用于电化学系统的组件、堆叠和电化学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于电化学系统的组件，该组件包括第一隔板、第二隔板和布置在隔板之间以在隔板之间形成电化学电池单体的膜电极组件。本发明专利技术还涉及一种包括多个这种组件的堆叠，以及一种包括多个这种组件和/或堆叠的电化学系统。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、或者氧化还原液流电池。该组件或堆叠原则上也可在用于电化学系统的加湿器中使用。膜电极组件则被加湿器膜代替。代替。代替。

【技术实现步骤摘要】
用于电化学系统的组件、堆叠和电化学系统


[0001]本专利技术涉及一种用于电化学系统的组件，其包括第一隔板、第二隔板和布置在隔板之间以在隔板之间形成电化学电池单体的膜电极组件。本专利技术还涉及一种包括多个这种组件的堆叠，以及涉及一种包括多个这种组件和/或堆叠的电化学系统。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、或者氧化还原液流电池(redox flow battery)。该组件或堆叠原则上也可用于电化学系统的加湿器中。膜电极组件则被加湿器膜所代替。

技术介绍

[0002]已知的电化学系统通常包括成堆叠的电化学电池单体，它们各自通过隔板彼此分开。这样的隔板可以用于例如间接地电接触单个电化学电池单体(例如燃料电池单体，燃料电芯)的电极和/或电连接邻接的电池单体(电池单体串联)。双极板通常在每一侧上界定电化学电池单体。双极板通常由连结在一起的两个隔板形成。双极板的隔板(单独的板)可以用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连结在一起。
[0003]电化学电池单体各自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，并且构造为例如金属料毡或碳料毡(fleece)。此外，MEA各自具有至少一个框架状加强层，其围绕MEA的电化学活性区域并且通常由电绝缘材料制成。框架状加强层有时也被称为MEA的边缘部分或加强边缘。
[0004]隔板和双极板可以各自具有或形成这样的结构，这些结构例如构造成对由相邻的双极板界定的电化学电池单体提供一种或多种介质，和/或从其中去除反应产物。该介质可以是燃料(例如，氢或甲醇)或反应气体(例如，空气或氧气)。此外，双极板和/或隔板可以具有用于引导冷却介质经过双极板的、特别是经过被双极板的隔板封围的腔体的结构。此外，双极板可以构造成传递当在电化学电池单体中转换电能和/或化学能时所产生的废热，并且还相对于彼此和/或相对于外部来密封各种介质通道和冷却通道。
[0005]此外，双极板和隔板通常各自都具有多个贯通开口。穿过这些贯通开口，介质和/或反应产物可以被传导到由堆叠的邻近的双极板所界定的电化学电池单体或者进入到由双极板的隔板形成的腔体中，或者可以被传导到电池单体外或者腔体外。贯通开口通常彼此对齐地布置并形成沿堆叠方向延伸的流体管线，即垂直于相应隔板和双极板的板平面。
[0006]为了使之更容易地生产这样的电化学系统并限制成本，该堆叠中的隔板和双极板通常设计成结构相同。同样，MEA通常设计为在结构上彼此相同。因此，相应的流体管线沿堆叠方向通常具有周期性恒定的横截面尺寸和形状。然而，考虑到在流体流动方向上沿堆叠方向的流体管线中的压力下降，为了沿堆叠方向以相同的方式向相应的电池单体供应介质和/或冷却介质，流体管线的横截面尺寸应从流入区域朝向相对端减小。作为折衷，在现有技术中，通常将流体管线的尺寸选择为在流入区域平均来说太小，在中间是理想，而在流体管线的端部处则太大。结果，对电池单体的供应沿堆叠方向是不等同的。特别地，在流体管
线端部处的电池单体通常供应不足，因此至少在该领域中电化学系统的性能没有得到充分利用。由于为电池单体提供不同的介质，堆叠中的电池单体也受到不同程度的压力。压力最大的电池单体可能会出现更高程度的磨损，从而更早失效，这反过来会对电化学系统的使用寿命产生负面影响。
[0007]这可以借助沿堆叠方向的不同尺寸的隔板和MEA的贯通开口或借助改变液压横截面的多孔填充物来解决。然而，由于需要结构相同的隔板和结构相同的MEA，因此不希望有不同尺寸的贯通开口。这种多孔填充物还与额外的组装工作和成本相关联，此外还有损坏堆叠的风险。
[0008]公开文献US 2011/0165492 A1、US 2012/0070761 A1、US 2016/0013509 A1、DE 10 2016 225 444 A1、DE 10 2017 202 705 A1、US 2015 444 A1、US 2017 202 705 A1、US 2009/0081521 A1、EP 1 968 149 A1等处理了所描述的问题。
[0009]类似的结构也存在于用于电化学系统的加湿器的隔板和膜上。因此，以下所述也适用于加湿器的隔板。在这种情况下，也可以仅使用单层板，即隔板，而不是包括两个隔板的双极板。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是至少部分地解决上述问题。特别地，如果可以创建一种装置，其中电化学电池单体被更均匀地供应有介质，这将是所期望的。
[0011]这一目的通过根据独立权利要求的组件、堆叠和系统实现。进一步的开发形成下文描述和从属权利要求的主题。
[0012]根据本专利技术的第一方面，提出了一种用于电化学系统的组件。该组件包括第一隔板、第二隔板和布置在隔板之间用于在隔板之间形成电化学电池单体的膜电极组件、即MEA。
[0013]MEA包括电化学活性区域和围绕电化学活性区域的至少一个框架状加强层。在每种情况下，至少一个用于流体通过的贯通开口形成在加强层和每个隔板中，其中加强层的贯通开口和隔板的贯通开口布置成彼此对齐，以形成流体管线部分。本文意义上的“对齐”意味着它们形成共用的贯通开口，这并不意味着它们的相应边缘在同一平面的正交投影中重合。加强层具有至少一个柔性突片，柔性突片具有用于影响流体流的自由端，其中隔板的两个贯通开口中的至少一个在加强层上的正交投影限定投影区域，该投影区域至少部分地与突片重叠。
[0014]该组件特别适用于堆叠，其中多个这样的组件沿堆叠方向堆叠。在这种情况下，流体管线部分可以形成流体管线。堆叠时，柔性突片可导致横截面逐渐变细，特别是在流体管线的与流体流入区域相对的端部部分中，以抵消流体管线的端部部分中的压力下降。通过所提出的组件，可以由此补偿沿流体管线堆叠方向的压力下降，从而能够以相同的方式实现向各个电池单体供应介质，例如可以保持在一定的容差范围内。换言之，这防止了电池单体中介质浓度在至少部分堆叠或整个堆叠高度上的广泛变化。
[0015]与现有技术相比，结构相同的部件可用于整个堆叠上，既用于隔板也用于MEA。
[0016]隔板的贯通开口和加强层的至少一个贯通开口的对齐布置尤其意味着形成具有足够大的流动横截面的连续的流体管线部分。然而，较佳地，加强层的贯通开口的边缘和隔
板的贯通开口的边缘不一致。相反，围绕加强层的贯通开口的边缘区域通常至少在边缘的部段中突出，但较佳地沿周向突出到由相邻隔板的贯通开口正交投影到加强层的平面中所得的区域中。换言之，隔板的两个贯通开口中的至少一个在加强层上的进一步正交投影限定了另一投影表面，该另一投影表面至少在一些区域中与加强层的贯通开口的边缘区域重叠，特别是在突片限定的区域外部。与隔板的贯通开口相比，加强层的贯通开口的边缘区域由此可以在重叠区域中具有悬伸部。这对于避免隔板之间的短路也是有利的。
[0017]突片可以设计成使得突片的自由端偏转或可以偏转出由加强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电化学系统(1)的组件(30)，包括第一隔板(2a)、第二隔板(2b)和布置在隔板(2a、2b)之间的膜电极组件、即MEA(10)，所述MEA用于在所述隔板(2a、2b)之间形成电化学电池单体，所述MEA(10)具有：
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电化学活性区域(18)；以及
‑
围绕所述电化学活性区域的至少一个框架状加强层(55)，其中在每种情况下，用于供流体通过的至少一个贯通开口(51、11)形成在所述加强层(55)中和每个所述隔板(2a、2b)中，其中，所述加强层(55)的贯通开口(51)和所述隔板(2a、2b)的贯通开口(11)彼此对齐地布置以形成流体管线部分(31)，其中，所述加强层(55)具有带有自由端的至少一个柔性突片(50)，用于影响流体流，其中，所述隔板(2a、2b)的两个贯通开口中的至少一个在所述加强层(55)上的正交投影限定了投影区域(56)，所述投影区域至少部分地与所述突片(50)重叠。2.根据权利要求1所述的组件(30)，其特征在于，所述突片(50)设计成使得所述突片(50)的所述自由端偏转或能够偏转出由所述加强层(55)限定的平面(E)，较佳地通过流体流和/或外部装置的作用。3.根据权利要求2所述的组件(30)，其特征在于，所述自由端的所述偏转随着流体体积流量和/或流体速度的增加而增加。4.根据前述权利要求中任一项所述的组件(30)，其特征在于，所述加强层(55)具有围绕所述加强层(55)的所述贯通开口延伸的套环(52)，所述突片(50)连接到所述套环(52)。5.根据前一权利要求所述的组件(30)，其特征在于，所述套环(52)位于所述投影区域(56)的内部或外部。6.根据前述权利要求中任一项所述的组件(30)，其特征在于，所述突片(50)具有至少一个切口(53)，用于接纳另一组件(30)的另一突片(50)。7.根据前述权利要求中任一项所述的组件(30)，其特征在于，所述加强层(55)是单层或多层结构，并且所述突片(50)具...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：莱茵兹密封垫有限公司，
类型：发明
国别省市：