專利名稱:電化學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)系統(tǒng),例如燃料電池系統(tǒng)或電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)。
例如,電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)可以是電解裝置,通過(guò)施加電壓,其除了產(chǎn)生如水和由水產(chǎn)生氧氣以外,同時(shí)還在高壓下壓縮這些氣體。
另外,電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)例如電化學(xué)氫壓縮機(jī)也是已知的,向其中送入氣體分子氫,通過(guò)施加電壓,以電化學(xué)方式壓縮分子氫。這種電化學(xué)壓縮尤其適用于壓縮少量氫氣,因?yàn)榇藭r(shí)采用機(jī)械方式壓縮氫氣是相當(dāng)昂貴的。
已知在電化學(xué)系統(tǒng)中,電化學(xué)電池組是由若干個(gè)電化學(xué)電池的層疊構(gòu)成的,所述電化學(xué)電池在各種情況下都通過(guò)雙極板相互隔離。因此,雙極板具有下述幾個(gè)作用-與各電化學(xué)電池的電極電接觸并向相鄰的電池(電池的串聯(lián)連接)傳輸電流,-向電池提供反應(yīng)物,例如水或氣體,并且例如通過(guò)合適的分配器結(jié)構(gòu)除去產(chǎn)生的反應(yīng)氣體,-傳輸電化學(xué)電池發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱,以及-使各介質(zhì)管或冷卻管相對(duì)于其他管和外界密封。
雙極板具有用于冷卻或介質(zhì)供應(yīng)和介質(zhì)排放的開口,用于從雙極板向?qū)嶋H的電化學(xué)電池供應(yīng)和排放介質(zhì)(所述實(shí)際的電化學(xué)電池是例如MEA(膜電子裝置),其具有例如由金屬墊制成的、在各種情況下都朝向雙極板的氣體擴(kuò)散層)。
這里經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題,尤其是關(guān)于氣體擴(kuò)散層。至今,傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)雙極板之間或者雙極板和電化學(xué)電池之間的密封為例如在雙極板的溝槽內(nèi)設(shè)置彈性體密封。通過(guò)對(duì)電化學(xué)電池組施加壓縮應(yīng)變(例如借助于張力帶),從而發(fā)生密封壓緊,結(jié)果獲得開口密封的效果。
插入的氣體擴(kuò)散層目前存在的一個(gè)問(wèn)題是該層可被設(shè)計(jì)成纖維墊(使用金屬纖維)或金屬網(wǎng)。工業(yè)中常規(guī)的纖維墊具有例如1mm的理論厚度,但是制造公差為±100μm。構(gòu)建該墊的金屬纖維本身僅具有少量的彈性。而且,也不推薦通過(guò)壓縮該墊來(lái)補(bǔ)償纖維墊的制造公差,因?yàn)檫@樣會(huì)使該墊層的氣體透過(guò)率大大減小,且因此限制電化學(xué)電池的工作。但是,另一方面,必須由雙極板對(duì)整個(gè)氣體擴(kuò)散層施加最小的壓力,使得存在足夠的穿過(guò)氣體擴(kuò)散層的氣流通道。從而可以總結(jié)如下,對(duì)于目前的彈性體密封,總是存在不完全密封或電化學(xué)電池非最佳工作的情況。而且,尤其對(duì)于使用分子氫工作的電化學(xué)電池,會(huì)發(fā)生經(jīng)彈性體密封擴(kuò)散的H2滲透損失。
因此,作為第一方面,本發(fā)明的目的是以盡可能低的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)電池組中的開口的可靠密封。
上述目的是由本發(fā)明的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)至少在某些區(qū)域提供用于密封開口的彈性墊圈裝置,沿著墊圈裝置的長(zhǎng)的彈性路徑獲得可靠的密封。實(shí)際上,開口應(yīng)被理解為在本申請(qǐng)中待密封的任何區(qū)域。它可以是例如用于反應(yīng)流體(例如H2或水)或冷卻劑的通道口。但是,它也可以是其中例如設(shè)有氣體擴(kuò)散層或者設(shè)有螺絲孔的例如電化學(xué)活性區(qū)域。該彈性墊圈裝置總是允許在大的公差范圍內(nèi)補(bǔ)償例如氣體擴(kuò)散層的制造公差,且仍然提供最佳的密封效果。
本發(fā)明的一個(gè)非常有利的實(shí)施方案設(shè)想將墊圈裝置設(shè)計(jì)為使用厚度為1μm-400μm薄層來(lái)進(jìn)行微密封(microsealing)。有利的是,該薄層由彈性體例如硅樹脂、氟橡膠或EPDM(乙烯/丙烯-二烯三元共聚物)制成,優(yōu)選通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝、移印工藝、噴涂或者CIPG(密封墊就地(in place)固化;它是以液體形式被引入密封位置并在該位置固化的彈性體)進(jìn)行涂覆。這些方法確保例如通過(guò)密封將氫氣的擴(kuò)散降低到一個(gè)極低的水平,這是因?yàn)榭赏高^(guò)性材料的高度被調(diào)整到最小值。因此沒(méi)有試圖重新獲得額外的幾何高度,而是僅嘗試對(duì)微密封進(jìn)行粗糙度補(bǔ)償。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施方案設(shè)想墊圈裝置包含全墊圈或半墊圈。因而也可以在墊圈裝置中提供這兩種形式,因?yàn)楦鶕?jù)墊圈裝置的水平路徑,其他彈性證明是有用的,例如除了對(duì)于墊圈裝置的直線路徑之外,當(dāng)半徑小時(shí),不同的墊圈幾何形狀是有用的。
墊圈裝置的一個(gè)有利的改進(jìn)是設(shè)想至少在某些區(qū)域?qū)|圈裝置設(shè)計(jì)成半墊圈,其圍繞電化學(xué)活性區(qū)域設(shè)置并在某些區(qū)域圍繞電化學(xué)活性區(qū)域開口。固定該半墊圈,使其朝高壓側(cè)開口,從而保證通過(guò)增大內(nèi)壓,使墊圈對(duì)相鄰雙極板的密封面(或位于其間的膜)的接觸壓力增大。由于通過(guò)使用張力帶等而固定在一起的末端板在外部穩(wěn)定了電化學(xué)壓縮機(jī)組,因此僅可在有限的程度上,可得到堆疊的各板。整個(gè)裝置沒(méi)有“彈性擴(kuò)張”,而僅在密封區(qū)增大接觸力,以至于甚至存在密封或者整個(gè)裝置的自穩(wěn)定作用。因而將半墊圈設(shè)計(jì)為通過(guò)增大電化學(xué)活性區(qū)域的系統(tǒng)壓力(內(nèi)壓可大于200巴,優(yōu)選大于700巴,特別優(yōu)選大于1000巴,最高5000巴),指向電化學(xué)壓縮機(jī)組的方向的表面壓力增大,以至于排除了緊密性問(wèn)題且針對(duì)密封提供了準(zhǔn)“自穩(wěn)定”系統(tǒng)。
又一個(gè)有利的實(shí)施方案設(shè)想墊圈裝置由鋼制成。鋼的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用常規(guī)工具非常低成本地對(duì)其進(jìn)行加工,而且,例如給鋼涂覆薄的彈性體層的方法都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格試驗(yàn)的。根據(jù)本發(fā)明,鋼的良好的彈性性能有利于成功地設(shè)計(jì)本發(fā)明的長(zhǎng)的彈性密封區(qū)。因而尤其可以將墊圈裝置固定在雙極板上。因而,首先可將整個(gè)雙極板設(shè)計(jì)成鋼的模制件(可在某些區(qū)域設(shè)置耐腐蝕或?qū)щ娡繉?。但是,也可以將雙極板設(shè)計(jì)成其間具有塑料板的兩個(gè)鋼板的復(fù)合元件。但是,在可以使用鋼的良好的可加工性的各種情況下,都能夠在任何情況下進(jìn)行的生產(chǎn)步驟中制造墊圈裝置(例如對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模壓,即“流體場(chǎng)”)。結(jié)果產(chǎn)生非常低的成本,而且額外的組件例如額外插入的彈性體密封未提供額外的誤差來(lái)源。
但是,根據(jù)本發(fā)明,也可提供由其他金屬例如鋼、鎳、鈦或鋁及其合金制成的墊圈裝置。優(yōu)選金屬的這一選擇也依賴于例如所需的電性能或所需的耐腐蝕度。
因而可以調(diào)整墊圈的壓縮特性,例如使之適應(yīng)氣體擴(kuò)散層。但是,它不必僅適用于氣體擴(kuò)散層,通常墊圈邊線非常適合于具有低彈性的組件??梢造`活地設(shè)計(jì)折邊密封,因而可以被很好地使用,而且不會(huì)給電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家?guī)?lái)高的翻新成本。
另一個(gè)有利的實(shí)施方案設(shè)想墊圈裝置具有限位器,其將對(duì)氣體擴(kuò)散層的壓縮限制到最小厚度。它是墊圈裝置的不可壓縮的部分或者部件,其彈性遠(yuǎn)低于實(shí)際墊圈的彈性。這就保證了在墊圈區(qū)域的變形程度是有限的,以至于不可能存在對(duì)墊圈的完全壓平。
另一個(gè)有利的實(shí)施方案設(shè)想將墊圈裝置設(shè)置在與雙極板分離的組件上。尤其有利于當(dāng)雙極板是由不適用于墊圈裝置的材料構(gòu)成時(shí)。然后,將單獨(dú)的組件安裝在雙極板上,或通過(guò)粘接、沖入(clicking-in)、焊接(welding-in)、釬焊(soldering-in)或澆鑄來(lái)整合在一起,從而在單獨(dú)的組件和雙極板之間實(shí)現(xiàn)完全密封連接。
最后,另一個(gè)有利的實(shí)施方案設(shè)想由彈性體滾筒設(shè)計(jì)墊圈裝置??梢酝ㄟ^(guò)絲網(wǎng)印刷工藝或移印對(duì)這種墊圈進(jìn)行涂覆。這種墊圈可用于微密封和宏觀密封(macrosealing)。該滾筒還假設(shè)具有氣體擴(kuò)散層上的道路匹配的功能。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想將電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成電解裝置。這里,用電化學(xué)方法將引入電化學(xué)電池一側(cè)的水分解成氫分子和氧分子。由Nafion制成的膜或者相似的質(zhì)子傳導(dǎo)系統(tǒng)用于此目的,但是也可以使用包括例如用氫氧化鉀浸泡的PTFE泡沫塑料的分離器。而且,用氫氧化鉀浸泡的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)是可能的分離器,例如基于Nextel的結(jié)構(gòu)或氫氧化物傳輸結(jié)構(gòu)。接觸力(在電化學(xué)電池組的主方向上的密封的表面壓力)可以是0.1-200N/mm2,優(yōu)選大于10N/mm2,特別優(yōu)選大于50N/mm2。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)是氫壓縮機(jī),其將引入質(zhì)子傳導(dǎo)電化學(xué)膜的第一面上的分子氫氧化成H+,并且在第二面上再將其還原為分子氫,其中由于密封和空間布局,那里的分子氫在第二面上受到的壓力比在第一面上受到的壓力更大。在這里,工作溫度應(yīng)為0-100℃,0-200℃或0-550℃也是可行的。這里,可以使用氫氧化物傳輸結(jié)構(gòu)或者甚至已知的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜(例如由Nafion制成)來(lái)作為膜。
當(dāng)然,也可以相應(yīng)地壓縮其他氣體,用于合適地選擇離子導(dǎo)體,例如具有氫氧化物傳輸結(jié)構(gòu)的氧。
總體上,應(yīng)當(dāng)記住所述電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能地忍受很大的壓力,該壓力明顯高于其他電化學(xué)機(jī)械裝置中采用的壓力。在沒(méi)有泄漏損失的情況下,電化學(xué)活性區(qū)域中的主導(dǎo)氣壓應(yīng)當(dāng)至少為100巴,優(yōu)選大于200巴,特別優(yōu)選大于500巴。
本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及以盡可能低的成本使電化學(xué)電池組中的開口實(shí)現(xiàn)可靠密封的目的,其中應(yīng)當(dāng)確保從開口到冷卻腔或者朝向電化學(xué)電池組的電化學(xué)活性區(qū)域安全地供應(yīng)用于冷卻和用于電化學(xué)電池工作的介質(zhì)(具體地,O2或空氣或H2)。這方面可用于任何電化學(xué)系統(tǒng),例如燃料電池或上述電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的的實(shí)現(xiàn)在于在至少一個(gè)雙極板的開口周圍設(shè)置彈性墊圈裝置,其中用于傳輸液體或氣體介質(zhì)的穿孔排列在墊圈裝置的至少一個(gè)側(cè)面上。這里示出一個(gè)由具有層疊的若干個(gè)電化學(xué)電池(或燃料電池)的電化學(xué)電池組(或者燃料電池組)組成的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)(或者用于燃料電池系統(tǒng)),所述電池在各種情況下都由雙極板隔開,其中雙極板具有用于電化學(xué)電池(燃料電池)的冷卻或用于其介質(zhì)供應(yīng)和介質(zhì)排放的開口,且可以在沿著層疊方向的機(jī)械壓縮應(yīng)變下設(shè)置電化學(xué)電池組(或燃料電池組),其中彈性墊圈裝置圍繞雙極板的開口設(shè)置,其中在墊圈裝置的至少一個(gè)側(cè)面上設(shè)置用于傳輸液體或氣體介質(zhì)的穿孔。
首先,在沿電化學(xué)電池組的層疊方向上施加機(jī)械壓力時(shí),通常首先通過(guò)墊圈裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)開口的密封,這是特別有利的,所述密封是低成本的且提供了良好的公差補(bǔ)償。另外,墊圈裝置側(cè)面上的穿孔有利于向相應(yīng)的冷卻劑腔中特定地供應(yīng)或排放冷卻劑以及可靠地供應(yīng)和排放介質(zhì)。不再需要必須完全截?cái)鄩|圈以便準(zhǔn)垂直于電化學(xué)電池組的層疊方向(與界面管道的方向重合)供應(yīng)或排放冷卻劑或操作介質(zhì)。因此,已經(jīng)可以在制造這些雙極板的過(guò)程中提供相應(yīng)的穿孔,所述穿孔后來(lái)導(dǎo)致最終的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)中的介質(zhì)供應(yīng)。因此,有利的是,可以大規(guī)模地、方便地制造這些穿孔,通過(guò)改變這些穿孔可以精確預(yù)設(shè)墊圈裝置的流阻和剛度等。
尤其可以節(jié)省成本地制造雙極板或其部件,由于首先在金屬板上設(shè)置孔,接著進(jìn)行孔板的機(jī)械成型以制造墊圈裝置,使得以前引入的孔成為位于墊圈裝置的至少一側(cè)的穿孔。當(dāng)然,也可以首先模壓雙極板的輪廓,然后例如使用激光加工、沖壓(punchsupply)等來(lái)引入穿孔。
因此,可以總結(jié)為,本發(fā)明的價(jià)值在于可以簡(jiǎn)化向雙極板的活性區(qū)域的介質(zhì)供應(yīng)。密封的“隧道效應(yīng)”不是必需的,因?yàn)榇藭r(shí)的介質(zhì)供應(yīng)通過(guò)密封系統(tǒng)本身進(jìn)行。這第一節(jié)省了空間,第二有利于提高電化學(xué)電池的容量和承重能力。具體地,本發(fā)明可用于PEM電化學(xué)電池的雙極金屬板,在大多數(shù)情況下所述金屬板是由相互平面連接的兩個(gè)模壓金屬片構(gòu)成的。介質(zhì)水,在某些情況下是冷卻水,和氣體必須被有效地相互密封。如果雙極金屬板的密封被設(shè)計(jì)成墊圈結(jié)構(gòu),則在大多數(shù)情況下墊圈在介質(zhì)應(yīng)當(dāng)流入活性區(qū)域的位置被嚴(yán)重壓平。在這些位置處不存在膜的支撐物,這會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏(“貫通(cross-over)”)或者導(dǎo)致膜向供應(yīng)通道坍塌。但是,如果在墊圈的側(cè)面引入穿孔并允許介質(zhì)例如氫氣、空氣、蒸餾水橫向流經(jīng)墊圈進(jìn)入雙極板的流場(chǎng)區(qū),則墊圈能夠抵靠在未被截?cái)嗟哪ど稀S纱双@得介質(zhì)流的完全密封。為了不顯著地改變墊圈的彈性特征,更有利的是將孔設(shè)計(jì)成圓形或橢圓形。通過(guò)適用于介質(zhì)流經(jīng)區(qū)域的墊圈構(gòu)造的第二金屬板的設(shè)計(jì)保證了電化學(xué)電池中出現(xiàn)的流體流動(dòng)之間的密封。因而墊圈可以設(shè)計(jì)成全墊圈或半墊圈。而且,介質(zhì)流經(jīng)具有相連管道的墊圈。這對(duì)于引導(dǎo)冷卻介質(zhì)尤其有利。因而在陽(yáng)極板和陰極板之間引導(dǎo)冷卻介質(zhì)更為容易。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想側(cè)平面的穿孔可具有圓形、橢圓形或者有角的橫截面。被引導(dǎo)流經(jīng)這些穿孔的流體的流動(dòng)性能首先受到這種形狀和每個(gè)側(cè)平面的合適的穿孔數(shù)量的影響。而且,對(duì)于電化學(xué)電池組的層疊方向上的應(yīng)力,還可以控制墊圈裝置的剛度,因?yàn)橄鄳?yīng)的幾何慣性力矩也受到穿孔形狀的共同影響。
一個(gè)特別有利的改進(jìn)設(shè)想將一根管道連接至一個(gè)穿孔,其中管道連接至墊圈內(nèi)部而且至少朝向墊圈外表面閉合。這就保證了穿孔不是直接從墊圈內(nèi)部被引導(dǎo)至其外部,而是可以通過(guò)例如雙極板的氫氣槽內(nèi)的管道進(jìn)行特定的傳輸;因此可以防止將氧氣引入電化學(xué)電池的陰極。就制造技術(shù)而言,特別有利的是在模壓雙極板(例如當(dāng)其由金屬制成時(shí))的同時(shí)共同模壓這些管道,或者,在后或在先固定各管道當(dāng)然都是可行的。
另一個(gè)改進(jìn)設(shè)想穿孔朝向電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域開口。這尤其是被用來(lái)引入介質(zhì)例如氫氣。當(dāng)然,在單個(gè)雙極板中也可以同時(shí)存在相互鄰接的不同變體,即連接至管道的穿孔和沒(méi)有管道的穿孔。
一個(gè)在工業(yè)上非常有前景的實(shí)施方案設(shè)想雙極板由兩個(gè)(金屬)板構(gòu)成,在兩塊板之間,其具有位于兩者之間用于冷卻劑和/或介質(zhì)氣體如H2通過(guò)的腔。因此,該雙極板的內(nèi)部還可以分為若干部分,例如分為一方面用于引導(dǎo)冷卻劑且另一方面用于分配介質(zhì)氣體的部分??梢酝ㄟ^(guò)兩塊板的連接區(qū)域來(lái)提供這種劃分,其設(shè)計(jì)為例如焊接或釬焊。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想墊圈裝置包括“全墊圈”或“半墊圈”。對(duì)于全墊圈,可選擇在一側(cè)或兩側(cè)上設(shè)穿孔。需要全墊圈還是半墊圈尤其取決于所需的剛度或者還取決于開口的幾何尺寸。
墊圈裝置尤其適合于由金屬例如鋼、鎳、鈦或鋁及其合金構(gòu)成的雙極板。墊圈裝置可以是雙極板中模壓形貌的一部分。但是,也可以將墊圈裝置設(shè)置在一個(gè)組件上,所述組件首先與雙極板分離,接著被特別地設(shè)置在由金屬、塑料、石墨等制成的雙極板上,或者通過(guò)粘接、沖入(clicking-in)、焊接(welding-in)、釬焊(soldering-in)或澆鑄來(lái)連接到雙極板上。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想對(duì)墊圈裝置進(jìn)行涂覆用于微密封。這保證了,例如借助于通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝在墊圈裝置的外側(cè)涂覆的彈性體層,實(shí)現(xiàn)防止介質(zhì)通過(guò)的微密封。該彈性體涂層還具有額外的作用,即在該層上安置聚合物膜的情況下,提供“浮動(dòng)式”或“滑動(dòng)式”固定,這保證了一方面甚至對(duì)于10%左右的尺寸變化,該電化學(xué)電池的膜仍然固定,且另一方面由于過(guò)于剛性的固定,膜不出現(xiàn)裂縫。
另一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)想將電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域設(shè)置在一個(gè)基本密閉的室中,該室受到墊圈裝置的基本呈環(huán)狀的側(cè)向限制。這意味著墊圈裝置不僅可用于密封雙極板的開口,而且可以“整體密封”電化學(xué)電池組的內(nèi)部。
一個(gè)特別有利的改進(jìn)設(shè)想,對(duì)于穿孔和非穿孔側(cè)面區(qū)域內(nèi)的、沿電化學(xué)電池組的層疊方向的應(yīng)力,墊圈裝置具有基本相同的剛度??赏ㄟ^(guò)不同的方式調(diào)整到相同的剛度。例如可以借助于沿墊圈裝置的路徑變化的側(cè)面角(flank angle)(例如在穿孔的側(cè)面區(qū)域內(nèi)的較陡的側(cè)面角)或者通過(guò)合適的材料分布(即例如在穿孔的緊鄰周圍區(qū)域更大的壁厚)進(jìn)行調(diào)整。例如可使用最大拉伸強(qiáng)度Rm為300-1,100N/mm2,優(yōu)選600-900N/mm2的鋼。這些鋼的彈性模量為150,000-210,000N/mm2。
下面結(jié)合附圖來(lái)闡述本發(fā)明。
圖1a-1c示出電化學(xué)電池組的構(gòu)造類型,圖2aa、2ab和2b示出本發(fā)明的墊圈裝置的實(shí)施方案,圖2c示出本發(fā)明的雙極板的平面圖,圖3a-3d示出若干個(gè)帶有限位器的墊圈裝置,圖4示出工業(yè)生產(chǎn)的雙極板的挖剪圖(cutout),圖5a和5b示出具有穿孔的墊圈裝置的示意圖,圖6a-6c示出具有穿孔和連接有管道的墊圈裝置的示意圖,圖7a-7c示出本發(fā)明的墊圈裝置設(shè)計(jì)的不同類型,圖1a示出電化學(xué)電池的構(gòu)造,如圖1b所示。多個(gè)電化學(xué)電池以層疊方式形成排列在端板之間的電化學(xué)電池組1的區(qū)域(如圖1c所示)。
具有常用組件的電化學(xué)電池2如圖1a所示,其具有例如離子傳導(dǎo)聚合物膜,該膜設(shè)置在中心區(qū)域2a且其兩面上都有催化劑層。其間排列有聚合物膜的兩個(gè)雙極板3被設(shè)置在電化學(xué)電池中。具有可被容納在雙極板的內(nèi)凹處中的尺寸的氣體擴(kuò)散層9也被排列在各雙極板和聚合物膜之間的區(qū)域(任選地,根據(jù)雙極板的精細(xì)結(jié)構(gòu))。在電化學(xué)電池的組裝狀態(tài)(圖1b)中,基本上被氣體擴(kuò)散層覆蓋的電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域被布置在基本密閉的室10中(該室基本上對(duì)應(yīng)于上述雙極板的內(nèi)凹處),該室基本上被墊圈11呈環(huán)狀地側(cè)向限制。由于墊圈11,該密閉室10是氣密性的,墊圈11屬于墊圈裝置7或7’(見圖2aa、2ab和2b)。
用于介質(zhì)供應(yīng)的通道開口5a和用于介質(zhì)排放的通道開口5b位于密封區(qū)域內(nèi),由墊圈11將其相對(duì)于其他通道開口例如用于冷卻的通道開口4(其具有單獨(dú)的密封墊圈,該墊圈同樣根據(jù)本發(fā)明而設(shè)置)密封。通過(guò)在層疊方向6上對(duì)電化學(xué)電池組1施加壓力,在所有的墊圈上都實(shí)現(xiàn)了密封效果(見圖1c)。這是通過(guò)例如這里未示出的張力帶實(shí)現(xiàn)的。墊圈11的優(yōu)點(diǎn)在于其具有表現(xiàn)出充分的密封效果的大彈性壓縮區(qū)域。這在安裝氣體擴(kuò)散層9時(shí)尤其有利,所述氣體擴(kuò)散層9是由例如石墨或金屬纖維墊(鈦、不銹鋼或鎳)制成的,工業(yè)上生產(chǎn)的氣體擴(kuò)散層9具有大的制造公差。由于墊圈11的彈性范圍寬,因此將墊圈調(diào)整到適合氣體擴(kuò)散層的幾何尺寸是可行的。這保證了一方面提供側(cè)向密封,另一方面在氣體擴(kuò)散層平面內(nèi)提供足夠的氣體分散并且層疊方向6上的接觸壓力是均勻的和足夠大的,從而使氣流均勻流經(jīng)氣體擴(kuò)散管。為了改善微密封,在墊圈11的外側(cè)提供彈性體的涂層,該涂層已經(jīng)通過(guò)例如絲網(wǎng)印刷工藝涂覆。
為了限制對(duì)氣體擴(kuò)散層的擠壓,設(shè)計(jì)墊圈結(jié)構(gòu)具有限位器。該限位器可設(shè)計(jì)成折頁(yè)、波紋限位器或者甚至梯形限位器,將在后面針對(duì)圖3a-3d的描述中更加詳細(xì)地說(shuō)明該限位器。所有限位器都具有能將對(duì)墊圈的壓縮限制到一個(gè)最小尺寸的作用。
在這種情況下,將雙極板設(shè)計(jì)成金屬模制件。參見針對(duì)結(jié)合墊圈裝置的生產(chǎn)便利性和鋼的優(yōu)點(diǎn)所述的內(nèi)容。
如果雙極板是由例如不適合制造具有必需彈性的合適的墊圈幾何形狀的金屬成型而成,則可將墊圈區(qū)域設(shè)計(jì)為由不同的合適材料(例如鋼)制成。然后通過(guò)接合工藝,例如焊接、釬焊、粘接、鉚接、沖入(clicking-in),將單獨(dú)的墊圈組件連接至雙極板。如果雙極板是由除金屬以外的材料制成的,例如由石墨復(fù)合物、塑料或者石墨制成,則可將墊圈區(qū)域設(shè)計(jì)為由合適材料制成的框架。通過(guò)接合工藝,例如熔合、澆鑄、焊接、釬焊、粘接、鉚接、沖入,將包含流場(chǎng)的雙極板的基材以氣密或液密方式連接至包含墊圈的墊圈密封框架。
圖2aa和2ab示出根據(jù)本發(fā)明的墊圈裝置的實(shí)施方案。圖2aa示出穿過(guò)設(shè)計(jì)成半墊圈的墊圈裝置7的橫截面。基本呈環(huán)狀的墊圈11密封氣體擴(kuò)散層9,這一點(diǎn)已經(jīng)在圖1a的設(shè)計(jì)中表示出。在圖2aa中,墊圈被設(shè)計(jì)成所謂的半墊圈,即例如類似四分之一圓。由于電化學(xué)電池的內(nèi)部區(qū)域必須由密封墊密封,而且在介質(zhì)管道區(qū)域存在交叉(見圖2c),因此需要另一種設(shè)計(jì),即設(shè)計(jì)為全墊圈或半墊圈。一個(gè)全墊圈可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)半墊圈,它們?cè)诟鞣N情況下本身都具有密封作用。而且,使用全墊圈或半墊圈提供了在大的框架結(jié)構(gòu)中改變彈性的可能性。
圖2aa示出處于非受壓狀態(tài)的墊圈裝置7。當(dāng)對(duì)電化學(xué)電池組施加機(jī)械壓縮應(yīng)變時(shí),在方向6上發(fā)生擠壓,以至于墊圈裝置7或者墊圈11相對(duì)于氣體擴(kuò)散層形成密閉室10的氣密性側(cè)向密封。
圖2ab示出墊圈裝置11的另一個(gè)挖剪圖。其被設(shè)計(jì)為半墊圈。該半墊圈或者具有半墊圈形式的墊圈裝置通過(guò)熔接縫27連接至雙極板3。膜2設(shè)置在半墊圈的上面,該半墊圈基本上被設(shè)計(jì)為“S”形。因此,電化學(xué)活性區(qū)域被膜2、半墊圈11和雙極板以氣密方式密封,以至于在此形成內(nèi)壓Pinternal。由金屬纖維墊,這里是由鈦纖維墊制成的氣體擴(kuò)散層被安置在電化學(xué)活性區(qū)域中。至少在某些區(qū)域半墊圈裝置的設(shè)置方式為由于電化學(xué)活性區(qū)域的壓力增大導(dǎo)致內(nèi)壓Pinternal增大,從而將“S”的上側(cè)面向上推動(dòng)(亦見寬箭頭),且因此“S”的上側(cè)面中的表面壓力增大。由于在電化學(xué)電池組方向上的整體延伸中,整個(gè)電化學(xué)電池組被張力帶限制到一個(gè)最小尺寸,因此存在該側(cè)面區(qū)域內(nèi)的表面壓力增大,并且因而產(chǎn)生更好的密封,這就是準(zhǔn)“自穩(wěn)定系統(tǒng)”。
圖2b示出另一個(gè)墊圈裝置,即墊圈裝置7’。該裝置與圖2a所示裝置的唯一不同在于此處的墊圈被設(shè)計(jì)為全墊圈(大約具有半圓形橫截面)。本發(fā)明還有許多其他的實(shí)施方案。因此,能夠顯示出例如與這里所示不同的其它墊圈幾何形狀,也可以是多墊圈。而且,本發(fā)明的墊圈密封可以用于受壓的電化學(xué)電池組區(qū)域中的所有密封墊。不僅可以圍繞氣體擴(kuò)散層密封電化學(xué)活性區(qū)域10,而且可以密封氣體或液體介質(zhì)等的任何通道。對(duì)于圍繞電化學(xué)電池組的裝配導(dǎo)向裝置(螺絲孔)的密封,可以利用墊圈裝置的彈性,從而反控制電池組的安裝過(guò)程(settling process),并且補(bǔ)償可能的公差。
圖2c示出本發(fā)明的雙極板3’的另一個(gè)實(shí)施方案的平面圖。在該平面圖中用粗線表示墊圈裝置。因而,墊圈裝置用于密封若干個(gè)通道開口。
圖3a-3d示出都具有限位器的各種墊圈裝置。該限位器用于限制墊圈的形變,使得墊圈不能被壓縮至超過(guò)一定的尺寸。
因此,圖3a示出具有全墊圈11”的單層墊圈裝置,在方向15上通過(guò)波紋限位器29到達(dá)該全墊圈的形變極限。圖3b示出雙層墊圈裝置,其中上層全墊圈的形變由位于其下的折疊金屬墊(見附圖標(biāo)記34)所限制。圖3c和3d示出其中至少兩個(gè)全墊圈處于相對(duì)位置且提供有折疊墊(見圖3c)或波紋墊(見圖3d)以限制形變的墊圈裝置。
圖4示出雙極板3的挖剪圖的詳細(xì)結(jié)構(gòu),前面已經(jīng)使用圖1a在原理上對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明。該雙極板原則上可用于任何電化學(xué)系統(tǒng),即例如用于上述電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)或燃料電池系統(tǒng)。
雙極板3由上下放置的兩個(gè)金屬板3a和3b組成(圖5b中可見下方的板3b)。板3a(相應(yīng)的情況適用于板3b)具有從紙平面向上伸出的模壓管道結(jié)構(gòu)17。在這些突起(用小箭頭18表示,指示管道路徑的方向)之間形成的管道用于氣體流向電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域的特定通道。
開口5a或5b由全墊圈圍繞,用于向電化學(xué)活性區(qū)域供應(yīng)介質(zhì),例如H2或水。圍繞開口5的墊圈裝置7具有洞型穿孔8,其允許在箭頭18的方向上經(jīng)過(guò)穿孔8供應(yīng)介質(zhì)。
開口4用于向金屬板3a和3b之間的間隙供應(yīng)冷卻液體。開口4被墊圈裝置7’圍繞。被連接至未示出的穿孔8’的管道28(見圖6a)從墊圈裝置進(jìn)入雙極板3的內(nèi)部。
圖5a示出雙于剖極板3的上板3a的挖剪圖。在橫截面圖中示出圍繞開口5a或5b的墊圈裝置7。如圖4所示,該剖面對(duì)應(yīng)于剖面線A-A。在橫截面圖中,墊圈裝置7示出全墊圈,即連接至平面區(qū)域(圍繞開口)的上升側(cè)面7b以及在一個(gè)水平板之后被連接至另一個(gè)水平板的下降側(cè)面7a。側(cè)面7b和7a具有圓孔8,氣體例如H2的供應(yīng)用相應(yīng)的箭頭(它們對(duì)應(yīng)于圖4中的箭頭方向18)表示。當(dāng)然,也可以提供橢圓的或者有角度的開孔,或者僅提供只有從水平區(qū)域開始的下降側(cè)面的半墊圈。開口8朝向電化學(xué)電池2的電化學(xué)活性區(qū)域10或者雙極板3開口,以至于介質(zhì)流體例如空氣、H2或者水可以由此經(jīng)過(guò)。在其他設(shè)計(jì)中,只有一個(gè)側(cè)面例如側(cè)面7a包含穿孔當(dāng)然也是可行的。
板3a由金屬,1、2或4級(jí)鈦;鎳200、201或601制成,且整體包含墊圈裝置7;提供適用于電化學(xué)電池的高合金鋼例如1.45 71、1.44 04、1.44 01或1.44 39作為金屬。它們?nèi)菀状笠?guī)模地加工。
圖5b示出電化學(xué)電池組或燃料電池或電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)中的雙極板3。示出了圍繞作為“界面”管道的開口5的挖剪圖。依次連接有雙極板(在有些情況下未示出)的電化學(xué)電池2在各種情況下都被設(shè)置在雙極板3的上方和下方,為了更好地說(shuō)明,省去對(duì)單獨(dú)的氣體擴(kuò)散層的敘述。從界面管道流入的氣體基本上沿方向19流經(jīng)界面管道。界面管道內(nèi)的主流動(dòng)方向用箭頭19表示,電化學(xué)活性區(qū)域25中的氣體的進(jìn)一步分散在雙極板3的上面和電化學(xué)電池2之間沿箭頭20的方向進(jìn)行,而且由于雙極板的合適的空腔形狀,可以通過(guò)空腔4進(jìn)行進(jìn)一步的分散。分子氫還可以以相應(yīng)的方式在雙極板3的另一平面?zhèn)燃磪^(qū)域21上流過(guò)。
圖5b又示出了如何通過(guò)接合區(qū)域26將空腔14與盛有冷卻液體的空腔13相分離。
圖6a示出墊圈裝置7’的挖剪圖,其示出了開口4的周圍區(qū)域(根據(jù)剖面B-B)。
墊圈裝置7’具有全墊圈。該全墊圈在其側(cè)面7a’上有穿孔8’,在墊圈裝置的外面,管道28被連接至該穿孔。管道28確保在墊圈內(nèi)部設(shè)有連接,因此沿方向22流動(dòng)的氣體不會(huì)流至墊圈外表面35。
圖6b再次示出穿過(guò)一部分電化學(xué)電池組的剖面,具體地是在圍繞開口4(開口屬于例如用于冷卻劑的界面管道,在此,冷卻劑是蒸餾水)的區(qū)域。這些水通常沿方向23流動(dòng),一部分水流在方向24上分流進(jìn)入容納冷卻液體的空腔13。因此可以在圖6中清楚地看出,通過(guò)連接至穿孔8’的管道28,冷卻液體準(zhǔn)確無(wú)誤地流入空腔13中,位于板3a和其上方的電化學(xué)電池2之間且裝有O2的區(qū)域25未被冷卻液體污染。
圖6c再次示出圍繞開口4的區(qū)域的詳細(xì)的平面圖。示出了雙極板3的上板3a的相應(yīng)的小型挖剪圖。可以特別清楚地看出,圍繞開口4提供有墊圈裝置7’,引導(dǎo)冷卻液體流入空腔13(進(jìn)入紙平面)的管道28被連接至墊圈裝置7’的側(cè)面7a’。
提供本發(fā)明的墊圈裝置尤其是用來(lái)能夠以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省成本地系列生產(chǎn)具有所需緊密度的雙極板。尤其提供了具有整個(gè)墊圈裝置的雙極板的構(gòu)造??梢杂山饘侔寮w制造墊圈裝置,例如通過(guò)模壓(例如在模壓管道結(jié)構(gòu)的同時(shí)),結(jié)果使生產(chǎn)成本非常低。尤其是不需要采用額外的密封組件,設(shè)置額外的組件是昂貴的。
圖7a-7c示出墊圈裝置的不同的實(shí)施方案。所有這些墊圈裝置都可用于上述墊圈裝置,以限定電化學(xué)活性區(qū)域或開口和孔。為了更好地說(shuō)明,下面用新的附圖標(biāo)記30-33表示墊圈裝置。
圖7a首先以舉例的方式用3D位置示出墊圈裝置的不同的可能改動(dòng)。這涉及全墊圈的特定路徑(見例如具有墊圈裝置7’的圖2b或圖5a(墊圈裝置7)或6a(墊圈裝置7’))。相應(yīng)的路徑也適用于全墊圈。關(guān)于其他細(xì)節(jié),參考上述內(nèi)容。
墊圈裝置33示出具有可變的材料厚度的墊圈。墊圈裝置的橫截面表示為A-A或B-B(見圖7c)。這里,A-A示出了M2的材料厚度,在橫截面B-B中示出M1的材料厚度,在圖7b中示出了M1的材料厚度。在圖7b中,f表示代表重復(fù)結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相同位點(diǎn)之間的最短距離的區(qū)域。由于重復(fù)結(jié)構(gòu)中的區(qū)域可能與硬和不太硬的區(qū)域有關(guān),其中重復(fù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度比率是可變的,在此用“1”表示較硬的區(qū)域。(上述頻率的定義也適用于裝置30-32)墊圈裝置32示出墊圈裝置的波紋路徑。對(duì)于波紋路徑,這里也可選擇頻率f,同樣可選擇幅度AMP和半徑R(見圖7b),其中由于這種波紋設(shè)計(jì),可選擇雙極板的壓力分布或壓縮剛度。
墊圈裝置31示出可變的條寬,其同樣可被提供以任意頻率f。“條寬”應(yīng)理解為對(duì)應(yīng)于圖7c中定義的條寬“stb”的上扁平部的外寬。對(duì)于墊圈裝置31,條寬在stb1和stb2之間交替(stb1可為0.1-5mm,stb2可為0.2-10mm)。
最后,還可以看出墊圈裝置30示出具有可變邊緣寬度的墊圈。例如以預(yù)定的頻率f依次變化邊緣寬度。為了準(zhǔn)確定義邊緣寬度,參見圖7c,在那里,“scb”已被定義為邊緣寬度的尺寸(在雙極板的外表面測(cè)得),對(duì)于這里示出的墊圈裝置30,邊緣寬度在scb1和scb2之間交替(scb1可為0.3-5mm,scb2可為0.2-3mm)。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)電解來(lái)壓縮氣體和/或產(chǎn)生氣體的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其由具有若干電化學(xué)電池的層疊的電化學(xué)壓縮機(jī)組(1)組成,所述電化學(xué)電池均由雙極板(3;3’)將其相互隔離,其中雙極板具有用于電化學(xué)電池的介質(zhì)供應(yīng)和介質(zhì)排放的開口(5a,5b),且電化學(xué)電池組在沿層疊方向(6)的機(jī)械壓縮應(yīng)變下安置,其特征在于至少在某些區(qū)域提供彈性的墊圈裝置(7;7’),以密封開口(4,5a,5b)和/或電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域(10)。
2.權(quán)利要求1所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述電化學(xué)電池在面對(duì)雙極板的面上具有由傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)例如金屬纖維制成的氣體擴(kuò)散層(9)。
3.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于包覆所述墊圈裝置(7;7’),從而微密封介質(zhì)。
4.權(quán)利要求3所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于使用彈性體進(jìn)行包覆。
5.權(quán)利要求3或4所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝、移印、噴涂或者CIPG來(lái)進(jìn)行包覆。
6.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)包含全墊圈或半墊圈。
7.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)由金屬例如鋼、鎳、鈦、鋁以及含有大比例的上述金屬的合金制成。
8.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置具有將氣體擴(kuò)散層的壓縮限制到最小厚度的限位器。
9.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于將所述墊圈裝置(7;7’)連接至雙極板(3;3’)。
10.權(quán)利要求8所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述雙極板(3;3’)設(shè)計(jì)為整體金屬模制件。
11.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置設(shè)置在與雙極板分離的組件上,所述組件安置在石墨、塑料、金屬等上面或通過(guò)粘接、沖壓、焊接、釬焊或者澆鑄整合在一起。
12.權(quán)利要求8所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述雙極板(3;3’)設(shè)計(jì)為其間具有塑料板的兩個(gè)金屬板的復(fù)合元件。
13.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域設(shè)置在基本密閉的室(10)中,該室由墊圈裝置基本呈環(huán)形側(cè)向限制。
14.權(quán)利要求13所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于至少在某些區(qū)域?qū)⑺鰤|圈裝置設(shè)計(jì)成朝向電化學(xué)活性區(qū)域/密閉室(10)開口的半墊圈。
15.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置設(shè)計(jì)成彈性體滾筒,通過(guò)絲網(wǎng)印刷或者移印或者模壓將其作為滾筒涂覆。
16.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于電解裝置以電化學(xué)方式將引入電化學(xué)電池的一側(cè)的水分解為分子氫和氧。
17.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于氫壓縮機(jī)將引入到質(zhì)子傳導(dǎo)電化學(xué)電池第一面上的分子氫氧化成H+,并且在第二面上再次將其還原為分子氫,其中由于密封和空間布局,那里的分子氫在第二面上受到的壓力比在第一面上受到的壓力大。
18.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于密封電化學(xué)活性區(qū)域中的氣壓,使得在沒(méi)有泄漏損失的情況下,在密閉室(10)中的主導(dǎo)氣壓大于100巴,優(yōu)選大于200巴,特別優(yōu)選大于500巴。
19.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于將彈性墊圈裝置(7;7’)圍繞雙極板開口(4;5)和/或電化學(xué)活性區(qū)域設(shè)置,其中將用于傳導(dǎo)液體或氣體介質(zhì)的穿孔(8,8’)設(shè)置在墊圈裝置的至少一個(gè)側(cè)面(7a,7a’)上。
20.權(quán)利要求19所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述穿孔(8,8’)是圓形、橢圓形或有角的。
21.權(quán)利要求19或20所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于將管道(28)連接至穿孔(8’),其中將該管道連接至墊圈內(nèi)部(10’)且至少朝向墊圈的外表面閉合。
22.權(quán)利要求19或20所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述穿孔(8)朝向電池的電化學(xué)活性區(qū)域開口。
23.權(quán)利要求19所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述雙極板(3)由兩個(gè)板(3a,3b)構(gòu)成,在所述兩板之間具有用于冷卻劑和/或傳輸介質(zhì)流體(14)的空腔(13;14)。
24.權(quán)利要求6所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于全墊圈在一個(gè)側(cè)面(7a)或兩個(gè)側(cè)面(7a;7b)上包含穿孔(8;8’)。
25.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)是屬于雙極板的板(3a,3b)的一部分。
26.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng),其特征在于對(duì)于有穿孔和無(wú)穿孔側(cè)面區(qū)域內(nèi)層疊方向上(6)的應(yīng)力,所述墊圈裝置(7;7’)具有基本相同的剛度。
27.用于權(quán)利要求1-26中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)壓縮機(jī)系統(tǒng)的雙極板。
28.燃料電池系統(tǒng),由具有若干電化學(xué)電池的層疊的燃料電池組(1)構(gòu)成,所述燃料電池均由雙極板(3)將其相互隔離,其中雙極板具有用于燃料電池的冷卻的開口(4)或用于介質(zhì)供應(yīng)和介質(zhì)排放的開口(5a,5b),且燃料電池組在沿層疊方向(6)的機(jī)械壓縮應(yīng)變下安置,其特征在于圍繞雙極板的開口(4;5)提供彈性墊圈裝置(7;7’),其中用于傳輸液體或氣體介質(zhì)的穿孔(8,8’)被設(shè)置在墊圈裝置的至少一個(gè)側(cè)面(7a,7a’)上。
29.權(quán)利要求28所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述穿孔(8,8’)是圓形、橢圓形或有角的。
30.權(quán)利要求28或29所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于將管道(28)連接至穿孔(8’),其中將該管道連接至墊圈內(nèi)部(10’)且至少朝向墊圈的外表面閉合。
31.權(quán)利要求28或29所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述穿孔(8)朝向燃料電池的電化學(xué)活性區(qū)域(10)開口。
32.權(quán)利要求28-31中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述雙極板(3)由兩個(gè)板(3a,3b)構(gòu)成,在所述兩板之間具有用于冷卻劑和/或傳輸介質(zhì)氣體的空腔(13;14)。
33.權(quán)利要求28-32中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)包含全墊圈或半墊圈。
34.權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于全墊圈在一個(gè)側(cè)面(7a)或兩個(gè)側(cè)面(7a;7b)上包含穿孔(8)。
35.權(quán)利要求28-34中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)由金屬例如鋼、鎳、鈦或鋁構(gòu)成。
36.權(quán)利要求28-35中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置(7;7’)是屬于雙極板的板(3a)的一部分。
37.權(quán)利要求28-35中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于所述墊圈裝置設(shè)置在與雙極板分離的組件上,所述組件安置在由石墨、塑料、金屬等制成的雙極板上面,或通過(guò)粘接、沖入、焊接、釬焊或者澆鑄與雙極板相連接。
38.權(quán)利要求28-37中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于包覆所述墊圈裝置(7;7’),從而微密封介質(zhì)。
39.權(quán)利要求28-38中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于將電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域設(shè)置在基本密閉的室(10)中,該室由墊圈裝置基本呈環(huán)形側(cè)向限制。
40.權(quán)利要求28-39中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于對(duì)于有穿孔和無(wú)穿孔側(cè)面區(qū)域內(nèi)層疊方向上(6)的應(yīng)力,墊圈裝置(7;7’)具有基本相同的剛度。
41.用于權(quán)利要求28-40中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)的雙極板。
42.生產(chǎn)權(quán)利要求27或41所述的雙極板的方法,其特征在于首先在金屬板上設(shè)置孔,然后機(jī)械成型帶孔的板以生產(chǎn)墊圈裝置,使得在墊圈裝置的至少一個(gè)側(cè)面上的所述孔成為穿孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)電解來(lái)壓縮氣體和/或產(chǎn)生氣體的電化學(xué)系統(tǒng),其由具有若干層疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)壓縮機(jī)組(1)組成,所述電化學(xué)電池在各種情況下都由雙極板(3;3’)將其相互分離,其中雙極板具有用于電化學(xué)電池的介質(zhì)供應(yīng)和介質(zhì)排放的開口(5a,5b),且電化學(xué)電池組在沿層疊方向(6)的機(jī)械壓縮應(yīng)變下設(shè)置。墊圈裝置(7;7’)是彈性的,且至少設(shè)置在某些區(qū)域,以密封開口(4,5a,5b)和/或電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)域(10)。
文檔編號(hào)C25B9/20GK1703795SQ200380101331
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月14日
發(fā)明者雷蒙德·施特羅貝爾, 貝恩德·高格勒, 阿爾布雷希特·賽勒, 克勞迪婭·孔茨, 約阿希姆·舍雷爾, 克里斯蒂安·施萊爾, 約翰·瓦爾德福格爾 申請(qǐng)人:萊茵茲-迪茲通斯-有限公司