具有弹性密封组件的金属双极板和电化学系统的制作方法

已知的电化学系统，例如燃料电池系统或电化学压缩系统(例如电解装置)，通常包括电化学电池的堆叠体，其相互之间通过双极板分隔。这种双极板例如可用于独立的电化学电池(例如燃料电池)的电极之间的电接触，和/或相邻电池的电连接，例如电池的串联连接。双极板也可包括通道结构或形成通道结构，形成所述结构来向电池供给一种或多种介质，和/或移除反应产物。所述介质例如可以是燃料(比如氢或甲醇)和反应气体(例如空气、氧或冷却剂)。这种通道结构通常配置在电化学活性区域中，从而配置在气体分配结构(也称作流场)中。进一步，双极板可设计成用于引导电化学电池中电能或化学能的转换过程中产生的热，以及用于密封不同介质或冷却剂通道以使相互之间隔离和/或与外部隔离。通常，堆叠体的双极板包括相互对齐的通路开口。然后其形成通道，在所述通道中介质和/或反应产物可被引导至堆叠体的相邻双极板之间的电化学电池或从电化学电池移除。电化学电池例如可各自包括一个或多个膜-电极组件，简称为MEA，其具有聚合物-电解质膜，简称为PEM。MEA可包括一种或多种气体扩散层，其通常朝向双极板取向并且例如可呈现为金属磨毛布或碳磨毛布的形式。

关于堆叠体中的双极板中提及的通路开口的密封，和/或电化学活性区域中的通道结构的密封，已知的双极板包括至少具有一个与双极板的板平面平行延伸的凸缘件的密封组件。为了减少系统的材料和重量，所用的凸缘件具有尽可能小的材料强度或材料厚度。在堆叠体的组装过程中，凸缘件在第一步骤中被压缩。在第二步骤中，在双极堆叠体的运行过程中产生凸缘件的压缩和松弛。但是，所述类型的已知的凸缘件在松弛时存在很大限制。这即为堆叠体中的双极板的压缩过程中其经常发生不可逆塑性形变的原因，特别是在堆叠体的组装过程中尤为如此。相比于聚合物-电解质膜或MEA，双极板通常具有更长的预期寿命。因此，能够将用过的双极板与新MEA进行组装。现有的双极板通常仅能在其他双极板的堆叠体中与新MEA进行非常有限程度的再利用，由于塑性形变而使其密封功能不符合要求。

因此本发明的目的在于提供具有基于凸缘件的密封的双极板，所述凸缘件具有更好的弹性性能和尽可能小的材料强度，同时尽可能良好地确保密封性能。

该目标通过权利要求1所述的具有密封组件的金属双极板而得到解决。具体实施方式示于从属权利要求。

对此，提出了用于电化学系统的金属双极板，所述双极板包括有至少一个平行于双极板的板平面延伸的凸缘件的弹性密封组件；

其中，在与各个凸缘件延伸方向垂直的方向上，凸缘件包括一个具有横向凸起和在两个横向凸起之间形成的沟槽的M形截面；

其中，所述横向凸起具有朝向所述沟槽的内侧面，且内侧面的侧面高度垂直于板平面从沟槽的顶点延伸至各个横向凸起的顶部点，所述顶点是沟槽的最深点，所述顶部点是横向凸起的最高点，且

其中，所述沟槽填充有弹性体。

与现有的上述提及类型的双极板相比，本文的双极板的特征在于，弹性体垂直于板平面延伸并在凸缘件的整个延伸方向上超过横向凸起的顶部点，并且凸缘件的整个迹线上的弹性体起自凸缘件的M形截面的沟槽顶部点且至少有侧面高度的50％，到达纵向凸起的内侧面并将所述内侧面覆盖，从而在垂直于板平面压缩双极板的过程中，施加于弹性体的压力通过弹性体被引导入凸缘件。

进一步，提出了电化学系统，特别是具有多个上述类型的金属双极板和多个分别配置在双极板之间的电化学电池的燃料电池堆叠体或电解装置。在所述电化学系统中，双极板和电化学电池沿着堆叠方向进行堆叠，并且可施加沿堆叠方向的机械压力，或施加有沿堆叠方向的机械压力。

因此，弹性体各自沿着内侧面的一部分，相当于各个内侧面的侧面高度的至少50％，该弹性体与内侧面直接接触，即，沿垂直于凸缘件的各迹线的截面且处于沟槽底部的沟槽顶点的两侧。内侧面优选从沟槽的顶点延伸至各个横向凸起的顶点。这种形式的两个内侧面优选包括沟槽的底部和沟槽的侧部。

密封组件以及凸缘件迹线的延伸范围可分别参照凸缘件的中心线来表示，同样适用于凸缘件，平行于板平面延伸。如果提及位于沿着凸缘件的迹线的特定位置的凸缘件的截面相对于凸缘件迹线垂直取向，则其优选是指，截面与凸缘件中心线上的各个位置正切相交。因此，截面优选相对于板平面垂直取向。如果没有其他描述，则本文中的术语“密封组件的截面”、“凸缘件的截面”或“截面”分别是指沿着板平面的截面，其取向垂直于平面的各迹线并垂直于板平面。

凸缘件的截面几何形状在整个迹线上可保持相同，但是也可变化。例如，在远离螺栓位置的区域中的凸缘件的侧面的倾斜度可大于靠近螺栓位置区域的倾斜度，以实现规律的(regular)力的导入。远离螺栓孔区域的凸缘件侧面相比于靠近螺栓孔区域的侧面也可更小和/或更高。同样地，与直线延伸的区域相比，弯曲区域的凸缘件可更低或更宽，或具有更平缓的侧面。如果凸缘件的凸起几何尺寸沿着其迹线变化，则弹性体的截面可与凸缘件同样地变化，或产生不同程度的变化，或保持不变。

宏观视角下凸缘件具有不变的延伸方向的区域中，其也可在宏观上直线延伸，但是也可在延伸方向附近交替变化并在俯视视角下以波浪形状延伸。最后一种具有类似截面几何形状的变化形式可带来更高的刚度。

然后，也将双极板的板平面称作x-y面。具有多个所述双极板的电化学系统中的双极板能够进行堆叠的方向或已堆叠的堆叠方向在后文中也称作z-方向。这种形式的x-、y-和z-方向形成右手笛卡尔坐标系的轴。因此凸缘件的高度通常沿着z方向延伸。

由于凸缘件截面具有M形的几何形状，特别是在沿着z方向的情况下，凸缘件的刚度和弹性性能这两种性质中的至少一种得到提高，而且不会明显损害另一种性质。由于凸缘件的整个迹线上的弹性体垂直于板平面凸出凸缘件整个板平面迹线并超过横向凸起的顶部，且凸缘件的整个迹线上的弹性体起自凸缘件的M形截面的凹槽的顶点且至少超过侧面高度的50％，到达纵向凸起的内侧面并将所述内侧面覆盖，因此弹性体足够稳定地配置或固定于凸缘件顶部的凹槽中，从而其不会在横向偏离，意味着垂直于凸缘件的各个迹线并与x-y面平行且向外，从而不会流走。藉此能够避免双极板的压缩过程中弹性体的蠕变。

沿z方向压缩双极板的过程中，凸缘件能够发生弹性形变，即可逆形变；藉此，例如与凸缘件迹线垂直的凸缘件顶部的凹槽的宽度减小。于是弹性体在凸缘件形变过程中可被压缩，例如在垂直于凸缘件的各个迹线的方向上被压缩。藉此，能最大程度地避免凸缘件的塑性形变，即不可逆形变。再次解除凸缘件的负荷时，例如从堆叠体中移除双极板的过程中，弹性体通常恢复其初始的未被压缩的形状，并藉此引起凸缘件的有利的回弹。藉此也能通过所用弹性体的硬度或弹性来调整凸缘件的特征曲线，从而调整取决于沿着凸缘件迹线而施加于凸缘件的单位长度压缩力(N/mm)的弹性形变(mm)。由于回弹性能得到增强，压缩在堆叠体中的双极板的密封组件的密封效果也得到提高。

通过沿凸缘件的整个迹线，使弹性体起自凸缘件的M形截面的凹槽的顶点并到达横向凸起的内侧面且覆盖所述内侧面的侧面高度的至少80％，能够将弹性体特别地固定在凸缘件顶部的凹陷中、将用于垂直于板平面压缩双极板的力特别地导入凸缘件中、以及提高密封组件的刚度。

如果弹性体填充凸缘件的M形截面的凹槽且在整个侧面高度、实际优选沿着凸缘件的迹线覆盖每一处，则密封组件的刚度和回弹性能可特别设定并控制。这包括，沿截面并由此垂直于凸缘件的各迹线而限定的区域(其被横向凸起的内侧面和连接横向凸起的两个顶点的直线围住)在各种情况下被弹性体完全填充。换言之，在上述直线以下凹槽无空隙，即在上述直线和板平面之间无空隙。

沿一部分凸缘件的M形截面的弹性体从第一横向凸起的顶点延伸至第二横向凸起的顶点，垂直于板平面凸出并超过弯曲状的横向凸起的顶点，优选高过凸缘件的整个迹线，藉此在沿着z方向压缩双极板的过程中能够特别规律地导入施加于凸缘件的压缩力。关于预先限定的直线，其通过凸缘件的横向凸起的两个顶点限定，这意味着弹性体沿着z方向连续伸出并高于该直线。藉此，从第一横向凸起的顶点延伸至第二横向凸起的顶点并朝向远离凸缘件的方向的弹性体的外侧或外表面可连续弯曲延伸和向外隆起，从而在远离凹槽顶点的方向上延伸。

如果弹性体不完全覆盖内侧面，其仍然从与这些内侧面之一的界面处开始向着穿过凹槽顶点的垂线升高，在穿过凹槽顶点的垂线的另一侧再次降低。此处的上升和下降优选是连续的，但是在穿过凹槽顶点的垂线区域中，也可形成没有高度变化的平台。

如果凸缘件直线延伸，则其截面中的密封组件相对于密封组件的对称轴通常是镜面对称或基本镜面对称的。对称轴通常延伸至各个截面内且与板平面垂直，并与凹槽的顶点交叉。如果凸缘件非直线延伸，例如形成拐角，或如果其大体以波浪形延伸，则偏离该严格对称。

沿z方向测定的弹性体的高度可在沿着凸缘件截面的凸缘件中心或中间部分处达到最大值，并朝向凸缘件的横向凸起单调递减。于是所述中心部分的弹性体在z方向上超过凸缘件的横向凸起部分的距离最远。这与弹性体也在该区域具有最大厚度的情况一致，所述区域中弹性体相对于金属凸缘件的凸起伸出的距离最远。

为了提高密封组件的回弹性质，弹性体可具有可压缩性。弹性体可以是热塑性弹性体，氟聚合物，例如氟聚合物橡胶，全氟橡胶，全氟-烷氧基聚合物，丁二烯橡胶，丙烯腈-丁二烯橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶，水合丙烯腈-丁二烯橡胶，乙烯-丙烯-二烯橡胶，乙烯-丙烯橡胶，有机硅橡胶，氟硅橡胶，聚丙烯酸酯橡胶，乙烯-丙烯酸酯橡胶或聚氨酯，或包括上述材料中的一种或多种。可使用丝网印刷法将弹性体涂布于凸缘件的凹槽。

所述密封组件即便在凸缘件的材料厚度很小的情况下也提供足够的回弹性能。因此凸缘件的材料厚度可小于0.15mm，优选小于0.1mm，特别有利的是小于0.08mm。因此，对于相同数量的板或燃料电池，在燃料电池堆叠体中需要更小的构建高度。藉此，能降低材料成本和重量。或者，在构建高度不变的情况下，能构建具有更多独立电池的堆叠体。

通常，凸缘件凹槽的深度小于凸缘件横向凸起的高度。因此z方向上的凹槽通常不会到达板平面。于是在这种情况下，凹槽顶点与板平面之间存在距离。这也能有助于增加密封组件的回弹性质，因为在沿z轴方向朝板平面压缩双极板的凹槽区域的过程中，凸缘件可回弹且不会顶到凹槽区域中。板平面例如可由双极板的直的部分限定，所述直的部分与凸缘件横向凸起的外侧面相接并朝向远离凸缘件凹槽的方向。通常，凹槽顶点和板平面之间的距离不大于凸缘件高度的50％，优选不大于40％，所述凸缘件高度为z方向上凸缘件横向凸起的顶部到板平面的距离。

为了将弹性体充分固定在凸缘件的凹槽中，有利的是凸缘件横向凸起的内侧面的侧面高度相当于凸缘件高度的至少15％，优选至少20％，特别优选至少30％。凸缘件高度通常低于0.7mm，优选低于0.55mm。

为了增加密封组件的回弹性能，凸缘件横向凸起的外侧面朝向远离凹槽的方向，仅具有微小的倾斜。外侧面与沿凸缘件截面的z方向之间的角度例如可以是至少30°，优选为至少45°，特别优选为至少50°。

凸缘件的横向凸起的截面优选呈现远离板平面的隆起，在每种情况下所述隆起将横向凸起的内侧面与横向凸起的外侧面连接。如果该隆起的曲率半径为凸缘件两底角之间宽度的至少6％、优选为至少9％，则密封组件的回弹性质也可提高。凸缘件两底角之间的宽度例如小于3mm，优选小于2.5mm。

进一步，为了提高密封组件的回弹性能，凸缘件可在凹槽区域中沿着凸缘件截面弯曲，至少部分弯曲，或至少在凸缘件的截面的中心或中间部分弯曲。凹槽该区域中弯曲的曲率半径相对于凸缘件两底角之间的宽度例如小于50％，优选小于40％。为了增加密封组件的刚度，凹槽区域中的凸缘件截面也可以是波浪状的。

为了形成液体和/或气体介质的通路，双极板能包括一个或多个垂直于板平面的通路开口。具有多个本文所述的双极板的电化学系统中，相邻双极板的通路开口例如至少部分对齐配置，以形成一个或多个用于供给和/或移除液体和/或气体介质的通道。于是这些通道通常在堆叠方向上延伸贯穿板的堆叠体，或贯穿整个电化学系统。然后可配置双极板的密封组件，以使密封组件径向包围所述双极板的开口并相对于周围环境和/或相对于电化学系统的内部密封。双极板的密封组件可至少部分设计成用于密封系统的电化学电池的电化学活性区域的形式。

为了形成贯穿凸缘件的液体和/或气体介质的导向通路，特别是垂直于凸缘件迹线的通路，凸缘件的外侧面可包括一个或多个贯穿位置或穿孔。液体和/或气体介质可被引导至例如与双极板相邻的电化学电池的电活性区域，或通过这些贯穿位置输送离开该电池。

双极板可包括两个相互平行配置且相互机械连接的部分板。所述部分板例如用于使电化学系统的两个相邻电化学电池的电极接触，所述电极分别配置于双极板的不同侧。然后密封组件的凸缘件可与部分板形成一个整体。这种情况下，凸缘件由各个部分板自身形成。

在具体实施方式中，第一部分板可包括所述类型的第一密封组件，且第一凸缘件和第一部分板形成一个整体。因此，该实施方式中的第二部分板包括所述类型的第二密封组件和第二凸缘件，其中第二凸缘件和第二部分板也形成一个整体。于是第一部分凸缘件的第一部分凸缘件和第二部分板的第二部分凸缘件能围成一个用于引导第一凸缘件和第二凸缘件之间的液体和/或气体介质的空腔。

双极板的两个部分板至少在凸缘件外部是相互结合的。优选使用连续的焊缝、特别是激光焊缝来连接两个部分板。特别地，如果凸缘件也用于引导液体和/或气体介质，则优选将连续焊缝配置于凸缘件的两侧。或者，也可使用钉焊缝或点焊缝。从而，焊缝优选位于凸缘件的底角区域或远离凸缘件，从而与凸缘件底角相邻。

本发明的实施方式在附图中说明，并将使用之后的描述进一步解释。其示于：

图1是具有多个双极板和配置于双极板之间的电化学电池的电化学系统的示意性透视图；

图2是图1所述的电化学系统的双极板之一的示意性俯视图；

图3是与图1类似的电化学系统的两个相邻双极板以及配置于双极板之间的电化学电池的示意图；

图4是根据本发明的密封组件的第一实施方式的示意截面图；

图5a是非负荷状态下图4的密封组件的示意图；

图5b是负荷状态下图4的密封组件的示意图；

图6是根据本发明的密封组件的第二实施方式的示意截面图；

图7是根据本发明的密封组件的第三实施方式的示意截面图；

图8是根据本发明的密封组件的第四实施方式的示意截面图；

图9是根据本发明的双极板和用于密封双极板中的通路开口的密封组件的示意图；

图10是根据本发明的双极板和用于密封双极板中的通路开口的密封组件的示意图，其中，密封组件的凸缘件的外侧面包括用于引导液体和/或气体介质的穿孔。

图11是具有第一和第二部分板的根据本发明的双极板，其中，第一部分板的第一凸缘件和第二部分板的第二凸缘件围成用于引导气体和/或液体介质的空腔；

图12是根据本发明的双极板的凸缘件与根据现有技术的双极板的凸缘件的负荷-偏移曲线的对比；和

图13是图12的解释性截面。

图1示出了电化学系统1，其包括串联电连接的氢燃料电池。在替代性实施方式中，系统1也可以是电化学压缩器或电解装置。它们相互之间在结构设计上并无差异，但是在导向和排离MEA的流体以及电能的产生或供给方面存在显著差异。

电化学系统1包括堆叠体2，所述堆叠体具有多个金属双极板和用于将化学能转换为电能的各自配置在相邻双极板之间的电化学电池。电池以串联方式连接。堆叠体的双极板和电池在z方向5上堆叠，并配置在端板3和4之间。堆叠体2的双极板的板平面分别与x-y面平行配置。x方向6和y方向7与z-方向共同形成右手笛卡尔坐标系。沿着z方向5，通过端板3和4对堆叠体2的双极板和电池施加机械压力并保持在一起，例如使用此处未示出的螺钉或螺栓。

端板4包括多个端口8，通过所述端口可将液体和/或气体介质供给于电化学系统1，和/或从电化学系统1将液体和/或气体介质移除。例如，可通过端口8向系统1供给燃料(例如氢气)和反应气体(例如氧气)。进一步可将反应产物(例如水和空气)、还原的氧物质和被加热的冷却剂从系统1排出。

图2示出了图1的堆叠体2的金属双极板9的俯视图，所述双极板平行于x-y面取向。双极板9包括两个机械连接的部分板9a和9b，其中，在图2中仅示出第一部分板9a，第二部分板9b被覆盖。双极板9包括通路开口10a-h。图1中的电化学系统1的堆叠体2中剩余的双极板具有与双极板9的通路开口10a-h相对应的通路开口。图1中的系统1的堆叠体2的双极板的这些通路开口沿着z方向对齐取向，从而形成用于引导上述液体和/或气体介质的导管。于是，这些导管垂直于双极板的板平面延伸并贯穿系统1的堆叠体2。导管与系统1的端板4的端口8液体连通。

双极板9的部分板9a还包括弹性密封组件11，其平行于双极板9的板平面延伸，从而在图2中显示与x-y面平行。此处以及后文中，使用相同的数字标记表示重复的特征。形成密封组件以密封区域28，使之与系统1的环境隔离。密封组件11形成闭合的弧线并完全围住区域28。此处密封组件沿着椭圆通路开口延伸并具有椭圆基本形状。此时，其延伸区域不是直线延伸的，而是来回波动，以向凸缘件的整个迹线提供基本不变的刚度。在区域28的中心矩形部分区域29中，部分板9a包括多个突出，所述突出垂直于板平面突出。堆叠体2的相邻双极板9和13之间形成部分区域29，以容纳电化学电池14，如图3所示。此处，电化学电池14是用于将化学能转换为电能的双极板。形成在部分区域29的突出部位之间的通道用于将燃料或反应气体供料输送至配置在双极板9和13之间的部分区域29中的电化学电池14的电化学活性区域，如图3所示。

除了密封组件11之外，双极板9的部分板9a包括多个进一步的弹性密封组件12a-h，所述组件各自用于密封由通路开口10a-h形成的通道，使其与区域28或系统1的环境隔离。密封组件12a-h各自也平行于双极板9的板平面而延伸，分别形成独立的(self-contained)迹线并完全径向围住双极板9的通路开口10a-h。密封组件11和12a-h各自垂直于部分板9a的板平面从部分板9a突出。弹性密封组件11和12a-h的特征会在后文进一步说明。

图3示出了类似于图1的堆叠体1在y-z面中的截面。图3示出了类似于图2中的双极板9的双极板9，其具有金属部分板9a和9b，堆叠体2中第二双极板13与第一双极板9相邻。双极板9和13具有相同的结构。双极板13也包括两个机械连接的金属部分板13a和13b。部分板9a、9b、13a、13b均由不锈钢制成，并且垂直于板平面的材料厚度23为0.075mm。在部分区域29中，前述电化学电池14配置在相邻双极板9和13之间。电化学电池14包括电解质膜15，阳极16、阴极17以及气体扩散层18和19。导电的气体扩散膜18和19分别配置在电极16和双极板9之间，以及双极板9、13之间。

图3示出了部分板9a的密封元件11的截面。密封组件11包括金属凸缘件20和弹性体21。双极板9的凸缘件20和部分板9a形成一个整体。凸缘件20平行于双极板9的板平面延伸，并从双极板9的板平面垂直隆起。如图3所示，凸缘件20垂直于画面平面沿x方向6延伸，且画面垂直于其延伸方向，从而在图3的画面上、即y-z面上具有M形截面，所述截面具有横向凸起和形成在横向凸起之间的凹槽，所述凹槽被弹性体21填充，如图4所示。

双极板9的第二部分板9b包括一个结构与第一部分板9a的密封组件11的结构相同的密封组件22，所述组件22具有金属凸缘件24和弹性体25，且密封组件22平行于双极板9的板平面延伸，与密封组件11相同。凸缘件24和第二部分板9a形成为一个整体。密封组件11和22垂直于双极板9的板平面从各个双极板9反向突出。关于这方面，密封组件11和22设计成以下形式：在密封组件11和22之间形成的空腔26也适合作为所述气体和/或液体介质之一的导槽或通路。

部分板9a和9b之间的凸缘件20和24形成的空腔26被焊接线27a和27b横向地(于是在图3中沿y方向)密封，所述焊接线沿着凸缘件20和24连续延伸。

双极板13包括密封组件52，其结构与双极板9的密封组件11的结构相同。为了密封双极板9和23之间的区域28，密封组件11和52协作以将它们之间的电池14的电解质膜15围住，并相向抵住膜15。

图4示意性地示出了部分板9a的密封组件11的详细截面图。所述截面沿着垂直于双极板9或其部分板9a的板平面的面取向，并垂直于密封组件11的迹线，即，在不存在凸缘件侧面穿孔的区域。

图4中的密封组件的截面示出了具有横向凸起30a和30b以及形成在横向区域30a和30b之间的凹槽31的金属凸缘件20，所述凹槽填充有弹性体21。在横向凸起30a和30b的顶部32a和32b处，沿z方向5并垂直于部分板9a的板平面测定了横向凸起30a和30b的最大高度t2。部分板9a的板平面由部分板9b的直部分33a和33b限定，其在y方向7上延伸并在凸缘件20两侧的凸缘件20的底角点34a和34b与凸缘件20相接。在凹槽的顶点35处，垂直于板平面测定了凹槽31区域中凸缘件的最低高度t1。密封组件11在其截面中相对于对称轴对称，所述对称轴垂直于板平面延伸并在凹槽31的顶点35处与凸缘件20相交。

凸缘件20的两底角之间的凸缘件宽度b从底角点34a平行于板平面延伸至底角点34b，长度为2.2mm。实施例中所示的凸缘件20的高度t2为0.5mm。凹槽31的顶点35的高度约为0.25mm，从而等于凸缘件高度t2的50％。在不同的实施方式中，高度t1也可小于凸缘件高度t2的50％或小于40％。因此顶点不到达板平面中，并与板平面之间存在距离。通常，凹槽31的顶点35处凸缘件20的高度t1等于凸缘件高度t2的至少20％或至少30％。

凸缘件20的横向凸起30a和30b包括朝向远离凹槽31的方向的外侧面37a和37b，所述外侧面从底角点34a延伸至顶部32a，以及从底角点34b延伸至32b。为了增加密封组件11的回弹性能，特别是垂直于板平面方向的回弹性能，将凸缘件20外侧面37a和37b设计成平坦的形式。此处，至少在一些部分中，所述外侧面与垂直于板平面延伸的z方向之间的角度大于30°。在凸缘件高度t2的至少30％的部分上，外侧面与z方向之间的角度大于30°。

凸缘件20还包括朝向凹槽31的内侧面38a和38b。横向凸起的内侧面38a从横向凸起30a的顶部32a延伸至凹槽31的顶点35，并从横向凸起30b的内侧面38b延伸至凹槽31的顶点35。从而内侧面38a和38b形成凹槽31的底部或基底以及侧部。内侧面38a和38b的高度t1垂直于板平面从凹槽31的顶点35的平面处延伸至横向凸起30a和30b的顶部32a和32b所在的平面。内侧面38a和38b的高度t1同时也是凹槽31的深度。此处，内侧面38a和38b的高度t1等于凸缘件高度t2的50％。在改进的实施方式中，内侧面38和38b的高度t1优选等于凸缘件高度t2的至少15％、至少20％或至少30％。这能够使弹性体21特别固定在凸缘件20的凹槽31中，从而如果在堆叠体2的双极板的压缩过程中(参照图1)压力垂直于双极板的板平面或沿z方向5作用于密封组件，则能够尽可能有效地避免弹性体21的偏移(特别是平行于板平面和垂直于凸缘件20的各个迹线的偏移)或密封组件11的偏移。

此处所述示例中，平行于板平面测定的横向凸起30a的顶部32a和横向凸起30b的顶部32b之间的距离等于1mm。因此顶部32a和32b之间平行于板平面的距离约为凸缘件20的两底角之间的宽度b的45％。在改进的实施方式中，顶部32a和32b之间平行于板平面的距离优选小于凸缘件20的两底角之间的宽度b的50％。

在顶部32a和32b的区域中，凸缘件的横向凸起30a和30b各自包括朝向远离板平面方向的隆起。顶部32a的区域中凸缘件20的隆起将横向凸起30a的外侧面37a与内侧面38a连接，且顶部32b的区域中凸缘件20的隆起将横向凸起30b的外侧面37b与内侧面38b连接。在凹槽的顶点35的区域中，凸缘件包括朝向板平面的方向的隆起。这也对密封组件11的回弹性能具有积极效果。于是，凹槽31弯曲至凸缘件截面的中心部分内。此处凸缘件20的该中心弯曲部分的延伸长度约为0.25mm。于是凹槽31的顶点35的区域中凸缘件20的弯曲部分长度为凸缘件20的两底角之间的宽度b的至少10％。在此处说明的示例中，沿凸缘件截面的中心弯曲部分相对于凹槽31的顶点35对称。凹槽31的顶点35的区域中凸缘件20的曲率半径(未明确标出)为0.2mm。在改进的实施方式中，凹槽31的顶点35的区域中凸缘件20的曲率半径优选小于凸缘件20的两底角之间的宽度b的50％、小于40％或小于30％。

弹性体21是可压缩弹性体，例如硅基弹性体。弹性体21印刷于凸缘件顶部中的凹槽31的表面上，此处特别使用丝网印刷法。弹性体21沿着图2所示的密封组件的整个迹线填充凸缘件20的凹槽31。特别地，弹性体21沿凸缘件截面完全填充表面39，所述表面39由横向凸起30a和30b的内侧面38a和38b以及连接顶部32a和32b的直线44所界定。从而弹性体21起自凹槽31的顶点35并超过横向凸起30a和30b的内侧面38a和38b的整体高度t1，覆盖内侧面38a和38b。换言之，弹性体21与内侧面38a和38b直接接触，所述内侧面起自凹槽31的顶点35并上行至横向凸起30a和30b的顶部32a和32b，完全覆盖内侧面38a和38b。这有助于将弹性体固定在凹槽31中，并在在相对于板平面垂直压缩堆叠体2的过程中将作用于密封系统11的压缩力规律地引入凸缘件20，藉此在堆叠体2的压缩过程中防止弹性体21的横向偏移和蠕变。在图2所示的示例中，沿密封组件11的整个密闭曲线上可实现该效果，甚至在凸缘件外侧面37a和37b具有穿孔50的区域中也可实现该效果。

在改进的实施方式中，弹性体21起自凹槽的顶点35并凸出至内侧面38a和38b的高度t1的至少50％或至少80％，与内侧面38a和38b直接接触并分别在该部分内完全覆盖内侧面38a和38b。沿着图2所示的密封组件的整个密闭迹线也可实现该效果。图8示出了这种密封组件11的改进的实施方式，其中弹性体超过高度t1的85％，直接到达内侧面38a和38b并分别在该部分内完全覆盖内侧面38a和38b。在高度t1的最上部的15％的部分中，内侧面是暴露的。

进一步，弹性体21垂直于双极板9或部分板9a的板平面伸出并实际上沿着图2所示的密封组件11的整个密闭曲线超过横向凸起30a和30b的顶部32a和32b。特别地，弹性体21垂直于双极板9或部分板9a的板平面伸出并沿整个截面超过顶部32a和32b，其中所述整个部分是指沿着从横向凸起30a的顶部32a到横向凸起30b的顶部32b沿截面延伸的沿整个部分。在弹性体21的顶部42处(弹性体21相对于部分板9a的板平面的最高点)，弹性体垂直于板平面伸出并超过顶部32a和32b的高度为h。此处高度h为0.05mm。从而，此处弹性体超出凸缘件20的高度为凸缘件高度t2的至少10％。弹性体21的顶部42位于对称轴36上。于是，弹性体在凸缘件截面的中心部分达到最大高度。

沿着密封组件11或凸缘件20的对称轴36，垂直于板平面测定的弹性体21的最大厚度为43mm，此处其为凸缘件高度t2的约50％。在变化的实施方式中，弹性体21的最大厚度43等于凸缘件高度t2的至少10％或至少30％。弹性体的厚度沿截面从弹性体21的顶部42向横向凸起30a和30b的侧面38a和38b单调递减，优选连续和/或严格单调递减。

沿部分41，弹性体21的朝向远离凸缘件20的方向的外表面44连续弯曲并向外隆起，从而朝向远离板平面的方向。弹性体的顶部42区域中弹性体21的外表面44的曲率半径(此处未明确示出所述半径)在这种情况下等于0.3mm，从而是凸缘件20的两底角之间的宽度b的至少50％。这也有助于朝向凸缘件20的特别的压力引导。

图5a再次示出了图4所示的弹性密封组件11的截面，即非负荷状态，其中没有压力作用于密封组件11。该状态例如是将双极板9和密封组件11安装至堆叠体2(参照图1)之前的情况，其中将沿z方向5对其施加压力。

图5b再次示出了图4和5a所示的弹性密封组件11的截面，但此时是负荷状态，其中压力垂直于双极板9的板平面作用于密封组件并通过弹性体21传导入凸缘件20。于是该状态例如是将双极板9和密封组件11安装至电化学系统1的堆叠体2的情况，其中压力沿堆叠方向起作用。于是图5b例如示出了图3中示意性说明的情况，其中密封组件抵住电解质膜15并被按压在双极板9和13之间以密封区域28，从而压力45通过平行于双极板9的板平面配置的电解质膜作用于密封组件11。

图5b中压力45引起了密封组件11的形变。特别地，压力45引起了凸缘件20和弹性体21的形变。首先，压力45沿z方向5挤压可压缩弹性体21，从而垂直于双极板的部分板9a的板平面挤压可压缩弹性体21。通过向凸缘件20施加压力45，凸缘件20也在z方向5受到垂直于部分板9a的板平面的压力，从而图5b所示状态的凸缘件20与图5a中的非负荷状态相比呈现降低的高度t2。负荷状态的密封组件11的高度t2与非负荷状态的密封组件11相比例如降低了5％。

图20所示的凸缘件20的形式的结果是，垂直于板平面对凸缘件20的压缩也导致凸缘件20产生平行于板平面的形变，特别是凸缘件20平行于板平面的压缩。因此，相比于非负荷状态，负荷状态下的横向凸起30a和30b的外侧面37a和37被压扁。同样地，相比于非负荷状态，横向凸起30a的顶部32a和横向凸起30b的顶部32b之间的距离41(平行于板平面，从而平行于x-y面)在负荷状态下减小。类似地，内侧面38a和38b也平行于板平面相向移动并平行于板平面挤压配置在凹槽31的内侧面38a和38b之间的弹性体21。该情况在图5b中以箭头46说明。

图5b所示的凸缘件20和弹性体21的形变完全是弹性的，因此是可逆压缩。如果压力不再施加于密封组件11，如图5b所示，则在移除将堆叠体保持在一起的压缩组件时，密封组件基本恢复至图4和5a所示的非负荷位置。藉此，存储于负荷状态下的可压缩弹性体21中的形变能支持凸缘件20再形变至非负荷位置。此处提及的密封组件11的形变可逆性相对于现有技术中的密封组件是有决定性优势的，现有技术的双极板堆叠体中双极板的压缩导致密封组件的塑性形变，即不可逆形变。这种已知的双极板一旦被组装至堆叠体并且其密封组件发生不可逆形变后，则通常不能进行再利用。相比之下，本文提出的双极板通常可按意愿进行再利用。

在图6和图7中，示出了图4和5中示出了根据本发明的密封组件11的第一实施方式的第二和第三实施方式。图6所示的第二实施方式的横向凸起30a和30b的外侧面37a和37b更平缓，这与第一实施方式不同，所述外侧面几乎连续倾斜并与垂直于部分板9a的板平面的z方向5形成40°至50°的角度。另外，横向凸起的顶部32a和32b区域中凸缘件20的曲率半径小于第一实施方式中的曲率半径。

图7所示的密封组件11的第三实施方式的凸缘件20与图4和5中的第一实施方式的不同在于，在凹槽的中心部分47具有额外的沿凸缘件截面的波浪状形变。凸缘件20的凹槽31的中心部分47在凹槽31的两个顶部35a和35b之间延伸，并朝向远离板平面的方向隆起。部分47平行于板平面延展，延伸长度为凸缘件两底角之间的宽度b的约10％或至少5％。垂直于板平面测定的部分47的隆起高度为凸缘件20的横向凸起30a和30b的内侧面38a和38b的高度t1的至少10％。

如上述说明，图8示出了密封组件11的第四实施方式，与其他实施方式的不同之处在于，弹性体未在整个高度t1上完全覆盖凸缘件20的内侧面38a和38b，覆盖高度t3仅为t1的85％。在凹槽的中心部分47处，与其他实施方式相同，弹性体伸出的高度超过两个顶部32a和32b的高度。

图9中示出了一对双极板9和13以及配置在其间的电解质膜15的透视图。该图中未示出在图3中详细说明的MEA的其他元件。该部分所示的双极板9包括通路开口10b，通过所述开口在z方向上、即板堆叠体的方向上运输例如反应气体。与外界连通的区域被密封组件11密封，双极板9的凸缘件20和24的朝向外边缘的侧部通过焊缝27b相互之间连续紧密地连接。双极板13也具有类似的焊缝。

图10中示出了图3的双极板9和13以及配置在双极板9和13之间的电解质膜15的透视图。该图进一步说明双极板9中的通路开口10b，所述通路开口与电解质膜14和双极板13中相应的通路开口沿z方向对齐配置，从而这些对齐的通路开口形成用于引导液体和/或气体介质(例如燃料或反应气体)的通道48。密封组件20的凸缘件24的外侧面49a和49b包括穿孔50，所述穿孔用作通过双极板9的密封组件22流入通道48的介质的设定通路(deliberate passage)。藉此，引导入通道48的介质能够通过穿孔50和空腔26被移到至电化学电池(图9中未示出)的电化学活性区域，所述电化学电池例如配置在堆叠体2的双极板9和另一个与双极板9相邻的双极板之间。双极板的部分板9b的密封组件22和双极板9的部分板9a的密封组件11在结构上相同。密封组件11的凸缘件20的外侧面37a和37b不包括通孔。此处双极板9的凸缘件20和24在凸缘件两侧的凸缘件底角区域通过连续延伸的紧密焊缝相互连接，从而介质仅能通过凸缘件的通孔50进入或离开空腔。面向通道48的焊线也可以是钉焊缝或点焊缝，这也适用于双极板13的情况。

图11是图3、9和11所示的空腔26的放大图，所述空腔被双极板9的部分板9a和部分板9b之间的凸缘件20和24包围。密封组件11的凸缘件20与双极板9的第一部分板9a形成为一个整体，密封组件22的凸缘件24与双极板9的第二部分板9b形成为一个整体。图10中的部分22在凸缘件通孔50之间延展。两个部分板9a和9b之间的可能的连接未在此处示出。

在图12中示出了双极板9的根据本发明的密封组件11和22与现有技术的密封组件(即根据DE10158772A1的双极板63的凸缘件61和62)之间的负荷-偏移曲线的对比。双极板9的根据本发明的密封组件11和22以及DE 101 58772A1的双极板63的凸缘件61和62示于图13。在图12中，相对于偏移绘制出了沿z方向作用于密封组件11和12或作用于凸缘件61和62的压力45(参照图13)。偏移与沿z方向5的压力45引起的密封组件11和12或凸缘件61和62的形变相对应。于是，根据本发明的密封组件11和22的情况下的偏移包括弹性体21和25以及凸缘件20和24沿z方向的形变。现有技术的凸缘件分别与双极板的相应的部分板制成一个整体。记录了具有不同金属片厚度的现有技术的凸缘件的特征曲线。在未中断的特征曲线的情况中，金属片厚度为0.1mm。在点状特征曲线的情况中，金属片厚度为0.075mm。另外，DE 101 58 772A1的两个凸缘件呈现相同的几何形状。在相同水平的力下，金属片厚度更大的凸缘件(特征曲线64)的弹性小于具有更小金属片厚度(特征曲线65)的凸缘件。具有更小金属片厚度(特征曲线65)的凸缘件能够承受的力小于具有更大金属片厚度(特征曲线64)的凸缘件，正如位置更低的特征曲线65所示。由此可知，如果双极板由非常薄的材料制成，则常规几何形状的凸缘件不足以进行永久密封。

本发明的凸缘件形状与之相反。图12的点段线特征曲线66和点划线特征曲线67示出了根据本发明的凸缘件的负荷-偏移曲线，其中在未压缩和未安装状态下，密封组件22的弹性体21和密封组件22的弹性体25在z方向5上分别比横向凸起30a,30b,60a,60b的顶部32a,32b,62a,62b高50μm，如图13所示。横向凸起的高度根据弹性体21的可压缩性进行选择。藉此将弯曲标准化，在弯曲的前0.1mm中仅出现了具有凹槽和弹性体的两个凸缘件20,24的压缩。在该区域中，分别主要发生弹性体21或25的压缩，凸缘件的支架(leg)仅被轻微压缩，如该区域的平缓的点段线特征曲线66和点划线特征曲线67所示。在组件的测定中，现有技术的不包括弹性体突出物的两个凸缘件也是仅在0.1mm后被压缩，如图13所示。

发现根据本发明的双极板的负荷偏移曲线的比例基本与弹性体的凸起相对应，在燃料电池堆叠体的组装过程中，所述弹性体承受最初阶段的压缩，因此不适用于组装状态下的实际密封效果。在图12中，这与0mm至0.1mm的偏移相对应。该区域中，在压缩过程中，最初仅突出的弹性体21和25产生形变，而凸缘件20和24还几乎未被压缩。因此仅有负荷偏移大于0.1mm的区域在组装状态下有助于实际密封，这即为两种密封系统的对比集中在此区域的原因。

本发明的双极板的两个特征曲线66和67相互不同，点段线特征曲线66来源于双极板9，其中部分板9a和9b仅在密封组件11和12的一侧通过焊缝相互连接，这是图9所示的情况，而点划线特征曲线67来源于双极板9，其中部分板9a和9b在密封组件11和12的两侧通过焊缝相互连接，这种情况示于图3和10。此处显而易见的是，相比于仅有一侧焊接的一对凸缘件，两侧焊接的一对凸缘件能够承受更大的力，正如相对于点段线特征曲线66，点划线特征曲线67具有更高的高度。两对凸缘件的弹性是相当的，原因在于特征曲线66和67具有类似的倾斜程度。

根据本发明的双极板的特征曲线66和67两者的右侧所示的分支中均包括至少一个弯折68或弯折69，其分别表示同时对金属板和填充的弹性体的压缩转变为仅对金属片的压缩。弯折68和69的右侧的几乎仅对金属片压缩的区域中的特征曲线66和67与弯折68和69的左侧的同时对金属片和弹性体压缩的区域相比明显倾斜程度更大。在最左边区域，即压缩0-0.1mm的区域中，特征曲线66和67的分支非常平坦，这与主要对弹性体的压缩相对应。

填充有弹性体的凸缘件的两个特征曲线66和67与未填充的具有相同金属片厚度的凸缘件的虚线特征曲线65的对比表明，根据本发明的凸缘件能够承受更大的力，因为两种情况中的拐点均高于虚线65且更具弹性，当考虑整个分支时，即也包括弯折68和69的两侧的情况中，其上升的斜率小于虚线65。

至少通过焊接根据本发明的凸缘件的两侧并将金属片厚度降低四分之一，能够承受与现有技术的凸缘件大致相同的力。所得的根据本发明的双极板的所有特征曲线的弹性均高于现有技术的双极板。