CN117594816A - 包括彼此嵌套的单独板的隔板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学系统的隔板，该隔板包括第一单独板和连接于第一单独板的第二单独板，其中，单独板的通道彼此嵌套。本发明还涉及一种用于电化学系统的布置，该布置包括多个隔板。

Description

包括彼此嵌套的单独板的隔板
技术领域
本发明涉及一种用于电化学系统的隔板，该隔板包括第一单独板和连接于第一单独板的第二单独板，其中，单独板的通道彼此嵌套。本发明还涉及一种用于电化学系统的布置，该布置包括多个隔板。
背景技术
已知的电化学系统通常包括电化学电池堆叠，这些电化学电池通过隔板彼此分开，其中，取决于视角，隔板或隔板的每一侧上的至少一个单独板，也可以被视为电池的一部分。这样的隔板可以用于例如间接地电接触单独的电化学电池(例如燃料电池)的电极和/或电连接邻接的电池(电池串联连接)。隔板典型地由连结在一起的两个单独板形成。隔板的单独板能够以材料结合的方式连结在一起，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。
隔板或者单独板可以各自具有或形成通道结构，这些通道结构例如设计成向由相邻的隔板界围的电化学电池提供一种或多种介质，和/或将反应产物从电化学电池输送走。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，隔板或单独板可以具有用于引导冷却介质通过隔板的结构，特别是用于引导冷却介质通过由隔板的单独板包围的腔体的结构，所述腔体有时也被称为冷却剂室。隔板还可以设计成当在电化学电池单体中转移电能和/或化学能时消散所产生的废热，并且相对于彼此和/或相对于外部密封各种介质通道和/或冷却通道。
此外，隔板通常各自具有至少一个或多个贯通开口。通过贯通开口，介质和/或反应产物可以馈送至由堆叠的相邻的隔板界围的电化学电池或者馈送至由隔板的单独板形成的腔体中，或者可以从电池或从腔体排放。电化学电池典型地还包括一个或多个膜电极组件(MEA)。MEA可以具有一个或多个气体扩散层，这些气体扩散层通常定向成朝向隔板，并且形成为例如金属料毡或碳料毡(fleece)。
为了将单独板以材料结合的方式彼此连接并形成隔板，单独板的通道结构的平坦区域通常彼此焊接。例如，单独板的通道结构的通道底部可以用于此目的，这些通道底部在它们的后侧上彼此接触，以便将它们彼此连接。通道底部的平坦区域有时需要在毗连的通道底部的拐角处具有小的曲率半径，然而，这对于介质沿着隔板的流动以及对于板的制造而言不是最佳的，并且难以实施。通道的拐角区域中的小半径还可能具有这样的缺点：在使用期间或者甚至在板的制造期间已经在板中更快地形成裂纹，从而损坏隔板并且在某些情况下甚至可能导致系统故障。
因此，特别是在大规模生产方面，一直需要简化隔板的制造。
此外，在电化学系统中持续使用的隔板应当具有较长的使用寿命。
附加地，在电化学系统的移动应用中，例如在运输领域中使用的燃料电池系统中，可期望隔板和电化学系统作为整体保持较低的重量和较小的安装空间，或者相对于已知系统进一步减少这些。此外，还将期望改进这些系统的冷启动行为。
发明内容
已经设计了本发明来至少部分地解决上述的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于电化学系统的隔板。隔板包括第一单独板和连接于第一单独板的第二单独板。
第一单独板具有用于引导介质的第一通道，该第一通道一体地形成在第一单独板中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在第一通道之间的第一腹板彼此分开。第一通道形成开口侧以及在第一单独板的与开口侧相对的一侧上的第一隆起，其中，第一腹板在第一单独板的与第一通道的开口侧相对的一侧上形成第一凹槽。
第二单独板具有用于引导介质的第二通道，该第二通道一体地形成在第二单独板中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在第二通道之间的第二腹板彼此分开。
其中，第二通道形成开口侧以及在第二单独板的与开口侧相对的一侧上的第二隆起，其中，第二腹板在第二单独板的与第二通道的开口侧相对的一侧上形成第二凹槽。
还规定，第一通道和第二通道各自至少部分地沿着其延伸方向具有波状路线，其中第一通道的波状路线关于第二通道的波状路线基本上偏移x－1/2(x减去二分之一)周期，使得第一通道和第二通道的波形相反地延伸。此处，x是大于0的自然数，即1、2、3、4、5、6……、n。因此，周期偏移例如是0.5；1.5；2.5；3.5；4.5；……n－0.5。因此，11/2个周期是可能的，但这被视为具有对应较长的笔直导入部或导出部的局部1/2周期偏移。波形不限于正弦波。具有梯形或三角形基本形状的波，以及上述形状的圆形混合形式也是可能的。
垂直于第二单独板的平坦表面平面的第一通道在第二单独板上的投影沿着多个交叉区域与第二通道交叉。第一通道在交叉区域中具有凸起的通道底部部分，该底部部分设计成接纳第二通道的第二隆起。此外，第一通道具有通道底部凹陷部，使得第一隆起部分地接合在第二单独板的第二凹槽中。通道底部凹陷部优选地设置在第一通道和第二通道的交叉区域的外侧。
隔板设计成使得第一隆起和第二凹槽彼此嵌套和/或第一凹槽和第二隆起彼此嵌套，两个单独板彼此接合并且至少在一侧处彼此抵靠支承。
凭借所提出的隔板，可以实现各种效果和/或优点，这将在下面更详细地解释。
由于两个单独板彼此接合，而不是如现有技术中那样彼此抵靠支承，因此可以减小由单独板限定的中间空间的尺寸。如果中间空间设计为冷却剂室，并且单独板由此界围冷却剂室，则可以由此减少冷却流体的量，这可以导致更灵活的冷启动行为并且还可以减轻重量。
因此，通常，用于接纳和引导冷却流体的冷却剂室形成在单独板之间。可选地，第一凹槽和第二凹槽设计成沿着隔板引导冷却流体。可以规定，相邻的第一凹槽和/或相邻的第二凹槽经由交叉区域中的凸起的通道底部部分彼此流体连接。通过流体地连接凹槽，冷却流体能够更好地分布在凹槽上，由此能够实现更均匀的冷却效果。
通常，两个单独板以形状配合的方式彼此接合。可以规定，形状配合平行于单独板的平坦表面平面起作用，并且防止单独板平行于平坦表面平面的任何位移。除了形状配合之外，单独板还可以利用力配合彼此连接。在一些实施例中，两个单独板至少在两侧处彼此抵靠支承，从而防止单独板在至少两个方向上相对于彼此的任何位移，特别是平行于平坦表面平面的位移。具体考虑到公差，在两侧处的支承优选地并不意味着在单个横截面中的两个侧面处彼此接合的通道；相反，优选的是，一个通道在其路线中接合另一个单独板的通道，使得在第一部分中，特别是在给定的波周期中，它抵靠另一个单独板的通道板支承在右侧，并且在另一部分中，特别是在偏移n-1/2周期的部分中，它抵靠另一单独板的另一通道支承在左侧。因此，在一些实施例中，至少在第一通道和第二通道的区域中可以省略材料结合连接部，但是由于交叉点处的几何条件，交叉点处的材料结合连接部将仍然是可能的。由于单独板之间所描述的形状配合和锁定，隔板可以作为一个整体被加固。因此，单独板的通道的后侧可以彼此支撑抵靠，这可以导致力的均匀分布并对隔板具有稳定作用。因此，在第一通道和第二通道的区域中，单独板可以仅利用形状配合和/或力配合，并且具体地不以材料结合的方式彼此连接。
两个单独板通常在接触区处彼此接触。可选地，至少一个单独板在接触区的区域中被部分地激光表面处理或者具有涂层以改善导电性。关于激光表面处理的可能的实施例，例如参考出版物DE 10 2021 202 214 A1，其全部内容以参见的方式纳入本说明书中。关于可能的涂层，参考出版物DE 10 2004 009 869 A1和WO 2021/028399 A1，其全部内容以参见的方式纳入本说明书中。最后提到的文献的涂覆方法还可以与除蚀刻之外的诸如溅射之类的预处理方法组合。常规的单独板通常借助焊接接头彼此连接，不仅用于机械连接，而且还改善或建立两个板之间的电接触。由于本发明的隔板的单独板已经能够以形状配合的方式彼此连接，并且能够通过涂层或激光表面处理来确保足够的电接触，因此至少在隔板的该区域中可以省略材料结合连接部，具体地是焊接接头。在不损害这一点的情况下，可能有利的或必要的是，在其它区域中，具体地是一直围绕外边缘并且至少部分地围绕贯通开口提供密封连接部，具体地是材料结合连接部，诸如焊线或粘合剂结合部。
第一通道通常至少部分地彼此平行延伸。作为替代或附加，第二通道可以至少部分地彼此平行延伸。第一通道和第二通道可具有定向成平行于相应平坦表面平面且彼此平行的主延伸方向。此处，主延伸方向描述了相应通道延伸的方向，而不考虑波形沿横向方向的侧向偏差/偏转。因此，波形在第一通道和第二通道的主延伸方向上叠加。
波形通常可以由波长、相位和幅度来定义。因此，在通道交叉的部分中，第一通道的波形和第二通道的波形优选地各自具有相同的波长和相同的振幅，但相位相差半个波长。然而，一个单独板中的振幅有可能是另一单独板中的振幅的倍数(整数倍)，具体地是另一单独板的两倍。此处，幅度是沿横向方向测量的，而通道的主延伸方向沿通道的纵向方向延伸。在纵向路线中，即沿通道的主延伸方向，具有不同波形的区域可以一个接一个，这些区域可以紧接着彼此或者可以被不具有沿横向方向的偏转部的通道的一部分彼此分开。
可以规定，第一通道和/或第二通道在其横截面的至少一部分上具有弯曲和/或曲线形的横截面，例如圆形或半圆形横截面。第一通道和/或第二通道通常在横向于波状路线的横截面中至少部分地弯曲，例如至少在其侧壁的区域处弯曲。这样的通道底部可以是平坦的，即平行于板平面，或者也可以是弯曲的。通道的侧壁可以至少部分地具有曲率。具体地，第一通道和/或第二通道的通道底部区域中的曲率半径可以具有在相关横截面处对应于在形成通道底部内侧和腹板表面之间的最大延伸部的一半的高度处的通道宽度的至少一半的值。这种设计可以防止通道底部区域中的成角度的拐角或小曲率半径，从而简化单独板的制造，具体地简化形成通道的单独板的成形，并且延长隔板的使用寿命。第一腹板和/或第二腹板的腹板顶部典型地以基本上平坦的方式延伸，具体地是平行于相应单独板的平坦表面平面。
在常规的隔板中，隔板的高度由材料厚度与最大通道底部深度的两倍的和组成。由于第一隆起和第二凹槽彼此嵌套并且两个单独板彼此接合，因此隔板的垂直于隔板的平坦表面平面测量的高度可以小于两个单独板的材料厚度和最大通道底部深度的两倍的和。此处，通道底部深度是从通道底部到板的平坦表面平面测量的，即在板不变形的位置处测量的。因此，与常规的隔板相比，隔板可以制造得更紧凑。此外，由单独板限定的腔体的尺寸因此可以减小。当隔板按预期用于电化学系统中时，这还导致隔板的重量减少，因为总体上较少的冷却介质流过较小的冷却剂室。
第一通道的通道底部深度通常在通道深度最小的凸起的通道底部部分和通道深度最大的通道底部凹陷部之间变化。凸起的通道底部部分的相对高度可以是例如最大通道深度的10％至50％。隔板的绝对高度通常取决于使用情况。对于燃料电池，高度可以是至多1.2mm，优选至多0.6mm。
第一通道和第二通道通常布置在隔板的电化学活性区域中。典型地，隔板堆叠中的相邻隔板界围电化学电池。电化学过程，诸如例如化学能到电能的转化，或者反之亦然，通常发生在电化学电池的电化学活性区域中。第一腹板和第二腹板通常形成用于膜电极组件(MEA)，具体地是其气体扩散层(GDL)的支承表面。MEA及其GDL通常布置在相邻的隔板之间。
第一单独板和第二单独板可各自具有由金属制成的板主体，其中，第一通道和第二通道或者第一隆起和第二隆起具体地通过压印一体地形成在相应的板主体中。一体形成特别可以借助液压成形、深拉或诸如辊压印或垂直压印之类的压印来进行。例如，一种在施加很少力的情况下提供高压印性能以形成单独板的通道结构的制造技术是辊压印。利用此处提出的相对大的曲率半径，可以借助辊压印特别容易地制造隔板。
可以规定，隔板在隔板的平坦表面平面中至少部分地180°旋转对称。优选地，至少相对于隔板的周界，即介质端口、外密封件和分配区域的主要部分给出了旋转对称性。相反，电化学活性区域也可以不是旋转对称的。
根据另一方面，提出了一种用于电化学系统的布置。该布置包括多个上述类型的隔板。在该布置的一优选实施例中，相邻的隔板相对于彼此旋转180°，具体地是如果隔板至少部分地旋转对称180°。结果，位于堆叠隔板上方的另一个堆叠隔板的波形可以彼此偏移，这可以导致堆叠中的力的更好分布。另一方面，在隔板附加地在流场(电化学活性区域)中镜像对称的情况下，可以将这些隔板旋转180°，使得单独板中的布置得最靠近彼此，即在同一MEA的每一侧上的通道和腹板具有同相延伸的波形，这导致MEA由于线性接触而得到特别好的支撑。
附图说明
下面将参照附图解释隔板和布置的示例性实施例，其中：
图1以立体图示意性地示出了电化学系统，该电化学系统包括布置在堆叠中的多个隔板；
图2以立体图示意性地示出了根据图1的系统的两个隔板，其中膜电极组件(MEA)布置在隔板之间；
图3示意性地示出了与图1所示的系统相同类型的系统的板堆叠的剖视图；
图4A示意性地示出了隔板的介质引导通道的立体图；
图4B示意性地示出了图4A的隔板的通道的平面图，隔板的后侧上的通道也已经可见；
图4C-4E示意性地示出了图4A、4B的隔板的各种剖视图；
图5A示意性地示出了另一隔板的介质引导通道的立体图；
图5B示意性地示出了图5A的隔板的通道的平面图，隔板的后侧上的通道也已经可见；
图5C-5E示意性地示出了图5A、5B的隔板的各种剖视图；
图6A示意性地示出了另一隔板的介质引导通道的立体图，隔板的后侧上的通道也已经可见；以及
图6B-6D示意性地示出了图6A的隔板的各种剖视图。
具体实施方式
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。
图1示出了包括多个结构相同的金属隔板2的电化学系统1，这些金属隔板2布置在堆叠6中并且沿着z方向7堆叠。堆叠6的隔板2被夹在两个端板3、4之间。z方向7也称为堆叠方向。在本示例中，系统1是燃料电池堆叠。该堆叠的每两个相邻的隔板2界围电化学电池，该电化学电池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，在每种情形中，膜电极组件(MEA)布置在堆叠的相邻隔板2之间(例如参见图2)。每个MEA通常包含至少一个膜，例如电解质膜。此外，气体扩散层(GDL)(图1、2中未示出)可布置在MEA的一个或两个表面上。
在替代实施例中，系统1还可设计为电解器、电化学压缩机或氧化还原液流电池。隔板也可以用在这些电化学系统中。于是，这些隔板的结构可以对应于本文详细说明的隔板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，被在隔板上引导和/或被引导穿过隔板的介质可以在每种情况下不同于用于燃料电池系统的介质。
z轴7与x轴8和y轴9一起构成右手笛卡尔坐标系。隔板2各自限定板平面，板平面在下文中也称为平坦表面平面，单独板的板平面中的每一个被定向为平行于x-y平面并因此垂直于堆叠方向7或称z轴7。端板4具有多个介质端口5，经由这些端口可将介质供应到系统1并且可经由这些端口将介质从系统1中排出。可以供应到系统1和从系统1排放的所述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以立体图示出图1中的系统1类型的电化学系统的两个相邻的隔板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)10，图2中的MEA 10在很大程度上被面向观察者的隔板2遮挡。双极板2由以材料连结的方式结合在一起的两个单独的板2a、2b形成(参见例如图3)，在图2中只有其中面向观察者的第一单独板2a可见，所述第一单独板遮挡第二单独板2b。单独板2a、2b可以均由金属片材制造，例如由不锈钢片材制造。例如，单独板2a、2b可以例如通过激光焊接接头而彼此焊接。
单独板2a、2b具有贯通开口，这些贯通开口彼此对齐并且形成双极板2的贯通开口11a-11c。当多个如双极板2同样类型的隔板堆叠时，贯通开口11a-11c形成沿着堆叠方向7延伸经过堆叠6的管线(参见图1)。通常，由贯通开口11a-11c形成的每条管线流体地连接到系统1的端板4中的介质端口5之一。例如，冷却剂可经由由通孔11a形成的管线被引入堆叠中或从堆叠排出。相反，由贯通开口11b、11c形成的管线可以设计成对系统1的燃料电池单体堆叠6的电化学电池单体供应燃料和反应气体，并且从该堆叠中排出反应产物。介质引导用的贯通开口11a-11c基本上平行于板平面。
为了相对于堆叠6的内部和相对于周围环境来密封贯通开口11a-11c，第一单独的板2a可以各自具有呈密封凸边12a-12c形式的密封布置，这些密封凸边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环绕贯通开口11a-11c。在隔板2背离图2的观察者的后侧上，第二单独的板2b具有用于密封贯通开口11a-11c的相应的密封凸边(未示出)。
在电化学活性区域18中，第一单独的板2a在其面向图2的观察者的前侧上具有流场17，该流场17具有用于沿着单独的板2a的前侧引导反应介质的结构。在图2中，这些结构由多个腹板和在腹板之间延伸并由腹板界定的通道限定。在隔板2的面向图2的观察者的前侧上，第一单独的板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的结构类似地通过腹板并通过在腹板之间延伸并由腹板界定的通道限定。通常，元件17、18、20因此可看作介质引导浮凸结构。
密封凸边12a-12c具有通路13a-13c，这些通路在凸边中呈局部凹陷部或穿孔的形式并且使得介质能够穿过相应的密封凸缘，即到达和离开活性区域。
第一单独板2a各自还具有呈周界凸边12d形式的另外的密封布置，其围绕活性区域18的流场17且还围绕分布或收集区域20和通孔11b、11c延伸，并将它们相对于通孔11a、也即相对于冷却剂回路密封，并相对于系统1周围的环境密封。第二单独板2中的每一个都包括对应的外周凸边。活性区域18的结构、分配或收集区域20的分配结构、以及密封凸边12a-12d各自被形成为与单独的板2a成一件，并且例如以压印工艺或深拉(deep drawing)工艺而一体地形成在单独的板2a中。这同样适用于第二单独的板2b的密封凸边和相应的分配结构。作为密封凸边的替代，也可以使用弹性体密封元件，例如通过注射或放置施加的弹性体密封元件。
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100在每种情况下经由密封凸边12b中的通路13b、经由分配或收集区域20的分配结构、并且经由第一单独板2a的面向图2的观察者的活性区域18中的流场17而彼此流体连接。类似地，两个贯通开口11c或由贯通开口11c形成的穿过系统1的板堆叠6的管线在每种情况下经由对应的凸边通路、经由对应的分配结构、并且经由第二单独板2b的背离图2的观察者的外侧上的对应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的板堆叠的管线在每种情况下经由被单独的板2a、2b环绕或封围的腔体19而彼此流体连接。下文中也称为冷却剂室19的该腔体19在每种情况下用于将冷却剂引导通过隔板2，具体地是用于冷却隔板2的电化学活性区域18。
图3示意性地示出了穿过图1的系统1的板堆叠6的一部分的截面，其中，该截平面沿z方向定向并且因此垂直于隔板2的板平面；例如，它可以沿着图2中的阶梯区段A-A延伸。
堆叠的结构相同的隔板2中在每种情况下包括上文所述的第一金属单独板2a和上文所述的第二金属单独板2b。可以看到用于沿着隔板2的外表面引导介质的结构，此处具体地是呈腹板以及由腹板界定的通道的形式。具体地示出的是，通道29位于彼此背离的相邻的单独板2a、2b的表面上，并且腔体19中的冷却通道在相邻的单独板2a、2b之间。在冷却通道19之间，两个单独的板2a、2b在接触区21中彼此抵靠并且在该处彼此连接，在该示例中它们借助于激光焊接彼此连接。
膜电极组件(MEA)10，例如从现有技术中已知的，在每种情况下布置在堆叠的相邻的隔板2之间。每个MEA 10典型地包括膜14，例如电解质膜，以及连接至膜的边缘部分15。作为示例，边缘部分15可以在材料上结合至膜，例如通过粘合剂结合或通过层压而连接到膜。
MEA 10的膜在每种情况下至少在相邻隔板2的活性区域18上延伸，并且使质子能够在该点处横跨或穿过膜转移。然而，膜不延伸到分配或收集区域20中。MEA 10的边缘部分15用于将膜定位、紧固和密封在相邻的隔板2之间。当系统1的隔板沿在堆叠方向被夹持在端板3、4之间(参见图1)时，MEA 10的边缘部分15可以例如在相应的相邻的隔板2的密封凸边12a-12d之间被压缩，和/或至少在相邻的隔板2的外周凸边12d之间被压缩，以便因此在相邻的隔板2之间固定MEA 10的膜14。
此外，气体扩散层16可以附加地布置在活性区域18中。气体扩散层16实现了在尽可能大的膜表面面积上横跨膜的流动，并且因此可以改善通过膜的质子转移。气体扩散层16可以例如布置在相邻隔板2之间的活性区域18中的膜的两侧上。气体扩散层16可以例如由纤维料毡形成或包括纤维料毡。
如上所述，单独板2a、2b在接触区21中彼此抵靠支承并且通常借助焊接接头22彼此连接。活性区域18中的材料结合连接部22旨在确保通道之间不相对运动，并且通道之间不发生偏移。为了为接触区21和将在此处形成的焊接接头22创造足够的空间，通道底部通常设计为相对大的平坦表面，但这常常导致在过渡到通道壁的面积中的相对小的曲率半径。这又导致制造单独板2a、2b的困难并且需要大量的能量来实施。此外，小曲率半径导致在那里流动的流体的不利流动条件。
隔板2的活性区域18的区域中的高度h1通过将单独板2a、2b的板厚度和垂直于板平面的单独板2a、2b的高度相加在一起而获得。隔板2的活性区域中的单独板2a、2b的高度又由通道的通道深度给定。
对于电化学系统1的移动应用，将期望的是能够减小电化学系统1或其部件的安装空间，具体地是隔板2的安装空间，以及电化学系统1的重量，具体地是在其中引导的冷却介质的重量。
已经设计了本发明来至少部分地解决以上问题。本发明将在下文参考图4A-4E和5A-5E进一步解释。
图4A-4E和5A-5E示出了隔板2在其电化学活性区域18的区域中的一部分的各种视图和剖视图。隔板2特别适合于图1所示的电化学系统1，并且包括第一单独板2a和连接于第一单独板2a的第二单独板2b。出于清楚的原因，图4A-4E和5A-5E仅示出了非常少量的彼此相邻延伸的通道30、40。交叉通道30、40的其中这些通道30、40彼此交叉的部分通常在隔板中占据比其中这些通道30、40不彼此交叉的部分大得多的表面积。
第一单独板2a具有用于引导介质的第一通道30，该第一通道一体地形成在第一单独板2a中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在第一通道30之间的第一腹板32彼此分开。
第一通道30形成开口侧33以及在第一单独板2a的与开口侧33相对的侧部35上的第一隆起34，其中，第一腹板32在第一单独板2a的与第一通道30的开口侧33相对的侧部35上形成第一凹槽36。
第二单独板2b具有用于引导介质的第二通道40，该第二通道一体地形成在第二单独板2b中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在第二通道40之间的第二腹板42彼此分开。此外，第二通道40形成开口侧43以及在第二单独板2b的与开口侧43相对的侧部45上的第二隆起44，其中，第二腹板42在第二单独板2b的与第二通道40的开口侧43相对的侧部45上形成第二凹槽46。
第一通道30和第二通道40均至少部分地沿着其延伸方向具有波状路线。
第一通道30的波状路线相对于第二通道的波状路线基本上偏移x－1/2周期，x是大于0的自然数，使得第一通道30的波形与第二通道40的波形相反地延伸。
例如，如图4B所示，第一通道30在第二单独板2b上的垂直于第二单独板2b的平坦表面平面的投影沿着多个交叉区域39与第二通道40交叉。
第一通道30在交叉区域中具有凸起的通道底部部分37，该通道底部部分设计成接纳第二通道40的第二隆起44。此外，第一通道30具有通道底部凹陷部38，使得第一隆起34部分地接合在第二单独板2b的第二凹槽46中。总体而言，第一隆起34和第二凹槽46就彼此嵌套。此外，第一凹槽36和第二隆起44彼此嵌套。此外，两个单独板2a、2b优选地以形状配合的方式彼此接合，并且至少在一侧处彼此抵靠支承。因此，通道30、40具有非恒定的通道深度，该深度在凸起的通道底部部分37和通道底部凹陷部38之间变化。
由于所描述的措施，隔板2至少在活性区域18中具有隔板高度h2，该隔板高度小于两个单独板2a、2b的材料厚度和两个单独板2a、2b的垂直于相应单独板2a、2b的板平面测量的最大通道底部深度的和。第一通道30的最大通道底部深度在通道底部凹陷部38的区域中给出。因此，隔板高度h2小于活性区域18中的常规隔板2的高度h1，从而在安装空间方面得到节省。具体地，限定在单独板2a、2b之间的冷却剂室19的尺寸可以减小，从而导致冷却流体的减少，并且因此减少填充有冷却流体的隔板2的重量。凸起的通道底部部分的相对高度可以是例如最大通道深度的10％至50％。隔板2的绝对高度h2通常取决于使用情况。对于燃料电池，高度h2可以是至多1.2mm，优选至多0.6mm。
在图4A-4E和5A-5E中可以看出，第一通道30彼此平行延伸并且第二通道40彼此平行延伸。通道30、40的波形的特征在于沿横向方向测量的振幅、沿主延伸方向测量的波长、以及周期。彼此交叉的通道30、40通常具有相同的振幅和相同的波长。然而，通道30、40的相位彼此不同，即使得通道30、40相反地延伸，如上所述。因此，当第一通道30向左偏转时，第二通道40向右偏转，反之亦然。然而，通道30、40的主延伸方向定向成彼此平行并且平行于相应单独板2a、2b的平坦表面平面。图4A-4E和5A-5E仅示出了隔板2的一部分，因此通道30、40仅具有大约一个波长的长度。当然，通道30、40通常比所示的波长更长。
活性区域18还可以包含其中通道30、40具有笔直路线或具有不同振幅或波长的波状路线的部分。通道30、40的波状部分、笔直部分或其他形状的部分可以例如一个接一个地布置。类似地，在活性区域18的侧边缘处的笔直通道可以例如沿横向方向布置在小程度偏转的波旁边，而较大程度偏转的波朝向隔板2的中部与其相邻。较大程度偏转的波也可以布置在活性区域18的侧边缘处，其中笔直的或小程度偏转的波被定向成朝向隔板的中部，因为在这种布置的情况下，锁定效果特别有效。
从图5A-5E可以看出，通道30、40的波形不必是严格的正弦曲线。在所述图中，通道30、40具有锯齿形路线，其具有笔直通道部分52、52'、62、62'和弯曲通道部分54、64，其中，笔直通道部分52、52'、62、62'经由弯曲通道部分54、64彼此连接。图5A-5E中所示的通道30、40的波形具有比图4A-4E中所示的通道30、40的波形更大的振幅(偏转)。
在隔板2的某些区域中，具体地是在电化学活性区域18的外周边缘处或者在电化学活性区域18内在不同振幅的通道之间的过渡区域中，可能发生单独板2a、2b的一些通道30、40部分地未被另一单独板2b、2a的通道40、30覆盖，参见例如图5A-5E。在另一单独板2b、2a的这些区域中，如图所示，可以替代地存在不具有压印或结构化的相对平坦的区域51、61。然而，还可以为这样的边缘区域或过渡区域提供附加的支撑结构，这些支撑结构具体地相对于通道的主延伸方向优选地设计为离散结构。这在图6A-6D中示出。此处，在隔板2的所示部分中，具有交叉区域39的通道30、40和腹板32、42形成在左侧的区域71中，而直线通道30'、40'和直线腹板32'、42在右侧区域72中一体地形成在隔板2的单独板2a、2b中。在左侧的区域71和右侧的区域72之间存在区域73，在该区域中在每种情况下仅在一个单独板2a、2b中形成通道30或40。区域71和73的宽度沿着通道30、30'、40、40'的主延伸方向变化，这由虚线括号指示。图6A中左侧的区域71基本上对应于图5A-5E中所示的结构。
在区域73中，支撑结构或加强元件57、67在其他位置平坦的区域56、66中一体地形成在两个单独板2a、2b中。如图6B-6D所示，支撑结构57可以抵靠通道40的后侧(参见图6B)或抵靠第二单独板的支撑结构67(参见图6D)搁置，使得局部接触确保各个单独板2a、2b之间的相互支撑，并且防止两个单独板2a、2b中未设有通道的区域73的任何下沉。然而，此类压印也可以仅设计为加固元件57，而不与其它单独板2b接触。这些也加固了区域73。
区域71和区域72两者都可以各自延伸至侧部。还可能的是，类似于区域72和73的另外的区域形成在区域71的左侧，使得直线通道30'、40'位于电化学活性区域18的边缘区域中。或者，类似于区域71和73另外的区域可以形成在区域72的右侧，使得波状通道30、40位于电化学活性区域18的边缘区域中。
如上所述，单独板2a、2b优选地利用形状配合在通道30、40的区域中彼此连接。在这种情况下，可以规定，形状配合平行于单独板2a、2b的平坦表面平面起作用，并且防止单独板2a、2b平行于平坦表面平面的任何位移。在图4和图5的变体中，两个单独板2a、2b至少在两侧处彼此抵靠支承，从而防止单独板2a、2b沿至少两个方向相对于彼此的任何位移。因此，通道30、40具有自定心或自锁效果，其结果是通道30、40在连结过程期间自动彼此对准。结果，隔板2也被加固，从而稳定隔板2。在活性区域18中可以完全省略焊接接头22或其他材料结合连接部。
在常规的隔板2中，焊接接头22通常还具有电接触单独板2a、2b的功能。为了改善单独板2a、2b之间的电接触，可以可选地规定，单独板2a、2b中的至少一个在一些区域中，具体地是在接触区21中和/或在接触区的区域50中具有诸如PVD(物理气相沉积)涂层之类的涂层或激光表面处理部，以改善导电性。关于激光表面处理的进一步细节可以参考DE102021202214A1，关于涂层的进一步细节可以参考DE102004009869A1和WO2021/028399A1，其中，在后一种情况下，也可以使用可以通过除蚀刻之外的表面预处理，诸如例如溅射来制成。
因此，形成在单独板2a、2b之间的腔体或冷却剂室19通常形成为接纳并引导冷却流体。一般而言，第一凹槽36和第二凹槽46设计成沿着隔板2引导冷却流体。可以规定，相邻的第一凹槽36和/或相邻的第二凹槽46经由交叉区域39中的凸起的通道底部部分37彼此流体连接。通过流体地连接凹槽36、46，冷却流体能够更好地分布在凹槽36、46上，由此也能够实现更均匀的冷却效果。
可以规定，通道30、40至少部分地具有弯曲和/或曲线形的横截面，例如圆形或半圆形横截面。例如，在图4C、4E、5C和5E的剖视图中，可以看出第一通道30和第二通道40至少在这些通道30、40彼此嵌套的区域中具有这样的横截面。在这种情况下，通道30、40可以在横向于波状路线的横截面中至少部分地弯曲，例如至少在其侧壁的区域处弯曲。这样通道30、40的通道底部可以是平坦的，即平行于板平面，或者也可以是弯曲的。通道的侧壁可以至少部分地具有曲率。具体地，第一通道和/或第二通道的通道底部区域中的曲率半径可以具有在相关横截面处对应于在形成通道底部内侧和腹板表面之间的最大延伸部的一半的高度处的通道宽度的至少一半的值。
因此，第一通道30和第二通道40优选布置在隔板2的电化学活性区域18中。第一腹板32和第二腹板42通常形成用于膜电极组件(MEA)10或其气体扩散层(GDL)16的支承表面，具体地是图2-3中所示的MEA 10和GDL 16。对于关于MEA 10和GDL 16的进一步细节，可以参考上面关于图2-3所述的内容。MEA 10和GDL 16通常布置在相邻的隔板2之间。还可以在图4A-4E和5A-5E中看出，腹板32、42在后侧被冷却。单独板2a、2b的区域32、42，即发生电化学反应且需要冷却的区域，在其后侧与冷却流体接触。单独板2a、2b在腹板32、42的区域中可以彼此间隔开至多0.25mm，使得在冷却剂室19中存在足够的可用冷却流体。冷却剂室19的高度为因此为板厚度h2的8-25％。
通道30、40的具有波状路线的部分通常在电化学活性区域18的至少部分或整个宽度上延伸。作为替代或附加，可以规定，波状路线在电化学活性区域18的至少部分或整个长度上延伸。
第一单独板2a和第二单独板2b可各自具有由金属制成的板主体，其中，第一通道30和第二通道40具体地通过压印一体地形成在相应的板主体中。一体形成特别可以借助液压成形、深拉或诸如辊压印或垂直压印之类的压印来进行。活性区域18的当前设计允许使用非常薄的金属片用于燃料电池；举例而言，它们可以具有≤100μm、≤80μm、≤75μm、≤60μm或甚至≤50μm的材料厚度。
可以规定，在隔板2的平坦表面平面中，隔板2至少在电化学活性区域18的外侧处180°旋转对称，但优选地完全180°旋转对称。还可以使电化学活性区域相对于垂直于通道30、40的主延伸方向的平面镜面对称，并且使其余区域180°旋转对称。结果，结构上相同的隔板2可以用于堆叠6中，其中相邻的隔板2旋转180°。
此处应当注意的是，在本说明书中，通道30、40位于相应单独板2a、2b的开口侧33、43上，而凹槽36、46布置在相对与开口侧33、43的侧部35、45上，即面向腔体19的侧部上。此处选择用于“通道”和“凹槽”的不同术语以能够更好地区分不同的结构。固有地，凹槽36、46也可以被称为通道，例如如果它们设计成引导冷却流体。相反，通道30、40也可以被解释为凹槽。这同样适用于可被解释为细长隆起的腹板32、42，以及也可被解释为腹板的隆起34、44。
还提出了用于电化学系统1的布置。该装置包括此处描述的类型的多个隔板2并且可以设计为例如堆叠6，如图1所示。隔板优选地是180°旋转对称的。结果，位于堆叠的隔板上方的另一个堆叠的隔板2的波形可以相对于彼此偏移，这可以导致堆叠6中的力的更好分布。另一方面，隔板2可以在电化学活性区域18中镜像对称。与外部区域的旋转对称设计一起，这使得隔板能够以相对于彼此旋转180°的方式安装，使得单独板中的彼此最接近的，即布置在同一MEA的每一侧上的通道和腹板具有同相延伸的波形，这导致MEA由于线性接触而得到特别好的支撑。
将理解的是，上述实施例的特征可以单独地或彼此组合地要求保护，只要它们不互相矛盾即可。
附图标记列表：
1 电化学系统
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
11a-13c 贯通开口
12a-12d 密封凸边
13a-13c 通路
14 膜
15 边缘部分
16 气体扩散层
17 流场
18 电化学活性区域
19 腔体或冷却剂室
20 分配或收集区域
21 接触区
22 焊接接头
30 第一通道
30' 没有高度轮廓和波轮廓的第一通道
32 第一腹板
32' 笔直的第一腹板
33 开口侧
34 第一隆起
35 相对侧
36 第一凹槽
37 凸起的通道底部部分
38 通道底部凹陷部
39 交叉区域
40 第二通道
40' 没有高度轮廓和波轮廓的第二通道
42 第二腹板
42' 笔直的第二腹板
43 开口侧
44 第二隆起
45 相对侧
46 第二凹槽
50 接触区
51 平坦区域
52,52' 其他地方弯曲的通道的笔直通道部分
54 弯曲通道部分
56 在第一层中具有支撑压印的平坦区域
57 第一层中的支撑或加固压印
61 平坦区域
62,62' 其他地方弯曲的通道的笔直通道部分
64 弯曲通道部分
66 在第二层中具有支撑压印的平坦区域
67 第二层中的支撑或加固压印
71 在两个单独板中均具有波状通道的区域
72 具有笔直通道的区域
73 在仅一个单独板中具有波状通道的区域
h1 隔板高度
h2 隔板高度

Claims (13)

1.用于电化学系统的隔板(2)，所述隔板包括第一单独板(2a)和连接于所述第一单独板(2a)的第二单独板(2b)，
其中，所述第一单独板(2a)具有用于引导介质的第一通道(30)，所述第一通道一体地形成在所述第一单独板(2a)中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在所述第一通道(30)之间的第一腹板(32)彼此分开，
其中，所述第一通道(30)形成开口侧(33)以及在所述第一单独板(2a)的与所述开口侧(33)相对的侧部(35)上的第一隆起(34)，其中，所述第一腹板(32)在所述第一单独板(2a)的与所述第一通道(30)的所述开口侧(33)相对的所述侧部(35)上形成第一凹槽(36)，
其中，所述第二单独板(2b)具有用于引导介质的第二通道(40)，所述第二通道一体地形成在所述第二单独板(2b)中，彼此相邻地延伸，并且通过形成在所述第二通道(40)之间的第二腹板(42)彼此分开，
其中，所述第二通道(40)形成开口侧(43)以及在所述第二单独板(2b)的与所述开口侧(43)相对的侧部(45)上的第二隆起(44)，其中，所述第二腹板(42)在所述第二单独板(2b)的与所述第一通道(40)的所述开口侧(43)相对的所述侧部(45)上形成第二凹槽(46)，
其中，所述第一通道(30)和所述第二通道(40)各自至少部分地沿着其延伸方向具有波状路线，其中，所述第一通道(30)的波状路线关于所述第二通道的波状路线基本上偏移x－1/2周期，x是大于0的自然数，使得所述第一通道(30)和所述第二通道(40)的波形相反地延伸，
其中，所述第一通道(30)的垂直于所述第二单独板(2b)的平坦表面平面在所述第二单独板(2b)上的投影沿着多个交叉区域(39)与所述第二通道(40)交叉，
其中，所述第一通道(30)在所述交叉区域(39)中具有凸起的通道底部部分(37)，所述凸起的通道底部部分设计成接纳所述第二通道(40)的所述第二隆起(4)，
其中，所述第一通道(30)具有通道底部凹陷部(38)，使得所述第一隆起(34)部分地接合在所述第二单独板(2b)的所述第二凹槽(46)中，
使得所述第一隆起(34)和所述第二凹槽(46)彼此嵌套和/或所述第一凹槽(36)和所述第二隆起(44)彼此嵌套，两个单独板(2a、2b)彼此接合并且至少在一侧处彼此抵靠支承。
2.如权利要求1所述的隔板(2)，其特征在于，所述两个单独板(2a、2b)以形状配合的方式彼此接合。
3.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述第一通道(30)至少部分地彼此平行延伸，和/或其中，所述第二通道(40)至少部分地彼此平行延伸。
4.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述第一通道(30)和所述第二通道(40)具有平行于各自的平坦表面平面且彼此平行地定向的主延伸方向。
5.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述形状配合平行于所述单独板(2a、2b)的平坦表面平面起作用，并且防止所述单独板(2a、2b)平行于所述平坦表面平面的任何位移。
6.如权利要求5所述的隔板(2)，其特征在于，所述两个单独板(2a，2b)至少在两侧处彼此抵靠支承，从而防止所述单独板(2a、2b)沿至少两个方向相对于彼此的任何位移。
7.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述第一通道(30)和/或所述第二通道(40)具有横向于所述波状路线的至少部分弯曲和/或至少部分曲线形的横截面。
8.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述两个单独板(2a、2b)在接触区(50)处彼此接触，其中，所述单独板(2a、2b)中的至少一个在所述接触区(50)的区域中部分地经过激光表面处理或者具有涂层以改善导电性。
9.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述隔板(2)的垂直于所述隔板(2)的平坦表面平面测量的高度小于所述两个单独板(2a、2b)的材料厚度和最大通道底部深度的两倍的和。
10.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述第一通道(30)和所述第二通道(40)布置在所述隔板(2)的电化学活性区域(18)中，其中，所述第一腹板(32)和所述第二腹板(42)形成膜电极组件(10)的支承表面，具体地是膜电极组件的气体扩散层(16)的支承表面。
11.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述第一单独板(2a)和所述第二单独板(2b)各自具有由金属制成的板主体，其中，所述第一通道(30)和第二通道(40)具体地通过压印一体地形成在相应的板主体中。
12.如前述权利要求中任一项所述的隔板(2)，其特征在于，所述隔板(2)在所述隔板(2)的平坦表面平面中至少部分地180°旋转对称。
13.用于电化学系统(1)的布置(6)，所述布置包括多个如前述权利要求所述的隔板(2)，其中，相邻的隔板(2)相对于彼此旋转180°。
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