CN117239164A - 双极板及其制造方法、电池设备、增材制造设备和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在燃料电池设备(12)中使用的双极板(40)、双极板系统、燃料电池设备、燃料电池系统、双极板制造方法和增材制造设备。该双极板(40)包括整合的层片(74)，层片(74)包括一个或更多个导电纤维(84)并且被配置成电连接至电源(38)，使得当向层片(74)供应电力时，一个或更多个纤维(84)被加热。

Description

双极板及其制造方法、电池设备、增材制造设备和系统

技术领域

本发明涉及用于在燃料电池设备中使用的双极板。本发明还涉及双极板系统、燃料电池设备、燃料电池系统、用于制造在燃料电池设备中使用的双极板的方法、增材制造设备、计算机程序和计算机可读介质或数据载波信号。

背景技术

燃料电池设备，例如质子交换膜(PEM)燃料电池，将燃料(例如氢气)和氧化剂的化学能转化为电力。用于燃料电池设备的燃料可以以低温液化气体的形式提供。对于燃料电池设备的运行，液化气体需要呈气体形式。因此，低温液化气体需要被升温至约室温。实现此的一种方式可以是使用在燃料电池设备中产生的热量来使低温液化气体升温。然而，在冷启动时，燃料电池设备需要相当长的时间以产生热量。虽然电发动机即使在冷启动时也能够非常快速地递送其指定的扭矩，但是燃料电池设备将需要更多的时间来达到其工作温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于改善燃料电池设备的冷启动性能的设备。

为了实现该目的，本发明提供了一种用于在燃料电池设备中使用的双极板。还提供了一种双极板系统、燃料电池设备、燃料电池系统、用于制造在燃料电池设备中使用的双极板的方法、增材制造设备、计算机程序、以及计算机可读介质或数据载体信号。

在一个方面中，本发明提供了一种用于在燃料电池设备中使用的双极板，双极板包括整合的层片，层片包括一个或更多个导电纤维并且被配置成电连接至电源，使得当向层片供应电力时，一个或更多个纤维被加热。

优选地，纤维是碳纤维，更优选地是碳纳米管纤维。

优选地，碳纳米管纤维包括缠结的碳纳米管。

优选地，层片包括基本上彼此平行布置的多个纤维。

优选地，多个纤维基本上沿第一方向布置。

优选地，双极板包括另一层片。

优选地，另一层片包括一个或更多个导电纤维。

优选地，另一层片包括沿第二方向基本上彼此平行布置的多个纤维。

优选地，第二方向不同于第一方向，更优选地，第二方向垂直于第一方向。

优选地，层片布置在双极板的相对表面之间。

优选地，层片布置成基本上平行于该表面。

优选地，表面中的至少一个表面包括双极板结构。

优选地，该表面是双极板的有源表面。

优选地，一个或更多个纤维分布在层片上方，更优选地均匀分布在层片上方。

优选地，一个或更多个纤维被布置成在其端部之间电断开。

优选地，双极板包括导电细丝。

优选地，导电细丝连接多个纤维的端部。

优选地，导电细丝包括石墨烯富集材料和/或金属材料。

优选地，导电细丝整合在双极板中。

优选地，一个或更多个纤维整合在非导电细丝中。

优选地，非导电细丝是热塑性细丝。

在另一方面，本发明提供了一种双极板系统，其包括根据前述实施方式中任一项所述的双极板和电连接至双极板的层片的电源。

在另一方面，本发明提供了一种燃料电池设备，其包括根据前述实施方式中任一项所述的至少一个双极板。

在另一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，其包括燃料电池设备和电连接至至少一个双极板的层片的电源。

在另一方面，本发明提供了一种飞行器，其包括根据前述实施方式中任一项所述的双极板、双极板系统、燃料电池设备和/或燃料电池系统。

在另一方面，本发明提供了一种用于制造在燃料电池设备中使用的双极板的方法，该方法包括以下步骤：

根据前述实施方式中任一项所述的双极板的增材制造。

优选地，该方法包括以下步骤中的至少一个、若干个或全部：

打印一个或更多个导电纤维的层片；

打印连接多个纤维的端部的一个或更多个导电细丝；

在双极板的表面中的至少一个表面上打印双极板结构；

利用富集有导电材料、优选地富集有石墨烯颗粒的树脂进行打印；

打印整合在非导电材料中的一个或更多个纤维，非导电材料优选地为热塑性材料；

通过同轴打印对整合的细丝进行打印；

打印一个或更多个纤维的端部之间电断开的一个或更多个纤维；

利用基本上彼此平行布置的多个纤维打印层片；

打印分布在层片上方、优选地均匀分布在层片上方的一个或更多个纤维；

利用一个或更多个导电纤维打印另一层片；

利用基本上彼此平行布置的多个纤维来打印另一层片；

改变打印方向；

利用基本上垂直于层片的一个或更多个纤维布置的一个或更多个纤维打印另一层片。

在另一方面，本发明提供了一种增材制造设备，其包括适于打印根据前述实施方式中任一项所述的双极板的打印设备和适于执行根据前述实施方式中任一项所述的方法的步骤的控制装置。

在另一方面，本发明提供了一种计算机程序，其包括使增材制造设备执行根据前述实施方式中任一项所述的方法的步骤的指令。

在另一方面，本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序或承载该计算机程序的数据载体信号。

多个纤维的端部可以进一步被电连接。

一个或更多个纤维的层片或端部还可以电连接至电源。

本发明的实施方式优选地具有以下优点和效果：

本发明的实施方式优选地提供了一种通过整合导电碳纳米管纤维来改善燃料电池的冷启动行为的方法和设备。可以通过增材制造将纤维构建至热塑性双极板中。

优选地，增材制造通过同轴打印或同轴打印头来实现。

优选地，单材料打印头用于可以打印导电细丝的整合电气分配器，该导电细丝包含例如石墨烯富集材料和/或金属材料。优选地，导电细丝覆盖突出的碳纳米管(CNT)纤维的端部。

为了进一步改善加热效果，优选的实施方式在双极板中包括树脂，该树脂可以富集有导电材料例如石墨烯，优选地朝向电极。

在达到工作温度之后，在优选实施方式中，电压源被中断。碳纳米管纤维可以帮助带走由热燃料电池产生的过多的热量。

本发明的优选实施方式可以具有以下优点中的一个、若干个或全部：

-整合的CNT纤维有助于在冷启动时更快地达到燃料电池的工作温度；

-整合的CNT纤维有助于在冷启动时燃料电池中温度的更均匀分布；

-通过整合的CNT纤维，可以省去需要热交换器的重量和空间；

-没有通过加热螺旋的外部布线；

-在工作温度下，CNT纤维可以帮助带走过多的热量；

-CNT纤维与大多数现有的树脂(包括热塑性塑料)良好兼容；

-通过双极板中的石墨烯富集树脂可以进一步改善从CNT纤维的加热效果。

本发明的优选实施方式提供了双极板中的快速加热效果。加热效果也可以共同加热反应物和相邻电极。

以这种方式，可以实现快速加热，并且与双极板的周边的任何外部加热源相比，可以实现更均匀的热量分布。

附图说明

现在参照附图更详细地说明本发明的实施方式，在附图中：

图1示出了在冷启动后电发动机和常规燃料电池设备的性能随时间变化的定性比较；

图2示出了通过热交换器将热量施加至管道的燃料电池推进系统的比较实施方式；

图3示出了燃料电池系统的比较实施方式；

图4示出了比较的双极板系统；

图5示出了图4的双极板系统的温度分布；

图6示出了根据本发明的实施方式的双极板；

图7示出了图6的双极板的一部分的放大视图；

图8示出了图6的双极板的另一部分的放大视图；

图9示出了碳纳米管纤维；

图10示出了碳纳米管纤维的一部分的放大视图；

图11示出了根据本发明的实施方式的燃料电池系统；

图12示出了根据本发明的实施方式的双极板系统；

图13示出了图12的双极板系统的温度分布；

图14示出了根据本发明的实施方式的用于制造双极板的方法中的步骤；以及

图15示出了根据本发明的实施方式的用于制造双极板的方法中的另一步骤。

具体实施方式

图1示出了在冷启动后电发动机10和常规燃料电池设备12的性能随时间变化的定性比较。

如从图1中可以看出，与常规燃料电池设备12的性能相比，电发动机10的性能在冷启动后快速达到。

采取的措施包括加热反应物。如果使用液态氢14，则需要将其加热至20℃。实现此的一种方式是通过使用热交换器16。

图2示出了通过热交换器16将热量施加至管道20的燃料电池推进系统18的比较实施方式。

燃料电池推进系统18包括罐22、管道20、燃料电池设备12、热交换器16和电发动机10。

罐22包含呈低温液化气体26形式的燃料24。低温液化气体26在这种情况下为液态氢14，但是可以用作燃料电池设备12中的燃料24的其他低温液化气体26是可能的。

管道20与罐22和燃料电池设备12流体连接。

在工作中，燃料电池设备12将燃料24和氧化剂28的化学能转换成电力。由燃料电池设备12产生热量。在图2所示情况下的氧化剂28是气体形式的氧气30。为电发动机10提供电力。

在图2的比较实施方式中，热交换器16将由燃料电池设备12产生的热量通过热液管32传递至管道20，使得在管道20中将液态氢14转化成气体形式的氢气34。

反应物的热交换效率可以取决于所使用的加热介质的温度、热交换器16的大小等。如果燃料电池设备12是冷的，则需要在热交换将进行之前达到其工作温度。

图3示出了使燃料电池设备12的升温时间缩短的一种可能性，图3描绘了燃料电池系统36的比较实施方式。

燃料电池系统36包括燃料电池设备12和电源38。

燃料电池设备12包括两个双极板40、呈阳极和阴极形式的电极42以及膜44。

双极板40分别包括两个相对的表面48和构成双极板40的周边66的两对相对侧面50。

双极板结构52分别布置在表面48上。双极板结构52包括在燃料电池设备12的工作中分配氢气34和氧气30的突出部54和凹部56。因此，表面48是双极板40的有源表面58。

双极板40分别包括加热设备60。在当前情况下，加热设备60包括呈金属线64形式的加热螺旋62。

金属线64在其周边66处附接至每个双极板40。在当前情况下，金属线64附接至双极板40的侧面50。换言之，金属线64附接在双极板40的周围。加热螺旋62电连接至电源38。

当向加热螺旋62供应电力时，金属线64被加热。热量使燃料电池设备12升温。根据加热螺旋62的附接方式、其厚度、长度和几何形状，升温效果将变化。

如果如图3所示附接在周边66或侧面50周围，则接近加热螺旋62的升温效果将最高，而在燃料电池设备12的内部的升温效果较低。

这在下面图4中描绘的比较的双极板系统68上示例性的示出。

双极板系统68包括图3的双极板40。加热螺旋62电连接至电源38。

图5示出了图4的双极板系统68的温度分布TD。

温度分布TD取自图4中的双极板40的指示的截面A、B、C、D、E。当向加热螺旋62供应电力时，金属线64被加热。热量使双极板40升温。

如从图5中可以看出，接近周边66或侧面50的截面A、E的温度分布TD基本上是恒定的。截面B和D的温度分布TD在双极板40的内部区域70中具有最小值。截面C的温度分布在双极板40的中心72处具有甚至更小的最小值。因此，双极板40的加热不均匀。

图6示出了根据本发明的实施方式的双极板40。

双极板40包括多个层片74。然而，在本发明的范围内，双极板40还可以包括单个层片74。在当前情况下，双极板40包括第一层片76、第二层片78、第三层片80和第四层片82。

层片74整合在双极板40中。这意味着层片74被布置在由双极板40包围的区或区域83内。

层片74被布置在双极板40的表面48之间。在当前情况下，层片74被布置成与表面48平行。表面48是分别具有双极板结构52的有源表面58。

层片74分别包括多个导电纤维84。然而，在本发明的范围内，每个层片74还可以包括单个纤维84。

在图4所示的情况中，每个层片74的纤维84被布置成基本上彼此平行。第一层片76和第二层片78的纤维84沿第一方向D1布置。第三层片80和第四层片82的纤维84沿基本上垂直于第一方向D1的第二方向D2布置。其它布置也是可能的。

图7和图8示出了双极板40的部分的放大视图。所述部分取自图6中的圆圈。

纤维84包括端部86。第一层片76和第二层片78的端部86在双极板40的一对相对侧面50中的一个侧面处从双极板40突出。第三层片80和第四层片82的端部86在双极板40的一对相对侧面50中的另一侧面处从双极板40突出。

每个层片74的纤维84在端部86之间电断开。因此，没有产生短路。

层片74的纤维84是碳纳米管纤维88。图9示出了这样的碳纳米管纤维88。

碳纳米管纤维88显示出良好的拉伸性能、高导电性，并且显示出强焦耳效应。碳纳米管纤维88可以被构造成具有不同的直径尺寸并且可以具有对于普通碳纤维90常见的直径，例如5μm至10μm。碳纳米管纤维88是机械鲁棒的。

图10示出了碳纳米管纤维88的一部分的放大视图。所述一部分取自图7中的圆圈。

碳纳米管纤维88包括多个碳纳米管92。碳纳米管92彼此缠结或接合至较大的碳纳米管纤维88中。

现在参照图11，图11描绘了根据本发明的实施方式的燃料电池系统36。

燃料电池系统36包括电源38和根据本发明的实施方式的燃料电池设备12。

燃料电池设备12包括图6的双极板40。

每个层片74的纤维84的端部86通过外部布线94电连接，使得双极板40的层片74分别电连接至电源38。当向层片74供应电力时，纤维84被加热。热量使燃料电池设备12升温。

图12示出了根据本发明的实施方式的双极板系统68。

双极板系统68包括图6的双极板40。电源38与层片74的纤维84的端部86电连接。

图13示出了图12的双极板系统68的温度分布TD。

温度分布TD取自图12中的双极板40的指示的截面A、B、C、D、E。当向层片74供应电力时，纤维84被加热。热量使双极板40升温。

如从图13中可以看出，截面A、B、C、D和E的温度分布TD基本上是恒定的，特别是在整个内部区域70和中心72的温度分布TD基本上是恒定的。因此，实现了双极板40的均匀加热。

在下文中，参照图14和图15描述了根据本发明的实施方式的用于制造双极板40的方法。

图14示出了方法的步骤。

该步骤包括双极板40的增材制造96。增材制造96通过包括打印设备100的增材制造设备98来实现。

在当前情况下，打印设备100包括同轴打印头102。

同轴打印头102包括第一线轴104和第二线轴106。纤维84的线缆、线材或粗纱108缠绕在第一线轴104周围。非导电细丝110缠绕在第二线轴106周围。在当前情况下，非导电细丝110是热塑性细丝112。

增材制造设备98还包括机械臂114。同轴打印头102附接至机械臂114。

增材制造设备98还包括控制装置116(未示出)。控制装置116适于控制打印设备100和机械臂114。

计算机程序118被存储在控制装置116中。计算机程序118使增材制造设备98执行以下步骤：

同轴打印头102打印整合的细丝120。换言之，同轴打印头102将非导电细丝110或热塑性细丝112添加至纤维84的粗纱108中。因此，纤维84被打印成整合在非导电细丝110中或被非导电细丝110包围。

多个整合的细丝120可以彼此平行地打印用于构建层片74。整合的细丝120可以被堆叠构建另外的层片74。整合的细丝110可以被打印成均匀地分布在层片74上。

图15示出了方法的另一步骤。

打印设备100还包括单材料打印头122。计算机程序118使增材制造设备98执行以下另一步骤：

单材料打印头122打印导电细丝124。导电细丝124可以包括石墨烯富集材料126或金属材料128。导电细丝124覆盖或连接多个纤维84的端部86。

此外，在端部86附近的打印可以包括利用富集有导电材料132例如富集有石墨烯颗粒134的树脂130进行打印。

根据本发明，可以布置整合在双极板40中并且均匀地分布在层片74上的导电纤维84。因此，可以实现双极板40的均匀加热和在冷启动时燃料电池设备12的有效升温。

附图标记列表：

10电发动机

12燃料电池设备

14液态氢

16热交换器

18燃料电池推进系统

20管道

22罐

24燃料

26低温液化气体

28氧化剂

30气体形式的氧气

32热液管

34气体形式的氢气

36燃料电池系统

38电源

40双极板

42电极

44膜

46周边

48表面

50侧面

52双极板结构

54突出部

56凹部

58有源表面

60加热设备

62加热螺旋

64金属线

66周边

68双极板系统

70内部区域

72中心

74层片

76第一层片

78第二层片

80第三层片

82第四层片

83区或区域

84导电纤维

86端部

88碳纳米管纤维

90碳纤维

92碳纳米管

94外部布线

96增材制造

98增材制造设备

100打印设备

102同轴打印头

104第一线轴

106第二线轴

108粗纱

110非导电细丝

112热塑性细丝

114机械臂

116控制装置

118计算机程序

120整合细丝

122单材料打印头

124导电细丝

126石墨烯富集材料

128金属材料

130树脂

132导电材料

134石墨烯颗粒

TD温度分布

D1第一方向

D2第二方向

Claims (15)

1.一种用于在燃料电池设备(12)中使用的双极板(40)，所述双极板(40)包括整合的层片(74)，所述层片(74)包括一个或更多个导电纤维(84)并且被配置成能够电连接至电源(38)，使得当向所述层片(74)供应电力时，所述一个或更多个纤维(84)被加热。

2.根据权利要求1所述的双极板(40)，其中，所述纤维(84)是碳纳米管纤维(88)。

3.根据权利要求1或2所述的双极板(40)，其中，所述层片(74)包括沿第一方向(D1)彼此大致平行布置的多个纤维(84)。

4.根据权利要求3所述的双极板(40)，其中，所述双极板(40)包括包含一个或更多个导电纤维(84)的另一层片(74)，其中，所述另一层片(74)包括沿第二方向(D2)彼此大致平行布置的多个纤维，所述第二方向(D2)优选地不同于所述第一方向(D1)，所述第二方向(D2)更优选地基本上垂直于所述第一方向(D1)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)，其中，所述层片(74)被布置在所述双极板(40)的相对表面(48)之间，所述层片(74)优选地基本上平行于所述表面(48)，其中，所述表面(48)中的至少一个表面包括双极板结构(52)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)，其中，所述一个或更多个纤维(84)被布置成在其端部(86)之间电断开。

7.根据权利要求6所述的双极板(40)，还包括连接多个纤维(84)的所述端部(86)的导电细丝(114)，其中，所述导电细丝(114)优选地包括石墨烯富集材料(116)和/或金属材料(118)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)，其中，所述一个或更多个纤维(84)被整合在非导电细丝(106)中，所述非导电细丝(106)优选地为热塑性细丝(108)。

9.一种双极板系统(68)，包括根据前述权利要求中任一项所述的双极板(40)和电连接至所述双极板(40)的层片(74)的电源(38)。

10.一种燃料电池设备(12)，包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(40)。

11.一种燃料电池系统(36)，包括根据权利要求10所述的燃料电池设备(12)和电连接至所述燃料电池设备(12)的至少一个双极板(40)的层片(74)的电源(38)。

12.一种用于制造在燃料电池设备(12)中使用的双极板(40)的方法，所述方法包括以下步骤：

根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(40)的增材制造(96)。

13.一种增材制造设备(98)，包括适于打印根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(40)的打印设备(100)，和适于执行根据权利要求12所述的方法的步骤的控制装置(116)。

14.一种计算机程序(118)，包括使根据权利要求13所述的增材制造设备(98)执行根据权利要求12所述的方法的步骤的指令。

15.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序(118)或携带根据权利要求14所述的计算机程序的数据载波信号。