DE102021210269A1

DE102021210269A1 - Anordnung für ein elektrochemisches system, stapel sowie elektrochemisches system

Info

Publication number: DE102021210269A1
Application number: DE102021210269.7A
Authority: DE
Inventors: André Speidel
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2022-03-24
Also published as: CN114204083A; US20220093952A1; US11942670B2; DE202020105365U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein elektrochemisches System, welche eine Separatorplatte und eine Membranelektrodeneinheit (MEA) aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Stapel mit einer Vielzahl derartiger Anordnungen und ein elektrochemisches System mit mindestens einer derartigen Anordnung. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Anordnung bzw. der Stapel können grundsätzlich auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, wobei hier der elektrochemisch aktive Bereich durch einen wasserübertragenden Bereich ersetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein elektrochemisches System, welche eine Separatorplatte und eine Membranelektrodeneinheit (MEA) aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Stapel mit einer Vielzahl derartiger Anordnungen und ein elektrochemisches System mit mindestens einer derartigen Anordnung. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Anordnung bzw. der Stapel können grundsätzlich auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, wobei hier der elektrochemisch aktive Bereich durch einen wasserübertragenden Bereich ersetzt ist.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Solche Separatorplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Separatorplatten aus zwei zusammengefügten Lagen gebildet. In diesem Fall werden die Separatorplatten oftmals als Bipolarplatten bezeichnet. Die Lagen (Einzelplatten) der Separatorplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten bzw. die Lagen können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Separatorplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Separatorplatte dienen, insbesondere durch einen von den Lagen der Separatorplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Separatorplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
Ähnliche Strukturen sind auch bei Separatorplatten von Befeuchtern für elektrochemische Systeme vorhanden. Das im Folgenden Ausgesagte kann also entsprechend auch für Separatorplatten von Befeuchtern gelten.
Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Separatorplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Einzelplatten der Separatorplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden.
Die elektrochemischen Zellen umfassen außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA).
Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Separatorplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Die MEAs weisen darüber hinaus jeweils eine rahmenförmige Verstärkungslage auf, welche den elektrochemischaktiven Bereich der MEA umschließt und typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
Der Stapel wird üblicherweise durch wiederholtes Aufeinanderfügen von Separatorplatten und MEAs in abwechselnder Reihenfolge hergestellt. Es findet aktuell also ein sequentielles Aufeinanderfügen von Separatorplatten und MEAs statt, wobei die Separatorplatten und die MEAs einzeln zugeführt werden.
Bei der Herstellung des Stapels ist beispielsweise darauf zu achten, dass Öffnungen fluchtend zueinander positioniert werden und bei einem dichtenden Zusammenpressen der einzelnen Schichten die Schichten nicht relativ zueinander verrutschen, da dies zu Undichtigkeiten und zur Funktionsunfähigkeit des gesamten Systems führen kann.
Erschwerend kommt hinzu, dass MEAs zumeist fragil und biegeschlaff sind, sodass sie bei der Herstellung des Stapels oftmals schwierig zu handhaben sind. Schwierigkeiten ergeben sich zum Beispiel bei einer genauen Positionierung der MEA auf einer zuvor auf dem Stapel montierten Separatorplatte. Wegen der Schwierigkeit, eine MEA präzise auf der angrenzenden Separatorplatte zu positionieren, lässt sich der Zusammenbau eines herkömmlichen Stapels mit mehreren elektrochemischen Zellen nur aufwendig automatisieren, was mit Blick auf eine Massenfertigung von Nachteil ist.
Um die Herstellung des Stapels zu vereinfachen, wäre es vorteilhaft, die Separatorplatte und die MEA bereits nach der Fertigung der Separatorplatte miteinander zu einer Anordnung kombinieren, und bei der Herstellung des Stapels die jeweiligen Anordnungen aufeinander zu stapeln.
Eine derartige Vormontage der Separatorplatte mit der MEA ist zum Beispiel in der DE 10 2005 046 461 A1 offenbart. In dieser Schrift werden die Separatorplatte und die MEA in einem vorbereitenden Schritt zu einem Verbund miteinander verklebt. Anschließend werden mehrere Verbunde zu dem Stapel gefügt. Falls jedoch die Position der beiden Fügepartner relativ zueinander fehlerhaft ist, kann es aufgrund der Klebekraft des verwendeten Klebers schwierig sein, diese Position zu korrigieren. Außerdem fallen bei einem Stapel von N Zellen N zusätzliche Klebe-, Trocknungs- oder Aushärtungsschritte an, wobei N typischerweise größer als 250 ist. Die zusätzliche Fertigungszeit und der Mehraufwand sind mit Blick auf die Massenfertigung ebenfalls nachteilig.
Die DE 20 2012 004 926 U1 beschäftigt sich ebenfalls mit der Problematik, die Separatorplatte und die MEA relativ zueinander zu positionieren. Hierzu werden Elemente vorgesehen, welche eine Selbstzentrierung der MEA senkrecht zur Stapelrichtung ermöglichen. Obwohl die DE 20 2012 004 926 U1 somit ohne Kleber und zusätzliche Prozessschritte auskommt, besteht weiterhin das Problem der Handhabung der einzelnen MEAs.
Von dieser Problematik ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Positionierung von MEAs und Separatorplatten relativ zueinander zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung, einen Stapel und ein System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der nachfolgenden Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
Dementsprechend wird eine Anordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Anordnung umfasst eine Separatorplatte mit mindestens einer Lage und eine Membranelektrodeneinheit (MEA), die MEA aufweisend:

- einen elektrochemisch aktiven Bereich,
- eine rahmenförmige, den elektrochemisch aktiven Bereich umschließende Verstärkungslage und
- mindestens eine Lasche zum Positionieren der MEA relativ zur Separatorplatte und/oder zum Befestigen der MEA an der Separatorplatte.

Die Lage weist eine erste Flachseite und eine der ersten Flachseite gegenüberliegende zweite Flachseite auf, wobei die Lasche an einer Seite mit der rahmenförmigen Verstärkungslage verbunden ist und ihr freies Ende auf Seiten der zweiten Flachseite der Lage angeordnet ist, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage auf der ersten Flachseite der Lage angeordnet ist.
Die MEA kann mittels der Lasche formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Separatorplatte verbunden sein, wobei der Formschluss üblicherweise den überwiegenden Anteil an der Verbindung hat. Daher kann auf eine stoffschlüssige Verbindung wie eine Klebeverbindung verzichtet werden. Insbesondere sind also die MEA und die Separatorplatte nicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Damit ist eine Fixierung und/oder Positionierung der MEA relativ zur Separatorplatte ohne Verwendung eines zusätzlichen Klebers und ohne Durchführung von weiteren Arbeitsschritten, wie beispielsweise Trocknungsverfahren, möglich.
Somit kann mittels der mindestens einen Lasche sichergestellt werden, dass die MEA und die Separatorplatte relativ zueinander fixiert und/oder miteinander verbunden werden. Hierdurch kann mit der Anordnung ein Verbund aus MEA und Separatorplatte geschaffen werden, welcher genug Eigenstabilität aufweist, um während des Transportes oder Hantierens des Verbunds nicht zu verrutschen oder auseinanderzufallen. Insbesondere können mit der vorgeschlagenen Anordnung also der Transport und/oder das Hantieren (Handling) in automatisierten Anlagen vereinfacht werden. Ein entscheidender Vorteil bei der Herstellung von Stapeln durch ein Zusammenfügen von Anordnungen der beschriebenen Art ist nämlich darin zu sehen, dass bei diesem Zusammenfügen nicht mehr mit einzelnen MEAs hantiert werden muss, weil diese bereits an der Separatorplatte befestigt sind. Die Anordnungen dienen dann beim Zusammenbau des Stapels also als vorgefertigte Module, deren Zusammensetzen keine Schwierigkeiten mehr bereitet und sogar weitgehend automatisiert werden kann.
Eine solche eventuell automatisierte oder teilweise automatisierte Montage ist dagegen bei herkömmlichen Stapeln nach dem Stand der Technik nicht immer möglich, da bei deren Herstellung die schwierig zu handhabenden formlabilen MEAs einzeln auf den wachsenden Stapel aufgelegt werden.
Eine Vorfertigung der Anordnungen beschriebener Art als Module für einen späteren Zusammenbau eines Stapels bringt als weiteren Vorteil die Möglichkeit mit sich, einzelne Anordnungen zuvor zu testen und beispielsweise auf Schäden zu überprüfen. So können bereits in einem frühen Stadium Schäden festgestellt werden.
Die gewählte Formulierung „das freie Ende der Lasche ist auf Seiten der zweiten Flachseite der Lage angeordnet“ bedeutet hierbei, dass das freie Ende auf der Seite der zweiten Flachseite angeordnet ist und somit unmittelbar oder mittelbar auf der zweiten Flachseite der Lage angeordnet sein kann. Mit anderen Worten kann das freie Ende ohne dazwischenliegendes Element direkt auf der zweiten Flachseite der Lage angeordnet sein oder es kann noch mindestens ein Element, wie eine weitere Lage, zwischen dem freien Ende und der zweiten Flachseite der Lage angeordnet sein.
Je nach Ausführungsform weist die Separatorplatte zumindest abschnittsweise, insbesondere im äußeren Bereich, eine einzige Lage oder genau zwei Lagen auf. Ggf. können im zum elektrochemisch aktiven Bereich der MEA benachbarten Abschnitt auch noch eine oder mehrere weitere Lagen vorhanden sein. Falls zwei Lagen vorgesehen sind, können die genau zwei Lagen jeweils eine erste und eine zweite Flachseite aufweisen, wobei die zweite Flachseite der ersten Lage an die erste Flachseite der zweiten Lage angrenzt. In diesem Fall kann das freie Ende der Lasche auf Seiten der zweiten Flachseite der ersten Lage angeordnet sein, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage auf der ersten Flachseite der ersten Lage angeordnet ist. Das freie Ende der Lasche kann auf der zweiten Flachseite der ersten Lage angeordnet sein, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage auf der ersten Flachseite der ersten Lage angeordnet ist. Alternativ kann das freie Ende der Lasche auf der zweiten Flachseite der zweiten Lage angeordnet sein, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage auf der ersten Flachseite der ersten Lage angeordnet ist. Die beiden Lagen sind in der Regel jeweils als Einzelplatten ausgestaltet und stoffschlüssig miteinander verbunden, z.B. durch Schweißverbindungen oder Lötverbindungen.
Optional ist die Lasche integral mit der rahmenförmigen Verstärkungslage ausgebildet. Beispielsweise ist in der rahmenförmigen Verstärkungslage mindestens ein Einschnitt oder eine Ausnehmung vorgesehen, welcher oder welche eine Umrandung der Lasche begrenzt. Die Lasche kann in diesem Fall eine Aussparung in der rahmenförmigen Verstärkungslage definieren. Es kann außerdem mindestens ein Einschnitt oder mindestens eine Ausnehmung vorgesehen sein, der oder die sich winklig, oftmals im Wesentlichen senkrecht, zu einer Haupterstreckungsrichtung der Lasche oder zu einer Einsteck- oder Einschubrichtung der Lasche erstreckt. Dieser Einschnitt oder diese Ausnehmung kann eine Beweglichkeit der Lasche bewirken bzw. ein Einreißen der Lasche verhindern. Die Lasche kann halbkreisförmig, rechteckig, trapezförmig, sichelförmig, zungenförmig, U-förmig oder V-förmig sein.
Auch wenn die Lasche integral mit der rahmenförmigen Verstärkungslage ausgebildet ist, bedeutet das Anliegen der rahmenförmigen Verstärkungslage an einer Fläche dabei nicht, dass auch die Lasche an derselben Fläche anliegt. Vielmehr ist gemeint, dass die rahmenförmige Verstärkungslage ohne ihren Abschnitt, der die Lasche ausbildet, an dieser Fläche anliegt, die Lasche selbst kann an einer anderen Fläche anliegen.
Die rahmenförmige Verstärkungslage kann einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein und in diesem Fall mehrere Folienlagen aufweisen. Falls die rahmenförmige Verstärkungslage mehrlagig, z.B. zweilagig ist, kann die Lasche durch mindestens eine der Folienlagen oder beide Folienlagen ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das lonomer der eigentlichen Membran, insbesondere ohne Katalysatorbeschichtung, sich durch den Bereich der rahmenförmigen Verstärkungslage erstreckt. Auch diese kann in diesem Zusammenhang als Folienlage betrachtet werden. Beispielsweise kann die Lasche eine Aussparung in einer der Folienlagen der rahmenförmigen Verstärkungslage definieren, wobei die Aussparung durch eine weitere Folienlage der rahmenförmigen Verstärkungslage abgedeckt ist. Die weitere Folienlage kann hierbei eine elektrisch isolierende Funktion innehaben. Der Vorteil dieser Ausbildung ist, dass hierdurch die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen innerhalb einer elektrochemischen Zelle verringert werden kann. Eine der mindestens einen weiteren Folienlagen kann sich lediglich im Bereich der durch die Lasche definierten Aussparung und deren Ränder erstrecken. Alternativ oder ergänzend kann eine der mindestens einen weiteren Folienlagen auch im Wesentlichen deckungsgleich mit der ersten Folienlage sein. In diesem Fall können zumindest zwei Folienlagen die im Wesentlichen gleiche rahmenförmige Grundform, welche den elektrochemisch aktiven Bereich umschließt, aufweisen, sie können aber auch nur abschnittsweise miteinander überlappen.
In manchen Ausführungsformen können die Lasche und die rahmenförmige Verstärkungslage separate Elemente sein, welche miteinander verbunden sind. Die Lasche muss also nicht Teil der rahmenförmigen Verstärkungslage sein. Insbesondere können die Lasche und die rahmenförmige Verstärkungslage stoffschlüssig miteinander verbunden sein. So kann die Lasche mit der rahmenförmigen Verstärkungslage verklebt oder verschweißt sein. Auch in diesem Fall kann die rahmenförmige Verstärkungslage ein- oder mehrlagig, z.B. zweilagig, sein.
Die rahmenförmige Verstärkungslage kann angrenzend zur Lasche über einen Innen- oder Außenrand der Separatorplatte überstehen. Mit Außenrand ist hierbei die Außenkontur gemeint, während der Innenrand zum Beispiel ein Rand einer in der Separatorplatte ausgebildeten Durchgangsöffnung wie einer Fluiddurchgangsöffnung sein kann. Zum Beispiel weist die rahmenförmige Verstärkungslage einen Überstand auf, welche seitlich über den Innen- oder Außenrand der Separatorplatte übersteht, wobei die mit der rahmenförmigen Verstärkungslage verbundene Seite der Lasche im Bereich des Überstands angeordnet ist. Das mit der rahmenförmigen Verstärkungslage verbundene Ende der Lasche kann auch zumindest teilweise über den Innen- oder Außenrand der Separatorplatte überstehen. Bei dieser Ausführungsform muss die Separatorplatte nicht an die MEA mit der in dieser Schrift beschriebenen Lasche angepasst werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass bekannte oder bereits hergestellte Separatorplatten verwendet und mit der MEA aufgerüstet werden können.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Innen- oder Außenrand der Separatorplatte eine Ausnehmung aufweisen, wobei die Lasche im Bereich der Ausnehmung angeordnet ist. Die rahmenförmige Verstärkungslage kann im Bereich der Ausnehmung über den zurückspringenden Innen- oder Außenrand der Separatorplatte vorstehen.
Die mindestens eine Lage der Separatorplatte kann eine Durchgangsöffnung aufweisen, durch die die Lasche hindurchgreift. Hierbei kann die Durchgangsöffnung eine bereits vorgesehene Durchgangsöffnung, wie die oben beschriebene Fluiddurchgangsöffnung sein. In dieser Ausführungsform kann die Lasche mit der Durchgangsöffnung einer bekannten oder bereits hergestellten Separatorplatte bzw. Lage verbunden werden.
Die mindestens eine Lage bzw. Separatorplatte kann aber auch eine speziell für die Lasche konzipierte Durchgangsöffnung aufweisen. So kann die Durchgangsöffnung derart ausgebildet sein, dass sie die durchgreifende Lasche seitlich im Wesentlichen passgenau begrenzt. Die Durchgangsöffnung befindet sich bevorzugt in einem Bereich der Separatorplatte, welcher keine fluidführende Funktion hat, d.h. außerhalb eines fluidführenden Bereichs der Separatorplatte und/oder außerhalb eines durch eine Umfangsdichtung wie eine Perimetersickenanordnung definierten Bereiches. Beispielsweise ist die Durchgangsöffnung in einem Außenrandbereich der Separatorplatte vorgesehen. Falls die Separatorplatte zweilagig ist, können die beiden Lagen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen aufweisen. Alternativ kann auch lediglich eine der Lagen die genannte Durchgangsöffnung aufweisen.
Weiter kann die rahmenförmige Verstärkungslage mindestens zwei Laschen umfassen. Die mindestens zwei Laschen können an verschiedenen Stellen der rahmenförmigen Verstärkungslage angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform sind mindestens zwei Laschen in verschiedene Durchgangsöffnungen eingesteckt. Die rahmenförmige Verstärkungslage kann auch zwei Laschen aufweisen, wobei die Laschen durch dieselbe Durchgangsöffnung der Lage hindurchgreifen. In diesem Fall können die freie Enden der Laschen voneinander wegweisen. In manchen Ausführungsformen sind die Laschen auf gegenüberliegenden Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs angeordnet. Die Laschen können derart ausgebildet sein, dass die MEA im Bereich zwischen den Laschen unter Zugspannung steht.
Die beschriebene Separatorplatte kann als erste Separatorplatte bezeichnet werden. Die Anordnung kann auch eine zweite Separatorplatte aufweisen, wobei die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte auf gegenüberliegenden Seiten der MEA angeordnet sind. In diesem Fall kann die zwischen den Separatorplatten angeordnete MEA mindestens eine zweite Lasche aufweisen, welche gemäß der zuvor beschriebenen Weise mit der zweiten Separatorplatte verbunden sein kann.
Die Separatorplatte weist in der Regel mindestens ein umlaufendes in sich geschlossenes Dichtelement auf, welches einen Bereich der Separatorplatte umschließt und diesen Bereich gegenüber der Umgebung und/oder innerhalb einer elektrochemischen Zelle abdichtet. Oftmals weist die Separatorplatte ein Strömungsfeld für ein Medium und/oder mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Mediums auf, wobei das mindestens eine Dichtelement das Strömungsfeld und/oder die Durchgangsöffnung umläuft. Das mindestens eine Dichtelement kann in die Separatorplatte eingeprägt sein und zum Beispiel als Dichtsicke ausgebildet sein.
Die Lage kann im Bereich der Lasche mindestens eine Prägestruktur aufweisen, wobei die Lasche typischerweise an der Prägestruktur anliegt. Die Prägestruktur kann hierbei an die Durchgangsöffnung und/oder an die Ausnehmung in der Separatorplatte angrenzen. Angrenzen ist hier nicht unbedingt als unmittelbares Angrenzen zu verstehen, es kann aus herstelltechnischen Gründen auch ein geringer Abstand zwischen beiden Elementen, beispielsweise das sechsfache oder zehnfache der Stärke der Lage (z.B. Blechstärke), gegeben sein. Falls zwei Lagen vorgesehen sind, kann die erste Lage die Durchgangsöffnung aufweisen, während die zweite Lage die Prägestruktur aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Lagen jeweils eine Prägestruktur und/oder die Durchgangsöffnung aufweisen.
Die Prägestruktur kann ausgestaltet sein, den Bereich der Lage um die Lasche zu versteifen. Zusätzlich oder alternativ kann die Prägestruktur ausgestaltet sein, eine Aufnahme für die Lasche zu bilden und/oder die Lasche seitlich zu begrenzen. In manchen Ausgestaltungen kann die Prägestruktur als Abstandshalter für die Lasche und/oder einen zwischen zwei Lagen der Separatorplatte definierten Zwischenbereich dienen. Die rahmenförmige Verstärkungslage kann bereichsweise auf der Prägestruktur aufliegen. Die Prägestruktur kann zum Beispiel eine Höhe gemessen senkrecht zur Plattenebene der Lage aufweisen, welche mindestens so groß ist wie die Dicke der Lasche gemessen senkrecht zur Plattenebene der Lage.
Die Prägestruktur ist vorzugsweise außerhalb des durch das genannte Dichtelement umschlossenen Bereichs der Separatorplatte angeordnet. Die Prägestruktur ist üblicherweise von dem umlaufenden Dichtelement beabstandet. Da die Prägestruktur gewöhnlich lediglich für die Befestigung der Lasche vorgesehen ist, ist mit dieser Art von Prägestruktur in der Regel keine Dichtfunktion oder strömungsführende Funktion verbunden. Typischerweise ist die Prägestruktur in einem Außenrandbereich der Lage bzw. Separatorplatte vorgesehen.
Die Lasche und die rahmenförmige Verstärkungslage sind üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Die mindestens eine Lage ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff oder einer Metalllegierung gebildet. Dies können vor allem Stahl, Edelstahl, Titan, oder Kombinationen aus Nickel, Chrom oder anderen Übergangsmetallen sein. Die rahmenförmige Verstärkungslage und der Außenrandbereich der Lage bzw. Separatorplatte können sich zumindest bereichsweise überlappen und berühren.
Die MEA umfasst typischerweise eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran, welche in der Regel den elektrochemisch aktiven Bereich bildet. Die Membran kann mit der rahmenförmigen Verstärkungslage verbunden sein. Beispielsweise kann die rahmenförmige Verstärkungslage stoffschlüssig mit der Membran verbunden sein, z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren. Falls zwei rahmenförmige Verstärkungslagen vorgesehen sind, ist ein Außenrand der Membran typischerweise zwischen den beiden Verstärkungslagen angeordnet.
Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Die Gasdiffusionslage ist zumindest im elektrochemisch aktiven Bereich der MEA angeordnet, wobei sie typischerweise über einen Rand des elektrochemisch aktiven Bereichs vorsteht und bereichsweise an die rahmenförmige Verstärkungslage angrenzt, an dieser anliegt oder zumindest abschnittsweise mit dieser verbunden ist.
Die beschriebene Anordnung kann zum Beispiel mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
Zunächst werden eine MEA und eine Separatorplatte nach den obigen Ausführungen einzeln gefertigt und bereitgestellt. Anschließend wird das freie Ende der Lasche mit der Separatorplatte verbunden, vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig, um die Anordnung zu bilden. Vor dem Fügen kann die MEA auf die Separatorplatte zubewegt werden oder auf die Separatorplatte gelegt werden. Alternativ wird die Separatorplatte auf die MEA zubewegt oder auf die MEA gelegt. Durch Schieben, Biegen, Umlegen oder Einstecken kann die Lasche auf Seiten der zweiten Flachseite angeordnet werden. In einer Ausführungsform wird ein Stempel verwendet, um die Lasche durch die genannte Durchgangsöffnung oder in die genannte Aufnahme zu schieben, biegen oder stecken. Alternativ kann die Lasche um die Außenkante oder Innenkante der Separatorplatte gelegt, geschoben oder gebogen werden.
Außerdem wird mit der Erfindung einen Stapel vorgeschlagen, welcher eine Vielzahl von Anordnungen der zuvor beschriebenen Art umfasst. Bei dessen Herstellung ist es vorteilhaft, wenn insbesondere wie vorbeschrieben vormontierte Einheiten aus MEAs und Separatorplatten aufgestapelt werden.
Des Weiteren wird mit der Erfindung ein elektrochemisches System bereitgestellt, welches mindestens eine Anordnung und/oder einen Stapel der zuvor beschriebenen Art aufweist. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Anordnung bzw. der Stapel können auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, wobei hier der elektrochemisch aktive Bereich durch einen wasserübertragenden Bereich ersetzt ist. Weiter ist es im Falle eines Befeuchters vorteilhaft, wenn die Separatorplatte nur aus einer Einzelplatte besteht.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand beigefügter Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Separatorplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
3 schematisch einen Schnitt durch einen Teil des Plattenstapels des elektrochemischen Systems aus 1;
4A zwei Ausschnitte der Separatorplatte aus 2 in einer Draufsicht;
4B zwei Ausschnitte der an die Separatorplatte gemäß 4A angrenzenden MEA;
5A zwei Ausschnitte einer Separatorplatte in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5B zwei Ausschnitte einer mit der Separatorplatte der 5A kompatiblen MEA in einer Draufsicht;
6A zwei Ausschnitte einer Separatorplatte in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6B zwei Ausschnitte einer mit der Separatorplatte der 6A kompatiblen MEA in einer Draufsicht;
7A zwei Ausschnitte einer Separatorplatte in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7B zwei Ausschnitte einer mit der Separatorplatte der 7A kompatiblen MEA in einer Draufsicht;
8A zwei Ausschnitte einer Separatorplatte in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8B zwei Ausschnitte einer mit der Separatorplatte der 8A kompatiblen MEA in einer Draufsicht;
9-11 jeweils schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Separatorplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12-17 jeweils schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Anordnung mit einer MEA und einer Separatorplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel;
18 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Anordnung mit zwei MEAs und zwei Separatorplatten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
19-20 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung nach einem Ausführungsbeispiel;
21A - 21E jeweils schematisch eine Aufsicht auf einen Teil eines Außenrandes einer Separatorplatte;
22A - 22E jeweils schematisch eine Aufsicht auf einen Teil einer rahmenförmigen Verstärkungslage einer MEA; und
23A - 23E Anordnung, welche eine Separatorplatte der 21A - 21E und eine zugehörige MEA der 22A - 22E aufweist.

In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren sind wiederkehrende und funktionsgleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind Bezugszeichen teilweise nicht in jedem Beispiel angegeben, auch wenn die zugehörigen Elemente im betreffenden Beispiel vorhanden sein können.
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 der hier vorgeschlagenen Art mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten oder Bipolarplatten 2, die in einem Stapel angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Separatorplatten 2 des Stapels 6 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Die Separatorplatten 2 und die MEAs 10 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel 6. Je zwei benachbarte Separatorplatten 2 des Stapels 6 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Kompressor oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können. Ähnliches gilt für den Aufbau eines Befeuchters für ein elektrochemisches System.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Separatorplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
1 kann sowohl ein elektrochemisches System 1 des Stands der Technik als auch ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 darstellen.
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Separatorplatten oder Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Separatorplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten 2a, 2b gebildet (siehe z. B. 3), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Einzelplatte 2b verdeckt. Die Einzelplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
Die Einzelplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Separatorplatte 2 bilden. Auch die MEA 10 weist entsprechende fluchtende Durchgangsöffnungen auf, wobei hier aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Angabe eines eigenen Bezugszeichens verzichtet wird. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten von der Art der Separatorplatte 2 und von MEAs 10 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c gemeinsam mit den entsprechenden Durchgangsöffnungen der MEAs Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 2 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 2 und gegenüber der Umgebung kann die erste Einzelplatte 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c aufweisen, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Einzelplatte 2b kann an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c aufweisen (nicht gezeigt).
In einem dem elektrochemisch aktiven Bereich der MEA 10 gegenüberliegenden Bereich 18 weisen die ersten Einzelplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite üblicherweise ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Einzelplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Separatorplatte 2 weist die erste Einzelplatte 2a zudem in der Regel jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 20 mit Verteilkanälen 29 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über das Strömungsfeld 17 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom Strömungsfeld 17 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. Am Übergang zwischen dem Verteil- und Sammelbereich 20 und dem Strömungsfeld 17 befindet sich beiderseits des Strömungsfeldes 17 jeweils ein Übergangsbereich 21, der in 2 jeweils parallel zur y-Richtung 9 ausgerichtet ist. Im Übergangsbereich 21 haben die Medienleitstrukturen gegenüber den angrenzenden Bereichen 17 und 20 z. B. jeweils eine verringerte Höhe (siehe 3).
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die ersten Einzelplatten 2a ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das dem aktiven Bereich 18 gegenüberliegende Strömungsfeld 17, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Einzelplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen des Strömungsfelds 17, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Einzelplatten 2a ausgebildet und in die Einzelplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge- oder Tiefziehprozess oder mittels Hydroformens. Dasselbe gilt für die entsprechenden Strukturen der zweiten Einzelplatten 2b.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind oftmals jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und des Übergangsbereichs 21 und über das Strömungsfeld 17 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Einzelplatten 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen, über entsprechende Verteilstrukturen, Übergangsbereiche und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Einzelplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind in der Regel jeweils über einen von den Einzelplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Separatorplatte 2, insbesondere zum Kühlen des Strömungsfelds 17 der Separatorplatte 2 und damit indirekt des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der MEA 10.
3 zeigt schematisch einen Schnitt A-A durch einen Abschnitt des Plattenstapels des Systems 1 aus 1, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 2 ausgerichtet ist. Die baugleichen Separatorplatten 2 des Stapels umfassen jeweils die zuvor beschriebene erste metallische Einzelplatte 2a und die zuvor beschriebene zweite metallische Einzelplatte 2b. Gekennzeichnet sind ferner das Strömungsfeld 17, das in seiner Erstreckung dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 der MEA 10 entspricht, der Übergangsbereich 21 und der Verteil- oder Sammelbereich 20 der Separatorplatten 2, wobei die Bereiche 17, 21, 20 jeweils Strukturen zur Medienleitung entlang der Außenflächen der Separatorplatten 2 aufweisen, hier insbesondere jeweils in Form von Stegen und durch die Stege begrenzten Kanälen.
Zwischen benachbarten Separatorplatten 2 des Stapels ist jeweils eine z. B. aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet. Die MEA 10 umfassen üblicherweise jeweils eine Membran 14, z. B. eine Elektrolytmembran mit Katalysatorschichten, und eine damit verbundenen Verstärkungslage, hier jeweils zwei Verstärkungslagen 15a, 15b. Im Übergangsbereich 21 überlappen sich Verstärkungslagen 15a, 15b und Membran 14. Beispielsweise kann die mindestens eine Verstärkungslage 15a, 15b jeweils einseitig stoffschlüssig mit der Membran 14 verbunden sein, z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren. Die mindestens eine Verstärkungslage 15a, 15b ist zumeist aus einem Folienmaterial gebildet, z. B. aus einem thermoplastischen Folienmaterial oder aus einem duroplastischen Folienmaterial.
Der nicht von den Verstärkungslagen 15a, 15b abgedeckte Bereich der Membran 14 der MEA 10 erstreckt sich jeweils über die Strömungsfelder 17 der angrenzenden Separatorplatten 2, bildet diesen Strömungsfeldern 17 gegenüberliegend den aktiven Bereich 18 und ermöglicht dort eine elektrochemische Reaktion an der Membran 14 bzw. der dort vorhandenen, hier nicht dargestellten Katalysatorschicht. Darüber hinaus reicht die Membran 14 wenigstens teilweise in den Übergangsbereich 21 hinein. Die Verstärkungslagen 15a, 15b der MEA 10 können dabei dem Positionieren und Befestigen der MEA 10 zwischen den angrenzenden Separatorplatten 2 dienen. Im Stand der Technik weisen die Separatorplatten 2 hierbei Einkerbungen oder Rücksprünge 52, die MEA 10 Einkerbungen oder Rücksprünge 51 als seitliche Positionierhilfe auf. Die Separatorplatten 2 und die MEAs 10 werden dabei jeweils so wechselweise aufeinandergestapelt, dass sie mit ihren Positionierhilfen 52, 51 seitlich an hier nicht dargestellte Positioniereinrichtungen angrenzen und mittels dieser geführt werden. Da die MEA sehr leicht beweglich und biegbar ist, besteht jedoch das Risiko, dass die MEA nicht korrekt positioniert wird, da sie sich beispielsweise im Randbereich auffalten oder wölben, d.h. insbesondere in Stapelrichtung ausweichen kann. Somit kann die MEA 10 der korrekten Lage zur Bipolarplatte ausweichen. Dem tritt die Erfindung entgegen, indem die MEAs nicht erst beim Aufstapeln des gesamten Stapels auf die Separatorplatten 2 aufgebracht werden, sondern ein Verbund (vgl. Anordnung 50 unten) von MEA 10 und Separatorplatte 2 aufgestapelt wird. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass ein Verbund einer Separatorplatte 2 mit zwei MEAs 10 alternierend mit einer Separatorplatte ohne MEA aufgestapelt wird.
Die Verstärkungslagen 15a, 15büberdecken jeweils den Verteil- oder Sammelbereich 20 der angrenzenden Separatorplatten 2 oder reichen in den Verteil- oder Sammelbereich 20 der angrenzenden Separatorplatten 2 hinein. Wie in 3 gezeigt können die Verstärkungslagen 15a, 15b zusätzlich auch noch den Übergangsbereich 21 der angrenzenden Separatorplatten 2 überdecken oder in den Übergangsbereich 21 der angrenzenden Separatorplatten 2 hinein reichen. Die Kanten der Verstärkungslagen 15a, 15b begrenzen den aktiven Bereich 18.
Die rahmenförmige Verstärkungslage 15 der MEA 10 umfasst im Beispiel der 3 jeweils eine erste rahmenförmige Verstärkungslage 15a, auch als erste Folienlage 15a bezeichnet, und eine zweite rahmenförmige Verstärkungslage 15b, auch als zweite Folienlage 15b bezeichnet, wobei die Folienlagen 15a, 15b jeweils mit der Membran 14 verbunden sind. In 3 sind die Folienlagen 15a, 15b im Bereich 21 wenigstens teilweise beiderseits der jeweiligen Membran 14 angeordnet und fassen diese entlang der Stapelrichtung bzw. entlang der z-Richtung 7 ein. Die Folienlagen 15a, 15b sind mit der Membran 14 bzw. im Bereich 20 untereinander mittels eines in diesem Dokument an anderer Stelle oft nicht explizit genannten Klebers 47 verbunden. Alternativ kann die rahmenförmige Verstärkungslage 15 der MEA auch als einlagiges Folienmaterial ausgebildet sein. Die Verbindung mit der MEA erfolgt dann über einen Überlappungsbereich, der aber eben nur einseitig bzgl. der MEA ausgebildet ist. Die MEA 10 hat im Übergangsbereich 21 der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 somit jeweils eine größere Dicke als in dem vom Übergangsbereich 21 verschiedenen oder eingefassten Bereich der MEA 10, wobei die Dicke der MEA 10 jeweils entlang der Stapelrichtung bzw. entlang der z-Richtung 7 bestimmt wird.
Wie in 3 gezeigt können im aktiven Bereich 18 zusätzlich Gasdiffusionslagen 16 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 ermöglichen das Anströmen der Membran 14 über einen möglichst großen Bereich der Oberfläche der Membran 14 und können so den Medienaustausch über die Membran 14 verbessern. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. jeweils beiderseits der Membran 14 im aktiven Bereich 18 zwischen den angrenzenden Separatorplatten 2 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. aus einem elektrisch leitfähigen Faservlies gebildet sein oder ein elektrisch leitfähiges Faservlies umfassen. Gasdiffusionslage(n) 16 und Membran 14 werden gemeinsam als Membranverbund bezeichnet. Zur Aufnahme sowohl der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 der MEA 10 als auch der Gasdiffusionslagen 16 im Übergangsbereich 21 haben die Medienleitstrukturen des Übergangsbereichs 21 der Separatorplatten 2 vorzugsweise eine gegenüber den Medienleitstrukturen der angrenzenden Bereiche 17 und 20 verringerte Höhe, so dass ein übermäßiges Verpressen der Separatorplatten 2, der MEAs 10 und der Gasdiffusionslagen 16 im Übergangsbereich 21 verhindert wird.
Wie nachfolgend noch gezeigt wird, ist der in 3 gezeigte Aufbau zwar wesentlich für das Verständnis der Erfindung. Unterschiede zwischen der Erfindung und herkömmlichen Plattenstapeln ergeben sich jedoch in anderen als dem in 3 gezeigten Ausschnitt, so dass die Darstellung der 3 zwar einen Ausschnitt aus herkömmlichen elektrochemischen Zellen der 2 zeigt, für erfindungsgemäße Anordnungen jedoch identisch sein könnte.
Die 4A zeigt in einer Draufsicht zwei Ausschnitte der Separatorplatte 2 aus 2, insbesondere der ersten Einzelplatte 2a der Separatorplatte 2 aus 2. 4B zeigt ebenfalls in einer Draufsicht entsprechende Ausschnitte der an die Separatorplatte 2 gemäß 4A angrenzenden und aus dem Stand der Technik bekannten MEA 10 bzw. deren rahmenförmige Verstärkungslage 15 gemäß 2, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage 15 im Folgenden auch als Rahmen 15 bezeichnet wird. Nur der Übersichtlichkeit halber sind dabei in 4A nur einige der zuvor in Bezug auf 2 beschriebenen Elemente der Separatorplatte 2 mit Bezugszeichen bezeichnet. In den 4A und 4B sind die Separatorplatte 2 und der Rahmen 15 bewusst im Wesentlichen maßstabsgetreu relativ zueinander dargestellt, um auf diese Weise zu illustrieren, welche Bereiche der Separatorplatte 2 und der angrenzenden MEA 10 in einem Plattenstapel von der Art des in 1 gezeigten Stapels miteinander zur Deckung kommen.
Die rahmenförmige Verstärkungslage bzw. der Rahmen 15 der MEA 10 umfasst Paare von Aussparungen 22a-c sowie eine zentrale Aussparung 23. Im Bereich der zentralen Aussparung 23 der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 ist der von der rahmenförmigen Verstärkungslage15 eingefasste Bereich der Membran 14 angeordnet, der im Plattenstapel des Systems 1 mit dem Strömungsfeld 17 der angrenzenden Separatorplatte 2 zur Deckung kommt, so dass im aktiven Bereich 18 Protonen durch die Membran 14 hindurchtreten können. Die rahmenförmige Verstärkungslage 15 begrenzt die zentrale Aussparung 23, welche wiederum somit auch den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA 10 definiert. Die Aussparungen 22a-c der rahmenförmigen Verstärkungslage15 der MEA 10 sind derart dimensioniert und die MEA 10 ist relativ zu den benachbarten Separatorplatten 2 derart angeordnet oder anordenbar, dass die Aussparungen 22a-c mit den Durchgangsöffnungen 11a-c der angrenzenden Separatorplatten 2 fluchten, so dass Medium durch die Aussparungen 22a-c der rahmenförmigen Verstärkungslage15 hindurchtreten kann. In den 4A, 4B ist die rahmenförmige Verstärkungslage 15 der aus dem Stand der Technik bekannten MEA 10 derart dimensioniert und die MEA 10 relativ zu den angrenzenden Separatorplatten 2 derart angeordnet oder anordenbar, dass die rahmenförmige Verstärkungslage 15 den Verteil- oder Sammelbereich 20 der angrenzenden Separatorplatten 2 ganz oder wenigstens teilweise überdeckt.
Im Folgenden wird beispielhaft auf die 9 verwiesen. Im Allgemeinen weist die Separatorplatte 2 eine erste Flachseite 71 und eine gegenüberliegende zweite Flachseite 72 auf. Die Einzelplatten 2a, 2b können als erste Lage 2a bzw. zweite Lage 2b der Separatorplatte 2 bezeichnet werden. Die erste Lage 2a weist eine erste Flachseite 71a auf, welche deckungsgleich mit der ersten Flachseite 71 der Separatorplatte 2 ist. Außerdem weist die erste Lage 2a eine zweite Flachseite 72a auf, welche an eine erste Flachseite 71b der zweiten Lage 2b angrenzt. Die zweite Lage 2b umfasst eine zweite Flachseite 72b, welche deckungsgleich mit der zweiten Flachseite 72 der Separatorplatte 2 ist.
Die 5A und 5B zeigen eine Separatorplatte 2und eine zugehörige MEA 10, welche zusammengefügt eine Anordnung 50 oder einen Verbund (vgl. z.B. 12-18, 20, 23A-E) für das elektrochemische System 1 bilden. Die Separatorplatte 2 der 5A entspricht im Wesentlichen der in der 4A gezeigten Separatorplatte 2. Im Vergleich zu der MEA 10 der 4B weist die MEA 10 der 5B Laschen 30 zum Positionieren der MEA 10 relativ zur Separatorplatte 2 und/oder zum Befestigen der MEA 10 an der Separatorplatte 2 auf. In der 5B umfasst die MEA 10 vier Laschen 30. Es können aber auch weniger als vier oder mehr als vier Laschen 30 vorgesehen sein.
Die Lasche 30 ist an einer Seite mit der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 verbunden. Die Lasche 30 weist außerdem ein freies Ende 35 auf, welches zur Bildung der gefügten Anordnung 50 an der Separatorplatte 2 befestigt wird. In der entsprechenden gefügten Anordnung 50 (nicht dargestellt) ist die rahmenförmige Verstärkungslage 15 auf der ersten Flachseite 71 der Separatorplatte 2 angeordnet, während das freie Ende 35 der Lasche 30 auf der zweiten Flachseite 72 der Separatorplatte 2 angeordnet ist.
Durch die mindestens eine Lasche 30 kann die MEA 10 somit formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Separatorplatte 2 verbunden werden. Insbesondere kann hierdurch auf eine stoffschlüssige Verbindung wie eine Klebeverbindung zwischen MEA 10 und Separatorplatte 2 verzichtet werden.
Wie in der 5B gezeigt, kann die rahmenförmige Verstärkungslage 15 im Bereich der Lasche 30 einen Überstand 40 aufweisen, welcher seitlich über einen Außenrand 25 der Separatorplatte 2 übersteht. Zur Befestigung bzw. zum Bilden der Anordnung 50 wird die Lasche 30 über den Außenrand 25 der Separatorplatte 2 gelegt oder geschoben.
Die MEA 10 der 6B unterscheidet sich von der MEA 10 der 5B derart, dass die rahmenförmige Verstärkungslage 15 im Bereich der Lasche 30 einen Überstand 41 aufweist, welcher seitlich über einen Innenrand 24 der Separatorplatte 2 übersteht. Der Innenrand 24 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Bestandteil der Durchgangsöffnung 11c. Alternativ oder zusätzlich kann der Überstand 41 auch über einen Innenrand der Durchgangsöffnungen 11a oder 11b überstehen. Die Lasche 30 wird bei der Anordnung 50 in die Durchgangsöffnung 11c gesteckt, sodass das freie Ende 35 der Lasche 30 auf der zweiten Flachseite 72 der Separatorplatte 2 angeordnet ist. Die Separatorplatte 2 der 6A entspricht im Wesentlichen der in den 5A und 4A gezeigten Separatorplatte 2.
Somit steht in den 5B und 6B die rahmenförmige Verstärkungslage 15 angrenzend zur Lasche 30 über einen Innen- oder Außenrand 24, 25 der Separatorplatte 2 über. Bei den Ausführungsformen der 5A, 5B, 6A, 6B muss die Separatorplatte 2 nicht an die MEA 10 mit den Laschen 30 angepasst werden. Deswegen können für die Anordnungen 50 dieser Ausführungsformen herkömmliche Separatorplatten 2 genutzt werden, ohne dass diese dafür modifiziert werden müssten.
Die in den 7A, 8A, 9-20, 21A-C, 21E gezeigten Separatorplatten 2 weisen gegenüber bekannten Separatorplatten 2 Modifikationen auf, welche nachfolgend beschrieben werden.
Gemäß der Ausführungsform der 7A ist im Außenrandbereich der Separatorplatte 2 eine Ausnehmung 60 vorgesehen. Die MEA 10 der 7B weist eine Vielzahl von Laschen 30 auf, welche an verschiedenen Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs bzw. der Membran 14 angeordnet sind. Die Laschen 30 der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 können zur Ausbildung der Anordnung 50 im Bereich der Ausnehmung 60 über den Außenrand 25 der Separatorplatte gelegt oder geschoben werden. Anstelle des Vorsprungs 40, 41 in der MEA 10 (s. 5B, 6B) kann also auch ein Rücksprung 60 am Außenrand oder Innenrand der Separatorplatte 2 ausgebildet sein, um die Fixierung der Lasche 30 mit der Separatorplatte 2 zu ermöglichen.
Weiter ist in der 7B erkennbar, dass in der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 Einschnitte 42 vorgesehen sind, die sich winklig, üblicherweise im Wesentlichen senkrecht, zu einer Einsteck- oder Einschubrichtung der Lasche 30 erstrecken. Die Einschnitte 42 grenzen dort an die Lasche 30 an, wo die Lasche 30 mit der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 verbunden ist. Diese Einschnitte 42 können eine Beweglichkeit der jeweiligen Lasche 30 fördern bzw. ein Einreißen der Lasche 30 verhindern. Obwohl die Einschnitte 42 lediglich im Zusammenhang mit der 7B beschrieben sind, können sie nach Bedarf in jeder rahmenförmigen Verstärkungslage 15 implementiert werden.
Die in der 8B gezeigte MEA 10 weist ebenfalls eine Vielzahl von Laschen 30, 31, 32 auf, wobei die Laschen 30, 31, 32 unterschiedliche Formen aufweisen. Nur die Laschen 30 weisen dabei Einschnitte 48 auf, die ähnlich wie die Einschnitte 42 der vorhergehenden Ausführungsform ausgebildet sind, hier allerdings unter einem deutlich größeren Winkel. Zur Aufnahme der Laschen 30, 31, 32 sind im Außenrandbereich der Separatorplatte 2 der 8A Durchgangsöffnungen 61 gebildet. Beim Zusammenfügen der Separatorplatte 2 und der MEA 10 wird die Lasche 30 derart in die entsprechende Durchgangsöffnung 61 eingesteckt, dass die Lasche 30 durch die Durchgangsöffnung 61 hindurchgreift und somit auf der gegenüberliegenden Flachseite der Separatorplatte 2 angeordnet ist. Um ein Verrutschen der MEA 10 in Bezug auf die Separatorplatte zu vermeiden, kann die Durchgangsöffnung 61 derart ausgebildet sein, dass sie die durchgreifende Lasche 30 seitlich im Wesentlichen passgenau begrenzt. Die jeweilige Durchgangsöffnung 61 kann eine Lasche 30 oder auch mehrere Laschen 31, 32 aufnehmen. So umfasst die MEA 10 zwei Laschen 31, 32, wobei die freien Enden 35 dieser Laschen 31, 32 voneinander wegweisen und durch dieselbe Durchgangsöffnung 61 hindurchgreifen. Zwischen den Laschen 31, 32 befindet sich ein stegförmiger Streifen der Verstärkungslage 15, mit dem die Laschen 31, 32 jeweils verbunden sind.
Die 9-11 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Teil einer Separatorplatte 2.
Die Separatorplatte 2 der 9 umfasst zwei Lagen 2a, 2b, welche miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen 61a, 61b aufweisen, in welche eine Lasche 30 einer MEA 10 eingesteckt werden kann. Die Separatorplatte 2 der 9 weist keine Prägestruktur im Bereich der Durchgangsöffnungen 61a, 61b auf.
In der 10 ist ebenfalls eine Separatorplatte 2 einzeln dargestellt, also ohne MEA 10. Die erste Lage 2a der Separatorplatte 2 umfasst eine Durchgangsöffnung 61 zur Aufnahme einer Lasche 30, während die zweite Lage 2b im Bereich der Durchgangsöffnung 61 der ersten Lage 2a keine Öffnung aufweist. Außerdem ist die Prägestruktur 62 lediglich in der ersten Lage 2a vorhanden.
In der Separatorplatte 2 der 11 sind in beiden Lagen 2a, 2b sowohl Durchgangsöffnungen 61a, 61b als auch Prägestrukturen 62a, 62b vorgesehen.
Die 12-17 zeigen jeweils schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Anordnung 50 mit einer MEA 10 und einer Separatorplatte 2. Hierbei sind die Separatorplatte 2 und die MEA 10 der Übersicht halber voneinander beabstandet dargestellt. In der Praxis liegen sie jedoch aneinander an.
Die Separatorplatte hat in den 12-15 eine gleiche Ausführung und umfasst zwei Einzelplatten oder Lagen 2a, 2b, wobei lediglich die erste Lage 2a eine Durchgangsöffnung 61 zur Aufnahme einer Lasche 30 umfasst. Dadurch, dass nur die erste Lage 2a die genannte Durchgangsöffnung 61 aufweist, ist das freie Ende der Lasche 30 auf der zweiten Flachseite 72a der ersten Lage 2a angeordnet. Die Verstärkungslage 15 ist dabei auf der gegenüberliegenden ersten Flachseite 71a der ersten Lage 2a angeordnet.
Außerdem kann die erste Lage 2a eine Prägestruktur 62 umfassen, welche an die Durchgangsöffnung 61 angrenzt. Typischerweise ist die Prägestruktur in einem Außenrandbereich der Lage 2a bzw. Separatorplatte 2 außerhalb des durch die Perimetersicke 12d umschlossenen Bereichs vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Verstärkungslage 15 liegt nicht auf der Prägestruktur 62 auf, allerdings überdeckt ihr Rand die Prägestruktur 62 bereichsweise. Die Prägestruktur 62 bildet eine Aufnahme für das freie Ende der Lasche 30 und begrenzt die Lasche 30 seitlich. Außerdem kann die Prägestruktur ausgestaltet sein, den Bereich der Lage 2a um die Lasche 30 zu versteifen. Die Prägestruktur 62 kann somit der Stabilität der Anordnung 50 dienen, aber auch als Abstandshalter für die Lasche 30 fungieren. Da die Prägestruktur 62 gewöhnlich lediglich für die Befestigung der Lasche 30 vorgesehen ist, ist mit dieser Art von Prägestruktur 62 keine Dichtfunktion oder strömungsführende Funktion verbunden.
Die Anordnungen 50 der 12-15 unterscheiden sich in der Art der verwendeten MEA 10, während die verwendete Separatorplatte 2 jeweils die gleiche ist.
Die Verstärkungslage 15 der MEA 10 der 12 ist einlagig und umfasst eine einzige Folienlage, wobei die Lasche 30 integral mit der Verstärkungslage 15 geformt ist und in die Öffnung 61 der Lage 2a eingesteckt ist.
Die Verstärkungslage 15 der MEA 10 der 13 ist zweilagig und umfasst eine erste Folienlage 44 und eine zweite Folienlage 45. Die Folienlagen 44, 45 sind stoffschlüssig über eine zwischenliegende Klebeschicht 47 miteinander verbunden. Alternativ können die Folienlagen 44, 45 zum Beispiel miteinander laminiert sein. Die Lasche 30 ist integral mit beiden Folienlagen 44, 45 der Verstärkungslage 15 ausgebildet und ist in die Öffnung 61 der Lage 2a eingesteckt.
Die Verstärkungslage 15 der MEA 10 der 14 ist einlagig, wobei die Lasche 30 und die Verstärkungslage 15 separate Elemente sind. Die Lasche 30 und die Verstärkungslage 15 sind an einer Verbindungsstelle 46 miteinander stoffschlüssig verbunden, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung oder einer Schweißverbindung. Das freie Ende 35 der Lasche 30 ist in die Öffnung 61 der Lage 2a eingesteckt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass herkömmliche MEAs 10 nachträglich mit der Lasche 30 versehen werden können.
Gemäß der Ausführungsform der 15 ist die Verstärkungslage 15 der MEA 10 zweilagig und umfasst eine erste Folienlage 44 und eine zweite Folienlage 45, welche mit den oben genannten Folienlagen 15a, 15b korrespondieren können. Die Folienlagen 44, 45 sind stoffschlüssig über eine zwischenliegende Klebeschicht 47 miteinander verbunden. Alternativ können die Folienlagen 44, 45 zum Beispiel miteinander laminiert sein. Die zweite Folienlage 45 ist in einem ausgesparten Bereich 43 nicht mit der ersten Folienlage 44 verbunden und bildet dort die Lasche 30. Die Lasche 30 ist somit integral mit der zweiten Lage 45 der Verstärkungslage 15 ausgebildet und ist in die Öffnung 61 der Lage 2a eingesteckt. Dadurch, dass die Aussparung 43 durch die erste Folienlage 44 abgedeckt ist, weist die Verstärkungslage 15 im Bereich der Lasche 30 keine Öffnung auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses verringert werden kann.
Gegenüber der Ausführungsform der 15 weist diejenige der 16 mehrere Änderungen auf. Einerseits durchgreift die Lasche 30 nicht nur die Öffnung 61 der Lage 2a, sondern die Öffnungen 61a, 61b beider Lagen 2a, 2b. Sie kommt somit auf der zweiten Flachseite 72b der zweiten Lage 2b zu liegen, ist auf diese Weise aber ebenfalls auf Seiten der zweiten Flachseite 72a der ersten Lage 2a angeordnet, während die rahmenförmige Verstärkungslage 15 auf der ersten Flachseite 71a der ersten Lage 2a angeordnet ist. Weiterhin ist die Klebeschicht 47 anders als in 15 in 16 im Bereich der Ausnehmung 43 nicht entfernt. Vielmehr ist die Klebeschicht 47 in 16 im Bereich der Ausnehmung 43 mit einer dünnen Folie 49 abgedeckt, die einen Kontakt zwischen der Klebeschicht 47 und der ersten Lage 2a der Separatorplatte 2 unterbindet, so dass die Separatorplatte 2 nicht mit der MEA 10 verklebt und insbesondere während des Positionierens von Separatorplatte 2 und MEA 10 gegenüber letzterer verschoben werden kann.
In MEAs der 5B, 6B, 7B, 8B, 12, 13 ist die Lasche 30 integral mit der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 ausgebildet. Die rahmenförmige Verstärkungslage 15 weist hierzu Einschnitte auf, welche eine Umrandung der Lasche 30 begrenzen. Zur Abdeckung der durch die Lasche 30 definierten Aussparung kann die Verstärkungslage 15 der Ausführungsformen der 5B, 6B, 7B, 8B, 12, 13 eine weitere Folienlage aufweisen (nicht gezeigt), welche die jeweilige Aussparung überdeckt. Diese weitere Folienlage kann lediglich oder wenigstens im Bereich der Aussparung bzw. Lasche 30 vorgesehen sein oder sich über den gesamten Bereich der rahmenförmigen Verstärkungslage 15 erstrecken.
In den 5B, 6B, 7B, 8B sind die Laschen 30 an verschiedenen Stellen der MEA 10 angeordnet. Die Laschen 30 können insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 bzw. der Membran 14 angeordnet sein. Die MEA 10, insbesondere die Membran 14, kann im Bereich zwischen den Laschen 30 leicht unter Zugspannung stehen. Hierdurch kann die MEA 10 geglättet werden, wodurch eine Faltenbildung in der MEA 10 verhindert wird.
Die in den 12-17 gezeigten Anordnungen 50 können miteinander verbunden bzw. gestapelt werden, um den Stapel 6 des elektrochemischen Systems 1 zu bilden. Die 18 zeigt beispielhaft ein mehrlagiges System aus zwei miteinander verbundenen Anordnungen 50a, 50b, wobei der Aufbau der jeweiligen Anordnung 50a, 50b zumindest lokal der in 12 gezeigten Anordnung 50 ähnelt. In der 18 sind jeweils Laschen 30 von einlagigen MEAs 10 in eine Lage der Separatorplatte 2 eingesteckt, um so eine vormontierte Einheit aus zwei Separatorplatten 2 und zwei MEAs 10 zu bilden. Beim weiteren Aufstapeln wird die MEA 10 der nächsten Vormontageeinheit in die Öffnung 61 mit angrenzender Prägestruktur 62 eingeschoben.
Die Anordnung 50 der 17 entspricht im Wesentlichen der Anordnung der 12, wobei die Darstellung der 17 in Bezug auf die 12 um 180° gedreht ist. Außerdem umfasst die zweite Lage 2b der 17 eine zweite Prägestruktur 63, wobei die Prägestruktur 63 eine Aufnahme für das freie Ende 35 der Lasche 30 bildet und sich das freie Ende 35 der Lasche 30 in der durch die zweite Prägestruktur 63 gebildeten Aufnahme befindet. Die Prägestrukturen 62, 63 können schräg gegenüberliegend und versetzt zueinander angeordnet sein (s. 17), damit das von der Verstärkungslage 15 wegweisende Ende 35 der Lasche 30 in dem Raum zwischen den Prägestrukturen 62, 63 aufgenommen werden kann. Die Prägestrukturen 62, 63 können außerdem bezogen auf eine Plattenebene der Separatorplatte 2 in unterschiedliche Richtungen (vgl. 17) oder in die gleiche Richtung (vgl. 11) zeigen. In einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) wird auf die erste Prägestruktur 62 der ersten Lage 2a verzichtet, sodass lediglich die zweite Lage 2b eine zweite Prägestruktur im Bereich der Lasche 30 aufweist.
Die oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Laschen 30, 31, 32, Überstände 40, 41, Einschnitte 42, 48 Ausnehmungen 60, Öffnungen 61 und/oder Prägestrukturen 62, 63, 64 können einander ergänzen und miteinander in einer Anordnung 50, einem Stapel 6 und/oder einem elektrochemischen System 1 kombiniert werden.
Anhand der 19 und 20 wird erläutert, wie die Anordnung 50 hergestellt werden kann. Zunächst werden eine MEA 10 mit einer zuvor beschriebenen Lasche 30 und eine Separatorplatte 2 bereitgestellt. Die MEA 10 wird auf die Separatorplatte 2 gelegt oder auf die Separatorplatte 2 zubewegt. Anschließend wird die Lasche 30 mittels eines Stempels 80 in die Durchgangsöffnung 61 der Separatorplatte 2 gesteckt. Durch die als Rücksprung wirkende Prägestruktur 62 rastet das freie Ende 35 der Lasche 30 in die durch die Prägestruktur 62 definierte Aufnahme ein, wodurch die Anordnung 50 entsteht. Alternativ kann das freie Ende 35 der Lasche 30 auch in die durch die Öffnung 61 und Prägestruktur 62 definierte Aufnahme geschoben werden. Der Fügeschritt mittels des Stempels 80 ist somit optional.
Die 21A-E zeigen jeweils schematisch eine Aufsicht auf einen Teil eines Außenrandbereiches einer Separatorplatte 2. Die 22A-E zeigen jeweils schematisch eine Aufsicht auf einen Teil einer rahmenförmigen Verstärkungslage 15 einer MEA 10. Die 23A-E zeigen jeweils schematisch eine Aufsicht auf eine Anordnung 50, welche die Separatorplatte 2 der 21A - 21E und die zugehörige MEA 10 der 22A - 22E aufweist.
In der Ausführungsform der 23A ist zu erkennen, dass die Lasche 30 durch die Durchgangsöffnung 61 der Separatorplatte 2 gesteckt ist. Die Durchgangsöffnung 61 begrenzt die Lasche 30 seitlich im Wesentlichen passgenau.
In der Ausführungsform der 23B ist zu erkennen, dass die Lasche 30 durch die Durchgangsöffnung 62 der Separatorplatte 2 gesteckt ist, wobei die Lasche 30 seitlich durch zwei in der Separatorplatte ausgebildete Prägestrukturen 64 begrenzt wird und durch diese in Position gehalten wird.
Die Ausführungsform der 23C zeigt, dass zwei Laschen 31, 32 in dieselbe Öffnung 61 der Separatorplatte 2 eingreifen. Die freien Enden 35 der Laschen 31, 32 weisen voneinander weg und sind auf der Rückseite der Lage 2a angeordnet.
In der Ausführungsform der 23D ist die dreieckige Lasche 30 im Bereich des Vorsprungs 40 der MEA 10 angeordnet, wobei der Vorsprung 40 über einen Außenrand 25 der Separatorplatte 2 hervorsteht. Bei der Separatorplatte 2 wurden keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen, um die Lasche 30 aufzunehmen oder zu positionieren.
In der Ausführungsform der 23E weist die Separatorplatte 2 zwei Prägestrukturen 64 auf, welche einen Aufnahmebereich für die Lasche 30 definieren und das freie Ende 35 der Lasche 30 seitlich begrenzen.
Es sei angemerkt, dass die Ausführungsformen der 23A, 23B, 23C, 23D und/oder 23E miteinander kombiniert werden können.
In den vorstehenden Ausführungsformen sind die rahmenförmige Verstärkungslage 15 und die mindestens eine Lasche 30, 31, 32 vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Abweichend von den dargestellten zweilagigen Separatorplatten 2 kann die Separatorplatte auch einlagig ausgestaltet sein. Beispielsweise ist die Separatorplatte 2 eine einzige Platte einer Befeuchterplatte.
Wie aus den beigefügten Figuren ersichtlich wird, können die Laschen 30, 31, 32 verschiedene Formen aufweisen. Die Lasche 30, 31, 32 kann zum Beispiel halbkreisförmig, rechteckig, trapezförmig, sichelförmig, zungenförmig, U-förmig oder V-förmig sein.
Mit der Erfindung wird auch ein Stapel 6 von mehreren Anordnungen 50 der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen. Die Anordnungen 50 des Stapels 6 können hierbei baugleich sein; es können aber auch mindestens zwei verschiedene Anordnungen 50 in dem Stapel 6 verbaut sein.
Außerdem wird mit der Erfindung ein elektrochemisches System 1 bereitgestellt, welches den Stapel 6 oder mindestens eine Anordnung 50 der oben beschriebenen Art enthält. Das elektrochemische System 1 kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Separatorplatten 2 bzw. Anordnungen 50 können auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, wobei dort der elektrochemisch aktive Bereich durch einen wasserdampfdurchlässigen Bereich ersetzt ist.
Abschließend sei angemerkt, dass die Merkmale der Ausführungsformen der 5-23 einzeln beansprucht oder miteinander kombiniert werden können, soweit sie sich nicht widersprechen.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemisches System
2: Separatorplatte
2': Separatorplatte
2a: Einzelplatte
2b: Einzelplatte
3: Endplatte
4: Endplatte
5: Medienanschluss
6: Stapel
7: z-Richtung
8: x-Richtung
9: y-Richtung
10: Membranelektrodeneinheit
11a-d: Durchgangsöffnungen
12a-d: Sickenanordnung
13a-c: Durchführungen
14: Membran
15: Randabschnitt
15a: Folienlage
15b: Folienlage
16: Gasdiffusionslage
17: Strömungsfeld
18: elektrochemisch aktiver Bereich
19: Hohlraum
20: Verteil- und/oder Sammelbereich
21: Übergangsbereich
22a-c: Aussparungen
23: zentrale Aussparung
24: Innenrand
25: Außenrand
29: Verteilungskanäle
30: Lasche
31: Lasche
32: Lasche
35: freies Ende der Lasche
40: Überstand
41: Überstand
42: Einschnitt
43: Aussparung
44: erste Folienlage
45: zweite Folienlage
46: Verbindungsstelle
47: Klebeschicht
48: Einschnitt
49: Abdeckung der Klebeschicht
50: Anordnung
50a: Anordnung
50b: Anordnung
51: Positionierhilfe
52: Positionierhilfe
60: Aussparung
61: Durchgangsöffnung
62: Prägestruktur
63: Prägestruktur
64: Prägestruktur
71: erste Flachseite
71a: erste Flachseite
71b: erste Flachseite
72: zweite Flachseite
72a: zweite Flachseite
72b: zweite Flachseite
80: Stempel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005046461 A1 [0012]
DE 202012004926 U1 [0013]

Claims

Anordnung (50) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine Separatorplatte (2) mit mindestens einer Lage (2a) und eine Membranelektrodeneinheit, MEA (10), die MEA (10) aufweisend: - einen elektrochemisch aktiven Bereich, - eine rahmenförmige, den elektrochemisch aktiven Bereich umschließende Verstärkungslage (15) und - mindestens eine Lasche (30) zum Positionieren der MEA (10) relativ zur Separatorplatte (2) und/oder zum Befestigen der MEA (10) an der Separatorplatte (2), wobei die Lage (2a) eine erste Flachseite (71a) und eine der ersten Flachseite (71a) gegenüberliegende zweite Flachseite (72a) aufweist, wobei die Lasche (30) an einer Seite mit der rahmenförmigen Verstärkungslage (15) verbunden ist und ihr freies Ende (35) auf Seiten der zweiten Flachseite (72a) der Lage (2a) angeordnet ist, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage (15) auf der ersten Flachseite (71a) der Lage (2a) angeordnet ist.
Anordnung (50) nach Anspruch 1, wobei die Lasche (30) integral mit der rahmenförmigen Verstärkungslage (15) ausgebildet ist.
Anordnung (50) nach Anspruch 2, wobei in der rahmenförmigen Verstärkungslage (15) mindestens ein Einschnitt oder eine Ausnehmung vorgesehen ist, welcher oder welche eine Umrandung der Lasche (30) begrenzt.
Anordnung (50) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage (15) zwei Folienlagen (44, 45) umfasst, und die Lasche (30) durch mindestens eine der Folienlagen (44, 45) ausgebildet ist.
Anordnung (50) nach Anspruch 4, wobei die Lasche (30) eine Aussparung (43) in einer der Folienlagen (45) der rahmenförmigen Verstärkungslage (15) definiert, wobei die Aussparung (43) durch eine weitere Folienlage (44) der rahmenförmigen Verstärkungslage (15) abgedeckt ist.
Anordnung (50) nach Anspruch 1, wobei die Lasche (30) und die rahmenförmige Verstärkungslage (15) separate Elemente sind, welche miteinander - insbesondere stoffschlüssig - verbunden sind.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die rahmenförmige Verstärkungslage (15) angrenzend zur Lasche (30) über einen Innen- oder Außenrand (24, 25) der Separatorplatte (2) übersteht.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lage (2a) eine Durchgangsöffnung (61) aufweist, durch die die Lasche (30) hindurchgreift.
Anordnung (50) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Durchgangsöffnung (61) derart ausgebildet ist, dass sie die durchgreifende Lasche (30) seitlich im Wesentlichen passgenau begrenzt.
Anordnung (50) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche mit zwei Laschen (31, 32), wobei die freien Enden (35) der Laschen (31, 32) voneinander wegweisen, wobei die Laschen (31, 32) durch dieselbe Durchgangsöffnung (61) der Lage (2a) hindurchgreifen.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lage (2a) mindestens eine Prägestruktur (62) aufweist und die Lasche (30) an der Prägestruktur (62) anliegt.
Anordnung (50) nach Anspruch 11 soweit rückbezogen auf einen der Ansprüche 8-10, wobei die Prägestruktur (62) an die Durchgangsöffnung (61) angrenzt.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Separatorplatte (2) zumindest abschnittsweise eine einzige Lage oder genau zwei Lagen (2a, 2b) aufweist.
Anordnung (50) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die genau zwei Lagen (2a, 2b) jeweils eine erste und eine zweite Flachseite aufweisen, wobei die zweite Flachseite der ersten Lage (2a) an die erste Flachseite der zweiten Lage angrenzt und wobei das freie Ende der Lasche (30) auf der zweiten Flachseite der ersten Lage (2a) oder auf der zweiten Flachseite der zweiten Lage (2b) angeordnet ist und die rahmenförmige Verstärkungslage auf der ersten Flachseite der ersten Lage (2a) angeordnet ist.
Anordnung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lasche (30) und die rahmenförmige Verstärkungslage (15) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lasche (30) halbkreisförmig, rechteckig, trapezförmig, sichelförmig, zungenförmig, U-förmig oder V-förmig ist.
Anordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei Laschen (30), welche derart ausgebildet sind, dass die MEA (10) im Bereich zwischen den Laschen (30) unter Zugspannung steht, wobei die Laschen (30) insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs angeordnet sind.
Stapel (6), umfassend eine Vielzahl von Anordnungen (50) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Elektrochemisches System (1), umfassend mindestens eine Anordnung (50) nach einem der Ansprüche 1-17 oder einen Stapel (6) nach Anspruch 18.