燃料电池用隔板的制作方法

1.本发明涉及一种按照在权利要求1的前序部分中详细定义类型的、用于在燃料电池中引导介质的隔板。


背景技术：

2.由多个单电池构成的燃料电池组的构造大体上由现有技术已知。在pem技术的燃料电池中，例如在两个供送阳极侧和阴极侧介质的隔板之间布置所谓的膜电极组件(mea)，该膜电极组件由气体扩散层、催化剂和形成单电池的电解质的真正的膜以及可能存在的电绝缘膜或电绝缘层构成。隔板于是经常被组合成所谓的双极板，从而隔板的一个表面构成一个单池的阳极侧并且另一个表面构成相邻的单池的阴极侧。通常还在隔板的表面之间或在双极板的两个分板之间设置用于冷却介质的通道，所述冷却介质用于从燃料电池排出废热。所有这些对于本领域技术人员来说都是从现有技术中已知的。
3.隔板在此通常被构造成，使隔板具有不同的缺口，这些缺口在单电池以其隔板上下堆叠时在所谓的燃料电池组内部构成连续的通道。于是，缺口用于介质的输入和输出。根据隔板的表面和其功能，例如将氢分配到阳极侧上的功能，布置在隔板中的通道结构于是被布置用于将介质(在此例如是氢)均匀地分配到mea的阳极侧上。这些通道结构通过分配区域和也被称为通路的连接通道与用于输入氢的相应缺口连接。这也类似地适用于隔板的在流动方向上的另一侧。在此同样设置有分配区域，其相应地设置有用于输出剩余氢和所产生的产物水的缺口。其它缺口用于例如在板的相对置的侧上输入和输出空气和/或用于例如在双极板的分别具有朝向阳极和阴极的表面的两个分板之间输入和输出冷却介质。这对于本领域技术人员而言也是在现有技术中已知的。在该结构中有问题的是，燃料电池组根据其安装位置而定，在分配板区域中有被冻结的水以不同程度阻塞的趋势，从而在实践中通常必须非常精确地注意合适的安装位置。此外，隔板还具有相对较高的压力损耗，因此对流经隔板的用于引导介质的结构的介质形成高阻力。
4.对于其它现有技术，就这种结构而言可以仅示例性地参考文献de 10 2009 003 946 a1和us 2011/0177423 a1。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种具有根据权利要求1前序部分所述结构的改进的隔板，该隔板相对于现有技术得到改进，并且特别是避免上述在安装位置和压力损耗方面的缺点或使之最小化。
6.根据本发明，该目的通过具有权利要求1中的特征的隔板、并且在此尤其是在权利要求1的特征部分中所述的隔板来实现。隔板的有利的设计方案和改进方案在与此相关的从属权利要求中给出。
7.根据本发明的解决方案提出，分配区域被设计成，使得分配区域直接与其所对应的缺口/贯通口连接并且在缺口整个周部上包围该缺口。因此，缺口位于分配区域内部并且
不再像现有技术中那样通过输入通道或通路与分配区域连接。发明人已经认识到，由此可以明显减小压力损耗，这是因为现在提供相应更大的流动横截面，以便优化气体从缺口的区域进入分配区域中进而最终进入通道结构中，以用于分配介质例如以达到冷却目的或用于将介质转移到单电池的全部表面上。
8.另一非常重要的优点还在于，分配区域被布置成围绕与该分配区域相关联的缺口的整个周部包围该缺口，这种布置结构提供的优点是，来自缺口的区域的气体或从所有方向流入缺口中的气体都可进入缺口。如果由于安装位置的原因，一侧被湿气润湿并且在温度降到冰点之下时被冰阻塞，那么在缺口的周部周围的其它区段仍然可用，从而确保相应的介质经由围绕缺口的整个周部/在缺口的整个周部周围延伸的分配区域流入到通道结构中。因此，不再需要强制规定的安装位置就能够即使在冻结条件下也可靠地启动燃料电池组。而且该燃料电池组能够在封装方面以最有利的方式和方法来构造，这尤其是在燃料电池组的车辆应用中并且尤其是在车辆应用中经常出现冻结启动的问题时是非常重要的优点。由此，可以理想地利用现有的结构空间，并且因此提供了小的、紧凑的并且可相对容易地装配到预定的车身中的燃料电池系统。
9.根据该构思的一个有利的设计方案，分配区域在此具有鳍状和/或突起形式的支承结构。支承结构对于该构造而言一方面有助于，即使在用于夹紧燃料电池组的强压力下也不使分配区域被压缩。另一方面尤其当支承结构以突起的形式来设计并且因此在分配区域中被设计成开放式结构时，支承结构具有的优点是，支承结构能够相对均匀地引导流动通过分配区域或者流动可以“找到”优选的流动路径。如果单个区域被水或冰阻塞，则可以简单地绕过这些区域流动，从而即使在困难的运行情况下也能够在总体上实现非常好的流动分布。这尤其是突起或鳍与本身封闭的单独通道相比的非常重要的优点。
10.在此，分配区域在位于缺口周围的分配区域部分中也具有这些支承结构，尤其是突起。根据本发明的隔板的一种非常有利的改进方案，现在可以规定，至少分配区域的位于缺口周围的部分被中间层覆盖。这种位于缺口周围的部分区域提供了对该分配区域的该部分的遮盖，其优点是，在其背对分配区域的一侧上具有平坦的结构，该平坦的结构提供了作为用于密封材料的接触面的理想的条件，所述密封材料围绕缺口并且沿着隔板的外边缘延伸地布置。在此可以例如利用环形的中间层仅覆盖在缺口周围的区域，该中间层的外轮廓与分配区域的围绕缺口的相应的轮廓相对应，该中间层以相应的内轮廓释放该缺口，从而介质通过缺口还可以流向紧邻的下一个板。对此备选地也可设置成，利用相应的中间层覆盖整个分配区域。这根据结构构造以及就构件公差而言是有利的，并且在通常不与mea的电化学活性区域对应的分配区域中实现相应大的面以用于简单且可靠地密封由具有这种隔板的单个燃料电池形成的堆。
11.在此，支承结构在分配区域中可以被设置成，使支承结构在隔板本身上形成，例如通过压制的突起或者通过压制的突起和相应的凹部构成，凹部于是在相对的侧上形成例如用于冷却介质的分配区域的突起。替代于此，根据该构思的非常有利的改进方案也可设置成，支承结构被构造在中间层中。支承结构于是在中间层中实现，从而实际的分配板例如仅具有通道结构并且在分配区域的区域中具有光滑的表面。这在相对置的侧上布置有其他构件或者在该处需要有相应结构的情况下是有利的，从而通过将支承结构转移到中间层中可以优化分配区域的材料厚度和稳定性。
12.根据该构思的非常有利的改进方案，隔板在此可由金属构成。这种由金属制成的隔板，例如作为所谓的金属双极板的分板，在此具有如下优点，即，该双极板可以非常薄地但非常稳定地实现。但同样可以考虑例如由石墨、碳或导电塑料构成的替代构型。
13.尤其在隔板由金属构成的设计方案中，在此根据隔板的有利的改进方案可以规定，中间层通过由事先布置在缺口中的材料通过成型方式得到。在金属隔板的情况下，缺口尤其可以通过冲压或切割、例如利用激光来实现。在该实施变型方案中现在可以考虑，材料在后来的缺口的区域中仅需以所期望的方式被切割并且然后被成型，例如拉伸、弯曲等，以便因此由隔板的材料一件式地形成中间层并且相应地设计该中间层。该构造方案尤其适用于实现仅覆盖在缺口周围的部分的中间层。为此，可以相应地切割材料并且将其向上弯曲或拉伸，以便然后在缺口周围的区域中使材料卷边，在此当然必须有相应的开口或孔，从而实现分配区域与缺口的围绕整个周部的连接。
14.在本发明的意义中，“围绕整个周部”的表述也包括如下构造方案：在该区域中通过格网、孔板结构或类似物——只要该结构以尽可能均匀的结构设计包围缺口的整个周部——建立在分配区域与缺口之间的连接。
15.一种替代实施方式是，由塑料制造中间层，但在该实施方式中不能实现最后描述的制造步骤。这种由塑料制成的中间层既可以在金属隔板的情况下实现，也可以在由其他种类的导电材料、例如石墨或类似物制成的隔板的情况下实现。该结构相应简单且有效，并且例如可以插入到隔板的结构中。
16.根据该构思的一种非常有利的改进方案在此规定，中间层被实施成与mea连接。因此，中间层可以与mea、即mea的朝向相应的隔板的最上层相应地连接、例如粘合或焊接，该最上层例如是位于缺口和分配区域的区域中的薄膜或包围该mea的框架等。因此，在定位mea时实现了将中间层精确地定位在为其预定的位置中，从而在装配时减少了制造的一个步骤减轻了。
17.如已经提及的那样，在隔板中的缺口可用于输入和输出各种形式的介质，尤其也用于输入氧气或空气、氢或含氢的气体和/或冷却介质。在此，根据该构思的非常有利的改进方案，被分配区域围绕整个周部包围的缺口被设计成用于输入和输出分离物/离析物/反应物和产物。因此以所述的方式和方法在阳极侧和阴极侧实现该结构，在该实施变型方案中不在冷却介质的区域内实现该结构。但由此仍可以获得主要在阴极侧和阳极侧的区域中出现的上述优点，这是因为对于引导冷却介质的那一侧，不会出现或至少不会以相同程度出现上述问题。
18.隔板在此可以构造为任意的隔板。根据本发明的特别有利的改进方案，如已经多次示例性地提及的那样，该隔板可以被成型为双极板的一部分，从而两个这种以背面彼此相对放置的隔板形成一个双极板，该双极板在一侧与一个单体的阳极连接，在另一侧与另一个相邻的单体的阴极连接，并且该双极板尤其在两个被用作双极板的一部分的隔板之间具有用于冷却介质的结构。在此，冷却介质不必强制性地通过缺口被输入和输出。必要时已经足够的是，让在作为双极板的一部分的两个隔板之间的引导冷却介质的通道侧向地敞开并且连接至冷却介质(在此为液态或气态)的输入部和输出部处。例如，围绕燃料电池组布置有由冷却介质穿流的壳体。
19.隔板的其它有利的设计方案也由下面参照附图详细描述的实施例得出。
附图说明
20.附图示出：
21.图1示出根据现有技术的一个构型方案的隔板的俯视图；
22.图2示出根据本发明的隔板的实施方案的局部图；
23.图3示出类似于图2的、具有中间层的第一变型方案的局部图；
24.图4示出类似于图2的、具有中间层的第二变型方案的局部图；
25.图5示出根据图3中的剖切线v
‑
v的剖视图；
26.图6示出根据图4中的剖切线vi
‑
vi的剖视图；
27.图7示出该结构的在与图6中的剖视图类似的一个替代实施方式的分解图；和
28.图8示出与图5中的实施方式基本类似的另一实施方式。
具体实施方式
29.在图1中示出了以附图标记1表示的隔板、例如双极板的阳极侧的俯视图。在此，该结构基本上相应于现有技术，但没有按比例示出。隔板1在其两侧上具有多个缺口2至7，这些缺口用于输入和输出介质。在这里所示的实施例中，可以看到隔板1的表面的俯视图，该表面面向未示出的燃料电池组的同样未示出的相邻的单电池的阳极侧。该隔板例如在其右上方具有用2表示的缺口，该缺口与相邻隔板的相应缺口一起构成氢的供给通道。然后，氢通过该形成供给通道的一部分的缺口2流动至隔板1中的每个隔板，并且通过以附图标记8表示的连接通道、所谓的通路(via)流到整体以附图标记10表示的流场/流动区的分配区域9中。分配区域9具有开放的结构，例如具有在此示意性示出的突起11，以便实现氢的横向分配。在流场10沿流动方向的进一步走向中设有通道结构12。通过该通道结构12利用相对于彼此平行的、封闭的通道使气体在单电池的阳极侧上被分配到单电池的活性面上，尤其是被分配到所谓的膜电极组件(mea)13的气体扩散层上。分配区域9在此有助于使通道结构12的所有通道都尽可能均匀地被流过。在流经通道结构12的通道之后，剩余气体与在燃料电池中产生的产物水混合后到达作为收集区域的另一分配区域9中，在该另一分配区域中该气/液混合物相应地聚集。然后，该气体/液体混合物然后经由流出侧的其他连接通道10流入用5表示的缺口中，该缺口与相邻的隔板1的其他相应缺口一起构成输出通道。
30.双极板通常由隔板1形式的两个分板构成，该分板以其背面相互连接，在金属双极板的情况下例如相互焊接。这样，分板在其背面之间形成另外的通道，冷却液可经由缺口3和6流过该另外的通道。所有这些对于本领域技术人员来说都是已知的，因此不必对此进一步阐述。
31.现在，在图2的视图中示出了隔板1的对于根据本发明的隔板1重要的局部。在此，以缺口2为例示出本发明，氢应经由该缺口流入。本发明同样可以很好地被相应地用于缺口3至7中的任意其它缺口，以用于输入和输出分离物、产物或者冷却介质，因而下文关于缺口2所述的内容也可以类似地被相应转用于所有其它缺口3至7。
32.在此，核心思想在于，分配区域9围绕缺口2的整个周部延伸。因此，与现有技术不同，缺口2不仅通过连接通道或通路8与分配区域9连接，而且还直接连接至所述分配区域或者位于分配区域9的表面/面积的内部。该分配区域在其整个区域中、因而也在缺口2周围具有突起11，以便因此在堆叠单电池时实现抵抗压力的充分的稳定性，并且同时在缺口2的整
个周部周围提供了开放式的结构。这确保了，即使在分配区域9的部分被冰阻塞的情况下，气体也能够渗透至通道结构12，从而能够实现具有这种隔板1的燃料电池或燃料电池组的尽可能任意的安装位置，该燃料电池或燃料电池组即使在不利的条件下也能够实现冻结启动/冷启动，这是因为无论怎样都能够确保，从缺口2到分配区域9中的过渡(不被)阻塞、最终使气体到单电池的活性面上的通道结构12的分配(不被)阻塞。
33.在迄今为止的构造中，中间层——有时也被称为填隙片(shim)——覆盖连接通道8，以便保证mea 13或围绕mea的活性面设计的塑料框架15的整齐的贴靠，该塑料框架典型地由聚萘二甲酸乙二酯(pen)制成。这种中间层(在此以附图标记14表示)在图3的图示中被纯示例性地示出。在图5的根据图3中的剖切线v
‑
v的对应的剖视图中于是可以再次看到该结构。在此，突起11在缺口2周围的区域中在高度上被设计得略低些，从而中间层14位于该突起上并且然后对于这里所绘出的mea 13以及在分配区域9中对于mea的pen框架15形成平坦的支承面。因而，pen框架可以整洁地、可靠地在缺口2周围放置并且可以形成用于燃料电池组的各单个部件之间的密封的配合面。在此，pen框架15和中间层14当然同样与缺口2类似地具有相应的缺口，以便确保气体进一步传导至相邻的单体。
34.在图4的图示中以及在此还在与图4的示图类似的图6的剖视图中再次可以看出，中间层14在此被略大地实施。该中间层不仅覆盖分配区域9的紧邻缺口2的部分，而且覆盖整个分配区域9，或者在替代的、在此未示出的实施方式中也仅覆盖分配区域的部分区域。此外，该构造就此而言相应于在图3和图5中所描述的构造，其中，突起11在此始终实施成高度相同。
35.在迄今为止的实施方式中，突起11在此总是被设计为隔板1本身的一部分，例如其方式是，这些突起在图5和图6的图示中从下方压制到隔板中。当然，也可以考虑从上方进行压制，从而在这种情况下例如在这里被平坦地绘出的下表面上产生另外的突起，这些突起例如可以构成用于冷却介质的分配区域。
36.在此在图7的图示中以分解图示出了一种替代的实施方式。在此，该图示基本上相应于图5和图6中的图示。但在此突起11不是被构造在真正的隔板1上，而是被构造在中间层14上，从而隔板1可以被构造为平坦的，这尤其在密封地连接到在图7中示出的下侧上时是有利的，因为该下侧于是也可以可靠地实施为平坦的。中间层14在此例如可以由金属材料或也可以由塑料构成，例如通过冲压、注塑、烧结或3d打印。在由塑料构造的实施方式下，于是尤其可以将中间层14与mea 13或其pen框架15相应地连接，例如粘接，这在图7中仅示例性地被示出。由此能够将mea 13连同其pen框架15简单地放置到隔板1上，并且能够与mea 13或其活性面在通道结构12上的精确定位相结合，还安全可靠地一起定位中间层14。这不仅能够在如图7所示那样可考虑将突起11布置在中间层14上时实现，而且能够在如图5和图6中所示那样将突起11反向地布置时实现。
37.一种替代方案如上文所提及的那样可以是，例如中间层14由金属构成。在这种情况下，中间层例如可以与位于隔板1上的突起11焊接，以便将该中间层固定在其位置中。在此当然也可以考虑的是，将突起11集成到中间层14中。其然后也可以相应地与隔板1焊接，而不改变所述的工作原理。
38.在图8的视图中可看到中间层14的另一设计方案，在该设计方案隔板1由金属构成。在该实施变型方案中，被布置在缺口2的区域中的材料例如通过激光切割被侧向地切开
并且在围绕后来的缺口2的整个周部设有各单独的开口或孔16。被如此切割的、最初位于缺口2的区域中的材料然后被变形，例如被弯曲和/或被卷边或者被拉伸。因此，中间层14可以与隔板1通过如下方式被实施为一体的，即，使相应的材料弯曲，并且然后在所需位置处贴靠到突起11上，如在图8中相应地示出的那样。当材料被定位在期望的位置上时，该材料也可以如之前描述的中间层那样与突起11焊接。该结构的优点在于，仅使用单一的材料，并且缺口的平常被浪费的被切除材料可以直接被用于中间层。为了确保介质从缺口均匀地流出到分配区域9中，在此在材料中设置大量布置在缺口2的周部上方的开口16，这些开口例如可以以穿孔的形式围绕缺口2的周部分布，以便因此也相应地使材料在该区域中更易于变形并且确保所要求的用于支承mea 13的pen框架15的平坦表面。