CN116888775A - 用于电化学电池的双极板、用于制造双极板的方法、电化学电池的组件和用于运行电化学电池的组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学电池(1)的双极板(7)，所述双极板包括至少一个第一单极板(13)和第二单极板(17)，所述第一单极板具有第一凹槽(15)，所述第二单极板具有第二凹槽(19)，其中，所述第一凹槽(15)和所述第二凹槽(19)以对置的方式布置并且形成通道(21)，其中，所述第一凹槽(15)和所述第二凹槽(19)分别包括中间底面(23)和至少两个倾斜面(24)，所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)包括至少一个外底面(25)，其中，在所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)上布置有至少一个开口元件(111)，所述开口元件用于至少一个介质(29)在至少两个倾斜面(24)中的一个倾斜面与所述至少一个外底面(25)之间的穿过，其中，所述至少一个开口元件(111)具有罩面(121)、第一敞开侧面(113)、第二敞开侧面(115)和盖面(140)，所述盖面具有开口(27)，所述第一敞开侧面(113)位于所述至少一个外底面(25)中，所述第二敞开侧面(115)位于所述至少两个倾斜面(24)中的一个倾斜面中。此外，本发明涉及一种用于制造双极板(7)的方法、一种电化学电池(1)的组件(69)和一种用于运行电化学电池(1)的组件(69)的方法。

Description

用于电化学电池的双极板、用于制造双极板的方法、电化学电 池的组件和用于运行电化学电池的组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池的双极板，该双极板包括至少一个第一单极板和第二单极板，第一单极板具有第一凹槽(Sicke)，第二单极板具有第二凹槽，其中，第一凹槽和第二凹槽以对置的方式布置并且形成通道，其中，第一凹槽和第二凹槽分别包括中间底面和至少两个倾斜面。此外，本发明涉及一种用于制造双极板的方法、一种电化学电池的组件和一种用于运行电化学电池的组件的方法。
背景技术
电化学电池是电化学换能器，并且以燃料电池或者电解装置的形式已知。
燃料电池将化学反应能转换为电能。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转换为水(H2O)、电能和热。
此外，已知质子交换膜(Proton Exchange Membrane＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有布置在中央的膜，该膜对于质子、即氢离子是可透过的。氧化剂、尤其空气中的氧气由此在空间上与燃料、尤其氢气分开。
燃料电池具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极上连续供应并且通过催化在释放电子的情况下被氧化成质子，所述质子到达阴极。被释放的电子从燃料电池中导出并且经由外部电路流到阴极。在燃料电池的阴极上供应氧化剂，该氧化剂通过接收来自外部电路的电子和质子反应成水。如此形成的水从燃料电池中导出。总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极与阴极之间施加有电压。为了提高电压，多个燃料电池可以机械地前后相继地布置成燃料电池堆叠并且以串联方式电连接，该燃料电池堆叠也被称为电堆或者燃料电池构造。
电化学电池的堆叠可以被称为电化学电池的组件，所述电化学电池的堆叠通常具有端板，所述端板将各个电池相互挤压并给该堆叠赋予稳定性。
电极(即阳极和阴极)和膜可以在结构上组合成膜电极组件(MEA)，该膜电极组件也被称为膜电极单元(Membrane Electrode Assembly)。
此外，电化学电池的堆叠具有双极板，所述双极板也被称为气体分配器板或者分配器板。双极板用于将燃料均匀地分配到阳极上以及用于将氧化剂均匀地分配到阴极上。除了在氧气、氢气、水和必要时冷却剂方面的介质引导之外，双极板确保与膜的面式电接触。
例如，燃料电池堆叠典型地包括多达几百个的单个的燃料电池，所述燃料电池分层地彼此堆叠。各个燃料电池具有MEA以及分别在阳极侧上和在阴极侧上具有双极板半部。燃料电池尤其包括阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板和阴极单极板通常分别呈压制板的形式，所述压制板共同形成双极板并且因此形成用于引导气体和液体的通道，并且冷却介质可以在所述压制板之间流动。
另外，电化学电池通常包括气体扩散层，所述气体扩散层布置在双极板与MEA之间。
与燃料电池相比，电解装置是一种换能器，在施加电压的情况下，该换能器优选将水分解成氢气和氧气。电解装置也主要具有MEA、双极板和气体扩散层。
通常经由垂直于电化学电池的膜布置的介质通道给堆叠中的电化学电池供给介质或引离这些介质，所述介质尤其是氢气和氧气。介质通道通过端口与电化学电池、尤其是与双极板流体地连接，所述端口也可以被称为流体附接端。介质通道通常位于堆叠的边缘上，并且通常通过重合相叠地布置的留空部产生，所述留空部形成端口。介质从端口通过端口穿引部引导到所谓的流场(Flowfield)中，即双极板的或膜的活性面。
尤其是指向MEA的、用于空气或氢气的端口穿引部必须这样设计，使得端口穿引部一方面提供用于流入的和流出的介质的尽可能大的开口，另一方面为布置在MEA的反面(Gegenseite)的密封件提供尽可能好的机械支撑效果。
DE 10158772 C1和DE 10248531 B4涉及一种燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠具有多个燃料电池的分层结构，其中，通过双极板供应或引离介质，并且凹槽组件设置用于密封。
发明内容
提出一种用于电化学电池的双极板，所述双极板包括至少一个第一单极板和第二单极板，第一单极板具有第一凹槽，第二单极板具有第二凹槽，其中，第一凹槽和第二凹槽以对置的方式布置并且形成通道，其中，第一凹槽和第二凹槽分别包括中间底面和至少两个倾斜面，第一凹槽和/或第二凹槽包括至少一个外底面，并且其中，在第一凹槽和/或第二凹槽上布置有至少一个开口元件，该开口元件用于至少一个介质在所述至少两个倾斜面中的一个倾斜面与所述至少一个外底面之间的穿过，并且其中，所述至少一个开口元件具有罩面、第一敞开侧面、第二敞开侧面和盖面，所述盖面具有开口，并且第一敞开侧面位于所述至少一个外底面中，并且第二敞开侧面位于所述至少两个倾斜面的一个倾斜面中。
此外，提出一种电化学电池的组件，所述电化学电池的组件包括至少一个双极板和至少一个膜电极组件，其中，所述至少一个开口元件如此布置在所述至少一个双极板上，使得所述开口指向所述至少一个膜电极组件。除此之外，本发明涉及一种用于制造双极板的方法，其中，第一凹槽和/或第二凹槽和所述至少一个开口元件借助压制由第一单极板的或第二单极板的底板制造，并且本发明涉及一种用于运行电化学电池的组件的方法，其中，至少一个介质从通道通过所述至少一个开口元件被引导至至少一个膜电极组件，其中，所述至少一个介质通过第二敞开侧面和/或通过第一敞开侧面进入到所述至少一个开口元件中并且通过开口从至少一个开口元件中排出。
电化学电池优选是燃料电池或者电解装置，该电化学电池优选包括至少一个根据本发明的双极板、至少一个气体扩散层和至少一个膜或膜电极组件。尤其是，在两个双极板之间分别布置有膜电极组件。电化学电池的组件优选是燃料电池堆叠，该电化学电池的组件优选包括至少一个膜电极组件、至少一个根据本发明的双极板(进一步优选地，至少两个根据本发明的双极板)和至少一个端口。所述至少一个端口可以是入口或者出口。
优选地，双极板包括碳(例如石墨)、金属(例如不锈钢或者钛)和/或包含该金属的合金。进一步优选地，双极板由碳、金属和/或合金构成。
所述至少一个介质优选包括氢气、空气或氧气、水和/或冷却介质，进一步优选地，所述至少一个介质包括冷却介质、氢气或者包含氧气和/或水的混合物。
所述至少一个开口元件用于导引至少一个介质穿过第一单极板或第二单极板。优选地，仅所述至少一个开口元件用于引导所述至少一个介质穿过第一单极板或第二单极板。该开口元件也可以被称为成形部或者压制部。
第一凹槽和/或第二凹槽也可以被称为尤其金属的密封凹槽。优选地，第一凹槽和第二凹槽形成密封元件。密封元件优选向外并且相对于另外的介质密封所述至少一个端口，该密封元件被至少一个介质尤其通过所述至少一个开口越过，以便必要时首先进入到分配器结构中，然后到达双极板的活性面上。优选地，第一凹槽和/或第二凹槽布置在所述至少一个端口上。进一步优选地，第一凹槽和/或第二凹槽包围、更优选地完全包围所述至少一个端口。第一凹槽和/或第二凹槽可以仅包围所述至少一个端口，并且优选地可以仅包围恰好一个端口。另外，第一凹槽和第二凹槽可以包围、优选地完全包围双极板的或尤其相邻地布置的MEA的活性面，使得第一凹槽和第二凹槽共同地作为所述至少一个端口的或活性面的密封元件起作用。
该开口也可以被称为贯通开口、裂口或者通路。优选地，第一凹槽和/或第二凹槽具有多个开口元件并且相应地具有多个开口。该开口具有横截面、优选圆形的横截面。
优选地，该开口通过尤其对第一单极板的或第二单极板的底板的打孔来制造。替代地，可以首先制造至少一个开口元件，然后冲制该开口。此外，切削加工是可能的。除此之外，可以在另外的压制步骤中优化所述至少一个开口元件的棱边轮廓。
优选地，中间底面和至少一个外底面构成水平区域，所述水平区域与第一单极板的或第二单极板的底板基本上平行地布置。进一步优选地，第一凹槽的和/或第二凹槽的中间底面和至少一个外底面分别基本上平行于彼此地布置。“基本上平行”理解为：底面，即中间底面和/或至少一个外底面，彼此围成或与底板围成小于20°、优选小于10°的角。
第一单极板的或第二单极板的中间底面优选分别布置在两个倾斜面之间。所述至少两个倾斜面也可以被称为支腿或者侧翼。此外，所述至少两个倾斜面尤其相对于中间底面和至少一个外底面倾斜。倾斜角优选在100°至170°的范围中，进一步优选地在110°至160°的范围中。
优选地，中间底面和所述至少一个外底面是平坦的面。所述至少两个倾斜面可以是弯曲的，即可以具有至少一个曲率。优选地，尤其分别与中间底面相邻地布置的所述至少两个倾斜面具有带相反符号的倾斜角。
第一凹槽和/或第二凹槽可以具有至少两个开口元件，所述开口元件可以布置在中间底面的对置的侧上。所述至少两个开口元件可以对置地或者相互错位地布置。
优选地，中间底面相对于第一单极板的或第二单极板的底板具有第一高度，该底板尤其构成基准面。
在优选的第一实施方式中，在所述至少一个外底面上尤其布置有至少一个开口元件，所述至少一个外底面布置在不大于一个的倾斜面上。相应地，所述至少一个外底面优选布置在第二高度上，该第二高度进一步优选地小于第一高度的10％。尤其是，所述至少一个外底面布置在基准面上。开口布置在盖面中，并且该盖面、尤其是至少一个开口元件的开口优选布置在排出高度上，该排出高度大于第一高度的20％、尤其是大于第一高度的50％。
在优选的第二实施方式中，第一凹槽和/或第二凹槽分别具有至少三个倾斜面、尤其是具有三个或者四个倾斜面，其中，所述至少一个外底面尤其直接布置在所述至少三个倾斜面中的两个倾斜面之间，并且尤其在所述两个倾斜面之间形成梯级。该梯级优选具有第三高度，其中，该第三高度小于第一高度，进一步优选地，该第三高度是第一高度的20％至80％、更优选地30％至70％、尤其优选地40％至60％。尤其布置在中间底面的相同侧上的或与同一梯级邻接的两个倾斜面可以具有相同的倾斜角。在优选的第二实施方式中，至少一个开口元件布置在梯级上。
优选地，第一凹槽的中间底面和/或第二凹槽的中间底面分别具有密封件。进一步优选地，第一凹槽的中间底面和第二凹槽的中间底面分别具有密封件。密封件优选实施为涂层。另外，该密封件优选包括聚合物、例如弹性体，进一步优选地，该密封件包括从以下组中选择的材料：该组包括硅酮、橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)和它们的混合物，所述橡胶尤其是氟橡胶(FKM)。
所述至少一个开口元件可以实施为导气罩(Hutze)和/或可以描述为半罐。此外，所述至少一个开口元件可以至少部分地具有锥形形状或者多面体的形状，该多面体优选通过菱形和/或矩形限界。尤其是，所述至少一个开口元件具有菱面体的形状。
优选地，盖面与所述至少一个外底面基本上平行地布置，并且尤其与第一单极板的或第二单极板的底板基本上平行地布置。优选地，盖面具有矩形形状或者至少部分地是圆形的或是圆的。例如，盖面部分地具有半圆的形状。
优选地，罩面通过盖面、至少一个外底面和所述至少两个倾斜面中的一个倾斜面限界。
优选地，开口具有圆形横截面。替代地，开口可以形成开口元件的第三敞开侧面，使得该开口元件也可以被称为导气罩。在这种情况下，盖面优选是完全敞开的。
本发明的优点
通过所述至少一个开口元件，双极板的端口与活性面流体地连接，其中，端口区域通过开口元件同时被加固和支撑，以便防止端口区域的不期望的变形并且形成用于密封的压紧面。
此外，通过设计所述至少一个开口元件，例如通过有针对性地设计罩面，可以优化流动引导。
尤其地，圆形的开口具有仅很小的生产公差。
附图说明
根据附图和下面的描述更详细地阐述本发明的实施方式。
附图示出：
图1示出电化学电池的示意图，
图2示出电化学电池的组件的分解示意图，
图3示出根据现有技术的凹槽组件的立体视图，
图4示出具有开口元件的第一单极板的立体视图，
图5示出具有梯级的凹槽组件的横截面视图。
具体实施方式
在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的或者相似的元件用相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复描述。附图仅示意性示出本发明的主题。
图1示出电化学电池1，该电化学电池呈燃料电池的形式。电化学电池1具有膜2作为电解质。膜2将阴极空间6与阳极空间8分开。
在阴极空间6和阳极空间8中，在膜2上分别布置有电极层3、气体扩散层5和双极板7。膜2和电极层3的复合结构也可以被称为膜电极组件4。
在双极板7中供应介质29。氧气9通过阴极空间6中的双极板7到达气体扩散层5，并且氢气11通过阳极空间8中的双极板7到达相应的气体扩散层5。
图2示出电化学电池1的组件69的分解示意图，该组件构成燃料电池堆叠。组件69包括单个的电化学电池1，所述电化学电池借助张紧元件37在集流器33与端板35之间夹紧。
图3示出具有凹槽组件57的双极板7的片段的立体视图。双极板7包括分别根据现有技术的具有第一凹槽15的第一单极板13和具有第二凹槽19的第二单极板17。
第一凹槽15和第二凹槽19以对置的方式布置并且形成通道21。第一凹槽15和第二凹槽19分别包括中间底面23和两个倾斜面24，其中，倾斜面24具有开口27，介质29可以被引导穿过所述开口。
图4示出具有第一凹槽15的第一单极板13的片段的立体视图。第一单极板13具有中间底面23、两个倾斜面24和外底面25。在第一凹槽15上，在倾斜面24中的一个倾斜面与外底面25之间布置有两个开口元件111，所述开口元件用于介质29的穿过。开口元件111分别具有罩面121、第一敞开侧面113、第二敞开侧面115和盖面140。盖面140分别具有开口27。另外，第一敞开侧面113分别位于外底面25中，第二敞开侧面115位于倾斜面24中。
介质29分别经由第一敞开侧面113和第二敞开侧面115进入到开口元件111中，并且再次通过盖面140中的开口27离开该开口元件。
示出第一开口元件141，其中，盖面140部分地是圆形的。在第二开口元件143的情况下，盖面140具有矩形形状。
第一凹槽15的中间底面23布置在第一高度59上，而盖面140分别相对于第一单极板13的底板123布置在第二高度61上。
图5示出双极板7的凹槽组件57的另一种实施方式的横截面视图。在此，第一凹槽15具有四个倾斜面24，其中，外底面25布置在四个倾斜面24中的两个倾斜面之间并且形成梯级31。相应地，开口元件111布置在梯级31上。梯级31相对于第一单极板13的底板123布置在第三高度63上。此外，中间底面23具有密封件47。
本发明不限于在这里描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过权利要求给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。

Claims (10)

1.一种用于电化学电池(1)的双极板(7)，所述双极板包括至少一个第一单极板(13)和第二单极板(17)，所述第一单极板具有第一凹槽(15)，所述第二单极板具有第二凹槽(19)，
其中，所述第一凹槽(15)和所述第二凹槽(19)以对置的方式布置并且形成通道(21)，
其中，所述第一凹槽(15)和所述第二凹槽(19)分别包括中间底面(23)和至少两个倾斜面(24)，并且所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)包括至少一个外底面(25)，
其中，在所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)上布置有至少一个开口元件(111)，所述开口元件用于至少一个介质(29)在所述至少两个倾斜面(24)中的一个倾斜面与所述至少一个外底面(25)之间的穿过，其中，所述至少一个开口元件(111)具有罩面(121)、第一敞开侧面(113)、第二敞开侧面(115)和盖面(140)，所述盖面具有开口(27)，所述第一敞开侧面(113)位于所述至少一个外底面(25)中，并且所述第二敞开侧面(115)位于所述至少两个倾斜面(24)中的一个倾斜面中。
2.根据权利要求1所述的双极板(7)，其特征在于，所述盖面(140)与所述至少一个外底面(25)基本上平行地布置。
3.根据上述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述盖面(140)具有矩形形状或者至少部分地是圆形的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述罩面(121)通过所述盖面(140)、所述至少一个外底面(25)和所述至少两个倾斜面(24)中的一个倾斜面限界。
5.根据上述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述开口(27)具有圆形横截面。
6.根据上述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述开口(27)形成所述开口元件(111)的第三敞开侧面。
7.根据上述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)分别具有至少三个倾斜面(24)，其中，所述至少一个外底面(25)布置在所述至少三个倾斜面(24)中的两个倾斜面之间并且形成梯级(31)。
8.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的双极板(7)的方法，其中，所述第一凹槽(15)和/或所述第二凹槽(19)和所述至少一个开口元件(111)借助压制由所述第一单极板(13)的或所述第二单极板(17)的底板(123)制造。
9.一种电化学电池(1)的组件(69)，所述组件包括根据权利要求1至7中任一项所述的至少一个双极板(7)和至少一个膜电极组件(4)，其中，所述至少一个开口元件(111)布置在所述至少一个双极板(7)上，使得所述开口(27)指向所述至少一个膜电极组件(4)。
10.一种用于运行根据权利要求9所述的电化学电池(1)的组件(69)的方法，其中，所述至少一个介质(29)从所述通道(21)通过所述至少一个开口元件(111)被引导至所述至少一个膜电极组件(4)，其中，所述至少一个介质(29)通过所述第二敞开侧面(115)和/或通过所述第一敞开侧面(113)进入到所述至少一个开口元件(111)中并且通过所述开口(27)从所述至少一个开口元件(111)中排出。
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