用于燃料电池或电解器的分配器结构

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池或电解器的分配器结构以及涉及一种分配器结构的使用。

背景技术

燃料电池和电解器是电化学换能器。在燃料电池中，氢气(H2)和氧气(O2)转化成水(H2O)、电能和热量以用于获得能量。而在电解器中，水借助于电流分裂成H2和O2。在聚合物电解质燃料电池中，运行温度低于120℃。所述聚合物电解质燃料电池的构造与电解器在基础结构方面是一致的。然而电解器不使用冷却通道。PEM燃料电池(聚合物电解质燃料电池)基本上具有5个部件。能传导质子的聚合物膜片置入在2个气体扩散层之间，所述气体扩散层由微孔构造的石墨纸或石墨织物组成。膜片或两个气体扩散层在接触面上涂覆有催化剂材料。在气体扩散层外部在两侧存在双极板。该构造的堆叠(Stapel)或重复单元也被称为堆(Stack)。

使用的双极板承担不同的功能并且用作为分配器结构。双极板将反应气体均匀地分配到活性面上并且将电子从气体扩散层引导到下一个电池中。液态水或作为反应产物生成的水蒸气和产物气体从电池中移出。此外，热量从催化剂层导出到冷却剂。微孔的、典型地通过合适的涂层疏水实施的气体扩散层承担以下功能：介质的精细分配和介质至膜片的供应或产物水从膜片到双极板的结构中的导出。

为了确保运行介质的具有压力损失并且没有较大费用的分配，双极板典型地通过将通道结构压印到约0.1mm厚的板材中来制造。在此，通道和隔片宽度或结构尺寸通常位于1至2mm的数量级中。

DE 10 2004 039 115 A1公开了用于PEM燃料电池或PEM电解器的双极板。双极板的形状基本上是锥形的，其中，锥体的基面可以由任意的边形或圆组成并且周面可以是直线的、向内弯曲的、向外弯曲的或者向内和向外弯曲的。流动通道可以直线地或者螺旋形地沿着周面以任意的数量和横截面形状布置。电供应和电导出通过双极板本身进行或者替代地通过金属输入或输出导线进行。

WO 2009/033648 A1公开了一种用于PEM电解器的双极板。双极板首先具有中央区域和围绕中央区域的边缘区域。双极板具有两个彼此相对置的侧面，所述侧面显示为所述双极板的板面、例如前侧和后侧。在此，中央区域和边缘区域包含在两个彼此相对置的侧面之间的板的所有部分。

DE 10 2012 024 753 A1公开了具有用于电化学反应器的集成双极板的框架。一个或多个由热塑性可变形的碳聚合物复合材料组成的、呈具有同样热塑性的聚合物的形式的导电双极板这样注塑或压制，使得形成与由框架和板组成的单个构件的形状锁合和力锁合的和/或至少针对液体密封的连接。

发明内容

根据本发明，提出一种用于燃料电池或电解器的堆构造的、具有通道结构的分配器结构、尤其是双极板，所述分配器结构与至少一个聚合物膜片共同作用。分配器结构实施为注塑件，该注塑件具有导电特性。注塑件能够以任意的构型几何形状制造并且包括通道结构，该通道结构以最小数量的接触点触碰聚合物膜片的一侧。

以有利的方式，根据本发明提出的分配器结构构造为在带形构造的载体中的插入件，该插入件尤其接收到分隔板中。

根据本发明提出的解决方案如下：构型为注塑件的分配器结构要么可以注塑为由石墨塑料混合物组成的注塑件，要么注塑件可以由塑料材料注塑，所述塑料材料设有导电涂层。

根据本发明提出的构造为注塑件的分配器结构在所述分配器结构的面向聚合物膜片的一侧上具有通道结构。通道结构也被称为流场并且也可以具有单个竖立的尖部。

在根据本发明提出的分配器结构中，通道结构包括一定数量的、接触聚合物膜片的下侧或聚合物膜片的上侧的小的接触点。这些接触点通过非常小构造的接触面触碰聚合物膜片，以便能够更好地获取积累的过程水。接触点具有处于0.1mm

在根据本发明提出的分配器结构的扩展方案中，注塑件包括支承面，注塑件通过所述支承面接收在载体、尤其是分隔板的底部上。对于注塑件没有充分密封的情况，分隔板显示为相对于冷却流体流动的可靠的密封件。此外，分隔板具有用于减小电阻的功能，因为该分隔板可以与另外的板材材料锁合地接合、尤其是焊接。替代地，存在以下可能性，整个组件设计为注塑件并且第二组件通过连接步骤接合到注塑件上。

在根据本发明提出的、构型为注塑件的分配器结构中，使注塑件相对于聚合物膜片密封的环绕的密封件喷注到该注塑件上。存在以下可能性，将密封件安置在不同构件、如分隔板或注塑件上。在2组分注塑方法的框架中，在该工序中已经可以共同喷注密封件。除了以2组分注塑方法的途径在注塑件上制造密封件之外，当然也存在以下可能性，将密封件安置在所使用的分隔板上。

在双极板的另外的构型中，接触点以优化的流动几何结构、例如滴状地实施。除了接触点的滴状构型之外，存在以下可能性，所述接触点也以另外的几何形状实施，例如锥形。

此外，本发明涉及分配器结构在燃料电池的堆构造内部的使用，所述燃料电池具有能够传导质子或氢氧化物的聚合物膜片。

此外，本发明涉及根据前述权利要求中任一项所述的分配器结构在具有聚合物膜片的电解器的堆构造中的使用，所述聚合物膜片能够传导质子或氢氧化物。

根据本发明提出的作为塑料注塑件实施的分配器结构、尤其是双极板能够以大数量的变型方案注塑出。注塑件的通道结构可以这样优化，使得通过注塑成型实现小的支承点，以便提高功率密度，因为可以避免由于过程水的阻隔并且此外可以明显降低压力损失。

通过小的支承点减小以下区域，在所述区域内部在堆构造的运行中可以聚集过程水，所述堆作为燃料电池或电解器运行。过程水的聚集不利地影响聚合物膜片的活性面并且因此不利地影响堆构造的总效率，所述堆构造在燃料电池内部或者在电解器内部。

此外，可以通过塑料注塑的方法优化地构型通道结构的流动设计。

通过分配器结构的优化构型可预期小的压力损失。例如通过制造方法将根据本发明提出的分配器结构实施为完整的塑料构件，密封件例如可以共同喷注到该塑料构件上，使得可以取消另外的工序。如果导电性过小，那么该特性可以通过相应的表面涂层优化。

通过在通道结构之间的接触点的最小化可以使接触点的数量、即与聚合物膜片的接触部的数量减小到如下程度，使得聚合物膜片具有足够的支承点或电阻不过于强烈地增大。接触点的数量取决于在聚合物膜片中的横向管路(Querleitung)。此外，能够以有利的方式以流动优化的轮廓构造通道结构的尖部、即注塑件关于聚合物膜片的小的接触点。小的接触点的流动优化的轮廓例如是滴状，在该滴状中小的接触点例如可以构造在阴极路径中。由此可以使压力损失最小化并且明显改善堆构造的总效率，所述堆构造作为燃料电池或电解器。

导电性通过注塑件的材料实现，所述材料例如可以通过添加填充剂变得导电。注塑件例如可以由石墨塑料组分形成。对于电阻过高的情况，塑料材料可以附加地涂覆以金属材料或者仅涂覆以金属材料。

在根据本发明提出的分配器结构、尤其是双极板中，通道结构可以作为塑料组分制造为插入件，也可以制造为完整的双极板。

总体上，根据本发明提出的尤其实施为双极板的分配器结构明显改善水排出并且开启无构型(gestaltungsfrei)的空间以用于优化流动损失。因为所述构件涉及塑料组分，所以明显改善抗腐蚀性。此外，将密封功能集成到所述构件中，尤其通过2组分注塑或通过相应要求(vorzuhaltend)的组分。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明。

附图示出：

图1用于燃料电池或电解器的堆构造的原理简图，

图2作为注塑插入件制成的分配器结构、例如双极板，

图3作为具有模制的密封件的注塑构件的分配器结构、尤其是双极板，

图4塑料件的放大示图，

图5和6分配器结构的细节。

具体实施方式

由根据图1的示图可得出用于使用在燃料电池或电解器内部的堆构造10的简图。

根据图1中的示图的堆构造10包括第一分配器结构12、尤其是双极板以及第一气体扩散层14。在第一气体扩散层14下方在堆构造10内部存在聚合物膜片16。此外，堆构造10包括第二气体扩散层18以及第二分配器结构20、尤其是第二双极板。由这5个层基本上组成堆构造10，所述堆构造既可以使用在燃料电池的框架下也可以使用在电解器的框架下。在燃料电池中氢气H2和氧气O2转化成水H2O、电能和热量以用于获得能量，而水在电解器内部借助于电流分解成H2和O2。

图1示出堆构造10，该堆构造可以在重复堆构造10的情况下扩充成堆。

此外，由根据图1的示图可得出假想的分隔线36，由五个上面提到的部件组成的堆构造10位于该分隔线上方。

此外，如图1示出，在第一分配器结构12内部形成用于O2的流动通道26以及用于冷却介质如H2O的冷却通道。与此类似地，在堆构造10的下端部处在假想的堆边界36上方在第二分配器结构20、尤其是第二双极板中存在用于气态H2的流动通道28以及用于接收冷却介质、例如H2O的流动通道30。出于完整性的原因要提到的是，堆构造10沿着接触面32接收在这里没有完全示出的另外的堆构造的另外的分配器结构22上，所述另外的堆构造具有另外的气体扩散层23和另外的聚合物膜片24。用于不同介质的流动通道26、28、30通过壁面34限界。

根据图2的示图可得出作为塑料件制成的分配器结构20的实施变型方案。

如图2示出，在该实施变型方案中第一分配器结构12或第二分配器结构20制造为塑料件40。塑料件40可以是由石墨塑料组分混合物(Graphit-Kunststoffmaterial-Compound-Gemisch)注塑并且通过塑料组分已经具有导电性能的那种塑料件。另一方面也存在以下可能性，塑料件40由塑料材料制造并且该塑料件随后被涂上能导电的、例如金属的涂层38。

在图2中示出的塑料件40接收在载体、例如分隔板42上，该分隔板基本上具有盆形状。塑料件40通过该塑料件的支承面44接收在载体、尤其是分隔板42的底部46上，或者简单地装入到该分隔板中。

塑料件40具有通道结构48或流场，该流场代替通道结构48的通道。在塑料件40的面向聚合物膜片16的一侧54上实施的通道结构48具有多个锥形的尖部56，在所述尖部的端部处存在小的接触点60。通道结构48的小的接触点60具有接触面积30，所述接触面积可以在0.1mm

塑料件40的通道结构48在所述通道结构的面向聚合物膜片16的一侧54上接触聚合物膜片16的下侧50。聚合物膜片16的上侧标有附图标记52。通道结构48的尖部56通向小的接触点60，所述接触点的数量最小化。小的接触点60优选具有接触面积，所述接触面积处于0.1mm

小的接触点60的数量可以减小到以下程度，使得聚合物膜片16具有足够的支承点并且电阻变得不过大。通道结构48的尖部56的小的接触点60例如可以在阴极路径中以流动优化的结构、例如以滴状58构造。由此可以减小在堆构造10中的压力损失并且由此明显改善在燃料电池中或在电解器中的堆构造10的总效率。

此外，从根据图2的示图可得出，在尤其构造为分隔板42的载体的底部46下方存在用于产物水的流动通道30。此外图2示出，尤其构造为分隔板42的载体放置到图2中示出的第二分配器结构20、尤其是双极板的接触面32上。

由根据图3的示图示出作为分配器结构12、20、尤其作为双极板使用的塑料件40的另外的实施可能方案。

在图3示出的塑料件40的实施可能方案中，该塑料件设有例如环绕构造的密封件64，该密封件在制造塑料件40时例如可以注塑到该塑料件上。

通道结构48包括各个例如锥形构造的尖部56，在所述尖部的端部处构造有小的接触点60。小的接触点60的数量这样确定，使得一方面存在小的接触点60的最小值，另一方面聚合物膜片16还具有用于与塑料件40接触的足够的支承点。

此外，在根据图3的示图中示出密封件66。通过位于尤其构造为分隔板42的载体的底部46的侧面上的密封件66，该载体相对于位于所述载体下方的分配器结构12、20、尤其是双极板密封。尤其构造为分隔板42的载体放置到布置在构造为分隔板42的载体下面的第二分配器结构20、尤其是双极板的各个接触面32上。用于生成的产物水的流动通道30在该第二分配器结构中走向。

在根据图3的示图中示出的关于第一或第二分配器结构12、20、尤其是双极板的环绕的密封件64或密封件66可以直接在制造塑料件40时以2组分注塑方法制造，使得省下用于制造关于第一或第二分配器结构12、20、尤其是双极板的环绕的密封件64或密封件66的另外的工序。

关于塑料件40，通过所选择的由石墨和塑料组成的材料混合物产生该塑料件的导电性，在该情况下导电性通过石墨掺杂物实现。对于电阻过高的情况，塑料材料可以根据对电阻的要求附加地或仅仅涂覆金属。

由根据图4的强烈放大的示图可得出，塑料件40具有通道结构48，所述通道结构基本上通过例如锥形的尖部56的任意顺序产生。塑料件40的面向聚合物膜片16的一侧54、尤其通道结构48的尖部56可以设有导电涂层38、尤其是金属涂层，以用于影响电阻，如在根据图4的强烈示出的示图中示出的那样。聚合物膜片16具有下侧50以及上侧52，其中，聚合物膜片16的下侧50面向塑料件40的面向该聚合物膜片的一侧54。

图5和6示出分配器结构12、20、22、尤其是双极板的细节。如由图5可以得出，通道结构48可以由一定数量的基本上彼此平行延伸的通道构造。此外，通道结构48可以包括结状凸起部62，同样在图5中示意性示出的那样。由根据图6的剖开示出的示图得出，小的接触点60(这里在强烈放大的示图中示出)具有在流动技术上特别有利的滴状58。相比于在图5和6中示出的分配器结构12、20、22的面，通道结构48、结62以及呈滴状58的接触点60强烈放大地描绘出。

本发明不局限于这里描述的实施例和在其中提到的方面。更确切地，在通过权利要求说明的范围内能够实现多个处于本领域技术人员的操作框架内的变型方案。