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CN1332465C - 蜂窝结构和其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝结构(1)，该蜂窝结构(1)包括至少一个被相连的密封表面(4a，4b)部分限定的蜂窝区域(2a，2b)。根据本发明，每个蜂窝区域(2a，2b)是由多个平行于相连的密封表面(4a，4b)叠置的金属层(8)，每个金属层(8)包括一个通向所述的金属层(8)两侧的通路网络(10)。本发明还涉及一种生产这样的蜂窝结构(1)的生产方法。还包括用于燃料电池和热交换器的用途。

Description

蜂窝结构和其生产方法
技术领域
本发明的技术领域是关于能量生产的领域，该领域需要所应用的元件非常紧凑。更具体地说，本发明涉及用在专门技术领域中的蜂窝结构。
所述的蜂窝结构特别用于燃料电池中，更具体地说用于包括用作电介质以及双极板的薄膜的燃料电池中，所述的双极板包括蜂窝结构。
另外本发明还用于热交换器领域，所述热交换器使用了所述的蜂窝结构。
最后，本发明还涉及生产所述蜂窝结构的生产方法。
背景技术
在该领域中，已经知道使用所述的蜂窝结构的燃料电池。
事实上，一个燃料电池是一个包含了多个彼此叠置的电池单元的组件。在所述燃料电池的每个电池单元中，在两个反应物之间发生了电化学反应，所述两个反应物被连续地引入电池单元中。习惯上使用的燃料是氢或者甲醇，根据是用于一种使用氢/氧类型混合物进行工作的电池还是用于使用甲醇/氧类型的混合物进行工作的电池而选择。
将燃料接触阳极，而氧化剂，在氧的情况下，与阴极接触。
阳极和阴极通过中间层与离子交换薄膜类型的电介质分开。
在阳极处，进行了燃料的一般是氢的氧化反应，用下面的反应式表示：
2H2→4H++4e-
同样，在阴极处，发生了氧化剂，一般是氧气的还原反应，如下面的反应式：
O2+4H++4e-→2H2O
然后，进行电化学反应，该电化学反应中所产生的能量转变为电能。一些质子H+从阳极向阴极穿过电解质循环，以便与外部回路相连，从而达到产生电能的目的。
同时，在阴极处，可以看到产生了水，所述水被从电极-薄膜-电极连续排放。
在现有技术的燃料电池中，多个电极-薄膜-电极组件彼此叠置，以便获得大于由所述组件中的一个电池单元提供的功率。在这些组件之间的接头和电气连接一般都是借助于导电板进行的，这些导电板也称为双极板。
因此借助于作为蜂窝结构的双极板可以将组件的阴极与相邻组件的阳极相连。这些双极板还允许确保可能的最大的电导率，以便避免对燃料电池的效率产生损害的欧姆损失。
所述的双极板还可以完成其它的功能，除了确保电气连接以外。
事实上，例如可以通过双极板的中间层进行向第一组件的阳极和第二相邻组件的阴极连续供应反应物。
另外，通过加入排除多余水的元件，所述的双极板还可以用来在阴极处排放反应产物。
所述双极板还结合有一个热交换器，该热交换器用来防止在电极-薄膜-电极组件堆中的任何过热。
最后注意，这些双极板的其它的功能在于：所述电极-薄膜-电极组件的机械性能，特别是当这些电极-薄膜-电极组件是彼此叠置堆放时。这样的组合结构确保了厚度较小的电池的总体积，从而非常好地与上述的应用兼容，例如涉及电动车辆的应用。
根据现有技术的装置和方法，存在3种用于实现反应物分配的不同的方法。
首先注意一种使用了在双极板的端部上加工的沟槽的方法。这些沟槽设置用于确保在电极表面上尽可能均匀地分布反应物，反应物与该电极表面接触。
这些沟槽一般被组织成，使得注射到这些沟槽中的反应物在该电极表面的大部分中蜿蜒而行。所使用的用于获得这样的结构的装置是被180度弯头间隔的水平截锥体。注意到，这些截锥体也能够在阴极处回收和排放水。
然而，注意到装置的这种特别设置不允许获得足够大的交换表面，从而达到在工业应用时可接受的电化学转化效率。
为了解决这样的缺陷，现有技术中提出了第二种方法。
该方法中涉及了应用具有大的孔隙率的金属泡沫材料，以便与金属零件相连，在所述金属零件中进行了技术加工，所述的金属泡沫材料可以确保反应物的良好的分布以及不同的反应产物的排放。
这种方法特别在文件US5482792中描述。厚度为几个毫米的两个片材分别靠着阳极和阴极设置，并且起到与所述双极板的端部连接的作用。
然而，在双极板处连接金属泡沫材料的事实导致建立了大的电阻，从而导致了在组件内的导电损失。
即使通过压缩金属泡沫材料，属于导电的问题可以被部分解决，但是还是证明其导致了存在有腐蚀的问题，特别是因为存在有多种缺陷，例如在金属泡沫材料中的导线束的断裂。
根据现有技术的第3种办法，其描述在文件US6146780中，双极板包括一个密封的导电板，以及两个金属泡沫材料的部分，确保了与电极的接触。这样的设计允许了免除被加工的金属元件，以及因此去除了高昂的成本。
然而使用这样的装置仍然存在其它缺点。
事实上，使用金属泡沫材料作为反应物的分布区域和不同反应产物的排放区域，并不能正确控制金属泡沫材料类型的结构的周期性。
另外，附加的缺点在于不能容易地控制所述蜂窝结构的内部几何形状，这表现为不能改变以期望的方式进行分布的区域的几何形状。
最后还应指出：在现有技术的热交换器中存在一些在所使用的蜂窝结构中指出的缺点。
发明内容
本发明的目标因此是完全或者部分解决现有技术的蜂窝结构的缺点。
本发明还在于提出一种简单构思的蜂窝结构，并且对于该蜂窝结构来说，可以完美地控制不同蜂窝区域的内部几何形状。
本发明的另外的目标是提出一种生产获得上述本发明目标的蜂窝结构的生产方法。
因此，本发明首先是一种包括至少一个被相连的密封表面部分限定的蜂窝区域的蜂窝结构。根据本发明，每个蜂窝区域是由多个平行于相连的密封表面叠置的金属层形成，每个金属层包括一个通向所述的金属层的两侧的通路网络。
本发明有利地提出一种构思简单的蜂窝结构，该结构的蜂窝区域的内部几何形状易于根据实际需要进行调整。
在这种蜂窝结构中，不会遇到任何与组件的连接结构有关的困难，这些困难导致了在双极板内机械、热或者电的不连续性。
所述蜂窝结构最好不同地与作为双极板的燃料电池成一整体，与作为双极板的燃料电池连成一整体，与集成的交换器连成一整体，或者与热交换器连成一整体。
本发明还提出一种生产这样的蜂窝结构的生产方法。根据该方法，每个金属层是通过进行下面的操作而实现：
-沉积金属粉末层；
-通过激光，部分固化被沉积的金属粉末层，从而导致形成固化部分和非固化部分，所述固化部分限定了所述金属层的通路轮廓。
对于每个蜂窝区域，所述的金属层最好被连续实施，所述相连的密封层构成了待实施的第一金属层的载体，所实施的金属层的所述固化部分和非固化部分构成了用于待实施的随后的金属层的载体。
对于每个蜂窝区域，当所有的金属层已经被实施时，金属层的通路网络最好是通过去除金属层的非固化部分而获得的。
另外，可以预见到：通过激光对被沉积的金属粉末层进行的部分固化操作还能够将所获得的固化部分与金属层上的固化部分相连接，所述固化部分放置在该金属层上。
金属层最好包括选自下面材料中的材料：不锈钢，铝及其合金，镍及其合金，例如Ni-Cr，和至少上述的两种元素的组合。
另外金属层包括至少一种例如青铜的连接剂。从而有利地允许了获得一些可在低温下实现烧结操作的合金。
本发明的其它的优势和特征将在下面的说明中以非限定的方式被描述。
附图说明
下面的说明将参照附图进行，附图包括：
-图1表示了一个根据本发明的优选实施例的蜂窝结构的透视图；
-图2表示了图1的蜂窝结构与两个待连接的元件接触的表面视图；
-图3表示了根据本发明的另一个优选实施例的蜂窝结构的表面视图；
-图4简示了在沉积一个金属粉末层之后生产的蜂窝结构的透视图；和
-图5简示了在被沉积的金属粉末层被部分固化后生产的蜂窝结构的透视图。
具体实施方式
参照附图1和2，可以看到根据本发明的一个优选实施例的蜂窝结构1，这个蜂窝结构特别能够与燃料电池一起工作，或者与热交换器(未示出)一起工作。
本发明的蜂窝结构1包括至少一个用于被至少一种流体经过的蜂窝区域2a，2b。根据本发明的在图1和2中示出的优选实施例，所述的蜂窝结构1包括两个蜂窝区域2a，2b，每个蜂窝区域用于与一个相应的元件16a，16b相配合，所述的元件16a，16b包括一个待接触的表面14a，14b。这些元件16a，16b在图2中可以看到，并且可以属于一种热交换器或者属于一种燃料电池。
注意到还可以提出一种只具有一个单一的蜂窝区域2a，2b的蜂窝结构1。
所述的蜂窝区域2a，2b被相连的密封表面4a，4b部分限定。
所述第一表面4a和第二密封表面4b属于导电底座板6，这个底座板6还是液密的，这些液体在蜂窝区域2a，2b内部循环。
每个蜂窝区域2a，2b是由平行于相连的密封表面4a，4b叠置的金属层8形成。每个金属层8包括一个通向该金属层8的两侧的通路网络10。
在每个蜂窝区域2a，2b中，所述的大致平面的金属层8被彼此叠置堆积在所述的相连的密封表面4a，4b的宽的部分上。每个金属层8包括一个通路网络，该通路网络包括多个通路10，这些通路形状相同或者不同，沿与相连的密封表面4a，4b大致垂直的轴线穿过每个金属层8。金属层8的这种特别的设置导致了获得单位体积的，导电的和多孔的蜂窝区域2a，2b。
每个金属层8可以具有一种通路网络，该通路网络与在两个直接相邻的金属层8上开出的通路网络10相同或者不同。
参照附图2，结构1最好具有约6毫米的厚度“E”，这个厚度等于导电底座板6的厚度“e”与两个蜂窝区域2a，2b的高度“ha”和“hb”的和。
另外，在参照图2，金属层8可以是不同于“e′”或者“e″”的厚度，这些值最好小于0.5毫米，更具体地说在0.1-0.2毫米之间。
因此，通过一方面改变金属层8的厚度“e′”和“e″”，另一方面改变通路网络10的分布和几何形状，可以获得平均开孔率在严格大于0％-90％之间的蜂窝区域2a，2b。
根据并且参照附图1和2，蜂窝结构1包括两个蜂窝区域2a，2b，每个蜂窝区域用于与分别属于元件16a，16b的不同表面14a，14b配合。所述元件16a，16b可以属于热交换器或者属于燃料电池。每个蜂窝区域2a，2b分别在蜂窝区域2a中被供应流体F1，在蜂窝区域2b中被供应流体F2。必须指出的是流体F1和F2本身可以是多种流体的混合物，并且流体的供应最好是连续进行的。
箭头A和B分别代表了供应流体F1和F2，它们分别施加在蜂窝区域2a和2b中。
当将流体F1和F2引入蜂窝结构1中时，它们在蜂窝区域2a，2b的总体积中循环，并且扩散到表面14a，14b，这些流体与表面14a，14b接触。这些箭头C1和C2表示了流体F1和F2在每个蜂窝区域2a，2b中的扩散的主要方向。
为了到达待接触的表面14a，14b，这些流体F1和F2经过通路10，这些通路10开在金属层8中，通过这样的装置的设计，可以确保在待接触的表面上的流体F1和F2的分布尽可能均匀。
流体F1和F2的排出分别用箭头D1和D2表示。
根据本发明的第一应用，所述的蜂窝结构1用于燃料电池。在这个情况中，所述的两个蜂窝区域2a，2b是反应物的分布区域，分布区域必须接触的表面14a，14b是属于燃料电池的电池单元的电极-薄膜-电极(未示出)组件的电极表面16a，16b。所述的蜂窝结构1是一个用于燃料电池的双极板。
同样在现有技术的双极板中，由蜂窝区域2a，2b构成的分布区域还用于排放不同的反应产物，例如水，其是在与电极进行电化学反应时形成的。
还注意到所述的蜂窝结构1，根据实际需要可以仅仅包括一个反应物的分布区域。这个特别的实施例在下述情况中出现：燃料电池的一个电极用于供应反应物。
另外，参照附图3并且根据本发明的一个第二应用，接合两个蜂窝结构100和200，可以获得一种含有被集成的热量转换器的双极板。
事实上，第一蜂窝结构100包括两个蜂窝区域102a，102b，该第一蜂窝结构100被叠置在第二蜂窝结构200上，该第二蜂窝结构200包括一个蜂窝区域202a。可以使这些蜂窝结构100，200彼此接触，例如通过简单的挤压，从而形成了包括3个不同的蜂窝区域102a，102b，202a的结构，所述的蜂窝区域102a位于其它两个中间，这个蜂窝区域102a是热交换区域，并且所述的其它两个区域102b，202a位于所述组件的端部，对应于在电极处的反应物的分布区域。
根据本发明的第三应用，该蜂窝结构1还可以用于热交换器类型的装置中，作为热交换区域。其功能类似于双极板的功能，注入到蜂窝区域2a，2b中的流体是诸如水的冷却液体。
在这样的应用中，蜂窝区域2a，2b是冷却液体的分布区域，这个冷却液体用于在待冷却的表面14a，14b的整体上分布，然后沿图1的箭头D1和D2表示的方向从该蜂窝结构1中排出。
本发明还涉及一种生产蜂窝结构1的方法，例如上述的蜂窝结构。
这个生产方法在于通过导电底座板6实现至少一个蜂窝区域2a，2b。
参照图4和5，为了导致蜂窝区域2a，2b中的一个，重复多次两个连续的操作，以便允许达到实现一个金属层8。参照附图4，所述的第一操作在于在刚刚提到的金属层8上沉积一个金属粉末层18。注意到为了实现第一金属层8，所述的第一操作在于在相连的密封表面4a，4b上沉积金属粉末层18。
在第二次中，所述操作在于通过激光将被沉积的金属粉末层18部分固化，以便获得固化部分20和非固化部分22。精确地说这些非固化部分22是由金属粉末层18的粉末颗粒构成。
固化部分20和非固化部分22的位置和数量是在实施过程中根据在金属层8上的期望的通路网络10来确定。事实上，这些固化部分20限定了通路轮廓10，而非固化部分22的位置对应于用于所述的金属层8的通路10的位置。
对于每个蜂窝区域2a，2b来说，重复两个连续步骤，所进行的次数与具有的构成所述的蜂窝区域2a，2b的金属层8相同。
注意到在实施了任意金属层8之后，所述的金属层8设置了固化部分20和非固化部分22，这些部分20，22的组合构成了一个实施随后的金属层8的沉积的载体。
为了沉积金属粉末层18，可以使用任何类型的公知方法。最好机械沉积金属粉末层18。
为了实施部分固化被沉积的金属粉末层18的步骤，使用了公知的方法，使用了激光类型的装置。
可以示例性地参照可选择的激光烧结方法，粉末直接沉积方法，快速生产方法，激光烧结方法，或者微系统生产方法。
总体上说，上述的方法使用了激光类型的装置，从而将烧结或者熔化了金属粉末层18的一部分的局部的充足的能量，带到精确的预定位置处。这个操作可以进行多次，以便设置多个固化部分20。
然后必须使所述的激光类型的装置相对用于进行部分固化操作的金属粉末层18精确定位，以便所述的金属粉末层18位于激光类型的装置的聚焦区域中。因此，在某些实际情况中，能够固化粉末层18的一部分，而不固化所述金属层8的一个或者一些非固化部分22，在金属层8上设置非固化部分22。
注意到可以借助于CAO类型的装置实施所述的方法，这些CAO装置可以在方法进行的过程中调整激光类型的装置和不同的金属粉末层18的相对位置。
还需要精确指出，通过激光对金属粉末层18进行的部分固化操作也可以将获得的固化部分20与金属层8的所述固化部分相连接，在该金属层8上设置固化部分。这个特征对于第一金属层8来说是有价值的，所获得的固化部分20与相连的板6的密封表面相连接。
当用于形成蜂窝区域2a，2b的金属层8的组合已经被实施时，可以设置一个只包括固化部分20和非固化部分22的块。因此，为了获得在非固化部分22处设置的通路网络10，必需要除去构成了所述部分22的粉末。所述的的除去可以非常简单地用粉末颗粒的排出而实现，所述的粉末颗粒能够容易地被取出，同时建立了金属层通路网络10。
在所述非固化部分22全部被除去之后，获得了蜂窝区域2a，2b，该蜂窝区域2a，2b包括多个彼此连接的固化部分。
当然，本领域普通技术人员可以对所述蜂窝结构1和这样的结构的生产方法进行不同的改进，上面的描述仅仅是示范性的。

Claims (11)

1.蜂窝结构(1)，包括至少一个蜂窝区域(2a，2b)，该蜂窝区域由相连的密封表面(4a，4b)部分限定，其特征在于，每个蜂窝区域(2a，2b)是由多个金属层(8)形成，所述的金属层(8)平行于相连的密封表面(4a，4b)叠置，每个金属层(8)包括通向所述的金属层(8)的两侧的通路网络(10)。
2.根据权利要求1所述的蜂窝结构(1)，其特征在于，该蜂窝结构(1)集成到作为双极板的燃料电池中。
3.根据权利要求1所述的蜂窝结构(1)，其特征在于，该蜂窝结构(1)集成到作为带有集成的交换器的双极板的燃料电池中。
4.根据权利要求1所述的蜂窝结构(1)，其特征在于，该蜂窝结构(1)集成到一个热交换器中。
5.生产根据上述权利要求中任一项所述的蜂窝结构(1)的方法，其特征在于，每个金属层(8)是通过实施下面的操作而实现的：
-沉积一个金属粉末层(18)；
-通过激光部分固化被沉积的金属粉末层(18)，使得形成固化部分(20)和非固化部分(22)，所述的固化部分(20)限定了该金属粉末(8)的通路轮廓(10)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每个蜂窝区域(2a，2b)来说，所述的金属层(8)是连续实施的，所述的相连的密封表面(4a，4b)构成了待实施的第一金属层的载体，一个实施的金属层(8)的所述的固化部分(20)和非固化部分(22)构成了随后实施的金属层(8)的载体。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每个蜂窝区域(2a，2b)来说，在已经实施了任何金属层(8)时，所述的金属层(8)的通路网络(10)是通过去除金属层(8)的非固化部分(22)而获得的。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，通过激光对被沉积的金属粉末层(18)进行部分固化的操作还能够将所述的的固化部分(20)与金属层(8)的固化部分(20)相连接，在该金属层(8)上设置固化部分(20)。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，通过激光对被沉积的第一金属粉末层(18)进行固化的操作还能够将所获得的固化部分(20)与相连的密封表面(4a，4b)相连，在该密封表面(4a，4b)上设置了固化部分(20)。
10.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述的金属层(8)由取自下述材料中的一种材料形成：不锈钢，铝及其合金，镍及其合金，和上述的至少两种元素的组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的金属层(8)包括至少一个连接剂。
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