DE102023204882A1

DE102023204882A1 - Bipolarplatte für ein elektrochemisches System und Anordnung derartiger Bipolarplatten

Info

Publication number: DE102023204882A1
Application number: DE102023204882.5A
Authority: DE
Inventors: Andre Speidel; Rainer Glueck; Felix Senf
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2023-05-25
Publication date: 2023-12-07
Also published as: US20230395825A1; CN117174939A; DE202022103147U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System sowie eine Anordnung von derartigen Bipolarplatten. Derartige Bipolarplatten werden in elektrochemischen Systemen, beispielsweise in Elektrolyseuren, Brennstoffzellen, elektrochemischen Verdichtern oder Redox-Flow-Batterien eingesetzt. Hierzu werden üblicherweise abwechselnd Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) mit weiteren Bauteilen an den jeweiligen Enden zu einem Stack eines elektrochemischen Systems angeordnet und verpreßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System sowie eine Anordnung von derartigen Bipolarplatten. Derartige Bipolarplatten werden in elektrochemischen Systemen, beispielsweise in Elektrolyseuren, Brennstoffzellen, elektrochemischen Verdichtern oder Redox-Flow-Batterien eingesetzt. Hierzu werden üblicherweise abwechselnd Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) mit weiteren Bauteilen an den jeweiligen Enden zu einem Stack eines elektrochemischen Systems angeordnet und verpreßt.
Als eine Bauform weisen derartige Bipolarplatten mindestens zwei Separatorplatten auf, die in zur Plattenebene der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte senkrechter Richtung zueinander benachbart angeordnet sind. Üblicherweise sind diese beiden Separatorplatten miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt. Zwischen den Separatorplatten ist es möglich, sofern eine Kühlung erforderlich ist, ein Kühlmittel durchzuleiten. Insbesondere bei Elektrolyseuren ist eine derartige Kühlung jedoch oft nicht erforderlich.
Jede der Separatorplatten und damit auch die Bipolarplatte weist einen aktiven Bereich auf, der Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums, insbesondere geprägte Kanäle, entlang der Außenseite der Bipolarplatte aufweist. Diese Strukturen sind üblicherweise als Fließkanäle ausgebildet, durch die gasförmige oder auch flüssige Reaktionsmedien und Reaktionsprodukte geleitet werden können. Diese Reaktionsmedien werden dem Aktivbereich aus einer Durchgangsöffnung in der jeweiligen Separatorplatte über einen Verteilbereich zugeleitet. In entsprechender Weise werden verbleibendes Reaktionsmedium bzw. Reaktionsprodukte über einen Sammelbereich und eine Durchgangsöffnung in der jeweiligen Separatorplatte abgeleitet. Auch die Verteilbereiche und/oder Sammelbereiche weisen als fluidführende Strukturen üblicherweise Fließkanäle auf, die als Nuten ausgebildet sind, die durch Stege voneinander getrennt sind. Die Rückseiten der Nuten und Stege beider Separatorplatten spannen den Fließbereich für Kühlmittel im Innenraum der Bipolarplatte auf.
Zur mechanischen Abstützung der beiden Separatorplatten sowie zur Abdichtung zwischen den beiden Separatorplatten sind die beiden Separatorplatten benachbart zu der Durchgangsöffnung in einer Kontaktebene unmittelbar aufeinanderliegend angeordnet und stellenweise miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, beispielsweise mediendicht verschweißt. Weiterhin sind in konventionellen Bipolarplatten die beiden Separatorplatten häufig auch im Verteil- und/oder Sammelbereich miteinander verbunden, beispielsweise mittels Schweißverbindungen, die sich wegen der Kühlmittelführung zwischen den beiden Separatorplatten nur über kurze Abschnitte erstrecken, um den Kühlmittelfluß nur minimal zu behindern.
Bei der Ausbildung eines funktionsbereiten Stapels wird zwischen benachbarten Bipolarplatten eine Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen, die im Fließbereich die Kanäle für die Durchleitung des Reaktionsmediums in einer ersten Bipolarplatte von den Kanälen für die Durchleitung eines weiteren Reaktionsmediums in einer zweiten, nur durch die Membran-Elektroden-Anordnung von der ersten Bipolarplatte getrennten Bipolarplatte voneinander trennt. Die Membran-Elektroden-Anordnung, typischerweise als MEA abgekürzt, erstreckt sich dabei über den aktiven Bereich hinaus in den Verteilbereich und gegebenenfalls den Sammelbereich.
Die MEA besteht üblicherweise in ihrem aktiven Bereich aus der eigentlichen protonenleitenden Membran, den auf dieser aufgebrachten Elektroden und Katalysatorschichten, auf denen leitende und gasdurchlässige Schichten, sogenannte Gasdiffusionslagen (GDLs) aufgebracht sind. In ihrem Randbereich besteht die MEA üblicherweise aus einem polymerbasierten Folienmaterial, das den aktiven Bereich umschließt und in einem schmalen Überlappbereich mit den den aktiven Bereich bildenden Materialen oder einem Teil davon, nämlich ggf. nicht mit den GDLs, überlappt. Die MEA definiert in einem Stapel eines elektrochemischen Systems den Abstand zwischen den Separatorplatten. Gleichzeitig weisen Gasdiffusionslagen (GDL), relativ große Schwankungen bezüglich ihrer Dicke auf.
Es wird daher zwischen Bipolarplatten üblicherweise in Dickenrichtung des Stapels genau soviel Raum vorgesehen, dass im aktiven Bereich einerseits ausreichend Raum für die Aufnahme des betreffenden Abschnitts der MEA und andererseits genau soviel Raum für eine definierte Verpressung dieses Abschnitts der MEA zur Verfügung steht. Hieraus resultiert, dass im Verteil- und Sammelbereich mitunter mehr Platz vorgehalten wird, als für dessen Funktion unbedingt notwendig wäre. Bei einer überdurchschnittlich dicken MEA im Aktivbereich resultiert also viel Bauraum im Verteil- oder Sammelbereich, bei einem unterdurchschnittlich dünnen Aktivbereich der MEA wenig Bauraum im Verteil- oder Sammelbereich. Die Bipolarplatten sind dabei in konventionellen Platten so gestaltet, dass ihre Separatorplatten sowohl im aktiven Bereich als auch im Verteil- bzw. Sammelbereich abschnittsweise aufeinander zu liegen kommen und in diesen Bereichen zumindest abschnittsweise miteinander verschweißt sind. Druckschwankungen im zwischen den Bipolarplatten eines Stapels durchgeleiteten Kühlmittel verursachen jedoch Bewegungen der Separatorplatten relativ zueinander und setzen die Verbindungen zwischen den Separatorplatten einer Bipolarplatte, insbesondere Schweißverbindungen im Verteil- oder Sammelbereich, insbesondere wenn der Abstand zwischen einander nächstliegenden Bipolarplatten im Bereich des Verteil- oder Sammelbereichs besonders groß ist, dynamischen Druckschwankungen und Belastungen aus, die zu einem Bruch der Schweißverbindung und ggf. auch zu einer Perforierung einer der Separatorplatten an der beschädigten Verbindungsstelle führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bipolarplatte und diese enthaltende Anordnungen zur Verfügung zu stellen, bei denen Dickenschwankungen der Membran-Elektroden-Anordnung, beispielsweise mindestens einer ihrer Gasdiffusionslagen, insbesondere im dynamischen Betrieb, nur geringe oder keine zerstörerische Wirkung auf die Bipolarplatte haben.
Diese Aufgabe wird durch die Bipolarplatte nach Anspruch 1 sowie die Anordnung von Bipolarplatten nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der erfindungsgemäßen Anordnung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist unter anderem für ein elektrochemisches System geeignet, insbesondere für einen Elektrolyseur, eine Brennstoffzelle, einen elektrochemischen Verdichter oder eine Redox-Flow-Batterie.
Sie weist mindestens eine erste und eine zweite Separatorplatte auf, die in zur Plattenebene der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. In Aufsicht auf diese Anordnung der zwei Separatorplatten weist jede der Separatorplatten mindestens zwei Durchgangsöffnungen zum Durchleiten jeweils eines Reaktionsmediums durch die Separatorplatte auf. Typischerweise weisen die Separatorplatten jedoch bis zu sechs derartige Durchgangsöffnungen auf, über die zwei verschiedene Reaktionsmittel und ggfls. ein Kühlfluid zugeleitet und diese zwei Reaktionsmittel bzw. deren Reaktionsprodukte sowie das Kühlfluid auch wieder abgeleitet werden können, manchmal sind für ein Medium auch mehr als zwei Durchgangsöffnungen vorgesehen. Die nachfolgende Beschreibung betrifft lediglich die erwähnten mindestens zwei Durchgangsöffnungen für zwei verschiedene Reaktionsmittel, beispielsweise für deren Zuleitung. Weitere Durchgangsöffnungen in den Separatorplatten für die Ableitung der Reaktionsmittel oder die Zuleitung oder Ableitung weiterer Medien und ihre benachbarten Bereiche, wie Verteilbereiche oder Sammelbereiche, können jedoch einzeln, zu mehreren oder sämtlich in gleicher Weise ausgebildet sein.
Weiterhin weisen die Separatorplatten einen Aktivbereich mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der auf der Außenseite der Bipolarplatte befindlichen Oberfläche der Separatorplatten auf. Auf der Außenseite der beiden Separatorplatten werden jeweils verschiedene Reaktionsmedien durch den Aktivbereich geführt, wobei jeweils eine der beiden Durchgangsöffnungen in den Separatorplatten für die Zuleitung oder Ableitung eines der Reaktionsmedien zu oder von der Außenseite einer der Separatorplatten verwendet wird.
Die Führung des Reaktionsmediums erfolgt also für jede der Separatorplatten auf der Außenseite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Mit anderen Worten sind auf den beiden Außenseiten der Bipolarplatte in jeder der Separatorplatten z.B. Fließkanäle eingebracht, beispielsweise eingeprägt, in denen jeweils ein Reaktionsmedium aus einer der Durchgangsöffnungen geführt werden kann. In diesem Aktivbereich findet die in dem elektrochemischen System beabsichtigte elektrochemische Reaktion zwischen den durch die MEA getrennten Reaktionsmedien statt, genauer treten Protonen durch die MEA und ermöglichen so die elektrochemische Reaktion.
Weiterhin weist jede der Separatorplatten einen Verteil- oder Sammelbereich mit Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums von einer der genannten Durchgangsöffnungen zu dem aktiven Bereich oder von dem aktiven Bereich zu der Durchgangsöffnung auf. Als Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums in dem Verteil- oder Sammelbereich sind beispielsweise auf der Außenseite der Bipolarplatte angeordnete Fließkanäle für das Reaktionsmedium vorgesehen. Weisen die Bipolarplatte bzw. ihre Separatorplatten weitere Durchgangsöffnungen mit benachbarten Verteilbereichen oder Sammelbereichen auf, so können auch diese Verteilbereiche oder Sammelbereiche wie der im Folgenden beschriebene Verteilbereich ausgestaltet sein. Während die Durchgangsöffnungen in Draufsicht auf eine Bipolarplatte nebeneinander angeordnet sind, überlappen sich die Verteilbereiche bzw. Sammelbereiche zumindest abschnittsweise und verlaufen in verschiedenen Ebenen. Üblicherweise weisen Bipolarplatten zwei Bereiche auf, in denen sich Verteil- bzw. Sammelbereiche überlappen, wobei bei Brennstoffzellen üblicherweise drei Mediensysteme in den Verteil- bzw. Sammelbereichen voneinander getrennt, aber in Stapelrichtung räumlich übereinander geleitet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines mit einer der Durchgangsöffnungen fluidisch verbundenen Verteilbereiches beschrieben. Statt um einen Verteilbereich könnte es sich jedoch bei jeder der folgenden Erwähnungen eines Verteilbereichs auch um einen Sammelbereich handeln.
Die Kanäle in dem Verteilbereich sind als in die jeweilige Separatorplatte eingebrachte, beispielsweise eingeprägte Nuten ausgebildet, die durch entsprechende Stege, die in Richtung der Außenseite der Bipolarplatte vorstehen, voneinander getrennt sind. Die Kanäle in dem Verteil- oder Sammelbereich der betrachteten Separatorplatte einer Bipolarplatte können dabei parallel, unter einem Winkel, mit unterschiedlichen Radien gekrümmt oder völlig regellos zueinander angeordnet verlaufen. Gleiches gilt bei individueller Betrachtung der anderen Separatorplatte der Bipolarplatte. Insbesondere können die Kanäle des Verteilbereichs der betrachteten Separatorplatte über weite Bereiche des Verteilbereichs als Schar in sich jeweils parallel verlaufen, dabei jedoch bei Projektion der Strukturen eines Verteilbereichs in eine gemeinsame Ebene mit einem benachbarten Verteilbereich mit der Schar Kanäle des benachbarten Verteil- oder Sammelbereiches der anderen Separatorplatte der Bipolarplatte sich kreuzend verlaufen, beispielsweise unter einem positiven Winkel.
Die vorliegende Erfindung löst nun das Problem, das entsteht, wenn wie zuvor beschrieben zum Ausgleich etwaiger Schwankungen der MEA-Dicke im aktiven Bereich der im Bereich eines Verteil- oder Sammelbereichs zur Verfügung stehende Bauraum zwischen den Verstärkungsrändern verschiedener Zellen in Dickenrichtung stark unterschiedlich ist, dadurch, dass die Verteil- oder Sammelbereiche mindestens einer der beiden Separatorplatten, ggf. auch jeder der beiden Separatorplatten, mindestens einen Ausgleichsbereich aufweist/aufweisen, in dem Fließkanäle in besonderer Weise ausgebildet sind. Sind in beiden Separatorplatten Ausgleichsbereiche vorgesehen, müssen diese Ausgleichsbereiche in Aufsicht auf die Ebene der Bipolarplatte nicht deckungsgleich angeordnet sein. Vorzugsweise können sich diese Ausgleichsbereiche jedoch zumindest teilweise überschneiden bzw. überlappen. Insbesondere eine paarweise Anordnung von Ausgleichsbereichen benachbarter Separatorplatten, die sich teilweise oder vollständig überschneiden, ist vorteilhaft. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den gesamten Ausgleichsbereich in nur eine Separatorplatte einzuformen.
Erfindungsgemäß sind die Fließkanäle in den Ausgleichsbereichen derart ausgebildet, dass im unverpreßten Zustand die Rückseiten der Kanalböden der Fließkanäle der Separatorplatte zu den Rückseiten der Kanalböden der Fließkanäle der benachbarten Separatorplatte beabstandet sind. Als Rückseite wird dabei grundsätzlich diejenige Oberfläche oder Stelle einer Separatorplatte betrachtet, die in der Bipolarplatte nicht nach außen weist, sondern im Inneren der Bipolarplatte liegt. Üblicherweise wird an den nach außen weisenden Oberflächen einer Bipolarplatte Oxidationsmittel und Reduktionsmittel und deren Reaktionsprodukte geführt, während im Innenraum, d.h. auf der Rückseite der Separatorplatten Kühlmedium geführt wird. Einen geringstmöglichen Abstand zu der benachbarten Separatorplatte der Bipolarplatte auf der Rückseite bilden dabei bei im wesentlichen konstanter Materialstärke diejenigen Bereiche, die auf der Außenseite die tiefsten Bereiche der jeweiligen Kanäle bzw. Kanalböden bilden.
Dadurch dass die Separatorplatten im Bereich der Kanalböden der Fließkanäle in den Ausgleichsbereichen im nicht montierten Zustand nicht unmittelbar aufeinander liegen, ergibt sich im Ausgleichsbereich in den überlappenden Bereichen ein Abstand zwischen den beiden Separatorplatten, durch den Dickenschwankungen einer Membran-Elektroden-Anordnung ausgeglichen werden können.
Dies gilt sowohl in überlappenden als auch in nicht überlappenden Abschnitten der Ausgleichsbereiche, da in beiden Fällen dort die beiden Separatorplatten im nicht montierten Zustand voneinander beabstandet sind.
Bei der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Angabe „im nicht-montierten Zustand“, dass die Bipolarplatte noch nicht für die Endmontage eines elektrochemischen Systems verpreßt ist. Dies bedeutet, dass eine einzelne Bipolarplatte im nicht montierten Zustand vorliegen kann. Dies gilt jedoch auch für die Bipolarplatten in einem Stapel von übereinander angeordneten Bipolarplatten, sofern dieser noch nicht verpreßt ist.
Die Kanalböden können im Querschnitt gerade oder auch gekrümmt, beispielsweise konvex oder konkav gewölbt, sein.
Zwischen den Separatorplatten einer Bipolarplatte bildet sich außerhalb der Ausgleichsbereiche eine Kontaktebene heraus, an der die Separatorplatten mit ihren Rückseiten/Innenseiten unmittelbar aufeinander liegen. Dies erfolgt insbesondere im Bereich von Dichtsicken, die ggfls. zwischen den Separatorplatten fluiddicht abdichten sollen. Die Kontaktebene bildet sich dabei im Bereich der Sickenfüße, d.h. unmittelbar benachbart zur Dichtsicke aus. Derartige Dichtsicken können beispielsweise Dichtsicken um die Durchgangsöffnungen, oder auch eine um die gesamte Bipolarplatte an ihrem Außenrand umlaufende Sicke, eine sogenannte Perimetersicke, sein. Benachbart zu Randflanken des Verteilbereichs können die Separatorplatten ebenfalls abschnittsweise aufeinander zu liegen kommen und dabei eine Kontaktebene ausbilden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte erzeugt zumindest im unverpreßten, d. h., im sogenannten „nicht montierten“ Zustand, einen freien Spalt zwischen den Kanalböden benachbarter Separatorplatten im mindestens einen Ausgleichsbereich, der dem Toleranzausgleich von Dickenschwankungen einer Membran-Elektroden-Anordnung dient. Insbesondere wird verhindert, dass die benachbarten Separatorplatten beim Verpressen eines Stapels von Bipolarplatten in den Ausgleichsbereichen in den Krafthauptschluss geraten. Insbesondere bei dynamischen Belastungen, wie sie beispielsweise und insbesondere bei Einleitung eines Kühlmittels zwischen die Separatorplatten einer Bipolarplatte im Betrieb auftreten, wird dadurch das Risiko einer Zerstörung der Bipolarplatte bei dennoch günstiger Fertigung und einfacher Auslegung reduziert. Erfindungsgemäß kann der Ausgleichsbereich in einer Separatorplatte sich über den gesamten Verteilbereich erstrecken oder auch nur über einen Teil des Verteilbereichs sowohl quer zur Erstreckungsrichtung der Fließkanäle in dem Verteilbereich, als auch längs der Erstreckung der Fließkanäle in dem Verteilbereich.
Erstreckt sich der Ausgleichsbereich nur über einen Teil des Verteilbereichs, insbesondere nur über einen Abschnitt des Verteilbereichs quer zur Erstreckungsrichtung der Fließkanäle, können ein oder mehrere Kanäle des Verteilbereichs, die nicht zum Ausgleichbereich zählen, selber keine Absenkung, aus der Berührebene, d.h. keine Beabstandung der Rückseite Ihrer Kanalböden von der Berührebene, aufweisen, so dass die Rückseiten ihrer Kanalböden in der Berührebene aneinander anliegen und aufeinander aufliegen. Ebenso können die einen oder mehrere dieser Kanäle begrenzenden Stege eine tiefere Prägung auf der Gasseite des Verteilbereichs aufweisen als die Prägung der Kanäle im Ausgleichsbereich. Insbesondere kann der diesen oder diese Kanäle zum Ausgleichsbereich hin begrenzende Steg eine tiefere Prägung aufweisen. Diese Gestaltung der Kanäle und Stege im Verteilbereich benachbart zum Ausgleichsbereich ermöglicht es dem Ausgleichsbereich als Biegebalken mit einem seitlichen durch diese dem Ausgleichsbereich benachbarten Kanäle und Stege zu wirken und eine elastische Stützwirkung gegen das Kollabieren des Verteilbereichs bei überhöhten Gasdrücken zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich kann sich beispielsweise der Ausgleichsbereich auf einer Länge L mit L ≥ 50 % der Länge eines Fließkanals oder vorteilhafterweise L ≥ 75 % der Länge eines Fließkanals erstrecken. Der Ausgleichsbereich kann sich dabei von der Umgebung einer Durchgangsöffnung, insbesondere von einer die Durchgangsöffnung umgebenden Dichtstruktur, beispielsweise einer Schweißnaht oder einer Dichtsicke oder eines Elastomerwulstes, in den Verteil- oder Sammelbereich hinein erstrecken.
Beginnt der Ausgleichsbereich in Fließrichtung unmittelbar an einem der Ränder des Verteilbereiches, so können die Fließkanäle in dem Ausgleichsbereich weniger tief ausgebildet sein als die äußerste Flanke eines oder beider der beiden äußersten Fließkanäle, wobei die äußerste Flanke bzw. der äußerste Fließkanal so betrachtet werden, dass „äußerst“ in Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fließkanäle, ggf. bei nicht parallelen Fließkanälen der Erstreckungsrichtung mindestens eines Fließkanals, in dem Verteilbereich betrachtet wird. Mit anderen Worten erfolgt in diesem Fall der Übergang von der Kanalbodenrückseitenebene zu der Kontaktebene zwischen den benachbarten Separatorplatten im Randbereich des Fließbereiches. Vorteilhafterweise kann die Tiefe der Fließkanäle in dem Ausgleichsbereich um 30 bis 150 µm weniger tief sein als die Höhe der äußeren Flanke eines oder beider der beiden äußersten Stege des Verteilbereiches und/oder als die Höhe einer die Durchgangsöffnung umgebenden Dichtstruktur. Da der äußerste Steg bzw. die Dichtstruktur die Kontaktebene festlegen, ergibt sich hierdurch, dass erfindungsgemäß die Rückseiten der Böden der Fließkanäle in den Ausgleichsbereichen der beiden Separatorplatten im unverpreßten Zustand nicht aufeinander liegen. Nicht gemeint sind damit jedoch die Übergangsbereiche, in denen die Kanäle und/oder Stege sich am Anfang oder Ende der Fließkanäle - in Fließrichtung betrachtet - aus der Plattenebene erheben, d.h. das Plattenmaterial zur Ausbildung der Kanäle aus der Plattenebene heraus ausgeformt ist und folglich in diesen Übergangsbereichen die Rückseiten der Böden der Fließkanäle auch nicht aufeinander liegen.
Die Dichtstrukturen können gemeinsam eine Höhe HD* zwischen den nach außen gerichteten Oberflächen der Separatorplatten der Bipolarplatten aufweisen mit HD* ≤ 1.200 µm, in den einzelnen Separatorplatten insbesondere 400 µm ≤ HD ≤ 600 µm im unmontierten Zustand der Bipolarplatte und/oder mit HD* ≤ 1.140 µm, insbesondere 330 µm ≤ HD ≤ 570 µm, im unter Endmontagedruck verpressten Zustand. Die zuerst genannte Zahl HD* (1.200 µm bzw. 1.140 µm) ist dabei vorzugsweise auf die Dichtelemente einer Bipolarplatte bezogen, die anschließend genannten Zahlenbereiche HD beziehen sich vorzugsweise auf die Dichtelemente in Separatorplatten, also insbesondere einlagige Platten.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung von Bipolarplatten mit mindestens zwei Bipolarplatten, wobei die beiden Bipolarplatten in zur Plattenebene senkrechter Richtung unter Zwischenfassung eines Verstärkungsrandes einer Membran-Elektroden-Anordnung benachbart zueinander angeordnet sind. Diese Betrachtungsweise erlaubt es, die MEA als Zentrum einer Einheit innerhalb eines Brennstoffzellenstapels zu betrachten, während die vorhergehende Betrachtungsweise die Bipolarplatte als Zentrum einer Einheit ansieht. Bei Betrachtung der MEA als Zentrum einer Einheit sind die an sie angrenzenden Bipolarplatten vorzugsweise so ausgebildet, dass sie jeweils eine die Durchgangsöffnung umgebende Dichtstruktur aufweisen, die in senkrechter Richtung zur Plattenebene benachbart zueinander angeordnet sind und zwischen den beiden Bipolarplatten abdichten. Hierbei weisen die beiden Dichtstrukturen der einander zugewandten Separatorplatten der ersten und zweiten Bipolarplatte gemeinsam eine Gesamthöhe HG mit 800 µm ≤ HG ≤ 1200 µm, im nichtmontierten Zustand der Separatorplatte und/oder mit 660 µm ≤ HG ≤ 1140 µm, im unter Endmontagedruck verpressten Zustand aufweisen. Diese Höhe ergibt sich als die zwischen den Dichtstrukturen aufgespannte Höhe abzüglich der Dicke der MEA.
Zur Abdichtung zwischen benachbarten Bipolarplatten können weiterhin Dichtstrukturen auf den äußeren Oberflächen der Separatorplatten vorgesehen sein, beispielsweise Elastomerdichtungen oder in die Separatorplatte eingeformte Sicken. Diese dichten dann zwischen benachbarten Bipolarplatten, insbesondere zum MEA-Verstärkungsrand hin, im montierten Zustand fluiddicht ab, beispielsweise in sich geschlossen umlaufend um Durchgangsöffnungen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung von Bipolarplatten weist nun mindestens zwei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Bipolarplatten auf, die benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich zwischen ihnen eine Membran-Elektroden-Anordnung befindet, deren Verstärkungsrand von den beiden Bipolarplatten erfaßt wird.
Beim Verpressen eines Stapels aus alternierend angeordneten Bipolarplatten und MEAs können die in den Separatorplatten der Bipolarplatten ausgebildete Ausgleichsbereiche Dickenschwankungen der Membran-Elektroden-Anordnung aufnehmen und kompensieren.
Da benachbarte Separatorplatten einer Bipolarplatte sich im nicht montierten Zustand in den Ausgleichsbereichen nicht berühren, also in den Ausgleichsbereichen keine stoffschlüssigen Verbindungen der Separatorplatten vorhanden sind, führen dynamische Belastungen in den Ausgleichsbereichen auch nicht zu einer Zerstörung der Separatorplatten und damit der Bipolarplatte.
Im Folgenden werden Beispiele für erfindungsgemäße Bipolarplatten und erfindungsgemäße Anordnungen von Bipolarplatten gegeben. Dabei werden gleiche und ähnliche Elemente der Separatorplatten und Bipolarplatten und Anordnungen mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung nicht immer wiederholt wird. In den folgenden Beispielen finden sich die erfindungsgemäßen Merkmale zusammen mit einer oder mehreren optionalen erfindungsgemäßen Verbesserungen und Weiterentwicklungen. Es ist jedoch möglich, einzelne Elemente dieser Verbesserungen und Weiterentwicklungen auch unabhängig von den weiteren Elementen der jeweiligen Beispiele oder auch in Kombination mit einzelnen der weiteren Elemente desselben Beispiels oder anderer Beispiele zu verwenden und hierdurch die Erfindung weiter zu verbessern.
Es zeigen:

1 ein elektrochemisches System gemäß der Erfindung;
2 einen Ausschnitt eines elektrochemischen System gemäß dem Stand der Technik;
3 in vier 3A, 3B, 3C und 3D eine Aufsicht auf eine Anodenplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte;
4 einen Querschnitt im Ausschnitt durch eine Anordnung von Bipolarplatten nach dem Stand der Technik;
5 bis 8 Querschnitte im Ausschnitt durch Anordnungen von erfindungsgemäßen Bipolarplatten;
9 und 10 abschnittsweise Schrägansichten einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte.

1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten 2. Die Bipolarplatten 2 sind als Anordnung in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt. Die Bipolarplatten 2 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. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
Alternativ kann das in 1 und 2 dargestellte System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene E (vgl. 4), in der sich die sie bildenden metallischen Lagen (Separatorplatten) berühren. Auch die Separatorplatten bilden in ihren nicht-umgeformten Bereichen ihre eigene Plattenebene, wobei die Plattenebenen sowohl der Bipolarplatten als auch 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 ggf. Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen. Bei einem Elektrolyseur wird dem Stapel Wasser zu- und Sauerstoff sowie Wasserstoff abgeführt.
2 zeigt perspektivisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte benachbarte Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b (im Folgenden auch Separatorplatten genannt) gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech oder einem Blech aus einer Titanlegierung. Die Bleche können dabei abschnittsweise oder vollflächig beschichtet oder plattiert sein, beispielsweise mittels einer korrosionshemmenden und/oder die Leitfähigkeit erhöhenden Beschichtung. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet oder verklebt sein, insbesondere durch Laserschweißverbindungen verbunden sein. Die MEA 10 weist längs ihres Außenrandes einen Verstärkungsrand auf, an dem die MEA zwischen den beiden Bipolarplatten 2 fluiddicht eingespannt wird.
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c gemeinsam mit fluchtenden Durchgangsöffnungen in den Verstärkungsrändern der MEAs Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 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 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen jeweils parallel zur Plattenebene ausgebildet.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen (Kanälen und Stegen) zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich 20 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 den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. In 2 sind die jeweils zueinander korrespondierenden Durchlassöffnungen, die dem Ein- oder Auslaß desselben ggf. im Zuge der elektrochemischen Reaktion veränderten Fluids dienen mit und ohne Hochkomma bezeichnet, z.B. 11a und 11a'. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege 21* und zwischen den Stegen 21* verlaufende und durch die Stege 21* begrenzte Kanäle 21* gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 also als medienleitende Prägestrukturen aufgefaßt werden.
Bei einer derartigen herkömmlichen Bipolarplatte liegen die beiden Separatorplatten 2a und 2b im Bereich der Böden der Kanäle in den Verteilbereichen 20 unmittelbar aufeinander und stützen sich aneinander ab. Üblicherweise sind die beiden Separatorplatten 2a und 2b an Berührstellen in den Verteilbereichen 20 miteinander verbunden, insbesondere verschweißt.
Die Dichtsicken 12a-12c weisen Durchführungen 13a-13c auf, die der Passage von Medien durch die Dichtsicken dienen. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteilbereich 20, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteilbereich 20, so dass Luft in den Verteilbereich 20 auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem Verteilbereich 20 herausgeführt wird. Die Durchgangsöffnungen 11a bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 kann erforderlichenfalls jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 2 dienen, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Bipolarplatte 2.
Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, 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 Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Bei alternativen Plattendesigns kann die Perimetersicke auch die Kühlmittelöffnungen und damit den gesamten Kühlmittelkreislauf mit einschließen. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Stege und Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Tiefzieh- oder Hydroformingprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b.
Die Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 können insbesondere im Fall einer Brennstoffzelle z. B. jeweils aus einem Edelstahlblech mit einer Stärke von weniger als 100 µm gebildet sein. Im Falle eines Elektrolyseurs ist sowohl die Verwendung von Blechen aus einer Titanlegierung als auch aus vollflächig beschichtetem Edelstahl möglich. Die Blechstärken sind bei Elektrolyseuren üblicherweise größer, beispielsweise können sie 100-800 µm, 150-500 µm, insbesondere 200-300 µm betragen. Die Bipolarplatte 2 hat in der Regel eine im Wesentlichen rechteckige Form, kann jedoch auch rund oder oval sein, insbesondere bei Elektrolyseuren.
3 zeigt in den 3A, 3B, 3C und 3D eine abschnittsweise Aufsicht auf drei verschiedene Bipolarplatten 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, die sämtlich ähnlich ausgebildet sind wie diejenigen in 2. Im Unterschied zu der Bipolarplatte in 2 ist der Verteilbereich 20, der das Reaktionsmedium zu dem Aktivbereich 17, 18 leitet, so ausgebildet, dass der durch die dicke Linie umgrenzte Bereich als Ausgleichsbereich 35 ausgestaltet ist. In den Teilfiguren der 3 ist zusätzlich ein Bezugszeichen 30 auf die Begrenzungslinie des Ausgleichsbereichs 35 gerichtet, um dessen Ausdehnung zu verdeutlichen. In diesem Ausgleichsbereich sind die Fluidkanäle derart geprägt, dass die Separatorplatte 2a im Bereich der Böden der Fluidkanäle nicht bis in die Berührebene E, 31 mit der in dieser Aufsicht hinter der Zeichnungsebene befindlichen Separatorplatte 2b reicht und daher die Separatorplatte 2a im Ausgleichsbereich die Separatorplatte 2b nicht berührt. Der Ausgleichsbereich dient daher beim Verpressen eines Stapels von Bipolarplatten 2 zum Toleranzausgleich für uneinheitliche Dicken der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zwischen den Bipolarplatten.
In 3A erstreckt sich der Ausgleichsbereich 35 über sämtliche Kanäle des Verteilbereichs 20. In 3B erstreckt sich der Ausgleichsbereich über die gesamte Länge einer Teilschar an Kanälen des Verteilbereichs 20 und in 3C erstreckt sich der Ausgleichsbereich lediglich in voller Länge über denjenigen Kanal des Verteilbereiches 20, der den Durchgangsöffnungen 11a und 11c am nächsten angeordnet ist, mit anderen Worten lediglich über den den Durchgangsöffnungen 11a und 11c benachbarten Rand des Verteilbereiches 20. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass es für die Dauerhaltbarkeit der Bipolarplatten besonders wirksam ist, wenn der Ausgleichsbereich so angeordnet wird, dass er der Kühlmitteldurchgangsöffnung 11a benachbart liegt. In 3C ist beispielhaft auch ein typischer Verlauf von Schweißnähten gezeigt, in den anderen Teilbildern der 3 sind die Schweißnähte nicht dargestellt, obwohl sie real vorhanden sind. In 3D erstreckt sich der Ausgleichsbereich 35 zwar über sämtliche Kanäle des Verteilbereichs 20, jedoch nur über eine Länge L, die ca. 70% der Gesamtlänge der Kanäle entspricht, d.h. auf der dem aktiven Bereich 18 zugewandten Ende des Verteilbereichs 20 sind die Rückseiten 26, 26' der Böden der Gaskanäle 22 nicht angehoben, sondern haben eine vergleichbare Tiefe wie im Stand der Technik und die Rückseiten der Kanalböden können abschnittsweise aufeinander zu liegen kommen. Alternativ wäre es ebenso möglich, anstelle von durchgängigen 70% Länge ein Teilstück von mindestens 50% Länge mit einem hiervon beabstandeten Teilstück einer geringeren Länge zu kombinieren, wobei im dazwischenliegenden, die Teilstücke trennenden Bereich auf die Anhebung verzichtet werden kann.
4 zeigt in Aufsicht und im Ausschnitt einen Querschnitt durch vier Bipolarplatten 2, die in Stapelrichtung 7 übereinander angeordnet sind, gemäß dem Stand der Technik. Zwischen den Bipolarplatten 2 ist jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 angeordnet. Die MEA 10 weist im aktiven Bereich 18 drei Lagen auf. Mittig ist eine für Protonen permeable Membran 10' angeordnet. Zu beiden Seiten der Membran 10' ist eine Gasdiffusionslage 15 angeordnet. Auf eine Darstellung der mit der Membran verbundenen Elektroden bzw. der Katalysatorschicht wurde verzichtet. Außerhalb des aktiven Bereichs 18 besteht die MEA aus einem zweilagigen Verstärkungsrand 16, der bei Brennstoffzellen üblicherweise aus einem dünnen polymerbasierten Material besteht und den aktiven Bereich 18 umgibt. Der Ausschnitt der 4 umgibt die Durchgangsöffnung 11b für ein Reaktionsgas, er reicht dabei links aber bis an die Außenkante 24 der Bipolarplatte 2.
Am Beispiel der in der Zeichnung obersten Bipolarplatte 2 wird deren Aufbau erläutert. Dieser ist für die benachbarten Bipolarplatten identisch.
Die Bipolarplatte 2 weist zwei benachbart zueinander angeordnete Separatorplatten 2a und 2b auf. Diese weisen die Durchgangsöffnung 11b umgebend jeweils eine Dichtsicke 12b und 12b' auf, die als Vollsicken ausgebildet sind und die Durchgangsöffnung 11b in sich geschlossen umlaufend umgeben. Die Vollsicken 12b, 12b' umgebend sind die beiden Separatorplatten 2a und 2b mittels einer zumindest abschnittsweise umlaufenden Schweißnaht 14' verbunden. Auch zwischen der Perimetersicke 12d und der Prägung 25 am Außenrand 24 der Bipolarplatte 2 erstreckt sich eine Schweißverbindung 14", die die Separatorplatten 2a und 2b ebenfalls verbindet.
Zwischen der Dichtsicke 12b und dem Aktivbereich 18 ist der Verteilbereich 20 angeordnet, in dem durch Prägen Stege 21 und Kanäle 22 ausgebildet sind. Am Grund der Kanäle 22 sind die benachbarten Separatorplatten 2a und 2b an Schweißstellen 14 miteinander verschweißt. In der in 4 zuoberst dargestellten Separatorplatte 2a werden Reaktionsgase von der Durchgangsöffnung 11b über Durchbrüche 13b in der Dichtsicke 12b und die Kanäle 22 in dem Verteilbereich 20 zu dem Aktivbereich 18 geleitet.
Wird Kühlmittel in den Zwischenraum 19 zwischen den Separatorplatten 2a und 2b nicht nur eingeleitet, sondern in Abhängigkeit von sonstigen Betriebsparametern mit stark schwankenden Drücken eingeleitet, so tendieren die Separatorplatten, wenn sie nicht wie in 4 mittels Schweißverbindungen 14 aneinander fixiert sind, in Richtung der MEA bzw. ihres Verstärkungsrandes auszuweichen, was zu Wölbungen und Verformungen in den Separatorplatten führen kann, wodurch die Dauerhaltbarkeit der Separatorplatten negativ beeinflusst wird. Weiterhin ist im Falle solcher Verformungen keine reproduzierbare Medienzufuhr und/oder keine homogene Medienverteilung über die Breite des aktiven Bereichs mehr gewährleistet, weil die Volumina der Strömungsräume schwanken und/oder dauerhaft verändert sind. Dem wird im Stand der Technik mittels Schweißnähten 14 im Verteilbereich entgegenzuwirken versucht. Werden hier dann die Schweißverbindungen 14 mit stark schwankenden Drücken beaufschlagt, können diese Schweißverbindungen 14 insbesondere durch den Kühlmitteldruck angegriffen werden, was ggfls. zu deren Versagen führen kann, wobei die Schweißverbindungen üblicherweise nicht einfach gelöst werden, sondern das Material der Separatorplatten aufgerissen werden kann.
Weiterhin stellt sich bei der Lösung des Stands der Technik das Problem, dass aufgrund des Abstands zwischen MEA-Verstärkungsrand 16 und den Stegen 21 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 keine definierte Auflage des MEA-Verstärkungsrands 16 gegeben ist, so dass dieser flattern kann.
5 zeigt einen Ausschnitt im Querschnitt eines Stapels 1, der so wie derjenige in 4 ausgebildet ist. Abweichend von dem Stapel 1 und den Bipolarplatten 2 der 4 sind die Bipolarplatten 2 im Verteilbereich 20 erfindungsgemäß ausgebildet. Im Verteilbereich 20 ist ein Ausgleichsbereich 35a bzw. 35b vorgesehen, in dem die Kanäle 22 eine geringere Tiefe aufweisen, so dass die Separatorplatten 2a und 2b sich an den Rückseiten 26, 26' der Böden der Kanäle 22 nicht berühren. Die Ebenen 32, 32' der Rückseiten der Kanalböden 22 sind gegenüber der Berührebene E, 31 der Separatorplatten 2a, 2b in Richtung der jeweiligen Platte verschoben. Wird der in 5 im unverpreßten Zustand dargestellte Stapel 1 verpreßt, so können Dickenschwankungen zwischen den MEAs 10 und dynamische Schwankungen der Separatorplatten 2a und 2b aufgenommen werden, da die Separatorplatten 2a und 2b im Ausgleichsbereich 35 dem senkrecht zu der Lagenebene wirkenden Druck nachgeben und ausweichen können. Dadurch wird eine Beschädigung der Separatorplatten 2a und 2b und damit der Bipolarplatte 2 vermieden oder zumindest vermindert. Weiterhin werden in 5 die Plattenebenen 39a, 39b der Separatorplatten 2a, 2b dargestellt, die sich in der neutralen Faser des Plattenmaterials in dessen unverformten Bereichen erstreckt.
5 zeigt auch die Höhe HD einer Dichtsicke 12a in einer Separatorplatte 2a sowie die Höhe HD* beider Dichtsicken 12a, 12' der Bipolarplatte 2. Ebenfalls sind die Höhenverhältnisse bei Betrachtung einer Anordnung von mindestens zwei Bipolarplatten 2 mit zwischen den Bipolarplatten 2 angeordneter MEA 10 in 5 illustriert. Die Höhe HG der Dichtelemente, hier der Sicken 12b, 12b', ergibt sich als Abstand HG' der Kontaktebenen 31 der einander nächstliegenden Bipolarplatten abzüglich der Höhe HM der MEA 10.
6 zeigt einen Stapel 1 wie in 5. Im Unterschied zu 5 sind die Kanäle 22 im Ausgleichsbereich 35a in der Separatorplatte 2a weniger tief als die Kanäle 22' im Ausgleichsbereich 35b der Separatorplatte 2b ausgebildet. Die Ebene 32 der Rückseiten der Kanalböden 22 der ersten Separatorplatte 2a ist von der Berührebene E, 31 der Separatorplatten 2a, 2b weiter weg verschoben als die Ebene 32' der Rückseiten der Kanalböden 22' der zweiten Separatorplatte 2b. Die Gesamthöhe aus den Kanaltiefen benachbarter Kanäle 22 und 22' ist jedoch dieselbe wie diejenige in 5.
7 zeigt einen Stapel 1 wie in 5. Im Unterschied zu 5 erstrecken sich die Ausgleichsbereiche 35a und 35b nur über einen Teil der Breite des Verteilbereichs 20. Hier sind die Rückseiten 26, 26' der Kanalböden beider Separatorplatten 2a, 2b voneinander beabstandet. Die beiden in 7 äußerst rechts liegenden Kanäle der Ausgleichsbereiche 35a und 35b einschließlich des Kanals 22* weisen hingegen selber keine Absenkung aus der Berührebene 31 bzw. keine Beabstandung ihrer Kanalrückseiten zur Berührebene 31, auf noch weisen die den Kanal 22* begrenzenden Stege 21* eine tiefere Prägung auf der Gasseite des Verteilbereichs auf. Diese Stege 21* ermöglichen es den Ausgleichsbereichen 35a und 35b im dargestellten Querschnitt der 7 als Biegebalken, deren Auflager u.a. durch die Stege 21* gebildet wird, zu wirken. Die Stege 21* bewirken eine elastische Stützwirkung gegen das Kollabieren des Ausgleichs und damit des Verteilbereichs bei überhöhten Gasdrücken.
8 zeigt einen Stapel 1 wie in 5. Im Unterschied zu 5 sind nun Elastomerwülste 42b, 42b' als Dichtelemente auf die Außenseiten der Separatorplatten 2a, 2b aufgebracht. Auf eine Prägung benachbart zum Außenrand 24 wird hier verzichtet. Der Verteilbereich 20 ist dessen ungeachtet wie in 5 ausgeführt.
9 und 10 zeigen angeschnittene Schrägansichten einer realen Bipolarplatte 2 nach der vorliegenden Erfindung. Der erste Schnitt erstreckt sich von einer Durchgangsöffnung 11a durch eine Sicke 12a und weiter durch einen Verteilbereich 20. Er endet noch vor Ende des Verteilbereichs 20 aber jenseits des Ausgleichsbereichs 35. Benachbart zur Sicke 12a verläuft der Schnitt durch eine Durchführung 13a durch die Dichtsicke 12a zur Führung von Kühlmedium durch die Dichtsicke 12a hindurch. Anders als in 2 und 3 verläuft die Perimetersicke hier benachbart zum Außenrand der Bipolarplatte und wird somit in 9 nicht geschnitten und daher auch nicht dargestellt. Aus 9 wird deutlich, dass die Kühlmittelkanäle 23' in der unteren Separatorplatte 2b eine andere Erstreckungsrichtung aufweisen als die Kühlmittelkanäle 23 in der oberen Separatorplatte 23 und sich abschnittsweise kreuzen. In 9 ist im Ausgleichsbereich 35 ein solcher Kreuzungsbereich 37 dargestellt und mit einer gestrichelten Linie umgeben. Hier sind die Kanalbodenrückseiten der Gaskanäle 22, 22' voneinander beabstandet, während am rechten Rand, d.h. außerhalb des Ausgleichsbereichs 35 bzw. rechts der Begrenzungslinie 30 die Kanalbodenrückseiten der Gaskanäle 22, 22' einander berühren, wie im von der strichpunktierten Linie umgebenen Bereich 38 ersichtlich ist.
In 10 ist ein Anschnitt derselben Bipolarplatte 2 gezeigt, nun jedoch in einem Ausschnitt, der im Ausgleichsbereich 35 beginnt und bis zum Aktivbereich 18 reicht. Wiederum sind die Kanäle 22 der Separatorplatte 2a derart angeordnet, dass sie die Kanäle 22' der Separatorplatte 2b überlappen und sich ihr Verlauf kreuzt. Die Ebene 32 der rückseitigen Oberfläche der Separatorplatte 2a im Bereich der Böden der Kanäle 22 ist im Ausgleichsbereich 35 zu der Berührebene 31 zwischen den beiden Separatorplatten 2a und 2b beabstandet, während in dem Teil des Verteilbereichs 20, der nicht zum Ausgleichsbereich 35 gehört, die Kanalbodenrückseitenebene 32 der Kanäle 22 und 22' der Separatorplatten 2a und 2b mit der Berührebene 31 übereinstimmt. Auch in diesem Falle ergibt sich im Ausgleichsbereich ein Toleranzabstand zwischen den beiden Separatorplatten 2a und 2b, der dem Ausgleich von Dickenschwankungen einer MEA dient und dynamische Druckschwankungen in den Kühlmittelkanälen 23 und 23', aber auch in den Gaskanälen 22 und 22' ohne signifikante Zerstörungsgefahr zuläßt.

Claims

Bipolarplatte (2) für ein elektrochemisches System (1), mit einer ersten Separatorplatte (2a) und einer zweiten Separatorplatte (2b), die in zur Plattenebene (39, 39a) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Separatorplatte (2a, 2b) jeweils in zur Plattenebene (39a, 39b) senkrechter Richtung zueinander benachbart aufweisen - mindestens zwei in der Lagenebene (39a, 39b) zueinander benachbarte Durchgangsöffnungen (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') zum Durchleiten jeweils eines Reaktionsmediums durch die Separatorplatte (2a, 2b) ; - einen Aktivbereich (18) mit Strukturen (17) zum Führen eines Reaktionsmediums entlang einer Flachseite der Separatorplatte (2a, 2b); und - einen Verteil- oder Sammelbereich (20) mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums zwischen einer der Durchgangsöffnungen (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') und dem aktiven Bereich, wobei die Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums im Verteil- oder Sammelbereich (20) Fließkanäle (22, 22', 32) für das jeweilige Reaktionsmedium aufweisen, die durch Stege (21, 21') voneinander getrennt sind, und wobei die Separatorplatten (2a, 2b) benachbart zu der ersten Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') in einer Kontaktebene (31) unmittelbar aufeinander liegen dadurch gekennzeichnet, dass der Verteil- oder Sammelbereich (20) der ersten Separatorplatte (2a) und/oder der Verteil- oder Sammelbereich (20) der zweiten Separatorplatte (2b) mindestens einen Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) aufweisen, und wobei im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte (2) in dem mindestens einen Ausgleichsbereich (35) die der jeweils benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) zugewandte Rückseite (26, 26') der Kanalböden der Fließkanäle (22, 22') von der benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) aus betrachtet zu der Kontaktebene (31) beabstandet angeordnet ist.
Bipolarplatte (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Separatorplatten (2a, 2b) Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) angeordnet sind, die paarweise in zueinander benachbarten Separatorplatten und senkrecht zur Plattenebene (31) zueinander benachbart und zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet sind.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem, mehreren oder allen der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) zumindest teilweise die der jeweils benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) zugewandten Rückseiten (26, 26') der Kanalböden an den jeweils tiefsten Bereichen der Kanalböden in einer Kanalbodenrückseitenebene (32, 32') angeordnet sind, die im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte (2) von der benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) aus betrachtet parallel zur und beabstandet zur Kontaktebene (31) verläuft.
Bipolarplatte (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) der ersten und/oder zweiten Separatorplatte (2a, 2b) die Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) sich über einen, mehrere, mehrere aber nicht alle oder alle der Fließkanäle (22, 22') der Verteil- oder Sammelbereiche (20) erstrecken.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) der ersten und/oder zweiten Separatorplatte (2a, 2b) der Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) sich für einen, mehrere, mehrere aber nicht alle oder alle der Fließkanäle (22, 22') über eine Länge L mit L ≥ 50% der Länge des jeweiligen Fließkanals (22, 22'), vorteilhafterweise L ≥ 75% der Länge des jeweiligen Fließkanals (22, 22'), vorteilhafterweise über die gesamte Länge des jeweiligen Fließkanals (22, 22') erstrecken.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35) der ersten und/oder zweiten Separatorplatte (2a, 2b) der Übergang von der Kontaktebene (31) zu der Kanalbodenrückseitenebene (32, 32') benachbart zu der Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c'), insbesondere unmittelbar benachbart zu einer die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebenden Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42), und/oder insbesondere unmittelbar benachbart zu einer die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebenden Schweißnaht (14'), die die beiden Separatorplatten (2a, 2b) miteinander verbindet, erfolgt.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) in dem Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) die Fließkanäle (22, 22') weniger tief sind als die äußere Flanke eines oder beider der beiden äußersten Fließkanäle.
Bipolarplatte (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) einer, mehrere, mehrere aber nicht alle oder alle der Fließkanäle (22, 22') in dem Ausgleichsbereich (35) zumindest abschnittsweise, vorteilhafterweise um 30 µm -150 µm, weniger tief sind als die Höhe der äußeren Flanke eines oder beider der beiden äußersten Stege des Verteil- oder Sammelbereiches (20) und/oder als die Höhe (HD) einer die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebenden Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42).
Bipolarplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Separatorplatte (2a, 2b) eine die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebende Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) aufweist, wobei, im Falle dass sowohl die erste als auch die zweite Separatorplatte eine die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebende Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) aufweist, die beiden Dichtstrukturen (12a, 12b, 12c, 42) in senkrechter Richtung zur Plattenebene (39a, 39b) benachbart zueinander angeordnet sind.
Bipolarplatte (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste und/oder zweite Separatorplatte (2a, 2b) die Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) der jeweiligen Separatorplatte eine Höhe HD gegenüber der nach außen gerichteten Oberfläche der Separatorplatte (2a, 2b) in den der Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) benachbarten Bereichen mit 400 µm ≤ HD ≤ 600 µm im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte und/oder mit 330 µm ≤ HD ≤ 570 µm im unter Endmontagedruck verpressten Zustand, und/oder für die aufeinanderangeordneten Dichtstrukturen benachbarter Separatorplatten eine Höhe HD* gegenüber der nach außen gerichteten Oberfläche der Separatorplatte (2a, 2b) in den der Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) benachbarten Bereichen, mit HD* ≤ 1200 µm, insbesondere 400 µm ≤ HD ≤ 600 µm, im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte und/oder mit HD* ≤ 1140 µm, insbesondere 330 µm ≤ HD ≤ 570 µm, im unter Endmontagedruck verpressten Zustand aufweist.
Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste und/oder zweite Separatorplatte (2a, 2b) die Dichtstruktur (12a, 12b, 12c) mittels einer auf der äußeren Oberfläche der Separatorplatte (2a, 2b) angeordneten Elastomerdichtung und/oder mittels einer sich über die äußere Oberfläche der Separatorplatte (2a, 2b) erhebenden, in die Separatorplatte (2a, 2b) eingeformten Sicke (12a, 12b, 12c) gebildet wird.
Anordnung von Bipolarplatten (2) mit mindestens zwei Bipolarplatten (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (2) in zur Plattenebene (39a, 39b) senkrechter Richtung unter Zwischenfassung eines Verstärkungsrandes (16) einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) benachbart zueinander angeordnet sind.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (2) gemäß Anspruch 10 ausgebildet sind und jeweils eine die Durchgangsöffnung (11a, 11a', 11b, 11b', 11c, 11c') umgebende Dichtstruktur (12a, 12b, 12c, 42) aufweisen, die in senkrechter Richtung zur Plattenebene (39a, 39b) benachbart zueinander angeordnet sind und zwischen den beiden Bipolarplatten (2) abdichten, wobei die beiden Dichtstrukturen (12a, 12b, 12c, 42) der einander zugewandten Separatorplatten (2a, 2b) der ersten und zweiten Bipolarplatte (2) gemeinsam eine Gesamthöhe HG mit 800 µm ≤ HG ≤ 1200 µm, im nichtmontierten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) und/oder mit 660 µm ≤ HG ≤ 1140 µm, im unter Endmontagedruck verpressten Zustand aufweisen.