CN115224297A - 在端口区域中具有均匀凸边强度的隔板 - Google Patents

在端口区域中具有均匀凸边强度的隔板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学系统的隔板，包括：用于流体通过的至少一个贯通开口，贯通开口具有界定贯通开口的缘部，其中，缘部具有带有弧形走向的至少一个角部区域和与角部区域邻接的带有直线形第一走向的第一区域；以及凸边布置，凸边布置围绕角部区域和第一区域延伸，其中，边缘部分跨接在凸边布置和缘部之间，使得凸边布置定位成与缘部有一定距离，其中，边缘部分在角部区域中具有切口，使得凸边布置距缘部的最小距离在角部区域中比在第一区域中更小。另外，本发明还涉及一种用于电化学系统的双极板并且涉及一种电化学系统。

Description

在端口区域中具有均匀凸边强度的隔板
技术领域
本发明涉及用于电化学系统的隔板，涉及包括两个这种隔板的双极板，并且涉及包括多个这种隔板或双极板的电化学系统。该电化学系统例如可以是燃料电池单体系统、电化学压缩机、氧化还原液流电池或者电解器。
背景技术
已知的电化学系统通常包括成堆叠的电化学电池单体，它们每种情况下在双极板之间彼此分开。这样的双极板可以用于例如间接地电接触单独电化学电池单体(例如燃料电池单体)的电极和/或电连接相邻的电池单体(电池单体串联)。双极板通常由被结合在一起的两个单独的隔板形成。双极板的隔板可以以材料粘接方式结合在一起，例如通过一个或多个焊接接头，特别是通过一个或多个激光焊接接头而结合在一起。
双极板和/或隔板可以各自具有或形成这样的结构，这些结构例如构造成对由相邻的双极板界定的电化学电池单体提供一种或多种介质，和/或从其中去除反应产物。该介质可以是燃料(例如氢或甲醇)或反应气体(例如空气或氧气)。此外，双极板和/或隔板可以具有用于引导冷却介质经过双极板的，特别是经过被双极板的隔板封围的腔体的结构。此外，双极板可以设计成可传递当在电化学电池单体中转换电能和/或化学能时所产生的废热，并且还相对于彼此和/或相对于外部来密封各种介质通道和冷却通道。
此外，双极板或隔板通常各自具有一个或多个贯通开口。经过这些贯通开口，介质和/或反应产物可以被传导到由堆叠的邻近的双极板所界定的电化学电池单体或者进入到由双极板的隔板形成的腔体中，或者可以被传导到电池单体外或者腔体外。贯通开口通常布置成彼此对齐并且形成在堆叠方向上延伸的流体管线，堆叠方向即垂直于相应隔板或双极板的板平面。
电化学电池单体通常还各自包括一个或多个膜电极组件(MEA)。膜电极组件可以具有一个或多个气体扩散层，这些扩散层通常定向成朝向双极板，并且设计成例如金属料毡或碳料毡(fleece)。
双极板与膜电极组件之间的密封通常发生在电化学活性区域之外，并且通常包括布置成围绕贯通开口的至少一个端口密封件和外部密封件，这些有可能形成为凸边布置。然而，至少端口密封件，但在一些情况下也包括外部密封件，通常旨在允许从贯通开口至电化学活性区域或来自电化学活性区域的介质的刻意设计的局部通路。为此，凸边布置可以具有通路，这些通路可以设计成开口或在它们侧翼中的隆起。
为了确保电化学系统的良好效率，通常有利的是使隔板或双极板的电化学活性区域的表面区域尽可能大，并且保持诸如贯通开口的其他结构的表面区域比例尽可能小。例如，可以提供不同形状的贯通开口，比如多边形，特别是矩形贯通开口，而不是圆形贯通开口，以便最有效地利用隔板的表面区域。于是，围绕贯通开口延伸的相关的端口密封件通常具有对应的多边形或矩形形状。
一般而言，由于相邻元件，例如邻接凸边布置的边缘的形状和走向，凸边布置的凸边刚度沿该凸边布置的主要延伸方向并不恒定。此外，凸边布置的不同类型的走向，例如直线或曲线部分，导致在具有不同类型走向的部分中的不同凸边刚度。上述影响因素可能导致凸边布置的弹性局部增加或减少，这继而可能对在其各个部分中的相应凸边布置的实际压缩有负面影响。在此有风险的是，介质将在较低压缩区域中流过凸边布置，和/或运行介质将流入到双极板的内部中，而冷却剂将流出到双极板的外部。一方面，有关的介质将因电化学系统的运行而损失，并且可能触发不受控制的反应，这些反应可能损坏系统。另一方面，有风险的是，例如冷却剂将进入运行介质的区域并且损坏在该处的MEA。
由于堆叠中的大量的双极板或单独板，在单个双极板或单个隔板中，凸边布置的压缩和回弹沿其走向的微小差异可能导致串联连接的凸边布置的回弹有相对较大的差异，使得单个隔板的微小差异对整个堆叠的泄漏密封性有重大影响。
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隔板和双极板，其能确保电化学系统尽可能有效地运行。此外，目的还在于规定一种包括多个堆叠的双极板的电化学系统。
这一目标通过根据独立权利要求的隔板、双极板和电化学系统实现。进一步的发展形成从属权利要求的主题，并且是下文描述的部分
用于电化学系统的隔板包括
-用于流体通过的至少一个贯通开口，该通开口具有界定贯通开口的缘部，其中缘部具有带有弧形走向的至少一个角部区域和与角部区域邻接的带有直线形的第一区域；以及
-凸边布置，该凸边布置围绕角部区域和第一区域延伸。
边缘部分跨接在凸边布置和缘部之间，使得凸边布置定位成与缘部有一定距离，其中在角部区域中边缘部分具有切口，使得凸边布置与缘部的最小距离在角部区域中比在第一区域中小。举例来说，在第一区域中，缘部与凸边脚的最小距离可以是2mm，而在角部区域的最窄区域中，边缘区域的对应宽度可以是0.2mm。因此，边缘区域在角部区域中可以减少到其在第一区域中的宽度的1/10。
由于角部区域中的贯通开口形状，凸边布置通常在该处具有更明显的曲率，这通常导致凸边布置在这种区域中有更大的刚度；特别是，压应力增加。通过在边缘部分中提供切口，可以防止隔板的材料在那里积聚压应力。因此，可以减少贯通开口的角部区域中的凸边布置的局部刚度，其结果是，当隔板安装在电化学系统中时，可以在凸边布置上实现更均匀的力分配。因此可以更好地确保安装在电化学系统中的隔板和相邻的隔板在整个围绕凸边布置的区域中以基本均匀的方式彼此接触。通过使在凸边布置周围的压缩力均匀化，可以减少隔板的不希望的局部变形。避免相邻双极板之间不希望的接触点，由此提供更好的短路保护。因此，总体而言，能够改善凸边布置的功能可靠性。
可以规定，切口面朝凸边布置的凹陷部分。举例来说，缘部在切口区域中同样可以具有凹陷走向，其中，举例来说，缘部的凹陷走向的半径较佳地可以比凸边走向的半径小。然而，在切口区域中，缘部也可以具有在其中至少一个凸起区域、至少一个凹陷区域和至少一个凸起区域交替的走向。在这种情况下，过渡部通常是流动的。切口的凸起区域通常直接邻接缘部的具有直线走向并且没有切口的区域。
可以规定，切口的曲率半径，特别是在凹陷部分中，至少为3mm，和/或凸边布置相对于在切口区域中的凸边的中间轴线的曲率半径至少为5mm。在切口区域中，缘部可以至少部分地遵循圆的一段、卵形的一段或椭圆的一段。可选地，在切口区域中，缘部和凸边布置至少部分地具有相同的走向，使得凸边布置与缘部的最小距离在该处恒定。
用于加强边缘部分的刚性结构可以设置在第一区域中。通常，由于切口，在角部区域中没有提供这种刚性结构。一方面，由于切口，通常没有空间用于这种刚性结构。另一方面，在角部区域中，实际上期望刚度降低。为了形成刚性结构，缘部可以至少部分地突伸出由隔板限定的板平面，特别是可以有意地在其中凸边合并到边缘部分中的平面外变形，在此也称为隔板的板平面。可选地，突伸出板平面的缘部借助于边缘部分的一部分形成用于边缘部分的刚性结构，该一部分同样从上述平面变形而出，特别是定位成与凸边有一定距离并沿缘部延伸的一部分。在缘部与凸边布置之间的边缘部分通常包括位于由隔板限定的板平面中的至少一个区域。这个区域可以作为接触区，其中隔板与另一个隔板接触。
可选地，凸边布置在面向第一区域的部分中具有周期性走向，较佳地波浪形走向，或者直线走向。在该第一区域中，凸边布置或凸边布置的主延伸方向大致平行于贯通开口的缘部延伸。凸边布置可以在四周上具有上述的周期性或直线走向，除了角部区域之外，可能也除了若干个角部区域，或者可以有周期性和直线走向部分的交替。凸边布置在面朝切口的部分中通常具有弧形的走向。
凸边布置通常设计成凸压结构，并且例如通过液压成型、凸压和/或深拉而可以在隔板的材料中整体成形。因此，凸边布置与隔板的材料整体成形。隔板可以各自是由金属片材制造，例如由不锈钢片材制造。它们也可以至少部分地涂覆。例如，凸边布置可以具有以下特征：
-基本平坦的凸边顶部、邻接凸边顶部的至少一个凸边侧翼，以及对于每个凸边侧翼有邻接凸边侧翼的凸边脚，或者
-曲线形的凸边顶部，该凸边顶部直接合并到曲线形或直线形的凸边侧翼中，以及对于每个凸边侧翼有邻接凸边侧翼的凸边脚。
替代的凸边形状，特别是复杂的凸边形状，也是可能的。
可选地，缘部具有邻接角部区域的带有直线第二走向的第二区域，其中第一区域和第二区域邻接角部区域的不同侧，即，布置在角部区域的每一侧上。带有直线形第一走向的第一区域的上述特征也可适用于带有直线形第二走向的第二区域，并可对其要求保护。此外，已提到的与第一区域连接的凸边布置和/或切口的上述特征也可适用于与第二区域连接，并要求保护。
具有直线形第一走向的第一区域和具有直线形第二走向的第二区域通常定向成彼此成角度，并封围第一角。特别是，如果切口设计成圆的一段，切口区域中的缘部可以跨过周向角。然而，上述的周向角也可以限定为具有不同形状的切口。缘部在切口区域中的周向角通常比上述第一角大，例如至少大10％或至少大20％。
贯通开口可以具有基本多边形的形状，例如三角形、四角形、长方形、正方形、五角形或六角形，并且可以设计成多边形，例如规则或不规则的多边形。对于其中n＞2的规则n边多边形，上述的第一角度可能是(n-2)/n*180°。多边形的边通常具有直线走向，参考上述的第一区域和上述的第二区域。在被凸边布置围绕的多边形的角部区域的至少一个中，较佳地是在每个中，相关的边缘部分可以具有上述的切口。
围绕贯通开口的凸边布置可以具有这样的通路，即，从贯通开口至电化学活性区域或来自电化学活性区域的介质的刻意设计的局部通路，这些通路可以设计成例如在凸边侧翼中的隆起或开口。这些通道较佳地不布置在角部区域中，但在一些情况下也可以布置在角部区域。
还提出了一种用于电化学系统的双极板。双极板包括两个相互连接的隔板，每个都是上述类型。在此，隔板的贯通开口和切口布置成彼此对齐，隔板的凸边布置背离彼此指向。双极板的隔板通常形成内部空间，该内部空间设计成用于冷却剂储存和/或穿过。
可以规定，跨接在凸边布置和缘部之间的相应隔板的边缘部分借助于至少一个焊接接头在相应第一区域中彼此连接。通常，由于在边缘部分中的切口，在角部区域中没有提供焊接接头。至少一个焊接接头可以选择性地包括一条连续的焊缝或彼此间隔开成行的多个焊接部分。焊接接头特别可以设置在上述接触区中。焊接接头通常独立于布置在凸边另一侧上的周向焊接接头设置，即，是附加设置的。
还提供了一种电化学系统。该电化学系统包括多个堆叠的上述类型的隔板和/或多个堆叠的上述类型的双极板，其中电化学电池单体在相邻双极板之间形成。该电化学系统例如可以是燃料电池单体系统、电化学压缩机、氧化还原液流电池或者电解器。
附图说明
在附图中示出隔板、双极板和电化学系统的示例性实施例，并且将在以下描述的基础上进行更详细的解释。在附图中：
图1以立体图示意性地示出了一种电化学系统，该电化学系统包括布置成堆叠的多个隔板或双极板；
图2以立体图示意性地示出了根据图1的系统的两个双极板，其具有布置在双极板之间的根据现有技术的膜电极组件(MEA)；
图3以平面图示意性示出了根据现有技术的隔板的一部分；
图4在三个子图4A、4B、4C中以一个平面图和两个截面图示意性地示出了根据一个实施例的贯通开口的区域中的隔板的一部分；
图5示意性地示出了在根据另一个实施例的贯通开口区域中的隔板的一部分；
图6在三个子图6A、6B、6C中以一个平面图和两个截面图示意性地示出了根据另一个实施例的贯通开口的区域中的隔板的一部分；以及
图7示意性地示出了在根据另一个实施例的贯通开口区域中的隔板的一部分。
在此以及在下文中，在不同附图中重复出现的特征在每种情况下由相同或相似的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了具有多个结构相同的金属双极板2的电化学系统1，这些金属双极板2布置成堆叠6并且沿z方向7堆叠。堆叠6的双极板2被夹在两个端板3、4之间。z方向7也将被称为堆叠方向。在本示例中，系统1是燃料电池单体堆叠。因此，堆叠的每两个相邻的双极板2在它们之间封围电化学电池单体，电化学电池单体例如用于将化学能转化为电能。为了形成系统1的电化学电池单体，在每种情况下，膜电极组件(MEA)布置在堆叠的相邻双极板2之间(例如，参见图2)。MEA通常在每种情况下都包含至少一个膜，例如电解质膜。此外，气体扩散层(GDL)可以布置在MEA的一个或两个表面上。
在替代实施例中，系统1也可以构造成电解器、电化学压缩机或者氧化还原液流电池(redox flow battery)。双极板也可以用在这些电化学系统中。于是，这些双极板的结构可以对应于本文详细说明的双极板2的结构，但在电解器、电化学压缩机或氧化还原液流电池的情况下，被传导到双极板上和/或穿过双极板的介质可以在每种情况下不同于用于燃料电池单体系统的介质。
z轴7以及x轴8和y轴9一起构成右手笛卡尔坐标系。双极板2各自限定板平面，在该板平面中，形成双极板的隔板彼此接触。隔板在其非变形区域也形成它们自己的板平面，其中双极板和隔板的板平面都各自定向成平行于x-y平面并且因此垂直于堆叠方向或z轴7。端板4具有多个介质端口5，经由这些端口可以将介质馈送到系统1，并且经由这些端口可以将介质从系统1排出。可以馈送到系统1和从系统1排出的介质可以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、诸如水蒸气或贫化的燃料的反应产物、或诸如水和/或乙二醇的冷却剂。
图2以立体图示出了与图1中的系统1相同类型的电化学系统的现有技术中已知的两个相邻的双极板2，以及布置在这些相邻的双极板2之间的现有技术已知的膜电极组件(MEA)，图2中的MEA 10在很大程度上被面向观察者的双极板2遮挡。双极板2由以材料连结方式结合在一起的两个隔板2a、2b形成，在图2中在每种情况下只有其中面向观察者的第一隔板2a可见，所述第一隔板遮挡第二隔板2b。隔板2a、2b可以各自是由金属片材制造，例如由不锈钢片材制造。隔板2a、2b可以通过材料形成的结合部连结在一起，材料形成的结合部例如是焊接、钎焊或粘接的，特别是通过激光束焊接接头连结的。彼此相邻的双极板2在每种情况下都界定一个电化学电池单体。
隔板2a、2b具有贯通开口，这些贯通开口彼此平齐并且形成双极板2的贯通开口11a-11c。当多个双极板2类型的双极板堆叠时，贯通开口11a-11c形成沿堆叠方向7延伸穿过堆叠6的导管(参见图1)。通常，由贯通开口11a-11c形成的管线中每一条都流体连接到系统1的端板4中的端口5中的一个。例如，冷却剂可以经由由贯通开口11a形成的管线引入到堆叠中或从堆叠排出。另一方面，由贯通开口11b、11c形成的导管可以实施为对系统1的燃料电池单体堆叠6的电化学电池单体提供燃料和反应气体，并且也可以实施为从堆叠中排出反应产物。介质传导贯通开口11a-11c在每种情况下基本上平行于板平面形成。堆叠的连续双极板的彼此平齐的贯通开口在基本垂直于板平面的方向上一起形成导管。
为了将贯通开口11a-11c与堆叠6的内部以及与周围环境密封隔开，第一隔板2a各自具有呈密封凸边12a-12c形状的密封布置，密封凸边12a-12c在每种情况下都布置成围绕贯通开口11a-11c，并且在每种情况下都完全包围贯通开口11a-11c。在双极板2背离图2的观察者的后侧上，第二隔板2b具有用于密封贯通开口11a-11c(未示出)的对应密封凸边。
在电化学活性区域18中，第一隔板2a在其面朝图2的观察者的前侧上具有流场17，该流场17具有用于沿着隔板2a的前侧引导反应介质的结构16。在图2中，这些结构由多个腹板(web)以及在这些腹板之间延伸并且由腹板界定的通道来限定。在双极板2面朝图2的观察者的前侧上，第一隔板2a另外各自具有至少一个分配或收集区域20。该分配或收集区域20包括被设计成成在活性区域18上分配介质和/或收集或汇集介质的结构，被分配的介质是已经从两个贯通开口11b中的第一个引入到分配或收集区域20中的介质，被收集或汇集的介质为从活性区域18流向贯通开口11b中的第二个的介质。在图2中，分配或收集区域20的分配结构同样由腹板以及在腹板之间延伸并且由腹板界定的通道来限定。一般而言，元件17、18、20因此可以视为介质传导的凸压结构。
密封凸边12a-12c具有引导贯通部13a-13c，其引导贯通部13a设在位于顶部的隔板2a的下侧上，并且设在在下方的隔板2b的上侧上，而引导贯通部13b则形成在位于顶部的隔板2a中，并且引导贯通部13c在下方的隔板2b中。例如，引导贯通部13a使冷却剂可能在贯通开口12a和分配区域之间通过，使得冷却剂到达隔板之间的分配区域，或从该处被引导出来。此外，通路13b能够使得氢气在贯通开口12b和上隔板2a的上侧的分配区域之间通过；这些通路13b的特征在于面朝分配区域并且与板平面成一定角度延伸的穿孔。因此，氢气例如从贯通开口12c流动经过通路13b而流到上隔板2a的上侧上的分配区域，或者以相反方向流动。通路13c能够使得空气例如在贯通开口12c和分配区域之间穿过，使得空气到达下隔板2b的下侧上的分配区域并且被从该处引导出来。相关的穿孔在此是不可见的。
第一隔板2a各自还具有呈外周凸边12d形式的另外的密封布置，外周凸边12d围绕活性区域18的流场17、分配或收集区域20和贯通开口11b、11c行进，并将它们与贯通开口11a，也就是与冷却剂回路，以及与系统1的周围环境密封隔开。第二隔板2b各自包括对应的外周凸边。活性区域18的结构16、分配或收集区域20的分配或收集结构、以及密封凸边12a-12d各自被形成为与隔板2a成一件，并且例如以凸压工艺、深冲(deep drawing)工艺或液压成形工艺而整体地形成在隔板2a中。这通常同样适用于第二隔板2b的对应的分配结构和密封凸边。在由外周凸边12d环绕的区域之外，在每个隔板2a、2b中形成外边缘区域22，其中没有布置通道。外边缘区域22通常是平坦的并且基本上平行于各个隔板2a、2b的板平面延伸。
两个贯通开口11b或者由贯通开口11b形成的穿过系统1的板堆叠的管线各自经由密封凸边12b中的通路13b、经由分配或收集区域20的分配结构、以及经由朝向图2的观察者的第一隔板2a的活性区域18中的流场17而彼此流体连接。类似地，两个贯通开口11c或者由贯通开口11c形成的穿过系统1的板堆叠的管线各自经由对应的凸边通路、经由对应的分配结构、以及经由背离图2的观察者的第二隔板2b外部上的对应的流场而彼此流体连接。相反，贯通开口11a或者由贯通开口11a形成的穿过系统1的板堆叠的管线各自经由被隔板2a、2b封围或环绕的腔体19而彼此流体连接。腔体19在每种情况下用于将冷却剂引导通过双极板2，特别是用于冷却双极板2的电化学活性区域18。
双极板2的隔板2a、2b可以各自地由例如厚度小于100μm的不锈钢片材形成。双极板2通常具有基本矩形的形状。
图3在平面图中示出了根据现有技术的另一个双极板2的一部分。像图2所示的双极板2那样，图3所示的双极板2实际上由两块金属隔板2a、2b组装而成，隔板2b被面向图3的观察者的隔板2a遮挡。
双极板2同样具有用于使介质通过双极板2的贯通开口11a-11c。在此，在双极板2的相对两侧或两端处的贯通开口11a-11c彼此流体连接。贯通开口11a-11c中每一个都被密封凸边12a、12b、12c环绕，这些密封凸边设计成用来封住贯通开口11a-11c。密封凸边12a-12c有时被称为端口密封件。此外，双极板2的隔板2a具有外周凸边12d。与图2所示的双极板2的外周凸边12d相反，图3所示的双极板2的外周凸边12d不仅环绕活性区域18、分配或收集区域20以及贯通开口11b和11c，而且附加地还环绕贯通开口11a；因此它环绕所有贯通开口11a-11c。
与图2所示的双极板2相比，图3所示的双极板2的隔板2a的分配或收集区域20也具有矩形或基本矩形的形状，分配或收集区域20的边缘平行于双极板2的侧边缘延伸。分配和收集区域20具有分配结构，其设计成在活性区域18上尽可能均匀地分配从贯通开口11b流到活性区域18的介质，或者收集从活性区域18流到贯通开口11b的介质。在图3的双极板2的隔板2a的情况中，分配或收集区域20的分配结构包括小块状隆起(nub-like elevation)而不是线性通道和腹板。
以类似于图2的方式，在图3的双极板2的隔板2a的情况中，带有附图标记11a的第二贯通开口经由通过密封凸边12a的通路13a以及经由被双极板2的隔板2a、2b封围的腔体19(在平面图中不可见)而彼此流体连接。双极板2的隔板2a的带有附图标记11c的贯通开口经由通过密封凸边12c的通路13c并且经由分配和收集区域20，以及经由在图3中被遮挡的隔板2b的活性区域18而彼此流体连接。
以不同于图2的方式，双极板2或双极板2的隔板2a、2b的贯通开口11a-11c各自都具有基本矩形的形状。贯通开口11a-11c各自通过缘部23a-23c限定，每个缘部23a-23c都具有四个带有曲线形走向的角部区域27，并且四个带有直线走向的区域26位于角部区域27之间。边缘部分28跨接在密封凸边12a-12c和缘部23a-23c之间，使得密封凸边12a-12c定位成与缘部23a-23c有一定距离。贯通开口11a-11c的缘部23a-23c可以定向成平行于双极板2的侧边缘。贯通开口11a-11c布置成沿y方向9彼此靠近，并且因此横向于双极板2的纵向方向，并且定向成沿x方向8彼此对称或基本对称。由于贯通开口11a-11c的矩形形状，与图2的圆形的贯通开口11a-11c相比，双极板2或隔板2a、2b的表面区域可以更好地利用。特别是，外边缘区域22所使用的表面区域可以因此减少或最小化。
由于与之相关的贯通开口11a-11c为圆形，图2所示的双极板2或隔板2a、2b的密封凸边12a-12c通常也具有圆形走向。因此，安装在系统1中的双极板2的密封凸边12a-12c的压缩沿其延伸方向基本均匀。
由于图3的双极板2或隔板2a、2b的基本矩形贯通开口11a-11c，相关的密封凸边12a-12c通常也具有基本矩形走向，该基本矩形走向包括四个子部分24和四个角部区域25。由于密封凸边12a-12c在其角部区域25中的曲线形或弯曲形状的走向，密封凸边12a-12c在该处通常比在其子部分24中具有更大的刚度，子部分24通常具有直线走向。因此，密封凸边12a至12c具有沿着它们的走向的不同程度的压缩或回弹，特别是在双极板2的安装状态下，即，特别是在堆叠6中。
由于在堆叠6中的大量的双极板2或单独隔板2a、2b，在单个双极板2或单个金属隔板2a、2b中，相应密封凸边12a-12c的压缩和回弹沿其走向的微小差异会导致串联连接的密封凸边12a-12c的回弹有相对较大的差异，使得单独隔板2a、2b的微小差异会对整个堆叠6的泄漏密封性有重大影响。
已经设想了本发明一方面是为了最有效地使用双极板2或隔板2a、的表面区域，并且另一方面是为了确保在贯通开口11a-11c区域有最佳的泄漏密封性。
本发明的各种实施例在图4-7中示出，为清晰起见，在此只示出了贯通开口11a-11c中的一个的一部分。为了明确，这可以是贯通开口11a-11c中的任何一个，下文将使用标记11和12而不是上文已经使用过的区别符号a、b或c。
从图4-7可以看出，贯通开孔11具有界定该贯通开孔11的缘部23，缘部23具有至少一个带有曲线形走向的角部区域27和与角部区域27邻接的带有直线第一走向的第一区域26。角部区域27的其他侧通常与直线第二走向的第二区域26邻接。换言之，第一区域26和第二区域26在两侧都与角部区域27邻接。由于它们的结构和功能的相似性，这两个直线形区域26都有相同的附图标记。下文提到的仅与第一区域26有关的特征也可以适用于第二区域26，反之亦然。
还提供了呈密封凸边形式的凸边布置12，该密封凸边围绕角部区域27、第一区域26和第二区域26延伸。边缘部分28跨接在凸边布置12和缘部23之间，使得凸边布置12定位成与缘部23有一定距离。边缘部分28在角部区域27中具有切口30，使得在角部区域27中凸边布置12与缘部23的最小距离d1小于在相邻的带有直线走向的区域26中凸边布置12与缘部23的最小距离d2。由于凸边布置12与缘部23的减小的距离d1，凸边布置12的角部区域25在贯通开口11的角部区域27中的刚度可以降低，并且可以与凸边布置12的相邻的子部分24的刚度匹配。
从图4A、6A和7中可以看出，切口30面朝凸边布置12的凹陷部分。在图5中，由于其中的凸边12的波浪形走向甚至在角部区域25中，切口30面朝凸边布置12的多个凹陷部分。
在切口30的区域中，缘部23通常具有中央凹陷区域32，其通过凸起区域31、33而在两侧上翼接(flank)。缘部23的凸起区域31、33各自直接邻接缘部23的直线部分26。在可选的实施例中，缘部23和凸边布置12在切口30的区域中具有部分相同或相似的走向，使得凸边布置12与缘部23的最小距离d1在该处恒定。在例如图4A、4C和7中可以看到这样的实施例。
在切口30的区域中，缘部23可以至少部分地遵循圆的一段、卵形的一段或椭圆的一段。因此，切口30的曲率半径可以部分是恒定的(例如在圆的一段的情况下)，或者可以沿缘部23是变化的。在一些实施例中，切口30的曲率半径至少为3mm。在切口形状为槽的情况下，如图6A所示，曲率半径也可以小于3mm，但不应当小于0.5mm。由于凸边布置12布置成围绕切口并定位得一步向外，其曲率半径通常较大。可以规定，在切口30的区域中凸边布置12的走向相对于凸边布置12的中间轴线N的曲率半径至少为5mm。
缘部23的直线延伸的区域26通常以一定角度相对彼此定向，并封围第一角
Figure BDA0003601953960000131
为了清楚起见，该第一角
Figure BDA0003601953960000132
只在图7中示出；然而，在图4-6的实施例中，缘部23的区域26也同样以一定角度相对彼此定向。虽然在图7中第一个角度
Figure BDA0003601953960000133
小于90°，但它也可以是90°(参见图4-6)或更大，这取决于贯通开口11的形状。由于图4-7中的边缘部分28具有切口30，而且凸起区域31、凹陷区域32和凸起区域33交替，在切口30区域中的缘部23的周向角β大于第一角
Figure BDA0003601953960000141
例如至少大10％或至少大20％。
在仅仅是缘部23的倒圆角部，而在贯通开口11的角部区域27中没有切口30的情况下，缘部23的相关的周向角β将等于第一角
Figure BDA0003601953960000142
作为比较，图3示出了被缘部23的直线部分26封围的角度α。在角部区域27中，缘部23的周向角等于角度α，并且在图3中，由于贯通开口11a-11c的矩形形状而大约是90°。
被跨接在凸边布置12和缘部23之间的相应隔板2a、2b的边缘部分28通常借助于至少一个焊接接头彼此连接。在在此应当注意的是，由于边缘部分28中的切口30，在角部区域27中没有提供焊接接头。至少一个焊接接头可以包括一个连续的焊缝35(参见图5)或彼此间隔开的成行的多个焊接部分36(参见图4)。图4的焊接部分36可以面朝波浪形凸边布置12的凹陷部分。焊缝35和焊接部分36有利地布置在边缘部分28的这样的区域中，即，该区域大约位于缘部23与凸边脚之间的中间；在图4A的示例中，它与缘部23的距离大于d1。较佳地，在切口30的区域中不存在焊缝35或不存在焊接部分36。
为了进一步均衡凸边布置12的区域24、25的刚度，和/或加强在缘部23的直线区域26中的边缘部分28的刚度，可以在第一区域26中设置用于加强边缘部分28的刚性结构29。相反，由于切口30，在角部区域27中没有提供这种刚性结构。可选地，缘部23至少部分地突伸出由隔板2a、2b限定的板平面，其中突伸出板平面的缘部23形成用于边缘部分28的刚性结构29。缘部23突伸出板平面的任何地方，隔板2a、2b可以移动开来并且定位成在z方向上彼此成一定的距离，如图4B中所示。替代地，两块隔板2a、2b的缘部23也可以在同一方向上突伸并彼此抵靠，但在此没有示出。相反，图6B示出了其中省略了刚性结构29实施例。
如上文在图2和图3的基础上解释的，隔板2a、2b可以结合在一起以形成双极板2。在这种情况下，隔板2a、2b的贯通开口11和切口30彼此对齐布置，隔板2a、2b的凸边布置12背离彼此指向，如图4A、4B、4C、6A、6B、6C所示。
在接触区中，隔板2a、2b至少部分地相互平放抵靠，并且彼此进行接触。接触区和边缘部分28可以由同一个元件形成。隔板2a、2b在接触区中可以以材料结合方式彼此连接，例如借助于至少一个焊接接头、激光焊接接头、钎焊接头和/或粘合剂结合，同样参考上文提到的焊接接头35、36。
凸边布置12在面向第一区域26的部分中可以具有周期性走向，特别是波浪形的走向，参考图4和5。在替代实施例中，凸边布置12的走向在面向第一区域26的部分中具有直线的走向，参考图6和7。凸边布置12在面向切口30的部分中可以具有弧形走向，参考图4、6和7。在图5的实施例中，凸边布置12在面向切口30的部分中具有波浪形的走向。在很多情况下，凸边布置12具有基本平坦的凸边顶部，至少一个邻接凸边顶部的凸边侧翼，并且对于每个凸边侧翼有邻接该凸边侧翼的凸边脚，参考图4-7，特别是图4B、4C、6B、6C的截面图。然而，凸边布置12不限于此。替代地，凸边布置12可以具有曲线形的凸边顶部，其直接合并到曲线形或直线形的凸边侧翼中，以及对于每个凸边侧翼有邻接该凸边侧翼的凸边脚。从图4B和4C或6B和6C可以清楚示出，上述距离d1或d2在每种情况下都是在凸边布置12的起始处，即凸边脚，并且一直延伸到相应层2a、2b的缘部23；它覆盖了区域28的整个宽度。由于凸边12的波浪形走向，该距离d2在图4B中在d2，min和d2，max之间变化，而在图6B中保持恒定。
此处应当强调的是，图1-3所示的至少一些特征可以与图4-7所示的特征结合，只要它们不相互矛盾。
附图标记列表：
1 电化学系统
2 双极板
2′ 双极板
2a 单独板
2b 单独板
3 端板
4 端板
5 介质端口
6 堆叠
7 z方向
8 x方向
9 y方向
10 膜电极组件
11 贯通开口
11a-11c 贯通开口
12 密封凸边
12a-12c 密封凸边
13a-13c 引导贯通部
14 膜
15 边缘部分
16 用于引导流体的结构
17 流场
18 电化学活性区域
19 腔体
20 分配和收集区域
22 外边缘区域
23 缘部
23a-23c 缘部
24 子部分
25 角部区域
26 直线部分
27 角部区域
28 边缘部分
29 刚性结构
30 切口
31 凸起部分
32 凹陷部分
33 凸起部分
35 焊接接头
36 焊接接头
d1 在角部区域27中凸边布置12与缘部23的最小距离
d2 在直线部分26中凸边布置12与缘部23的最小距离
α 在角部区域27中缘部23的周向角
β 在角部区域27中缘部23的周向角
Figure BDA0003601953960000171
第一角

Claims (17)

1.用于电化学系统(1)的隔板(2a、2b)，包括：
-用于流体通过的至少一个贯通开口(11)，所述贯通开口(11)具有界定所述贯通开口(11)的缘部(23)，其中，所述缘部(23)具有带有弧形走向的至少一个角部区域(27)和与所述角部区域(27)邻接的带有直线形第一走向的第一区域(26)；以及
-凸边布置(12)，所述凸边布置(12)围绕所述角部区域(27)和所述第一区域(26)延伸，
其中，边缘部分(28)跨接在所述凸边布置(12)和所述缘部(23)之间，使得所述凸边布置(12)定位成与所述缘部(23)有一定距离，
其中，所述边缘部分(28)在所述角部区域(27)中具有切口(30)，使得所述凸边布置(12)距所述缘部(23)的最小距离(d1)在所述角部区域(27)中比在所述第一区域(26)中更小。
2.根据前一权利要求所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述切口(30)面向所述凸边布置(12)的凹陷部分。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，在所述切口(30)的区域中，所述缘部(23)具有在其中至少一个凸起区域(31)、至少一个凹陷区域(32)和至少一个凸起区域(33)交替的走向。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，在所述切口(30)的区域中，所述缘部(23)至少部分地遵循圆的一段、卵形的一段或椭圆的一段。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，在所述切口(30)的区域中，所述缘部(23)和所述凸边布置(12)至少部分地具有相同的走向，使得所述凸边布置(12)距所述缘部(23)的最小距离(d1)在该处恒定。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述缘部(23)具有邻接所述角部区域(27)的带有直线形第二走向的第二区域(26)，其中，所述第一区域(26)和所述第二区域(26)邻接所述角部区域(27)的不同侧。
7.根据前一权利要求所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，带有所述直线形第一走向的所述第一区域(26)和带有所述直线形第二走向的所述第二区域(26)定向成彼此成角度并且封围第一角
Figure FDA0003601953950000021
其中，在所述切口(30)区域中的所述缘部(23)的周向角(β)大于所述第一角
Figure FDA0003601953950000022
8.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，用于加强所述边缘部分(28)的刚性结构(29)设置在所述第一区域(26)中，其中，由于所述切口(30)，在所述角部区域(27)中没有设置这种刚性结构。
9.根据前一权利要求所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述缘部(23)至少部分地突伸出由所述隔板(2a、2b)限定的板平面，其中，突伸出所述板平面的所述缘部(23)形成用于所述边缘部分(28)的所述刚性结构(29)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述凸边布置(12)在面朝所述第一区域(26)的部分中具有周期性走向，较佳地波浪形走向。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述凸边布置(12)在面向所述切口(30)的部分中具有弧形的走向。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述凸边布置(12)具有：
-基本平坦的凸边顶部、邻接所述凸边顶部的至少一个凸边侧翼，以及对于每个凸边侧翼有邻接所述凸边侧翼的凸边脚，或者
-曲线形的凸边顶部，所述凸边顶部直接合并到曲线形或直线形的凸边侧翼中，以及对于每个凸边侧翼有邻接所述凸边侧翼的凸边脚。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的隔板(2a、2b)，其特征在于，所述切口(30)的曲率半径至少为3mm，和/或所述凸边布置(12)的所述走向相对于在所述切口(30)的区域中的所述凸边布置(12)的中间轴线的曲率半径至少为5mm。
14.用于电化学系统(1)的双极板(2)，所述双极板包括两个相互连接的隔板(2a、2b)，每个隔板是根据前述权利要求中的任一项所述的隔板，其中，所述隔板(2a、2b)的所述贯通开口(11)和所述切口(30)布置成彼此对齐，所述隔板(2a、2b)的所述凸边布置(12)背离彼此指向。
15.根据前一权利要求所述的双极板(2)，其特征在于，跨接在所述凸边布置(12)与所述缘部(23)之间的相应所述隔板(2a、2b)的边缘部分(28)借助于至少一个焊接接头彼此连接，其中，由于所述边缘部分(28)中的所述切口(30)，在所述角部区域(27)中没有设置焊接接头。
16.根据前一权利要求所述的双极板(2)，其特征在于，所述至少一个焊接接头包括一条连续的焊缝或彼此间隔开的成行的多个焊接部分。
17.电化学系统(1)，所述电化学系统包括多个堆叠的根据权利要求1-13中任何一项所述的隔板(2a、2b)和/或多个堆叠的根据权利要求14-16中任何一项所述的双极板(2)。
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