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Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallische Bipolarplatte mit einer rückfedernden Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von Bipolarplatten der genannten Art.
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Bekannte elektrochemische Systeme, beispielsweise Brennstoffzellensysteme oder elektrochemische Verdichtersysteme wie Elektrolyseure, umfassen gewöhnlich einen Stapel elektrochemischer Zellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (z. B. Serienschaltung der Zellen). Die Bipolarplatten können auch eine Kanalstruktur aufweisen oder eine Kanalstruktur bilden, die zur Versorgung der Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet ist. Bei den Medien kann es sich beispielsweise um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Eine solche Kanalstruktur ist gewöhnlich in einem elektrochemisch aktiven Bereich angeordnet (auch als Gasverteilerstruktur/Flowfield bezeichnet). Ferner können die Bipolarplatten 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. Typischerweise weisen die Bipolarplatten eines Stapels fluchtende Öffnungen auf. Diese bilden dann Kanäle, durch die hindurch die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Bipolarplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen geleitet oder von diesen weggeführt werden können. Die elektrochemischen Zellen können z. B. jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. abgekürzt MEA) mit Polymerelektrolytmembranen (abgekürzt PEM) umfassen. Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
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Zum Abdichten der genannten Öffnungen einer Bipolarplatte im Stapel und/oder zum Abdichten der Kanalstruktur im elektrochemisch aktiven Bereich weisen bekannte Bipolarplatten Dichtungsanordnungen mit mindestens einer parallel zu einer Plattenebene der Bipolarplatte verlaufenden Sicke auf. Zur Reduktion von Material und Gewicht des Systems werden dafür Sicken mit einer möglichst geringen Materialstärke bzw. Materialdicke verwendet. Die Sicke wird dabei in einer ersten Stufe beim Zusammenbau des Stapels verpresst. In einer zweiten Stufe erfolgt im Betrieb des Bipolarplattenstapels ein Verpressen und Entspannen der Sicke. Bekannte Sicken der genannten Art sind jedoch in ihrem Rückfederverhalten sehr eingeschränkt. Bei der Verpressung der Bipolarplatten im Stapel erfahren diese Sicken daher häufig eine irreversible plastische Verformung, insbesondere beim Zusammenbau des Stapels. Die Bipolarplatten weisen grundsätzlich eine höhere Lebenserwartung auf als die Polymerelektrolytmembranen bzw. MEAs. Aus diesem Grunde kann es vorkommen, dass gebrauchte Bipolarplatten mit neuen MEAs zusammen verbaut werden. Die Bipolarplatten des Stands der Technik können aber nur in sehr eingeschränktem Maße in einem weiteren Bipolarplattenstapel mit neuen MEAs wiederverwendet werden, da ihre Dichtfunktion üblicherweise infolge der plastischen Verformung den Anforderungen in der Regel nicht mehr genügt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte mit einer Sickendichtung zu schaffen, die ein verbessertes Rückfederungsverhalten bei möglichst geringer Materialstärke aufweist und die gleichzeitig ein möglichst gutes Dichtverhalten gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine metallische Bipolarplatte mit einer Dichtvorrichtung gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorgeschlagen wird hierzu eine metallische Bipolarplatte für ein elektrochemisches System, die eine rückfedernde Dichtungsanordnung mit mindestens einer parallel zu einer Plattenebene der Bipolarplatte verlaufenden Sicke aufweist;
wobei die Sicke senkrecht zum Verlauf der jeweiligen Sicke einen M-förmigen Querschnitt mit seitlichen Erhöhungen und einer zwischen den beiden seitlichen Erhöhungen ausgebildeten Vertiefung hat;
wobei die seitlichen Erhöhungen der Vertiefung zugewandte Innenflanken aufweisen und eine Flankenhöhe der Innenflanken sich senkrecht zur Plattenebene von einem Scheitelpunkt der Vertiefung, der der tiefste Punkt der Vertiefung ist, bis zu einem Scheitelpunkt der jeweiligen seitlichen Erhöhung, der der höchste Punkt der seitlichen Erhöhung ist, erstreckt; und
wobei die Vertiefung mit einem Elastomer gefüllt ist.
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Gegenüber bekannten Bipolarplatten der eingangs genannten Art zeichnet sich die hier vorgeschlagene Bipolarplatte dadurch aus, dass das Elastomer überall entlang des Verlaufs der Sicke senkrecht zur Plattenebene über die Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen hinaus ragt und dass das Elastomer überall entlang des Verlaufs der Sicke ausgehend vom Scheitelpunkt der Vertiefung des M-förmigen Querschnitts der Sicke wenigstens über 50 Prozent der Flankenhöhe an die Innenflanken der seitlichen Erhöhungen heranreicht und diese bedeckt, so dass eine beim Verpressen der Bipolarplatte senkrecht zur Plattenebene auf das Elastomer ausgeübte Anpresskraft über das Elastomer in die Sicke eingeleitet wird.
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Vorgeschlagen wird ferner ein elektrochemisches System, insbesondere ein Brennstoffzellenstack oder ein Elektrolyseur, mit einer Vielzahl von metallischen Bipolarplatten der zuvor beschriebenen Art und mit einer Vielzahl von jeweils zwischen den Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zellen. In dem elektrochemischen System sind die Bipolarplatten und die elektrochemischen Zellen entlang einer Stapelrichtung gestapelt und entlang der Stapelrichtung mit einem mechanischen Druck beaufschlagbar bzw. beaufschlagt.
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Das Elastomer ist also jeweils entlang eines Abschnitts der Innenflanken, der sich über wenigstens 50 Prozent der Flankenhöhe der jeweiligen Innenflanke erstreckt, in unmittelbarem Kontakt mit den Innenflanken, und zwar entlang des Querschnitts senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke und beiderseits des am Boden der Vertiefung liegenden Scheitelpunktes der Vertiefung. Die Innenflanken erstrecken sich vorzugsweise vom Scheitelpunkt der Vertiefung bis zum Scheitelpunkt der jeweiligen seitlichen Erhöhung. Die beiden Innenflanken umfassen somit vorzugsweise den Boden und die Seitenabschnitte der Vertiefung.
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Der Verlauf der Dichtungsanordnung bzw. der Verlauf der Sicke kann z. B. durch eine Mittellinie der Sicke gegeben sein, die wie die Sicke parallel zur Plattenebene verläuft. Wenn davon die Rede ist, dass der Querschnitt der Sicke an einer gegebenen Stelle entlang des Verlaufs der Sicke senkrecht zum Verlauf der Sicke ausgerichtet ist, bedeutet dies also vorzugsweise, dass die Querschnittsebene eine an der jeweiligen Stelle an die Mittellinie der Sicke angelegte Tangente senkrecht schneidet. Die Querschnittsebene ist damit vorzugsweise senkrecht zur Plattenebene ausgerichtet. Sofern nichts anderes gesagt wird, soll in dieser Schrift mit den Begriffen „Querschnitt der Dichtungsanordnung”, „Querschnitt der Sicke”, „Sickenquerschnitt” oder „Querschnitt” daher jeweils ein Querschnitt entlang einer Ebene bezeichnet sein, die wie zuvor beschrieben senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke und senkrecht zur Plattenebene ausgerichtet ist.
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Die Querschnittsgeometrie der Sicke kann entlang ihres gesamten Verlaufes gleich bleiben, sie kann sich jedoch auch ändern. Beispielsweise können die Flanken der Sicken in schraubenfernen Bereichen steiler ausgeführt sein als in schraubennahen Bereichen, um so eine gleichmäßige Krafteinleitung zu erzielen. Sie können in schraubenfernen Bereichen auch schmaler und/oder höher ausgeführt sein als in schraubennahen Bereichen. Ebenso können Sicken in gekrümmten Abschnitten niedriger oder breiter bzw. mit flacheren Flanken ausgeführt sein als in sich geradlinig erstreckenden Bereichen. Ändert sich die Präge-Geometrie der Sicke entlang ihres Verlaufs, so kann sich der Querschnitt des Elastomers mit demjenigen der Sicke in gleichem oder unterschiedlichem Maße ändern oder auch gleich bleiben.
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Die Sicken können sich über einen Abschnitt, in dem sie makroskopisch betrachtet eine gleichbleibende Erstreckungsrichtung aufweisen, auch mikroskopisch geradlinig verlaufen, sie können jedoch auch um die Erstreckungsrichtung alternieren und in der Draufsicht wellenförmig verlaufen. Letzteres ergibt bei vergleichbaren Querschnittsgeometrien höhere Steifigkeiten.
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Im Folgenden wird die Plattenebene der Bipolarplatte auch als X-Y-Ebene bezeichnet. Eine Stapelrichtung, entlang derer die Bipolarplatten in einem elektrochemischen System mit einer Vielzahl von Bipolarplatten der genannten Art stapelbar sind oder gestapelt sind, wird daher im Folgenden auch Z-Richtung genannt. Die X-, Y- und Z-Richtung bilden dabei die Achsen eines rechtshändigen kartesischen Koordinatensystems. Eine Höhe der Sicke erstreckt sich also typischerweise entlang der Z-Richtung.
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Durch die M-förmige Geometrie des Sickenquerschnitts wird zumindest eine der beiden Sickeneigenschaften Steifigkeit und Rückfederungsverhalten verbessert ohne dass die jeweils andere Sickeneigenschaft signifikant verschlechtert wird, insbesondere entlang der Z-Richtung. Dadurch, dass das Elastomer überall entlang des Verlaufs der Sicke senkrecht zur Plattenebene über die Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen hinaus ragt und dass das Elastomer überall entlang des Verlaufs der Sicke ausgehend vom Scheitelpunkt der Vertiefung des M-förmigen Querschnitts der Sicke wenigstens über 50 Prozent der Flankenhöhe an die Innenflanken der seitlichen Erhöhungen heranreicht und diese bedeckt, ist das Elastomer hinreichend fest in der Vertiefung im Sickendach angeordnet oder verankert, so dass es nicht seitlich, also senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke und parallel zur X-Y-Ebene, nach außen ausweichen und wegfließen kann. Ein Kriechen des Elastomers beim Verpressen der Bipolarplatte kann so verhindert werden.
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Beim Verpressen der Bipolarplatte entlang der Z-Richtung kann sich die Sicke elastisch, d. h. reversibel, verformen, wobei sich z. B. die Breite der Vertiefung im Sickendach senkrecht zum Verlauf der Sicke verringert. Das Elastomer kann also bei der Verformung der Sicke komprimiert werden, z. B. in einer Richtung senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke. Dadurch kann eine plastische, d. h. irreversible Verformung der Sicke weitestgehend verhindert werden. Wird die Sicke wieder entlastet, z. B. beim Ausbau der Bipolarplatte aus dem Stapel, so nimmt das Elastomer typischerweise wieder seine vorherige, unverpresste Form an und bewirkt dadurch ein vorteilhaftes Rückfedern der Sicke. So ist es auch möglich, die Sickenkennlinie, d. h. die elastische Verformung (gemessen in mm) in Abhängigkeit von der pro Längeneinheit entlang des Verlaufs der Sicke auf die Sicke ausgeübten Anpresskraft (gemessen in N/mm), über die Härte oder die Elastizität des verwendeten Elastomers einzustellen. Infolge des gesteigerten Rückfederungsverhaltens wird auch die Dichtwirkung der Dichtungsanordnung der im Stapel verpressten Bipolarplatte verbessert.
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Eine besonders gute Verankerung des Elastomers in der Vertiefung im Sickendach, eine besonders gute Einleitung der zum Verpressen der Bipolarplatte senkrecht zur Plattenebene aufgewendeten Kraft in die Sicke sowie eine Erhöhung der Steifigkeit der Dichtungsanordnung können dadurch erzielt werden, dass das Elastomer überall entlang des Verlaufs der Sicke ausgehend vom Scheitelpunkt der Vertiefung des M-förmigen Querschnitts der Sicke wenigstens über 80 Prozent der Flankenhöhe an die Innenflanken der seitlichen Erhöhungen heranreicht und diese bedeckt.
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Die Steifigkeit und das Rückfederungsverhalten der Dichtungsanordnung sind besonders gut einstellbar und kontrollierbar, wenn das Elastomer die Vertiefung des M-förmigen Querschnitts der Sicke über die gesamte Flankenhöhe vollständig ausfüllt, und zwar vorzugsweise überall entlang des Verlaufs der Sicke. Dies beinhaltet, dass eine entlang des Querschnitts und damit senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke bestimmte Fläche, die durch die Innenflanken der seitlichen Erhöhungen und durch eine die beiden Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen verbindende Gerade eingeschlossen wird, jeweils vollständig von dem Elastomer ausgefüllt ist. Mit anderen Worten weist die Vertiefung unterhalb der genannten Geraden, d. h. von der genannten Geraden zur Plattenebene hin, keine Hohlräume auf.
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Eine besonders gleichmäßige Einleitung der beim Verpressen der Bipolarplatte entlang der Z-Richtung in die Sicke eingeleiteten Anpresskraft kann dadurch erzielt werden, dass das Elastomer entlang des M-förmigen Querschnitts der Sicke in einem Abschnitt, der sich vom Scheitelpunkt der ersten seitlichen Erhöhung bis zum Scheitelpunkt der zweiten seitlichen Erhöhung erstreckt, senkrecht zur Plattenebene meniskusartig über die Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen hinaus ragt, und zwar vorzugsweise überall entlang des Verlaufs der Sicke. In Bezug auf die zuvor definierte Gerade, die jeweils durch die beiden Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen der Sicke festgelegt ist, bedeutet dies also, dass das Elastomer entlang der Z-Richtung durchgehend über diese Gerade hinaus ragt. Dabei kann beispielsweise eine von der Sicke abgewandte Außenseite oder Außenfläche des Elastomers, die sich jeweils vom Scheitelpunkt der ersten seitlichen Erhöhung bis zum Scheitelpunkt der zweiten seitlichen Erhöhung erstreckt, durchgehend gekrümmt und nach außen, d. h. in eine vom Scheitelpunkt der Vertiefung abgewandte Richtung hin gewölbt sein.
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Bedeckt das Elastomer die Innenflanken nicht vollständig, so steigt es dennoch beginnend an der Grenzfläche zu einer dieser Innenflanken in Richtung einer Normalen durch den Scheitelpunkt der Vertiefung an und auf der anderen Seite der Normalen durch den Scheitelpunkt der Vertiefung wieder ab. An- und Abstieg sind dabei vorzugsweise kontinuierlich, wobei sich im Bereich der Normalen durch den Scheitelpunkt der Vertiefung durchaus auch ein Plateau ohne Höhenänderung ausbilden kann.
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Wenn sich die Sicke geradlinig erstreckt, ist die Dichtungsanordnung im Querschnitt typischerweise spiegelsymmetrisch oder im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse der Dichtungsanordnung. Die Symmetrieachse verläuft dann üblicherweise innerhalb der jeweiligen Querschnittsebene und senkrecht zur Plattenebene und schneidet sich mit dem Scheitelpunkt der Vertiefung. Wenn sich die Sicke nicht geradlinig erstreckt, z. B. in Ecken, oder wenn sie sich allgemein wellenförmig erstreckt, dann können Abweichungen von dieser strengen Symmetrie gegeben sein.
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Eine entlang der Z-Richtung bestimmte Höhe des Elastomers kann in einem entlang des Sickenquerschnitts zentralen Abschnitt oder mittleren Abschnitt der Sicke maximal sein und zu den seitlichen Erhöhungen der Sicke hin monoton abnehmen. Das Elastomer ragt dann in dem genannten zentralen Abschnitt in Z-Richtung am weitesten über die seitlichen Erhöhungen der Sicke hinaus. Dies kann damit einhergehen, dass das Elastomer dort, wo der Überstand des Elastomers relativ zu den Erhebungen der metallischen Sicke maximal ist, auch eine maximale Dicke hat.
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Zur Steigerung der Rückfederungseigenschaften der Dichtungsanordnung kann das Elastomer kompressibel sein. Das Elastomer kann ein thermoplastisches Elastomer, ein Fluorpolymer, z. B. Fluorpolymer-Kautschuk, ein Perfluorierter Kautschuk, ein Perfluoralkoxy-Polymer, ein Butadien-Kautschuk, ein Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Silikonkautschuk, Fluor-Silikon-Kautschuk, Polyacrylat-Kautschuk, Ethylen-Acrylat-Kautschuk oder Polyurethan sein oder eines oder mehrere der genannten Materialien enthalten. Das Elastomer kann im Siebdruckverfahren in die Vertiefung der Sicke eingebracht werden.
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Die beschriebene Dichtungsanordnung weist auch bei geringen Materialdicken der Sicke ein hinreichend gutes Rückfederungsveralten auf. Eine Materialdicke der Sicke kann daher kleiner sein als 0,15 mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm, besonders vorzugsweise kleiner als 0,08 mm. Für dieselbe Anzahl Platten bzw. Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels wird somit eine geringere Bauhöhe benötigt. So können Materialkosten und Gewicht eingespart werden. Alternativ kann bei gleichbleibender Bauhöhe ein Stapel mit einer größeren Anzahl Einzelzellen eingebaut werden.
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Typischerweise ist eine Tiefe der Vertiefung der Sicke geringer als eine Höhe der seitlichen Erhöhungen der Sicke. Die Vertiefung reicht entlang der Z-Richtung also normalerweise nicht bis an die Plattenebene heran. Der Scheitelpunkt der Vertiefung ist in diesem Fall somit von der Plattenebene beabstandet. Dies kann ebenfalls zur Steigerung der Rückfederungseigenschaften der Dichtungsanordnung beitragen, da die Sicke beim Verpressen der Bipolarplatte im Bereich der Vertiefung entlang der Z-Richtung zur Plattenebene hin nachgeben kann, ohne im Bereich der Vertiefung anzuschlagen. Die Plattenebene kann z. B. durch gerade Abschnitte der Bipolarplatte definiert sein, die sich an von der Vertiefung der Sicke abgewandte Außenflanken der seitlichen Erhöhungen der Sicke anschließen. Normalerweise beträgt der Abstand des Scheitelpunktes der Vertiefung von der Plattenebene maximal 50 Prozent, vorzugsweise maximal 40 Prozent der Sickenhöhe, die durch den Abstand der Scheitelpunkte der seitlichen Erhöhungen der Sicke von der Plattenebene entlang der Z-Richtung gegeben ist.
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Für eine hinreichend gute Verankerung des Elastomers in der Vertiefung der Sicke kann es vorteilhaft sein, dass die Flankenhöhe der Innenflanken der seitlichen Erhöhungen der Sicke wenigstens 15 Prozent, vorzugsweise wenigstens 20 Prozent, besonders vorzugsweise wenigstens 30 Prozent der Sickenhöhe beträgt. Die Sickenhöhe beträgt typischerweise weniger als 0,7 mm, vorzugsweise weniger als 0,55 mm.
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Zur Steigerung des Rückfederungsverhaltens der Dichtungsanordnung können von der Vertiefung abgewandte Außenflanken der seitlichen Erhöhungen der Sicke mit einer nur geringen Neigung ausgeführt sein. Die Außenflanken können mit der Z-Richtung entlang des Sickenquerschnitts z. B. einen Winkel von mindestens 30 Grad, vorzugsweise von mindestens 45 Grad, besonders vorzugsweise von mindestens 50 Grad einschließen.
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Die seitlichen Erhöhungen der Sicke weisen im Querschnitt vorzugsweise eine von der Plattenebene abgewandte Wölbung auf, die jeweils die Innenflanke der seitlichen Erhöhung mit der Außenflanke der seitlichen Erhöhung verbindet. Das Rückfederungsverhalten der Dichtungsanordnung kann auch dadurch gesteigert werden, dass ein Krümmungsradius dieser Wölbung wenigstens 6 Prozent, vorzugsweise wenigstens 9 Prozent einer Fußbreite der Sicke beträgt. Die Fußbreite der Sicke beträgt z. B. weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2,5 mm.
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Weiterhin kann die Sicke zur Steigerung des Rückfederungsverhaltens der Dichtungsanordnung entlang des Sickenquerschnitts im Bereich der Vertiefung wenigstens abschnittweise gekrümmt sein, vorzugsweise wenigstens in einem zentralen oder mittleren Abschnitt entlang des Sickenquerschnitts. Ein Krümmungsradius dieser Krümmung im Bereich der Vertiefung kann beispielsweise weniger als 50 Prozent, vorzugsweise weniger als 40 Prozent der Fußbreite der Sicke betragen. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Dichtungsanordnung kann der Sickenquerschnitt im Bereich der Vertiefung auch wellenartig geformt sein.
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Zum Durchleiten eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums kann die Bipolarplatte eine oder mehrere Öffnungen senkrecht zur Plattenebene aufweisen. In einem elektrochemischen System mit einer Vielzahl von Bipolarplatten der hier vorgeschlagenen Art sind die Öffnungen benachbarter Bipolarplatten zur Ausbildung eines oder mehrerer Kanäle zum Zu- und/oder Abführen eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums z. B. wenigstens teilweise fluchtend angeordnet. Diese Kanäle erstrecken sich dann typischerweise in Stapelrichtung durch den Plattenstapel bzw. durch das elektrochemische System. Die Dichtungsanordnungen der Bipolarplatten können dann derart angeordnet sein, dass sie die genannte Öffnung der Bipolarplatte radial umgeben und zur Umgebung und/oder zum Inneren des elektrochemischen Systems hin abdichten. Die Dichtungsanordnungen der Bipolarplatten können auch wenigstens teilweise zum Abdichten eines elektrochemisch aktiven Bereichs der elektrochemischen Zellen des Systems ausgebildet sein.
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Zum gezielten Durchleiten eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums durch die Sicke, insbesondere senkrecht zum Verlauf der Sicke, können die Außenflanken der Sicke einen oder mehrere Durchbrüche oder Durchgangslöcher aufweisen. Durch diese Durchbrüche kann das flüssige und/oder gasförmige Medium z. B. einem elektrochemisch aktiven Bereich einer an die Bipolarplatte angrenzenden elektrochemischen Zelle zugeführt werden oder von dieser Zelle weggeführt werden.
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Die Bipolarplatte kann zwei parallel zueinander angeordnete und mechanisch miteinander verbundene Teilplatten aufweisen. Diese können beispielsweise der Kontaktierung von Elektroden zweier benachbarter elektrochemischer Zellen des elektrochemischen Systems dienen, die jeweils an unterschiedlichen Seiten der Bipolarplatte angeordnet sind. Die Sicke der Dichtungsanordnung kann dann mit einer Teilplatte einteilig ausgebildet sein. Die Sicke wird in diesem Fall also durch die jeweilige Teilplatte selbst gebildet.
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Bei einer speziellen Ausführungsform kann die erste Teilplatte eine erste Dichtungsanordnung der genannten Art mit einer ersten Sicke aufweisen, wobei die erste Sicke und die erste Teilplatte einteilig ausgebildet sind. Entsprechend weist die zweite Teilplatte bei dieser Ausführungsform eine zweite Dichtungsanordnung der genannten Art mit einer zweiten Sicke auf, wobei die zweite Sicke und die zweite Teilplatte ebenfalls einteilig ausgebildet sind. Die erste Sicke der ersten Teilplatte und die zweite Sicke der zweiten Teilplatte können dann zwischen der ersten Sicke und der zweiten Sicke einen Hohlraum zum Durchleiten eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums einschließen.
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Beide Teilplatten einer Bipolarplatte sind zumindest auf der Außenseite der Sicke stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei wird vorzugsweise eine kontinuierliche Schweißnaht, insbesondere eine Laserschweißnaht zur Verbindung beider Teilplatten verwendet. Insbesondere wenn die Sicke auch zur Durchleitung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums dient, ist es bevorzugt, wenn beiderseits der Sicke eine kontinuierliche Schweißnaht angeordnet ist. Alternativ können auch Steppnähte oder punktförmige Schweißnähte verwendet werden. Die Schweißnähte werden also vorzugsweise im Bereich der Sickenfüße oder beabstandet zur Sicke, also benachbart zu den Sickenfüßen vorgesehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines elektrochemisches Systems mit einer Vielzahl von Bipolarplatten und zwischen den Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zellen;
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2 schematisch eine der Bipolarplatten des elektrochemischen Systems aus 1 in einer Draufsicht;
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3 schematisch zwei benachbarte Bipolarplatten eines elektrochemischen Systems vergleichbar 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zelle;
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4 schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;
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5a schematisch die Dichtungsanordnung aus 4 in einem unbelasteten Zustand;
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5b schematisch die Dichtungsanordnung aus 4 in einem belasteten Zustand;
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6 schematisch einen Querschnitt einer zweien Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;
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7 schematisch einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;
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8 schematisch einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;
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9 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Öffnung in der Bipolarplatte;
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10 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Öffnung in der Bipolarplatte, wobei Außenflanken einer Sicke der Dichtungsanordnung Durchbrüche zum Durchleiten eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums aufweisen;
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11 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Teilplatte, wobei eine erste Sicke der ersten Teilplatte und eine zweite Sicke der zweiten Teilplatte einen Hohlraum zum Führen eines gasförmigen und/oder eines flüssigen Mediums einschließen;
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12 den Vergleich der Federwege von Sicken erfindungsgemäßer Bipolarplatten sowie von Sicken des Stands der Technik; sowie
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13 erläuternde Schnittdarstellungen zu 12.
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1 zeigt ein elektrochemisches System 1, das elektrisch in Reihe geschaltete Wasserstoffbrennstoffzellen enthält. Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 z. B. auch ein elektrochemischer Verdichter oder ein Elektrolyseur sein. Diese unterscheiden sich nicht im konstruktiven Aufbau voneinander, sondern insbesondere in Bezug auf die der MEA zu- bzw. abgeführten Fluide sowie hinsichtlich der Erzeugung bzw. der Zuführung von elektrischer Energie.
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Das elektrochemische System 1 umfasst einen Stapel 2 mit einer Vielzahl von metallischen Bipolarplatten und mit jeweils zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Die elektrochemischen Zellen sind in Reihe geschaltet. Die Bipolarplatten und die Zellen des Stapels 2 sind entlang einer Z-Richtung 5 gestapelt und zwischen Endplatten 3 und 4 angeordnet. Die Plattenebenen der Bipolarplatten des Stapels 2 sind jeweils parallel zu einer X-Y-Ebene ausgerichtet. Zusammen mit der Z-Richtung 5 spannen die X-Richtung 6 und die Y-Richtung 7 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Entlang der Z-Richtung 5 werden die Bipolarplatten und die Zellen des Stapels 2 über die Endplatten 3 und 4 mit einem mechanischen Druck beaufschlagt und zusammengehalten, z. B. über hier nicht dargestellte Schrauben oder Spannbolzen.
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Die Endplatte 4 weist eine Anzahl von Ports 8 auf, über die dem elektrochemischen System 1 flüssige und/oder gasförmige Medien zugeführt werden können und/oder über die flüssige und/oder gasförmige Medien aus dem elektrochemischen System 1 abgeführt werden können. Z. B. können dem System 1 über die Ports 8 ein Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und ein Reaktionsgas (z. B. Sauerstoff) zugeführt werden. Über die Ports 8 können zudem Reaktionsprodukte wie z. B. Wasser und Sauerstoff-abgereicherte Luft und das erwärmte Kühlmittel aus dem System 1 abgeführt werden.
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2 zeigt eine parallel zur X-Y-Ebene ausgerichtete metallische Bipolarplatte 9 des Stapels 2 aus 1 in einer Draufsicht. Die Bipolarplatte 9 umfasst zwei mechanisch verbundenen Teilplatten 9a und 9b, wobei in 2 nur die erste Teilplatte 9a gezeigt ist, die zweite Teilplatte 9b ist verdeckt. Die Bipolarplatte 9 weist Öffnungen 10a–h auf. Die übrigen Bipolarplatten im Stapel 2 des elektrochemischen Systems 1 aus 1 weisen den Öffnungen 10a–h der Bipolarplatte 9 entsprechende Öffnungen auf. Diese Öffnungen der Bipolarplatten im Stapel 2 des Systems 1 aus 1 sind entlang der Z-Richtung 5 fluchtend angeordnet, so dass sie Leitungen zum Führen der zuvor genannten flüssigen und/oder gasförmigen Medien bilden. Diese Leitungen verlaufen also senkrecht zu den Plattenebenen der Bipolarplatten durch den Stapel 2 des Systems 1. Die Leitungen stehen mit den Ports 8 an der Endplatte 4 des Systems 1 in Fluidverbindung.
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Die dargestellte Teilplatte 9a der Bipolarplatte 9 weist ferner eine rückfedernde Dichtungsanordnung 11 auf, die parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 verläuft, in der Darstellung der 2 also parallel zur X-Y-Ebene. Hier und im Folgenden sind wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Dichtungsanordnung ist zum Abdichten eines Bereichs 28 gegen die Umgebung des Systems 1 ausgebildet. Die Dichtungsanordnung 11 bildet eine geschlossene Kurve und umschließt den Bereich 28 vollständig. Die Dichtungsanordnungen verlaufen hier mit einer ovalen Grundform um die ovalen Durchgangsöffnungen. Ihre langgestreckten Bereiche verlaufen dabei aber nicht gerade, sondern wellenförmig, um der Sicke über ihren gesamten Verlauf eine im Wesentlichen gleichbleibende Steifigkeit zu verleihen. In einem zentralen rechteckigen Teilbereich 29 des Bereichs 28 weist die Teilplatte 9a eine Vielzahl von Erhebungen auf, die senkrecht aus der Plattenebene herausragen. Der Teilbereich 29 zwischen den benachbarten Bipolarplatten 9 und 13 des Stapels 2 ist zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelle 14 ausgebildet (vgl. 3). Hier handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle 14 um eine Bipolarplatte zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie. Die zwischen den Erhebungen des Teilbereichs 29 gebildeten Kanäle dienen der gezielten Zuleitung von Brennstoff oder von Reaktionsgas zu dem elektrochemisch aktiven Bereich der im Teilbereich 29 zwischen den Bipolarplatten 9 und 13 angeordneten elektrochemischen Zelle 14 (siehe 3).
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Neben der Dichtungsanordnung 11 weist die Teilplatte 9a der Bipolarplatte 9 eine Anzahl weiterer rückfedernder Dichtungsanordnungen 12a–h auf, die jeweils zum Abdichten der von den Öffnungen 10a–h gebildeten Kanäle gegen den Bereich 28 oder gegen die Umgebung des Systems 1 ausgebildet sind. Die Dichtungsanordnungen 12a–h verlaufen jeweils ebenfalls parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 9, bilden jeweils geschlossene Kurven und umschließen die Öffnungen 10a–h in der Bipolarplatte 9 radial vollständig. Die Dichtungsanordnungen 11 und 12a–h stehen jeweils senkrecht zur Plattenebene der Teilplatte 9a von der Teilplatte 9a ab. Die Beschaffenheit der rückfedernden Dichtungsanordnungen 11 sowie 12a–h wird weiter unten näher erläutert.
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3 zeigt einen Y-Z-Schnitt durch einen Stapel 1 ähnlich 1. 3 zeigt eine Bipolarplatte 9 vergleichbar der Bipolarplatte 9 aus 2 mit den metallischen Teilplatten 9a und 9b und die der ersten Bipolarplatte 9 im Stapel 2 benachbarte zweite Bipolarplatte 13. Die Bipolarplatten 9 und 13 sind baugleich. Auch die Bipolarplatte 13 umfasst zwei mechanisch verbundene metallische Teilplatten 13a und 13b. Die Teilplatten 9a, 9b, 13a und 13b sind jeweils aus Edelstahl gebildet und haben senkrecht zur Plattenebene eine Materialstärke 23 von 0,075 mm. Im Teilbereich 29 ist zwischen den benachbarten Bipolarplatten 9 und 13 die zuvor genannte elektrochemische Zelle 14 angeordnet. Die elektrochemische Zelle 14 umfasst eine Elektrolytmembran 15, eine Anode 16, eine Kathode 17 sowie Gasdiffusionslagen 18 und 19. Die elektrisch leitenden Gasdiffusionslagen 18 und 19 sind jeweils zwischen den Elektroden 16, 17 einerseits und den Bipolarplatten 9, 13 andererseits angeordnet.
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3 zeigt die Dichtungsanordnung 11 der Teilplatte 9a im Querschnitt. Die Dichtungsanordnung 11 umfasst eine metallische Sicke 20 und ein Elastomer 21. Die Sicke 20 und die Teilplatte 9a der Bipolarplatte 9 sind einteilig ausgebildet. Die Sicke 20 verläuft parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 und steht senkrecht von der Plattenebene der Bipolarplatte 9 ab. Die Sicke 20 verläuft in der Darstellung der 3 senkrecht zur Zeichenebene entlang der X-Richtung 6 und hat senkrecht zu ihrer Verlaufsrichtung, also entlang der Zeichenebene der 3 (Y-Z-Ebene), einen M-förmigen Querschnitt mit seitlichen Erhöhungen und einer zwischen den seitlichen Erhöhungen ausgebildeten Vertiefung, die mit dem Elastomer 21 gefüllt ist (siehe 4).
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Die zweite Teilplatte 9b der Bipolarplatte 9 weist eine der Dichtungsanordnung 11 der ersten Teilplatte 9a baugleiche Dichtungsanordnung 22 mit einer metallischen Sicke 24 und einem Elastomer 25 auf, wobei die Dichtungsanordnung 22 wie die Dichtungsanordnung 11 parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 verläuft. Die Sicke 24 und die zweite Teilplatte 9b sind einteilig ausgebildet. Die Dichtungsanordnungen 11 und 22 stehen in einander entgegengesetzten Richtungen senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 von der Bipolarplatte 9 ab. Dabei sind die Dichtungsanordnungen 11 und 22 derart ausgebildet, dass der zwischen ihnen gebildete Hohlraum 26 auch zur Durchleitung oder zur Führung eines der genannten gasförmigen und/oder flüssigen Medien geeignet ist.
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Seitlich, d. h. in 3 entlang der Y-Richtung, wird der von den Sicken 20 und 24 zwischen den Teilplatten 9a und 9b gebildete Hohlraum 26 durch sich entlang der Sicken 20 und 24 erstreckende kontinuierliche Schweißlinien 27a und 27b abgedichtet.
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Die Bipolarplatte 13 weist eine der Dichtungsanordnung 11 der Bipolarplatte 9 baugleiche Dichtungsanordnung 52 auf. Zum Abdichten des zwischen Bipolarplatten 9 und 23 angeordneten Bereichs 28 kooperieren die Dichtungsanordnungen 11 und 52, indem sie die Elektrolytmembran 15 der Zelle 14 zwischen sich einschließen und jeweils in einander entgegengesetzten Richtungen gegen die Membran 15 gepresst werden.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine Detailansicht eines Querschnitts der Dichtungsanordnung 11 der Teilplatte 9a. Es handelt sich um einen Querschnitt entlang einer Ebene, die senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 bzw. deren Teilplatte 9a und die senkrecht zum Verlauf der Dichtungsanordnung 11 ausgerichtet ist, und zwar in einem Bereich ohne Öffnung in der Sickenflanke.
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Der in 4 gezeigte Querschnitt der Dichtungsanordnung 11 zeigt die metallische Sicke 20 mit seitlichen Erhöhungen 30a und 30b und einer zwischen den seitlichen Erhöhungen 30a und 30b ausgebildeten Vertiefung 31, die mit dem Elastomer 21 gefüllt ist. In Scheitelpunkten 32a und 32b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b nehmen die seitlichen Erhöhungen 30a und 30b jeweils ihre entlang der Z-Richtung 5 und senkrecht zur Plattenebene der Teilplatte 9a bestimmte maximale Höhe t2 an. Die Plattenebene der Teilplatte 9a ist durch entlang der Y-Richtung 7 verlaufende gerade Abschnitte 33a und 33b der Teilplatte 9a definiert, die sich in Fußpunkten 34a und 34b der Sicke 20 beiderseits der Sicke 20 an die Sicke 20 anschließen. Im Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 hat die Sicke im Bereich der Vertiefung 31 ihre geringste Höhe t1, die ebenfalls senkrecht zur Plattenebene bestimmt wird. Die Dichtungsanordnung 11 ist im Querschnitt symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 36, die senkrecht zur Plattenebene verläuft und die die Sicke 20 im Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 schneidet.
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Eine Fußbreite b der Sicke 20 erstreckt sich parallel zur Plattenebene vom Fußpunkt 34a bis zum Fußpunkt 34b über eine Länge von 2,2 mm. Die Höhe t2 der Sicke 20 beträgt beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel 0,5 mm. Die Höhe des Scheitelpunktes 35 der Vertiefung 31 beträgt ca. 0,25 mm, also 50 Prozent der Sickenhöhe t2. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Höhe t1 auch weniger als 50 Prozent oder weniger als 40 Prozent der Sickenhöhe t2 betragen. Der Scheitelpunkt reicht somit nicht bis an die Plattenebene heran und ist von dieser beabstandet. Gewöhnlich beträgt die Höhe t1 der Sicke 20 im Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 wenigstens 20 Prozent oder wenigstens 30 Prozent der Sickenhöhe t2.
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Die seitlichen Erhöhungen 30a und 30b der Sicke 20 weisen von der Vertiefung 31 abgewandte Außenflanken 37a und 37b auf, die sich vom Fußpunkt 34a bis zum Scheitelpunkt 32a bzw. vom Fußpunkt 34b bis zum Scheitelpunkt 32b erstrecken. Zur Steigerung des Rückfederungsverhaltens der Dichtungsanordnung 11, insbesondere senkrecht zur Plattenebene, sind die Außenflanken 37a und 37b der Sicke 20 flach ausgebildet. Hier schließen sie mit der senkrecht zur Plattenebene verlaufenden Z-Richtung wenigstens abschnittweise einen Winkel von mehr als 30 Grad ein. Über wenigstens 30 Prozent der Sickenhöhe t2 schließen die Außenflanken mit der Z-Richtung 5 einen Winkel von mehr als 30 Grad ein.
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Die Sicke 20 weist ferner der Vertiefung 31 zugewandte Innenflanken 38a und 38b auf. Die Innenflanke 38a der seitlichen Erhöhung erstreckt sich vom Scheitelpunkt 32a der seitlichen Erhöhung 30a bis zum Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31, und die Innenflanke 38b der seitlichen Erhöhung 30b erstreckt sich vom Scheitelpunkt 32b der seitlichen Erhöhung 30b bis zum Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31. Die Innenflanken 38a und 38b bilden also den Boden oder den Grund und die Seiten der Vertiefung 31. Eine Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b erstreckt sich senkrecht zur Plattenebene von der Ebene des Scheitelpunkts 35 der Vertiefung 31 bis zur Ebene der Scheitelpunkte 32a und 32b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b. Die Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b ist damit zugleich eine Tiefe der Vertiefung 31. Hier beträgt die Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b 50 Prozent der Sickenhöhe t2. Bei abgewandelten Ausführungsformen beträgt die Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b vorzugsweise wenigstens 15 Prozent, wenigstens 20 Prozent oder wenigstens 30 Prozent der Sickenhöhe t2. Dies dient einer möglichst guten Verankerung des Elastomers 21 in der Vertiefung 31 der Sicke 20, so dass ein Ausweichen des Elastomers 21, insbesondere parallel zur Plattenebene und senkrecht zum jeweiligen Verlauf der Sicke 20 bzw. der Dichtungsanordnung 11 möglichst effektiv verhindert wird, wenn beim Verpressen der Bipolarplatten des Stapels 2 (siehe 1) eine senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatten bzw. entlang der Z-Richtung 5 wirkende Anpresskraft auf die Dichtungsanordnung 11 wirkt.
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Im hier beschriebenen Beispiel beträgt ein parallel zur Plattenebene bestimmter Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 32a der seitlichen Erhöhung 30a und dem Scheitelpunkt 32b der seitlichen Erhöhungen 30b 1 mm. Ein Abstand der Scheitelpunkte 32a und 32b parallel zur Plattenebene beträgt also etwa 45 Prozent der Fußbreite b der Sicke 20. Vorzugsweise beträgt der Abstand der Scheitelpunkte 32a und 32b voneinander parallel zur Plattenebene bei abgewandelten Ausführungsformen weniger als 50 Prozent der Fußbreite b der Sicke 20.
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Im Bereich der Scheitelpunkte 32a und 32b weisen die seitlichen Erhöhungen 30a und 30b der Sicke 20 jeweils eine von der Plattenebene weg gerichtete Wölbung auf. Die Wölbung der Sicke 20 im Bereich des Scheitelpunktes 32a verbindet die Außenflanke 37a mit der Innenflanke 38a der seitlichen Erhöhung 30a, und die Wölbung der Sicke 20 im Bereich des Scheitelpunktes 32b verbindet die Außenflanke 37b mit der Innenflanke 38b der seitlichen Erhöhung 30b. Im Bereich des Scheitelpunktes 35 der Vertiefung 31 weist die Sicke 20 eine zur Plattenebene hin gerichtete Wölbung auf. Auch dies wirkt sich vorteilhaft auf das Rückfederungsverhalten der Dichtungsanordnung 11 aus. Die Vertiefung 31 ist also innerhalb eines zentralen Abschnitts des Sickenquerschnitts gekrümmt. Dieser zentrale gekrümmte Abschnitt der Sicke 20 erstreckt sich hier über eine Länge von ca. 0,25 mm. Die Länge des zentralen gekrümmten Abschnitts der Sicke 20 im Bereich des Scheitelpunktes 35 der Vertiefung 31 beträgt also wenigstens 10 Prozent der Fußbreite b der Sicke 20. Beim hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zentrale gekrümmte Abschnitt entlang des Sickenquerschnitts symmetrisch bezüglich des Scheitelpunktes 35 der Vertiefung 31 angeordnet. Ein hier nicht explizit hervorgehobener Krümmungsradius der Sicke 20 im Bereich des Scheitelpunkts 35 der Vertiefung 31 beträgt hier ca. 0,2 mm. Bei abgewandelten Ausführungsformen beträgt der Krümmungsradius der Sicke 20 im Bereich des Scheitelpunkts 35 der Vertiefung 31 vorzugsweise weniger als 50 Prozent, weniger als 40 Prozent oder weniger als 30 Prozent der Fußbreite b der Sicke 20.
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Bei dem Elastomer 21 handelt es sich um ein kompressibles Elastomer, z. B. um ein silikonbasiertes Elastomer. Das Elastomer 21 ist auf die Oberfläche der Vertiefung 31 im Sickendach aufgedruckt, hier insbesondere im Siebdruckverfahren. Das Elastomer 21 füllt die Vertiefung 31 der Sicke 20 entlang des gesamten in 2 dargestellten Verlaufs der Dichtungsanordnung 11 vollständig aus. Insbesondere füllt das Elastomer 21 entlang des Sickenquerschnitts eine Fläche 39 vollständig aus, die von den Innenflanken 38a und 38b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b und von einer Geraden 44 eingeschlossen wird, die die Scheitelpunkte 32a und 32b verbindet. Das Elastomer 21 reicht also ausgehend vom Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 über die gesamte Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b an die Innenflanken 38a und 38b heran. Mit anderen Worten ist das Elastomer 21 mit den Innenflanken 30a und 30b vom Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 bis zu den Scheitelpunkten 32a und 32b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b in unmittelbarem Kontakt und bedeckt die Innenflanken 30a und 30b vollständig. Dies dient der Verankerung des Elastomers 21 in der Vertiefung 31, sorgt für eine möglichst gleichmäßige Einleitung einer beim Verpressen des Stapels 2 senkrecht zur Plattenebene auf die Dichtungsanordnung 11 ausgeübten Anpresskraft in die Sicke 20 und verhindert zugleich ein seitliches Ausweichen und Kriechen des Elastomers 21 beim Verpressen des Stapels 2. Dies gilt im Beispiel der 2 jeweils entlang des gesamten in 2 dargestellten geschlossenen Verlaufs der Dichtungsanordnung 11, auch in den Bereichen, in denen die Aussenflanken 37a, 37b der Sicke Durchgangsöffnungen 50 aufweisen.
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Bei abgewandelten Ausführungsformen reicht das Elastomer 21 ausgehend vom Scheitelpunkt 35 der Vertiefung 31 wenigstens über 50 Prozent oder wenigstens über 80 Prozent der Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b unmittelbar an die Innenflanken 38a und 38b heran und bedeckt die Innenflanken 38a und 38b innerhalb dieses Abschnitts jeweils vollständig. Auch dies gilt dann jeweils entlang des gesamten in 2 dargestellten geschlossenen Verlaufs der Dichtungsanordnung 11. 8 zeigt ein derart abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 11, bei der das Elastomer über 85 Prozent der Höhe t1 unmittelbar an die Innenflanken 38a und 38b heranreicht und die Innenflanken 38a und 38b in diesem Abschnitt jeweils vollständig bedeckt. In den oberen 15% der Höhe t1 liegen die Innenflanken 38a und 38b frei.
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Zudem ragt das Elastomer 21 senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 bzw. zur Teilplatte 9a über die Scheitelpunkte 32a und 32b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b hinaus, und zwar entlang des gesamten in 2 dargestellten geschlossenen Verlaufs der Dichtungsanordnung 11. Insbesondere ragt das Elastomer 21 entlang eines gesamten Abschnitts 41, der sich entlang des Querschnitts vom Scheitelpunkt 32a der seitlichen Erhöhung 30a bis zum Scheitelpunkt 32b der seitlichen Erhöhung 30b erstreckt, senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 bzw. der Teilplatte 9a über die Scheitelpunkte 32a und 32b hinaus. An einem Scheitelpunkt 42 des Elastomers 21, der in Bezug auf die Plattenebene der Teilplatte 9a ein höchster Punkt des Elastomers 21 ist, ragt das Elastomer 21 senkrecht zur Plattenebene um eine Höhe h über die Scheitelpunkte 32a und 32b hinaus. Die Höhe h beträgt hier 0,05 mm. Das Elastomer ragt hier also um wenigstens 10 Prozent der Sickenhöhe t2 über die Sicke 20 hinaus. Der Scheitelpunkt 42 des Elastomers 21 liegt auf der Symmetrieachse 36. Das Elastomer 21 nimmt also seine maximale Höhe in einem zentralen Abschnitt entlang des Sickenquerschnitts an.
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Entlang der Symmetrieachse 36 der Dichtungsanordnung 11 oder der Sicke 20 nimmt das Elastomer 21 auch seine größte senkrecht zur Plattenebene bestimmte Dicke 43 an, die hier ca. 50 Prozent der Sickenhöhe t2 beträgt. Bei abgewandelten Ausführungsformen beträgt die maximale Dicke 43 des Elastomers 21 wenigstens 10 Prozent oder wenigstens 30 Prozent der Sickenhöhe t2. Vom Scheitelpunkt 42 des Elastomers 21 nimmt die Dicke des Elastomers entlang des Sickenquerschnitts zu den Innenflanken 38a und 38b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b hin monoton ab, vorzugsweise kontinuierlich und/oder streng monoton.
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Entlang des Abschnitts 41 ist eine von der Sicke 20 abgewandte Außenfläche 44 des Elastomers 21 durchgehend gekrümmt und nach außen, d. h. in eine von der Plattenebene abgewandte Richtung gewölbt. Ein hier nicht explizit dargestellter Krümmungsradius der Außenfläche 44 des Elastomers 21 im Bereich des Scheitelpunktes 42 des Elastomers beträgt hier 0,3 mm, also wenigstens 50 Prozent der Fußbreite b der Sicke 20. Auch dies dient einer möglichst guten Einleitung einer Anpresskraft in die Sicke 20.
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5a zeigt wiederum den in 4 dargestellten Querschnitt der rückfedernden Dichtungsanordnung 11, und zwar in einem unbelasteten Zustand, in dem keine Anpresskraft auf die Dichtungsanordnung 11 wirkt. Dies ist z. B. der Fall, bevor die Bipolarplatte 9 mit der Dichtungsanordnung 11 in den Stapel 2 (siehe 1) eingebaut und dort entlang der Z-Richtung 5 mit einer Anpresskraft beaufschlagt wird.
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5b zeigt erneut den in den 4 und 5a dargestellten Querschnitt der rückfedernden Dichtungsanordnung 11, nun jedoch in einem belasteten Zustand, in dem senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 eine Anpresskraft 45 auf die Dichtungsanordnung 11 ausgeübt und über das Elastomer 21 in die Sicke 20 eingeleitet wird. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Bipolarplatte 9 mit der Dichtungsanordnung 11 im Stapel 2 des elektrochemischen Systems 1 verbaut ist, wobei die Anpresskraft 45 entlang der Stapelrichtung wirkt. 5b zeigt also z. B. die in 3 schematisch dargestellte Situation, in der die Dichtungsanordnung 11 zum Abdichten des Bereichs 28 zwischen den Bipolarplatten 9 und 13 gegen die Elektrolytmembran 15 gepresst wird, so dass die Anpresskraft 45 über die parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 9 ausgerichtete Elektrolytmembran 15 auf die Dichtungsanordnung 11 wirkt.
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5b zeigt, dass die Anpresskraft 45 eine Verformung der Dichtungsanordnung 11 bewirkt. Insbesondere bewirkt die Anpresskraft 45 eine Verformung der Sicke 20 und des Elastomers 21. Zunächst komprimiert die Anpresskraft 45 das kompressible Elastomer 21 entlang der Z-Richtung 5, also senkrecht zur Plattenebene der Teilplatte 9a der Biopolarplatte 9. Durch die Einleitung der Anpresskraft 45 in die Sicke 20 wird die Sicke 20 sodann ebenfalls entlang der Z-Richtung 5 und senkrecht zur Plattenebene der Teilplatte 9a zusammengedrückt, so dass die Sicke 20 im in 5b gezeigten Zustand eine gegenüber dem in 5a gezeigten unbelasteten Zustand verringerte Höhe t2 aufweist. Z. B. ist die Höhe t2 im belasteten Zustand der Dichtungsanordnung 11 gegenüber dem unbelasteten Zustand der Dichtungsanordnung 11 um 5 Prozent verringert.
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Infolge der in Zusammenhang mit 20 beschriebenen Form der Sicke 20 bewirkt das Zusammendrücken der Sicke 20 senkrecht zur Plattenebene auch eine Verformung der Sicke 20 parallel zur Plattenebene, insbesondere ein Zusammendrücken der Sicke 20 parallel zur Plattenebene. So sind die Außenflanken 37a und 37b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b im belasteten Zustand gegenüber dem unbelasteten Zustand abgeflacht. Ebenso ist der Abstand 41 des Scheitelpunktes 32a der seitlichen Erhöhung 30a vom Scheitelpunkt 32b der seitlichen Erhöhung 30b parallel zur Plattenebene, also parallel zur X-Y-Ebene, im belasteten Zustand gegenüber dem unbelasteten Zustand verringert. Damit werden auch die Innenflanken 38a und 38b parallel zur Platteneben aufeinander zu bewegt und komprimieren das zwischen den Innenflanken 38a und 38b in der Vertiefung 31 angeordnete Elastomer 21 parallel zur Plattenebene. Dies ist in 5b durch Pfeile 46 dargestellt.
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Bei der in 5b dargestellten Verformung der Sicke 20 und des Elastomers 21 handelt es sich vorzugsweise um eine rein elastische, d. h. reversible Verformung. Wirkt die Anpresskraft 45 also nicht mehr auf die Dichtungsanordnung 11, wie in 5b gezeigt, also beim Entfernen der den Stapel zusammenhaltenden Verspannungskomponenten, so bewegt sich die Dichtungsanordnung im Wesentlichen vollständig zurück in die in den 4 und 5a gezeigte unbelastete Position. Dabei unterstützt die im belasteten Zustand im kompressiblen Elastomer 21 gespeicherte Verformungsenergie die Rückformung der Sicke 20 in die unbelastete Position. Die Reversibilität der Verformung der hier vorgeschlagenen Dichtungsanordnung 11 ist ein entscheidender Vorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungsanordnungen, bei denen das Verpressen einer Bipolarplatte in einem Stapel von Bipolarplatten zu einer plastischen, d. h. irreversiblen Verformung der Dichtungsanordnungen führt. Solche bekannten Bipolarplatten können normalerweise nicht mehr wiederverwendet werden, nachdem sie einmal in einem Stapel eingebaut waren und ihre Dichtungsanordnungen irreversibel verformt wurden. Dagegen sind die hier vorgeschlagenen Bipolarplatten beliebig oft wiederverwendbar.
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In den 6 und 7 sind eine zweite und eine dritte Ausführungsform der in den 4 und 5 gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 11 gezeigt. Die in 6 gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch etwas flachere Außenflanken 37a und 37b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b, die hier mit der senkrecht auf der Plattenebene der Teilplatte 9a stehenden Z-Richtung 5 fast durchgehend einen Winkel zwischen 40 Grad und 50 Grad einschließen. Zudem sind die Krümmungsradien der Sicke 20 im Bereich der Scheitelpunkte 32a und 32b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b kleiner als beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Das in 7 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 11 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel der 4 und 5 durch eine zusätzliche wellenartige Verformung der Sicke 20 in einem zentralen Abschnitt 47 der Vertiefung 31 entlang des Sickenquerschnitts. Der zentrale Abschnitt 47 der Vertiefung 31 der Sicke 20 erstreckt sich zwischen zwei Scheitelpunkten 35a und 35b der Vertiefung 31 und ist in eine von der Plattenebene abgewandte Richtung gewölbt. Der Abschnitt 47 erstreckt sich parallel zur Plattenebene über eine Länge von ca. 10 Prozent oder von wenigstens 5 Prozent der Sickenfußbreite b. Die senkrecht zur Plattenebene bestimmte Höhe der Wölbung des Abschnitts 47 beträgt wenigstens 10 Prozent der Höhe t1 der Innenflanken 38a und 38b der seitlichen Erhöhungen 30a und 30b der Sicke 20.
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Wie zuvor bereits erläutert zeigt 8 eine vierte Ausführungsform der Dichtungsanordnung 11, die sich von den anderen Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass die Innenflanken 38a, 38b der Sicke 20 nicht über ihre gesamte Höhe t1 von Elastomer bedeckt sind, sondern nur über eine Höhe t3 von 85 Prozent von t1. Im zentralen Abschnitt 47 der Vertiefung ragt das Elastomer jedoch wie in den anderen Ausführungsformen über die Höhe der beiden Scheitelpunkte 32a, 32b hinaus.
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In 9 ist in perspektivischer Darstellung ein Paar Bipolarplatten 9 und 13 mit dazwischen angeordneter Elektrolytmembran 15 dargestellt. Andere Elemente der MEA, die in 3 im Detail erläutert wurden, sind hier nicht gezeigt. Die Bipolarplatte 9 weist im dargstellten Abschnitt eine Öffnung 10b auf, über die beispielsweise ein Reaktionsgas in Z-Richtung, also entlang des Plattenstapels transportiert wird. Der Bereich ist nach außen hin durch eine Dichtungsanordnung 11 abgedichtet, wobei die Sicken 20, 24 der Bipolarplatte 9 auf der dem Außenrand zugewandten Seite zusätzlich noch über eine Schweißnaht 27b fortlaufend dicht miteinander verbunden sind. Eine analoge Schweißnaht ist in der Bipolarplatte 13 vorgesehen.
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10 zeigt eine perspektivische Darstellung der Bipolarplatten 9 und 13 aus 3 mit der zwischen den Bipolarplatten 9 und 13 angeordneten Elektrolytmembran 15. Illustriert ist ebenfalls die Öffnung 10b in der Bipolarplatte 9, die mit entsprechenden Öffnungen in der Elektrolytmembran 14 und der Bipolarplatte 13 entlang der Z-Richtung 5 fluchtend angeordnet ist, so dass diese fluchtenden Öffnungen einen Kanal 48 zum Führen eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums (z. B. eines Brennstoffs oder eines Reaktionsgases) bilden. Zum gezielten Durchleiten des im Kanal 48 geführten Mediums durch die Dichtungsanordnung 22 der Bipolarplatte 9 weisen Außenflanken 49a und 49b der Sicke 24 der Dichtungsanordnung 22 Durchbrüche 50 auf. Das im Kanal 48 geführte Medium kann so durch die Durchbrüche 50 und den Hohlraum 26 z. B. zu einem elektrochemisch aktiven Bereich einer in 9 nicht gezeigten elektrochemischen Zelle geführt werden, die z. B. zwischen der Bipolarplatte 9 und einer weiteren der Bipolarplatte 9 benachbarten Bipolarplatte des Stapels 2 angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung 22 der Teilplatte 9b der Bipolarplatte 9 und die Dichtungsanordnung 11 der Teilplatte 9a der Bipolarplatte 9 sind baugleich. Die Außenflanken 37a und 37b der Sicke 20 der Dichtungsanordnung 11 weisen keine Durchbrüche auf. Die Sicken 20, 24 der Bipolarplatte 9 sind hier im Bereich der Sickenfüße auf beiden Seiten der Sicken miteinander mit einer fortlaufenden dichten Schweißnaht miteinander verbunden, so dass das Medium nur durch die Sickendurchbrüche 50 in den Hohlraum 26 ein- bzw. austreten kann. Die dem Kanal 48 zugewandte Schweißbahn kann auch als Stepp- oder Punktnaht ausgeführt sein. Analoges gilt für die Bipolarplatte 13.
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11 zeigt in vergrößerter Darstellung den in 3 sowie 9 und 10 dargestellten Hohlraum 26, der von den Sicken 20 und 24 zwischen den Teilplatten 9a und 9b der Bipolarplatte 9 eingeschlossen wird. Die Sicke 20 der Dichtungsanordnung 11 ist mit der ersten Teilplatte 9a der Bipolarplatte 9 einteilig ausgebildet, und die Sicke 24 der Dichtungsanordnung 22 ist mit der zweiten Teilplatte 9b der Bipolarplatte 9 einteilig ausgebildet. Der Schnitt der 22 liegt in 10 zwischen den Sickendurchbrüchen 50. Eventuelle Verbindungen zwischen den beiden Teilplatten 9a, 9b sind hier nicht gezeigt.
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In
12 ist ein Vergleich der Federwege der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen
11 und
22 der Bipolarplatte
9 mit Dichtungsanordnungen des Stands der Technik, nämlich Sicken
61 und
62 einer Bipolarplatte
63 gemäß der
DE 101 58 772 A1 , dargestellt. Die erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen
11,
22 der Bipolarplatte
9 und die aus
DE 101 58 772 A1 bekannten Sicken
61,
62 der Bipolarplatte
63 sind in
13 gezeigt. In
12 ist die entlang der Z-Richtung
5 auf die Dichtungsanordnungen
11,
22 bzw. auf die Sicken
61,
62 ausgeübte Anpresskraft
45 (siehe
13) gegen den Federweg aufgetragen. Der Federweg ist gleich der durch die Einwirkung der Anpresskraft
45 bewirkten Verformung der Dichtungsanordnungen
11,
22 bzw. der Sicken
61,
62 entlang der Z-Richtung
5. Der Federweg umfasst im Fall der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen
11,
22 damit sowohl die Verformung der Elastomere
21,
25 als auch die Verformung der Sicken
20,
24 entlang der Z-Richtung
5. Die Sicken des Stands der Technik sind jeweils einteilig mit der entsprechenden Teilplatte der Bipolarplatte gefertigt. Die Kennlinien wurden mit aus dem Stand der Technik bekannten Sicken unterschiedlicher Blechstärke aufgenommen. Im Fall der durchgezogenen Kennlinie beträgt die Blechstärke 0,1 mm. Im Fall der gepunkteten Kennlinie beträgt die Blechstärke 0,075 mm. Beide aus
DE 101 58 772 A1 bekannten Sicken weisen ansonsten identische Geometrien auf. Bei gleichem Kraftniveau weist die Sicke mit der größeren Blechstärke (Kennlinie
64) eine geringere Rückfederung auf als die Sicke mit der geringeren Blechstärke (Kennlinie
65). Die Sicke mit der geringeren Blechstärke (Kennlinie
65) kann nicht soviel Kraft aufnehmen wie die Sicke mit der größeren Blechstärke (Kennlinie
64), wie aus dem insgesamt niedrigeren Verlauf der Kennlinie
65 hervorgeht. Hieraus ergibt sich, dass die konventionelle Sickengeometrie oft nicht für eine dauerhafte Abdichtung ausreicht, wenn Bipolarplatten aus sehr dünnem Material gefertigt werden.
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Dem wird mit der erfindungsgemäßen Sickenform entgegengewirkt. Die strichpunktierte Kennlinie 66 und die gestrichelte Kennlinie 67 der 12 zeigen die entsprechenden Kraft-Weg-Diagramme für erfindungsgemäße Sicken, bei denen im unverpressten und unverbauten Zustand das Elastomer 21 der Dichtungsanordnung 11 und das Elastormer 25 der Dichtungsanordnung 22 entlang der Z-Richtung 5 jeweils um 50 μm über die Scheitelpunkte 32a, 32b, 62a, 62b der seitlichen Erhöhungen 30a, 30b, 60a, 60b überstehen (siehe 13). Die Höhe des Überstands wird dabei in Abhängigkeit von der Kompressibilität des Elastomers 21 gewählt. Die Kurven sind so normiert, dass auf den ersten 0,1 mm Weg nur die Verpressung der beiden Sicken 20, 24 mit Vertiefung und Elastomer dargestellt ist. In diesem Bereich findet überwiegend eine Verpressung des Elastomers 21 bzw. 25 statt, die Sickenschenkel werden nur wenig verpresst, wie an den flachen gestrichelten bzw. strichpunktierten Kennlinien 67 und 66 in diesem Bereich abzulesen ist. In der Messapparatur werden erst nach 0,1 mm Weg auch die beiden Sicken des Stands der Technik verpresst, die keinen Elastomerüberstand aufweisen, wie in 13 angedeutet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass bei den erfindungsgemäßen Bipolarplatten der Anteil des Federweges, der im Wesentlichen dem Elastomerüberstand entspricht, beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels so verpresst wird, dass er bei diesem ersten Verpressungsschritt verbraucht wird und für die eigentliche Dichtwirkung im verbauten Zustand nicht zur Verfügung steht. Dies entspricht in 12 ungefähr einem Federweg von 0 mm bis 0,1 mm. In diesem Bereich werden beim Verpressen zunächst im Wesentlichen nur die überstehenden Elastomere 21, 25 verformt, während die Sicken 20, 24 noch kaum verpresst werden. Daher dient lediglich der Bereich mit einem Federweg von mehr als 0,1 mm der eigentlichen Abdichtung im verbauten Zustand, weshalb sich der Vergleich zwischen den Abdichtsystemen auf diesen Bereich konzentriert.
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Die beiden Kennlinien 66 und 67, die sich auf erfindungsgemäße Bipolarplatten beziehen, unterscheiden sich dadurch, dass die strichpunktierte Kennlinie 66 von einer Bipolarplatte 9 resultiert, bei der die Teilplatten 9a, Ob nur auf einer Seite der Dichtungsanordnungen 11, 22 mit einer Schweißnaht miteinander verbunden sind, wie dies in 9 der Fall ist, während die gestrichelte Kennlinie 67 von einer Bipolarplatte 9 resultiert, bei der die Teilplatten 9a, 9b auf beiden Seiten der Dichtungsanordnungen 11, 22 mit einer Schweißnaht miteinander verbunden sind, wie dies in 3 und 10 gezeigt ist. Dabei wird deutlich, dass das beidseitig verschweißte Sickenpaar höhere Kräfte aufnehmen kann als das nur einseitig verschweißte Sickenpaar, da die gestrichelte Kennlinie 67 eine größere Höhe aufweist als die strichpunktierte Kennlinie 66. Die Elastizität beider Sickenpaare ist vergleichbar, die Kennlinien 66 und 67 haben ähnliche Steigungen.
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Beide Kennlinien 66 und 67 erfindungsgemäßer Bipolarplatten zeigen in ihren rechts dargestellten Ästen jeweils mindestens eine Knickstelle 68 bzw. 69, die jeweils den Übergang von einer gleichzeitigen Verpressung von Blech und Elastomerfüllung zu einer fast ausschließlichen Verpressung des Blechs kennzeichnen. Die Kennlinien 66 und 67 sind im Bereich der fast ausschließlichen Blech-Verpressung rechts der Knickstellen 68 und 69 jeweils wesentlich steiler als im Bereich der gleichzeitigen Verpressung von Blech und Elastomer links der Knickstellen 68 und 69. Im äußerst linken Bereich, d. h. im Bereich zwischen 0 und 0,1 mm Verpressung, weisen die Kennlinien 66 und 67 sehr flache Äste auf, die auf eine überwiegende Elastomer-Verpressung zurückgehen.
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Der Vergleich der beiden Kennlinien 66 und 67 elastomergefüllter Sicken mit der gepunkteten Kennlinie 65 der ungefüllten Sicke aus gleich dickem Blech zeigt, dass die erfindungsgemäßen Sicken sowohl mehr Kraft aufnehmen können, denn die Umkehrpunkte liegen jeweils über denen der gepunkteten Linie 65, als auch elastischer sind, da sie bei Betrachtung eines ganzen Astes, d. h. ggf. auch beiderseits der Knickstellen 68 und 69, einen Anstieg geringerer Steigung aufweisen als die gepunktete Linie 65.
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Zumindest bei Verschweißung auf beiden Seiten der Sicke kann mit der erfindungsgemäßen Sicke bei einer Reduktion der Blechstärke um ¼ eine ähnliche Kraftaufnahme wie mit einer Sicke des Stands der Technik erzielt werden. Sämtliche mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten erzielten Federwege sind elastischer als die des Stands der Technik.
