用于运行具有数个上下相叠地布置且彼此密封的电化学电池的电池堆的方法与流程

本发明涉及一种用于运行具有数个上下相叠地布置且彼此密封的电化学电池的电池堆的方法，这些电化学电池被气态介质、尤其是h2流经，该气态介质经由至少一个出口通道离开该电池堆。此外，本发明还涉及该用于运行具有数个电化学电池的电池堆的方法的应用，该电池堆作为电解池或者作为用于驱动车辆的燃料电池来运行。

背景技术：

1、电化学电池是电化学能量转换器，并且以燃料电池或电解池的形式已知。

2、燃料电池将化学反应能转换为电能。在已知的燃料电池中尤其将氢气(h2)和氧气(o2)转换为水(h2o)、电能和热。

3、还已知质子交换膜(proton exchange membrane＝pem)燃料电池。质子交换膜燃料电池具有在中心布置的膜，该膜对于质子、即氢离子来说是可透过的。由此，氧化剂、尤其是空气中的氧在空间上与燃料、尤其氢气分开。

4、燃料电池具有阳极和阴极。燃料被连续地导送到燃料电池的阳极并且通过释放电子生成质子而被催化氧化，质子到达阴极。释放出的电子从燃料电池中排出并且经由外部电路流向阴极。氧化剂被导送到燃料电池的阴极处，并且通过吸收来自外部电路的电子，与质子反应生成水。如此形成的水从燃料电池中排出。总反应式为：

5、o2+4h++4e-→2h2o

6、在这种情况下，在燃料电池的阳极和阴极之间存在电压。为了提高该电压，可以将多个燃料电池机械地依次布置并且电串联，成为燃料电池堆，该燃料电池堆也被称作反应堆或者燃料电池本体。

7、电化学电池堆可以被称作电化学电池组件，其通常具有端板，端板将各个电池互相挤压并为堆带来稳定性。

8、电极，即阳极和阴极，和膜可以在结构上组合成为膜电极组件(mea)，膜电极组件也被称作membrane electrode assembly。

9、电化学电池堆还具有双极板，双极板也被称作气体分配器板或分配器板。双极板用于将燃料均匀地分布到阳极上以及将氧化剂均匀地分布到阴极上。除了对氧气、氢气、水以及必要时对冷却剂进行介质引导之外，双极板还保障与膜的面式电接触。

10、例如，燃料电池堆典型地具有多达数百个单个燃料电池，这些燃料电池以层的方式互相堆叠在一起。各个燃料电池具有mea以及在阳极侧和在阴极侧分别具有双极板半体。燃料电池尤其包括通常分别呈冲压板材形式的阳极单极板和阴极单极板，它们共同形成双极板，从而形成用于引导气体和液体的通道，并且冷却介质可在这些板之间流动。

11、此外，电化学电池通常还包括气体扩散层，气体扩散层布置在双极板与mea之间。

12、相较于燃料电池，电解池是在施加电压的情况下优选将水分解为氢气和氧气的能量转换器。电解池除了其他部件之外也具有mea、双极板和气体扩散层。

13、成堆的电化学电池经常经由垂直于电化学电池的膜布置的介质通道被供应以介质或者导出介质，尤其是氢气和氧气。介质通道通过也可以被称作流体接头的端口与电化学电池、尤其与双极板流体连通。介质通道通常位于堆的边缘处并且经常通过重叠地上下布置的缺口(这些缺口形成端口)产生。介质从端口通过端口贯穿部被引导到所谓的流场中，即双极板或者说膜电极组件的活性表面。尤其在端口处，不同的介质必须相互密封并且相对于环境密封。

14、尤其是用于空气或者说氢气的指向mea的端口贯穿部被这样设计：端口贯穿部一方面为流入的和流出的介质提供尽可能大的开口，另一方面为布置在mea的相对侧的密封件提供尽可能好的机械支撑作用。

15、de 10158772 cl和de 10248531 b4涉及带有由多个燃料电池形成的层的燃料电池堆，其中，通过双极板导入或者导出介质并且设置有用于密封的卷边布置。

技术实现思路

1、根据本发明，提出一种用于运行电池堆的方法，该电池堆具有数个上下相叠地布置且彼此密封的电化学电池，这些电化学电池被气态介质、尤其是h2流过，该气态介质经由至少一个出口通道离开该电池堆，其中，设置有：

2、a)用于气态介质、尤其是h2的出口通道在其端部处包括用于流出气态介质、尤其是h2的开口端；或者

3、b)用于气态介质、尤其是h2的第一出口通道和用于气态介质、尤其是h2的第二出口通道在它们的端部处交替地借助在对角线上起作用的阀对这样打开和关闭，使得在第一和第二出口通道上始终一个端部是闭合端部而相对的端部是开口端部。

4、通过根据本发明所提出的运行方法，可以以有利的方式实现，使气态介质关于布置在电池堆中的全部电化学电池的压力分布明显地均匀化。通过电池堆中的各个电化学电池之间的气态介质压力均匀化，可以以有力的方式提高所生成的气态介质、尤其是h2的产出率，使得从整体上看可以实现由电化学电池形成的电池堆明显更高效的运行。

5、在根据本发明所提出的方法的一种有利拓展方案中，为出口通道的每个端部分别配属一个可操控的阀，该阀在每个出口通道上关闭一个端部并打开一个端部。如此可以实现在电池堆的正常运行中和在切断模式中交替地打开和关闭电池堆上的出口通道。

6、在根据本发明所提出的方法的一种有利拓展方案中，用于气态介质、尤其是h2的第一出口通道在一个端部处具有开口端部，其中，第二出口通道在相对于电化学电池的对置侧上在其与第一出口通道的开口端部相对置的端部处具有开口端部。

7、在根据本发明所提出的方法的一种有利拓展方案中，气态介质、尤其是h2根据a)在出口管的两个开口端部上沿彼此相反的方向从该出口管流出。

8、在根据本发明所提出的方法的一种方法变体中，在电池堆内的所有电化学电池之间在流动路径长度方面的最大差至少被减半。流动路径长度的明显缩短导致电池堆内的压力分布显著均匀化，这涉及气态介质、尤其h2。

9、在根据本发明所提出的方法的另一种有利拓展方案中，根据b)，气态介质、尤其h2经由两个平行走向的出口通道在出口通道的开口端部处沿相反的方向离开电池堆。

10、在根据本发明所提出的方法中，气态介质、尤其是h2在相应的电化学电池与第一和第二出口通道的开口端部之间的流动路径长度的总和对于电池堆内所有电化学电池来说是基本相同的。

11、在根据本发明所提出的方法的一种拓展方案中，在生成气态介质、尤其是h2的电池堆第一运行模式中，将第一对角布置的阀对转变到其打开位态中并且气态介质、尤其是h2从电池堆中逸出，而第二对角布置的阀对在第一运行模式中呈现其关闭位态。因此，在第一运行模式中保证气态介质、尤其是h2的连续生产。

12、在根据本发明所提出的方法中，在电池堆的切断模式中气态介质、尤其h2的生产被停机，在该切断模式中第一对角布置的阀对转换到关闭位态中，而第二对角布置的阀对呈现其打开位态。因此，在切断模式中，仍存在于电池堆中的气态介质离开该电池堆。

13、在根据本发明所提出的方法的一种拓展方案中，经由处在打开位态中的第二对角布置的阀对，通过用惰性气体冲洗电池堆，将气态介质、尤其是h2从电池堆中驱除。用惰性气体、例如空气或氮气冲洗电池堆，将在切断模式中的电池堆转变到安全状态中，其方式是，从电池堆中移除气态介质、尤其是h2的全部残留物。

14、此外，本发明还涉及上述根据本发明的方法的使用，用于运行电解池或运行用于驱动电动汽车的燃料电池。

15、发明优势

16、通过根据本发明所提出的用于运行包括多个上下相叠地布置的电化学电池的电池堆的方法，可以明显改善该电池堆的运行。一方面，通过根据本发明所提出的方法可以在形成电池堆的电化学电池中实现压力水平的均匀化。通过在电池堆内压力水平的均匀化得出更均匀的流动特性，进而得出电池堆内的全部部件的改善的充分利用。此外，通过根据本发明所提出的用于电池堆的运行方法，可以以有利的方式提升气态介质、尤其是h2的总产出率，使得电池堆作为整体来看可以明显更有效地运行。

17、通过电池堆内压力水平的均匀化，还可以抵消在电池堆内相邻的电化学电池之间出现的由于电化学电池与电化学电池之间的气态介质流动路径彼此偏差而产生的现象。通过根据本发明所提出的对压力水平进行均匀化的解决方案，可以减少气态介质流动的流动阻力，该流动阻力可能在位于更内部的、远离出口通道布置的电化学电池中出现。