DE102004057447A1

DE102004057447A1 - Elektrochemisches System sowie Versorgungsplatte

Info

Publication number: DE102004057447A1
Application number: DE102004057447A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Grafl; Bernd Ruess; Joachim Scherer
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: DE102004057447B4; US20060172177A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches System (1) sowie eine Versorgungsplatte (2), welche in diesem System enthalten ist. In diesem elektrochemischen System ist mindestens eine Versorgungsplatte vorgesehen, wobei
- die Versorgungsplatte an einer ersten Flachseite ein erstes Flowfield und an einer zweiten Flachseite ein zweites Flowfield aufweist und
- das erste Flowfield mit einem zugeordneten ersten Interfacekanal und das zweite Flowfield mit einem zugeordneten zweiten Interfacekanal fluidführend oder ein einzelner Interfacekanal mit dem ersten und dem zweiten Flowfield fluidführend verbunden ist, wobei
- von mindestens einem Interfacekanal zu dem zugeordneten Flowfield bzw. den zugeordneten Flowfields ein Übergangsbereich angeordnet ist, wobei dieser Übergangsbereich auf der ersten Flachseite einen ersten Abschnitt und auf der zweiten Flachseite einen zweiten Abschnitt zum Anpressen einer an die Flachseite angrenzenden Brennstoffzellenmembran aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches System sowie eine darin enthaltene Versorgungsplatte.

Elektrochemische Systeme wie Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC), Hochtemperaturbrennstoffzellen, Wasserstoffverdichter oder Elektrolyseure sind prinzipiell bekannt. Üblicherweise weisen diese elektrochemischen Systeme eine Mehrzahl von Zellen auf, welche durch Versorgungsplatten voreinander getrennt sind. Diese Versorgungsplatten haben die Aufgabe, Reaktionsmedien wie beispielsweise molekularen Wasserstoff oder Sauerstoff bzw. Luft an die Reaktionsflächen der entsprechenden Membranen zu führen. Zur Erhöhung der Leistungsdichte ist üblicherweise (aber nicht zwingend) eine Mehrzahl von Versorgungsplatten vorgesehen, zwischen denen jeweils entsprechende Membranen angeordnet sind.

Die Versorgungsplatten sind üblicherweise flach ausgeführt und weisen eine erste Flachseite sowie eine zweite Flachseite auf. Auf der ersten Flachseite ist ein erstes Flowfield und auf der zweiten Flachseite ein zweites Flowfield zur Medienversorgung einer entsprechend angrenzenden Membran mit Reaktionsmedium angeordnet. Zur Versorgung der Flowfields dienen hierbei Interfacekanäle, welche beispielsweise senkrecht zu einer Schichtung der Versorgungsplatten angeordnet sind und auf diese Weise mehrere Versorgungsplatten gleichzeitig mit Reaktionsmedien versorgen können bzw. das Reaktionsmedium oder Reaktionsprodukte aus mehreren Flowfields ableiten können.

Nachteilig bei bisherigen Systemen ist, dass hier zur Abdichtung der einzelnen Reaktionsmedien voneinander, insbesondere im Bereich des Übergangs der Interfacekanäle zu den Flowfields hin, zusätzliche Dichtungen eingelegt werden müssen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Systems zu gewährleisten. Üblicherweise werden beispielsweise bei Brennstoffzellenstacks pro Zelle zwei lose Dichtrahmen eingelegt, um die Zellen abzudichten und die Membran im Ein-/Ausgangsbereich abzustützen. Die separaten Dichtrahmen vervielfachen hierbei die Anzahl der Stackbauteile, erzeugen jeweils eine zusätzliche Dichtfläche und bedingen zudem eine hohe Präzision bei ihrer Herstellung (da nur eine geringe Dickentoleranz einzuhalten ist). Ein Verzicht auf einen solchen Dichtrahmen ist andererseits nach dem Stand der Technik auch nicht möglich, da die Reaktionsmembran auf geeignete Weise im Bereich des Übergangs von den Interfacekanälen zu dem Flowfield hin abgestützt werden muss. Durch eine fehlende Abstützung könnte hier die Membran im Bereich des In terfacekanals in den Kanal zum Flowfield hin einfallen, wodurch ein Übertritt des einen Reaktionsmediums auf die Seite des zweiten Reaktionsmediums erfolgen könnte. Zudem könnte durch die in den zwischen Interfacekanal und Flowfield verlaufenden Kanal einfallende Membran dieser Kanal verstopft werden, wodurch die betreffende Zelle nicht mehr ausreichend mit Reaktionsmedium versorgt würde.

Aufbauend auf diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, welches einerseits einfach und kostengünstig herstellbar ist und andererseits keine Dichtungsprobleme, insbesondere im Übergangsbereich zwischen Interfacekanal und Flowfield, zeigt.

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Patentanspruch 1 beschreibt ein elektrochemisches System mit mindestens einer Versorgungsplatte, wobei

• die Versorgungsplatte an einer ersten Flachseite ein erstes Flowfield und an einer zweiten Flachseite ein zweites Flowfield aufweist und
• das erste Flowfield mit einem zugeordneten ersten Interfacekanal fluidführend und das zweite Flowfield mit einem zugeordneten zweiten Interfacekanal fluidführend oder ein einzelner Interfacekanal mit dem ersten und dem zweiten Flowfield fluidführend verbunden ist, wobei erfindungsgemäß
• von mindestens einem Interfacekanal zu dem zugeordneten Flowfield (bei Bipolarplatten) bzw. den zugeordneten Flowfields (bei Monopolarplatten) ein Übergangsbereich angeordnet ist, wobei dieser Übergangsbereich auf der ersten Flachseite einen ersten Abschnitt und auf der zweiten Flachseite einen zweiten Abschnitt zum Anpressen einer an die jeweilige Flachseite angrenzenden Membran aufweist.

Die Erfindung ist praktisch auf alle Arten von Versorgungsplatten anwendbar. So ist die Erfindung beispielsweise auf Monopolarstromableiterplatten anwendbar. Hierbei versorgt in der Regel ein Interfacekanal zwei Flowfields, von denen eines auf der ersten (beispielsweise oberen) Flachseite und eines auf der zweiten (also unteren) Flachseite der Platte angebracht sind. Die Flowfields auf der Ober- und Unterseite (also der ersten bzw. zweiten Flachseite) sind also miteinander verbunden.

Möglich ist allerdings auch die Anwendung auf Bipolarplatten. Hierbei versorgt ein z.B. senkrecht zur Stackrichtung verlaufender Interfecekanal jeweils nur eine Seite der jeweils angeschlossenen Platte, beispielsweise immer die "Oberseite" (bzw. "erste Flachseite"). Die jeweils zweite Flachseite bzw. "untere Seite" wird von einem anderen Interfacekanal angesteuert. Zwischen erster Flachseite und zweiter Flachseite einer Platte bzw. erstem Flowfield (nämlich dem auf der ersten Platte) und zweiten Flowfield (nämlich dem auf der zweiten Platte) ist keine fluidführende Verbindung gegeben.

Durch die besondere Gestaltung des erfindungsgemäßen Übergangsbereiches kann auf zusätzliche Dichtrahmen verzichtet werden. Dies liegt daran, dass dieser Übergangsbereich eine "Tunnelstruktur" aufweist, welche auf der ersten Flachseite einen ersten Abschnitt zum Anpressen einer Membran aufweist und auf der zweiten Flachseite einen zweiten Abschnitt zum An pressen einer weiteren Membran aufweist und somit die entsprechenden Membranen durch diese Abschnitte jeweils in der gewünschten Weise gestützt werden, so dass keine zusätzlichen Inlays bzw. Dichtrahmen notwendig sind, um die Membran zu fixieren.

So wird es insbesondere möglich, die Membran in ihren Randbereichen so zu halten, dass (z.B. bei einer PEMFC) kein Reaktionsmedium auf die abgewandte Seite der Membran gelangen kann und somit beispielsweise ein Vermischen der Reaktionsmedien und eine Fehlfunktion der Zelle verursachen kann.

Es ist somit durch die neuartige Medienführung im Ein-/Ausgangsbereich der Flowfieldkanäle möglich, auf separat eingelegte Dichtrahmen zu verzichten. Durch die Integration der Dichtrahmenfunktionalitäten (Abdichtung, die Wegbegrenzung bei der Kompression der EME – Elektroden-Membran-Einheit -, Membranabstützung) ist es möglich, den Stackaufbau durch die erreichte Modulbauweise deutlich einfacher und sicherer zu machen. Durch den Wegfall separater Dichtrahmen wird die Anzahl der bei der Montage auszurichtenden Bauteile deutlich reduziert und somit die Prozesssicherheit der Stackmontage signifikant erhöht. Zudem wird die Herstellung der Stackbauteile vereinfacht, da die Produktion der zum Teil sehr filigranen Dichtrahmen mit großen Schwierigkeiten (hoher Ausschuss, Präzisionsprobleme) verbunden ist. Das Design eignet sich insbesondere für Brennstoffzellensysteme, die auf eine Kühllage verzichten, die sonst üblicherweise dazu genutzt wird, die Medienführung unter den Dichtlinien hindurch zu "tunneln". So eignet sind das System insbesondere auch für DM FC bzw. kathodenluftgekühlte Stacks bzw. Systeme, welche über einen monopolaren Stackaufbau verfügen.

Ein entscheidender Aspekt des "rahmenlosen Designs" ist eine notwendige Anpassung der jeweiligen Membran auf die Struktur der Medienführung. So muss die Membran an der Kante der jeweiligen Oberfläche enden, die sie gerade noch abstützt. Somit kann ein Einfallen "freier" Membranbereiche in den Übergangsbereich bzw. den Interfacekanal wirkungsvoll verhindert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Eine Weiterbildung der Versorgungsplatte sieht vor, dass dies beispielsweise eine Monopolarstromableiterplatte oder auch eine Bipolarplatte sein kann.

Bei der Verwendung eines Systems mit Monopolarstromableiterplatten ist vorteilhaft, dass hier mit einem einzigen Interfacekanal zwei Zellen versorgbar sind, da hier ein durchgehend fluchtender Kanal darstellbar ist. Durch diese Versorgungsmöglichkeit von zwei Zellen gleichzeitig, kann außerdem eine erhebliche Dickenreduzierung der Platte bzw. der Gesamtanordnung erreicht werden.

Je nach dem welches Plattenkonzept hier zur Anwendung kommt, können auch die Materialien unterschiedlich gewählt sein. So kann zur Unterstützung der Dichtwirkung sowie zur elektrischen Isolierung zwischen zwei gegenüber liegenden Einzelzellen beispielsweise bei der Verwendung von Platten aus leitfähigen Kunststoffen (z.B. graphite composites) die Mono- oder Bipolarplatte speziell im Übergangsbereich mit einem isolierenden Material, z.B. einem Kautschuk, beschichtet sein.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass beidseitig der Versorgungsplatte reaktive Membranen angebracht sind. Dies können beispielsweise (wie bei PEMFC üblich) beidseitig katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembranen (Ionenaustauschermembranen) sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Membranen jedoch auch beispielsweise einfache Separatoren sein. Es sei angemerkt, dass es nicht zwingend notwendig ist, dass beidseitig chemisch reaktive Membranen angebracht sind, es können auch zumindest einseitig dichtende Folien etc. sein.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Membranen auf einer oder zwei der Flachseiten der Versorgungsplatte mit der Außenkontur der Versorgungsplatte bündig oder gegenüber dieser zurückgesetzt sind. So ist bei der bündigen Variante der Zusammenbau der Zellen relativ einfach, da stets von außen überprüfbar ist, ob die Membran beispielsweise ungewollt geknickt wurde oder nicht. In dem Falle, in welchem die Membran gegenüber den Rändern der Versorgungsplatten nach innen zurückgesetzt ist, ist vorteilhaft, dass hier weniger der u.U. kostenintensiven Membran notwendig ist. Bei dieser zurückgesetzten Variante ist allerdings dann im Randbereich vorzugsweise eine Erhöhung der Platte vorzusehen, um, beim Verpressen des Stapels das Volumen, welches durch den Entfall der Membran entstanden ist, auszugleichen und den Kraftschluss der Verpressung weiterhin homogen weiterzuführen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine, in Bezug auf die Außenkontur der Versorgungsplatte bündige, Membran im Bereich der Interfacekanäle herum zumindest bereichsweise einen Ausschnitt aufweist. Dabei ist es weiter von Vorteil, dass der o.g. Ausschnitt der Membran neben der Kontur des entsprechenden Interfacekanals auch die Kontur des ersten oder zweiten Abschnitts des Übergangsbereichs mit einschließt. Dabei wird der Ausschnitt der Membran jedoch bis auf die Kante desjenigen Abschnitts ausgeweitet, der, ausgehend vom Interfacekanal, zuletzt mit der Membran in Kontakt tritt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Membran im gesamten Übergangsbereich von beiden Seiten mit den angrenzenden Versorgungsplatten in Kontakt steht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Membran nicht in den Übergangsbereich bzw. in den Interfacekanal einfällt und diese verstopft. Ferner wird verhindert, dass das im Interfacekanal geführte Reaktionsmedium auf die Membranseite des jeweils anderen Mediums übertritt.

Ein weiteres, vorteilhaftes Merkmal ergibt sich durch die nach dem oben beschriebenen Prinzip ergebende spezielle Kontur des Membranausschnitts im Übergangsbereich zwischen einem Interfacekanal und dem damit verbundenen Flowfield. Durch geeignete Anordnung der jeweiligen Interfacekanäle und den entsprechenden Übergangsbereichen zueinander, ergibt sich nach dem oben beschriebenen Prinzip ein spezifisches "Lochbild" der Membran, das es ermöglicht, beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels die Lagerichtigkeit der Membran zu bestimmen und zu kontrollieren. Dadurch ist es möglich sicherzustellen, dass beispielsweise die für die Anodenreaktion der Brennstoffzelle ausgelegte Elektrode der EME ausschließlich so verbaut werden kann, dass sie dem Anodenflowfield der Versorgungsplatte zugewandt ist. Ein Verwechseln der Anode bzw. Kathode der EME, wodurch die Leistung der Zelle deutlich verringert werden kann, wird somit vermieden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwei oder mehr Interfacekanäle pro zugeordnetem Flowfield vorgesehen sind. So kann beispielsweise ein Interfacekanal zum Zuführen von Reaktionsmedium (beispielsweise molekularem Wasserstoff) und einer zum Abführen beispielsweise überflüssigen, da nicht verbrauchten Wasserstoffes sowie Reaktionsprodukten, genutzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der erste und/oder der zweite Abschnitt maximal 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Höhe der Versorgungsplatte in Richtung der Schichtung des Systems aufweisen. Somit ist in dem verbleibenden Restbereich immer ein ausreichender Querschnitt für den Fluss von Reaktionsmedium vom Interfacekanal in das Flowfield möglich. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der erste und der zweite Abschnitt des Übergangsbereichs in der Plattenebene versetzt sind, so dass hierdurch ein "alternierender Tunnel" entstehen kann.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass der erste Abschnitt des Übergangsbereiches zum ersten Flowfield hin randbündig mit einer Innenkontur des Flowfields gestaltet ist. Somit kann das Flowfield in der Draufsicht auf die Platte einfach rechteckig ausgeführt werden. Es ist insbesondere keine Einbuße an aktiver Fläche im Bereich der Übergangsbereich zu den Interfacekanälen notwendig.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass im Bereich zwischen erstem und zweitem Abschnitt des Übergangsbereichs eine vorzugsweise unterbrochene Stützstruktur vorgesehen ist. Dies ist insbesondere bei breiteren Übergängen zwischen erstem und zweitem Abschnitt des Übergangsbereiches sinnvoll, da hierdurch die mechanische Stabilität des abstützenden Abschnitts des Übergangsbereichs senkrecht zur Flachseite der Versorgungsplatte erhöht wird. Hierbei sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Stützstruktur auf der ersten und/oder zweiten Flachseite über diese Flachseite hinaus, von der gegenüber liegenden Flachseite abgewandt, über die übrige Plattenebene erhaben ist. Dies dient dem Ausgleich der fehlenden Membran in diesem Bereich, die an die Kontur des Übergangsbereiches angepasst ausgeschnitten ist. Die Erhebung soll der Dicke der Membran entsprechend gewählt sein. Diese Erhöhung ist elektrisch isolierend auszuführen, etwa durch eine Beschichtung bzw. die Wahl des Plattenmaterials. Diese Variante hat außerdem den weiteren Vorteil, dass durch den spezifischen Ausschnitt der Membran eine Seitenverwechslung eher noch vermieden werden kann.

Die Versorgungsplatte in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen System kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein. So kann diese zumindest bereichsweise ein Kunststoffspritzgussteil sein, alternativ ist auch eine Graphit-Kompositplatte möglich. Im Falle einer solchen leitenden Platte sind vorzugsweise elektrisch isolierende Bereiche (beispielsweise aus Kautschuk oder mit einem nichtleitenden Polymer beschichtet) vorzusehen. Die Versorgungsplatte kann zusätzlich zumindest bereichsweise mit linien- oder flächenhaften Dichtungen versehen sein.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figu ren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1c den prinzipiellen Aufbau eines elektrochemischen Systems;
2a und 2b eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte sowie
3a bis 3c eine weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte.
1a bis 1c zeigen einen prinzipiellen Aufbau eines elektrochemischen Systems. Gezeigt ist hierbei beispielhaft ein Brennstoffzellensystem, welches Versorgungsplatten 2 in Form von Bipolarplatten aufweist. Hierbei sind jeweils zwei Versorgungsplatten 2 auf beiden Seiten einer Membran 8 vorgesehen. Zwischen Membran und jeweiligen Versorgungsplatte kann hierbei optional eine Gasdiffusionslage 10 vorgesehen sein.
1b zeigt hierbei schematisch eine Einzelzelle, welche zwei Bipolarplatten mit den dazwischen liegenden oben erwähnten Elementen aufweist. Zu beiden Seiten dieser Einzelzelle schließen sich dann in dem in 1c gezeigten Zustand weitere Membranen 8 an. Es ergibt sich somit eine Schichtung von Zellen (ein "Stack"), wie in 1c gezeigt ist. Hierbei ist in 1c mit der Bezugsziffer 12 die "Richtung der Schichtung" bezeichnet, in welchem mechanischer Druck quer zu den Flachseiten der Versorgungsplatten ausgeübt wird.
Im weiteren wird insbesondere auf verschiedene Arten der Versorgungsplatten sowie auf die in Richtung der Schichtung 12 verlaufenden Interfacekanäle, welche Flowfields auf beiden Seiten der Versorungsplatten 2 versorgen sollen, eingegangen.
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte ist in 2a und 2b gezeigt. Es handelt sich hierbei um eine "Bipolarplatte".
2a bzw. 2b zeigen jeweils unterschiedliche Seiten derselben Bipolarplatte. Hierbei deutet die zwischen den Figuren angebrachte strichpunktierte Linie an, dass die in 2a gezeigte Platte durch eine entsprechende Rotation um diese strichpunktierte Linie in den Zustand 2b gebracht werden kann, bei dem man dann die "Rückseite" dieser Platte sieht.
In den in 2a sowie 2b gezeigten Ausschnitten lässt sich der Aufbau der prinzipiell wie in 1a gezeigten Versorgungsplatte gut erkennen.
Die Versorgungsplatte 2 weist an einer ersten Flachseite 3a ein erstes Flowfield 4a auf (siehe 2a). An einer zweiten Flachseite (d.h. der gegenüber liegenden Flachseite der Versorgungsplatte 2) weist diese eine zweite Flachseite 3b sowie ein zweites Flowfield 4b auf (siehe 2b). Die "Flowfields" auf beiden Seiten stellen den elektrochemisch aktiven Bereich dar und sind (wie beispielsweise in 1a und 1b angedeutet) im wesentlichen rechteckig (zentrierte Rechtecke innerhalb der Platte 2). Das erste Flowfield 4a ist mit einem zugeordneten ersten Interfacekanal 5a verbunden (siehe 2a). Das zweite Flowfield 4b ist mit einem zugeordneten zweiten Interfacekanal 5b fluidführend verbunden (siehe 2b).
Von dem Interfacekanal 5a zu dem zugeordneten Flow field 4a ist ein Übergangsbereich 6 angeordnet, wobei dieser Übergangsbereich auf der ersten Flachseite 3a einen ersten Abschnitt 7a und auf der zweiten Flachseite 3b einen zweiten Abschnitt 7b zum Anpressen einer an die jeweilige Flachseite angrenzenden Membran 8 (siehe 1a) aufweist.
Im folgenden soll insbesondere auf den Übergangsbereich 6 nochmals detailliert eingegangen werden. Dieser weist einen integrierten Steg (Abschnitt 7a) auf, welcher einen Teil der Umrandung des rechteckigen Flowfields in 2a bildet. Hierdurch kann die Membran 8, welche zwischen der ersten Flachseite 3a sowie einer daran angrenzenden Fläche, beispielsweise einer weiteren Flachseite einer benachbarten Versorgungsplatte 2, angeordnet ist, auch in ihrem Randbereich um die aktive Fläche (also das Flowfield herum) gepresst werden. Die an die Flachseite 3a angrenzende Membran 8 ist hierbei so gestaltet, dass sie randbündig mit der Außenkontur der Versorgungsplatte 2 gestaltet ist. Hierbei weist die Membran 8 Ausnehmungen im Bereich des Interfacekanals 5a auf, und zwar auch im Bereich der Rückseite des zweiten Abschnitts 7b. Hierdurch ist also gewährleistet, dass die Membran 8 mit ihrer gesamten Fläche stets an eine benachbarte Flachseite bzw. Platte angepresst wird. Hierdurch ist es nicht möglich, dass Reaktionsfluid, welches durch den Interfacekanal 5b herangeführt wird, auf die "Rückseite" der Membran fließt. Es ist also durch die erfindungsgemäße Anpressung ausgeschlossen, dass beidseitig der Membran von einem einzigen Interfacekanal aus gleichzeitig ein Betriebsmedium wie beispielsweise molekularer Wasserstoff, Methanol oder auch Sauerstoff auf beide Seiten der Membran gleichzeitig tritt. Hierdurch wird ein Vermischen der Reaktionsmedien vermieden und der Wirkungsgrad des hier vorliegenden elektrochemischen Systems (vorliegend eine PEMFC) erhalten.
Auf der Rückseite der Versorgungsplatte, also auf der in 2b gezeigten zweiten Flachseite 3b der Versorgungsplatte 2, ist eine weitere Membran angeordnet (ebenfalls in 2a und 2b nicht dargestellt), welche aber auch das dortige Flowfield voll überspannt und bereichsweise ausgeschnitten ist, unter anderem im Bereich des Interfecekanals 5a bzw. 5b. Hierbei ist allerdings der dem zweiten Abschnitt 7b zugeordnete Bereich mit einer Membran überdeckt, die Rückseite des ersten Abschnitts 7a ist daran anschließend ebenfalls mit einer Membran überdeckt, die durch den beidseitigen Kontakt mit den Flachseiten der benachbarten Versorgungsplatte im Bereich des Abschnitts 7b ausreichend fixiert wird. Ein Einfallen der Membran in den Übergangsbereich 7a wird zudem durch das dort strömende Medium verhindert. Auch der Bereich der Rückseite des Übergangsbereichs 7a wird von der Membran 8 überspannt, um die Trennung der beiden Reaktionsmedien zu gewährleisten.
Die vorliegende Bipolarplatte ist also beidseitig mit einer Reaktionsmembran versehen, dies ist allerdings nur beispielhaft zu verstehen. Statt einer beidseitig angebrachten Polyelektrolytmembran könnten beispielsweise bei anderen Systemen auch einfache Separatoren etc. angebracht sein. Es sei noch erwähnt, dass durch den unterschiedlichen "Ausschnitt" der Membranen auf der ersten bzw. zweiten Flachseite der Versorgungsplatte ein Verwechseln dieser Membranen verhindert werden kann. Es sei außerdem erwähnt, dass die hier vorliegende außenrandbündige Anordnung der Membranen nicht zwingend ist. Stattdessen können diese auch gegenüber der Randkontur in Plattenebene zurückgesetzt sein, hier ist gegebenenfalls ein Ausgleich durch eine Plattenerhöhung im Randbereich vorzusehen. Wie in 2a und 2b gezeigt sind hier der erste und der zweite Abschnitt in Plattenebene versetzt zueinander angeordnet, d.h. dass durch einen "alternierenden Tunnel" ein Reaktionsmedium jeweils auf der den Verpressungsseiten des ersten bzw. zweiten Abschnittes abgewandten Seiten strömendes Medium von dem Interfacekanal zu dem Flowfield gelangen kann. Hierbei sind in der ansonsten gleich bleibend dicken Plattenberandung die Abschnitte (der erste und auch der zweite Abschnitt) nur 50% so dick wie der zu der Außenkontur der Versorgungsplatte hin umgebende Rand, so dass eine ausreichende Strömung des Mediums gewährleistet ist.
Die vorliegende Anwendung wurde anhand einer PEMFC erläutert. Ähnliche Systeme sind gemäß der Erfindung auch als DMFC, Hochtemperaturbrennstoffzellen, Wasserstoffverdichter oder Elektrolyseure auszuführen. Die Versorgungsplatte kann beispielsweise als Metallteil, als metallbeschichteter Kunststoff oder als Metallkompositplatte ausgeführt sein. Alternativ können diese Grundkörper zumindest bereichsweise mit Kunststoff umspritzt sein.
Vorliegend wurde die Versorgungsplatte als Metallgrundteil, welches mit Kunststoff umspritzt worden ist, ausgeführt. Alternativ ist diese Versorgungsplatte auch als Graphit-Kompositplatte darstellbar.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 3a bis 3c erläutert.
Es sei betont, dass sämtliche der obigen Erläuterungen vollumfänglich auch für diese in 3a bis 3c gezeigte Ausführungsform gelten, es sei denn, dass im folgenden etwas ausdrücklich anderes gesagt wird bzw. kommentarlos ersichtlich ist. Ansonsten gilt auch in Zweifelsfällen das oben Gesagte. Die den 2a und 2b entsprechenden Elemente werden in 3a bis 3c mit einem zusätzlichen Strich gekennzeichnet, um hier die Unterscheidung zu erleichtern.
Der Hauptunterschied zwischen der in 2a und 2b einerseits und der in 3a bis 3c andererseits gezeigten Ausführungsform ist, dass es sich bei 2a und 2b um eine Bipolarplatte handelt und bei 3a bis 3c um eine Monopolarstromableiterplatte.
Die Bipolarplatte hat eine erste Flachseite und ein erstes Flowfield und eine zweite Flachseite und ein zweites Flowfield, wobei das erste Flowfield mit einem zugeordneten ersten Interfacekanal und das zweite Flowfield mit einem zugeordneten zweiten Interfacekanal fluidführend verbunden ist und zwischen den Flowfields keine Verbindung gegeben ist.
Dahingegen zeigt die Monopolarstromableiterplatte ebenfalls an einer ersten Flachseite ein erstes Flowfield und an einer zweiten Flachseite ein zweites Flowfield, wobei jedoch beide Flowfields mit einem gemeinsamen Interfacekanal verbunden sind.
3a und 3b zeigen eine Versorgungsplatte, welche als Monopolarstromableiterplatte 2' ausgeführt ist. Diese weist einen Interfacekanal 5a' auf, von welchem über zweite Abschnitte 7b' sowie einen ersten Abschnitt 7a' Medium zu einem Flowfield 4a' gelangen kann, welches als durchgängiger (beidseitig offener) Mäander die jeweils auf den beiden Flachseiten 3a'/3b' der Versorgungsplatte 2' angrenzenden Membra nen mit dem Medium versorgt. Die dabei an die Flachseite 3a' angrenzende Membran 8 ist ebenfalls im Bereich des Interfacekanals 5a' ausgeschnitten und überspannt die Fläche des Flowfields 4a' vollständig. Durch den ersten Abschnitt 7a' wird gewährleistet, dass auch im Randbereich des Flowfields keine "frei hängenden" Abschnitte der Membran 8 gegeben sind und dass diese somit vollflächig an die Flachseite 3a' angrenzende Plattenabschnitte gepresst wird. Selbiges gilt für die auf der anderen Seite liegende Flachseite 3b' bzw. das entsprechende Flowfield 4b'.
Der Übergangsbereich 6' besteht vorliegend wiederum aus einem ersten Abschnitt 7a' (welcher an das Flowfield angrenzt) sowie einem zweiten Abschnitt 7b', welcher auf der gegenüber liegenden Flachseite im Bereich des Interfacekanals sich anschließt. Auch hier ist der Übergangsbereich, welcher aus erstem und zweitem Abschnitt besteht, wiederum als "alternierender Tunnel" ausgeführt. Hierbei ist allerdings eine deutlich größere Breite des zweiten Abschnittes des Übergangsbereichs 6' festzustellen (diese erstreckt sich über die gesamte Langseite des Interfacekanals, wie in 3a zu sehen), so dass hier zusätzliche "Stützstrukturen" 9' vorgesehen sind. Diese "Stützstrukturen" sind als zwei "Stützpföstchen" ausgeführt, so dass sich im Bereich zwischen erstem Abschnitt 7a' und zweitem Abschnitt 7b' zu den jeweiligen Flachseiten der angrenzenden Versorgungsplatte hin eine Stützstruktur ergibt.
Dies kann auch bei aufliegenden Membranen berücksichtigt werden. Die Stützstruktur 9' auf der ersten und/oder zweiten Flachseite 3a' bzw. 3b' kann über diese jeweilige Flachseite hinaus, von der gegenüber liegenden Flachseite abgewandt, über die übrige Plat tenebene erhaben sein. Hierdurch wird die in diesem Bereich fehlende Membran ausgeglichen, d.h. die Erhabenheit der Pföstchen reicht genau aus, um die Membran in Richtung der Schichtung 12 dickenmäßig zu ersetzen.
Ein aus der in 3a und 3b gezeigten Versorgungsplatte aufgebauter PEMFC-Stack ist in 3c im Teilschritt gezeigt.
Hierbei ist insbesondere in dem linksseitigen Interfacekanal gut zu erkennen, wie die Stützstrukturen 9' nach oben hin über die zweitoberste Platte hinaus ragen, um so den in diesem Bereich nicht vorgesehenen Abschnitt der Membran 8 zu ersetzen.

Claims

Elektrochemisches System (1) mit mindestens einer Versorgungsplatte (2), wobei – die Versorgungsplatte (2) an einer ersten Flachseite (3a) ein erstes Flowfield (4a) und an einer zweiten Flachseite (3b) ein zweites Flowfield (4b) aufweist und – das erste Flowfield (4a) mit einem zugeordneten ersten Interfacekanal (5a) und das zweite Flowfield mit einem zugeordneten zweiten Interfacekanal fluidführend verbunden ist oder ein einzelner Interfacekanal mit dem ersten und dem zweiten Flowfield fluidführend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – von mindestens einem Interfacekanal (5a) zu dem zugeordneten Flowfield (4a) bzw. den zugeordneten Flowfields ein Übergangsbereich (6) angeordnet ist, wobei dieser Übergangsbereich (6) auf der ersten Flachseite (3a) einen ersten Abschnitt (7a) und auf der zweiten Flachseite (3b) einen zweiten Abschnitt (7b) zum Anpressen einer an die jeweilige Flachseite angrenzenden Membran aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsplatte eine Monopolarstromableiterplatte oder eine Bipolarplatte ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Versorgungsplatte reaktive Membranen (8) angebracht sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (8) auf einer oder zwei der Flachseiten (3a, 3b) der Versorgungsplatte (2) mit der Außenkontur der Versorgungsplatte bündig sind oder gegenüber dieser zurückgesetzt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Membran (8) um die Interfacekanäle (5a) herum zumindest bereichsweise einen Ausschnitt aufweist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt der Membran (8) die Kontur des ersten (7a) oder zweiten (7b) Abschnittes des Übergangsbereiches (6) mit einschließt.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8) im Bereich des ersten Interfacekanals (5a) anders ausgeschnitten ist als die Membran im Bereich des zweiten Interfacekanals (5b).
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Interfacekanäle (5a) pro zugeordnetem Flowfield vorgesehen sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (7a) und/oder der zweite (7b) Abschnitt maximal 30%–70%, vorzugsweise maximal 40%–60% der Höhe der Versorgungsplatte in Richtung der Schichtung des Systems aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (7a) und der zweite (7b) Abschnitt in der Plattenebene versetzt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (7a) zum ersten Flowfield hin randbündig mit einer Innenkontur des Flowfields (4a) gestaltet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen erstem (7a) und zweiten (7b) Abschnitt eine vorzugsweise unterbrochene Stützstruktur (9) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (9') auf der ersten (3a') und/oder zweiten Flachseite (3b') über diese Flachseite hinaus, von der gegenüber liegenden Flachseite abgewandt, über die übrige Plattenebene erhaben ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dies ein PEMFC, DMFC, eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, ein Wasserstoffverdichter oder ein Elektrolyseur ist.
Versorgungsplatte, enthalten in einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Versorgungsplatte nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest bereichsweise ein Kunststoffspritzgussteil oder eine Graphit-Komposit-Platte ist.
Versorgungsplatte nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese zu mindest bereichsweise mit linien- oder flächenhaften Dichtungen versehen ist.