在燃料电池堆中使用的双极板的制作方法

本发明涉及一种用于在燃料电池堆中使用的双极板。本发明还涉及一种燃料电池堆以及一种具有这种燃料电池堆的载具。

背景技术：

用于在载具中使用的燃料电池通常以燃料电池堆的形式实现，其中燃料电池以交替的极性相互串联并且藉由导电的双极板相互电连接。此外，双极板用于将氧气或空气和氢气引导到燃料电池并且为此具有流动通道的结构，这些流动通道作为“流场”是已知的。通过燃料电池运行产生热量，该热量须由对应的冷却装置导出。尤其在紧凑的燃料电池结构中要求可靠地将热量从燃料电池中移除，使得燃料电池保持在其运行温度并且不超过这个运行温度，并且因此可靠地运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种用于燃料电池的替代性的冷却设备，该冷却设备允许即使在紧凑的结构中也可靠地冷却燃料电池。

该目的通过具有独立权利要求1所述特征的双极板来实现。有利的改进方案和优选的实施方式自从属权利要求和下文的描述中得知。

提出一种用于在燃料电池堆中使用的双极板，所述双极板具有第一边界面和与所述第一边界面平行布置的第二边界面，其中所述边界面彼此以一定间隔布置并且限定间隙，其中所述双极板具有至少一个燃料电池区段，所述至少一个燃料电池区段具有流场，所述流场具有伸入到所述间隙中的凹陷，以用于与燃料电池直接接触，以及至少一个沿所述边界面从所述边界面延伸的冷却区段，其中至少一个热管被布置在所述间隙中，并且从所述燃料电池区段延伸到所述冷却区段中以用于热传递。

燃料电池堆被理解为由多个、至少相互电连接的燃料电池组成的组件。作为堆的组件是可靠并且简单的技术解决方案，以通过选择燃料电池的数量提高可以由堆生成的电功率。为了实现这个组件，各个燃料电池以交替的极性相互串联。双极板位于其间，这些双极板防止相邻电池之间的流体连接，然而这些电池相互电连接。由此得到由多个燃料电池组成的电串联，该电串联可以按需要通过添加另外的燃料电池和双极板得以补充。

双极板是这种燃料电池堆的主要组成部分。双极板以足够的电流强度和足够的气密性来确定尺寸，并且根据本发明还被用于冷却邻接的燃料电池。

在本发明的意义中，双极板具有两个相互平行实施的边界面，这些边界面可以看作是存在于双极板外侧并且限定实际板形的面。双极板例如可以实施为圆形的或有角的。两个边界面彼此间的间隔应尽可能小，以使板厚度以及因此还使对应的燃料电池堆的尺寸最小化。燃料电池区段分别与邻接的燃料电池处于面接触，以便为燃料电池供应氧气或空气以及氢气。同时，每个双极板在其燃料电池区段上吸收热量并且将热量释放给冷却区段。在那里可以将热量导出。

流场被设置成用于将用于燃料电池过程的反应物例如从双极板的边缘区域引导到燃料电池并且在那里优选地使该反应物均匀地分布。流场在边界面中的一个边界面上具有阳极通道，并且在另一个边界面上具有阴极通道。流场可以由多个凹陷组成，这些凹陷相互平行地布置并且被终止于相应的边界面中的接片相互分离或由接片本身形成。流场还可以由被布置在所涉及的边界面上的、环绕的并且闭合的接片限定。

优选地，至少一个热管可以具有铜网格，该铜网格产生相对于热传递媒介的毛细作用。这样的热管从电子学中，并且尤其是计算机技术中是已知的。集成在燃料电池中的优点在于：展示了取向中性和重力中性的安装可能性。此外存在以下可能性：热传递媒介在以热管的管道形式的闭合空间中传输，而不需要与周围环境流体连接。因此，当在双极板中集成有热管时避免了与其他双极板的电连接。因此，双极板中的每条热管如同独立的、被动运行的热循环一样起作用。在此，热传递媒介可以针对分别优选的温度范围进行适配。

通过将热管集成到双极板中，可能使双极板与常见的相比趋于略微更厚地设计。同时，对于双极板的设计有意义的是：以如下方式设计流场，使得即使在更低的反应物进料压力(例如0.5bar至0.7bar绝对压力)时在实践中也绝对不会出现功率损耗。这尤其通过以下方式实现：凹陷在流场中具有足够的深度。因为热管的集成伴随着趋于更大的厚度，因此热管以及流场的有利设计实现反应物的更低的必要压力并且因此实现例如用于空气的压缩机功率的可能的减小。根据本发明的双极板的可能略微更大的重量以及燃料电池堆的最终的体积增加通过省略外部的冷却系统以及更低的压缩机功率得以过度补偿。额外地，避免用于这种冷却循环的泵和阀降低了失效可能性和维护及投资成本。由此可以提高燃料电池系统的使用寿命。

在一个有利的实施方式中，所述冷却区段在单侧被布置在所述双极板上。因此，冷却可以集中到实际的燃料电池堆旁的单独的空间区域中。由于单侧延伸的冷却区段还仅需要单独的冷却空气通道或冷却剂通道，该冷却空气通道或冷却剂通道使空气或冷却剂围绕各个冷却区段流动。优选地，冷却区段为此可以成型为有利于流动的。

有利地，所述至少一个热管蜿蜒地在所述双极板中延伸。由此，与直线延伸相比，在双极板的释放热量的材料与实际的热管之间的有效接触面积得以扩大。

然而作为替代方案，所述至少一个热管的主要区段可能沿至少一条直线延伸。直线的走向可能减少双极板需要的结构空间，原因在于热管优选地不覆盖燃料电池区段，而是在其旁边延伸。

在此同样可设想的是使用星形布置的热管。星形的中心点例如可能位于燃料电池区段中。在此，中心点可能优选地布置在所涉及的燃料电池区段的中间。

然而还可能在双极板中延伸有多条热管。蜿蜒延伸的热管可能与大体上直的热管混合，或者可能使用多个蜿蜒延伸的或多个直线延伸的热管。

优选地，所述流场中的至少一个流场被设计成用于：当反应物压力在0.5bar至0.7bar绝对压力的范围内时为燃料电池供应反应物。因此不需要对空气进行耗费的压缩来作为氧化剂。0.5bar-0.7bar绝对压力的范围可能允许例如飞行器机载的燃料电池系统在不施加有压力的区域中运行，在该区域中可以实现仅来自外部空气供应的空气。为此，阴极侧的简单的、以外部空气流经的通风或在施加压力的区域(例如飞行器机舱)与飞行器的外部区域或周围环境空气之间的压力下降可能就足够了。这种通风还可能以电动或其他方式驱动的通风设备来实现。

所述双极板可能是多件式的并且是通过去除材料的制造方法制造的。去除材料的制造在工业范畴内是容易的并且是有效实施的。为此适用的是铣削法或蚀刻法。然而，在此实现的零件随后必须组装。例如这可能通过焊接、不影响导电性的粘合或通过机械连接手段来实现。还可设想双极板的两半在燃料电池堆中压在一起。在此要注意的是：密封集成的热管以防止载热液体的流出以及使两个挤压面建立足够的电连接。

替代性地，还可设想成型方法，例如压印或深冲方法。此外替代性地，激光熔覆也是可以的。

特别有利地，所述双极板是以生成式制造方法制造的；并且所述至少一个热管是以没有接合位置的方式被集成到所述双极板中的。在利用现代的生成式制造方法时可能制造出重量特别优化的双极板，其中不必制造或使用分离的热管，而是直接被集成到结构中。

在一个有利的实施方式中，所述冷却区段具有电绝缘层。在多个双极板的冷却区段之间空气湿度或湿气增加时，在非常小的区段中存在电压击穿或泄露电流的危险。然而这可以通过电绝缘层得以可靠地防止。在使用铝材料来制造双极板时例如可能提供阳极氧化层。在有利的变体中，这个阳极氧化层可能是被染成黑色的，以确保更好的热辐射。

本发明还涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有多个燃料电池，其中所述燃料电池以交替的极性布置并且成对地各通过一个根据上述说明的双极板相互电连接。因此，燃料电池形成堆或燃料电池堆。在此，所有双极板的冷却区段应指向燃料电池堆的同一方向，使得这些冷却区段能够简单地通过共同的冷却系统被冷却。

所述燃料电池系统还具有冷却系统，所述冷却系统具有被冷却剂流经的流体通道，所述双极板的冷却区段伸入到所述流体通道中。流体通道可以以如下方式形成，使得双极板所有的冷却区段可以伸入到这个流体通道中并且共同地被冷却剂流经。在特别简单的情况下，可以使用空气作为冷却剂。空气例如可能以氧化剂的形式实现，该氧化剂由于冷却过程在流入燃料电池之前被预热。然而还可设想液态的冷却剂，这些液态的冷却剂可以有益于构造紧凑的流体通道。这个流体通道可能具有带有流体进口的闭合的壁，该壁可以与流体源处于流体连接。

优选地，仅每第n个双极板具有冷却区段，其中n是1至20范围内的整数。冷却系统因此允许燃料电池系统通过限定数量的冷却区段进行冷却，以便因此降低相关的重量。例如可设想的是：每个第二双极板不具有这样的冷却区段，使得每个燃料电池分别仅在一侧被冷却。

在另一个有利的实施方式中，在彼此相继的冷却区段之间布置有间隔保持件。即使在燃料电池非常薄时，也可以在使用间隔保持件的情况下防止无意地触碰冷却区段，从而可以防止短路和泄露电流。

所述双极板还可能是具有多个燃料电池区段的多节段板，能够用反应物独立地供应所述燃料电池区段。多节段板可能用于燃料电池的简单的功率适配，使得有针对性地仅给双极板的各个段供应有反应物。多节段板可以为每个段设置有热管。此外，热管还可能被布置在各个段之间。

本发明还涉及一种载具，所述载具具有至少一个根据上述说明的燃料电池系统。所述载具还可以是飞行器。在飞行器处实现紧凑的燃料电池系统，该燃料电池系统可以简单地被冷却。

附图说明

本发明的其他特征、优点和应用可能性从对实施例的以下描述和附图中得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征自身和以任意组合构成本发明的主题，而与其在各个权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。此外，在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。

图1以局部截面示出双极板的第一变体，该双极板实施为多节段板。

图2以局部截面示出双极板的第二变体。

图3示出燃料电池系统的示意图。

图4示出飞行器，该飞行器具有集成在其中的燃料电池系统。

具体实施方式

图1示出了用于在(图3中示出的)燃料电池堆中使用的双极板2。双极板2具有第一边界面4(在这个视图中是背面)和与该第一边界面平行布置的第二边界面6。这两个边界面4和6彼此以一定间隔布置并且由此限定间隙8。这个间隙可以是部分中空的。示例性地，双极板2可能是由铝借助于生成式制造方法或通过去除材料的方法制造的。

在这个图示中，双极板2具有三个单独的燃料电池区段10，其中由于局部截面，因此在绘图平面中仅表示出了左侧的燃料电池区段10。在绘图平面中，在每个燃料电池区段10下方分别示出了冷却区段12，其中在此由于局部截面同样也仅表示出了左侧的冷却区段12。

燃料电池区段10被设置成用于为燃料电池供应反应物。为此设置有第一反应物供给通道14和第一反应物排出通道16。这些通道可以为被布置在第一边界面4中的流场供应有待供给的反应物。还设有第二供给通道18和第二反应物排出通道20。反应物通过第二反应物供给通道18落入到第二流场22中，该第二流场具有一排相互平行布置的接片24，这些接片相互围成或形成凹陷23。通过这些凹陷还得到一排精细的流动通道，这些流动通道跨越第二反应物供给通道18与第二反应物排出通道20之间的场或网格。如果将双极板2安装在燃料电池上，那么第二流场22覆盖燃料电池的一侧，并且因此确保反应物的均匀分布。为了密封，每个燃料电池区段10可以具有环绕的边缘26，该边缘同样实施为接片并且通过将双极板2压紧到燃料电池上来建立流体密封的连接。

类似地，这个构造也适用于第一流场21，该第一流场在这个图示中仅在截面视图a-a中可见，因为该第一流场位于第一边界面4中。

在运行燃料电池时，在燃料电池区段10中产生热量，该热量必须被导出。因此在双极板2中，为每个燃料电池区段10设置有热管28，该热管蜿蜒地从相应的燃料电池区段10延伸至相应的冷却区段12。热管28支持朝向相应的冷却区段12的热传导。因为选择了蜿蜒的走向，因此可以在燃料电池区段10中实现特别好的热量吸收并且在冷却区段12中实现特别好的热量释放，原因在于被热管28覆盖的面积或热管28的行程长度是较大的。

冷却区段12从相应的燃料电池区段10侧向地向外延伸。如果在燃料电池堆中使用多个双极板2，则因此在燃料电池区段10处形成燃料电池堆，同时各个双极板2的冷却区段12随后彼此以一定间隔布置。冷却剂可以流经由于间隔产生的空隙，该冷却剂吸收相应的冷却区段12的热量并且将热量从双极板2中移除。为了防止在这个构型中无意地触碰双极板，每个冷却区段12具有一排孔30，这些孔用于接纳间隔保持件。

为了改善在冷却区段12中热量向相应的冷却剂的传递，设置有多个沟槽或凹槽31。这些沟槽或凹槽可以使冷却剂产生涡流，这提高了热传递系数并且还扩大了有效的表面积。

双极板2在图1中实施为多节段板，该多节段板具有多个燃料电池区段10。双极板2因此具有多个相邻的节段32。节段32的数量既可以减小，也可以增大。这种设计方案的目的在于：灵活地运行或切断不同数量的燃料电池段，以便能够应对燃料电池堆的不同的负载情况。

图2示出了双极板34的略微简化的变体，该双极板仅具有单个的燃料电池区段10和单个的冷却区段12。由此允许运行单个的燃料电池或单个的燃料电池段。从燃料电池区段10至冷却区段12的热传导可以由示例性的两条热管36得以支持，这两条热管是被实施为直线的并且相互平行地延伸。这两条热管被布置在燃料电池区段10和冷却区段12的彼此相反的侧上。因为热管36仅沿着燃料电池区段10在其旁边延伸，然而并不穿过该燃料电池区段，因此双极板34可以比图1的双极板2实施得略微更薄。

图3非常示意性地示出了具有多个燃料电池40的燃料电池系统38，这些燃料电池在两个双极板34之间分别以相反的极性布置。燃料电池区段10直接邻接到燃料电池40。冷却区段12彼此相距一定间隔，并且可以被布置在(在此以虚线表示的)流体通道42中。冷却剂流经这个流体通道并且可以在此吸收冷却区段12的热量并且由此使冷却区段12冷却。间隔保持件43可以被布置在各个冷却区段12之间。如在图1和图2中示出，间隔保持件43可以被紧固在专用的孔30上。

最后，图4示出了飞行器44，在该飞行器中示例性地布置有燃料电池系统38。该燃料电池系统特别适合在飞行器44中使用，原因在于可以通过热管实现特别紧凑的结构形式。

补充性地可以指出，“具有”并不排除其他的元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多数。此外还可以指出，可以使用已经参照上述实施例之一描述的特征还有与上文描述的另外实施例的其他特征的组合。权利要求书中的附图标记不应视为限制。

附图标记清单

2双极板

4第一边界面

6第二边界面

8间隙

10燃料电池区段

12冷却区段

14第一反应物供给通道

16第一反应物排出通道

18第二反应物供给通道

20第二反应物排出通道

21第一流场

22第二流场

23凹陷

24接片

26边缘

28热管

30孔

31沟槽/凹槽

32节段

34双极板

36热管

38燃料电池系统

40燃料电池

42流体通道

44飞行器