DE202020105396U1

DE202020105396U1 - Abschlussbipolarplatte für ein elektrochemisches System, Plattenanordnung, sowie elektrochemisches System

Info

Publication number: DE202020105396U1
Application number: DE202020105396.5U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: CN114256474A; DE102021210381A1; US20220093941A1

Abstract

Plattenanordnung (50) für ein elektrochemisches System (1), umfassend
- eine Endplatte (52),
- eine an die Endplatte (52) angrenzende erste Separatorplatte (31) mit einer Plattenebene,
- eine an die erste Separatorplatte (31) angrenzende zweite Separatorplatte (32), wobei die zweite Separatorplatte (32) mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung (42) aufweist, wobei eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung (42) auf die erste Separatorplatte (31) senkrecht zur Plattenebene eine Projektionsfläche (40) definiert, wobei die erste Separatorplatte (31) im Bereich der Projektionsfläche (40)
- keine Durchgangsöffnung aufweist oder
- eine erste Durchgangsöffnung (41) aufweist, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung (42) beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschlussbipolarplatte für ein elektrochemisches System und eine Plattenanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein elektrochemisches System mit einer derartigen Plattenanordnung bzw. mit einer derartigen Abschlussbipolarplatte. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, ein Befeuchter für ein elektrochemisches System oder eine Redox-Flow-Batterie sein.
Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolar- oder Monopolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolar- oder Monopolarplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Bipolar- oder Monopolarplatten aus zwei zusammengefügten Lagen gebildet, von denen jede einzelne als Separatorplatte bezeichnet werden kann. Die Separatorplatten (Einzelplatten) der Bipolar- oder Monopolarplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Die Bezeichnung Bipolar- oder Monopolarplatte ergibt sich dabei aus der Anordnung der jeweiligen aus zwei Separatorplatten bestehenden Platte relativ zu den Medien, bei Bipolarplatten fließen auf beiden Oberflächen unterschiedliche Medien, bei Monopolarplatten fließen auf den beiden Oberflächen dieselben Medien. Werden im Folgenden Bipolarplatten oder eine Bipolarplatte genannt, so können, wenn nichts anderes genannt sein, ebenso Monopolarplatten bzw. eine Monopolarplatte gemeint sein.
Die Separatorplatten bzw. die Lagen können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Separatorplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die aus zwei Separatorplatten gebildeten Bipolarplatten aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Separatorplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Separatorplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden.
Die elektrochemischen Zellen umfassen außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Separatorplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Die MEAs weisen darüber hinaus jeweils eine rahmenförmige Verstärkungslage auf, welche den elektrochemischaktiven Bereich der MEA umschließt und typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
Üblicherweise wird der die Bipolarplatten und die elektrochemischen Zellen umfassende Stapel an den Enden des Stapels jeweils durch eine Endplatte oder eine Abschlussplatte abgeschlossen. Eine Abschlussplatte soll hier als eine Kombination aus einer Endplatte und mindestens einer Außenplatte verstanden werden. Die ggf. vorhandene mindestens eine Außenplatte ist dabei auf der dem Plattenstapel abgewandten Oberfläche der Endplatte angeordnet. Kommt eine Abschlussplatte zum Einsatz, so dient die Endplatte üblicherweise in erster Linie der Isolation und die Außenplatte der Kraftaufnahme. Wenigstens eine der Endplatten oder eine der Abschlussplatten weist typischerweise einen oder mehrere Medienanschlüsse auf. An diese können Leitungen zum Zuführen der Medien und/oder zum Abführen der Reaktionsprodukte angeschlossen werden. Zudem weist wenigstens eine der Endplatten oder eine der Abschlussplatten gewöhnlich elektrische Anschlüsse auf, über die der Zellstapel mit einem Verbraucher oder insbesondere im Falle eines Elektrolyseurs mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Die jeweils andere Endplatte und/oder Abschlussplatte kann auch lediglich der Verpressung und/oder Abdichtung des Stapels dienen und als solche nicht über Medienanschlüsse verfügen. Die einer Endplatte oder der Endplatte einer Abschlussplatte nächstliegende bzw. benachbarte Bipolarplatte des Stapels wird auch Abschlussbipolarplatte genannt.
Zwischen der Abschlussbipolarplatte und der Endplatte ist typischerweise eine Dichtvorrichtung angeordnet. Diese dient dem Abdichten des Systems nach außen und/oder dem Abdichten verschiedener Leitungen oder Abschnitten des elektrochemischen Systems gegeneinander. Die Abdichtung zwischen der Abschlussbipolarplatte und der Endplatte erfolgt bei bekannten Systemen z. B. durch siebdruckbeschichtete metallische Sicken. Dieser Siebdruck neigt jedoch vor allem an den mechanisch bearbeiteten, wenigstens geringfügig rauen Kunststoffoberflächen der Endplatte zum Anhaften. Ebenso kann es zum Ablösen oder zur Beschädigung der Dichtvorrichtung kommen, wenn sich die Abschlussbipolarplatte und die Endplatte, die in der Regel aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und daher unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, bei Temperaturwechsel relativ zueinander verschieben, insbesondere in lateraler Richtung, also orthogonal zur Stapelrichtung. Gewöhnlich sind die Bipolarplatten und damit auch die Abschlussbipolarplatte aus Metall, z. B. aus Edelstahl, die Endplatte dagegen aus Kunststoff oder weitestgehend aus Kunststoff.
Bei manchen Anwendungen muss die Dichtvorrichtung in einem Temperaturbereich zwischen einer Minimaltemperatur von z. B. -40°C und einer Maximaltemperatur von z. B. +100 °C gleichermaßen zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Derartige Temperaturwechsel können insbesondere beim Betriebsstart eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperatur bzw. beim Kaltstart im Winter bei Minusgraden hin zur maximalen Betriebstemperatur des Stapels auftreten. Die Auswirkungen des Ablösens und Anhaftens der Beschichtung wird insbesondere beim Zerlegen des Stapels offensichtlich, wobei die Beschichtung auf Grund der zuvor erfolgten Ablösung von der Abschlussbipolarplatte abgezogen wird.
Um diese relative Verschiebung bei Temperaturwechsel zu unterbinden oder wenigstens zu verringern, könnte auch die Endplatte aus Metall gefertigt werden. Dies erhöht jedoch sowohl die Herstellungskosten als auch das Gewicht des Systems, was für viele Anwendungen unerwünscht ist. Das Abdichten der Grenzschicht zwischen der Endplatte und der Abschlussbipolarplatte mittels einer teilweise in wenigstens eine der Platten eingelassenen Gummidichtung (O-Ring oder Floppydichtung) kann aufgrund der hohen Setzung solcher Dichtungen dagegen ggf. zu Schwierigkeiten bei der Höhen- und Kraftabstimmung des Dichtsystems führen.
Diese Problematik ist auch aus der Veröffentlichung DE 20 2014 002 512 U1 bekannt. Dort wurde eine Dichtvorrichtung zwischen einer der beiden Endplatten und der Abschlussbipolarplatte vorgeschlagen, welche derart gestaltet ist, dass bei Temperaturänderungen die Dichtfunktion nur oder wenigstens auch über ein Abgleiten der Endplatte und/oder der Abschlussbipolarplatte an der Dichtvorrichtung erfolgt. Dies benötigt jedoch eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung und/oder eine spezielle Beschichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plattenanordnung, eine Abschlussbipolarplatte bzw. ein elektrochemisches System mit einer guten Dichtheit zu schaffen. Vorzugsweise sollen die Plattenanordnung, die Abschlussbipolarplatte und das elektrochemische System zudem möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Abschlussbipolarplatte, die Plattenanordnung sowie das elektrochemische System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Spezielle Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung offenbart.
Dementsprechend wird eine Plattenanordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Plattenanordnung umfasst:

- eine Endplatte,
- eine an die Endplatte angrenzende erste Separatorplatte mit einer Plattenebene und
- eine an die erste Separatorplatte angrenzende zweite Separatorplatte, wobei die zweite Separatorplatte mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung aufweist.

Eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung auf die erste Separatorplatte senkrecht zur Plattenebene definiert eine Projektionsfläche, wobei die erste Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche

- keine Durchgangsöffnung aufweist oder
- eine erste Durchgangsöffnung aufweist, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung beträgt.

Im ersten Fall ist also keine Durchgangsöffnung im Bereich der Projektionsfläche in der ersten Separatorplatte vorhanden. Der gesamte Bereich der Projektionsfläche ist also geschlossen und wird durch Plattenmaterial der ersten Separatorplatte gebildet. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit einer separaten Dichtung mit Elastomer oder Siebdruckbeschichtung, welche im Stand der Technik zwischen der Endplatte und der ersten Separatorplatte angeordnet ist. Vielmehr dichtet das Plattenmaterial der ersten Separatorplatte den Bereich der Projektionsfläche fluidisch ab. Hierdurch sind die oben beschriebenen Relativbewegungen zwischen Endplatte und der ersten Separatorplatte unproblematisch und haben keinen negativen Einfluss auf das Dichtverhalten der Plattenanordnung. Außerdem muss die Oberflächengüte der Endplatte nicht einer Dichtfläche entsprechen, sondern dient nur der Anlage der ersten Separatorplatte. Somit können Oberflächenvergütungsschritte der Endplatte, sei es im Rahmen der eigentlichen Herstellung oder als Nachbehandlung, entfallen und Kosten können gesenkt werden.
Durch die beschriebene Lösung entstehen außerdem keine Mehrkosten, da die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte grundsätzlich im gleichen Herstellungswerkzeug oder mithilfe von den gleichen Herstellungswerkzeugen hergestellt werden können, wobei bei der Herstellung der ersten Separatorplatte der Schritt des Vorsehens von Durchgangsöffnungen, wie sie in der zweiten Separatorplatte enthalten sind, entfällt.
Bevorzugterweise ist die an die erste Separatorplatte angrenzende Endplatte eine Endplatte, in der keine Medienanschlüsse vorgesehen sind oder in der zumindest für das Medium, das durch die angesprochene zweite Durchgangsöffnung geleitet wird, kein Medienanschluss vorgesehen ist. Außerdem kann in manchen Ausführungsformen mindestens eine Außenplatte vorgesehen sein, welche in Kombination mit der Endplatte eine Abschlussplatte bildet. Die ggf. vorhandene mindestens eine Außenplatte ist dabei auf der der ersten Separatorplatte abgewandten Oberfläche der Endplatte angeordnet.
Falls die erste Durchgangsöffnung vorhanden ist, unterscheidet sich diese von der zweiten Durchgangsöffnung durch einen deutlich verringerten Flächeninhalt, nämlich weniger als 20%. Oftmals beträgt die Fläche der ersten Durchgangsöffnung weniger als 10% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung, vorzugsweise weniger als 7%, insbesondere weniger als 5%. Im Vergleich zur zweiten Durchgangsöffnung ist die erste Durchgangsöffnung also wesentlich kleiner. Hierdurch kann eine entsprechende Dichtung, welche die erste Durchgangsöffnung gegenüber der Umgebung abdichtet, im Vergleich zu vorbekannten Dichtungen deutlich kleiner ausfallen, was die Herstellung dieser Dichtung vereinfacht. Ebenso ist es in diesem Falle möglich, einen Einschraub-Einsatz zu verwenden, der unabhängig von der oft komplexen Geometrie der zweiten Durchgangsöffnung und sonstigen Besonderheiten der jeweiligen Plattenanordnung für viele verschiedene Baureihen eingesetzt werden kann.
Die erste Durchgangsöffnung kann zum Beispiel als Entlüftungsöffnung ausgestaltet sein. Außerdem kann die erste Durchgangsöffnung zum Ausgleichen von Druckunterschieden innerhalb und/oder außerhalb der Plattenanordnung ausgestaltet sein. Hierzu kann ein entsprechendes Ventil fluidisch mit der ersten Durchgangsöffnung verbunden sein. Die Endplatte kann eine Austrittsöffnung aufweisen, welche fluidisch mit der ersten Durchgangsöffnung verbunden ist. Ist eine Abschlussplatte vorhanden, die sowohl eine Endplatte als auch mindestens eine Außenplatte aufweist, so ist es vorteilhaft, wenn die gesamte Abschlussplatte, d.h. die Endplatte und die mindestens eine Außenplatte eine solche Austrittsöffnung aufweist. Das Ventil kann an der Austrittsöffnung oder der ersten Durchgangsöffnung angeordnet sein Es kann ein Strömungspfad von der ersten Durchgangsöffnung zur Austrittsöffnung gebildet sein. Das Ventil kann im Strömungspfad zwischen der ersten Durchgangsöffnung und der Austrittsöffnung angeordnet sein. Statt eines Ventils oder zusätzlich zum Ventil kann die erste Durchgangsöffnung mit einem Verschluss wie einer Verschlusskappe versehen werden, welche die erste Durchgangsöffnung dichtend abschließt. Zusätzlich oder alternativ kann die Austrittsöffnung einen derartigen Verschluss aufweisen.
Die zweite Durchgangsöffnung der zweiten Separatorplatte ist zum Beispiel ausgestaltet zum Durchleiten von Kühlfluid. Beim Befüllen, z.B. beim ursprünglichen Befüllen (d.h. beim ersten Befüllen), der Anordnung mit Kühlfluid, kann die erste Durchgangsöffnung offengelassen werden, zum Beispiel durch Abnahme der Verschlusskappe oder dadurch, dass die Verschlusskappe noch nicht an der ersten Durchgangsöffnung befestigt ist. Hierdurch kann in der Plattenanordnung verbleibende Luft durch die erste Durchgangsöffnung entweichen, und vorzugsweise anschließend durch die Austrittsöffnung nach außen abgeführt werden. Nach dem Befüllen wird die erste Durchgangsöffnung und/oder die Austrittsöffnung durch die jeweilige Verschlusskappe oder den Verschluss geschlossen. Ebenso denkbar wäre es, die Entlüftung vor der Inbetriebnahme der Plattenanordnung oder des elektrochemischen Systems vorzunehmen. Ein permanent offener Betrieb der ersten Durchgangsöffnung und/oder der Austrittsöffnung ist grundsätzlich auch denkbar und hängt in der Regel von den sonstigen Betriebsbedingungen ab.
Eine solche permanent offene erste Durchgangsöffnung und/oder Austrittsöffnung kann benachbart zu einer zweiten Durchgangsöffnung für ein gasförmiges Medium vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise für eine Wasserstoff- oder Sauerstoffzufuhröffnung oder eine Wasserstoff- oder Sauerstoffabführöffnung als zweite Durchgangsöffnung vorteilhaft sein, bei der über die erste Durchgangsöffnung und/oder Austrittsöffnung kondensiertes Wasser abgeführt werden kann. Aber auch hier ist es möglich, anstelle einer dauerhaften Abfuhr des Kondensats, eine zeitweilig unterbrochene Abfuhr vorzusehen, beispielsweise über ein Ventil oder - bei Verbau der Plattenanordnung in einem Fahrzeug - in Abhängigkeit von der Straßenlage.
Üblicherweise hat die zweite Separatorplatte mehrere zweite Durchgangsöffnungen, z.B. für die Zu- und Abfuhr von Reaktionsmedien oder Kühlfluid. Entsprechend der Anzahl der zweiten Durchgangsöffnungen gibt es eine Vielzahl von Projektionsflächen der ersten Separatorplatte. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Separatorplatte im Bereich mindestens einer der Projektionsflächen keine Durchgangsöffnung aufweist. Zusätzlich kann die erste Separatorplatte im Bereich mindestens einer der übrigen Projektionsflächen eine erste Durchgangsöffnung aufweisen, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung beträgt.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Separatorplatte die erste Durchgangsöffnung nur dann aufweist, wenn die zweite Durchgangsöffnung der zweiten Separatorplatte zum Durchleiten ausgewählter Medien, insbesondere von Kühlfluid ausgestaltet ist. Falls die zweiten Durchgangsöffnungen zum Leiten von Reaktionsmedien ausgestaltet sind, kann die erste Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche geschlossen sein. Wie zuvor genannt kann es aber auch hier vorteilhaft sein, die zweite Durchgangsöffnung der zweiten Separatorplatte zum Durchleiten eines Mediums ausgestaltet ist, wobei es hier bevorzugt ist, dass nicht das eigentliche Medium durch- bzw. abgeleitet wird, sondern im Medium befindliches Kondensat.
Optional kann sich die äußere Kontur der ersten Durchgangsöffnung von einer äußeren Kontur der zweiten Durchgangsöffnung unterscheiden. Mit anderen Worten sind die Durchgangsöffnungen in dieser Ausgestaltung jeweils unterschiedlich geformt. Trotz des Größenunterschieds der Durchgangsöffnungen können die erste Durchgangsöffnung und die zweite Durchgangsöffnung alternativ auch eine gleiche Form aufweisen, z.B. kreisrund.
Wie oben angedeutet können die Endplatte einerseits und die Separatorplatten andererseits aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sein. Üblicherweise ist ein Plattenkörper der Endplatte zumindest teilweise oder überwiegend aus einem Polymermaterial hergestellt, dies trifft üblicherweise auch dann zu, wenn die Endplatte Teil einer Abschlussplatte ist, die darüber hinaus eine Außenplatte insbesondere aus einem anderen Material umfassen kann. Weiter können ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte und ein Plattenkörper der zweiten Separatorplatte jeweils aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche mindestens eine Prägestruktur aufweist. Die Prägestruktur kann beispielsweise mittels Hydroformens, Tiefziehens oder Prägens hergestellt werden. Die Prägestruktur kann hierbei verschiedene Funktionen erfüllen, z.B. das Führen von Medien und/oder Versteifen der ersten Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche und/oder das Abstützen der ersten Separatorplatte auf der Endplatte.
In manchen Ausführungsformen ist im Bereich der Projektionsfläche mindestens eine medienführende Struktur angeordnet. Diese medienführende Struktur ist in der Regel Bestandteil der ersten Separatorplatte, sie kann aber alternativ auch als separates Element vorgesehen sein. Alternativ ist die medienführende Struktur Bestandteil der Endplatte. In der zweiten Separatorplatte können um die zweite Durchgangsöffnung herum Durchführungen oder Durchleitstrukturen angeordnet sein. Die medienführende Struktur kann so geneigt sein, dass das Fluid zu diesen Durchführungen oder zur Austrittsöffnung der Endplatte hin geleitet wird. Oftmals reicht die medienführende Struktur in die zweite Durchgangsöffnung bzw. in die Austrittsöffnung hinein oder durch die zweite Durchgangsöffnung bzw. die Austrittsöffnung hindurch. Die genannte Prägestruktur kann die medienführende Struktur sein oder umfassen.
Die Plattenanordnung kann mindestens ein Abstützelement zum Abstützen der ersten Separatorplatte auf der Endplatte aufweisen. Das Abstützelement kann hierbei im Bereich der Projektionsfläche angeordnet sein. Das Abstützelement kann integral mit der ersten Separatorplatte oder der Endplatte ausgebildet sein oder als separates Element ausgestaltet sein. Die genannte Prägestruktur kann das Abstützelement sein oder umfassen.
In manchen Ausführungsformen ist im Bereich der Projektionsfläche der ersten Separatorplatte mindestens eine Versteifungsstruktur angeordnet, um diesen Bereich zu Versteifen. Die genannte Prägestruktur kann die Versteifungsstruktur sein oder umfassen.
Typischerweise sind die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise mittels Schweißverbindungen, Laserschweißverbindungen oder Lötverbindungen. Oftmals bilden die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte zusammen eine Abschlussbipolarplatte. Diese Abschlussbipolarplatte wird manchmal auch als Unipolarplatte bezeichnet.
Gemäß manchen Ausführungsformen weist die zweite Separatorplatte ein zweites Dichtelement auf, welches die zweite Durchgangsöffnung umgibt. Weiter kann die erste Separatorplatte ein Federelement aufweisen, welches die Projektionsfläche der zweiten Durchgangsöffnung auf die erste Separatorplatte umgibt. Das Federelement grenzt üblicherweise an die Endplatte an und stützt die erste Separatorplatte an der Endplatte ab. Das Federelement der ersten Separatorplatte und das Dichtelement der zweiten Separatorplatte können durch strukturell gleiche Elemente gebildet sein, z.B. durch in die jeweilige Separatorplatte eingeprägte Sicken oder auf diese aufgebrachte Elastomere. Insbesondere können das Dichtelement und das Federelement eine gleiche Form, eine gleiche Größe und/oder ein gleiches Material aufweisen. Das Federelement kann also aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit als erstes Dichtelement bezeichnet werden, hat jedoch keine abdichtende Funktion, weil ein Dichtelement aufgrund des abdichtenden Materials der ersten Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche nicht notwendig ist. Stattdessen ist das Federelement vorgesehen, um eine Verpressungskraft entlang des Stapels möglich gleich zu halten. Im verbauten Stapel bzw. elektrochemischen System ist das Federelement auf Druck beansprucht. Das zweite Dichtelement kann eine Beschichtung zur Mikroabdichtung aufweisen, z.B. eine Siebdruckbeschickung. Das Federelement kann ebenfalls eine derartige Beschichtung aufweisen.
Das zweite Dichtelement kann eine Dichtlinie definieren, entlang derer sich das zweite Dichtelement um die zweite Durchgangsöffnung erstreckt. Das Federelement kann eine Linie definieren, entlang derer sich das Federelement um die Projektionsfläche bzw. zweite Durchgangsöffnung erstreckt. Die Dichtlinie des zweiten Dichtelements und die Linie des Federelements können in Parallelprojektion zusammenfallen.
Außerdem wird mit der Erfindung ein Stapel vorgeschlagen, insbesondere für ein elektrochemisches System. Der Stapel umfasst die Plattenanordnung der zuvor beschriebenen Art. Außerdem weist der Stapel eine weitere Endplatte auf, welche eine Vielzahl von Medienanschlüssen aufweist. Die Mediananschlüsse der weiteren Endplatte sind fluidisch mit zweiten Durchgangsöffnungen der zweiten Separatorplatte verbunden. Des Weiteren sind die Separatorplatten zwischen den beiden Endplatten angeordnet. Die weitere Endplatte unterscheidet sich also von der genannten Endplatte durch die Medienanschlüsse. An die weitere Bipolarplatte grenzt typischerweise eine weitere Abschlussbipolarplatte mit zwei Separatorplatten an, wobei beide Separatorplatten dieser weiteren Abschlussbipolarplatte fluchtende Durchgangsöffnungen aufweisen, welche mit den Medienanschlüssen der weiteren Endplatte fluidisch verbunden sind. Insofern unterscheidet sich die weitere Abschlussbipolarplatte von der oben genannten Abschlussbipolarplatte. Üblicherweise umfasst der Stapel eine Vielzahl von zwischen den Endplatten bzw. den Abschlussbipolarplatten angeordneten Bipolarplatten.
Weiterhin wird ein elektrochemisches System vorgeschlagen, welches eine Plattenanordnung der zuvor beschriebenen Art enthält.
Außerdem wird eine Abschlussbipolarplatte für ein elektrochemisches System bereitgestellt. Die Abschlussbipolarplatte umfasst:

- eine erste Separatorplatte mit einer Plattenebene,
- eine an die erste Separatorplatte angrenzende zweite Separatorplatte, wobei die zweite Separatorplatte mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung aufweist. Eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung auf die erste Separatorplatte senkrecht zur Plattenebene definiert eine Projektionsfläche, wobei die erste Separatorplatte im Bereich der Projektionsfläche
- keine Durchgangsöffnung aufweist oder
- eine erste Durchgangsöffnung aufweist, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung beträgt.

Merkmale der oben beschriebenen Plattenanordnung, welche sich auf die erste Separatorplatte und/oder die zweite Separatorplatte beziehen, können auch mit der Abschlussbipolarplatte kombiniert werden.
Die Erfindung wird anhand beigefügter Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
3 schematisch einen Schnitt durch einen Teil des Plattenstapels des elektrochemischen Systems aus 1 gemäß dem Stand der Technik;
4 schematisch einen Schnitt durch einen Teil des Plattenstapels des elektrochemischen Systems aus 1 gemäß einer Ausführungsform;
5A schematisch eine Aufsicht auf eine Abschlussbipolarplatte gemäß einer Ausführungsform;
5B schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung mit der Abschlussbipolarplatte der 5A;
6A schematisch eine Aufsicht auf eine Abschlussbipolarplatte gemäß einer Ausführungsform;
6B schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung mit der Abschlussbipolarplatte der 6A entlang Schnittlinie B-B;
7A schematisch eine Aufsicht auf eine Abschlussbipolarplatte gemäß einer Ausführungsform;
7B schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung mit der Abschlussbipolarplatte der 7A entlang Schnittlinie C-C;
8 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung gemäß einer Ausführungsform; und
9 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung gemäß einer Ausführungsform; und
10 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Plattenanordnung gemäß einer Ausführungsform.

In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren sind wiederkehrende und funktionsgleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind Bezugszeichen teilweise nicht in jedem Beispiel angegeben, auch wenn die zugehörigen Elemente im betreffenden Beispiel vorhanden sein können.
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 beispielsweise der hier vorgeschlagenen Art mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten oder Bipolarplatten 2, die in einem Stapel angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels 6 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Die Bipolarplatten 2 und die MEAs 10 des Stapels 6 sind zwischen einer ersten Endplatte 3 und einer zweiten Endplatte 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel 6. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels 6 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor, Befeuchter für ein elektrochemisches System oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden, insbesondere aus zwei Einzelplatten aufgebaute Bipolar- oder Monopolarplatten. Der Aufbau dieser Bipolar- oder Monopolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolar- oder Monopolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Kompressor oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die zweite Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen. Bei einem Befeuchter wird üblicherweise auf eine Temperierung verzichtet, so dass anstelle der in 1 gezeigten sechs Medienanschlüssen 5 dann nur vier Medienanschlüsse vorhanden sind.
1 kann sowohl ein elektrochemisches System 1 des Stands der Technik als auch ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 darstellen.
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Separatorplatten 2a, 2b oder Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Separatorplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten 2a, 2b gebildet (siehe z. B. 3), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Einzelplatte 2b verdeckt. Die Einzelplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Auch die MEA 10 weist entsprechende fluchtende Durchgangsöffnungen auf, wobei hier aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Angabe eines eigenen Bezugszeichens verzichtet wird. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 und von MEAs 10 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c gemeinsam mit den entsprechenden Durchgangsöffnungen der MEAs 10 bzw. der elektrisch isolierenden Randbereiche der MEAs 10' Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe z.B. 1, 3 und 4). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der zweiten Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel 6 eingeleitet oder aus dem Stapel 6 abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. In 1 nicht dargestellt sind ebenfalls an der zweiten Endplatte 4 angeordnete elektrische Anschlüsse, über die ein elektrischer Verbraucher an den Brennstoffzellenstapel 6 angeschlossen werden kann.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und zumindest im Falle der Durchgangsöffnungen 11a gegenüber der Umgebung kann die erste Separatorplatte 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c aufweisen, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweite Separatorplatte 2b kann an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c aufweisen (nicht gezeigt).
In einem dem elektrochemisch aktiven Bereich der MEA 10 gegenüberliegenden Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite üblicherweise ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatte 2 weist die erste Separatorplatte 2a zudem in der Regel jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 20 mit Verteilkanälen 29 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über das Strömungsfeld 17 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom Strömungsfeld 17 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle 29 gegeben. Am Übergang zwischen dem Verteil- und Sammelbereich 20 und dem Strömungsfeld 17 befindet sich beiderseits des Strömungsfeldes 17 jeweils ein Übergangsbereich 21, der in 2 jeweils parallel zur y-Richtung 9 ausgerichtet ist. Im Übergangsbereich 21 können die Medienleitstrukturen gegenüber den angrenzenden Bereichen 17 und 20 z. B. jeweils eine verringerte Höhe (siehe 3) haben.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die ersten Separatorplatten 2a ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das dem aktiven Bereich 18 gegenüberliegende Strömungsfeld 17, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen des Strömungsfelds 17, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge- oder Tiefziehprozess oder mittels Hydroformens. Dasselbe gilt für die entsprechenden Strukturen der zweiten Separatorplatten 2b.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel 6 des Systems 1 sind oftmals jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und des Übergangsbereichs 21 und über das Strömungsfeld 17 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Separatorplatten 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen, über entsprechende Verteilstrukturen, Übergangsbereiche und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Separatorplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind in der Regel jeweils über einen von den Separatorplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 2, insbesondere zum Kühlen des Strömungsfelds 17 der Bipolarplatte 2 und damit indirekt des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der MEA 10.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch das System 1 gemäß dem Stand der Technik im Bereich der Durchgangsöffnungen 11b. Zu erkennen ist hier insbesondere die erste Endplatte 3 und eine Vielzahl von Bipolarplatten 2 mit Separatorplatten 2a, 2b. An die Endplatten 3, 4 angrenzende Bipolarplatten 30 werden häufig Abschlussbipolarplatten oder Unipolarplatten genannt. Bei den Bipolarplatten 2 des Brennstoffzellenstapels 6, insbesondere bei den Abschlussbipolarplatten 30, handelt es sich üblicherweise um Metallprägeteile aus Edelstahl mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von 1,6•10^-5 K^-1. Die Endplatten 3, 4 sind dagegen vorwiegend aus einem Kunststoff gefertigt, der beispielsweise einen thermischen Längenausdehnungskoeffizient von etwa 5,0·10^-5 K^-1 hat, wobei hier die Unterschiede zwischen verschiedenen Kunststoffen deutlich größer sind als zwischen verschiedenen Stahlwerkstoffen. Die Abschlussbipolarplatten 30 haben also jeweils einen kleineren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als die Endplatten 3 und 4, an welche sie jeweils angrenzen. Dies hat zur Folge, dass z. B. die erste Endplatte 3 und die an diese angrenzende Abschlussbipolarplatte 30 insbesondere ihre laterale Ausdehnung in der xy-Ebene senkrecht zur Stapelachse 7 nicht in demselben Maße ändern, wenn die Temperatur der ersten Endplatte 3 und der Abschlussbipolarplatte 30 um denselben Betrag zu- oder abnimmt. Auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Abschlussbipolarplatte 30 und der ersten Endplatte 3 kommt es zu einer Verschiebung von Bereichen der beiden Platten 3 und 30 gegeneinander. Es handelt sich dabei nicht um eine absolute Verschiebung, vielmehr kommt es vereinfacht betrachtet mit zunehmendem Abstand der Plattenbereiche vom Schwerpunkt der Abschlussbipolarplatte 30 zu einer zunehmenden lateralen Verschiebung zwischen den Bereichen der beiden Platten 3 und 30 zueinander. Weiter wird die Verschiebung durch unterschiedliche Temperaturverteilungen und - änderungen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Materialstärke, beeinflusst. Ursache solcher Temperaturänderungen können eine Veränderung der Umgebungstemperatur, der Kaltstart des Brennstoffzellensystems bei geringer Umgebungstemperatur oder die Zu- oder Abnahme der Temperatur im Inneren des Brennstoffzellenstapels 6 sein, z. B. durch die Entstehung von Abwärme bei der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Diese Relativbewegungen können sich nachteilig auf eine zwischen einer der Sickenanordnungen 12a-12d der Abschlussbipolarplatte 30 und der ersten Endplatte 3 angeordnete elastomere Dichtvorrichtung oder Beschichtung 28 des Systems 1 auswirken. Weiterhin zeigt sich in der Praxis, dass die aus einem Kunststoffmaterial gefertigten Endplatten 3 langsamer auf Temperaturänderungen reagieren als die aus einem Stahlwerkstoff gefertigten Separatorplatten, was die Unterschiede bzw. relativen Verschiebungen zumindest temporär verstärkt. Überdies erfahren die metallischen Separatorplatten zumindest abschnittsweise eine unmittelbare Kühlung, während für die Endplatten keine aktive Kühlung oder Temperierung vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehenden Probleme zu lösen bzw. zumindest abzuschwächen.
Die 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8, 9 und 10 zeigen verschiedene Abschlussbipolarplatten 30 und Plattenanordnungen 50, welche in dem elektrochemischen System 1 bzw. dem Stapel 6 der 1 verbaut werden können. Jede der gezeigten Plattenanordnungen 50 umfasst eine Endplatte 52 sowie eine an die Endplatte 52 angrenzende erste Separatorplatte 31 mit einer Plattenebene und eine an die erste Separatorplatte 31 angrenzende zweite Separatorplatte 32, welche zusammen eine Abschlussbipolarplatte 30 oder Unipolarplatte 30 bilden. Gemäß den 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8, 9 und 10 weist die zweite Separatorplatte 32 mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung 42 mit einer Kante 43 auf, welche einer der Durchgangsöffnungen 11a-c der 2, 3 entsprechen kann. Mit anderen Worten kann die zweite Separatorplatte 32 die gleichen Durchgangsöffnungen 11a-c wie die in 2, 3 gezeigte Separatorplatte 2b aufweisen.
Eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung 42 auf die erste Separatorplatte 31 senkrecht zur Plattenebene definiert eine Projektionsfläche 40. Die erste Separatorplatte 31 weist im Bereich der Projektionsfläche 40 entweder keine Durchgangsöffnung (vgl. 4, 5A, 5B, 7A, 7B, 8, 10) oder eine erste Durchgangsöffnung 41 (vgl. 6A, 6B, 9) auf, deren Fläche weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10% oder weniger als 5% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung 42 beträgt.
Die zweite Separatorplatte 32 kann im Wesentlichen genauso wie die oben beschriebenen Separatorplatten 2b ausgebildet sein. Die erste Separatorplatte 31 hat jedoch abweichend von der ersten Separatorplatte 2a dort, wo die zweite Separatorplatte 32 die zweite Durchgangsöffnung 42 aufweist, entweder keine Durchgangsöffnung oder eine erste Durchgangsöffnung 41, welche wesentlich kleiner als die zweite Durchgangsöffnung 42 ist.
Im Bereich der Projektionsfläche 40 ist die erste Separatorplatte 31 der 4, 5A, 5B, 7A, 7B, 8 und 10 also geschlossen, sodass Plattenmaterial der Separatorplatte 31 an die zweite Durchgangsöffnung 42 angrenzt. Dies hat den Vorteil, dass der Bereich bereits durch das Material der ersten Separatorplatte 31 abgedichtet ist. Aus dem Grund kann auf eine Dichtanordnung zwischen der ersten Separatorplatte 31 und der Endplatte 52 verzichtet werden. Um zu gewährleisten, dass die Verpressungskraft im Stapel 6 entlang der Stapelrichtung 7 im Bereich der Abschlussbipolarplatte 30 ähnlich groß ist wie in anderen Bereichen des Stapels 6, kann ein an die Endplatte 52 angrenzendes Federelement 48 vorgesehen sein, welches die erste Separatorplatte 31 auf der Endplatte 52 abstützt. Dieses Federelement 48 kann die gleiche sickenartige Struktur haben wie die oben genannten Sickenanordnungen 12a-12c. Des Weiteren umfasst die zweite Separatorplatte ein Dichtelement 49, welches wie die Sickenanordnungen 12a-c aufgebaut ist. Insofern wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Das Federelement 48 und das Dichtelement 49 sind somit auf gegenüberliegenden Seiten der Abschlussbipolarplatte 30 vorgesehen. Das Federelement 48 und/oder das Dichtelement 49 können zusätzlich eine Beschichtung 28 wie eine Siebdruckbeschichtung zur Mikroabdichtung aufweisen, welche ebenfalls auf den Sickenanordnungen 12a-d aufgebracht sein kann und der in der 3 gezeigten Beschichtung 28 entspricht. Hierbei kann die Beschichtung 28 auf den Dächern und/oder Flanken der Sickenanordnungen aufgebracht sein. Somit kann durch das Federelement 48 samt Beschichtung 28 bewirkt werden, dass die Abschlussbipolarplatte 30 in ähnlicher Weise mit der Endplatte 52 verpresst ist wie die übrigen Bipolarplatten 2 des Stapels 6 untereinander. Die hierdurch erzielte sehr homogene Kraftverteilung über den gesamten Stapel 6 bzw. über sämtliche Feder- und Abdichtelemente 48, 49, 12a-d ist vorteilhaft im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit dieser Elemente.
In den Ausführungsformen der 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B weist die erste Separatorplatte 31 im Bereich der Projektionsfläche 40 mindestens eine Prägestruktur 44 auf. Die Prägestruktur 44 kann hierbei in analoger Weise zu den oben beschriebenen Prägestrukturen durch Tiefziehen, Hydroformen oder Prägen in der ersten Separatorplatte 31 ausgebildet werden. Wie nachfolgend beschrieben, kann die mindestens eine Prägestruktur 44 verschiedene Funktionen ausfüllen und z.B. als medienführende Struktur 45, Abstützelement 46 oder Versteifungselement 47 ausgestaltet sein. In der Draufsicht der 5A sind in Bezug auf die Prägestrukturen 44 absichtlich zugunsten der Übersichtlichkeit nur diejenigen Linien dargestellt, die in der zugehörigen Schnittdarstellung 5B außerhalb der Plattenebene E liegen.
Die Prägestrukturen 44 der 5A-6B haben im Wesentlichen eine gleiche Umfangsform wie die zweite Durchgangsöffnung 32 und sind koaxial zueinander angeordnet. In der in 5A und 5B gezeigten Ausführungsform sind die Umfangsformen der Prägestrukturen 44 und der zweiten Durchgangsöffnung 32 ringförmig, insbesondere kreisrund. In der in 6A und 6B gezeigten Ausführungsform sind die Umfangsformen der Prägestrukturen 44 und der zweiten Durchgangsöffnung 32 trapezförmig. Andere Umfangsformen der Prägestrukturen 44 bzw. der zweiten Durchgangsöffnung 32 sind allerdings auch denkbar, z.B. ovale, rechteckige oder quadratische Formen oder Freiformen.
In den 5A, 5B ist die innen liegende Prägestruktur 44 als Abstützelement 46 ausgebildet, welche zum Abstützen der ersten Separatorplatte 31 auf die Endplatte 52 ausgestaltet ist. Weiter ist die äußere Prägestruktur 44 als Versteifungselement 47 ausgestaltet und versteift die erste Separatorplatte 31 im Bereich der Projektionsfläche 40. Die Prägestrukturen 44 der 5A, 5B zeigen in die gleiche Richtung und sind der Endplatte 52 zugewandt. Aus 5B wird weiterhin deutlich, dass die erste Separatorplatte 31 keine Durchführung aufweist, während in der zur Abschlussbipolarplatte 30 nächstliegenden Separatorplatte 2a beidseitig der Sicke 12b Durchführungen 13b eingeformt bzw. ausgestanzt sind.
In der Plattenanordnung 50 der 6 können ebenfalls Prägestrukturen 44 vorgesehen sein, wobei die äußere und die mittlere Prägestruktur 44 beide als Versteifungselemente 47 ausgebildet sind. Die beiden Prägestrukturen 44 zeigen in unterschiedliche Richtungen und sind der Endplatte 52 zugewandt bzw. abgewandt.
Im Gegensatz zur Ausführungsform der 5A und 5B hat die erste Separatorplatte der 6A, 6B eine erste Durchgangsöffnung 41, welche sich mittig im durch die Projektionsfläche 40 definierten Bereich der ersten Separatorplatte 31 befindet. Andere Positionen als die gezeigte mittige Position sind ebenfalls denkbar. Die erste Durchgangsöffnung 41 ist fluidisch mit einer in der Endplatte 52 geformten Austrittsöffnung 54 verbunden.
Die erste Durchgangsöffnung 41 ist in der Ausführung der 6B als Entlüftungsöffnung ausgestaltet. In ihrer Eigenschaft als Entlüftungsöffnung kann die erste Durchgangsöffnung 41 zum Beispiel beim Befüllen des elektrochemischen Systems 1 mit Kühlfluid oder Reaktionsmedien offengelassen werden, wodurch im System 1 befindliche Luft über die erste Durchgangsöffnung 41 und die Austrittsöffnung 54 entweichen kann. Nach dem Befüllen können die Durchgangsöffnung 41 und/oder die Austrittsöffnung 54 mit einem Verschluss, wie einer Verschlusskappe, dicht verschlossen werden. Eine Entlüftung des Systems 1, des Stapels 6 oder der Plattenanordnung 50 ist auch unmittelbar vor Inbetriebnahme des Stapels 6 bzw. Systems 1 möglich. Ein permanent offener Betrieb der ersten Durchgangsöffnung 41 bzw. Austrittsöffnung 54 ist auch denkbar und hängt in der Regel von den sonstigen Betriebsbedingungen ab.
Rings um die erste Durchgangsöffnung 41 herum kann eine medienführende Struktur 45 vorgesehen sein, welche z.B. als konusförmige Prägestruktur 44 ausgebildet sein kann und vorzugsweise der Endplatte 52 bzw. der Austrittsöffnung 54 der Endplatte 52 zugewandt ist. Durch ihre Ausrichtung und Konusform führt die fluidführende Struktur 45 ein Fluid in Richtung der Austrittsöffnung 54. Wie in der 6B gezeigt, kann die fluidführende Struktur 45 in die Austrittsöffnung 54 hineinreichen. In manchen Ausführungsformen (nicht gezeigt) reicht die fluidführende Struktur 45 sogar durch die Austrittsöffnung 54 hindurch. Zur Entlüftung kann optional ein Ventil 60 vorgesehen sein, z.B. an der Austrittsöffnung 54, der ersten Durchgangsöffnung 41 oder in einem Fluidpfad zwischen der Austrittsöffnung und der ersten Durchgangsöffnung 41. Ein derartiges Ventil 60 ist zum Beispiel in der 9 gezeigt.
6A zeigt im Vergleich mit 2 und 5A eine grundsätzlich andere Anordnung der Mediendurchgangsöffnungen 11a-c, der zugehörigen Portsicken 12a-c und der Perimetersicke 12d. Für weitere Details wird auf die WO 2019/229138 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit vollumfänglich zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Insbesondere sei auf die Separatorplatte der 4 der WO 2019/229138 A1 verwiesen, welche der Separatorplatte der 6A der vorliegenden Anmeldung zugrunde liegt. Die grundsätzliche Problematik der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und zueinander verschobenen Dichtlinien von Endplatte und Abschlussbipolarplatte besteht jedoch unabhängig von dieser anderen Anordnung.
In der Ausführungsform der 7A, 7B ist ebenfalls eine medienführende Struktur 45 vorgesehen, welche als Prägestruktur 44 integral mit der ersten Separatorplatte 31 ausgebildet ist.
Die medienführende Struktur 45 der 7A, 7B weicht dahingehend von der medienführenden Struktur 45 der 6A, 6B ab, dass sie der Endplatte 52 abgewandt ist und in die zweite Durchgangsöffnung 42 hinein oder durch die zweite Durchgangsöffnung 42 hindurch reicht. Die medienführende Struktur 45 der 7A, 7B ist beispielsweise ausgebildet zum Führen eines Fluids in Richtung von Durchführungen 33, die einerseits zwischen den Separatorplatten 31, 32 und andererseits in einer Sickenflanke 34 der zweiten Separatorplatte 32 ausgebildet sind. Hierdurch kann beispielsweise Wasserstoff oder ein anderes Fluid in den zwischen den Separatorplatten 31, 32 gebildeten Raum geleitet werden. Zur Betonung der asymmetrischen Form der Projektionsfläche 40 sind in 7A ein paar zusätzliche Kreislinien eingezeichnet.
In den 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B sind die fluidführende Struktur 45, das Abstützelement 46, das Versteifungselement 47 jeweils als Prägestruktur 44 ausgebildet und als solche integral mit der ersten Separatorplatte 31 geformt. In alternativen Ausführungsformen können die Elemente 45, 46, 47 auch als separate Elemente vorliegen oder durch die Endplatte 52 gebildet werden (vgl. z.B. 9 und die zugehörige Beschreibung unten).
Anstelle einer in die jeweilige Separatorplatte eingeprägten Sicke vergleichbar den Sickenanordnungen 12a-12c können das Federelement 48 und/oder das Dichtelement 49 alternativ aus elastomerem Material ausgestaltet sein, z.B. als O-Ring. Eine derartige Ausgestaltung ist in den 8 und 9 gezeigt. Zu erkennen ist, dass das Federelement 48 zwischen der ersten Separatorplatte 31 und der Endplatte 52 angeordnet ist und an beiden anliegt. Weiter ist das Dichtelement 49 auf der zweiten Separatorplatte 32 angeordnet. Das Federelement 48 und das Dichtelement 49 können mittels bekannter Maßnahmen wie Klebeverbindungen mit den Separatorplatten 31, 32 verbunden werden.
Die Plattenanordnung 50 der 8 umfasst zusätzlich zur Endplatte 52 noch mindestens eine Außenplatte 57, welche zusammen mit der Endplatte 52 eine Abschlussplatte 58 bildet. Die Endplatte 52 befindet sich zwischen der Außenplatte 57 und der ersten Separatorplatte 31 und hat vorrangig eine isolierende Funktion, während die Außenplatte 57 hauptsächlich für die Verpressung des Stapels 6 vorgesehen ist. Obwohl die Konfiguration mit der Außenplatte 57 bzw. der Abschlussplatte 58 nur in der 8 gezeigt ist, kann sie ebenfalls in den Ausführungsformen der 5B, 6B, 7B, 9, 10 vorgesehen werden.
Zusätzlich zur Plattenanordnung 50 der 8 umfasst die Plattenanordnung 50 der 9 mindestens ein elastomeres Stützelement 56 oder ein einziges elastomeres, ringförmiges Stützelement 56, welches zwischen der Endplatte 52 und der ersten Separatorplatte 31 angeordnet ist. Außerdem ist eine durch die Endplatte 52 gebildete Fluidleitung 55 vorgesehen, welche in Fluidverbindung mit der ersten Durchgangsöffnung 41 der ersten Separatorplatte 31 steht. Die Fluidleitung 55 kann in vorteilhafter Weise ebenfalls eine abstützende Wirkung haben. In der Fluidleitung 55 ist das Entlüftungsventil 60 angeordnet. Die Fluidleitung 55 kann alternativ auch als separates Element vorliegen und zwischen der ersten Separatorplatte 31 und der Endplatte 52 angeordnet sein.
10 zeigt hingegen eine Plattenanordnung 50, bei der nur eine Endplatte 52 und keine mehrteilige Abschlussplatte 58 vorhanden ist. Die Endplatte 52 liegt dabei unmittelbar auf der Abschlussbipolarplatte 30 auf, so dass kein Federelement 48 zwischen der Abschlussbipolarplatte 30 und der Endplatte 52 angeordnet ist.
Bei den in den 4, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8, 9 und 10 gezeigten Plattenanordnungen 50 kann ein Plattenkörper der Endplatte 52 zumindest teilweise oder überwiegend aus einem Kunststoff wie einem Polymermaterial hergestellt sein. Weiter sind ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte 31 und ein Plattenkörper der zweiten Separatorplatte 32 üblicherweise jeweils aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wobei dieser zumindest abschnittsweise beschichtet sein kann.
Es sei angemerkt, dass die Ausführungsformen der 4, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8, 9 und 10 miteinander kombiniert werden können, insbesondere da die zweite Separatorplatte 32 in der Regel sechs oder im Falle von ungekühlten Systemen vier zweite Durchgangsöffnungen 11a-c aufweist, vgl. 1. Dann gibt es auch sechs Projektionsflächen 40 auf der ersten Separatorplatte 31. So kann die erste Separatorplatte 31 im Bereich mindestens einer der Projektionsflächen 40 keine Durchgangsöffnung aufweisen. Zusätzlich kann die erste Separatorplatte 31 im Bereich mindestens einer der übrigen Projektionsflächen 40 eine erste Durchgangsöffnung 41 aufweisen, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der korrespondierenden zweiten Durchgangsöffnung 42 beträgt.
Mit Ausnahme des Bereichs der ersten Separatorplatte 31 innerhalb der Projektionsfläche 40 und dessen Merkmalen (z.B. erste Durchgangsöffnung 41, Prägestruktur 44, medienführende Struktur 45, Abstützelement 46, Versteifungselement 47) kann die erste Separatorplatte 31 identisch mit der Einzelpatte 2a sein. Die in den 4, 5B, 7B, 8 und 10 gezeigte Endplatte 52 kann im Wesentlichen wie die oben beschriebene erste Endplatte 3 ausgestaltet sein, während die Endplatte der 6B und 9 zusätzlich die Austrittsöffnung 54 und die Fluidleitung 55 umfasst. Die zweite Separatorplatte 32 und die Einzelpatte 2b haben vorzugsweise eine gleiche Ausgestaltung.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemisches System
2: Separatorplatte
2': Separatorplatte
2a: Einzelplatte
2b: Einzelplatte
3: erste Endplatte
4: zweite Endplatte
5: Medienanschluss
6: Stapel
7: z-Richtung
8: x-Richtung
9: y-Richtung
10: Membranelektrodeneinheit
10': MEA-Verstärkungsrand
11a-d: Durchgangsöffnungen
12a-d: Sickenanordnung
13a-c: Durchführungen
14: Membran
15: Randabschnitt
15a: Folienlage
15b: Folienlage
16: Gasdiffusionslage
17: Strömungsfeld
18: elektrochemisch aktiver Bereich
19: Hohlraum
20: Verteil- und/oder Sammelbereich
21: Übergangsbereich
28: Beschichtung
29: Verteilungskanäle
30: Abschlussbipolarplatte oder Unipolarplatte
31: erste Separatorplatte
32: zweite Separatorplatte
33: Durchführung
34: Sickenflanke
40: Projektionsfläche
41: erste Durchgangsöffnung
42: zweite Durchgangsöffnung
43: Kante der zweiten Durchgangsöffnung
44: Prägestruktur
45: medienführende Struktur
46: Abstützelement
47: Versteifungselement
48: Federelement
49: Dichtelement
50: Plattenanordnung
52: Endplatte
54: Austrittsöffnung
55: Fluidleitung
56: Abstützelement
57: Außenplatte
58: Abschlussplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202014002512 U1 [0010]
WO 2019/229138 A1 [0062]

Claims

Plattenanordnung (50) für ein elektrochemisches System (1), umfassend - eine Endplatte (52), - eine an die Endplatte (52) angrenzende erste Separatorplatte (31) mit einer Plattenebene, - eine an die erste Separatorplatte (31) angrenzende zweite Separatorplatte (32), wobei die zweite Separatorplatte (32) mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung (42) aufweist, wobei eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung (42) auf die erste Separatorplatte (31) senkrecht zur Plattenebene eine Projektionsfläche (40) definiert, wobei die erste Separatorplatte (31) im Bereich der Projektionsfläche (40) - keine Durchgangsöffnung aufweist oder - eine erste Durchgangsöffnung (41) aufweist, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung (42) beträgt.
Plattenanordnung (50) nach Anspruch 1, wobei ein Plattenkörper der Endplatte (52) zumindest teilweise oder überwiegend aus einem Polymermaterial hergestellt ist, wobei ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte (31) und ein Plattenkörper der zweiten Separatorplatte (32) jeweils aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind.
Plattenanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Separatorplatte (31) im Bereich der Projektionsfläche (40) mindestens eine Prägestruktur (44) aufweist.
Plattenanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Bereich der Projektionsfläche (40) mindestens eine medienführende Struktur (45) angeordnet ist.
Plattenanordnung (50) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die medienführende Struktur (45) in die zweite Durchgangsöffnung (42) hinein oder durch die zweite Durchgangsöffnung (42) hindurch reicht.
Plattenanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein Abstützelement (46) zum Abstützen der ersten Separatorplatte (31) auf der Endplatte (52), wobei das Abstützelement (46) im Bereich der Projektionsfläche (40) angeordnet ist.
Plattenanordnung (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Abstützelement (46) integral mit der ersten Separatorplatte (31) oder der Endplatte (52) ausgebildet ist oder als separates Element ausgestaltet ist.
Plattenanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Durchgangsöffnung (41) als Entlüftungsöffnung ausgestaltet ist.
Plattenanordnung (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Endplatte (52) eine Austrittsöffnung (54) aufweist, welche fluidisch mit der ersten Durchgangsöffnung (41) verbunden ist.
Plattenanordnung (50) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Separatorplatte (31) und die zweite Separatorplatte (32) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, vorzugsweise mittels Schweißverbindungen, Laserschweißverbindungen oder Lötverbindungen.
Plattenanordnung (50) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Separatorplatte (32) ein zweites Dichtelement (49) aufweist, welches die zweite Durchgangsöffnung (42) umgibt und die erste Separatorplatte (31) ein erstes Federelement (48) aufweist, welches die Projektionsfläche (40) der zweiten Durchgangsöffnung (42) auf die erste Separatorplatte (31) umgibt.
Elektrochemisches System (6), umfassend eine Plattenanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche und eine weitere Endplatte (4), welche eine Vielzahl von Medienanschlüssen (5) aufweist, wobei die Medienanschlüsse (5) der weiteren Endplatte (4) fluidisch mit zweiten Durchgangsöffnungen (42) der zweiten Separatorplatte (32) verbunden sind, wobei die Separatorplatten (31, 32) zwischen den beiden Endplatten (52; 4) angeordnet sind.
Abschlussbipolarplatte (30) für ein elektrochemisches System (1), umfassend - eine erste Separatorplatte (31) mit einer Plattenebene, - eine an die erste Separatorplatte (31) angrenzende zweite Separatorplatte (32), wobei die zweite Separatorplatte (32) mindestens eine medienführende zweite Durchgangsöffnung (42) aufweist, wobei eine Orthogonalprojektion der zweiten Durchgangsöffnung (42) auf die erste Separatorplatte (31) senkrecht zur Plattenebene eine Projektionsfläche (40) definiert, wobei die erste Separatorplatte (31) im Bereich der Projektionsfläche (40) - keine Durchgangsöffnung aufweist oder - eine erste Durchgangsöffnung (41) aufweist, deren Fläche weniger als 20% der Fläche der zweiten Durchgangsöffnung (42) beträgt.