CN108292723B - 用于制造双极板的方法、燃料电池堆和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造燃料电池堆用双极板的方法，包括下列步骤：由板材制备两个半板，所述半板相互叠置产生双极板，其中，半板通过对板材变形加工而成型，以及，两个相互叠置的半板基于成型结构在至少一个接触区域处相接触并且在至少一个非接触区域处互不接触；在半板被叠放之前，在至少一个半板的非接触区域中进行至少一次第一截切；将两个半板叠放并且连接；以及，在叠放和连接之后，穿过两个半板在接触区域中进行至少一次第二截切。本发明还涉及一种燃料电池堆和一种车辆。

Description

用于制造双极板的方法、燃料电池堆和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于制造燃料电池堆用的双极板的方法。此外，本发明还涉及带有根据本发明制造的双极板的燃料电池堆和一种车辆，其中使用所述燃料电池堆。

背景技术

在燃料电池堆中通常相叠堆摞多个双极板。各个双极板的两个外侧面构成燃料电池的正极侧和负极侧。在此所关注的双极板由两个半板组成。所述半板分别是由板材切割而成的构件。两个半板通过变形加工而成型，也就是说，它们不是平坦的板材，而是带有凸起部和凹陷部的三维构件。在双极板的两个外侧面中的成型结构用于分配反应物，例如氢和空气。此外，通过所述成型结构可以在两个半板之间产生空腔。所述空腔可以保持不用或者例如用于导引冷却介质并因而用于对双极板进行冷却。

各个半板必须将在其外周处从板材切下。另外，还必须在双极板中切割出所谓的端口。在将多个双极板堆摞成燃料电池堆时，端口对齐并且因而构成通道，这些通道在所有的双极板上延伸。经由这些通道或者说端口，反应物和必要时可能存在的冷却介质被分配到各个双极板。

在现有技术中，要么借助机械切割要么借助热切分割来实现对各个半板或者双极板的切割。在本发明的范围内，对于两者，即机械切割和热切分割，均使用上位概念“切割”。

机械切割的缺点是：成型的半板可能发生形变。所以大多采用热切分割，特别是激光切割。然而，激光切割的缺点是：激光只能聚焦到一个点上。在焦点之外导致毛边增多。

通常将两个半板彼此叠放在一起并进行焊接。在焊接时，特别是在焊缝附近，必须有足够的面积，用以将两个半板彼此压紧或者将半板之一压制。然而如果半板已经完全裁切好了，那么特别是在某些焊缝的区域内不再有用于压紧或者说压制的足够面积。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于制造双极板的方法，该方法能够实现高效的(特别是快速的)、节省材料的和过程可靠的制造。

于是，上述目的通过一种用于制造燃料电池堆用的双极板的方法得以实现。该方法包括下列步骤：

(i)首先由板材制备两个半板。所述板材特别是由任意一种金属构成。特别是规定：本发明的方法不仅仅包括制备半板，而且还包括由板材切割半板和/或对板材进行变形加工以制作成型结构。

两个半板如此构造成形，使得它们在相互叠置的状态中产生双极板。两个半板被加工有成型结构。所述半板的成型结构通过对板材变形加工而产生。所述“成型结构”意味着：半板并不是平坦的板材，而是带有凸起部和凹陷部的三维构件。

在制备完成的状态中，即在两个半板按照所期望的双极板相互叠置起来时，存在着双极板的至少一个所谓的接触区域和非接触区域。两个半板在接触区域处直接相互叠置并且彼此相接触。在非接触区域处，在两个半板之间保留有空腔。双极板内部的这个空腔可以保持不用或者例如用于导引介质。

(ii)在此处所说明的用于制造双极板的方法的进程中，必须对半板进行切割。该“切割”特别是包括：

·从板材切割出各个半板，和/或

·对半板进行后续裁切，例如在半板的边缘处，和/或

·切除材料以构成端口，和/或

·在将两个半板连接之后对制备完成的双极板进行切割，和/或

·穿过两个半板之一切割出通流区。

在本发明的方法中规定：尚且在将两个半板叠放并相互连接之前，在两个半板中的至少一个半板的非接触区域内进行至少一次第一截切。“第一截切”在此是指同时或者先后依次在非接触区域中、然而无论如何在叠放和连接两个半板之前进行的所有截切。

特别是在所述非接触区域中，在叠放之后很难能对各半板进行切割。因为在非接触区域中两个半板在叠放之后是彼此间隔开的。这一点导致双极板在机械切割中发生形变。在使用激光切割的情况中，焦点无法同时定向对准到两个半板上，因为这两个半板彼此间隔太远。这一点又导致毛边增多。

(iii)在进行至少一次第一截切之后，对两个半板进行叠放和连接。在此，特别是将两个半板相互熔焊和/或粘合和/或钎焊。

(iv)在叠放之后，优选在连接之后，进行至少一次第二截切。在接触区域中穿过两个半板实施该第二截切。对于第二截切，既可以使用机械切割也可以使用热切分割法。因为在接触区域中进行第二截切，两个半板在这里直接彼此相叠地靠置在一起。因此，在机械切割时不会发生双极板的非希望的形变。在激光切割时，焦点的区域也受到较强定界限制，因为半板在接触区域中不是彼此间隔开的。

在本发明的方法中规定：在两个半板的接触区域中以及穿过两个半板进行至少一次第二截切。“第二截切”在此是指同时或者先后依次在接触区域中、无论如何在叠放和连接两个半板之后进行的所有截切。

特别优选规定：在制造双极板时，在叠放和连接两个半板之后仅仅在接触区域中进行切割。

如文首已经说明的那样，通常双极板具有至少一个端口。如果将大量双极板堆摞以获得燃料电池堆，那么相应的端口便对齐并构成一个通道。经由该通道将反应物以及必要时将冷却介质分配到各个双极板。在此所说明的在非接触区域中进行第一截切以及在接触区域中进行第二截切的处理方式特别是用于切割出端口。于是优选规定：通过至少一次第一截切和至少一次第二截切来切割各个端口的轮廓。

在连接、特别是焊接两个半板时，必须将这两个半板彼此压紧。为此必须将半板中的至少一个半板压制在另一半板上。

在压紧两个半板时，相应的模具在至少一个压紧区域处施加作用。优选规定：通过第二截切将该压紧区域切分下来。因此，在进行第二截切之后，所述压紧区域至少部分地不再是双极板的组成部分，而是下脚料。

特别是，所述至少一个压紧区域位于所述至少一个端口中，也就是说，在为了构成端口而被切下的区域中。因此，有意地将这种用于切割端口的截切设置为，在所述至少一次第一截切之后仍然有充分的材料供压紧区域使用。这一措施能够实现在构造设计双极板时有较多的空间余地。特别是，可以将端口之间的间距和围绕端口的边缘构造得非常狭窄，因为不再强制性地需要将这些区域作为压紧区域。

优选地，机械切割设定用于至少一次第一截切，特别是用于所有的第一截切。机械切割能够实现快速的、经济的和过程可靠的制造。在此，优选在机械切割的情况中使用一种支撑模具。半板全面地(

整面地)靠置在该支撑模具上。为此，所述支撑模具是按照半板的成型结构成形的。这意味着：支撑模具与半板的成型轮廓一致地具有凹陷部和凸起部。支撑模具只在紧邻第一截切周围的地方具有切割区域，在这些切割区域中半板并不靠置。相应的切割工具可以进入所述切割区域中。

通过使用成型的(即具有成型结构的)支撑模具，避免了成型的半板在机械切割时发生非希望的形变。

优选规定：在共同的模具内进行用于制作所述半板成型结构的板材变形加工和用于所述至少一次第一截切的机械切割。在此，特别是同时地、例如按照复合工序(Folgeverbund)进行这两个方法步骤。特别是，所述模具可以是组合式的冲压及冲裁模具。特别优选的是，在此采用成型的(即具有成型结构的)支撑模具，以避免在机械切割时半板发生形变。所述成型的支撑模具同时也可以构成用于变形加工以及因而用于在半板内制作成型结构的型模(Matrize，阴模)。

作为对所述至少一次第一截切的机械切割的补充或者备选方案，优选规定：通过热切分割(优选激光切割)来实施至少一次第一截切。

此外优选规定：通过机械切割来实施至少一次第二截切。作为补充或者备选方案，优选规定：通过热切分割(优选激光切割)来实施至少一次第二截切。

有益的是：两个半板的坯料可以通过各自独特的第一裁切而相互不同地/独立地构造。

此外，本发明还包括一种燃料电池堆，其包括大量堆摞的双极板。这些双极板根据上述方法制成。在方法的范围内所提出的有益的构造设计相应有益地适用于燃料电池堆。

另外，本发明还包括一种带有燃料电池堆的车辆。利用燃料电池堆所获取的能量优选用于车辆的推进驱动。

另外，本发明还包括一种用于对燃料电池堆用成型双极板进行切割的方法，其中通过机械切割实施至少一次截切，其中，半板在机械切割时放置在与所述半板的成型轮廓相应成形的支撑模具上，使得半板全面地支撑在该支撑模具上。在此，所述支撑模具可以独立于双极板的其他加工或装配进行使用。

附图说明

本发明的其他细节、特征和优点可由下文的说明和附图获得。附图示出：

图1为按照一种实施例根据本发明的方法制造的双极板；

图2为图1的剖视图；

图3、4为根据本发明的方法的机械切割的示意图。

具体实施方式

借助图1至4对按照本发明的用于制造双极板1的方法进行说明。附图示意性地简化示出双极板1和方法步骤。

图1示出了双极板1。该双极板1在上部和下部区域中包括多个形式为空隙口的端口2。为了制造燃料电池堆，将多个双极板1堆摞起来。在此，各个端口2对齐并由此构成通道，在所示实例中为六个(通道)。燃料电池堆内的这些通道用于将反应物以及必要时将冷却介质分配给各个双极板1。

图2示出了双极板1的细节剖视图。双极板1由两个半板3组成。为了制造该双极板1，两个半板3必要时相互连接，特别是焊接在一起。

各个半板3由板材构成并且被加工有成型结构。半板3的这种成型结构通过对板材变形加工而制成。双极板1的两个外侧面构成正极侧6和负极侧7。在此，所述成型结构用于引导和分配反应物。

两个半板3按下述方式成型和相互叠置，即产生接触区域4和非接触区域5。在非接触区域5中，在两个半板3之间保留有空腔8。这样的空腔8可以保持不用或者用于双极板的介质引导。

特别是图2大幅放大和简化地示出了双极板1的成型轮廓。实际上，半板3的成型结构可以构造得非常精细和复杂。各个(单个的)端口2例如可以在多个接触区域4和非接触区域5上延伸。

正如已经说明的那样，各个半板3尚在叠放和/或连接之前就被在非接触区域5内进行切割。这些切割/截切称为第一截切11。在将两个半板3连接之后，对所述半板3或者说双极板1在接触区域4内进行切割。这些切割/截切称为第二截切12。

优选规定：在将两个半板3连接之后(至少为了切出端口2)只进行第二截切12，亦即在接触区域4中的截切。由此可以避免双极板1的形变和/或极端的毛边产生。

图3和4示出了如何能够在成型的半板3上进行第一截切11的机械切割。为此而使用一种成型的(即具有成型结构的)支撑模具9。该支撑模具9在其形状方面与半板3的成型结构相符。因此半板3可以全面地靠置在支撑模具9上。

图3示出了示意性的俯视图。虚线表示出半板3在支撑模具9上的全面的支承(面)。只是在紧邻第一截切11周围的地方具有切割区域10，在该切割区域中半板3并不全面靠置。在此优选规定：半板3完全围绕着切割区域10全面地靠置在支撑模具9上。由此可以在最大程度上避免在进行第一截切11时非预期的形变。

在将两个半板3进行叠放和连接之后才(例如通过机械切割或者热切分割)进行在图3中示出的第二截切12。

正如图4中的示意性剖视图示出的那样，切割区域10和第一截切11位于半板3的非接触区域5中。在两个半板3组合装配之后，便不再可以使用这样的在设定实施第一截切11时所用的支撑模具9，因为在该状态下已无法再接近空腔8。

也可以只在两个半板3之一上进行这一次第一截切11或者这多次第一截切11。

例如，若只在两个半板3之一上进行了第一截切11，则在第二截切12时也可使用成型的(即具有成型结构的)支撑模具9。

附图标记列表

1 双极板

2 端口

3 半板

4 接触区域

5 非接触区域

6 正极侧

7 负极侧

8 空腔

9 支撑模具

10 切割区域

11 第一截切

12 第二截切

Claims (13)

1.用于制造燃料电池堆用的双极板(1)的方法，包括下列步骤：

·由板材制备两个半板(3)，所述半板相互叠置产生双极板(1)，

其中，半板(3)通过对板材变形加工而成型，以及，

其中，两个相互叠置的半板(3)基于成型结构在至少一个接触区域(4)处相接触并且在至少一个非接触区域(5)处互不接触，

·在半板(3)被叠放和连接之前，在至少一个半板(3)的非接触区域(5)中进行至少一次第一截切(11)，

·将两个半板(3)叠放并且连接，和

·在叠放之后，穿过两个半板(3)在接触区域(4)中进行至少一次第二截切(12)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在连接之后进行所述至少一次第二截切(12)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述双极板(1)具有至少一个端口(2)，其中，各个端口(2)的轮廓通过至少一次第一截切(11)和至少一次第二截切(12)产生。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在连接时将两个半板(3)彼此压紧，其中，在至少一个压紧区域处施加该压紧，通过第二截切(12)将该压紧区域至少部分地切分下来。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：至少一次第一截切(11)通过机械切割实施，其中，半板(3)在该机械切割时放置在与所述半板(3)的成型轮廓相应成形的支撑模具(9)上，使得半板(3)全面地支撑在该支撑模具(9)上。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在共同的模具内进行用于所述成型结构的板材变形加工和用于所述至少一次第一截切(11)的机械切割。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：同时地进行用于所述成型结构的板材变形加工和用于所述至少一次第一截切(11)的机械切割。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过热切分割来实施至少一次第一截切(11)。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过激光切割来实施至少一次第一截切(11)。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过机械切割来实施至少一次第二截切(12)和/或通过热切分割来实施至少一次第二截切(12)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述热切分割是激光切割。

12.燃料电池堆，其包括大量堆摞的、根据如权利要求1至11之任一项所述的方法制造的双极板(1)。

13.车辆，其包括如权利要求12所述的燃料电池堆。

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