电化学系统的制作方法

专利名称：电化学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学系统，例如燃料电池系统或电化学压缩机系统。
例如，电化学压缩机系统可以是电解装置，通过施加电压，其除了产生如水和由水产生氧气以外，同时还在高压下压缩这些气体。
另外，电化学压缩机系统例如电化学氢压缩机也是已知的，向其中送入气体分子氢，通过施加电压，以电化学方式压缩分子氢。这种电化学压缩尤其适用于压缩少量氢气，因为此时采用机械方式压缩氢气是相当昂贵的。
已知在电化学系统中，电化学电池组是由若干个电化学电池的层叠构成的，所述电化学电池在各种情况下都通过双极板相互隔离。因此，双极板具有下述几个作用-与各电化学电池的电极电接触并向相邻的电池(电池的串联连接)传输电流，-向电池提供反应物，例如水或气体，并且例如通过合适的分配器结构除去产生的反应气体，-传输电化学电池发电过程中产生的热，以及-使各介质管或冷却管相对于其他管和外界密封。
双极板具有用于冷却或介质供应和介质排放的开口，用于从双极板向实际的电化学电池供应和排放介质(所述实际的电化学电池是例如MEA(膜电子装置)，其具有例如由金属垫制成的、在各种情况下都朝向双极板的气体扩散层)。
这里经常出现问题，尤其是关于气体扩散层。至今，传统上设计双极板之间或者双极板和电化学电池之间的密封为例如在双极板的沟槽内设置弹性体密封。通过对电化学电池组施加压缩应变(例如借助于张力带)，从而发生密封压紧，结果获得开口密封的效果。
插入的气体扩散层目前存在的一个问题是该层可被设计成纤维垫(使用金属纤维)或金属网。工业中常规的纤维垫具有例如1mm的理论厚度，但是制造公差为±100μm。构建该垫的金属纤维本身仅具有少量的弹性。而且，也不推荐通过压缩该垫来补偿纤维垫的制造公差，因为这样会使该垫层的气体透过率大大减小，且因此限制电化学电池的工作。但是，另一方面，必须由双极板对整个气体扩散层施加最小的压力，使得存在足够的穿过气体扩散层的气流通道。从而可以总结如下，对于目前的弹性体密封，总是存在不完全密封或电化学电池非最佳工作的情况。而且，尤其对于使用分子氢工作的电化学电池，会发生经弹性体密封扩散的H2渗透损失。
因此，作为第一方面，本发明的目的是以尽可能低的成本实现对电化学电池组中的开口的可靠密封。
上述目的是由本发明的电化学压缩机系统实现的。
通过至少在某些区域提供用于密封开口的弹性垫圈装置，沿着垫圈装置的长的弹性路径获得可靠的密封。实际上，开口应被理解为在本申请中待密封的任何区域。它可以是例如用于反应流体(例如H2或水)或冷却剂的通道口。但是，它也可以是其中例如设有气体扩散层或者设有螺丝孔的例如电化学活性区域。该弹性垫圈装置总是允许在大的公差范围内补偿例如气体扩散层的制造公差，且仍然提供最佳的密封效果。
本发明的一个非常有利的实施方案设想将垫圈装置设计为使用厚度为1μm-400μm薄层来进行微密封(microsealing)。有利的是，该薄层由弹性体例如硅树脂、氟橡胶或EPDM(乙烯/丙烯-二烯三元共聚物)制成，优选通过丝网印刷工艺、移印工艺、喷涂或者CIPG(密封垫就地(in place)固化；它是以液体形式被引入密封位置并在该位置固化的弹性体)进行涂覆。这些方法确保例如通过密封将氢气的扩散降低到一个极低的水平，这是因为可透过性材料的高度被调整到最小值。因此没有试图重新获得额外的几何高度，而是仅尝试对微密封进行粗糙度补偿。
本发明的另一个有利的实施方案设想垫圈装置包含全垫圈或半垫圈。因而也可以在垫圈装置中提供这两种形式，因为根据垫圈装置的水平路径，其他弹性证明是有用的，例如除了对于垫圈装置的直线路径之外，当半径小时，不同的垫圈几何形状是有用的。
垫圈装置的一个有利的改进是设想至少在某些区域将垫圈装置设计成半垫圈，其围绕电化学活性区域设置并在某些区域围绕电化学活性区域开口。固定该半垫圈，使其朝高压侧开口，从而保证通过增大内压，使垫圈对相邻双极板的密封面(或位于其间的膜)的接触压力增大。由于通过使用张力带等而固定在一起的末端板在外部稳定了电化学压缩机组，因此仅可在有限的程度上，可得到堆叠的各板。整个装置没有“弹性扩张”，而仅在密封区增大接触力，以至于甚至存在密封或者整个装置的自稳定作用。因而将半垫圈设计为通过增大电化学活性区域的系统压力(内压可大于200巴，优选大于700巴，特别优选大于1000巴，最高5000巴)，指向电化学压缩机组的方向的表面压力增大，以至于排除了紧密性问题且针对密封提供了准“自稳定”系统。
又一个有利的实施方案设想垫圈装置由钢制成。钢的优点在于可以使用常规工具非常低成本地对其进行加工，而且，例如给钢涂覆薄的弹性体层的方法都是经过严格试验的。根据本发明，钢的良好的弹性性能有利于成功地设计本发明的长的弹性密封区。因而尤其可以将垫圈装置固定在双极板上。因而，首先可将整个双极板设计成钢的模制件(可在某些区域设置耐腐蚀或导电涂层)。但是，也可以将双极板设计成其间具有塑料板的两个钢板的复合元件。但是，在可以使用钢的良好的可加工性的各种情况下，都能够在任何情况下进行的生产步骤中制造垫圈装置(例如对流场进行模压，即“流体场”)。结果产生非常低的成本，而且额外的组件例如额外插入的弹性体密封未提供额外的误差来源。
但是，根据本发明，也可提供由其他金属例如钢、镍、钛或铝及其合金制成的垫圈装置。优选金属的这一选择也依赖于例如所需的电性能或所需的耐腐蚀度。
因而可以调整垫圈的压缩特性，例如使之适应气体扩散层。但是，它不必仅适用于气体扩散层，通常垫圈边线非常适合于具有低弹性的组件。可以灵活地设计折边密封，因而可以被很好地使用，而且不会给电化学压缩机系统的生产厂家带来高的翻新成本。
另一个有利的实施方案设想垫圈装置具有限位器，其将对气体扩散层的压缩限制到最小厚度。它是垫圈装置的不可压缩的部分或者部件，其弹性远低于实际垫圈的弹性。这就保证了在垫圈区域的变形程度是有限的，以至于不可能存在对垫圈的完全压平。
另一个有利的实施方案设想将垫圈装置设置在与双极板分离的组件上。尤其有利于当双极板是由不适用于垫圈装置的材料构成时。然后，将单独的组件安装在双极板上，或通过粘接、冲入(clicking-in)、焊接(welding-in)、钎焊(soldering-in)或浇铸来整合在一起，从而在单独的组件和双极板之间实现完全密封连接。
最后，另一个有利的实施方案设想由弹性体滚筒设计垫圈装置。可以通过丝网印刷工艺或移印对这种垫圈进行涂覆。这种垫圈可用于微密封和宏观密封(macrosealing)。该滚筒还假设具有气体扩散层上的道路匹配的功能。
另一个有利的改进设想将电化学压缩机系统设计成电解装置。这里，用电化学方法将引入电化学电池一侧的水分解成氢分子和氧分子。由Nafion制成的膜或者相似的质子传导系统用于此目的，但是也可以使用包括例如用氢氧化钾浸泡的PTFE泡沫塑料的分离器。而且，用氢氧化钾浸泡的多孔陶瓷结构是可能的分离器，例如基于Nextel的结构或氢氧化物传输结构。接触力(在电化学电池组的主方向上的密封的表面压力)可以是0.1-200N/mm2，优选大于10N/mm2，特别优选大于50N/mm2。
另一个有利的改进设想电化学压缩机系统是氢压缩机，其将引入质子传导电化学膜的第一面上的分子氢氧化成H+，并且在第二面上再将其还原为分子氢，其中由于密封和空间布局，那里的分子氢在第二面上受到的压力比在第一面上受到的压力更大。在这里，工作温度应为0-100℃，0-200℃或0-550℃也是可行的。这里，可以使用氢氧化物传输结构或者甚至已知的质子传导聚合物膜(例如由Nafion制成)来作为膜。
当然，也可以相应地压缩其他气体，用于合适地选择离子导体，例如具有氢氧化物传输结构的氧。
总体上，应当记住所述电化学压缩机系统应当尽可能地忍受很大的压力，该压力明显高于其他电化学机械装置中采用的压力。在没有泄漏损失的情况下，电化学活性区域中的主导气压应当至少为100巴，优选大于200巴，特别优选大于500巴。
本发明的第二个方面涉及以尽可能低的成本使电化学电池组中的开口实现可靠密封的目的，其中应当确保从开口到冷却腔或者朝向电化学电池组的电化学活性区域安全地供应用于冷却和用于电化学电池工作的介质(具体地，O2或空气或H2)。这方面可用于任何电化学系统，例如燃料电池或上述电化学压缩机系统。
本发明的目的的实现在于在至少一个双极板的开口周围设置弹性垫圈装置，其中用于传输液体或气体介质的穿孔排列在垫圈装置的至少一个侧面上。这里示出一个由具有层叠的若干个电化学电池(或燃料电池)的电化学电池组(或者燃料电池组)组成的电化学压缩机系统(或者用于燃料电池系统)，所述电池在各种情况下都由双极板隔开，其中双极板具有用于电化学电池(燃料电池)的冷却或用于其介质供应和介质排放的开口，且可以在沿着层叠方向的机械压缩应变下设置电化学电池组(或燃料电池组)，其中弹性垫圈装置围绕双极板的开口设置，其中在垫圈装置的至少一个侧面上设置用于传输液体或气体介质的穿孔。
首先，在沿电化学电池组的层叠方向上施加机械压力时，通常首先通过垫圈装置来实现开口的密封，这是特别有利的，所述密封是低成本的且提供了良好的公差补偿。另外，垫圈装置侧面上的穿孔有利于向相应的冷却剂腔中特定地供应或排放冷却剂以及可靠地供应和排放介质。不再需要必须完全截断垫圈以便准垂直于电化学电池组的层叠方向(与界面管道的方向重合)供应或排放冷却剂或操作介质。因此，已经可以在制造这些双极板的过程中提供相应的穿孔，所述穿孔后来导致最终的电化学压缩机系统中的介质供应。因此，有利的是，可以大规模地、方便地制造这些穿孔，通过改变这些穿孔可以精确预设垫圈装置的流阻和刚度等。
尤其可以节省成本地制造双极板或其部件，由于首先在金属板上设置孔，接着进行孔板的机械成型以制造垫圈装置，使得以前引入的孔成为位于垫圈装置的至少一侧的穿孔。当然，也可以首先模压双极板的轮廓，然后例如使用激光加工、冲压(punchsupply)等来引入穿孔。
因此，可以总结为，本发明的价值在于可以简化向双极板的活性区域的介质供应。密封的“隧道效应”不是必需的，因为此时的介质供应通过密封系统本身进行。这第一节省了空间，第二有利于提高电化学电池的容量和承重能力。具体地，本发明可用于PEM电化学电池的双极金属板，在大多数情况下所述金属板是由相互平面连接的两个模压金属片构成的。介质水，在某些情况下是冷却水，和气体必须被有效地相互密封。如果双极金属板的密封被设计成垫圈结构，则在大多数情况下垫圈在介质应当流入活性区域的位置被严重压平。在这些位置处不存在膜的支撑物，这会导致气体泄漏(“贯通(cross-over)”)或者导致膜向供应通道坍塌。但是，如果在垫圈的侧面引入穿孔并允许介质例如氢气、空气、蒸馏水横向流经垫圈进入双极板的流场区，则垫圈能够抵靠在未被截断的膜上。由此获得介质流的完全密封。为了不显著地改变垫圈的弹性特征，更有利的是将孔设计成圆形或椭圆形。通过适用于介质流经区域的垫圈构造的第二金属板的设计保证了电化学电池中出现的流体流动之间的密封。因而垫圈可以设计成全垫圈或半垫圈。而且，介质流经具有相连管道的垫圈。这对于引导冷却介质尤其有利。因而在阳极板和阴极板之间引导冷却介质更为容易。
另一个有利的改进设想侧平面的穿孔可具有圆形、椭圆形或者有角的横截面。被引导流经这些穿孔的流体的流动性能首先受到这种形状和每个侧平面的合适的穿孔数量的影响。而且，对于电化学电池组的层叠方向上的应力，还可以控制垫圈装置的刚度，因为相应的几何惯性力矩也受到穿孔形状的共同影响。
一个特别有利的改进设想将一根管道连接至一个穿孔，其中管道连接至垫圈内部而且至少朝向垫圈外表面闭合。这就保证了穿孔不是直接从垫圈内部被引导至其外部，而是可以通过例如双极板的氢气槽内的管道进行特定的传输；因此可以防止将氧气引入电化学电池的阴极。就制造技术而言，特别有利的是在模压双极板(例如当其由金属制成时)的同时共同模压这些管道，或者，在后或在先固定各管道当然都是可行的。
另一个改进设想穿孔朝向电化学电池的电化学活性区域开口。这尤其是被用来引入介质例如氢气。当然，在单个双极板中也可以同时存在相互邻接的不同变体，即连接至管道的穿孔和没有管道的穿孔。
一个在工业上非常有前景的实施方案设想双极板由两个(金属)板构成，在两块板之间，其具有位于两者之间用于冷却剂和/或介质气体如H2通过的腔。因此，该双极板的内部还可以分为若干部分，例如分为一方面用于引导冷却剂且另一方面用于分配介质气体的部分。可以通过两块板的连接区域来提供这种划分，其设计为例如焊接或钎焊。
另一个有利的改进设想垫圈装置包括“全垫圈”或“半垫圈”。对于全垫圈，可选择在一侧或两侧上设穿孔。需要全垫圈还是半垫圈尤其取决于所需的刚度或者还取决于开口的几何尺寸。
垫圈装置尤其适合于由金属例如钢、镍、钛或铝及其合金构成的双极板。垫圈装置可以是双极板中模压形貌的一部分。但是，也可以将垫圈装置设置在一个组件上，所述组件首先与双极板分离，接着被特别地设置在由金属、塑料、石墨等制成的双极板上，或者通过粘接、冲入(clicking-in)、焊接(welding-in)、钎焊(soldering-in)或浇铸来连接到双极板上。
另一个有利的改进设想对垫圈装置进行涂覆用于微密封。这保证了，例如借助于通过丝网印刷工艺在垫圈装置的外侧涂覆的弹性体层，实现防止介质通过的微密封。该弹性体涂层还具有额外的作用，即在该层上安置聚合物膜的情况下，提供“浮动式”或“滑动式”固定，这保证了一方面甚至对于10％左右的尺寸变化，该电化学电池的膜仍然固定，且另一方面由于过于刚性的固定，膜不出现裂缝。
另一个有利的改进设想将电化学电池的电化学活性区域设置在一个基本密闭的室中，该室受到垫圈装置的基本呈环状的侧向限制。这意味着垫圈装置不仅可用于密封双极板的开口，而且可以“整体密封”电化学电池组的内部。
一个特别有利的改进设想，对于穿孔和非穿孔侧面区域内的、沿电化学电池组的层叠方向的应力，垫圈装置具有基本相同的刚度。可通过不同的方式调整到相同的刚度。例如可以借助于沿垫圈装置的路径变化的侧面角(flank angle)(例如在穿孔的侧面区域内的较陡的侧面角)或者通过合适的材料分布(即例如在穿孔的紧邻周围区域更大的壁厚)进行调整。例如可使用最大拉伸强度Rm为300-1,100N/mm2，优选600-900N/mm2的钢。这些钢的弹性模量为150,000-210,000N/mm2。
下面结合附图来阐述本发明。


图1a-1c示出电化学电池组的构造类型，图2aa、2ab和2b示出本发明的垫圈装置的实施方案，图2c示出本发明的双极板的平面图，图3a-3d示出若干个带有限位器的垫圈装置，图4示出工业生产的双极板的挖剪图(cutout)，图5a和5b示出具有穿孔的垫圈装置的示意图，图6a-6c示出具有穿孔和连接有管道的垫圈装置的示意图，图7a-7c示出本发明的垫圈装置设计的不同类型，图1a示出电化学电池的构造，如图1b所示。多个电化学电池以层叠方式形成排列在端板之间的电化学电池组1的区域(如图1c所示)。
具有常用组件的电化学电池2如图1a所示，其具有例如离子传导聚合物膜，该膜设置在中心区域2a且其两面上都有催化剂层。其间排列有聚合物膜的两个双极板3被设置在电化学电池中。具有可被容纳在双极板的内凹处中的尺寸的气体扩散层9也被排列在各双极板和聚合物膜之间的区域(任选地，根据双极板的精细结构)。在电化学电池的组装状态(图1b)中，基本上被气体扩散层覆盖的电化学电池的电化学活性区域被布置在基本密闭的室10中(该室基本上对应于上述双极板的内凹处)，该室基本上被垫圈11呈环状地侧向限制。由于垫圈11，该密闭室10是气密性的，垫圈11属于垫圈装置7或7’(见图2aa、2ab和2b)。
用于介质供应的通道开口5a和用于介质排放的通道开口5b位于密封区域内，由垫圈11将其相对于其他通道开口例如用于冷却的通道开口4(其具有单独的密封垫圈，该垫圈同样根据本发明而设置)密封。通过在层叠方向6上对电化学电池组1施加压力，在所有的垫圈上都实现了密封效果(见图1c)。这是通过例如这里未示出的张力带实现的。垫圈11的优点在于其具有表现出充分的密封效果的大弹性压缩区域。这在安装气体扩散层9时尤其有利，所述气体扩散层9是由例如石墨或金属纤维垫(钛、不锈钢或镍)制成的，工业上生产的气体扩散层9具有大的制造公差。由于垫圈11的弹性范围宽，因此将垫圈调整到适合气体扩散层的几何尺寸是可行的。这保证了一方面提供侧向密封，另一方面在气体扩散层平面内提供足够的气体分散并且层叠方向6上的接触压力是均匀的和足够大的，从而使气流均匀流经气体扩散管。为了改善微密封，在垫圈11的外侧提供弹性体的涂层，该涂层已经通过例如丝网印刷工艺涂覆。
为了限制对气体扩散层的挤压，设计垫圈结构具有限位器。该限位器可设计成折页、波纹限位器或者甚至梯形限位器，将在后面针对图3a-3d的描述中更加详细地说明该限位器。所有限位器都具有能将对垫圈的压缩限制到一个最小尺寸的作用。
在这种情况下，将双极板设计成金属模制件。参见针对结合垫圈装置的生产便利性和钢的优点所述的内容。
如果双极板是由例如不适合制造具有必需弹性的合适的垫圈几何形状的金属成型而成，则可将垫圈区域设计为由不同的合适材料(例如钢)制成。然后通过接合工艺，例如焊接、钎焊、粘接、铆接、冲入(clicking-in)，将单独的垫圈组件连接至双极板。如果双极板是由除金属以外的材料制成的，例如由石墨复合物、塑料或者石墨制成，则可将垫圈区域设计为由合适材料制成的框架。通过接合工艺，例如熔合、浇铸、焊接、钎焊、粘接、铆接、冲入，将包含流场的双极板的基材以气密或液密方式连接至包含垫圈的垫圈密封框架。
图2aa和2ab示出根据本发明的垫圈装置的实施方案。图2aa示出穿过设计成半垫圈的垫圈装置7的横截面。基本呈环状的垫圈11密封气体扩散层9，这一点已经在图1a的设计中表示出。在图2aa中，垫圈被设计成所谓的半垫圈，即例如类似四分之一圆。由于电化学电池的内部区域必须由密封垫密封，而且在介质管道区域存在交叉(见图2c)，因此需要另一种设计，即设计为全垫圈或半垫圈。一个全垫圈可以转变为两个半垫圈，它们在各种情况下本身都具有密封作用。而且，使用全垫圈或半垫圈提供了在大的框架结构中改变弹性的可能性。
图2aa示出处于非受压状态的垫圈装置7。当对电化学电池组施加机械压缩应变时，在方向6上发生挤压，以至于垫圈装置7或者垫圈11相对于气体扩散层形成密闭室10的气密性侧向密封。
图2ab示出垫圈装置11的另一个挖剪图。其被设计为半垫圈。该半垫圈或者具有半垫圈形式的垫圈装置通过熔接缝27连接至双极板3。膜2设置在半垫圈的上面，该半垫圈基本上被设计为“S”形。因此，电化学活性区域被膜2、半垫圈11和双极板以气密方式密封，以至于在此形成内压Pinternal。由金属纤维垫，这里是由钛纤维垫制成的气体扩散层被安置在电化学活性区域中。至少在某些区域半垫圈装置的设置方式为由于电化学活性区域的压力增大导致内压Pinternal增大，从而将“S”的上侧面向上推动(亦见宽箭头)，且因此“S”的上侧面中的表面压力增大。由于在电化学电池组方向上的整体延伸中，整个电化学电池组被张力带限制到一个最小尺寸，因此存在该侧面区域内的表面压力增大，并且因而产生更好的密封，这就是准“自稳定系统”。
图2b示出另一个垫圈装置，即垫圈装置7’。该装置与图2a所示装置的唯一不同在于此处的垫圈被设计为全垫圈(大约具有半圆形横截面)。本发明还有许多其他的实施方案。因此，能够显示出例如与这里所示不同的其它垫圈几何形状，也可以是多垫圈。而且，本发明的垫圈密封可以用于受压的电化学电池组区域中的所有密封垫。不仅可以围绕气体扩散层密封电化学活性区域10，而且可以密封气体或液体介质等的任何通道。对于围绕电化学电池组的装配导向装置(螺丝孔)的密封，可以利用垫圈装置的弹性，从而反控制电池组的安装过程(settling process)，并且补偿可能的公差。
图2c示出本发明的双极板3’的另一个实施方案的平面图。在该平面图中用粗线表示垫圈装置。因而，垫圈装置用于密封若干个通道开口。
图3a-3d示出都具有限位器的各种垫圈装置。该限位器用于限制垫圈的形变，使得垫圈不能被压缩至超过一定的尺寸。
因此，图3a示出具有全垫圈11”的单层垫圈装置，在方向15上通过波纹限位器29到达该全垫圈的形变极限。图3b示出双层垫圈装置，其中上层全垫圈的形变由位于其下的折叠金属垫(见附图标记34)所限制。图3c和3d示出其中至少两个全垫圈处于相对位置且提供有折叠垫(见图3c)或波纹垫(见图3d)以限制形变的垫圈装置。
图4示出双极板3的挖剪图的详细结构，前面已经使用图1a在原理上对其进行了说明。该双极板原则上可用于任何电化学系统，即例如用于上述电化学压缩机系统或燃料电池系统。
双极板3由上下放置的两个金属板3a和3b组成(图5b中可见下方的板3b)。板3a(相应的情况适用于板3b)具有从纸平面向上伸出的模压管道结构17。在这些突起(用小箭头18表示，指示管道路径的方向)之间形成的管道用于气体流向电化学电池的电化学活性区域的特定通道。
开口5a或5b由全垫圈围绕，用于向电化学活性区域供应介质，例如H2或水。围绕开口5的垫圈装置7具有洞型穿孔8，其允许在箭头18的方向上经过穿孔8供应介质。
开口4用于向金属板3a和3b之间的间隙供应冷却液体。开口4被垫圈装置7’围绕。被连接至未示出的穿孔8’的管道28(见图6a)从垫圈装置进入双极板3的内部。
图5a示出双于剖极板3的上板3a的挖剪图。在横截面图中示出围绕开口5a或5b的垫圈装置7。如图4所示，该剖面对应于剖面线A-A。在横截面图中，垫圈装置7示出全垫圈，即连接至平面区域(围绕开口)的上升侧面7b以及在一个水平板之后被连接至另一个水平板的下降侧面7a。侧面7b和7a具有圆孔8，气体例如H2的供应用相应的箭头(它们对应于图4中的箭头方向18)表示。当然，也可以提供椭圆的或者有角度的开孔，或者仅提供只有从水平区域开始的下降侧面的半垫圈。开口8朝向电化学电池2的电化学活性区域10或者双极板3开口，以至于介质流体例如空气、H2或者水可以由此经过。在其他设计中，只有一个侧面例如侧面7a包含穿孔当然也是可行的。
板3a由金属，1、2或4级钛；镍200、201或601制成，且整体包含垫圈装置7；提供适用于电化学电池的高合金钢例如1.45 71、1.44 04、1.44 01或1.44 39作为金属。它们容易大规模地加工。
图5b示出电化学电池组或燃料电池或电化学压缩机系统中的双极板3。示出了围绕作为“界面”管道的开口5的挖剪图。依次连接有双极板(在有些情况下未示出)的电化学电池2在各种情况下都被设置在双极板3的上方和下方，为了更好地说明，省去对单独的气体扩散层的叙述。从界面管道流入的气体基本上沿方向19流经界面管道。界面管道内的主流动方向用箭头19表示，电化学活性区域25中的气体的进一步分散在双极板3的上面和电化学电池2之间沿箭头20的方向进行，而且由于双极板的合适的空腔形状，可以通过空腔4进行进一步的分散。分子氢还可以以相应的方式在双极板3的另一平面侧即区域21上流过。
图5b又示出了如何通过接合区域26将空腔14与盛有冷却液体的空腔13相分离。
图6a示出垫圈装置7’的挖剪图，其示出了开口4的周围区域(根据剖面B-B)。
垫圈装置7’具有全垫圈。该全垫圈在其侧面7a’上有穿孔8’，在垫圈装置的外面，管道28被连接至该穿孔。管道28确保在垫圈内部设有连接，因此沿方向22流动的气体不会流至垫圈外表面35。
图6b再次示出穿过一部分电化学电池组的剖面，具体地是在围绕开口4(开口属于例如用于冷却剂的界面管道，在此，冷却剂是蒸馏水)的区域。这些水通常沿方向23流动，一部分水流在方向24上分流进入容纳冷却液体的空腔13。因此可以在图6中清楚地看出，通过连接至穿孔8’的管道28，冷却液体准确无误地流入空腔13中，位于板3a和其上方的电化学电池2之间且装有O2的区域25未被冷却液体污染。
图6c再次示出围绕开口4的区域的详细的平面图。示出了双极板3的上板3a的相应的小型挖剪图。可以特别清楚地看出，围绕开口4提供有垫圈装置7’，引导冷却液体流入空腔13(进入纸平面)的管道28被连接至垫圈装置7’的侧面7a’。
提供本发明的垫圈装置尤其是用来能够以高质量标准节省成本地系列生产具有所需紧密度的双极板。尤其提供了具有整个垫圈装置的双极板的构造。可以由金属板件整体制造垫圈装置，例如通过模压(例如在模压管道结构的同时)，结果使生产成本非常低。尤其是不需要采用额外的密封组件，设置额外的组件是昂贵的。
图7a-7c示出垫圈装置的不同的实施方案。所有这些垫圈装置都可用于上述垫圈装置，以限定电化学活性区域或开口和孔。为了更好地说明，下面用新的附图标记30-33表示垫圈装置。
图7a首先以举例的方式用3D位置示出垫圈装置的不同的可能改动。这涉及全垫圈的特定路径(见例如具有垫圈装置7’的图2b或图5a(垫圈装置7)或6a(垫圈装置7’))。相应的路径也适用于全垫圈。关于其他细节，参考上述内容。
垫圈装置33示出具有可变的材料厚度的垫圈。垫圈装置的横截面表示为A-A或B-B(见图7c)。这里，A-A示出了M2的材料厚度，在横截面B-B中示出M1的材料厚度，在图7b中示出了M1的材料厚度。在图7b中，f表示代表重复结构中两个相同位点之间的最短距离的区域。由于重复结构中的区域可能与硬和不太硬的区域有关，其中重复结构的长度比率是可变的，在此用“1”表示较硬的区域。(上述频率的定义也适用于装置30-32)垫圈装置32示出垫圈装置的波纹路径。对于波纹路径，这里也可选择频率f，同样可选择幅度AMP和半径R(见图7b)，其中由于这种波纹设计，可选择双极板的压力分布或压缩刚度。
垫圈装置31示出可变的条宽，其同样可被提供以任意频率f。“条宽”应理解为对应于图7c中定义的条宽“stb”的上扁平部的外宽。对于垫圈装置31，条宽在stb1和stb2之间交替(stb1可为0.1-5mm，stb2可为0.2-10mm)。
最后，还可以看出垫圈装置30示出具有可变边缘宽度的垫圈。例如以预定的频率f依次变化边缘宽度。为了准确定义边缘宽度，参见图7c，在那里，“scb”已被定义为边缘宽度的尺寸(在双极板的外表面测得)，对于这里示出的垫圈装置30，边缘宽度在scb1和scb2之间交替(scb1可为0.3-5mm，scb2可为0.2-3mm)。
权利要求
1.一种通过电解来压缩气体和/或产生气体的电化学压缩机系统，其由具有若干电化学电池的层叠的电化学压缩机组(1)组成，所述电化学电池均由双极板(3；3’)将其相互隔离，其中双极板具有用于电化学电池的介质供应和介质排放的开口(5a，5b)，且电化学电池组在沿层叠方向(6)的机械压缩应变下安置，其特征在于至少在某些区域提供弹性的垫圈装置(7；7’)，以密封开口(4，5a，5b)和/或电化学电池的电化学活性区域(10)。
2.权利要求1所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述电化学电池在面对双极板的面上具有由传导结构例如金属纤维制成的气体扩散层(9)。
3.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于包覆所述垫圈装置(7；7’)，从而微密封介质。
4.权利要求3所述的电化学压缩机系统，其特征在于使用弹性体进行包覆。
5.权利要求3或4所述的电化学压缩机系统，其特征在于通过丝网印刷工艺、移印、喷涂或者CIPG来进行包覆。
6.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)包含全垫圈或半垫圈。
7.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)由金属例如钢、镍、钛、铝以及含有大比例的上述金属的合金制成。
8.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置具有将气体扩散层的压缩限制到最小厚度的限位器。
9.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于将所述垫圈装置(7；7’)连接至双极板(3；3’)。
10.权利要求8所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述双极板(3；3’)设计为整体金属模制件。
11.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置设置在与双极板分离的组件上，所述组件安置在石墨、塑料、金属等上面或通过粘接、冲压、焊接、钎焊或者浇铸整合在一起。
12.权利要求8所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述双极板(3；3’)设计为其间具有塑料板的两个金属板的复合元件。
13.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于电化学电池的电化学活性区域设置在基本密闭的室(10)中，该室由垫圈装置基本呈环形侧向限制。
14.权利要求13所述的电化学压缩机系统，其特征在于至少在某些区域将所述垫圈装置设计成朝向电化学活性区域/密闭室(10)开口的半垫圈。
15.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置设计成弹性体滚筒，通过丝网印刷或者移印或者模压将其作为滚筒涂覆。
16.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于电解装置以电化学方式将引入电化学电池的一侧的水分解为分子氢和氧。
17.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于氢压缩机将引入到质子传导电化学电池第一面上的分子氢氧化成H+，并且在第二面上再次将其还原为分子氢，其中由于密封和空间布局，那里的分子氢在第二面上受到的压力比在第一面上受到的压力大。
18.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于密封电化学活性区域中的气压，使得在没有泄漏损失的情况下，在密闭室(10)中的主导气压大于100巴，优选大于200巴，特别优选大于500巴。
19.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于将弹性垫圈装置(7；7’)围绕双极板开口(4；5)和/或电化学活性区域设置，其中将用于传导液体或气体介质的穿孔(8，8’)设置在垫圈装置的至少一个侧面(7a，7a’)上。
20.权利要求19所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述穿孔(8，8’)是圆形、椭圆形或有角的。
21.权利要求19或20所述的电化学压缩机系统，其特征在于将管道(28)连接至穿孔(8’)，其中将该管道连接至垫圈内部(10’)且至少朝向垫圈的外表面闭合。
22.权利要求19或20所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述穿孔(8)朝向电池的电化学活性区域开口。
23.权利要求19所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述双极板(3)由两个板(3a，3b)构成，在所述两板之间具有用于冷却剂和/或传输介质流体(14)的空腔(13；14)。
24.权利要求6所述的电化学压缩机系统，其特征在于全垫圈在一个侧面(7a)或两个侧面(7a；7b)上包含穿孔(8；8’)。
25.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)是属于双极板的板(3a，3b)的一部分。
26.前述权利要求中任意一项所述的电化学压缩机系统，其特征在于对于有穿孔和无穿孔侧面区域内层叠方向上(6)的应力，所述垫圈装置(7；7’)具有基本相同的刚度。
27.用于权利要求1-26中任意一项所述的电化学压缩机系统的双极板。
28.燃料电池系统，由具有若干电化学电池的层叠的燃料电池组(1)构成，所述燃料电池均由双极板(3)将其相互隔离，其中双极板具有用于燃料电池的冷却的开口(4)或用于介质供应和介质排放的开口(5a，5b)，且燃料电池组在沿层叠方向(6)的机械压缩应变下安置，其特征在于围绕双极板的开口(4；5)提供弹性垫圈装置(7；7’)，其中用于传输液体或气体介质的穿孔(8，8’)被设置在垫圈装置的至少一个侧面(7a，7a’)上。
29.权利要求28所述的燃料电池系统，其特征在于所述穿孔(8，8’)是圆形、椭圆形或有角的。
30.权利要求28或29所述的燃料电池系统，其特征在于将管道(28)连接至穿孔(8’)，其中将该管道连接至垫圈内部(10’)且至少朝向垫圈的外表面闭合。
31.权利要求28或29所述的燃料电池系统，其特征在于所述穿孔(8)朝向燃料电池的电化学活性区域(10)开口。
32.权利要求28-31中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述双极板(3)由两个板(3a，3b)构成，在所述两板之间具有用于冷却剂和/或传输介质气体的空腔(13；14)。
33.权利要求28-32中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)包含全垫圈或半垫圈。
34.权利要求33所述的燃料电池系统，其特征在于全垫圈在一个侧面(7a)或两个侧面(7a；7b)上包含穿孔(8)。
35.权利要求28-34中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)由金属例如钢、镍、钛或铝构成。
36.权利要求28-35中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述垫圈装置(7；7’)是属于双极板的板(3a)的一部分。
37.权利要求28-35中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述垫圈装置设置在与双极板分离的组件上，所述组件安置在由石墨、塑料、金属等制成的双极板上面，或通过粘接、冲入、焊接、钎焊或者浇铸与双极板相连接。
38.权利要求28-37中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于包覆所述垫圈装置(7；7’)，从而微密封介质。
39.权利要求28-38中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于将电化学电池的电化学活性区域设置在基本密闭的室(10)中，该室由垫圈装置基本呈环形侧向限制。
40.权利要求28-39中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于对于有穿孔和无穿孔侧面区域内层叠方向上(6)的应力，垫圈装置(7；7’)具有基本相同的刚度。
41.用于权利要求28-40中任意一项所述的燃料电池系统的双极板。
42.生产权利要求27或41所述的双极板的方法，其特征在于首先在金属板上设置孔，然后机械成型带孔的板以生产垫圈装置，使得在垫圈装置的至少一个侧面上的所述孔成为穿孔。
全文摘要
本发明涉及一种通过电解来压缩气体和/或产生气体的电化学系统，其由具有若干层叠的电化学电池的电化学压缩机组(1)组成，所述电化学电池在各种情况下都由双极板(3；3’)将其相互分离，其中双极板具有用于电化学电池的介质供应和介质排放的开口(5a，5b)，且电化学电池组在沿层叠方向(6)的机械压缩应变下设置。垫圈装置(7；7’)是弹性的，且至少设置在某些区域，以密封开口(4，5a，5b)和/或电化学电池的电化学活性区域(10)。
文档编号C25B9/20GK1703795SQ200380101331
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月14日
发明者雷蒙德·施特罗贝尔, 贝恩德·高格勒, 阿尔布雷希特·赛勒, 克劳迪娅·孔茨, 约阿希姆·舍雷尔, 克里斯蒂安·施莱尔, 约翰·瓦尔德福格尔 申请人:莱茵兹-迪兹通斯-有限公司