双极板、燃料电池垛和机动车的制作方法

本发明涉及一种具有阳极板和阴极板的用于燃料电池的双极板，其分别具有一个主动区域以及两个非主动区域，其中，在非主动区域中分别布置带有相应两个用于输送和导出反应气体的主气体端口和相应一个用于输送和导出冷却介质的冷却介质主端口的供给区域以及用于将主气体端口和冷却介质主端口连结到主动区域处的分配区域，其中，阳极板和阴极板如此构造和重叠布置，即，在背对彼此的侧上可引导反应气体并且在面向彼此的侧之间可引导冷却介质，本发明涉及一种燃料电池垛以及一种机动车。

背景技术：

燃料电池利用燃料与氧化学地转化成水以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜片电极组件(membraneelectrodeassembly简称mea)作为核心部件，其为由传导质子的膜片和分别两侧地布置在膜片处的电极(阳极和阴极)组成的复合物。在燃料电池的运行中，将燃料、尤其地氢气h2或含氢气的气体混合物输送给阳极，在阳极处，在释放电子的情况下进行电化学的氧化(h2→2h⁺+2e^-)。通过使反应腔气密地彼此分离并且电绝缘的膜片实现质子h⁺从阳极腔中到阴极腔中的(水合的或无水的)运送。在阳极处提供的电子通过电导线被导送给阴极。将氧气或含氧气的气体混合物输送给阴极，从而在吸收电子的情况下进行氧气的还原(½o²+2e^-→o^2-)。同时，在阴极腔中这些氧阴离子在形成水的情况下与通过膜片运送的质子反应(2h⁺+o^2-→h2o)。通过直接从化学能转化成电能，相对于其它电发生器，燃料电池由于避开了卡诺系数得到更好的效率。由于氧气相对于氢气更低的扩散速度，阴极反应尤其表示燃料电池反应的限制速度的元件。

通常，燃料电池通过多个布置成垛的(堆积的)、其电功率累加的膜片电极组件形成。在燃料电池垛的两个膜片电极组件之间分别布置双极板，其具有用于将过程气体输送给邻近的膜片电极组件的阳极或阴极的通道以及用于导出热的冷却通道。双极板由导电的材料组成，以建立电连接。由此，双极板具有膜片电极组件的过程气体供给、冷却以及电连结的三重功能。

双极板具有不同的区域，其先后布置在过程气体的主流动方向上。其首先是主通道或流体端口，通过其输送反应物和/或冷却介质。之后，紧接着是流入区域，其引导至分配结构。该分配结构分配流体，之后将流体输送给流动场，在该处，发生以上描述的化学反应。

在分配结构的区域中，通常重叠地引导所有运行介质，其中，从中得到的基础形状例如是三角形。在该三角形的形状中，通过定向的通道引导介质，以在整个宽度上利用运行介质供给流动场。

但是，也已知其它分配结构，即，在文献w02015150524a1中公开一种用于燃料电池的双极板，在其中，在板的分配区域中布置构造成分配结构的凹口。两个板的凹口部分地相交，从而在两个板之间构造冷却介质流动区域，而在两个位于外部的侧上提供用于阳极和阴极气体的流动区域。分配结构允许运行介质在双极板中的纵向流动和横向流动。

技术实现要素：

现在，本发明提出的目标是，提供一种双极板，其提供运行介质的更好的平衡压力。

该目标通过根据权利要求1所述的双极板、根据权利要求9所述的燃料电池垛或根据权利要求10所述的机动车实现。从属权利要求的对象是本发明的优选的设计方案。

提供一种具有阳极板和阴极板的用于燃料电池的双极板，阳极板和阴极板分别具有一个主动区域以及两个非主动区域，其中，在非主动区域中分别布置带有相应两个用于输送和导出反应气体的主气体端口的供给区域和相应一个用于输送和导出冷却介质的冷却介质主端口以及用于将主气体端口和冷却介质主端口连结到主动区域处的分配区域。阳极板和阴极板如此构造和重叠布置，即，在背对彼此的侧上可引导反应气体并且在面向彼此的侧之间可引导冷却介质，确切地说分别设置相应的流动区域。根据本发明，用于每种运行介质的分配区域具有分配结构，其中，最多两个分配结构完全或部分地重叠地布置。

因此，本发明基本上涉及分配结构的设计方案，也就是说，其形状和彼此位置，以及从主通道至相应的分配结构的与此相关的可能的输送通道，以及使相应的分配结构越过另外两个重叠布置的分配结构连结到流动场处的桥接通道。

在此，有利地，几乎可自由选择三个分配结构的尺寸和分配结构的彼此位置，从而可有效地解决通常存在的结构体积的最小单元长度和运行介质的充分均匀分配的目标冲突。

根据分配结构的尺寸实现输送和桥接通道的尺寸设计。在输送通道中，如有必要可设置错位，以平衡与分配结构的高度差。在桥接通道的区域中，位于其下或其上的分配结构中的一个或两个可具有更小的高度以获得双极板的一体的结构高度。

根据一实施形式，分配结构也可直接贴靠在主供给通道(端口)处。

分配结构可构造成定向的结构，例如以通道的形式，或构造成允许纵向和横向流动的敞开的结构，例如以凸点等形式，或者构造成其组合，其中，当然须考虑的是，是用于反应气体还是冷却介质的分配结构。

例如，从现有技术中，例如从以上提及的文献wo2015150524a1中已知允许纵向和横向流动且不具有在其中重叠地引导所有介质的上述三角形结构的分配结构。

所有运行介质的分配结构优选地具有矩形的基础形状，因为出于加工技术原因并且在尤其简单的可优化性方面，这是尤其有利的。

分配结构的矩形的基础形状意味着，其是为了分配相应的运行介质提供的空间，然而其不必强制地完全被利用。如此，根据本发明也可行的是，分配结构具有其它的几何形状，以在相应的燃料电池方案中可根据需要控制运行介质的输送。

根据需要地控制运行介质的输送还包括，分配结构具有不同的流动横截面和/或高度。

与分配结构相比，这彼此使用且也适用于单个分配结构，其可根据布置方案与其它分配结构相关地具有不同的流动横截面和/或高度。以上已经描述了在桥接通道的区域中的相应的高度匹配。

以优选的方式，所有运行介质的分配结构分别在主动区域的整个宽度上延伸，以保证在没有主动区域的压力差的情况下均匀的供给。

相应的分配结构的布置优选地可相对于供给区域和分配区域具有不同的距离，以有利地根据需要设计分配结构。由此，根据优选的实施形式，用于阳极气体的分配结构比用于阴极气体和冷却介质的分配结构更近地位于主动区域处，因为阳极需要最小的质量流。由此，与用于其它运行介质的设计方案相比，得到相应的输送通道的最小宽度和冷却介质分配结构的高度限制的最小宽度。

如此，在用于均匀分配空气和冷却介质的第一区段中使用恒定的结构空间高度。在第二区段中，该高度用于均匀分配阳极气体以及将空气/冷却介质输送至主动区域。

通过相对长的输送通道形成一种或两种介质的主端口与相应的分配结构的连接。由此，如已经描述的那样，可需要另一介质的分配结构的高度限制。这种变窄导致在相应的宽度上的主动区域的更小穿流。如果受限制的介质为冷却介质，则该效应可为有利的，因为其实现了在主动区域的边缘区域中的第二温度区间，或者其与邻接到周围环境处的区域的冷却相反地作用。这也可设置在主动区域的两侧上。

双极板的根据本发明的设计方案提供多种优点：

根据本发明的双极板的一重要的优点在于适合用于计算机辅助地优化(虚拟工程)各个结构，确切地说与其它运行介质的结构的设计方案无关。如此，已经在根据本发明设计双极板的研发过程的更早阶段中提高(预加载)了尽可能大的优化潜能。

针对燃料电池垛的燃料电池的研发同时需要考虑非常多的要求。尤其地，主动区域的理想介质供给与包装、材料和加工限制相对立。因此，合适的电池方案总是不同研发目标的折中。通过双极板的根据本发明的设计方案，与至今根据现有技术相比，有利地将研发过程更有力地在顺序上划分，以便于如此可先后优化各个需求。

通过矩形基础形状的参数构建和应用：对于分配结构而言，可有利地在短的时间段之内实现变型方案，其可无问题地进一步优化。

在此，用于燃料电池的设计的过程首先来自主动区域的设计方案并且随后来自所需的分配结构并且最终来自主供给通道(端口)的尺寸设计。

为了优化，产生用于计算阳极和阴极板的三个流体腔的五个域并且借助于cfd(computationalfluiddynamics，计算流体动力学)和fem(有限元方法)来研究。

有利地，在使用本发明燃料的情况中保持电池的矩形的基础形状。附加地实现的是，可同样矩形地实现高成本的半成品ccm(催化剂涂层的膜(catalystcoatedmembrane))和gdl(气体扩散层(gasdiffusionlayer))的切割，这有利地显著减小了废料并且由此降低了制造成本。

根据本发明的双极板提供高的结构空间效率，因为分配结构先后布置在供给区域和主动区域之间，从而与根据现有技术的分配结构相比，单个的分配结构分别在双极板的宽度上在相同压力下具有更高的高度。

通过改变用于冷却介质的分配结构的高度，可有利地呈现出在主动区域的边缘(同样两侧)处的第二温度范围(更小的穿流)，其预防了过强地冷却边缘并且此外在该区域中减小了水的凝结倾向。

通过分配结构的大的覆盖实现阴极气体的尤其有效的分配。

双极板的根据本发明的设计方案有利地适合用于双极板和以此为基础的燃料电池或燃料电池垛的不同基础形状。由此不重要的是，其对于在车辆的下底部区域中的布置方案或对于双重堆垛而言应是“长和窄”的还是说对于在车辆的前车区域中的布置方案来说应是“短和宽”的。

只要在具体情况中没有另外地阐述，在该申请文献中所述的本发明的不同的实施形式可有利地相互组合。

附图说明

以下在实施例中根据从属的附图解释本发明。其中：

图1以四个俯视图示出了根据本发明的双极板的阴极板和阳极板的两侧，

图2以两个示意性的视图从相反的侧示出了根据本发明的双极板的运行介质的流体腔，

图3以三个示意性的视图分别示出了用于运行介质的流体腔，

图4以两个示意性的透视的细节图示出了用于根据本发明的双极板的三种运行介质的流体腔，以及

图5以两个示意性的、透视的细节图示出了用于根据图4的根据本发明的双极板的三种运行介质的流体腔，其中，这针对阳极气体仅仅部分地说明。

附图标记清单

10阴极板

12阳极板

14a阴极板的背对阳极板的侧

14b阳极板的背对阴极板的侧

16a阴极板的面向阳极板的侧

16b阳极板的面向阴极板的侧

18,118流动场

20,20a,20b虚线

22,22a,22b虚线

24,124阳极气体主端口

26,126阴极气体主端口

28,128冷却介质主端口

30,130用于阴极气体的分配结构

32,132输送通道

34,134用于阳极的分配结构

36,136连接通道

38,138用于冷却介质的分配结构

40,140连接通道

142凸肩部

144错位

146错位

148错位

x,y空间方向

aa主动区域(反应区域，activearea)

ia非主动区域(inactivearea)

sa供给区域(supplyarea)

da分配区域(distributionarea)。

具体实施方式

在图1中示出了在其它方面尚未示出的双极板的阴极板10和阳极板12，双极板通常由阴极板10和阳极板12组成，其中，分别示出了阴极板10或阳极板12的彼此背对的侧14a,16a和阴极板10或阳极板12的面向彼此的侧14b,16b。为了清楚说明阴极板10或阳极板12的视图的空间取向，给出了x和y方向。

相反地，代替阴极板10和阳极板12，图2示出了位于其中的运行介质、即阳极气体、阴极气体和冷却介质的流体腔。从相反的侧示出流体腔，通过给出x和y方向来清楚说明其空间取向。附图标记相应于图1中的附图标记，区别是，在附图标记之前增加1以用于区分。这也适用于以下的图3至5，在其中同样示出了运行介质的相应的流体腔。

用于阴极气体的流体腔布置在阴极板10的背对阳极板12的侧14a上并且用于阳极气体的流体腔布置在阳极板12的背对阴极板10的侧16a上。在其它方面，在阴极板10与阳极板12之间布置用于冷却介质的流体腔。用于阴极气体和阳极气体的流体腔构造成敞开的通道结构，而用于冷却介质的流体腔是封闭的通道结构。敞开和封闭仅仅涉及以接合在一起的双极板的形式的阴极板10和阳极板12的情况。在燃料电池或燃料电池垛中所有通道结构是封闭的。

如以下描述的那样，流体腔相应于需求在不同的区域中设计成不同的。

阴极板10和阳极板12且由此还有流体腔分割成主动区域aa和非主动区域ia。主动区域aa的特征在于，在该区域中进行燃料电池反应。该主动区域aa也被称为流动场18,118。非主动区域ia可分别分割成供给区域sa和分配区域da。为了更明显地在视觉上分开主动区域aa和非主动区域ia，在图中设置虚线20和22，其象征性地示出了从主动区域aa到非主动区域ia的过渡。

在供给区域sa之内，分别布置阳极气体主端口24,124、阴极气体主端口26,126以及冷却介质主端口28,128用于导送至流动场18,118或用于在流动场18,118溢流之后导出运行介质，其在此处未示出的燃料电池垛中基本上相互对准并且构成在燃料电池垛之内的主供给通道。

以下实施方案始终涉及两个非主动区域ia，即使以单数进行描述。

每种运行介质都具有特定的分配结构30,130,34,134,38,138。用于阴极气体的分配结构30,130在分配区域da中布置成邻接于供给区域sa并且通过输送通道32,132与中心地布置在阳极气体主端口24,124和冷却介质主端口28,128之间的阴极气体主端口26,126相连接。用于阴极气体的分配结构30,130设计成矩形的并且布置成与主动区域aa间隔开。通过未详细示出的通道或其它定向的结构，用于阴极气体的分配结构30,130连结到主动区域aa或流动场18,118处。该通道也可以是主动区域aa的相应延长的通道或结构，其在附图中同样未详细示出。分配区域da的该自由的区域在阳极板12的相应的侧上被用于阳极气体的分配结构34,134占据，从而用于阴极和阳极气体的分配结构30,130,34,134在此处未示出的双极板中不是处于重叠的。用于阳极气体的分配结构34,134通过带有分配结构34,134的连接通道36,136连结到阳极气体主端口24,124处，分配结构34,134直接过渡到主动区域aa或流动场18,118的相应的结构中。用于阳极气体的连接通道36,136被引导到用于阳极气体的分配结构30,130和用于冷却介质的分配结构38,138上。用于冷却介质的分配结构38,138在用于阴极气体的分配结构30,130的区域中延伸，然而附加地与供给区域sa间隔开。通过连接通道40,140实现到冷却介质主端口28,128处的联接。如可看出的那样，所有分配结构30,130,34,134,38,138设计成矩形的。其它设计方案也是可行的，然而所示出的变型方案在制造中证实为有利的。如在图5中还更详细示出的那样，用于冷却介质的分配结构38,138在其中布置有用于阳极气体的连接通道36,136的区域中具有更小的高度。

在图3中分离地示出了用于根据图1和2的运行介质的流体腔。此外，还引入了虚线20a,20b,22a,22b，以便于可更明显地示出分配区域30,130,34,134,38,138的延伸。因此，该描述相应于在图1和2中的流体腔的描述。线20a表示用于阳极气体的分配结构38,138在供给区域sa的方向上的延伸以及用于阴极气体的分配结构30,130的延伸以及冷却介质的分配结构38,138在主动区域aa的方向上的延伸。通过线20b示出了用于阴极气体的分配结构30,130在供给区域sa的方向上的延伸。相反地，用于冷却介质的供给区域38,138未延伸至线20b并且由此不与用于阴极气体的供给区域30,130一致。

如可看出的那样，特定地为相应的运行介质确定分配结构30,130,34,134,38,138的尺寸设计、连接通道32,132,36,136,40,140的宽度和/或数量和阳极气体主端口24,124、阴极气体主端口26,126以及冷却介质主端口28,128的尺寸设计。

在图4和5中示出了细节图，以更明确地示出分配结构30,130,34,134,38,138的根据本发明的布置方案。对上述附图的描述也适用于图4和5。图4示出了用于所有运行介质的流体腔，而在图5中省去了用于阳极气体的连接通道136，从而可看出用于冷却介质的分配结构38,138的不同的高度设计方案。连接通道132,136,140分别具有错位144,146,148，以便于在连结相应的分配结构30,130,34,134,38,138的情况中平衡高度差。

用于冷却介质的分配结构38,138在用于阳极气体的连接通道136在其中被引导越过的区域中具有更小的高度，从而给出凸肩部142。

在图中示出的实施形式中，也可交换运行介质，从而例如用于阴极气体的结构的尺寸设计和布置方案相应于用于阳极气体的结构的尺寸设计和布置方案，且反之亦然。