用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法，该方法包括：提供第一板基体和第二板基体作为具有碳纤维的纤维成形体，它们分别具有接合面和背离接合面的工作面；用至少一种碳同素异形体渗透板基体；局部施加硅至接合面内的各自的接合部位上；将接合面相叠放置，从而使得接合部位相叠并且使得两个板基体的工作面彼此背离；至少局部加热接合部位，从而使硅熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。形成硅碳化合物。形成硅碳化合物。

【技术实现步骤摘要】
用于制造用于电化学设备的重量轻的双极板的方法


[0001]本说明涉及用于制造用于电化学设备的双极板的方法、用于电化学设备的双极板、以及具有至少一个这种双极板的电化学设备。

技术介绍

[0002]本专利技术意义上的电化学设备尤其可以是燃料电池堆，其具有多个燃料电池，它们被供给氧气和氢气。此外，电化学设备也可以是电解器，利用其可以产生氧气和氢气。例如在飞行器中使用的燃料电池堆通常具有PEM燃料电池。在这些燃料电池中，基本的电化学功能单元被实现为所谓的膜电极单元(或者说“Membrane Electrode Assembly”)，其具有电解液、围绕电解液的阳极催化器和阴极催化器以及在外部所联接的气体扩散层。在低温燃料电池中，电解液可能包括全氟磺酸或类似物质。在高温燃料电池中，可能使用掺杂磷酸的聚苯并咪唑。
[0003]双极板使得各个电化学的单体电池彼此流体分离，并且同时实现它们的电互连。双极板通常由两个拼合的半体组成，可以具有用于对燃料电池进行水冷却的通道，并且附加地被用于放电。在双极板的两侧上引入细小的通道结构，这些通道结构被称为流场(“flow field”)并且被用于大面积引导氢气至阳极以及引导氧气或空气至阴极侧。因而，双极板是燃料电池堆的重要活性部件。
[0004]双极板的常用材料是不锈钢，其比重高达8g/cm3。这些金属双极板视厚度而定造成燃料电池堆重量的高达约70％。
[0005]在制造双极板时，通常提供两个独立的板半体并彼此焊接在一起。为了引入流场广泛使用机械方法。例如因此可以通过压印方法将流场引入单个板半体。偶尔也使用由钛基合金制成的双极板。因而有可能将双极板的重量减轻约一半。然而，该制造是有问题的，这是因为一方面壁厚低于150μm的特别薄的钛膜很难获得，而且这些膜的焊接是耗费的。
[0006]此外，金属双极板需要防腐层。为了确保双极板的实际任务，其需是能导电的。这例如可以通过镍、钼、钽或其混合物实现。涂覆方法例如可以包括物理或化学气相沉积(PVD或CVD)、以火焰或等离子体为能源的热喷涂、溶胶凝胶涂层或类似方法。
[0007]除了金属双极板之外，由纯石墨或石墨合成物制成的双极板也是已知的，其中，应用铣削、热压或注塑成型以塑形。然而，在保持导电和导热能力情况下，这些板的接合是耗费的。

技术实现思路

[0008]因而建议一种用于制造用于电化学设备的双极板的方法被视为一项任务，其中，双极板具有尽量轻的重量、能尽量廉价且可靠地制造。
[0009]该任务通过具有独立权利要求1的特征的方法解决。有利实施方式和改进方案由从属权利要求和以下说明得知。
[0010]建议一种用于制造电化学设备的双极板的方法，该方法包括：提供第一板基体和
第二板基体作为具有碳纤维的纤维成形体，它们分别具有接合面和背离该接合面的工作面；用至少一种碳同素异形体渗透板基体；局部施加硅至接合面内的各自的接合部位上；将接合面相叠放置，从而使这些接合部位相叠并且使两个板基体的工作面彼此背离；并且至少局部加热接合部位，从而使硅熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。
[0011]在此，纤维成形体是基本上平坦的板半体。它们可以具有直接匹配于双极板的所需尺寸的边缘轮廓。然而也能想到的是，在纤维成形体渗透步骤之后紧接着进行机械最后加工，其中，使得纤维成形体达到期望的最终尺寸。
[0012]板基体的纤维材料充当基材或载体并且密集地用适当的碳同素异形体渗透，从而形成高导电能力且高导热能力且优选无孔以及流体密封的组件。至少一种碳同素异形体可以包括石墨、石墨烯结构、富勒烯或其他。也能想到的是，用石墨渗透板基体。有意义的可以是，在这里必要时添加石墨烯薄片，以便进一步提高导电能力。
[0013]渗透例如可以通过化学蒸汽渗透执行。在此，各自的工作面是后续在其中整合有流场且指向各自膜
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电极系统的面。渗透之后可以压紧和/或加热或以其他方式加工板基体，以便提高其稳定性。
[0014]双极板一方面可以原样保持非烧结状态，从而形成两个相。视所应用的碳同素异形体而定，然而也可以将其压紧或硬化。替选地可以采用烧结过程，其中，渗入的碳同素异形体实际上被烧结成实心材料。
[0015]还能想到的是，事先或者必要时在相同温度循环下烧结双极板，以使其能够借助硅连接起来，以便实现所渗入的碳同素异形体的更高耐高温性。
[0016]本专利技术方法的核心方面在于局部施加硅至接合部位上。在此，这些接合部位尤其可以设置在板基体的边缘侧。能想到的是，两个板基体的仅其中一个设有硅。通过板基体相叠，使得这两个板基体都与硅接触。
[0017]通过至少局部加热接合部位，使得硅熔化并且与相邻的碳形成Si
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C化合物或SiSi
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C化合物。这些化合物使得这两个板基体彼此相连。石墨和碳纤维具有耐高温性，从而不仅在边缘侧加热而且完整加热这两个板基体超过硅的熔化温度(1414℃)对于板基体的整体性而言是没有问题的。
[0018]通过根据本专利技术的方法制造出约2.3g/cm3的非常低比重的双极板，其明显低于由金属材料制成的双极板的比重。所制成的双极板还具有良好的导电和导热能力。此外，其在燃料电池的正常运行条件下完全耐腐蚀。制造所用材料是廉价的且可工业化大规模提供。该双极板具有优异的热性能和较高的导热系数的各向异性比。通过匹配纤维成形体的结构以及石墨含量可以进一步优化热性能。
[0019]接合部位可能布置在板基体的径向外置的边缘区域内。因而，板基体在其边缘区域处彼此相连。边缘区域可以被构造为环绕的条带状的区域。
[0020]可以将硅作为线材和/或作为粉末布置在接合部位上。线材可能实现为具有一个或多个环圈的环绕的线材。此外也可以也可以将单个较短的线材区段布置在接合部位上。为了实现硅(无论是线材还是粉末形式)在板基体上的初始附着，能想到的是，应用在焊接中分解且尤其是蒸发的附着剂。
[0021]能想到的是，至少局部加热包括：将由板基体和硅构成的组件引入炉中并且借助该炉加热。因而，使得构成双极板的整个组件在炉中被加热，从而使得硅在接合部位处局部
熔化并且导致两个板基体的连接。因而可以确保均匀加温，从而实现板基体之间的均匀连接。
[0022]然而至少局部加热还可能包括：利用激光或等离子束至少局部加热接合部位。激光或等离子束可以在外沿边缘区域引导，从而使得经受激光或等离子束的板基体被加温并且通过热传导加温和熔化硅。
[0023]局部加热可能包括：加热由板基体和硅构成的组件的环绕的边缘区段。边缘区段可能从径向或轴向方向或其组合方向出发被加载热量。因而热源可以在轴向或径向上跟随边缘区段。
[0024]该方法还可以具有：将流道引入工作面中。因而成形出流场。流道可能蜿蜒曲折地在两个工作面上分布并且包括联接区域，经由联接区域能建立与外部流体源或流体汇集部的流体连接。
[0025]流道的引入可能通过至少一种选自如下去除法组的去除法执行，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于制造用于电化学设备的双极板的方法，所述方法包括：
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提供(2)第一板基体(16)和第二板基体(18)作为具有碳纤维的纤维成形体，所述第一板基体和第二板基体分别具有接合面(17)和背离所述接合面的工作面(30、32)，
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用至少一种碳同素异形体(20)渗透(4)所述板基体(16、18)，
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局部施加(6)硅(24)至所述接合面(17)内的各自的接合部位(22)上，
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将所述接合面(17)相叠放置(8)，从而使得所述接合部位(22)相叠并且使得两个板基体(16、18)的工作面(30、32)彼此背离，并且
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至少局部加热(10)所述接合部位(22)，从而使硅(24)熔化并且与相邻碳发生反应以形成硅碳化合物。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接合部位(22)布置在所述板基体(16、18)的径向外置的边缘区域内。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述硅(24)作为线材和/或作为粉末布置在所述接合部位(22)上。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少局部加热(10)包括将由板基体(16、18)和硅(24)构成的组件引入炉中并且借助所述炉加热。5.根据权利要求1至3中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：米夏埃尔，
申请(专利权)人：空中客车简化股份公司，
类型：发明
国别省市：