CN101816089B - 电化学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种电化学系统和一种用在所述电化学系统中的双极板。电化学系统(1)由若干电池(2)的层体构成，所述电池在各种情况下通过双极板(3)而彼此分隔开，其中，所述双极板包括用于冷却的开口(4)或用于从所述电池排出工作介质和向所述电池供应工作介质的开口(5)，并且所述层体设定为处于机械压缩应力下，其中，至少一个电池包括电化学作用区(6)，所述电化学作用区由所述双极板的边界壁(7)环绕，并且在所述电化学作用区内设置有用于均匀分布介质的所述双极板的槽道结构(8)，其中，设置至少一个气体扩散层(9)，用于对介质进行微分配。在所述槽道结构与所述边界壁之间的边沿区域中设置有限制元件(10)，用于避免流体在所述槽道结构与所述边界壁之间旁流，并且所述气体扩散层覆盖所述槽道结构和/或所述限制元件的至少一部分。电化学系统的可靠性和效率通过防止电化学作用区域的边沿区域中的旁流而得以确切地增加。

Description

电化学系统
技术领域
本发明涉及一种电化学系统，以及一种用在这种系统中的双极板。
背景技术
电化学系统比如可以是燃料电池系统或电化学压缩机系统，具体而言是电解器，利用所述电解器，通过施加电位，除了从水产生氢和氧之外，这些气体同时在压力下被压缩。除此之外，诸如电化学氢气压缩机等的电化学压缩机系统也是已知的，气态分子氢被供应至该电化学压缩机系统，并且在该电化学压缩机系统中通过施加电位而使气态分子氢以电化学方式被压缩。这种电化学压缩尤其适合于压缩少量氢气，因为这里氢气的机械压缩将会费劲得多。
电化学系统是已知的，其中电化学电池组由若干电化学电池的层体构成，这些电化学电池在各种情况下都通过双极板而彼此分隔开。因此，双极板具有若干任务：
-与各单个电化学电池(比如燃料电池)的电极电接触并将电流进一步输送至相邻的电池(电池串联)，
-向电池供应介质，即反应气体，并且经由槽道结构排出反应产物，所述槽道结构布置在电化学作用区(气体分布结构/流场)中，
-还输送电化学电池发生反应期间所产生的废热，以及
-使不同的介质槽道或冷却槽道彼此密封以及使之与外部密封。
为了由双极板向实际电化学电池供应介质以及从其排出介质，这些电化学电池比如是具有在各种情况下都定向成朝向(比如金属无纺或碳无纺的)双极板的气体扩散层的MEA(膜电极组件)，而且双极板可以具有用于冷却的开口或用于供应及排出介质的开口。
利用已知的双极板，经由双极板两侧的槽道结构或蜿蜒结构而沿着MEA或气体扩散层进行气体分布。
特别地，对于金属双极板而言，已知的是在这些双极板中冲压出槽道结构，从而也同时冲压出与双极板成一体的边界壁，所述边界壁环绕电化学作用区。边界壁因而通常具有压条状的形状。现在在系列测试中已发现，这种双极板在其性能方面会表现出大的波动，这似乎是因介质分布不充分而引起的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电化学系统或一种双极板，其性能不会因电化学作用区中的介质分布不充分而波动。
该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。
首先，这是一种电化学系统，由若干电池的层体构成，所述电池在各种情况下通过双极板而彼此分隔开，其中，所述双极板包括用于冷却的开口或用于从所述电池排出介质和向所述电池供应介质的开口，并且所述层体可以设定为处于机械压缩应力下，其中，至少一个电池包括电化学作用区，所述电化学作用区由所述双极板的边界壁环绕，并且在所述电化学作用区内设置有用于均匀分布介质的所述双极板的槽道结构，其中，设置至少一个气体扩散层，用于对介质进行微分配。在所述槽道结构与所述边界壁之间的边沿区域中设置有限制元件，用于避免介质在所述槽道结构与所述边界壁之间流动。因而，所述气体扩散层覆盖所述槽道结构和/或所述限制元件的至少一部分。
用在根据本发明的电化学系统中的双极板的特征在于，该双极板具有基部平面，和从该基部平面突出的槽道结构(流场)，而且设置有用于供应和排出介质的开口，并且所述槽道结构和所述开口由边界壁(在某些情形下设置有用于导入流体的开口)环绕，所述双极板的特征还在于，在所述边界壁与所述槽道结构的外边缘之间的区域中设置有至少一个限制元件，所述限制元件用于防止介质在所述边界壁与所述槽道结构之间的边沿区域中旁流。
所以，通过根据本发明的限制元件，大大地防止了槽道结构处的介质的旁流。由此，实现了介质在所述槽道结构上的均匀分布，并且以这种方式消除了不利的性能波动。
因而，如果气体扩散层不仅覆盖槽道结构而且还覆盖限制元件的至少一部分，那么这是特别有利的。因此，在该区域中气体扩散层受到额外压缩，该压缩大于在“常规”槽道结构的该区域中所受到的压缩。因而，以甚至更佳的方式防止了介质在位于槽道结构与边界壁之间的不可靠区域中旁流。
在从属权利要求中描述了本发明的有利的进一步的实施方式。
一种有利的进一步的实施方式提出了：将限制元件的高度选择为使得气体扩散层在对着限制元件的接触区域中所受到的压缩大于在对着槽道结构的接触区域中所受到的压缩。所以，实现了该边沿区域中的特别良好的密封。另一种有利的实施方式提出了：将限制元件设计为槽道结构的并入边界壁的延伸部。这对于金属双极板而言是特别有利的，因为这样可以实现限制元件与槽道结构的元件的结合及一体式的压纹。基本上，可以设置一个或多个限制元件。在若干限制元件的情况下，这些限制元件优选地彼此间隔开，并且这里特别优选地，两个相邻的限制元件与边界壁在各种情况下一起形成位于槽道结构与边界壁之间的腔室，从而形成防水壁(如同货船中的一样)，以便尽可能可靠地防止旁流。
各单个限制元件的重复距离因而优选为大于2mm，特别优选为大于5-10mm(如果距离较小，那么边界壁将会大大地机械弱化)。作为一种替代方案，还可以说，这里对应于100mm长的边界壁设置至少一个限制元件，优选为五到二十五个限制元件。一种进一步的有利设计提出了以蛇形线形式延伸的边界壁，从而使得边界壁更加机械强固。当边界壁是蛇形线路线时，在各种情况下边界壁的最靠近槽道结构的部分可以经由限制元件连接至槽道结构。
对于用于阻止边界壁与槽道结构之间旁流的限制元件而言，有利的是这些限制元件基本上横向于边界壁延伸以及基本上横向于槽道结构的最外元件延伸。
此外，限制元件的构造形状取决于槽道结构的相应设计。如果槽道结构比如设置为独立元件，那么限制元件也可以以线性方式设置，以便避免旁流。在另一种情况下，这些限制元件也可以设置为独立元件。
另一种有利的实施方式提出了：边界壁相对于双极板的基部平面的高度大于位于边界壁的附近的槽道结构相对于该基部平面的突出的升起度。这里，“附近”应当理解为至边界壁的距离最大为1cm。
双极板的限制元件的高度应当至少是槽道结构的始于基部平面的突出的升起度。因此，这意味着限制元件的高度优选为与槽道结构的高度相同，或者在槽道结构的高度与边界壁的高度之间。
优选地，限制元件设置为双极板(优选为金属双极板)中的压纹。
另一种有利的设计提出了：双极板由两个板构成，其中，至少一个限制元件在第一板的远离电化学作用侧的一侧是中空的，并且该中空空间起到互补空间的作用，以便插入双极板的第二板。
优选地，边界壁呈压条的形状，尤其是呈完整压条或半压条的形状，因而边界壁是与双极板成一体的一体部件，然而，这里附接部件也是可以的。
一种特别有利的实施方式提出了：双极板的用于冷却的开口或用于排出或供应介质的开口设置有弹性压条装置，其中，这些压条装置包括用于将流体或气态介质导入双极板的中空空间中或导至电化学作用区的开口。
优选地，将介质导入电化学作用区以这样的方式来实现，即：使得引入介质的位置和导出介质的位置处于电化学作用区中相应的间隔最大的位点处。由此，达到了实现尽可能平均的分布的基本要求，因而，蜿蜒式导引是有益的，即便有可能是死端布局。但是，当采用这种布局时，电化学作用区内的流动阻力总需要克服，使得介质总是寻找“捷径”或旁流。为此，这里具有限制元件的本发明是特别有利的。
在其余从属权利要求中描述了本发明的进一步的有利的实施方式。
附图说明
下面借助于几幅图来说明本发明。这些图是：
图1a至1c，其示出了燃料电池组的构造，
图2a和2b，其是不同设计的双极板的平面图，
图3a和3b，其示出了穿过根据本发明的双极板装置而剖开的截面(图3a)和穿过根据现有技术的双极板装置而剖开的截面(图3b)，
图4，其示出了在具有限制元件和不具有限制元件的情况下阴极侧容积流量相对于背压的曲线，
图5，其是具有限制元件的双极板的另一种实施方式的平面图，
图6，其是根据图5的线B-B的定心图示，
图7，其示出了在不同的压缩情况下根据本发明的电化学系统的流动阻力曲线。
具体实施方式
图1a至1c示出了采用燃料电池组1形式的电化学系统的基本构造。其包括若干燃料电池装置12的层体(见图1b)。这些燃料电池装置12的层体通过端板而保持在一起，所述端板比如经由如图1c所示的夹紧螺栓而向燃料电池装置的层体施加压缩应力。
下文中更详细地说明燃料电池装置12的构造。
图1a以分解图形式示出了燃料电池装置12的内部构造。首先是电池(比如燃料电池)2，该电池2包括聚合物膜，所述聚合物膜能够传导离子而且至少在电化学作用区6中具有位于两侧的催化层。此外，在燃料电池装置12中设置有两个双极板3，在这两个双极板3之间布置燃料电池2。而且，在各个双极板与相邻的燃料电池2之间的区域中布置有气体扩散层9。未图示且基本上处于双极板边缘区域的周边的压条形成边界壁，因而确保电化学作用区6的密封，使得冷却流体或介质不会从该区域排出到外部，或者从外部进入到该区域。
而且，双极板3包括彼此对齐的供应开口(接口槽道)。一方面，所述供应开口是用于导入冷却流体的开口4，其中该开口4由另一压条装置环绕。而且，设置有用于将介质供应至和排出电化学作用区的开口5，该开口5由另一压条装置限制。而且，设置有用于图1a中未图示的夹紧螺栓的通道开口。
图2a示出了根据本发明的双极板的一部分的平面图。这里，示出了用于供应和排出介质的开口5，该开口5由环形的完整压条环绕。该完整压条或压条装置包括用于将流体或气态介质导入到双极板的中空空间中或导向电化学作用区的开口5.1。所示的双极板3是金属的，其中槽道结构8和边界壁7设计为与双极板3成一体的压纹。
这里，为了说明，在图2a中仅仅示出了双极板的左上角。然而，导引介质穿过电化学作用区7以这样的方式来实现，即：使得引入介质的位置和导出介质的位置定位在电化学作用区的彼此间隔最大的位点处，优选为定位在如图2a所示的表面平面的平面对角线处。
在图2a中，至少在示出于图2a中的右边的上部的部分中，以蛇形线形式示出了边界壁7的路线。
此外，示出了在边界壁7呈蛇形线路线的情况下，边界壁的最靠近槽道结构8的部分经由限制元件10连接至槽道结构。
这里，还可以推导出限制元件10基本上横向于边界壁7延伸，或者，还基本上横向于槽道结构8的最靠近边界壁(最外)的元件延伸。
还可以从图2a推导出，限制元件10设计为槽道结构8的延伸部，该延伸部并入边界壁7。
图2b示出了图2a所示的双极板的可替代实施方式。
然而，与图2a所示的双极板不同，这里设置有若干限制元件10。这些限制元件10彼此间隔开，使得在各种情况下两个相邻的限制元件10都形成位于槽道结构8(就是槽道结构的最外元件)与边界壁7之间的腔室。
因此，各单个限制元件的重复距离优选为大于2mm，特别优选为大于5-10mm。
因此，显而易见的是，在图2a或图2b中所示的实施方式中设置了限制元件10，这防止了介质在边界壁7与槽道结构8的最外元件之间旁流(亦即走捷径)。限制元件10在图2a中设计为单个横向肋，在图2b中则设计为多个横向肋，这些多个横向肋于是形成对应的腔室。这些限制元件10具有这种功能很重要，因而没有被设计为冷却槽道或介质槽道的供应压条或入口。
由此，比如从介质供应开口5，即从各个开口5.1，流出的介质流被迫穿过以蜿蜒形式设计的槽道结构8，并且这造成背压增加，这进而也是燃料电池中介质的更大反应率的指标。
图3a示出了具有两个双极板3(比如根据图2a或图2b)的构造的截面图。这里，燃料电池或聚合物电解质膜(PEM)2布置在两个双极板3之间。而且，气体扩散层9布置在PEM2的各侧上、位于电化学作用区中。该气体扩散层可以预先制造，并设计为膜电极组件的直接一体部件，而且，气体扩散层也可以设置为单独层。
重要的是，限制元件10的高度被选择为使得气体扩散层9对着限制元件10的接触区域中的压缩大于对着槽道结构8的接触区域中的压缩。这在图3a中也通过更狭窄的影线区以图示方式表示出来。
还应当看到，边界壁7相对于双极板3的基部平面11的高度大于槽道结构相对于该基部平面的突出的升起度(这在图3a中以双箭头表示)。同样显而易见的是，始于双极板3的该基部平面11的限制元件10的高度至少是槽道结构8的最大升起度，然而，至多是边界壁7相对于基部平面的高度(这在图3a中也是以双箭头表示)。
与此相反，图3b示出了不具有限制元件的装置，而且由于这种装置，没有在外边缘区域为气体扩散层提供额外压缩。
因而，到目前为止所参考的附图，尤其是图1a至1c、2a、2b以及3a，示出了双极板3，其中，该双极板3包括基部平面11，和从该基部平面突出的槽道结构8，并且设置有用于供应和排出介质的开口5，并且槽道结构和开口由边界壁7环绕，并且至少一个限制元件10设置在边界壁与槽道结构的外边缘之间的区域中，用于防止介质在边界壁7与槽道结构8之间的边沿区域中旁流。
所以，在先前提及的附图中所示出的也是电化学系统1，其由若干电池2的层体构成，这些电池2在各种情况下都通过双极板3而彼此分隔开，其中，双极板包括用于冷却的开口4，或用于从电池排出和向电池供应工作介质的开口5，而且层体可以设定为处于机械压缩应力下，其中，至少一个电池包括由双极板的边界壁7环绕的电化学作用区6，而且双极板的槽道结构8设置在电化学作用区内以均匀分布介质，其中，设置至少一个气体扩散层9用于对介质进行微分配，并且限制元件10设置在槽道结构与边界壁之间的边沿区域中，用于避免流体在电化学作用区(亦即非冷却区域)中的槽道结构与边界壁之间旁流，并且气体扩散层覆盖槽道结构和/或限制元件的至少一部分。所以，由于这种覆盖而实现了气体扩散层在边沿区域中被夹紧或受到强固按压，并且因此而形成甚至更好的密封，因为不仅边界壁的高度而且气体扩散层在该区域中的压缩都确保了防止旁流(流过/走捷径)的发生。
图4示出了电化学系统的以升/分钟为单位的容积流量相对于以毫巴为单位的背压的图表。
左边的曲线示出了阴极侧的传统设计(比如具有根据图3b的截面)，由于该传统设计，有可能发生介质流绕过气体扩散层。右边的曲线示出了气体扩散层利用限制元件而受到压缩、由此而防止或限制旁流。这里示出了在相同的容积流量的情况下，存在大得多的背压。这表明介质不会以没有导入电化学作用区域的方式而简单地流过。由此，使反应得以持续进行，因为反应介质不再以未使用的方式旁流(流过)。
图5示出了根据本发明的双极板的另一种实施方式。这里，槽道结构8设置在由边界壁环绕的电化学作用区6中，所述槽道结构8主要设计为分离的因而是独立的凸起元件。这里，同样是具有流场(电化学作用区)的双极板的情况，由此反应介质从左上部以对角方式被导引到右下部(出口5位于该处)。限制元件10设置在两个位置(左下和右上)处，这阻止了不利的旁流。
图6以放大比例尺示出了穿过图5的板装置的线B-B而剖开的截面。这里，在图中应当看到，双极板由两个板构成，其中，至少一个限制元件10在远离电化学作用侧的一侧是中空的，并且该中空空间设置为互补空间以便插入双极板的第二板。由此，对两个板进行额外定心，由此而增加整个双极板的尺寸精度。
图7示出(与上面图4中已经示出的相似)了相对于背压(以毫巴为单位)的以升/分钟为单位的(干燥)空气的容积流量。这里，还可以看到，在空气的容积流量相等的情况下，随着整个组件(见图1c)中的压缩值(压缩应力)的增加，背压显著增高，由此能够设定统一可再现的值。

Claims (20)

1.一种电化学系统(1)，由若干电池(2)的层体构成，所述电池在各种情况下通过双极板(3)而彼此分隔开，其中，所述双极板包括用于冷却的开口(4)以及用于从所述电池排出工作介质和向所述电池供应工作介质的开口(5)，并且所述层体设定为处于机械压缩应力下，其中，至少一个电池包括电化学作用区(6)，所述电化学作用区由所述双极板的边界壁(7)环绕，并且在所述电化学作用区内设置有用于均匀分布介质的所述双极板的槽道结构(8)，其中，设置至少一个气体扩散层(9)，用于对介质进行微分配，其特征在于
在所述槽道结构与所述边界壁之间的边沿区域中设置有彼此间隔开的若干限制元件(10)，用于避免流体在所述槽道结构与所述边界壁之间旁流，并且所述气体扩散层覆盖所述槽道结构和/或所述限制元件的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述限制元件(10)的高度被选择为使气体扩散层(9)与限制元件(10)的接触区域的压缩量大于与槽道结构(8)的接触区域的压缩量。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述限制元件(10)为槽道结构的延伸部，并伸入边界壁。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两个相邻的限制元件(10)在各单元中在槽道结构与边界壁(7)之间形成一个腔室。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，单个限制元件(10)的间距大于2mm。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边界壁(7)以蛇形线形状延伸。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当所述边界壁(7)是蛇形线路线时，在各种区间内所述边界壁的最靠近所述槽道结构(8)的部分经由限制元件(10)而连接至所述槽道结构。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述限制元件(10)垂直于所述边界壁延伸。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述槽道结构(8)设计为独立元件。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边界壁(7)相对于双极板(3)的基部平面(11)的高度大于位于所述边界壁的邻近处的槽道结构相对于该基部平面的最高升起度。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述双极板的基部平面(11)突伸的限制元件的高度至少是所述槽道结构(8)的突出的升起度。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述限制元件(10)设计为双极板(3)中的压纹。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双极板(3)由两个板构成，其中，至少一个限制元件(10)在远离电化学作用侧的一侧是中空的，并且该中空空间设计为互补空间以便插入所述双极板的第二板。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边界壁(7)呈压条的形状。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边界壁(7)呈完整压条或半压条的形状。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双极板(3)由金属制成。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双极板的用于冷却的开口(4)或者用于移出或供应介质的开口(5)设置有弹性压条装置，其中，这些压条装置包括用于将流体介质导入到所述双极板的中空空间中或导至所述电化学作用区的开口。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双极板的用于冷却的开口(4)或者用于移出或供应介质的开口(5)设置有弹性压条装置，其中，这些压条装置包括用于将气态介质导入到所述双极板的中空空间中或导至所述电化学作用区的开口。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，将介质导入所述电化学作用区(6)以这样的方式来实现，即：使得引入介质的位置和导出介质的位置在各种情况下均处于所述电化学作用区中的间隔最大的位点处。
20.一种用在根据权利要求1所述的电化学系统中的双极板，其特征在于，所述双极板具有基部平面(11)，并且设置有从该基部平面突出的槽道结构(8)，并且所述双极板具有用于供应和移出介质的开口，并且所述槽道结构以及所述开口由边界壁(7)环绕，其特征还在于，在所述边界壁与所述槽道结构的外边缘之间的区域中设置有至少一个限制元件(10)，用于防止介质在所述边界壁(7)与所述槽道结构之间的边沿区域中旁流。
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