CN117096367A - 用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法，该方法包括：提供第一板基体和第二板基体作为具有碳纤维的纤维成形体，它们分别具有接合面和背离接合面的工作面；用至少一种碳同素异形体渗透板基体；局部施加硅至接合面内的各自的接合部位上；将接合面相叠放置，从而使得接合部位相叠并且使得两个板基体的工作面彼此背离；至少局部加热接合部位，从而使硅熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。

Description

用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法

技术领域

本说明涉及用于制造用于电化学设备的双极板的方法、用于电化学设备的双极板、以及具有至少一个这种双极板的电化学设备。

背景技术

本发明意义上的电化学设备尤其可以是燃料电池堆，其具有多个燃料电池，它们被供给氧气和氢气。此外，电化学设备也可以是电解器，利用其可以产生氧气和氢气。例如在飞行器中使用的燃料电池堆通常具有PEM燃料电池。在这些燃料电池中，基本的电化学功能单元被实现为所谓的膜电极单元(或者说“Membrane Electrode Assembly”)，其具有电解液、围绕电解液的阳极催化器和阴极催化器以及在外部所联接的气体扩散层。在低温燃料电池中，电解液可能包括全氟磺酸或类似物质。在高温燃料电池中，可能使用掺杂磷酸的聚苯并咪唑。

双极板使得各个电化学的单体电池彼此流体分离，并且同时实现它们的电互连。双极板通常由两个拼合的半体组成，可以具有用于对燃料电池进行水冷却的通道，并且附加地被用于放电。在双极板的两侧上引入细小的通道结构，这些通道结构被称为流场(“flow field”)并且被用于大面积引导氢气至阳极以及引导氧气或空气至阴极侧。因而，双极板是燃料电池堆的重要活性部件。

双极板的常用材料是不锈钢，其比重高达8g/cm³。这些金属双极板视厚度而定造成燃料电池堆重量的高达约70％。

在制造双极板时，通常提供两个独立的板半体并彼此焊接在一起。为了引入流场广泛使用机械方法。例如因此可以通过压印方法将流场引入单个板半体。偶尔也使用由钛基合金制成的双极板。因而有可能将双极板的重量减轻约一半。然而，该制造是有问题的，这是因为一方面壁厚低于150μm的特别薄的钛膜很难获得，而且这些膜的焊接是耗费的。

此外，金属双极板需要防腐层。为了确保双极板的实际任务，其需是能导电的。这例如可以通过镍、钼、钽或其混合物实现。涂覆方法例如可以包括物理或化学气相沉积(PVD或CVD)、以火焰或等离子体为能源的热喷涂、溶胶凝胶涂层或类似方法。

除了金属双极板之外，由纯石墨或石墨合成物制成的双极板也是已知的，其中，应用铣削、热压或注塑成型以塑形。然而，在保持导电和导热能力情况下，这些板的接合是耗费的。

发明内容

因而建议一种用于制造用于电化学设备的双极板的方法被视为一项任务，其中，双极板具有尽量轻的重量、能尽量廉价且可靠地制造。

该任务通过具有独立权利要求1的特征的方法解决。有利实施方式和改进方案由从属权利要求和以下说明得知。

建议一种用于制造电化学设备的双极板的方法，该方法包括：提供第一板基体和第二板基体作为具有碳纤维的纤维成形体，它们分别具有接合面和背离该接合面的工作面；用至少一种碳同素异形体渗透板基体；局部施加硅至接合面内的各自的接合部位上；将接合面相叠放置，从而使这些接合部位相叠并且使两个板基体的工作面彼此背离；并且至少局部加热接合部位，从而使硅熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。

在此，纤维成形体是基本上平坦的板半体。它们可以具有直接匹配于双极板的所需尺寸的边缘轮廓。然而也能想到的是，在纤维成形体渗透步骤之后紧接着进行机械最后加工，其中，使得纤维成形体达到期望的最终尺寸。

板基体的纤维材料充当基材或载体并且密集地用适当的碳同素异形体渗透，从而形成高导电能力且高导热能力且优选无孔以及流体密封的组件。至少一种碳同素异形体可以包括石墨、石墨烯结构、富勒烯或其他。也能想到的是，用石墨渗透板基体。有意义的可以是，在这里必要时添加石墨烯薄片，以便进一步提高导电能力。

渗透例如可以通过化学蒸汽渗透执行。在此，各自的工作面是后续在其中整合有流场且指向各自膜-电极系统的面。渗透之后可以压紧和/或加热或以其他方式加工板基体，以便提高其稳定性。

双极板一方面可以原样保持非烧结状态，从而形成两个相。视所应用的碳同素异形体而定，然而也可以将其压紧或硬化。替选地可以采用烧结过程，其中，渗入的碳同素异形体实际上被烧结成实心材料。

还能想到的是，事先或者必要时在相同温度循环下烧结双极板，以使其能够借助硅连接起来，以便实现所渗入的碳同素异形体的更高耐高温性。

本发明方法的核心方面在于局部施加硅至接合部位上。在此，这些接合部位尤其可以设置在板基体的边缘侧。能想到的是，两个板基体的仅其中一个设有硅。通过板基体相叠，使得这两个板基体都与硅接触。

通过至少局部加热接合部位，使得硅熔化并且与相邻的碳形成Si-C化合物或SiSi-C化合物。这些化合物使得这两个板基体彼此相连。石墨和碳纤维具有耐高温性，从而不仅在边缘侧加热而且完整加热这两个板基体超过硅的熔化温度(1414℃)对于板基体的整体性而言是没有问题的。

通过根据本发明的方法制造出约2.3g/cm³的非常低比重的双极板，其明显低于由金属材料制成的双极板的比重。所制成的双极板还具有良好的导电和导热能力。此外，其在燃料电池的正常运行条件下完全耐腐蚀。制造所用材料是廉价的且可工业化大规模提供。该双极板具有优异的热性能和较高的导热系数的各向异性比。通过匹配纤维成形体的结构以及石墨含量可以进一步优化热性能。

接合部位可能布置在板基体的径向外置的边缘区域内。因而，板基体在其边缘区域处彼此相连。边缘区域可以被构造为环绕的条带状的区域。

可以将硅作为线材和/或作为粉末布置在接合部位上。线材可能实现为具有一个或多个环圈的环绕的线材。此外也可以也可以将单个较短的线材区段布置在接合部位上。为了实现硅(无论是线材还是粉末形式)在板基体上的初始附着，能想到的是，应用在焊接中分解且尤其是蒸发的附着剂。

能想到的是，至少局部加热包括：将由板基体和硅构成的组件引入炉中并且借助该炉加热。因而，使得构成双极板的整个组件在炉中被加热，从而使得硅在接合部位处局部熔化并且导致两个板基体的连接。因而可以确保均匀加温，从而实现板基体之间的均匀连接。

然而至少局部加热还可能包括：利用激光或等离子束至少局部加热接合部位。激光或等离子束可以在外沿边缘区域引导，从而使得经受激光或等离子束的板基体被加温并且通过热传导加温和熔化硅。

局部加热可能包括：加热由板基体和硅构成的组件的环绕的边缘区段。边缘区段可能从径向或轴向方向或其组合方向出发被加载热量。因而热源可以在轴向或径向上跟随边缘区段。

该方法还可以具有：将流道引入工作面中。因而成形出流场。流道可能蜿蜒曲折地在两个工作面上分布并且包括联接区域，经由联接区域能建立与外部流体源或流体汇集部的流体连接。

流道的引入可能通过至少一种选自如下去除法组的去除法执行，所述去除法组包括机械去除法、火花电蚀、烧蚀等离子体法和烧蚀激光法。这些方法具有不同优点并且可以视待制成的流道的尺寸、精细度、数量等而定选出。

方法还可以包括施加能导电的涂覆部至工作面上。该涂覆部可能包含alpha-C。

如前述，可以用石墨渗透板基体，以便获得高导电能力。

有意义的是，附加地将石墨烯薄片引入板基体中，以便进一步提高导电能力。

本发明还涉及一种根据前述方法制成的双极板。因而限定了一种双极板，其具有第一板基体和第二板基体，所述板基体被构造作为具有碳纤维的纤维成形体，其分别具有接合面和背离接合面的工作面，并且用至少一种碳同素异形体渗透，其中，这两个板基体借助熔化的硅在接合部位处拼接在一起。

此外，本发明还涉及将硅用于焊接两个由用至少一种碳同素异形体渗透的具有碳纤维的纤维成形体构成的板基体以形成双极板的应用。

附图说明

下面结合附图更详细讨论实施例。附图是示意性的而非按比例绘制。相同的附图标记表示相同或相似元件。图中：

图1示出用于制造根据一个实施例的双极板的方法的示意图；

图2示出用于构成双极板的两个板基体的示意图；

图3示出根据一个实施例的双极板的示意性侧视图。

具体实施方式

图1示出了用于制造电化学设备的双极板的方法。该方法包括：提供2作为具有碳纤维的纤维成形体的第一板基体和第二板基体步骤，它们分别具有接合面和背离接合面的工作面；用至少一种碳同素异形体渗透4板基体；局部施加6硅至接合面内的各自的接合部位上；将接合面彼此相叠放置8，从而接合部位彼此相叠并且使两个板基体的工作面彼此背离；并且至少局部加热10接合部位，从而使硅熔化且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。该方法至少可选地具有将流道引入12工作面的步骤。渗透可以包括用石墨渗透。附加地还可以引入石墨烯薄片。该方法还可以包括施加14涂覆部至工作面上的步骤。

图2示出了第一板基体16和第二板基体18，它们分别被构造为具有碳纤维的纤维成形体。这两个板基体16和18被用碳同素异形体20例如石墨和可选附加地石墨烯薄片渗透。这两个板基体16和18具有接合面17，在其上分别在边缘侧设置接合部位22。将例如粉末或线材形式的硅24施加到接合部位22上。板基体16和18以它们的接合部位22彼此相叠，从而使接合面17相互对准。这通过运动箭头表示。随后进行的加热导致硅24熔化，从而与相邻碳建立硅碳化合物。这两个板基体16和18由此流体密封地彼此相连。

由此得到图3所示的双极板26。在此，熔化的硅24被表示为焊接部28。该焊接部位于环绕的边缘区段29的区域内，该区域可以可选被加热以用于熔化硅24。对此替选地，板基体16和18以及硅24构成的整个组件也可以在炉中加热，从而得到此处所示的焊接部28。

在第一板基体16的第一工作面30和第二板基体18的第二工作面32(它们分别背离接合面17)上分别设置有流道34。这些流道可以通过机械去除法、火花电蚀、烧蚀等离子体法或烧蚀激光法引入到工作面30和32中。

补充地，应该注意的是，“包括”或“具有”并不排除其他元件或步骤，“一个”或“某个”并不排除多个。还应当注意，参照上述实施例之一所描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤结合应用。权利要求中的附图标记不应视为限制。

附图标记列表

2 提供

4 渗透

6 局部施加

8 放置

10 局部加热

12 引入

14 施加

16 第一板基体

17 接合面

18 第二板基体

20 碳同素异形体

22 接合部位

24 硅

26 双极板

28 焊接部

29 边缘部分

30 第一工作面

32 第二工作面

34 流道

Claims (13)

1.用于制造用于电化学设备的双极板的方法，所述方法包括：

-提供(2)第一板基体(16)和第二板基体(18)作为具有碳纤维的纤维成形体，所述第一板基体和第二板基体分别具有接合面(17)和背离所述接合面的工作面(30、32)，

-用至少一种碳同素异形体(20)渗透(4)所述板基体(16、18)，

-局部施加(6)硅(24)至所述接合面(17)内的各自的接合部位(22)上，

-将所述接合面(17)相叠放置(8)，从而使得所述接合部位(22)相叠并且使得两个板基体(16、18)的工作面(30、32)彼此背离，并且

-至少局部加热(10)所述接合部位(22)，从而使硅(24)熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述接合部位(22)布置在所述板基体(16、18)的径向外置的边缘区域内。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中，将所述硅(24)作为线材和/或作为粉末布置在所述接合部位(22)上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其中，至少局部加热(10)包括将由板基体(16、18)和硅(24)构成的组件引入炉中并且借助所述炉加热。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中，至少局部加热(10)包括利用激光或等离子束至少局部加热所述接合部位(22)。

6.根据权利要求2所述的方法，

其中，局部加热(10)包括加热由板基体(16、18)和硅(24)构成的组件的环绕的边缘区段(29)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

所述方法还包括将流道(34)引入(12)所述工作面(30、32)中。

8.根据权利要求7所述的方法，

其中，流道(34)的引入(12)通过至少一种选自如下去除法组的去除法执行，所述去除法组包括：

-机械去除法，

-火花电蚀，

-烧蚀等离子体法，和

-烧蚀激光法。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

所述方法还包括施加(14)涂覆部至所述工作面(30、32)上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其中，用石墨渗透所述板基体(16、18)。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，附加地用石墨烯薄片渗透所述板基体(16、18)。

12.双极板(26)，所述双极板根据权利要求1至11中任一项所述的方法制成。

13.将硅(24)用于焊接两个由用至少一种碳同素异形体(20)渗透的具有碳纤维的纤维成形体构成的板基体(16、18)以形成双极板(26)的应用。