CN110088955A - 用于制造用于燃料电池和/或电解装置的流动板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明从一种用于制造用于燃料电池、尤其PEM燃料电池和/或电解装置的流动板（10a；10b）的方法出发，其中，所述流动板（10a；10b）具有至少一个流动元件（12a；12b），所述至少一个流动元件至少部分地由金属纤维（14a；14b）组成。建议的是，在至少一个方法步骤中借助至少一个对准单元（30a；30b）使所述金属纤维（14a；14b）对准。

Description

用于制造用于燃料电池和/或电解装置的流动板的方法
背景技术
已经已知一种用于燃料电池的流动板，其具有流动板，所述流动板具有至少一个流动元件，其中，所述流动元件具有泡沫结构。此外已知的是，将所述流动元件与衬底烧结。
发明内容
本发明从一种用于制造用于燃料电池、尤其用于PEM燃料电池和/或电解装置的流动板的方法出发，其中，所述流动板具有至少一个流动元件，所述至少一个流动元件至少部分地由金属纤维组成。
建议的是，在至少一个方法步骤中借助至少一个对准单元使所述金属纤维对准。
“燃料电池”尤其应理解为以下单元：所述单元设置用于，将至少一种尤其连续地输送的燃烧气体和至少一种氧化剂的尤其至少一种化学反应能量尤其转化成电能量，其中所述燃烧气体尤其是氢气和/或一氧化碳，所述氧化剂尤其是氧气。“电解装置”尤其应理解为以下单元：所述单元设置用于执行电解，其中，通过膜片尤其分离如下电极，在所述电极上产生气体、优选氢气和氧气。“设置”尤其应理解为设计和/或装备。将对象设置用于确定的功能尤其应理解为，该对象在至少一个应用状态和/或运行状态中履行和/或实施确定的功能。
“流动板”尤其应理解为以下机械单元，所述机械单元设置用于：尤其至少一个燃料电池和/或至少两个尤其相邻的燃料电池的电接触和/或用于给燃料电池供应燃烧气体、尤其氢气和/或氧气和/或用于排除至少一种反应产物、尤其水和/或水蒸气。流动板尤其可以作为单极板、作为双极板和/或作为端板和/或作为气体扩散设施来构造。流动元件尤其设置用于给燃料电池输送燃烧气体、尤其氢气和/或氧气和/或用于引走至少一种反应产物、尤其水和/或水蒸气。流动元件尤其具有至少一个流动通道并且优选地具有多个流动通道。“流动通道”尤其应理解为以下通道：所述通道至少部分地设置用于引导燃烧气体和/或至少一种氧化剂的流动、尤其是流入和/或流出，其中所述燃烧气体尤其是氢气和/或一氧化碳，所述氧化剂尤其是氧气，并且，所述通道在流动方向上看直接地至少部分地、优选在三侧上和特别有利地完全将流包围。
“金属纤维”尤其应理解为以下金属元件：所述金属元件的纵向延伸相比所述元件的与纵向延伸垂直的横向延伸至少大10倍、尤其至少大20倍并且优选至少大50倍。优选地，金属纤维在燃料电池中应用的情况下由不锈钢、有利地由316L组成，其中，在电解装置中应用的情况下，金属纤维有利地由钛和/或钛合金组成。“对准”尤其应理解为主动的过程，其中，优选有意地放置金属纤维。所述方法尤其借助光显微镜在产品上可证实。
由此可以提供根据所述类型的方法，所述方法具有鉴于制造用于燃料电池和/或电解装置的流动板方面的改善的特性。尤其可以有利地改善柔性。尤其可以有利地制造流动板，尤其用于作为双极性板和/或在气体扩散设施中的应用，其中，同时可以有利地最小化接触电阻和/或流动阻力。此外，有利地可以借助对准单元产生平滑的表面，由此有利地可以减小流动阻力。尤其可以有利地提高流动板的孔隙度。
在所述方法的一个优选的构型方案中建议，在所述方法步骤中，将所述金属纤维沉积到至少一个衬底上。“衬底”尤其应理解为以下元件：所述元件尤其用作载体材料。衬底尤其可以形成流动板的基体，其中，替代地也可以考虑，金属纤维在制造流动板的情况下从衬底松开，以便稍后与流动板的基体连接。衬底尤其由薄的金属片和/或薄的箔构成，其优选由与金属纤维相同的金属材料组成。有利地，在至少一个方法步骤中，借助至少一个输送辊将衬底输送给覆层段。“覆层段”尤其应理解为以下区域，在所述区域中，将金属纤维沉积到衬底上。“输送辊”尤其应理解为以下辊，所述辊设置用于，将衬底输送给覆层段。金属纤维至少在该方法步骤中是处于至少部分地软化的状态中。将金属纤维沉积到衬底上尤其应理解为：将金属纤维旋转涂布和/或喷溅和/或滴落到衬底上，其中，有利地产生结构。由此可以有利地改善机械稳定性。
此外建议，将所述金属纤维定向地沉积到所述衬底上。这尤其应理解为，金属纤维在衬底上形成定向结构。“定向结构”尤其应理解为以下结构：所述结构具有金属纤维在衬底上的可识别的规则性和/或布置。有利地，金属纤维以平角上下层叠。优选地，金属纤维在相同的平面中具有沿纵向方向的限定的间距。金属纤维尤其至少部分地形成流动通道，所述流动通道尤其至少逐区段地至少基本上相互平行地和/或交替地延伸。由此，可以有利地减少流动阻力。
在一种另外的构型中建议，将所述金属纤维与所述衬底连接。这尤其应理解为，将衬底与金属纤维材料配合地连接。“材料配合地连接”尤其应理解为，将重量部分通过原子力或分子力集合在一起，在此尤其产生与焊接接触和/或局部烧结接触相似的接触。优选地，在软化的金属纤维碰到衬底上时产生接触。通过根据本发明的构型方案，可以有利地实现材料配合地连接的部分之间的接触电阻。此外，有利地可以改善机械稳定性。
此外建议，在所述方法步骤中通过所述对准单元的辊来将所述金属纤维尤其沉积到衬底上，其中所述辊至少暂时地并且优选持久地转动和/或在轴向方向上振荡。“轴向方向”尤其应理解为以下方向：所述方向至少与辊的转动轴线基本上平行。“基本平行”在此尤其应理解为尤其在平面内相对于参考方向的方向对准，其中，所述方向相对于参考方向具有尤其小于8°、有利地小于5°并且特别有利地小于2°的偏差。辊尤其确定金属纤维的特性。优选地，借助辊的转动方向提供金属纤维在衬底的纵向方向上的定向。在此，“纵向方向”尤其应理解为与衬底的进给方向平行的方向。有利地，借助轴向转动构建金属结构，其中，尤其产生金属纤维的三维网络。优选地，借助辊的直径和/或辊的转动频率确定金属纤维的长度。有利地，金属纤维具有尤其至少10cm、优选至少5cm、有利地至少2cm并且特别有利地至少1cm的纤维长度。对准单元尤其具有熔池，有利地可以以气体压力来加载所述熔池。熔池尤其设置用于，将熔化的金属沉积到转动的和/或在轴向方向上振荡的辊上。在一个优选的构型方案中建议，熔池具有至少一个喷嘴元件，其中，所述喷嘴元件设置用于，将融化的金属纤维沉积到辊上。在此，借助转动的和/或在轴向方向上振荡的辊优化金属纤维。由此可以有利地制造定向结构。此外，可以有利地简化构造。
在本发明的一个另外的构型方案中建议，在所述方法步骤中，通过辊制造金属纤维。在此，借助熔池将金属薄膜沿纵向方向沉积到转动的和/或在轴向方向上振荡的辊上。在此，在至少一个另外的方法步骤中尤其借助辊的特性提供金属纤维，将所述金属纤维沉积到衬底上。其中，仅仅借助转动的和/或在轴向方向上振荡的辊确定金属纤维的特性。由此可以有利地制造定向结构。此外可以有利地进一步简化构造。
在本发明的一个特别优选的构型方案中建议，借助辊的至少一个辊特性、尤其是沟纹的沟纹几何结构和/或润湿特性来调节所述金属纤维的直径。“辊特性”尤其应理解为辊的以下特性：所述特性至少部分地影响金属纤维。“润湿特性”尤其应理解为至少一个分子在固定的边界面上的粘附能力。此外尤其至少部分地通过转动与振荡频率确定直径。辊的表面尤其在此优选是沟纹状地微结构化的，其中，沟纹优选沿着辊的圆周延伸。“沟纹状”尤其应理解为凹部和/或凸部。“微结构化”尤其应理解为以下沟纹结构：所述沟纹结构优选在微尺度范围中（im Mikrobereich）。在此，优选产生以下金属纤维：所述金属纤维优选具有尤其在1μm和1000μm之间、优选在5μm和750μm之间、有利地在10μm和500μm之间、特别有利地在25μm和400μm之间、特别优选地在50μm和300μm之间的纤维直径。由此可以有利地简化构造。此外，可以进一步优化对至少一个金属纤维的直径的确定。
建议的是，在所述制造时借助所述辊的转动速度和/或借助所述金属纤维的气体流来调节所述金属纤维的波度。“波度”尤其应理解为在纤维的最高点和最低点之间的间距相对于纤维的直径的比例。优选地，气体流与软化的金属纤维的飞行方向相反并且尤其在辊和衬底之间。熔丝的、气体动力学驱动的波形成的理论例如在[Jens Eggers andEmmanuel Villermaux，2008，Rep. Prog. Phys. 71 036601 doi:10.1088/0034-4885/71/3/036601]中描述。由此可以有利地改善结构的构造。尤其可以优化定向结构。
有利地建议，将金属纤维的多个层上下相叠地布置。为此，尤其使用对准单元和优选地至少一个另外的对准单元。有利地，在金属纤维的上下层叠的情况下在金属纤维上产生多个层。有利地，产生2至10个层和特别优选地产生2至5个层。优选地，该结构具有数百μm、尤其最大2000μm、优选地最高1000μm、有利地最大700μm，并且特别有利地最高500μm的厚度。尤其在衬底上产生金属纤维的三维网络。“三维网络”尤其应理解为，金属纤维相互接触并且形成定向结构，其中，尤其产生三维矩阵。由此可以有利地通过三维网络来确保与气体流方向垂直的不间断的电接触。此外可以有利地通过孔径大小分布中的梯度、尤其通过在同时改变平均的纤维直径的情况下的多层式覆层来实现将流动分布器结构和流/气体分布器结构集成在组件中的可能性。此外，可以同时最小化接触电阻和流动阻力。
在本发明的一个另外的优选的构型方案中建议，在至少一个方法步骤中压延由所述金属纤维组成的结构。“压延”尤其应理解为以下过程：所述过程对至少一个元件进行平滑以及给定限定的总厚度。优选地，为此使用辊。尤其在所述方法步骤中，优选地将衬底输送给至少两个相反地转动的辊，所述衬底以金属纤维覆层。辊尤其是以刚性的方式安装。有利地，对于由金属纤维组成的结构，借助辊来给定限定的总厚度和孔隙度。优选地，辊之间的间距确定结构的最终厚度。有利地，借助辊来弯折向上突出的金属纤维。所产生的结构尤其具有尤其至少60%、优选至少70%、有利地至少80%、特别有利地至少85%和特别优选地至少90%的孔隙度。由此，有利地可以简单地确定总厚度和/或孔隙度。此外，可以有利地提供尽可能平的表面。
在至少一个另外的实施例中建议，输送至少一个另外的衬底以用于覆层。优选地，将另外的衬底输送到由金属纤维组成的结构上，所述结构已经与第一衬底连接。尤其将另外的衬底与还至少部分地软化的金属纤维连接。由此，可以将该结构有利地与另外的衬底材料配合地连接。此外，可以有利地同时提供用于反应气体的流动分布器结构并且在背侧上提供用于冷却水的流动分布器结构。此外，可以有利地在如此产生的多层式流动板中实现特别小的过渡电阻。
在一种替代的实施方案中能够设想，在至少一个另外的方法步骤中，借助另外的对准单元对另外的衬底覆层。在至少一个另外的方法步骤中，优选地将经覆层的另外的衬底输送给经覆层的第一衬底。由此尤其可以提高效率。
在一个另外的替代的实施方案中建议，使用至少一个衬底，所述至少一个衬底具有至少一个能松开的表面。在此尤其应理解：所述结构有利地在压延之后能从衬底松开。由此可以有利地提供独立式的气体扩散设施。
此外，建议一种用于执行方法的设备，所述设备具有对准单元。优选地，所述设备包括以下对准单元：所述对准单元优选地包括转动的和/或在轴向方向上振荡的辊和熔池。对准单元尤其设置用于，制造金属纤维和/或确定金属纤维的特性。此外，所述设备有利地包括输送辊，所述输送辊尤其至少设置用于，将衬底输送给覆层段。此外，所述设备有利地包括压延机，所述压延机尤其至少设置用于，压延所述结构以及所述至少一个衬底。
所述方法、所述设备和/或所述流动板在此应不限于上面描述的应用和实施方式。所述方法、所述设备和/或所述流动板尤其为了履行在此描述的功能方式而可以具有与各个元件、组件和单元的在此提到的数目不同的数目。
附图说明
另外的优点由以下附图描述中得出。在附图中，示出本发明的两个实施例。附图、说明书和权利要求以组合的方式而包含众多的特征。以适宜的方式，本领域技术人员也将单独地考虑这些特征以及将这些特征合并成有意义的另外的组合。其中：
图1以示意性剖面图示出流动板的一部分；
图2以示意图示出用于制造流动板的设备；
图3以示意性剖面图示出另外的流动板的一部分；和
图4以示意图示出用于制造另外的流动板的设备。
具体实施方式
图1示出流动板10a的一部分的示意性剖面图。流动板10a包括流动元件12a和衬底16a。在一种替代的实施方案中可以考虑，流动板10a仅仅包括流动元件12a。
衬底16a由金属片和/或箔构成。衬底16a用作载体材料。衬底16a形成流动板10a的基体。衬底16a用于机械稳定性。
流动元件12a具有金属纤维14a。为概览起见，金属纤维14a强烈示意性地示出。金属纤维14a与衬底16a材料配合地连接。金属纤维14a至少基本上形成至少一个流动通道24a。流动通道24a至少逐区段地至少基本上相互平行地和/或交替地延伸。金属纤维14a定向地布置在衬底16a上。金属纤维14a形成定向结构22a。结构22a具有金属纤维14a在衬底16a上的可识别的规则性和/或布置。金属纤维14a以小于5°的角度上下层叠。金属纤维14a在相同的平面中来观察具有沿纵向方向的限定的间距。
流动元件12a具有多个层18a、20a。层18a、20a具有金属纤维14a的三维网络。金属纤维14a构成三维矩阵。金属纤维14a相互接触。该接触设置用于，通过三维网络来确保与气体流方向垂直的不间断的电接触。
图2示出用于执行用于制造用于燃料电池、尤其PEM燃料电池和/或电解装置的流动板10a的方法的设备50a。
设备50a具有对准单元30a。对准单元30a包括熔池36a。可以以气体压力加载熔池36a。熔池36a设置用于将液态的金属38a沉积到辊32a上。熔池36a设置用于将液态的金属薄膜40a沿纵向方向沉积到辊32a上。对准单元30a设置用于制造金属纤维14a。在至少一个方法步骤中，借助至少一个对准单元30a使金属纤维14a对准。在该方法步骤中，通过对准单元30a的至少暂时地转动的和/或在轴向方向上振荡的辊32a来沉积金属纤维14a。对准单元30a设置用于，确定金属纤维14a的特性。借助辊32a确定金属纤维14a的特性。
在该方法步骤中，通过辊32a制造金属纤维14a。借助辊32a的转动方向提供金属纤维14a的定向。该定向是在衬底16a的纵向方向上。借助轴向转动来构建金属结构22a。在此，产生金属纤维14a的三维网络。借助辊32a的直径确定金属纤维14a的长度。借助辊32a的转动频率确定金属纤维14a的长度。金属纤维14a具有至少1cm的纤维长度。
借助辊32a的至少一个辊特性、尤其是沟纹34a的沟纹几何结构和/或润湿特性来调节所述金属纤维14a的直径。至少部分地通过辊32a的转动与振荡频率确定金属纤维14a的直径。辊32a的表面是沟纹状地微结构化的。沟纹34a沿着辊32a的圆周延伸。沟纹34a构造为凹部和/或凸部。金属纤维14a具有在50μm和300μm之间的纤维直径。
在所述制造时借助所述辊32a的转动速度和/或借助所述金属纤维14a的气体流来调节所述金属纤维14a的波度。气体流与软化的金属纤维14a的飞行方向相反。在辊32a和衬底16a之间提供气体流。
在方法步骤中，将所述金属纤维14a沉积到至少一个衬底16a上。金属纤维14a处于至少部分地软化的状态中。将金属纤维14a与衬底16a连接。将金属纤维14a材料配合地与衬底16a连接。在软化的金属纤维14a碰到衬底16a上时产生连接。将所述金属纤维14a定向地沉积到所述衬底16a上。金属纤维14a形成定向结构22a。
替代地，设备50a具有至少一个另外的对准单元30a。在此，将金属纤维14a的多个层18a、20a上下相叠地布置。在衬底16a上，产生金属纤维14a的三维网络。
设备50a包括输送辊42a。输送辊42a至少设置用于，将衬底16a输送给覆层段44a。
设备50a包括压延机46a。压延机46a至少设置用于，对元件进行平滑以及给定限定的总厚度。压延机46a具有至少一个辊48a。在至少一个方法步骤中压延由金属纤维14a组成的结构22a。在该方法步骤中，将由金属纤维14a组成的结构22a输送给两个相反地转动的辊48a。辊48a以刚性的方式安装。借助辊48a对于结构22a给定限定的总厚度和孔隙度。辊48a之间的间距确定结构22a的最终厚度。借助辊48a来弯折向上突出的金属纤维14a。所产生的结构22a具有至少90%的孔隙度。
在图3和4中示出本发明的一个另外的实施例。后续的描述和表示基本上限于实施例之间的区别，其中，关于相同地标出的组件、尤其关于具有相同的附图标记的组件，基本上也可以参考其他实施例的、尤其图1和2的附图和表示。为了区分实施例，将字母a置于图1和2中的实施例的附图标记之后。在图3和4的实施例中，字母a通过字母b来取代。
图3示出替代的流动板10b的一部分的示意性剖面图。流动板10b包括流动元件12b、衬底16b和至少一个另外的衬底26b。另外的衬底26b由与第一衬底16b相同的材料组成。由此，同时提供用于反应气体的流动分布器结构并且在背侧上提供用于冷却水的流动分布器结构。
图4示出用于执行用于制造替代的流动板10b的方法的设备50b。设备50b具有至少一个辊系统52b。在至少一个方法步骤中，输送另外的衬底26b用于结构22b的覆层。结构22b已经与第一衬底16b连接。将另外的衬底26b与还至少部分地软化的金属纤维14b材料配合地连接。由此可以实现小的过渡电阻。

Claims (12)

1.一种用于制造用于燃料电池、尤其用于PEM燃料电池和/或电解装置的流动板（10a；10b）的方法，其中，所述流动板（10a；10b）具有至少一个流动元件（12a；12b），所述至少一个流动元件至少部分地由金属纤维（14a；14b）组成，其特征在于，在至少一个方法步骤中借助至少一个对准单元（30a；30b）使所述金属纤维（14a；14b）对准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤中，将所述金属纤维（14a；14b）沉积到至少一个衬底（16a；16b）上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述金属纤维（14a；14b）定向地沉积到所述衬底（16a；16b）上。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，将所述金属纤维（14a；14b）与所述衬底（16a；16b）连接。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤中通过所述对准单元（30a；30b）的至少暂时地转动的和/或在轴向方向上振荡的辊（32a；32b）来沉积所述金属纤维（14a；14b）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤中通过所述辊（32a；32b）制造所述金属纤维（14a；14b）。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，借助所述辊（32a；32b）的至少一个辊特性、尤其是沟纹（34a；34b）的沟纹几何结构和/或润湿特性来调节所述金属纤维（14a；14b）的直径。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述制造时借助所述辊（32a；32b）的转动速度和/或借助所述金属纤维（14a；14b）的气体流来调节所述金属纤维（14a；14b）的波度。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将金属纤维（14a；14b）的多个层（18a;20a;18b;20b）上下相叠地布置。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个方法步骤中压延由所述金属纤维（14a；14b）组成的结构（22a；22b）。
11.一种用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法的设备（50a；50b），所述设备具有所述对准单元（30a；30b）。
12.一种流动板（10a；10b），所述流动板借助根据权利要求1至10中任一项所述的方法来制造。
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