电化学设备和用于制造电化学设备的电化学单元的方法技术

本发明专利技术提供一种电化学设备，其包括由多个沿堆叠方向依次跟随的电化学单元构成的堆叠件，电化学单元分别包括具有电化学活性的薄膜电极装置、至少一个气体扩散层和具有针对至少一个流体介质的至少一个流场的双极板，在其中，至少一个流场以简单且可靠的方式被密封，并且避免形成寄生流动，为了提供这种电化学设备提出的是，至少一个双极板具有至少一个边缘接片，至少一个边缘接片至少分区段地围绕双极板的流场，并且与和双极板相邻的气体扩散层接触，其中，电化学设备此外还包括至少一个流场密封元件，其密封由边缘接片围绕的流场，并且与边缘接片接触并且与气体扩散层接触。

Electrochemical devices and methods for electrochemical units used in the manufacture of electrochemical devices

The present invention provides an electrochemical device, comprising a stack composed of a plurality of electrochemical units sequentially stacked along the direction to follow, the electrochemical unit includes film electrode device, with electrochemical activity of at least one gas diffusion layer and a bipolar plate for at least one of the at least one flow of fluid medium in which at least one field was sealed in a simple and reliable way, and avoid the formation of parasitic flow, in order to provide this kind of electrochemical device is proposed, at least one bipolar plate having at least one edge tab, flow field of at least one edge tab at least section around the bipolar plate, and bipolar plate and gas diffusion adjacent the contact layer, electrochemical device also includes at least one flow field around the edge of the sealing components, by splicing the sealing, and Edge tab contact and contact with the gas diffusion layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学设备和用于制造电化学设备的电化学单元的方法
本专利技术涉及一种电化学设备，其包括：由多个沿堆叠方向依次跟随的电化学单元构成的堆叠件，电化学单元分别包括具有电化学活性的薄膜电极装置、至少一个气体扩散层和具有针对至少一个流体介质的至少一个流场的双极板。
技术介绍
这种电化学设备尤其是可以构造为燃料电池堆或电解器。在燃料电池堆和电解器中，在电化学单元的不同的平面中，并且根据设计而定地也在相同的平面的不同的区域中引导不同的介质。这些介质尤其可以是阳极流体(燃气)、阴极流体(氧化剂)并且必要时也是流体冷却剂。这些引导穿过电化学设备的介质既不能够相互混合，也不能从电化学单元逸出，因此在多个平面中需要密封件。这些密封件例如可以基于弹性体材料和粘合实现。在具有金属双极板的电化学单元中，密封可以完全或部分通过双极板中的凸棱(Sicke)或通过基于弹性体材料的密封件实现。双极板(也被称为分离器或内部连接器)可以一件式地构造，或者包括至少两个单层(双极板层)。多层的双极板的双极板层可以通过接合法，如焊接或粘贴相互连接。密封件可以作为单独的部件置入到由电化学单元构成的堆叠件中，或者固定在双极板上或电化学单元的其他的组成部分上，例如固定在气体扩散层上或薄膜电极装置上。由于在操纵和制造中的优点并且由于简单的密封实施方案，所以将密封件固定在双极板上经常是优选的。这例如可以通过将尤其是由弹性体材料构成的密封件浇注到双极板的层上来实现。在该密封配置中，固定在双极板上的密封件与在薄膜电极装置的边缘区域中固定在薄膜电极装置上(尤其是催化剂涂层的薄膜，CCM上)的边缘强化装置的组合被证实是有利的，其中，边缘强化装置用作针对密封件的对应部件，辅助地防止薄膜电极装置的不利的机械负荷，并且同时确保薄膜电极装置的具有电化学活性的区域到薄膜电极装置的边缘区域的有利的接合。这种边缘强化装置例如在EP1403949B1中公开。这种边缘强化装置也被称为子衬垫(Sub-Gasket)。这种边缘强化装置可以包括一个或多个层，其中，常见的结构包括两个层，其以环绕的框架的形式布置在薄膜电极装置的两个相互对置的侧面上。在制造电化学设备时，每个电化学单元的双极板、气体扩散层、薄膜电极装置、密封件和必要时的边缘强化装置(子衬垫)必须彼此相对定位，其中，这些部件可以单个地或作为至少部分已经相互连接的子结构组件组装。当将密封件接合到气体扩散层时，这在制造由电化学单元构成的堆叠件期间就需要定位针对密封件的应用的气体扩散层和在双极板上定位由气体扩散层和在气体扩散层上产生的密封件构成的单元。当密封件构造在双极板上时，薄膜电极装置和气体扩散层要么作为单个部件要么作为预组装的单元定位在双极板上。待输送给电化学设备的介质(阴极流体、阳极流体、冷却剂)借助具有沿电化学设备的堆叠方向延伸的介质输送通道和介质导出通道的介质分布结构(也被称为“歧管”)输送给电化学设备的不同的平面，或者从电化学设备的不同的平面导出，并且必须分别离开介质输送通道地输送给相关的介质在电化学单元中的流场(FlowField，流场)，并且又离开流场地导出到介质导出通道中。在此，介质输送通道和介质导出通道以及流场必须都被密封，以便防止泄漏到电化学设备的外部空间中并且防止在被不同的介质流过的空间之间的泄漏。用于流体介质的流场包括通道接片结构，其使相关的介质越过电化学单元的平面地引导。每个流场在侧向上通过围绕流场的外边缘环绕的接片侧向地被限界，接片在下文被称为边缘接片。在公知的电化学设备中，密封流场的密封件与边缘接片间隔开地应用或组装在双极板上。在此，在密封件与边缘接片之间形成缝隙，其在下文被称为边缘通道。实验结果示出，在电化学设备运行时，通过边缘通道的介质会发生围绕流场的寄生流动，并且/或者会发生水至少局部泛溢边缘通道(参见P.Stahl、J.Biesdorf、P.Boillat、J.Kraft和K.A.Friedrich的文章：“WaterDistributionAnalysisintheOuterPerimeterRegionofTechnicalPEFCBasedonNeutronRadiography”，出版源：JournaloftheElectrochemicalSociety162(7)，第F677至F685页(2015))。由此，在边缘通道的区域中出现给薄膜电极装置非限定地供应以阴极和/或阳极流体，这会加速薄膜电极装置在其具有电化学活性区域中的老化。即使当边缘通道的区域中的电化学反应通过边缘强化装置的应用被禁止时，仍流过边缘通道的介质也不能供电化学反应使用。此外，边缘强化装置的应用关系到更高的制造和装配费用。
技术实现思路
本专利技术的任务是提供一种开头提到的类型的电化学设备，在其中，至少一个流场以简单的和可靠的方式被密封，并且避免出现寄生流动。该任务在具有权利要求1的前序部分的特征的电化学设备中根据本专利技术通过如下方式解决，即，至少一个双极板具有至少一个边缘接片，至少一个边缘接片至少分区段地围绕双极板的流场，并且与和双极板相邻的气体扩散层接触，其中，电化学设备此外还包括至少一个流场密封元件，其密封由边缘接片围绕的流场，并且与边缘接片接触并且与气体扩散层接触。因此，本专利技术基于如下概念，即，流场密封元件直接接合到围绕了流场的边缘接片上并接合到贴靠在边缘接片上的气体扩散层上。在此优选地，边缘接片连续环绕流场地实施，并且尤其是不具有中断部、下沉部或贯通开口来使介质导引穿过边缘接片。优选地，气体扩散层和流场密封元件在唯一的过程步骤中共同地被接合到双极板上或双极板的单层上。通过唯一的操纵和定位过程来组装由双极板、气体扩散层和流场密封元件构成的单元最小化了必需的过程步骤的数量和费用以及为此所必需的操纵和定位过程的数量，由此也减少了可能的错误源。在本专利技术的优选的设计方案中设置的是，流场密封元件材料锁合地(sotffschlüssig)与边缘接片连接。此外优选设置的是，流场密封元件材料锁合地与气体扩散层连接。尤其可以设置的是，形成流场密封元件的弹性体材料在制造流场密封元件期间就渗入多孔的气体扩散层中，以便使气体扩散层通过材料锁合与流场密封元件连接。流场密封元件尤其可以构造为成形到边缘接片上和/或气体扩散层上的压注件。为此替选地或补充地可以设置的是，流场密封元件通过图案印刷法在边缘接片上和/或气体扩散层上产生。在本专利技术的优选的设计方案中设置的是，双极板在其阳极侧上具有阳极侧的边缘接片并且在其阴极侧上具有阴极侧的边缘接片，其中，阳极侧的边缘接片和阴极侧的边缘接片至少分区段地在垂直于堆叠方向延伸的错位方向上相互错位。在此特别有利的是，双极板在位于阳极侧的边缘接片与阴极侧的边缘接片之间的中间区域中具有用于使流体介质穿过双极板或进入双极板的内部空间的至少一个贯通开口。这种贯通开口优选与沿堆叠方向延伸穿过双极板的介质通道流体连接。在根据本专利技术的电化学设备中，至少一个薄膜电极装置可以设有边缘强化装置(子衬垫)，流场密封元件紧密地贴靠在边缘强化装置上。为此替选或补充地也可以设置的是，电化学设备的两个沿堆叠方向依次跟随的双极板在彼此面对的侧面上分别设有边缘接片，边缘接片分别与流场密封元件接触，其中，流场密封元件紧密地相互贴靠，双极板的边本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学设备，其包括由多个沿堆叠方向(104)依次跟随的电化学单元(106)构成的堆叠件，所述电化学单元分别包括具有电化学活性的薄膜电极装置(110)、至少一个气体扩散层(112、114)和具有针对至少一个流体介质的至少一个流场(124、126)的双极板(108)，其特征在于，至少一个双极板(108)具有至少一个边缘接片(132、148)，所述至少一个边缘接片至少分区段地围绕双极板(108)的流场(124、126)，并且与和所述双极板(108)相邻的气体扩散层(112、114)接触，其中，所述电化学设备(100)还包括至少一个流场密封元件(142、150)，所述至少一个流场密封元件密封由所述边缘接片(132、148)围绕的流场(124、126)，并且与所述边缘接片(132、148)接触并且与所述气体扩散层(112、114)接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.12 DE 102015109393.61.一种电化学设备，其包括由多个沿堆叠方向(104)依次跟随的电化学单元(106)构成的堆叠件，所述电化学单元分别包括具有电化学活性的薄膜电极装置(110)、至少一个气体扩散层(112、114)和具有针对至少一个流体介质的至少一个流场(124、126)的双极板(108)，其特征在于，至少一个双极板(108)具有至少一个边缘接片(132、148)，所述至少一个边缘接片至少分区段地围绕双极板(108)的流场(124、126)，并且与和所述双极板(108)相邻的气体扩散层(112、114)接触，其中，所述电化学设备(100)还包括至少一个流场密封元件(142、150)，所述至少一个流场密封元件密封由所述边缘接片(132、148)围绕的流场(124、126)，并且与所述边缘接片(132、148)接触并且与所述气体扩散层(112、114)接触。2.根据权利要求1所述的电化学设备，其特征在于，所述流场密封元件(142、150)材料锁合地与所述边缘接片(132、148)连接。3.根据权利要求1或2所述的电化学设备，其特征在于，所述流场密封元件(142、150)材料锁合地与所述气体扩散层(112、114)连接。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学设备，其特征在于，所述流场密封元件(150)是成形到边缘接片(132、148)上和/或气体扩散层(112、114)上的压注件。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学设备，其特征在于，所述流场密封元件(150)通过图案印刷法在所述边缘接片(132、148)和/或所述气体扩散层(112、114)上产生。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学设备，其特征在于，所述双极板(108)在其阳极侧上具有阳极侧的边缘接片(148)并在其阴极侧上具有阴极侧的边缘接片(132)，其中，所述阳极侧的边缘接片(148)和所述阴极侧的边缘接片(132)至少分区段地在垂直于堆叠方向(104)延伸的错位方向(170、196)上相互错位。7.根据权利要求6所述的电化学设备，其特征在于，所述双极板(108)在位于所述阳极侧的边缘接片(148)与所述阴极侧的边缘接片(132)之间的中间区域(172)中具有用于使流体介质穿过双极板(108)或进入所述双极板(108)的内部空间(186)的至少一个贯通开口(174、198、218)。8.根据权利要求7所述的电化学设备，其特征在于，所述至少一个贯通开口(174、198、218)与沿堆叠方向(104)延伸穿过所述双极板(108)的介质通道(160、164、168)流体连接。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电化学设备，其特征在于，至少一个薄膜电极装置(110)设有边缘强化装置(118)，所述流场密封元件(142、150)紧密地贴靠在所述边缘强化装置上。10.根据权利要求1至9中任一项所述的电化学设备，其特征在于，两个沿堆叠方向(104)依次跟随的双极板(108a、108b)在彼此面对的侧面分别设有边缘接片(132、148)，所述边缘接片分别与所述流场密封元件(142、150)接触，其中，所述流场密封元件(142、150)紧密地相互贴靠，所述双极板(108a、108b)的边缘接片...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·施塔尔，于尔根·克拉夫特，米夏埃尔·格茨，
申请(专利权)人：爱尔铃克铃尔股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE