用于电化学系统的组件、堆叠和电化学系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于电化学系统的组件，其包括第一隔板、第二隔板和布置在隔板之间以在隔板之间形成电化学电池单体的膜电极组件。本发明还涉及一种包括多个这种组件的堆叠，以及涉及一种包括多个这种组件和/或堆叠的电化学系统。电化学系统具体地可以是燃料电池单体系统、电化学压缩机、电解器、或者氧化还原液流电池(redox flow battery)。该组件或堆叠原则上也可用于电化学系统的加湿器中。膜电极组件则被加湿器膜所代替。


背景技术：

2.已知的电化学系统通常包括成堆叠的电化学电池单体，它们各自通过隔板彼此分开。这样的隔板可以用于例如间接地电接触单个电化学电池单体(例如燃料电池单体，燃料电芯)的电极和/或电连接邻接的电池单体(电池单体串联)。双极板通常在每一侧上界定电化学电池单体。双极板通常由连结在一起的两个隔板形成。双极板的隔板(单独的板)可以用以材料结合的方式连结在一起，例如通过一个或多个焊接接头，特别是通过一个或多个激光焊接接头连结在一起。
3.电化学电池单体各自包括一个或多个膜电极组件(mea)。mea可以具有一个或多个气体扩散层，这些气体扩散层通常取向成朝向隔板，并且构造为例如金属料毡或碳料毡(fleece)。此外，mea各自具有至少一个框架状加强层，其围绕mea的电化学活性区域并且通常由电绝缘材料制成。框架状加强层有时也被称为mea的边缘部分或加强边缘。
4.隔板和双极板可以各自具有或形成这样的结构，这些结构例如构造成对由相邻的双极板界定的电化学电池单体提供一种或多种介质，和/或从其中去除反应产物。该介质可以是燃料(例如，氢或甲醇)或反应气体(例如，空气或氧气)。此外，双极板和/或隔板可以具有用于引导冷却介质经过双极板的、特别是经过被双极板的隔板封围的腔体的结构。此外，双极板可以构造成传递当在电化学电池单体中转换电能和/或化学能时所产生的废热，并且还相对于彼此和/或相对于外部来密封各种介质通道和冷却通道。
5.此外，双极板和隔板通常各自都具有多个贯通开口。穿过这些贯通开口，介质和/或反应产物可以被传导到由堆叠的邻近的双极板所界定的电化学电池单体或者进入到由双极板的隔板形成的腔体中，或者可以被传导到电池单体外或者腔体外。贯通开口通常彼此对齐地布置并形成沿堆叠方向延伸的流体管线，即垂直于相应隔板和双极板的板平面。
6.为了使之更容易地生产这样的电化学系统并限制成本，该堆叠中的隔板和双极板通常设计成结构相同。同样，mea通常设计为在结构上彼此相同。因此，相应的流体管线沿堆叠方向通常具有周期性恒定的横截面尺寸和形状。然而，考虑到在流体流动方向上沿堆叠方向的流体管线中的压力下降，为了沿堆叠方向以相同的方式向相应的电池单体供应介质和/或冷却介质，流体管线的横截面尺寸应从流入区域朝向相对端减小。作为折衷，在现有技术中，通常将流体管线的尺寸选择为在流入区域平均来说太小，在中间是理想，而在流体管线的端部处则太大。结果，对电池单体的供应沿堆叠方向是不等同的。特别地，在流体管
线端部处的电池单体通常供应不足，因此至少在该领域中电化学系统的性能没有得到充分利用。由于为电池单体提供不同的介质，堆叠中的电池单体也受到不同程度的压力。压力最大的电池单体可能会出现更高程度的磨损，从而更早失效，这反过来会对电化学系统的使用寿命产生负面影响。
7.这可以借助沿堆叠方向的不同尺寸的隔板和mea的贯通开口或借助改变液压横截面的多孔填充物来解决。然而，由于需要结构相同的隔板和结构相同的mea，因此不希望有不同尺寸的贯通开口。这种多孔填充物还与额外的组装工作和成本相关联，此外还有损坏堆叠的风险。
8.公开文献us 2011/0165492 a1、us 2012/0070761 a1、us 2016/0013509 a1、de 10 2016 225 444 a1、de 10 2017 202 705 a1、us 2015 444 a1、us 2017 202 705 a1、us 2009/0081521 a1、ep 1 968 149 a1等处理了所描述的问题。
9.类似的结构也存在于用于电化学系统的加湿器的隔板和膜上。因此，以下所述也适用于加湿器的隔板。在这种情况下，也可以仅使用单层板，即隔板，而不是包括两个隔板的双极板。


技术实现要素：

10.本发明的目的是至少部分地解决上述问题。特别地，如果可以创建一种装置，其中电化学电池单体被更均匀地供应有介质，这将是所期望的。
11.这一目的通过根据独立权利要求的组件、堆叠和系统实现。进一步的开发形成下文描述和从属权利要求的主题。
12.根据本发明的第一方面，提出了一种用于电化学系统的组件。该组件包括第一隔板、第二隔板和布置在隔板之间用于在隔板之间形成电化学电池单体的膜电极组件、即mea。
13.mea包括电化学活性区域和围绕电化学活性区域的至少一个框架状加强层。在每种情况下，至少一个用于流体通过的贯通开口形成在加强层和每个隔板中，其中加强层的贯通开口和隔板的贯通开口布置成彼此对齐，以形成流体管线部分。本文意义上的“对齐”意味着它们形成共用的贯通开口，这并不意味着它们的相应边缘在同一平面的正交投影中重合。加强层具有至少一个柔性突片，柔性突片具有用于影响流体流的自由端，其中隔板的两个贯通开口中的至少一个在加强层上的正交投影限定投影区域，该投影区域至少部分地与突片重叠。
14.该组件特别适用于堆叠，其中多个这样的组件沿堆叠方向堆叠。在这种情况下，流体管线部分可以形成流体管线。堆叠时，柔性突片可导致横截面逐渐变细，特别是在流体管线的与流体流入区域相对的端部部分中，以抵消流体管线的端部部分中的压力下降。通过所提出的组件，可以由此补偿沿流体管线堆叠方向的压力下降，从而能够以相同的方式实现向各个电池单体供应介质，例如可以保持在一定的容差范围内。换言之，这防止了电池单体中介质浓度在至少部分堆叠或整个堆叠高度上的广泛变化。
15.与现有技术相比，结构相同的部件可用于整个堆叠上，既用于隔板也用于mea。
16.隔板的贯通开口和加强层的至少一个贯通开口的对齐布置尤其意味着形成具有足够大的流动横截面的连续的流体管线部分。然而，较佳地，加强层的贯通开口的边缘和隔
板的贯通开口的边缘不一致。相反，围绕加强层的贯通开口的边缘区域通常至少在边缘的部段中突出，但较佳地沿周向突出到由相邻隔板的贯通开口正交投影到加强层的平面中所得的区域中。换言之，隔板的两个贯通开口中的至少一个在加强层上的进一步正交投影限定了另一投影表面，该另一投影表面至少在一些区域中与加强层的贯通开口的边缘区域重叠，特别是在突片限定的区域外部。与隔板的贯通开口相比，加强层的贯通开口的边缘区域由此可以在重叠区域中具有悬伸部。这对于避免隔板之间的短路也是有利的。
17.突片可以设计成使得突片的自由端偏转或可以偏转出由加强层限定的平面，这较佳地通过流体流和/或外部装置的作用。例如，自由端的偏转可以随着流体体积流量和/或流体速度的增加而增加。可以规定，柔性突片是尺寸上稳定的并且仅通过流体流和/或外部装置的作用而偏转或可以偏转出平面。此处，尺寸上稳定是指，当仅重力作用在突片上时，无论其取向如何，突片基本上保持其形状。突片也可在尺寸上是不稳定的，因此突片甚至可以仅在重力作用下偏转或者可以偏转。用于使突片偏转出平面的外部装置可以是堆叠装置的一部分，其中双极板和mea以交替方式堆叠。然而，它也可以独立于这种堆叠装置。一旦堆叠完成，通常可以移除装置；在这样做时，在尺寸上稳定的柔性突片的情况下，由外部装置引起的相应突片的偏转被保持。然而，原则上也可以将这种外部装置留在堆叠中。然而，它的结构与用于调节所讨论的流体管线的体积的楔形元件不同这种外部装置沿堆叠方向具有基本恒定的横截面。
18.特别是在没有留在堆叠中的外部装置的情况下，还可以在流体管线中引导该装置的同时打开和折叠装置，以便仅单个突片或仅堆叠的一个或多个限定部分中的突片偏转。因此，尽管使用了相同的部件，但仍会导致沿堆叠的不同流动横截面。
19.第一隔板和第二隔板分别限定第一板平面和第二板平面。第一板平面和第二板平面通常彼此平行地取向。由加强层限定的平面通常平行于第一板平面和/或平行于第二板平面地取向。前述投影区域通常平行于第一板平面、第二板平面和/或由加强层限定的平面地取向。
20.加强层可以具有围绕加强层的贯通开口延伸的套环。这种周向套环不等同于柔性突片。然而，突片较佳地连接到套环或者作为从套环突出的一个部分，较佳地在突片的与自由端相对的侧部处。自由端具有相对于套环的更大的移动性，特别是垂直于投影区域，但有时也在侧向方向上，即平行于投影区域。
21.套环可以例如至少部分地位于上述投影区域内部。结果，在加强层的贯通开口区域中的流体管线部分的横截面积通常小于在隔板的贯通开口的相应区域中的流体管线部分的横截面积。替代地，在上述正交投影中，加强层的贯通开口的边缘可以至少部分地与相邻隔板中的一个或两个的贯通开口的边缘重合。替代地，套环可以位于上述投影区域外部，例如完全在投影区域外部。结果，在加强层的贯通开口区域中的流体管线部分的横截面积通常大于在隔板的贯通开口的相应区域中的流体管线部分的横截面积。在这种情况下，隔板中的至少一个可以在流体管线部分的区域中至少部分地设置有电绝缘涂层。因此可以降低相邻双极板之间短路的风险。
22.一方面，突片的形状通常决定了与流体流动相关的偏转行为。突片的自由端可以具有例如渐缩形状。在这种情况下，突片和/或加强层的厚度通常基本恒定。在一些实施例中，突片的自由端为半圆形、矩形、梯形、月牙形、舌形、u形或v形。另一方面，特别是在相邻
隔板中的非圆形贯通开口的情况下，突片在贯通开口内的位置也可能影响与流体流动相关的偏转行为。由于它通过两个边缘以相同的连接长度连接到加强边缘的其余部分或其套环，因此布置在这种贯通开口的角部区域中的突片将比仅在一个边缘处连接的突片更难偏转。此外，在其它条件相同的情况下，仅具有与套环共用的短边缘、即短连接长度的突片，通常比具有与套环共用的较长边缘的突片更容易偏转。
23.突片可以设计成连接到另一个组件的突片。例如，突片可具有至少一个切口，用于接纳另一组件、例如相邻组件的另一突片，特别是突片末端。一旦突片通过偏转彼此连接，它们较佳地不能仅通过流体流或通过去除流体流而彼此分离。然而，如果机械分离是可能的，例如通过使用诸如钩子直立的机械装置拉起，则是有利的。
24.框架状加强层并且特别是突片通常由电绝缘材料形成。加强层可以是单层或多层结构。突片通常具有至多与加强层相同数量的层。在一个实施例中，突片与框架状加强层一体地形成，因此与框架状加强层形成为一个连续件。作为示例，在加强层中设置至少一个切开部或切口，该切开部或切口侧向地界定突片或突片的自由端。替代地，突片和框架状加强层可以是彼此连接的单独元件，例如以材料结合的方式彼此连接。
25.根据本发明的另一方面，提供了一种用于电化学系统的堆叠。该堆叠包括多个上述类型的组件。组件沿堆叠方向堆叠并且其流体管线部分形成流体管线。流体管线部分因此布置成彼此对齐以形成流体管线。
26.可以规定，对于多个组件，相应的至少部分偏转的突片突出到至少一个相邻组件的流体管线部分中，使得流体管线至少在沿堆叠方向的一些部段中具有在mea或其加强层的贯通开口的区域中测量的变化的横截面积。
27.横截面区域通常平行于第一板平面、第二板平面和/或由加强层限定的平面来取向。在加强层或mea的贯通开口区域中测量的流体管线的横截面积可以例如在流体流动方向上尺寸减小或增大。流体管线较佳地流体连接到流体入口和/或流体出口。
28.至少在堆叠的子区域中，较佳地是在整个堆叠中，所有mea和/或所有第一隔板和/或所有第二隔板可以在结构上相同。结果，能够更容易地制造堆叠并且能够降低成本。
29.至少一个至少部分偏转的突片可承载抵靠相邻的突片。此外，至少部分偏转的突片可以以形状配合、力配合和/或材料结合的方式连接到相邻突片。这防止突片在堆叠操作期间摆动。
30.作为示例，至少部分偏转的突片可以接合在相邻突片的切口中，较佳地通过闩锁接合。替代地，相邻突片的粘合剂结合也是可能的。在这种情况下，较佳的是，当突片处于预定位置(例如偏转位置)时，必须激活粘合效果，例如经由温度、uv辐射或湿气。为了激活粘合剂结合，为此设计的例如加热灯、紫外线灯或水分分配器的装置可以移动通过相应的流体管线。在这种情况下，原则上可以在整个堆叠高度上执行这种激活，或者仅在堆叠的一个或多个部分上执行这种激活，例如通过在流体管线中移动装置的同时打开和关闭该装置。在这种情况下，尽管使用了相同的部件，同样获得沿堆叠的不同流动横截面。
31.该堆叠还可以补充有第一端板和第二端板以形成电化学系统，其中mea和隔板布置在两个端板之间。附加的板，特别是在每种情况下正好与隔板相似的一个板，可以插入相应的最后的隔板和最近的端板之间。第一端板可以限制突片在堆叠方向上的移动性或偏转。邻接第一端板的至少一个突片可以支承在端板上。较佳地，多个突片可以至少间接地支
承在第一端板上。
32.可选地，第一端板在流体管线的区域中具有用于支承多个突片并且用于辅助流体引导的支承元件。支承元件可以作为突出部突出到流体管线中。借助支承元件，突片可以具体地在流体出口的方向上偏转。支承元件和/或支承在其上的突片可以设计为使得它们至少间接地在流体出口的方向上引导流体，例如通过电池单体。
33.因此，根据另一方面，提出了一种电化学系统。电化学系统包括沿堆叠方向堆叠的多个上述类型的组件和/或上述类型的堆叠。电化学系统具体地可以是燃料电池单体系统、电化学压缩机、电解器、或者氧化还原液流电池。该组件和堆叠还可用于电化学系统的加湿器中，在加湿器的情况下，如果隔板仅包括一个单独的板则是有利的。
附图说明
34.用于电化学系统的组件、堆叠和电化学系统的示例性实施例在附图中示出并且将在以下描述的基础上更详细地说明。在附图中：
35.图1以立体图示意性地示出了电化学系统，该电化学系统包括布置成堆叠的多个隔板或双极板和电化学电池单体；
36.图2图2以立体图示意性地示出了图1所示的系统的两个双极板，其中膜电极组件(mea)布置在双极板之间；
37.图3a示意性地示出了双极板的平面图；
38.图3b示意性地示出了与图3a所示的双极板邻接的mea的平面图；
39.图4示意性地示出了沿着图3a中所示的剖面线a-a通过根据图1中所示的系统类型的系统的堆叠的剖视图；
40.图5a示意性地示出了通过根据图1所示系统类型的系统的堆叠的纵向剖视图；
41.图5b示出了图5a中细节的放大图；
42.图6a示意性地示出了根据一个实施例沿着类似于图3a中所示的剖面线a-a的剖面线通过根据图1中所示的系统类型的系统的堆叠的剖视图；
43.图6b示意性地示出了可用于图6a的堆叠中的mea的平面图；
44.图7示意性地示出了根据另一实施例的mea的平面图；
45.图8示意性地示出了根据另一实施例的mea的平面图；
46.图9示意性地示出了根据另一实施例的mea的平面图；
47.图10示意性地示出了根据另一实施例的mea的平面图；
48.图11示意性地示出了根据另一实施例的通过根据图1所示系统类型的系统的堆叠的剖视图；
49.图12示意性地示出了根据一个实施例的通过根据图1所示系统类型的系统的堆叠的纵向剖视图；
50.图13a示意性地示出了根据一个实施例的通过根据图1所示系统类型的系统的堆叠的纵向剖视图；
51.图13b示出了图13a中细节的放大图；
52.图14a示意性地示出了根据另一实施例的mea的平面图；
53.图14b示意性地示出了根据另一实施例的通过根据图1所示系统类型的系统的堆
叠的剖视图，其包括图14a所示的mea；
54.图15示意性地示出了通过处于静止状态的流体管线的纵向剖视图；以及
55.图16示意性地示出了通过处于操作状态的图15的流体管线的纵向剖视图。
56.在此以及在下文中，在不同附图中重复出现的特征在每种情况下由相同或相似的附图标记表示。并非所有内容都按比例示出。特别是在剖视图中，开口的横截面区域特别是相对于元件高度以减小的尺寸示出。
具体实施方式
57.图1示出了包括多个结构上相同的金属双极板2的电化学系统1，这些金属双极板2布置成堆叠6并且沿着z方向7堆叠。堆叠6的双极板2被夹在两个端板3、4之间。z方向7也将被称为堆叠方向。在本示例中，系统1是燃料电池单体堆叠6。因此，该堆叠6的每两个相邻的双极板2在它们之间封围电化学电池单体，该电化学电池单体例如用于将化学能转化为电能。为了形成系统1的电化学电池单体，在每种情况下，将膜电极组件(mea)10布置在堆叠的各相邻的双极板2之间。每个mea 10通常包含至少一个膜14，例如电解质膜(参见例如图3b、4)。此外，气体扩散层16(gdl)可布置在mea的一个或两个表面上。
58.在替代实施例中，系统1还可构造为电解槽、电化学压缩机或氧化还原液流电池。双极板同样可用于这些电化学系统中。这些双极板的结构则可对应于这里详细阐述的双极板2的结构，但在电解槽、电化学压缩机或氧化还原液流电池的情形中，在双极板上和/或通过双极板引导的介质在每种情形中都会不同于用于燃料电池系统的介质。
59.z轴7与x轴8和y轴9一起构成右手笛卡尔坐标系。双极板2和形成它们的隔板2a、2b(参见图2和图4)各自限定板平面，隔板的板平面中的每一个平行于x-y平面取向并因此垂直于堆叠方向或z轴7。mea也各自平行于x-y平面布置。端板4具有多个介质端口5，能够经由该端口将介质馈送到系统1，并且能够经由该端口将介质从系统1中排出。可以馈送到系统1和从系统1排放的所述介质可以包括举例来说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。
60.图2以立体图示出图1中的系统1类型的电化学系统的两个相邻的双极板2、2
′
，以及布置在这些相邻的双极板2、2
′
之间的现有技术已知的膜电极组件(mea)10，图2中的mea 10在很大程度上被面向观察者的双极板2遮挡。相应的双极板由以材料结合的方式连结在一起的两个隔板形成(例如参见图4)。在背对观察者的双极板2
′
中，这些是隔板2a和2b
′
；在面向观察者的双极板2中，这些是隔板2a*和2b。附图标记2a*和2b
′
在本图2中用于强调mea的哪些隔板2a和2b是背对的；然而，它们在结构上对应于隔板2a和2b。在图2中，在每种情况下，只有面向观察者的第一隔板2a*或2a是可见的，所述第一隔板遮挡了第二隔板2b或2b*。隔板2a*、2b、2a、2b
′
可以各自由金属片材制造，例如由不锈钢片材制造。隔板2a*和2b以及2a和2b
′
可以例如彼此焊接，例如通过激光焊接接头。粘接结合或焊接接头同样是可能的。不管这种结合如何，是隔板2a和2b将mea 10封围在它们之间。
61.隔板2a*、2b具有贯通开口，这些贯通开口彼此对齐并且形成双极板2的贯通开口11a-c。本文意义上的“对齐”意味着它们形成共用的贯通开口，这并不意味着它们的相应边缘在同一平面的正交投影中重合。当多个如双极板2同样类型的双极板堆叠时，贯通开口11a-11c形成在堆叠方向7上延伸穿过堆叠6的流体管线25(参见图1)。通常，由贯通开口
11a-c形成的每条流体管线25流体连接到系统1的端板4中的端口5之一。例如，冷却剂可以经由贯通开口11a形成的流体管线25被引入到堆叠6中或从堆叠6中排出。相比而言，由贯通开口11b、11c形成的流体管线25可以构造成对系统1的燃料电池单体堆叠6的电化学电池单体供应燃料和反应气体，并且从该堆叠中排出反应产物。介质引导贯通开口11a-11c基本上平行于双极板2的板平面。
62.为了相对于堆叠6的内部和相对于周围环境密封贯通开口11a-c，如在此基于隔板2a*可见的，第一隔板2a通常可以各自具有呈密封凸边(卷边)12a-c形式的密封布置，这些密封凸边在每种情况下都布置在贯通开口11a-c周围，并且在每种情况下都完全围绕贯通开口11a-c。在双极板2的背离图2的观察者的后侧上，第二隔板2b通常具有用于密封贯通开口11a-11c的对应密封凸边(未示出)。
63.在电化学活性区域18中，第一隔板2a*、2a通常在其面向图2的观察者的前侧上具有流场17，流场17具有用于沿着隔板2a*、2a的前侧引导反应介质的结构。在图2中，这些结构由多个腹板和在腹板之间延伸并由腹板界定的通道限定。在面向图2的观察者的双极板2、2
′
的前侧上，第一隔板2a*、2a附加地具有分配或收集区域20。分配或收集区域20包括构造为在活性区域18上分布从两个通孔11b中的第一个引入分配或收集区域20中的介质的结构，和/或构造为收集或汇集从活性区域18流向通孔11b中的第二个的介质的结构。在图2中，分配或收集区域20的分布结构类似地由腹板和在腹板之间延伸并由腹板界定的通道限定。一般而言，元件17、18、20可以理解为引导介质的压花结构。
64.密封凸边12a-12c通常具有通路13a-13c，通路13a-13c在此实施为为凸边中的局部凸起和切口，其中通路13a形成在上隔板2a*或2a的下侧和下隔板2b的上侧两者上，而通路13b形成在上隔板2a*或2a中并且通路13c形成在下隔板2b中。作为示例，通路13a能够使得冷却剂在贯通开口12a和分配区域之间穿过，使得冷却剂进入隔板之间的分配区域并且被从中引导出来。此外，通路13b使得氢气能够在贯通开口12b与上隔板2a*或2a的上侧的分配区域之间通过；这些通路13b的特征在于有面向分配区域并且与板平面成一定角度延伸的穿孔。作为示例，氢气由此从贯通开口12b经通路13b流到上隔板2a*或2a的上侧上的分配区域，或者在相反方向上流动。通路13c使得空气能够例如在贯通开口12c和分配区域之间穿过，使得空气进入下隔板2b的下侧上的分配区域并且被从中引导出来。相关联的穿孔在此处不可见。
65.第一隔板2a通常各自还具有呈外周凸边12d形式的附加的密封布置，该外周凸边12d围绕活性区域18的流场17延伸，并且还围绕分配或收集区域20和贯通开口11b、11c延伸，并且相对于贯通开口11a将这些密封，即相对于冷却剂回路以及相对于系统1的周围环境将这些密封。第二隔板2b各自包括对应的外周凸边。活性区域18的结构、分配或收集区域20的分配结构、以及密封凸边12a-12d各自被形成为与隔板2a成一件，并且例如以压花工艺或深冲(deep drawing)工艺而整体地形成在隔板2a中，这可以伴随有切割工艺。这同样适用于第二隔板2b的对应分配结构和密封凸边。在由外周凸边12d围绕的区域之外，在每个隔板2a、2b中形成外边缘区域22，在该外边缘区域中通常不发生流体引导。
66.两个贯通开口11b或者由贯通开口11b形成的穿过系统1的堆叠6的流体管线35各自经由密封凸边12b中的通路13b、经由分配或收集区域20的分配结构、以及经由朝向图2的观察者的第一隔板2a*或2a的活性区域18中的流场17而彼此流体地连接。类似地，两个通孔
11c或由通孔11c形成的通过系统1的堆叠的管线，分别经由对应的凸边通路、经由对应的分配结构、以及经由在背离图2的观察者的第二隔板2b的外侧上的对应流场彼此流体连接。与之相比，通孔11a或由通孔11a形成的穿过系统1的堆叠的管线分别经由被隔板2a*、2b和2a、2b
′
封围或包围的腔体19彼此流体连接。腔体19在每种情况下用于将冷却剂引导通过双极板2、2
′
，特别是用于冷却双极板2、2
′
的电化学活性区域18。
67.在此应注意，还可以设置弹性密封唇，其特别地布置在隔板的凹部中，而不是凸边布置12a-d，。这些密封唇和可选的凹部的路线可以与附图中所示的凸边布置12a-d的路线基本相同，但是通常省略局部起伏的路线。在下文中，凸边布置12a-12d和凹部/密封唇将总体上称为密封元件。如下所示，密封元件不必以与上述密封元件相同的方式形成在隔板的侧部上；同样有可能的是将密封元件120施加到mea的加强边缘。
68.图3a示出了双极板2的平面图，观察方向沿着负的z方向7取向。图3a中所示的双极板2可以具有图1和2中所示的双极板2的所有特征。与图1和2中所示的双极板2类似，图3a中所示的双极板2因此包括两个隔板或金属片材2a、2b。隔板或金属片材2a、2b沿着它们相互面对的平坦侧部彼此接触并且沿着它们相互面对的平坦侧部彼此连接。较佳地，双极板2的金属片材2a、2b以材料结合的方式彼此连接，较佳通过一个或多个焊接接头，例如通过一个或多个激光焊接接头彼此连接。钎焊接头或粘合剂连结也可以作为替代方案。以对应于图1和图2所示的双极板2的方式，图3a中所示的双极板2可具有贯通开口11a-c、凸边布置12a-d、电化学活性区域18、至少一个分配或收集区域20和外边缘区域22。
69.图3b示出了mea 10的平面图，其特别地可以与图3a的双极板2一起用于图1的堆叠6中。mea具有贯通开口51a、51b、51c，其分别与贯通开口11a、11b、11c对齐。
70.mea 10通常包括膜14和边缘部分55，膜14例如是电解质膜，边缘部分55连接到膜14并且通常被称为加强层55或框架状加强层55。作为示例，框架状加强层55可以以材料接合的方式连接到膜14，例如借助于粘接剂接合或层压而连接到膜14。图3b中还示出了mea的电化学活性区域58，当mea 10和双极板2堆叠时，该区域与双极板2的电化学活性区域18一致。膜14和两个气体扩散层16在mea 10的电化学活性区域58上方延伸。框架状加强层55、膜14和气体扩散层16通常在重叠区域61中重叠。
71.图4示意性地示出了穿过图1的系统1的板堆叠6的一部分的截面，该截平面在z方向上取向并且因此垂直于双极板2的板平面。
72.例如，它可以沿着图3a中所示的双极板2的成角度的截面a-a延伸。
73.堆叠6的结构上相同的双极板2各自包括上述的第一金属隔板2a中的一个和上述的第二金属隔板2b中的一个。可以看到用于沿着双极板2的外侧面引导介质的结构，在此特别是呈腹板以及由腹板界定的通道的形式。特别地，通道23被显示为在彼此远离的相邻隔板2a、2b的表面上，并且冷却通道19被显示为在相邻隔板2a、2b之间。在冷却通道19之间，两个隔板2a、2b在接触区域24中彼此搁置抵靠，并且在那儿彼此连接，在该示例中它们借助于激光焊接彼此连接。
74.例如从现有技术中已知的膜电极组件(mea)10、例如图3b的mea，在每种情况下布置在堆叠6的相邻的双极板2之间。
75.mea 10的膜14在每种情形中至少在相邻的双极板2的活性区域18上方延伸，并且使得质子能够经由或穿过膜14而转移。mea 10的加强层55在每种情况下用于在相邻的隔板
2a、2b之间定位、附连和密封膜14。当双极板2在堆叠方向上被夹紧在系统1的端板3、4之间时(见图1)，mea 10的框架状加强层55可以例如在每种情况下被压缩在相应相邻的隔板2a、2b的密封凸边12a-d之间，和/或在每种情况下至少被压缩在相邻的双极板2的外周凸边12d之间，以便以这种方式将膜14固定在相邻的双极板2之间。
76.边缘部分或加强层55通常覆盖相邻的双极板2的分配或收集区域20。加强层55也可以朝向外部延伸超出外周凸边12d，并且可以在该点处邻接隔板2a、2b的外边缘区域22(参见图2)。
77.上面已经提到的气体扩散层16也可以布置在活性区域18中。气体扩散层16能够使得流体流在膜14表面的最大可能面积上跨越膜14，并且因此能够改善经由膜14的质子转移。气体扩散层16可以例如布置在相邻的隔板2a、2b之间的活性区域18中的膜14的每一侧上。
78.图5a示出了在系统1的模拟操作状态下通过堆叠6的子区域的、平行于z-x平面的纵向剖视图。可以看出气态或液态介质填充流体管线25，特别是流动通过后者。取决于流体，流体管线25可由多个对齐的贯通开口11a、11b或11c形成。流体管线25包括彼此流体连接并串联连接的第一端部部分26、中间部分27和第二端部部分28。第一端部部分26连接到构造成流体入口的介质端口5并且因此可以被理解为流体流入区域26。流体管线25的第二端部部分28通常邻接堆叠6的第一端板3(还参见图12)。流体从流体管线25进入跨越流体管线整个长度的电化学电池单体(未示出)，即在流体管线25的部分26、27、28中的每一个中。图5b示出了在第二端部部分28的区域中的图5a的细节的放大图。
79.在由隔板2a、2b形成的贯通开口11a-c的区域中，流体管线25具有平行于隔板2a、2b的板平面延伸的横截面区域(也参见图4)。流体管线25的横截面区域在贯通开口11a-c的区域中沿着堆叠方向以空间间隔恒定。在两个相邻的双极板2之间，流体管线25的横截面区域的尺寸有所增加，横截面区域的尺寸在加强层55的区域中、即在两个相邻的双极板2之间的中间处具有局部最小值，也参见图4。流体管线25的横截面区域在加强层55的贯通开口51a-c的区域中也是恒定的，也参见图4。换言之，流体管线25通常在堆叠方向上具有周期性恒定的横截面尺寸和形状，空间周期对应于电化学电池单体(包括隔板2a、2b)在z方向上的尺寸。
80.在图5a、5b中，从流体管线25中所示的流线可以看出，由于在流体管线25中的流动的流体的压力下降和/或速度下降，在第二端部部分28中形成了流体涡流29，而第一端部部分26和中间部分27中的流动基本上是层流的。因此，堆叠6的各个电化学电池单体的性能取决于位置并且通常在从流体入口区域26到端部区域28的方向上稳定地降低。由于沿堆叠方向的压力下降，而流体压力或流体速度对于相对于堆叠方向位于流入区域26处的电化学电池单体而言通常太高，因此位于端部部分28处的电化学电池单体通常供应不足。由于使用了结构相同的双极板2和mea 10这一事实，必须找到一种折衷方案来向电化学电池单体供应介质或冷却流体。通常，流体管线25被优化以用于向位于中间部分27中的电化学电池单体供应介质或冷却流体。
81.本发明已被设计成减少堆叠6中电化学电池单体的性能的取决于位置的波动，并且特别是增加相邻于第二端部区域28的电化学电池单体的(部分)堆叠6的效率。其中跨越流体管线25的端部区域28的堆叠6代表电化学系统的整个堆叠的一部分，但其本身也可以
被认为是堆叠6。
82.本发明提出了一种用于堆叠6或电化学系统1、特别是图1所示的电化学系统1的组件30。
83.图6a示意性地示出了根据图1所示的系统类型的系统的堆叠的剖视图，根据一个实施例，堆叠6包括多个堆叠的组件30。图6a示出的板堆叠6展示了三个组件30以及在顶部处和底部处的两个另外的组件30的部分，不过电化学系统1通常包括超过100个、通常甚至超过300个这样的组件30。因此，在本发明的上下文中，堆叠可以是如图6a所示的部分堆叠或电化学系统的完整堆叠。
84.每个组件30可包括上述元件2a、2b(隔板)和55(加强层)，电化学电池单体形成在隔板2a、2b之间。如上所述，在每种情况下，用于供流体通过的至少一个贯通开口51b、11b形成在加强层55中和每个隔板2a、2b中。加强层55的贯通开口51b和隔板2a、2b的贯通开口11b彼此对齐布置以形成流体管线部分31。组件30的对齐的流体管线部分31进而形成流体管线25。为了说明25和31之间的区别，基于一个组件30的示例，相关联的流体管线部分31的区域由虚线界定。
85.作为对图2、3b、4、5a中所示的加强层55的补充，图6a中所示的mea 10的加强层55具有至少一个柔性突片50b，柔性突片具有用于影响流体流动的自由端。在此，隔板2a、2b的两个贯通开口11b中的至少一个在加强层55上的正交投影限定了投影区域56，该投影区域至少部分地与突片50b重叠。在一些实施例中，突片50b完全位于投影区域56内部。换言之，在该正交投影中，突片50b侧向突出到由贯通开口11b形成的流体管线部分31中，或突出到流体管线25中。
86.类似于图4的加强层，加强层55可以具有围绕加强层55的贯通开口51b延伸的套环52。由周边套环52限定的加强层55的部分可以由隔板2a、2b的相邻的密封元件12b侧向界定。突片50b在与自由端相对的侧部上连接到套环52。在图6a中，套环52围绕前述投影区域56并且位于投影区域56的外部。如果不仅密封凸边12b具有电绝缘涂层70，而且从内边缘到凸边的远离其指向的端部的隔板的整个区域具有电绝缘涂层70，则该实施例特别合适，从而在相邻的双极板2之间不会发生短路。作为替代，可以规定套环52部分地位于投影区域56内部，参见图11的实施例。
87.包括突片50b的加强层55通常由电绝缘材料制成。在这种情况下，加强层55可以是单层或多层结构。如果提供多层，则这些层可以例如彼此结合或层压。突片50b通常具有至多与加强层55相同数量的层。在一个较佳实施例中，突片50b与加强层55整体形成，例如与加强层55的至少一层整体形成。替代地，突片50b和加强层55可以是单独的元件，它们例如以材料结合的方式彼此连接，较佳地借助粘合剂结合。加强层55并且特别是突片50b可以具有恒定的厚度。
88.图6a示出了系统1的状态，其中尺寸上稳定的突片50b仍然平行于板平面延伸。柔性突片50b较佳地设计成使得自由端偏转或可以偏转出由加强层55限定的平面e，该偏转较佳地是通过流体流和/或外部装置的作用。在图6a中，尺寸上稳定的柔性突片50b尚未偏转；然而，以这种方式偏转的突片50例如可以在图11中看到。也可以使用尺寸上不稳定的突片，而不是尺寸上稳定的突片50b。
89.虽然在图6a、6b中参照贯通开口51b、11b和突片50b，但是突片也可以设置在贯通
开口11a、11c或51a、51c的区域中。为了说明突片不限于隔板2a、2b的特定贯通开口11a、11b、11c或mea 10的特定贯通开口51a、51b、51c，将在下面和图7-16中更一般地参照突片50和贯通开口11、51。如图4中那样，图6a中的隔板2a、2b在一些区域设置有电绝缘涂层70。
90.突片50可以通过从加强层55冲压或切出而与贯通开口51一起形成。比如，可以在加强层55中设置至少一个切开部或一个切口，该切开部或切口侧向地界定突片50或突片50的自由端。
91.突片50的自由端可以具有不同的形状，参见图6b-10。特别地，自由端可以具有锥形形状，而厚度保持恒定。比如，突片50的自由端可以是半圆形、矩形、u形(参见图6b)、梯形(参见图7)、舌形(参见图8)、月牙形(参见图9)或v形(参见图10)。
92.除了突片50的形状之外，图10的加强层55不同于图6b-9的加强层55之处还通过提供四个突片50而不是仅一个突片50这一事实。突片50的数量也可以少于或多于四个。如果提供两个或更多个突片50，则它们可具有不同或相同的形状。还可能的是，如果流体管线25和加强层55中存在多个突片50，则这些突片50中的一个或多个，但不是全部，以形状配合的方式和/或以材料结合的方式连接到/变得连接到相邻加强层55的相应突片(参见图14a、14b)，例如借助必须被活化的粘合剂，而这些突片50中的一个或多个，但不是全部，不连接/不保持连接到相邻加强层55的相应突片。
93.同样在连接区域中，套环52和突片50的共用边缘在不同的实施例之间可以不同地设计，例如可以具有不同的长度或经受不同的连接，例如呈直的共用边缘的形式(图6b、7、10)、或呈圆形共用边缘(图9)的形式、或呈成角度的共用边缘(图8)的形式。后者与到多个、尤其是两个套环侧部的连接部同义，特别是在多边形套环形状的情况下。
94.突片50的自由端相对于套环52具有更大的移动性，特别是垂直于投影区域56，有时也在侧向方向上、即平行于投影区域56。为此，突片50可以偏转出平面e，这将在图11-16的基础上更详细地说明。对于某些突片形状，并不是整个突片都被偏转。由于直的弯曲线是较佳地，因此弯曲线并不总是与套环和突片之间的过渡线重合。
95.例如，在图11中可以看出，突片50偏转出加强层的平面e。结果，突片50与平面e成角度地布置，即不平行于平面e地布置。已经偏转出平面e的突片50可以通过其自身的组件30的隔板2a、2b之一的贯通开口11来进行接合。此外，突片50可以突出到相邻组件30的流体管线部分31中。可选地，突片50甚至可以接合在相邻组件30的贯通开口11、51中的至少一个中(参见图11)。还可能的是，突片不仅突出到相邻组件的流体管线部分31中，而且突出穿过它并延伸超过多个流体管线部分31的高度，例如在完全偏转的状态下，突片50延伸出超过15个或甚至超过25个流体管线部分31的高度。
96.可以可选地规定，套环52至少部分地位于投影区域56的内部(参见图11)。在这种情况下，流体管线25在加强层55的贯通开口51的区域中的横截面积可以小于流体管线25在隔板2a、2b的贯通开口11的相应区域中的横截面积。此处，横截面区域通常平行于第一板平面、第二板平面和/或由加强层55限定的平面e地取向。特别是当套环52一直突出到投影区域56中时，这可以防止相邻双极板之间的短路。在这种情况下，在隔板2a、2b的贯通开口11周围的区域中不需要电绝缘涂层。
97.图11与其它实施例的不同之处还在于，该组件不是借助一个或多个一体形成在双极板中的密封元件、即密封凸边12，而是借助施加到加强层55
′
的两侧的弹性凸边12
′
来进
行密封。
98.以类似于图5a的方式，图12示出了根据一个实施例的平行于z-x平面地通过堆叠6的子区域的纵向截面。如上所述，除了完整的堆叠6之外，电化学系统1还包括第一端板3和第二端板4(图12中未示出)，其中mea 10和隔板2a、2b或者组件30布置在两个端板3、4之间。图12是高度示意性的图示；特别地，突片50未按比例示出；电化学电池单体和隔板的其它细节未示出。
99.图12所示的电化学系统1的部分处于静止状态，即没有流体在堆叠6中流动。为清楚起见，流体的流动方向在图12中由箭头指示。图12中所示的流体管线25设计成接纳介质，比如甲醇、氢气、空气或冷却剂。如已经结合图5a说明的，流体管线25包括彼此流体连接的第一端部部分26、中间部分27和第二端部部分28。第一端部部分26连接到构造成流体入口的第二端板4(图12中未示出)的介质端口5，因此可以理解为流体流入区域26。
100.流体管线25的第二端部部分28邻接第一端板3并且以流体密封的方式被端板3闭合。端板3直接限制相邻的柔性突片50在堆叠方向(z方向)上的移动或偏转，并且可以防止与端板3相邻的突片50偏转出加强层55的平面e。如图12所示，在堆叠6的操作期间，至少在第二端部区域28中的多个突片50可以至少间接地支承在端板3上。结果，流体流入区域26中的突片50比第二端部部分28中的突片50更多地偏转出它们相应的平面e。
101.由于一方面突片50在第一端部部分26中偏转出平面e，另一方面突片50在端部部分中由端板3支承，因此流体管线25在贯通开口11和/或贯通开口51的区域中的横截面面积的大小在流体管线25的路线上减小，即在流体流动方向上于在流入区域26的开始处和第二端部部分28的相对端之间减小。
102.由于流体管线25的横截面积在端部部分28的区域中在流体流动方向上尺寸减小，因此可以补偿该区域28中的压力下降，由此例如可以防止在第二端部部分28中形成涡流。这种情况或类似情况也在图13a中示出。图13a示出了系统1的模拟，其中流体流过流体管线25。在图13a和13b中可以清楚地看到，流体管线25在第二端部部分28的区域中具有在流体流动方向上尺寸减小的流动横截面。与图5中所示的那些相比，在流体管线25中的流动线没有出现任何涡流。这可以导致相邻电化学电池单体的效率增加。由于这种提高的效率，与现有技术相比，系统1整体上可以制作得更紧凑，同时保持相同的性能。
103.在图12的堆叠6的另一侧上，示出了另一流体管线35，其以与流体管线25相似的方式由形成在隔板2a、2b中的贯通开口11以及在加强边缘55中的贯通开口51的流体管线部分31形成。将流体管线35设计成在流体出口的方向上将介质运走，该介质特别是反应产物、反应介质或冷却剂。
104.流体管线35包括第一端部部分36、中间部分37和第二端部部分38，其中的每个部分包括彼此流体连接的多个组件30。第一端部部分36连接到构造成流体出口的第二端板4(未示出)的介质端口5，因此可以理解为流体流出区域36。流体管线25的第二端部部分38邻接端板3并且以流体密封的方式被端板3闭合。
105.第一端板3可以可选地在流体管线35的区域中具有支承元件39，用于支承多个突片50并且用于帮助流体管线35中的流体引导。在所示的示例性实施例中，支承元件39与第一端板3的板体一体形成。支承元件39也可以替代地设计为连接到端板3的单独部件。
106.支承元件39可以设计为突出部并且因此可以突出到流体管线35中。支承元件39可
以特别地具有在流体流出区域36的方向上渐缩的形状，即在流动方向上渐缩的形状。在突片50被支承的支承元件的区域中，支承元件39可以具有流动优化的形状，例如凹形。借助支承元件39，突片50可以具体地在流体出口的方向上偏转。支承元件39因此形成用于使突片50偏转的偏转元件。邻接支承元件39的柔性突片50通常紧靠支承元件39的凹形形状。支承元件39和支承在其上的突片50较佳地设计成使得它们在第二端板4的流体出口5的方向上引导流体。在加强层55的贯通开口51和/或隔板2a、2b的贯通开口11的区域中所测量的流体管线35的横截面积可以在流体流动方向上尺寸增加，特别是在第二端部部分38和第一端部部分36之间。总而言之，由于突片50和支承元件39，流体管线35的流动横截面可以在流体流出区域36的方向上至少在一些区域中增加。
107.流体管线25和35因此共享共用特征，即在加强层55的贯通开口51和/或隔板2a、2b的贯通开口11的区域中所测量的相应流体管线25、35的横截面积在第一端板3的方向上减小。
108.在图12的实施例中，流体管线35中的突片布置在流体管线35的面向电化学活性区域的一侧上，但是这并不一定意味着流体流入到突片50之间的流体管线35中。图15和16同样示出了流体管线35的剖视图；然而，流体从流体管线35远离突片50的一侧流入流体管线35中。
109.图15的堆叠6示出为处于静止状态，即没有流体在堆叠6中流动。图16中示出了处于操作状态的相同的堆叠6。为清楚起见，流体的流动方向在图16中由箭头指示。在比较图15和16时可以看出，由于流体流动，图16中的突片50比图15的突片50偏转出平面e的程度更大。
110.在一些实施例中，相应的突片50的自由端可以通过流体流的作用第一次偏转出平面e，例如当堆叠6或系统1第一次开启时。突片50可以通过第一次偏转而永久偏转。替代地，可以仅在流体流入之时使突片50偏转。混合形式也是可能的，其中突片50在第一次偏转之后永久偏转并且可以随着额外的流体流入而进一步偏转。突片50的第一次偏转也可以借助外部装置来实现，例如借助柱塞来实现。
111.在图11、12、13a、13b、15、16的实施例中，相邻的突片50彼此承载抵靠。作为示例，为了防止各个突片50摆动或将它们锁止在(部分)偏转状态，突片50可以以形状配合、力配合和/或材料结合的方式连接到相邻突片50。图14b中示出了彼此连接的突片50的一个示例。
112.图14a和14b示出了另一实施例，其中突片50具有至少一个切口53，较佳为多个槽形切口。切口53成形为使得它能够接纳相邻组件30的另一突片50的突片末端。因此将切口53设计为用于相邻突片50的闩锁元件。图14b示出了一个突片50的突片末端可以接合在不同突片50的多个切口53中。例如，突片50不仅能够连接到相邻突片50，而且能够连接到下一个相邻突片50。
113.替代地，相邻突片50的粘合剂结合也是可能的。在这种情况下，较佳的是，当突片50处于预定位置(例如偏转位置)时，必须激活粘合效果，例如经由温度、uv辐射或湿气。为了激活粘合剂结合，为此设计的装置可以移动通过相应的流体管线25、35，该装置例如是加热灯、紫外线灯或水分分配器。
114.至少在堆叠6的一个子区域中、但较佳在整个堆叠6中，所述实施例的所有mea 10
和/或所有隔板2a、2b或双极板2在每种情况下在结构上是相同的。
115.图6-16的实施例的特征可以相互组合，只要它们不相互矛盾。还应该注意的是，图1至图5b中所示的系统和装置的特征可以与图6-16的实施例组合。
116.附图标记列表：1
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电化学系统2
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双极板2a
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单独的板2b
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单独的板3
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端板4
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端板5
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介质端口6
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堆叠7
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z方向8
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x方向9
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y方向10
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膜电极组件11
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贯通开口11a-c 贯通开口12a-c 密封凸边13a-c 通路14
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膜16
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气体扩散层17
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流场18
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电化学活性区域19
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腔体20
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分配和收集区域22
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外边缘区域23
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通道24
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接触区域25
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流体管线26
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流体流入区域27
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中间部分28
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端部部分29
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流体涡流30
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组件31
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流体管线部分35
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流体管线36
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流体流入区域37
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中间部分
38
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端部部分39
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支承元件50
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突片50a-c 突片51
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贯通开口51a-c 贯通开口52
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套环53
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切口55
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加强层56
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投影区域58
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电化学活性区域61
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重叠区域70
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绝缘涂层