用于燃料电池的双极板以及燃料电池的制作方法

本实用新型涉及一种双极板以及一种燃料电池。

背景技术：

水(h2o)是燃料电池中的总反应的产物，其在运行中连续产生。在此，一方面，水必须作为反应产物被运走，另一方面，它应保留在电池单元中以润湿膜，以便增加膜的质子传导性。

在这里，用作电极和气体分布结构的双极板是重要部件。通过在双极板中应用的输送通道，可以将气体引导到反应地点并且将在那里产生的反应产物(水)在导出。因此，双极板显著影响燃料电池中的水管理。根据为导电双极板使用哪种材料而定，双极板可具有高的可润湿性。由此可能发生，双极板的表面尤其在其撞击到燃料电池的气体扩散层的区域中被水润湿，从而发展成宏观液滴。这种水沉积影响氧气向反应区的输送，从而总体上降低了燃料电池的性能。

技术实现要素：

本实用新型提供一种用于燃料电池的双极板，其具有至少一个气体引导部，提供一种具有至少一个双极板的燃料电池，以及提供一种用于使双极板结构化的方法。

从申请文件中得知本实用新型的其他特征和细节。在这里，结合根据本实用新型的双极板描述的特征和细节当然也适用于根据本实用新型的燃料电池和/或根据本实用新型的方法，并且反之亦然，从而关于本实用新型的各个方面的公开内容总是可以相互参照。

本实用新型提供一种用于燃料电池的双极板，其具有至少一个气体引导部和表面，该气体引导部可置于气体扩散层处，该表面可朝向气体扩散层定向。在这里，该表面至少部分地具有加工的表面结构，该表面结构使能够以液滴的形式与该表面接触的液体的润湿角α增大。换句话说，气体引导部在其表面上具有加工的表面结构，由此降低了该表面的可润湿性并从而产生改善通过气体引导部进行的气体输送的优点。加工的表面结构不会影响气体导向部本身的几何印象，而是显现出比该几何印象小多倍、至少为百分之几到万分之几的印象。这提供了加工的表面结构本身不干扰气流的优点。可以规定，双极板由石墨板或由金属材料构成，以确保导电性，或者由复合材料制成，以便将至少两种不同材料的正面性能彼此联系起来。还可以规定，加工的表面结构仅设置在阴极侧，因为在阳极侧存在阳极不再具有足够的水用于燃料电池运行的风险。结构化也可以不均匀地或仅部分地存在于双极板的一侧上，使得根据气体引导部的外形而定可以在任何部位处实现优化的表面可润湿性。

还可以规定，表面上的液体、特别是水滴的润湿角α在90°-180°之间。特别优选润湿角α在150°-180°之间。润湿角α是液滴内在粘附表面(液滴粘附于该表面上)和气相、液相和固相相交处的液滴轮廓部位切线之间的角度。根据该定义，大的接触角相当于难润湿(在水的情况下为疏水)的表面而小的接触角相当于的良好润湿(在水的情况下为亲水)的表面。由于润湿角α增大，与较小润湿角相比得到的优点是，在液滴体积相同的情况下，液体用以润湿固体表面的面积减小。与之相对，在大润湿角α的情况下与气相接触的表面增大，使得通过液滴周围的气流得到改善的运走。

可能有利的是，在根据本实用新型的双极板中，加工的表面结构具有周期性，所述周期性尤其具有长程有序(fernordnung)性。换句话说，加工的表面结构以近似固定的间距重复。因而例如凸起和凹槽可以特别是以丘和谷的形式交替。加工的表面结构的周期性具有降低表面可润湿性的优点。长程有序意味着，仅具有0.01μm-1μm的小结构宽度的结构在与结构宽度本身相比较大的距离(例如0.1mm或更大)上重复。在此，该结构尤其具有在远处也还继续的周期性，具体说与该表面是否具有不具有该结构的个别区域无关。如果加工的表面结构具有长程有序的周期性，则得到液滴特别可能进入到所谓cassie状态的优点。在这种状态下，液滴不会侵入到结构中，而是类似于在荷叶上那样位于其上。

根据一种改进本实用新型的措施可以规定，表面具有附加施加的材料，所述材料至少部分地限定加工的表面结构。换句话说，可以在表面上施加至少一个薄层，所述薄层本身具有特定结构，或者通过该结构仅存在于表面的特定部位上而使表面结构化。通过施加附加材料得到以下优点：能够实现表面的简单灵活的化学功能化。例如可以使用聚卤代烯烃，如聚四氟乙烯(ptfe)，它在不专门结构化的情况下也具有非常低的可润湿性。也可以想到使用类金刚石碳(dlc)，它具有非常高的硬度和耐磨性。尤其可以规定，在所施加的材料中设置凹槽，它们形成加工的表面结构或使表面结构改性，其中，这些凹槽通过材料去除方法制成。有利地，加工的表面结构可以布置在双极板的引水通道的区域中，以便由此明显改善运走。

此外，在根据本实用新型的装置中可以想到，表面具有凹槽，该凹槽至少部分地限定加工的表面结构。在这种情况下，可以是双极板本身的表面具有凹槽，或者仅是双极板的表面上可能施加的层具有凹槽。还可以想到，凹槽既存在于涂层中，也存在于双极板本身的材料中。凹槽提供的优点是，液体在表面上的润湿角度增大并且表面的可润湿性降低。

还可以规定，双极板的加工的表面结构具有0.01μm-10μm的结构尺寸，优选具有0.01μm-1μm的结构尺寸，特别优选具有0.05μm-0.5μm的结构尺寸。结构尺寸是指两个凸起或两个凹槽之间的距离。在这种数量级的结构尺寸情况下，处于表面上的液滴可以或者处于cassie浸渍的润湿状态，在该状态中尽管液体可以渗透到各个结构之间但润湿角度是增大的，或者处于真正的cassie状态，在该状态中液滴不能渗透到结构中。特别是由于也被称为荷叶效应的后一种状态，使得液体的润湿角α强烈增大，尤其大于90°。在凹槽的深度和/或凸起的高度处于0.01μm和1μm之间时，也可以得到这两种cassie状态。

本实用新型的另一主题是一种具有至少一个根据本实用新型的双极板的燃料电池。该燃料电池具有至少一个气体引导部，其布置在气体扩散层处。在这里，双极板的可朝向气体扩散层定向的一侧的表面至少部分地具有加工的表面结构，其使液体的润湿角α增大。为了节省成本或根据气体引导部的具体设计而定来优化构造，可以规定，在燃料电池堆中设置多个双极板，其中，布置在燃料电池中以形成这样的堆叠的仅一个或至少不是所有双极板具有加工的表面结构。

根据本实用新型的另一方面，要求保护一种用于使双极板结构化的方法，所述结构化优选地可以如本实用新型的上下文中所说明的那样实施。在这里，双极板的表面的加工的表面结构至少部分地借助脉冲激光工艺制造。这提供了以下优点：在一个脉冲内实现高的峰值强度，以从表面去除材料，而不会使双极板整体受强烈的热负荷。还可以规定，脉冲激光工艺与涂覆工艺和/或蚀刻工艺结合使用，以使表面结构化。这提供了以下优点：加工的表面结构的结构宽度可以更灵活地调整并且可以在化学上功能化。

在本实用新型的范围内可以规定，加工的表面结构借助脉冲激光产生，脉冲激光具有毫秒和/或微秒和/或纳秒和/或皮秒和/或飞秒范围内的脉冲。该脉动提供的优点是，脉冲宽度可以灵活地适配于材料和结构深度。还可以规定，使激光的波长适配于待加工的表面，以便获得尽可能有效和清洁的材料去除。在此，波长范围可以在极紫外至红外之间变化。一种可特别灵活地应用且成本有利的变型是nd:yag激光器，其中，该激光器的基本波长1064nm根据基板可以通过倍频而适配于533,355和266nm的工作波长。在另一有利的变型中可以使用yb:yag激光器。该激光器提供特别高性能的优点。通过与nd:yag激光器相比增大了增益带宽，可以更好地调谐波长并生成超短脉冲。

根据本实用新型还可以规定，双极板的加工的表面结构至少部分地借助直接激光干涉结构(dlip)制成。使用dlip提供的优点在于，由此能够以特别成本有利和快速的方式在表面上产生规则的和周期性的结构。还可以规定，借助电子束来加工所述表面。通过电子束可以在表面上在局部产生特别精细分辫的结构。替换地可以规定，使用等离子方法，利用等离子方法可以产生所述结构的深度和宽度之间的特别高的纵横比。

附图说明

从下面针对在附图中示意性地示出的一些本实用新型实施例的说明得知改进本实用新型的进一步措施。从申请文件中得知的全部特征和/或优点，包括结构细节、空间布置和方法步骤，既可以单独地、也可以极多样化组合地具有实用新型实质意义。应该注意的是，附图仅具有说明性特性，而不应被认为以任何方式限制本实用新型。在图中示出：

图1燃料电池的一部分的示意性视图，

图2双极板表面的放大视图，

图3双极板表面的视图，其中，液滴已经沉积在表面上。

在下面的附图中，相同的附图标记用于相同的技术特征，即使是不同实施例的特征。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有至少一个双极板100的燃料电池的一部分，其中，双极板100具有气体引导部110。通过气体引导部110可以引导燃料和氧化剂。双极板100具有一些表面，图1中示出的实施例中，这些表面中的表面10朝向气体扩散层200定向。在燃料电池中，在气体扩散层200的更后面处可以布置有聚合物电解质膜300。在所谓堆叠式结构中则在电解质膜300后面有另一气体扩散层200和另一双极板100(在图1中未示出)，使得它们最初形成单个电池。然后可以将这些单个电池布置成一排并挤压，从而它们形成所谓的燃料电池堆。可能发生，在双极板100的表面10上、特别是在表面10与气体扩散层200相遇的部位处形成液滴形式的液体20。该液体可以主要是水，其在带负电的氧离子与通过电解质膜300获得的质子反应时反应成水。如果由液体20形成液滴，则液滴在表面10上具有典型的润湿角α，该角在下面还要解释。

在图2中强烈放大地示出双极板100的表面10的一部分，从而可以看到加工的表面结构15。在此，在图2中示出，加工的表面结构15一方面由凹槽12、另一方面由凸起11形成。在这里，谷和丘可以周期性地重复，使得表面10至少部分地具有一致的结构尺寸16。由于在表面10的各个结构化区段之间可能存在较大的非结构化区段，因此可以规定，在另一部位再次采纳加工的表面结构15的周期性。这种长程有序尤其可以通过使用直接激光干涉结构化来产生。在存在长程有序的情况下，处于0.01μm-10μm范围内或者0.01μm-1μm或0.05μm-0.5μm之间的结构尺寸16可以在大多倍的长度尺度(例如厘米或分米)上重复。通过去除材料产生凹槽12，通过这样去除材料，例如可以通过使在去除时产生的新表面与气相发生化学反应而对表面10进行化学改性。此外，可以通过在其上施加材料11来使表面10发生化学改变。例如可以将聚卤代烯烃如ptfe或者还有类金刚石碳沉积在表面10上。为了产生凹槽12，可以利用脉冲激光工艺，特别是微秒、纳秒、皮秒或飞秒范围内的脉冲激光工艺，以便从表面10去除材料。为了特别有效地产生周期性结构，可以使用直接激光干涉结构化(dlip)。

在双极板100的表面10上存在加工的表面结构15导致在表面上形成的液体20具有大的润湿角α。图3示出了双极板100上的表面10的两个不同区域，其中，在左侧区域中，加工的表面结构15导致润湿角α与右侧示出的表面10的区域相比增大，在右侧的区域中不存在加工的表面结构。尤其在润湿角α大于90°时，因而例如在100°和180°之间或优选在150°和180°之间时，润湿角α增大。大的润湿角度带来的优点是，表面10上的液体20需要较小的空间。由于在这里液体20的体积保持相同，因此，存在较大的表面与气相接触，使得液体20可以更快地被运走。

以上对实施例的解释仅在示例范畴内描述了本实用新型。当然，在不脱离本实用新型的范围的情况下，如果在技术上有意义，这些实施方式例的各个特征可以彼此自由组合。