CN107004885A - 隔离板和电化学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学系统(1)的隔离板(2)，其包含两块金属单板(2a,2b)，其中所述金属单板(2a,2b)具有用于运行介质以及可能的冷却剂的通孔(22‑27)和分配结构(28)，所述分配结构在金属单板(2a,2b)中形成并各自与至少两个通孔(22‑27)连通。在各金属单板(2a,2b)中形成周边延伸的密封结构(3,31,31',32)，其至少周边围绕电化学活性区域(29)并与该区域保持一定的距离，和/或周边围绕至少一个通孔(22‑27)并与这些通孔的边缘保持一定的距离，所述密封结构的横截面包括珠状物顶部(39)、两个珠状物侧面(38,38’)，以及至少在一些部分里，两个珠状物脚部(37,37’)。在所述密封结构的至少其珠状物顶部(39)的区域中，密封结构(3,31,31',32)至少在一些区域内以具有突出部和凹陷部的至少两个波浪周期的方式波状延伸。根据本发明，珠状物顶部(39)具有在珠状物顶部的波状区域中的恒定宽度(WD)，并且在珠状物顶部(39)的波状进程区域中两个珠状物侧面(38,38’)中的底部宽度(WI,WA)中的至少一个改变。

Description

隔离板和电化学系统
本发明涉及一种用于电化学系统的隔离板以及这种电化学系统。
所述隔离板可以被用于例如燃料电池系统中，其中从氢气和氧气中得到电能。所述隔离板也可被用于通过施加电压的方式从水中制取氢气和氧气的电解器中。所述隔离板同样可以用于通过施加压力使氢气分子在氧化/还原作用下传过膜并同时使其被压缩的电化学压缩机中。另外，所述隔离板也可以用于电化学系统的加湿器，其中待进料至电化学系统的干燥气体通过湿气体(大部分是电化学系统的废气)进行加湿。
通常，用于电化学系统的隔离板包含具有两块金属单板的平板对，其中每两块隔离板围绕电化学电池，例如燃料电池，并将该电池与下一个电化学电池分隔开。此处，在电化学系统中，大量的电化学电池(例如多达200个)大多被连续堆叠成一堆，以这种方式再通过隔离板使这些电池彼此分隔开。这些电池本身通常由膜电极组件/单元组成，通常叫做MEA(膜电极组件)，以及位于MEA的两侧的不同的气体扩散层(GDL)组成，所述气体扩散层例如由导电的炭无纺布组成。整个堆通过夹钳系统在两个端板之间保持在一起，并且由预应力提供。在加湿器的情况中，电池仅由膜组成，可能会有支持介质以及相当于气体扩散层的多孔结构，但其并不需要能够导电。
在电化学系统中，除了将电化学电池彼此分隔开之外，隔离板还有更多的功能。这些功能一方面是不同电化学电池的电极的电接触，也引导电流到各相邻的电池，另一方面为电池提供运行介质并移除反应产物，还有冷却电化学电池并向前传输废热，以及将两种不同的运行介质和冷却剂的隔层互相密封和对外密封。
用于运行介质的通孔通常一方面特别用于氢气或者甲醇另一方面特别用于空气或者氧气，以及用于冷却剂(大部分是去矿物质水和抗冻剂的混合物)，这些通孔相应地在隔离板的单个金属板中形成，用于电化学电池的供应。运行介质和冷却剂在下文中同时被称为介质。此外，在两块金属单板的每一个中形成分配结构，其中在两块单板的两个表面都形成通道。运行介质在隔离板的每个面向外部的表面上运行，冷却剂在两个金属单板的中间空间运行。在通道结构中引入运行介质的区域也被称为隔离板的电化学活性区域。每个分配结构与至少两个通孔连通，具体来说与各流体的至少一个入口和至少一个出口连通。每个独立的金属板(至少在隔离板的电化学活性区域周围以及通孔的周围以周边密封的方式)由密封结构围绕，该密封结构与电化学活性区域或者通孔各自的边缘保持距离，以便将不同的介质区域互相密封并与外界密封。电化学活性区域的密封此处可以这样实现，通过本身的周边密封结构对包含电化学活性区域的隔层进行密封过的通孔被设置在密封结构内，该结构围绕该区域周边密封。
使密封结构凸出进隔离结构的金属单板(具体是以全珠状物或者半珠状物状以直线延伸的形式)已经在DE 101 58 772 A1中被提出。目前满足预期的一种密封结果可以通过这些直线状排列的珠状物在具有基本方形的基底表面和少量至中量的板数的小隔离板的情况中达成，同时采用堆叠体的高箝位(clamping)。但是，在具有更狭长平板基底表面的隔离板或者更大的隔离板中让珠状物沿直线排列，密封的结果绝大部分不令人满意。随着长珠状物部分沿直线排列，这些珠状物会随着与角处的距离增加而失去它们的硬度并且会在关键区域达不到足够的回复力。
在WO 2004/036677 A2中，解决这种情况的一个尝试是将密封元件至少分区设计为具有非线性进程的全珠状物。这些一方面是在两侧周期性交替的形式变厚变薄的珠状物，另一方面也分区具有总体波浪状进程的珠状物。此处，珠状物侧面的基本宽度(与波浪状珠状物各自的中心线呈直角测量)与波浪状区域中侧面的进程宽度保持相同。因此，特别是在波峰和波谷(即峰值)的区域形成具有不同的硬度和弹性的不同的内径和外径。在不同情况下，改变压力在珠状物顶部接触区域的同质性，以彼此相对的方式相对于彼此相对的珠状物侧面改变，因此结果会顺着珠状物的两个侧面。此处，存在介质流过珠状物硬度较低区域的密封结构的风险，亦即运行介质流进隔离板内部以及冷却剂流到隔离板的外部空间。一方面，为了电化学系统的运行，各自的介质流失。考虑到电化学系统的效率，这是不能被接受的。另一方面，存在冷却剂进入运行介质区域的风险，比如会损伤那里的膜。
由于堆叠体中有大量的隔离板，在单个隔离板或者隔离板的单个金属单板中沿着其进程的硬度和弹力的小的差异会导致串联连接/设置的密封珠状物的弹力很大的差异，这样在独立隔离板上的小差异会在整个堆的密封性上有极大的影响。
因此本发明的目的是指定一种隔离板，其允许电化学电池均匀密封，不需要与现有技术密封所需的密封设置相比明显更多的构建空间。这种隔离板的成本应该与现有技术的隔离板所需的成本相当，使得制造方法的成本以及材料成本至多只是不明显地增加。密封应该能用于没有分叉和延长部分的密封系统以及具有分叉和/或延长部分的密封系统。
这个目的已经通过权利要求1和18的隔离板以及权利要求22的电化学系统达成。更多的进展可以从从属权利要求书中搜集到。
因此，本发明一方面涉及用于电化学系统的具有两块金属单板的隔离板。所述金属单板每块包含用于运行介质的通孔(根据情况不同可能用于冷却剂)和分配结构，所述分配结构在金属单板中形成并且各自与至少两个通孔连通。在各金属单板中形成周边密封结构，至少周边围绕电化学活性区域并与该区域保持距离和/或周边围绕至少一个通孔并与这些通孔的边缘保持距离，所述密封结构的横截面包括珠状物顶，两个珠状物侧面以及至少分区包括两个珠状物底。这里，分界线在珠状物顶的两侧形成，其中这些线条限定了珠状物顶与平板平面平行，与倾斜到这个平面上的珠状物侧面(包括大部分存在的转变半径)平行。此处必要的是密封结构至少在其珠状物顶的区域和至少其分区内以具有波峰和波谷区的至少两个波浪周期的波浪方式运行，使得上层内部和外部半径在由珠状物顶部向珠状物侧面的过渡区形成且下层内部和外部半径形成于珠状物脚部。与现有技术不同的是虽然其波浪状延伸的区域中珠状物顶部的宽度(WD)是不变的，但是两个珠状物侧面中的至少一个的底部宽度(WI,WA)是会改变的。通过这个方法，确保整个密封结构不仅在它可能存在的线性区域里具有一致的密封行为，而且珠状物顶部波浪状进程的区域(至少是沿着珠状物顶部至各自的珠状物侧面的过渡区)中具有一致的密封行为/均匀的硬度
波浪状路线区的突出和凹陷区在各种情况中会在拐点处互相融合。一个主要的延伸方向被添加到了珠状物顶部的波形中。这个主要的延伸方向是因珠状物顶部中间线的拐点的连接线而出现。突出区据此从一个拐点，即从在珠状物顶部切线与中线的拐点处的垂线，越过由珠状物的主要延伸方向突出较大程度的顶点，到下一个拐点，并且突出区从一个拐点，即从在珠状物顶部切线与中线的拐点处的垂线，越过由珠状物的主要延伸方向突出较小程度的顶点，到下一个拐点。对于完整的密封结构，通常参考中线的相应点的切线的相应垂线。
珠状物顶部分界线的振幅会与珠状物脚部进程线的振幅不同，而波长是相同的。
上述内容也应用于其中至少一个珠状物侧面包括珠状物顶部波状进程的区域中的连续部分的实施方式，所述连续部分包括顶部、两个侧面和两个底部，对这些连续部分进行设计，以使连续部分的总高度小于密封结构的总高度，这样所述连续部分不影响或损害实际密封线，或仅小程度影响或损害实际密封线。这些连续部分一方面允许介质横向通过密封线。为了这个目的连续部分优选设置在两个密封侧面。但是，也可以在一侧提供连续部分，并且这些在单板表面(珠状物顶部突出超过该表面)上形成分配结构和密封结构之间的阻隔，从而优化引导运行介质或冷却剂的流动。对于这些连续部分中的至少一个而言，优选将密封结构的内部与一个分配结构相连或与用于运行介质或冷却剂的一个通孔相连，不考虑连续部分用于通过介质还是作为阻隔。除此之外，连续部分也可以全部作为支撑结构或刚性结构使用，并且在本文中大部分情况下它们仅具有小于珠状物顶部宽度的五倍的长度。
本文中连续部分设置的有利效果是珠状物侧面处至少两个连续部分彼此的距离，优选所有连续部分彼此的距离是n xλ/2,其中λ是珠状物顶部波形的波长，n是自然数。因此连续部分例如可以存在于密封结构的分区的每个波谷和/或每个波峰，在所述密封结构中珠状物顶部具有波状进程。但是，它们也可以设置在波形结构的拐点处。连续部分的数量取决于各自使用的目的以及总长度，即珠状物顶部波状区域的波周期的数量。
对于均匀的密封，如果至少一个珠状物侧面的底部宽度(WI,WA)连续变化，它就是有利的，因为突然的变化会阻碍均匀密封。
除了已经描述过的至少一个珠状物侧面的底部宽度的变化之外，如果隔离板的密封系统还具在珠状物顶部的波状延伸区域中侧面角度的变化，对于均匀密封也是有利的。此处，珠状物顶部和延伸至凹陷区的珠状物侧面之间的侧面角(αI)以及珠状物顶部和延伸至凸出区的相对珠状物侧面之间的侧面角(αA)沿着波状延伸区至少分区变化至不同程度。
另外，对于隔离板的制造，如果通过密封结构的横截面的下部外径与上部外径相同或比上部外径更大，这是特别有利的。本发明上下文中的珠状物的横截面总是按与珠状物顶部中线相垂直定义的。
特别是对于包含许多隔离板的板堆叠体的均匀密封，如果隔离板中两块金属单板的密封结构的珠状物顶部具有相对于其接触表面的彼此镜面对称的进程是特别有利的。在珠状物顶部具有足够的宽度的情况下可以实现密封线通过整个板堆叠体的精确传播，即使平板堆中的单个隔离板的放置稍微不精确。镜面对称首先且最重要的是与密封结构的珠状物顶部的进程相关，但是它也会与整个密封结构有关，此处是指可能存在的没有这里所述的连续部分的密封结构。而且密封结构的高度在隔离板的金属单板中也基本都相同。特别地，由于珠状物的弹性在两块单板都相同，由此实现特别均匀的压紧和密封。
隔离板的密封结构优选不仅以单个连续区域中的波状珠状物顶部运行，相反，对于最优密封，如果珠状物顶部的几个区域各自以波状方式延伸是有利的，所述区域在所述珠状物的进程上连接但空间上隔开(即，例如设置在所述板的其他位置)。通常来说，波状延伸的不同区域可能具有不同的波长和/或振幅，但是优选至少所有连续珠状物(优选甚至所有具有珠状物顶部波状进程的珠状物)的顶部区具有相同的波长和振幅。
此处，一方面，对于周边密封结构，其中所述珠状物顶部的几个区域以具有至少两个波周期的波状方式围绕电化学活性区域以封闭方式周边延伸的情况，至少两个波状区域沿着所述单板的电化学活性区域的侧面延伸，所述侧面彼此相对是有利的。波状区域也可以沿着电化学区域的所有面分区延伸。
另一方面，对于周边密封结构，其中所述珠状物顶部的几个区域沿金属单板的内边缘(即用于运行介质或冷却剂的至少一个通孔的边缘)以具有至少两个波周期的波状方式延伸的情况，至少两个波状区域沿彼此相对的通孔的内边缘延伸是有利的。这里同样地，对于具有波状珠状物顶部的珠状物来说在所有内边缘分区运行基本上是可能的。
基本上，如果珠状物顶部的波状区域在密封结构的那些区域里延伸是有利的，在所述密封结构中，从宏观考虑，即考虑其主要延伸方向，所述密封结构具有直线进程或半径大于15mm的弱弓形进程。
至少在珠状物顶部的波状进程区域中的珠状物顶部宽度在0.2mm至2mm之间的，优选在0.9mm至1.2mm之间。通常来说，其他线性或者弓形进程中珠状物顶部的宽度也在上述范围内。
除了至少一个珠状物侧面的底部宽度变化之外，具有珠状物顶部波状进程的珠状物区域还具有各珠状物侧面侧面角的变化。如果考虑珠状物顶部的突出区，那么相邻的侧面角从垂直于通过中线拐点的切线的横截面开始，增大至垂直于通过珠状物顶部中线的突出区顶点的切线的横截面，然后再次减少至垂直于通过中线的下一个拐点的切线的横截面。相应地，凹陷区的侧面角从垂直于通过中线拐点的切线的横截面开始，先增大至垂直于通过珠状物顶部中线的突出区顶点的切线的横截面，然后最小化，然后再次增加至垂直于通过中线的下一个拐点的切线的横截面。较佳地，所述变化以连续方式进行。通常，凹陷区的侧面角小于突出区的侧面角是有利的。凹陷区的侧面角通常为15-60°，优选25-50°，而突出区的侧面角通常为20-65°，优选30-55°。此处限定的范围在各种情况下包括或不包括上述边界。因此，本发明的技术方案与现有技术明显不同，现有技术中侧面角在珠状物进程上保持不变。
本文中在拐点和顶点之间的凹陷区中侧面角的变化对应于相对于拐点处的侧面角值减少最高至50％，优选最高至40％，在拐点和顶点之间的突出区中侧面角的变化对应于相对于拐点处的侧面角值增加最高至120％，优选最高至100％,特别优选最高至70％。
所述珠状物沿其一个区域(所述区域中珠状物顶部以波状形式运行)的底部宽度可仅在一个珠状物侧面变化，但在一个实施方式中可以在两个珠状物侧面变化。如果底部宽度仅在一个珠状物侧面变化，则该侧面处相对于在垂直于一个相邻拐点的切线的横截面的底部宽度的变化为至少5％，优选至少25％(如果变化在突出区进行，即减少的情况)，相对于在垂直于一个相邻拐点的切线的横截面的底部宽度的变化为至少5％，优选至少20％(如果变化在凹陷区进行，即增加的情况)。
如果两个珠状物侧面的底部宽度变化，则相对于在垂直于一个相邻拐点的切线的横截面的底部宽度的变化为5％-70％，优选30-55％。
在根据本发明的隔离板的一个优选实施方式中，所述密封结构从珠状物脚部到珠状物脚部的总宽度在所述珠状物顶部的波状延伸区域中是不变的，因此两个珠状物侧面的底部宽度总是以互补的方式变化。在一个特别优选的实施方式中，所述密封结构在所述珠状物顶部的波状延伸区域中整体线性运行。此时，所述密封结构的空间设置特别适中。
本发明另一方面涉及用于电化学系统的隔离板，其包含两块金属单板，所述金属单板各自具有用于运行介质(根据情况可能是冷却剂)的通孔和分配结构，所述分配结构在金属单板中形成并各自与至少两个通孔连通。在本文中，在各金属单板中以至少周边围绕电化学活性区域并与该区域保持距离和/或周边围绕至少一个通孔并与这些通孔的边缘保持距离的方式形成周边密封结构，所述密封结构的横截面包括珠状物顶部、两个珠状物侧面，以及至少在一些区域中两个珠状物脚部。在本文中，在至少其珠状物顶部的区域中，密封结构至少在一些区域内以具有突出区和凹陷区的至少两个波浪周期的方式波状延伸。同样在本文中，在从珠状物顶部至珠状物侧面的过渡区形成上部内径和外径并在珠状物脚部形成下部内径和外径。本发明该实施方式的特征在于，至少沿着其中所述珠状物顶部以波状方式延伸的区域至少在与珠状物脚部相邻的一个侧面处，在所述隔离板的两个金属单板之间分区域设置焊接连接，其中在各情况下所述焊接连接在与波进程的突出区相邻并且优选与所述下部外径基本同心的区域延伸。在本文中，至所述珠状物脚部的距离优选对应于最多两个所述珠状物顶部宽度，特别是最多一个所述珠状物顶部宽度。本文中，与所述珠状物脚部相邻的平面区域彼此相连(考虑到低弹簧硬度不采用容易产生歧义的其他度量)，这样整个隔离板获得更多结构刚性。另一方面，所述焊接精确地在需要增加结构刚性的区域中实现，而沿着珠状物脚部的具有足够结构刚性或硬度的区域仍保持无焊接连接。
同样在本发明的该实施方式中，在所述珠状物顶部的波状进程区域中，所述珠状物侧面中的一个可包括具有顶部、两个侧面和两个底部的连续部分，其中对这些连续部分进行设计，以使所述连续部分的总高度小于所述密封结构的总高度。之前对所述连续部分的描述在此处同样适用。
如前所述，焊接连接仅分区延伸。在本文中，在不同情况中其延伸为所述珠状物顶部波状进程波长的至少1/9是优选的。此外，焊接连接的延伸最多延伸所述波进程的整个突出区是优选的，因此在通过所述珠状物顶部的中线拐点的垂线之间，所述拐点彼此相邻。
在本发明所有的实施方式中，单个板的密封结构具有恒定的高度(仅排除可能存在的连续部分)是有利的。所有单个板都具有恒定高度的密封结构是特别优选的。
根据本发明的隔离板的所有上述实施方式中，所述密封结构至少在所述珠状物顶部区域包括用于微密封的涂料是有利的。本文中，涂层沉积在例如至少一个，优选两个单板上，沉积在珠状物顶部，以使其位于隔离板的外侧。在本文中，涂层较佳地包括FPM(氟碳橡胶)、硅酮橡胶或NBR橡胶(丁腈橡胶)、PUR(聚氨酯)、NR(天然橡胶)、FFKM(全氟弹性化合物)、SBR(丁苯橡胶)、BR(丁基橡胶)、FVSQ(氟硅橡胶)、CSM(氯磺化聚乙烯)、硅树脂和/或环氧树脂或上述物质的混合物作为粘合剂。所述涂层也可以是接触粘合剂或物理固化粘合剂。例如可以是永久粘性的粘合剂，其优选由橡胶和粘合剂树脂(也称为增粘剂)的混合物组成或由弱固化的橡胶组成，其中合成树脂和天然树脂可以称作粘合剂树脂。本文中，天然和合成橡胶、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氯丁烯、聚乙烯基醚和/或聚氨酯和/或含氟聚合物橡胶可以用作基质聚合物，向该基质聚合物中可以加入树脂，如改性的天然树脂(例如松香)和/或合成树脂(例如聚酯树脂、苯酚树脂)以及软化剂和/或抗氧化剂。通常，对于所有前述物质的涂层厚度为5-200微米。
隔离板的金属层优选由钢，特别是不锈钢组成，其中在电化学活性区域中存在导电涂层。在替代的实施方式中，可以使用的材料是铝、钛、辊涂的低合金化钢(例如用铬涂覆)、不锈钢、铌、钽或铬-镍合金。常规的片材金属厚度为50-200微米，优选60-150微米。
通常，对于隔离板来说，本领域技术人员可以区分双极板和单极板，其中双极板在两个表面上引导不同的介质，而单极板在单极板的两个表面上引导同样的介质。这里，对于两种不同的介质大多数使用略有不同的单极板。具体地，该差异与密封珠状物上是否存在连续部分有关。密封结构的进程及其相反的分区波形设计在所有板中大体是相同的或镜面对称的。除非明确说明强调该差异，本说明书的实施方式适用于两种板类型。优选地，着色剂被引入各隔离板的两个单板的中间区域，对于两种类型的板来说都是如此。
本发明的隔离板较佳地用于电化学系统。这种电化学系统包括两个端板以及多个电化学电池，所述电化学电池通过本发明的隔离板彼此隔开。在本文中整个系统优选通过夹具装置(例如螺钉或皮带)固定在一起，并对其提供最优化进行密封的夹持力。可以在端板和堆叠体的最外部电池之间提供过渡板，该过渡板的设计与堆叠体的隔离板的设计不同。大部分情况下，每个端板上有一块这样的过渡板，该过渡板可以以多层的方式设计。
所述于电化学系统优选为燃料电池系统、电解器、电化学压缩系统或用于燃料电池系统的增湿器。
以下将结合附图对本发明进行进一步解释。这些附图仅用于解释本发明优选的实施方式，而不将本发明限制于这些实施方式。在附图中，同样的部位用同样的附图标记表示。实施例均设计燃料电池系统，但该解释同样适用于上述其他类型的电化学系统。除了本发明独立权利要求中限定的必要特征之外，附图还包括任选的其他在不同组成中有利的改进方式。即使不将其与实施例所示的一个、几个或全部任选的和/或有利的其他改进方式组合，这些优势和/或任选的其他改进方式中的每一个可以形成独立权利要求中所述发明的其他改进方式。
附图示例性地示出：
图1电化学系统的示意图；
图2a,2b,2c具有两个相邻的隔离板的电化学电池的拆解示意图，该电池的局部截面和该隔离板的平面视图；
图3隔离板密封系统的截面图；
图4a，4b，4c三个小图为现有技术的隔离板密封系统的细节图；
图5a-5e，6a-6e，7a-7e五个小图分别为根据本发明的三种不同隔离板的密封系统的细节图；
图8根据本发明的另一种隔离板的密封系统的细节平面图；
图9a，9b根据本发明的另一种隔离板的密封系统的细节倾斜视图和平面图，具有通过天花板(ceiling)系统的进料通孔；
图10a，10b，10c根据本发明的另一种隔离板的密封系统的细节平面图，具有与密封系统相邻的分解元件；
图11a，11b根据本发明的另一种隔离板的密封系统的细节倾斜视图和平面图；以及
图12根据本发明的另一种隔离板的密封系统的细节平面图。
图1表示具有以交替方式堆叠的多个电池46和隔离板2以及对所述堆叠体分界的两个端板11，11’的电化学系统1。面对观察者的端板包括6个分支12-17，其用于反应介质和冷却剂的进料和排放：12表示空气的进料分支，17是贫氧空气的排放分支，13是氢气的进料分支，16是未消耗的氢气的排放分支，15是冷却剂的进料分支以及14是加热过的冷却剂的排放分支。因此可以区分六种介质流动：A表示富氧空气(即新鲜空气)，D表示贫氧空气，B表示氢气，C表示未消耗的氢气，E表示冷却剂，F表示加热过的冷却剂。
图2-a显示电化学系统1(这里为燃料电池系统1)的电池46，以及界定出电池46的两个隔离板2和2’。基本上以图1所示坐标的z方向进行观察。图2-a的电化学系统1与图1的区别为还原剂(具体为氢)未通过垂直于板平面的端口引入通过堆叠体，而是通过位于上角部的两个端口23，23’引入。在堆叠方向向前引导未消耗的氢通过位于下角部的两个端口26，26’实现。两个横向端口24，25用于垂直地引导冷却剂通过堆叠体至所述板平面。上部端口27用于引导富氧空气通过堆叠体，下部端口22用于引导贫氧空气通过堆叠体。位于顶部的隔离板2的层2a包括由数个珠状物组成的密封结构。珠状物32围绕电化学活性区域29外周并分区域沿外部边缘19外周，所述珠状物用于密封电化学活性区域29或围绕该区域的隔间，以及所述板作为整体至外部。此外，各端口22-27包括围绕各端口的分开的珠状物31，31’。需要注意的是用于反应介质的端口23,23,23',26,26'和27以及围绕它们的珠状物31一起位于被珠状物32包围的区域中。面对观察者的隔离板2的表面还包括沟道结构28(用于分布空气)，并同时形成电化学活性表面29。因此珠状物32以外周且有距离的方式围绕电化学活性表面29，其中距离在进程中改变。结合图2-c更详细地解释由端口27向沟道结构28进料空气以及有沟道28向端口22排出废空气。
图2-b表示通过两个隔离板2，2’的区域，电化学电池46(具体为燃料电池)设置在两个隔离板2，2’之间，以及下一个电化学电池的元件设置在隔离板2’的另一侧。具有所述元件的部分对应于图2-a的区域B-B，但为了节省空间，不同元件的距离已进行调整。图1的可视表面位于y-z平面，从该示意图可以看出电化学电池46对于各种情况在两个表面的实际聚合物电解质膜(PEM)上带有催化层42，42’，该层为电极并且为了方便理解以间隔的方式示出。这些元件在一起表示所谓的膜电极单元(MEA)。气体扩散层(GDL)44,44'(在各种情况中由例如导电性石墨线非纺织物组成)在各种情况中设置在MEA的两侧。
沟道结构28在隔离板2的两个层2a,2b中形成，并且在所述层的两侧形成用于分布介质。沟道结构28在本文中形成电化学活性区域29。第一介质M1(具体为空气)分布在层2a的上部侧面。冷却剂K分布在该层2a的下部侧面，即两层2a,2b之间的空穴中。第二介质M2分布在层2b的下部侧面。在电化学系统为双极构造的情况下，第二介质M2是氢气。在这种情况下，M3也是空气，M4也是氢气。对电化学系统为单体构造的情况，第二介质M2是空气。相反，对于单极构造，第二隔离板2’的两个外表面上的沟道用于分布氢气，这里表示为第三和第四介质M3和M4。在双极构造的情况下，堆叠体的所有隔离板是相同的，在单极构造的情况下，由于可以为两个不同的隔离板，隔离板沿着堆叠体交替变化。
从图2-b也可以看出珠状物31围绕通孔23，并封住氢气端口。珠状物31周边密封所述电化学活性区域，在示意图中基本上沿隔离板2的层2a的外部表面19反方向运行，因此仅在图中显示一次。从示意图中也可以看出珠状物31，32的高度基本相同，但是珠状物31，32的高度明显高于沟道结构28的高度。
图2-c在平面视图中示出图2-a中离观察者最近的隔离板2的层2a，因此还对应于图1中z方向的视图。这里，需要对珠状物31,31'和32的设计更详细的处理。珠状物31’周边围绕端口开口25，具有与端口开口25的小的基本一致的距离(不考虑珠状物本身的波状结构)。珠状物31以类似方式围绕端口开口26’，但原则上具有基本为圆形的进程，不具有波状结构。同样，与端口边缘的距离基本不变。珠状物32沿隔离板2的层2a的外部边缘19运行并与隔离板2的层2a的外部边缘19有间隔，不仅封装其密封的电化学活性区域20，还封装端口22,23,23',26,26'和27，与珠状物31一起将其密封。在示例性实施例中，珠状物32包括几个部分35，其中珠状物顶部具有波状进程。认为这些部分35本身从宏观上具有直线状进程。很明显在各种情况下部分35(其中珠状物32具有珠状物顶部的波状进程)被设置在密封系统的伸长的直线区域，而珠状物32的相对完全较大的区域，如椭圆包围的区域S，具有对应于珠状物32在相应部分的总延长方向的珠状物顶部星形，因此不具有周期性波状进程。
从图2-c中可以看出空气从端口27沿着连续部分33通过珠状物31流动，从而达到电化学活性区域29，该电化学活性区域包含的氧与通过MEA进入的质子反应。空气以这种方式消耗氧气，且具有高水分含量，这是反应的结果，然后空气进一步向下流动至连续部分33，重新通过珠状物31，通过端口22导向端板。这里所述连续部分形成珠状物31的侧翼，这样不损害密封。
图3主要示出后文将施用的隔离板的密封系统的尺寸比和含角的细节。这里图3的部分对应于例如图2c的C-C部分，位于与图1的y-z平面平行的平面中。密封系统的珠状物3的总宽度表示为WT，珠状物顶部39的宽度表示为WD。在对称珠状物横截面中内和外底部宽度WI和WA相同，为简便起见，使用术语W代替不同术语WI和WA。对于内外侧面角α1和αA也是如此，类似地以简便的方式用α表示。在隔离板2的单独层2a,2b中珠状物的高度表示为H。图3进一步示出珠状物3的横截面从右到左的不同部分：第一珠状物脚部37之后是珠状物侧面38，珠状物顶部39连接在另一个弯曲点之后。在珠状物顶部的另一侧，另一珠状物侧面38’在另一弯曲之后，之后是第二珠状物脚部37’。所述珠状物脚部限定出分界点，这些分界点与珠状物侧面在其远离珠状物顶部的一侧相邻，该侧上所述层进程的切线与隔离板2的中间平面平行。如果珠状物不具有围绕电化学活性区域29的密封元件32或内边缘密封元件31,31'的功能，则在此处和下文中表示为3。
图3进一步示出隔离板2的两层2a,2b如何以基本为镜面对称的方式设计并在珠状物3的外部区域(更具体地从珠状物脚部37,37'开始)彼此表面(广泛)接触。沟道结构的示意在图2-b中进行，在本文中进行解释。
图1-3的实施方式适用于现有技术的隔离板以及本发明的隔离板。
现有技术的珠状物3的一部分的波状进程通过隔离板2的单独层2a的细节方式示于图4的三部分图中，具有该部分波状进程的珠状物顶部39以具有至少两个波长为λ的波周期的波状方式以恒定宽度WD(具体为1.6mm)延伸。图4-c的部分示意图对应于图4-b示出的所有三个区域线AD-AD,BD-BD和CD-CD。在整个进程中两个珠状物侧面38,38'在各种情况下具有恒定的底部宽度W，为0.7mm。珠状物3的总宽度WT为3mm。由于珠状物侧面38,38'的底部宽度不随珠状物的进程变化，在珠状物顶部39的两侧的珠状物侧面38,38'的底部宽度是相同的，因此所述珠状物具有均一的侧面角α。因此侧面角进入外部角(即突出区中的侧面角)αA和进入内部角(即凹陷区中的侧面角)的差异在现有技术的隔离板2中是不可能实现的。在各情况中角度α为35°。图4-b更强调了多个相应珠状物脚部和珠状物顶部和珠状物侧面之间的相邻的两个过渡曲线是相同的。
图4-b进一步示出在各情况中在两条虚线之间延伸的突出区和凹陷区，也就是说在各情况中区域线CD-CD表示与珠状物顶部39的中线的切线的垂线。除此之外，可从由双点虚线表示的假圆得到上部内径rIO和下部内径rIU以及上部外径rAO和下部外径rAU。在凹陷区中得到高出平均刚度的珠状物，因此在凹陷区中存在内径，这在突出区中低于平均值，在突出区中存在外径。这是由于珠状物区域彼此相对在凹陷区中产生内支撑的结果。低的珠状物刚度区域表示为g，高的珠状物刚度区域表示为h。由于该不均匀分布的珠状物刚度可能发生泄漏，因为介质可以流动通过低珠状物刚度部分并渗透到这些介质不应该进入的区域。本发明提供了对此的解决方案。
与图4表示的珠状物相当的示意图示于图5，在这里是针对本发明的隔离板2的第一个实施方式。在现有技术的前述实施例中，垂直于珠状物顶部39中线的切线的横截面在珠状物顶部39的波状进程的所有点处是相同的，而在此处它们彼此明显不同。因此，图5包括三个横截面视图，其中图5-c表示在拐点处的横截面，即图5-b的AE-AE和DE-DE部分。因此，图5-c对应于图4-c。图5-d表示图5-b的珠状物的波峰处的横截面BE-BE，图5-e表示图5-b的珠状物的波谷处的横截面CE-CE。珠状物顶部39的宽度WD在珠状物顶部39的整个波状进程上保持恒定，在现有技术的前述实施例中为1.6mm。拐点区分出珠状物3的突出区与凹陷区，在前述实施例中由虚线表示，这取决于两条切割线AE-AE和DE-DE。线T标记出珠状物3的主要延伸方向，并从珠状物顶部中线的拐点的连接线得到。在突出区，其珠状物侧面38,38'在各情况中在图5-b中通过阴影表示，各珠状物侧面38,38'的底部宽度WA减少，这样从拐点开始，至顶点处减少到最大值，再从顶点开始增加，至下一个拐点处增加至最大值。拐点处的底部宽度为0.85mm，相反顶点处的底部宽度仅为0.65mm。相反，在凹陷区中，各珠状物侧面38,38’的宽度WI以底部宽度为0.85mm的恒定方式进行。因此，珠状物的总宽度WT在3.1和3.3之间交替变化。这里珠状物脚部的振幅略大于珠状物顶部和珠状物侧面之间的过渡线的振幅，比例约为1.25：1。
凹陷区的侧面角α1相应地在对应的凹陷区保持恒定，在拐点处的角α为35°。相反，突出区的侧面角αA，从拐点处开始，从35°增加至顶点处的60°，然后再减少至下一个拐点处的35°。该区域(在现有技术中其具有低珠状物硬度，参见图4-b中g表示的区域)中的珠状物侧面通过更陡的侧面角增强，因此所述珠状物作为整体在其波状进程上具有恒定的刚度。
这里，应注意附图标记WA和αA涉及突出区，附图标记WI和αI涉及凹陷区，并在各拐点处从一个珠状物侧面跳转到相对的侧面。
具有五部分图的图6通过珠状物3的细节图示出根据本发明的隔离板2的第二个实施方式。同样，图6-c表示的拐点处的横截面基本上对应于图4-c的横截面，这里珠状物3看起来是对称形成的。但是，图6-b示出了在凹陷区中拐点之间的珠状物侧面38,38'变宽，因此，珠状物3作为整体也具有不对称的进程。
根据图6实施方式的珠状物3与根据图5实施方式的珠状物3的区别基本上是珠状物顶部39被设计得更窄，具体地仅具有1.2mm的宽度。珠状物侧面的底部宽度W在转折点处为0.6mm。具有底部宽度WA的珠状物的外侧面从拐点至拐点延伸。相反，内侧面的底部宽度WA从拐点开始，从0.6mm增大至波谷处的0.8mm，在其进程中在下一个拐点处再次减少至0.6mm。该实施方式中珠状物3的总宽度在2.4-2.6mm之间变化。
因此，外侧面的侧面角αA保持不变，在这里为34°。相反，内侧面的侧面角αI随着凹陷区的进程从拐点至拐点减少，从34°减少至波谷处的26°，再增加至34°。由于该原因，图4-b中通过h表示的区域中珠状物刚度减少(由于其高于平均珠状物刚度)，在珠状物3的波状进程中两个珠状物侧面38,38'处珠状物刚度一致，这样防止了泄漏。珠状物侧面38,38'的底部宽度变化的区域通过图6-b中的阴影表示。
总体来说，应注意珠状物脚部的振幅基本仅为珠状物顶部39和珠状物侧面38,38'之间的过渡线振幅的2/3。
图7表示本发明的一个实施方式，其中珠状物侧面的底部宽度WA在突出区减少并再次增加，珠状物侧面的底部宽度WI在凹陷区增加并再次减少。因此不用阴影表示其中底部宽度变化的区域。在之前的两个实施方式中，T详细标记珠状物的主要延伸方向。突出区的侧面角αA进行增加，增加至顶点之后减少，相反在凹陷区中侧面角αI进行减少，接着在顶点之后增加。图7的实施方式集成了分别施用于图5和6实施方式的两种方法，使珠状物顶部波状进程上的珠状物厚度均匀化，通过这种方式获得特别有效和有利的珠状物厚度均匀化。
具体地，珠状物顶部的宽度WD为1.2mm，而珠状物侧面在进一步在主延伸线T的顶点处具有最小值宽度WA 0.6mm，从该顶点开始，接着宽度增加至下一个拐点，增加至宽度W为1mm，接着进一步增加至接近主延伸线T的顶点，增加至最大值宽度WI1.4mm。拐点处侧面角α为21°，因此侧面角α比前述实施方式更小。侧面角αA朝向离开主延伸线T的顶点增加至42°，侧面角αI朝向接近主延伸线T的顶点减少至16°。
特别应注意的是珠状物3的总宽度WT在整个区域保持不变，在整个区域中珠状物顶部39以波状方式运行，通过这种方式根据图7的实施方式的空间要求特别低，因此该实施方式特别有利。这里珠状物3的总宽度WT为3.2mm。
图8通过其本身和珠状物3的平面图示出根据本发明隔离板2的另一个实施方式，珠状物3的珠状物顶部以所述部分的波状方式运行。如图7的实施方式所示，突出区的侧面角增大，并且凹陷区的侧面角减小。相应地，顶点处的底部宽度(即波峰和波谷处的宽度)与拐点处的底部宽度相比增大。从图7的实施方式可以看出，珠状物3的总宽度WT在具有珠状物顶部39波状进程的所示区域中以恒定方式运行。而珠状物脚部在图7的实施方式中以直线方式运行，这里珠状物脚部以明显减少的振幅运行，它基本上是珠状物顶部分界线振幅的0.45倍。
图9示出根据本发明的隔离板2的珠状物3的部分，所述珠状物包括在两个珠状物侧面38,38'上的连续部分33，这已在图2的相关内容中进行解释。这里，很明显在两个珠状物侧面38,38'上的连续部分以距离λ/2周期性地设置，特别是在各情况中在珠状物顶部39的波状进程的拐点区域中进行设置。连续部分33用于引导介质通过珠状物3的密封阻隔，这在朝向观察者的隔离板2的层2a的表面处进行，具体是在两个层2a和2b之间进行。从图9可以看出连续部分由两个脚部(在图9-b中垂直延伸)、两个侧面和顶部组成，其中虽然连续部分的脚部与珠状物脚部位于同一平面，但连续部分的总高度小于珠状物3的高度，这样连续部分仅在周边影响所述珠状物的按压行为。珠状物脚部37，37’在连续部分的区域中被中断。所述连续部分33仅在位于顶部的层2a中形成。该实施方式的珠状物对应于图5具有该保留设计(特别是珠状物顶部39的波状进程，相对于相邻拐点突出区中底部宽度WA的减少和侧面角αA的增加)的实施方式的珠状物。
图10a显示根据本发明的隔离板2的珠状物3的一部分，所述隔离板具有两个彼此距离为波长λ的连续部分33，所述连续部分仅在该附图底部的珠状物侧面38上。这里所述连续部分用作沟道结构(未示出，在所述细节下方连接)和密封结构之间的阻隔。它们阻止电化学活性区域外部的介质流动通过图2-b所示的气体扩散层44和44'，因此对于电化学活性电极42和42'来说是不可行的。这将导致不可接受的燃烧气体的利用损失，因此导致电化学电池的效率明显下降。
图10b显示根据本发明的隔离板的珠状物3的一部分。这是仅一个珠状物侧面38(具有珠状物脚部37)变化的实施方式，而侧面38'(此情况中与连续部分相对)保持不变，因此珠状物脚部37'与珠状物顶部39平行。示于图10b的凹陷区中侧面角增加仅是其中一个可能。在另一个实施方式中(图10c所示)，侧面角在凹陷区中从拐点(α和αA＝21°)增加至顶点(αI＝32°)。相应实施方式的优点是由于通过将连续部分33结合至珠状物侧面38以使珠状物特征适应几何变化成为可能。
所述侧面角的单侧变化不仅仅限于其中连续部分33结合至珠状物侧面的区域，也可以类似地施用于隔离板2,2'上的波状珠状物区域的任何其他区域。这里，无论面向活性区域的珠状物侧面还是导向外的珠状物侧面均适用，根据珠状物特征的实际需要，在隔离板的不同区域中也可以分别进行变化。
根据本发明的隔离板2的另一个实施方式通过倾斜视图和平面视图示于图11，这里，示出隔离板2的两个层2a，2b，与之前的倾斜视图(除图9-a之外)进行比较。这里，珠状物侧面以恒定的底部宽度运行，这里，焊接连接60,60'分区设置在突出区中，用于珠状物按压的均化，所述焊接连接60,60'的半径基本上与隔离板2的两层2a,2b的珠状物脚部37,37'同心。这里焊接连接60,60'的延伸精确对应于突出区的延伸，即从通过第一拐点的珠状物顶部39中线的切线的垂线开始，至通过与第一拐点相邻的第二拐点的珠状物顶部39中线的切线的垂线延伸。这里，在所有显示的突出区中均提供焊接连接，这样焊接连接位于所述珠状物的两个侧面上。
图12显示图11实施方式的变化形式，与图11的实施方式相比，该实施方式仅减少了焊接峰的延伸。这里基本为波长λ的20％。

Claims (23)

1.一种用于电化学系统(1)的隔离板(2)，其包含两块金属单板(2a,2b)，
其中所述金属单板(2a,2b)包括用于运行介质，根据情况可能是冷却剂，的通孔(22-27)和分配结构(28)，所述分配结构在金属单板(2a,2b)中形成并各自与至少两个通孔(22-27)连通,在各金属单板(2a,2b)中以至少周边围绕电化学活性区域(29)并与该区域保持距离和/或周边围绕至少一个通孔(22-27)并与这些通孔的边缘保持距离的方式形成周边延伸的密封结构(3,31,31',32)，所述密封结构的横截面包括珠状物顶部(39)、两个珠状物侧面(38,38’)，以及至少在一些区域中两个珠状物脚部(37,37’)，在至少其珠状物顶部(39)的区域中，密封结构(3,31,31',32)至少在一些区域内以具有突出区和凹陷区的至少两个波浪周期的方式波状延伸，其特征在于，珠状物顶部(39)具有在其波状延伸区域中的恒定宽度(WD)，并且至少一个珠状物侧面(38,38’)的底部宽度(WI,WA)在所述珠状物顶部(39)的波状进程区域中改变。
2.如前述权利要求所述的隔离板，在珠状物顶部(39)的波状进程区域中的至少一个珠状物侧面(38,38’)包括连续部分(33,34)，其包括顶部，两个侧面和两个底部，其特征在于，所述连续部分(33,34)的总高度低于密封结构(3,31,31',32)的总高度，并且在珠状物侧面(38,38’)的至少两个连续部分(33,34)彼此的距离，优选所有连续部分(33,34)彼此的距离为n xλ/2,其中λ是珠状物顶部波形的波长。
3.如前述权利要求所述的隔离板，其特征在于，至少一个所述连续部分(33,34)将密封结构(3,31,31',32)的内部与分配结构中的一个相连接或与用于运行介质或冷却剂的通孔(22-27)相连接。
4.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，两个珠状物侧面(38,38’)中的至少一个的底部宽度(WI,WA)持续改变。
5.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，与珠状物顶部(39)和延伸至凸出区的相对珠状物侧面(38,38’)之间的侧面角(αA)相比，珠状物顶部(39)和延伸至凹陷区的珠状物侧面(38,38’)之间的侧面角(αI)沿着波状延伸区至少分区变化至不同程度。
6.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述隔离板(2)中两块金属单板(2a,2b)的密封结构(3,31,31',32)的珠状物顶部(39)具有相对于其接触表面(E)的彼此镜面对称的进程。
7.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，在几个区域中的周边密封结构(3,31,31',32)以具有至少两个波周期的波状方式沿金属单板(2a,2b)的电化学活性区域(29)延伸，其中至少两个波状区域沿所述金属单板(2a,2b)的电化学活性区域(29)的边缘延伸，所述边缘彼此相对。
8.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，在几个区域中的周边密封结构(3,31,31',32)以具有至少两个波周期的波状方式沿金属单板(2a,2b)的用于运行介质或冷却剂的至少一个通孔(22-27)的内边缘延伸，其中至少两个波状区域沿彼此相对的通孔(22-27)的内边缘延伸。
9.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述珠状物顶部(WD)的宽度是0.2-2mm，优选0.9-1.2mm。
10.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述凹陷区的侧面角(αI)是15-60°，优选25-50°。
11.如前述权利要求所述的隔离板，其特征在于，所述侧面角(αI)相对于拐点处的侧面角(α)的变化对应于减少最高至50％。
12.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，突出区的侧面角(αA)为20-65°，优选30-55°。
13.如前述权利要求所述隔离板，其特征在于，侧面角(αA)相对于拐点处的侧面角(α)的变化对应于增加最高至100％。
14.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，突出区中底部宽度(WA)的减少为限定所述突出区的一个拐点处同一珠状物侧面(38,38’)的底部宽度的5-50％，优选5-40％。
15.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，凹陷区中底部宽度(WI)的增长为限定所述凹陷区的一个拐点处同一珠状物侧面(38,38’)的底部宽度的5-70％。
16.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述密封结构(3,31,31',32)从珠状物脚部(37,37’)至珠状物脚部(37,37’)的总宽度(WT)在所述密封结构(3,31,31',32)的波状延伸区域中是不变的。
17.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述密封结构(3,31,31',32)在所述珠状物顶部(39)的波状延伸区域整体线性延伸。
18.一种用于电化学系统的隔离板，其包含两块金属单板(2a,2b)，
其中所述金属单板(2a,2b)包括用于运行介质，根据情况可能是冷却剂，的通孔(22-27)和分配结构(28)，所述分配结构在金属单板(2a,2b)中形成并各自与至少两个通孔(22-27)连通,在各金属单板(2a,2b)中以至少周边围绕电化学活性区域(29)并与该区域保持距离和/或周边围绕至少一个通孔(22-27)并与这些通孔的边缘保持距离的方式形成周边密封结构(3,31,31',32)，所述密封结构的横截面包括珠状物顶部(39)、两个珠状物侧面(38,38’)，以及至少在一些区域中两个珠状物脚部(37,37’)，在至少其珠状物顶部(39)的区域中，密封结构(3,31,31',32)至少在一些区域内以具有突出区和凹陷区的至少两个波浪周期的方式波状延伸，这样在从珠状物顶部(39)至珠状物侧面(38,38’)的过渡区形成上部内径和外径并在珠状物脚部(37,37’)形成下部内径和外径，其中至少沿着其中所述珠状物顶部(39)以波状方式延伸的区域至少在与珠状物脚部(37,37’)相邻的一个侧面，其特征在于，在所述隔离板(2)的两个金属单板(2a,2b)之间分区域设置焊接连接(60,60’)，其中在各情况下所述焊接连接(60,60’)在与波进程的突出区相邻并且与所述突出区的珠状物脚部(37,37’)基本同心的区域延伸。
19.如前述权利要求所述的隔离板，其特征在于，所述焊接连接(60,60’)各自延伸所述波长λ的至少1/9，最多延伸整个突出区。
20.如前述权利要求中的任一项所述的隔离板，其特征在于，所述密封结构(3,31,31',32)包括至少在所述珠状物顶部(39)区域中的涂层(70)。
21.如前述权利要求所述的隔离板，其特征在于，所述涂层(70)包括FPM(氟碳橡胶)、硅酮橡胶或NBR橡胶(丁腈二烯)、PUR(聚氨酯)、NR(天然橡胶)、FFKM(全氟弹性化合物)、SBR(丁苯橡胶)、BR(丁基橡胶)、FVSQ(氟硅酮)、CSM(氯磺酸化聚乙烯)、硅树脂、环氧树脂或上述物质的混合物或接触粘合剂和/或物理固化粘合剂。
22.一种电化学系统，包括两个端板，任选的过渡板，夹具装置以及多个电化学电池(46)，所述电池通过前述权利要求中任一项所述的隔离板(2)在不同情况中彼此隔开。
23.如前述权利要求所述的电化学系统，所述电化学系统具体为燃料电池系统、电解器、电化学压缩系统或用于燃料电池系统的增湿器。
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