CN110679021A - 用于制造燃料电池的方法和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法，具有至少一个膜片电极单元和至少一个双极板，该膜片电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极，该双极板包括用于将燃料分配到所述第一电极上的第一分配区域和用于将氧化剂分配到所述第二电极上的第二分配区域，包括以下步骤：a)产生扁平的织物(80)；b)使所述织物(80)在两个辊子(90)之间引导穿过，所述辊子分别具有结构化表面(93)，由此所述织物(80)这样变形，使得产生所述织物(80)的凸起部(32)；c)将如此产生的分配单元(30)布置在至少一个双极板的至少一个分配区域中。本发明也涉及一种按照本发明的方法制造的燃料电池。

Description

用于制造燃料电池的方法和燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法，该燃料电池具有至少一个膜片电极单元和至少一个双极板，该膜片电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极，该双极板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配区域。本发明也涉及一种根据本发明的方法所制造的燃料电池。
背景技术
燃料电池是原电池，该原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化成电能。因此，燃料电池是电化学换能器。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转化成水(H2O)、电能和热量。
此外，已知质子交换膜片(Proton-Exchange-Membrane＝PEM)-燃料电池。质子交换膜片-燃料电池具有中央布置的膜片，该膜片对于质子、即对于氢离子而言是能穿透的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分开。
质子交换膜片-燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处被供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子经由膜片达到阴极。所给出的电子从燃料电池导出并且经由外部电路流动至阴极。
氧化剂在燃料电池的阴极处被供应并且通过接收来自外部电路的电子和经由膜片达到阴极的质子而反应成水。这样产生的水从燃料电池导出。
总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池以机械的方式彼此相继地布置成燃料电池堆并且电串联。
为了使燃料均匀分配到阳极上以及为了使氧化剂均匀分配到阴极上，设置有双极板。双极板例如具有用于将燃料以及氧化剂分配到电极上的通道状结构。通道状结构还用于将反应时产生的水导出。双极板还可以具有用于将冷却液体引导经过燃料电池以导出热量的结构。
由DE 10 2012 221 730 A1已知具有双极板的燃料电池，该双极板由两个板半部构成。在此，这两个板半部中的每个板半部具有一个分配区域，该分配区域设置成用于分配反应气体。
发明内容
提出一种用于制造燃料电池的方法。在此，燃料电池具有至少一个膜片电极单元和至少一个双极板，该膜片电极单元具有通过膜片彼此分开的第一电极和第二电极，该双极板包括用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域和用于将氧化剂分配到第二电极上的第二分配区域。在此，所述方法包括下面阐释的多个步骤。
在步骤a)中产生扁平的织物。在本发明的意义上，织物理解为由相互编织的丝、线或纤维形成的结构。在此，所述织物相对较平地构造。因此，所述织物在以下面中延伸，该面明显宽于在垂直于该面的方向上的尺寸。
在步骤b)中，使织物在两个分别具有结构化表面的辊子之间引导穿过。在此，由辊子使所述织物变形。由此，织物尤其这样变形，使得形成织物的凸起部。现在具有凸起部的织物形成分配单元。
在步骤c)中，这样形成的分配单元布置在所述至少一个双极板的至少一个分配区域中。优选地，分配单元布置在第二分配区域中，该第二分配区域用于将氧化剂分配到第二电极上以及用于将反应时生成的水导出。但分配单元也可以附加地或替代地布置在用于将燃料分配到第一电极上的第一分配区域中。
织物在其之间引导穿过的两个辊子分别围绕转动轴旋转，其中，两个辊子的转动轴彼此平行地走向。在此，两个辊子以相同的旋转速度沿相反的方向旋转。两个辊子尤其这样旋转，使得结构化表面在织物引导穿过的区域中沿与织物相同的输送方向运动。
两个辊子优选近似圆柱形并且由此关于其转动轴旋转对称地构造。沿着转动轴延伸的方向在下面被称为轴向方向。从转动轴向外朝着表面延伸的方向在下面被称为径向方向。切向地沿着表面延伸的方向在下面被称为周向方向。在此，径向方向垂直于轴向方向并且垂直于周向方向地取向。
根据本发明的优选构型，两个辊子的结构化表面具有突出部。在上下文中，突出部理解为沿径向方向局部限界的延展部。
根据本发明的有利扩展方案，两个辊子的结构化表面的所述突出部沿轴向方向直线地走向。
根据本发明的另外的有利扩展方案，两个辊子的结构化表面的所述突出部相对于轴向方向倾斜地并且相对于周向方向倾斜地直线地走向。
根据本发明的另外的有利扩展方案，两个辊子的结构化表面的所述突出部在周向方向上摆动地沿轴向方向走向。简言之，两个辊子的结构化表面的突出部以波浪线的形式或锯齿形地走向。
有利地，形成分配单元的织物多孔地并且导电地构造。因此，分配单元对于氧化剂以及对于燃料并且也对于要导出的水而言是能穿透的。此外，分配单元建立通向电极的导电连接。因此，分配单元可以传导在电化学反应时在燃料电池中释放出的电子。
有利地，形成分配单元的织物具有至少一种包含金属的纤维。包含金属的纤维尤其确保分配单元的导电性。作为用于包含金属的纤维的可能材料例如适用于钛、铜、镍、铝或不锈钢。
有利地，形成分配单元的织物具有至少一种包含碳的纤维。包含碳的纤维是特别耐腐蚀的并且附加地提高分配单元的必要的机械稳定性。
有利地，形成分配单元的织物具有至少一种包含塑料的纤维。包含塑料的纤维相比于由其他材料制成的纤维而言较轻并且因此减小分配单元的重量。此外，包含塑料的纤维是成本有利的和耐腐蚀的。
根据本发明的有利扩展方案，形成分配单元的织物具有至少两种不同类型的纤维。因此，可以专用地优化分配单元的有利特性。在上下文中，纤维也理解为丝或线。
根据本发明的优选构型，分配单元这样布置在双极板的分配区域中，使得织物的凸起部触碰电极。如果分配单元布置在用于分配氧化剂以及用于将反应时生成的水导出的第二分配区域中，那么凸起部触碰第二电极。如果分配单元布置在用于分配燃料的第一分配区域中，那么凸起部触碰第一电极。
也提出一种按照根据本发明的方法制造的燃料电池。燃料电池尤其这样实施，使得在膜片电极单元的两侧分别紧接着双极板，其中，在双极板的至少一个分配区域中布置有分配单元。
借助于由具有凸起部的织物形成的分配单元，可以有针对性地构造用于在双极板的分配区域中分配反应气体的结构。尤其相比于泡沫，织物能非常简单并且成本有利地制造。在以气体、尤其是燃料或氧化剂流经分配单元时，在双极板中仅产生相对较小的压力损失。在此，扁平的织物借助于具有结构化表面的辊子所实现的变形相比于其他的成形技术、如压印是特别简单和成本有利的。所述织物尤其可以在辊子之间连续地引导穿过。在此，所述织物不像在压印时那样绷紧并且变形可以通过另外的织物的拉紧实现。由此，可能的几何结构的选择相比于压印明显扩宽。通过两个辊子的转动轴相对彼此的距离的改变可以进一步适配凸起部的形状和尺寸。
附图说明
参照附图和下面的描述详细阐释本发明的实施方式。
附图示出：
图1具有多个燃料电池的燃料电池堆的示意性示图，
图2分配单元的制造的示意性示图，
图3根据第一变型方案的辊子的立体示图，
图4根据第一变型方案的分配单元的立体示图，
图5根据第二变型方案的辊子的立体示图，
图6根据第二变型方案的分配单元的立体示图，
图7根据第三变型方案的辊子的立体示图，
图8根据第三变型方案的分配单元的立体示图，和
图9图1的燃料电池堆的双极板的截面。
在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的或类似的元件标有相同的附图标记，其中，在个别情况下取消对这些元件的重复描述。所述附图仅示意性示出本发明的主题。
具体实施方式
图1示出具有多个燃料电池2的燃料电池堆5的示意性示图。每个燃料电池2具有膜片电极单元10，该膜片电极单元包括第一电极21、第二电极22和膜片18。两个电极21、22布置在膜片18的彼此相对置的侧面上并且由此通过膜片18彼此分隔开。第一电极21在下面也被称为阳极21，并且第二电极22在下面也被称为阴极22。膜片18构造为聚合物电解质膜片。膜片18对于氢离子、即H+离子而言是能穿透的。
此外，每个燃料电池2具有两个双极板40，所述双极板在两侧连接到膜片电极单元10上。在这里示出的多个燃料电池2在燃料电池堆5中的布置，所述双极板40中的每个双极板可以被视为属于两个彼此相邻布置的燃料电池2。
双极板40分别包括一个用于分配面向阳极21的燃料的第一分配区域50。双极板40分别也包括一个用于分配面向阴极22的氧化剂的第二分配区域60。第二分配区域60同时用于导出在燃料电池2中反应时产生的水。在第二分配区域60中布置有分配单元30。
在这里，双极板40分别包括第三分配区域70，该第三分配区域布置在第一分配区域50和第二分配区域60之间。第三分配区域70用于将冷却剂引导穿过双极板40并且由此用于使燃料电池2和燃料电池堆5冷却。
第一分配区域50和第三分配区域70通过第一分隔板75彼此分隔开。第二分配区域60和第三分配区域70通过第二分隔板76彼此分隔开。在这里，双极板40的分隔板75、76构造为薄的金属片。
在燃料电池2的运行中，燃料经由第一分配区域50引导至阳极21。同样地，氧化剂经由具有分配单元30的第二分配区域60引导至阴极22。燃料、在这里是氢气在阳极21处在给出电子的情况下催化氧化成质子、即氢离子。质子经由膜片18达到阴极22。所给出的电子从燃料电池2中导出并且经由外部的电路流动至阴极22。氧化剂、在这里是空气中的氧气通过接收来自外部电路的电子和经由膜片18达到阴极22的质子反应成水。
图2示出分配单元30的制造的示意性示图。包含金属的纤维81、包含碳的纤维82和包含塑料的纤维83被供应至编织装置85。在编织装置85中通过包含金属的纤维81、包含碳的纤维82和包含塑料的纤维83的编织产生扁平的织物80。
扁平的织物80在两个辊子90之间被引导穿过，所述辊子分别具有结构化的表面93。两个辊子90分别围绕转动轴A旋转，其中，两个辊子90的转动轴A彼此平行地走向。两个辊子90以相同的旋转速度沿相反的方向旋转，如通过两个方向箭头B表明的那样。
两个辊子90近似圆柱形地并且因此关于它们的转动轴A近似旋转对称地构造。沿着转动轴A延伸的方向在下面被称为轴向方向X。从转动轴A向外朝着表面93延伸的方向在下面被称为径向方向R。切向地沿着表面93延伸的方向在下面被称为周向方向U。在此，径向方向R垂直于轴向方向X并且垂直于周向方向U地取向。
两个辊子90的结构化表面93沿着周向方向U具有突出部95。在上下文中，突出部95理解为沿径向方向R的局部限界的延展部。在织物80在两个辊子90之间受引导穿过时，由突出部95使织物80这样变形，使得形成织物80的凸起部32。现在具有凸起部32的织物80形成分配单元30。
在下面的步骤中将分配单元30裁剪成期望的或需要的尺寸。分配单元30的裁剪例如借助于冲压或激光切割实现。
图3示出根据第一变型方案的辊子90的立体示图。辊子90的结构化表面93具有在轴向方向X上直线地走向的突出部95。
图4示出根据第一变型方案的分配单元30的立体示图，该分配单元借助于根据第一变型方案的两个辊子90制造。分配单元30的凸起部32直线地并且彼此平行地走向。
图5示出根据第二变型方案的辊子90的立体示图。辊子90的结构化表面93具有在周向方向U上摆动地沿轴向方向X走向的突出部95。简言之，突出部95以波浪线的形式或锯齿形地在表面93上走向。
图6示出根据第二变型方案的分配单元30的立体示图，该分配单元借助于两个根据第二变型方案的辊子90制造。分配单元30的凸起部32以波浪线的形式并且彼此均匀间隔开地走向。
图7示出根据第三变型方案的辊子90的立体示图。辊子90的结构化表面93具有以直线的形式相对于轴向方向X倾斜地并且相对于周向方向U倾斜地走向的突出部95。
图8示出根据第三变型方案的分配单元30的立体示图，该分配单元借助于两个根据第三变型方案的辊子90制造。分配单元30的凸起部32直线地并且彼此平行地走向。在此，分配单元30的凸起部32相对于限界分配单元30的边缘倾斜地走向。
图9示出图1的燃料电池堆5的双极板40的截面，该双极板布置在两个膜片电极单元10之间。分隔板75、76构造为扁平的薄金属片并且在它们之间形成第三分配区域70以用于传输冷却剂。在第一分隔板75和相邻的膜片电极单元10的阳极21之间存在第一分配区域50。
在第二分隔板76和另一个相邻的膜片电极单元10的阴极22之间存在第二分配区域60，在该第二分配区域中布置有分配单元30。分配单元30这样布置，使得织物80的凸起部32接触阴极22。此外，分配单元30也接触第二分隔板76。
燃料、在这里是氢气在第一流动方向43中导入到第一分配区域50中。氧化剂、这里是空气中的氧气在第二流动方向44中导入到第二分配区域60中。在这里，第一流动方向43和第二流动方向44彼此平行地走向。也可以考虑，第一流动方向43和第二流动方向44彼此相反地走向或者也彼此垂直地走向。
本发明不局限于这里所述的实施例和其中提到的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内，多种在本领域技术人员处理的范畴内的改型均是可能的。

Claims (10)

1.用于制造燃料电池(2)的方法，该燃料电池具有至少一个膜片电极单元(10)和至少一个双极板(40)，该膜片电极单元具有通过膜片(18)彼此分开的第一电极(21)和第二电极(22)，该双极板包括用于将燃料分配到所述第一电极(21)上的第一分配区域(50)和用于将氧化剂分配到所述第二电极(22)上的第二分配区域(60)，所述方法包括以下步骤：
a)产生扁平的织物(80)；
b)使所述织物(80)在两个辊子(90)之间引导穿过，所述辊子分别具有结构化表面(93)，由此所述织物(80)这样变形，使得产生所述织物(80)的凸起部(32)；
c)将如此产生的分配单元(30)布置在所述至少一个双极板(40)的至少一个分配区域(50、60)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述辊子(90)分别围绕彼此平行地走向的转动轴(A)旋转，并且，其中，
所述辊子(90)以相同的旋转速度沿相反的方向旋转。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述结构化表面(93)具有突出部(95)，所述突出部沿轴向方向(X)直线地走向。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述结构化表面(93)具有突出部(95)，所述突出部相对于轴向方向(X)倾斜地并且相对于周向方向(U)倾斜地直线地走向。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述结构化表面(93)具有突出部(95)，所述突出部在周向方向(U)上摆动地沿轴向方向(X)走向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述织物(80)多孔地并且导电地构造。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述织物(80)具有至少一种包含金属的纤维(81)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述织物(80)由至少两种不同类型的纤维产生。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述分配单元(30)这样布置在所述分配区域(50、60)中，使得所述织物(80)的所述凸起部(32)触碰所述电极(21、22)中的一个电极。
10.燃料电池(2)，该燃料电池按照根据前述权利要求中任一项所述的方法制造。
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