CN110710036B - 用于电化学系统的分离器板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学系统(1)、具体是用于电化学系统(1)的双极板(2)的分离器板(2a、2b)。分离器板(2a、2b)包括：第一通道(11c)，用于引导冷却剂通过分离器板(2a、2b)；活性区域(8)，具有用于沿分离器板(2a、2b)的第一平坦表面引导反应介质的结构和用于沿分离器板(2a、2b)的第二平坦表面上的活性区域(8)的后表面引导冷却剂的结构；与分离器板(2a、2b)形成为一体的珠缘(7)，用于至少密封活性区域(8)；以及与分离器板(2a、2b)形成为一体的阻隔元件(18、18'、18")，这些元件设计成使得它们减少或防止反应介质沿珠缘(7)在分离器板(2a、2b)的第一平坦表面上流动并越过活性区域(8)。分离器板(2a、2b)的特征在于，珠缘(7)将第一通道(11c)和活性区域(8)完全封围在一起，并且至少一个阻隔元件(18、18'、18")至少部分地凹陷，特别是为了减少或防止冷却剂在所述阻挡元件的区域中在分离器板(2a、2b)的第二平坦表面上流动。本发明还涉及包括分离器板的双极板，并且涉及具有多个指定类型的双极板的电化学系统。

Description

用于电化学系统的分离器板
技术领域
本发明涉及一种用于电化学系统的分离器板、包含该分离器板的双极板、以及具有多个双极板的电化学系统。电化学系统可例如是燃料电池系统、电化学压缩机、氧化还原液流电池或电解槽。
背景技术
已知的电化学系统通常包括电化学电池的堆叠，电化学电池各自借助双极板彼此隔开。这样的双极板可例如用于单独的电化学电池(例如燃料电池)的电极的电气接触和/或用于相邻电池(电池的串联连接)的电气连接。通常，双极板由两个结合在一起的独立分离器板形成。双极板的分离器板可以例如借助一个或多个焊接连接部、特别是借助一个或多个激光焊接连接部连结在一起。
双极板或分离器板可各自包括或形成构造成例如用于将一种或多种介质供应给布置在相邻双极板之间的电化学电池和/或用于移除反应产物的结构。介质可以是燃料(例如氢或甲醇)或反应气体(例如空气或氧气)。此外，双极板或分离器板可以用于引导冷却剂通过双极板，特别是通过由双极板的分离器板包围的腔室。通常，燃料或反应气体在分离器板的第一侧上引导，由于第一侧的结构，其也常常被称为第一平坦侧，而冷却剂在分离器板的第二平坦侧上引导。然后在两块分离器板的第二平坦侧之间形成腔室。此外，双极板可以构造成用于转移电化学电池中的电能或化学能转化时产生的废热，以及用于使各种介质通道或冷却通道关于彼此和/或外部密封。
可以在活性区域和珠缘之间设置阻隔元件，这些阻隔元件将活性区域界限到外部，并且所述阻隔元件布置和成形为使得它们减少或防止反应介质流过活性区域。例如，可以借助在分离器板中设置突出部来形成这种阻隔元件，所述突出部在反应介质的侧部上抬高到与其邻接的分离器板的区域之上。
此外，双极板通常各自包括至少一个或多个贯通开口。介质和/或反应产物可被引导通过贯通开口到达布置在堆叠件的相邻双极板之间的电化学电池或进入由双极板的分离器板形成的腔室中，或者从电池或腔室中引导出来。电化学电池通常另外各自包括一个或多个膜电极组件(MEA)。MEA可包括一个或多个气体扩散层，该一个或多个气体扩散层通常朝向双极板取向，并且例如形成为金属非织物或碳非织物。
已经发现，在个别情况下例如冷却剂在分离器板的背离电化学活性侧的侧部上在一些程度上在不期望的路径上引导是有问题的，例如在由双极板的两块分离器板封围的腔室中。因此，例如可能发生的是主要用作冷却分离器板或双极板的电化学活性区域的冷却剂至少部分地引导经过活性区域或甚至经过分配区域的若干部分，并且因此没有或者未在足够的程度上有助于活性区域的冷却。具体地，给定压入的分离器板，借助在第一平坦侧的方向上结合的压入部来形成上述阻隔元件。然而，这些导致在相应分离器板的第二平坦侧上的腔室，并且可以形成冷却剂的附加流动路径。借助于此，增加了冷却剂在不期望的路径上流过(旁路)活性区域的风险。
作为这种不期望的冷却剂旁路的结果，可能发生在电化学电池的区域中的不期望的温度峰值和/或引导的冷却剂上不期望的的压力损失。另外，需要增大的泵送动力以输送被引导经过活性区域的冷却剂。所有这些不良影响可能会负面地影响电化学系统的效率。
为了完全或至少部分地防止这种不期望的冷却剂旁通，在文献DE202014008157U1中提出了填充物，所述填充物例如布置在双极板的各个板之间的活性区域的边缘区域中，以便防止冷却剂流过电化学活性区域的后侧。尽管如此，持续地需要用于电化学系统的分离器板或双极板，所述板允许以尽可能高的效率操作该系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于电化学系统的分离器板和双极板，其允许以尽可能高的效率操作该系统。
该目的由根据权利要求1所述的分离器板、由包括这样的分离器板的双极板以及由具有多个上述类型的双极板的电化学系统来实现。
因此，提出了一种用于电化学系统、特别是用于电化学系统的双极板的分离器板，该分离器板包括：
第一贯通开口，用于引导冷却剂通过分离器板；
活性区域，具有用于沿分离器板的第一平坦侧引导反应介质的结构和用于沿分离器板的第二平坦侧上的活性区域的后侧引导冷却剂的结构。
可能的第一分配系统，用于在第一贯通开口和活性区域之间引导冷却剂；
与分离器板形成为一体的珠缘，用于至少密封活性区域；以及
阻隔元件，该阻隔元件与分离器板形成为一体，并且布置在活性区域和珠缘之间或者布置在可能存在的第一分配区域和珠缘之间，并且形成为使得它们减少或防止反应介质沿着珠缘在分离器板的第一平坦侧上流动并经过活性区域。
为了完全或至少部分地防止来自第一贯通开口的冷却剂流入分离器板的第二平坦侧上的珠缘的内部，珠缘行进为使得其完全包围活性区域和可能存在的第一分配区域，以及完全包围贯通开口。具体地，珠缘较佳地不横穿从第一贯通开口到活性区域的后侧的冷却剂的流动路径。通常，在分离器板的第二平坦侧上的阻隔元件在活性区域的后侧与珠缘内部之间或在可能存在的第一分配区域的后侧与珠缘内部之间形成不期望的流体连接，因为在第一平坦侧上的突出部使得增加了第二平坦侧上的体积。为此，在分离器板的第二平坦侧上的阻挡元件的区域中，阻隔元件中的至少一个或阻隔元件中的至少一些此外在至少一些区域中凹陷，用于减少或防止冷却剂在活性区域的后侧和珠缘的内部之间和/或在分配区域的后侧和珠缘的内部之间流动。借助于此，在阻挡元件中的至少一个或阻挡元件中的至少一些上的至少局部凹陷部，可以减小不期望的流体连接的横截面，并且可以减少不期望的冷却剂从活性区域的后侧流到珠缘内部中或从可能存在的第一分配区域的后侧流到珠缘内部中。一方面为了使燃料或反应气体在不期望的路径上在分离器板的第一平坦侧上流动的风险最小化，而另一方面为了使冷却剂在不期望的路径上在分离器板的第二平坦侧上流动的风险最小化，特别较佳的是，阻隔元件仅在一些区域中凹陷。
如已经简要提及的那样，分离器板在其后侧上可以包括分配结构，该分配结构用于将冷却剂分配到活性区域的后侧上或用于收集流过活性区域的后侧的冷却剂。该结构较佳地从至少一个端口珠缘延伸到活性区域的后侧的边缘，所述边缘面向相应的端口珠缘。由该分配结构形成的分配区域可以例如横向于冷却剂沿着活性区域的后侧的流动方向达到面向珠缘的端部，或者达到活性区域的面向珠缘的侧边缘。
分离器板可以包括用于引导冷却剂通过分离器板的第二贯通开口。在第二贯通开口和活性区域之间又可以布置用于将冷却剂引导至活性区域的后侧或从活性区域的后侧引导的分配区域或收集区域，并且以下将该区域称为第二分配区域。珠缘然后可以完全包围第二贯通开口，并且因此包围活性区域、可能存在的第一分配区域和/或第二分配区域以及第一贯通开口和第二贯通开口。然后，第一贯通开口和第二贯通开口较佳地布置在活性区域的后侧的相对两侧上。
至少对于阻隔元件中的一个或多个，凹陷部可以至少在一个方向上在整个阻隔元件上延伸。这通常需要过渡区域，其中分离器板的材料从阻挡元件的平面重新成形到凹陷部的平面上，从而可以避免过小的弯曲角度。
至少对于阻隔元件中的一个或多个，凹陷部可以与阻隔元件的边缘间隔开。
至少对于阻隔元件中的一个或多个，凹陷部可以具有细长的形状。此外，凹陷部可以平行于或基本平行于珠缘或与珠缘的主延伸方向对齐。珠缘的主延伸方向在此应理解为意指该珠缘或位于最靠近阻隔元件的该珠缘部段的主延伸方向。
至少对于阻隔元件中的一个或多个，凹陷部可以形成为使得至少在截面上，它减少至少百分之50、较佳地减小至少百分之70、更较佳地减少至少百分之90，该横截面垂直于分离器板的平面的表面平面限定，在活性区域的后侧和分离器板的后侧上的珠缘的内部之间的连接部，所述连接部由阻隔元件形成。
阻隔元件中的至少一个或多个可以延伸到活性区域或分配区域以及珠缘。如果阻隔元件到达珠缘，那么阻隔元件可以形成为珠缘的直接延伸部，使得在阻隔元件的区域中在横向于珠缘的主延伸方向的方向上，面向活性区域或面向分配区域的珠缘脚或者阻隔元件不会搁置在彼此之上。另一方面，较佳地，沿着珠缘的主延伸方向在两个阻隔元件之间布置区域，其中面向活性区域或分配区域中的一个的珠缘脚搁置在彼此之上。
阻隔元件中的至少一个或若干个至少在截面上可以横向于珠缘的主延伸方向对齐。
阻隔元件中的至少一个或多个可以形成为使得相应的阻隔元件的垂直于分离器板的平面的表面平面的横截面朝向珠缘渐缩，并且特别地较佳地以至少百分之50、特别较佳地以至少百分之70渐缩。例如，横截面可沿着平行于分离器板的平面的表面平面的方向渐缩，较佳地平行于珠缘或主延伸方向。例如，渐缩可以至少对于一个或若干个阻隔元件以阶梯状方式实现。
彼此相邻的阻隔元件中的至少一些可以彼此连接，较佳地借助平行于珠缘或珠缘的主延伸方向对齐的连接部。
分离器板还可以包括完全包围第一贯通开口的第一端口珠缘。
如果分离器板包括上述的第二贯通开口，它还可包括完全包围第二贯通开口的第二端口珠缘。
至少一个端口珠缘此处可以包括馈送贯通结构，该馈送贯通结构允许冷却剂有针对性地横向穿过端口珠缘。这样的结构比如从申请人的DE 102 48 531 B4、DE 20 2015104 972 U1和DE 20 2015 104 973 U1已知。
分离器板可以包括至少一个上述类型的凹陷部，该凹陷部横向于冷却剂沿着活性区域的后侧的流动方向以连续的方式延伸，从活性区域或从可能存在的分配区域一直延伸到珠缘。
分离器板的阻隔元件可以布置成平行于珠缘或平行于珠缘的主延伸方向的排。从活性区域或可能存在的分配区域连续延伸到珠缘的上述凹陷部然后可以特别地布置在该行的面向分配结构的端部处。
分离器板可以包括至少一个上述类型的不带凹陷部的阻隔元件。
分离器板可以例如由金属片材形成，优选由不锈钢片材形成。珠缘和/或端口珠缘、活性区域的结构、一个或多个可能存在的分配区域的结构、阻隔元件和凹陷部可能会例如被压入到分离器板中。
进一步提出的是一种用于电化学系统的双极板，其具有上述类型的第一和第二分离器板，其中两块分离器板相互连接，其中两块分离器板的第一贯通开口以对齐的方式布置以形成双极板的第一贯通开口，其中，两块分离器板封围用于引导冷却剂通过双极板的腔室，并且其中双极板的第一贯通开口与腔室流体连接。
双极板的两块分离器板可以各自另外包括上述的第二贯通开口。两块分离器板的第二贯通开口然后可以以对齐的方式布置以形成双极板的第二贯通开口。通常，双极板的第二贯通开口然后也与由两块分离器板封围的腔室流体连接。具体地，第一贯通开口和第二贯通开口中的一个用作入口，而另一个用作相同介质的出口。
第一分离器板的阻隔元件和第二分离器板的阻隔元件可以布置成至少在区域上重叠。第一分离器板的阻隔元件的凹陷部和第二分离器板的阻隔元件的凹陷部然后可以布置成至少部分地平行于双极板的平面的表面平面偏移，因此与在双极板的平面的表面平面中的给定平行投影不重合。替代地或附加地，第一分离器板的阻隔元件的凹陷部和第二分离器板的阻隔元件的凹陷部也以至少部分重叠的方式布置，因此与在双极板的平面的表面平面中的给定平行投影至少部分地重合。
封围在两块分离器板之间的腔室可包括第一部分空间和第二部分空间，其中第一部分空间封围在第一分离器板的第二活性区域的后侧和第二分离器板的活性区域的后侧之间，并且其中第二部分空间封围在第一分离器板的珠缘和第二分离器板的珠缘之间。第二部分空间因此可在每块分离器板中包括在活性区域的位于彼此相对的两侧上行进的两个珠缘部段。双极板的第一贯通开口和双极板的第二贯通开口然后可以经由包括第一部分空间的第一流体连接部连接，并且双极板的第一贯通开口和双极板的第二贯通开口可以经由包括第二部分空间的第二流体连接部连接。第一流体连接部因此通常用于导引或引导用于对活性区域进行期望的冷却的主冷却剂流。第二流体连接部引导实际上不期望的流动进入珠缘内部，其中，冷却剂不可用于冷却活性区域。第一流体连接部的最小横截面A1,min于是较佳地大于第二流体连接部的最小横截面A2,min。此处，较佳的情况是例如A1,min≥5·A2,min、较佳地A1,min≥10·A2,min、特别较佳地A1,min≥15·A2,min。此处，为了有效冷却电化学系统，有利的是尽管珠状内部可以至少部分地填充有冷却剂，但是在其中没有发生显著的冷却剂流动，并且，珠缘内部中的冷却剂因此是准固定的，从而馈送自第一贯通开口的冷却剂可经由分配区域排它地或几乎排它地引导到活性区域的后侧，并且经由活性区域的后侧流到第二贯通开口。
最后，提出了一种具有多个上述类型的双极板的电化学系统，其中该系统的双极板布置成堆叠件。通常，膜电极组件(MEA)布置在堆叠件的相邻双极板之间。MEA在相邻的双极板的活性区域中可以各自包括离聚物并且较佳地至少一个气体扩散层。MEA也可以各自包括增强的边缘区域，该边缘区域至少部分地与邻近MEA的双极板的阻隔元件和凹陷部重叠。因此，对于现有技术上不需要改变MEA设计。双极板的密封元件位于MEA上，并且阻隔元件在垂直于双极板的表面的方向上与它轻微间隔开。
附图说明
本发明的一个实施例示例在附图中呈现并且借助后续描述更详细地解释。其中，呈现了结合在一起的多个特征。然而，后续描述的特征中的各个特征还可以独立于示例的其它特征而进一步形成本发明。在下文中，更多相同或相似的元件将继续被赋予相同或相似的附图标记，因此较佳地，不再重复它们的描述。附图中示出：
图1以立体图示意性地示出了具有多个堆叠的双极板的根据本发明的电化学系统；
图2以平面图示意性地示出了从现有技术已知的双极板；
图3以截面图示意性地示出了图1的系统1；
图4A以平面图示意性地示出了根据本发明的双极板的细节；
图4B是根据图4A的细节A的细节；
图4C以平面图示意性地示出了根据本发明的另一双极板的细节；
图5A以平面图示意性地示出了根据本发明的双极板，其中，为了清楚起见，未示出图4A和4B中所示的细节；
图5B是根据本发明的双极板的平面图的细节；以及
图6A-C以截面图示意性地示出了图4A和4B的双极板的细节。
具体实施方式
图1示出了具有堆叠件32的根据本发明的电化学系统1，堆叠件32具有构造相同的多块双极板2，该多块双极板2沿z方向6堆叠并且被夹紧在两块端板3、4之间。双极板各自包括两个彼此连接的独立板，在本文档中也称为分离器板。在本示例中，系统1是燃料电池堆叠件。堆叠件的相邻的两块双极板在它们之间因此封围用于例如将化学能转化为电能的电化学电池。电化学电池通常各自包括例如膜电极组件(MEA)以及气体扩散层(GDL)。考虑到替代实施例，系统1也可同样地构造为电解槽、压缩机或氧化还原液流电池。双极板也可在这些电化学系统中使用。这些双极板的构造与在此更详细描述的双极板的构造相对应，即便被引导到双极板上或通过双极板的介质可以不同。
z轴70与x轴80和y轴90一起跨越右手笛卡尔坐标系。端板4包括多个介质连接件5，介质可经由该多个介质连接件馈送到系统1，并且介质可经由该多个介质连接件被从系统1引导出来。这些可被馈送到系统1和从系统1引导出来的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、诸如水蒸气的反应产品或诸如水和/或乙二醇的冷却剂。
图2示出了从现有技术中已知的双极板10的细节，并且该双极板例如可以用在与图1的电化学系统相关的系统中。双极板10由材料上结合在一起的两块单独的板或分离器板10a、10b形成，并且其中，仅第一分离器板10a是在图2中可见的，该第一分离器板将第二分离器板10b遮盖。分离器板10a、10b可以各自由金属片材制成，例如由不锈钢片材制成。分离器板10a，10b包括相互平齐的贯通开口，这些贯通开口形成双极板10的贯通开口11a、11b、11c。当以双极板10的方式的堆叠多个双极板时，贯通开口11a-c形成在堆叠方向6上穿过堆叠件32延伸的管道(参见图1)。通常，由贯通开口11a-c形成的每个管道与系统1的端板4中的一个介质连接件5流体连接。例如，由贯通开口11a、11b形成的管道用于给燃料电池堆叠件的电化学电池供应燃料和反应气体。相反，冷却剂可经由贯通开口11c形成的管道被引入堆叠件32中或从堆叠件32中引导出来。
为了相对于堆叠件2的内部并相对于周围区域密封贯通开口11a-c，第一分离器板10a包括珠缘12a、12b、12c，它们各自围绕贯通开口11a-c布置，并且各自完全封围贯通开口11a-c。第二分离器板10b在背离图2的观察者的双极板10的后侧上包括用于密封贯通开口11a-c的对应的珠缘(未示出)。
在双极板10的电化学活性区域8中，第一分离器板10a在其面向图2的观察者的前侧上包括流场17，该流场具有用于沿着分离器板10a的前侧引导介质的结构。这些结构包括例如多个腹板以及布置在这些腹板之间的通道。图2仅示出了在双极板10的前侧上的活性区域8的细节。在双极板10的面向图2的观察者的前侧处，第一分离器板10a还包括分配或收集区域20，其又包括用于沿分离器板10a的前侧引导介质的结构，其中，这些结构通常也类似地包括腹板和布置在这些腹板之间的通道。
分配或收集区域20在贯通开口11b和活性区域8之间建立流体连接。因此，分配或收集区域20的通道经由穿过珠缘的馈送贯通部13b与贯通开口11b或由贯通开口11b形成的穿过堆叠件的管道流体连接。经由珠缘12b中的馈送贯通部13b并且经由分配或收集区域20的通道，被引导通过贯通开口11b的介质可因此被引导进入双极板10的活性区域8中的流场17的通道中。
贯通开口11a或由贯通开口11a形成的穿过板堆叠件的管道以相应的方式与分配和收集区域流体连接，并由此与双极板10的背离图2的观察者的后侧上的流场流体连接。相反，贯通开口11c或由贯通开口11c形成的穿过堆叠件的管道与腔室22流体连接，该腔室由分离器板10a、10b封围或包围，并且其构造成引导冷却剂通过双极板10。
最后，第一分离器板10a又包括另一珠缘12d，珠缘12d周向围绕流场17、分配或收集区域20和贯通开口11a、11b，并且将它们相对于贯通开口11c、即相对于冷却剂回路以及相对于系统1的周围区域密封。考虑到在图2中所示并且从现有技术中已知的双极板10，珠缘12d不包围贯通开口11c，贯通开口11c构造成引导冷却介质穿过双极板10。而是，珠缘12d在贯通开口11c和活性区域8或流场17之间的部段中行进。这可能导致来自贯通开口11c的冷却剂被引导进入分离器板10a、10a之间的腔室22中，并且特别是引导到用于冷却活性区域8的活性区域8的后侧，通过珠缘12d进入形成在分离器板10a的后侧上的珠缘内部21。这可能具有不期望的效果，即已经进入珠缘内部21的冷却剂跟随珠缘12d的路径部分地围绕活性区域8的流场17被引导并且不可用于冷却活性区域8。本发明的主题是一种改进的分离器板或双极板，其完全或至少部分地防止了这种不期望的效果及其不利影响。
为了防止从贯通开口11b引导进入活性区域8的流场17的介质不会沿着珠缘12d在珠缘12d和流场17之间流过流场17，分离器板10a还包括多个阻隔元件18，其跟随珠缘12d的路径在珠缘12和活性区域8的流场17之间以规则的间距布置。仅为了清楚起见，在图2中仅一些阻隔元件18设有附图标记。在分离器板10的后侧上，阻隔元件18可在活性区域8的后侧和先前描述的珠缘12d的内部21之间部分地形成不期望的流体连接。冷却剂可能经由这些流体连接从活性区域8的后侧进入珠缘内部21，在那儿它不能有助于活性区域8的冷却。利用此处提出的改进的分离器板或双极板，也可以完全或至少部分地消除这种不期望的效果。
图3示意性地示出了图1的本发明的系统1的内部构造的细节，特别是沿着x-z平面穿过燃料电池堆的横截面。在这种情况下，提供至少一个电池(燃料电池)14，所述燃料电池包括离子导电聚合物膜140，该膜在两侧上至少在电化学活性区域8中设有催化剂层141、142。另外，示出了其间布置有燃料电池14的若干双极板2。接着，示出了用于将两个金属层、更具体地是两块分离器板2a、2b连接成双极板2的焊接部19。焊接部19例如可借助激光焊接产生。
此外，气体扩散层15布置在每个双极板2和最近的燃料电池14之间的区域中。此处，端口珠缘12a周向围绕双极板2的贯通开口11a。端口珠缘12a用于密封贯通开口11a。贯通开口11a可以例如用于引导氢气通过系统1。周向在双极板2的边缘区域中的珠缘7用于相对于系统1的环境密封电化学活性区域8，从而没有介质可以从活性区域8逸出到外部，反之亦然。
对应于图2所示的双极板10，根据本发明的双极板2和形成双极板2的分离器板2a、2b通常包括六个、有时还包括多个对齐的贯通开口(在图2中，仅显示了三个这样的贯通开口)。这些一方面通常是至少两个贯通开口，用于引导冷却液通过双极板2，对应于根据图2的双极板10的贯通开口11c，其中相应的贯通开口各自也被端口珠缘12c包围(参见图5A和5B)。另外，如代表性地在图3中示出的贯通开口11a和11b那样，在每种情况下，设有至少两个贯通开口11a和11b，用于将介质供应到电化学活性区域8中或从电化学活性区域8中去除介质，所述贯通开口各自被另外的端口珠缘11a、11b密封(参见图5A和5B)。另外，在图3中突出显示了由珠缘7形成的珠缘内部21以及由双极板2的分离器板2a、2b封围的腔室22。
图4A示出了根据本发明的双极板2中的一个，其由两块分离器板2a、2b结合在一起形成，例如借助根据图3的连接部19的方式的激光焊接连接部。两块分离器板2a、2b可以具有相同的特征。具体地，图4A示出了双极板2的第一分离器板2a的第一平坦侧或前侧。双极板2的第二分离器板2b在图4a中被第一分离器板2a遮盖。分离器板2a、2b各自由不锈钢片材形成，该不锈钢片材所具有的片材厚度较佳地为最大100μm。分离器板2a、2b封围腔室22，该腔室22用于引导冷却剂通过双极板2，即，用于引导冷却流体通过双极板2。该腔室与双极板2的贯通开口流体连接，这些贯通开口各自由对齐的分离器板2a、2b的贯通开口(图4A中未示出)形成。这些贯通开口例如与图1的一个或多个介质连接件5流体连接。
分离器板2a在其前侧处包括带有流场17的电化学活性区域8，其包括用于引导反应介质的结构。在此，流场17的结构包括多个腹板以及布置在这些腹板之间的通道。流场17的结构被压入分离器板2a中并且与分离器板2a形成一体。活性区域8完全被珠缘7包围。珠缘7至少部分地具有蛇形路径，其中珠缘7的在图4A中示出的部段中的珠缘的主延伸方向77跟随分离器板2a的外边缘或双极板2的外边缘的笔直路径。然而，与图2所示的并且从现有技术中已知的双极板10相反，珠缘7不仅包围具有流场17的活性区域，而且还包围与由分离器板2a、2b封围的腔室22流体连接的双极板2的一个或多个贯通开口(参见图5A)。因此，可以有利地防止或减少冷却剂不期望地流入珠缘7的内部21中。珠缘7被压入分离器板2a中并且与分离器板2a形成一体。
活性区域8的流场17经由分配或收集区域20与双极板2的另一贯通开口流体连接，该另一贯通开口由分离器板2a、2b的两个对齐的贯通开口形成(图4A中未示出)。该贯通开口又与图1的一个或多个介质连接件5流体连接。分配或收集区域20还包括用于引导反应介质的结构，例如呈腹板和在腹板之间形成的通道的形式。分配或收集区域20的结构被压入分离器板2a中并且与分离器板2a形成一体。在分离器板2a的面向腔室22的后侧上，分配或收集区域20的结构形成用于在活性区域8的面向腔室22的后侧上分配冷却剂的分配结构。该分配结构一直达到活性区域8的面向珠缘7的端部。
多个阻隔元件18布置在在珠缘7和活性区域8的流场17之间。阻隔元件18各自被压入分离器板2a中并且与分离器板2a形成一体。阻隔元件18用于完全或至少部分地防止反应介质沿着珠缘7在珠缘7和活性区域8的流场17之间流动，流过活性区域8。阻隔元件18从活性区域18延伸到珠缘7。具体地，阻隔元件18或至少一些阻隔元件18各自到达活性区域8的结构并且到达珠缘7。例如，阻隔元件18可以合并到珠缘7和活性区域8的结构中。
阻隔元件18横向于珠缘7或横向于的珠缘7的主延伸方向77、并且横向于反应介质通过活性区域8的流动方向或横向于活性区域8的腹板和通道的行进方向。阻隔元件18或至少一些阻隔元件18跟随珠缘7的路径以规则间距成排布置。阻隔元件18的最大高度通常大于活性区域8的结构的最大高度并且小于珠缘7的最大高度，其中，阻隔元件18的高度、活性区域8的结构的高度和珠缘7的高度各自沿着垂直于分离器板2a或双极板2的平面的表面平面的方向限定。
在面向活性区域8的端部处，紧邻的阻隔元件18或至少一些紧邻的阻隔元件18彼此连接或合并到彼此中。以此方式，阻隔元件18的面向活性区域8的端部形成恒定高度的平面腹板，该平面腹板平行于珠缘7并且平行于活性区域8的通道行进。这可以是有利的，例如如果MEA的较佳地增强的边缘区域在阻隔元件18的区域中被接纳并压紧在图1的堆叠件的相邻双极板2之间。
阻隔元件18的前述设计的不期望的副作用可以在于阻隔元件18或它们中的一些在分离器板2a的面向腔室22的后侧处，在活性区域8的后侧和珠缘7的内部21之间形成流体连接的事实。冷却介质可能经由该流体连接从活性区域8的后侧进入珠缘内部21，其中冷却剂不能用来冷却活性区域8或仅到达充分的程度。
为了防止或至少部分减少冷却剂从活性区域8的后侧不期望地流出到珠缘内部21中，阻隔元件18或至少它们中的一些包括凹陷部23。正如阻隔元件18一样，凹陷部23被压入分离器板2a中并且与分离器板2a形成一体。借助阻隔元件18的至少局部的凹陷部，由分离器板2a的面向腔室22的后侧上的阻隔元件18形成的后部流体连接的横截面可以减小，使得冷却剂从活性区域8的后侧到珠缘7的内部21中的流动被凹陷部23完全地或至少部分地防止。为此，凹陷部23或它们的至少一些较佳地被形成为使得它们将垂直于分离器板2a的平面的表面平面限定的、在分离器板2a的后侧处的、在活性区域8的后侧与珠缘7的内部21之间由相应的阻隔元件18形成的流体连接的横截面减少至少百分之50、较佳地至少百分之70、更佳地至少百分之90。此处，减小量可以在平行于珠缘的主延伸方向77的方向上变化，并且也在垂直于该主延伸方向的方向上变化。
如能从图4A的图示中看出的，阻隔元件18的凹陷部23可以被不同地设计。例如，凹陷部23可以具有细长的形状、矩形、椭圆形、十字形、V形或三角形。当然，还可以设想除了这里显示的形状之外的其它形状。凹陷部23或它们中的一些可以对齐，即使它们的最大延伸部平行于珠缘7或平行于珠缘7的主延伸方向，或者平行于活性区域8的通道的路径。
在图4A中，大部分凹陷部23与阻隔元件18的边缘间隔开，特别是与珠缘7和活性区域8间隔开。在这种情况下，阻隔元件18至少在边缘区域中保持它们的完全高度或几乎完全高度，使得尽管有凹陷部23，但它们仍防止反应介质流过活性区域8。然而，还可以设想，凹陷部23或它们中的一些在相应的阻隔元件23的整个宽度或长度上延伸。因此，能够以特别有效的方式防止或减少冷却剂流入珠缘内部21中。
例如，标记为18'并且没有到达珠缘7的阻隔元件包括凹陷部23'，该凹陷部在该阻隔元件18'的整个范围上、横向于珠缘7并且横向于活性区域8的通道的行进方向延伸。因此，分离器板2a在凹陷部23'的区域中从活性区域8至到珠缘7连续地凹陷。阻隔元件18'和凹陷部23'布置在成排阻隔元件18的端部处，所述末端面向在分配或收集区域20的后侧上的分配结构。借助于凹陷部23'，人们可以完全或至少部分地防止来自分配或收集区域20的后侧上的分配结构的冷却剂流入由分离器板2a的后侧上的阻隔元件18形成的通道或流体连接部中。第二分离器板2b可在相同位置处包括相应的凹陷部23'，使得第一分离器板2a的凹陷部23'和第二分离器板2b的相应凹陷部23'彼此接触，并且尽可能防止冷却剂流入珠缘7和活性区域8之间的区域中。
另外，标记为18”的阻隔元件包括凹陷部23”，该凹陷部在阻隔元件18”的整个宽度上平行于珠缘7并且平行于活性区域8的通道延伸。在这种情况下同样地，第二分离器板2b可在相同位置处包括相应的凹陷部23”，使得第一分离器板2a的凹陷部23”和第二分离器板2b的相应凹陷部23”彼此接触，并且尽可能防止冷却剂在该位置处流入珠缘内部21中(参见图6A)。
较佳地，分离器板2a包括具有两种类型的凹陷部23的阻隔元件18，即，在相应阻隔元件18的整个宽度上延伸的那些凹陷部以及与相应阻隔元件18的边缘间隔开的那些凹陷部。
图4B根据细节A示出了图4A中所示的分离器板2a或双极板2的细节。具体地，在图4B中可以看出，到达活性区域8的流场并直到珠缘7的阻隔元件18、18”，在区域24中从活性区域8开始朝向珠缘7以基本上阶梯状方式渐缩。在渐缩的区域24中，阻隔元件18、18”较佳地不凹陷。在图4A和4B中，垂直于分离器板2a的平面的表面平面并平行于珠缘7的行进方向限定的、在分离器板2a的后侧上由阻隔元件18、18”形成的流体连接部的横截面在区域24中以大约百分之80减小。考虑到替代实施例，区域24中的该横截面也能够以至少百分之50或以至少百分之90渐缩。该区域24中的横截面渐缩还可以同样地有助于减少冷却剂不期望地流入分离器板2a的后侧上的珠缘内部21中。
封围在两块分离器板2a、2b之间的腔室22可包括第一部分空间和第二部分空间，其中第一部分空间封围在第一分离器板2a的活性区域8和第二分离器板2b的活性区域之间，并且其中第二部分空间封围在第一分离器板2a的珠缘7和第二分离器板2b的相应珠缘之间。用于供应冷却剂的贯通开口11c可以各自经由第一和第二流体连接部连接，其中，第一流体连接部包括第一部分空间，而第二流体连接部包括第二部分空间。此处，第一流体连接部的最小横截面A1,min较佳地大于第二流体连接部的最小横截面A2,min。具体地，例如，可能的情况是：A1,min≥10·A2,min，特别较佳地，A1,min≥25·A2,min。
图4C示出了根据本发明的另一个双极板2或者根据本发明的另一个分离器板2a的平面图，其基本上构造成与图4A和4B中的相似。分离器板2a一方面在其前侧上包括带有流场17的电化学活性区域8，其包括用于引导反应介质的结构。在其左侧示出了分配区域20的截面，在该分配区域中，将反应介质在分离器板2a的示出的第一平坦侧上从未示出的贯通开口引导到流场17，或者反之亦然。相反，在分配区域20的后侧上，将冷却剂从也同样未示出的贯通开口引导到流场17的后侧，或者反之亦然。在此，阻隔元件18”、18”'布置在珠缘7和活性区域8之间，并且阻隔元件18和18'布置在分配区域20和珠缘7之间。在所有这些阻隔元件18、18'、18”、18”'的区域中设有凹陷部23、23'、23”、23”'，这些凹陷部防止或至少大大地限制冷却剂从活性区域8的后侧或从分配区域20流到珠缘7的内部21。具体地，借助凹陷部23'，显然其形状与相关联的阻隔元件18'的形状相适应。
图5A仅示意性地示出了具有分离器板2a、2b的双极板2的完整平面图。进一步示出了活性区域8、贯通开口11a-c以及珠缘7的结构，其中，彼此流体连接的贯通开口通过相同的附图标记指示。与根据图2的已知的双极板10的珠缘12d不同，根据本发明的双极板2的珠缘7周向围绕活性区域8、用于引导燃料和反应介质通过双极板2的贯通开口11a-b、以及附加地用于引导冷却剂通过双极板2的贯通开口11c。在图5A中还可以认识到，与根据图2的双极板10一样，根据本发明的双极板2包括附加的端口珠缘12a-c，其各自精确地包围贯通开口11a-c中的仅一个，并且各自形成为精确地密封贯通开口11a-c中的一个。仅是为了清楚起见，分离器板2a和双极板2的其它细节，比如阻隔元件18和凹陷部23，在图5A中未再次示出，所述细节已经在图4A和图4B示出。
相反，在功能上等同的结构在图5B中示出，其示出了根据本发明的双极板的平面图的细节，并具体是与图2的细节相对应的细节。此处，在每个阻隔元件18中存在矩形的凹陷部23，所述凹陷部防止或至少大大地限制冷却剂从活性区域8的后侧流到珠缘7的内部21。在所示的细节中，在分配区域20的左侧区域中示出了各自具有凹陷部23的其它阻隔元件18。借助于此，防止了冷却剂从分配区域20的后侧流到珠缘7的内部21。
图6A-C示出了根据本发明的双极板2并且具体地在每种情况下，在阻隔元件18、18”中的一个的区域中的不同细节，阻隔元件18、18”在图4A和4B中呈现并具有压入的凹陷部23、23”，这些凹陷部具体地用于防止或减少冷却剂从活性区域的后侧流入珠缘7的内部21。图6A-C中的剖切面各自垂直于双极板2和分离器板2a、2b的平面的表面平面。图6A示出了阻隔元件18”的凹陷部23”彼此接触并且完全阻止冷却剂在阻隔元件18”的区域中流入珠缘内部21。此外，可以从图6A-C得出的事实是，阻隔元件18、18”以部分重叠的方式布置，并且两块分离器板2a、2b的凹陷部23、23”也能垂直于双极板的平面的表面平面以重叠的方式布置(图6A、6B)以及以完全或至少部分地偏移的方式布置(图6C)。

Claims (28)

1.一种用于电化学系统（1）的双极板（2），包括两个分离器板（2a、2b），所述分离器板（2a、2b）中的每一个包括：
第一贯通开口（11c），所述第一贯通开口（11c）用于引导冷却剂通过所述分离器板（2a、2b）；
活性区域（8），所述活性区域（8）具有用于沿所述分离器板（2a、2b）的第一平坦侧引导反应介质的结构和用于沿所述分离器板（2a、2b）的第二平坦侧上的活性区域（8）的后侧引导冷却剂的结构；
珠缘（7），所述珠缘（7）与所述分离器板（2a、2b）形成为一体，用于至少密封所述活性区域（8）；以及
阻隔元件（18、18'、18''），所述阻隔元件（18、18'、18''）与所述分离器板（2a、2b）形成为一体；
其中，所述阻隔元件（18、18'、18''）
a. 布置在所述活性区域（8）和所述珠缘（7）之间
和/或
b. 布置在所述分离器板（2a、2b）的分配区域（20）和所述珠缘（7）之间，其中，所述分配区域（20）构造成用于将所述冷却剂从所述贯通开口（11c）引导到所述活性区域（8）的所述后侧，或者从所述活性区域（8）的所述后侧引导到在所述分离器板（2a、2b）的所述第二平坦侧上的贯通开口（11c）；并且
其中，所述阻隔元件（18、18'、18''）形成为使得它们减小或防止反应介质沿着所述珠缘（7）在所述分离器板（2a、2b）的所述第一平坦侧上流动，并经过所述活性区域（8）；
所述珠缘（7）将所述第一贯通开口（11c）和所述活性区域（8）两者完全包围在一起，并且所述阻隔元件（18、18'、18''）中的至少一个至少部分地凹陷，用于减少或防止冷却剂在该阻隔元件的在所述活性区域（8）的所述后侧和所述珠缘（7）的内部（21）之间和/或在所述分配区域的后侧和所述珠缘（7）的所述内部（21）之间的区域中、在所述分离器板（2a、2b）的所述第二平坦侧上流动，
其特征在于，所述分离器板（2a、2b）相互连接，其中，所述分离器板（2a、2b）的所述第一贯通开口（11c）以对齐的方式布置，用于形成所述双极板（2）的第一贯通开口（11c），其中，所述分离器板（2a、2b）封围用于引导冷却剂通过所述双极板（2）的腔室（22），并且其中，所述双极板（2）的所述第一贯通开口（11c）与所述腔室（22）流体连接。
2.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，具有用于引导冷却剂通过所述分离器板（2a、2b）的第二贯通开口，其中，所述珠缘（7）也完全包围所述第二贯通开口。
3.根据权利要求2所述的双极板（2），其特征在于，所述第一贯通开口（11c）和所述第二贯通开口布置在所述活性区域（8）的位于彼此相对的两侧上。
4.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，至少对于所述阻隔元件（18、18'、18''）中的一个或多个，凹陷部（23、23'、23''）在至少一个方向上在整个所述阻隔元件上延伸。
5.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，至少对于所述阻隔元件（18、18'、18''）中的一个或多个，凹陷部（23、23'、23''）与所述阻隔元件的边缘间隔开。
6.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，至少对于所述阻隔元件（18、18'、18''）中的一个或多个，凹陷部（23、23'、23''）具有细长的形状，并且平行于或基本上平行于所述珠缘（7）的主延伸方向对齐。
7.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，至少对于所述阻隔元件（18、18'、18''）中的一个或多个，凹陷部（23、23'、23''）设计为使得它减少至少百分之50的横截面，所述横截面垂直于所述分离器板（2a、2b）的平面的表面平面限定，在所述活性区域（8）的所述后侧和所述分离器板（2a、2b）的所述第二平坦侧上的所述珠缘（7）的所述内部（21）之间的连接部的位置，所述连接部由所述阻隔元件形成。
8.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，所述阻隔元件（18、18'、18''）中的至少一个或多个到达或达到所述活性区域（8）并且直到所述珠缘（7）。
9.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，所述阻隔元件（18、18'、18''）中的至少一个或多个至少部分地横向于所述珠缘（7）的主延伸方向对齐。
10.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，所述阻隔元件（18、18'、18''）中的至少一个或多个形成为使得相应的阻隔元件的垂直于所述分离器板（2a、2b）的平面的表面平面的横截面朝向所述珠缘（7）形成渐缩部（24）。
11.根据权利要求10所述的双极板（2），其特征在于，所述横截面沿着平行于所述分离器板（2a、2b）的所述平面的表面平面的方向形成渐缩部（24）。
12.根据权利要求10或11所述的双极板（2），其特征在于，所述渐缩部（24）至少相对于所述阻隔元件（18、18、18''）中的一个或若干个以阶梯状方式实现。
13.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，彼此邻近的所述阻隔元件（18、18'、18''）中的至少一些彼此连接，借助平行于所述珠缘（7）的主延伸方向对齐的连接部。
14.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，具有用于将冷却剂分配在所述活性区域（8）的后侧上的分配结构，其中，所述分配结构横向于所述冷却剂沿所述活性区域（8）的所述后侧的流动方向达到所述活性区域（8）的面向所述珠缘（7）的端部。
15.根据权利要求14所述的双极板（2），其特征在于，具有至少一个凹陷部（23、23'、23''），所述至少一个凹陷部（23、23'、23''）横向于沿着所述活性区域（8）的后侧的流动方向，以连续的方式从所述活性区域（8）延伸到所述珠缘（7）。
16.根据权利要求15所述的双极板（2），其特征在于，所述阻隔元件（18、18'、18''）布置成平行于所述珠缘（7）的主延伸方向的排，并且其中，从所述活性区域（8）连续地延伸到所述珠缘（7）的所述凹陷部（23、23'、23''）布置在该排的面向所述分配结构的端部处。
17.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，具有至少一个不带凹陷部（23、23'、23''）的阻隔元件。
18.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，具有第一端口珠缘（12c），所述第一端口珠缘（12c）完全包围所述第一贯通开口（11c）。
19.根据权利要求2或3所述的双极板（2），其特征在于，具有第二端口珠缘，所述第二端口珠缘完全包围所述第二贯通开口。
20.根据权利要求1所述的双极板（2），其特征在于，所述分离器板（2a、2b）由金属片材形成，其中，以下元件中的至少一个、多个或全部被压入所述分离器板（2a、2b）中：
所述珠缘（7）；
所述活性区域（8）的结构；
所述分配区域（20）的分配结构；
阻隔元件（18、18'、18''）；和/或
凹陷部（23，23'、23''）。
21.根据权利要求2或3所述的双极板（2），其特征在于，两块分离器板（2a、2b）的所述第二贯通开口以对齐的方式布置以形成所述双极板（2）的第二贯通开口，并且其中，所述双极板（2）的所述第二贯通开口与所述腔室（22）流体连接。
22.根据权利要求21所述的双极板（2），其特征在于，第一分离器板（2a）的所述阻隔元件（18、18'、18''）和第二分离器板（2b）的所述阻隔元件（18、18'、18''）以至少局部重叠的方式布置，并且其中，所述第一分离器板（2a）的所述阻隔元件（18、18'、18''）的凹陷部（23、23'、23''）和所述第二分离器板（2b）的所述阻隔元件（18、18'、18''）的凹陷部（23、23'、23''）布置成平行于所述双极板（2）的平面的表面平面至少部分地偏移。
23.根据权利要求21所述的双极板（2），其特征在于，第一分离器板（2a）的所述阻隔元件（18、18'、18''）和第二分离器板（2b）的所述阻隔元件（18、18'、18''）以至少局部重叠的方式布置，并且其中，所述第一分离器板（2a）的所述阻隔元件（18、18'、18''）的所述凹陷部（23、23'、23''）和所述第二分离器板（2b）的所述阻隔元件（18、18'、18''）的所述凹陷部（23、23'、23''）以至少局部重叠的方式布置。
24.根据权利要求21所述的双极板（2），其特征在于，封围在两块分离器板（2a、2b）之间的所述腔室（22）包括第一部分空间和第二部分空间，其中，所述第一部分空间封围在第一分离器板（2a）的所述活性区域（8）和第二分离器板（2b）的所述活性区域（8）之间，其中，所述第二部分空间封围在所述第一分离器板（2a）的所述珠缘（7）和所述第二分离器板（2b）的所述珠缘（7）之间，其中，所述双极板（2）的所述第一贯通开口（11c）和所述双极板（2）的第二贯通开口经由包括所述第一部分空间的第一流体连接部连接，并且其中，所述双极板（2）的所述第一贯通开口（11c）和所述双极板（2）的所述第二贯通开口经由包括所述第二部分空间的第二流体连接部连接，其中，所述第一流体连接部的最小横截面A1,min大于所述第二流体连接部的最小横截面A2,min。
25.根据权利要求24所述的双极板（2），其特征在于，A1,min≥ 10•A2,min。
26.根据权利要求25所述的双极板（2），其特征在于，A1,min≥ 25•A2,min。
27.一种具有布置在堆叠件中的多个根据权利要求1所述的双极板（2）的电化学系统（1），其特征在于，相应的膜电极组件布置在所述堆叠件的相邻双极板（2）之间，其中，在所述相邻双极板（2）的所述活性区域（8）中的膜电极组件各自包括离子导电聚合物膜（140），并且包括至少一个气体扩散层（15）。
28.根据权利要求27所述的电化学系统（1），其特征在于，所述膜电极组件的每个包括增强的边缘区域，所述增强的边缘区域与所述双极板（2）的所述阻隔元件（18、18'、18''）至少部分地重叠，所述双极板邻近所述膜电极组件。
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