雙極板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的雙極板(10)，其包括含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維(18a至d)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16)，其中纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16)為多層的并且包括多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16a至d)，這些纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層中的至少兩個(gè)分別含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維(18a至d)。
【專利說明】
雙極板
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的雙極板，其包括含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]這樣的雙極板通常應(yīng)用在燃料電池組內(nèi)。在這種情況下，其涉及的是多個(gè)導(dǎo)串接的和沿著堆疊方向連續(xù)的燃料電池。各個(gè)燃料電池通過雙極板相互分離。雙極板必須至少局部地在它的整個(gè)厚度延伸上是導(dǎo)電的和由于它在運(yùn)行中通常與含酸的電解液接觸還必須是耐酸的。
[0003]因此傳統(tǒng)的雙極板主要由燒結(jié)的石墨(gesinterterGraphit)制成，因?yàn)槭葘?dǎo)電又耐酸。然而由燒結(jié)的石墨制成的雙極板制造成本高和不易控制，因?yàn)闊Y(jié)的石墨是非常易碎的材料。
[0004]文首界定的雙極板提供了此外的更加經(jīng)濟(jì)的和在控制方面有利的可選方案。這些雙極板在熱塑性粘合劑選擇適當(dāng)?shù)那闆r下可以相對(duì)酸具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。由于碳素纖維它們是導(dǎo)電的。例如由公開文獻(xiàn)DE 102 19 384A1公知了一種這樣的雙極板。在這個(gè)雙極板中長(zhǎng)度在I毫米以下的碳素纖維結(jié)合在熱塑性的塑料母體內(nèi)。碳素纖維均勻地分布在塑料母體內(nèi)，這導(dǎo)致事先規(guī)定的導(dǎo)電性。
[0005]然而由于雙極板設(shè)置在不同極性的兩個(gè)電極-它們中的每個(gè)屬于兩個(gè)直接沿著堆疊方向鄰接的燃料電池中的另一個(gè)-之間，如果例如為了能夠使雙極板適應(yīng)與它們鄰接的電極的特征而能夠界定地調(diào)節(jié)雙極板的電性能的話，可以是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此本發(fā)明的目的是提供一種雙極板，該雙極板的電性能在一定程度上可以調(diào)
-K-
T O
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一觀點(diǎn)，這個(gè)目的通過文首述及類型的雙極板得以實(shí)現(xiàn)，在該雙極板中纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為多層的并且包括多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層，這些纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層中的至少兩個(gè)分別含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維。
[0008]本發(fā)明的雙極板具有現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的雙極板的所有的優(yōu)點(diǎn)。也就是說可以經(jīng)濟(jì)地制造它，相對(duì)含酸的電解液它具有高的化學(xué)穩(wěn)定性并且易于控制。此外，根據(jù)本發(fā)明還可以提供在雙極板內(nèi)與位置無關(guān)的(ortsunabhaengig)導(dǎo)電性，例如通過相同的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。然而與現(xiàn)有技術(shù)不同，此外在本發(fā)明的雙極板中存在通過不同的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層有針對(duì)性地調(diào)節(jié)電性能的可能性。
[0009]雙極板典型地是一個(gè)平面的構(gòu)成物?！捌矫娴摹被旧媳砻?這個(gè)雙極板沿著兩個(gè)相互垂直的空間方向(主延伸方向)比沿著垂直于兩個(gè)主延伸方向的第三空間方向超過大得多的尺寸延伸。在這樣的，平面的構(gòu)成物中，主延伸方向展開一個(gè)主延伸平面，而第三空間方向則界定一個(gè)厚度方向。
[0010]在本發(fā)明的雙極板中，通過熱塑性結(jié)合的碳素纖維的特性，由此還通過塑料母體內(nèi)的碳素纖維的取向確定電性能。為了至少在一個(gè)含碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層中能夠提供與方向無關(guān)的導(dǎo)電性，優(yōu)選至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層含有形式為紛亂纖維的碳素纖維，因?yàn)樵诩妬y纖維中碳素纖維基本上是隨機(jī)地設(shè)置并且因此沒有同一的主延伸方向。為了能夠在雙極板的大的區(qū)域內(nèi)提供與方向無關(guān)的導(dǎo)電性，優(yōu)選多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層含有形式為紛亂纖維的碳素纖維。
[0011]其中另外可以規(guī)定:至少一個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層經(jīng)過針縫。通過針縫可以影響由碳素纖維構(gòu)成的紛亂纖維的纖維的取向和由此還有由碳素纖維提供的導(dǎo)電性。為了此外可以影響兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層之間的導(dǎo)電性，可以規(guī)定:多個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層相互針縫在一起。
[0012]通過針縫可以產(chǎn)生一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，該纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有主要沿著纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的厚度方向超出一個(gè)以上的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層延伸的碳素纖維。這些碳素纖維一方面有助于沿著厚度方向的導(dǎo)電性和另一方面還可以對(duì)兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)上的接合作出一定的貢獻(xiàn)。于是在一個(gè)這樣構(gòu)造的雙極板中可以改變?cè)撾p極板的電或/和機(jī)械性能，而不必改變實(shí)際的材料成份。
[0013]為了在制造雙極板時(shí)不損傷或破壞纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的纖維材料，優(yōu)選熱塑性的塑料粘合劑具有一個(gè)熔點(diǎn)，該熔點(diǎn)低于需結(jié)合的纖維的熔點(diǎn)或熱穩(wěn)定性的上極限溫度。因此可以在制造雙極板時(shí)選擇一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍內(nèi)僅僅使用于使纖維結(jié)合的熱塑性塑料熔化或軟化，而需結(jié)合的纖維卻不。
[0014]在本發(fā)明的發(fā)展設(shè)計(jì)中可以規(guī)定:在雙極板中至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層具有由與碳不同的材料構(gòu)成的纖維。通過與碳素纖維不同的纖維，可以與電性能無關(guān)地調(diào)節(jié)相應(yīng)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度或/和剛度。例如玻璃纖維或礦物纖維可以適合于此。
[0015]如前面詳細(xì)說明的那樣，在一個(gè)燃料電池組中雙極板以它的側(cè)面中的兩個(gè)指向不同的燃料電池。在這種情況下，在平面的雙極板中優(yōu)選其涉及的是最大面積的側(cè)面，以便在各個(gè)燃料電池中可以提供大的電極面和因此均勻的電場(chǎng)。這些側(cè)面上露出的表面基本上與雙極板的主延伸平面平行地和因此基本上與厚度方向垂直地延伸?？梢杂幸娴氖?纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)沿著厚度方向具有不同的特性。優(yōu)選纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)沿著厚度方向具有不同的纖維含量或/和熱塑性結(jié)合劑或/和不同的纖維取向或/和不同的針縫度或/和不同的密實(shí)度。通過這種方式既可以影響雙極板沿著厚度方向的電性能也可以影響機(jī)械性能。正是通過使用不同的密實(shí)度還可以有針對(duì)性地調(diào)節(jié)雙極板的流體力學(xué)特性。
[0016]這些沿著厚度方向的區(qū)別可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)僅僅存在于一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層內(nèi)。然而優(yōu)選:至少兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層在它們的纖維成份或/和它們的纖維取向或/和它們的層厚或/和它們的纖維含量或/和它們的碳素纖維含量或/和它們的針縫度或/和它們的密實(shí)度方面不同或/和至少兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層與不同的熱塑性塑料結(jié)合。優(yōu)選芯層和覆蓋層在這些性能方面不同。覆蓋層是一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層，該纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層沿著厚度方向與僅僅一個(gè)唯一的，其他的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層接界，而芯層則沿著厚度方向收納在兩個(gè)其他的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層之間和沿著厚度方向設(shè)置在兩個(gè)覆蓋層之間，優(yōu)選大致在這些覆蓋層之間的中心處。
[0017]在這個(gè)構(gòu)造中，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位于更加外側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以比位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層具有更高的導(dǎo)電性或/和更高的，與質(zhì)量相關(guān)的碳素纖維份額。
[0018]此外，沿著厚度方向位于更加外側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以與熱塑性塑料結(jié)合，該塑料相對(duì)含酸的電解液比沿著厚度方向位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的熱塑性的塑料粘合劑具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，因?yàn)檫@個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層-與位于更加外側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層不同-不或較小程度地與含酸的電解液接觸。
[0019]在本發(fā)明的發(fā)展設(shè)計(jì)中可以規(guī)定:纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層具有的由與碳不同的材料構(gòu)成的纖維的，與質(zhì)量有關(guān)的重量份額(Gewichtsantei I)高于由碳素纖維構(gòu)成的。因此這個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以比它僅僅含有碳素纖維的情況對(duì)雙極板的強(qiáng)度或/和剛度作出更大的貢獻(xiàn)。優(yōu)選這個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層設(shè)置在兩個(gè)其他的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層之間并且特別優(yōu)選是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的芯層，因?yàn)檫@個(gè)芯層然后由于它的高的剛度或/和強(qiáng)度對(duì)于鄰接的，不太堅(jiān)固的或/和剛性的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層來說可以用作支架。
[0020]如上面已經(jīng)簡(jiǎn)述的那樣，也可以在流體力學(xué)的性能方面有針對(duì)性地構(gòu)造本發(fā)明的雙極板。設(shè)置在兩個(gè)沿著堆疊方向鄰接的燃料電池之間的雙極板還用作將反應(yīng)氣體供應(yīng)到電極的流體導(dǎo)向裝置。在現(xiàn)有技術(shù)中，為此在雙極板中在它們的指向各個(gè)電極的外表面上構(gòu)造有導(dǎo)流通道。如果雙極板具有一個(gè)沿著厚度方向位于多孔區(qū)域旁邊的氣密的分離區(qū)域的話，可以省略這樣地在雙極板內(nèi)構(gòu)造導(dǎo)流通道。
[0021]分離區(qū)域由于它的氣密性可以用于分離輸送給雙極板的兩側(cè)上的不同極性的電極的反應(yīng)氣體。至少一個(gè)多孔區(qū)域正是由于它的多孔性而允許氣體通過，使得可以將反應(yīng)氣體穿過至少一個(gè)多孔區(qū)域引向燃料電池的一個(gè)電極或?qū)⒂煞磻?yīng)產(chǎn)生的廢氣從這個(gè)燃料電池中引出。
[0022]優(yōu)選分離區(qū)域設(shè)置在兩個(gè)多孔區(qū)域之間，使得在雙極板內(nèi)在分離區(qū)域的兩側(cè)可以在不相互干擾或混合的情況下順著分離區(qū)域的各個(gè)側(cè)面引導(dǎo)不同的反應(yīng)氣體或/和廢氣。
[0023]為了能夠使有針對(duì)性地將反應(yīng)氣體引入雙極板的多孔區(qū)域內(nèi)或/和有針對(duì)性地將廢氣從雙極板的多孔區(qū)域中排出成為可能，可以規(guī)定:雙極板具有一個(gè)沿著厚度方向在分離區(qū)域的至少一側(cè)上的氣密的邊緣區(qū)域，該邊緣區(qū)域?qū)⒍嗫讌^(qū)域包圍。氣密的邊緣區(qū)域可以由與分離區(qū)域不同的材料制成和接裝在這個(gè)分離區(qū)域上。然而優(yōu)選邊緣區(qū)域由與分離區(qū)域同樣的材料制成并且甚至與這個(gè)分離區(qū)域構(gòu)造成一體的。一塊具有僅僅從分離區(qū)域的一側(cè)上凸起的邊緣區(qū)域的板例如可以用作燃料電池組的縱向端部上的端板。
[0024]與此相反，對(duì)于通常將雙極板設(shè)置在兩個(gè)電極之間來說有益的是:這個(gè)雙極板在分離區(qū)域的兩側(cè)上具有各一個(gè)沿著厚度方向從這個(gè)分離區(qū)域上凸起的，氣密的邊緣區(qū)域。“氣密的”并不與邊緣區(qū)域相關(guān)聯(lián)地意味著:不能設(shè)置或甚至不設(shè)置用于將氣體輸送到多孔區(qū)域內(nèi)或用于將氣體從這個(gè)區(qū)域內(nèi)排出的，引導(dǎo)氣體的通孔。
[0025]優(yōu)選分離區(qū)域和邊緣區(qū)域作為氣密的區(qū)域?qū)⒁龑?dǎo)氣體的多孔區(qū)域盤形地包圍，其中開口側(cè)朝向由雙極板接觸的電極。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有益的，結(jié)構(gòu)上的實(shí)施方式可以規(guī)定:分離區(qū)域是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)具有較高壓縮度的區(qū)域或/和至少一個(gè)多孔區(qū)域是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)具有較低壓縮度的區(qū)域。然后雙極板能夠以有益的方式由不同強(qiáng)度壓實(shí)的纖維原材料制成，如紛亂纖維，特別是無紡布，纖維墊，纖維織物(Fasergelege)等。
[0027]作為可選或補(bǔ)充，分離區(qū)域可以具有一個(gè)實(shí)心含碳的，特別是含碳素纖維的塑料板，該塑料板雖然由于它的碳含量，特別是碳素纖維含量提供導(dǎo)電性，然而該塑料板由于它的實(shí)心構(gòu)造可以是一個(gè)非常有效的氣體隔離件(Gasbarriere)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明雙極板的制造，分離區(qū)域優(yōu)選可以僅僅由一種這樣的塑料板組成。為了使在塑料板參與下的分離區(qū)域與沿著堆疊方向鄰接的多孔的，含纖維的區(qū)域或者與邊緣區(qū)域的結(jié)合更加容易，塑料板優(yōu)選可以包括熱塑性塑料，該塑料與鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的熱塑性的塑料粘合劑是相容的或相同的。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式可以規(guī)定:一個(gè)多孔區(qū)域由第一纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成和分離區(qū)域由第二纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成。在一個(gè)設(shè)置在兩個(gè)多孔區(qū)域之間的分離區(qū)域的特別優(yōu)選的情況中，每個(gè)多孔區(qū)域有益地由至少一個(gè)自身的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成和分離區(qū)域由另一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成。
[0029]多孔區(qū)域?yàn)榱苏{(diào)節(jié)它的流體力學(xué)性能-例如為了構(gòu)成一個(gè)更近地位于用于與電極接觸而設(shè)置的外側(cè)面上的，比距離這個(gè)外表面更遠(yuǎn)的區(qū)域具有更小的流動(dòng)阻力的部段-可以由多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成，這些纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以在它們的纖維密度或/和它們的密實(shí)度或/和它們的粘合劑份額方面不同。
[0030]由于雙極板的電性能僅僅由碳素纖維確定，所以為了能夠提供重量小的雙極板至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以是多孔的。這樣的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層具有在加熱時(shí)膨脹(1ften)的特性，因此可以產(chǎn)生一個(gè)首先大孔的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠界定地壓實(shí)。因此可以將這個(gè)特性用于在Loften之后的壓實(shí)步驟中界定地調(diào)節(jié)這個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的多孔性。
[0031]雙極板的厚度方向通常與雙極板安裝在其內(nèi)的燃料電池組的堆疊方向一致。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的第二觀點(diǎn)，文首界定的技術(shù)目的通過一種用于制造本發(fā)明的雙極板的方法得以實(shí)現(xiàn)，該方法包括步驟:
[0033]a)提供多層的纖維混合料，其包括碳素纖維，優(yōu)選形式為紛亂纖維，和熱塑性的粘合纖維，其中至少兩個(gè)纖維混合層含有碳素纖維，
[0034]b)將纖維混合料加熱到粘合材料的恪點(diǎn)以上并因此使材料Lof ten，
[0035]c)將經(jīng)過加熱的纖維混合料裝入壓模內(nèi)，
[0036]d)關(guān)閉壓模，
[0037]e)在纖維混合料上施加壓力，
[0038]f)使粘合材料硬化和
[0039 ] g)將壓模打開并取出雙極板。
[0040]在本發(fā)明的方法中，可以通過提供具有至少兩層含碳素纖維的層的多層纖維混合料以簡(jiǎn)單的方式調(diào)節(jié)需通過這種方式制造的雙極板的傳導(dǎo)性。這個(gè)傳導(dǎo)性可以如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣是與位置無關(guān)的或具有位置相關(guān)性(Ortsabhaengigkeit)?？梢酝ㄟ^提供基本上一致的，含碳素纖維的纖維混合層提供與位置無關(guān)的導(dǎo)電性，而可以通過不同的纖維混合層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性的位置相關(guān)性。
[0041]此外與基于壓鑄的制造方法不同，利用本發(fā)明的制造方法可以提供高的碳素纖維含量，因?yàn)樘妓乩w維-塑料粘合劑-混合物的，由這個(gè)碳素纖維含量限定的低粘滯性幾乎對(duì)制造方法沒有影響(具有最小流動(dòng)路徑(Fliessweg)的擠壓法)。
[0042]通過本發(fā)明方法可以構(gòu)成至少一個(gè)具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。這樣的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層具有通過加熱膨脹(1ften)的特性，因此可以產(chǎn)生一個(gè)首先大孔的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠界定地壓實(shí)。因此本發(fā)明方法優(yōu)選具有Lof ten至少一個(gè)多孔的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的其他步驟和一個(gè)接在其后的壓實(shí)步驟。因此可以提供一個(gè)具有界定地多孔性的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。
[0043]為了構(gòu)造一個(gè)分離區(qū)域，優(yōu)選具有與這個(gè)分離區(qū)域連接成一體的邊緣區(qū)域，優(yōu)選在壓實(shí)步驟中將第一纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層或纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的第一設(shè)置單元壓實(shí)到氣密為止。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有益的發(fā)展設(shè)計(jì)，在這個(gè)壓實(shí)步驟中產(chǎn)生一個(gè)基本上平坦的，氣密的，含纖維的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在它的主延伸平面內(nèi)具有不同的厚度，其中為了構(gòu)成一個(gè)氣密的邊緣區(qū)域優(yōu)選結(jié)構(gòu)的邊緣上的厚度大于在平坦的，含纖維的結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域內(nèi)。
[0044]優(yōu)選在這個(gè)方法中提供至少一個(gè)具有形式為紛亂纖維的碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。由此可以保障它們沒有同一的主延伸方向和它們可以通過這種方式產(chǎn)生基本上與方向無關(guān)的導(dǎo)電性。
[0045]就此而論，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以規(guī)定:對(duì)至少一個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維的纖維混合層進(jìn)行針縫，通過這種方式可以在這個(gè)纖維混合層中-與同樣未經(jīng)針縫的設(shè)置單元相比-提高沿著厚度方向的碳素纖維的數(shù)量。通過主要沿著厚度方向延伸的碳素纖維的數(shù)量可以再次影響沿著厚度方向的導(dǎo)電性。在這種情況下還可以規(guī)定:將含有形式為紛亂纖維的碳素纖維的多個(gè)纖維混合層相互針縫在一起。通過這個(gè)工藝步驟特別是可以降低主要在纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的主延伸平面內(nèi)延伸的碳素纖維的數(shù)量和同樣程度地首先提高雙極板的沿著厚度方向延伸的碳素纖維的數(shù)量。因此這樣最后可以影響導(dǎo)電性，而不改變層的材料成份。
[0046]為了能夠提供特別剛性和堅(jiān)固的雙極板，可以在本發(fā)明的發(fā)展設(shè)計(jì)中規(guī)定:將實(shí)心含碳的，特別是含碳素纖維的塑料板在兩個(gè)含碳素纖維的纖維混合層之間裝入壓模內(nèi)。這個(gè)塑料板由于實(shí)心的和因此由于它的堅(jiān)固而剛性的構(gòu)造還可以用作接界的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的支架。為了能夠保障特別好地粘著在鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層上，塑料板優(yōu)選包括熱塑性塑料，該塑料與鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的熱塑性的塑料粘合劑是相容的或相同的。
[0047]本發(fā)明還涉及本發(fā)明的雙極板在燃料電池內(nèi)的應(yīng)用以及具有本發(fā)明的雙極板的燃料電池。
【附圖說明】
[0048]下面參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)地闡述本發(fā)明。其示出:
[0049]圖1為本發(fā)明的雙極板的第一實(shí)施方式的剖視圖；
[0050]圖2a為本發(fā)明的雙極板的第二實(shí)施方式的頂視圖；以及[0051 ]圖2b為本發(fā)明的雙極板的第二實(shí)施方式的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]在圖1中是本發(fā)明的，一般標(biāo)注有附圖標(biāo)記10的雙極板的第一實(shí)施例。這樣的雙極板1例如可以應(yīng)用在燃料電池組中。燃料電池組由多個(gè)電串接的燃料電池組成，這些燃料電池沿著堆疊方向S彼此重疊地堆疊。各個(gè)燃料電池通過雙極板10相互分離。在圖中，一個(gè)接觸面-例如朝向未示出的第一燃料電池的陰極的側(cè)面-標(biāo)注有附圖標(biāo)記K和對(duì)立的接觸面-例如朝向未示出的第二燃料電池的陽極的側(cè)面-標(biāo)注有附圖標(biāo)記A。如在圖1中示出那樣，可以在側(cè)面K和在側(cè)面A上設(shè)置多個(gè)流動(dòng)通道12或14，通過這些流動(dòng)通道可以輸送需供應(yīng)給第一和第二燃料電池的反應(yīng)氣體諸如氫或氧以及需從這個(gè)燃料電池中排出的反應(yīng)生成物諸如水。
[0053]在圖1中示出的雙極板10包括一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)16，其具有多個(gè)與熱塑性塑料20a、20b、20c、20d結(jié)合的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a、16b、16c、16d，這些纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層中的至少兩個(gè)在本發(fā)明的范圍內(nèi)含有與熱塑性塑料結(jié)合的碳素纖維。當(dāng)然，如在圖中示出的那樣，所有纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d可以含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維18a、18b、18c、18d。
[0054]在圖中示出的雙極板10是平面的，就是說，它沿著兩個(gè)相互垂直的主延伸方向x、y在比沿著垂直于兩個(gè)主方向x、y的第三方向z大得多的尺寸上延伸。在這種情況下，主延伸方向x、y展開一個(gè)主延伸平面，而第三空間方向z則界定厚度方向，該厚度方向通常與堆疊方向S相一致。為了使燃料電池的堆疊更加容易，雙極板1優(yōu)選為平坦的。
[0055]通過纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d沿著厚度方向2的順序可以提供具有精確界定的導(dǎo)電性的雙極板10，因?yàn)檫@個(gè)導(dǎo)電性通過各個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d中的碳素纖維18a至d的特性和數(shù)量得以事先確定并且可以精確地調(diào)節(jié)這些特性。
[0056]纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c可以含有形式為紛亂纖維，例如無紡布的碳素纖維18b、18c。其中碳素纖維18b、18c沒有同一的主延伸方向，而是隨機(jī)取向的。因此由作為紛亂纖維存在的碳素纖維18b、18c提供的導(dǎo)電性在纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c內(nèi)也沒有方向性。
[0057]此外，提供形式為紛亂纖維的碳素纖維18b、18c具有優(yōu)點(diǎn):能夠以簡(jiǎn)單的方式通過針縫改變它們的取向，這對(duì)它們的導(dǎo)電性具有直接的影響。通過針縫可以提高基本上沿著厚度方向z延伸的碳素纖維22、24的數(shù)量。因此可以提高沿著厚度方形z的導(dǎo)電性，而它同時(shí)在各個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c的主延伸平面內(nèi)下降。
[0058]如在圖中此外示出的那樣，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b可以具有由與碳不同的材料構(gòu)成的纖維26，例如玻璃纖維或礦物纖維，所述材料具有比將這層纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b結(jié)合的塑料高的熔點(diǎn)。因此保障了這些纖維26在制造雙極板10時(shí)，例如通過擠壓成型，保持它們的纖維形狀。通過添加這樣的，非由碳制成的纖維26可以基本上與它們的電性能無關(guān)地調(diào)節(jié)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b的機(jī)械性能。即使在圖中僅僅示出具有與碳素纖維不同的纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b，也不應(yīng)該排除:所有纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d可以設(shè)置有這樣的纖維。
[0059]對(duì)于在內(nèi)燃電池組內(nèi)的運(yùn)行來說優(yōu)選:雙極板10在不同的區(qū)域內(nèi)具有不同的特性。這樣可以有益的是:它的覆蓋層16a、16d相對(duì)含酸的電解液在化學(xué)方面特別穩(wěn)定，而對(duì)于它的其他層來說不太高的耐酸性就可以夠用。出于這個(gè)原因纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d可以構(gòu)造成不同的。它們例如在纖維成份或/和纖維取向或/和層厚或/和纖維含量或/和碳素纖維含量或/和纖維長(zhǎng)度或/和針縫度或/和密實(shí)度方面可以不同。同樣可以有益的是:兩層纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層與不同的熱塑性塑料結(jié)合。然后可以在覆蓋層16a、16d中使用一種熱塑性塑料，該塑料比沿厚度方向z位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c的塑料相對(duì)含酸的電解液具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，因?yàn)檠刂穸确较騴位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c在燃料電池內(nèi)不或比覆蓋層16a、16d更小程度地與含酸的電解液接觸。
[0060]另外，沿著厚度方向z位于更加外側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a、16d可以比沿著厚度方向z位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c具有更高的導(dǎo)電性。例如可以通過較高的與質(zhì)量相關(guān)的(massebezogen)碳素纖維份額實(shí)現(xiàn)這個(gè)較高的導(dǎo)電性。
[0061]因此可以為沿著厚度方向z位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c提供由與碳不同的材料構(gòu)成的纖維26的更高的，與質(zhì)量相關(guān)的重量份額。
[0062]芯部也可以具有一個(gè)實(shí)心的，混合有碳纖維的，氣密的塑料板28。這個(gè)塑料板可以用作雙極板10的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d的支架和用作將流入不同側(cè)面K和A上的流動(dòng)通道12和14內(nèi)的，不同的氣體分離的氣體隔離件。由于纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至16d同樣地根據(jù)它們的纖維結(jié)構(gòu)可以是多孔的，因此可能并不始終必要可靠地通過這些層保障一方面通道12和另一方面通道14的流體力學(xué)的分離。
[0063]為了能夠提供與接界的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c的特別好的結(jié)合，實(shí)心的塑料板28可以包括熱塑性塑料，該塑料與鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16b、16c的熱塑性塑料粘合劑20b、20c是相容的或相同的。
[0064]為了保障雙極板沿著厚度方向z的導(dǎo)電性，塑料板28構(gòu)造成可導(dǎo)電的，例如通過填充可導(dǎo)電的材料，諸如碳。優(yōu)選塑料板28也含有碳素纖維30。
[0065]由于僅僅由碳素纖維18a至d決定雙極板10的電性能，所以在這種情況下塑料母體20a至d并不重要，就是說，特別是它不必是緊密的。因此至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層16a至d可以結(jié)合在多孔的塑料母體20a至d內(nèi)，因?yàn)橥ㄟ^這種方式可以相對(duì)實(shí)心的塑料母體削減重量。
[0066]在圖2a和2b中示出的是本發(fā)明雙極板110的第二實(shí)施方式的頂視圖或剖視圖。
[0067]第二實(shí)施方式為相同的或功能相同的構(gòu)件和構(gòu)件部段具有與第一實(shí)施方式相同的附圖標(biāo)記，然而提高了數(shù)字100。下面對(duì)第二實(shí)施方式僅僅就它與第一實(shí)施方式的不同之處加以說明，在其他方面為了闡述第二實(shí)施方式還明確地引用第一實(shí)施方式的說明。
[0068]第二實(shí)施方式的雙極板110如第一實(shí)施方式的那個(gè)一樣具有一個(gè)作為兩個(gè)外側(cè)面K和A之間的分離區(qū)域的，實(shí)心的塑料板128，該塑料板也可以是一個(gè)壓實(shí)至氣密的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層128。它用作兩個(gè)外側(cè)面K和A之間的氣體隔離件。
[0069]壓實(shí)成氣密的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層128具有一個(gè)沿著厚度方向z位于中心的分離區(qū)域128a，從該分離區(qū)域上在兩側(cè)在雙極板110的邊緣上環(huán)繞地凸起同樣透氣的邊緣區(qū)域128b和128c。邊緣區(qū)域128b和128c以及分離區(qū)域128a在該分離區(qū)域128a的兩側(cè)構(gòu)成各一個(gè)盤形的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一個(gè)由各個(gè)盤形結(jié)構(gòu)包圍的凹處129a和129b。其中分離區(qū)域128a構(gòu)成盤形結(jié)構(gòu)的各個(gè)底部，邊緣區(qū)域128b和128c構(gòu)成盤形結(jié)構(gòu)的各壁。
[0070]在凹處129a和129b中由其他的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成有多孔的區(qū)域131a和131b。例如多孔區(qū)域131a可以構(gòu)成在由一個(gè)唯一的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116c組成的凹處129a內(nèi)，而多孔區(qū)域131b則可以構(gòu)成在由兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116a和116b組成的凹處129b內(nèi)。其中例如纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116a可以具有比距離外表面K更遠(yuǎn)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116b-例如由于較小的密實(shí)度-更高的多孔性。
[0071]由纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成的多孔區(qū)域131a和131b在第二實(shí)施方式的雙極板110內(nèi)用于輸送氣體，或作為反應(yīng)氣體或作為廢氣。其中多孔區(qū)域131b的示例性雙層的結(jié)構(gòu)由于各層116a和116b的所述的多孔性區(qū)別可以在纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116a內(nèi)具有比在纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116b內(nèi)小的流動(dòng)阻力并且因此在壓差相同的情況下每個(gè)時(shí)間單位允許通過更大的氣體量。這一點(diǎn)對(duì)于位于電極更近的層116a可以是有利的。
[0072]在第二實(shí)施方式的雙極板110內(nèi)，例如所有的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116a至116c可以由各一個(gè)包括紛亂纖維的纖維混合層制成。
[0073]多孔區(qū)域131a的實(shí)例僅僅應(yīng)該表明:分離區(qū)域128a與燃料電池的電極之間的多孔區(qū)域也可以構(gòu)造成單層的。
[0074]由此在雙極板110內(nèi)沒有構(gòu)造流動(dòng)通道12或14，因?yàn)樵诘诙?shí)施方式的雙極板110內(nèi)各氣體由于各纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層116本身內(nèi)已存在的多孔性而得到輸送。
[0075]分離區(qū)域128a和邊緣區(qū)域128b和128c優(yōu)選由唯一的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層128通過相應(yīng)的擠壓成型在壓實(shí)的同時(shí)成形為一體的。
[0076]用于制造雙極板10;110的方法包括如下步驟:
[0077]a)提供多層的纖維混合料，其包括碳素纖維18a至d; 118a至c和粘合纖維，這些粘合纖維具有熱塑性塑料20a至d，其中提供至少兩個(gè)具有碳素纖維18a至d; 118a至c的纖維混合層16a至d; 116a至C，
[0078]b)將纖維混合料加熱到粘合材料的熔點(diǎn)以上并因此使粘合纖維熔化，
[0079]c)將經(jīng)過加熱的纖維混合料裝入一個(gè)壓模內(nèi)，
[0080]d)關(guān)閉壓模，
[0081 ] e)在纖維混合料上施加壓力，
[0082]f)使粘合材料硬化和
[0083]g)將壓模打開并取出雙極板10，110。
[0084]在這個(gè)方法中，特別是可以通過含碳素纖維的纖維混合層的選擇和在壓模中設(shè)置影響導(dǎo)電性的位置相關(guān)性。
[0085]此外，與基于壓鑄的制造方法不同，利用這個(gè)制造方法可以實(shí)現(xiàn)更高的碳素纖維含量，因?yàn)樘妓乩w維-塑料-混合物的粘滯性在此并沒有決定性的意義。
[0086]優(yōu)選提供至少一個(gè)具有形式為紛亂纖維的碳素纖維18b、18c; 118a至c的纖維混合層，以便碳素纖維18b、18c; 118a至c沒有同一的方向和因此不導(dǎo)致定向的導(dǎo)電性。此外，在這種情況下存在可能性:通過針縫改變作為紛亂纖維提供的碳素纖維18b、18c; 118a至c的取向，而不必改變纖維混合料的材料成份。
[0087]如果雙極板10如在圖1中示出的那樣包括一個(gè)實(shí)心的塑料板28的話，那么本方法也可以包括一個(gè)用于將實(shí)心的塑料板28裝入壓模內(nèi)的步驟。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于燃料電池的雙極板(10; 110)，包括:含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維(18a至d;118a至c)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16; 116)，其特征在于，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16; 116)為多層的并且包括多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16a至d; 116a至C)，這些纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層中的至少兩個(gè)分別含有熱塑性結(jié)合的碳素纖維(18a至d; 118a至c)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板(10;110)，其特征在于，至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b，16c; 116a至c; 128)，優(yōu)選多個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b，16c，116a至c ； 128)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維(18b，18c; 118a至c)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極板(10;110)，其特征在于，至少一個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維(18b ,18c； 118a至c)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b ,16c； 116a至c ； 128)經(jīng)過針縫，優(yōu)選多個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b，16c; 116a至c; 128)相互針縫在一起。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板(10;110)，其特征在于，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16; 116)具有碳素纖維(22，24)，這些碳素纖維主要沿著纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16;116)的厚度方向(2)超出一個(gè)以上的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b ,16c； 116a至c，128)延伸。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的雙極板(10)，其特征在于，至少一個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b)具有由與碳不同的材料，優(yōu)選玻璃纖維材料或礦物纖維材料，構(gòu)成的纖維(26)。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的雙極板(10;110)，其特征在于，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16;116)沿著厚度方向(z)具有不同的纖維含量或/和熱塑性的結(jié)合劑或/和不同的纖維取向或/和不同的針縫度或/和不同的密實(shí)度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極板(10;110)，其特征在于，至少兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層，優(yōu)選覆蓋層(16a，16d; 116a，116c)和芯層(16b，16c; 128)，在它們的纖維成份或/和它們的纖維取向或/和它們的層厚或/和它們的纖維含量或/和它們的纖維長(zhǎng)度或/和它們的碳素纖維含量或/和它們的針縫度方面不同或/和至少兩個(gè)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層，優(yōu)選覆蓋層(16a，16d; 116a，11)和芯層(16b，16c; 128)，與不同的熱塑性塑料結(jié)合。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙極板(10;110)，其特征在于，纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(16; 116)的位于更加外側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16&，16(1;116&，116(3)，優(yōu)選覆蓋層，比位于更加內(nèi)側(cè)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(1613，16(:;11613，128)，優(yōu)選芯層，具有更高的導(dǎo)電性或/和更高的，與質(zhì)量相關(guān)的碳素纖維份額或/和更高的多孔性。9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任意一項(xiàng)所述的雙極板(10;110)，其特征在于，具有沿著厚度方向(z)位于多孔區(qū)域(131a，131b)旁邊，優(yōu)選兩個(gè)多孔區(qū)域(131a，131b)之間的氣密的分離區(qū)域(28;128a)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙極板(110)，其特征在于，具有沿著厚度方向(z)在分離區(qū)域(128a)的至少一側(cè)(A，K)上，優(yōu)選各一個(gè)沿著厚度方向(z)在兩側(cè)(A，K)上從這個(gè)分離區(qū)域上凸起的氣密的邊緣區(qū)域(128b，128c)，該邊緣區(qū)域?qū)⒍嗫讌^(qū)域(131a，131b)包圍。11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的雙極板(110)，其特征在于，分離區(qū)域(128a)是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(116)的具有較高壓縮度的區(qū)域或/和至少一個(gè)多孔區(qū)域(131a，131b)是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(116)的具有較低壓縮度的區(qū)域。12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任意一項(xiàng)所述的雙極板(10)，其特征在于，分離區(qū)域具有實(shí)心含碳的，特別是含碳素纖維的塑料板(28)，優(yōu)選由這樣的塑料板(28)組成，其中該塑料板(28)優(yōu)選包括熱塑性塑料，該塑料與鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b，16c)的熱塑性塑料結(jié)合劑(20b，20c)是相容的或相同的。13.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任意一項(xiàng)所述的雙極板(110)，其特征在于，多孔區(qū)域(131a，131b)由第一纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(116a，116b，116c)構(gòu)成和分離區(qū)域(128a)由第二纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(128)構(gòu)成。14.一種用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的雙極板(10; 110)的方法，包括步驟: a)提供多層的纖維混合料，包括碳素纖維(18a至d;118a至C)，優(yōu)選形式為紛亂纖維，和粘合纖維，這些粘合纖維具有熱塑性塑料，其中至少兩個(gè)纖維混合層含有碳素纖維(18a至d； 118a至c)， b)將纖維混合料加熱到粘合材料的熔點(diǎn)以上，并因此使粘合纖維熔化， c)將纖維混合料裝入壓模內(nèi)， d)關(guān)閉壓模， e)在纖維混合料上施加壓力， f)使粘合材料硬化和 g)將壓模打開并取出雙極板(10，110)。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對(duì)至少一個(gè)含有形式為紛亂纖維的碳素纖維(18a至d; 118a至c)的纖維混合層進(jìn)行針縫，優(yōu)選將多個(gè)含有形式為含有紛亂纖維的碳素纖維(18a至d; 118a至c)的纖維混合層相互針縫在一起。16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，將實(shí)心塑料板(28)在兩個(gè)含碳素纖維的纖維混合層之間裝入壓模內(nèi)，其中該塑料板(28)優(yōu)選包括熱塑性塑料，該塑料與鄰接的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層(16b，16c)的熱塑性的塑料結(jié)合劑是相容的或相同的。17.將根據(jù)權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)所述的的雙極板(IO; 110)用作燃料電池內(nèi)的雙極板。18.一種燃料電池，包括根據(jù)權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)所述的雙極板(1; 110)。
【文檔編號(hào)】H01M4/90GK105895928SQ201610064355
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年1月29日
【發(fā)明人】法布里齊奧·奇尼, 愛德華多·馬特利, 曼弗雷德·坎帕克
【申請(qǐng)人】勞士領(lǐng)汽車集團(tuán)