本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的意在于電化學(xué)電池堆中使用的雙極板。本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)這種雙極板的方法。

背景技術(shù)：

1、例如從de?10?2005?057?045?a1中已知一種通用的雙極板以及用其構(gòu)造的燃料電池單元。已知的雙極板由陰極側(cè)部分板和陽極側(cè)部分板、即兩個(gè)半板構(gòu)成。所述半板之間形成可以流動(dòng)通過的內(nèi)部空間。其他流體、即燃料電池單元的工作介質(zhì)圍繞雙極板的外側(cè)部流動(dòng)。在雙極板的分配區(qū)域中，兩個(gè)半板通過凸起的負(fù)支承點(diǎn)來支承抵靠彼此。

2、與根據(jù)de?10?2005?057?045?a1的雙極板一樣，在雙極板的許多其他可能設(shè)計(jì)中，三個(gè)端口、即一個(gè)用于冷卻劑的端口和兩個(gè)用于工作介質(zhì)的端口彼此相鄰布置。在這個(gè)背景下，通過示例的方式參照文件us10,381,675b2和de?10?2014?206?333?a1。在這兩種情況下，入口或出口即端口與燃料電池的有效場(chǎng)之間形成的不同通道之間存在交疊。包括流動(dòng)通道的雙極板的其他可能設(shè)計(jì)例如在文件de?10?2013?210?542?a1、us?9,685,664?b4和us9,337,498b2中進(jìn)行了描述。

3、文件ep?3?577?708?b1和ep?3?167?505?b1中公開的雙極板和整個(gè)燃料電池的設(shè)計(jì)意在實(shí)現(xiàn)改善的流動(dòng)分布和反應(yīng)物流動(dòng)。這兩篇文件都涉及具有氣體擴(kuò)散層和催化物質(zhì)的燃料電池。例如在ep?2?926?399?b1中描述了另一種具有流動(dòng)分配器的燃料電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是在流動(dòng)相關(guān)方面以及生產(chǎn)相關(guān)方面進(jìn)一步開發(fā)與前面提及的現(xiàn)有技術(shù)相比的適用于在燃料電池堆中使用的雙極板。

2、根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的雙極板來實(shí)現(xiàn)。該雙極板可以根據(jù)權(quán)利要求10的方法生產(chǎn)。

3、適用于在電化學(xué)電池堆、特別是燃料電池堆中使用的雙極板按照已知的基本概念由兩個(gè)疊加的、相互連接的半板構(gòu)成。雙極板具有用于供應(yīng)或排出流體的彼此相鄰布置的三個(gè)端口。例如，設(shè)置第一種這樣的三個(gè)端口的布置結(jié)構(gòu)用于供應(yīng)流體，并且設(shè)置第二種這樣的三個(gè)端口的布置結(jié)構(gòu)用于排出流體。流體還可以逆流流動(dòng)，使得在彼此相鄰布置的三個(gè)端口中，設(shè)置有用于對(duì)流體進(jìn)行導(dǎo)引的單個(gè)端口，該流體沿對(duì)于通過同一排端口中的其他兩個(gè)端口的流體而言相反的方向流動(dòng)通過雙極板或圍繞雙極板流動(dòng)。這些端口也被稱為歧管開口或簡(jiǎn)稱為歧管。

4、雙極板的大體位于中央的延伸部段被分配給各個(gè)電化學(xué)電池的有效場(chǎng)、即發(fā)生所需電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，其中，術(shù)語“有效場(chǎng)”也用于雙極板的對(duì)應(yīng)部段。在許多設(shè)計(jì)中，雙極板的有效場(chǎng)具有矩形的基本形狀。此外，還存在雙極板的分配場(chǎng)，該分配場(chǎng)將端口與有效場(chǎng)連接，即該分配場(chǎng)被設(shè)計(jì)成在端口與有效場(chǎng)之間傳導(dǎo)三種不同的流體。在半板之間形成有用于三種流體中的一種流體的流動(dòng)空間。這通常是用于冷卻劑、特別是冷卻水的流動(dòng)空間。在半板的外側(cè)部上同時(shí)形成有用于另外兩種流體、即通常用于電化學(xué)電池的工作介質(zhì)的流動(dòng)空間。

5、根據(jù)該權(quán)利要求，分配場(chǎng)在半板的平面圖中包括四個(gè)平坦流場(chǎng)，每個(gè)流場(chǎng)均具有三角形的基本形狀：

6、-一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)，其通向三個(gè)端口中的中央端口；

7、-兩個(gè)雙介質(zhì)流場(chǎng)，其分別在一個(gè)端部處與冷卻劑流場(chǎng)鄰接且在另一端部處通向兩個(gè)外部端口中的一個(gè)外部端口，并且其被設(shè)計(jì)成供冷卻劑與作為另一種流體的工作介質(zhì)一起在彼此平行的層中流動(dòng)通過；

8、-一個(gè)三介質(zhì)流場(chǎng)，其與兩個(gè)雙介質(zhì)流場(chǎng)鄰接，通向有效場(chǎng)，并被設(shè)計(jì)成供冷卻劑與作為其他流體的工作介質(zhì)一起在三個(gè)彼此平行的疊加層中流動(dòng)通過。

9、這里，半板由壓印結(jié)構(gòu)、特別是環(huán)形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這些壓印結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為四個(gè)流場(chǎng)中的每個(gè)流場(chǎng)中的點(diǎn)、即島狀形式，使得半板既支承抵靠彼此又支承抵靠布置在半板外部的平坦部件。除了具有三角形的基本形狀的流場(chǎng)外，具有其他形狀例如方形或五邊形的流場(chǎng)也是可能的。這尤其適用于冷卻劑流場(chǎng)以及兩個(gè)側(cè)向流場(chǎng)、即雙介質(zhì)流場(chǎng)。在典型方法中，所有四個(gè)流場(chǎng)于電化學(xué)電池堆工作期間都充當(dāng)壓力損失控制流場(chǎng)。關(guān)于介質(zhì)在其中每一層中流動(dòng)的平行層的使用，這應(yīng)被理解成意指這些層布置成基本上彼此平行、即它們一者位于另一者之上，其中，也可以出現(xiàn)垂直于由各個(gè)層所給出的平面的流動(dòng)分量。

10、在雙極板的平面圖中，可以存在所有四個(gè)流場(chǎng)交匯的單個(gè)點(diǎn)。對(duì)于具有三角形流場(chǎng)的設(shè)計(jì)尤其如此。連接至中央端口的第一流場(chǎng)以及第四流場(chǎng)可以呈現(xiàn)等腰三角形，所有三種介質(zhì)都流動(dòng)通過第四流場(chǎng)并且第四流場(chǎng)布置成最靠近有效場(chǎng)。通常不呈現(xiàn)等腰三角形的兩個(gè)雙介質(zhì)流場(chǎng)可以具有類似的設(shè)計(jì)。

11、在作為分配場(chǎng)的一部分的四個(gè)流場(chǎng)中的每個(gè)流場(chǎng)中，該流場(chǎng)中的流體發(fā)生擴(kuò)散，或者在單獨(dú)的、疊加的層中流動(dòng)的兩種或三種不同的流體在表面上擴(kuò)散。這些層的堆疊總是一致的。例如，這意味著位于最上層中的介質(zhì)、即流體僅在該層中傳導(dǎo)。介質(zhì)從一層轉(zhuǎn)移至另一層、例如從雙極板的頂側(cè)部轉(zhuǎn)移至其底側(cè)部的缺少對(duì)于電池堆、特別是燃料電池堆工作期間出現(xiàn)的流動(dòng)阻力特別有利。

12、根據(jù)一個(gè)可能的實(shí)施方式，冷卻劑流場(chǎng)的區(qū)域中的半板被設(shè)置成用于支承平靠電池堆的類似平坦的周圍部件。與鄰近所述部件的區(qū)域相比，冷卻劑流場(chǎng)的區(qū)域中形成圓形、特別是環(huán)形支承件的區(qū)域的比例相對(duì)小，這些支承件使半板彼此保持一定距離。這些支承件的高度相當(dāng)于兩個(gè)半板之間最大距離的一半，前提是兩個(gè)半板的壓印深度相同。在冷卻劑流動(dòng)通過的流動(dòng)空間內(nèi)，支承件代表銷狀屏障，其一方面不會(huì)顯著縮小自由流動(dòng)橫截面，并且另一方面確保冷卻劑的均勻分布。這也適用于通過多個(gè)端口供應(yīng)或排出冷卻劑的變型。

13、就雙介質(zhì)流場(chǎng)而言，根據(jù)一個(gè)可能的實(shí)施方式，這些流場(chǎng)的區(qū)域中的半板恰好設(shè)置在一個(gè)外側(cè)部上，以用于支承平靠類似平坦的周圍部件，而形成相反外側(cè)部的半板被設(shè)置成用于與類似平坦的周圍部件基本上間隔布置。因此，設(shè)置有可以彼此區(qū)分的三個(gè)平面，即其中兩個(gè)半板彼此相切的中央平面、其中兩個(gè)半板中的一個(gè)半板與周圍部件平坦接觸的平面、以及由另一半板描述的另一平面，該另一平面從平坦的周圍部件以限定的方式升高，以便為工作介質(zhì)提供自由的平坦流動(dòng)橫截面。后一平面之間的距離最多為兩個(gè)半板之間最大距離的一半。同時(shí)，限定所述流動(dòng)橫截面的同一半板形成有支承件，支承件突出超過與中央平面平行的所述平面并且意在相對(duì)于從所述半板大幅升高的平坦部件對(duì)雙極板進(jìn)行支承。

14、中間平面一般是指其中兩塊半板支承平靠彼此的平面。這也適用于其中不同半板具有不同拉深的設(shè)計(jì)。在這種情況下，兩個(gè)半板從中央平面突出的距離不同。

15、在三介質(zhì)流場(chǎng)中，兩個(gè)半板中的每個(gè)半板可以具有下述輪廓：該輪廓就從中央平面平坦升高的區(qū)域和面向外的支承件的存在而言，基本上對(duì)應(yīng)于雙介質(zhì)流場(chǎng)的從周圍部件上平坦地大幅升高的半板的輪廓，其中，在三介質(zhì)流場(chǎng)中，在各自情況下，半板的從中央平面和從周圍部件平坦地升高的區(qū)域的距離小于雙介質(zhì)流場(chǎng)中的中央平面與由半板中的一個(gè)半板限定并與周圍部件平行間隔開的平面之間的距離。即使在三介質(zhì)流場(chǎng)中，在典型的設(shè)計(jì)中，所有支承件的面積總和——在雙極板的平面視圖中——也不到對(duì)應(yīng)流場(chǎng)總面積的一半。

16、在雙介質(zhì)流場(chǎng)和三介質(zhì)流場(chǎng)中，支承件的設(shè)計(jì)和布置存在不同的可能性：例如，雙極板的布局可以被設(shè)計(jì)成使得半板的面向內(nèi)和面向外的支承件彼此偏移。替代性地，半板的面向內(nèi)和面向外的支承件也可以同心布置。

17、根據(jù)可能的另一改進(jìn)方案，在雙極板的三介質(zhì)流場(chǎng)與有效場(chǎng)之間連接有分配場(chǎng)的通道導(dǎo)引區(qū)域，并且因此連接整個(gè)電化學(xué)電池，其中，所述分配場(chǎng)的寬度可以對(duì)應(yīng)于有效場(chǎng)的寬度和三介質(zhì)流場(chǎng)的寬度。在該設(shè)計(jì)中，陰極側(cè)和陽極側(cè)的各種介質(zhì)流以及冷卻劑流可以在整個(gè)有效場(chǎng)的寬度上以均勻的方式較好近似地分布。具體地，可以使用寬度不均勻的通道來設(shè)計(jì)通道導(dǎo)引區(qū)域，以便在整個(gè)寬度上實(shí)現(xiàn)均勻的流分布。

18、根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板通?？梢酝ㄟ^借助于根據(jù)權(quán)利要求10的形成過程對(duì)兩個(gè)半板、特別是由鋼板制成或例如由鈦合金制成的兩個(gè)半板進(jìn)行三維構(gòu)造并然后將它們連結(jié)在一起來制造。例如，可以通過焊接、熔接或粘合來進(jìn)行連接?？梢圆捎眠B續(xù)和/或不連續(xù)的過程來使半板成型。