CN117178392A - 用于燃料电池堆的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆的双极板(1)，该双极板具有两个层(2、3)，该层在其彼此背离的表面上分别具有阳极侧的或阴极侧的流动区域(9)，其中，在两个层(2、3)中设置有对齐的介质入口(4、13、15)和介质出口(5、14、16)，其中，介质入口和介质出口(4、5、13、14、15、16)中的每个与在两个层(2、3)的彼此面对的内表面之间的通道(6)连接，其中，配属于阳极侧和阴极侧的通道(6)分别通过在相应的层(2、3)中的通孔(7)与阳极侧的或阴极侧的流动区域连通。根据本发明的双极板的特征在于，相应的层(2、3)的材料在分别与另一个层(3、2)的通孔(7)对置的部段(17)中被加强。

Description

用于燃料电池堆的双极板
技术领域
本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的用于燃料电池堆的双极板，该双极板具有两个层。
背景技术
用于燃料电池的双极板原则上由通用现有技术已知。该双极板在燃料电池中一方面用于与燃料电池的电极电接触并且另一方面用于将介质输入至燃料电池和从其中排出。典型地，该双极板此外包括冷却介质流场，以便同时对燃料电池堆进行冷却。
这种类型的双极板例如由WO 2008/061094 A1已知。在此，两个层或者说半部接合成实际的双极板。通过介质入口和介质出口将介质输入至板。在此，在两个层之间形成有通道，以便在一定程度上将介质引导到双极板的内部。介质从那里通过通孔——其也称为反馈槽或反馈通道——从双极板的内部到达在双极板的阴极侧和阳极侧上用于介质的相应的流动区域中。此外，冷却介质的流动典型地在双极板的内部进行，从而通孔仅在其中一个半部中朝向阳极侧的流动区域形成并且在另一个半部中朝向阴极侧的流动区域形成。
同样使用这种技术的类似结构还由WO 03/083979A2、WO 2015/145233A1、US 9,105,883 B2以及US2007/0117001 A1已知。
关于其他现有技术此外还可以参考US 8,927,170 B2。
现在在实践中，这种结构原则上已经被证明是有利的。然而在某些情况下已经证明这种结构非常容易受到干扰。因此例如在通孔区域中形成冰的情况下可能会导致使相邻的双极板受损，甚至使其被破坏，因为冻结的水相应地增大其体积并且由此非常强烈地抵压到双极板的与通孔相邻的半部或层的材料上。在最严重的情况下在此形成裂缝，这种情况会破坏双极板。此外，在这些区域中在非常大的压差的情况下，当压力经过通孔传播并且在极端的压力情况下双极板的相邻层的对置侧受损时，可能会导致双极板在所述区域中的那里的材料被撕裂。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种改进的双极板。
根据本发明，所述目的通过具有权利要求1中的特征的双极板来实现。有利的设计方案和改进方案由与此相关的从属权利要求给出。
根据本发明的双极板与开头所述的现有技术中描述的双极板相似地由两个层构造，其通过适合的通孔将流动区域与双极板的内部连接。根据本发明，使得双极板的相应的层的材料在分别与另一个层的通孔对置的部段中被加强。发明人在实践中已经证明，由于裂缝或者甚至通孔对双极板造成的损害在实践中几乎总是在与通孔对置的区域中出现。因此，通过加强双极板的材料，其中双极板的与通孔对置的层在与通孔对置的区域中相应地被加强，可以有效地进行补救，而不需要改变双极板的整个结构或进行其他调整。
在此，双极板的相应的部段的加强可以以不同的方式实现。特别简单且有效的解决方案规定，这种加强通过更大的材料尺寸来实现。原则上也可以考虑且能实现其他的可行性方案、例如引入加强材料、加强层结构的漆、树脂等。
通过更大的材料尺寸进行加强的优选设计方案在此依照根据本发明的双极板的一个非常有利的改进方案提出，加强通过更大的材料尺寸来实现。这种材料尺寸在此大于在流动区域的最深部位之间的材料尺寸，该流动区域典型地由在相应的层的表面中的凹部形成。在该凹部中布置有突出于凹部的底部/基底的流动分配结构和/或流动引导结构。双极板的相应的层的余下的剩余厚度为在流动区域的最深部位与相同的层的对置表面之间的相应的层的最小材料尺寸。如果现在该层在与相邻的层的通孔对置的区域中被相应地加强，则可以简单地且非常有效地增大双极板的使用寿命。因为通孔的面积相对于双极板或其流动区域的总面积相对较小，所以如果相应地加强小面积部段以实现上述优点就足够了。
根据该构思的一个特别有利的改进方案，这例如可以通过下述方式实现，即，更大的材料尺寸通过流动区域的具有减小的深度的部段来实现。在该加强的部段中流动区域的剩余壁厚度略大，使得在流动区域内在该小部段中的深度且进而流动横截面被减小。然而由于加强的部段典型地非常小并且位于流动区域的边缘区域中，因此这对流动本身几乎没有影响，或者至少没有非常大的影响。
流动区域的具有减小的深度的加强的部段在此原则上可以通过下述方式在流动区域内独立地实现：例如在该区域中围绕流动分配结构或流动引导结构产生一种基座。然而特别有利的是，该加强的部段相应地与流动区域的边缘连接，这是因为在这种情况下至少在布置上或中在角部中还在两侧上存在的加强区域到流动区域的边缘区域的连接能通过以更合适的方式导出力来实现更好的加强。
对此的替代方案还可以规定，更大的材料尺寸通过流动区域从加强的部段中移出而实现。在该变型方案中，也就在加强部段中放弃了完整的流动区域，从而其较小地设计，并且在加强部段中保留与相邻的层的通孔对置的层的完整厚度。
另一个设计方案还可以规定，更大的材料尺寸通过通道的较小的深度或者通过在具有加强的部段的层中放弃通道来实现。在内部位于双极板的两个层之间的通道也就在一定程度上朝向具有通孔的层移位，由此在相邻的层的区域中与相应的通孔对置地自动产生具有更大的材料尺寸的加强的部段。
在加强的部段中的更大的材料尺寸在此可以是在层中的流动区域的最深部位与相同的层的对置表面之间的材料尺寸的1.5至2.5倍、优选2至2.5倍。因此，相应的层的剩余材料尺寸乘以例如1.75的因数，以便实现相应加强的区域。在双极板的常见尺寸和流动区域的深度的情况下，流动区域的深度减小了一半或一半多，这原则上损害了流动，由于将相对于流动区域的面积在面积方面非常小的、加强的部段典型地布置在流动区域的边缘处，然而对流动的均匀分配以及介质流经双极板的流动区域没有太大影响。
替代于通过更大的材料尺寸进行的这种加强或者原则上也对此补充地还可以规定，加强材料、例如纤维、纺织品、针织物等被引入加强的部段中。这特别是由填充有石墨或其他含碳材料的塑料基体制造各个层时可以在制造中相对简单地实现。
在此，流动区域本身可以优选地具有流场和两个包括通孔的分配区域。在此根据一个有利的改进方案可以规定，流场具有流动通道，并且分配区域具有特别是形式为凸起部的敞开的流动分配结构。特别是在流动区域的这种设计方案中，通孔典型地与相邻的层的分配区域对置。其可以通过下述方式简单地加强，即，在此略微增大材料尺寸，使得例如分配区域的凸起部不再布置在流动区域的底部上，而是布置在加强部段中的一种基座上。由此使得仅最小地影响流动，双极板的结构可以有效地实现并且实现高的机械可靠性和耐久性。
原则上这适合用于所有类型的双极板。然而依照根据本发明的双极板的一个特别优选的设计方案规定，两个层分别由塑料基体中的含碳材料形成。该结构——在其中例如石墨被硬化为在适合的基体中的填料——通常也称为石墨双极板或碳双极板。
附图说明
从下面参考附图详细描述的实施例中得出根据本发明的双极板的其他有利的设计方案。
图中示出：
图1示出根据现有技术的双极板，其在组装其层之前具有两个对置的表面；
图2示出根据图3在组装层之后根据线II-II的示意性截面图；
图3示出双极板，其在组装双极板的层之前具有两个对置的表面；
图4示出根据图1在组装层之后根据线IV-IV的示意性截面图；
图5以类似于图4的图示示出根据本发明的双极板的一个替代的实施方式；
图6以类似于图4的图示示出根据本发明的双极板的另一个替代的设计方案；
图7以类似于图4的图示示出根据本发明的双极板的另一个替代的设计方案。
具体实施方式
在图1的图示中可以看到在此还是分开的两个层2、3的俯视图，这两个层根据弯曲的箭头然后被组装成双极板1。上层2在此为之后的双极板1的阴极侧，下层3为双极板的阳极侧。在此，在双极板1的两个层2、3的相应的背侧上布置有用于冷却介质的流场，该流场在此未详细示出，但原则上是已知的。
阳极侧的层2在此具有介质入口4和介质出口5。介质入口和介质出口在两个层2、3中以对齐的方式构造并且与之后堆叠成燃料电池堆——其在此未示出——的另外的双极板1对齐地构造。在两个层2、3之间、在此即在根据图1中的图示的背侧上，介质入口4以及介质出口5通过用6标注的通道与分别用7标注的通孔连接。通孔7将在图1的图示中位于层2的背侧上的通道6和进而介质入口4或介质出口5与用于流动的分配区域8连接，该分配区域布置成与介质入口4相邻。在分配区域8中，流动尽可能均匀地分配在整体上用9标注的流动区域的横截面上并且相邻于介质出口5相应地聚集。为此在相应的分配区域8中布置有敞开的、不阻塞且不引导流动的结构10，该结构例如以凸起部的形式构造。在分配区域8之间设有作为流动区域9的面积最大的部分的所谓的流场11，在该流场中通过流动引导结构、例如肋12沿着膜电极装置的之后被放置到双极板1的阴极侧的层2上的气体扩散层均匀地引导流动。
在此，阳极侧的层3的结构基本上类似但区别在于，在此用于氢气的介质入口13倾斜地与相应的用于阳极排气的介质出口14对置。此外，关于相应的流动区域9在一侧用于阴极侧和在另一侧用于阳极侧的结构是相似的且分别具有各自的附图标记。
通过在两个层2、3中分别用15和16标注的介质入口和介质出口15、16输入和重新排出冷却介质，如原则上由现有技术已知的那样。针对在此示出的本发明，冷却介质的引导不重要，因此无需对此进行进一步探讨。
位于内部的通道6和通孔7的原理借助根据在图1的两个层2、3中的线II-II的依照原理的截面图在图2的图示中再次示出。层2、3用不同的阴影线表征并且彼此连接。介质入口4穿过两个层对齐地布置。介质入口侧向地通入通道6中，该通道典型地在两个层中分别构造成其横截面的一部分。在这种情况下，通孔7将在阴极侧上的流动区域9或其分配区域8(具有凸起部10)与介质入口4之一连接，从而空气或氧气可以在该路径上到达分配区域8中并且从那里以本身已知的方式到达流场11中。如从图1的图示可以看到的那样，在另一个层3上，在对置的区域中布置有具有凸起部10的在那里的阳极侧的分配区域8。
在图3的图示中现在示出双极板1的改进的设计方案。为了防止层2、3在其分别与另一个层的通孔7对置的部段中的机械损害，在这些区域中，这些区域在图3的图示中用17标注，所述区域还可以类似于图1中的图示那样来理解。因此，这些加强的部段17与各个另外的层3、2的相应的通孔7对置，从而在阴极侧的层2中加强的部段17布置在倾斜对置的角部处、在此在左下和右上，并且与此相应地在阴极侧的层3中相邻于相应的用于阴极侧介质的介质入口4或介质出口5。在此，加强的区域17优选地与流动区域9、在此即相应的分配区域8的边缘连接，以便因此确保尽可能稳定的结构。
类似于图2中的其中示出根据现有技术的双极板1的结构的图示，在图4中还示出相应的根据图3中的线IV-IV的示意性截面图。该结构大体上相应于在图2的范围内描述的结构。在此仅加强的区域17相对于图2中的图示附加地存在。在这里示出的实施例中，为此加强与阳极侧的层2的通孔7对置的阴极侧的层3的材料，使得在凸起部10旁与通孔7对置的流动区域的自由深度相应地被减小。由此双极板1在加强的部段17中通过更大的材料厚度而充分地被加强。这特别可以直接在制造层3时同时纳入计划，特别是以其中含碳材料在塑料基体中成型并且硬化成层3的形式。
在随后的附图中同样分别类似于图4中的图示描述其他可能性方案。在此，材料尺寸还通过设计结构被相应地增大。替代于此还可以考虑，通过在制造双极板1的相应的层2、3时在层之间引入漆、树脂，置入纤维材料而相应地进行加强。
在图5的图示中，在加强的部段17中阳极侧的流动区域9在一定程度上被缩小，从而材料尺寸被提高至层3的相邻区域的材料尺寸。替代于此还可以并且这原则上也可以作为两个所描述的实施变型方案的补充而实现，相应地降低在通道6的区域中的材料尺寸，这在图6的图示中示意性示出，以便实现加强的区域17。
此外在图6的图示中纯示例性地示出加强纤维18，该加强纤维例如可以作为碳纤维、合成纤维、玻璃纤维等被引入加强的部段17中。
另一个可在图7中看到的可行性方案为了加强所述部段17还可以设置成，使得整个通道6仅布置在其中一个层中，在双极板1的在此示出的部位处即在阴极侧的层2中，从而与现有技术不同，在与在层2中的通孔7对置的层3的流动区域9的底部区域中的完整的材料尺寸保持不变。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池堆的双极板(1)，所述双极板具有两个层(2、3)，所述两个层在其彼此背离的表面上分别具有阳极侧的或阴极侧的流动区域(9)，其中，在所述两个层(2、3)中设置有对齐的介质入口(4、13、15)和介质出口(5、14、16)，其中，介质入口和介质出口(4、5、13、14、15、16)中的每个与在所述两个层(2、3)的内表面中的至少一个内表面中的通道(6)连接，其中，配属于阳极侧和阴极侧的通道(6)分别通过在相应的层(2、3)中的通孔(7)与阳极侧的或阴极侧的流动区域连通，
其中，相应的层(2、3)的材料在分别与另一个层(3、2)的通孔(7)对置的部段(17)中被加强，
其中，流动区域(9)通过在相应的层(2、3)的表面中的凹部形成，该凹部具有突出于凹部的底部的流动分配结构(10)和/或流动引导结构(12)，其中，加强的部段(17)具有比在相应的层(2、3)中的流动区域(9)的最深部位与相同的层(2、3)的对置表面之间的材料尺寸更大的材料尺寸，
其中，更大的材料尺寸通过流动区域(9)的具有减小的深度的部段(17)来实现。
2.根据权利要求1所述的双极板(1)，
其特征在于，
具有减小的深度的加强的部段(17)与流动区域(9)的边缘连接。
3.根据权利要求1所述的双极板(1)，
其特征在于，
加强的部段(17)的更大的材料尺寸通过流动区域(9)从加强的部段(17)的区域中移出而实现。
4.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，
其特征在于，
加强的部段(17)的更大的材料尺寸通过通道(6)的较小的深度或者通过在具有加强的部段(17)的层(2、3)中放弃通道(6)来实现。
5.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，
其特征在于，
在加强的部段(17)中的更大的材料尺寸是在相应的层(2、3)中的流动区域(9)的最深部位与相同的层(2、3)的对置表面之间的材料尺寸的1.5至2.5倍、优选2至2.5倍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，
其特征在于，
在加强的部段(17)中的材料的加强通过施加或引入另一种材料(18)来实现。
7.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，
其特征在于，
流动区域(9)分别具有流场(11)和两个包括通孔(7)的分配区域(8)，其中，流场(11)具有——特别是形式为肋(12)的——流动引导结构，分配区域(8)具有——特别是形式为凸起部(10)的——敞开的流动分配结构。
8.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(1)，
其特征在于，
所述两个层(2、3)分别由填充有含碳材料的塑料基体形成。
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