CN108292774B - 用于电化学系统的分离器板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电化学系统(1)的分离器板(10)，包括：至少一个通路开口(10a‑h)，用于形成用于馈送或排放介质的介质通道；至少一个珠缘布置(14a‑h)，其为了密封所述通路开口(10a‑h)的目的而围绕该至少一个通路开口(10a‑h)布置，其中，珠缘布置(14a‑h)的侧面(21、22)中的至少一个包括用于引导介质通过珠缘侧面(21、22)的至少一个开口(25、26)；以及至少一个引导通道(27)，其在珠缘布置(14a‑h)的外部上连接到珠缘侧面(21、22)中的开口(25、26)，并且经由珠缘侧面(21、22)中的开口(25、26)流体连接到珠缘内部(24)。分离器板(10)特征在于，引导通道(27)设计为使得平行于分离器板(10)的平坦表面平面确定的引导通道(27)宽度(31)沿所述珠缘布置(14a‑h)的方向至少在某些部分中增大。

Description

用于电化学系统的分离器板
技术领域
本发明涉及用于电化学系统的分离器板。例如，电化学系统可以是燃 料电池系统、电化学压缩机、用于燃料电池系统的加湿器或电解槽。
背景技术
已知的电化学系统通常包括以堆叠件布置的多个分离器板，使得每两 个相邻的分离器板封围电化学电池或加湿器电池。分离器板通常各自包括 两块单独的板，这两块单独的板沿着远离电化学电池或加湿器电池的后侧 连接到彼此。例如，分离器板可用于使得与单独的电化学电池(例如燃料 电池)的电极电气接触和/或电气连接相邻的电池(电池的串联连接)。分 离器板也可用于扩散在分离器板之间的电池中产生的热量。这类废热会例如在燃料电池中转化电能或化学能时产生。在燃料电池的情况下，经常使 用双极板作为分离器板。
各分离器板或分离器板的各单独的板各自通常具有至少一个通路开 口。堆叠的分离器板的开口在电化学系统的分离器板堆叠件中对准或至少 部分地重叠，该堆叠的分离器板的通路开口然后形成用于馈送或排放介质 的介质通道。为了密封通路开口或由分离器板的通路开口所形成的介质通 道，已知的分离器板也具有珠缘布置(beadarrangement)，围绕分离器板的 每个通路开口设置一个珠缘布置。
分离器板的单独的板可附加地具有通道结构，该通道结构用于馈送一 种或多种介质到分离器板的有效区域和/或用于将介质运送离开。该有效区 域可例如封围或界定电化学电池或加湿器电池。例如，介质可由燃料(例 如氢气或甲醇)、反应气体(例如空气或氧气)构成，或可呈现为呈馈送 的介质的形式的冷却介质并且可由反应产物和加热的冷却介质构成为排放 的介质。在燃料电池的情况下，反应介质、即燃料和反应气体通常在单独 的板的背向彼此的表面上被引导，而冷却介质在单独的板之间被引导。
围绕分离器板的通路开口布置的珠缘布置的侧面可具有一个或多个开 口。这些开口用于在分离器板的通路开口与分离器板的有效区域之间产生 流体连接或分离器板的通路开口与在分离器板的单独的板之间形成的腔体 之间产生流体连接。该腔体用于例如在分离器板的单独的板之间引导冷却 介质。
从文献DE10248531A1已知，分离器板或单独的板中的至少一块可附 加地具有一个或多个引导通道，该引导通道在珠缘布置的外侧上连接到珠 缘侧面中的开口，并且经由珠缘侧面中的开口流体地连接到珠缘内部。借 助这类引导通道，介质可更确切地经过珠缘布置。电化学系统的效率可由 此提高。
然而，珠缘侧面中的开口必然引起珠缘布置的机械稳定性和弹性的减 小。珠缘布置设置得越低，则该减小的程度就越大。然而，同时，珠缘布 置尽可能短的高度是有利的，从而减小分离器板堆叠件的尺寸并且从而在 不增大分离器板堆叠件的高度的情况下容纳更多电池。
发明内容
本发明的目的因此是提出一种用于电化学系统的分离器板，该分离器 板具有尽可能良好的机械稳定性和紧凑性，并且确保系统尽可能高效的介 质供应。
该目的由如权利要求1所述的用于电化学系统的分离器板来实现。在 从属权利要求中描述了具体的实施例。
由此，所提出的是一种用于电化学系统的分离器板。所提出的分离器 板至少包括：
用于形成介质通道用以馈送或排放介质的至少一个通路开口；
至少一个珠缘布置，其为了密封所述通路开口的目的而围绕至少一个 通路开口布置，其中，珠缘布置的侧面中的至少一个包括用于引导介质通 过珠缘侧面的至少一个开口；以及
至少一个引导通道，其在珠缘布置的外部上连接到珠缘侧面中的开口， 并且经由珠缘侧面中的开口流体连接到珠缘内部。例如，分离器板可精确 地具有每个开口一个引导通道，该引导通道连接到这个开口。
在此，引导通道设计使得平行于分离器板的平坦表面平面限定的引导 通道的宽度沿珠缘布置的方向至少部分地增大，较佳地在引导通道的延伸 范围的中间25％中增大、尤其是在引导通道的延伸范围的中间三分之一中 增大。
在此，引导通道的宽度较佳地在各个情形下在引导通道的一半高度处 限定，其中，通过引导通道顶部到分离器板的平坦表面平面的距离给出引 导通道的高度。引导通道的宽度也较佳地在各个情形下沿着引导通道的横 截面面积确定，宽度定向为垂直于引导通道的纵向方向或垂直于通过引导 通道的介质流动的方向。引导通道较佳地连接到珠缘侧面中的开口，以使 得在引导通道到珠缘侧面中的过渡部处的引导通道的横截面面积与珠缘侧 面中的开口的端面相同并且重合。形成引导通道的通道壁由此典型地直接 在珠缘侧面中的开口的边缘处过渡到珠缘侧面中。
由于引导通道的宽度沿珠缘布置的方向至少部分地增大，由在珠缘布 置的外部上的引导通道连接的珠缘侧面中的开口可以与引导通道相同的程 度形成得更宽并且同时更低。相较于具有恒定宽度和恒定高度的已知引导 通道，在不损害引导通道的情况下可提升珠缘布置的稳定性和弹性。由此 仍然确保高效的介质通过经过珠缘侧面。
引导通道可因此设计为，使得垂直于分离器板的平坦表面平面确定的 引导通道的高度沿珠缘布置的方向至少部分地减小。具体地，引导通道可 设计为使得引导通道的横截面面积沿着引导通道的延伸范围的至少中间 25％、较佳地是沿着至少中间三分之一改变至多25％、较佳的是改变至多 20％、并且具体是改变至多15％。
引导通道通常从引导通道的背向珠缘布置并且由引导通道的入口和出 口形成的端部延伸远至珠缘侧面中的开口。在此，例如，引导通道的入口 或出口可由分离器板中的开口形成或在例如是通路开口的内边缘上形成。 例如，引导通道的背向珠缘布置的端部可由引导通道的入口或出口给出， 该入口或出口布置在分离器板的界定或包围分离器板中的上述通路开口的 内边缘上。如果引导通道的入口或出口不形成为开口或不形成在内边缘上， 则它们也可由到其它结构的过渡部形成。引导通道的这些端部较佳地设有 显著的半径，该半径用于到相邻结构的过渡。关于与本发明有关的高度和 宽度考虑，因此较佳地考虑引导通道的延伸范围的中间一半、较佳的是中 间三分之一或中间25％。
引导通道可设计为使得引导通道的高度沿着引导通道的延伸范围单调 增大，较佳地是严格单调增大。这尤其适用于直接与珠缘侧面相邻的引导 通道的长度的60％。引导通道的宽度可沿着引导通道的延伸范围尤其线性 增大。例如，引导通道可形成为使得引导通道的宽度沿着引导通道的延伸 范围沿珠缘布置的方向增大至少10％、较佳地是至少20％。这也尤其适用 于直接与珠缘侧面相邻的引导通道的长度的60％。
替代地或附加地，引导通道的高度的沿着引导通道的延伸范围可单调 减小、尤其是严格单调减小。这对于引导通道的长度的中间三分之一尤其 如此。引导通道的高度可沿着引导通道的延伸范围尤其线性增大。例如， 引导通道可设计为使得引导通道的高度沿着引导通道的延伸范围沿珠缘布 置的方向减小至少10％、较佳地是至少20％。
为了确保珠缘布置在珠缘侧面中的开口的区域中有足够的机械稳定性 和最小改变的弹性，该开口可垂直于分离器板的平坦表面平面到达远至珠 缘布置的高度的高达80％、较佳的是仅高达70％的高度。在此，高度较佳 地在各个情形下涉及处于未压紧状态中的珠缘布置，并且在各个情形下由 到单独的板的平坦表面平面的距离给出。
在引导通道背向珠缘布置的端部处的引导通道的入口或出口可垂直于 单独的板的平坦表面平面到达远至珠缘布置的高度的至多90％、较佳的是 至多85％、特别较佳的是至多75％的高度。再次，高度指明在此较佳地是 基于处于未压紧状态中的珠缘布置，并且在各个情形下是通过到单独的板 的平坦表面平面的距离给出的。一般地，然而，在引导通道的背向珠缘布 置的端部处的引导通道的高度较佳地总是大于珠缘布置中的开口的高度。
引导通道至少部分地、例如至少沿着引导通道的延伸范围的中间三分 之一具有矩形的、梯形的或至少部分圆形的横截面。
为了改进珠缘布置的机械稳定性和弹性，珠缘布置可设计为使得它至 少部分地、尤其是在宏观地认为是以直线延伸的区域中以波浪状方式平行 于板的平坦表面平面行进。这导致这些区域的稳定性和弹性比得上由于珠 缘的总体方向而已具有曲率的区域、例如角落区域。由于波浪状的延伸范 围，然后可给出波长。珠缘布置的以波浪状方式延伸的部分较佳地延伸至 少两个波长。
仅在与珠缘布置的波浪状延伸范围的拐点直接相邻的区域中比得上在 珠缘布置的两侧面处普遍存在的情况、尤其是相对于弹性和稳定性。因此 这是有利的，即当由引导通道连接在珠缘侧面的外部上的珠缘侧面中的开 口设置在或形成在珠缘布置的以波浪状方式延伸的部分的拐点区域中时、 例如尤其是在珠缘布置那些以波浪状方式延伸的部分中，而在这些部分中 珠缘布置宏观地以直线延伸时。如果相反地要借助许多设计可能性实现引 导通道的最大长度，或要在较低压力损失的情况下实现引导通道的最小长 度，则珠缘侧面中的开口由此较佳地布置或形成在珠缘布置的以波浪状方 式延伸的最小或最大部分(从引导通道考虑)上、即例如在珠缘布置的以 波浪状方式延伸的部分挠曲的幅度最大的地方。
分离器板可形成为具有相互连接的两块单独的板的双极板，其中，珠 缘布置和引导通道形成在分离器板的至少一块中。分离器板和/或单独的板 可由金属形成、较佳地是由不锈钢形成。为了改进导电性，并且为了降低 腐蚀的风险，单独的板可至少部分地进行涂层。垂直于分离器板的平坦表 面平面或垂直于分离器板限定的单独的板的厚度可在各个情形下在50μm 与150μm之间、较佳地是在70μm与110μm之间。珠缘布置、引导通道 和其中形成有珠缘布置和引导通道的单独的板可一件式地形成。例如，珠 缘布置和引导通道可成一体地形成、尤其是冲压在单独的板中。
珠缘布置的侧面中的至少一个可具有多个开口，每个开口由前述类型 的引导通道连接在珠缘布置的外部上，该引导通道沿珠缘布置的方向至少 部分地变宽。在单独的板之间、在直接相邻的引导通道之间或至少在一些 彼此直接相邻布置的引导通道之间、在分离器板的在直接相邻的引导通道 之间的区域中可形成成一体地结合的连接部。该成一体地结合的连接部可 以是钎焊连接部、粘结连接部或焊接连接部，尤其是通过激光焊接产生的 连接部。连接部可设置在连续的线上或在单独的短线上或在具体的点处。 这些成一体地结合的连接部使得能够避免在堆叠件的分离器板沿着珠缘布 置垂直于分离器板的平坦表面平面被压紧时，珠缘布置的各单独的板垂直 于分离器板的平坦表面平面或垂直于分离器板、在分离器板与珠缘布置相 邻的区域中张开。
分离器板的互联的单独的板可形成和布置为使得它们封围设置在单独 的板之间用于冷却介质通过的腔体。该腔体可流体连接到珠缘内部。
单独的板中的至少一块可具有在其背向同一分离器板的另一单独的板 的表面上的用于引导反应介质的结构。例如，该结构可包括在单独的板中 冲压的多个通道。在分离器板的有效区域中的通道结构也被称作流场。单 独的板可具有在流场与单独的板中的通路开口之间的另一通道结构，该另 一通道结构称作分配器区域。该用于引导反应介质的结构通常设置在珠缘 布置的背向分离器板中的通路开口的一侧上。该结构可经由单独的板中的 至少一个开口、例如经由珠缘侧面中的开口和前述类型的连接到该开口的 引导通道而流体连接到珠缘内部。由此，将反应介质从引导通道的出口引 导到上述结构中或引导到引导通道的入口，尤其是从分离器板的外表面上 的上述开口中引导出或引导到上述开口中，而反应介质在单独的板之间的 引导通道中、即在分离器板的内部中引导。
珠缘布置中的开口和连接到该开口的前述类型的引导通道可设置在珠 缘布置的背向分离器板的通路开口的侧面上和/或设置在珠缘布置的面向分 离器板的通路开口的侧面上。
珠缘布置可至少部分地形成为使得珠缘侧面各自与垂直于分离器板的 平坦表面平面定向的垂直方向形成小于70度的角度、较佳地是小于60度 的角度、特别较佳地是小于50度的角度。珠缘顶部可附加地具有凸曲率。 在珠缘布置的该实施例中，珠缘侧面具有较高的刚度，而珠缘顶部是弹性 的且可变形的，尤其是在珠缘布置被压紧时。
处于未压紧状态中的珠缘布置的高度可小于800μm、小于600μm、小 于500μm、小于450μm、或小于400μm。如前所述，由珠缘顶部到分离 器板的平坦表面平面或到相关的单独的板的平坦表面平面的距离给出珠缘 布置的高度。
附加地提出了一种包括文中所提出的类型的多个分离器板的电化学系 统。电化学系统可例如是燃料电池系统、电化学压缩机、用于燃料电池系 统的加湿器或电解槽。电化学系统的分离器板典型地以堆叠方式布置，并 且设计为使得分离器板的通路开口形成至少一个介质通道，该至少一个介 质通道设计为将介质馈送到堆叠件或从堆叠件排放介质。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图中示出，并且将在以下描述中更详细地 阐释。虽然角落可能部分地示出为不具有半径，但它们实际上总是至少具 有较小的半径。下文中将提出根据本发明的分离器板的一些示例。在此， 根据本发明的分离器板的许多有利特征将彼此组合呈现。然而，这些单独 的可选的特征不仅可共同而且可单独地或与来自其它示例的其它可选特征 组合地使本发明发展。相同或相似的附图标记将在下文中用于相同或相似的元件，并且因此有时不重复对所述元件的描述。在附图中：
图1以立体图示出具有多个堆叠的分离器板的燃料电池系统；
图2示出图1的堆叠件的直接相邻的两块分离器板和布置在它们之间 的膜电极单元的立体图；
图3以俯视图示出分离器板的另一示例性实施例；
图4a示出通过分离器板的珠缘布置的馈送通过部的立体图，该分离器 板具有连接到根据现有技术的珠缘布置的引导通道；
图4b示出图4a的珠缘馈送通过部的剖视图；
图4c示出具有根据现有技术的引导通道的另一珠缘馈送通过部的剖视 图；
图5以俯视图示出具有根据本发明的引导通道的珠缘馈送通过部的实 施例；
图6-图7以俯视图示出具有根据本发明的引导通道的珠缘馈送通过部 的其它实施例；
图8a-图8f示出根据本发明的引导通道的剖视图；以及
图9a-图9e示出在各个情形下、在同一引导通道的两个不同的点处的 根据本发明的引导通道的剖视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电化学系统1，包括具有相同设计的分离器板的 堆叠件2，该多个分离器板沿z方向7堆叠，并且夹紧在两块端板3、4之 间。分离器板在此形成为双极板，并且各自包括相互连接的两块单独的板。 在本示例中，系统1是燃料电池堆叠件。堆叠件2的每两块相邻的双极板 由此在它们之间封围电化学电池，该电化学电池设计为将化学能转化为电 能。在替代实施例中，系统1也可形成为电解槽、电化学压缩机或用于燃 料电池系统的加湿器。分离器板同样在那些电化学系统中使用。这些分离 器板的结构与在此更详细地阐释的双极板的结构对应，即便在分离器板上 引导或引导通过分离器板的介质不同。
z轴7与x轴8和y轴9一起跨越右手笛卡尔坐标系。端板4具有多个 端口5，借助该多个端口5可将介质馈送到系统1，并且借助该多个端口5 可从系统1中排放介质。可馈送到系统1并且可从系统1中排放的这些介 质可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 如蒸汽或贫氧空气的反应产物、或诸如水和/或乙二醇的冷却介质。
图2示出图1的堆叠件2的直接相邻的两块分离器板10、11。这里和 下文中，在各个情形下用相同的附图标记标示重复的特征。分离器板10、11相同地形成。因此，下文中将仅详细描述分离器板10。因此，分离器板 10是堆叠件2的各分离器板的代表。
分离器板10的平坦表面平面沿着x-y平面定向。在此，分离器板10 由联结在一起的两块金属单独的板10'、10″形成(参见图4)。然而，在图 2中仅分离器板10的面向观察者的第一单独的板10'是可见的。分离器板 10的单独的板10'、10″由不锈钢板制造而成，其例如各自具有垂直于单独 的板的平坦表面平面限定的80μm的厚度。单独的板10'、10″可沿着它们 面向彼此的后侧焊接到彼此、尤其是部分地焊接到、钎焊到或粘结到彼此， 从而形成分离器板10。例如，单独的板10'、10″可通过由激光焊接产生的 连接部连接。
膜电极单元(膜电极组件，MEA)12布置在分离器板10、11之间。 MEA 12可包括聚合物电解质膜(PEM)和一个或多个气体扩散层(GDL)。 GDL一般朝向分离器板10、11定向，并且例如形成为碳垫。分离器板10、 11的面向彼此的各侧在压紧状态中封围电化学电池13。在用于燃料电池系 统的加湿器的情况下，电池13由基本上不透气体但可透水的膜和由纺织品 或碳垫形成的至少一种扩散介质、较佳的是在任一侧上的扩散介质形成， 该膜可由支承介质支承。
分离器板10具有多个通路开口10a-h。MEA 12具有对应的通路开口， 对应的通路开口与分离器板10的通路开口10a-h对准并且与堆叠件2的其 它分离器板的对应的通路开口对准，使得一旦堆叠件2已被压紧，则各通 路开口形成介质通道，该介质通道各自分别流体连接到图1的端口5中的 一个。这些介质通道用于将介质馈送到电化学系统1并且从电化学系统1 中排放介质。
为了密封通路开口10a-h，或为了密封由通路开口10a-h形成的介质通 道，珠缘布置形成在分离器板10中，该珠缘布置围绕通路开口10a-h布置。 分离器板10的背向分离器板11的第一单独的板10'由此具有围绕通路开口 10a-h的珠缘布置14a-h。珠缘布置14a-h在各个情形下完全包围通路开口 10a-h。分离器板10的面向分离器板11并且在图2中隐藏的第二单独的板10″具有围绕通路开口10a-h的对应珠缘布置。分离器板10的附加的珠缘布置15完全封围通路开口10a-b、10d-f和10h。
分离器板10的珠缘布置在此各自与单独的板10'、10″一件式地形成。 单独的板10'、10″的珠缘布置通常成一体地形成、尤其是冲压在单独的板 中。在未压紧的状态中，形成在单独的板中的珠缘布置各自具有垂直于单 独的板10'、10″的平坦表面平面的正好450μm、或甚至正好400μm的高度。 珠缘的高度在此在各个情形下标示珠缘顶部的最高点到指向珠缘顶部的表 面上的相关的单独的板的平坦表面平面的距离。该极度小的珠缘高度有利 地有助于系统1的堆叠件2的紧凑性。
在图2中也可看出，分离器板10的第一单独的板10'在其背向分离器 板10的第二单独的板10″的前侧上具有用于引导反应介质的结构17。结构 17包括多个通道，该多个通道冲压在单独的板10'中。结构17在所有侧上 完全由珠缘布置15包围，使得珠缘布置1相对于周围环境密封结构17。结 构17是单独的板10'的有效区域的一部分。该有效区域界定布置在分离器 板10与另一分离器板之间的另一电化学电池，该另一电化学电池未在图2 中示出，但布置为沿正z方向7与分离器板10直接相邻。分离器板10的 第二单独的板10″在其背向第一单独的板10'的前侧上具有与结构17对应 的、用于引导反应介质的结构。
单独的板10'、10″形成和布置以使得它们在它们之间封围用于冷却介质 通过的腔体18。腔体18具体布置在单独的板10'、10″之间，以使得来自单 独的板10'、10″的有效区域的热量可借助引导通过腔体18的冷却介质消散。
单独的板10'、10″也具有馈送通过部19a-h，馈送通过部设计为用于介 质(例如燃料、反应气体、反应产物或冷却介质)计量通过或引导通过珠 缘布置14a-h、15。馈送通过部19a-h中的某些、具体是馈送通过部19c和 19g产生通路开口10c和10g(或由其形成的介质通道)与单独的板10'、 10″之间的腔体18之间的流体连接。馈送通过部中的某些、具体是馈送通 过部19a和19e产生通路开口10a和10e(或由其形成的介质通道)与分离 器板10的单独的板10'、10″的有效区域的面向观察者的流场17之间的流 体连接。其它馈送通过部19b、19d、19f和19h产生通路开口10b、10d、 10f和10h(或由其形成的介质通道)与分离器板10的单独的板10'、10″ 的有效区域的背向观察者的流场之间的流体连接。将参照以下附图阐释馈 送通过部19a-h的细节。
图3示出具有联结在一起的金属单独的板10'、10″的分离器板10的改 型的实施例。第一单独的板10'的前侧面向观察者。分离器板10中的通路 开口10a-c可被看见，就像珠缘布置14a-c可围绕通路开口10a-c布置从而 密封通路开口10a-c，这些珠缘布置可冲压在第一单独的板10'中。用于密 封第一单独的板10'的有效区域的珠缘布置15部分示出。根据图3的分离 器板10的实施例附加地具有分配器结构20。该分配器结构包括冲压在单独的板10'的前侧中的多个通道并且产生通路开口10a与单独的板10'的有效 区域之间的流体连接，该有效区域在图3中连接到在该图的下边缘处的分 配器结构20。珠缘布置14a-c又具有馈送通过部19a-c以用于引导介质通过 珠缘布置14a-c。显然，通路开口10b的介质、在此具体是冷却介质必须穿 过珠缘14b和珠缘15。该介质连续地引导在分离器板10'背向观察者的一侧 上。介质从通路开口10a中引导出，在单独的板10'、10″之间，并且通过开 口19a横向于珠缘布置14a，经由开口33进入面向观察者的分配器结构20 (例如参见图5至图7)。从在分离器板10的相对表面上的分配器结构(不 可见)中排放的介质通过形成在第二单独的板10″中的开口进入在单独的板 10'和10″之间的引导通道，并且经由馈送通过部19c横穿珠缘14c，并且继 续流动到通路开口10c中。
图4a以立体图示出分离器板10的细节。冲压在第一单独的板10'中的 珠缘布置14a具有两个珠缘侧面21、22和珠缘顶部23。珠缘内部24设置 在珠缘侧面21、22和珠缘顶部23之间，并且由珠缘侧面21、22和珠缘定 部23界定。面向通路开口10a的珠缘侧面21具有用于引导介质通过珠缘 侧面21的多个开口25。通路开口10a经由开口25流体连接到珠缘内部24。 背向通路开口10a的珠缘侧面22具有用于引导介质通过珠缘侧面22的开 口26。在珠缘布置14a的背向第二单独的板10″的外部上，开口26连接到 引导通道127，引导通道127不根据本发明，并且经由开口26流体连接到 珠缘内部24。在介质通道10a中引导的介质可由此被引导经由开口25、26 和通道127通过珠缘布置14a，并且例如可被选择性地引导到单独的板10' 的有效区域中，如基于箭头所指示的。不根据本发明的引导通道127部具 有恒定的宽度，其中引导通道127的宽度在图4a中在各个情形下平行于y 方向9、在引导通道127的一半高度处确定。图4b示出根据图4a的珠缘布 置14a的剖视图，其中，截面沿着x-z平面定向并且沿纵向方向延伸通过不 根据本发明的引导通道127。图4c示出珠缘布置14a的改型实施例的剖视 图，其中，不根据本发明的引导通道127连接到珠缘侧面21、22。s
为了使系统1的分离器板的堆叠件2尽可能得紧凑，期望尽可能平坦 地形成珠缘布置14a和分离器板10的其它珠缘布置。然而，在情形中，珠 缘侧面21、22中的开口24、26会对珠缘布置14a的稳定性和弹性有害并 且因此对密封效果有害。这可酌情通过使开口25、26更小来补偿。然而， 这种尺寸方面的减小也会导致流经珠缘布置的介质的尺寸方面不期望地减 小。
通过根据图2和图3的珠缘布置14a-h、15的馈送通过部19a-h的根据 本发明的实施例将在下文中借助示例、参照用于通过分离器板10的单独的 板10'的珠缘布置14a的珠缘馈送通过部19a的图5-图9呈现，馈送通过部 19a-h确保足够大的介质流经珠缘布置14a-h、15，而不损害珠缘布置14a-h、 15的稳定性和弹性。
图5示出分离器板10的第一单独的板10'的前侧的细节，所述前侧背 向第二单独的板10″。具体示出的是珠缘布置14a的冲压在第一单独的板 10'中的部分。单独的板10'和珠缘布置14a一件式地形成。珠缘布置14a包 括面向在图的上边缘处的通路开口10a的第一珠缘侧面21，背向该通路开 口10a的第二珠缘侧面22和连接珠缘侧面21、22的珠缘顶部23。第一珠 缘侧面21具有用于引导介质通过第一珠缘侧面21的多个开口25。第二珠 缘侧面具有用于引导介质通过第二珠缘侧面22的多个开口26。
在图的上边缘处的通路开口10a经由开口25流体连接到由珠缘侧面21、22和珠缘顶部23封围或界定的珠缘内部24。介质(例如，诸如分子 氢的燃料、诸如分子氧的反应气体、诸如蒸汽的反应产物或冷却介质)可 由此从通路开口10a在单独的板10'、10″之间引导，经由开口25到珠缘内 部24中。这在图5中由箭头指示。在合适时，介质也可沿相反方向、即与 由箭头35所指示的方向相反地流动。
为了将介质从通路开口10a选择性地并且以计量的方式引导到开口25 并且通过珠缘侧面21，根据本发明的引导通道27在珠缘布置14a背向第二 单独的板10″(图5中隐藏)的外部上连接到开口25和第一珠缘侧面21。 引导通道27设计为在单独的板10'、10″之间引导介质。在通路开口10和 第一珠缘侧面21中的开口25之间的引导通道27在各个情形下从通路开口 10a延伸到开口25和第一珠缘侧面。第一珠缘侧面21中的开口25中的每 个连接到恰好一个根据本发明的引导通道27。
珠缘内部24例如经由开口26和第二珠缘侧面22流体连接到第一单独 的板10'的有效区域(在此未示出)。有效区域例如可连接在图的下端处。 为了选择性地并且以计量的方式将介质从珠缘内部24引导到有效区域，根 据本发明的引导通道27再次在珠缘布置14a的背向第二单独的板10″的外 部上连接到第二珠缘侧面22中的开口26。第二珠缘侧面22中的开口65 中的每个连接到恰好一个根据本发明的引导通道27。
在图5中，引导通道27在第二珠缘侧面22中的开口26与有效区域之 间延伸，在各个情形下从第二珠缘侧面22中的开口26到特定的引导通道 27的出口或入口33。由此，出口或入口33在各个情形下形成引导通道27 背向珠缘布置14a的端部。介质可在出口或入口33处从引导通道27逸出， 并且这样做改变单独的板10'的相对表面。这在图5中由箭头36指示。在 合适时，介质也可沿相反方向、即与由箭头36所指示的方向相反地流动。 单独的板10'的有效区域可由此由入口或出口33流体连接到珠缘内部24。 入口或出口33形成为通路开口和单独的板10'。
各引导通道27与单独的板10'形成为一部分或一件。例如，各引导通 道27在单独的板10'中成一体地形成、尤其是冲压成一体。珠缘布置14a 和引导通道27通常与单独的板10'一件式地形成并且冲压在其中。
引导通道27通常各自具有边侧面28、29和顶部30。根据本发明的引 导通道27与根据现有技术的引导通道127(参见图4a-图4c)的区别在于， 其中宽度31'、31″在各个情形下沿珠缘布置14a的方向至少部分地增大。引 导通道27的宽度31'、31″在此在各个情形下平行于单独的板10'的平坦表面 平面、在引导通道27的一半高度处确定。在图5中，引导通道27的宽度 31'、31″在各个情形下平行于珠缘布置14a的延伸范围的方向确定，该延伸 范围沿着x方向8行进。引导通道27的宽度31'、31″由此典型地垂直于介 质通过引导管道27的流动方向确定。
图5中可看出，引导通道27的宽度31'、31″以扇状方式沿珠缘布置14a 的方向至少部分地增大。引导通道的宽度31'、31″由此至少部分地严格单 调、在此尤其是线性地增大。例如，引导通道27的最大宽度是引导通道的 最小宽度的至少1.5倍。在改型的示例性实施例中，引导通道27的最大宽 度通常是引导通道27的最小宽度的至少110％或至少120％。在图5中，引 导通道27到达远至珠缘布置14a并且引导通道27的宽度31'、31″在其中严 格单调增大的部分在各个情形下在所述引导管道27的长度的至少三分之二 或至少一半的长度上延伸。
同时图5中的引导通道27设计为使得，垂直于分离器板10的平坦表 面平面或单独的板10'的平坦表面平面确定的引导通道27的高度32'、32″ 沿珠缘布置14a的方向至少部分地减小。引导通道27的高度32'、32″在此 在各个情形下标示引导通道27的顶部30到分离器板10的平坦表面平面或 到单独的板10'的平坦表面平面的距离。在图5中，引导通道27到达远至 珠缘布置14a并且引导通道27的高度32'、32″在其中严格单调减小的部分 在各个情形下在所述引导管道27的长度的至少三分之二或至少一半的长度 上延伸。在此，引导通道27的高度32'、32″至少部分地线性减小。
举例来说，在图5中示出在沿着引导通道27中的一个的延伸范围的两 个不同位置处的该引导通道27的两个剖视图。截平面在各个情形下平行于 x-z平面定向，并且由此垂直于分离器板10的平坦表面平面或单独的板10' 的平坦表面平面。截平面垂直于介质流经引导通道27的方向。由直线A-A 所示的截平面设置在距珠缘布置14a第一距离处，而由直线B-B标记的截 平面设置在距珠缘布置14a第二距离处，其中，第一距离小于第二距离。 在截平面B-B中引导通道27具有宽度31″和高度32″，而在截平面A-A中 引导通道27具有宽度31″和高度32″。宽度31'大于宽度31″，而高度32'小 于高度31″。在珠缘布置22和截平面A-A之间延伸并且也在截平面B-B的 背向珠缘布置14a的一侧上延伸的引导通道的对应的端部处的半径可在图 5的俯视图中清楚地看到。
各引导通道27设计为使得它们的横截面面积沿着所述引导通道的延伸 范围的中间三分之一至少是基本上恒定的。例如，引导通道27设计为使得 它们的横截面面积至少沿着它们的延伸范围的中间三分之一，相较于在中 间三分之一中的最大横截面面积至多改变20％、较佳地至多15％、或至多 10％(在这方面图5的剖视图不一定是按比例绘制的)。
为了对珠缘布置14a的机械稳定性和弹性影响最小，开口25、26到达 到珠缘侧面21、22中、垂直于分离器板10的平坦表面平面或单独的板10' 的平坦表面平面高达珠缘顶部23的高度的至多80％或至多70％的高度。珠 缘顶部23的高度在此表示珠缘顶部23到分离器板10的平坦表面平面或单 独的板10'的平坦表面平面的距离。在各个情形下，高度应在分离器板10 或单独的板10'的未压紧状态中确定。引导通道27也设计为使得它们的顶部30的最大高度是珠缘布置14a的高度的至多85％、或至多75％，其中， 高度应再次在未压紧的状态中确定。
单独的板10'在单独的板10'的平坦区域34中、两条直接相邻的引导通 道27之间以成一体地结合的方式连接到第二单独的板10″。具体地，分离 器板10的单独的板10'、10″在区域34中或在区域34中的某些中按区域地 通过由激光焊接产生的连接部连接。这避免了在分离器板10的压紧的作用 下单独的板10'、10″垂直于分离器板10的平坦表面平面张开。在分离器板 10压紧的作用下，压缩力典型地垂直于分离器板10的平坦表面平面、作用在珠缘布置14a的区域中。
图5中，珠缘布置沿直的方向行进。根据图6的珠缘布置14a和珠缘 馈送通过部19a与根据图5的珠缘布置14a和珠缘馈送通过部19a的区别 在于，根据图6的珠缘布置14a在图6a和图6b中以波浪状方式延伸，尤 其是以具有恒定幅值的正弦曲线的方式延伸。关于平行于x轴8定向的直 线，根据图6的珠缘布置14a具有周期性的延伸范围。标识37在此布置为处于一半波长或周期长度的距离处。标识37标示其中设有开口25、26的 珠缘布置14a的侧面21、22的拐点。
图6中，在两幅子图6a和6b中，再次示出馈送通过部19a的两个剖 视图。由直线C-C示出的截平面平行于y-z轴线定向，而由直线D-D示出 的截平面垂直于x-y平面定向，并且与x方向8形成约20度的角度。截平 面C-C沿着引导通道27的纵向方向1延伸。可看出顶部30的高度32'、32″ 沿珠缘布置14a的方向严格单调减小。引导通道27的高度呈现其最小值32'在到珠缘侧面21的过渡部处。通道顶部30的最大高度32″到达远至在此是 珠缘顶部23的高度的大约70％的值。图6a和图6b的实施例区别在于，子 图6a中两块单独的板10'、10″在其中基本上相互平行延伸的区域连接到在 到通路开口10a的过渡部中的引导通道27。介质由此在引导通道27的延伸 部之间也完全进入和离开。这种过渡部在子图6b的实施例中不存在，在该 实施例中因此介质直接进入和离开引导通道27。在两个实施例中，介质从 单独的板10'、10″之间的通路开口10a进入和离开。介质通过开口33进入 和离开在分离器板10的面向观察者的表面上的流场17。
根据图7的珠缘馈送部19b与根据图6的珠缘馈送部19a的区别在于， 单独的板10'的到达远至通路开口10a并且界定通路开口10a的边缘38以 波浪状方式按部分地延伸、尤其是以正弦曲线延伸。珠缘布置14a和边缘 38两者由此以波浪状方式延伸。珠缘布置14a的以波浪状方式延伸的部分 和边缘38的以波浪状方式延伸的部分各自延伸至少两个波长。在图7的示 例中，珠缘布置14a的以波浪状方式延伸的部分和边缘38的以波浪状方式 延伸的部分各自具有相同的波长。
在图5-图6的示例中，根据本发明的引导通道27设置在面向通路开口10a的珠缘侧面21和背向通路开口10a的珠缘侧面22两者上，并且各自如 所述地沿珠缘布置14a的方向变宽。在分离器板10的改型实施例中，如图 7中，根据本发明的引导通道27仅布置在珠缘侧面21、22中的一个上，在 图7的示例中布置在珠缘侧面22上。在图7的示例中，引导通道227具有 在珠缘侧面21处的偏离几何形，在该情况下，引导通道227的宽度从珠缘 侧面21开始增大，并且高度同时沿通路开口10b的方向减小。也可设想， 仅珠缘布置14a-h中的某些包括根据本发明的引导通道27，而珠缘布置 14a-h中的其它不具有任何根据本发明的引导通道27。
除了不根据本发明的引导通道227的几何形之外，介质像在上述实施 例中那样在通路开口10b和珠缘内部24之间引导。然而，在此，与以上实 施例中所述的相反，珠缘内部24经由第二珠缘侧面22中的开口26流体连 接到先前描述的腔体18，该腔体18设置在单独的板10'、10″之间，并且设 计用以冷却介质在单独的板10'、10″之间通过。在此，由此能够省去开口 33。半径39引领朝向引导通道27的端部37。
图8a-图8f示出根据图5至图-7的发明的引导通道27的不同实施例的 剖视图。各截面在各个情形下定向为垂直于单独的板10'的平坦表面平面并 且垂直于通过引导通道27的介质流动方向。由此，所示出的截面在各个情 形下定向为以使得它们使引导通道27的横截面面积最小化。
图8a中，引导通道27的横截面是梯形的，具有直的边侧面28、29和 直的通道顶部30。在图8b中，边侧面28、29是直的，而通道顶部30以凹 入的方式向内弯曲。在图8c中，边侧面28、29是直的，而通道顶部30分 为多个短直的部分，使得通道顶部30相对于侧面28、29是变平的。图8d 示出直的边侧面28、29和圆形的、凸出弯曲的通道顶部30，其中，通道顶 部30的弯曲部分平滑地、即没有边缘地过渡到直的边侧面28、29中。图 8e示出直的边侧面28、29和凸出弯曲的通道顶部30，其中，通道顶部30 的弯曲部分到边侧面28、29中的过渡部具有边缘。图8f示出完全圆形的 横截面。通道顶部30在通道之上突出成拱形，而不具有侧面。
珠缘布置原则上也可具有如图8a-图8f所示的横截面。珠缘内部24、 边侧面28、29和珠缘侧面21、22则对应于引导通道27，而珠缘顶部23 对应于通道顶部30。在珠缘14的情况下高度和通常宽度也是总体上大于在 引导通道27的情况下。
图9a-图9e又示出根据图5-7的发明的引导通道27的各种实施例的剖 视图。各截面再次定向为垂直于单独的板10'的平坦表面平面并且垂直于通 过引导通道27的介质流动方向。在此，图9a-图9e中的每一个示出同一引 导通道距珠缘布置14a不同距离的两个截面。在此，可看出同一引导通道 27的横截面的几何形状可沿着其延伸范围改变。例如，图9d中的引导通道 27的横截面的形状从梯形形状过渡到凸出弯曲形状。图9b示出引导通道 27可非对称地形成。
也示出了特定的引导通道27的最大高度32″和最小高度32'。仅为了清 楚起见，未示出通道27的关联的宽度31″、31'。具有更大的宽度的横截面 在各个情形下比具有更小的宽度的横截面具有到珠缘布置14a更短的距离。 由此可清楚地在图9a-图9e中看出，在各个情形下在引导通道27的一半高 度处定义的引导通道27的宽度沿珠缘布置14a的方向增大，而引导通道27 的高度32'、32″沿珠缘布置14a的方向减小。然而，引导通道27的横截面 的形状在此在各种情形下改变，以使得横截面面积沿着通道的延伸范围在 各个情形下改变至多20％、较佳的是在各个情形下改变小于10％。

Claims (24)

1.一种用于电化学系统(1)的分离器板(10)，包括：
用于形成介质通道用以馈送或排出介质的至少一个通路开口(10a-h)；
至少一个珠缘布置(14a-h)，为了密封所述通路开口(10a-h)的目的而围绕所述至少一个通路开口(10a-h)布置，其中，所述珠缘布置(14a-h)的侧面(21、22)中的至少一个包括用于引导介质通过珠缘侧面(21、22)的至少一个开口(25、26)；以及
至少一个引导通道(27)，其在所述珠缘布置(14a-h)的外部上连接到所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)，并且经由所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)流体连接到所述珠缘布置的珠缘内部(24)；
其特征在于，
所述引导通道(27)设计为使得平行于所述分离器板(10)的平坦表面平面的引导通道(27)的宽度(31)沿所述珠缘布置(14a-h)的方向至少部分地增大。
2.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得垂直于所述分离器板(10)的所述平坦表面平面确定的所述引导通道(27)的高度(32)沿所述珠缘布置(14a-h)的方向至少部分地减小。
3.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的横截面面积沿着所述引导通道(27)的延伸范围的中间25％改变至多25％，其中，所述引导通道(27)从所述引导通道(27)的背向所述珠缘布置(14a-h)的端部(33、37、38)延伸到所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)。
4.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的所述宽度(31)沿着所述引导通道(27)、至少在与所述珠缘侧面(21、22)相邻的所述引导通道的长度的60％上单调增大，其中，所述引导通道(27)从所述引导通道(27)的背向所述珠缘布置(14a-h)的端部延伸到所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)。
5.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的所述宽度(31)线性增大。
6.如权利要求2至5中的任一项所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的高度沿着所述引导通道(27)单调减小，其中，所述引导通道(27)从所述引导通道(27)背向所述珠缘布置(14a-h)的端部延伸到所述珠缘侧面(21、22)中的开口(25、26)。
7.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的所述宽度(31)沿着与所述珠缘侧面(21、22)相邻的所述引导通道(27)的长度的至少60％增大至少10％，其中，所述引导通道(27)从所述引导通道(27)的背向所述珠缘布置(14a-h)的端部延伸到所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)。
8.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，在所述珠缘布置(14a-h)的未压紧的状态中，所述珠缘侧面(21、22)中的所述开口(25、26)垂直于所述分离器板(10)的所述平坦表面平面达到远至所述珠缘布置(14a-h)的高度的至多80％的高度。
9.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，在所述珠缘布置(14a-h)的未压紧的状态中，所述引导通道(27)设计为使得所述引导通道(27)的入口或出口垂直于所述分离器板(10)的所述平坦表面平面达到远至所述珠缘布置(14a-h)的高度的至多90％的高度，所述入口或出口形成所述引导通道(27)的背向所述珠缘布置(14a-h)的端部(33、37、38)。
10.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述引导通道(27)至少在某些部分中具有矩形的、梯形的或至少部分地圆形的横截面。
11.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述珠缘布置(14a-h)至少部分地以波浪状方式延伸，其中，以波浪状方式延伸的所述珠缘布置(14a-h)的至少一部分在至少两个波长上延伸。
12.如权利要求11所述的分离器板(10)，其特征在于，所述开口(25、26)布置在所述珠缘侧面(21、22)中、在所述珠缘布置(14a-h)以波浪状方式延伸的部分的拐点(37)的区域中，所述开口(25、26)由在所述珠缘布置(14a-h)的外部上的所述引导通道(27)连接。
13.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述分离器板(10)形成为具有相互连接的两块单独的板(10'、10”)的双极板，其中，所述珠缘布置(14a-h)和所述引导通道(27)形成在所述单独的板(10'、10”)的至少一个中。
14.如权利要求13所述的分离器板(10)，其特征在于，所述珠缘布置(14a-h)、所述引导通道(27)和其中形成有所述珠缘布置(14a-h)以及所述引导通道(27)所述单独的板(10'、10”)以一件式形成，其中，所述珠缘布置(14a-h)和所述引导通道(27)成一体地形成在所述单独的板(10'、10”)中。
15.如权利要求13所述的分离器板(10)，其特征在于，所述珠缘布置(14a-h)的所述侧面中的至少一个具有多个开口(25、26)，所述多个开口各自由分开的所述引导通道(27)连接在所述珠缘布置(14a-h)的外部上，所述引导通道沿所述珠缘布置(14a-h)的方向至少在某些部分中变宽，其中至少在设置为彼此直接相邻的所述引导通道(27)中的某些之间形成有在所述单独的板(10'、10”)之间的成一体地结合的连接部(43)。
16.如权利要求15所述的分离器板(10)，其特征在于，所述成一体地结合的连接部是钎焊连接部、粘结连接部或焊接连接部。
17.如权利要求13所述的分离器板(10)，其特征在于，所述单独的板(10'、10”)由金属形成，其中，垂直于所述单独的板(10'、10”)的所述平坦表面平面限定的所述单独的板(10'、10”)的厚度在各种情形下在50μm与150μm之间。
18.如权利要求13所述的分离器板(10)，其特征在于，所述单独的板(10'、10”)封围用于冷却介质通过的中空空间(18)。
19.如权利要求18所述的分离器板(10)，其特征在于，用于冷却介质通过的所述中空空间(18)与所述珠缘内部(24)流体连通。
20.如权利要求13所述的分离器板(10)，其特征在于，所述单独的板(10'、10”)中的至少一个在其背向另一所述单独的板的表面上具有用于引导反应介质的结构(17)，其中，用于引导反应介质的所述结构(17)经由所述单独的板(10'、10”)中至少一个入口或出口(33)与所述珠缘内部(24)流体连通。
21.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述开口(25、26)和所述引导通道(27)布置在所述珠缘布置(14a-h)的背向所述分离器板(10)的所述通路开口(10a-h)的侧面上和/或在所述珠缘布置(14a-h)的面向所述分离器板(10)的所述通路开口(10a-h)的侧面(21、22)上。
22.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述珠缘布置(14a-h)至少部分地形成为使得所述珠缘侧面(21、22)各自与垂直于所述分离器板(10)的所述平坦表面平面定向的垂直方向形成小于70度的角度，并且珠缘顶部(30)具有凸曲率，使得所述珠缘顶部(30)具有比所述珠缘侧面(21、22)更低的刚度。
23.如权利要求1所述的分离器板(10)，其特征在于，所述珠缘布置(14a-h)的高度在未压紧状态中小于800μm。
24.一种电化学系统(1)，包括多个如权利要求1所述的分离器板(10、11)，其中，所述分离器板(10、11)的通路开口(10a-h)形成用于馈送或排放介质的至少一个介质通道。
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