CN105027340B - 用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法 - Google Patents

用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105027340B
CN105027340B CN201480012596.5A CN201480012596A CN105027340B CN 105027340 B CN105027340 B CN 105027340B CN 201480012596 A CN201480012596 A CN 201480012596A CN 105027340 B CN105027340 B CN 105027340B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
oxidant
connecting sewing
sealing element
bipolar plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480012596.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105027340A (zh
Inventor
C.齐利希
M.里克特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of CN105027340A publication Critical patent/CN105027340A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105027340B publication Critical patent/CN105027340B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(60)的双极性板(10)，其中，双极性板(10)具有燃料侧(14)、氧化剂侧(16)、两个单板(12)以及布置在所述单板(12)之间的冷却剂空腔，单板(12)中的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件(30、32、34、36)并且单板(12)借助至少一个连接缝(40、42、44)相连。所述双极性板的特征在于，所述至少一个连接缝(40、42、44)不与所述至少一个密封件(30、32、34、36)相交和/或重叠。本发明还涉及一种包括至少一个双极性板(10)的燃料电池(60)以及一种用于制造双极性板(10)的方法。

Description

用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板 的方法
本发明涉及一种用于燃料电池的双极性板，其中所述双极性板具有燃料侧、氧化剂侧、两个单板、和布置在所述单板之间的冷却剂空腔，所述单板中的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件并且所述单板是借助于至少一个连接缝相连接的。本发明还涉及一种包括至少一个双极性板的燃料电池以及一种用于制造所述双极性板的方法。
料电池使用燃料与氧气化学转化为水从而产生电能。为此，燃料电池包括作为核心部件的、所谓的膜电极单元(MEA)(离子传导膜、尤其是质子传导膜的构造物)以及在各自情况下布置在所述膜的任一侧上的电极(阳极和阴极)。另外，可以将气体扩散层(GDL)布置在所述膜电极单元的任一侧上、在所述电极的被定向成背离所述膜的所述侧上。总体上，燃料电池是由多个堆叠的MEA组成，其电功率相累加。当燃料电池处于工作中时，燃料(尤其为氢气H2或者含氢的气体混合物)被供应至阳极，在这里伴随着电子的失去发生H2到H+的电化学氧化。电解质或膜(提供多个反应区相对于彼此的不漏气体的分离以及电绝缘)将质子H+(以水合或无水的方式)从阳极区传输至阴极区。在阳极处提供的电子经由电气线路传导至阴极。阴极被供以氧气或含氧的气体混合物，使得伴随着电子的增加发生了O2到O2-的还原。与此同时，所述氧阴离子在阴极区与被传输透过所述膜的质子发生反应从而形成水。通过化学能直接转化为电能，燃料电池通过规避卡诺因素而与其它发电机相比实现了更好的效率。
目前最先进的燃料电池技术是基于聚合物电解质膜(PEM)，其中所述膜本身是由聚合物电解质组成。在此背景下，通常使用酸改性的聚合物、尤其是全氟化的聚合物。这类聚合物电解质的最广泛代表是由磺化聚四氟乙烯共聚物制成的膜(商品名：Nafion；四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的一种磺酰基氟化物衍生物的共聚物)。在此背景下，经由水合质子发生电解导电，为此原因，水的存在是质子导电性的一个条件，并且当PEM燃料电池处于工作中时，需要润湿所述工作气体。考虑到需要水，将标准压力下所述燃料电池的最大操作温度局限在低于100℃。高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM燃料电池)的电解电导率是基于一种电解质，所述电解质通过静电络合物形成而被结合到聚合物电解质膜(例如，掺杂有磷酸的聚苯并咪唑(PBI)膜)的聚合物骨架上并且在160℃的温度下工作，与高温聚合物电解质膜燃料电池相比，这种燃料电池类型也称为低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEM燃料电池)。
所述燃料电池由多个堆叠的独立电池组成，这样使得所述燃料电池还能称为燃料电池堆。在所述膜电极单元之间布置了多个双极性板，所述双极性板确保了所述独立电池被供以工作介质(即，反应物)和冷却液体。此外，所述双极性板确保与所述膜电极单元的导电性接触。
在所述膜电极单元与所述双极性板之间布置了多个密封件，所述密封件将阳极区和阴极区相对于外部进行密封并且防止所述工作介质从所述燃料电池中漏出。
可以将所述密封件提供在所述膜电极单元或所述双极性板的侧面上并且尤其可以连接至所述部件上。此外，所述密封件还可以采用插入式密封件的形式，而无需固定在所述双极性板或膜电极单元上。
燃料电池的金属双极性板通常由两个通过焊接而彼此相连的单板(半部)组成。DE102011009805 A1和DE 102011117095 A1描述了以下双极性板：聚合物密封件施加至其上并且其单板通过缝焊接而彼此相连。
目前，首先将所述单板进行焊接并且仅在之后对其提供密封件，因为透过所述密封件进行焊接是不可能的。然而，如果在将密封件施加到双极性板上时有必要使用压力，例如像在注塑模制时，则在所述双极性板的所述半部通过空隙彼此分离的区域中存在损坏所述双极性板的风险。如果使用无压力的方法(例如粘接剂粘合)，则所述密封的可靠工艺处理是非常繁重的。在施加密封件时减小压力是旨在防止所述双极性板过载。由于例如在注塑模制的情况下需要某些最小压力，所以考虑到用于施加所述密封件的密封材料的黏性，减小注射压力大大地减少了可以使用的密封材料的选择。
另一方面，所述密封件还可以施加至燃料电池的膜上。在此背景下，所述膜的热强度和机械强度限制了所述密封件的制造工艺，这导致工艺时间长且废品率高。为了不损坏所述膜，相应地选择适中的工作参数。这一方面限制了可以使用的密封材料的数量并且另一方面导致工艺时间长。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种双极性板以及一种用于制造所述双极性板的方法，借此可以降低废品成本和用于制造燃料电池所需要的时间。
所述技术问题按本发明通过一种用于燃料电池的双极性板解决，其中所述双极性板具有燃料侧、氧化剂侧、两个单板以及布置在所述单板之间的冷却剂空腔，所述单板的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件并且所述单板是借助于至少一个连接缝相连接的。本发明的特征在于，所述至少一个连接缝不与所述至少一个密封件交叉和/或重叠。
所述双极性板的燃料侧和氧化剂侧是当所述双极性板在燃料电池内工作时与氧气或燃料接触的侧面。尤其将氢气H2用作燃料以及将氧气O2用作氧化剂，其尤其通过输入空气而提供给燃料电池。
在此，所述外部面表示相应单板的背离冷却剂空腔的一侧(平坦侧)。所述至少一个密封件连接至所述双极性板上，其方式为将所述密封件施加到、尤其注塑到所述双极性板上。在工作中，所述密封件尤其环绕地密封双极性板与燃料电池的膜之间的过渡区(空隙)。在本发明的背景下，术语“密封件”应理解为(尤其环绕地)界定双极性板上的区域的密封件。而连接缝尤其环绕地密封双极性板的所述单板之间的空隙。
所述至少一个连接缝与所述至少一个密封件不相交或交叉、重叠和/或接触是指，它们在与双极性板的主面垂直的俯视图中尤其在它们的整个长度上是彼此间隔开的，其中尤其这种间隔在极限处可以基本上等于零。在此，尤其没有连接缝与密封件重叠和/或相交。特别地，尤其没有连接缝与环绕的周向密封件重叠和/或相交。换言之，至少在燃料电池内具有密封功能的所述区域中，密封件没有被连接缝重叠和/或相交。
优选地，单板是板材和/或连接缝是焊缝。通过使用由(金属)板材制成的、通过焊缝相连接的单板，能够以有成本效益的方式制造双极性板。
本发明使得能够首先将燃料电池所需的密封件安装到双极性板上，即，将所述密封件安装至所述双极性板的单板(半部)上并且接着将所述单板相连接(尤其焊接)。这确保了，密封件在其上延伸的区域可以是机械稳定化的，以便防止所述单板在施加(例如通过注塑方法)所述密封件时变形。双极性板的制造(其中首先将所述密封件施加至所述半部上并且接着才焊接所述半部)仅通过以下方式实现，即，所述密封件和焊缝走向没有彼此相交或者甚至上下叠置，因为如果这样，则不再能焊接所述半部。因此这实现了密封件和双极性板的更灵活且更快速的制造。用于密封件的制造工艺不再需要受膜的较低强度或者双极性板的已经焊接在一起的区域的较低压力稳定性所影响，其中所述区域在所述单板之间具有缝隙。密封件和焊缝走向的这种布置不是从现有技术中已知的。因此，迄今一直在试图避开所述问题。
根据本发明的优选设计方案规定，所述双极性板具有穿过所述双极性板的至少一个燃料开口，其中所述至少一个密封件包括至少布置在所述氧化剂侧上的至少一个燃料密封件，所述至少一个连接缝包括至少一个燃料连接缝，并且所述至少一个燃料开口是被所述至少一个燃料密封件和所述至少一个燃料连接缝环绕地包围的。优选地，所述双极性板包括至少两个燃料开口，这两个燃料开口尤其分别被至少一个燃料密封件和燃料连接缝环绕地包围。
根据本发明的另外一个优选设计方案规定，所述双极性板具有穿过所述双极性板的至少一个氧化剂开口，其中所述至少一个密封件包括至少布置在所述燃料侧上的至少一个氧化剂密封件，所述至少一个连接缝包括至少一个氧化剂连接缝，并且所述至少一个氧化剂开口是被所述至少一个氧化剂密封件和所述至少一个氧化剂连接缝环绕地包围的。优选地，所述双极性板包括至少两个氧化剂开口，这两个氧化剂开口尤其分别被至少一个氧化剂密封件和氧化剂连接缝环绕地包围。
所述燃料开口和氧化剂开口用于通过燃料电池内的双极性板供送燃料和氧化剂，即反应物。氧化剂侧上的燃料密封件确保了燃料不进入氧化剂侧上的氧化剂区中或者进入环境中。以类似的方式，燃料侧上的氧化剂密封件确保了氧化剂不进入燃料侧上的燃料区中或者进入环境中。所述燃料连接缝和氧化剂连接缝用于将冷却剂空腔相对于燃料开口和氧化剂开口进行密封。
根据本发明的另外一个优选设计方案规定，所述双极性板具有至少一个冷却剂开口，所述至少一个冷却剂开口穿过所述双极性板并且流体性地连接至所述冷却剂空腔，其中所述至少一个密封件包括布置在所述双极性板两侧上的多个冷却剂密封件，所述多个冷却剂密封件环绕地包围所述至少一个冷却剂开口。优选地，所述双极性板包括至少两个冷却剂开口，这两个冷却剂开口尤其分别在所述双极性板的两侧上被冷却剂密封件环绕地包围。所述冷却剂开口用于通过燃料电池内的双极性板供送冷却剂。所述冷却剂密封件确保了冷却剂不进入燃料区或氧化剂区或者环境中。
所述燃料连接缝和氧化剂连接缝围绕相应的开口将所述单板之间的区域环绕地密封。在工作中，燃料密封件、氧化剂密封件和冷却剂密封件环绕地密封双极性板与燃料电池的邻接的膜之间的区域。
优选规定，所述至少一个密封件包括至少一个燃料密封件，所述至少一个燃料密封件在所述燃料侧上环绕地包围所述至少一个燃料开口。进一步优选地，所述至少一个燃料密封件布置在所述至少一个燃料连接缝与所述至少一个燃料开口之间，并且在所述燃料密封件与所述燃料连接缝之间布置有至少一个穿过燃料侧上的单板的切口。尤其在燃料侧上，至少两个燃料开口分别被燃料密封件包围。
根据本发明的另外一个优选设计方案规定，所述至少一个密封件包括至少一个氧化剂密封件，所述至少一个氧化剂密封件在所述氧化剂侧上环绕地包围所述至少一个氧化剂开口。进一步优选地，所述至少一个氧化剂密封件布置在所述至少一个氧化剂连接缝与所述至少一个氧化剂开口之间，并且在所述氧化剂密封件与所述氧化剂连接缝之间布置有至少一个穿过氧化剂侧上的单板的切口。尤其在氧化剂侧上，至少两个氧化剂开口分别被氧化剂密封件包围。
在工作中，燃料侧上的所述燃料密封件和氧化剂侧上的所述氧化剂密封件将双极性板与燃料电池的邻接膜之间的区环绕地密封。因此能够对燃料区和/或氧化剂区中的燃料和/或氧化剂进行更准确的计量。所述燃料连接缝和氧化剂连接缝内的燃料密封件和/或氧化剂密封件与切口相结合的优选布置的效果在于，可以通过切口的横截面积影响对所述燃料区和氧化剂区的加载。燃料和氧化剂彼此分开地从相应的开口出发在所述单板之间流动，接着穿过所述切口并且因此进入相应的燃料区或氧化剂区。这优选地分别适用于至少两个燃料开口和/或氧化剂开口。
优选规定，所述至少一个连接缝包括冷却剂连接缝，所述冷却剂连接缝环绕地包围所述冷却剂空腔和尤其是所述至少一个冷却剂开口的冷却剂密封件。所述冷却剂连接缝在所述单板之间界定所述冷却剂空腔并且将其环绕地密封。所述冷却剂密封件并且因此所述冷却剂开口布置在所述冷却剂连接缝内，以便确保经由所述冷却剂开口向所述冷却剂空腔供应冷却剂。
优选规定，所述至少一个密封件包括一个燃料区密封件，所述燃料区密封件在所述燃料侧上环绕地包围燃料区和尤其是所述至少一个燃料连接缝。
进一步优选规定，所述至少一个密封件包括氧化剂区密封件，所述氧化剂区密封件在所述氧化剂侧上环绕地包围氧化剂区和尤其是所述至少一个氧化剂连接缝。
所述区密封件将所述单板上的相应的燃料区或氧化剂区环绕地密封。所述燃料区密封件和/或氧化剂区密封件确保了燃料区和/或氧化剂区是相对于彼此、相对于冷却剂和/或相对于环境分隔开的。
所述燃料区和/或氧化剂区可以具有多个管道，所述管道向外开放并且燃料和/或氧化剂经由所述管道分布在相应的区中。
所述区密封件相对于冷却剂连接缝的布置原则上可以按照如下方式进行(在所述双极性板的对置侧上延伸的区密封件不与连接缝相交)：
-两个区密封件被所述冷却剂连接缝包围；
-两个区密封件包围所述冷却剂连接缝；或者
-所述区密封件之一被所述冷却剂连接缝包围，而另一个区密封件包围所述冷却剂连接缝，其中这种布置不具有上述布置的对称性。
优选地，多个连接缝彼此呈一件式地一体或集成地设计。这在所述连接缝之间没有密封件延伸的情况下是可以实现的。同样，在所述双极性板的同一侧上的多个密封件优选彼此呈一件式地一体或集成地设计。这在所述密封件之间没有连接缝延伸的情况下是可以实现的。所述所述设计方案能够更紧凑地布置所述连接缝和/或密封件。
优选地，所述冷却剂连接缝环绕地包围所述区密封件中的至少一个。所述冷却剂连接缝尤其包围所有其它的连接缝和密封件。由此实现了所述密封件的布置的更大灵活性。
优选地，至少一个冷却剂开口的所述冷却剂密封件布置在所述至少一个被环绕包围的区密封件之外。因此不存在燃料和/或氧化剂经由这个冷却剂开口进入冷却剂中的风险，因为燃料和/或氧化剂可以逸出至环境中。尤其是(所有的)冷却剂密封件都布置在所述被环绕包围的区密封件之外。
优选地，所述燃料连接缝布置在所述氧化剂区密封件内。优选地，所述氧化剂连接缝布置在所述燃料区密封件内。这导致了由所述区密封件所包围的面积增大。
备选地，所述区密封件中的至少一个可以环绕地包围所述冷却剂连接缝。
根据本发明的一个优选设计方案规定，所述区密封件中的至少一个环绕地包围所述冷却剂连接缝，并且所述冷却剂连接缝与所述燃料连接缝中的至少一个和/或与所述氧化剂连接缝中的至少一个一体地设计为组合连接缝。尤其是(所有的)燃料连接缝和氧化剂连接缝都与所述冷却剂连接缝一体地设计。由此实现了所述连接缝的极为紧凑的布置。
优选地，在燃料区和氧化剂区的对置侧上，分别布置了至少一个燃料单元、氧化剂单元和冷却剂单元。尤其是所述冷却剂单元布置在所述燃料单元与所述氧化剂单元之间。
根据本发明的双极性板优选地还可以用于电解器。
另外，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括至少一个双极性板和至少两个膜电极单元，其中，所述双极性板布置在所述膜电极单元之间。优选地，所述燃料电池包括多个交替堆叠的双极性板和膜电极单元。根据本发明的燃料电池还可以称为燃料电池堆并且其具体特征为，由于其改善的可制造性而降低了成本。所述至少一个密封件密封了所述双极性板与所述膜之间的过渡区。这样的燃料电池可以优选地用在机动车辆中以提供驱动电能。
另外提供了一种用于制造根据本发明的双极性板的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-在单板上制造密封件；
-在单板之间制造连接缝。
优选地，所述密封件是在所述单板上通过注塑方法制造的。为此优选地，在注塑模具内将原始材料注塑到单板上。在这种情况下，密封件的制造通常包括将密封件的原始材料硬化的步骤。
在另外一种优选情况下，通过丝网印刷法在所述单板上制造所述密封件。所述丝网印刷法同样是用于制造密封件的惯用方法。
优选地，借助焊接方法、尤其借助激光焊接方法来制造所述连接缝。在此，激光束入射到所述双极性板的一侧上，由此将被激光束照射的单板与位于其后方的第二单板焊接。
优选规定，所述密封件的制造在时间上在制造连接缝之前进行。因此在密封件制造过程中，所述单板能够被工具(例如注塑模具)最佳地支撑在所述单板的背离密封件的那侧上。由此防止所述双极性板变形并且降低了废品成本。此外，例如在注塑过程中可以通过这种支撑以更高的压力工作，这减少了密封件的制造时间并且还实现了密封材料的更多选择。
以下根据附图在实施例中更详细地阐述本发明。在附图中：
图1示出了具有包围所述区密封件的冷却剂连接缝的双极性板；
图2示出了具有由所述区密封件包围的冷却剂连接缝的双极性板，并且
图3示出燃料电池的示意图。
如图1和图2所示的双极性板10尤其在密封件方面可以相对于在双极性板10的两个单板12之间延伸的对称平面基本上对称地设计。因此，密封件在双极性板10的两侧14、16(主面)上的法向投影基本上具有相等的面积。所述密封件(或其走向)示意性地表示为虚线并且所述连接缝(或其走向)示意性地表示为点划线。
图1示出了示意性表示的双极性板10的平坦侧之一的俯视图，其中，视线是朝向双极性板10的燃料侧14定向的。双极性板10的氧化剂侧16是双极性板10的与燃料侧14对置的平坦侧。
双极性板10具有环绕地包围燃料区密封件36和氧化剂区密封件38的冷却剂连接缝44(参见图3)。冷却剂连接缝44代表双极性板10内的、在两个单板12之间的冷却剂空腔的外部界限。由于冷却剂连接缝44相对于环境密封，因此它还可以被称为外焊缝。以与此类似的方式，可以将区密封件36、38称为外密封件。
冷却剂连接缝44还包围了多个冷却剂开口24和多个冷却剂密封件34。所述冷却剂密封件34也相对于环境密封并且因此还可以称为外密封件。所述冷却剂开口24在两个单板12之间流体性地连接至冷却剂空腔。冷却剂密封件34环绕地包围了冷却剂开口24并且布置在冷却剂连接缝44与区密封件36、38之间。因此，冷却剂密封件34布置在区密封件36、38之外，这使得燃料或氧化剂不能经由冷却剂密封件34进入冷却回路中。
燃料区密封件36包围燃料区50，而在双极性板10的对置平坦侧上，氧化剂区密封件38包围氧化剂区(未示出)。所述燃料区50和所述氧化剂区在燃料电池堆内对应于化学活性区。
此外，区密封件36、38包围燃料连接缝40，所述燃料连接缝各自环绕地包围燃料密封件30。所述燃料密封件30又各自包围燃料开口20。另外，所述区密封件36、38包围了多个氧化剂连接缝42，所述氧化剂连接缝各自环绕地包围氧化剂密封件32。所述氧化剂密封件32又各自包围氧化剂开口22。所述燃料密封件30和氧化剂密封件32可以称为内密封件，因为它们将多种独立的工作介质相对于彼此密封。同样，燃料连接缝40和氧化剂连接缝42可以称为内连接缝，因为它们也将所述独立的工作介质相对于彼此密封。
在所述实施例中，燃料密封件30和氧化剂密封件32在燃料连接缝40和氧化剂连接缝42内延伸。所述燃料单元还在所示的燃料侧14上包括处于燃料密封件30与燃料连接缝40之间的多个切口21。所述切口21穿过朝向燃料侧14的单板12并且因此在所述燃料开口20与燃料区50之间建立流体连接。在氧化剂侧16(未示出)上，在氧化剂密封件32与氧化剂连接缝40之间也存在这样的切口21。在此，所述切口21穿过朝向氧化剂侧16的单板12并且因此在所述氧化剂开口22与所述氧化剂区(未示出)之间建立流体连接。
图2示出了本发明的另外一个优选设计方案。与图1相比，燃料区密封件36和氧化剂区密封件38(参见图3)环绕地包围冷却剂连接缝44。这样的结果是，冷却剂连接缝44、燃料连接缝40和氧化剂连接缝42彼此相邻地布置，而没有区密封件32之一在其间延伸。因此，连接缝40、42、44能够如所描述的那样一体地设计为组合连接缝46。因此组合连接缝46一方面可以称为外连接缝并且另一方面也可以称为内连接缝。由于根据这个实施例，冷却剂连接缝44在燃料区密封件36和氧化剂区密封件38内延伸，因此冷却剂密封件34也不能再布置在所述区密封件36之外。
图1和图2的密封件30、32、34、36与单板12连接。在燃料电池60(参见图3)内，密封件30、32、34、36密封双极性板10与邻接的膜电极单元62之间的空隙。连接缝40、42、44中的每一个将这两个单板12彼此相连并且环绕地密封所述单板12之间的空隙。
如图1和图2所示，通过密封件30、32、34、36和连接缝40、42、44的上述布置产生这样的双极性板10，所述双极性板的连接缝40、42、44与密封件30、32、34、36既不相交也不重叠，这就双极性板10的制造而言带来了显著优点。
图3以示意图示出包括多个膜电极单元62的燃料电池60。所述膜电极单元62与根据本发明的如图2所示的双极性板10交替地堆叠从而得到燃料电池60(即得到一个燃料电池堆)。
所述双极性板10经由多个气体扩散层向膜电极单元62提供反应物，即燃料(例如氢气)和氧化剂(例如来自空气中的氧气)，为此可以在双极性板10中设置多个适合的通道。此外，所述双极性板10将两个邻接的膜电极单元62以导电的方式相连，这样使得它们串联地相连。
双极性板10的密封件30、32、34、36密封所述膜电极单元62之间、尤其是所述膜与所述双极性板10之间的空间，并且因此防止在工作过程中工作介质从燃料电池60中漏出。示意性表示的冷却剂连接缝44或者组合连接缝46防止了冷却剂从燃料电池60中漏出。
为了即使在振动情况(例如由于在机动车辆中使用)下也能确保密封件30、32、34、36的功能性以及双极性板10与膜电极单元62之间的导电接触，通常将所述燃料电池60压缩。这通常借助于两个布置在燃料电池60的两端处的端板66结合多个拉紧元件64实现。所述拉紧元件64将拉紧力传输至端板66中，由此使端板66压缩所述燃料电池60。
以下将参照一个优选设计方案来讨论用于制造如图1和图2所示的双极性板的方法：
首先，在之后应布置于双极性板10的燃料侧14上的单板12上制造燃料密封件30、氧化剂密封件32、冷却剂密封件34和燃料区密封件36。此外，在之后应布置于双极性板10的氧化剂侧16上的单板12上制造燃料密封件30、氧化剂密封件32、冷却剂密封件34和氧化剂区密封件38。在单板12上制造密封件30、32、34、36可以例如通过注塑方法来完成。为此，通常在注塑模具内将原始材料注塑到单板12上。在这种情况下，密封件30、32、34、36的制造通常包括将密封件30、32、34、36的原始材料硬化的步骤。
接着，将所述单板12相对于彼此定位成，使得所述单板12的与密封件30、32、34、36对置的侧面彼此贴靠。
在下一个步骤中，可以在这两个单板12之间制造连接缝40、42、44、46。所述连接缝40、42、44、46可以例如是通常可通过激光焊接方法制造的焊缝。因此尤其能够将由(金属)板材制成的单板12以简单且密封的方式相连。由于连接缝40、42、44、46与密封件30、32、34、36既不相交也不重叠(如图1和图2所示)，所以连接缝40、42、44、46可以与密封件30、32、34、36间隔开地制造。
因此，根据本发明的双极性板10和根据本发明的用于制造双极性板10的方法减少了废品和制造时间，由此可整体上减少燃料电池60的制造成本。
附图标记清单
10 双极性板
12 单板
14 燃料侧
16 氧化剂侧
20 燃料开口
21 切口
22 氧化剂开口
24 冷却剂开口
30 燃料密封件
32 氧化剂密封件
34 冷却剂密封件
36 燃料区密封件
38 氧化剂区密封件
40 燃料连接缝
42 氧化剂连接缝
44 冷却剂连接缝
46 组合连接缝
50 燃料区
60 燃料电池
62 膜电极单元
64 拉紧元件
66 端板

Claims (10)

1.一种用于燃料电池(60)的双极性板(10)，其中，所述双极性板(10)具有燃料侧(14)、氧化剂侧(16)、两个单板(12)以及布置在所述单板(12)之间的冷却剂空腔，所述单板(12)中的至少一个在其外部面上具有至少一个密封件(30、32、34、36)并且所述单板(12)借助至少一个连接缝(40、42、44)相连，其特征在于，没有是焊缝的连接缝(40、42、44)与环绕的密封件(30、32、34、36)相交，并且没有是焊缝的连接缝(40、42、44)与环绕的密封件(30、32、34、36)重叠，并且其中，连接缝(40、42、44)中的每一个将这两个单板(12)彼此相连并且环绕地密封所述单板(12)之间的空隙。
2.如权利要求1所述的双极性板(10)，其中，所述双极性板(10)具有：
-至少一个穿过所述双极性板(10)的燃料开口(20)，其中，所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括至少一个至少布置在所述氧化剂侧(16)上的燃料密封件(30)，所述至少一个连接缝(40、42、44)包括至少一个燃料连接缝(40)，并且所述至少一个燃料开口(20)被所述至少一个燃料密封件(30)和所述至少一个燃料连接缝(40)环绕地包围；和/或
-至少一个穿过所述双极性板(10)的氧化剂开口(22)，其中，所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括至少一个至少布置在所述燃料侧(14)上的氧化剂密封件(32)，所述至少一个连接缝(40、42、44)包括至少一个氧化剂连接缝(42)，并且所述至少一个氧化剂开口(22)被所述至少一个氧化剂密封件(32)和所述至少一个氧化剂连接缝(42)环绕地包围；和/或
-至少一个穿过所述双极性板(10)的冷却剂开口(24)，所述至少一个冷却剂开口在流体技术上与所述冷却剂空腔相连，其中，所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括布置在所述双极性板(10)的两侧上的冷却剂密封件(34)，所述冷却剂密封件环绕地包围所述至少一个冷却剂开口(24)。
3.如权利要求2所述的双极性板，其中，
-所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括至少一个燃料密封件(30)，所述至少一个燃料密封件在所述燃料侧(14)上环绕地包围所述至少一个燃料开口(20)，并且所述至少一个燃料密封件(30)布置在所述至少一个燃料连接缝(40)与所述至少一个燃料开口(20)之间，并且在所述燃料密封件(30)与所述燃料连接缝(40)之间布置有至少一个穿过所述燃料侧(14)上的单板(12)的切口(21)；
和/或
-所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括至少一个氧化剂密封件(32)，所述至少一个氧化剂密封件在所述氧化剂侧(16)上环绕地包围所述至少一个氧化剂开口(22)，并且所述氧化剂密封件(32)布置在所述至少一个氧化剂连接缝(42)与所述至少一个氧化剂开口(22)之间，并且在所述氧化剂密封件(32)与所述氧化剂连接缝(42)之间布置有至少一个穿过所述氧化剂侧(16)上的单板(12)的切口(21)。
4.如前述权利要求中任一项所述的双极性板，其中，
-所述至少一个连接缝(40、42、44)包括冷却剂连接缝(44)，所述冷却剂连接缝环绕地包围所述冷却剂空腔并且环绕地包围所述至少一个冷却剂开口(24)的冷却剂密封件(36)；
和/或
-所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括燃料区密封件(36)，所述燃料区密封件环绕地包围所述燃料侧(14)上的燃料区(50)并且环绕地包围所述至少一个燃料连接缝(40)；
和/或
-所述至少一个密封件(30、32、34、36)包括氧化剂区密封件(38)，所述氧化剂区密封件环绕地包围所述氧化剂侧(16)上的氧化剂区并且环绕地包围所述至少一个氧化剂连接缝(42)。
5.如权利要求4所述的双极性板，其中，所述冷却剂连接缝(44)环绕地包围所述区密封件(36、38)中的至少一个。
6.如权利要求5所述的双极性板，其中，至少一个冷却剂开口(24)的冷却剂密封件(34)布置在所述至少一个被环绕地包围的区密封件(36、38)之外。
7.如权利要求4所述的双极性板，其中，所述区密封件(36、38)中的至少一个环绕地包围所述冷却剂连接缝(44)，并且所述冷却剂连接缝(44)与所述燃料连接缝(40)中的至少一个和/或与所述氧化剂连接缝(42)中的至少一个一体地设计为组合连接缝(46)。
8.一种燃料电池(60)，包括至少一个如前述权利要求中任一项所述的双极性板(10)并且包括至少两个膜电极单元(62)，其中，所述双极性板(10)布置在所述膜电极单元(62)之间。
9.一种用于制造如权利要求1至7中任一项所述的双极性板的方法，所述方法包括以下步骤：
-在单板(12)上制造密封件(30、32、34、36)；
-在单板(12)之间制造连接缝(40、42、44)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述密封件(30、32、34、36)的制造在时间上在所述连接缝(40、42、44)的制造之前进行。
CN201480012596.5A 2013-03-13 2014-03-10 用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法 Active CN105027340B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013204308.2A DE102013204308A1 (de) 2013-03-13 2013-03-13 Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte
DE102013204308.2 2013-03-13
PCT/EP2014/054605 WO2014139964A1 (de) 2013-03-13 2014-03-10 Bipolarplatte für eine brennstoffzelle, brennstoffzelle und verfahren zur herstellung der bipolarplatte

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105027340A CN105027340A (zh) 2015-11-04
CN105027340B true CN105027340B (zh) 2018-07-03

Family

ID=50241415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480012596.5A Active CN105027340B (zh) 2013-03-13 2014-03-10 用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10056640B2 (zh)
EP (1) EP2973809B1 (zh)
JP (1) JP2016510164A (zh)
KR (1) KR20150131057A (zh)
CN (1) CN105027340B (zh)
DE (1) DE102013204308A1 (zh)
WO (1) WO2014139964A1 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016122584A1 (de) * 2016-11-23 2018-05-24 Audi Ag Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte und Bipolarplatte
CN106654294A (zh) * 2017-01-16 2017-05-10 中国东方电气集团有限公司 双极板、液流电池和液流电池电堆
DE102017115873A1 (de) 2017-07-14 2019-01-17 Elringklinger Ag Bipolarplatte für eine elektrochemische Vorrichtung
FR3074969A1 (fr) * 2017-12-13 2019-06-14 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme incluant une pile a combustible a membrane echangeuse de protons limitant les fuites de carburant
DE102018210170A1 (de) * 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Brennstoffzellenstapel
FR3102308B1 (fr) * 2019-10-18 2022-06-03 Air Liquide Plaque bipolaire de pile à combustible
DE102019135785A1 (de) * 2019-12-23 2021-06-24 Elringklinger Ag Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Bipolarplatte für eine elektrochemische Vorrichtung und Bipolarplatte für eine elektrochemische Vorrichtung
DE102020101530A1 (de) * 2020-01-23 2021-07-29 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Brennstoffzellenhalbplatte, Bipolarplatte und Brennstoffzelle
CN112073649B (zh) 2020-09-04 2022-12-13 北京字节跳动网络技术有限公司 多媒体数据的处理方法、生成方法及相关设备
CN113013436A (zh) * 2021-02-26 2021-06-22 东风汽车集团股份有限公司 可先密封再焊接的金属双极板结构及其装配方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10015360A1 (de) * 2000-03-28 2001-10-11 Dornier Gmbh Separatoreinheit für Elektrolysezellen und Brennstoffzellen
DE102005057044A1 (de) * 2005-11-30 2007-06-06 Daimlerchrysler Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit
CN101183723A (zh) * 2007-12-13 2008-05-21 上海交通大学 金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板
CN101573818A (zh) * 2006-12-11 2009-11-04 斯塔克塞拉有限公司 燃料电池堆和用于燃料电池堆的密封装置及其制造方法
CN102456896A (zh) * 2010-11-03 2012-05-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 强化燃料电池金属板周界

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2829207B2 (ja) * 1992-12-07 1998-11-25 株式会社東芝 積層式燃料電池
US6426159B1 (en) * 1999-08-27 2002-07-30 Plug Power Inc. Sealing method and apparatus for a fuel cell stack
US6852439B2 (en) * 2001-05-15 2005-02-08 Hydrogenics Corporation Apparatus for and method of forming seals in fuel cells and fuel cell stacks
WO2003036747A1 (en) * 2001-10-22 2003-05-01 Protonex Technology Corporation One-shot fabrication of membrane-based electrochemical cell stacks
DE10221951B4 (de) * 2002-05-13 2004-04-22 Reinz-Dichtungs-Gmbh & Co. Kg Bipolarplatte und Verfahren zu deren Herstellung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
US7009136B2 (en) * 2002-10-09 2006-03-07 General Motors Corporation Method of fabricating a bipolar plate assembly
CA2506592C (en) * 2002-11-18 2013-08-27 Protonex Technology Corporation Membrane electrode assembly with periphery gasket and sealing channels
US20070212587A1 (en) * 2005-04-01 2007-09-13 Nick Fragiadakis Apparatus for and method of forming seals in an electrochemical cell assembly
FR2887687B1 (fr) * 2005-06-28 2009-01-16 Peugeot Citroen Automobiles Sa Plaque bipolaire de pile a combustible a fonction etancheite integree et cellule de pile a combustible comportant de telles plaques
JP4830378B2 (ja) * 2005-07-13 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池及び燃料電池製造方法
JP2007073427A (ja) * 2005-09-08 2007-03-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法
DE102005057045B4 (de) * 2005-11-30 2015-06-03 Daimler Ag Bipolarplatte und deren Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit
US7879507B2 (en) * 2006-04-10 2011-02-01 Protonex Technology Corporation Insert-molded, externally manifolded, one-shot sealed membrane based electrochemical cell stacks
US8580457B2 (en) * 2007-06-28 2013-11-12 Protonex Technology Corporation Fuel cell stack sealed with encapsulating material and method of making the same
JP5061755B2 (ja) * 2007-06-29 2012-10-31 日産自動車株式会社 燃料電池
JP5012395B2 (ja) * 2007-10-12 2012-08-29 日産自動車株式会社 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法
US8211585B2 (en) * 2008-04-08 2012-07-03 GM Global Technology Operations LLC Seal for PEM fuel cell plate
JP2010129459A (ja) 2008-11-28 2010-06-10 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池、燃料電池の製造装置、および燃料電池の製造方法
US8372556B2 (en) 2010-02-08 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Conductive porous spacers for nested stamped plate fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10015360A1 (de) * 2000-03-28 2001-10-11 Dornier Gmbh Separatoreinheit für Elektrolysezellen und Brennstoffzellen
DE102005057044A1 (de) * 2005-11-30 2007-06-06 Daimlerchrysler Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit
CN101573818A (zh) * 2006-12-11 2009-11-04 斯塔克塞拉有限公司 燃料电池堆和用于燃料电池堆的密封装置及其制造方法
CN101183723A (zh) * 2007-12-13 2008-05-21 上海交通大学 金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板
CN102456896A (zh) * 2010-11-03 2012-05-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 强化燃料电池金属板周界

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014139964A1 (de) 2014-09-18
US10056640B2 (en) 2018-08-21
DE102013204308A1 (de) 2014-09-18
KR20150131057A (ko) 2015-11-24
CN105027340A (zh) 2015-11-04
EP2973809A1 (de) 2016-01-20
JP2016510164A (ja) 2016-04-04
EP2973809B1 (de) 2017-01-11
US20160006045A1 (en) 2016-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105027340B (zh) 用于燃料电池的双极性板、燃料电池以及用于制造双极性板的方法
JP6105072B2 (ja) メンブレン電極アッセンブリ、このようなメンブレン電極アッセンブリを有する燃料電池及び燃料電池を有する自動車
US8394551B2 (en) Membrane electrode assembly for use in electrochemical devices
JP5681792B2 (ja) 燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法
JP4904439B2 (ja) 高分子型燃料電池スタック
JP5022898B2 (ja) 燃料電池のための膜電極体（ｍｅａ）
JP5564623B1 (ja) 固体高分子電解質型燃料電池、および電解質膜−電極−枠接合体
US20150228987A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell comprising assembly of this type
JP4335305B2 (ja) 高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池
JP2007157420A (ja) 燃料電池用の封止材、燃料電池及び燃料電池の製造方法
US20110053030A1 (en) Fuel Cell with Gas Diffusion Layer having Flow Channel and Manufacturing Method Thereof
JP5326250B2 (ja) 固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池
JP5660256B1 (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2017502457A (ja) 補強材を含む膜電極組立体の製造方法
JP2008130432A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP5081494B2 (ja) 燃料電池
JP2007179815A (ja) 燃料電池モジュール、燃料電池スタック及び燃料電池モジュールの作製方法
JP4669242B2 (ja) 燃料電池用配管部材及びその製造方法
US20230378506A1 (en) Membrane-electrode unit for an electrochemical cell, and method for manufacturing a membrane-electrode unit
JP2005174875A (ja) 燃料電池及びその製造方法
JP2005078827A (ja) 燃料電池セパレータ
JP2016091936A (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法
JP2024053505A (ja) 固体高分子型燃料電池（ｐｅｍｆｃ）の単位セルおよびその製造方法
CN118369793A (zh) 具有框架密封件的膜-电极单元
JP2006331700A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20181224

Address after: Germany Ingolstadt

Patentee after: Audi AG

Address before: Wolfsburg

Patentee before: Volkswagen AG

TR01 Transfer of patent right