CN116601810A - 用于电化学电池的双极板、电化学电池组件和运行电化学电池组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学电池(1)的双极板(7)，其包括第一单极板(13)和第二单极板(17)、至少一个端口(55)、密封件(47)和活性面(53)，其中，所述第一单极板(13)和/或所述第二单极板(17)具有至少一个开口元件(111)，用于穿引至少一种介质(29)，所述至少一个开口元件(111)布置在所述至少一个端口(55)和所述活性面(53)之间并且具有第一开口面(113)和第二开口面(115)，其中，所述第一开口面(113)和所述第二开口面(115)具有共同的边线(117)，并且所述第一开口面(113)和所述第二开口面(115)以30°至120°范围内的转向角(119)相对彼此布置。此外，本发明涉及一种电化学电池(1)的组件(69)和一种用于运行电化学电池(1)的组件(69)的方法。

Description

用于电化学电池的双极板、电化学电池组件和运行电化学电 池组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池的双极板，其包括第一单极板和第二单极板、至少一个端口、密封件和活性面。此外，本发明还涉及一种电化学电池组件，其至少包括双极板和至少一个膜电极组件，以及一种用于运行电化学电池组件的方法。
背景技术
电化学电池是电化学能量转换器并且以燃料电池或电解装置的形式已知。
燃料电池将化学反应能量转换成电能。在已知的燃料电池中，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转换成水(H2O)、电能和热量。
尤其是，已知质子交换膜(Proton Exchange Membrane＝PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池包括布置在中央的膜，该膜对于质子(即氢离子)是可穿透的。氧化剂、尤其空气氧由此在空间上与燃料、尤其氢分离。
燃料电池包括阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处连续地供应，并且在放出电子的情况下催化氧化成质子，所述质子到达阴极。所放出的电子从燃料电池导出，并通过外部电路流向阴极。氧化剂在燃料电池的阴极处供应，并且通过从外部电路接受电子和质子而反应成水。由此产生的水从燃料电池中导出。总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间存在电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继地布置成燃料电池堆，该燃料电池堆也被称为“Stack”或燃料电池结构，并且串联地电连接。
电化学电池的堆(其可以被称为电化学电池组件)通常具有端板，所述端板将各个电池相互挤压并且赋予所述堆稳定性。
电极(即阳极和阴极)和膜可以在结构上组合成膜电极组件(MEA)，其也被称为“Membrane Electrode Assembly”。
电化学电池的堆进一步包括双极板，其也被称为气体分布板或分布板。双极板用于将燃料均匀地分布到阳极上以及将氧化剂均匀地分布到阴极上。除了关于氧气、氢气、水和必要时冷却剂的介质引导之外，双极板还确保与膜的面式电接触。
例如，燃料电池堆通常包括分层堆叠的多达数百个的单个燃料电池。单个燃料电池包括MEA并且分别在阳极侧和阴极侧上包括双极板半部。燃料电池尤其包括阳极单极板和阴极单极板，其通常分别为冲压的板材的形式，它们共同形成双极板并因此形成用于引导气体和液体的通道，并且冷却介质可以在它们之间流动。
此外，电化学电池通常包括布置在双极板和MEA之间的气体扩散层。
相对于燃料电池，电解装置是能量转换器，其优选在施加电压的情况下将水裂解成氢气和氧气。电解装置尤其还包括MEA、双极板和气体扩散层。
堆中的电化学电池常常通过垂直于电化学电池的膜布置的介质通道来供给介质、尤其氢气和氧气，或者将其导出。介质通道通过端口(也可以称为流体接头)与电化学电池、尤其与双极板流体连接。介质通道通常位于堆的边缘处，并且经常通过彼此重叠布置的留空来产生，所述留空形成端口。从端口将介质通过端口穿引部引导到所谓的流场、双极板或膜的活性面中。
尤其是，指向MEA的用于空气或氢气的端口穿引部构型为使得端口穿引部一方面为流入和流出的介质提供尽可能大的开口，并且另一方面为布置在MEA的对侧上的密封件提供尽可能好的机械支撑作用。
双极板的活性面以及端口必须密封，并且同时确保介质在所提供的密封的情况下能够可靠地被引导到所属的通道中，使得能够实现均匀的反应和电能的产生。也要确保的是，当在电化学电池组件中存在高的张紧力时，其中，穿通部不允许被压扁、遮盖或阻挡。
DE 10158772 C1和DE 10248531 B4涉及具有由多个燃料电池构成的层的燃料电池堆，其中，通过双极板导入或导出介质并且设置用于密封的筋组件。
发明内容
提出一种用于电化学电池的双极板，其包括第一单极板和第二单极板、至少一个端口、密封件和活性面，其中，第一单极板和/或第二单极板具有用于引导至少一种介质的至少一个开口元件，所述至少一个开口元件布置在至少一个端口和活性面之间并且具有第一开口面和第二开口面，其中，第一开口面和第二开口面具有共同的边线，并且第一开口面和第二开口面以30°至120°、优选30°至90°、进一步优选60°至90°的范围内的转向角相对彼此布置。
此外，提出一种电化学电池组件，其包括至少一个根据本发明的双极板和至少一个膜电极组件，其中，至少一个开口元件布置在至少一个双极板上，使得至少一个开口元件的壳式面/周面贴靠在至少一个膜电极组件或相应的另一单极板上。
此外，提出一种用于运行电化学电池组件的方法，其中，至少一种介质从至少一个端口通过至少一个开口元件引导至活性面，并且至少一种介质的流动方向在穿过第一单极板或穿过第二单极板时以转向角转向。
优选为燃料电池或电解装置的电化学电池优选包括至少一个根据本发明的双极板、至少一个气体扩散层和至少一个膜或膜电极组件。尤其是，在两个双极板之间分别布置一膜电极组件。优选为燃料电池堆的电化学电池组件优选包括至少一个膜电极组件、至少一个根据本发明的双极板、进一步优选至少两个根据本发明的双极板和至少一个端口。所述至少一个端口可以是入口或出口。
双极板优选包括碳(例如石墨)、金属(例如不锈钢或钛)和/或包含金属的合金。进一步优选地，双极板由碳、金属和/或合金构成。
所述至少一种介质优选包括氢气、空气或氧气、水和/或冷却介质，进一步优选所述至少一种介质包括冷却介质、氢气或包含氧气和/或水的混合物。
至少一个开口元件也可以称为第一单极板或第二单极板的贯通元件、穿口元件或中断元件。优选地，第一单极板和/或第二单极板具有多个开口元件。
此外，开口元件可以称为帽件。优选地，开口元件具有从第一开口面延伸至第二开口面的壳式面。尤其是，至少一个开口元件由第一开口面、第二开口面和壳式面构成。此外，壳式面优选是直的、弯曲的和/或弯折的。在弯折的壳式面的情况下，壳式面的一部分面尤其平行于第一单极板或第二单极板的基板布置。尤其是，壳式面将第一开口面与第二开口面连接。第一开口面和/或第二开口面优选具有基本上矩形的形状，其中，能够存在倒圆的角部。
优选地，借助于切割和造型由第一单极板或第二单极板制造开口元件，其中，尤其形成第一开口面、第二开口面和壳式面。通过形成壳式面，第一开口面对于至少一种介质是能够穿流的。
优选地，第一开口面位于第一单极板或第二单极板的(也称为基面或底面的)基板中，其中，尤其在制造开口元件时将壳式面从基板中移除。
优选地，第一开口面大于第二开口面。此外，第二开口面优选通过至少一个开口元件的尤其完全敞开的一侧形成。
优选地，密封件包围至少一个端口。密封件能够仅包围至少一个端口并且优选仅包围恰好一个端口。此外，密封件可以包围活性面。至少一个开口元件优选布置在密封件上，使得至少一种介质能够通过开口元件克服密封件。
密封件优选是密封筋，进一步优选是金属的密封筋。更优选地，至少一个开口元件布置在密封筋中，使得至少一种介质能够通过开口元件克服密封筋。
替代地，双极板可以具有密封件，所述密封件包括尤其弹性的密封材料如聚合物，其中，至少一个开口元件优选在第一单极板或第二单极板的基板中布置在密封件处，使得借助于至少一个开口元件能够克服密封件，用于将至少一种介质从至少一个端口穿引至双极板的活性面。
优选地，双极板具有至少两个开口元件。所述至少两个开口元件进一步优选地布置在至少一排中或相对彼此错开地布置。所述至少两个开口元件可以以基本上相同的间距相对彼此布置和/或具有基本上相同的宽度。替代地，所述至少两个开口元件可以以彼此不同的间距来布置和/或分别具有不同的宽度。此外，所述至少两个开口元件可以交替地以不同的宽度布置。
所述间距尤其理解为两个相邻的开口元件之间的最短连接部。基本上相同的间距和基本上相同的宽度尤其理解为，间距或宽度比所有存在于双极板上的开口元件的平均间距或平均宽度不大30％、尤其不大10％。
通过至少一个开口元件，即使在电化学电池组件中的张紧力高的情况下也能够确保至少一种介质穿引通过密封元件。介质可以从至少一个端口引导到活性面的所属的通道结构中，并且同时至少一个开口元件尤其通过其壳式面用于支撑电化学电池组件的各个部件、尤其双极板或者单极板和/或膜电极组件的彼此间的各个部件，以便防止介质供应的不期望的压缩并且因此防止局部阻塞。相应地，至少一个开口元件也用作电化学电池组件的相邻部件之间的间隔保持件。尤其是，当壳式面具有弯折或有棱角的形状时，通过至少一个开口元件确保面式的支撑。
附图说明
借助于附图和以下描述进一步阐述本发明的实施方式。
附图示出：
图1电化学电池的示意图，
图2双极板的局部的俯视图，
图3电化学电池组件的局部的横截面视图，
图4根据本发明的在双极板上的开口元件，
图5具有密封筋的双极板的局部的横截面视图，
图6具有密封筋和根据本发明的开口元件的双极板的局部的横截面视图，
图7具有密封件和根据本发明的开口元件的双极板的局部的横截面视图，
图8开口元件的第一实施方式，
图9开口元件的第二实施方式，和
图10开口元件的第三实施方式。
在本发明的实施方式的以下描述中，相同或相似的元件以相同的附图标记表示，其中，在个别情况下不重复描述这些元件。附图仅示意性地示出本发明的主题。
具体实施方式
图1示意性地示出了燃料电池形式的电化学电池1。电化学电池1具有膜电极组件4、气体扩散层5以及第一单极板13和第二单极板17。氧气9在第一单极板13和膜电极组件4之间流动，并且氢气11在第二单极板17和膜电极组件4之间流动。氢气11和氧气9在膜电极组件4中通过密封筋57彼此密封。
图2示出双极板7的局部的俯视图，该双极板具有端口55和活性面53以及密封筋57的形式的密封件47。介质29(可包括氢气11或氧气9)从端口55通过根据现有技术的穿口109通过密封件47引导至活性面53。
图2示出了具有密封筋57的双极板7的局部的横截面视图，该双极板具有根据现有技术的穿口109。
图3示出了电化学电池1的组件69的局部的横截面视图。膜电极组件4布置在两个双极板7之间。该局部尤其示出了端口55，氢气11从该端口55引导至双极板7或膜2的活性面53。双极板7分别具有第一单极板13和第二单极板17。
图4示出了根据本发明的开口元件111，其也可称为帽件。具有宽度125的开口元件111具有壳式面121，该壳式面从第一开口面113延伸至第二开口面115。第一开口面113和第二开口面115具有共同的边线117。此外，第一开口面113位于双极板7的基板123中。
图5示出了带有密封筋57的双极板7的局部的横截面视图。第一单极板13具有用于从端口55穿引介质29的穿口109。
图6示出了双极板7的局部的横截面视图，该双极板基本上对应于根据图5的双极板7，区别在于，介质29被引导通过根据本发明的开口元件111，而不是根据现有技术的穿口109。开口元件111的壳式面121贴靠在膜电极组件4上，该膜电极组件关于布置有开口元件111的第一单极板13相邻地布置，并且所述壳式面支撑该膜电极组件，使得开口元件111的第二开口面115尤其保持打开用于使介质29穿流。
图7示出了双极板7的局部的横截面图，该双极板与图5和图6相比具有密封件47的一种替代的实施方式。介质29通过开口元件111克服/越过密封件47，该开口元件111布置成使得位于第一单极板13上的开口元件111的壳式面121贴靠在第二单极板17上并支撑该第二单极板。
图8示出了开口元件111的第一实施方式，其中，存在弯曲的壳式面121。此外，标记出介质29的转向角119以及流动方向49。位于双极板7的基板123中的第一开口面113以转向角119相对于第二开口面115布置，所述开口面分别由介质29穿流。
图9示出了开口元件111的第二实施方式，其中，存在直的壳式面121。
图10示出了开口元件111的第三实施方式，其中，存在弯折的壳式面121。在弯折的壳式面121的情况下，尤其是壳式面121的一部分面127平行于基板123布置。
本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。相反，在通过权利要求说明的范围内可实现处于本领域技术人员处理的范围内的多个变型。

Claims (10)

1.一种用于电化学电池(1)的双极板(7)，其包括第一单极板(13)和第二单极板(17)、至少一个端口(55)、密封件(47)和活性面(53)，其中，所述第一单极板(13)和/或所述第二单极板(17)具有至少一个开口元件(111)，用于穿引至少一种介质(29)，所述至少一个开口元件(111)布置在所述至少一个端口(55)和所述活性面(53)之间并且具有第一开口面(113)和第二开口面(115)，其中，所述第一开口面(113)和所述第二开口面(115)具有共同的边线(117)，并且所述第一开口面(113)和所述第二开口面(115)以30°至120°范围内的转向角(119)相对彼此布置。
2.根据权利要求1所述的双极板(7)，其特征在于，所述开口元件(111)具有从所述第一开口面(113)延伸至所述第二开口面(115)的壳式面(121)，并且所述壳式面(121)是直的、弯曲的和/或弯折的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述第一开口面(113)位于所述第一单极板(13)或所述第二单极板(17)的基板(123)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述第一开口面(113)大于所述第二开口面(115)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述密封件(47)是密封筋(57)，并且所述至少一个开口元件(111)布置在所述密封筋(57)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述双极板(7)具有至少两个开口元件(111)，并且所述至少两个开口元件(111)尤其布置在至少一排中或彼此错开地布置。
7.根据权利要求6所述的双极板(7)，其特征在于，所述至少两个开口元件(111)以基本上相同的间距相对彼此布置和/或具有基本上相同的宽度(125)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(7)，其特征在于，所述第二开口面(115)通过所述至少一个开口元件(111)的敞开的一侧形成。
9.一种电化学电池(1)的组件(69)，其包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的双极板(7)和至少一个膜电极组件(4)，其中，至少一个开口元件(111)布置在至少一个双极板(7)上，使得所述至少一个开口元件(111)的壳式面(121)贴靠在所述至少一个膜电极组件(4)上或相应的另一单极板(13、17)上。
10.一种用于运行根据权利要求9所述的电化学电池(1)的组件(69)的方法，其中，至少一种介质(29)从至少一个端口(55)通过至少一个开口元件(111)引导至活性面(53)，并且所述至少一种介质(29)的流动方向(49)在穿过第一单极板(13)或穿过第二单极板(17)时以转向角(119)转向。
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