CN117378067A - 用于燃料电池的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的双极板(1)，双极板由两个板半部(2、3)组成，板半部具有面对彼此的表面(13、15)和在该表面(13、15)的区域中的对齐元件(9)，对齐元件包括具有高度(H)的高起部(14)和对应的具有深度(T)的凹陷部(12)。本发明的特征在于，所有高起部(14)和对应的凹陷部(12)在纵向(L)上具有比在横向(Q)上更大的延伸尺寸(L1、L2)，在表面(13、15)中的每一个上布置有对齐元件(9)的对应部件中的四个，其中每两个位于一条公共的直线(10、11)上并以相同的定向取向。

Description

用于燃料电池的双极板

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、由两个尤其是相互粘接的板半部组成的用于燃料电池的双极板。

背景技术

这种类型的双极板已经基本上从DE 102009036039 A1中已知。在此，双极板由两个半部或层组成，这两个半部或层材料锁合地相互连接，例如在金属双极板的情况中相互焊接，如在所述德国公开文献中描述的那样。

为了能够尽可能高效地使两个板半部或层彼此对齐，在此在板半部的面对彼此的表面上设置有对齐元件。对齐元件由具有高度的凸起部和对应的具有深度的凹陷部组成。如果将两个板半部或层彼此相叠地定位，那么凸起部接合到凹陷部中，并且因此在构件彼此对齐时进行辅助。在所述德国公开文献中，这在从图4开始的实施例中相应地描述。在此，该结构被设计为，使得在一个方向上通过一个元件进行定位，并且在另一方向上通过两个元件进行定位。为此，在其中一个板中，凹陷部实施成比另一个板中的凸起部显著更大，此外，该凸起部还具有与凹陷部不同的造型。这相对较费事。此外，用于对齐的元件设置在实际的流场旁边，并且以不适宜的方式影响双极板的形状，或者对于必须事后必须切掉该元件的情况，造成显著的附加制造成本。

发明内容

因此，在此本发明的目的在于，给出改进的根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的由两个板半部组成的双极板。

根据本发明，该目的通过具有在权利要求1中并且在此尤其是在权利要求1的特征部分中所述的特征的双极板实现。双极板的有利的设计方案和改进方案从相关的从属权利要求中得到。

在根据本发明的双极板中，与在此类的现有技术中相似地，规定，双极板由两个板半部构成。这两个板半部至少在其面对彼此的表面处具有在表面的区域中的对齐元件，对齐元件由具有高度的高起部和对应的具有深度的凹陷部组成。根据本发明，所有高起部和对应的凹陷部在第一纵向上具有比在第二横向上更大的延伸尺寸，其中，纵向和横向彼此垂直并且位于同一平面中。现在，在表面中的每个表面上布置有四个对齐元件。在此，每两个对齐元件位于一条公共的直线上并且具有相同的定向。即，这意味着，位于共同直线上的两个对齐元件的纵向相对于例如板半部的外棱边或板半部的中心对称线相同地取向，而位于与第一直线优选相交的第二直线上的另外两个对齐元件同样具有相同的定向。即，定向是成对地相同的，但对与对之间定向优选不同。由此，实现两个板半部的相应简单且高效的定位，随后，这两个板半部可以简单地形锁合地相连接、尤其是相互粘接。在此优选地，粘接可以通过被嵌入或施加到板半部之一上的密封和粘接材料实现。

按照根据本发明的双极板的一种极其适宜的改进方案，在此规定，具有相同定向的两个对齐元件的纵向沿着直线伸延。因此，纵向布置成沿着连接两个相应的对齐元件的直线或与该直线齐平，从而在一定程度上还实现了沿着该直线并且沿着纵向调整位置，这种调整由于凹陷部与和凹陷部对应的高起部之间的不可避免的最小尺寸差异而产生，但在实际中，这种调整非常小，因为在此仅仅应补偿在几十分之一毫米的范围内的公差。

按照根据本发明的双极板的另一非常有利的设计方案，在此，直线中的至少一个与在板半部的外尺寸之间的对称线不重合。原则上，同一直线上的两个对齐元件可以居中地定位在相应的板半部中。但证实为有利的是，直线偏心地伸延并且与该结构中心处的对称线偏离。该直线尤其是可以相对于对称线倾斜地伸延，从而以同一定向布置的对齐元件例如布置在相应的板半部的对角相对的角部中。

但按照另一非常适宜的设计方案也可以规定，偏离于对称线的直线平行于对称线取向，并且以小于纵向尺寸的两倍的间距平行地与对称线偏离。亦即，在该特别适宜的设计方案中，直线仅仅相对于对称线“稍微”移动，以由此有效地消除在对齐和粘接之前潜在的板半部的彼此扭转。由此，制造非常防错。

现在，根据本发明的双极板的另一非常有利的设计方案此外可以规定，高起部和对应的凹陷部具有相同的造型，其中，在纵向、横向以及其高度方面，高起部都构造成小于凹陷部在纵向、横向以及其深度中的尺寸。高起部的与凹陷部相同的造型且在所有三个空间方向上比凹陷部仅仅小最小值的设计方案，允许相应的高起部被相应的凹陷部有效地容纳，以由此实现安全且可靠的对齐，这种对齐能够实现两个板半部以非常小的公差彼此对齐，并且同时可以有效地补偿在板中的最小制造公差。

按照根据本发明的双极板的一种有利的设计方案，板半部在此由具有分布在其中的含碳材料的塑料基质形成。典型地，在相应的模具中制造这种类型的双极板，其常常也被称为石墨板或碳复合双极板。由此，双极板具有相对小的制造公差，因为通过模具可以实现以小的公差强制造型。由此，可理想地将高起部和对应的凹陷部的相同造型用于最优地将这种类型的板相互连接。这与例如在开头阐述的现有技术中描述的金属双极板不同，现有技术的双极板在焊接时相应地膨胀并因此几乎不能实现相同形状的高起部和对应的凹陷部。

此外，另一非常有利的设计方案规定，高起部的横向于表面伸延的面与该表面所成的角度和对应的凹陷部的面与该表面所成的角度相同。因此，特别适宜的是，在对齐元件内不仅高起部而且凹陷部在其横向于表面伸延的区域中具有相同的角度。例如，该角度可以为约5°至15°，并且因此允许两个板半部在其对齐元件的区域中可靠地侵入彼此中，同时使一个板半部相对于另一板半部的位置为将两个板半部粘接而对齐。

在此，根据一种非常有利的设计方案，对齐元件在横向上的延伸尺寸可以小于在纵向上的延伸尺寸的三分之一，以由此可靠地定义针对性的优先方向，其中，高度和深度小于在横向上的延伸尺寸的一半。由此，可靠地防止高起部贴靠在凹陷部的底部上，从而通过粘接在实际的板半部及其表面之间在为此设置的区域中实现贴靠和密封。

在此，在通常的双极板中，纵向可以具有例如2mm至10mm的、优选地5mm至7mm的延伸尺寸。这种结构小得足以可布置在引导流动的区域与板半部的外棱边之间，并且同时大得足以实现板半部相对于彼此的可靠对位。于是，与在以上所述的现有技术中不同地，不需要附加的元件例如突出部或耳部以相应地定位用于对齐的元件，这些元件在稍后的使用中占据不必要的空间并带来不必要的重量，或者相应地必须费事地从完成的双极板中被除去。

附图说明

根据本发明的双极板的其它有利的设计方案也从以下参考附图详细描述的实施例中得到。

其中：

图1以分解图示出了根据现有技术的双极板的示意图；

图2示出了根据本发明的双极板的板半部的第一可行实施方式的俯视图；

图3示出了根据本发明的双极板的板半部的第二可行实施方式的俯视图；

图4示出了对齐元件的凹陷部的纵截面和横截面；

图5示出了根据图4的凹陷部的俯视图；

图6示出了根据本发明的对齐元件的高起部的横截面和纵截面；以及

图7示出了根据图6的高起部的俯视图；

图8示出了根据本发明的双极板的板半部的第三可行实施方式的俯视图；

图9示出了根据本发明的双极板的板半部的第四可行实施方式的俯视图。

具体实施方式

在图1的图示中，可在分解图中看到示意性地指出的双极板1。双极板由两个板半部2、3组成，在此处示出的实施例中，这两个板半部通过密封和粘接材料4相互连接。以已知的方式，在此，在向上示出的表面中，设有用于利用这种双极板1构造的燃料电池的反应物之一(尤其是空气氧气或氢气)的流场5。典型地，在两个板半部2、3之间围住冷却介质流场，其中仅可看到冷却介质流场的一半、即位于下板半部3中的那一半。该冷却介质流场通过附图标记6表示。此外，在双极板1中设有用于输入和排出介质的缺口7，该缺口以已知的方式实施。在此，省去了细节图，因为这对于这里的本发明不重要，并且可以以所有对于本领域技术人员来说常用的形式任意构造。现在，在图2的图示中，再次示出了例如看向下板半部3及其相应的用于冷却介质的流场6的视角。流场6与已经说过的缺口7一起位于相应的板半部2、3以及稍后由板半部2、3通过粘接形成的双极板1的外边缘8内。在此，板半部2、3中的每一个都来源于压制成型，并且由含碳材料(例如石墨)和相应的塑料基质组成的混合物制成。在此，完成的板半部2、3在燃料电池的整个堆垛上构造成基本上相同。仅仅对于在燃料电池的边缘区域中的两个双极板1(其也被称为接口板)来说，仅仅需要板半部2、3中的一个并且其与备选的接口板半部组合，或者使用两个适配的板半部。但对于以下详尽描述的双极板1的板半部2、3适用的内容同样也适用于这些元件。

为了简化两个板半部2、3的彼此对齐，现在在板半部2、3的面对彼此的表面上设置多个对齐元件9，所述对齐元件分别由板半部2、3之一中的凸起部或高起部14(见图6)和对应的在相应另一板半部3、2的相同区域中的凹陷部12(见图4)形成。在图2的图示中，两个对齐元件9此时相对于流场6大致居中地构造并且在此横向于被穿流的通道的主方向。在此处示出的实施例中，对齐元件构造成两个具有倒圆的边的矩形的形状，这两个矩形布置成，通过以10表示的虚线绘出的直线相互连接。对齐元件位于板半部3的外边缘8内、实际的流动场6之外。此外，另一对对齐元件9位于外边缘8与开口7之间并且可通过另一直线11相互连接。这两对对齐元件9分别以如下相同的定向布置，即：在图2中示出的实施例中，该定向与相应的对齐元件9的纵向(在随后的图4中还将详细说明)平齐，或者说沿着直线11或10取向。在此，直线10、11以大致成直角的方式相交，从而分别成对地配套的对齐元件9的纵向也相应地彼此成直角。在此，直线中的至少一个、在此是直线11布置成相对于板半部3的对称线S平行地偏移，以使得由此可靠地防止板半部2、3的装配扭转。在此，在对称线S与直线11之间的偏移小于对齐元件9在纵向上的延伸尺寸的两倍，即，与整个板半部3或双极板1的尺寸相比相对小。

在图3的图示中，示出了各个对齐元件9的备选的布置方案。此时，直线10和11构造成分别从一个角部对角地伸延到另一角部，并且近似在板半部3的中心相交。在此，通过相应的直线10或11相互连接的两个对齐元件9也再次构造成分别具有相同的取向，但不必以与相应的直线10、11齐平的方式定向，如在图3的图示中可见的。例如，通过相应的直线10、11相互连接的相应的对齐元件9对的定向的取向可以构造成，与在两个直线10、11之间的交角相比成更大的角度，从而彼此的定向在80°和100°之间的角度范围内。

现在，在随后的图4的图示中，可看到对齐元件9的凹陷部12和高起部14的一种可行的设计方案的放大图。在图4的图示中，在此例如示出了板半部2，该板半部在图1的图示中相应于上板半部并且纯示例性地相应于阳极板。在该图中，可在左侧看到凹陷部12的沿着纵向L的纵剖视图，在旁边右侧看到该凹陷部的沿着横向Q的横剖视图。沿着纵向L，凹陷部12例如在布置在板半部2的表面13处的区域中具有在纵向L上的第一延伸尺寸L1和在横向Q上的第一延伸尺寸Q1。在凹陷部12的最低点与表面13之间的深度在此为T。

举例来说，在纵向上的延伸尺寸L1例如可以为约6mm，同时可以实现具有0.5mm的深度T和具有Q1＝1.5mm的在横向Q上的延伸尺寸。在此，凹陷部12可以具有矩形的形状，该矩形具有倒圆的边，或者说两个通过直边相连接的半圆，如在按照图4中的箭头V的方向看去的图5的图示中示出的。

现在，在图6的图示中，示出了与在图4的图示中的凹陷部12对应的高起部14，其中，在此也可在左侧看到纵截面图并且在右侧看到横截面图。在此，高起部14相应地伸出超过第二板半部3的表面15。在与表面15的交线的区域中，高起部再次在纵向L上具有尺寸L2并且在横向Q上具有尺寸Q2。高起部相对于表面15具有高度H。在此，如从按照图6中的箭头VII看去的图7中的视图中示出的那样，该造型与凹陷部12的设计相似，然而尺寸稍小，从而L2小于L1，例如当L1＝6mm时，L2＝5.8mm。相应地，Q2小于Q1，例如，Q1＝0.5mm而Q2＝0.135mm至0.145mm。高度H也相应地小于深度T，以使得虽然实现对中，但不妨碍表面13、15的彼此贴靠或贴靠在布置在它们之间的粘接和密封材料4上。为此，深度T例如可以具有以上已经说过的0.5mm，而高度H仅为0.45mm。

当然，本领域技术人员都清楚，所述尺寸是纯示例性的，可以相应地改变。尤其是，在此深度T应构造成小于整个板半部2、3的厚度的三分之一，以由此防止不必要地减弱板半部2的稳定性。

图8示出了根据图2的实施方式的变型方案。根据图2的对齐元件9的布置方案可被描述成交叉的。根据图8的对齐元件9的布置方案可以与其类似地同样也被描述成交叉的，其中，在图8中的交叉与图2相比侧向倾斜或者说转动了45°。

根据图9的实施方式将根据图3的实施方式(在其中，对齐元件9的布置方案可以被描述成圆形的)和根据图8的实施方式的设计元素组合在一起：左下和右上的两个对齐元件9如在图3中那样布置；左上和右下的两个对齐元件9如在图9中那样布置。

显然，其它造型也可行，如反过来的布置方案，即凹陷部12在板半部3中而高起部14在板半部2中的设计方案。当然，也可以对于所设置的四个对齐元件9中的每一个相应地交换凹陷部12和对应的高起部14在相应的板半部2、3中的定位。例如每对对齐元件9可以分别包括在相应的板半部2、3上的一个凹陷部12和一个高起部14。也可设想这些对的彼此不同的设计方案。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的双极板(1)，双极板由两个板半部(2、3)组成，这两个板半部具有面对彼此的表面(13、15)和在所述表面(13、15)的区域中的对齐元件(9)，所述对齐元件包括具有高度(H)的高起部(14)和对应的具有深度(T)的凹陷部(12)，其特征在于，所有高起部(14)和对应的凹陷部(12)在纵向(L)上具有比在横向(Q)上更大的延伸尺寸(L1、L2)，在所述表面(13、15)中的每一个上布置有对齐元件(9)的对应部件中的四个，其中每两个位于一条公共的直线(10、11)上并且以相同的定向取向。

2.根据权利要求1所述的双极板(1)，其特征在于，具有相同定向的两个对齐元件(9)的纵向(L)沿着相应的所述直线(10、11)伸延。

3.根据权利要求1或2所述的双极板(1)，其特征在于，所述直线(10、11)中的至少一个不与在相应的板半部(2、3)的外尺寸之间的对称线(S)重合。

4.根据权利要求3所述的双极板(1)，其特征在于，所述直线(10、11)中的至少一个平行地与对称线(S)间隔开一间距，该间距小于对齐元件(9)在纵向(L)上的尺寸(L1、L2)的两倍。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，高起部(14)和凹陷部(12)具有相同的造型，高起部(14)在纵向(L)、横向(Q)以及高度(H)上构造成小于凹陷部(12)的相应的尺寸。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，高起部(14)的横向于表面(13、15)伸延的面和凹陷部(12)的对应的面与所述表面(12、13)所成的角度相同。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，在横向(Q)上的延伸尺寸(Q1、Q2)小于在纵向(L)上的延伸尺寸(L1、L2)的三分之一，高度(H)和深度(T)小于在横向(Q)上的延伸尺寸(Q1、Q2)的一半。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，在纵向(L)上的延伸尺寸(L1、L2)为2mm至10mm，优选为5mm至7mm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，双极板(2、3)包括分布在塑料基质中的含碳材料。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的双极板(1)，其特征在于，对齐元件(9)布置在相应的板半部(2、3)的外棱边(8)与引导流动的区域(6)之间。