具有密封装置的双极板，具有双极板的燃料电池和用于密封覆盖的方法与流程

具有密封装置的双极板，具有双极板的燃料电池和用于密封覆盖的方法


背景技术：

1.燃料电池是电化学能量转换器，其中氢气和氧气被转化为水、电能和热能。反应气体氢气和氧气以及冷却液体通过燃料电池的通道结构被引导到燃料电池的活性反应区域中。通过气体扩散层，气体扩散到催化器层中，在所述催化器层中进行燃料电池的电化学反应。燃料电池的双极板通常由两个压制的板材组成。在双极板的板材中的通道结构分别形成用于三种介质氢气、空气和冷却介质的隔间。冷却介质通常在双极板的两个板材之间流动。为了将冷却介质通道相对于周围环境密封，在现有技术中通常选择塑料密封件，如弹性体或热固性塑料密封件或借助焊缝，例如激光焊接进行密封。双极板通常具有至少一个涂层，用于使接触电阻最小化和用于防腐蚀。双极板的涂层通常在两个板半部相互焊接之前施加。这种顺序一方面由通常成本更低的所谓的预涂覆得到，与对完成压制的双极板进行后涂覆相比，在预涂覆时涂层在压制之前已经被施加到双极板的原材料，例如呈钢卷形式的原材料上。另一方面，事先焊接和随后对双极板进行涂覆意味着两个双极板板材的两个相接触的内表面不再能够被涂覆，因为由于焊接连接而无法进入。双极板板材的焊接伴随着热量和/或热输入。由此，已经施加的涂层和从而腐蚀保护会不利地局部损坏。


技术实现要素：

2.本发明公开一种用于燃料电池的双极板，其中，双极板包括至少一个密封装置。此外，本发明公开了一种燃料电池，其具有至少一个隔膜电极单元、至少一个气体扩散层和至少一个双极板。此外，本发明公开一种用于密封地覆盖双极板的第一双极板半部与第二双极板半部的材料锁合连接部的方法。所述双极板根据权利要求1的特征构型。所述燃料电池根据权利要求8的特征构型。所述方法根据权利要求10的特征构型。本发明的另外的特征和细节由从属权利要求、说明书和附图得到。在此，结合根据本发明的双极板所描述的特征当然也适用于结合根据本发明的燃料电池和根据本发明的方法所描述的特征，反之亦可，使得关于本发明各方面的公开始终相互参考或能够参考。
3.根据第一方面，本发明示出一种用于燃料电池的双极板，其中，所述双极板具有第一双极板半部和第二双极板半部，其中，所述双极板具有用于引导至少一种流体的至少一个流体通道，并且其中，所述第一双极板半部与第二双极板半部具有至少一个材料锁合连接部，其中，所述双极板包括至少一个密封装置，并且所述至少一个密封装置密封地覆盖至少一个材料锁合连接部。用于燃料电池的双极板优选地构型为使用在机动车中和/或用于驱动机动车。在本发明的范畴内，材料锁合连接部例如可以是第一双极板半部和第二双极板半部之间的焊点、焊缝和/或其它材料锁合和/或单体连接部。在根据本发明的双极板和/或燃料电池中，材料锁合连接部至少部分地暴露于易腐蚀的、其他化学侵蚀性和/或物质分解的环境和/或与该环境接触。根据本发明的双极板至少区段地具有涂层，尤其防腐蚀的涂层。通过建立材料锁合连接，尤其焊接连接，对两个双极板半部的涂层产生局部破坏。此外，在涂层中的损坏能够渗透到在缺陷部位处的涂层。在这种情况下存在如下风险：与焊缝和/
或焊点相邻的较大的涂覆区域剥落。因此，不但焊缝和/或焊点的相对较小的面，而且邻近区域也受腐蚀威胁。通过至少一个根据本发明的密封装置密封地覆盖材料锁合连接部，可以防止或至少有利地影响这种情况。根据本发明，通过至少一个密封装置密封地覆盖材料锁合连接部是对在第一双极板半部和/或第二双极板半部上的材料锁合连接部的后侧部位相应地密封覆盖。双极板半部的前侧和后侧在此定义为，用于材料锁合连接的双极板的前侧相互接触地布置，并且双极板半部的后侧分别构成双极板半部的相对置侧和/或表面。
4.密封装置可以优选地与双极板夹紧和/或通过整个燃料电池的表面压力布置和固定。至少一个密封装置可以实施为弹性体密封件和/或由其他聚合物或聚合物复合材料，例如橡胶、epdm、硅酮、fkm构造。优选地，至少一个密封装置至少区段地，优选完全地布置在双极板的用于氢气和/或氧气的流体通道中。这样构型的根据本发明的双极板是特别有利的，因为通过至少一个密封装置密封地覆盖至少一个材料锁合连接部，并且因此能够以成本低和简单的手段保护双极板半部的连接部位，尤其连接部位的后侧免受腐蚀和/或环境影响。
5.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置包括至少两个密封半部，尤其其中，至少两个密封半部中的各一个布置在双极板的至少两侧之一上。至少两个密封半部可以共同地、材料锁合地或单独地构型。优选地，两个密封半部布置在两个双极板的相对置侧上，尤其布置在材料锁合连接部的后侧上。这样构型的双极板能够实现在两侧上对材料连接部，尤其焊缝有利地密封覆盖。因此优选地，通过材料锁合连接损坏的涂层的整个区域或基本上整个区域被至少一个密封装置密封地覆盖和因此有利地防止腐蚀。特别有利的是，在一个双极板半部上分别布置有一个密封半部。在本发明的范畴内，表述“x或基本上x”应理解为例如由于制造公差和/或材料特性的可能的小偏差，而不改变该特征所基于的预期功能。
6.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置增材地施加到双极板上和/或与双极板粘合。至少一个密封装置的增材施加和/或至少一个密封装置与双极板的粘合是一个特别有利的构型，因为根据本发明的密封覆盖能够借助简单的手段并且低成本地实现。增材施加和/或粘合构成密封装置在双极板上的结构空间优化的固定。双极板可以进行预处理，用于改善密封装置在双极板上的固定。替代地或附加地，密封装置也可以借助紧固器件布置和固定在双极板上。同样，双极板可以具有用于使密封装置定向在双极板上的器件。
7.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置在双极板的两侧上、尤其在相对置的侧上密封地覆盖至少一个材料锁合连接部。优选地，密封装置可以在双极板的边缘区域中侧向地接合密封装置并且因此仅一个密封装置可以在双极板的两侧上、尤其在相对置的侧上密封地覆盖材料锁合连接部。这样构型的密封装置例如可以通过注塑包封构型或构型为u形型廓并且可以在侧面插装地布置在双极板上。密封装置的该优选实施方式，除了对第一双极板半部与第二双极板半部的材料锁合连接部的密封覆盖外，例如能够实现密封装置在双极板上的夹紧和/或还实现双极板的侧向阻尼、密封和/或定向。
8.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置具有一个高度，并且第一双极板半部和第二双极板半部分别具有一个高度，其中，至少一个密封装置的高度相应于第一双极板半部和/或第二双极板半部的高度。至少一个密封装置的高度在此
可以包括在通过燃料电池的表面压力的压缩状态下的高度和/或未压缩状态下的高度。此外，可以是并且可以考虑，至少一个密封装置的高度补偿了隔膜电极单元和/或至少一个气体扩散层相对于在隔膜电极单元的区域中布置有至少一个密封装置的边缘加强部的厚度差。如之前所描述的那样，至少一个密封装置布置在双极板的用于氢气和/或氧气的流体通道中。在此，双极板中的流体通道的高度通常相应于第一双极板半部和/或第二双极板半部的高度。密封装置的结构设计构型可以在通道的整个高度或基本上整个高度上实施。然而，在双极板的位置上的材料锁合连接部也可以考虑并且可以是，在这些部位处，没有密封装置在第一双极板半部和/或第二双极板半部的整个高度或基本上整个高度上是有利的，因为在所述部位上的密封装置例如对于流体的流动特性是负面的。对于至少一个密封装置在通道的整个高度或基本整个高度上构型替代地或附加地，至少一个密封装置可以仅作为薄涂层密封地覆盖材料锁合连接部。尤其在燃料电池的通常实施为端口的流入和流出装置的区域中，这样构型的密封装置可以有利地实现和/或改善流体流动。例如，在氢气端口周围布置有焊缝，以避免氢气流入到冷却介质通道结构中。相反地，流入到燃料电池和/或双极板的氢气通道结构中流体连通地构型并且应当有利地不被密封装置封闭和/或部分地阻挡，使得氢气可以不受阻碍地流入到氢气通道结构中。为了防止或至少有利地影响在这些部位上的焊缝腐蚀，根据本发明的密封装置作为薄塑料涂层施加在该端口区域中。因此，塑料涂层明显更薄并且具有比第一双极板半部和/或第二双极板半部更小的高度。因此，氢气例如可以越过薄的密封装置流入到燃料电池中，但仍然确保腐蚀保护效果。
9.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置布置在至少一个流体通道和/或密封槽中，尤其布置在第一双极板半部和/或第二双极板半部上。根据本发明的双极板的该实施方式特别有利的是，至少一个密封装置布置，尤其有利地完全布置在双极板的用于氢气和/或氧气的流体通道中。这样构型的根据本发明的双极板是特别有利的，因为通过在至少一个流体通道中的至少一个密封装置密封地覆盖至少一个材料锁合连接部并且因此能够以成本低和简单的手段实现保护双极板半部的连接部位，尤其连接部位的后侧免受腐蚀和/或环境影响。替代地或附加地，密封装置布置在第一双极板半部和第二双极板半部之间。
10.根据本发明的双极板的一个优选实施方式设置，至少一个密封装置具有一宽度，并且至少一个材料锁合连接部具有一宽度，其中，密封装置的宽度相应于材料锁合连接部的宽度的至少500％，尤其其中，密封装置构型为3至5mm宽。此外，如果密封装置的宽度至少比材料锁合连接部的宽度大10、20、30或50倍，则是特别有利的。在本发明的范畴内，材料锁合连接部的宽度例如理解为用于材料锁合地连接第一和第二双极板半部的焊缝的宽度。如之前所描述的那样，在双极板半部的涂层中的损坏能够渗透到在缺陷部位处的涂层。在这种情况下存在与焊缝和/或点焊缝相邻的较大的涂覆区域可能剥落的危险。因此，不但焊缝和/或焊点的相对较小的面，而且邻接区域也受腐蚀风险。通过根据本发明的至少一个密封装置在材料锁合连接部的宽度的110％、125％、150％、200％、250％或300％上对材料锁合连接部密封地覆盖防止或至少有利地影响这一点。
11.根据第二方面，本发明示出一种燃料电池，其具有至少一个隔膜电极单元、至少一个气体扩散层和至少一个根据第一方面的双极板，其中，双极板的密封装置布置在至少一个膜电极单元、气体扩散层和/或边缘增强部和至少一个双极板之间。在所描述的燃料电池
中产生对根据本发明第一方面的双极板已经描述的所有优点。这样构型的根据本发明的燃料电池是特别有利的，因为通过双极板的至少一个密封装置密封地覆盖至少一个材料锁合连接部并且因此能够以成本低和简单的手段实现保护双极板半部的连接部位，尤其连接部位的后侧免受腐蚀和/或环境影响。
12.根据本发明的燃料电池的一个优选实施方式设置，密封装置与至少一个隔膜电极单元和/或至少一个双极板流体密封地连接。这样构型的燃料电池是特别有利的，因为能够以简单的手段和成本低地实现材料锁合连接部的根据本发明的密封覆盖并且还实现在密封装置和至少一个隔膜电极单元和/或至少一个双极板之间的流体密封。
13.根据第三方面，本发明示出一种用于密封地覆盖用于根据第二方面的燃料电池的根据第一方面的双极板的第一双极板半部与第二双极板半部的材料锁合连接部的方法，其具有以下步骤：
[0014]-将第一块双极板半部布置在第二双极板半部上，
[0015]-将第一双极板半部与第二双极板半部材料锁合地连接，
[0016]-借助至少一个密封装置密封地覆盖所述材料锁合连接部。
[0017]
所描述的方法产生对根据本发明第一方面的双极板和根据本发明第二方面的燃料电池已经描述的所有优点。第一双极板半部和第二双极板的半部优选地以其前侧彼此接触地布置。通常，双极板半部之间的材料锁合连接能够通过经由双极板半部后侧的热输入实现。因此，尤其在所述的后侧上产生在双极板半部的涂层上的相关损坏或者说双极板半部的后侧由于与腐蚀性液体接触而特别危险。与此相反地，双极板的前侧通常直接相互接触地布置。涂层损坏的部位在燃料电池和/或双极板的运行中例如容易受腐蚀。根据本发明的密封装置为了所述部位的腐蚀保护密封和覆盖地尤其布置在双极板半部的后侧上，布置在材料锁合连接部上，从而能够有利地实现双极板半部和/或材料锁合连接部的腐蚀保护。
附图说明
[0018]
下面参照附图更详细地阐述根据本发明的双极板、燃料电池和方法。
[0019]
附图分别示意性地示出：
[0020]
图1：具有多个双极板和在双极板半部的材料锁合连接部处的多个密封装置的燃料电池的侧视图；
[0021]
图2：具有多个双极板和在双极板半部的材料锁合连接部处的多个密封装置的另一燃料电池的侧视图；
[0022]
图3：根据本发明的流程图。
[0023]
在图1至3中，具有相同功能和作用方式的元件分别设有相同的附图标记。
具体实施方式
[0024]
图1示出燃料电池10的侧视图，其具有多个双极板30和在双极板半部32、34的材料锁合连接部40处的多个密封装置50。燃料电池10以具有交替的双极板30和隔膜电极单元12的堆叠结构方式构造。隔膜电极单元12可以包括气体扩散层14和/或气体扩散层14可以直接邻接到隔膜电极单元12上。双极板30由第一双极板半部32和第二双极板半部34构型。双极板半部32、34在前侧彼此接触地布置并且借助材料锁合连接部40相互连接。在连接部位
处，尤其在双极板半部32、34的后侧的连接部位上，通过材料锁合连接部40的热输入损坏双极板半部32、34的涂层，并且因此双极板半部32、34的材料受腐蚀危险。这样构型的双极板30形成了燃料电池10的例如用于三种流体fl、f2、f3的流体通道结构。例如在两个材料锁合连接部40之间构型用于冷却液体f3通流的通道结构。在材料锁合连接部40处分别在上方和下方邻接地构型用于氢气fl和氧气f2的通道结构。用于氢气fl和氧气f2的通道结构构型为对隔膜电极单元12和/或气体扩散层14是流体可透过的。为了保护材料锁合连接部40免受燃料电池10中的环境影响，尤其防止腐蚀，在材料锁合连接部40上和/或材料锁合连接处分别布置有至少有一个密封装置50。在图1中，密封装置50的密封半部52分别在上方和下方布置在材料锁合连接部40上。在左侧的通道结构中，密封装置50构型有一个高度h1，该高度基本上小于通道结构和第一双极板半部32或第二双极板半部34的高度h2。因此，根据本发明的密封装置50为了材料锁合连接部40的所述部位的腐蚀保护而密封和覆盖地尤其布置在双极板半部32、34的后侧上，布置在材料锁合连接部40上和因此能够有利地实现双极板半部32、34和/或材料锁合连接部40的腐蚀保护。同时，绕流密封装置50由于密封装置50的小的高度h1仍然是可能的。在图1所示的燃料电池10的中心区域中，密封装置50构型有与通道结构和第一双极板半部32和/或第二双极板半部34的高度h2相应或基本相应的高度h1。密封装置50可以与各双极板30和/或燃料电池10粘合、夹紧和/或以其他方式固定。如之前所描述的那样，双极板半部32、34的涂层中的损坏能够渗透到在缺陷部位处的涂层。在这种情况下存在与焊缝40和/或焊点40邻接的较大涂层区域可能剥落的危险。因此，不但焊缝40和/或焊点40的相对较小的面积，而且邻接区域也受腐蚀风险。通过根据本发明的至少一个密封装置50在材料锁合连接部40的宽度b2的110％、125％、150％、200％、250％或300％的宽度b1上对材料锁合连接密封地覆盖，可以防止或至少有利地影响这一点。这样构型的根据本发明的双极板30和根据本发明的燃料电池10是特别有利的，因为通过至少一个密封装置50密封地覆盖至少一个材料锁合连接部40并且因此能够借助成本低的和简单的手段实现保护双极板半部32、34的连接部位，尤其连接部位的后侧免受腐蚀和/或环境影响。
[0025]
在图2中示出另一燃料电池10的侧视图，其具有多个双极板30和在双极板半部32、34的材料锁合连接部处的多个密封装置50。除了图1中的燃料电池10的实施方式外，图2中的燃料电池10示出，左侧示出的密封装置50在双极板30的两侧，尤其相对置的侧上密封地覆盖材料锁合连接部40。左侧的密封装置50在双极板30的边缘区域中侧向地接合双极板30。因此，仅一个材料锁合的密封装置50能够在双极板30的两侧上，尤其相对置的侧上密封地覆盖材料锁合连接部40。这样构型的密封装置50例如构型为u形型廓，并且在侧面插装地布置在双极板30上。密封装置50的该优选实施方式除了对第一双极板半部32与第二双极板半部34的材料锁合连接部40的密封覆盖外，例如能够实现密封装置50在双极板30上的夹紧和/或还实现对双极板30的横向阻尼、密封和/或定向。
[0026]
在图3中示出根据本发明的方法200的流程图，该方法用于将对于第二方面的燃料电池10的根据第一方面的双极板30的第一双极板半部32与第二双极板半部34的材料锁合连接部40密封地覆盖。在第一方法步骤202中，第一双极板半部布置在第二双极板半部上。在第二方法步骤204中，第一双极板半部与第二双极板半部材料锁合地连接并且因此产生材料锁合连接部40。在第三方法步骤206中，通过至少一个密封装置50密封地覆盖材料锁合连接部40。