双极板，燃料电池系统和用于制造双极板的方法与流程

双极板，燃料电池系统和用于制造双极板的方法


背景技术：

1.燃料电池系统将氢气借助氧气在产生废热和水的情况下转化为电能。为此，燃料电池系统包括至少一个燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠由多个燃料电池组成，所述燃料电池具有供给以氢气的阳极、供给以空气的阴极和布置在阳极与阴极之间的聚合物电解质膜。
2.在燃料电池的隔膜电极组件(mea)内，氢气和氧气的电化学的部分反应被隔膜隔开地进行。该反应在催化器层内在mea的所谓的活性面上进行。
3.反应气体氢气和氧气(由供应的空气提供)以及冷却液体通过所谓的双极板(bpp)引导到各燃料电池中并且分布在燃料电池的活性场或活性面上，反应气体在所述活性场或活性面中相互反应。
4.为了使反应在活性场中进行，不但需要反应气体均匀地分布在活性场上的气体分布，而且需要在活性场内出现均匀的温度分布。为此，通常在双极板中成形出分配器场，反应气体通过该分配器场被供应给活性场并且又被导出。
5.因为分配器场通常针对反应气体氢气和氧气或空气的输入或排出进行优化，所以经常产生冷却介质的次优分布和由此引起地在活性场内产生不均匀的温度分布。不均匀的温度分布导致在活性场内的局部不同的反应速度和相应不同的功率密度。


技术实现要素：

6.在本发明的范畴内提出一种双极板、一种用于制造双极板的方法和一种具有双极板的燃料电池系统。本发明的另外的特征和细节由各从属权利要求、说明书和附图得出。在此，与根据本发明的双极板相关地描述的特征和细节自然也适用于根据本发明的方法和根据本发明的燃料电池系统，反之亦然，使得关于对各发明方面的公开相互参考或能够相互参考。
7.本发明用于在燃料电池系统运行时调整最优的反应条件。尤其，本发明用于优化通过双极板的冷却介质流和/或一种或多种反应介质流的流动特性。
8.在对双极板的分布区域进行结构设计上的构型期间，实际上对于所有介质区域难以实现最优的介质流，因为由对冷却介质空间、阴极空间和阳极空间进行优化所产生的要求有时相互矛盾。因此可能出现这样的状况：一个或多个介质空间未被均匀流过，或者没有如对于达到燃料电池的某些特性，例如最大使用寿命所需的那样被流过。例如，可能希望实现在活性场上的均匀的冷却分布或在某些区域，例如在活性场或所谓的“流场”的中心实现较强的冷却。
9.此外可以考虑，燃料电池的某些流体通道应比其它流体通道更强地被反应介质流过，以便例如有利地影响或控制在活性场上的湿度或化学计量分布。通过这种流动特性可以改善燃料电池的各种参数。尤其，受控地流经流体通道能够实现对隔膜面积和催化器负载的利用进行优化，以便提高燃料电池堆叠的功率密度和降低特定的成本。
10.因此，提出一种用于燃料电池的双极板。双极板包括至少一个流体通道，用于输送
燃料电池的运行流体，其中，至少一个流体通道包括用于将液体引入到至少一个流体通道中的入口和用于流体从至少一个流体通道排出的出口。所述至少一个流体通道具有第一区域和至少一个第二区域，其中，所述至少一个第二区域具有相对于第一区域减小的横截面，以便调整从出口流出的流体的体积流。
11.所提出的双极板尤其用于在燃料电池的活性场中产生均匀的反应条件。为此，双极板例如可以构型为，使得在活性场中产生均匀的温度分布和/或均匀的反应气体分布。为此，双极板的各个流体通道可以彼此独立地变窄，即不影响相应的其它体积流，以便例如补偿制造公差。替代地，各个流体通道可以彼此协调地变窄，以便例如提供一个预给定的流体流分布模式。
12.例如，双极板可以具有一个用作节流部的通流几何形状。用作节流部的通流几何形状朝流体通道的流动区域的方向例如通过变形或通过材料堆积变窄。借助用作节流部的通流几何形状可以控制流经双极板的各介质、尤其冷却介质的分布，其方式是，例如减少流动峰值，即特别强的体积流，并且由此引起地，例如产生流经双极板的介质的均匀的分布模式。通过流经双极板的介质的均匀的分布模式在燃料电池的活性场中产生均匀的反应条件。
13.替代地，所提出的双极板也可以构型为用于在燃料电池的活性场中产生不均匀的反应条件。为此，双极板例如可以构型为，使得在活性场中产生不均匀的温度分布或反应气体或反应介质的不均匀分布。例如，双极板可以构型为，使得局部地产生特别低或特别高的温度或特别低或特别高的反应气体浓度。
14.为了在燃料电池的活性场中调整反应条件，所提出的双极板包括流体通道，例如冷却介质和/或反应气体流经所述流体通道并且可以相应地被引导到燃料电池的活性场上或从活性场导出。
15.所提出的双极板的流体通道在其横截面上区域地变细或减小，以便调整流经双极板的流体的体积流。例如，流体通道可以具有区域地减小的横截面，使得与没有减小横截面的构型相比，流经流体通道的流体流减少，并且由此引起地，流经双极板的另外的流体通道的流体流，尤其冷却介质的流体流增强。
16.可以进一步设置，布置在双极板边缘的各流体通道比在双极板中心的流体通道具有更窄的横截面。
17.通过在双极板的各边缘处变窄的流体通道，即双极板的尤其相应最外侧的流体通道的变窄，流向的介质更多地被引导到边缘之间，即在双极板的中心的相应未变窄的流体通道中。相应地，在各边缘处变窄的流体通道引起在双极板中心的较强的冷却介质流。
18.通过在双极板的中心比在各边缘处更强的冷却介质流可以使在活性场中的温度分布特别有效地均匀化，该温度分布在活性场的中心特别高并且在各边缘处比在中心更低。
19.通过区域地减小所提出的双极板的流体通道的横截面，可以在强度和位置方面调整流经流体通道的体积流。例如，布置在边缘处的各流体通道可以比在双极板中心的流体通道具有更窄的横截面，使得更强的体积流在双极板的中心流动，并且相应地，更多流体被引导到各活性场的中心，而不是其边缘。替代地，具有较窄横截面的流体通道也可以用于使流体流在活性场上均匀化或者说均质化。尤其可以通过变窄或减小的横截面纠正或补偿在
双极板的流动特性中由设计引起的不均匀性。
20.通过优化地分布或优化地调整流经所提及的双极板的体积流，可以补偿燃料电池中的不均匀的反应条件，例如在活性场中心的局部特别强的加热，从而使反应条件均匀化。
21.替代地，局部不同的反应条件可以选择性地被增强或减弱，以便例如沿着燃料电池的活性场产生湿度梯度，其方式是，将减少或逐渐增大的冷却介质的体积流局部地引导到活性场中或引导通过活性场。
22.可以设置，至少一个流体通道在至少一个第二区域中通过凹陷和/或通过材料堆积朝至少一个流体通道的流动区域的方向变窄。
23.通过凹陷或堆积材料可以有针对性地产生通流几何形状，所述通流几何形状引起预给定的流体的体积流。可以在流体通道的根据本发明设置的第二区域内的任何位置处设置凹陷或材料堆积。在此，凹陷或材料堆积可以以点状、线状、波纹状或任何其他技术上合适的形式设置。
24.根据本发明设置的第二区域可以包括单个或多个凹陷或材料堆积，这些凹陷或材料堆积可以相同或不同强烈地呈现。
25.为了避免在例如共用一个侧面的相邻布置的不同流体通道之间的相互作用，也可以通过在流体通道上布置材料来减小流体通道的横截面。相应地，材料堆积引起相应流体通道的横截面减小，而与其他流体通道的横截面无关。
26.可以进一步设置，至少一个流体通道包括一个顶部区域、一个底部区域以及在至少一个流体通道的相应侧上连接顶部区域和底部区域的两个侧面，并且至少一个侧面和/或顶部区域和/或底部区域在至少一个第二区域中相对于第一区域朝至少一个流体通道的流动区域的方向变窄。
27.所提出的双极板的流体通道可以下沉或者说压入，以便实现根据本发明设置的减少其横截面的目的。这可以在压制工具中设置或例如可以使用压力机或冲头，用于使均匀一致的流体通道变形。替代地，区域地下沉的流体通道可以直接制造，例如在铸造方法中借助相应的模具制造或在增材制造方法中制造，例如打印。
28.可以进一步设置，至少一个流体通道包括用于引导冷却介质的冷却介质通道、用于引导氢气的氢气通道和/或用于引导空气的空气通道。
29.根据本发明设置的横截面变窄可以用于调整流经双极板的所有流体。
30.可以进一步设置，双极板包括多个流体通道，而多个流体通道中的至少一部分的相应流体通道在至少一个第二区域中具有相对彼此不同的横截面。
31.通过具有不同横截面的多个流体通道可以产生流体流的分布模式，使得补偿例如由结构形式引起的不均匀的分布模式或产生特别不均匀的分布模式。
32.尤其可以借助数学模型求取各流体通道的横截面的相应减小位态，从而得出流体流的最好地适用于在燃料电池中产生最优反应条件的分布模式。
33.可以进一步设置，双极板包括多个流体通道，并且流体通道的至少一部分的相应第二区域在其沿着双极板的位置中不同。
34.通过相应的变窄部或者说相应的第二区域的不同定位，可以实现流体流的分布模式在时间上的控制。相应地，例如可以通过首先被供给流供给的流体通道来补偿特别强的影响。
35.可以进一步设置，双极板包括多个流体通道，并且多个流体通道中的相应第二区域成形为，使得从各流体通道中流出的流体的体积流彼此最多相差一个预给定的差异。
36.通过不同体积流的最小差异，可以实现体积流的特别均匀的分布模式，使得实现流向燃料电池的特别均匀的功率发挥。为此，例如相应的流体通道可以在一个迭代方法中如此长时间地或者逐步地变窄，直至通过该流体通道流出的体积流位于一个预给定的差异内。
37.所提出的双极板可以由板材制成，例如钢板、石墨、塑料或任何其他技术上合适的材料。
38.在第二方面中，本发明涉及一种用于制造双极板的方法。该方法包括一个提供步骤，在该提供步骤中提供具有至少一个在入口和出口之间延伸的流体通道的双极板，以及包括一个加工步骤，在该加工步骤中至少一个流体通道的横截面区域地变窄，以便调整从出口流出的流体的体积流。
39.所提出的方法尤其用于制造所提出的双极板。
40.在提供步骤中，双极板可以由原材料，例如板材成形。为此，例如可以使用压力机或冲头，用于提供双极板的坯件，该坯件在随后的加工步骤中通过使相应的流体通道变窄来加工。
41.尤其，提供步骤可包括压制方法，例如空心压制。
42.替代地，提供步骤和加工步骤可以在一个整体方法中同时进行。为此，例如可以使用增材方法，例如3d打印、注射压制方法或注塑成型方法，用于在提供双极板时使流体通道直接变窄。为此，双极板可以由可成形的材料，例如石墨提供。
43.可以设置，在加工步骤中，用于引导不同流体的不同流体通道相互协调地被加工，以便调整预给定的流动分布模式。
44.在提供步骤中，两个半壳可以组合成一个双极板。
45.通过相互协调地加工多个流体通道，可以在双极板上调整预给定的分布模式。在此，由单个流体通道的变窄引起地，在其他流体通道上较强的体积流通过其他流体通道的变窄分布到所有流体通道上，使得出现一个预给定的分布模式。尤其，各流体通道可以如此变窄，使得从各流体通道流出的体积流是相同的或最多相差一个预给定的差异。
46.可以进一步设置，在加工步骤中，用于引导不同流体的不同流体通道借助材料堆积变窄，以便彼此独立地调整通过各流体通道的流体流。
47.为了使由通过加工或变窄的流体通道引起的体积流与其他流体通道的体积流的相互作用最小化，代替通过弯曲或挤压使流体通道变形，可以在流体通道的面向流动区域的一侧或者说内侧上施加材料堆积，使得流体通道的外侧保持不变，例如光滑或平坦并且例如可以用作另一流动通道的内侧。
48.在第三方面中，本发明涉及具有所提出的双极板的至少一个可能构型的燃料电池系统。
49.可以设置，各双极板在其流体通道几何形状上不同，以便调整通过整个燃料电池系统的体积流。
50.通过使用多个双极板，该双极板包括相互协调地成形的流体通道，可以精确地预给定通过整个燃料电池系统的流体流，使得例如由结构形式引起地，燃料电池系统的承受
小热负荷的区域比承受强热负荷的区域被冷却介质流的较小体积流流过。为此，例如可以仅调整双极板的流过或者说供给各承受小热负荷的区域的流体通道。类似地，对各双极板的流体通道的调整当然也可以用于调整反应气体，例如氢气和氧气或空气的供给，使得仅调整这种对需要少量反应气体的区域供给反应气体的流体通道。尤其，通过在第一区域或第一双极板中相应的流体通道的调整或变窄，可以实现对第二区域或第二双极板的改善的供给。相应地，各调整或变窄的流体通道不但可以减少地，而且可以增强地作用到由引导通过燃料电池系统的流体相应地提供的体积流上。
51.本发明所基于的使流体通道变窄的原理也可以有意义地应用于电解装置或液流电池。
附图说明
52.图1示出根据本发明的双极板的可能的构型，
53.图2示出根据本发明的双极板的另一可能的构型，
54.图3示出根据本发明的方法的可能的构型，
55.图4示出根据本发明的燃料电池系统的可能的构型，
56.图5示出根据本发明的双极板的另一可能的构型。
具体实施方式
57.在图1中示出双极板100。双极板100包括第一流体通道101、第二流体通道103和第三流体通道105，用于引导流体，例如冷却介质。
58.为了实现燃料电池的活性场被流体均匀流过，第二流体通道103包括第一区域107和第二区域109。第二区域109在其横截面上相对于第一区域107变窄。为此，流体通道103的顶部区域在第二区域109中变窄或者说被压入。
59.由于第二流体通道103变窄，与流经第一流体通道101和第三流体通道105的体积流相比，流经第二流体通道103的体积流减少。相应地，第二流体通道103的例如由压缩机引起的过度供给以流体可以通过在第二区域109中的变窄来补偿，使得从第一流体通道101、第二流体通道103和第三流体通道105流出的各体积流最多相差一个预给定的差异。
60.由于从第一流体通道101、第二流体通道103和第三流体通道105流出的经平衡的体积流，双极板100使燃料电池的活性场被流体特别均匀地流过，使得避免了燃料电池的局部温度峰值和/或功率峰值以及相应的负载。
61.替代地，第二流体通道103的第二区域109中的变窄可以用于增强流过第一流体通道101、第二流体通道103和第三流体通道105的各体积流中的差异。例如，对于位于各边缘处的流体通道，即第一流体通道101和第三流体通道105特别强地被流体流过的情况，第二区域109中的变窄可以导致第一流体通道101和第三流体通道105还更强地被流体流过，并且在燃料电池的活性区域中通过第一流体通道101和第三流体通道105供给以流体的各区域特别强地被供给以流体，以便例如补偿在燃料电池的这些区域中的特别高的热负荷。
62.图2示出一个双极板200。双极板200包括第一流体通道201、第二流体通道203、第三流体通道205、第四流体通道207和第五流体通道209。
63.第一流体通道201、第二流体通道203和第三流体通道205配置为用于引导第一流
体，例如冷却介质，而第四流体通道207和第五流体通道209配置为用于引导其他流体，例如氢气和空气。
64.在这里，第四流体通道207包括第一区域211和第二区域213。第二区域213由于变窄部215而在其横截面上相对于第一区域211的横截面减小。
65.变窄部215可以通过第一流体通道201的侧面的变形而产生，其中，由此产生的第一流体通道201在体积上的增大对流经第一流体通道201的流体的体积流影响很小或者说没有显著影响。
66.为了排除变窄部215对流经第一流体通道201的体积流的影响，变窄部可以可选地由在第一流体通道201的侧面或第四流体通道207的侧面上的材料堆积形成，使得第一流体通道201的体积与例如没有布置变窄部的第三流体通道205的体积相比没有变化。
67.图3示出一种用于制造双极板的方法300。该方法300包括提供步骤301，在该步骤中提供具有至少一个在入口和出口之间延伸的流体通道的双极板；以及包括加工步骤303，在该步骤中，至少一个流体通道的横截面区域地变窄，以便调整从出口流出的流体的体积流。
68.图4示出一个燃料电池系统400。燃料电池系统400包括具有多个双极板403至409的燃料电池堆叠401，所述双极板分别包括多个流体通道，这些通道具有至少部分区域地变窄的横截面。在此，各双极板403至409的变窄的横截面如此相互协调，使得出现流过燃料电池系统400的流体的预给定的分布模式。
69.尤其，第一双极板403可以具有特别多的带有变窄部的流体通道，而第二双极板405可以具有特别少的带有变窄部的流体通道，使得燃料电池系统400的流经第一双极板403的区域被特别少的流体流过，而燃料电池系统400的流经第二双极板405的区域被特别多的流体流过。以这种方式，尤其可以缓解或消除在由具有相同通道几何形状的燃料电池组成的燃料电池堆叠中产生介质不均匀分布的问题。
70.在图5中示出具有流体通道501的双极板500。所述流体通道在第二区域503中在其侧面505处被压入。相应地，通过第一区域507流到第二区域503中的体积流由于在第二区域503中相对于第一区域507减小的横截面而被节流或者说减少。
71.第二区域503由于其减小的横截面而引起离开流体通道501的体积流与离开双极板500的其他体积流的适配，使得在燃料电池系统的通过双极板500流向的活性场上产生体积流的均匀的分布模式，通过节流，即减少流体通道501在第二区域503中的横截面实现流经流体通道501的体积流独立于流经双极板500的其他体积流的调整。相应地，例如可以补偿流体通道501的制造公差。此外，可以实现流向活性场的体积流的特别均匀的分布模式。
72.流向活性场的体积流的均匀的分布模式借助双极板500实现活性场的特别均匀的负载，并且由此引起地，使燃料电池系统的使用寿命最大化。