用于电化学电池的双极板、电化学电池组件和运行电化学电池组件的方法与流程

1.本发明涉及一种用于电化学电池的双极板，其至少包括具有第一筋的第一单极板和具有第二筋的第二单极板，其中，第一筋和第二筋对置地布置并且形成通道，其中，第一筋和第二筋分别包括一中间基面和至少两个倾斜面。此外，本发明涉及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：

2.电化学电池是电化学能量转换器并且以燃料电池或电解装置的形式已知。
3.燃料电池将化学反应能量转换成电能。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(h2)和氧气(o2)转换成水(h2o)、电能和热量。
4.尤其是，已知质子交换膜(proton exchange membrane＝pem)燃料电池。质子交换膜燃料电池包括布置在中央的膜，该膜对于质子(即氢离子)是可穿透的。氧化剂、尤其空气氧由此在空间上与燃料、尤其氢分离。
5.燃料电池包括阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处连续地供应，并且在放出电子的情况下催化氧化成质子，所述质子到达阴极。所放出的电子从燃料电池导出，并通过外部电路流向阴极。氧化剂在燃料电池的阴极处供应，并且通过从外部电路接受电子和质子而反应成水。由此产生的水从燃料电池中导出。总反应为：
6.o2 4h

4e-→
2h2o
7.在此，在燃料电池的阳极和阴极之间存在电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继地布置成燃料电池堆，该燃料电池堆也被称为“stack”或燃料电池结构，并且串联地电连接。
8.电化学电池的堆(其可以称为电化学电池组件)通常具有端板，所述端板将各个电池相互挤压并且赋予所述堆稳定性。
9.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)，其也被称为“membrane electrode assembly”。
10.电化学电池的堆进一步包括双极板，其也被称为气体分布板或分布板。双极板用于将燃料均匀地分布到阳极上以及将氧化剂均匀地分布到阴极上。除了关于氧气、氢气、水和必要时冷却剂的介质引导之外，双极板还确保与膜的面式电接触。
11.例如，燃料电池堆通常包括分层堆叠的多达数百个的单个燃料电池。单个燃料电池包括mea并且分别在阳极侧和阴极侧上包括双极板半部。燃料电池尤其包括阳极单极板和阴极单极板，其通常分别为冲压的板材的形式，它们共同形成双极板并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它们之间流动。
12.此外，电化学电池通常包括布置在双极板和mea之间的气体扩散层。
13.相对于燃料电池，电解装置是能量转换器，其优选在施加电压的情况下将水裂解成氢气和氧气。电解装置尤其还包括mea、双极板和气体扩散层。
14.堆中的电化学电池常常通过垂直于电化学电池的膜布置的介质通道来供给介质、尤其氢气和氧气，或者将其导出。介质通道通过端口(也可以称为流体接头)与电化学电池、尤其与双极板流体连接。介质通道通常位于堆的边缘处，并且经常通过彼此重叠布置的留空来产生，所述留空形成端口。从端口将介质通过端口穿引部引导到所谓的流场、双极板或膜的活性面中。
15.尤其是，指向mea的用于空气或氢气的端口穿引部构型为使得端口穿引部一方面为流入和流出的介质提供尽可能大的开口，并且另一方面为布置在mea的对侧上的密封件提供尽可能好的机械支撑作用。
16.de 10158772 c1和de 10248531 b4涉及具有由多个燃料电池构成的层的燃料电池堆，其中，通过双极板导入或导出介质并且设置用于密封的筋组件。


技术实现要素：

17.提出一种用于电化学电池的双极板，其至少包括具有第一筋的第一单极板和具有第二筋的第二单极板，其中，第一筋和第二筋对置地布置并且形成通道，其中，第一筋和第二筋分别包括一中间基面和至少两个倾斜面，并且第一筋和/或第二筋包括至少一个外基面，并且其中，至少一个外基面和/或中间基面具有至少一个开口，用于穿引至少一种介质。此外，提出一种包括双极板的电化学电池的组件以及用于运行电化学电池的组件的方法，其中，通过第一单极板和/或第二单极板的至少一个开口将至少一种介质沿流动方向从通道引出和/或引入通道，其中，至少一个开口中的流动方向基本上垂直于第一单极板和/或第二单极板。
18.电化学电池(优选是燃料电池或电解装置)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)优选包括至少一个膜电极组件和至少一个根据本发明的双极板、进一步优选至少两个根据本发明的双极板。
19.双极板优选包括碳(例如石墨)、金属(例如不锈钢或钛)和/或包含金属的合金。进一步优选地，双极板由碳、金属和/或合金构成。此外，双极板优选包括至少一个端口。所述至少一个端口可以是入口或出口。第一筋和第二筋优选布置在所述至少一个端口处，进一步优选地，第一筋和第二筋尤其完全包围所述至少一个端口。此外，第一筋和第二筋优选仅包围所述至少一个端口，并且进一步优选地仅包围恰好一个端口。
20.所述至少一种介质优选包括氢气、空气或氧气、水和/或冷却介质，进一步优选所述至少一种介质包括冷却介质、氢气或包含氧气和/或水的混合物。
21.第一筋和/或第二筋也可以称为尤其是金属的密封筋。尤其是，第一筋由第一双极板的一部分形成，而第二筋由第二双极板的一部分形成。相应地，第一双极板与第一筋优选地一体式地实施，并且第二双极板优选地与第二筋一体式地实施。
22.优选地，第一筋和第二筋形成密封元件。密封元件(尤其通过至少一个开口)被至少一种介质克服/越过，以便必要时首先到达分配结构中并且然后到达活性面上，所述密封元件优选地向外并且相对于其它介质密封至少一个端口。
23.至少一个开口也可以称为第一筋或第二筋的贯通开口、穿口或中断部。优选地，第一筋和/或第二筋具有多个开口。至少一个开口具有优选圆形的横截面。尤其是，至少两个
倾斜面、尤其是至少两个倾斜面中的所有倾斜面没有用于穿引至少一种介质的开口。
24.基面也可以称为基板并且形成优选水平的区域，其中，至少一个外基面和/或中间基面用于将至少一种介质导引穿过第一单极板或第二单极板。进一步优选地，仅至少一个外基面和/或中间基面用于将至少一种介质导引穿过第一单极板或第二单极板。
25.优选地，第一筋和/或第二筋的中间基面和至少一个外基面分别彼此基本上平行地布置。基本上平行理解为，中间基面与至少一个外基面围成不大于30
°
、进一步优选不大于20
°
并且尤其不大于10
°
的角度。第一筋和/或第二筋可以分别具有多于一个的外基面，例如两个外基面。
26.中间基面优选分别布置在两个倾斜面之间。至少两个倾斜面也可以称为边或侧翼。此外，至少两个倾斜面尤其相对于中间基面和至少一个外基面倾斜。至少两个倾斜面中的一个与中间基面或至少一个外基面之间的倾斜角优选地在90
°
至150
°
的范围内，进一步优选地在90
°
至120
°
的范围内。
27.中间基面和至少一个外基面优选是平坦的面。至少两个倾斜面可以是弧形的，即具有至少一个弯曲部。尤其分别与中间基面相邻布置的至少两个倾斜面优选具有数学符号相反的倾斜角。
28.优选地，至少两个外基面分别具有至少一个开口，并且进一步优选地，分别布置在不同外基面上的至少两个开口(尤其是关于通道的中心平面)彼此对置地或彼此错开地布置。进一步优选地，中间基面布置在第一外基面与第二外基面之间，其中，第一外基面具有至少一个第一开口，并且第二外基面具有至少一个第二开口，并且第一开口和第二开口可以关于中心平面对置地或彼此错开地布置。
29.尤其是附加地，第一筋和/或第二筋的中间基面可以具有至少一个开口。膜电极组件也可以具有至少一个开口，其中，该至少一个开口优选布置在膜电极组件的框架上，所述框架也可以称为加强件或衬垫。框架尤其由塑料来实施。
30.通道具有假想的中心平面，其优选基本上垂直于中间基面和/或至少一个外基面布置，并且进一步优选地与第一筋和第二筋的中间基面相交。中心平面可以是通道的对称平面。
31.优选地，在中心平面的至少一侧上，第一筋上的至少一个开口与中心平面以第一距离布置，并且从第二筋的中间基面的外棱边到中心平面的第二距离至少与第一距离一样大，进一步优选地大于第一距离。在中心平面的一侧上，第二筋上的至少一个开口也可以与中心平面以第一距离布置，并且可以测定与第一筋的中间基面的外棱边的第二距离。第一距离尤其理解为至少一个开口的周边与中心平面的最大距离。
32.优选地，中间基面在至少一个开口处分别具有湾状部/凹部。此外，至少一个外基面在至少一个开口处分别具有凸起或者形成凸起。相应地，分别在中心平面的一侧或两侧上，关于第一筋和/或第二筋的中间基面的第二距离和/或至少一个外基面的宽度可以在第一筋或第二筋的长度上变化。进一步优选地，第二距离和至少一个外基面的宽度可以相反地变化，使得至少在中心平面的一侧上中间基面在开口处变得更窄，其中，开口所在的至少一个外基面在该开口处变得更宽。第二筋中的中间基面的第二距离优选是恒定的，尤其是当第二筋不具有开口时。中间基面的第二距离和/或宽度可以波形地变化。
33.中间基面优选地关于第一单极板和第二单极板的基本高度水平具有第一高度。
34.在第一优选实施方式中，尤其布置有至少一个开口的至少一个外基面布置在不多于一个的倾斜面上，即由不多于一个的倾斜面限界。相应地，至少一个外基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％。尤其地，至少一个外基面布置在基本高度水平上。
35.在第二优选实施方式中，第一筋和/或第二筋分别具有至少三个倾斜面，尤其是三个或四个倾斜面，其中，至少一个外基面尤其是直接布置在两个倾斜面之间，并且尤其是在两个倾斜面之间形成台阶。台阶优选具有第三高度，其中，第三高度小于第一高度，并且进一步优选地，第三高度为第一高度的20％至80％、更优选地30％至70％、尤其40％至60％。进一步优选地，布置在中间基面的相同侧上的或者与同一台阶邻接的倾斜面具有同一倾斜角。台阶尤其具有至少一个开口。进一步优选地，第一筋和/或第二筋可以具有至少两个、进一步优选地恰好两个台阶，其中，更优选地，中间基面、尤其是中心平面布置在两个台阶之间。
36.优选地，第一筋和第二筋总共具有两个外基面(尤其是台阶)，并且尤其是第一筋和第二筋的中间基面关于横截面视图优选分别布置在两个外基面(尤其是台阶)之间，其中，两个外基面(尤其是台阶)布置在第一筋或第二筋上，或者第一外基面(尤其是台阶)布置在第一筋上并且第二外基面(尤其是台阶)布置在第二筋上。相应地，第一外基面(尤其是台阶)和第二外基面(尤其是台阶)优选布置在中间基面的并且尤其是中心平面的不同侧。优选地，在第一外基面(尤其是台阶)上布置至少一个开口，并且在第二外基面(尤其是台阶)上布置至少一个开口。如果第一外基面(尤其是台阶)布置在第一筋上，而第二外基面(尤其是台阶)布置在第二筋上，并且第一外基面(尤其是台阶)和第二外基面(尤其是台阶)布置在中心平面的不同侧，则用于至少一种介质的入口和出口位于双极板的不同侧。
37.此外，例如第一筋可以具有两个外基面(尤其是台阶)，所述基面尤其分别具有至少一个开口，其中，中间基面布置在两个外基面(尤其是台阶)之间，并且其中，第二筋能够不具有开口。
38.如果第一筋尤其是在至少两个不同的外基面(尤其是台阶)上具有至少两个开口，则用于至少一种介质的入口和出口分别布置在双极板的同一侧或第一单极板上。
39.第一筋和第二筋可以是彼此对称或不对称的。第一筋和/或第二筋(尤其是通道)在横截面视图中尤其是关于中心平面可以是对称的。第一筋还可称为上部筋，并且第二筋还可以称为下部筋，或者反之亦然。
40.此外，第一筋和第二筋可以彼此错开地布置，其中，尤其是在俯视图中，例如第一筋的中间基面与第二筋的外基面搭接，或反之亦然。在该实施方式中，第一筋和第二筋优选分别在对置的外基面上具有至少一个开口。
41.在电化学电池组件的一个实施方式中，该组件至少包括第一双极板、第二双极板和膜电极组件，其中，膜电极组件布置在第一双极板和第二双极板之间，并且膜电极组件具有至少一个开口。优选地，第一双极板的第二筋的中间基面、第二双极板的第一筋的中间基面和膜电极组件分别具有开口，其中，进一步优选地，这些开口对齐地布置。
42.优选地，第一筋和/或第二筋的中间基面分别具有密封件。进一步优选地，第一筋的中间基面和第二筋的中间基面分别具有密封件。密封件具有这样的密封件宽度，该密封件宽度最大等于第一筋或第二筋的中间基面的第二距离的两倍。进一步优选地，密封件宽
度小于第二距离的两倍。进一步优选地，密封件宽度在第一筋和/或第二筋的长度上是恒定的。
43.密封件优选实施为涂层。此外，密封件优选包括聚合物、如弹性体，进一步优选地，密封件包括以下材料，所述材料选自由硅树脂、橡胶、尤其氟橡胶(fkm)、聚四氟乙烯(ptfe)和其混合物组成的组。
44.所描述的实施方式的组合是可能的。
45.通过至少一个开口在至少一个外基面上的布置，该至少一个开口位于双极板的未改型的区域中，这易于制造。通过至少一个开口在双极板的水平面上的布置，用于该开口的切割线位于通常制造双极板的板材的平坦区域中。因此，可以使用柱形的标准孔冲压件，或者选择至少二维的、即位于一个平面中的工具轮廓，使得尤其能够简单地对工具进行再磨削。
46.此外，筋结构不会在倾斜面上由至少一个开口削弱，从而可以确保在筋中的均匀力分布。
47.此外，通过台阶还实现了附加的水平区域，所述水平区域可以用于布置至少一个开口。
附图说明
48.借助附图和以下描述进一步阐述本发明的实施方式。
49.附图示出：
50.图1电化学电池的示意图，
51.图2双极板的俯视图，
52.图3具有根据现有技术的筋组件的双极板的局部的横截面视图、透视图和俯视图，
53.图4具有外基面中的对置的开口的筋组件的透视图，
54.图5根据图4的筋组件的第一横截面视图，
55.图6根据图4的筋组件的第二横截面视图，
56.图7具有分别在第一筋和第二筋上的台阶上的开口的筋组件的横截面视图，
57.图8根据图7的筋组件的透视图，
58.图9具有第一筋的两个台阶上的开口的筋组件的横截面视图，
59.图10具有第一筋的两个台阶上的开口的筋组件的透视图，
60.图11具有第一筋的两个台阶上的开口的筋组件的另一实施方式的横截面视图，
61.图12具有第一和第二双极板的电化学电池组件的局部的横截面视图，
62.图13根据图12的组件的第二双极板的俯视图，和
63.图14具有彼此错开地布置的筋的筋组件的横截面视图。
64.在本发明的实施方式的以下描述中，相同或相似的元件以相同的附图标记表示，其中，在个别情况下不重复描述这些元件。附图仅示意性地示出本发明的主题。
具体实施方式
65.图1示意性地示出了燃料电池形式的电化学电池1。电化学电池1具有作为电解质的膜2。膜2将阴极室6与阳极室8分开。
66.在阴极室6和阳极室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。由膜2和电极层3构成的复合体也可以称为膜电极组件4。
67.在双极板7中供应介质29。氧气9通过阴极室6中的双极板7到达气体扩散层5，并且氢气11通过阳极室8的双极板7到达相应的气体扩散层5。
68.图2示出了具有活性面53和多个端口55的双极板7的俯视图。两个端口55分别被筋组件57包围并且通过该筋组件密封，其中，筋组件57分别由第一筋15和第二筋19形成。
69.图3示出了具有根据现有技术的筋组件57的双极板7的局部的横截面视图、透视图和俯视图。双极板7包括具有第一筋15的第一单极板13和具有第二筋19的第二单极板17。第一筋15和第二筋19对置地布置并且形成通道21。第一筋15和第二筋19分别包括一中间基面23和两个倾斜面24。倾斜面24具有开口27，介质29可被引导通过该开口27。此外，第一筋15和第二筋19分别在中间基面23上具有密封件47。
70.图4示出了带有筋组件57的双极板7的局部的透视图。与图3所示的筋组件57不同，第一筋15具有外基面25，在所述外基面上分别布置至少一个用于穿引介质29的开口27。所示出的开口27对置地布置，并且中间基面23在开口27处分别具有湾状部37。此外，外基面25具有宽度65，并且密封件47具有密封宽度67，并且示出了第一剖切平面74和第二剖切平面75。
71.图5示出根据图4的筋组件57的沿着第一剖切平面74的横截面视图。中间基面23关于基本高度水平60具有第一高度59。此外，标记出开口27的一个中的流动方向49，该流动方向以流动角度50基本上垂直于第一单极板13取向。
72.图6示出根据图4的筋组件57的沿着第二剖切平面75的横截面视图。可以看出，第一筋15的中间基面23在开口27处由于湾状部37、即在第一剖切平面74中比在没有开口27的第二剖切平面75中更窄。
73.图7示出了具有另一筋组件57的双极板7的局部的横截面视图。第一筋15和第二筋19分别具有台阶31，所述台阶由外基面25形成，并且在所述台阶上分别布置有开口27。两个中间基面23布置在第一筋15的第一台阶33和第二筋19的第二台阶35之间。相应地，第一台阶33和第二台阶35关于横截面视图位于所形成的通道21的中心平面39的不同侧。第一筋15上的开口27与中心平面39以第一距离41布置，并且与第二筋19的中间基面23的外棱边45的第二距离43大于第一距离41。相应地，第二筋19的中间基面23伸出超过第一筋15的开口27。
74.图8示出了具有筋组件57的双极板7的局部的透视图，该筋组件基本上相应于根据图7的筋组件57，其区别在于，第一筋15的开口27与第二筋19的开口27分别错开地并且不对置地布置。
75.图9示出了带有再另一筋组件57的双极板7的局部的横截面视图。第一筋15具有两个台阶31，其中，中间基面23布置在第一台阶33和第二台阶35之间。中间基面23具有第一高度59，并且台阶31具有小于第一高度59的第二高度61。第二筋19的中间基面23在中心平面39的两侧伸出超过第一筋15的开口27。
76.图10示出了具有筋组件57的双极板7的局部的透视图，该筋组件基本上相应于根据图9的筋组件57，其区别在于，第一台阶33和第二台阶35的开口27彼此错开地并且不对置地布置。
77.图11示出了筋组件57的横截面视图，该筋组件基本上相应于根据图9的筋组件57，
其区别在于，第一筋15的中间基面23和第二筋19的中间基面23一样宽，并且因此从开口27到中心平面39的第一距离41大于从第二筋19的中间基面23的外棱边45到该中心平面的第二距离43。
78.图12示出了具有第一双极板71和第二双极板73的电化学电池1的组件69的局部的横截面视图。可以包括衬垫的膜电极组件4布置在第一双极板71和第二双极板73之间。第一双极板71的第二筋19的中间基面23、第二双极板73的第一筋15的中间基面23和膜电极组件4分别具有开口27，并且这些开口27对齐地布置，使得至少一种介质29从第二双极板73的第一筋15通过膜电极组件4流到第一双极板71的第二筋19中。
79.图13示出了根据图12的组件69的第二双极板73的俯视图。可以看到中间基面23上的开口27以及位于其下方的平面的外基面25上的开口27。
80.图14示出了筋组件57的横截面视图，在该筋组件中第一筋15和第二筋19彼此错开地布置。至少一种介质29通过第一筋15的外基面25中的开口27流入筋组件57中，并且通过第二筋19的外基面25中的开口27离开该筋组件。
81.本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。相反，在通过权利要求说明的范围内可实现处于本领域技术人员处理的范围内的多个变型。