CN109478664B - 用于能量转换的装置、尤其是燃料电池单体或电解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将化学能转换成电能或者将电能转化为化学能的装置(1)，所述装置具有至少一个电化学活性的、平面的电池单体(2)，所述电池单体牢固地保持在电绝缘的载体框架(10)的同轴的环形盘(10a、10b、10c、10d)之间，具有用于过程介质的通向所述电池单体(2)的通道(22、23、13、33)的供应结构延伸穿过所述载体框架。在所述电池单体(2)的两侧沿轴向方向存在各一个自由的空间区域(8a、8b)，所述空间区域通过至少一个环形盘(10a、10b)沿径向方向限界。所述空间区域(8a、8b)经由至少一个穿通部(42a、42b)穿过相应的环形盘(10a、10b)朝向压力腔(5)敞开。在所述装置(1)运行中用压力加载的介质填充所述压力腔(5)，因此所述电池单体被挤压。以这种方式，根据本发明的装置(1)将常规的电池单体(2、2’)的堆叠与液压或气动挤压的优点相结合。

Description

用于能量转换的装置、尤其是燃料电池单体或电解装置
技术领域
本发明涉及一种用于将化学能转换成电能或者将电能转化为化学能的装置，所述装置具有至少一个电化学活性的、平面的电池单体，所述电池单体牢固地保持在电绝缘的载体框架的同轴的环形盘之间，具有用于过程介质的通向电池单体的通道的供应结构延伸穿过所述载体框架。
背景技术
这种类型的装置是通常已知的。所述装置用作为燃料电池单体、电解装置或电池。通常，所述装置包括多个电化学的、平面的电池单体，所述电池单体以堆叠的形式上下相叠地或并排地设置，所述堆叠也称为堆。在氢体系的情况下，因此也谈及燃料电池单体堆或电解装置电池单体堆。这种装置的经典结构例如在由F.Barbir所著的《PEM Fuel CellsTheory and Practice》(第二次出版，Academic出版社，威豪，2013)”中描述。
根据这种经典结构，多个电池单体被机械挤压，以便减小电池单体内的接触电阻，并且以这种方式将电池单体中的损耗(过电势)保持为小的。这常规实现为，使得两个压力板经由夹紧元件彼此夹紧，电池单体堆叠位于这两个压力板之间。因此，各个电化学电池单体最初直接彼此堆叠，并且随后经由夹紧元件、例如拉杆一起挤压，以便将所需的挤压压力施加到各个元件上。
对于高压-水电解装置，美国专利US 8,349,151 B2描述了一种具有同轴的环形盘的电池单体框架，电化学活性的、平面的电池单体牢固地保持在所述环形盘之间。在此，具有用于过程介质的通道的供应结构延伸穿过电池单体框架或环形盘通向电池单体。在此，同样机械地借助于螺栓对电池单体进行挤压，所述螺栓轴向平行地延伸穿过端板和位于所述端板之间的环形盘，并且在旋紧状态下将端板和环形盘相互压靠并且使端板面状地压靠电极。
然而，机械挤压并非不具有缺点，因为出于其关于各个元件的尺寸稳定性和材料特性方面的高的要求引起缺点。通常，这在大于1kW的较大的功率等级中导致相当大的问题，因为在堆叠中的所有元件的均匀挤压仅能够受条件限制地得到确保。因此引起在活性的面上的挤压中的差异，这强制性地引起过电势的增大，进而引起电池单体内的与此相关联的不均匀的电流分布。这能够引起局部热点的出现，所述局部热点引起尤其在电池单体的电化学活性部分内的，例如在催化剂覆层的膜(CCM，Catalyst Coated Membran)内的局部过载，并且持久地、尤其热损坏堆或各个电池单体。这是在以高的电流密度运行时这种电池单体堆叠失效的主要原因，因为当叠置的电池单体中的仅一个唯一的电池单体具有通过局部过载引起的缺陷时，就足够了。
经典的堆结构的另一问题是系统的热空气调节所需的复杂拓扑。由于与低电压结合的高的电流而产生显著的热损耗份额，其必须从堆叠中向外引出，以便确保在工作点处的恒定的温度水平，并且电化学的电池单体的部件、尤其膜或隔膜不会热过载。在常规的堆中，冷却通常通过冷却单元来执行，所述冷却单元设置在两个电化学的电池单体之间并且例如能够或必须经由水循环来导出多余的热量。除了用于冷却单元的附加的材料、较高的重量和制造耗费以外，这还引起附加的电损耗，因为冷却单元作为电化学惰性的元件存在于电化学活性的(电流的)电池单体之间并且为了串联连接必须被桥接或者在输送所述电能时引起附加的损耗。
替选于电池单体的机械挤压，国际专利申请WO 2011/069625 A1描述了一种液压挤压。为此，单个电池单体作为具有单极的极板的单个电池单体分别存在于袋状部中，所述袋状部在外部被液压介质完全包围。因此，通过在装置运行期间升高作用于液压介质的压力，电池单体被面状地挤压，因为在每个电池单体中施加相同的挤压压力。一方面，这种挤压在各个电池单体的活性的电池单体区域上是均匀的，使得在电池单体内不引起局部较高的电流密度，进而不引起局部的热点。另一方面，所述挤压沿着堆是均匀的，因为所有的电池单体都同等地受到压力，使得在电池单体之间也不会引起不同的电流密度。同样的内容适用于温度分布。由液压挤压产生如下优点：能够实现具有任意的活性电池单体面的任意数量的电池单体。然而在此不利的是，必须实现各个电池单体的电连接，以将电流在电池单体的外部区域中从一个电池单体传送到下一个电池单体，并且不像在常规的电池单体堆叠中那样面状地在整个电池单体面上进行。这引起沿着在电池单体之间的外部的电连接以及基于在电池单体之间的传输点处的接触电阻的附加的电损耗。此外，由于单个电池单体的外部连接，仅四边形的电池单体结构是适宜的，由此限制了电池单体堆叠的应用。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于将化学能转换成电能或者将电能转换成化学能的装置的新式构造，所述新式构造将在堆叠的电池单体中的借助机械挤压的常规结构的优点与电池单体的液压挤压的优点相结合。尤其是，因此应提供一种具有简单和紧凑的构造的装置，并且由此应提供可实现的价格低廉的批量生产，其中一方面存在电池单体的均匀挤压，或者另一方面在多个电池单体的情况下存在所有电池单体的均匀挤压，以便实现高的效率。此外，消除了所提及的拓扑方面的缺点，使得能够实现几乎任意的平面的几何形状。
所述目的通过一种用于将化学能转换成电能或者将电能转化为化学能的装置来实现。
根据本发明，提出一种用于将化学能转换成电能或者将电能转换成化学能的装置，所述装置具有至少一个电化学活性的、平面的电池单体，所述电池单体牢固地保持在电绝缘的载体框架的同轴的环形盘之间，具有用于过程介质的通向电池单体的通道的供应结构延伸穿过所述载体框架，沿轴向方向在电池单体的两侧各存在一个自由的空间区域，所述空间区域通过至少一个环形盘沿径向方向限界，并且所述空间区域分别经由至少一个穿过相应的环形盘的穿通部朝向压力腔敞开，其中，所述压力腔在所述装置运行中填充有压力加载的介质。
因此，根据本发明的装置利用电化学的电池单体的液压挤压的优点，尤其是电池单体的均匀的表面挤压，并且将所述优点与构成为层结构类型的载体框架的优点相结合，所述载体框架根据规定沿轴向方向机械地预紧，以便将电池单体牢固地保持在环形盘之间。载体结构特别适合于将环形盘连同电池单体相互堆叠，在此实现了所述装置的特别紧凑的构型。
所述装置的外部横截面形状能够是基本上任意的。其能够是矩形的、尤其是正方形的，三角形的或圆形的、尤其是椭圆形或正圆形的。相应地，因此所述载体框架具有这样的横截面。然而有利的是载体框架的、优选还有壳体的圆形的、尤其是正圆形的横截面，因为由此在柱形壳体、在下文中也称为压力容器中实现了空间优化，如其在高功率电解装置堆叠中所使用的那样。与此相反，出于经济角度适宜的是矩形形状，因为在此由于膜材料是卷材(例如，30cm宽度×长度)的事实，实现了膜材料的最佳利用。在该处要注意的是，术语载体框架和“环形盘”不涉及特定的横截面形状。
所述装置能够是燃料电池单体、电解装置或电池。因此，在此提出的构造不局限于特定的应用，而是能够应用于不同的应用领域。根据应用领域，于是仅选择相应的过程介质或者将所述过程介质传导到电池单体中或者从电池单体中导出。
根据本发明的构造突出地适合于电池单体的堆叠，使得因此例如能够制造燃料电池单体堆、电解装置电池单体堆或电池堆。根据一个实施方案变型形式，所述装置包括多个、尤其是很多个电化学活性的、平面的电池单体，所述电池单体分别牢固地保持在载体框架的同轴的环形盘之间。于是所有的环形盘同心地相互堆叠。
在一个实施方案变型形式中，在平面中的至少一个电池单体能够形成单个电池单体。但是，根据另一实施方案变型形式同样能够可行的并且优选的是，至少一个电池单体形成由两个或更多个电池单体区段或电池单体构成的电池单体模块的电池单体区段，其中，每个电池单体区段是电化学独立的电池单体，并且所有的电池单体区段位于同一平面中。
所述装置能够具有一个、两个、三个或更多个、尤其是许多个这样的电池单体模块，所述电池单体模块分别具有一定数量的电池单体区段。如果使用载体框架的圆形的基本形状，那么在横截面中观察，电池单体区段能够是蛋糕块形状的。在矩形的基本形状中，在横截面中观察，电池单体区段同样能够是矩形或正方形的。
环形盘基本上是环形的板。所述环形盘在所述装置的具有单个电池单体的实施方案变型形式中能够分别具有中心开口，使得载体框架实际上形成空心圆柱体。至少一个电池单体在此能够利用开口的整个面。
在具有至少一个电池单体模块的实施方案变型形式中，所述电池单体能够利用开口的整个面。电池单体模块能够对称地分成电池单体区段。环形盘在此优选不仅构成为环，而且还适宜地具有径向延伸的接片或肋状部，或者在两个电池单体区段的情况下具有至少一个这样的接片/这样的肋状部，所述接片/肋状部沿着一个电池单体区段的边界伸展至另一电池单体区段。因此，在横截面中观察，环形盘能够在具有三个或更多个电池单体/电池单体区段的电池单体模块中例如构成为车轮的构型，其轮辐形成接片，其中，电池单体区段或电池单体在轴向投影中位于接片之间。所述接片确保在电池单体之间的区域的机械稳定性。
环形盘的数量取决于要由载体框架承载的电池单体或电池单体模块的数量，其中，每个电池单体或每个电池单体模块与一定数量的环形盘相关联。在仅一个电池单体或仅一个电池单体模块的情况下，载体框架能够具有至少两个环形盘，所述电池单体/电池单体模块保持在所述环形盘之间。电池单体(作为单个电池单体或在电池单体模块中)的厚度能够例如经由密封盘来补偿，所述密封盘设置在两个环形盘之间。
典型地，载体框架对于每个电池单体/电池单体模块能够包括至少三个环形盘或三个环形盘，其中，相应的电池单体能够适宜地保持在两个外部的环形盘之间，所述两个外部的环形盘沿轴向方向在外部分别贴靠在形成电池单体壁的电极中的一个电极上。第三环形盘因此位于外部的环形盘之间并且将所述外部的环形盘以一定间距保持。第三环形盘的轴向厚度能够匹配于电池单体的厚度，所述第三环形盘在下文中也称为中间环形盘。
因为供应结构被加工到环形盘中，因此适宜的是，由四个环形盘形成或构建载体框架，使得一个电池单体或一个电池单体模块分别与四个环形盘相关联。这简化了制造工艺，如下文还将说明的。然后，在外部的环形盘之间能够存在两个中间环形盘，即，第三环形盘被再次轴向划分。但是同样可行的是，重新轴向地划分外部的环形盘和/或中间环形盘，使得载体框架对于一个电池单体/一个电池单体模块也能够具有多于四个的环形盘。
因此，根据实施方案变型形式，电池单体/电池单体模块与三个、四个或更多个环形盘相关联。如果所述装置具有两个或更多个电池单体或者两个或更多个电池单体模块，那么所述电池单体或电池单体模块中的每一个能够与三个、四个或更多个环形盘相关联。然而，这并不一定表示，对于每个电池单体/电池单体模块必须存在三个、四个或更多个环形盘。如下文还将阐述的，环形盘也能够与彼此相邻的两个电池单体或电池单体模块相关联。然后，整个载体框架具有相应较少的环形盘，例如在两个电池单体和对于每个电池单体的四个环形盘的情况下，总共具有七个环形盘。在三个电池单体和对于每个电池单体的四个环形盘的情况下，总共能够存在十个环形盘等。
根据环形盘的厚度，电池单体/电池单体模块优选设置在由与电池单体相关联的环形盘形成的圆柱体、特别是空心圆柱体的轴向中心处，使得电池单体模块的所述电池单体横向于载体结构的轴线，进而填充开口。于是，自由的空间区域分别位于所述电池单体的轴向端侧前方。因此，其在轴向方向上通过相应的电池单体限界，并且在至少一个径向方向上通过位于所述电池单体另一侧的外部的环形盘的内圆周或内圆周的至少一部分限界。在另一轴向方向上，相应的空间区域能够通过一个相邻电池单体或轴向端板限界。然而，在一个替选的实施例中，所述空间区域也能够在轴向方向上是敞开的。该变型方案稍后还会阐述。
由于在对空间区域径向限界的环形盘、即外部的环形盘中的穿通部，在所述空间区域之内存在与在该环形盘径向外部或载体框架的外部相同的压力。为了能够调节该压力，载体框架连同一个或多个电池单体或电池单体模块一起能够安置在对外压力密封地封闭的壳体内，所述壳体的内腔用介质填充，所述介质在装置运行中受到压力。压力腔于是通过该壳体的内腔形成进而构成所述装置的一部分。替选地，压力腔也能够设置在装置之外，其中，相应的线路能够将空间区域与外部的压力腔连接。
而在装置停机时能够释放压力。所述介质能够是气体或液体、例如水。然后，压力经由介质通过穿通开口传送到空间区域中并且从该处传送给电池单体。因此，一个电池单体/多个电池单体借助其外壁直接接触介质。因此能够省去用于容纳电池单体的特定袋状部，由此显著简化了结构构造。压力从两个轴向方向作用，进而将电池单体面状地均匀地压紧。在气体的情况下，由此实现气动挤压，在液体的情况下实现液压挤压。
将介质用压力加载能够优选是压力调节的一部分，所述压力调节例如使压力腔内的压力保持恒定。然而特别有利的是，根据在电池单体或至少一个电池单体内的压力自动地跟踪压力，使得在电池单体内压与壳体内部的压力之间始终存在基本上恒定的压力差。所述压力差例如能够位于4bar和10bar之间，尤其为约5bar。原则上可实现电池单体中的任意的工作压力。
优选地，供应结构能够包括初级通道，所述初级通道在横向于电池单体的轴向方向上延伸穿过环形盘。所述初级通道能够执行多个电池单体或所有电池单体的集中供应或废物处理。所述初级通道将过程介质沿轴向方向从装置的入口引导至一个电池单体或所有电池单体，或者从该一个电池单体/所有电池单体引导至该装置的出口。初级通道例如能够通过设置在环形盘中的、轴线平行的孔形成。然后，所有环形盘关于其角度位置叠置，使得所述孔对齐。
初级通道包括至少三个单通道，以便能够以介质分离的方式执行一个电池单体或多个电池单体的供应和废物处理。因此，在燃料电池单体的情况下，例如能够分别设有用于输送燃料氢气和氧气的通道以及用于排出所产生的反应水的另一通道，其中所述反应水作为氧气-水混合物出现。这种变型方案也称为死端，因为氢气被完全消耗，进而不会穿流过所述装置。出于对称性原因，供应结构能够包括四个初级通道。与单通道的数量无关，这些单通道能够沿着同轴的圆周线等距地设置在载体框架中。在燃料电池单体的情况下，两个通道能够用于引入和排出氧气以及两个通道能够用于引入和排出氢气。
供应结构还能够适宜地包括次级通道，所述次级通道在相对于轴线的径向平面中穿过载体框架朝向电池单体延伸。因此，次级通道承担将过程介质分别向唯一的电池单体/唯一的电池单体模块输入或由其排出。在此，次级通道将一个电池单体/多个电池单体与初级通道连接。次级通道因此不必在环形盘的整个径向宽度上延伸，而是仅桥接初级通道和电池单体边缘之间的间距。因此，次级通道大致从与轴线同心地延伸的圆周线例如大致从径向宽度的中心延伸直至环形盘的内圆周，轴向的初级通道位于所述圆周线上，电池单体的边缘因此连接于所述环形盘。初级通道因此穿过载体框架轴向地伸展至一个电池单体/多个电池单体，而次级通道侧向于电池单体/电池单体模块。以这种方式，供应结构占用仅较小的空间。此外，能够省去要设置在载体框架之外的通道，使得所述装置变得特别紧凑。
次级通道关于电池单体侧向地伸展。所述次级通道能够径向地、即沿着直径或平行于直径延伸。所述次级通道能够在实施方案变型形式中延伸穿过环形盘，使得相应的环形盘对位于其中的次级通道在所有侧限界。替选地，次级通道能够以槽的方式构成在至少一个环形盘的表面中。因为环形盘是叠置的，相对置的环形盘封闭所述槽，使得这种槽也形成封闭的通道，其中，所述槽然后由两个相对置的环形盘限界。替选地，通道能够通过两个槽形成，这两个槽构成在相对置的环形盘中并且彼此对齐。
槽的或次级通道的横截面能够是基本上任意的，例如矩形、正圆形、椭圆形或者还有三角形的。此外，横截面能够关于其形状和关于其在通道长度上的大小改变，例如在径向向外的方向上变大。
次级通道的总横截面能够小于初级通道的横截面，因为次级通道仅负责唯一的电池单体的供应或排出废物，而初级通道能够同时对所有电池单体进行供应或排出废物。
根据一个有利的实施方案变型形式，在径向平面中观察，次级通道能够通过具有多个单通道的两个相对置的通道结构形成，其中，电池单体位于这两个通道结构之间。因此，在电池单体中定义了流场，该流场沿流动方向从一个通道结构到另一通道结构被过程介质穿流。单通道能够从初级通道起梳状地或扇状地延伸至电池单体。这具有下述优点：过程介质能够在电池单体边缘区域上的多个部位处流入或引出电池单体，使得电池单体内部中的活性的电池单体区域尽可能大面积地，尤其完全地并且均匀地供应有过程介质。
优选地，供应结构包括存在于载体框架的不同的径向平面中的两组次级通道。这引起在涌流或穿流电池单体方面的高度灵活性。两组中的每一组因此由两个径向相对置的具有多个单通道的通道结构构成，所述单通道梳状地或扇状地从初级通道延伸至电池单体，其中，电池单体位于相对置的通道结构之间。第二组也在电池单体中限定位于通道结构之间的流场，所述流场沿流动方向从一个通道结构到另一通道结构被过程介质穿流。有利地，两组次级通道彼此成角度地错开，优选彼此成90°地扭转，使得所述流场相交，尤其是直角地相交。由此实现：环形盘能够对称地构成。此外，初级通道因此具有最大可能的间距。
次级通道能够有意义地存在于一个或多个中间环形盘中，因为所述中间环形盘以其内圆周朝向电池单体内部中的活性区域的外圆周。借此实现：流动方向通过次级通道直接定向到电池单体内部或从电池单体内部引出。次级通道能够以孔的形式或表面结构的形式构成。后者关于环形盘的机械加工方面更易于制造，并且能够实现更自由的形状设计进而实现更自由的介质引导。
如果载体框架对于每个电池单体包括仅一个中间环形盘，那么第一组的次级通道例如能够在其轴向端侧上设置或加工，并且第二组的次级通道在后侧的轴向端侧上设置或加工。然而，这具有下述缺点：中间盘在制造第一组之后必须被回转，以便在后侧上引入第二组的次级通道。因此有利的是，载体框架具有四个环形盘或两个中间环形盘。在此，第一组和第二组次级通道能够分别在中间环形盘的轴向端侧上设置或加工。于是能够设置两个中间环形盘，使得所述中间环形盘背靠背，即，通道结构位于彼此背离的端侧上。
为了将不同的过程介质传输给两组次级通道，这两组次级通道与不同的初级通道连接。关于具有三个初级通道的实施方案变型形式，第一组次级通道与两个初级通道相关联，其中两个初级通道中的各一个初级通道与第一组的次级通道的两个通道结构之一连接。在燃料电池单体的情况下，例如于是经由所述初级通道之一连同与其相关联的通道结构对电池单体供应氧气，其中所述氧气然后通过在相对置的侧上的其它通道结构再次从电池单体中流出并且经由两个初级通道中的第二初级通道从载体框架中引出。经由所述初级通道中的第三初级通道连同另一组中的与其相关联的通道结构能够对电池单体供应氢气。因为氢气必要时几乎被完全耗尽(死端运行)，因此不需要将氢气单独地、尤其不在将氢气引入电池单体中的相对置的侧上从电池单体中引出。此外，从氧气和氢气的反应中产生的过程水连同过量的氧气能够通过第一组的第二通道结构和通过两个初级通道中的第二通道结构引出。
出于对称性原因，在另一实施方案变型形式中也还存在第四初级通道，所述第四初级通道与第二组的次级通道的第二通道结构连接，并且同样用于将由过程水和氧气所产生的混合物从电池单体和载体框架中引出，更确切地说优选在电池单体的与引入氢气的径向相对置的一侧上引出。
以下阐述不仅涉及作为单个电池单体的电池单体同样也涉及作为电池单体模块的电池单体区段的电池单体。就下文中提到的电池单体而言均表示两种变型方案。就此而言，不再在电池单体和电池单体模块之间进行区分，至少在差异化方面并不重要。
根据一个实施方案变型形式，电池单体能够以其外部边缘区域在环形盘的内部边缘区域处保持在环形盘之间。因此，电池单体在其圆周棱边上--在单个电池单体的情况下全圆周地—被机械挤压。因此，电池单体内部也对外密封。因此，电池单体完全置入载体框架内部。
由于在空间区域中作用到电池单体上的表面压力，电池单体的外部边缘区域必须柔性地、尤其可移动地保持在环形盘上。否则，由于施加到电池单体壁上的压力会引起电池单体到环形盘的过渡部处的断裂。出于该原因有利的是，所述电池单体不与环形盘直接接通，而是更确切地说在电池单体的两个轴向端侧的外部边缘区域和相应的环形盘的相对置的端侧的内部边缘区域之间存在弹性元件，例如成形密封件，必要时密封环，或者在每个轴向侧上分别设置有这种的成形密封件。然后，电池单体的边缘区域被柔性地保持，使得电池单体的外壁在轴向压力加载的情况下能够稍微运动。此外，同时通过密封环可靠地防止：处于压力下的介质进入电池单体中。密封件例如能够是环形的扁平密封件或其它成形密封件。
在电池单体模块的情况下，能够根据电池单体区段的蛋糕形形状使用三角形扁平密封件。必要时也能够使用车轮形式的成形密封件，所述成形密封件同时覆盖所有电池单体区段。
电池单体的外壁能够例如通过导电的板或箔形成，例如由石墨或金属制成，尤其由铜板或铜箔形成。可选地，外壁能够在内侧具有防腐蚀保护层，以便通过在高的电池单体电势下的运行、尤其是在电解装置运行中保护金属、尤其是铜以防止腐蚀。
环形盘能够分别在一个或两个轴向的端侧上在内部边缘区域处具有环形回缩部，以便容纳电池单体的边缘。因此，电池单体的外部边缘区域能够形状锁合地置入回缩部内。优选地，在此还存在上述密封环、尤其是扁平密封件，其形状能够匹配于回缩部的形状。
环形盘在两个轴向的端侧上在内部边缘区域处具有环形回缩部的实施方案变型形式引起，端侧至少在径向靠内的区域处是对称的。这一方面具有的优点是：在安装时不必注意环形盘的取向。因此，不重要的是，哪个端侧位于上方和下方。这简化了安装。
优选的是，径向向外对空间区域限界的环形盘关于中心的径向平面对称。在两侧存在的回缩部于是引起，每个回缩部能够容纳唯一的电池单体的边缘区域。因此，两个电池单体能够贴靠在这一个环形盘上，在一定程度上共享该环形盘。因此，在一个电池单体前方的自由的空间区域也位于另一电池单体前方。以这种方式，在堆叠多个电池单体时，缩短堆叠的轴向长度并且实现更紧凑的构型。
根据一个有利的实施方案变型形式，在对空间区域径向限界的环形盘中存在两个或更多个、尤其四个或八个通向压力腔的、尤其是通向壳体内部的穿通部。这引起：空间区域能够被压力腔内部的介质穿流。这具有下述优点：介质能够同时用于气动或液压地挤压以及用于电池单体的调温。由于较高的热容，液体作为介质、例如水在此比气体更适合。更优选的是油作为液体，因为油能够被加热到比水更高的温度，进而使高温电解装置的运行可行。
调温尤其能够是冷却。因此，能够将在电池单体中产生的热量有效地从电池单体中排出。因此能够省去在由多个电池单体构成的堆叠内的中间接入的冷却单元。这也有助于减小所述装置的外部尺寸。对于所述装置的启动过程还能够有帮助的是，将热量引入装置中，即向一个电池单体或多个电池单体输送热能，因此对其进行加热。这也能够经由液压介质以简单的方式进行。因此其用作为热载体。
优选地也能够规定，壳体的内腔是用于介质的流动回路的一部分，使得热量不仅能够从一个电池单体或多个电池单体中排出，而且也能够从壳体或整个装置中排出。因此，不仅实现了装置的冷却。更确切地说，由此也创建下述可行性：将废热用于另一过程(废热回收)。
为了获得空间区域的最佳穿流，穿通部的横截面能够是尽可能大的。不言而喻，穿通部不应存在于初级通道所在的位置，因为否则所述初级通道会被穿通部剖开，并且过程介质会到达壳体的内腔中。此外，一个电池单体或多个电池单体的液压或气动挤压于是不再可行。因此，外部环形盘的被初级通道延伸穿过的那些区域形成对穿通部在圆周方向上的延展的限制。在其余区域中，穿通部能够完全地存在并且具有环形盘区段的横截面。这具有下述优点：外部环形盘不由实心材料形成。更确切地说，形成环形盘的材料在很大程度上被移除，并且仅还存在于过程介质被引导的位置，即围绕初级通道嵌入。由此，在外部环形盘中节省了显著的重量，使得能够相应地减小装置的总重量。
为了机械地夹紧载体框架，为此，相应的机构、例如拉杆同样能够轴向地延伸穿过载体框架。出于稳定性原因，夹紧机构轴向延伸穿过的那些区域也应与穿通部间隔开。外部的环形盘然后形成由两个环构成的某种类型的骨架或轮辐结构，所述骨架或轮辐结构在初级通道以及夹紧机构的区域中通过支撑肋相互连接。
如已经提到的，载体框架能够借助于夹紧机构轴向地被机械压紧，以密封一个电池单体或多个电池单体或者一个电池单体模块/多个电池单体模块和供应结构。由此，设置在环形盘之间或在环形盘和电池单体之间的密封环被压紧，进而将电池单体的内腔与壳体的内腔压力密封地分开。
因此，在根据本发明的结构中，夹紧机构不作用于挤压所述电池单体。夹紧机构例如能够通过轴线平行地延伸穿过环形盘的拉杆形成。拉杆例如能够由具有螺母的机器螺栓构成。
根据一个优选的实施方案变型形式，电池单体的电接通能够借助于导电的弹簧元件在轴向方向上进行。轴向接通尤其在将多个电池单体上下堆叠时具有很大的优点，因为现在各个电池单体的电端子不再必须从载体框架中或穿过所述载体框架向外引导并且在该处连接，例如以便实现电池单体的串联连接。更确切地说，电接通在空间区域内部进行。
通过弹簧元件还避免：电连接由于一个电池单体或多个电池单体的轴向运动在气动或液压挤压时被损坏或至少受到影响。因此，弹簧元件也在气动或液压挤压期间确保出色的电接通。弹簧元件的使用还简化了电池单体堆叠的安装，因为其不需要在将电池单体上下堆叠之前将两个相邻的电池单体彼此电连接，例如通过焊接在电缆上来实现。因为通过提供弹簧元件，能够将第二电池单体简单地堆叠到第一电池单体上，由此将弹簧元件压紧进而在两侧上引起良好的电接通，即，不仅在一侧上的第一电池单体而且在另一端部上的第二电池单体。
为了在此进一步简化安装能够规定，弹簧元件相对于第一电池单体位置稳定地构成，从而在操作第一电池单体时以及在安装第二电池单体时使其不会滑动。这能够通过如下方式实现：将弹簧元件与第一电池单体牢固地连接、例如焊接。然后在相邻电池单体侧通过施加到相应的电极上、即通过可解除的接通来实现接通。这不仅提供了简单的安装，而且还确保了单个电池单体的简单的拆卸。
然而，弹簧元件的使用不仅在具有两个或更多个堆叠的电池单体的装置中具有优点。在唯一的电池单体的情况下，借助于弹簧元件电接触所述电池单体也是有利的，因为所述装置能够容易地组装并且在此能够与载体框架处或载体框架中的电触点连接。因此，弹簧元件能够分别将一个相邻电池单体或电端子在载体框架的轴向端部上电接通。
弹簧元件例如能够是弓形弹簧。因此实现面状接通部，使得将接触电阻最小化。弓形弹簧的横截面例如能够是U形的，即具有两个自由的支腿，所述支腿通过共同的底座相互连接，其中两个支腿中的每一个支腿贴靠在载体框架中的电池单体上或电触点上。但是完全也能够设想任意其它的弓形弹簧，例如在横截面中具有S形或Z形形状的弓形弹簧。根据一个替选的实施方案变型形式，弹簧元件也能够通过螺旋弹簧形成。
根据本发明的装置中的一个电池单体或多个电池单体原则上能够具有本身已知的构造，尤其由两个电极和一个位于所述电极之间的引导离子的膜构成，其中电极分别由贴合在膜的一侧上的催化剂层、多孔的可导电的电流分配器和用于电接通的金属板或金属箔形成，其中，板或金属箔抵抗容器压力封闭电池单体的内腔。电极借助其催化剂层接通引导离子的膜。金属板或金属箔能够由必要时具有防腐蚀保护层的铜构成。此外，金属板必要时能够配备有通道结构，所谓的流场。
附图说明
下面借助示例和所附的附图详细阐述根据本发明的装置的其它特征、优点和特性。在附图中：
图1示出沿着图4中的剖切线C-C的、具有电池单体的根据本发明的装置的轴向横截面；
图2示出没有壳体的根据图1的装置；
图3示出根据附图的装置的立体图；
图4示出下部的中间环形盘的俯视图；
图5示出沿着图2中的剖切线A-A的组合剖视图；
图6示出具有两个电池单体的根据本发明的装置的轴向横截面。
具体实施方式
图1至图5示出根据本发明的用于将化学能转换成电能或将电能转换成化学能的装置1的第一实施方案变型形式。图6示出第二实施方案变型形式，其与第一变型形式相比以第二电池单体2’扩展。在附图中，除非在下文中另有说明，否则相同的附图标记表示相同的部件。
为了显示本发明的基本思想，根据图1至图5的装置1包括仅一个唯一的电化学活性的、平面的电池单体2，所述电池单体设置在压力容器3、4内。压力容器3、4在此由壳体3和板4构成，所述壳体和板一起对封闭的压力腔5限界，压力腔在下文称为压力容器3、4的内腔5。可调节的压力p1作用于压力腔5中。
电池单体2牢固地保持在电绝缘的载体框架10内，所述载体框架安装在板4上。所述板4因此形成用于载体框架10进而用于装置1的电化学活性部分的载体板。载体框架10在此由四个同轴地叠置的环形盘10a、10b、10c、10d构成，所述环形盘形成空心圆柱体。环形盘10a、10b、10c、10d既具有圆形的外圆周也具有圆形的内圆周，其限定开口38，使得电池单体2也具有基本上圆形的形状并且置入该开口38中。
电池单体2保持在环形盘10a、10b、10c、10d之间并且大致位于空心圆柱体的轴向中心处。由此，所述电池单体将载体框架10的内部区域分成两个自由的空间区域8a、8b。因此，所述自由的空间区域在电池单体2的两侧在轴向方向上位于电池单体2前方，并且在径向方向上分别由其中一个环形盘10a、10b限界。沿轴向方向观察，所述环形盘10a、10b因此位于外侧，使得下面也称为外部环形盘10a、10b。
空间区域8a、8b分别经由穿过外部环形盘10a、10b的穿通部42a、42b朝向壳体3的包围载体框架10的压力腔5敞开。因此，第一穿通部42a以其通入开口16a通入上部的空间区域8a，并且第二穿通部42b以其通入开口16b通入下部的空间区域8b。图4在左侧示出上部的外部环形盘10a和第一穿通部42a的剖面。此外能够从图5中的立体图中得知，开口46伸入第二穿通部42b中。
由于穿通部42a、42b，在装置1运行中存在于壳体3的内腔5中的压力p1也存在于空间区域8a、8b中。在电池单体2的内腔9中的电池单体压力p2低于壳体3中的压力p1，例如低约5bar，使得电池单体2在轴向方向上被面状地压紧。在压力腔5中能够存在气态或液态介质，所述气态或液态介质相应地置于压力下，使得实现对电池单体2的气动(在气体的情况下)或液压(在液体的情况下)的挤压。通过穿通部42a、42b，介质进入空间区域8a、8b中。
由于电池单体2的挤压和由此引起的在轴向上的可移动性，实现借助于呈U形的弓形弹簧形式的弹簧元件30的电接通，其沿轴向方向一方面接触电池单体2，另一方面接触电接通部6、7。电接通部6、7穿过载体板4并且从壳体内部5中引出。附图标记6表示用于电池单体2的阳极(+)的、在上部背离载体板4的电端子，附图标记7表示用于电池单体2的阴极(-)的、朝向载体板4的电端子。
具有通道22、23、36、37、13、33的供应结构延伸穿过载体框架10，过程介质能够通过所述通道引导至电池单体2或从所述电池单体中导出。这通过图1和2中的箭头A、B表示。下面借助其它附图更详细地解释供应结构。
图2示出安装在载体板4上的载体框架10连同电池单体2的放大视图。出于概览的原因，在此没有示出壳体3。
电池单体2由两个电极[25、27]，[26、28]和位于这两个电极之间的引导离子的膜47构成，其中，电极[25、27]，[26、28]沿轴向方向从内向外观察分别具有贴合在膜47的一侧上的催化剂层、多孔的可导电的电流分配器27、28和由铜制成的用于电接通的金属板25、26。因此，金属板25、26形成电池单体2的外壁，并且抵抗容器压力p1地封闭电池单体2的内腔9。与传统的结构类型相比，金属板25、26是平坦的。但是所述金属板也能够具有流场。金属板25、26能够构成为非常薄的，尤其呈箔的形式，因为所述金属板不必有助于电池单体2的机械稳定性或刚性。1mm的厚度是优选的，但是根据结构类型，直至0.5mm的箔或直至3mm的板也是可行的。多孔的结构也能够具有约1mm的厚度。适宜地，金属板25、26的内侧具有防腐蚀保护。膜47的厚度能够在15μm和200μm之间。
在两个外部环形盘10a、10b之间设置有两个另外的环形盘10c、10d，它们在下文中称为中间环形盘。呈扁平密封件形式的外部密封环11a、11b、11c、11d将环形盘10a、10b、10c、10d在外圆周附近彼此密封，以及将最下方的环形盘10b相对于板4密封。对于扁平密封件11a、11b、11c、11d，在各环形盘10a、10b、10c、10d中分别加工出一个环形槽41，所述环形槽形状锁合地容纳所述环形盘。在图4中能够看到在两个中间环形盘10c、10d之间的用于外部的密封环11c的这样的环形槽41，该图示出下部的中间环形盘10d的俯视图。
环形盘10a、10b、10c、10d分别在两个轴向的端侧上在内部边缘区域处具有环形的回缩部14、15，电池单体2的、在此具体是金属板25、26的外部边缘区域容纳在该环形的回缩部中。呈扁平密封件29形式的弹性元件同样位于环形的回缩部14、15中。所述弹性元件分别设置在金属板25、26和外部环形盘10a、10b之间，以便允许在液压或气动挤压电池单体2时金属板25、26相对于外部环形盘10a、10b具有一定程度的柔性或可移动性。以这种方式，避免了金属板25、26在其被保持在环形盘10a、10b、10c、10d上的区域中的损坏。此外还确保：电池单体2不会翘曲。
由于环形盘10a、10b、10c、10d分别在两个轴向的端侧上在内部的边缘区域处具有环形回缩部14、15，所述环形回缩部在端侧处是对称的并且能够不仅在一个端侧上而且在另一端侧上在外圆周上包围电池单体2。这借助图6变得清楚，其实施方案变型形式包括两个电池单体2、2’。由于对称性，不必注意环形盘10a、10b、10c、10d的取向。然而，由此在载体框架10的轴向端部处产生环形槽31、32，所述环形槽因此未被使用。
供应结构一方面包括初级通道22、23、36、37，所述初级通道沿轴向方向延伸穿过载体框架10延伸，以及另一方面包括次级通道13、33、13B、33B，所述次级通道径向地延伸穿过载体框架10，或者横向于电池单体2延伸。在图1至图6中示出的实施方案变型形式中，四个初级通道22、23、36、37以等距地分布到载体框架10的圆周上的方式存在。图3中的立体图示出所述初级通道中的三个初级通道22、23、37。未示出的第四初级通道36是与具有附图标记37的初级通道径向相对置的初级通道。但该初级通道在图4和图5中可见。初级通道22、23、36、37通过加工到环形盘10a、10b、10c、10d中的孔形成，其中，所述环形盘10a、10b、10c、10d在其角度位置方面彼此这样定向，使得所述孔对齐。以相同的方式，在载体板4中存在孔，所述孔在其位置方面与在环形盘10a、10b、10c、10d中的孔相对应。载体框架10相应地定位在载体板4上，使得载体板4中的孔与环形盘10a、10b、10c、10d中的孔对齐。
在环形盘10a、10b、10c、10d的两个端侧上，内部密封环12a-12f分别围绕孔的开口设置，以便将供应结构以及电池单体2的内部9相对于压力腔5密封。内部密封环12a-12f构成为扁平密封件并且置于与孔同心地加工出的环形槽40a、40b中，参见图4。
在载体板4的背离容器内腔5的一侧上围绕载体板4中的孔分别存在连接接管18、19、24，例如软管能够连接到所述连接接管上。连接接管18、19、24分别具有入口开口20或出口开口21，过程介质可通过入口开口或出口开口进入相应的初级通道22、23、36、37或者从其中离开。
次级通道13、33、13b、33b在中间环形盘10c、10d内构成为在内部的环形区域34中的表面结构，进而在横向于电池单体2的轴线的径向平面中延伸穿过载体框架10。其将电池单体2分别与初级通道22、23、36、37之一连接。在图2中可见次级通道13、33的剖开的单通道13，所述单通道在初级通道中的第一初级通道22和电池单体2之间创建流动连接。此外可见次级通道13、33的另一剖开的单通道33，所述单通道径向相对置地在电池单体2和初级通道的第二初级通道23之间创建的流动连接。两个单通道13、33以槽的形式加工到下部的中间环形盘10d的朝向下部的外部环形盘10b的端侧中。所述单通道是由多个单通道构成的两个相对置的通道结构39a、39b的一部分，其--根据流动方向--梳状地或扇状地从第一或第二初级通道22、23延伸到电池单体2或反之亦然。因此，电池单体2设置在这两个通道结构39a、39b之间。这在图4和图5中示出。图4示出下部的中间环形盘10d的俯视图。通道结构39a、39b或其次级通道13、33存在于不可见的下侧上进而仅通过虚线表示。
以同样的方式，这种通道结构39c、39d存在于另一、上部的中间环形盘10c中，即存在于另一径向平面中。所述通道结构同样以槽的形式加工到上部的中间环形盘10c的朝向上部的外部环形盘10a的端侧中并且将第三初级通道37和第四初级通道36分别经由扇状或梳状地设置的单通道13b、33b与电池单体连接或者——根据流动方向——相反地将所述电池单体与相应的初级通道36、37连接。因此，载体框架10包括两组次级通道，其中，第一组次级通道存在于下部的中间环形盘10d中，并且第二组次级通道存在于上部的中间环形盘10c中。然而，这两组次级通道相对转过90°。这借助图5变得清楚。
图5示出沿着在图2中绘出的剖切线A-A的剖面A-A，其在布置的中心处具有到另一径向平面的突变。所述径向平面在图5的左侧伸展穿过在上部的外部环形盘10a中的穿通部42a，然后在所述布置的中心处转入较低的径向平面中，所述径向平面在右侧的图半部中伸展穿过上部的中间环形盘10c和阳极侧的电流分配器27。在该剖视图中，通道结构39c、39d或其次级通道13b、33b向上敞开。
而在此第一组次级通道13、33在下部的中间环形盘10d中在图4和图5的视图中从左向右延伸，第二组次级通道13b、33b在上部的中间环形盘10c中在图5中从后向前延伸。
在作为燃料电池单体的装置1的运行中，空气、特别是氧气(O 2)通过在接管18上的入流开口20(左侧的箭头A)经由第一初级通道22并经由第一通道结构39a的邻接于所述第一通道22的单通道13输送至电池单体2的阴极侧。空气或氧气穿流多孔的层28并且只要其不被耗尽，就在相对置的侧上进入所述第二通道结构39b的将空气或氧气朝向第二初级通道23聚集的单通道33中并且经由所述第二初级通道23排出。然后，所述空气或氧气通过接管19上的出流开口21从装置1排出(右侧的箭头A)。空气或氧气经由供应结构的该部分例如在回路中引导。
此外，在所述装置1作为燃料电池单体的的运行中，氢气(H2)通过在图1、2和3中被遮住的接管24的入流开口(箭头B)经由第三初级通道37并经由第二组次级通道的第一通道结构的邻接于所述第三初级通道的单通道输送至电池单体2的阳极侧。氢气流过多孔的层27，并且只要氢气没有被耗尽，就在相对置的侧上进入第二组次级通道的第二通道结构的将氢气朝向第四初级通道36聚集的单通道中，并且经由该第四初级通道36将氢气排出。然后，氢气通过在另一接管上的相应的出流开口从装置1离开。氢气经由供应结构的该部分例如在回路中引导。
在所述装置作为燃料电池单体的运行中，氢气的一部分被离子化，其中，氢离子迁移穿过膜47并且与氧气结合成水，然后所述水与氧气一起从电池单体2导出。
在所述装置1作为电解装置的的运行中，水经由第一初级通道22输送给电池单体2，以便保持电池单体2中的压力。水同样经由第三初级通道37输送，所述水被电解分解成氢气和氧气。所产生的氢离子迁移穿过膜47并且重构成氢气，所述氢气与来自第一初级通道22的水一起经由第二初级通道23导出。所产生的氧气与经由第三初级通道37输送的水一起经由第四初级通道36从装置中导出。
图6示出具有两个电池单体2、2’的装置1的一个实施方案变型形式，其中，在此将另一电池单体2’堆叠到在图1至图5中示出的电池单体2上。以相应的方式，任意数量的电池单体能够相互堆叠。
每个电池单体2、2’与四个环形盘10a、10b、10c、10d以及10a’、10b’、10c’、10d’相关联，两个——关于相应的电池单体——位于轴向外部的环形盘10a和10b，10a’和10a以及两个位于其之间的环形盘10c、10d和10c’、10d’。然而，下部的电池单体2的上部的外部环形盘10a同时也保持上部的电池单体2’，使得该环形盘10a同时形成上部的电池单体2’的下部的外部环形盘。因此，两个电池单体2、2’共享该环形盘10a，因此其与两个电池单体2、2’相关联。这由于外部环形盘10a、10b，10a’的对称性，即由于其在两个端侧上存在于内圆周上的回缩部14、14’15而是可行的。
上部的第二电池单体2’保持为与载体框架10上的下部的第一电池单体2相同。
电接通如在第一实施方案变型形式中一样借助于呈三个弓形弹簧30形式的弹簧元件进行，所述弹簧元件位于空间区域8a、8b、8c中。弓形弹簧30弹性地设置在中间的自由空间区域8b中的第一和第二电池单体2、2’之间，进而将两个电池单体2、2’彼此电连接。电池单体2、2’的在最下部的和最上部的空间区域8a、8c中的那一侧上分别设置有另一弓形弹簧30，该另一弓形弹簧在该处将相应的电池单体2、2’与在载体框架10的相应的轴向端部处的电接通部6、7之一连接。两个电池单体2、2’以这种方式串联连接。
在载体框架10的与载体板4相对置的轴向端部上存在端板17，例如同样为环形盘，其放置在该载体框架10的最上方的环形盘10a’上并且用于将均匀的压力施加到环形盘的堆叠上。在根据图1的实施方案变型形式中也能够设有这种端板17。
四个等距地分布在圆周上的呈螺栓43、45形式的拉杆以其相应的柄部45通过相应的导向孔35延伸穿过载体框架10。图3和图4示出所述导向孔，其中数量不局限于四个。更确切地说，其也能够是更多的或仅三个。相对应的孔也存在于上部的端板17和载体板4中。从载体板4的背离壳体3的内腔5的下侧，螺母44被旋拧到螺栓的柄部45上并且被牢固地拧紧，使得载体框架在端板17和载体板之间被轴向机械地夹紧。由此，电池单体2、2’的外部的边缘区域被压紧在外部环形盘之间并且由于密封件29而被密封。
如借助图1至图6清楚的是，装置1基本上包括承载电池单体2、2’的元件，即载体框架10，其能够由绝缘的塑料构成并且承担在燃料电池单体和电解装置的领域中已知的常规的极板的多个功能。这是对一个电池单体或多个电池单体2、2’供应过程介质(气体和/或水)，电池单体2、2’在外部的边缘区域中相对于压力腔密封，以及将电池单体2、2’彼此间经由O形环和/或扁平环11a-11e、12a-12f密封，以及电流分配器27、28、柔性的板或接触箔25、26的容纳以及用于将预应力施加到载体框架10上的机械稳定性。
在每个电池单体半部的背部区域中的板或接触箔25、26所需的柔性确保，板或箔25、26在边缘区域中保持弹性元件29a、29b，所述弹性元件吸收由于施加液压而产生的运动。弹性元件29a、29b能够通过环形的扁平密封件形成，所述扁平密封件例如能够层压到箔的外边缘上。因此能够防止电池单体2、2’的变形。
板或箔25、26能够构成为非常薄的，因为所述板或箔仅须将电池单体2、2’的内部区域与周围的压力介质密封地分开，并且不参与整个堆的机械稳定性。与常规的极板相比，这在该部位显著降低了材料耗费和与此相关的电损耗，所述常规的极板通常为相应2mm-3mm厚的。
电池单体2、2’相互的接通在自由的空间区域8a、8b中在活性面的区域中经由柔性的电导体，例如呈预紧的铜制弹簧20的形式的电导体实现。替选地，下述可行性也是适宜的：板或箔25、26设有接片，使得在周围的空间区域8a、8b、8c中的电池单体2、2’能够彼此连接。这省去了在电流分配器27、28上的在之前的液压堆设计方案中所需的两个接片，其使得根据现有技术需要电池单体2、2’的在袋状部结构之外的电连接。因此再次减少了电损耗和材料使用。
根据已知的液压压力的压力跟踪设计方案以过程介质压力来调节系统的压力。替选于液体，压力腔5也能够加载有气体，使得气动地挤压电池单体。因此确保：经由电池单体2、2’与现有的内部压力(气体压力)p2相关地始终存在相应地液压/气动的压力p1。Δp的差仅根据对于相应的材料组合(电流分配器和催化剂覆层的膜)所需的挤压压力来计算。
在引入各个电池单体元件(板/箔、电流分配器、催化剂覆层的膜、密封件等)之后，每个电池单体2、2’本身能够预组装并且必要时与载体框架10粘接或焊接。因此，关于电池单体数量，几乎任意的堆大小是可行的，并且随后各个电池单体的替换(例如在有缺陷时)能够简单地执行。
几何形状优选圆形地实施，以便能够实现用于各个密封元件11至11e、12a至12f还有周围的压力容器3的简单拓扑。
总之应确定的是，通过两种堆设计方案(即单个电池单体的堆的液压或气动挤压)的适宜的组合，能够使用两个设计方案的有利的特征。在此，尤其要提及均匀的电流密度和调温可能性(在液压挤压的情况下)。此外，在此指出各个电池单体的电化学活性区域的面中的优异的电接通(经典的结构类型)。能够显著减少使用更薄的和在电方面更有利的材料、例如基板厚度。省去附加的冷却单元，因为液压介质本身能够用作为冷却剂。电池单体相互的电接通减小了在电池单体之间的区域中发生的接触电阻，进而提高了整个系统的效率。通过在电池单体和周围的液压介质之间施加可追踪的压力梯度，能够实现在电池单体中的几乎任意的工作压力。
附图标记列表：
1 燃料电池单体
2、2’ 电化学的电池单体
3 壳体
4 载体板，下部的端板
5 壳体的内腔，压力容器
6 电端子，阳极
7 电端子，阴极
8a、8b、8c 空间区域
9 电池单体的内腔
10 载体框架
10a、10b、10a’ 外部的环形板
10c、10d、10c’、10d’ 中间环形板
11a-11e 外部密封环
12a-12f 内部密封环
13 第一组通道结构中的通向第一电池单体的通道结构的次级单通道
13’ 第一组通道结构中的通向第二电池单体的通道结构的次级单通道
13b 第二组通道结构中的通向第一电池单体的通道结构的次级单通道
14 用于金属板、第一电池单体的阴极的回缩部
14’ 用于金属板、第一电池单体的阴极的回缩部
15 用于金属板、第一电池单体的阳极的环形槽
16a、16b、16c 通入开口
17 盖板，上部的端板
18 用于通向阴极的介质流入的接管
19 用于来自阴极的介质流出的接管
20 入流开口
21 出流开口
22 通向阴极的供应结构的初级通道
23 来自阴极的供应结构的初级通道
24 用于通向阳极的介质流入的接管
25 第一铜板，阳极
26 第二铜板，阴极
27 电流分配器，在阳极上的多孔的层
28 电流分配器，在阴极上的多孔的层
29a、29b 密封环
30 弹簧元件，板簧
31 环形的回缩部
32 环形的回缩部
33 第一电池单体的第一组通道结构的次级单通道
33’ 第二电池单体的第一组通道结构的次级单通道
33b 第二电池单体的第二组通道结构的次级单通道
34 内部的环形区域
35 用于拉杆的导向孔
36 来自阳极的供应机构的初级通道
37 通向阳极的供应结构的初级通道
38 中央开口
39a、39b 第一组梳状的通道结构
39c、39d 第二组梳状的通道结构
40a、40b 用于密封环的内部环形槽
41 用于密封环的外部环形槽
42a、42b 压力通道
43 拉杆头
44 螺母
45 拉杆柄
46 通向壳体内腔的压力通道开口
47 引导离子的膜

Claims (25)

1.用于将化学能转换成电能或者将电能转化为化学能的装置(1)，所述装置具有至少一个电化学活性的、平面的电池单体(2)，所述电池单体牢固地保持在电绝缘的载体框架(10)的同轴的环形盘(10a、10b、10c、10d)之间，具有用于过程介质的通向电池单体(2)的通道(22、23、13、33)的供应结构延伸穿过所述载体框架，其特征在于，沿轴向方向在电池单体(2)的两侧各存在一个自由的空间区域(8a、8b)，所述空间区域通过至少一个环形盘(10a、10b)在径向方向上限界，其中，各空间区域(8a、8b)分别经由至少一个穿过相应环形盘(10a、10b)的穿通部(42a、42b)朝向压力腔(5)敞开，并且所述压力腔(5)在所述装置(1)的运行中填充有压力加载的介质，所述介质在轴向上将电池单体面状地均匀地压紧。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述供应结构包括初级通道(22、23)，所述初级通道在轴向方向上横向于电池单体(2)延伸穿过环形盘(10a、10b、10c、10d)。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述供应结构包括次级通道(13、33)，所述次级通道在横向于电池单体(2)轴线的径向平面中延伸穿过载体框架，所述次级通道(13、33)将电池单体(2)与初级通道(22、23)连接。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述次级通道(13、33)由两个相对置的、具有多个单通道(13、33)的梳状或扇状构造的通道结构(39a、39b)形成，所述电池单体(2)位于这两个通道结构(39a、39b)之间。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述电池单体(2)以其外部的边缘区域在环形盘(10a、10b、10c、10d)的内部边缘区域处保持在这些环形盘之间。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其特征在于，在所述电池单体(2)的外部边缘区域和环形盘(10a、10b、10c、10d)的相对置的内部边缘区域之间设置有成形密封件(29a、29b)。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于，所述成形密封件(29a、29b)是环形的扁平密封件。
8.根据权利要求5所述的装置(1)，其特征在于，所述环形盘(10a、10b、10c、10d)分别在一个或两个轴向端侧上在内部边缘区域处具有环形的回缩部(14、15)，所述电池单体(2)的外部边缘区域置入所述回缩部内。
9.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述环形盘(10a、10b、10c、10d)关于中心的径向平面和/或轴向平面是对称的。
10.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，在对空间区域(8a、8b)径向限界的环形盘(10a、10b)中存在两个或更多个通向压力腔(5)的穿通部(42a、42b)。
11.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，在对空间区域(8a、8b)径向限界的环形盘(10a、10b)中存在四个或八个通向压力腔(5)的穿通部(42a、42b)。
12.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述穿通部(42a、42b)具有环形盘区段的横截面。
13.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述介质是液体。
14.根据权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，所述介质是水或油。
15.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述电池单体(2)借助于弹簧元件(29、30)在轴向方向上电接通。
16.根据权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，所述弹簧元件(29、30)分别与一个相邻电池单体(2’)或一个在载体框架(10)的轴向端部上的电端子(6、7)电接通。
17.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述电池单体(2)形成由两个或更多个电池单体区段构成的电池单体模块的电池单体区段。
18.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置具有多个电化学活性的、平面的电池单体(2、2’)或电池单体模块，所述电池单体或电池单体模块分别牢固地保持在载体框架(10)的同轴的环形盘(10a、10b、10c、10d、10a’、10c’、10d’)之间，所有的环形盘(10a、10b、10c、10d、10a’、10c’、10d’)同心地相互堆叠。
19.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述载体框架(10)借助于轴线平行地延伸穿过环形盘(10a、10b、10c、10d、10a’、10c’、10d’)的拉杆(43、44、45)被轴向地机械压紧，以用于密封所述电池单体(2)和所述供应结构。
20.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述电池单体(2)包括两个电极([25、27]，[26、28])和位于这两个电极之间的引导离子的膜(47)，其中，所述电极([25、27]，[26、28])分别具有贴合在所述膜的一侧上的催化剂层、多孔的可导电的电流分配器(27、28)和用于电接通的导电的板(25、26)或箔，其中，所述板(25、26)或箔抵抗在压力腔(5)中的压力(p1)地封闭电池单体(2)的内腔(9)。
21.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述载体框架(10)具有圆形的横截面。
22.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述载体框架(10)具有正圆形的横截面。
23.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述压力腔(5)通过包围载体框架(10)的壳体(3)的内腔(5)形成。
24.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置是电池。
25.根据权利要求1至4之一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置是燃料电池单体或电解装置。
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