CN105940538A - 双极板和在该双极板上的层结构 - Google Patents

双极板和在该双极板上的层结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双极板，其包括基面和设置在该基面上的突出结构。所述突出结构各包括一个第一区域和第二区域。所述第一区域在此构造用于刺入待与所述双极板接触的气体扩散层中且增大在所述双极板与所述气体扩散层之间的接触面。所述第二区域存在于所述双极板的基面与所述突出结构的第一区域之间。所述第一区域和/或所述第二区域的形状和/或布置构造成，使得所述双极板的基面与所述气体扩散层保持间距。

Description

双极板和在该双极板上的层结构
技术领域
本发明涉及一种双极板和一种层结构，该层结构包括气体扩散层和双极板，其中，在双极板与气体扩散层之间的接触面增大。
背景技术
双极板应用在带有多个组合成一个堆垛的单个-燃料电池的电化学电池、例如燃料电池系统中，且所述双极板具有如下任务：使各单个电池彼此分开、提供电化学电池的电极的电接触、传输电流至相邻的电池、以介质或者反应离析物供给电池且导出产生的废热。
通常地，双极板与气体扩散层接触，该气体扩散层在电化学电池中用作反应离析物(即尤其反应气体)的分配器结构，且该气体扩散层大多由碳材料制成的纺织物形成。按照传统，双极板由金属制成，从而与气体扩散层的电接触并不理想。由此产生高的接触电阻。通过压合双极板和气体扩散层，可以将两个层之间的接触电阻稍微减小，然而在通常情况下为此须压印双极板，以便提供用于反应离析物的流场。这一方面又提高了接触电阻且另一方面是耗费且成本高的工艺。
发明内容
因此，从现有技术出发，本发明的任务是提供一种双极板，该双极板提供与待接触的气体扩散层的大的接触面并且此外提供用于反应介质的流场。此外，本发明的任务是提供一种带有双极板和气体扩散层的层结构，该层结构的突出之处在于各层之间的小的接触电阻且允许最佳地运输反应介质。
所述任务在双极板中根据本发明通过如下方式来解决，即，双极板包括基面和设置在该基面上的突出结构。所述突出结构、即相对于基面的隆起部各具有一个第一区域，该第一区域构造用于刺入待与双极板接触的气体扩散层中。由此增大了在双极板与气体扩散层之间的接触面且减小了在这些层之间的接触电阻。突出结构此外各具有一个第二区域，该第二区域存在于双极板的基面与突出结构的第一区域之间。所述第一和/或第二区域在形状和/或布置方面在此构造成，使得所述双极板的基面与气体扩散层保持间距(X)。该间距(X)在此例如在压合双极板与气体扩散层时也可以进行调整。所述突出结构的形状、布置、结构和材料在细节方面未进行限制，只要它们能够在增大所述层之间的接触面的情况下实现良好的接触以及实现第一区域向气体扩散层中的刺入并且能够通过突出结构的第二区域实现形成间隔功能即可。这些功能例如通过交叉的突出结构给出。突出结构的第一区域于是位于突出结构的交点之上、即位于离双极板的基面更远的端部处。所述突出结构的第一区域根据本发明刺入待接触的气体扩散层中。然而通过交点有效地防止突出结构完全下沉到气体扩散层中。在交点之下、即在交点与双极板的基面之间形成无气体扩散层的区域，亦即间隔区域，该间隔区域用于运输反应介质且因此通过产生的间距(X)实现所述介质的有效运送。备选于或者附加于交叉的突出结构，所述第一和/或第二区域也能够构造有特殊结构，该特殊结构允许所述突出结构的仅第一区域刺入接触的气体扩散层中，然而抑制第二区域的进一步刺入。所述间距(X)在此确定为从双极板的基面出发沿垂直方向、即沿待接触的气体扩散层的层压方向直至所述突出结构的第二区域的最远地最远离的点、即第一区域所邻接的点。因此提供了带有很好的用于反应介质的运输路径(即最佳集成的流场)以及增大的接触面的双极板，该双极板能够以简单的方式实现减小接触电阻地连接到气体扩散层上。根据本发明的双极板尤其适于应用在燃料电池中，其中，所述燃料电池尤其布置在车辆中。
从属权利要求包括本发明的有利的改进方案和设计方案。
根据本发明的双极板的一个有利的改进方案规定：所述间距(X)基本上相应于突出结构的第二区域的高度。因此能够简单地通过有针对性地设计所述突出结构的结构及形状来决定性地影响待构造的介质流场，而无须进行单独的加工步骤、例如压印双极板。
为了制备具有带有大运输容积的流场的双极板而另外有利地规定：所述间距(X)为50至300μm、优选地70至150μm。
另外有利地，气体扩散层是含有纤维的或者是泡沫状的，这能够实现良好的介质运输。所述突出结构的第一区域的高度优选为在气体扩散层中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径的1-10倍、优选地2-4倍。由此有效地增大在双极板与气体扩散层之间的接触面且因此明显减小在所述两个层之间的接触电阻。
同样地，为了增大与待接触的气体扩散层的接触面以及与之相关联地减小接触电阻，所述突出结构的第一区域的高度为3至100μm、优选地5至30μm。第一区域的高度因此反映可能的向气体扩散层中的刺入深度，该刺入深度在5μm时已经在减小接触电阻的情况下提供了与气体扩散层的良好连接，在5与30μm之间的高度时该连接是最佳的，因为因此在双极板与气体扩散层接触时也预防所述突出区域的变形且便利于将第一区域刺入气体扩散层中。第一区域的高度沿着第一区域的走向方向来确定且是平均值。
另外有利地规定：所述突出结构的与双极板的基面连接的足部的宽度小于所述突出结构的双倍的总高度。所述总高度在此由所述突出结构的第一区域的高度h1与第二区域的高度h2之和得出。
在此，相应地参考宽度和高度的平均值。由此，在突出结构中获得很好的体积/表面积比，该体积/表面积比在对于突出结构来说尽可能少的材料耗费的情况下允许构造特别大的接触面。
此外有利地，在设置于一排中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距大于所述突出结构的双倍的总高度。这能够在接触面大且材料使用少的情况下实现在双极板与气体扩散层之间的良好连接。
备选于此或者附加于此地有利地规定：在相邻的排中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距相对于在设置于一排中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距满足如下关系：e/f>2。由此也提供了双极板的很好的接触面，该接触面能够在接触电阻小的情况下实现与气体扩散层的紧密接触。
带有第一和第二区域(它们能够实现向气体扩散层中的接触和刺入以及能够实现气体扩散层的间距保持)的突出结构能够很简单地通过在双极板基面与待接触的气体扩散层之间施加中间层形成。这此外具有的优点是：可以将中间层和因此突出结构特别有针对性地在形状、布置和结构方面鉴于待接触的气体扩散层进行协调。出于该原因而特别优选的是，在所述双极板的基面上设置泡沫状的中间层并且尤其是由单独的结构组成的中间层用于形成突出结构。
出于在节省材料成本的情况下简单和低成本制造的原因，突出结构有利地通过对双极板进行结构上的加工、尤其通过以材料涂层和/或材料堆积和/或材料生长来形成。因此，在所述突出结构的第一区域与设置用于接触的气体扩散层的过渡部中的导电性能够进一步被改善且在所述两个层之间的接触电阻能够被有效地减小。有利地，结构上的加工包括树枝状结构的生长和/或磨削和/或铣削和/或刮削和/或蚀刻和/或氧化和/或物理气相沉积(PVD)和/或化学气相沉积(CVD)。此处述及的方法是用于加工表面和尤其金属表面的标准方法，它们不要求高的技术耗费并且因此能够容易且低成本地实现并且允许双极板的突出结构的特殊设计。
另外有利地，中间层与双极板的基面通过粘接、焊接、硬钎焊、压贴或者压入来连接。根据需求，这些方法步骤也能够相互组合，这有助于增大在双极板与待和该双极板接触的气体扩散层之间的接触面。
为了节省根据本发明的双极板的制造成本，所述双极板无需为制备流场而进行压印。流场的功能通过在双极板的基面与气体扩散层之间维持的间距(X)来承担；因此能够省去在双极板的活性区域中的压印。
同样地，根据本发明也说明了一种层结构，其包括如之前所说明的双极板和气体扩散层。根据本发明的层结构的特征在于，所述双极板的突出结构的第一区域刺入所述气体扩散层中且增大在所述双极板与所述气体扩散层之间的接触面。另外，所述双极板的突出结构的第一区域和/或第二区域的形状和/或布置构造成，使得所述双极板的基面与所述气体扩散层保持间距(X)。根据本发明的层结构在高功能性的情况下在结构上构建简单，其中，在各个层之间的接触电阻减小。同时，通过构造和保持间距提供介质流场，而无须为此单独地加工双极板。双极板因此特别好地适于安装在燃料电池系统中。尤其所述间距(X)在压合根据本发明的双极板和气体扩散层时能够有针对性地进行调整。所述突出结构的第一区域和/或第二区域的形状或布置为此构造用于刺入气体扩散层中。通过预定的挤压力将突出结构如期望的那样的程度刺入，从而所述突出结构的第一区域布置在气体扩散层中，而所述突出结构的第二区域不刺入所述突出区域中，以至于所述双极板的基面和气体扩散层保持间距(X)，该间距于是反映所述突出结构的第二区域的高度。换言之，总体上优选的是，所述突出区域的形状、结构和布置连同挤压力产生期望的间距(X)。
规定用于根据本发明的双极板的优点、有利的效果和改进方案也用于根据本发明的层结构。
为了进一步减小在各个层之间的接触电阻，根据本发明的层结构的一个有利的改进方案规定：气体扩散层是含有纤维的或者是泡沫状的，其中，所述突出结构的第一区域向气体扩散层中的刺入深度为在气体扩散层中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径的1-10倍、优选地2-4倍。
在增大接触面和因此减小接触电阻方面此外有利地规定：气体扩散层的材料在双极板与气体扩散层的接触区域中被压缩。
另一有利的改进方案的特征在于：气体扩散层是含有纤维的或者是泡沫状的，其中，间距(X)满足如下关系：X≥5*d。d在此是在气体扩散层中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径。因此能够在材料使用最少化且同时导电性很好的情况下提供带有大运输容积的介质流场，这有利地影响层结构的成本结构。
特别有利地，在层结构稳定性高且压力损失降低的情况下制备带有大运输容积的流场的观点下，所述间距(X)为50至300μm且优选地70至150μm。
根据本发明的双极板以及根据本发明的层结构尤其适于用在燃料电池中，其中，所述燃料电池尤其布置在车辆中。
基于根据本发明的解决方案及它们的改进方案得出如下优点：
-在根据本发明的双极板与气体扩散层之间的接触面明显增大。
-在根据本发明的双极板与气体扩散层之间的接触电阻减小。
-在根据本发明的双极板与气体扩散层之间的导电性提高。
-在根据本发明的双极板中集成了流场，而无须设置单独的加工步骤。
附图说明
本发明的其它细节、特征和优点从以下说明和附图中得出。其中：
图1示出了根据本发明的有利的第一改进方案的双极板的示意图；
图2示出了根据本发明的有利的第二改进方案的双极板的示意图；
图3示出了根据本发明的有利的第三改进方案的双极板的示意图；
图4示出了根据本发明的有利的第四改进方案的双极板的示意图；
图5示出了根据本发明的第一改进方案的层结构的示意图；
图6示出了根据本发明的第二改进方案的层结构的示意图；以及
图7示出了根据本发明的第三改进方案的层结构的示意图。
具体实施方式
根据实施例详细说明本发明。在图中仅示出了根据本发明的双极板或层结构的此处关注的部分，所有其余的元件出于清楚的原因而略去。此外，相同的附图标记涉及相同的构件。
图1示出了带有基面1的双极板10，在该双极板上布置或设置有突出结构2。突出结构2各具有一个第一区域4。第一区域4构造用于刺入待与双极板10接触的气体扩散层(未示出)中。由此增大了在双极板10与气体扩散层之间的接触面。突出结构2此外具有第二区域3，所述第二区域在双极板10的基面1与突出结构2的第一区域4之间延伸。
第一区域4和第二区域3的布置及因此突出结构2互相间的布置构造成，使得双极板10的基面1和待与双极板接触的气体扩散层保持间距。这(如示例性地在图1中所示)由下述方式能够实现：例如相邻的突出结构2的第一和第二区域交叉。因此，由至少两个交叉的结构得到一个突出结构2，该突出结构在交点上方具有带有高度h1的第一区域4且在交点下方具有带有高度h2的第二区域3。交叉的结构的走向防止在双极板10与气体扩散层接触时突出结构2的完全刺入。气体扩散层因此保持间距，该间距此处例如相应于第二区域的高度h2。
第二区域的高度h2在此在垂直于双极板10基面1的方向上测量且延伸直至突出结构2的交点。第一区域的高度h1确定为在走向方向上或在延伸方向上从交点直至第一区域的端部、即设置用于刺入气体扩散层中的端部。各高度的相应值在此是平均值。
优选地，间距X和因此还有第二区域4的高度h2为50至300μm且优选地70至150μm。
突出结构2例如能够通过将中间层且尤其是泡沫状的中间层且此外尤其是由单独的结构组成的中间层施加到双极板10的基面1上来形成。备选于此地，突出结构2能够通过对双极板10进行结构上的加工、尤其通过以材料涂层和/或材料堆积和/或材料生长来形成。
双极板10基于突出结构2的构造而提供了大的潜在的接触面。此外，基于突出结构2的第二区域3(所述第二区域设置成不刺入气体扩散层中)在双极板10中提供介质流场，而双极板10无须为此在活性区域中具有压印。
图2示出了双极板的一个备选的设计方案。双极板20又包括基面1，该基面带有布置在其上的、箭头形的突出结构2。通过以箭尖形构造第一区域4，在增大接触面的情况下且因此在减小接触电阻的情况下便利于向待接触的气体扩散层中的刺入。然而第一区域4的箭尖的宽边防止在含有第二区域3的情况下向气体扩散层中刺入直到双极板20的基面1上。第二区域3因此确保在双极板20的基面1与待接触的气体扩散层之间的间距。
图3示出了双极板的另一备选的设计方案。该双极板30具有突出结构2，所述突出结构又具有第一区域4和第二区域3。此处第一区域4的形状或结构相比于第二区域3的形状和结构构造成，使得仅能够将第一区域4向待接触的气体扩散层中刺入直至所述突出结构2的如下点处，在该点处第二区域3相对于第一区域4加厚地构造。
第二区域3的材料和结构不必是实心的，而是可以是多孔的或者设有通道，从而能够提供带有大的介质容积的流场。c描述了所述突出区域2的与双极板30连接的足部。所述突出结构的与双极板基面1连接的足部c的宽度在此有利地小于所述突出结构2的双倍的总高度。
在图4中示出了这样的双极板40，该双极板具有设置成两排R的如在图2中已经阐释过的突出结构2。图4图解了在各突出区域2之间的关系。在此，在设置于一排R中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距f大于所述突出结构2的双倍的总高度h，其中，h＝h1+h2。此外，在相邻的排中的突出结构2之间在所述突出结构的分别最高点处的间距e相对于在设置于一排中的突出结构2之间在所述突出结构的分别最高点处的间距f有利地满足如下关系：e/f>2。
图5示出了根据本发明的一个改进方案的层结构100。所述层结构100由气体扩散层5和如在图2中所示的双极板20形成。气体扩散层5和双极板20为了制造层结构100而被压合。由此，所述突出结构2的第一区域4刺入气体扩散层5的表面中。基于所述第一区域4和所述第二区域3的形状或结构，防止了所述第二区域3下沉到气体扩散层5中。因此，在气体扩散层5与双极板20的基面1之间形成间距X，该间距的高度相应于第二区域3的高度。由此形成介质流场。该层结构100的突出之处在于小的接触电阻和良好地适于运送反应介质。
优选地，气体扩散层是含有纤维的或者是泡沫状的，且间距X满足如下关系：X≥5*d。d在此是在气体扩散层5中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径。
此外优选地，间距X为50至300μm且优选地70至150μm。
同样优选地，所述突出结构2的第一区域4的高度h1是在气体扩散层5中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径的1-10倍、优选地2-4倍，其中，所述突出结构2的第一区域4的高度h1尤其为3至100μm，优选地5至30μm。
图6示出了根据本发明的第二改进方案的层结构200。该层结构200已通过压合双极板30与气体扩散层5制成。双极板30具有各带有一个第一区域4和一个第二区域3的棱锥形突出结构2。通过在压合各层时的相应的压力，所述突出结构2的第一区域4被刺入气体扩散层5中。所述突出区域的形状、结构和布置连同挤压力得到期望的间距X。对挤压力的限制在此能够防止所述突出结构2进一步刺入气体扩散层5中。因此，如此处所示的那样，所述突出结构2的第二区域3暴露在双极板1的基面与所述突出结构2的第一区域4之间、即也在双极板的基面1与气体扩散层5之间，由此在双极板的基面1与气体扩散层5之间产生间距X，该间距适于构造介质流场。
图7示出了根据本发明的第三改进方案的层结构300。该层结构300通过突出结构2的形状而区别于图6中的层结构200。特殊的M形形状提供了一定的阻力，该阻力也在压合层结构300时防止将所述突出结构2超过突出结构2的顶点完全刺入气体扩散层中。因此，能够有针对性地通过选择所述突出区域2的形状，结合在压合层结构300时的压力，来调整所述突出结构2的第一区域4的刺入深度和因此调整到一定的间距X，该间距相应于所述突出结构2的第二区域3的高度h2。
本发明的前述说明仅用于解释性的目的而并非为了限制本发明。在本发明的范围中可以实现不同的改变方案和修正方案，而不脱离本发明的范围及其等同方案。
附图标记列表
1 双极板的基面
2 突出结构
3 突出结构的第二区域
4 突出结构的第一区域
5 气体扩散层
10 双极板
20 双极板
30 双极板
40 双极板
50 双极板
60 双极板
100 层结构
200 层结构
300 层结构
c 突出结构的与双极板连接的足部
e 在相邻的排中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距
f 在设置于一排中的突出结构之间在所述突出结构的分别最高点处的间距
h1 第一区域的高度
h2 第二区域的高度
h 突出结构的总高度
R 突出结构的排
X 间距

Claims (10)

1.双极板，包括基面(1)和设置在该基面上的突出结构(2)，其中，所述突出结构(2)各包括一个第一区域(4)和一个第二区域(3)，所述第一区域构造用于刺入待与所述双极板(10、20、30、40、50、60)接触的气体扩散层(5)中且增大在所述双极板(10、20、30、40、50、60)与所述气体扩散层(5)之间的接触面，所述第二区域存在于所述双极板(10、20、30、40、50、60)的基面(1)与所述突出结构(2)的第一区域(4)之间，其中，所述第一区域(4)和/或所述第二区域(3)的形状和/或布置构造成，使得所述双极板(10、20、30、40、50、60)的基面(1)与所述气体扩散层(5)保持间距(X)。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述间距(X)基本上相应于所述突出结构(2)的第二区域(3)的高度(h2)和/或所述间距(X)为50至300μm、优选地70至150μm。
3.根据权利要求1或2所述的双极板，其特征在于，所述气体扩散层(5)是含有纤维的或者是泡沫状的，
其中，所述突出结构(2)的第一区域(4)的高度(h1)是在气体扩散层(5)中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径的1-10倍、优选地2-4倍，和/或
所述突出结构(2)的第一区域(4)的高度(h1)为3至100μm、优选地5至30μm。
4.根据上述权利要求中任一项所述的双极板，其特征在于，所述突出结构的与所述双极板的基面连接的足部(c)的宽度小于所述突出结构(2)的双倍的总高度(h)和/或
在设置于一排(R)中的突出结构(2)之间在所述突出结构的分别最高点处的间距(f)大于所述突出结构(2)的双倍的总高度(h)和/或
在相邻的排(R)中的突出结构(2)之间在所述突出结构的分别最高点处的间距(e)相对于在设置于一排(R)中的突出结构(2)之间在所述突出结构的分别最高点处的间距(f)满足如下关系：e/f>2。
5.根据上述权利要求中任一项所述的双极板，其特征在于，所述突出结构(2)通过将中间层、尤其泡沫状的中间层、且尤其由单独的结构组成的中间层施加到所述双极板(10、20、30、40、50、60)的基面(1)上来形成，或者
其特征在于，所述突出结构(2)通过对所述双极板(10、20、30、40、50、60)进行结构上的加工来形成、尤其通过以材料涂层和/或材料堆积和/或材料生长来形成。
6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述中间层与所述双极板(10、20、30、40、50、60)的基面(1)通过粘接、焊接、硬钎焊、压贴或者压入来连接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板在活性区域中无需为制备流场而进行压印。
8.层结构，包括根据上述权利要求中任一项所述的双极板(10、20、30、40、50、60)以及气体扩散层(5)，其特征在于，所述突出结构(2)的第一区域(4)刺入所述气体扩散层(5)中且增大在所述双极板(10、20、30、40、50、60)与所述气体扩散层(5)之间的接触面，其中，通过所述双极板(10、20、30、40、50、60)的突出结构(2)的第一区域(4)和/或第二区域(3)的形状和/或布置使所述双极板(10、20、30、40、50、60)的基面(1)与所述气体扩散层(5)保持间距(X)。
9.根据权利要求8所述的层结构，其特征在于，所述气体扩散层(5)是含有纤维的或者是泡沫状的，其中，所述突出结构(2)的第一区域(4)向所述气体扩散层(5)中的刺入深度为在气体扩散层(5)中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径的1-10倍、优选地2-4倍，并且尤其是，所述气体扩散层(5)的材料在所述双极板(10、20、30、40、50、60)与所述气体扩散层(5)的接触区域中被压缩。
10.根据权利要求8或9所述的层结构，其特征在于，所述气体扩散层(5)是含有纤维的或者是泡沫状的，其中，所述间距(X)满足以下关系：
X≥5*d
其中，d是在所述气体扩散层(5)中的纤维的纤维平均直径或者泡沫泡的泡沫泡平均直径，并且所述间距(X)尤其为50至300μm、优选地70至150μm。
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