具有支撑元件的堆叠端接板的制作方法

本发明涉及一种用于电化学系统的组件，该组件包括隔板和支撑元件，该隔板设计为单层且设计为堆叠端接板。电化学系统具体地可以是燃料电池单体系统、电化学压缩机、电解器、用于电化学系统的加湿器或者氧化还原液流电池。

背景技术：

1、上述类型的已知的电化学系统典型地包括电化学电池单体的堆叠，它们各自通过隔板、例如双极板或单极板彼此分开。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单体(例如燃料电池单体)的电极和/或电连接邻接的电池单体(电池单体串联连接)。隔板通常由连结在一起的两个单独层形成。隔板的单独层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。术语双极板或单极板源于相应隔板相对于介质的布置，隔板由两个单独层组成。在双极板的情况下，不同的介质在两个表面上流动，而在单极板的情况下，相同的介质在两个表面上流动。当下文提及多个双极板或一个双极板时，除非另有说明，否则这也可以指多个单极板或一个单极板。

2、隔板可以具有或形成这样的结构，这些结构例如设计成向由相邻的隔板界围的电化学电池单体提供一种或多种介质，和/或将反应产物从电化学电池单体传送走。该介质可以是燃料(例如氢或甲醇)、反应气体(例如空气或氧气)或反应产物(例如水)。此外，隔板可以具有用于引导冷却介质通过由两个单独层形成的双极板、具体地是通过由单独层封围的腔体的结构。隔板还可以设计成当在电化学电池单体中转换电能和/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。

3、此外，隔板通常各自都具有多个贯通开口。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单体或者馈送至由隔板的单独层形成的腔体中，或者可以从电池单体或从腔体排放。

4、电化学电池单体通常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取向成朝向隔板，并且形成为例如金属料毡或碳料毡(fleece)。此外，mea各自具有框状的加强层，该加强层包围mea的电化学活性区域，并且典型地由电绝缘材料制成。

5、包括隔板和电化学电池单体的堆叠通常在堆叠的每一端处由端板端接。如果存在外板，则外板可以布置在端板的背离板堆叠的表面上。如果使用外板，则通常端板主要用于绝缘并且外板主要用于吸收力。端板中的至少一个典型地具有一个或多个介质端口。用于供应介质和冷却剂和/或用于排放反应产物和冷却剂的管线可以连接于这些端口。此外，端板中的至少一个或者在端板面向堆叠的一侧上布置成直接与端板相邻的接触板通常具有电连接器，电池堆叠可经由电连接器在燃料电池单体的情况下电连接于负载，或者在电解器的情况下连接于电压源。相应的另一个端板也可以仅用于压缩和/或密封堆叠，因此可以不具有任何介质端口。堆叠的定位成最靠近端板或与端板相邻的隔板也称为堆叠端接板。

6、典型地，密封装置布置在堆叠端接板和端板之间。所述密封装置用于相对于外部来密封系统和/或相对于彼此密封电化学系统的不同线路或区段。在已知系统中，堆叠端接板和端板之间的密封例如由通过丝网印刷而涂覆的金属凸边实现。然而，这种丝网印刷倾向于粘结至端板的机械加工的、至少稍微粗糙的塑料表面。此外，在温度变化的情况下，当通常由不同材料制成并因此具有不同热膨胀系数的堆端板和端板具体地沿横向方向、即正交于堆叠方向相对于彼此移位时，密封装置可能变得分离或损坏。通常，隔板以及因此堆叠端接板由金属、例如由不锈钢或钛合金制成，而端板由塑料或主要由塑料制成。

7、在某些应用中，该密封装置必须在例如-40℃的最低温度和例如+100℃的最高温度之间的温度范围内同等可靠地执行其功能。这样的温度变化具体可能在燃料电池单体系统在环境温度下开始运行期间或在冬季在低于零的温度下冷启动直至堆叠的最高工作温度期间发生。当堆叠被拆卸时，涂层的分离和粘附的影响变得特别明显，其中由于先前已经发生的分离，涂层从堆叠端接板被拉离。

8、为了在温度变化的情况下防止或至少减少这种相对位移，端板也可以由金属制成。然而，这增加了系统的制造成本和重量，这对于许多应用场合来说是不期望的。另一方面，借助于部分地插入到板的至少一个中或布置在其上的橡胶密封件(o形环或松软垫圈)对端板和堆叠端接板之间的界面的密封可能由于此类密封件的相当大的下沉而导致难以调整密封系统的高度和力。

9、该问题也可从公开文本de 20 2014 002 512 u1中得知。所述文件提出了两个端板中的一个和端接双极板之间的密封装置，该密封装置设计成使得在温度改变的情况下，仅或至少还通过端板和/或堆叠端接板沿着密封装置的滑动来实现密封功能。然而，这需要额外的表面加工和/或特殊涂层。

10、在公开文件de 20 2014 007 977 u1中，没有使用端接双极板，而是使用设计为单层和堆叠端接板的隔板，该隔板与布置在端板和堆叠端接板之间的接触板相邻。还存在多个堆叠的双层隔板。提供密封凸边以密封形成在端接板中的贯通开口和形成在隔板中的贯通开口。在双层隔板中，密封凸边全等地布置在隔板的两侧，并且指向为使凸边顶部彼此远离。当从弹簧性能的方面来看密封凸边时，双层隔板的全等密封凸边串联地连接。这种设计的一个缺点是单层端接板的密封凸边与双层隔板的串联密封凸边具有不同的弹簧性能或不同的弹簧特性。不同的弹簧性能可能影响密封性能，并可能导致局部泄漏。

11、为了调整堆叠端接板的不同的弹簧性能，堆叠端接板可以借助合适的结构或压纹进行修改。然而，这样做的缺点是密封凸边的弹簧性能必须单独构造，并且堆叠端接板不同于其它隔板或双极板，这通常导致更高的制造成本并且需要单独的工具。

技术实现思路

1、本发明的目的是至少部分地解决现有技术的缺点。具体地，将会期望提供具有良好密封性的板组件和电化学系统。优选地，该组件和电化学系统还应当能够尽可能容易地和尽可能经济地制造。

2、该目的通过根据独立权利要求的板组件和电化学系统实现。具体实施例在从属权利要求和下文描述中公开。

3、因此，提出了一种用于电化学系统的组件。该组件包括第一隔板和支撑元件，该第一隔板设计为单层且设计为堆叠端接板，其中，第一隔板具有用于密封第一隔板的区域的第一密封凸边，其中，第一密封凸边突出到由第一隔板限定的板平面之外，并且具有在第一隔板的后侧上敞开的凸边内部和在第一隔板的前侧上悬置的凸边顶部，其中，支撑元件突出到凸边内部中，以便支撑凸边顶部。结果，凸边通常可能不再变形超过其操作点。

4、借助所描述的组件，堆叠式隔板的堆叠式密封凸边的弹簧组内的第一隔板的第一密封凸边可以桥接，即有效地闭合，使得仅具有可比弹簧性能的密封凸边串联连接。结果，组件的密封性能总体上得到改善。此外，不必单独构造第一密封凸边的弹簧性能。

5、在一实施例中，支撑元件设计为刚性间隔件。因此，具体地在组件的压缩状态下或在电化学系统中组件的安装状态下，支撑元件可以是基本上不可压缩的，并且与密封凸边相比可以具有非常高的、几乎无限大的弹簧常数，其结果是，与堆叠的其它密封凸边的弹簧性能相比，由支撑元件和密封凸边组成的组合的弹簧性能基本上仅由支撑元件的微不足道的弹簧性能限定。

6、在本说明书和下文中，高度方向限定为垂直于板平面。支撑元件的最大高度通常小于从板平面到在组件的非压缩状态下的凸边顶部，具体地是到在组件的非压缩状态下的凸边顶部的中性纤维测量的第一密封凸边的高度。结果，第一密封凸边可以被压缩到一定程度，即直到第一密封凸边邻抵支撑元件，这对应于它的操作点，然后由于支撑元件的高刚度而经历硬机械止动。此处可以指从中性纤维到中性纤维的高度测量，即没有材料厚度，或者从未变形的第一隔板的下表面到凸边顶部的上表面的高度测量。然而，可优选地仅考虑凸边内部的净高度，即端板的表面与凸边的面向它的内表面之间的间隙。在组件的非压缩状态下，支撑元件的高度可以是凸边高度的至少60％，优选地至少70％，优选地至少75％，具体地是至少80％。

7、第一隔板可以具有用于流体通过的至少一个贯通开口，其中第一密封凸边围绕贯通开口布置并且密封贯通开口。密封凸边通常可以设计为完整的凸边。优选地，在凸边顶部的两侧上形成凸边侧翼。在这种情况下，两侧上的凸边侧翼可以彼此对称或不对称。举例而言，第一凸边侧翼可能在单个阶段下降，而另一个凸边侧翼克服与第一凸边侧翼总体上相同的高度，但在该高度上具有多个台阶或区段，板材在这些台阶或区段之间基本上平行于板平面延伸。

8、支撑元件和/或第一密封凸边可以具有至少一个流体通路，用于流体、优选地是穿过贯通开口的流体的通过。流体通路可以使得或确保流体可以从第一隔板的后侧被引导到前侧或从前侧被引导到后侧。侧部的双重变化、即每个凸边侧翼中的侧部变化也是可能的。例如，如果流体是冷却剂，则第一隔板可以在其面向端板的后侧上被冷却。如果流体是反应介质，则第一隔板可以在其面向堆叠的前侧上设有反应介质。

9、可以规定，支撑元件沿着第一密封凸边的整个轮廓延伸。这使得密封凸边和支撑元件的组合具有高度的刚度，所述刚度沿着密封凸边的轮廓尽可能均匀。支撑元件可以具有本质上封闭的轮廓并且可以例如是环形的。替代地，支撑元件的轮廓可以具有间断部或不完全的环闭合，因此支撑元件具有两个自由端，它们仍然彼此邻抵或者彼此抵靠或相邻布置。在这种情况下，支撑元件可以由例如线或其它连续材料制成，这在制造方面带来优势。支撑元件的间断部或自由端可使得更容易安装支撑元件。替代地或附加地，支撑元件的轮廓中的间断部也可以形成或促成上述流体通路。

10、支撑元件可以具有例如圆形、椭圆形或圆角矩形横截面。除了上文提到的流体通路之外，支撑元件可以设计为实心体。或者，支撑元件可具有中央切口并且可相应地具有环形横截面；它还可以包括卷绕的薄片材料或卷绕的线材，在这种情况下，卷材和基材都应当具有尽可能小的回弹。

11、第一隔板的板主体和/或支撑元件通常由金属材料制成。

12、可以规定，第一隔板、具体地是第一密封凸边具有涂层，该涂层具体地在其凸边顶部的区域中。涂层被施加到板主体上并且可以例如设计为聚合物涂层，其中，涂层在材料方面不同于第一隔板的板主体。第一密封凸边的涂层可以充当微密封部并且可以位于隔板的不同侧上的支撑元件的对面。

13、该组件还可以包括接触板，该接触板与第一隔板的后侧相邻，即在第一隔板的面向端板的一侧上，其中，隔板和接触板彼此电连接和/或以介质紧密的方式连接。支撑元件和接触板例如可以一体形成。或者，支撑元件和接触板可以形成为两个单独的部件。在这种情况下，支撑元件可以布置在接触板和第一隔板之间。接触板可以具有用于将接触板紧固至端板的潜在紧固部(fastening possibility)。在一些实施例中，支撑元件可以插入到、具体地是部分地插入到设置在接触板和/或端板中的凹陷部中。

14、接触板的板主体可以由金属材料制成。接触板可以具有至少0.5mm，优选地至少1.0mm，具体地至少2.0mm和/或至多10mm，优选地至多8mm，具体地至多5mm的厚度。总之，在电解器应用中，接触板的厚度可以是第一隔板的厚度的至少两倍，优选地至少五倍或十倍。在燃料电池单体应用中，接触板的厚度可以是隔板厚度的至少四十倍，具体地是至少五十倍在这种情况下，各个部件的厚度可以沿上述高度方向进行测量。

15、可以规定，第一密封凸边和/或支撑元件在每种情况下都具有至少一个流体通路，该流体通路设计成将流体引导到布置或形成在第一隔板和接触板之间的中间空间中。流体通路已经在上文中提及，并且如果流体设计为例如冷却剂，则流体通路可以用于冷却第一隔板的后侧。

16、在一实施例中，第一隔板和接触板彼此焊接，具体是以便密封布置在隔板和接触板之间的区域。焊缝例如可以设计为密封线。因此，此处提到的密封并不意味着气密密封，而是密封线的形成。在别处，所讨论的区域可以经由流体通路来供应流体。

17、该组件还可以包括第一端板，其中，第一隔板的密封凸边、具体地是其凸边顶部指向远离端板并且支撑元件布置在隔板和端板之间。第一端板通常具有多个介质端口，其中，第一端板的介质端口流体连接于第一隔板的贯通开口。第一端板的板主体可以至少部分地或主要地由聚合物材料制成。接触板通常与第一端板相邻，并因此布置在第一端板和第一隔板之间。

18、该组件还可以包括外板，该外板布置在第一端板的背离第一隔板的表面上。第一端板通常主要用于使组件电绝缘，而外板意图在组件的压缩状态下吸收力。

19、该组件还可以包括第二隔板，该第二隔板设计为双层并且包括彼此连接的第一层和第二层。第一层和第二层通常设计为单层。第二隔板的各层中的至少一层可以与设计为单层和堆叠端接板的隔板相同。此处，相同旨在意味着板被认为在结构上是相同的并且具体地在构造上是相同的。使用相同构造的板导致板的制造和设计得到显著的简化和节省。第二隔板典型地布置在第一隔板的前侧上；因此，最靠近第一隔板的是堆叠的其余部分的单层。第一隔板和第二隔板通常不直接接触。相反地，膜电极组件(mea)通常布置在第一隔板和第二隔板之间。此外，至少一个气体扩散层可设置在两个隔板之间。气体扩散层典型地布置在mea的每个平坦侧上。第二隔板的板主体(或第一层的板主体和第二层的板主体)优选地由金属材料制成。

20、第二隔板的第二层可具有用于密封第二隔板的区域的第二密封凸边，其中，第一隔板的第一密封凸边与第二层的第二密封凸边使它们的凸边顶部彼此面对，并以它们的凸边顶部彼此平行的方式延伸。在平面图中，两个凸边或至少两个凸边顶部对准地延伸。然而，这两个密封凸边通常不直接接触。如上所述，通常mea的一部分，具体地是mea的电绝缘加强层布置在两个密封凸边之间。第一密封凸边和第二密封凸边可视为串联连接的弹簧元件。第一密封凸边借助支撑元件加固成使得第一密封凸边在其操作点上方构成准刚性元件，而第二密封凸边与之相比具有相当大的弹性。在一实施例中，第一密封凸边和第二密封凸边在构造上相同。

21、第一密封凸边和/或第二密封凸边典型地例如通过压印、液压成形和/或深拉一体地形成在相应的隔板中，更准确地说是在相应的隔板的板主体中。

22、本发明附加地提出了一种电化学系统。电化学系统包括上述组件、多个另外的隔板和第二端板。第一端板具有多个介质端口，其中，第一端板的介质端口流体连接于第一隔板的贯通开口，其中，第一隔板和另外的隔板布置并压缩在两个端板之间，由此形成堆叠。

23、第二端接板可仅用于压缩和/或密封堆叠，因此可以没有介质端口。

24、此外，两个端板中的至少一个通常具有电连接器，系统可以经由该电连接器电连接于负载，或者具体地是在电解器的情况下电连接于电压源。或者，还可以不在端板中而是在上述接触板中提供电连接器。

25、电化学系统还可以附加地在其朝向第二端板的端部区域中具有组件，该组件包括如上所述的单层隔板，在单层隔板中形成密封凸边，支撑元件容纳在其内部。然而，贯通开口也布置在该单层隔板中不是强制性的。相反，可能有利的是不提供流体贯通开口。然而，在某些情况下，有利的是在该隔板的相关区域中形成至少一个排气开口。例如，在de202020105396u1中公开了类似的解决方案。