具有用于分接电压的柔性线缆的用于电化学系统的电池单体的制作方法

1.本发明涉及一种用于电化学系统的电池单体，其具有用于分接(tapping off)电压的柔性线缆。本发明还涉及一种包含多个成堆叠的电池的电化学系统。


背景技术：

2.用于电化学系统的双极板通常包括板对，板对包括两个单独金属板，其中在每种情况下，两个双极板界定电化学电池单体，即例如燃料电池单体。单个板有时也称为隔板。狭义地，双极板的一个单独的板属于一个电池单体，而另一个单独的板已经属于下一个电池单体。在电化学系统中，通常多个电化学电池单体(例如多达400个)以串联方式堆叠以形成堆叠。除了两个半双极板之外，电池单体本身通常包括布置在双极板之间的膜电极组件(也称为mea)以及在mea的两侧上的例如由导电碳纤维绒制成的气体扩散层(gdl)。mea通常还包括框架元件，其覆盖在其两个表面上的实际的膜的边缘并且在该边缘区域中具有绝缘效果。整个堆叠借助于夹紧系统在两个端板之间保持在一起，并且设置有预定的压缩。
3.除了限定电化学电池单体之外，双极板或隔板在电化学系统中还具有许多其他功能，即，一方面间接地电接触各种电化学电池单体的电极并且将电流传输到相应的相邻的电池单体，而另一方面供应反应介质到电池单体并且去除反应产物，并且还冷却电化学电池单体并且转移废热，以及使两种不同的反应介质和冷却剂的隔室彼此密封并且与外部密封。
4.用于反应介质(即通常一方面是氢气或甲醇，另一方面是空气或氧气)以及冷却剂(通常是除盐水和防冻剂的混合物)的贯通开口，因此形成在双极板的两个金属单独板中，以供应电化学电池单体。在两个金属隔板中的每一个中还形成有分配结构，其中通道形成在两个隔板的两侧表面上。在双极板的面向外的表面的每一个上引导相应的反应介质，并且在两个单独的金属板之间的中部空间中引导冷却剂。在与mea共面的正交突伸部中，与实际的膜而不是与其框状边缘区域(其通常被配置为边缘加强件或其密封结构)重合的区域也被称为双极板的电化学活性区域。在双极板的该电化学活性区域中，在双极板的面向mea的表面上的通道结构中引导反应介质。该电化学活性区通常被同样具有通道型分配结构的分配区域在两侧邻接。每个分配结构与至少两个贯通开口联通，即用于相应流体的至少一个入口和至少一个出口。为了相对于外部来密封，在每个金属隔板(单个板)中布置相应的密封结构，其至少以封闭方式围绕双极板的电化学活性区域延伸并且可选地围绕贯通开口中的至少一些延伸，所述密封结构与所述电化学活性区或所述贯通开口的边缘间隔开。此外，为了使它们彼此密封，单个贯通开口也可由围绕相应贯通开口延伸的本质上封闭的密封结构来密封。
5.为了检查电化学电池单体是否递送足够的电池单体电压(单个电池单体电压测量，cvm)，相应的单个电池单体在相应的双极板的边缘电接触。通过接触，可以在操作期间监测电化学电池单体的电压，从而避免极性反转，和因此对电池造成损坏。
6.这种接触必需有机械稳定性和抗振动性，以便即使在操作期间(例如当在车辆中
使用时)也能检查电池单体电压。为了测量双极板的电压，例如迄今为止是插脚(pin,或称引脚)被夹在双极板的相应的板之间。通常，多个插脚被组合以形成连接器。随后将连接器的插脚一起推入到组装的堆叠中。在此重要的是，每个插脚只电接触一个双极板，并且不与相邻的电压分接头发生短路。
7.由于所有的双极板都必需在一个非常狭小的空间内接触，因此使用插脚来分接cmv有短路的风险。在短路的情况下会产生几百安培的电流。如果发生短路，这通常会直接发生在电池单体上。由于其热影响，短路导致边缘区域的电绝缘mea以及邻近的电池单体的破坏。在这种短路之后，堆叠通常部分地损坏，并且不能再使用。
8.每个隔板可以限定一个板平面。电池单体间距可以由构成电池单体的两块隔板的板平面之间的垂直间距来限定。如果电池单体间距由于设置变化而改变，例如由于改变mea或改变堆叠中的压缩，则连接器在某些情况下可能不再适配该堆叠，因为连接器中的插脚通常处于一限定的彼此间距。电池间距也可能由于安装和制造公差或者温度波动而改变。由于电池单体间距的改变，连接到电池单体的连接器和/或插脚可能发生变形或者与电池单体脱离。如果连接器或插脚的变形过大，则可能会损坏部件。最坏的情况是，这可能导致上述的短路和堆叠破坏。
9.现有技术的连接器通常仅构造成用于一种类型的堆叠和/或用于一种电池单体间距。因此，可能会发生特定堆叠的电池单体间距与连接器的设计不一致的情况。期望的是同一个连接器可以被用于多种类型的堆叠。


技术实现要素：

10.因此，本发明的目的是解决上述问题中的至少一个或多个。
11.该目的通过根据主要权利要求的电池单体和根据另一独立权利要求的电化学系统来实现。进一步进展和有利的实施例形成从属权利要求的主题以及下文说明的主题。
12.根据本发明，提供了一种用于电化学系统的电池。该电池单体包括两个隔板、布置在所述隔板之间的膜电极组件(mea)和用于分接电压的至少一根柔性电气线缆。隔板、mea和线缆可以彼此压缩，柔性线缆具有第一端部分和第二端部分，其中第一端部分被布置成紧固在隔板之间，其中第二端部从电池横向突伸出。
13.由于柔性线缆可以用隔板压缩，因此可以提供机械稳定和抗振动的连接。线缆的第二端部分特别地突伸超越隔板的外边缘。由于线缆横向突伸出来并且是柔性的，因此也可以在不破坏线缆或不发生短路的情况下补偿电池单体间距的上述变化。因此，根据本发明的电池的电压分接头可以普遍使用，并且对系统的间距没有要求。
14.在一种变型中，两个隔板中的至少一个具有面向另一个隔板的凸起，用于紧固线缆。线缆的第一端部分优选地布置在该凸起和相对的隔板之间。该凸起可以构造成与线缆电接触。通过提供所述凸起，线缆可以以位置稳固的方式和被建立的可靠的接触来紧固在单独的隔板之间。所述至少一个凸起可以构造成浮凸结构，诸如截头锥形浮凸。这种浮凸也可称为浮凸穹顶。该凸起优选地通过深拉伸或凸压而在相应的隔板中一体形成。
15.可以设置成两个隔板中的每一个都具有这种类型的凸起。通常，两个凸起彼此面对和/或布置成在压缩方向上彼此相对。两个凸起可以具有相同的形状，或者可以每个凸起具有不同的形状。线缆通常布置在凸起之间，优选地布置成与mea一起，具体是与mea的绝缘
边缘一起。通常只有两个凸起中的一个与线缆电接触。相应的其他凸起和线缆通常彼此电绝缘。可能的电绝缘将在下文讨论。
16.隔板中至少一个通常具有至少一个外周的、本质上封闭的密封元件，该密封元件封围隔板的一个区域，并且相对于周围环境和/或电池单体内密封该区域。隔板通常具有用于介质的流场和/或用于介质通路的至少一个贯通开口，所述至少一个密封元件围绕所述流场和/或贯通开口延伸。所述至少一个密封元件可以凸压到隔板中，并且可以例如构造成密封凸边。
17.该凸起优选地布置在由密封元件封围的隔板区域的外部。该凸起通常与外周密封元件间隔开。由于该凸起通常设置成仅用于紧固线缆和/或与线缆电接触，因此密封功能或导流功能通常与这种凸起不相关。该凸起通常设置在隔板的外边缘区域中。该凸起有利地位于不形成为外边缘的突伸部的区域中，而是位于在板平面的所有方向上被板材料围绕的区域中。对于凸起的均匀和连续压缩，有利的是，形成凸起的区域在板平面的所有方向上被板材料围绕，其长度对应于直径的至少66％，有利的是直径的至少80％，有利地，至少是凸起的直径的值。
18.凸起和密封元件之间的高度比率因实施例而异。然而，相对于双极板，即两个单独的板，凸起的高度优选为密封元件高度的至少40％。
19.另外或作为替代，线缆可以粘接结合到mea和/或隔板中的一个，其中优选地，在粘接位置或其紧邻位置建立电接触。粘接结合可以更容易地组装部件以形成电池单体。已经发现特别有利的是，即使线缆以材料结合的方式连接到mea由此能够使这些元件预组装，隔板和线缆之间的连接也仅借助于经由压缩堆叠的力配合的方式发生，也就是说能以可逆的方式发生。这样，当拆卸堆叠时可以很容易地去除隔板。因此，柔性线缆可以这样固定在隔板之间和/或固定到隔板，即，具体是借助于力配合和/或形状配合而能够在不被破坏的情况下脱离，通常仅借助于力配合和/或形状配合。
20.mea可具有至少一个框架状加强层。mea通常具有电化学活性区域以及在其外边缘处终止的边缘区域，其中边缘区域可以由至少一个框架状加强层(也被称为边缘加强部)形成。在本文中，框架状加强层可以理解为mea的一部分。因此，优选地mea的边缘区域或mea的边缘加强部将在电化学电池单体的外边缘区域中考虑，该电化学电池单体需要结合电压测量来考虑。mea的边缘区域和隔板的外边缘区域可以至少部分地相互重叠和接触。框架状加强层可以由电绝缘材料制成。在一个优选实施例中，线缆的第一端部分邻接框架状加强层。在一些变型中，mea包括两个框架状加强层。线缆的第一端部分可以布置在mea的加强层之间。在一些实施例中，加强层中的一个可以具有切口，在其中接合隔板的凸起。因此，第一端部分可以与切口区域中的凸起电接触。在其它实施例中，第一端部分不布置在加强层之间。
21.mea通常包括一般形成电化学活性区的膜，例如电解质膜。该膜可以连接到框架状加强层。举例来说，框架状加强层可以以材料结合方式，例如借助于粘接剂结合或层压而连接至该膜。如果设有两个框架状加强层，则膜的外边缘通常布置在两个加强层之间。
22.在一些实施例中，线缆在一些区域中具有例如由塑料制成的电绝缘层。电绝缘层可以在线缆的纵向上延伸，并且可以套覆线缆的实际导体。因此，电绝缘层可以构造成套管。在优选实施例中，线缆从电池横向突伸出的部分至少在一些区域中具有电绝缘层。在一些实施例中，第二端部分可以通过绝缘线缆部分与隔板间隔开。然而，没有突伸超越电池单
体的外边缘的其余部分和/或布置在隔板之间和/或布置在框架状加强层之间的线缆部分可以具有但不必一定具有电绝缘层。该部分线缆的电绝缘可以由mea提供，特别是至少一个框架状加强层。
23.柔性线缆通常只与两个隔板中的一个电接触。在一些实施例中，电池单体包括两条上述类型的柔性线缆。在这种情况下，每条线缆都与一块隔板电接触。这些线缆可以称为第一线缆和第二线缆。此外，隔板可以被称为第一隔板和第二隔板。优选地，第一线缆与第一隔板电接触，而第二线缆与第二隔板电接触。优选地，线缆彼此间隔开并且电绝缘。mea，优选地至少一个加强层，通常布置在线缆的第一端部分之间。mea可以提供两条线缆的电绝缘。
24.柔性线缆可作为单独的部件存在，并且因此可能不是隔板和/或mea的一部分。然而，在某些情况下线缆可以是mea的一部分，和/或线缆的一部分，特别是其绝缘部或绝缘部的部分可以由mea的部分形成。例如，可以提供的是，mea，特别是至少一个加强层具有从电池单体横向突伸出的突伸部。突伸部可以特别是突伸超越隔板的外边缘。突伸部可以形成柔性线缆的一部分，特别是线缆的绝缘部分。于是，柔性线缆的导电部分、即实际导体可以例如借助于形状配合和/或以实质性结合的方式部分地布置在突伸部上和/或嵌入突伸部中和/或连接到突伸部。举例来说，柔性线缆包括印刷在突伸部上的导体轨迹。突伸部优选地由柔性且电绝缘的材料制成。在这些实施例中，当组装电池单体时，只要将较少的单独部件放在一起。
25.线缆和隔板通常由不同的材料制成。优选地，线缆的实际导体由铜或铜合金、铝或铝合金制成。复合材料也是可能的，诸如导电聚合物，例如含有嵌入的例如石墨的导电颗粒的聚合物。导电部件，即线缆的导体，也可以作为包含这种嵌入导电颗粒的塑料元件注射到mea的加强层上。隔板优选地由金属材料或金属合金形成。首先是钢、不锈钢、钛或者镍、铬或其他过渡金属的组合。线缆的导体也可以替代地由与隔板材料相同的材料制成。
26.通过压缩部件，第一端部分可以借助于力配合的方式连接到电池单体。此外，可以提供的是，隔板、mea和线缆可以彼此弹性压缩。线缆可以全部形成，或者至少在第一端部的区域形成条带形的扁平线缆。
27.第二端部分可以形成线缆的自由端。线缆的第二端部分通常构造成直接或间接连接到用于测量电池单体电压的电压测量装置。
28.电池可以由隔板界定。每个隔板可以是双极板的一部分，双极板通常包括两个彼此连接的隔板。因此，电池可以由两个双极板界定。如上所述，在成堆叠的电池单体的布置中，双极板的一个隔板属于一个电池单体，而双极板的另一个隔板属于下一个相邻的电池单体。
29.该电池单体可以例如用于燃料电池单体系统，其中电能从氢和氧获得。该电池单体也可用于电解器，其中通过施加电势从水中产生氢气和氧气。该电池单体同样可用于电化学压缩机，其中分子氢借助于通过施加电势的氧化/还原方式传输穿过膜，并且同时被压缩。
30.本发明还提供了一种电化学系统。该电化学系统包括多个上述类型的成堆叠的电池单体。根据本发明的电化学系统可以包括前述电化学系统之一。
31.柔性线缆的第二端部分可以机械地和电气地连接到接口。接口优选的是第二端部
分连接到电压测量装置的连接点。
32.电化学系统还可包括用于测量各个电池的电池电压的电压测量装置。在这种情况下，电池单体的线缆优选地通过相应的第二端部分而直接或间接地电连接到电压测量装置。
33.举例来说，柔性线缆的第二端部分可以机械地和电气地连接到上述的接口。接口可以机械且电连接到电压测量装置。接口可以形成在电压测量装置上，例如作为阳连接器或阴连接器。
附图说明
34.下面将参考附图更详细地描述根据本发明的电池单体和根据本发明的电化学系统。各种元件将在具体实例的上下文中提及对本发明至关重要或有利地进一步发展后者，这些元件中的一些元件本身也可以用于进一步开发本发明，包括在各个示例的上下文和各个示例的其他特征之外。此外，在附图中，相同或相似的附图标记将用于相同或相似的元件，并且因此，有时将省略对其的说明。
35.在附图中:
36.图1以立体图示出了根据现有技术的电化学系统，
37.图2在平面图中示出了根据现有技术的隔板的一部分，
38.图2a示出了根据现有技术的用于连接器插脚的承窝的详细视图，
39.图2b示出了插设有连接器的图2的隔板的详细视图；
40.图2c示出了沿着图2b中所示的截面线a
‑
a截取的穿过电化学系统的截面图，
41.图2d示出了根据现有技术的连接器的各种侧视图，
42.图3示出了根据本发明一个实施例的电化学电池单体的双极板的详细视图，
43.图4示出了沿着图3中所示的截面线b
‑
b截取的电化学系统的截面图，
44.图5示出了根据本发明一个实施例的穿过电化学电池单体的边缘区域的截面图，
45.图6示出了根据本发明一个实施例的穿过电化学电池单体的边缘区域的截面图，
46.图7示出了根据本发明一个实施例的穿过电化学电池单体的边缘区域的截面图，
47.图8示出了根据本发明一个实施例的穿过电化学电池单体的边缘区域的截面图，
48.图9示出了根据本发明一个实施例的穿过电化学电池单体的边缘区域的截面图，
49.图10在等轴测图中示出了具有线缆的mea的加强层的一部分，
50.图11a
‑
图11e示出了线缆和与其连接的接口的各种构造，以及
51.图12以立体图示出了根据本发明一个实施例的具有插入连接器的电化学系统。
具体实施方式
52.图1示出了本文提出的类型的电化学系统1，其包括多个相同的金属双极板10，这些双极板10以堆叠1a布置，并且沿着垂直于双极板10的板平面延伸的堆叠方向1b堆叠。堆叠1a的双极板10夹在两个端板2a、2b之间。双极板10中的每一个包括第一金属隔板11和第二金属隔板12(例如参见图2c)，它们例如以材料结合的方式彼此连接。这样的平面在下文中将被称为双极板10的板平面，即当形成双极板10时，第一板11的平坦且不变形的部分在该平面中接触第二板12的平坦且不变形的部分。在本示例中，系统1是燃料电池堆叠。该堆
叠的每两个相邻的双极板10界定电化学电池单体20，该电化学电池单体其例如用于将化学能转化为电能。在每种情况下，双极板20的一个单独板11、12形成另一个电池单体20的一部分。换句话说，在狭义上，隔板11属于一个电池单体20，而双极板10的另一隔板12已经属于下一个电池单体20。在该系统中，通常多个电化学电池单体20(例如多达400个)以串联方式堆叠以形成堆叠。
53.电化学电池单体20通常各自包括膜电极组件(mea)6，其在其外部区域具有由两个框架状加强层7a、7b形成的电化学非活性框架7。mea 6通常包含可形成电化学活性区域的至少一个膜8，例如电解质膜。此外，气体扩散层9(gdl)可以布置在mea的一个或两个表面上(参见图5
‑
图9)。
54.在替代实施例中，系统1同样可以设计为电解器、压缩机或氧化还原液流电池(redox flow battery)。双极板也可以用在这些电化学系统中。于是，这些双极板的结构可以对应于本文详细说明的双极板10的结构，但在电解器、电化学压缩机或氧化还原液流电池的每种情况下，被传导到双极板上和/或穿过双极板的介质可以不同于用于燃料电池单体系统的介质。
55.端板2a、2b具有多个介质端口3a、3b、4a、4b、5a、5b，经由这些端口可以将介质供给至系统1，也使介质可以从系统1排放。可以供给至系统1并且从系统1排放的所述介质可以包括例如诸如分子氢或甲醇的燃料、诸如空气或氧气的反应气体、诸如水蒸气或贫化的燃料的反应产物,或诸如水和/或乙二醇的冷却剂。
56.图2以平面图示出了现有技术已知的双极板10的一部分，图2中所示的双极板10例如可以用在与图1中的系统1相同类型的电化学系统中。双极板10具有第一隔板和第二隔板11、12，它们沿双极板10的板平面以实质性结合的方式彼此连接。在图2中只有第一隔板11可见；第二隔板12被第一隔板11隐藏。第一隔板和第二隔板11、12可以分别由金属板材制造，例如由不锈钢板制造。隔板11、12具有贯通开口，这些贯通开口彼此对齐并且形成双极板10的贯通开口15、15’和16。当将与双极板10相同类型的多个双极板堆叠时，贯通开口15、15’和16形成沿堆叠方向1b延伸穿过堆叠1a的管线(参见图1)。通常，由贯通开口15、15’、16形成的每条管线被流体地连接到系统1的端板2a、2b中的介质端口3a、3b、4a、4b、5a、5b之一。举例来说，由贯通开口15、15’形成的管线用于对燃料电池单体堆叠1a的电化学电池单体供应燃料和反应气体。相反，冷却剂可以经由贯通开口16形成的管线引入到堆叠1a或者从堆叠1a排放。
57.为了使贯通开口15、15’、16相对于堆叠1a的内部并且相对于周围环境密封，第一隔板11具有凸边15a、15a’、16a，这些凸边分别布置在贯通开口15、15’、16周围并且在每种情况下均完全围绕贯通开口15、15’、16。在双极板10的背向图2的观察者的后侧上，第二隔板12具有用于密封贯通开口15、15’、16(未示出)的对应的凸边。
58.在双极板10的电化学活性区域17中，第一隔板11在其面向图2的观察者的前侧上具有流场17，该流场具有引导结构17a，用于沿着双极板10的前侧引导反应介质。在图2中，这些引导结构17a由多个腹板(web)和在这些腹板之间延伸并且由腹板界定的通道来限定。图2中仅示出了在双极板10的前侧上的活性区域17的一部分。在双极板10的面向图2的观察者的前侧上，第一隔板11另外具有分布或收集区域18。分配或收集区域18包括分配结构18a，这些分配结构18a构造成在活性区域17上分配从贯通开口15引入到分配或收集区域18
中的介质，或者构造成收集或汇集从活性区域17流向贯通开口15的介质。在图2中，分配或收集区域18的分配结构18a同样由腹板以及在腹板之间延伸并且由腹板界定的信道来限定。
59.第一隔板11另外具有外周凸边17b，其围绕活性区域17、分配或收集区域18和贯通开口15、15’延伸，并且相对于系统1周围的环境将这些密封。在本示例中，活性区域17、分配或收集区域18和贯通开口15、15’也相对于贯通开口16，即相对于冷却剂回路，由外周凸边17b密封。然而，同样可以将贯通开口16布置在由外周凸边封围的区域内。因此，外周凸边是密封元件，其方式与本文称为密封凸边的凸边完全相同。活性区域17的结构、分配或收集区域18的分配结构以及凸边15a、15a’、16a和17b被形成为与隔板11成一件，并且例如以凸压或深拉伸(deep drawing)工艺一体地形成在第一隔板11中。
60.第一隔板11的分配或收集区域18的分配结构18a经由穿过凸边15a的通路15b流体地连接到贯通开口15或者由贯通开口15形成的贯通堆叠1a的管线。为清楚起见，在图2中，穿过凸边15a通路15b中的仅一些由附图标记表示。同样地，分配或收集区域18的分配结构18a与活性区域17的结构和/或通道流体连接。因此，被引导穿过贯通开口15的介质可以经由凸边15a中的通路15b和分配或收集区域18的分配结构18a而引入到第一隔板11的活性区域17中。
61.贯通开口15’或由贯通开口15’形成的穿过堆叠1a的管线对应地流体连接到分配或收集区域，并且经由后者连接到双极板10的背向图2的观察者的后侧上的活性区域的流场。相反，贯通开口16或者由贯通开口16形成的穿过堆叠1a的管线与由第一隔板和第二隔板11、12封围或包围的腔体流体连接，该腔体构造成引导冷却剂穿过双极板10。
62.图2的双极板10的第一隔板和第二隔板11、12大体一致地一个在另一个顶上，并且形状大致为矩形且具有圆润的角部。在与第一贯通开口15’相邻的其中一个角部中，针对连接器插脚19a的两个承窝(承座)13彼此靠近布置(参见图2a、2b中的详细视图)。承窝13分别由第一隔板11和第二隔板12中的细长凹部形成，所述凹部沿着板平面平行地延伸，一个在另一个上方，从外边缘10a延伸到双极板10的内部。凹部的纵向方向并且因此是承窝13的纵向方向以与外边缘10a成90
°
的角度延伸。第一隔板和第二隔板11、12的凹部另外在相对两侧上从双极板10的板平面突伸出，使得第一隔板11的凹部和第二隔板12的凹部一起形成用于连接器插脚19a的细长的承窝13。刚性的插脚形连接器(连接器插脚)19a可以插入到这样的承窝13中。
63.图2b示出了图2的详细视图，其中至少一个连接器插脚19a被插入到为此目的而设置的承窝13中。图2c示出了沿着图2b中所示的截面线a
‑
a截取的穿过电化学系统1的截面图。从图2c可以看出，连接器插脚19a是连接器19的组成部分，该连接器19经由连接器线缆19b连接到电压测量装置(未示出)。借助于该电压测量装置，可以在电化学系统1的操作期间监测各个电池单体20的电压。
64.图2c另外示出了电池单体间距h
a
，其描述了两个相邻的双极板10的板平面之间的垂直间距。还示出了垂直于板平面的相邻的连接器插脚19a之间的插脚间距h
b
。由于连接器插脚19a基本上平行于板平面延伸，因此相邻的连接器插脚19a的插脚间距h
b
是恒定的。因此，连接器插脚19a在连接器19的壳体中在垂直方向上间隔开插脚间距h
b
。为了使连接器19适配堆叠1a，插脚间距h
b
必须与电池单体间距h
a
完全相同。因此，连接器19通常只能用于特
定的电化学系统1。
65.图2d示出了不同的连接器19的侧视图。为了增加在垂直于板平面的方向上的间距，一些连接器插脚19a以彼此偏移的方式插入隔板10的承窝13中。尽管相邻的连接器插脚19a之间的间距由此可以增加，但是在图2d所示的所有变型中，垂直于板平面的插脚间距h
b
是相同的，即等于电池单体间距h
a
。
66.如果电池单体间距h
a
有变化，例如由于系统1中压缩而变化和/或由于mea 6所用材料而变化，则连接器19在某些情况下可能不再适配。由于电池单体20的热膨胀，即使在电化学系统1的操作期间，电池间距h
a
也可能改变。由于改变的电池单体间距h
a
，连接器19和连接器插脚19a可能变形。在最坏的情况下，单个变形的连接器插脚19a可能同时接触多个隔板10，这可能导致短路并且可能对电化学系统1造成损坏。
67.本发明被设计成至少部分地克服现有技术的问题。
68.图3以平面图示出了根据本发明一个实施例的电化学电池单体20的双极板10或隔板11的详细视图。图4示出了沿图3所示的截面线b
‑
b截取的截面图。
69.作为刚性的连接器插脚19a和承窝13的替代方案，根据本发明，提供了具有导体30的柔性电气线缆31。除了连接器插脚19a和承窝13之外，隔板11(或双极板10)可以具有上述的隔板11的至少一些或全部特征。
70.柔性线缆31用于分接电池单体20的电压。为此，线缆31与隔板11、12之一电接触。柔性线缆31具有第一端部分34和第二端部分36。第一端部分34和第二端部分可以通过中间线缆部分彼此连接。线缆的第一端部分34布置成用于将线缆31紧固在隔板11、12之间。具体地，隔板11、12、mea 6和柔性线缆31的第一端部分34与彼此弹性压缩。为了均匀的压缩，至少线缆31的第一端部分34可以构造为条带形的扁平线缆。因此，线缆31借助于力配合(有时也通过形状配合)连接到电池单体20。第二端部分36从电池单体20横向突伸并且例如经由接口25直接或间接地连接到电压测量装置。第二端部分36和中间线缆部分(如果提供)突伸超越在隔板11、12的外边缘10a。对于电绝缘，线缆31可以具有绝缘层40，其至少部分地围绕实际的导体30(图4)，或者可以具有周围全部被绝缘的线缆部分38(图5、6、7、8)。第二端部分36可以经由绝缘的线缆部分38或中间线缆部分(例如，参见图5
‑
图8)与隔板11、12间隔开。在一些实施例中，绝缘的线缆部分38和中间线缆部分由相同的元件形成。
71.如结合图1已经解释的，通常多个电池单体20以平行方式布置在堆叠1a中。为每个电池单体20提供一柔性线缆31。线缆31的第二端部分36可以放在一起，并且机械地且电气地连接到接口25(参见图11a
‑
图11e)。接口25可以按序连接到电压测量装置。在图11a
‑
图11e中，该接口25被构造成阴连接器，但是也可以被构造成阳连接器。由于线缆31的柔性，可以独立于电池单体间距h
a’来选择接口25的壳体中的第二端部分36之间的线缆间距h
b’(例如，参见图4)。因此，接口25和线缆31可以用于不同的电池单体类型和/或堆叠类型和/或电化学系统1中。此外，柔性线缆31允许电池单体间距h
a’变化，从而可以显著降低短路或电池单体损坏的风险。
72.为了紧固第一端部分34，隔板11、12中的至少一个可以具有面向电池单体20的相应的另一隔板12、11的凸起22。第一端部分34布置在凸起22和相对的隔板11、12之间。在图4
‑
图9的实施例中，两个隔板11、12都具有这样的凸起22，其中隔板11、12的两个凸起22面向彼此，并且第一端部分34布置在凸起22之间。垂直于凸起22的板平面的正交的突伸部彼此
重叠。
73.凸起22例如在深拉伸或凸压工艺中作为浮凸结构一体地形成在相应的隔板11、12中。优选地，每个凸起22构造成截头锥浮凸(浮凸穹顶)。虽然图4
‑
图6中隔板11、12的相互面向的凸起22具有相同的形状，但是也可以提供的是相互面向的凸起具有不同的形状。
74.图7中给出了这方面的一个例子，其中隔板12的凸起22’在垂直于板平面的方向上的尺寸大于隔板11的凸起22’。该较高的凸起22’穿过框架状加强层7b中的切口23来接合，并且因此接触线缆31的导体30或其第一端部分34。
75.在图8和图9中给出了这方面的其它示例，其中线缆31、32在每一种情况下均施加于每一对第二双极板10之间，即在每一种情况下都被应用于框架7的两侧。因此，第一端部分34、34’位于每一隔板11或12与框架7之间，使得双极板10的这一侧上的凸起22”的高度均小于相应的双极板10的另一侧上的凸起22’。
76.由于框架状加强层7a、7b通常不是刚性的，而是具有一定的柔性，因此，即使当线缆31的第一端部分34仅施加在一侧上的情况下，也可以将隔板11、12构造成具有相等高度的凸起22，如图5中所示。这里，高度由框架7的轻微弯曲来补偿。在这种高度补偿的情况下，高度比率是指定位成一个在另一个顶上的凸起的高度之和，或者指双极板的两个隔板中的定位成一个在另一个顶上的密封元件的高度之和。
77.凸起22优选地布置在由外周凸边17b封围的区域的外部和由密封凸边16a封围的区域的外部。举例来说，凸起22设置在隔板11、12的外边缘区域10b中。垂直于板平面来测量的凸起22的高度可以不同于外周凸边17b的高度，并且可以例如小于外周凸边17b的高度。另一方面，凸起22的高度为密封凸边高度的至少40％，以确保足够的压缩。垂直于板平面来测量的第一端部分34的厚度可以对应于凸起22的高度和外周凸缘17b的高度之差；例如，在图5中，这适用于两个隔板11、12的凸起22的高度之和与两块隔板11、12的外周凸边17b的高度之和之间的差值。
78.在图3中，凸起22位于外边缘区域10b的不是作为外边缘10a的突伸部而形成的区域中，而是位于在板平面的所有方向上被板材料围绕的区域中。这确保了组装的电池单体堆叠中凸起的均匀和连续压缩。在图3的示例中，其中形成凸起22的区域在板平面的所有方向上被板材料围绕，其长度至少对应于凸起22的直径值；这在图4的截面图中也很清楚。外边缘10a以基本上直线的方式延伸到相邻于其中形成凸起22的区域，其长度至少为该方向上凸起尺寸的5倍、优选10倍、特别是20倍。因此，直线延伸的外边缘10a在柔性线缆的连接点区域和上述相邻的区域中没有凹口或突伸部。凸起的宽度或直径b22类似于密封元件17b的宽度b17，特别是垂直于其延伸方向的宽度，特别是在25％和400％之间，有利地在33％和300％之间，特别是在50％和200％之间。
79.导体30和隔板11、12通常由不同的材料制成。优选地，导体30由铜或铜合金、铝或铝合金制成。
80.如上所述，mea 6可具有两个框架状加强层7a、7b和膜8，其中加强层7a、7b和膜8可以通过粘合剂结合或层叠彼此连接。在此，加强层7a面向第一隔板11，而加强层7b面向第二隔板12。
81.第一端部分34可以直接邻接mea 6，特别可以邻接框架状加强层7a、7b中的至少一个。例如，图5示出了线缆31的第一端部分34在一侧接触加强层7b而在另一侧接触隔板12。
因此，第一端部分34布置在加强层7b和隔板12之间。
82.如果线缆31的导体30被构造为例如成股的铜导线，则至少一些导线可以穿过加强层7a、7b之一中的切口23，并且因此可以与外边缘区域10b的凸起22电接触。该实施例在图6中示出，其中导体30的一部分突伸穿过加强层7b的切口23。也可以使整个端部分34穿过这样的切口而与隔板之一电接触。
83.在图5的实施例中，凸起22的高度h
22
在密封元件17b的高度h
17
的60％到95％之间，在本实施例中为95％，而在图6的实施例中，凸起22的高度和密封元件17b的高度相等。高度总是在双极板的两个隔板11、12上测量。
84.在图7的实施例中，第一端部分34布置在两个加强层7a、7b之间，并且在形成于加强层7b中的切口23的区域中接触隔板12的凸起22。隔板7b的凸起22可以部分地突伸穿过切口23。切口23可以构造成例如作为具有与凸起22的面形状相对应的形状(例如圆形)的贯通开口。在本实施例中，凸起22比密封凸边17b高8％到25％；在所示示例中，h
22
是h
17
的1.1倍。
85.图8和图9中所示的实施例与图5
‑
图7的实施例的不同之处在于，在隔板11、12之间提供了两根柔性电气线缆31、32。在这种情况下，仅堆叠1a中的每一个第二电池单体20可以配备有柔性线缆31、32。
86.在图8中，柔性电气线缆31、32设置在mea 6的每一侧上。在这种情况下，第一柔性线缆31的第一端部分34布置在加强层7a和第一隔板11的凸起22”之间，而第二柔性线缆32的第一端部分34设置在加强层7b和第二隔板12的凸起22”之间。柔性线缆31、32布置在mea 6(或加强层7a、7b的组合)的彼此背向的侧上。
87.图4
‑
图8中的柔性线缆31、32是分离的部件，具体地说不是mea 6的组成部分。
88.然而，在图9的实施例中，线缆31、32是mea 6的组成部分。在图9的实施例中，mea 6，特别是mea的框架7，具有突伸部24，该突伸部24横向突伸超越隔板11、12的外边缘10a，并且从电池单体20突伸出。突伸部24由柔性电绝缘材料制成。突伸部24优选地由框架状加强层(在此为两个加强层7a、7b)中的至少一个的材料形成。
89.柔性导电材料印刷在突伸部24的两侧，并且形成第一线缆和第二线缆31、32的电导体30、30’。如在上述实施例中，每条线缆31、32包括从电池单体20突伸出的第一端部分34、34’和第二端部分36、36’，其中第一端部分34、34’与凸起22”电接触。突伸部24通常将线缆31、32的第二端部分36、36’彼此绝缘。图10示出了图9的加强层7a的一部分的等轴测图示。可以看出，柔性线缆32构造成包括印刷的导体30的条带形导体轨迹。
90.在图8和图9的实施例中，凸起22’和22的高度h
22
都处于在整个两个隔板11、12上测量的密封元件17b高度h
17
的40％和90％之间，在所示示例中接近90％。
91.线缆31、32可以替代地作为塑料元件注射到mea 6的加强层7b、7a和/或mea 6的突伸部24上，其中嵌入有导电颗粒，例如石墨颗粒。
92.图4
‑
图8的柔性线缆31、32以能够在不被破坏的情况下拆卸的方式(并且因此以非不可逆转的方式)连接到隔板，并且图5的线缆31、32仅旨在与隔板11、12一起压缩，也就是说，旨在借助于力配合连接。在图4
‑
图8的实施例中，mea和/或线缆31、32平放抵靠隔板的凸起。隔板11、12的材料不被线缆31、32的材料穿透。
93.根据本发明的电化学系统1包括多个上述类型的成堆叠的电池单体20。此外，电化学系统1可以包括电压测量装置(未示出)，其在电化学系统1的操作期间测量每个单独的电
池单体20的电压。借助于电压测量装置，特别地，可以监测电池单体20的电压。柔性线缆31、32将电压测量装置电连接至相应的双极板10或隔板11、12。图11a
‑
图11e示出了这种电连接的各种可能性。在一些实施例中，线缆31、32的第二端部分36机械地且电气地连接到接口25。接口25(在图11a
‑
图11e中构造成阴连接器)可以经由承窝26以电气地且机械地连接到电压测量装置的阳连接器。因此，当该阳连接器连接到接口25时，隔板12和电压测量装置彼此电连接，使得可以在电化学系统1的操作期间分接和测量每个电池单体20的电压。当然，接口25也可以替代地构造成阳连接器，并且可以连接到电压测量装置的对应的阴连接器。
94.图12示出了根据本发明的具有五个接口25(这里再次呈阴连接器的形式)的电化学系统，每个接口精确地附接到一个隔板，使得该附接独立于堆叠的尺寸。附接以这样的方式进行，即，实际的阴连接器与隔板的外边缘间隔开，使得有足够的空间来接收多条柔性线缆31、32，例如10条或16条。这些在图12中都被隐藏了，因为阴连接器25具有向前延伸的外边缘以机械地保护线缆31、32。为了清楚起见，图中省略了引导到电压测量装置的其余线缆。
95.附图标记列表：
[0096]1ꢀꢀꢀꢀ
电化学系统
[0097]
1a
ꢀꢀꢀꢀ
堆叠
[0098]
1b
ꢀꢀꢀꢀ
堆叠方向
[0099]
2a
ꢀꢀꢀꢀ
端板
[0100]
2b
ꢀꢀꢀꢀ
端板
[0101]
3a
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0102]
3b
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0103]
4a
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0104]
4b
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0105]
5a
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0106]
5b
ꢀꢀꢀꢀ
介质端口
[0107]6ꢀꢀꢀꢀꢀ
膜电极组件(mea)
[0108]7ꢀꢀꢀꢀꢀ
框架
[0109]7ꢀꢀꢀꢀꢀ
框架状加强层
[0110]
7b
ꢀꢀꢀꢀ
框架状加强层
[0111]8ꢀꢀꢀꢀꢀ
膜
[0112]9ꢀꢀꢀꢀꢀ
气体扩散层
[0113]
10
ꢀꢀꢀꢀ
双极板
[0114]
10a
ꢀꢀꢀ
外边缘
[0115]
10b
ꢀꢀꢀ
外边缘区域
[0116]
11
ꢀꢀꢀꢀ
隔板
[0117]
12
ꢀꢀꢀꢀ
隔板
[0118]
13
ꢀꢀꢀꢀ
承窝
[0119]
15
ꢀꢀꢀꢀ
贯通开口
[0120]
15
’ꢀꢀ
贯通开口
[0121]
16
ꢀꢀꢀꢀ
贯通开口
[0122]
15a
ꢀꢀꢀ
密封凸边
[0123]
15a
’ꢀ
密封凸边
[0124]
16a
ꢀꢀꢀ
密封凸边
[0125]
17
ꢀꢀꢀꢀ
流场
[0126]
17a
ꢀꢀ
引导结构
[0127]
17b
ꢀꢀ
外周凸边
[0128]
18
ꢀꢀꢀ
分配和收集区域
[0129]
18a
ꢀꢀ
分配结构
[0130]
19
ꢀꢀꢀ
连接器
[0131]
19a
ꢀꢀ
连接器插脚
[0132]
19b
ꢀꢀ
线缆
[0133]
20
ꢀꢀꢀ
电化学电池单体
[0134]
22
ꢀꢀꢀ
凸起
[0135]
22
’ꢀ
凸起
[0136]
22
”ꢀ
凸起
[0137]
23
ꢀꢀꢀ
切口
[0138]
24
ꢀꢀꢀ
突起部
[0139]
25
ꢀꢀꢀ
接口
[0140]
30
ꢀꢀꢀ
导体(无绝缘部)
[0141]
30
’ꢀ
导体(无绝缘部)
[0142]
31
ꢀꢀꢀ
第一电气线缆
[0143]
32
ꢀꢀꢀ
第二电气线缆
[0144]
34
ꢀꢀꢀ
第一端部分
[0145]
34
’ꢀ
第一端部分
[0146]
36
ꢀꢀꢀ
第二端部分
[0147]
38
ꢀꢀꢀ
绝缘线缆部分(四周设有绝缘部)
[0148]
40
ꢀꢀꢀ
绝缘层
[0149]
40
’ꢀ
绝缘层
[0150]
h
a
ꢀꢀꢀ
电池单体间距
[0151]
h
b
ꢀꢀꢀ
插脚间距
[0152]
h
a
’ꢀ
电池单体间距
[0153]
h
b
’ꢀ
线缆间距