DE202014008157U1

DE202014008157U1 - Elektrochemisches System

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Publication number: DE202014008157U1
Application number: DE202014008157.3U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: CA2962126C; JP6624693B2; JP2017535915A; CA2962126A1; EP3204974A1; EP3204974B1; WO2016055510A1

Abstract

Elektrochemisches System (1), bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten (2) mit mindestens zwei metallischen Lagen voneinander abgetrennt sind, wobei die Separatorplatten (2) Sicken (3) zur Abgrenzung von Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel (4) in den Zwischenraum der mindestens zwei Lagen der Separatorplatte (2) oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien (5, 6) zu den Zellen hin aufweisen und/oder die Separatorplatten (2) Sicken (7) zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strömungsverminderung oder Strömungsvermeidung im Innenraum der Sicken (3, 7) die Sicke selbst und/oder eine zur Sicke hinleitende Struktur (9) zumindest bereichsweise eine Querschnittsverringerung und/oder einen Querschnittsverschluss aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches System sowie eine Separatorplatte zur Verwendung in einem solchen System.
Das elektrochemische System kann beispielsweise ein Brennstoffzellensystem sein, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie gewonnen wird. Das elektrochemische System kann auch ein elektrochemisches Verdichtersystem, insbesondere ein Elektrolyseur sein, bei dem durch Anlegen eines Potentials neben der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser diese Gase gleichzeitig unter Druck komprimiert werden. Daneben sind auch elektrochemische Verdichtersysteme wie z. B. elektrochemische Wasserstoffkompressoren bekannt, welchen gasförmiger molekularer Wasserstoff zugeführt wird und in denen dieser durch das Anlegen eines Potentials elektrochemisch verdichtet wird. Diese elektrochemische Verdichtung bietet sich insbesondere für geringe Mengen zu verdichtenden Wasserstoffs an, da eine mechanische Kompression des Wasserstoffs hier deutlich aufwändiger wäre.
Es sind elektrochemische Systeme bekannt, bei denen ein elektrochemischer Zellstapel mit einer Schichtung von mehreren elektrochemischen Zellen, welche jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind, aufgebaut sind. Die Separatorplatte wird hier so verstanden, dass sie zwei Lagen umfasst. Die Separatorplatten haben hierbei mehrere Aufgaben:

– Elektrische Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
– Versorgung der Zellen mit Medien, z. B. Reaktionsgasen, und Abtransport von Reaktionsprodukten über eine Kanalstruktur, die in einem elektrochemischen aktiven Bereich angeordnet ist (Gasverteilerstruktur/Flowfield),
– Weiterleiten der bei der Erzeugung in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme, sowie
– Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und nach außen.

Für die Medienzu- bzw. -abfuhr von den Separatorplatten zu den eigentlichen elektrochemischen Zellen, diese sind z. B. MEA (Membrane Electrode Assembly, d. h. Membran-Elektrodeneinheit) mit einer jeweils zu den Separatorplatten hin orientierten Gasdiffusionslage (z. B. aus einem Metall- oder Kohlenstoffvlies), können die Separatorplatten Öffnungen zur Medienzu- und -abfuhr aufweisen. Daneben weisen die Separatorplatten üblicherweise auch Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel (4) in den Zwischenraum der beiden Lagen der Separatorplatte auf.
Grundsätzlich können die Separatorplatten in Bipolarplatten, bei denen auf beiden Oberflächen unterschiedliche Medien geführt werden und Monopolarplatten, bei denen auf beiden Oberflächen einer Monopolarplatte dasselbe Medium geführt wird, unterschieden werden. Meist werden dabei leicht unterschiedliche Monopolarplatten für die beiden unterschiedlichen Medien verwendet. Das Nachfolgende gilt für beide Plattentypen, es sei denn, dass Unterschiede durch explizite Erwähnung hervorgehoben sind.
Bei bekannten Separatorplatten erfolgt die Gasverteilung entlang der MEA bzw. der Gasdiffusionslage mittels Kanal- und Mäanderstrukturen auf beiden Seiten der Separatorplatte.
Es ist bekannt, vor allem bei metallischen Separatorplatten, Kanalstrukturen in diese bzw. deren Lagen einzuprägen und hierbei auch eine Begrenzungswand, die den elektrochemisch aktiven Bereich umgibt, gleich mit einzuprägen. Die Begrenzungswand hat hierbei oftmals sickenförmige Gestalt. Es ist ebenfalls bekannt, die vorgenannten Öffnungen für Medien bzw. Kühlmittel mit Dichtelementen zu umgeben; auch diese haben oftmals sickenförmige Gestalt.
Es hat sich in Einzelfällen als problematisch erwiesen, dass beispielsweise Kühlwasser auf der der elektrochemisch aktiven Seite abgewandten Seite der Separatorplatten, d. h. im Zwischenraum der beiden Lagen einer Separatorplatte auf unerwünschten Wegen geführt wird, d. h. es in extremen Fällen sogar zu einem Bypass der Kühlflüssigkeit kommt, was zu einer zumindest stellenweisen ungenügenden Kühlung führen kann. In der Folge kann es zu unerwarteten Temperaturspitzen sowie unzulässigen Druckverlusten bei der Kühlmittelführung kommen. Dies wiederum kann den Wirkungsgrad des elektrochemischen Systems gegebenenfalls negativ beeinflussen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrochemisches System sowie eine Separatorplatte zur Verwendung in diesem elektrochemischen System zur Verfügung zu stellen, das einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung betrifft zunächst ein elektrochemisches System, bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten mit mindestens zwei Lagen voneinander abgetrennt sind, wobei die Separatorplatten Sicken zur Abgrenzung von Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel in den Zwischenraum der beiden Lagen der Separatorplatte oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien zu den Zellen hin aufweisen und/oder die Separatorplatten Sicken zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs aufweisen, wobei zur Strömungsverminderung oder Strömungsvermeidung im Innenraum der Sicken, insbesondere entlang unerwünschter Wege die Sicke selbst und/oder eine zur Sicke hin leitende Struktur zumindest bereichsweise eine Querschnittsverringerung und/oder einen Querschnittsverschluss aufweist.
Dadurch, dass die Sicke bzw. eine zur Sicke hin leitende Struktur mindestens eine Querschnittsverringerung bzw. einen Querschnittsverschluss aufweist, wird eine gezielte Kühlmittelführung erreicht, so dass ein den Wirkungsgrad beeinträchtigender Bypass vermieden wird. Eine Vermeidung eines solchen Bypass-Verlustes erlaubt es somit, das elektrochemische System mit einer geringeren Kühlmitteldurchflussmenge zu betreiben. Dies bedeutet weiterhin, dass beispielsweise kleinere Pumpen für den Kühlmittelumlauf verwendet werden können, d. h. ein geringerer elektrischer Aufwand gegeben ist zur Umwälzung des Kühlmittels. Die Lage und die Menge der Elemente zur Querschnittsverringerung/zum Querschnittsverschluss sind so gewählt, dass nur an der gewünschten Stelle der Durchtritt von Flüssigkeit in die Sicke verhindert wird. Dies gewährleistet, dass der von der Sicke gebildete Hohlraum nicht vollständig verschlossen werden muss und somit die Sicke weitgehend ungehindert federn kann, um eine bei sämtlichen Betriebsverhältnissen dichtende Funktion zu bieten. Wenn die zu der Sicke hinführenden Struktur im Innenraum der Separatorplatte einer Struktur zur Begrenzung bzw. Optimierung des Medienflusses in dem elektrochemisch aktiven Bereich auf der Außenseite der Separatorplatte gegenüberliegt, ist ein vollständiger Verschluss weniger kritisch, da diese Strukturen zum einen regelmäßig eine geringere Bauhöhe aufweisen und zum anderen steifer ausgelegt sein können, so dass das Gesamtfederverhalten des Dichtsystems der Separatorplatte nicht negativ beeinflusst wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Dach der Sicke in mindestens einer Lage zu einer Außenseite der Separatorplatte weist und die Querschnittsverringerungen und/oder Querschnittsverschlüsse in einem Zwischenraum der Separatorplatte angeordnet sind. Die Sicken sind hier vorzugsweise in die Separatorplatte als integraler Abschnitt eingeprägt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die zu der Sicke hinleitenden Strukturen im Innenraum der Separatorplatte Stegen und/oder Begrenzungselementen zur Flusssteuerung von Medien auf mindestens einer der Außenseiten der Separatorplatte gegenüber liegen.
Dies können beispielsweise Strukturen sein, wie sie in der DE 10 2007 048 184 B3 gezeigt sind, siehe dort beispielsweise 2a, 2b und 5. Die Einzellagen der Separatorplatten der DE 10 2007 048 184 B3 weisen eine Grundebene auf, aus der eine Kanalstruktur herausragt. Weiter weisen die Einzellagen Öffnungen zur Medienzu- und -abfuhr auf. Die Kanalstruktur sowie die Öffnungen sind von einer ggf. mit Öffnungen zur Mediendurchführung versehenen Begrenzungswand, insbesondere sickenförmigen Begrenzungswand umgeben. Im Bereich zwischen Begrenzungswand und dem äusseren Rand der Kanalstruktur ist auf mindestens einer Außenseite einer Bipolarplatte, vorzugsweise aber auf beiden Außenseiten der Separatorplatte mindestens ein Begrenzungselement zur Verhinderung des Vorbeiströmens von Medium im Grenzbereich zwischen Begrenzungswand und Kanalstruktur vorgesehen. Mit diesen Begrenzungselementen wird somit also ein Vorbeiströmen (Bypass) von Medium an der Kanalstruktur weitgehend verhindert. Hierdurch wird eine gleichmässige Medienverteilung über die Kanalstruktur erreicht und auf diese Weise die unerwünschten Leistungsschwankungen ausgeschlossen. Auch im elektrochemischen System der DE 10 2007 048 184 B3 weisen die MEAs zu den Separatorplatten zeigende Gasdiffusionslagen auf. Es ist dabei bevorzugt, dass die betreffende Gasdiffusionslage nicht nur die Kanalstruktur, sondern auch noch zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt. Hierdurch kommt es zu einer zusätzlichen Verpressung der Gasdiffusionslage in diesem Bereich, die stärker ist als die Verpressung im Bereich der ”normalen” Kanalstruktur. Auch hierdurch wird ein Vorbeifließen von Medium im fraglichen Bereich zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand also nochmals stärker verhindert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein Übergangsbereich von einer Sicke zu einer zur Sicke hinleitenden Struktur gegeben ist, wobei die zur Sicke hinleitende Struktur einen Vorhof relativ zur Sicke aufweist, und im Bereich dieses Vorhofes eine Querschnittsverringerung und/oder ein Querschnittsverschluss angeordnet ist. Der Vorhof bildet sich oftmals durch Übergänge zu den vorgenannten Begrenzungselementen auf der elektrochemisch aktiven Seite auf dessen Rückseite, d. h. im Innern der Sicke aus. Die Verwendung eines solchen Vorhofs hat den Vorteil, dass ein genaues Positionieren von Elementen bzw. Medien zur Querschnittsverringerung/zum Querschnittsverschluss leicht möglich ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsverringerung oder der Querschnittsverschluss durch Füllung und/oder durch Verformung eines Abschnitts der Separatorplatte gegeben ist. Die Verformung kann dadurch realisiert werden, dass die Sicke im Bereich ihres Daches eine Wölbung aufweist, die den Querschnitt der Sicke verringert. Diese erstreckt sich dann vorzugsweise entlang des gewünschten Sickenabschnitts. Vorzugsweise ergibt sich dabei aber keine wesentliche Änderung der Federsteifigkeit der Sicke gegenüber den angrenzenden Abschnitten. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn beiden den Innenraum der Separatorplatte begrenzenden Sicken mit einer solchen Verformung versehen sind, wobei die Verformungen in beiden Lagen unterschiedliches Ausmaß aufweisen können.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsverringerung der Sicke bzw. der zur Sicke führenden Struktur mindestens 30%, vorzugsweise 60%, besonders vorzugsweise 90% des angrenzenden unverringerten Querschnitts beträgt. Hierdurch wird ersichtlich, dass nicht ein kompletter Querschnittsverschluss notwendig ist. Es ist hinreichend, dass der Strömungswiderstand in Richtung des unerwünschten Bypasses derart erhöht wird, dass kein nennenswerter Bypass von Kühlflüssigkeit stattfindet und stattdessen die erwünschten Kühlwasserwege eingehalten werden. Dieser partielle Verschluss kann beispielsweise auch dahingehend vorteilhaft sein, dass das Federverhalten der Sicke weniger beeinflusst wird als mit einem Komplettverschluss, zumindest als bei einem Komplettverschluss mit einem nicht federnden Element.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsverringerung im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zu einer Hauptebene der Separatorplatte verläuft. Hier sind prinzipiell verschiedene Varianten möglich, die von der Art des Auftrags der querschnittsverschließenden/querschnittsverringernden Elemente bzw. Medien abhängen. Entscheidend hierbei kann auch die Beeinflussung des Federverhaltens der Sicke sein. Wichtig ist lediglich festzustellen, dass der Querschnittsverschluss nicht komplett sein muss und es für die Ausführung der Erfindung ausreichend ist, wenn der Gesamtströmungswiderstand entlang unerwünschter Wege erfindungsgemäß erhöht wird.
Bei der Füllung bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Möglich ist es beispielsweise, dass die Füllung pfropfenförmig ausgebildet ist, wobei über eine Separatorplatte verteilt ein oder mehrere Pfropfen angeordnet sind.
Alternativ kann die Füllung auch als mindestens ein Einlegeelement ausgeführt sein, wobei es beispielsweise auch möglich ist, an mehreren Punkten gleichzeitig mit einem einzigen Einlegeelement Verschlüsse/Querschnittsverringerungen zu erzielen.
Eine Möglichkeit ist außerdem, dass die Füllung mit einem Fluid erreicht wird. Vorteilhaft hierbei ist, dass dies großindustriell mit bewährten Verfahren geschehen kann. Hierbei ist es möglich, dass das verfüllte Fluid als durch CIPG („cured in place gasket”, d. h. an der Anwendungsstelle ausgehärtete(s) Dichtung/Dichtmaterial) und/oder Drucken, insbesondere Siebdruck, Schablonendruck oder 3D-Druck, aufgebrachte Struktur ausgebildet ist.
Hierbei ist es außerdem möglich, dass das Fluid selbstaushärtend und/oder selbstaufschäumend ausgebildet ist.
Hierbei kann die Aushärtung und/oder Ausschäumung durch Feuchtigkeit und/oder Temperatur ausgelöst werden. Die Idee ist hierbei, dass durch eine gezielte Prozessführung ein ursprünglich flüssiges Material so gezielt eingestellt werden kann, dass die Querschnittsverringerung/der Querschnittsverschluss an der gewünschten Stelle sicher erzielt wird. Beispielsweise kann durch gezieltes Erhitzen innerhalb des Prozesses, beispielsweise auf eine Temperatur von 250°C, eine Aushärtung bzw. Ausschäumung erfolgen. Diese Temperatur ist so hoch, dass bei einem normalen Betrieb des elektrochemischen Systems diese Temperatur später nicht erreicht wird.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass im späteren Betrieb des Systems eine langfristige Temperaturstabilität der Füllung von –40°C bis +120°C gegeben ist, da dies die (beispielsweise für einen Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs) üblichen Temperaturbereiche darstellt.
Geeignete aushärtende und/oder aufschäumende Materialien sind beispielsweise Polyurethanschäume, mittels Treibmitteln und/oder Microsphären aufschäumbare Polymere oder Elastomere, wie z. B. Polyethylen, Silikon, Polystyrol, Fluorelastomere und/oder PTFE.
Vorteilhaft ist außerdem, dass die Füllung so ausgebildet ist, dass diese chemisch inert ist und insbesondere stabil gegen demineralisiertes Wasser, Glykol und/oder Thermoöle ist. Somit wird gewährleistet, dass auch durch den langjährigen Betrieb mit Kühlmitteln bzw. anderen Stoffen die Füllung in ihrer Langzeitstabilität nicht beeinträchtigt wird und somit die gewünschte Querschnittsverringerung/der gewünschte Querschnittsverschluss entsprechend aufrechterhalten bleibt.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass das Material der Füllung so nachgiebig ist (selbst nach Aushärten/Ausschäumen), dass das Federverhalten der Sicke im gefüllten Bereich nur minimal beeinflusst ist. Dies kann zum einen dadurch erzielt werden, dass es sich bei der Füllung um ein kompressibles Elastomer handelt. Andererseits kann dies im Falle einer unvollständigen Füllung auch dadurch erreicht werden, dass die Füllung verformbar ist.
Es ist weiterhin möglich, den Querschnittsverschluss bzw. die Querschnittsverringerung durch Einlegeelemente aus Metall und/oder aus Kunststoff bereitzustellen. Hierbei ist es auch möglich, dass ein aus Metall bestehendes Einlegeelement ein- oder beidseitig hochgestellte Flügel zur Querschnittsverringerung des Einlegeelements aufweist. Vorteil ist hier, dass ein solches Element mit geringen Toleranzen auch großindustriell schnell und kostengünstig herstellbar ist. Es ist aber auch möglich, Hybridbauteile vorzusehen, beispielsweise dass das Einlegeelement als Metallteil mit aufgesetzten Kunststoffabschnitten ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Einlegeelement senkrecht zur Separatorplattengrundfläche nach oben und nach unten hin Auswölbungen aufweist. Hierdurch wird eine gezielte dreidimensionale Anpassung des Einlegeelements an die Separatorplattenstruktur erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Einlegeelement bereichsweise schlauch- oder katheterförmig ist. Vorteil einer solchen Ausführung ist, dass durch den verbleibenden Resthohlraum des Einlegeelements die Federsteifigkeit des Einlegeelements gering bleibt, beispielsweise wird bei einem Druck auf den Mantel eines Schlauchs die Nachgiebigkeit höher sein als bei einem Druck auf einen entsprechenden Vollzylinder aus demselben Material. Das Durchströmen wird hier durch den teilweisen oder kompletten Verschluss des Einlegeelements verringert bzw. unterbunden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Einlegeelement Hinterschneidabschnitte zum Positionieren/Halten in Hohlbereichen der Separatorplatte aufweist. Hierdurch wird es möglich, das Einlegeelement genau auf die Separatorplattenstruktur hin anzupassen und einen sicheren Halt des Einlegeelements/eine definierte geometrische Beziehung während der Herstellung und vor allem im Betrieb zu erreichen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Füllung des zu verschließenden Bereichs so beschaffen ist, dass diese in Ultraschall- oder Röntgenbildern von einem Metallmaterial der Separatorplatte abgrenzbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine thermographische Abgrenzung oder ähnliches möglich. Auf diese Weise kann mit großindustriell einsetzbaren Prüfverfahren sichergestellt sein, dass die Querschnittsverschlüsse/Querschnittsverringerungen an den gewünschten Stellen und/oder nur an diesen gegeben sind.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Sicke als Vollsicke ausgeführt ist. Diese Sicke kann beispielsweise V-förmige Gestalt annehmen bzw. U-förmige Gestalt etc.; dies sind Beispiele für eine federnde Struktur, die auch mit einer Füllung/partiellen Querschnittsverringerung/einem partiellen Querschnittsverschluss versehen werden kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die die mindestens zwei Lagen der Separatorplatte aus Stahl, insbesondere Edelstahl ausgeführt sind und gegebenenfalls abschnittsweise oder vollflächig mit einer Beschichtung versehen sind. Hierbei ist es unter Umständen auch schon möglich, sowieso aufzutragende Beschichtungen in bestimmten Bereichen, die zum Innenraum der Sicke weisen, stärker zu gestalten, um somit die gewünschte Querschnittsverringerung/den gewünschten Querschnittsverschluss im Sinne der Erfindung herbeizuführen.
Ein großindustrielles Anwendungsbeispiel ist beispielsweise, dass die mindestens zwei Lagen der Separatorplatte als Metallprägeteil ausgeführt sind, die dann teilweise oder vollständig beschichtet werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Öffnungen der Separatorplatte zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel in den Zwischenraum der mindestens zwei Lagen der Separatorplatte oder Ab- und Zufuhr von Medien mit Sicken versehen sind. Dies sind mögliche Hauptanwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung. Im weiteren Verlauf können die Sicken Durchbrüche zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einen Hohlraum im Innern der Separatorplatte oder zu dem elektrochemisch aktiven Bereich auf den jeweiligen Aussenseiten der Separatorplatte hin aufweisen.
Hier soll noch kurz der Unterschied zwischen einem bipolaren und einem monopolaren Aufbau und damit zwischen einer Ausbildung der Separatorplatten als Bipolarplatten bzw. Monopolarplatten erläutert werden. Bei einem monopolaren System wird auf beiden äußeren Oberflächen des elektrochemisch aktiven Bereichs einer ersten Monopolarplatte, die in der Abfolge innerhalb eines elektrochemischen Systems eine ungerade Nummer aufweist dasselbe erste Medium, z. B. Wasserstoff, geführt. Auf beiden äußeren Oberflächen des elektrochemisch aktiven Bereichs einer zweiten Monopolarplatte, die in der Abfolge innerhalb eines elektrochemischen Systems eine gerade Nummer aufweist, wird hingegen dasselbe zweite Medium, z. B. Luft, geführt. Monopolarplatten mit gerader Nummer weisen dabei vorteilhafterweise untereinander jeweils denselben Aufbau auf; Monopolarplatten mit ungerader Nummer weisen dabei vorteilhafterweise untereinander jeweils denselben, oft von den Monopolarplatten mit gerader Nummer abweichenden Aufbau auf, auch in Bezug auf den Zwischenraum und die Sicken können Unterschiede gegeben sein. In einem bipolaren System wird hingegen immer auf der zum selben Ende eines Plattenstapels weisenden Außenfläche der Bipolarplatte das erste Medium, z. B. Wasserstoff, geführt. Auf der zum anderen Ende des Plattenstapels weisenden Außenfläche der Bipolarplatte wird hingegen das zweite Medium, z. B. Luft, geführt. Folglich ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Bipolarplatten eines Stapels bzw. eines elektrochemischen Systems denselben Aufbau aufweisen.
Neben den oben beschriebenen Gegenstände, die am Beispiel eines elektrochemischen Systems aufgezählt wurden, ist auch eine Separatorplatte zur Verwendung in einem solchen System Gegenstand der Erfindung. Sämtliche oben genannten Merkmale, die in einer Separatorplatte verwirklich sind, sind somit Teil einer erfindungsgemäßen Separatorplatte und somit auch für sich genommen Schutzgegenstand dieser Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert, die sich sämtlich auf ein Brennstoffzellsystem beziehen. Analoges gilt aber ebenso für elektrochemische Kompressoren und elektrochemische Verdichter. Es zeigen:
1 bis 3: den Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems am Beispiel eines Brennstoffzellenstapels,
4a und 4b: Draufsichten auf unterschiedlich ausgestaltete Bipolarplatten (von der Außenseite, d. h. der elektrochemisch aktive Bereich ist gut sichtbar),
5a und 5b: Draufsichten auf erfindungsgemäße Separatorplatten (von der Innenseite, d. h. die Kanäle zur Kühlmittelführung sind gut sichtbar),
6a bis 6g: Sicken sowie zu Sicken hinführende Strukturen, die vorzugsweise durch eine Füllung zumindest bereichsweise verschlossen sind,
7a bis 7d: Einlegeelemente zur Querschnittsverringerung bzw. zum Querschnittsverschluss,
8: einen Querschnitt einer Sicke mit Querschnittsverringerung durch Verformung des Sickendachs, und
9: eine tabellarische Gegenüberstellung von Druckverlusten und Maximaltemperaturen unterschiedlicher elektrochemischer Systeme.
1 bis 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau eines elektrochemischen Systems in Form eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellenstacks) 1. Dieser weist eine Schichtung mehrerer Brennstoffzellenanordnungen auf, wie sie in 2 gezeigt sind. Die Schichtung dieser Brennstoffzellenanordnung wird von Endplatten zusammengehalten, die eine Druckspannung auf die Schichtung der Brennstoffzellenanordnung aufbringen.
Verschiedene Medien werden durch den Brennstoffzellenstapel geführt. Dies sind beispielsweise Wasserstoff (H₂), der durch Zu- und Abführöffnungen 5 geführt wird. Außerdem ist dies Luft, die durch Zu- und Abführöffnungen 6 geführt wird (alternativ ist auch molekularer Sauerstoff (O₂) möglich). Schließlich ist dies eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, die durch Zu- und Abführöffnungen 4 geführt wird.
2 und 3 zeigen Details des inneren Aufbaus der Brennstoffzellenanordnung. Hierbei zeigt 2 eine Schicht aus dem Brennstoffzellenstapel (d. h. in der x-y-Ebene), genauer eine Draufsicht auf eine Separatorplatte 2. Ein Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel (x-z-Ebene) ist in 3 gezeigt.
Hierbei ist mindestens eine Zelle (Brennstoffzelle) 14 vorgesehen, welche eine ionenleitfähige Polymermembran 140 aufweist, die zumindest in einem elektrochemisch aktiven Bereich 8 mit einer Katalysatorschicht 141, 142 beidseitig versehen ist. Außerdem sind mehrere Separatorplatten 2 gezeigt, zwischen denen die Brennstoffzelle 14 angeordnet ist. Daneben sind Verschweißungen 17 zur Verbindung zweier metallischer Lagen, genauer zweier Metallprägeteile 2a, 2b zu einer Separatorplatte 2 gezeigt. Im Bereich zwischen jeder Separatorplatte und der nächstliegenden Brennstoffzelle ist außerdem eine Gasdiffusionslage 15 angeordnet. 3 zeigt einen Schnitt vergleichbar Schnitt F-F in 2. Hierbei läuft eine Sicke 3 um eine Öffnung 5 für Wasserstoff um und begrenzt so diese Durchgangsöffnung 5. Eine im Randbereich der Separatorplatte 2 umlaufende Sicke 7 bildet ebenfalls eine Begrenzungswand und sorgt so für eine Abdichtung des elektrochemisch aktiven Bereichs 8, so dass keine Kühlflüssigkeit bzw. Medien aus diesem Bereich nach außen treten können bzw. umgekehrt. Dies lässt sich anhand des Schnittes E-E in 2 nachvollziehen, bei dem der elektrochemisch aktive Bereich 8 nicht wie im Schnitt F-F durch eine Durchgangsöffnung 5 vom Außenrand der Separatorplatte getrennt ist. Die Sicken 3 und 7 sind in den schematischen Darstellungen nach 1 und 2 allerdings nicht explizit eingezeichnet. Wie in 1 und 2 besser zu erkennen ist, enthalten die Separatorplatten meist sechs, manchmal auch mehr fluchtende Öffnungen (”Interface-Kanäle”). Dies sind zum einenmindestens zwei Öffnungen zum Durchleiten von Kühlflüssigkeit, wobei die entsprechenden Öffnungen jeweils auch von einer weiteren Sickenanordnung (nicht explizit dargestellt) umgeben ist. Außerdem sind wie die in 3 stellvertretend gezeigte Öffnung 5 mindestens jeweils zwei Öffnungen 5 und zwei Öffnungen 6 zur Medienzu- und -abfuhr in den elektrochemisch aktiven Bereich vorgesehen, welche von weiteren Sickenanordnungen (ebenfalls nicht explizit dargestellt) begrenzt werden. Außerdem sind Durchführöffnungen für in 1 nicht dargestellte Verspannbolzen möglicherweise vorzusehen.
Anhand von 3 soll auch kurz der Unterschied zwischen einem bipolaren und einem monopolaren Aufbau und damit zwischen einer Ausbildung der Separatorplatten als Bipolarplatten bzw. Monopolarplatten erläutert werden. In beiden Fällen wird im Zwischenraum zwischen den beiden metallischen Lagen 2a, 2b einer Separatorplatte 2, d. h. jeweils auf der Rückseite des elektrochemisch aktiven Bereichs 8 der Separatorplatte 2 Kühlmittel K geführt. Handelt es sich bei M1 und M3 einerseits um dasselbe erste Medium, z. B. Wasserstoff und bei M2 und M4 andererseits um dasselbe zweite Medium, z. B. Luft, so liegt ein bipolarer Aufbau vor und alle Bipolarplatten 2 weisen vorzugsweise denselben Aufbau auf. Handelt es sich hingegen bei M1 und M4 einerseits um dasselbe erste Medium, z. B. Wasserstoff und bei M2 und M3 andererseits um dasselbe zweite Medium, z. B. Luft, so liegt ein monopolarer Aufbau vor. Auf beiden Außenflächen einer Monopolarplatte 2 liegt somit dasselbe Medium vor. Bei einem monopolaren Aufbau sind zumindest sämtliche Monopolarplatten mit ungerader Nummer in ihrer Abfolge in einem Plattenstapel einerseits sowie sämtliche Monopolarplatten mit gerader Nummer in ihrer Abfolge in einem Plattenstapel andererseits jeweils vorzugsweise identisch gestaltet.
4a zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer beispielhaften Separatorplatte. Zu sehen ist hier eine Öffnung für Medienzu- bzw. -abfuhr 6, die von einer kreisringförmigen Vollsicke 3 umgeben ist. Diese Vollsicke bzw. Sickenanordnung weist Durchbrüche 30 zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einem Hohlraum der Separatorplatte zum elektrochemisch aktiven Bereich 8 hin auf. Die gezeigte Separatorplatte ist aus Metall, wobei die Kanalstrukturen bzw. die Begrenzungswände beispielsweise als Einprägungen in beiden Lagen 2a, 2b der Separatorplatte, von denen nur die Lage 2a sichtbar ist, ausgeführt sind.
In 4a ist hier lediglich zur Verdeutlichung die obere linke Ecke der Separatorplatte gezeigt. und zwar die ”Aussenseite”, also die Seite, auf der die Medienführung durch den elektrochemisch aktiven Bereich 8 erfolgt. Mit ”Innenseite” wird später die Seite der Lage der Separatorplatte 2 bezeichnet, auf der das Kühlmittel geführt wird bzw. auf der sich zwischen beiden Lagen 2a, 2b der Zwischenraum für das Kühlmittel ausbildet. Die Leitung von Medien durch den elektrochemisch aktiven Bereich 8 erfolgt derart, dass die Stelle der Einleitung des Mediums und die Stelle der Ausleitung des Mediums an jeweils maximal entfernten Punkten des elektrochemisch aktiven Bereichs erfolgen, vorzugsweise an den Flächendiagonalen der Flächenebene, wie sie in 4a gezeigt ist. Der Verlauf der Sicke 7 ist in zwar schlangenförmig gezeigt, dies ist aber beispielhaft zu verstehen. Außerdem ist bei schlangenförmigen Verlauf der Sicke 7 e Ein zur Kanalstruktur des elektrochemisch aktiven Bereichs 8 hin naheliegender Abschnitt der Sicke 7 ist mit der Kanalstruktur über ein Begrenzungselement 16 verbunden.
Hier ist auch entnehmbar, dass das Begrenzungselement 16 im Wesentlichen zur Sicke 7 quer verläuft bzw. auch im Wesentlichen quer zu den der Sicke nächsten (äußersten) Elemente der Kanalstruktur des elektrochemisch aktiven Bereichs. Weiter ist erkennbar, dass die Sicke 7 die Sicke 3 abschnittsweise zum Außenrand der Separatorplatte hin umgibt.
4b zeigt eine alternative Ausführungsform zur in 4a gezeigten Separatorplatte 2. Im Unterschied zu der in 4a gezeigten Separatorplatte sind mehrere Begrenzungselemente 16 vorgesehen. Diese sind voneinander beabstandet, so dass zwei benachbarte Begrenzungselemente 16 jeweils Kammern zwischen der Kanalstruktur des elektrochemisch aktiven Bereiches 8 und der Sicke 7 bilden. Der Wiederholabstand einzelner Begrenzungselemente 16 ist hierbei vorzugsweise größer als 2 mm, besonders vorzugsweise größer als 5, besonders bevorzugt größer als 10 mm. Der Abstand entspricht dabei auch einer Wellenlänge der schlangenförmig verlaufenden Sicke 7.
Es ist also ersichtlich, dass in den 4a bzw. 4b Begrenzungselemente 16 vorgesehen sind, welche einen Bypass, also ein Vorbeifließen von Medium zwischen der Sicke 7 sowie den äußersten Elementen der Kanalstruktur des elektrochemisch aktiven Bereichs 8 verhindern. Festzuhalten ist, dass diese Begrenzungselemente 16 Querstege bilden, also nicht als Zuleitungssicken für Medienkanäle ausgeführt sind. Ihr Querschnitt ist sickenförmig, weist aber eine geringere Höhe als die Sicken 3, 7 auf.
Auf diese Weise wird der Fluss vom Medium auf der Oberseite der Bipolarplatte, also in dem elektrochemisch aktiven Bereich 8, der beispielsweise von der Medienzuführöffnung 5 ausgeht, durch die mäanderförmig ausgeführte Kanalstruktur des elektrochemisch aktiven Bereiches 8 erzwungen. Bei einem eingangs beschriebenen elektrochemischen System nach 1 bis 3 mit den beispielhaften Separatorplattenstrukturen der 4a und 4b ist eine sehr gute Trennung der Medien (beispielsweise Wasserstoff/Sauerstoff) sowie Kühlmedien von einander möglich. Problematisch kann allerdings sein, dass die auf der Rückseite der in 4a und 4b gezeigten Lagen der Separatorplatten, d. h. im Zwischenraum der Separatorplatten befindlichen Kühlkanäle mitunter die Führung des Kühlmediums unerwünschte Bypässe aufweisen kann, insbesondere da sich durch die vorgenannten Strukturen zusätzliche Hohlräume ausbilden.
Dies ist im Folgenden anhand der 5a ff. erläutert. Es sei bemerkt, dass die in den 5a ff. gezeigten Geometrien der Separatorplatte von denen der vorherigen Zeichnungen abweichen; die exakten Geometrien sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Allen gemeinsam ist die Grundstruktur (Medienführung von Luft/O₂ bzw. H₂) auf den Außenseiten, Führung von Kühlmedium im Zwischenraum der Separatorplatte sowie die prinzipielle Führung dieser Medien.
5a zeigt die Innenseite einer Lage 2a einer Separatorplatte 2, d. h. die Innenseite eines Metallprägeteils mit einer eingeprägten Sicken- und Kanalstruktur. Die in 5a gezeigten Vertiefungen sind geeignet, ein Kühlmedium zu führen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hierbei leidglich ein Metallprägeteil gezeigt, dieses wird durch ein weiteres, darauf abzulegendes Metallprägeteil zu einer Separatorplatte ergänzt, beispielsweise laserverschweißt, so dass sich ein innerer Hohlraum zur Führung von Kühlflüssigkeit ergibt, beispielsweise wie dies in 3 gezeigt ist (s. dortige Verschweißungen 17).
Ein Kernproblem bei bisherigen Separatorplatten ist, dass beispielsweise durch eine Öffnung 4 zugeführtes Kühlmittel zwar zu der Kanalstruktur auf der Rückseite des elektrochemisch aktiven Feldes 8 geführt wird. Dies geschieht prinzipiell dadurch, dass die von einer Sicke 3 umgebene Öffnung 4 wiederum in ihren Sicken 3 Flankenöffnungen 30 aufweist, so dass das Kühlmittel in der Blattebene hin zu der mäanderförmigen Struktur auf der Rückseite des elektrochemisch aktiven Feldes 8 geführt wird. Problematisch ist hierbei, dass Kühlmittel auch in die umlaufende Sicke 7, die um den elektrochemisch aktiven Bereich herum angeordnet ist, gelangen kann und damit am zu kühlenden Bereich vorbeifließt.
Um dieses Problem erfindungsgemäß zu umgehen, wird daher auf der Rück- bzw. Innenseite der Sicke 7, d. h. im Zwischenraum zwischen den beiden Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 eine Füllung 11 zur Querschnittsverringerung bzw. zum Querschnittsverschluss vorgesehen, um Bypässe von Kühlflüssigkeit zu vermeiden. In 5a sind hier zwei Möglichkeiten der Füllung durch die Großbuchstaben A und C gezeigt. Dies ist zum Einen im Bereich der Begrenzungselemente 16 eine bereichsweise Füllung 11 der Sicke 7, zum Anderen im Bereich um die Öffnung 4 herum an zwei Stellen eine Füllung der Sicke 7. Mit solchen Elementen zur Querschnittsverringerung bzw. zum Querschnittsverschluss wird erreicht, dass das Kühlmittel auf die gewünschte Weise durch die Kühlkanäle geführt wird. Während hier die Füllungen 11 in den Bereichen A notwendig sind, da sie in Bezug auf die Gesamtflussrichtung des Kühlmittels in Bereichen liegen, zu denen das Kühlmittel hinfließt, sind die Füllungen 11 in den Bereichen C optional, da sie in Bezug auf die Gesamtflussrichtung des Kühlmittels in Bereichen liegen, von denen das Kühlmittel wegfließt. Die Füllungen 11 in den Bereichen C können mit Verschlüssen an den Auslassenden von Rohren verglichen werden. Ohne die Füllungen 11 in den Bereichen C stünde in den Abschnitten der Sicke 7 zwischen den Bereichen A und den im dargestellten Fall mit C bezeichneten Bereich Kühlmittel ohne zu fließen. Im gezeigten Fall sind die betreffenden Sickenabschnitte aber leer, was ein etwas geringeres Gesamtgewicht zu Folge hat und deshalb vorteilhaft ist.
Alternativ ist es auch möglich, wie in 5b gezeigt, die zu der Sicke hinleitenden Strukturen, wie die Vorhöfe 10 in 5b mit einer Füllung 11 zu verschließen, siehe dort die B gekennzeichneten Bereiche. Vorteilhaft dabei ist, dass das Federverhalten der Sicke noch weniger beeinflusst wird, da diese selbst nicht gefüllt wird. Ein Vergleich des oberen Endes des rechten Bereichs B mit dem oberen Ende des linken Bereichs B deutet an, dass die Füllungen untereinander verbunden sein können oder unabhängig voneinander ausgebildet sein können. In den Bereichen C, die wie zuvor nur optional gefüllt sind, ist dagegen eine Füllung 11 der Sicke 7 zur Verringerung und/der zum Verschluss des Querschnitts des Zwischenraums zwischen den Sicken 7 beider metallischer Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 vorgesehen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung gibt es verschiedene Möglichkeiten, entweder die Sicken oder auch die zu den Sicken hinführenden Elemente teilweise oder gänzlich in ihrem Querschnitt zu füllen, so dass kein Kühlmittel mehr aus dem den elektrochemisch aktiven Bereichen 8 auf der Außenseite der Separatorplatte 2 im Innenraum der Separatorplatte gegenüberliegenden Bereich 8', in dem Kühlmittel geführt wird, zu den Sicken 3, 7 hin- bzw. hindurchgeleitet werden kann.
Dies ist prinzipiell dadurch möglich, dass die entsprechenden Hohlräume bzw. Zwischenräume mit einer Füllung 11 versehen werden, diese kann beispielsweise als Fluid oder als festes Einlegeelement verwirklicht sein. Beispiele hierfür werden vor allem mit Bezug auf die folgenden 6a bis 7d dargestellt.
Bei allen diesen Ausführungsformen handelt es sich also um Varianten eines elektrochemischen Systems 1, bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten 2 mit mindestens zwei metallischen Lagen 2a, 2b voneinander abgetrennt sind, wobei die Separatorplatten in den mindestens zwei Lagen 2a, 2b jeweils Sicken 3 zur Abgrenzung von Öffnungen zur Kühlung 4 oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien 5, 6 zu den Zellen hin aufweisen und/oder die Separatorplatten in den mindestens zwei Lagen 2a, 2b jeweils Sicken 7 zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs 8 aufweisen, wobei zur Strömungsverminderung oder Strömungsvermeidung innerhalb der Sicken 3, 7 mindestens eine dieser Sicke selbst und/oder eine zu mindestens einer dieser Sicken hinleitende Struktur 9 zumindest bereichsweise eine Querschnittsverringerung und/oder einen Querschnittsverschluss aufweist.
Die Querschnittsverringerungen und Querschnittsverschlüsse sind vorzugsweise auf einer von den Außenseiten der Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 weg weisenden Innenseite der Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2, vorzugsweise auf beider dieser Innenseiten der Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 und somit im Zwischenraum der Separatorplatte 2 angeordnet.
Die Querschnittsverringerung kann bei erfindungsgemäßen Systemen mindestens 30%, vorzugsweise 60%, besonders vorzugsweise 90% des angrenzenden unverringerten Querschnittes betragen. Im Folgenden werden primär Beispiele für eine Querschnittsverringerung oder einen Querschnittsverschluss durch Füllung bzw. durch Einlegelemente gezeigt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, durch eine entsprechende partielle Verformung eines Abschnitts der Separatorplatte, insbesondere eine(n) sich entlang der Erstreckungsrichtung der Sicke erstreckende Querschnittsverringerung bzw. Querschnittsverschluss herzustellen, wie in 8 illustriert ist.
Die im Folgenden gezeigten Füllungen sind, sofern nicht übergreifende Einlegeelementen verwendet werden, beispielsweise als einzelne oder mehrere Pfropfen ausgebildet. Hierzu ist zu bemerken, dass die Anzahl dieser Querschnittsverringerungen/-verschlüsse durch Pfropfen primär davon abhängt, wie der Strömungswiderstand eingestellt werden soll.
Alle in den Beispielen 6b bis 6g gezeigten Füllungen können beispielsweise auch durch Verfüllung mit einem Fluid aufgebracht werden. Hierbei ist es möglich, dass zu verfüllende Fluid durch CIPG und/oder durch Drucken, insbesondere Sieb-Druck, Schablonendruck und/oder 3D-Druck aufzubringen. Das Fluid kann hierbei selbstaushärtend und/oder selbstausschäumend ausgeführt sein. Durch eine kurzzeitige Erhöhung auf beispielsweise 200°C während des Produktionsprozesses kann es hierbei zu einer Aushärtung/Ausschäumung des aufgetragenen Fluids kommen, alternativ ist dies auch durch eine gezielte Befeuchtung, beispielsweise mittels Durchleitens befeuchteter Luft möglich.
Geeignete aushärtende und/oder aufschäumende Materialien sind beispielsweise Polyurethanschäume, mittels Treibmitteln und/oder Microsphären aufschäumbare Polymere oder Elastomere, wie z. B. Polyethylen, Silikon, Polystyrol, Fluorelastomere und/oder PTFE. Sämtliche dieser Stoffe eignen sich für eine temperaturstabile Füllung im beispielweise für Kraftfahrzeuge notwendigen Temperaturspektrum von –40°C bis 120°C. Aus Sicherheitsgründen und für die Langzeitstabilität ist es hierbei vorteilhaft, wenn diese Füllungen einer Temperatur von beispielsweise 250°C kurzfristig zerstörungsfrei ausgesetzt werden können. Ferner sind diese Stoffe auch gegen demineralisiertes Wasser, Glykol und/oder Thermoöle stabil.
Es ist vorteilhaft, wenn die Stoffe einerseits den gewünschten Raum dauerhaft ausfüllen und chemisch inert sowie alterungsbeständig sind. Andererseits muss die Dichte der Füllungen nicht allzu hoch sein. Dies bietet ggf. Nachteile beim Gewicht bzw. bei der Verpressbarkeit/Federsteifigkeit (das Federverhalten der Sicke kann ggf. dadurch negativ beeinflusst werden). Wichtig ist lediglich, dass der Strömungswiderstand erhöht wird, dies ist auch bereits mit Materialien von geringer Dichte möglich.
Insbesondere bei Füllungen, die in Fluidform zunächst aufgetragen sind, ist es vorteilhaft, dass diese in Ultraschall- oder Röntgenbildern abgrenzbar sind von dem Metallmaterial der übrigen Separatorplatte. Alternativ können beispielsweise auch thermographische Methoden zur Abgrenzung verwendet werden. Somit wird das korrekte Positionieren der Füllungen überprüfbar, außerdem ist hierdurch auch die Langzeitstabilität überprüfbar.
Die Erfindung eignet sich prinzipiell für Separatorplatten bzw. elektrochemische Systeme, bei denen ein Kühlkreislauf auf der Innenseite einer Separatorplatte besonders effizient geführt werden muss. Insbesondere eignet sich die Erfindung auch für solche elektrochemischen Systeme, bei denen die Öffnungen der Separatorplatte zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel 4 in den Zwischenraum der mindestens zwei Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 oder Ab- und Zufuhr von Medien 5, 6 mit Sicken 3 versehen sind, welche Durchbrüche 30 zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einem Hohlraum der Separatorplatte 2 oder zu dem elektrochemisch aktiven Bereich 8 hin aufweisen, meist im Bereich der Flanken der Sicken bzw. als Durchleitungen durch die Flanken der Sicken. Details zu diesen Durchbrüchen sind beispielsweise in 4a bis 5b zu sehen bzw. in dem deutschen Patent DE 10 2007 048 184 B3 bzw. in der DE 102 48 531 B3 .
Zur Erhöhung der Effizienz ist es erfindungsgemäß außerdem möglich, dass die Separatorplatten so gestaltet sind, dass die Leitung von Medien durch den elektrochemisch aktiven Bereich derart erfolgt, dass die Stelle der Einleitung des Mediums und die Stelle der Ausleitung des Mediums sich an jeweils maximal entfernten Punkten des elektrochemisch aktiven Bereiches befinden. Meist werden die maximal entfernten Punkte des elektrochemisch aktiven Bereichs den Medien Wasserstoff und Luft zugeordnet, während für die Führung des Kühlmediums dann etwas kürzere Abstände gewählt werden müssen.
6a zeigt prinzipiell eine Kavität, die durch zwei aufeinandergelegte Metallprägeteile 2a, 2b einer Separatorplatte 2 entstanden ist, also durch zwei aufeinander zeigende Innenseiten der beiden Lagen 2a, 2b einer Separatorplatte 2. Diese sind beispielsweise im Bereich ihrer Fügeebene 18 miteinander verschweißt oder verklebt, so dass ein flüssigkeitsdichter Raum entsteht, der durch in 6a nicht näher gezeigte Öffnungen befüllbar ist. Zu sehen ist außerdem beispielhaft und schematisch eine Sicke 7 sowie eine zur Sicke hinleitende Struktur 9.
Im Folgenden werden nun mehrere Varianten einer Querschnittsverringerung bzw. eines Querschnittsverschlusses gezeigt.
6b zeigt hierbei einen Verschluss der Verbindung von der Struktur 9 hin zu der Sicke 7. Hierzu wird der Querschnitt der Sicke 7 bereichsweise mit einer Füllung 11 verschlossen und zwar im Wesentlichen ausgehend von der Mittelebene (Fügeebene 18) zu den Dächern 70 der Sicke 7 hin, wobei diese Dächer 70 jedoch nicht erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass das Federverhalten der Sicke senkrecht zu der Fügeebene 18 im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, insbesondere wenn die Füllung 11 verformbar ist.
6c zeigt ein Beispiel, bei dem eine Füllung 11 der Sicke 7 derart erfolgt, dass die nach unten zeigende Vollsicke 7 der Lage 2b im Wesentlichen ganz gefüllt ist. Aufgrund der geringen Dichte bzw. Flexibilität des Füllungsmaterials (siehe beispielsweise die oben aufgezählten Materialien) wird das Federverhalten der Sicke 7 allerdings nur in einem geringen Maß beeinflusst.
6d zeigt einen vollkommen gefüllten Sickenraum, dies bietet sich insbesondere bei geschäumten Füllungen bzw. Füllungen mit hoher Kompressibilität an.
Entsprechendes ist auch in 6e gezeigt, bei der der Sickenraum im Wesentlichen ganz gefüllt ist, hierbei handelt es sich um einen ovalen Füllgegenstand 11, beispielsweise einen Katheter oder einen zumindest auf der Zuflußseite geschlossenen Schlauch.
6f zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die zur Sicke 7 hinleitende Struktur 9 im Wesentlichen gänzlich gefüllt ist und somit den Zufluss zur Sicke verschließt. Auch hierdurch wird das Federverhalten der Sicke 7 nur sehr geringfügig beeinflusst.
6g zeigt vier verschiedene Varianten i bis iv erfindungsgemäßer Querschnittsverschlüsse bzw. Querschnittsverringerungen, bei denen ein Vorhof 10 (siehe hierzu auch 5a und 5b) und/oder die unmittelbar zur Sicke hinleitende Struktur 9 zumindest abschnittsweise gefüllt sind mit einer Füllung 11 gemäß den oben beschriebenen Spezifikationen. Dieser Vorhof 10 ist ebenso wie die Verbindung 9 im Bereich zwischen einem elektrochemisch aktiven Bereich 8 und einer Sicke 7 angeordnet und unterbindet somit bzw. verringert somit den Fluss vom Bereich 8' zu dem Hohlraum der Sicke 7. Die Varianten i bis iv illustrieren mögliche Füllmuster in Draufsicht. Wie mit Variante iv in 6g angedeutet, ist es hierbei nicht unbedingt notwendig, sämtliche Vorhöfe 10 bzw. Verbindungen 9 zu füllen, da bereits mit der Füllung eines Teils der Vorhöfe 10 bzw. der Verbindungen 9 der Strömungswiderstand so erhöht wird, dass die Kühlflüssigkeit auf den präferierten Wegen geführt wird.
7a bis 7d zeigen Beispiele von Einlegeelementen, die zur Querschnittsverringerung bzw. zum Querschnittsverschluss von Sicken bzw. zu den Sicken hinführenden Strukturen genutzt werden können. Diese Einlegeelemente sind vorzugsweise aus Metall und/oder aus Kunststoff. Es ist möglich, die Einlegeelemente mit Hinterschneidabschnitten 124 zu versehen, um diese beispielsweise bei der Produktion leicht und eindeutig positionieren zu können. In 7a ist ein Beispiel hierfür zu sehen, bei dem die Verbindung zwischen einer Sicke 7 und einem Bereich 8' durch ein solches Einlegeelement 12 mit Hinterschneidabschnitten 124 begrenzt wird. Hier begrenzt einerseits der lineare Abschnitt des Einlegelements 12 die zur Sicke hinleitende Struktur 9, während der Hinterschneidabschnitt 124 den Durchfluss durch die Sicke 7 begrenzt.
7b zeigt drei Varianten i bis iii von Einlegelementen 12, die im Fall der Varianten i und iii aus Metallblech und im Fall der Variante ii aus einem thermoplastischen Werkstoff gefertigt sind. Die Variante i weist einen Hinterschneidabschnitt 124 auf, begrenzt aber nur eine zur Sicke hinleitende Struktur 9. Die Varianten ii und iii weisen ebenfalls beide Hinterschneideabschnitte 124 auf, im Unterschied zur Variante i begrenzen sie mehrere zur Sicke hinleitende Strukturen, nämlich jeweils zwei. Hierzu ist der Hinterschneidabschnitt 124 der Variante ii als Verbindungsbogen ausgestaltet. Variante iii verwendet den zum elektrochemisch aktiven Bereich 8 bzw. dessen Rückseite 8' weisenden Randabschnitt 124 125 als Verbindungsabschnitt.
Alternative Einlegeelemente 12' bzw. 12'' sind in 7c und 7d gezeigt. In 7c ist hierbei ein Einlegeelement aus Metall gezeigt, das Einprägungen hat bzw. aus der Fläche herausragende Zacken 121, 122, die für eine weitere Querschnittsvergrößerung eines Einlegeelementes 12' und somit zu einer besseren Füllung des Hohlraums und damit zu einer größeren Querschnittsverringerung des Zwischenraums der Sicke führen. Die Zacken 121, 122 sind dabei alternierend nach oben, d. h. zum Betrachter, und nach unten, d. h. in die Zeichnungsebene hinein, ausgebildet.
Alternativ ist in 7d ein Beispiel gezeigt, bei dem ein Einlegeelement 12'' mit Noppen 123 aus Kunststoff versehen wird, um die Querschnittsverringerung des Sickeninnenraums zu verstärken. Diese Noppen können auf der Ober- sowie auf der Unterseite des Einlegeelements 12 vorgesehen sein. Auch dieses Einlegeelement 12'' weist Hinterschneidabschnitte 124 auf.
8 illustriert, dass auch mittels einer Verformung 13 des Sickendachs 70 eine Querschnittsverringerung einer Sicke 7 erzielt werden kann. Das Ausmaß der Verformung 13 kann dabei deutlich größer sein als das dargestellte. Andererseits muss bei der Auslegung der Verformung 13 berücksichtig werden, dass das Federverhalten der Sicke 7 sich verglichen mit anderen Bereichen ohne Verformung 13 nur marginal ändert. Die Verformung 13 des Sickendachs stellt eine besonders einfach herzustellende Querschnittsverringerung einer Sicke 7 dar, sie kann – auch im Hinblick auf die Zuleitung 9 zur Sicke 7 hin, auch unsymmetrisch ausgestaltet werden.
Schließlich ist in 9 eine Tabelle gezeigt, bei der für zwei verschiedene Plattentypen einerseits Gestaltungen nach dem Stand der Technik und dann erfindungsgemäße Gestaltungen miteinander verglichen wurden in Hinblick auf den Druckverlust des durch das elektrochemische System 1 geführten Kühlmittels sowie in Bezug auf die maximale Temperatur im elektrochemisch aktiven Bereich.
Hieraus ist zu sehen, dass die Querschnittsverringerung und/oder Querschnittsverschlüsse so ausgebildet sind, bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen System im Gegensatz zu einem elektrochemischen System nach dem Stand der Technik, dass bei einer Außentemperatur von 20°C und 1.0124 mbar Außenluftdruck die Maximaltemperatur des Systems 1 im Bereich des elektrochemisch aktiven Bereichs 8 um mindestens 3%, vorzugsweise 5%, besonders vorzugsweise 8% niedriger und/oder der Druckverlust bei Führung eines Kühlmediums durch das Systems 1 um 20%, vorzugsweise 40%, besonders vorzugsweise 60% höher ist als bei einem System, das bis auf die Querschnittsverringerung und/oder Querschnittsverschlüsse identisch ist. Letzeres ist insbesondere bei elektrochemischen Systemen mit einer Vielzahl an Platten sinnvoll, da sich hier das Kühlmittel besonders gut über die Platten des gesamten Stacks verteilt.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemisches System
2: Separatorplatte
3: Sicke zur Abgrenzung von Öffnungen
4: Öffnungen zur Kühlung
5: Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Wasserstoff
6: Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Luft oder Sauerstoff
7: Sicke zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs
8: elektrochemisch aktiver Bereich
8': Rückseite des elektrochemisch aktiven Bereichs
9: zur Sicke hinleitende Struktur
10: Vorhof
11: Füllung
12: Einlegeelement
13: Verformung des Sickendachs
14: Brennstoffzelle
15: Gasdiffusionslage
16: Begrenzungselement
17: Verschweißungen
18: Fügeebene
30: Sickendurchbrüche
70: Sickendach
121, 122: Einprägungen eines Einlegeelements
123: Noppen auf einem Einlegeelement
124: Hinterschneidabschnitte
125: Verbindungsabschnitt
140: Polymermembran
141, 142: Katalysatorschichten
K: Kühlmittel
M1 bis M4: Medien

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048184 B3 [0014, 0014, 0014, 0073]
DE 10248531 B3 [0073]

Claims

Elektrochemisches System (1), bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten (2) mit mindestens zwei metallischen Lagen voneinander abgetrennt sind, wobei die Separatorplatten (2) Sicken (3) zur Abgrenzung von Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel (4) in den Zwischenraum der mindestens zwei Lagen der Separatorplatte (2) oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien (5, 6) zu den Zellen hin aufweisen und/oder die Separatorplatten (2) Sicken (7) zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strömungsverminderung oder Strömungsvermeidung im Innenraum der Sicken (3, 7) die Sicke selbst und/oder eine zur Sicke hinleitende Struktur (9) zumindest bereichsweise eine Querschnittsverringerung und/oder einen Querschnittsverschluss aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dach (70) der Sicke (3, 7) in mindestens einer Lage zu einer Außenseite der Separatorplatte weist und die Querschnittsverringerungen und/oder Querschnittsverschlüsse in einem Zwischenraum der Separatorplatte (2) angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung mindestens 30%, vorzugsweise 60%, besonders vorzugsweise 90% des angrenzenden unverringerten Querschnitts beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zu einer Hauptebene (18) der Separatorplatte (2) verläuft.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der Sicke hinleitenden Strukturen (9) im Innenraum der Separatorplatte Stegen und/oder Begrenzungselementen (16) zur Flusssteuerung von Medien auf einer Außenseite der Separatorplatte gegenüberliegen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich von einer Sicke (3, 7) zu einer zur Sicke hinleitenden Struktur (9) gegeben ist, wobei die zur Sicke hinleitende Struktur im Berührbereich mit der Sicke einen Vorhof (10) aufweist, wobei im Bereich dieses Vorhofes eine Querschnittsverringerung und/oder ein Querschnittsverschluss gegeben ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung oder der Querschnittsverschluss durch Füllung (11) und/oder durch Verformung (13) eines Abschnitts der Separatorplatte (2) gegeben ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) pfropfenförmig ausgebildet ist, wobei über eine Separatorplatte (2) verteilt ein oder mehrere Pfropfen angeordnet sind.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung als mindestens ein Einlegeelement (12) ausgeführt ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) durch Verfüllung mit einem Fluid gegeben ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verfüllte Fluid als durch CIPG und/oder durch Drucken, insbesondere Siebdruck, Schablonendruck und/oder 3D-Druck, aufgebrachte Struktur ausgebildet ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid selbstaushärtend und/oder selbstaufschäumend ausgebildet ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid so ausgebildet ist, dass die Aushärtung und/oder Ausschäumung durch Feuchtigkeit und/oder Temperatur einstellbar ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtende und/oder aufschäumende Material ein Polyurethanschaum oder ein mittels Treibmitteln und/oder Microsphären Polymer oder Elastomer, insbesondere Polyethylen, Silikon, Polystyrol, Fluorelastomere und/oder PTFE ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) so beschaffen ist, dass im späteren Betrieb des Systems eine Temperaturstabilität der Füllung von –40°C bis +120°C gegeben ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) so ausgebildet ist, dass kurzzeitig zur Aushärtung/Ausschäumung diese einer Temperatur von 250°C zerstörungsfrei aussetzbar ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) so ausgebildet ist, dass diese chemisch inert ist und insbesondere stabil gegen demineralisiertes Wasser, Glykol und/oder Thermoöle ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Füllung (11) so nachgiebig ist, dass das Federverhalten der Sicke im gefüllten Bereich nur minimal beeinflusst ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (12) aus Metall und/oder aus Kunststoff ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Metall bestehende Einlegeelement hochgestellte Flügel zur Querschnittsvergrößerung des Einlegeelements (12) aufweist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (12) als Metallteil mit aufgesetzten Kunststoffabschnitten (123) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (12) senkrecht zur Separatorplattengrundfläche nach oben und nach unten hin Auswölbungen (121, 122) aufweist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (12) bereichsweise schlauch- oder katheterförmig ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (12) Hinterschneidabschnitte (124) zum Positionieren/Halten in Hohlbereichen der Separatorplatte aufweist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (11) so beschaffen ist, dass diese in Ultraschall- oder Röntgenbildern oder thermographisch abgrenzbar von einem Metallmaterial der Separatorplatte ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (3, 7) als Vollsicke ausgeführt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2) als zwei metallischen Lagen (2a, 2b), insbesondere aus Stahl, insbesondere Edelstahl, ggf. mit abschnittsweiser oder vollflächiger Beschichtung, ausgeführt ist.
System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagen (2a, 2b) der Separatorplatte (2) als Metallprägeteile ausgeführt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Separatorplatte zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel (4) in den Zwischenraum der beiden Lagen der Separatorplatte (4) oder Ab- und Zufuhr von Medien (5, 6) mit Sicken (3) versehen sind, welche Durchbrüche (30) zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einen Hohlraum der Separatorplatte (2) oder zu dem elektrochemischen aktiven Bereich (8), hin aufweisen.
Elektrochemisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerungen und/oder Querschnittsverschlüsse so ausgebildet sind, dass bei einer Außentemperatur von 20°C und 1.013 mB Außenluftdruck die Maximaltemperatur des Systems (1) bei im Bereich des elektrochemisch aktiven Bereichs (8) 3%, vorzugsweise 5%, besonders vorzugsweise 8% niedriger und/oder der Druckverlust bei Führung eines Kühlmediums durch das System 20%, vorzugsweise 40%, besonders vorzugsweise 60% höher ist als bei einem bis auf die Querschnittsverringerungen und/oder Querschnittsverschlüssen identischen Systemen.
Separatorplatte (3) zur Verwendung in einem elektrochemischen System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.