TW202312546A - 用於燃料電池之雙極板 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於燃料電池之雙極板（1），由兩個板體半部（2、3）組成，該等板體半部具有相向的表面（13、15）及位於此等表面（13、15）之區域內之對準元件（9），該等對準元件包含具有高度（H）的隆起（14）及具有深度（T）的對應的凹陷（12）。本發明之特徵在於，所有的隆起（14）及對應的凹陷（12）在縱向（L）上具有比在橫向（Q）上更大之延伸度（L1、L2），其中在該等表面（13、15）之每一者上皆設有該等對準元件（9）的四個對應部分，其中每兩個對準元件位於同一條直線（10、11）上並以相同的取向進行定向。

Description

用於燃料電池之雙極板

本發明係關於一種如請求項1前言中所詳細定義之類型的用於燃料電池之雙極板，該雙極板由兩個特別是相互黏合之板體半部組成。

基本上由DE 10 2009 036 039 A1已知此類雙極板。如該德國專利申請公開案所述，雙極板由兩個半部或層組成，該等半部或層以材料結合方式相互連接，在金屬雙極板之情況下例如為焊接。

為能將兩個板體半部或層儘可能高效地相互對準，在板體半部的相向的表面上設置對準元件。此等對準元件由具有高度的凸起及具有深度的對應的凹陷組成。當兩個板體半部或層被疊置定位時，隆起與凹陷接合，從而幫助部件相互對準。在上述德國專利申請公開案中，從圖4開始的實施例對此進行了相應描述。其結構為：在其中一個方向上藉由一個元件進行定位，在另一個方向上藉由兩個元件進行定位。為此，其中一個板體上的凹陷被實施為明顯大於另一板體上的凸起，且該凸起進一步還具有不同於凹陷之造型。這相對來說比較複雜。另外，用於對準的元件係設置於實際流場旁邊，會對雙極板的形狀產生不利影響，或者說在後續必須將其分離的情況下，會大幅增加製造難度。

因此，本發明之目的在於提供一種如請求項1前言中所詳細定義之類型的、由兩個板體半部組成的改良雙極板。

根據本發明，此目的係藉由一種具有請求項1中、特別是請求項1之特徵部分中之特徵的雙極板而達成。此雙極板的有利設計及進一步方案可從相關附屬項獲得。

與一般的先前技術相似，本發明的雙極板被設置為由兩個板體半部組成。兩個板體半部至少在其相向的表面上具有位於表面區域中之對準元件，該等對準元件由具有高度的隆起及具有深度的對應的凹陷組成。根據本發明，所有的隆起及對應的凹陷在第一縱向上具有比在第二橫向上更大之延伸度，其中縱向及橫向相互垂直並位於同一平面內。此時，每個表面上皆設有四個對準元件。其中，每兩個對準元件位於同一條直線上並具有相同取向。這意味著，位於同一條直線上的兩個對準元件之縱向例如相對於板體半部的外邊緣或板體半部的中心對稱線為相同定向，而位於較佳與第一直線相交之第二直線上的另外兩個對準元件同樣具有相同取向。亦即，成對的對準元件為相同取向，但對與對之間較佳為不同取向。這使得兩個板體半部的定位相應地簡單而高效，而後可將其方便地以形狀配合方式相互連接，特別是相互黏合。此黏合較佳可藉由嵌入的密封黏合材料或施加在其中一個板體半部上的密封黏合材料來完成。

根據本發明之雙極板的一個特別有利的進一步方案，兩個對準元件的縱向以相同取向沿直線延伸。亦即，該縱向係沿著連接兩個對準元件的直線佈置或與之對齊，從而尚能沿此直線以及沿該縱向進行一定程度之位置調整，該程度取決於凹陷與該凹陷所對應的凸起之間必然存在的最小尺寸差異，然而在實踐中該最小尺寸差異極小，因為此處僅需補償十分之幾公釐範圍內之公差。

根據本發明之雙極板的另一個非常有利的技術方案，至少一條直線不與板體半部之外尺寸之間的對稱線重合。原則上，兩個對準元件可被定位於相應板體半部中心的同一條直線上。然而事實證明，若該直線偏心延伸並且偏離結構中心的此種對稱線，是有利的。具體而言，該直線可傾斜於對稱線延伸，從而使以相同取向佈置的對準元件例如位於相關板體半部之沿對角線相對設置的角上。

然而，根據另一個非常有利的技術方案，亦可將偏離對稱線的直線設置成平行於該對稱線定向，並且平行偏離此對稱線之程度小於縱向尺寸的兩倍。亦即，在此特別有利的技術方案中，直線相對於對稱線僅「輕微」偏移，以便有效對抗板體半部在對準及黏合之前有可能發生的相對扭曲。藉此使製造具有很強的容錯能力。

根據本發明之雙極板的另一個非常有利的技術方案，可進一步如下設置：凸起及對應凹陷具有相同造型，其中凸起在縱向、橫向及其高度上的尺寸小於凹陷在縱向、橫向及其深度上的尺寸。相同的造型以及在所有三個空間方向上僅最低程度地小於凹陷之設計，使各凹陷能有效容納各凸起，以實現穩妥且可靠之對準，從而使兩個板體半部能以極小的公差相互對準，同時可有效補償板體中的最小製造公差。

根據本發明之雙極板的一個有利技術方案，板體半部由內部分佈有含碳材料的塑膠基質形成。此類往往亦被稱為石墨板或碳複合雙極板的雙極板通常係在相應模具中製成。這使得此類雙極板的製造公差比較小，因為模具可以實現公差較小的強制成型。如此一來，隆起及對應的凹陷的相同造型可被理想地用來將此類型之板體最佳地連接起來。例如前述先前技術中的金屬雙極板則有所不同，金屬雙極板在焊接過程中會相應地發生膨脹，因此幾乎不可能使隆起及對應凹陷具有相同形狀。

另一個非常有利的技術方案進一步規定：隆起的橫向於該表面延伸的面與該表面所成之角度與凹陷的對應面與該表面所成之角度相同。亦即，若在對準元件內部，隆起及凹陷皆在其橫向於該表面延伸的區域中具有相同角度，則特別有利。此角度可例如為大約5°至15°，從而允許兩個板體半部在其對準元件區域內可靠地相互插接，同時使其中一個板體半部的位置對準另一個板體半部，以實現兩個板體半部之黏合。

根據一個非常有利的技術方案，對準元件在橫向上的延伸度可小於縱向上之延伸度的三分之一，以便可靠定義有針對性的首選方向，其中高度及深度小於橫向上之延伸度的一半。藉此將可靠防止隆起貼靠在凹陷底部，從而確保實際的板體半部之間藉由黏合而實現的貼靠與密封係發生於為此所設置的區域中。

普通雙極板的縱向可具有例如2 mm至10 mm，較佳5 mm至7 mm之延伸度。此種結構足夠小，從而可被安置在板體半部的導流區域與外邊緣之間，同時又足夠大，從而能實現板體半部相對於彼此之可靠定位。與前述之先前技術不同，此時不需要使用諸如突出部或凸耳等附加元件來相應定位用於對準的元件，否則，該等附加元件會在後續使用時佔用不必要的空間，增加不必要的重量，或者須麻煩地從成品雙極板上移除。

本發明之雙極板的進一步有利設計亦可從實施例中獲得，下面將參照圖式詳細描述該等實施例。

圖1以分解圖示意性地示出雙極板1。該雙極板由兩個板體半部2、3組成，在此處所圖示的實施例中，該等板體半部藉由密封黏合材料4相互連接。其中，在圖中朝上的表面上以習知方式設有流場5，該流場係用於以此種雙極板1建構而成之燃料電池的離析物之一，特別是大氣氧氣或氫氣。冷卻介質流場通常被封閉在兩個板體半部2、3之間，圖中僅示出該冷卻介質流場的其中一個半部，即位於下板體半部3中之半部。該冷卻介質流場以符號6標示。除此之外，在雙極板1中設有用於饋送及排出介質之豁口7，該等豁口以習知方式進行設計。在此省略詳細圖示，因為此種豁口對本發明來說是次要的，可用相關領域通常知識者所熟悉的任何方式來設計。在圖2的視圖中，再次對例如下板體半部3及其用於冷卻介質的相應流場6進行圖示。流場6與已提到的豁口7一起位於相關板體半部2、3及未來由此等板體半部2、3黏合而成之雙極板1的外邊緣8以內。其中，每個板體半部2、3皆來自於一個壓模，並且由含碳材料（如石墨）與相應塑膠基質之混合物製成。在燃料電池的整個疊堆中，製成的板體半部2、3基本相同。只是對於燃料電池邊緣區域的兩個又稱介面板之雙極板1而言，僅需要其中一個板體半部2、3，且該板體半部與可供選擇的介面板體半部結合，或者使用兩個匹配的板體半部。然而，適合雙極板1之板體半部2、3的設計同樣適用於此等元件，下面將詳細說明之。

為了簡化兩個板體半部2、3的相互對準，現在在板體半部2、3的相向的表面上設置對準元件9，該等對準元件分別由其中一個板體半部2、3上的凸起或隆起14（參見圖6）及另一板體半部3、2之相同區域中的對應的凹陷12（參見圖4）所形成。在圖2的視圖中，兩個對準元件9相對於流場6大致居中地形成，且在此橫向於通流通道之主方向。在此處所圖示的實施例中，該等對準元件的形式為兩個具有倒圓邊緣之矩形，該等矩形被佈置成透過一條以10標示且被繪示成虛線之直線而相互連接。該等對準元件位於板體半部3的外邊緣8以內，實際流場6以外。此外，另一對對準元件9位於外邊緣8與開口7之間，並且可透過另一條直線11相互連接。此兩對對準元件9分別以相同取向進行佈置，在圖2所示的實施例中，該取向與相關對準元件9的縱向對齊，或者說沿直線11或10定向，在接下來的圖4及其後的圖式中還將對該縱向進行說明。其中，直線10、11大致成直角相交，從而使成對配置之對準元件9的縱向亦相應地互成直角。其中，至少一條直線（在此為直線11）相對於板體半部3的對稱線S平行偏移，以便可靠地防止板體半部2、3在組裝時發生扭曲。其中，對稱線S與直線11之間的偏移量小於對準元件9在縱向上之延伸度的兩倍，亦即，相對於整個板體半部3或雙極板1的尺寸來說比較小。

圖3的視圖中示出各單一對準元件9的一種替代性佈局。直線10及11在此分別沿對角線從一個角延伸至另一個角，並大致相交於板體半部3的中心處。分別透過直線10或11相互連接的兩個對準元件9在此亦仍以相同之定向形成，然而如圖3的視圖所示，該定向不必與相關直線10、11對齊。分別透過直線10、11相互連接之各對對準元件9的取向例如可形成比兩條直線10、11之間的交角更大之角度，因此，該等取向之間例如互成80°至100°之角度。

在圖4及其後之圖式的視圖中，可看到對準元件9之凹陷12及隆起14的一種可能設計之放大圖。在圖4的視圖中例如示出板體半部2，該板體半部在圖1的視圖中對應於上板體半部，並且純示例性地對應於陽極板。圖中左部為凹陷12沿縱向L之縱剖面，右部則為沿橫向Q之截面。沿著縱向L，凹陷12例如在面向板體半部2之表面13的區域中具有縱向L上的第一延伸度L1及橫向Q上的第一延伸度Q1。表面13與凹陷12的最深點之間的深度為T。

舉例而言，縱向上的延伸度L1可例如為大約6 mm，而深度T可實現為0.5 mm，橫向Q上的延伸度可實現為Q1 = 1.5 mm。其中，凹陷12的形狀可以是具有倒圓邊緣的矩形，或者是透過直邊相互連接的兩個半圓形，如圖5的視圖中按照圖4中的箭頭V之觀察方向所示。

圖6的視圖中示出與圖4所示之凹陷12相對應的隆起14，其中，此處亦是左部為縱剖面，右部為截面。隆起14相應地突出於第二板體半部3的表面15。在縱向上，該隆起同樣在與表面15的交線區域中具有尺寸L2，在橫向Q上則具有尺寸Q2。該隆起相對於表面15具有高度H。如圖7中按照圖6中之箭頭VII所示，其造型與凹陷12的設計相當。但其尺寸略小，即L2小於L1，例如當L1 = 6 mm時，L2 = 5.8 mm。Q2相應小於Q1，例如Q1 = 0.5 mm，Q2 = 0.135 mm至0.145 mm。高度H亦相應小於深度T，以便在實現定心的情況下卻不影響表面13、15彼此之間的貼靠或對佈置於二者之間的黏合密封材料4之貼靠。為此，深度T例如可為上述的0.5 mm，高度H則僅為0.45 mm。

相關領域通常知識者當然清楚，上述尺寸純屬舉例說明，且可相應地加以改動。具體來說，深度T應小於整個板體半部2、3之厚度的三分之一，以免板體半部2的穩定性出現不必要之下降。

圖8示出根據圖2之實施方式的一個變體。根據圖2之對準元件9的佈局可被描述為十字形。根據圖8之對準元件9的佈局亦可類似地被描述為十字形，其中與圖2相比，圖8中的十字係側向傾斜或者說已轉動45°。

根據圖9的實施方式結合了根據圖3之實施方式（在該實施方式中，對準元件9的佈局可被描述為十字形）及根據圖8之實施方式的設計要素：左下方及右上方的兩個對準元件9如圖3所示進行佈置；左上方及右下方的兩個對準元件9如圖9所示進行佈置。

當然，亦可採用其他造型，反過來佈置同樣是可行的，即在板體半部3上建構凹陷12，在板體半部2上建構隆起14。當然，針對所設置的四個對準元件9中之每一者來說，亦可相應變換凹陷12及對應隆起14在各板體半部2、3上之定位。因此，每對對準元件9例如可包括分別位於板體半部2、3上的一個凹陷12及一個隆起14。對與對之間採用不同設計亦是可想像的。

1:雙極板 2:板體半部 3:板體半部 4:密封黏合材料 5:流場 6:冷卻介質流場 7:豁口 8:外邊緣 9:對準元件 10:直線 11:直線 12:凹陷 13:表面 14:隆起 15:表面 H:高度 L:縱向 L1:縱向上的第一延伸度 L2:尺寸 Q:橫向 Q1:橫向上的第一延伸度 Q2:尺寸 S:對稱線 T:深度 V:箭頭 VII:箭頭

其中： [圖1]為根據先前技術之雙極板的分解示意圖； [圖2]為本發明之雙極板之板體半部的第一可行實施方式之俯視圖； [圖3]為本發明之雙極板之板體半部的第二可行實施方式之俯視圖； [圖4]為對準元件之凹陷的縱剖面及截面； [圖5]為根據圖4之凹陷的俯視圖； [圖6]為本發明之對準元件之隆起的截面及縱剖面；以及 [圖7]為根據圖6之隆起的俯視圖； [圖8]為本發明之雙極板之板體半部的第三可行實施方式之俯視圖； [圖9]為本發明之雙極板之板體半部的第四可行實施方式之俯視圖。

3:板體半部

6:冷卻介質流場

7:豁口

8:外邊緣

9:對準元件

10:直線

11:直線

S:對稱線

Claims (10)

1. 一種用於燃料電池之雙極板（1），由兩個板體半部（2、3）組成，該等板體半部具有相向的表面（13、15）及位於此等表面（13、15）之區域內之對準元件（9），該等對準元件包含具有高度（H）的隆起（14）及具有深度（T）的對應的凹陷（12）， 其特徵在於， 所有的隆起（14）及對應的凹陷（12）在縱向（L）上具有比在橫向（Q）上更大之延伸度（L1、L2），其中在該等表面（13、15）之每一者上皆設有該等對準元件（9）的四個對應部分，其中每兩個對準元件位於同一條直線（10、11）上並以相同的取向進行定向。
2. 如請求項1所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等兩個對準元件（9）的縱向（L）以相同取向沿各自的直線（10、11）延伸。
3. 如請求項1或2所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等直線（10、11）中的至少一者不與相關的板體半部（2、3）之外尺寸之間的對稱線（S）重合。
4. 如請求項3所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等直線（10、11）中的至少一者與該對稱線（S）平行相隔的距離小於該等對準元件（9）在縱向（L）上之尺寸（L1、L2）的兩倍。
5. 如請求項1至4中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等隆起（14）及該等凹陷（12）具有相同造型，其中該等隆起（14）在縱向（L）、橫向（Q）及高度（H）上的尺寸小於該等凹陷（12）的相應尺寸。
6. 如請求項1至5中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該凸起（14）的橫向於該表面（13、15）延伸的面與該表面（12、13）所成之角度與該凹陷（12）的對應面與該表面所成之角度相同。
7. 如請求項1至6中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 橫向（Q）上的延伸度（Q1、Q2）小於縱向（L）上之該延伸度（L1、L2）的三分之一，其中該高度（H）及該深度（T）小於橫向（Q）上之該延伸度（Q1、Q2）的一半。
8. 如請求項1至7中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 縱向（L）上之該延伸度（L1、L2）為2 mm至10 mm，較佳為5 mm至7 mm。
9. 如請求項1至8中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等板體半部（2、3）由分佈於塑膠基質中之含碳材料形成。
10. 如請求項1至9中任一項所述之雙極板（1）， 其特徵在於， 該等對準元件（9）佈置在相關的板體半部（2、3）的導流區域（6）與外邊緣（8）之間。

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