用于燃料电池堆的双极板的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的双极板以及在使用这种双极板的情况下构成的燃料电池堆。

背景技术：

1、根据现有技术的燃料电池堆由在堆叠方向上堆叠地布置的大量燃料电池构成，所述燃料电池分别具有板状形状造型，并且正交于堆叠方向来看，分别在第一横向方向和与之正交的第二横向方向上延伸。在此情况下，燃料电池堆的各个燃料电池分别在堆叠方向上堆叠地典型地具有：

2、-具有用于引导燃料的燃料通道结构的阳极侧双极半板，

3、-阳极侧气体扩散层，

4、-膜电极单元，具有电解质膜以及在堆叠方向上在其两侧布置的电极层，所述电极层形成用于燃料与氧化剂的电化学反应的阳极和阴极，

5、-阴极侧气体扩散层，

6、-具有用于引导氧化剂的氧化剂通道结构的阴极侧双极半板。

7、在燃料电池堆的运行中，通过电化学反应将燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气或空气)的化学反应能转换成电能。

8、关于这种燃料电池堆的现有技术，示例性地应该参考出版物ep 2357 698b1、ep 2445 045 b1、ep 2 584 635 b1、ep 2 946 431 b1和ep 3 316 377a1。

9、为了制造燃料电池堆，通常使用所谓的“双极板”，所述双极板由两个(双极)半板预制，所述(双极)半板在燃料电池堆的稍后运行中充当燃料电池的阳极侧半板和在该堆中直接相邻的燃料电池的阴极侧半板。

10、因此，双极板是在堆中彼此相邻的燃料电池之间的隔板，并且在此情况下尤其是用于电连接在堆中彼此相邻的燃料电池，并且在根据权利要求1的前序部分所述的双极板的情况下附加地用于提供用于在双极板的内部中(在半板之间)引导冷却剂的所限定的流动空间，使得从而在堆中在双极板的两侧构造的燃料电池能够被冷却或调温。

11、根据权利要求1的前序部分所述的双极板例如从出版物de 102019 000 150a1中是已知的，并且具有：

12、-两个相互连接的半板，

13、-位于双极板的第一边缘处的流入缺口以及位于双极板的相对的第二边缘处的流出缺口，

14、-在半板之间构造的流动空间，用于当冷却剂通过流入缺口流入流动空间并且经由流出缺口从流动空间流出时将冷却剂分布到双极板的流场的面积上，其中流场在其朝向双极板的第一和第二边缘的端部处通向与相应的缺口连接的分布区域。

15、术语“流场”通常表示在双极板的平面中来看在燃料电池的运行中发生连续输送的燃料(例如氢气)与连续输送的氧化剂(例如氧气或空气)的电化学反应的那个区域。

16、因此，“分布区域”表示流动空间的子区域，所述子区域布置在一方面所分配的缺口(流入缺口或流出缺口)与另一方面流场的两个端部中的所分配的端部之间。

17、因此，在流动技术上来看，双极板的两个分布区域用于从流入缺口开始将冷却剂流入“分布”到流场的宽度上，或者从流场开始将在那里的冷却剂流出“收集”到流出缺口的宽度上，也即使得从而实现利用冷却剂以期望的方式通常尽可能均匀地流过流场。由于对于分布区域可供使用的面积在实践中是受限制的，因此这种分布区域的功能常常不是完全令人满意的。

18、也可以在随后描述的本发明的情况下提供燃料电池堆和双极板的至此描述的各个已知特征。

技术实现思路

1、本发明的任务是说明一种新颖的途径，利用所述途径在开头提到类型的双极板的情况下、尤其是即使在需要相对小的面积的分布区域的情况下可以实现冷却剂在流场的面积上的特别精确并且尤其是均匀的分布。

2、根据本发明，该任务通过根据权利要求1所述的双极板来解决。从属权利要求涉及本发明的有利改进方案。

3、根据本发明的双极板的特征在于，分布区域具有通向相应的缺口的预分布通道，所述预分布通道沿着双极板的第一和第二边缘的方向延伸并且沿着其伸展具有多个分布式布置的和朝向流场的节流孔(开口)。双极板的前述第一和第二边缘的方向在下面也被称为双极板的“横向方向”，并且位于双极板的平面中的正交于横向方向的方向在下面也被称为双极板的“纵向方向”。正交于双极板的平面的方向被称为“竖直方向”。

4、“预分布通道”可以被视为流动空间的在横向方向上拉长的子区域，并且在这里特别地被视为分布区域的拉长的子区域，所述子区域在流动技术上来看布置在一方面所分配的缺口(流入缺口或流出缺口)与另一方面相关的分布区域的例如以常规方式式样设计的剩余部分之间。

5、由于预分布通道通向相应的缺口，所以冷却剂可以从流入缺口开始直接流入流入侧预分布通道中，或者从流出侧预分布通道直接流出到流出缺口。预分布通道可以例如通过(具有相对大的横截面的)单个连接通路或开口或通过多个(例如2至30个)在流动技术上和/或在几何上彼此平行地布置的连接通路通向相关的(所分配的)缺口。通道的与该通口直接相邻的区段在下面也被称为通道的近端区段。

6、由于流入侧预分布通道沿着双极板的横向方向延伸，因此得出用于在该横向方向上“预分布”流入的冷却剂的其有利功能。在冷却剂进入通道、即其近端区段中之后立即将该冷却剂或多或少地在横向方向上“疏导”，即从流入缺口流入流入侧预分布通道中的冷却剂的大部分从近端区段开始基本上在横向方向上朝向通道的“远端”区段流动。

7、预分布通道在横向方向上的延伸不应该排除这些通道至少逐区段地相对于横向方向成角度地伸展，只要这种角度小于45°。

8、由于沿着流入侧预分布通道的伸展设置多个、尤其是例如至少5个、优选例如至少10个分布式布置的并且朝向流场的节流孔，所以在这些节流孔中的每一个节流孔的区域中在通道的相应区域中流动的冷却剂的一部分分别可以横向于通道的伸展、也即基本上沿纵向方向进入流入侧分布区域的所说的剩余部分中。

9、概括而言，冷却剂在横向方向上的预分布因此在流入侧可以借助于预分布通道进行，其中例如尚在冷却剂在双极板的纵向方向上来看已经“前进”特别远之前，预分布的冷却剂通过沿纵向方向分布式布置的节流孔在纵向方向上再次离开通道。

10、特别有利地，通过相应地对通道横截面进行尺寸确定以及选择节流孔的数量、布置和横截面，可以高精度地实现流入的冷却剂的期望的、通常尽可能均匀的预分布。

11、在一种实施方式中，预分布通道的节流孔的位置的在双极板的纵向方向上来看“平均位置”位于相关的分布区域的在双极板的纵向方向上来看的延伸的朝向所分配的缺口的那个半部内。

12、在一定程度上仅具有相反的冷却剂流动的类似内容适用于流出侧分布区域，所述流出侧分布区域也可以被称为“收集区域”(因为沿横向分布分布地离开流场的冷却剂在这里沿横向方向被集中或积聚)，以及适用于其中布置的流出侧预分布通道，所述流出侧预分布通道关于相反的冷却剂流动也可以被称为“再收集通道”。

13、以根据本发明在流入侧和流出侧设置的方式将具有节流孔的相应通道集成到双极板的相应的分布区域中使得尤其是例如当流过在双极板的两个半板之间为冷却剂构造的流动空间时在“流场”的区域、即在双极板的平面中来看的区域中实现冷却剂的卓越地均匀的流量分布，在所述区域中在燃料电池的运行中发生电化学反应用于进行能量转换。

14、也根据用于冷却剂的缺口在双极板的第一和第二边缘处、例如在中间或偏心地或完全在相关的边缘的一个端部处的具体布置，分别分配的预分布通道可以从相应的缺口开始分别要么“单臂地”仅在一个方向(取向)上要么“双臂地”在两个方向(取向)上沿双极板的横向方向延伸。根据存在哪种情况，通道的一个或两个在横向方向上延伸的“臂”从通道的近端区段开始直至朝向通道的(一个)或(两个)远端端部区段延伸。

15、在本发明的一种实施方式中，相互连接的两个半板以及因此还有双极板具有至少近似矩形的样式，无论例如是正方形的还是拉长的。然而，此外，还可以设置具有多于四个侧的至少近似多边形的样式。

16、在拉长的、例如至少近似矩形的样式的情况下，如果双极板的在前述“横向方向”上延伸的彼此相对的第一和第二边缘是该样式的较短侧，则大多数是有益的，而该样式的剩余侧(例如在矩形的情况下彼此相对的第三和第四侧)在前述“纵向方向”上延伸。

17、双极板的流场优选地在双极板的面积的中心构造并且可以例如具有至少近似矩形的样式，无论例如是正方形的还是拉长的。在拉长的样式的情况下，如果流场的对应的纵向方向对应于双极板的纵向方向，则大多数是有益的。

18、在一种实施方式中，半板分别由具有相应的褶皱的统一厚度的材料、尤其是例如由金属材料构造，例如通过在压力机中的成型工艺构造，使得由半板的这些褶皱限定半板之间的流动空间的形状。

19、此外，在此情况下，附加地也可以通过例如插入半板之间的密封件和/或在相互连接半板之前分发给半板中的至少一个半板的密封件限定流动空间。

20、在一种实施方式中，在双极板的横向方向上来看，双极板的被设置用于供给和排出冷却剂的缺口分别占有双极板的在横向方向上可供使用的宽度的小于50％、尤其是小于30％。

21、在双极板的横向方向上来看，除了这些缺口之外，还可以布置其他缺口，燃料(例如氢气)通过所述其他缺口流入在阳极侧双极半板的外侧处构造的燃料通道结构或者从所述燃料通道结构流出，并且氧化剂(例如氧气或空气)流入在阴极侧双极半板的外侧处构造的氧化剂通道结构或者从所述氧化剂通道结构流出。

22、在一种实施方式中，用于冷却剂的(用于供给和排出的)缺口分别是用于燃料、冷却剂和氧化剂的相应一排在双极板的横向方向上并排布置的三个缺口的中间缺口，其中在这种情况下，预分布通道分别具有两个臂，所述两个臂从相应的近端通道区段开始在横向方向的彼此相对的取向上远离近端通道区段地伸展。

23、在一种实施方式中，半板具有伸入到相应的分布区域中并且成对地彼此贴靠的突出部，通过所述突出部例如在相应的分布区域中构造正交于双极板的平面(即在竖直方向上)延伸的(例如圆形)柱和/或(例如板状)壁元件。

24、这种柱和/或壁元件可以有利地不仅引起半板彼此间的机械支撑而且引起在分布区域中用于冷却剂的更好地限定的流动引导。此外，可以在分布区域的区域中在半板处还构造其他“结构元件”，借助于所述其他结构元件(例如除了其在流动空间中的作用之外)在相关的半板的与流动空间相对的侧上构造用于机械支撑稍后的燃料电池堆的相关的燃料电池的电解质膜的突出部。

25、在该实施方式的一种改进方案中，柱和/或板状壁元件的至少一部分构成一排，所述排沿着相应的预分布通道的伸展在其朝向流场的侧上伸展，使得沿着该排的伸展在柱或壁元件之间保留的间隙实现相应预分布通道的节流孔。

26、尤其是在此情况下可以规定，前述排至少逐区段地仅由板状壁元件构成，并且这些板状壁元件分别例如(并且优选地)平行于相应预分布通道的伸展取向。

27、在一种实施方式中规定，预分布通道的(从所分配的缺口来看)近端区段中的节流孔与预分布通道的从所分配的缺口来看远端端部区段中的节流孔相比具有更小的横截面(并且因此更大的流动阻力)(无论是“单臂”预分布通道的端部区段，还是“双臂”预分布通道的两个端部区段中的至少一个)。为此，例如在前述排的柱和/或板状壁元件的情况下可以规定，其在近端区段中的净距离与在远端区段中相比较小。

28、在一种实施方式中规定，预分布通道的近端区段中的节流孔与在预分布通道的远端端部区段中的节流孔相比彼此间具有更大的互相距离。为此，可以在前述排的板状壁元件的情况下规定，其在通道的伸展方向上来看的长度在近端区段中与在远端端部区段中相比更大。

29、在一种实施方式中，半板中的至少一个半板处的流场通过在双极板的纵向方向上彼此平行地直线伸展的流场通道限制。可替代地或附加地，半板中的至少一个半板处的流场可以例如通过在纵向方向上彼此平行地波形伸展的流场通道限制。

30、在一种实施方式中，在稍后的阳极侧双极半板的外侧处构造的用于在双极板的流场的区域中引导燃料通过相关的燃料电池的燃料通道结构由大量(至少20个、尤其是至少40个)在双极板的纵向方向上彼此平行地直线伸展的流场通道限制。

31、在一种实施方式中，在稍后的阴极侧双极半板的外侧处构造的用于在双极板的流场的区域中引导氧化剂通过相关的燃料电池的氧化剂通道结构由大量(至少20个、尤其是至少40个)在双极板的纵向方向上彼此平行地波形伸展的流场通道限制。

32、在一种实施方式中，在双极板的横向方向上来看，预分布通道分别占有双极板的在横向方向上来看的宽度的超过60％、尤其是超过80％。

33、尤其是在此情况下例如可以规定，预分布通道分别占有双极板的基本上整个宽度或者至少流量场的所分配的端部的基本上整个宽度，使得在流场的整个宽度上“预分布”冷却剂。

34、然而，不应该排除不在双极板或流量场的几乎整个宽度上进行预分布，即在无冷却剂的“预分布”的情况下，例如设置该宽度的份额、例如双极板的宽度的小于20％或例如小于10％。在这种情况下，在冷却剂进入流场之前，仍然可以通过相关的分布区域的相应剩余部分在相关的点处分布所述冷却剂。(具有相反的冷却剂流动的)类似内容适用于双极板的流出侧区域。

35、在一种实施方式中，预分布通道具有在双极板的平面中并且横向于其伸展方向来看的宽度和正交于该平面来看的高度，其中在其伸展的大部分上其宽度大于其高度。

36、尤其是可以规定，在预分布通道的伸展的大部分上，该宽度是高度的至少1.5倍、尤其是至少2倍。

37、该实施例如有利地考虑以下情况：一方面，预分布通道应该具有相对小的流动阻力(并因此相对大的横截面)用于履行其功能，然而另一方面，在实践中在双极板的两个半板之间的流动空间中的每个点处的最大高度或多或少大大受限制，因为在设计燃料电池堆时一般目标通常(也)在于，尽可能紧凑地构造堆(即相对薄地构造各个燃料电池)。

38、在一种实施方式中，在双极板的平面中来看，预分布通道分别占有为相应分布区域的面积的至少5％、尤其是至少10％和/或最大40％、尤其是最大30％的面积。

39、该实施例如有利地考虑以下情况：为了在流场中特别精确地进行冷却剂分布，大多数不仅需要根据本发明设置的预分布通道连同沿着其伸展分布式布置的节流孔而且需要(从现有技术中已知的)传统分布区域的剩余部分，以便在(节流孔的)“离散”点处以预分布的方式从预分布通道中在朝向流场的方向上溢出的冷却剂到达流场之前，还“精细分布”所述冷却剂。(具有相反的冷却剂流动的)类似内容适用于双极板的流出侧区域。

40、根据本发明的另一方面，提出一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有多个在这里描述的类型的双极板。以本身已知的方式，在此情况下，双极板可以被用作在堆的彼此相邻的燃料电池之间的“隔板”(如例如开头所描述的)。