DE202018101235U1 - Elektrochemische Anordnung und elektrochemisches System - Google Patents

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Abstract

Elektrochemische Anordnung
mit einer ersten und einer zweiten metallischen Separatorplatte (10), die jeweils eine Plattenebene definieren und die in einer Stapelrichtung (6) senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind;
mit einer zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle;
wobei die Separatorplatten (10) jeweils wenigstens ein in die Separatorplatte (10) eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement (12a-d) aufweisen;
wobei sich die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) zum Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen;
wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) in der Stapelrichtung (6) elastisch verformbar sind, so dass ein Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10) voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) wenigstens bis auf einen Abstand z2 reversibel verringerbar ist; und
mit wenigstens einem Stützelement (19, 19a-d, 19f-h), das jeweils zwischen den Separatorplatten (10) angeordnet ist und das jeweils innerhalb einer Ebene parallel zu den Plattenebenen von den Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10) beabstandet ist;
wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) zum Schutz der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) vor einer irreversiblen plastischen Verformung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dann, wenn der Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10) voneinander infolge einer in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z ≤ z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Δz' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FS größer ist als eine zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10) um den Weg Δz' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anordnung mit zwei metallischen Separatorplatten und einer zwischen den metallischen Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zelle. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger elektrochemischer Anordnungen, die in einem Stapel angeordnet sind.
  • Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Der Begriff elektrochemische Zelle soll im Rahmen dieses Dokuments insbesondere Zellen zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie (z. B. Brennstoffzellen), zum Induzieren einer chemischen Reaktion durch Zuführen elektrischer Energie (z. B. Elektrolysezellen) oder zum Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gasen (z. B. Befeuchterzellen) umfassen.
  • Typischerweise sind die Separatorplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet. Die Einzelplatten der Separatorplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine oder mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen oder in den von den Einzelplatten der Separatorplatte gebildeten Innenraum geleitet oder von Zellen bzw. aus dem Innenraum abgeleitet werden.
  • Die genannten Separatorplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Die Separatorplatten, die insbesondere aus zwei Einzelplatten aufgebaut sein können, und eben diese Einzelplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Separatorplatte aufweisen, insbesondere zum Führen des Kühlmediums durch einen von den Einzelplatten der Separatorplatte eingeschlossenen Innenraum. Die Separatorplatten können also zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme ausgebildet sein. Ebenso können die Separatorplatten zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder der gesamten Separatorplatte nach außen ausgebildet sein.
  • Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Elektrolytmembranen (z. B. im Fall von Brennstoffzellen) oder eine oder mehrere Wasseraustauschmembranen (z. B. im Fall von Befeuchterzellen). Neben der Membran können die elektrochemischen Zellen zudem Gasdiffusionslagen aufweisen, die vorzugsweise beiderseits der Membran angeordnet sind und die die Rate eines Medientransfers oder eines Medienaustauschs über die Membran verbessern können. Die Gasdiffusionslagen können z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sein.
  • Zum Abdichten der elektrochemischen Zellen und/oder zum Abdichten der von den Durchgangsöffnungen in den Separatorplatten gebildeten Medienkanäle gegenüber der Umgebung oder gegenüber anderen Bereichen des jeweiligen elektrochemischen Systems weisen die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten der Separatorplatten oft Dichtelemente auf, die z. B. in Form von Dichtsicken in die Separatorplatten eingeformt oder eingeprägt sind. Die Dichtelemente benachbarter Separatorplatten des Stapels stützen sich dabei zur Erzielung der Dichtwirkung typischerweise aneinander ab. Dabei kann z. B. ein Randbereich der Elektrolytmembran bzw. der Befeuchtermembran der elektrochemischen Zelle zwischen den einander abstützenden Dichtelementen der benachbarten Separatorplatten aufgenommen sein.
  • Damit die Dichtelemente unabhängig vom jeweils vorherrschenden Betriebszustand gleichbleibend eine gute Dichtwirkung erzielen können, ist es wünschenswert, dass insbesondere die Dichtelemente wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs elastisch, d. h. reversibel verformbar sind. Werden die Dichtelemente jedoch über den Toleranzbereich hinaus verformt, kann es zu plastischen, d. h. irreversiblen Verformungen der Dichtelemente kommen. Dies kann ggf. dazu führen, dass die Dichtelemente ihre Dichtwirkung nicht mehr erfüllen können. Dadurch kann die Effizienz des Systems erheblich verringert oder eine Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems sogar vollständig unmöglich werden. Wird das System mit leicht entzündlichen Medien betrieben oder werden im Betrieb derartige Medien erzeugt, kann eine Beschädigung der Dichtelemente sogar ein großes Sicherheitsrisiko darstellen. Eine irreversible Verformung der Dichtelemente der Separatorplatten kann z. B. durch das plötzliche Einwirken großer mechanischer Kräfte auf den Plattenstapel verursacht werden, wie sie beispielsweise bei einem Autounfall auftreten können. Es ist daher vorteilhaft, das System mit einem Schutzmechanismus zu versehen, der die Dichtelemente auch beim Einwirken großer mechanischer Kräfte möglichst vor irreversiblen plastischen Verformungen schützt.
  • Eine bekannte Lösung sieht dazu vor, das elektrochemische System in einen Schutzbehälter einzuschließen, der eine große Festigkeit und eine gute mechanische Stabilität aufweist. Allerdings kann es bei einem Aufprall zu einem derart großen Impulsübertrag kommen, dass dieser von dem Schutzbehälter nicht aufgefangen und/oder vernichtet werden kann, so dass er im Wesentlichen ungedämpft auf den Plattenstapel übertragen wird.
  • Andere bekannte Lösungen sehen elektronische Abschaltmechanismen vor, die jedoch lediglich Medienströme unterbrechen, jedoch keinerlei Schutz vor mechanischen Zerstörungen bieten.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Anordnung mit zwei Separatorplatten und einer zwischen den Separatorplatten angeordneten und durch Dichtelemente abgedichteten elektrochemischen Zelle zu schaffen, die möglichst großen mechanischen Belastungen standhalten kann und damit einen möglichst sicheren Betrieb gewährleistet. Der Bauraumbedarf und das Gewicht der gesuchten Anordnung sollen dabei gegenüber den bekannten Lösungen möglichst kaum steigen. Ferner soll ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl entsprechender elektrochemischer Anordnungen geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Anordnung gemäß Anspruch 1 und durch ein elektrochemisches System, das eine Vielzahl derartiger elektrochemischer Anordnungen aufweist.
  • Die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung umfasst wenigstens:
    • eine erste und eine zweite metallische Separatorplatte, die jeweils eine Plattenebene definieren und die in einer Stapelrichtung senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind; und
    • eine zwischen den Separatorplatten angeordnete elektrochemische Zelle.
  • Die Separatorplatten weisen jeweils wenigstens ein in die Separatorplatte eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement auf, wobei sich die Dichtelemente der Separatorplatten zum Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen. Die Dichtelemente der Separatorplatten sind in der Stapelrichtung elastisch verformbar, so dass ein Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente der Separatorplatten wenigstens bis auf einen Abstand z2 reversibel verringerbar ist.
  • Ferner umfasst die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung wenigstens ein Stützelement, das jeweils zwischen den Separatorplatten angeordnet ist und das in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten von den Dichtelementen der Separatorplatten beabstandet ist.
  • Die Dichtelemente der Separatorplatten sind derart ausgebildet und das wenigstens eine Stützelement ist zum Schutz der Dichtelemente der Separatorplatten vor einer irreversiblen plastischen Verformung derart angeordnet und ausgebildet, dass dann, wenn der Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander infolge einer in der Stapelrichtung auf die Separatorplatten einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z ≤ z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements um einen Weg Δz' in der Stapelrichtung benötigte Kraft FS größer ist als eine zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten um den Weg Δz' in der Stapelrichtung benötigte Kraft FO .
  • Die Separatorplatten können insgesamt jeweils aus einem ebenen Metallblech geformt sein, z. B. durch einen Präge- oder Tiefziehprozess. Bestehen die Separatorplatten aus mehr als einer Platte, so können die Einzelplatten jeweils aus einem ebenen Metallblech geformt sein, ebenfalls beispielsweise durch einen Präge- oder Tiefziehprozess. Die Plattenebenen können dann z. B. durch diejenigen eben gebliebenen Bereiche der Separatorplatten definiert sein, die durch den Formprozess nicht verformt worden sind. Anstatt vom Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander wird im Folgenden der Einfachheit halber auch vom Abstand z der Separatorplatten voneinander oder einfach vom Plattenabstand gesprochen. Besteht eine Separatorplatte aus mehr als einer Platte, so ist die Plattenebene der Separatorplatte als die Mittelebene der Plattengruppe definiert.
  • Die Dichtelemente der Separatorplatten können derart ausgebildet sein und das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass für Abstände z der Separatorplatten voneinander mit z ≤ z1, wobei z1 > z2 gilt, mit einer weiteren Verringerung des Abstandes z der Separatorplatten voneinander die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements um einen Weg Δz"' in der Stapelrichtung benötigte Kraft FS schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur des Dichtelements um den Weg Δz'" in der Stapelrichtung benötigte Kraft FD . Vorzugsweise gilt dies für alle Abstände z der Separatorplatten mit z ≤ z1.
  • Das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass das Stützelement für Abstände z der Separatorplatten voneinander mit z ≤ z1 mit z1 > z2 eine im Wesentlichen exponentielle Kraft-Weg-Kurve aufweist. Die Kraft-Weg-Kurve stellt dabei die Kraft Fs(z) dar, die aufgebracht werden muss, um nur das zwischen den Separatorplatten angeordnete Stützelement soweit zu komprimieren, dass der Abstand der Separatorplatten voneinander gleich z beträgt. Dies kann im Bereich z ≤ z1 wenigstens abschnittweise gelten. Vorzugsweise gilt dies jedoch durchgehend im gesamten Bereich z≤z1.
  • Die Dichtelemente der Separatorplatten können derart ausgebildet sein, dass eine Verringerung des Abstandes der Separatorplatten voneinander auf einen Wert z ≤ z3 mit z3 < z2 bei wenigstens einem der Dichtelemente der Separatorplatten, vorzugsweise bei den Dichtelementen beider Separatorplatten, eine irreversible plastische Stauchung bewirkt.
  • Eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können derart ausgebildet sein, dass es/sie jeweils wenigstens einen Hohlraum und/oder jeweils eine Vielzahl von Poren aufweist/aufweisen. Z. B. kann/können eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements jeweils ein geschäumtes Material umfassen oder ganz oder teilweise aus einem geschäumten Material gebildet sein. Es sind auch Schichtaufbauten mit verschiedenen elastisch-kompressiblen und/oder geschäumten Materialien möglich, wobei sich die Schichten vorzugsweise parallel zur Plattenebene der benachbarten Separatorplatte erstrecken. Das Stützelement oder die Stützelemente, das bzw. die den wenigstens einen Hohlraum und/oder die Poren umfasst/umfassen, kann/können dabei jeweils derart ausgebildet sein, dass der wenigstens eine Hohlraum und/oder die Poren durch eine in der Stapelrichtung auf die Separatorplatten einwirkende Verpresskraft ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar ist/sind. Z. B. kann das den wenigstens einen Hohlraum und/oder die Poren umfassende Stützelement dann jeweils derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der wenigstens eine Hohlraum und/oder die Poren bei einem Abstand z der Separatorplatten voneinander von z ≤ z2 jeweils maximal kollabiert ist/sind.
  • Ist der Hohlraum bzw. sind die Poren maximal kollabiert, ist der Widerstand des Stützelements gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung gewöhnlich jeweils durch die Festigkeit oder die Elastizität des Materials bzw. der Materialien bestimmt, aus dem bzw. aus denen das Stützelement jeweils gebildet ist. Dagegen kann das wenigstens eine Stützelement ferner derart ausgebildet sein, dass sein Widerstand gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung dann, wenn der Hohlraum und/oder die Poren nicht oder nur teilweise kollabiert ist/sind, z. B. für Plattenabstände z mit z > z2, vorwiegend nicht durch die Festigkeit oder die Elastizität des Stützelementmaterials bestimmt ist, sondern durch die Geometrie des Hohlraums und/oder der Poren des Stützelements oder ggf. durch einen Druck eines in dem Hohlraum und/oder in den Poren eingeschlossenen Gases. Dem Widerstand des wenigstens einen Stützelements gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung kann durch die Ausbildung des wenigstens einen Stützelements mit einem Hohlraum und/oder mit Poren auf diese Weise gezielt eine Abhängigkeit vom Plattenabstand verliehen werden.
  • Z. B. können die Dichtelemente der Separatorplatten derart ausgebildet sein und das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass für Plattenabstände z mit z > z2 die zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten um einen Weg Δz" in der Stapelrichtung benötigte Kraft FD größer oder gleich der zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements um den Weg Δz" in der Stapelrichtung benötigte Kraft FS ist. Vorzugsweise gilt dies wenigstens für Plattenabstände z mit z1< z < z0.
  • Mit anderen Worten kann der Widerstand des wenigstens einen Dichtelements gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung des Dichtelements in der Stapelrichtung für große Plattenabstände, nämlich für Plattenabstände z mit z > z1, so gering sein, dass der Widerstand der gesamten Anordnung gegen eine Verringerung des Plattenabstandes in diesem Bereich durch die Dichtelemente der Separatorplatten dominiert wird. Dies bedeutet dann, dass das wenigstens eine Stützelement den Widerstand der (die Dichtelemente und das wenigstens eine Stützelement umfassenden) Anordnung gegen Verpressung in der Stapelrichtung wenigstens in diesem Abstandsbereich (z > z1), bei dem eine plastische Verformung der Dichtelemente nicht zu befürchten ist, nicht oder ggf. nur geringfügig erhöht. Für große Plattenabstände kann die Anordnung damit Änderungen des Plattenabstandes, z. B. bedingt durch im Betrieb auftretende Temperaturschwankungen, ungestört oder im Wesentlichen ungestört nachgeben.
  • Es ist denkbar, dass das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement oder eine Vielzahl von Stützelementen umfasst, das bzw. die derart angeordnet und ausgebildet ist/sind, dass zwischen wenigstens einer der Separatorplatten und diesem Stützelement in der Stapelrichtung für z > z1 mit z1 > z2 jeweils ein Zwischenraum verbleibt. Dieses Stützelement bzw. diese Stützelemente kann/können dann ferner derart angeordnet und ausgebildet sein, dass der wenigstens eine Zwischenraum für z ≤ z1 jeweils verschwindet. Mit anderen Worten kann dieses Stützelement bzw. können diese Stützelemente derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es/sie erst für Plattenabstände z mit z ≤ z1 in der Stapelrichtung mit beiden Separatorplatten der Anordnung in Kontakt ist/sind.
  • Die Dichtelemente der Separatorplatten können jeweils eine Perimetersicke umfassen, die die elektrochemische Zelle umschließt und die die elektrochemische Zelle gegenüber einer Umgebung der elektrochemischen Anordnung abdichtet. Das wenigstens eine Stützelement kann dann z. B. wenigstens ein Stützelement oder eine Vielzahl von Stützelementen umfassen, das bzw. die jeweils in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten verläuft, auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite der Perimetersicke angeordnet ist/sind. Dieses Stützelement bzw. diese Stützelemente sind also außerhalb des von der Perimetersicke abgedichteten Bereichs angeordnet. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement umfasst, das innerhalb des von der Perimetersicke abgedichteten Bereichs angeordnet ist.
  • Typischerweise umfasst das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement oder mehrere Stützelemente, das bzw. die wenigstens bereichsweise ein elektrisch isolierendes Material umfasst/umfassen oder das/die wenigstens bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind. Das elektrisch isolierende Material ist dann vorzugsweise jeweils derart angeordnet, dass bei jedem Abstand z der metallischen Separatorplatten voneinander über dieses Stützelement kein elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Separatorplatten herstellbar ist. Insbesondere bei solchen Anwendungen, bei denen die Separatorplatten auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen können, kann auf diese Weise ein elektrischer Kurzschluss zwischen den metallischen Separatorplatten verhindert werden. Es ist auch denkbar, dass wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind. Bevorzugt umfassen die Stützelemente, die zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Separatorplatten ein elektrisch isolierendes Material aufweisen, wenigstens solche Stützelemente, die außerhalb des von der Perimetersicke abgedichteten Bereichs angeordnet sind.
  • Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können ein thermoplastisches Material, ein thermoplastisches Elastomer und/oder ein keramisches Material umfasst/umfassen. Ebenso ist es denkbar, dass wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfasst/umfassen. Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit wenigstens einer der Separatorplatten verbunden sein.
  • Die elektrochemische Zelle kann einen Rahmen aufweisen. Ferner kann die elektrochemische Zelle wenigstens eine in dem Rahmen eingebettete Membran aufweisen, insbesondere eine Elektrolytmembran oder eine Wassertransfermembran. Üblicherweise ist die Membran dichtend zwischen den einander abstützenden Dichtelementen der Separatorplatten aufgenommen. Vorzugsweise ist beiderseits der Membran zudem jeweils eine Gasdiffusionslage angeordnet. Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen verbunden sein.
  • Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können derart ausgebildet sein, dass es/sie jeweils auf wenigstens eine der Separatorplatten aufsteckbar ist/sind, z. B. in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten verläuft. Vorzugsweise ist dieses Stützelement bzw. sind diese Stützelemente dann jeweils lösbar auf wenigstens eine der Separatorplatten aufsteckbar.
  • Die Separatorplatten weisen gewöhnlich jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Mediums durch die Separatorplatte auf. Das wenigstens eine Dichtelement der Separatorplatten kann dann jeweils wenigstens eine in die Separatorplatte eingeprägte Portsicke umfassen, wobei zum Abdichten der Durchgangsöffnungen umlaufend um jede der Durchgangsöffnungen jeweils eine Portsicke angeordnet ist. Eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können dann auf einer von der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Portsicke angeordnet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements innerhalb des von der Portsicke abgedichteten Bereichs angeordnet ist/sind. Die Portsicke kann dann jeweils Durchführungen aufweisen, die eine Fluidverbindung zwischen der von der Portsicke umschlossenen Durchgangsöffnung und der elektrochemischen Zelle herstellen. Über einen Querschnitt der Durchführungen durch die Portsicke ist dann jeweils ein Medienfluss durch die Durchführungen möglich. Gewöhnlich ist das wenigstens eine Stützelement in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten verläuft, jeweils von der Portsicke beabstandet.
  • Jede der Separatorplatten kann zwei metallische Einzelplatten umfassen. Zur Ausbildung der Separatorplatte können die Einzelplatten z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden sein, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, besonders bevorzugt durch eine Laserschweißverbindung. Jede der Einzelplatten kann wenigstens ein in diese Einzelplatte eingeprägtes und in der Stapelrichtung elastisches Dichtelement umfassen. Die Dichtelemente der Einzelplatten sind dann identisch mit den zuvor genannten Dichtelementen der Separatorplatten. Insbesondere kann also jede der Einzelplatten jeweils wenigstens eine Perimetersicke und/oder wenigstens eine Portsicke aufweisen.
  • Die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung kann ferner ein Halteelement aufweisen, das z. B. seitlich an dem von den Separatorplatten der Anordnung gebildeten Stapel angeordnet ist. Das wenigstens eine Stützelement der Anordnung kann eine Vielzahl von Stützelementen umfassen, die jeweils mit dem Halteelement verbunden sind oder die jeweils einteilig mit dem Halteelement ausgebildet sind.
  • Vorgeschlagen wird ferner ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen der zuvor beschriebenen Art, die entlang einer gemeinsamen Stapelrichtung gestapelt sind. Das heißt, die gemeinsame Stapelrichtung des Systems und die Stapelrichtungen der Anordnungen des Systems sind parallel ausgerichtet. Umfasst das elektrochemische System ein Halteelement der zuvor beschriebenen Art, so kann sich dieses Halteelement entlang der Stapelrichtung über eine Vielzahl der elektrochemischen Anordnungen erstrecken. Das Halteelement kann dann mit einer Vielzahl von Stützelementen unterschiedlicher Anordnungen des Systems verbunden sein oder einteilig mit diesen Stützelementen ausgebildet sein.
  • Ausführungsbeispiele der hier vorgeschlagenen elektrochemischen Anordnung und des hier vorgeschlagenen elektrochemischen Systems sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei werden verschiedene erfindungswesentliche oder auch vorteilhafte weiterbildende Elemente im Rahmen dieser Beispiele genannt, wobei auch einzelne dieser Elemente als solche zur Weiterbildung der Erfindung-auch herausgelöst aus dem Kontext des jeweiligen Beispiels und weiterer Merkmale des jeweiligen Beispiels - verwendet werden können. Weiterhin werden in den Figuren für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet und deren Erläuterung daher teilweise weggelassen. Es zeigen:
    • 1 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen, die in einem Stapel angeordnet sind und die jeweils zwei metallische Separatorplatten und eine zwischen den Separatorplatten angeordnete elektrochemische Zelle aufweisen;
    • 2 schematisch eine erfindungsgemäße metallische Separatorplatte in einer Draufsicht;
    • 3a schematisch ein Detail des elektrochemischen Systems aus 1 in einer Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie A-A in 2;
    • 3b schematisch ein Detail des elektrochemischen Systems aus 1 in einer Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie B-B in 2;
    • 4a-c schematisch Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen Einzelplatte einer metallischen Separatorplatte mit einer in die Einzelplatte eingeprägten Dichtsicke und eines Stützelements gemäß einer Ausführungsform unter Einwirkung von Verpresskräften unterschiedlicher Stärke;
    • 4d schematisch Kraft-Weg-Kennlinien der Dichtsicke und des Stützelements gemäß den 4a-c;
    • 5a-b schematisch erfindungsgemäße Stützelemente mit Hohlraum in einer Schnittdarstellung;
    • 6a-c schematisch Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen Einzelplatte einer metallischen Separatorplatte mit einer in die Einzelplatte eingeprägten Dichtsicke und eines Stützelements gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Einwirkung von Verpresskräften unterschiedlicher Stärke;
    • 6d schematisch Kraft-Weg-Kennlinien der Dichtsicke und des Stützelements gemäß den 5a-c;
    • 7-14 schematisch jeweils einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen in einer Schnittdarstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 32 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 10, die entlang einer z-Richtung 6 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die z-Richtung 6 wird auch Stapelrichtung genannt. Die Separatorplatten 10 umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten 10a, 10b (siehe z. B. 3a). Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 10 des Stapels 32 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient, und bilden mit dieser jeweils eine elektrochemische Anordnung. Der Stapel 32 des Systems 1 umfasst also eine Vielzahl elektrochemischer Anordnungen, die in der z-Richtung 6 gestapelt sind. Die elektrochemischen Zellen weisen gewöhnlich jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 14 auf, die eine Membran 15, z. B. eine Elektrolytmembran, sowie Gasdiffusionslagen (GDL) 16 umfasst (siehe z. B. 3a). Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 10, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien unterscheiden können.
  • Die z-Achse 6 spannt zusammen mit einer x-Achse 80 und einer y-Achse 90 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
  • 2 zeigt in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer der Separatorplatten 10 des Systems aus 1. Die Separatorplatte 10 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten metallischen Einzelplatten 10a, 10b gebildet, von denen in 2 nur die erste Einzelplatte 10a sichtbar ist, die die zweite Einzelplatte 10b verdeckt. Die Einzelplatten 10a, 10b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 10a, 10b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a, 11b, 11c der Separatorplatte 10 bilden. Im Stapel 32 des Systems 1 gemäß 1 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c der Separatorplatten 10 Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 6 durch den Stapel 32 erstrecken. Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Medienanschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Beispielsweise dienen die von den Durchgangsöffnungen 11a, 11b gebildeten Leitungen der Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff und mit Reaktionsgas. Über die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung dagegen kann Kühlmittel in den Stapel 32 eingeleitet oder aus dem Stapel 32 abgeleitet werden.
  • Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels und gegenüber der Umgebung weist die erste Einzelplatte 10a Dichtelemente in Gestalt von Portsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die Portsicken 12a-c sind jeweils in die Einzelplatte 10a eingeformt, insbesondere eingeprägt. Die zweite Einzelplatte 10b weist an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 10 entsprechende Portsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt). Die Portsicken 12a-c sind wenigstens senkrecht zur Plattenebene, die in 2 parallel zur Zeichenebene ausgerichtet ist, und damit entlang der z-Richtung 6 elastisch, also reversibel verformbar.
  • In einem elektrochemisch aktiven Bereich 8 der Separatorplatte 10 weist die erste Einzelplatte 10a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Mediums entlang der Vorderseite der Einzelplatte 10a auf. Diese Strukturen umfassen z. B. eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen angeordnete Kanäle, die beispielsweise in die Einzelplatte 10a eingeprägt sind. In 2 ist nur ein Ausschnitt des aktiven Bereichs 8 an der Vorderseite der Separatorplatte 10 gezeigt.
  • An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Separatorplatte 10 weist die erste Einzelplatte 10a zudem einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf, der wiederum Strukturen zum Führen eines Mediums entlang der Vorderseite der Einzelplatte 10a aufweist, wobei diese Strukturen typischerweise ebenfalls Stege und zwischen den Stegen angeordnete Kanäle umfassen. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11b und dem aktiven Bereich 8 her. So sind die Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 über Durchführungen 13b durch die Portsicke 12b in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung 11b bzw. mit der von der Durchgangsöffnung 11b gebildeten Leitung durch den Stapel 32. So kann ein durch die Durchgangsöffnung 11b geführtes Medium über die Durchführungen 13b in der Portsicke 12b und über die Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 in die Kanäle des Strömungsfeldes 17 im aktiven Bereich 8 der Separatorplatte 10 geführt werden oder umgekehrt.
  • An der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 10 ist die Durchgangsöffnung 11a bzw. die von der Durchgangsöffnung 11a gebildete Leitung durch den Plattenstapel 32 gewöhnlich in entsprechender Weise in Fluidverbindung mit einem Verteil- und Sammelbereich und über diesen mit einem Strömungsfeld. Die Durchgangsöffnung 11c dagegen bzw. die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung durch den Stapel 32 ist in Fluidverbindung mit einem von den Einzelplatten 10a, 10b eingeschlossenen oder umschlossenen Innenraum 22, der zum Führen eines Kühlmittels durch die Separatorplatte 10 ausgebildet ist.
  • Schließlich ist in die erste Einzelplatte 10a noch ein weiteres Dichtelement in Gestalt einer Perimetersicke 12d eingeprägt, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 8, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11a, 11b umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11c, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Perimetersicke 12d zusätzlich auch die Durchgangsöffnung 11c umschließen. Die Perimetersicke 12d ist wie die Portsicken 12a-c senkrecht zur Plattenebene und damit entlang der z-Richtung 6 elastisch, also reversibel verformbar.
  • Die Stützelemente sind in 2 nicht dargestellt, sie werden erst anhand der nachfolgenden Figuren erläutert.
  • 3a zeigt ein Detail des Stapels 32 des elektrochemischen Systems 1 aus 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene entlang der Linie A-A aus 2 parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet ist. Der Stapel 32 umfasst eine Vielzahl von metallischen Separatorplatten 10 von der Art der Separatorplatte 10 gemäß 2, die in der z-Richtung 6 gestapelt sind. Die Separatorplatten 10 des Stapels 32 sind hier jeweils identisch ausgebildet. Die Separatorplatten 10 definieren Plattenebenen die senkrecht zur z-Richtung 6 ausgerichtet sind. In 3a ist deutlich erkennbar, dass die metallischen Separatorplatten 10 jeweils aus zwei miteinander verbundenen metallischen Einzelplatten 10a, 10b gebildet sind. Auf die Darstellung von ggf. vorhandenen Beschichtungen wurde hier zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Dargestellt sind außerdem die aktiven Bereiche 8 der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b, die jeweils ein Strömungsfeld 17 mit in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Kanälen und Stegen aufweisen. Die Strukturen der Strömungsfelder 17 dienen zum Führen von Reaktionsmedien an den Außenseiten der Separatorplatten 10 und zum Führen eines Kühlmittels durch die von den Einzelplatten 10a, 10b eingeschlossenen Innenräume 22 der Separatorplatten 10. In den aktiven Bereichen 8 ist zwischen zwei benachchbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 14 angeordnet. Wie zuvor erläutert umfassen die MEAs 14 beispielsweise jeweils eine Membran 15, z. B. eine Elektrolytmembran, und beiderseits der Membran 15 angeordnete Gasdiffusionslagen (GDL) 16. Die GDL 16 sind z. B. jeweils aus einem Metall- oder einem Kohlenstoffvlies gebildet und ermöglichen es, dass die in den aktiven Bereichen 8 geführten Medien die Membranen 15 auch in den Bereichen der Stege der Strömungsfelder 17 anströmen können.
  • Gegenüber der Umgebung des Systems 1 sind die zwischen benachbarten Separatorplatten 10 angeordneten elektrochemischen Zellen mit den aktiven Bereichen 8 jeweils durch die in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten, wenigstens in der z-Richtung 6 elastischen Perimetersicken 12d abgedichtet. Am Rand des aktiven Bereichs 8 und zu den Perimetersicken 12d hin sind die Membranen 15 jeweils in einen verstärkten Rahmen 18 eingebettet. Der Rahmen 18 ist jeweils dichtend zwischen den Perimetersicken 12d benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 aufgenommen. Auch die elastischen Portsicken 12a-c zweier benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 stützen sich jeweils über den Rahmen 18 gegeneinander ab und dichten diejenige der Durchgangsöffnungen 11a-c, die sie umlaufen, jeweils nach außen und zum Inneren des Stapels 32 hin ab (in 3a nicht gezeigt).
  • Im Normalbetrieb des Systems 1 haben die Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 einen entlang der z-Richtung 6 bestimmten Abstand von z0 voneinander. Damit die Sicken 12a-d ihre Dichtwirkung erfüllen können, sind die Sicken 12a-d durch eine über die Endplatten 3, 4 (siehe 1) in den Stapel 32 eingebrachte Vorspannung üblicherweise bereits im Normalbetrieb entlang der z-Richtung 6 geringfügig elastisch gestaucht. In diesem Zustand haben die Rahmen 18 jeweils eine ebenfalls entlang der z-Richtung 6 bestimmte Dicke ΔM (siehe Detailfigur). In 3a ist erkennbar, dass der Plattenabstand z0 zwischen benachbarten Separatorplatten 10 im Normalbetrieb jeweils durch die entlang der z-Richtung bestimmte Höhe h der Perimetersicken 12d der einander zugewandten Einzelplatten 10a, 10b benachbarter Separatorplatten 10 und durch die Dicke ΔM des jeweils dichtend zwischen den Perimetersicken 12d aufgenommenen Rahmens 18 der Membran 15 bestimmt ist, so dass gilt: z0 = 2·h + ΔM. Ferner ist der Wert von z0 gewöhnlich abhängig von der genannten Vorspannung des Stapels 32 und ggf. von der Betriebstemperatur des Stapels 32.
  • Üblicherweise ist die Höhe h der in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Perimetersicken 12d jeweils größer als eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte maximale Höhe der ebenfalls in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Strukturen 17 der aktiven Bereiche 8 der zwischen den Separatorplatten 10 angeordneten elektrochemischen Zellen. Der Plattenabstand z0 im Normalbetrieb des Systems 1 kann z. B. zwischen 0,4 mm und 2 mm betragen. Der Plattenabstand z0 im Normalbetrieb kann jedoch ebenso kleinere oder größere Werte annehmen.
  • Das hier vorgeschlagene elektrochemische System 1 zeichnet sich gegenüber bekannten Systemen insbesondere dadurch aus, dass zwischen benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 jeweils Stützelemente 19a, 19b angeordnet sind. Die Stützelemente 19a, 19b dienen dem Zweck, die Sicken 12a-d der Separatorplatten 10 des Stapels 32 vor irreversiblen plastischen Verformungen zu schützen. Solche irreversiblen plastischen Verformungen der Sicken 12a-d können dann auftreten, wenn starke mechanische Kräfte auf den Stapel 32 einwirken, z. B. entlang der z-Richtung 6 senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10.
  • Insbesondere wirken die Stützelemente 19a, 19b als Absorber, die dazu ausgebildet sind, Kräfte, die in der z-Richtung 6 auf den Stapel 32 einwirken und die in Abwesenheit der Stützelemente 19a, 19b eine irreversible Stauchung der Sicken 12a-d bewirken würden, möglichst vollständig zu absorbieren und so eine Beschädigung der Sicken 12a-d zu verhindern. Falls das Brennstoffzellensystem 1 zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, können solche Kräfte z. B. bei einer Unfallkollision auftreten. Irreversible plastische Verformungen der Dichtelemente der Separatorplatten 10 können die Dichtwirkung der Dichtelemente beeinträchtigen und zu Leckagen von Reaktionsgas und/oder Kühlmittel führen. Dies kann die Effizienz des Systems 1 beeinträchtigen oder den Betrieb des Systems 1 sogar unmöglich machen. Zudem können austretende Reaktionsgase ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen (Brand- oder Explosionsgefahr).
  • Die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen können z. B. ein thermoplastisches Material, insbesondere Thermoplasten ohne Faserverstärkung, oder ein thermoplastisches Elastomer, z.B. TPVs insb. EPDM-PP-Blends oder NBR-PP-Blends, ggf. auch extrudierbare TPUs umfassen oder vollständig aus wenigstens einem dieser Materialien gebildet sein. Z. B. können die Stützelemente 19a, 19b ein geschäumtes Material umfassen, wie beispielsweise einen geschäumten Thermoplast oder ein geschäumtes thermoplastisches Elastomer. Das thermoplastische Elastomer kann aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt sein. Sie können eine Umspritzung und/oder eine Außenhaut aufweisen, die einstückig mit dem eigentlichen Körper des Stützelementes durch Schaumspritzgießen aus dem betreffenden thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels, wie Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder ein niedrig siedender Kohlenwasserstoff, insbesondere mittels Verdunsten oder Expansion des Treibmittels gebildet sein können.
  • Die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen können auch ein keramisches Material umfassen. Ebenso können die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfassen.
  • Die Stützelemente 19a, 19b können parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten z. B. jeweils einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt haben. Es sind jedoch auch andere Formen denkbar. Die Stützelemente 19a, 19b sind in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 verläuft, jeweils von den Portsicken 12a-c und von der Perimetersicke 12d beabstandet angeordnet. Damit sie eine unerwünschte plastische Verformung der Sicken 12a-d wirkungsvoll verhindern können, sollte ein parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 12 bestimmter Abstand der Stützelemente 19a, 19b von einer dem jeweiligen Stützelement 19a, 19b nächstgelegenen Sicke einen Maximalabstand Lmax vorzugsweise nicht überschreiten. Beispielsweise kann jeweils gelten Lmax≤ 3·A, Lmax≤ 2·A oder Lmax≤ A, wobei A eine quer zur Verlaufsrichtung der jeweiligen Sicke 12a-d bestimmte Fußbreite dieser Sicke ist. Bei dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stützelemente 19a jeweils innerhalb der von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereiche der Separatorplatten 10 angeordnet. Die Stützelemente 19b dagegen sind jeweils außerhalb der von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereiche der Separatorplatten 10 angeordnet.
  • In 3a sind die Stützelemente 19a, 19b ferner jeweils stoffschlüssig mit den Rahmen 18 verbunden, in die die Membranen 15 eingebettet sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen z. B. auch stoffschlüssig mit den Separatorplatten 10 verbunden sein, wie beispielsweise in 5 gezeigt. Z. B. können die Stützelemente 19a, 19b mit den Rahmen 18 und/oder mit den Separatorplatten 10 verklebt oder durch Materialauftrag verbunden sein. In 3a sind die Stützelemente 19a, 19b jeweils beidseitig an den Rahmen 18 angebracht. Insbesondere erstreckt sich der Rahmen 18 bei dem Ausführungsbeispiel der 3a in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 jeweils beiderseits der Perimetersicken 12d, also jeweils sowohl innerhalb als auch außerhalb des von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereichs der Separatorplatten 10. Die Einzelplatten 10a, 10b der Separatorplatten 10 weisen an ihren äußeren Rändern ferner jeweils Halbsicken 21a, 21b auf. Ein äußerer Rand der Rahmen 18 erstreckt sich parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 jeweils bis zum äußeren Rand der Separatorplatten 10.
  • Die Stützelemente 19a, 19b sind beim Ausführungsbeispiel der 3a entlang der z-Richtung 6 jeweils zwischen einer Separatorplatte 10 und dem dieser Separatorplatte 10 unmittelbar benachbarten Rahmen 18 angeordnet. Zwischen entlang der z-Richtung 6 benachbarten Stützelementen 19a, 19b sind also abwechselnd jeweils eine Separatorplatte 10 und ein Rahmen 18 angeordnet.
  • Die Stützelemente 19a, 19b sind derart zwischen den Separatorplatten 10 angeordnet und insbesondere entlang der z-Richtung 6 derart dimensioniert, dass sie sich wenigstens dann, wenn in der z-Richtung 6 eine Verpresskraft auf den Stapel 32 wirkt, die in Abwesenheit der Stützelemente eine irreversible plastische Verformung der Sicken 12a-d bewirken würde, in der z-Richtung 6 gegeneinander (s. z. B. 7) und/oder gegen die metallischen Separatorplatten 10 (s. z. B. 3a) abstützen, um eine irreversible plastische Verformung der Sicken 12a-d zu verhindern. Z. B. entspricht bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe der Stützelemente 19a, 19b bereits im Normalbetrieb des Systems 1, wenn der Plattenabstand zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 z0 beträgt, jeweils der Höhe h der Perimetersicken 12d der Einzelplatten 10a, 10b. Die Stützelemente 19a, 19b reichen hier also beim Plattenabstand z0 in der z-Richtung 6 jeweils an eine Separatorplatte 10 und an den dieser Separatorplatte 10 unmittelbar benachbarten Rahmen 18 heran und sind mit beiden in Kontakt.
  • 3b zeigt ebenfalls ein Detail des Stapels 32 des elektrochemischen Systems 1 aus 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene entlang der Linie B-B aus 2 verläuft. Ausgehend vom Außenrand des Stapels 32 weisen die Einzelplatten 10a, 10b nacheinander Halbsicken 21a, 21b, eine Perimetersicke 12d, eine Kombination aus Portsicke 12a und Halbsicken 21a', 21b', welche als Kombination um die Durchgangsöffnung 11a umläuft sowie einen kurzen Abschnitt eines Verteilbereichs 20 auf. Die Portsicke 12a und die Halbsicke 21a' weisen im zum Verteilbereich 20 weisenden Bereich jeweils Durchführungen 13a auf, die eine Leitung von Fluid von der Durchgangsöffnung 11a zum Verteilbereich 20 und weiter zum Strömungsfeld ermöglichen. Die MEA erstreckt sich nicht bis in diesen Bereich, vielmehr sind zwischen den Separatorplatten 10 Abschnitte des Rahmens 18 angeordnet. Wie in 3a sind die Stützelemente 19b auf den Rahmenabschnitten 18 angebracht, wobei sie sich hier zwischen der Perimetersicke 12d und der Portsicke 12a erstrecken.
  • 4a-c zeigen jeweils schematisch in einer Schnittdarstellung eine Ausführungsform einer Einzelplatte 10a des Stapels 32 und eines auf dieser Einzelplatte 10a angeordneten Stützelements 19. Das Stützelement 19 gemäß den 4a-c soll mit seinen hier beschriebenen Eigenschaften stellvertretend für jeweils zwischen zwei benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 angeordnete Stützelemente stehen. Das Stützelement 19 gemäß den 4a-c steht hier also stellvertretend für eines oder mehrere der zuvor und im Folgenden beschriebenen Stützelemente 19a, 19b, 19c, 19d, 19f, 19g, 19h, insbesondere auch für Kombinationen von diesen. Das Stützelement 19 aus den 4a-c ist hier mit der Einzelplatte 10a verbunden, z. B. durch eine Klebeverbindung. In die Einzelplatte 10a ist eine Perimetersicke 12d eingeprägt. Die in den 4a-d beschriebenen Eigenschaften der Perimetersicke 12d können jedoch ebenso für die Portsicken 12a-c oder für die Gesamtheit der Sicken 12a-d gelten (siehe z. B. 2).
  • Insbesondere zeigen die 4a-c die Perimetersicke 12d und das Stützelement 19 jeweils bei einem unterschiedlichen Grad der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6, wobei der Grad der Verpressung jeweils durch den Abstand z der Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 charakterisiert ist. Die in den 4a-c dargestellten Situationen entsprechen dabei den Abständen z0 , z1 und z2 zwischen benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32, wobei gilt z0> z1 > z2. Wie zuvor stellt z0 dabei den Plattenabstand im Normalbetrieb dar. Da in den 4a-c jeweils nur ein Teil der symmetrischen Anordnung aus zwei Separatorplatten 10 bzw. aus zwei Einzelplatten 10a, 10b, dem zwischen den Separatorplatten 10 bzw. dem zwischen Einzelplatten 10a, 10b jeweils aufgenommenen Rahmen 18 mit der Dicke ΔM und den zwischen den Separatorplatten 10 bzw. den zwischen den Einzelplatten 10a, 10b angeordneten Stützelementen 19 gezeigt ist (siehe z. B. 3a), beträgt die entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe h der Sicke 12d bei einem Plattenabstand z dabei jeweils (z-AM)/2, wobei auch die Dicke ΔM des Rahmens 18 mit zunehmender Verpressung ggf. jeweils leicht abnehmen kann. Die Höhe h der Sicke 12d im Normalbetrieb des Systems 1 kann z. B. einen Wert zwischen 0,3 mm und 0,6 mm annehmen.
  • Für jeden der Plattenabstände z0 , z1 und z2 sind dabei die in der z-Richtung 6 nur auf das Dichtelement (hier die Sicke 12d) einwirkende Kraft FD(z) und die in der z-Richtung 6 nur auf das Stützelement 19 einwirkende Kraft Fs(z) durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Länge des Pfeils jeweils ein Maß für den Betrag der Kraft ist. Die Kräfte FD(z) und Fs(z) können z. B. über die Endplatten 3, 4 des Systems 1 in den Stapel 32 eingeleitet werden.
  • Den 4a-c ist deutlich entnehmbar, dass die Kraft FD(z) und die Kraft Fs(z) jeweils umso größer sind, je stärker der Stapel 32 in der z-Richtung 6 verpresst ist, d. h. je kleiner der Abstand z zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 ist. Da Kräfte stets paarweise auftreten (actio=reactio), ist die Kraft FD(z) jeweils zugleich ein Maß für den Widerstand, den die Sicke 12d ihrer Stauchung auf die Sickenhöhe von h(z)=(z-ΔM)/2 entgegensetzt. Ebenso ist die Kraft Fs(z) jeweils ein Maß für den Widerstand, den das Stützelement 19 seiner Komprimierung in der z-Richtung 6 entgegensetzt. Abhängig vom Plattenabstand z verteilt sich die z. B. über die Endplatten 3, 4 des Systems 1 in den Stapel 32 eingeleitete Verpresskraft also in unterschiedlicher Weise auf die Kraft FD(z), die auf das wenigstens eine Dichtelement einwirkt, und auf die Kraft FS(z), die auf das wenigstens eine Stützelement einwirkt.
  • In 4d sind die Kraft-Weg-Kennlinien FD(z) und Fs(z) als stetige Funktionen des Abstandes z zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 dargestellt, wobei die Abstandswerte z0 , z1 und z2 , die den in den 4a-c gezeigten Situationen entsprechen, jeweils durch gestrichelte vertikale Linien hervorgehoben sind. Ferner sind in 4d die bei den Plattenabständen z0 , z1 und z2 gemäß den 4a-c jeweils auf die Sicke 12d und auf das Stützelement 19 einwirkenden Kräfte FD(z0), FD(z1), FS(z1), FD(z2) und FD(z2) als horizontal verlaufende gestrichelte Linien hervorgehoben. In 4d ist außerdem die auf die Sicke 12d und auf das Stützelement 19 einwirkende und z. B. über die Endplatten 3, 4 in den Stapel 32 eingeleitete Gesamtkraft FG(z)=FD(z)+FS(z) als weitere Kraft-Weg-Kennlinie dargestellt.
  • Die Kennlinie FG(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen des Stapels 32 mittels eines Kraftsensors aufgezeichnet werden, wobei der Stapel 32 die Separatorplatten 10 mit den eingeformten Sicken 12a-d und die zwischen den Separatorplatten 10 angeordneten Stützelementen 19 umfasst (siehe z. B. 3a). Z. B. kann der Kraftsensor jeweils die auf die Endplatten 3, 4 ausgeübte Verpresskraft aufzeichnen. Alternativ lässt sich die Kraft beispielsweise auch für eine elektrochemische Zelle und die beiden sie begrenzenden Separatorplatten unter Zuhilfenahme gesonderter Flanschplatten bestimmen. Die Dichtelement-Kennlinie FD(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen eines Stapels von Separatorplatten von der Art der Separatorplatten 10 mit der eingeformten Perimetersicke 12d (und ggf. zusätzlich mit den eingeformten Portsicken 12a-c) aufgezeichnet werden, wobei die Stützelemente zwischen den Separatorplatten jedoch entfernt werden, so dass beim Verpressen des Stapels und beim Aufzeichnen der Kennlinie zwischen den Separatorplatten keine Stützelemente angeordnet sind. Und die Kennlinie FS(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen eines Stapels von ebenen Separatorplatten ohne eingeformte Sicken aufgezeichnet werden, wobei zwischen den ebenen Separatorplatten jeweils dieselben Stützelemente 19 angeordnet sind wie beim Aufzeichnen der Kennlinie FG(z). Alternativ könnte die Stützelement-Kennlinie FS(z) auch aus der Differenz der Kennlinien FG(z) und FD(z) bestimmt werden: FS(z)=FG(z)-FD(z).
  • In der F-z-Darstellung der 4d ist die infolge einer Verpressung der Perimetersicke 12d entlang der z-Richtung 6 in der Perimetersicke 12d deponierte Energie jeweils durch die entsprechende Fläche unter der Kurve FD(z) gegeben. Ebenso ist die infolge einer Verpressung des Stützelements 19 entlang der z-Richtung 6 im Stützelement 19 deponierte Energie jeweils durch die entsprechende Fläche unter der Kurve FS(z) gegeben.
  • Der Kraft-Weg-Kennlinie FD(z) der Sicke 12d ist deutlich das elastische Verhalten der Sicke 12d bei Plattenabständen z mit z3 < z < z0 entnehmbar, gekennzeichnet durch den linearen Verlauf der Kennlinie FD(z) in diesem Bereich. Für Plattenabstände z im Bereich z3 < z < z0 kann eine geringfügige Abweichung des Verlaufs der Kennlinie FD(z) von einem idealen linearen Verlauf darauf zurückzuführen sein, dass die Sicke 12d ihre ursprüngliche unverformte Geometrie nach einer ersten Stauchung nicht vollständig wiedererlangt (Hysterese). Die Sicke 12d ist derart ausgebildet, dass eine noch stärkere Verpressung der Sicke 12d über z3 hinaus, d. h. für Plattenabstände z mit z < z3, zu einer irreversiblen plastischen Verformung der Sicke 12d führt. Im Diagramm der 4d ist dies vor allem gekennzeichnet durch den Abfall der Kennlinie FD(z) im Bereich z < z3 zu kleinen Plattenabständen hin.
  • Das in den 4a-c dargestellte Stützelement 19 weist eine Vielzahl von Poren 23 auf. Z. B. ist das Stützelement 19 der 4a-c aus einem geschäumten Elastomer gebildet. Die Poren 23 können im unbelasteten Zustand z. B. in etwa kugelförmig sein und typische Durchmesser zwischen 0,01 mm und 0,15 mm haben. Durch eine in der z-Richtung 6 auf den Stapel 32 einwirkenden Verpressungskraft können die Poren 23 des Stützelements vollständig oder wenigstens teilweise komprimiert werden, was den Verlauf der Stützelement-Kennlinie FS(z) maßgeblich beeinflusst.
  • So sind an der Stützelement-Kennlinie FS(z) deutlich verschiedene Abstandsbereiche mit unterschiedlichem Verhalten der Stützelement-Kennlinie FS(z) in dem jeweiligen Bereich erkennbar. In etwa bei Plattenabständen z mit z1 < z < z0 wird der Widerstand des Stützelements 19 gegenüber einer Komprimierung des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 maßgeblich durch die Geometrie derjenigen Strukturen des Stützelements 19 bestimmt, die die noch nicht oder noch nicht vollständig kollabierten Poren 23 bilden. In diesem Bereich liegt die Stützelement-Kennlinie FS(z), die den Widerstand des Stützelements 19 gegenüber einer Komprimierung oder gegenüber einer weiteren Komprimierung des Stützelements 19 charakterisiert, durchgehend unterhalb der Dichtelement-Kennlinie FD(z) der Sicke 12d, die den Widerstand der Sicke 12d gegenüber einer Stauchung oder gegenüber einer weiteren Stauchung der Sicke 12d charakterisiert. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gilt also FS(z) < FD(z) für alle Plattenabstände z mit z1 < z < z0.
  • Mit anderen Worten gilt bei jedem Plattenabstand z im Bereich z1 < z < z0, dass die bei diesem Plattenabstand z zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d in der z-Richtung 6 um eine Wegstrecke Δz" > 0 benötigte Kraft FD(z) größer oder gleich der bei demselben Plattenabstand z zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 um dieselbe Wegstrecke Δz" benötigte Kraft FS(z) ist. Dies bedeutet, dass das Stützelement 19 bzw. die Stützelemente 19 derart ausgebildet ist/sind und insbesondere entlang der z-Richtung 6 derart dimensioniert ist/sind, dass der Widerstand des Stapels 32 gegen eine Verpressung oder gegen eine weitere Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6 bei nur geringfügigen Verformungen der Sicken 12a-d der Separatorplatten 12, also bei Plattenabständen z mit z1 < z < z0, maßgeblich durch den Widerstand der Sicken 12a-d gegenüber einer weiteren Verpressung bestimmt ist. Das Stützelement 19 bzw. die Stützelemente 19 beeinträchtigen die bei geringen Plattenabständen durchaus wünschenswerte elastische Verformbarkeit der Sicken 12a-d bei Plattenabständen z mit z1 < z < z0 also kaum merklich. So können die Sicken 12a-d geringfügigen Verformungen der Separatorplatten 10 und/oder sonstiger Komponenten in der z-Richtung 6, die z. B. durch im Betrieb des Systems 1 auftretende Temperaturschwankungen oder weitere sonstige Betriebszustände verursacht werden, ohne weiteres nachgeben und damit ihre Dichtfunktion uneingeschränkt aufrechterhalten.
  • Erst bei Abständen z < z1, wenn die Poren 23 des Stützelements 19 infolge der auf das Stützelement 19 in der z-Richtung 6 einwirkenden Verpresskraft wenigstens teilweise oder ggf. vollständig kollabiert sind, wird der Widerstand des Stützelements 19 gegenüber einer weiteren Komprimierung des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 maßgeblich durch die anderen Eigenschaften des Materials als dessen Porengehalt und -größe bestimmt, aus dem das Stützelement 19 gebildet ist, und steigt mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes stark an. Die Sicke 12d ist also derart ausgebildet und das Stützelement 19 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass für alle Plattenabstände z mit z < z1 die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um einen Weg Δz"' > 0 in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FS mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes z schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d um denselben Weg Δz'" in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FD . Oder mit anderen Worten: |dFS(z)/dz |> |dFD(z)/dz| für alle Plattenabstände z mit z < z1. Dabei ist z1 hier z. B. der größte Plattenabstand, für den diese Relation gilt. Beispielsweise kann die Kennlinie FS(z) wenigstens im Bereich z < z1 in etwa einen exponentiellen Verlauf haben.
  • Bei einem Plattenabstand z benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 von z=z2 mit z2 < z1 < z0 schneiden sich die Stützelement-Kennlinie FS(z) und die Dichtelement-Kennlinie FD(z). Z. B. kann die Sicke 12d derart ausgebildet und das Stützelement 19 derart angeordnet und ausgebildet sein, dass die Poren 23 des Stützelements 19 für alle Plattenabstände z mit z ≤ z2 vollständig komprimiert bzw. kollabiert sind. Z. B. kann z2 der größte Plattenabstand sein, bei dem die Poren 23 des Stützelements 19 vollständig komprimiert bzw. kollabiert sind. Dabei ist hervorzuheben, dass die Höhe h der Sicke 12d bei dem Plattenabstand z=z2 noch deutlich innerhalb desjenigen Bereichs ist, in dem die Sicke 12d elastisch verformbar ist. Bei dem Plattenabstand z=z2 besteht für die Perimetersicke 12d also noch keine Gefahr einer irreversiblen plastischen Verformung.
  • Die Sicke 12d und das Stützelement 19 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass die Stützelement-Kennlinie FS(z) für alle Plattenabstände z mit z < z2 durchgehend oberhalb der Dichtelement-Kennlinie FD(z) verläuft. Es gilt also FS(z) > FD(z) für alle Plattenabstände z mit z < z2, wobei z2 hier der größte Plattenabstand ist, für den diese Relation gilt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass es für alle Plattenabstände z mit z ≤ z2 jeweils eine Wegstrecke der Länge Δz' > 0 gibt, so dass die bei jedem Plattenabstand z mit z ≤ z2 zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um die Wegstrecke Δz' in der z-Richtung 6 benötigte Kraft ΔFS=FS(z-Δz')-FS(z) jeweils größer ist als die bei demselben Plattenabstand z zur weiteren Stauchung nur der Perimetersicke 12d um dieselbe Wegstrecke Δz' in der z-Richtung 6 benötigte KraftΔFD=FD(z-Δz')-FD(z).
  • Der Verlauf der Dichtelement-Kennlinie FD(z) ist gewöhnlich durch die Geometrie der Sicke 12d und durch die Materialeigenschaften der Sicke 12d bestimmt. Z. B. ist der Verlauf der Dichtelement-Kennlinie FD(z) durch ihre Höhe h, ihre Fußbreite und ihren Flankenwinkel im unbelasteten Zustand sowie durch die Dicke und/oder durch das Material der Einzelplatte 10a bestimmt, in die die Sicke 12d eingeformt ist. Und der Verlauf der Stützelement-Kennlinie FS(z) ist typischerweise durch die Geometrie des Stützelements 19 und durch die Materialeigenschaften des Stützelements 19 bestimmt. Z. B. ist das Stützelement 19 bei der in den 4a-c dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet, dass seine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe wenigstens für alle Plattenabstände z mit z ≤ z0 jeweils der Höhe h der Sicke 12d entspricht.
  • Die Größe des Plattenabstandes z1 , für den gilt |dFS(z)/dz|> |dFD(z)/dz|für alle z < z1, und/oder die Größe des Plattenabstandes z2 , für den gilt FS(z) > FD(z) für alle z < z2, können/kann jeweils durch Veränderung wenigstens eines oder mehrerer der folgenden Parameter einstellbar sein:
    • die entlang der z-Richtung 6 des Stützelements 19 bestimmte Höhe des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19;
    • die Größe der Querschnittsfläche des Stützelements 19 parallel zur Plattenebene der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b;
    • der Elastizitätsmodul des Materials oder wenigstens eines der Materialien, aus dem oder aus denen das Stützelement 19 gebildet ist;
    • die mittlere Größe der Poren 23 des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19; und/oder
    • der Volumenanteil der Poren 23 des Stützelements 19 am Gesamtvolumen des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19.
  • Z. B. kann der Wert von z1 und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung der mittleren Größe der Poren 23 des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19 zu kleineren Plattenabständen hin verringert werden. Z. B. kann der Wert von z1 und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung des Volumenanteils der Poren 23 des Stützelements 19 am Gesamtvolumen des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19a zu kleineren Plattenabständen hin verringert werden. Z. B. kann der Wert von z1 und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Stützelements 19a parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b zu größeren Plattenabständen hin vergrößert werden. Und z. B. kann der Wert von z1 und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung des Elastizitätsmoduls des Materials des Stützelements 19a zu größeren Plattenabständen hin vergrößert werden.
  • Die 5a-b zeigen weitere denkbare Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Stützelementen 19, hier bezeichnet als 19c und 19d, und zwar in einer Schnittdarstellung entlang einer Ebene, die parallel zur z-Richtung 6 und damit senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b ausgerichtet ist. Die Stützelemente 19c, 19d können bei alternativen Ausführungsformen des Stapels 32 z. B. alle oder wenigstens einige der Stützelemente 19a und ggf. auch 19b in 3a ersetzen. In den 5a-b sind die Stützelemente 19c, 19d jeweils mit einer Einzelplatte 10a einer Separatorplatte 10 des Stapels 32 verbunden, z. B. durch eine Klebeverbindung. Alternativ können die Stützelemente 19c, 19d oder einige von ihnen jeweils ebenso mit einem der Rahmen 18 verbunden sein (siehe 3a).
  • Die Stützelemente 19c, 19d weisen jeweils eine Außenwand 25 aus einem elastischen Material auf. Z. B. ist die Außenwand 25 jeweils aus einem thermoplastischen Elastomer gebildet. Die Stützelemente 19c, 19d weisen außerdem jeweils wenigstens einen Hohlraum 24 auf, der sich entlang der z-Richtung 6 erstreckt. Ein Volumen des Hohlraums 24 kann im unbelasteten Zustand der Stützelemente 19c, 19d z. B. wenigstens 30 Prozent oder wenigstens 50 Prozent des Gesamtvolumens des jeweiligen Stützelements 19c, 19d erfüllen. Durch eine in der z-Richtung 6 auf die Stützelemente 19c, 19d einwirkende Verpresskraft sind die Hohlräume 24 der Stützelemente 19c, 19d in der z-Richtung 6 ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar oder komprimierbar. Die zum Komprimieren oder zum teilweisen Komprimieren der Stützelemente entlang der z-Richtung 6 erforderliche Verpresskraft hängt u.a. von der Geometrie der Außenwand 25 ab, z. B. von einer Wandstärke der Außenwand 25, und/oder von dem Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Außenwand 25 gebildet ist.
  • Die Hohlräume 24 der Stützelemente 19c, 19d können jeweils vollständig von der Außenwand 25 umschlossen sein. Alternativ können die Außenwände 25 auch Öffnungen aufweisen, durch die ein im jeweiligen Hohlraum 24 enthaltenes Gas, z. B. Luft, beim Komprimieren des Hohlraums 24 aus dem Hohlraum 24 entweichen kann. Durch derartige Öffnungen in den Außenwänden kann der Widerstand der Stützelemente 19c, 19d gegenüber einer Komprimierung verringert werden.
  • Das Stützelement 19d aus 5b unterscheidet sich von dem Stützelement 19c aus 5a durch einen Vorsprung 26, der sich entlang der z-Richtung 6 erstreckt und der wenigstens teilweise in den Hohlraum 24 hineinragt. Der Vorsprung 26 kann z. B. mit der Außenwand 25 des Stützelements 19d verbunden oder einteilig mit diesem ausgebildet sein. Durch die Elastizität des Materials, aus dem der Vorsprung 26 gebildet ist, und durch die Länge des Vorsprungs 26 entlang der z-Richtung 6 kann der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie des Stützelements 19d gezielt beeinflusst werden (vgl. die Kraft-Weg-Kennlinien des Stützelements 19 gemäß 4). Z. B. kann der Wert des oben definierten Plattenabstandes z1 und/oder z2 mit der Wahl der Elastizität des Vorsprungs 26 und/oder durch die Wahl der Länge des Vorsprungs 26 entlang der z-Richtung 6 gezielt eingestellt werden.
  • Analog den 4a-c zeigen die 6a-c jeweils schematisch in einer Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform einer Einzelplatte 10a des Stapels 32 und eine weitere Ausführungsform eines auf dieser Einzelplatte 10a angeordneten Stützelements 19. Wie zuvor soll das Stützelement 19 gemäß den 6a-c mit seinen hier beschriebenen Eigenschaften stellvertretend für eine weitere Ausführungsform eines Stützelements oder mehrerer Stützelemente stehen, die zwischen zwei benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 angeordnet sind. Das Stützelement 19 kann aus einem elastischen Material gebildet sein, z. B. aus einem thermoplastischen Elastomer. Das Stützelement 19 kann homogen ausgebildet sein. Es ist aber ebenso denkbar, dass das Stützelement Poren entsprechend den Poren 23 des Stützelements 19a gemäß den 4a-d oder wenigstens einen Hohlraum 24 entsprechend den Hohlräumen 24 der Stützelemente 19c, 19d gemäß den 5a-b aufweist.
  • Wiederum ist zudem eine in die Einzelplatte 10a eingeformte Perimetersicke 12d gezeigt. Wie zuvor können die in den 6a-d beschriebenen Eigenschaften der Perimetersicke 12d jedoch ebenso für die Portsicken 12a-c oder für die Gesamtheit der Sicken 12a-d gelten (siehe z. B. 2). Analog zur Darstellung der 4a-c zeigen die 6a-c die Perimetersicke 12d und das Stützelement 19a jeweils bei einem unterschiedlichen Grad der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6. Und analog der 4d sind in 6d die Kraft-Weg-Kennlinien FD(z) und FS(z) als stetige Funktionen des Abstandes z zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 dargestellt. Bereits in den 4a-d beschriebene Merkmale und Bezeichnungen werden hier nur der Einfachheit halber nicht nochmal im Detail erläutert.
  • Die Anordnung gemäß den 6a-c unterscheidet sich von der Anordnung gemäß den 4a-c dadurch, dass das Stützelement 19 gemäß den 6a-c gegenüber dem Stützelement 19 gemäß den 4a-c derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für alle Plattenabstände z mit z > z1 entlang der z-Richtung 6 ein Zwischenraum 31 zwischen dem Stützelement 19 und der dem Stützelement 19 unmittelbar benachbarten Separatorplatte 10 oder zwischen dem Stützelement 19 und dem dem Stützelement 19 unmittelbar benachbarten Rahmen 18 verbleibt. Beim Plattenabstand z0 kann sich dieser Zwischenraum 31 entlang der z-Richtung 6 z. B. über eine Länge D erstrecken (siehe 6a). Dies bedeutet, dass eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe des Stützelements 19 gemäß den 6a-c beim Plattenabstand z0 im Normalbetrieb des Systems 1 kleiner ist als die Höhe h der Perimetersicke 12d.
  • Das Stützelement 19 gemäß den 6a-c ist derart ausgebildet und angeordnet, dass der genannte Zwischenraum 31 durch Verpressung des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 erstmalig dann verschwindet, wenn der Plattenabstand benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 auf den Wert z1 verringert ist. Für Plattenabstände z mit z > z1 setzt das Stützelement 19 der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6 daher keinen Widerstand entgegen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die in der z-Richtung 6 nur auf das Stützelement 19 einwirkende Kraft FS(z) für alle Plattenabstände z mit z > z1 verschwindet (d. h. FS(z) = 0).
  • Wie zuvor ist bei dem Ausführungsbeispiel der 6a-c die Sicke 12d derart ausgebildet und das Stützelement 19 derart angeordnet und ausgebildet, dass die Stützelement-Kennlinie FS(z) des Stützelements 19 und die Dichtelement-Kennlinie FD(z) der Sicke 12d einander beim Plattenabstand z = z2 schneiden. Auch für das Ausführungsbeispiel der 6a-c gilt somit FS(z) < FD(z) für alle z mit z > z2, sowie FS(z) > FD(z) für alle z mit z < z2. Und wie zuvor gilt außerdem |dFS(z)/dz| > |dFD(z)/dz| für alle z mit z < z1. Insbesondere sind die Sicke 12d und das Stützelement 19 also derart ausgebildet, dass für alle Plattenabstände z mit z < z1 die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um einen Weg Δz"' > 0 in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FS mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes z schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d um denselben Weg Δz'" in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FD .
  • Die nachfolgenden Figuren zeigen weitere Stapel 32 des Systems 1 jeweils in einem Zustand, bei dem die Plattenabstände z. B. jeweils z = z0 betragen.
  • 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zeichnet sich der Stapel 32 gemäß 7 durch Stützelemente 19f aus, die entlang der Schnittebene und senkrecht zur Verlaufsrichtung der Perimetersicken 12d jeweils einen näherungsweise U-förmigen Querschnitt aufweisen und am Rand der Separatorplatten 10 z. B. auf die Separatorplatten 10 aufgesteckt sind. Die Stützelemente 19f können also jeweils formschlüssig, insbesondere über die Halbsicken 21a, 21b, mit den Separatorplatten 10 verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ können die Stützelemente 19f mit den Separatorplatten 10 verklebt oder auf andere Weise verbunden sein. Die Stützelemente 19f sind entlang der z-Richtung 6 jeweils beiderseits der Separatorplatten 10 angeordnet und umschließen diese, so dass sie jeweils mit beiden Einzelplatten 10a, 10b der Separatorplatten 10 in Kontakt sind. Zwischen benachbarten Stützelementen 19f ist ein Zwischenraum 31 vorhanden, dessen Höhe im Wesentlichen der Dicke des Rahmens 18 entspricht.
  • Parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 reichen die Stützelemente 19f nicht an die dichtend zwischen den Perimetersicken 12d benachbarter Separatorplatten 10 aufgenommenen Rahmen 18 heran. Somit überlappen die Stützelemente 19f und die Rahmen 18 in der z-Richtung 6 nicht. Die Stützelemente 19f können derart dimensioniert sein, dass sie bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb beiderseits der Separatorplatte 10, an der sie jeweils angeordnet sind, entlang der z-Richtung 6 jeweils wenigstens bis an die Ebene heranreichen, in der sich das Dach der Perimetersicken 12d der Einzelplatten 10a, 10b dieser Separatorplatte 10 erstreckt.
  • Ferner sind die Stützelemente 19f entlang der z-Richtung 6 derart dimensioniert, dass zwischen benachbarten Stützelementen 19f entlang der z-Richtung 6 bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb jeweils ein Zwischenraum verbleibt, so dass benachbarte Stützelemente 19f einander bei einem Plattenabstand von z0 nicht berühren. Z. B. sind die Stützelemente 19f derart ausgebildet, dass benachbarte Stützelemente 19f einander erstmalig dann kontaktieren, wenn der Plattenabstand benachbarter Separatorplatten 10 infolge einer Verpressung des Stapels 32 auf einen Wert z1 < z0 verringert ist. Falls benachbarte Separatorplatten 10 im Betrieb auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen (wie z. B. bei einem Brennstoffzellenstapel), ist es erforderlich, dass die Stützelemente 19f wenigstens in denjenigen Bereichen an ihrer Oberfläche, entlang derer sie infolge einer Verpressung des Stapels 32 miteinander in Kontakt geraten können, elektrisch nichtleitend sind, um zu verhindern, dass es über die Stützelemente 19f zu einem elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatorplatten 10 kommt (elektrischer Kurzschluss). Z. B. können die Stützelemente 19f jeweils mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet sein. Alternativ können die Stützelemente 19f oder einige von ihnen auch jeweils vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
  • 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 7 dadurch, dass die Stützelemente 19f jeweils mit einem Halteelement 27 verbunden sind. Die Stützelemente 19f sind somit entlang der z-Richtung 6 über das Halteelement 27 miteinander verbunden. Das Halteelement 27 erstreckt sich am Rand des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 über eine Vielzahl von Separatorplatten 10. Der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das Halteelement gebildet ist, kann in etwa so groß sein wie der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Stützelemente 19f gebildet sind. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform sind die Stützelemente 19f und das Halteelement 27 aus demselben Material gefertigt und einteilig ausgebildet. Wenigstens im Randbereich des Stapels 32 erhöht das Halteelement 27 typischerweise den Widerstand des Stapels 32 gegen eine Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6, wobei das Halteelement 27 bei starken Verpressungen zumindest teilweise in die vom Platteninneren abgewandte Richtung ausweichen kann.
  • 9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 7 einerseits dadurch, dass am linken Außenrand der Separatorplatten keine Halbsicken vorhanden sind. Andererseits unterscheidet sie sich von der gemäß 7 dadurch, dass die Stützelemente 19f jeweils aus zwei unterschiedlichen Materialien 19f' und 19f" zusammengesetzt sind, die einer Verpressung entlang der z-Richtung 6 z. B. einen unterschiedlich großen Widerstand entgegensetzen. Z. B. kann wenigstens eines der Materialien 19f', 19f" geschäumt sein und Poren entsprechend den Poren 23 des Stützelements 19 gemäß den 4a-c aufweisen. Es kann sich auch um zwei ansonsten identische Materialien handeln, die einen unterschiedlichen Porengehalt aufweisen. Die Stützelemente 19f können beispielsweise koextrudiert sein.
  • Die Materialien 19f', 19f" bilden Schichten, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet sind und die mit den Separatorplatten 10 jeweils eine sandwichartige Struktur bilden, die bezüglich der Plattenebene der jeweiligen Separatorplatte 10 spiegelsymmetrisch ist. Die Separatorplatte 10 bildet dabei jeweils die innerste Schicht dieser Struktur. Das erste Material 19f' des Stützelements 19f bildet die zweite Schicht, die beiderseits der Separatorplatte 10 mit der Separatorplatte 10 in Kontakt ist. Und das zweite Material 19f" des Stützelements 19f bildet die dritte Schicht, die beiderseits der Separatorplatte 10 mit der zweiten Schicht in Kontakt ist.
  • Geraten bei der Ausführungsform gemäß 9 benachbarte Stützelemente 19f infolge einer Verpressung des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 nach Verschließen des Zwischenraums 31 erstmalig in Kontakt, so wird der Widerstand der Stützelemente 19f gegen eine weitere Verpressung z. B. zunächst durch dasjenige der Materialien 19f', 19f" bestimmt, das eine größere Elastizität (d. h. einen kleineren Elastizitätsmodul) aufweist. Auch durch einen derartigen Aufbau der Stützelemente 19f aus zwei unterschiedlichen Materialien 19f', 19f" lässt sich der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie FS(z) der Stützelemente 19f also gezielt beeinflussen oder einstellen. Z. B. ist der Verlauf von FS(z) auf diese Weise derart einstellbar, dass FS(z) für Plattenabstände z mit z1 < z < z0 flach verläuft und dass FS(z) für Plattenabstände z mit z < z1 steil verläuft o.ä. (vgl. 4d).
  • 10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 7 dadurch, dass die Stützelemente 19h gemäß 10 jeweils einen Zwischenraum 28 ausfüllen, der von den Halbsicken 21a, 21b am Rand der Einzelplatten 10a, 10b gebildet wird. So kann die Stabilität der Halbsicken 21a, 21b und der Stützelemente 19h weiter erhöht werden.
  • 11 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 11 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß 8. In 11 sind die Stützelemente 19g jeweils im Randbereich der Separatorplatten 10 entlang der z-Richtung 6 zwischen den Halbsicken 21a, 21b benachbarter Separatorplatten 10 angeordnet. Insbesondere sind die Stützelemente 19g derart zwischen den Separatorplatten 10 angeordnet, dass sie bereits beim Plattenabstand z0 im Normalbetrieb entlang der z-Richtung 6 jeweils an zwei benachbarte Separatorplatten 10 heranreichen und diese berühren. Ebenso füllen die Stützelemente 19g jeweils den Zwischenraum 28 zwischen den Halbsicken 21a, 21b aus. Ferner sind die Stützelemente 19g jeweils mit einem integralen Halteelement 27 verbunden, das sich entlang der z-Richtung 6 am Rand des Stapels 32 über eine Vielzahl von Separatorplatten 10 erstreckt. In 11 sind die Stützelemente 19g und das Halteelement 27 aus demselben Material gefertigt und einteilig ausgebildet.
  • 12 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 12 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 11 dadurch, dass die Stützelemente 19h gemäß 12 sich parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 wenigstens teilweise in einem Bereich 29 erstrecken, der von den Halbsicken 21a, 21b am Rand der Separatorplatten 10 bis zu den Perimetersicken 12d reicht. Die Stützelemente 19h füllen dabei Zwischenräume 30, die entlang der z-Richtung 6 im Bereich 29 zwischen benachbarten Separatorplatten 10 ausgebildet sind, bereits bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb vollständig aus.
  • 13 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß 13 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3a dadurch, dass sich die Rahmen 18 parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 nicht oder kaum über die Perimetersicken 12d hinaus zum Rand der Separatorplatten 10 hin erstrecken. Bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb verbleiben entlang der z-Richtung 6 somit Zwischenräume zwischen benachbarten Stützelementen 19b. Ferner unterscheidet sich die Ausführungsform gemäß 13 von der Ausführungsform gemäß 3a durch Füllelemente 30, die den Zwischenraum 28 zwischen den Halbsicken 21a, 21b der Separatorplatten 10 jeweils vollständig ausfüllen und den Separatorplatten 10 somit zusätzliche Stabilität verleihen.
  • 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei hier jedoch nur eine elektrochemische Zelle mit zwei Einzelplatten 10a, 10b, die zu zwei verschiedenen Separatorplatten gehören, dargestellt ist. Die Stützelemente 19b sind hier auf den Einzelplatten 10a, 10b in einem Bereich zwischen der Perimetersicke 12d und den Halbsicken 21a, 21b am Außenrand der Einzelplatten 10a, 10b angeordnet. Der Rahmen 18 reicht nicht bis in den Bereich, in dem die Stützelemente 19b angeordnet sind, so dass ein Zwischenraum 31 zwischen den unverpressten Stützelementen 19b verbleibt.

Claims (29)

  1. Elektrochemische Anordnung mit einer ersten und einer zweiten metallischen Separatorplatte (10), die jeweils eine Plattenebene definieren und die in einer Stapelrichtung (6) senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind; mit einer zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle; wobei die Separatorplatten (10) jeweils wenigstens ein in die Separatorplatte (10) eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement (12a-d) aufweisen; wobei sich die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) zum Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen; wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) in der Stapelrichtung (6) elastisch verformbar sind, so dass ein Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10) voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) wenigstens bis auf einen Abstand z2 reversibel verringerbar ist; und mit wenigstens einem Stützelement (19, 19a-d, 19f-h), das jeweils zwischen den Separatorplatten (10) angeordnet ist und das jeweils innerhalb einer Ebene parallel zu den Plattenebenen von den Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10) beabstandet ist; wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) zum Schutz der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) vor einer irreversiblen plastischen Verformung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dann, wenn der Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10) voneinander infolge einer in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z ≤ z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Δz' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FS größer ist als eine zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10) um den Weg Δz' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.
  2. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für z ≤ z1 mit z1 > z2 mit einer weiteren Verringerung des Abstandes z der Separatorplatten (10) voneinander die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Δz'" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FS schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur des Dichtelements um den Weg Δz'" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.
  3. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es für z ≤ z1 mit z1 > z2 eine im wesentlichen exponentielle Kraft-Weg-Kurve aufweist.
  4. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind, dass eine Verringerung des Abstandes der Separatorplatten (10) voneinander auf einen Wert z ≤ z3 mit z3 < z2 bei wenigstens einem der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10), vorzugsweise bei den Dichtelementen (12a-d) beider Separatorplatten (10), eine irreversible plastische Stauchung bewirkt.
  5. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19a, 19c) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils wenigstens einen Hohlraum (24) und/oder jeweils eine Vielzahl von Poren (23) aufweist/aufweisen.
  6. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für z mit z2 < z1 < z < z0 die zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10) um einen Weg Δz" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD größer oder gleich der zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um den Weg Δz" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FS ist.
  7. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils ein geschäumtes Material umfasst/umfassen.
  8. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das den wenigstens einen Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) umfassende Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart ausgebildet ist, dass der wenigstens eine Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) durch eine in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkende Verpresskraft ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar ist/sind.
  9. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 8, wobei das den wenigstens einen Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) umfassende Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der wenigstens eine Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) bei einem Abstand der Separatorplatten (10) voneinander von z ≤ z2 jeweils maximal kollabiert ist/sind.
  10. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) wenigstens ein erstes Stützelement (19e) umfasst, das derart angeordnet ist, dass zwischen den Separatorplatten (10) und dem wenigstens einen ersten Stützelement (19e) in der Stapelrichtung (6) für z > z1 mit z1 > z2 jeweils wenigstens ein Zwischenraum verbleibt.
  11. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine Zwischenraum für z ≤ z1 verschwindet.
  12. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) jeweils eine Perimetersicke (12d) umfassen, die die elektrochemische Zelle umschließt und gegenüber einer Umgebung der elektrochemischen Anordnung abdichtet.
  13. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 12, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) wenigstens ein zweites Stützelement (19b, 19f, 19g) umfasst, das in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten (10) auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite der Perimetersicke (12d) angeordnet ist.
  14. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) wenigstens bereichsweise ein elektrisch isolierendes Material umfasst oder wenigstens bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, wobei das elektrisch isolierende Material jedes Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart angeordnet ist, dass bei jedem Abstand z der metallischen Separatorplatten (10) voneinander über dieses Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) kein elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Separatorplatten (10) herstellbar ist.
  15. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 14, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind.
  16. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) ein thermoplastisches Material, ein thermoplastisches Elastomer und/oder ein keramisches Material umfasst/umfassen.
  17. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfasst/umfassen.
  18. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit wenigstens einer der Separatorplatten (10) verbunden ist/sind.
  19. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle einen Rahmen (18) aufweist, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19a) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen (18) verbunden ist/sind.
  20. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 19, mit wenigstens einer in dem Rahmen (18) eingespannten Membran (15), insbesondere einer Elektrolytmembran oder einer Wassertransfermembran, die dichtend zwischen den einander abstützenden Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10) aufgenommen ist, wobei vorzugsweise beiderseits der Membran (15) jeweils eine Gasdiffusionslage (16) angeordnet ist.
  21. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19f, 19g) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) derart ausgebildet ist/sind, dass es/sie in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten (10) jeweils auf wenigstens eine der Separatorplatten (10) aufsteckbar ist/sind, vorzugsweise lösbar aufsteckbar ist/sind.
  22. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Separatorplatten (10) jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung (11a-c) zum Durchleiten eines Mediums durch die Separatorplatte (10) aufweisen, wobei das wenigstens eine Dichtelement (12a-d) der Separatorplatten (10) jeweils eine in die jeweilige Separatorplatte (10) eingeprägte Portsicke (12a-c) umfasst, die umlaufend um die wenigstens eine Durchgangsöffnung (11a-c) dieser Separatorplatte (10) angeordnet ist, und wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) auf einer von der Durchgangsöffnung (11a-c) abgewandten Seite der Portsicke (12a-c) angeordnet ist/sind.
  23. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 22, wobei die Portsicke (12b) Durchführungen (13b) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (11b) und der elektrochemischen Zelle herstellen.
  24. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 22 und 23, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils innerhalb einer Ebene, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten (10) verläuft, von der Portsicke (12a-c) beabstandet ist.
  25. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Separatorplatten (10) zwei metallische Einzelplatten (10a, 10b) umfasst, die zur Ausbildung dieser Separatorplatte (10) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, besonders vorzugsweise durch eine Laserschweißverbindung.
  26. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 25, wobei jede der Einzelplatten (10a, 10b) wenigstens ein in diese Einzelplatten (10a, 10b) eingeprägtes und in der Stapelrichtung (6) elastisches Dichtelement (12a-d) umfasst.
  27. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Halteelement (27), das seitlich an dem Stapel (32) angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) eine Vielzahl von Stützelementen (19f, 19g) umfasst, die mit dem Halteelement (27) verbunden sind oder die einteilig mit dem Halteelement (27) ausgebildet sind.
  28. Elektrochemisches System (1) mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die entlang einer gemeinsamen Stapelrichtung (6) gestapelt sind.
  29. Elektrochemisches System (1) nach Anspruch 28 mit einer elektrochemischen Anordnung nach Anspruch 27, wobei sich das Halteelement (27) in der gemeinsamen Stapelrichtung (6) über eine Vielzahl der elektrochemischen Anordnungen erstreckt.
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