 流场13 入口端口14 出口端口15 介质端口16 入口集管17 出口集管18 旁路通道19 冷却介质通道20 方向变化21 锯齿轮廓22 矩形轮廓23 双蛇形轮廓24 舌轮廓25 边缘通道26 分支27 支路28 分配区域