DE202022103135U1

DE202022103135U1 - Stapelabschlussplatte mit einem Abstützelement

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Publication number: DE202022103135U1
Application number: DE202022103135.5U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2032-06-03
Also published as: CN117174945A; DE102023204955A1; US20230395826A1

Abstract

Anordnung (30) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte erste Separatorplatte (32) und ein Abstützelement (40),
wobei die erste Separatorplatte (32) eine erste Dichtsicke (12) zum Abdichten eines Bereichs der ersten Separatorplatte (32) aufweist, wobei die erste Dichtsicke (12) aus einer durch die erste Separatorplatte (32) definierten Plattenebene herausragt und einen an einer Rückseite (24) der ersten Separatorplatte offenen Sickeninnenraum (35) und ein an einer Vorderseite (25) der ersten Separatorplatte (32) auskragendes Sickendach (36) aufweist,
wobei das Abstützelement (40) zum Abstützen des Sickendachs (36) in den Sickeninnenraum (35) hineinragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für ein elektrochemisches System, umfassend eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte Separatorplatte und ein Abstützelement. 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 Separatorplatten, beispielsweise Bipolar- oder Monopolarplatten, voneinander getrennt sind. Solche Separatorplatten 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). Oftmals sind die Separatorplatten aus zwei zusammengefügten Einzellagen gebildet. Die Einzellagen einer Separatorplatte 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 Einzellagen bestehenden Separatorplatte relativ zu den Medien. Bei Bipolarplatten fließen auf beiden Oberflächen unterschiedliche Medien, während bei Monopolarplatten auf den beiden Oberflächen dieselben Medien fließen. Werden im Folgenden Bipolarplatten oder eine Bipolarplatte genannt, so können, wenn nichts anderes genannt ist, ebenso Monopolarplatten bzw. eine Monopolarplatte gemeint sein.
Die Separatorplatten können 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), um Reaktionsgase (z.B. Luft oder Sauerstoff) oder Reaktionsprodukte (z.B. Wasser) handeln. Ferner können die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die aus zwei Einzellagen gebildeten Bipolarplatten aufweisen, insbesondere durch einen von den Einzellagen 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 Einzellagen der Separatorplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden.
Die elektrochemischen Zellen umfassen außerdem in der Regel 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 elektrochemisch-aktiven Bereich der MEA umschließt und typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
Üblicherweise wird der die Separatorplatten und die elektrochemischen Zellen umfassende Stapel an den Enden des Stapels jeweils durch eine Endplatte abgeschlossen. Eine ggf. vorhandene Außenplatte kann auf der dem Plattenstapel abgewandten Oberfläche der Endplatte angeordnet sein. Kommt eine Außenplatte zum Einsatz, so dient die Endplatte üblicherweise in erster Linie der Isolation und die Außenplatte der Kraftaufnahme. Wenigstens eine der Endplatten weist typischerweise einen oder mehrere Medienanschlüsse auf. An diese können Leitungen zum Zuführen der Medien sowie des Kühlmittels und/oder zum Abführen der Reaktionsprodukte sowie des Kühlmittels angeschlossen werden. Zudem weist wenigstens eine der Endplatten oder eine auf der dem Stapel zugewandten Seite der Endplatte dieser unmittelbar benachbart angeordnete Kontaktplatte gewöhnlich elektrische Anschlüsse auf, über die der Zellstapel im Falle einer Brennstoffzelle mit einem Verbraucher oder im Falle eines Elektrolyseurs mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Die jeweils andere Endplatte kann auch lediglich der Verpressung und/oder Abdichtung des Stapels dienen und als solche nicht über Medienanschlüsse verfügen. Die einer Endplatte nächstliegende bzw. benachbarte Separatorplatte des Stapels wird auch Stapelabschlussplatte genannt.
Zwischen der Stapelabschlussplatte und der Endplatte ist typischerweise eine Dichtvorrichtung angeordnet. Diese dient dem Abdichten des Systems nach außen und/oder dem Abdichten verschiedener Leitungen oder Abschnitte des elektrochemischen Systems gegeneinander. Die Abdichtung zwischen der Stapelabschlussplatte 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 Stapelabschlussplatte 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 Separatorplatten und damit auch die Stapelabschlussplatte aus Metall, z. B. aus Edelstahl oder einer Titanlegierung, 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 Stapelabschlussplatte 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 Stapelabschlussplatte mittels einer teilweise in wenigstens eine der Platten eingelassenen oder auf dieser angeordneten 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 Stapelabschlussplatte an der Dichtvorrichtung erfolgt. Dies benötigt jedoch eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung und/oder eine spezielle Beschichtung.
In der Veröffentlichung DE 20 2014 007 977 U1 wird anstelle von einer Abschlussbipolarplatte eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte Separatorplatte verwendet, welche an eine zwischen der Endplatte und der Stapelabschlussplatte angeordnete Kontaktierungsplatte angrenzt. Des Weiteren ist eine Vielzahl von gestapelten doppellagigen Separatorplatten vorhanden. Dichtsicken sind vorgesehen, um in der Abschlussplatte ausgebildete Durchgangsöffnungen und in den Separatorplatten ausgebildete Durchgangsöffnungen abzudichten. In den zweilagigen Separatorplatten sind die Dichtsicken auf beiden Seiten der Separatorplatten deckungsgleich angeordnet und weisen mit ihren Sickendächern voneinander weg. Bei einer Betrachtung der Dichtsicken hinsichtlich ihres Federverhaltens sind die deckungsgleichen Dichtsicken einer doppellagigen Separatorplatte in Serie geschaltet. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Dichtsicken der einlagigen Abschlussplatte ein anderes Federverhalten bzw. eine unterschiedliche Federkennlinie haben als die in Serie geschalteten Dichtsicken der doppellagigen Separatorplatten. Das abweichende Federverhalten kann sich auf das Dichtverhalten auswirken und kann lokale Undichtigkeiten zur Folge haben.
Um das abweichende Federverhalten der Stapelabschlussplatte anzupassen, kann diese mittels geeigneter Strukturen oder Prägungen geändert werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass das Federverhalten der Dichtsicke separat ausgelegt werden muss und die Stapelabschlussplatte von den anderen Separatorplatten oder Bipolarplatten abweicht, wodurch in der Regel höhere Herstellungskosten entstehen und gesonderte Werkzeuge notwendig sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine Plattenanordnung bzw. ein elektrochemisches System mit einer guten Dichtheit zu schaffen. Vorzugsweise sollen die Anordnung und das elektrochemische System zudem möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch 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 Anordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Anordnung umfasst eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte erste Separatorplatte und ein Abstützelement, wobei die erste Separatorplatte eine erste Dichtsicke zum Abdichten eines Bereichs der ersten Separatorplatte aufweist, wobei die erste Dichtsicke aus einer durch die erste Separatorplatte definierten Plattenebene herausragt und einen an einer Rückseite der ersten Separatorplatte offenen Sickeninnenraum und ein an einer Vorderseite der ersten Separatorplatte auskragendes Sickendach aufweist, wobei das Abstützelement zum Abstützen des Sickendachs in den Sickeninnenraum hineinragt. Hierdurch kann die Sicke üblicherweise über ihren Arbeitspunkt hinaus nicht mehr verformt werden.
Durch die beschriebene Anordnung kann die erste Dichtsicke der ersten Separatorplatte innerhalb des Federpakets übereinandergestapelter Dichtsicken von gestapelten Separatorplatten überbrückt, d.h. faktisch ausgeschaltet werden, so dass nur noch Dichtsicken vergleichbaren Federverhaltens in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann das Dichtverhalten der Anordnung insgesamt verbessert werden. Außerdem muss hierdurch das Federverhalten der ersten Dichtsicke nicht separat ausgelegt werden.
In einer Ausführungsform ist das Abstützelement als starrer Abstandshalter ausgebildet. Das Abstützelement kann also im Wesentlichen inkompressibel sein, insbesondere im verpressten Zustand der Anordnung oder im eingebauten Zustand der Anordnung in einem elektrochemischen System, und eine im Vergleich zur Dichtsicke sehr hohe, nahezu unendlich große Federkonstante aufweisen, wodurch das Federverhalten der Kombination aus Abstützelement und Dichtsicke im Wesentlichen nur durch das verglichen mit dem Federverhalten der sonstigen Dichtsicken des Stapels verschwindend geringe Federverhalten des Abstützelements bestimmt wird.
Eine Höhenrichtung ist in dieser Schrift und im Folgenden senkrecht zur Plattenebene definiert. Eine maximale Höhe des Abstützelements ist oftmals geringer als eine Höhe der ersten Dichtsicke gemessen von der Plattenebene bis zum Sickendach im unverpressten Zustand der Anordnung, insbesondere bis zur neutralen Faser des Sickendachs im unverpressten Zustand der Anordnung. Hierdurch kann die erste Dichtsicke bis zu einem gewissen Grad komprimiert werden, nämlich bis die erste Dichtsicke an das Abstützelement anstößt, dies entspricht ihrem Arbeitspunkt, und erfährt dann, bedingt durch die hohe Steifigkeit des Abstützelements, einen harten mechanischen Anschlag. Hier können sowohl eine Höhenmessung von neutraler Faser zu neutraler Faser, d.h. ohne Materialstärke als auch eine Höhenmessung von einer unteren Oberfläche der unverformten ersten Separatorplatte bis zu einer oberen Oberfläche des Sickendachs gemeint sein. Es ist jedoch bevorzugt, nur die lichte Höhe des Sickeninnenraums zu betrachten, d.h. den Abstand der Oberfläche der Endplatte von der ihr zugewandten Innenoberfläche der Sicke. Die Höhe des Abstützelements kann mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70%, bevorzugt mindestens 75%, insbesondere mindestens 80% der Sickenhöhe im unverpressten Zustand der Anordnung betragen.
Die erste Separatorplatte kann mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids aufweisen, wobei die erste Dichtsicke um die Durchgangsöffnung herum angeordnet ist und diese abdichtet. Die Dichtsicke kann oftmals als Vollsicke ausgestaltet sein. Bevorzugterweise ist zu beiden Seiten des Sickendachs ein Sickenschenkel ausgebildet. Es ist dabei sowohl möglich, dass die Sickenschenkel beider Seiten zueinander symmetrisch als auch zueinander unsymmetrisch ausgebildet sind. Beispielsweise ist es möglich, dass ein erster Sickenschenkel einstufig abfällt, während der andere Sickenschenkel zwar insgesamt dieselbe Höhe wie der erste Sickenschenkel überwindet, über diese Höhe aber mehrere Stufen bzw. Abschnitte aufweist, zwischen denen das Plattenmaterial im Wesentlichen parallel zur Plattenebene verläuft.
Das Abstützelement und/oder die erste Dichtsicke können mindestens eine Fluiddurchführung zum Durchleiten eines Fluids aufweisen, vorzugsweise des durch die Durchgangsöffnung geleiteten Fluids. Die Fluiddurchführung kann ermöglichen oder sicherstellen, dass das Fluid von der Rückseite auf die Vorderseite oder von der Vorderseite auf die Rückseite der ersten Separatorplatte geleitet werden kann. Ebenso ist ein doppelter Seitenwechsel, d.h. ein Seitenwechsel in jedem Sickenschenkel möglich. Falls das Fluid zum Beispiel ein Kühlmittel ist, kann die erste Separatorplatte auf ihrer der Endplatte zugewandten Rückseite gekühlt werden. Falls das Fluid ein Reaktionsmedium ist, kann die erste Separatorplatte auf ihrer dem Stapel zugewandten Vorderseite mit Reaktionsmedium versehen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Abstützelement sich entlang des gesamten Verlaufs der ersten Dichtsicke erstreckt. Hierdurch kann ein entlang des Verlaufs der Dichtsicke möglichst homogen hohe Steifigkeit der Kombination aus Dichtsicke und Abstützelement ermöglicht werden. Das Abstützelement kann einen in sich geschlossenen Verlauf aufweisen, und z.B. ringförmig sein. Alternativ kann der Verlauf des Abstützelements eine Unterbrechung bzw. einen unvollständigen Ringschluss aufweisen, wodurch das Abstützelement zwei freie, jedoch aneinanderstoßende oder aneinander bzw. nebeneinander angeordnete Enden aufweist. In diesem Fall kann das Abstützelement zum Beispiel aus einem Draht oder anderem Endlosmaterial gefertigt sein, was fertigungstechnische Vorteile mit sich bringt. Durch die Unterbrechung bzw. die freien Enden des Abstützelements kann das Einbauen des Abstützelements erleichtert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Unterbrechung im Verlauf des Abstützelements auch die vorgenannte Fluiddurchführung bilden oder zu dieser beitragen.
Das Abstützelement kann zum Beispiel einen runden, ovalen oder abgerundet-rechteckigen Querschnitt aufweisen. Das Abstützelement kann, abgesehen von der oben genannten Fluiddurchführung, als massiver Körper ausgestaltet sein. Alternativ kann das Abstützelement eine umlaufende mittige Aussparung aufweisen und entsprechend einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, es könnte sich dabei auch um ein aufgewickeltes dünnes Blechmaterial oder um ein aufgewickeltes Drahtmaterial handeln, wobei sowohl die Wicklung als auch die Grundmaterialien möglichst wenig Rückfederung aufweisen sollten.
Ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte und/oder das Abstützelement sind oftmals aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Separatorplatte, insbesondere die erste Dichtsicke, eine Beschichtung aufweist, insbesondere im Bereich ihres Sickendachs. Die Beschichtung ist auf dem Plattenkörper aufgetragen und kann zum Beispiel als Polymerbeschichtung ausgestaltet sein, wobei sie sich hinsichtlich des Materials von dem Plattenkörper der ersten Separatorplatte unterscheidet. Die Beschichtung der ersten Dichtsicke kann als Mikroabdichtung fungieren und dem Abstützelement auf unterschiedlichen Seiten der Separatorplatte gegenüberliegen.
Die Anordnung kann weiter eine an die Rückseite der ersten Separatorplatte, d.h. auf der der Endplatte zugewandten Seite der ersten Separatorplatte, angrenzende Kontaktierungsplatte aufweisen, wobei die Separatorplatte und die Kontaktierungsplatte elektrisch und/oder mediendicht miteinander verbunden sind. Das Abstützelement und die Kontaktierungsplatte können beispielsweise einteilig ausgebildet sein. Alternativ sind das Abstützelement und die Kontaktierungsplatte als zwei einzelne Teile ausgebildet. In diesem Fall kann das Abstützelement zwischen der Kontaktierungsplatte und der ersten Separatorplatte angeordnet sein. Die Kontaktierungsplatte kann eine Befestigungsmöglichkeit zum Befestigen der Kontaktierungsplatte an einer Endplatte aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann das Abstützelement, insbesondere partiell, in eine in der Kontaktierungsplatte und/oder in der Endplatte vorgesehene Vertiefung eingelassen sein.
Ein Plattenkörper der Kontaktierungsplatte kann aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Die Kontaktierungsplatte kann eine Stärke von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1,0 mm, insbesondere mindestens 2,0 mm und/oder höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 8 mm, insbesondere höchstens 5 mm aufweisen. Insgesamt kann die Stärke der Kontaktierungsplatte bei Elektrolyseur-Anwendungen mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens fünfmal oder zehnmal größer sein als eine Stärke der ersten Separatorplatte. Bei Brennstoffzell-Anwendungen kann die Stärke der Kontaktierungsplatte mindestens dem vierzigfachen, insbesondere mindestens dem fünfzigfachen der Stärke der Separatorplatte entsprechen. Die Stärke des jeweiligen Bauteils kann hierbei in der vorgenannten Höhenrichtung gemessen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Dichtsicke und/oder das Abstützelement jeweils mindestens eine Fluiddurchführung aufweisen, die eingerichtet ist, ein Fluid in einen zwischen der ersten Separatorplatte und der Kontaktierungsplatte angeordneten bzw. ausgebildeten Zwischenraum zu leiten. Die Fluiddurchführung wurde bereits oben erwähnt und kann bei einer Ausbildung des Fluids als Kühlmittel zum Beispiel für eine Kühlung der Rückseite der ersten Separatorplatte sorgen.
In einer Ausführungsform sind die erste Separatorplatte und die Kontaktierungsplatte miteinander verschweißt, insbesondere zum Abdichten eines zwischen der Separatorplatte und der Kontaktierungsplatte angeordneten Bereichs. Die Verschweißung kann zum Beispiel als Dichtlinie ausgestaltet sein. Mit dem hier genannten Abdichten ist also kein hermetisches Abdichten gemeint, sondern das Ausbilden einer Dichtlinie. An anderer Stelle kann der angesprochene Bereich über die Fluiddurchführungen mit einem Fluid versorgt werden.
Die Anordnung kann weiter eine erste Endplatte aufweisen, wobei die Dichtsicke der ersten Separatorplatte, insbesondere ihr Sickendach, von der Endplatte wegweist und das Abstützelement zwischen der Separatorplatte und der Endplatte angeordnet ist. Die erste Endplatte weist oftmals eine Vielzahl von Medienanschlüssen auf, wobei die Medienanschlüsse der ersten Endplatte fluidisch mit Durchgangsöffnungen der ersten Separatorplatte verbunden sind. Ein Plattenkörper der ersten Endplatte kann zumindest teilweise oder überwiegend aus einem Polymermaterial hergestellt sein. Üblicherweise grenzt die Kontaktierungsplatte an die erste Endplatte an und ist somit zwischen der ersten Endplatte und der ersten Separatorplatte angeordnet.
Die Anordnung kann zusätzlich eine Außenplatte umfassen, welche auf einer der ersten Separatorplatte abgewandten Oberfläche der ersten Endplatte angeordnet ist. Die erste Endplatte dient üblicherweise in erster Linie der elektrischen Isolation der Anordnung, während die Außenplatte für eine Kraftaufnahme in einem verpressten Zustand der Anordnung vorgesehen ist.
Die Anordnung kann weiter eine als Doppellage ausgeführte zweite Separatorplatte aufweisen, welche eine erste Lage und eine zweite Lage umfasst, welche miteinander verbunden sind. Die erste Lage und die zweite Lage sind üblicherweise als Einzellagen ausgestaltet. Mindestens eine der Lagen der zweiten Separatorplatte kann identisch zur als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführten Separatorplatte sein. Identisch soll hierbei heißen, dass die Platten strukturell als gleich anzusehen sind und insbesondere baugleich sind. Bei der Verwendung von baugleichen Platten ergeben sich wesentliche Vereinfachungen und Einsparungen in der Herstellung und Auslegung der Platten. Typischerweise ist die zweite Separatorplatte auf der Vorderseite der ersten Separatorplatte angeordnet, sie ist also die der ersten Separatorplatte nächstliegende Einzellage des übrigen Stapels. Üblicherweise sind die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte nicht in direktem Kontakt. Vielmehr ist im Regelfall eine Membranelektrodeneinheit (MEA) zwischen der ersten Separatorplatte und der zweiten Separatorplatte angeordnet. Weiter kann mindestens eine Gasdiffusionslage zwischen den beiden Separatorplatten angeordnet sein. Typischerweise ist auf jeder Flachseite der MEA eine Gasdiffusionslage angeordnet. Ein Plattenkörper der zweiten Separatorplatte (bzw. ein Plattenkörper der ersten Lage und ein Plattenkörper der der zweiten Lage), ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.
Die zweite Lage der zweiten Separatorplatte kann eine zweite Dichtsicke zum Abdichten eines Bereichs der zweiten Separatorplatte aufweisen, wobei die erste Dichtsicke der ersten Separatorplatte und die zweite Dichtsicke der zweiten Lage einander mit ihren Sickendächern zugewandt sind und mit ihren Sickendächern parallel zueinander verlaufen. In Draufsicht verlaufen die beiden Sicken, zumindest jedoch die beiden Sickendächer, fluchtend. Die beiden Dichtsicken stehen üblicherweise jedoch nicht in unmittelbarem Kontakt. Zwischen den beiden Dichtsicken ist nämlich, wie bereits oben angedeutet, in der Regel ein Teil der MEA, insbesondere eine elektrisch isolierende Verstärkungslage der MEA, angeordnet. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke können als in Serie geschaltete Federelemente betrachtet werden. Während die erste Dichtsicke mittels des Abstützelements so versteift wird, dass sie oberhalb ihres Arbeitspunkts ein quasi-starres Element darstellt, weist die zweite Dichtsicke eine verglichen hiermit beträchtliche Elastizität auf. In einer Ausführungsform sind die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke baugleich ausgeführt.
Die erste Dichtsicke und/oder die zweite Dichtsicke sind typischerweise in die jeweilige Separatorplatte, genauer gesagt in den Plattenkörper der jeweiligen Separatorplatte, eingeformt, z.B. durch Prägen, Hydroformen und/oder Tiefziehen.
Weiter wird mit der vorliegenden Erfindung ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Das elektrochemische System umfasst die zuvor beschriebene Anordnung, eine Vielzahl von weiteren Separatorplatten und eine zweite Endplatte. Die erste Endplatte weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen auf, wobei die Medienanschlüsse der ersten Endplatte fluidisch mit Durchgangsöffnungen der ersten Separatorplatte verbunden sind, wobei die erste Separatorplatte und die weiteren Separatorplatten zwischen den beiden Endplatten angeordnet und verpresst sind, wodurch ein Stapel gebildet wird.
Die zweite Endplatte kann lediglich der Verpressung und/oder Abdichtung des Stapels dienen und als solche nicht über Medienanschlüsse verfügen.
Zudem weist wenigstens eine der beiden Endplatten gewöhnlich elektrische Anschlüsse auf, über die das System mit einem Verbraucher oder insbesondere im Falle eines Elektrolyseurs mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Alternativ ist es ebenso möglich, die elektrischen Anschlüsse nicht in einer Endplatte, sondern in der vorgenannten Kontaktierungsplatte vorzusehen.
Das elektrochemische System kann weiterhin auch in ihrem der zweiten Endplatte zugewandten Endbereich eine Anordnung mit einer einlagigen Separatorplatte in der wie zuvor beschrieben eine Dichtsicke ausgebildet ist, in deren Innenraum ein Abstützelement aufgenommen ist, aufweisen. Hierbei ist es jedoch nicht zwingend, dass auch in dieser einlagigen Separatorplatte eine Durchgangsöffnung angeordnet ist. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, wenn keine Fluid-Durchgangsöffnung vorgesehen ist. In manchen Fällen bringt es jedoch Vorteile mit sich, wenn im betreffenden Bereich dieser Separatorplatte zumindest eine Entlüftungsöffnung ausgebildet ist. Vergleichbare Lösungen sind etwa in der DE 20 2020 105 396 U1 gezeigt.
Ausführungsbeispiele der Separatorplatte und des elektrochemischen Systems sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es 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 eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß dem Stand der Technik;
4 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer Ausführungsform;
5 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6A - 6C schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform sowie eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Separatorplatte im verpressten Zustand;
7 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
9 schematisch eine angeschnittene Schrägansicht durch einen Teil eines Plattenstapels im Bereich einer Endplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
10A-10C schematisch Draufsichten auf verschiedene Abstützelemente; und
11A-11D schematisch Querschnitte bzw. eine Schrägansicht durch verschiedene Abstützelemente.

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 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Separatorplatten 2 des Stapels 6 sind üblicherweise zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 2 des Stapels begrenzen also eine elektrochemische Zelle, 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 Einzellagen aufgebaute Bipolar- oder Monopolarplatten. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch Separatorplatten 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.
Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Separatorplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA 10 beinhaltet typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage 16 (GDL) angeordnet sein. Die MEA 10 umfasst außerdem oftmals eine rahmenförmige Verstärkungslage 15, welche die Elektrolytmembran umrahmt und diese verstärkt. Die Verstärkungslage 15 ist in der Regel elektrisch isolierend ausgebildet und verhindert im Betrieb des elektrochemischen Systems 1, dass ein Kurzschluss entsteht.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter, Redox-Flow-Batterie oder als Befeuchter für ein elektrochemisches System ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter bei einer Redox-Flow-Batterie oder bei einem Befeuchter 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 Separatorplatten 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 erste Endplatte 4 weist in der Regel eine Vielzahl von Medienöffnungen 14 mit angeschlossenen 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. Ebenso können bei Elektrolyseuren, wenn sie über die Reaktionsmedien gekühlt werden, nur vier Medienanschlüsse 5 vorhanden sein.
In 1 nicht dargestellt sind ebenfalls an der Endplatte 4 angeordnete elektrische Anschlüsse, über die ein elektrischer Verbraucher an den Brennstoffzellenstapel 6 angeschlossen werden kann.
In einem elektrochemischen System wie es in 1 gezeigt ist, können sowohl bekannte Separatorplatten, wie sie in 2 und 3 gezeigt sind, als auch erfindungsgemäße Separatorplatten, wie sie ab 4 dargestellt sind, eingesetzt werden.
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte, aus dem Stand der Technik bekannte Separatorplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete, ebenfalls 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 Einzellagen 2a, 2b gebildet (siehe auch z. B. 4 bis 8), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Einzellage 2a sichtbar ist, die die zweite Einzellage 2b verdeckt. Die Einzellagen 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzellagen 2a, 2b können z. B. entlang ihres Außenrandes miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
Die Einzellagen 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten von der Art der Separatorplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen 100, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1, 3-7). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen 100 jeweils in Fluidverbindung mit einem der Medienanschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen 100 kann z. B. Kühlmittel in den Stapel 6 eingeleitet werden, während das Kühlmittel über andere Durchgangsöffnungen 11a aus dem Stapel abgeleitet wird. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen 100 dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene ausgebildet.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Einzellagen 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Einzellagen 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt). Eine Sickenanordnung 12 der Separatorplatte 2 kann als Kombination von zwei zusammenwirkenden, voneinander wegweisenden und auf gegenüberliegenden Seiten der Separatorplatte 2 liegenden Dichtsicken 12a der Einzelplatten 2a, 2b, Dichtsicken 12b der Einzelplatten 2a, 2b, Dichtsicken 12c der Einzelplatten 2a, 2b aufgefasst werden.
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Einzellagen 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit ersten Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite (oder auch Vorderseite) der Einzellage 2a auf. Diese ersten Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Separatorplatten 2 weisen die ersten Einzellagen 2a zudem jeweils einen Verteil- und/oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- und/oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den angrenzenden Verteilbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und über den Sammelbereich 20 ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- und/oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
Die Dichtsicken 12a-12c werden von Durchführungen 13a-13c gekreuzt, die in die Einzellagen 2a, 2b eingeformt sind, wobei die Durchführungen üblicherweise aus Durchbrüchen und/oder Anhebungen des Plattenmaterials bestehen. Die Durchführungen 13a bilden sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Einzellage 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Einzellage 2b eine Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteilbereich 20 aus, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Einzellage 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Einzellage 2b eine entsprechende Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11b bzw. 11c und dem jeweils angrenzenden Verteilbereich 20 herstellen. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteil- bzw. Sammelbereich 20, so dass das Kühlmittel in den Verteil- bzw. Sammelbereich 20 zwischen den Einzellagen 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Einzellage 2a, diese Durchführungen 13b grenzen an dem Verteil- oder Sammelbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Durchbrüche an. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteil- oder Sammelbereich 20 auf der Oberseite der oben liegenden Einzellage 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteil- oder Sammelbereich 20, so dass Luft in den Verteil- oder Sammelbereich auf der Unterseite der unten liegenden Einzellage 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
Die ersten Einzellagen 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- und/oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber den Durchgangsöffnungen 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Einzellagen 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteil- oder Sammelstrukturen des Verteil- und/oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Einzellagen 2a ausgebildet und in die Einzellagen 2a eingeformt, z. B. in einem Präge- (Hub- oder Rollpräge-), Hydroforming- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Strömungsfelder, Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Einzellagen 2b. Jede Dichtsicke 12a-12d kann im Querschnitt zumindest ein Sickendach und zwei Sickenflanken aufweisen, eine im Wesentlichen winklige Anordnung zwischen diesen Elementen ist jedoch nicht notwendig, es kann auch ein gekrümmter Übergang vorgesehen sein, d.h. auch im Querschnitt bogenförmige Sicken sind möglich.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen 100 durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über die die Dichtsicken 12b kreuzenden Durchführungen 13b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und über das Strömungsfeld 17 im aktiven Bereich 18 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Einzellagen 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen 100 durch den Plattenstapel 6 des Systems 1 jeweils über entsprechende Leitungskanäle, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Einzellagen 2b miteinander in Fluidverbindung. In den aktiven Bereichen 18 sind dazu jeweils Kanalstrukturen zum Führen der betreffenden Medien vorgesehen.
Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen 100 durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Einzellagen 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 elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Separatorplatte 2. Das Kühlmittel dient somit hauptsächlich der Kühlung des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Separatorplatte 2. Durch den Hohlraum 19 strömt das Kühlmittel ausgehend von einer Eingangsöffnung 11a in Richtung einer Ausgangsöffnung 11a. Als Kühlmittel werden oftmals Mischungen von Wasser und Frostschutzmitteln verwendet. Andere Kühlmittel sind aber auch denkbar. Zum besseren Führen des Kühlmittels bzw. Kühlmediums sind Kanalstrukturen auf der Innenseite der Separatorplatte 2 vorhanden. Diese sind in 2 nicht ersichtlich, da sie beispielsweise auf der dem Betrachter abgewandten Oberfläche der Einzellage 2a verlaufen, sie liegen damit den oben genannten Kanalstrukturen auf der anderen Oberfläche der Einzellage 2a gegenüber. Im aktiven Bereich 18 führen die Kanalstrukturen das Kühlmedium entlang der Innenseite der Separatorplatte in Richtung der Ausgangsöffnung 11a.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch das System 1 gemäß dem Stand der Technik im Bereich einer der Durchgangsöffnungen 11a-c. Der Einfachheit halber wird im Folgenden auf eine Durchgangsöffnung 11 Bezug genommen, welche eine der Durchgangsöffnungen 11a-c repräsentieren kann. In ähnlicher Weise wird auf eine Dichtsicke 12 Bezug genommen, welche eine der Dichtsicken 12a-12c in einer Einzellage sein kann. Zu erkennen ist hier insbesondere die Endplatte 4 und eine Separatorplatte 23 mit Einzellagen 2a, 2b. An die Endplatten 3, 4 angrenzende Separatorplatten 23 werden häufig Abschlussseparatorplatten, Stapelabschlussplatten oder Unipolarplatten/Monopolarplatten genannt. In der 3 ist die Abschlussseparatorplatte 23 nur teilweise identisch zu den übrigen Separatorplatten 2 des Systems 1. Während die übrigen Separatorplatten 2 des Systems 1 Durchführungen derart aufweisen, dass sowohl beide Außenoberflächen als auch der Innenraum 19 mit Medien versorgt werden, wird bei der Abschlussseparatorplatte 23 der Zwischenraum zwischen der Separatorplatte 23 und der Endplatte 4 nicht mit Gas versorgt, es ist hier an keiner der Durchgangsöffnungen 11 eine Durchführung 13 in der Lage 2b ausgebildet. Somit ist es nicht möglich, die Lage 2b als Gleichteil zu den anderen entsprechenden Lagen 2b des Stapels auszubilden.
Bei den Separatorplatten 2 des Brennstoffzellenstapels 6, insbesondere bei der Abschlussseparatorplatte 23, 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 zumindest vorwiegend oder überwiegend aus einem Kunststoff gefertigt, der beispielsweise einen thermischen Längenausdehnungskoeffizient von etwa 5,0·10^-5 K^-1 hat, wobei hier die Unterschiede hinsichtlich der Längenausdehnungskoeffizienten zwischen verschiedenen Kunststoffen deutlich größer sind als zwischen verschiedenen Stahlwerkstoffen. Die Abschlussseparatorplatte 23 hat also jeweils einen kleineren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als die Endplatten 3 oder 4, an welche sie jeweils angrenzt. Dies hat zur Folge, dass z. B. die Endplatte 4 und die an diese angrenzende Abschlussseparatorplatte 23 insbesondere ihre laterale Ausdehnung in der xy-Ebene senkrecht zur Stapelachse 7 nicht in demselben Maße ändern, wenn die Temperatur der Endplatte 4 und der Abschlussseparatorplatte 23 um denselben Betrag zu- oder abnimmt. Auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Abschlussseparatorplatte 23 und der Endplatte 4 kommt es zu einer Verschiebung von Bereichen der beiden Platten 4 und 23 gegeneinander. Es handelt sich dabei nicht um eine absolute Verschiebung, vielmehr kommt es vereinfacht betrachtet mit zunehmendem Abstand der Plattenbereiche vom Schwerpunkt der Abschlussbipolarplatte 23 zu einer zunehmenden lateralen Verschiebung zwischen den Bereichen der beiden Platten 4 und 23 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 Abschlussseparatorplatte 23 und der ersten Endplatte 4 angeordnete elastomere Dichtvorrichtung oder Beschichtung 28 auswirken. Weiterhin zeigt sich in der Praxis, dass die aus einem Kunststoffmaterial gefertigten Endplatten 4 langsamer auf Temperaturänderungen reagieren als die aus einem Stahlwerkstoff gefertigten Separatorplatten 2, 23, was die Unterschiede bzw. relativen Verschiebungen zumindest temporär verstärkt. Überdies erfahren die metallischen Separatorplatten zumindest abschnittsweise eine unmittelbare Kühlung, während für die Endplatten oftmals keine aktive Kühlung oder Temperierung vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehenden Probleme zu lösen bzw. zumindest abzumildern. Insbesondere soll eine Dichtheit des Systems verbessert werden. Weiter sollen möglichst viele Gleichteile zum Einsatz kommen, damit das System vereinfacht werden kann und Kosten sowie Werkzeuge eingespart werden können.
Es wird eine Anordnung 30 für ein elektrochemisches System 1 vorgeschlagen, insbesondere das oben beschriebene elektrochemische System 1. Die Anordnung 30 umfasst eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte erste Separatorplatte 32 und ein Abstützelement 40. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 4-11 weiter erläutert. 4, 5, 6A und 7-9 zeigen dabei jeweils den verpressten Zustand der jeweiligen Platten.
Die erste Separatorplatte 32 kann durch eine der oben beschriebenen Lagen 2a, 2b ausgebildet sein und muss somit nicht speziell für die Erfindung konzipiert werden.
Analog zu den oben beschriebenen Sickenanordnungen 12a-12c weist die erste Separatorplatte 32 eine erste Dichtsicke 12 zum Abdichten eines Bereichs der ersten Separatorplatte 32 auf. Hierbei ragt die erste Dichtsicke 12 aus einer durch die erste Separatorplatte 32 definierten Plattenebene E32 heraus und weist einen an einer Rückseite 24 der ersten Separatorplatte 32 offenen Sickeninnenraum 35 und ein an einer Vorderseite 25 der ersten Separatorplatte 32 auskragendes Sickendach 36 auf.
Die erste Separatorplatte 32 umfasst mindestens eine Durchgangsöffnung 11 zum Durchleiten eines Fluids, wobei die erste Dichtsicke 12 um die Durchgangsöffnung 11 umlaufend angeordnet ist und diese abdichtet. Die Durchgangsöffnung 11 kann wie eine der oben beschriebene Durchgangsöffnungen 11a-c ausgestaltet sein. Ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte 32 ist in der Regel aus einem metallischen Werkstoff, wie Edelstahl oder einer Titanlegierung, hergestellt. Die erste Separatorplatte 32 kann als Blechlage ausgestaltet sein, welche eine Stärke von mindestens 70 µm und/oder höchstens 100 µm aufweist.
Das Abstützelement 40 ragt zum Abstützen des Sickendachs 36 in den Sickeninnenraum 35 hinein. Oftmals erstreckt sich das Abstützelement 40 entlang des gesamten Verlaufs der ersten Dichtsicke 12. Da die Dichtsicke 12 meistens wiederum zum Abdichten der Durchgangsöffnung 11 um die Durchgangsöffnung 11 verläuft, ist das Abstützelement 40 auch um die Durchgangsöffnung 11 herum angeordnet und verläuft um die Durchgangsöffnung 11.
Eine Höhenrichtung ist im Folgenden senkrecht zur Plattenebene definiert. Eine maximale Höhe des Abstützelements 40 ist oftmals geringer als eine Höhe der ersten Dichtsicke 12 gemessen von der Plattenebene bis zur neutralen Faser des Blechs im Bereich des Sickendachs 36 im unverpressten Zustand der Anordnung 30. Im verpressen Zustand der Anordnung 30 ist die erste Dichtsicke 12 bis zum Arbeitspunkt komprimiert, und kontaktiert das Abstützelement 40. Das Abstützelement fungiert somit als mechanischer Anschlag für die Dichtsicke 12. Die Höhe des Abstützelements 40 kann mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70%, bevorzugt mindestens 75%, insbesondere mindestens 80% der Sickenhöhe im unverpressten Zustand der Anordnung 30 betragen.
Das Abstützelement 40 kann zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Die 10A-10C zeigen Draufsichten auf verschiedene Abstützelemente 40. Die Abstützelemente 40 der 10A und 10B sind ringförmig, wobei das Abstützelement 40 der 10A einen geschlossenen Ringkörper aufweist und das Abstützelement der 10B einen unterbrochenen Ringkörper mit zwei Endabschnitten 45, 46 aufweist. In diesem Fall kann das Abstützelement 40 als Draht ausgebildet sein. Die Endabschnitte 45, 46 können im eingebauten Zustand aneinanderstoßen und/oder einander zugewandt ausgerichtet sein. Die zwischen den Endabschnitten 45, 46 verlaufende Unterbrechung 47 kann eine Montage des ringförmigen Abstützelements 40 erleichtern. Alternativ oder zusätzlich kann die Unterbrechung 47 als Fluiddurchführung ausgestaltet sein oder zu dieser beitragen. Das Abstützelement 40 der 10C hat ebenfalls einen geschlossenen Verlauf, jedoch mit abgerundeten Ecken, geraden Abschnitten und einem gekrümmten Abschnitt. Weitere Formen für das Abstützelement 40 sind ebenfalls denkbar und hängen in der Regel von der Form der Durchgangsöffnung 11 bzw. dem Verlauf der Dichtsicke 12 ab.
Die 11A-11C zeigen verschiedene Querschnitte des Abstützelements 40. Die in den 11A-11C gezeigten Querschnitte sind quer zum Verlauf des Abstützelements 40 gemacht. Beispielhaft kann der Querschnitt des Abstützelements 40 rund (11A), oval (11B), abgerundet-rechteckig (11C) sein. In der Regel hat das Abstützelement 40 entlang seines Verlaufs einen konstanten Querschnitt. 11D zeigt ergänzend ein Abstützelement 40 in abschnittsweiser Schrägansicht, das aus einem spiralförmig gewickelten Drahtring besteht. Alternativ könnte auch ein Blech aufgewickelt und zu einem Ring geformt werden.
Die Anordnung 30 kann weiter eine erste Endplatte 4 aufweisen, beispielsweise die vorgenannte erste Endplatte 4. Die Endplatte 4 hat in der Regel einen Plattenkörper, welcher zumindest vorwiegend oder überwiegend aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist. Wie bereits oben erwähnt, weist die erste Endplatte 4 eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, wobei die Medienanschlüsse 5 der ersten Endplatte 4 fluidisch mit den Durchgangsöffnungen 11 der ersten Separatorplatte 32 verbunden sind. Die Medienanschlüsse 5 können wie in 4 und 8 integral mit der Endplatte 4 gefertigt sein und aus dieser herausragen oder als in die Endplatte 4 eingeschobene oder eingeschraubte Stutzen 59 (s. 5) ausgebildet sein. Auf die Darstellung eingeschobener Stutzen wurde hier verzichtet. Die erste Dichtsicke 12 der ersten Separatorplatte 32 weist oftmals von der ersten Endplatte 4 weg. Weiter ist das Abstützelement 40 im Regelfall zwischen der ersten Separatorplatte 32 und der ersten Endplatte 4 angeordnet.
Zwischen der Endplatte 4 und der ersten Separatorplatte 32 kann eine Kontaktierungsplatte 50 angeordnet sein, welche üblicherweise mit ihrer Vorderseite 27 an die Rückseite 24 der ersten Separatorplatte 32 angrenzt. Mit ihrer Rückseite 26 grenzt die Kontaktierungsplatte an die Endplatte 4 an. Die erste Separatorplatte 32 und die Kontaktierungsplatte 50 sind vorzugsweise elektrisch und/oder mediendicht miteinander verbunden. Die Kontaktierungsplatte 50 ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und kann eine Stärke von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1,0 mm, insbesondere mindestens 2,0 mm und/oder höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 8 mm, insbesondere höchstens 5 mm aufweisen. Insgesamt kann die Stärke der Kontaktierungsplatte 50 mindestens vierzigmal, vorzugsweise mindestens fünfzigmal größer sein als eine Stärke der ersten Separatorplatte 32.
Eine von den elektrochemischen Zellen des Systems 1 gegenüber dem Nullpotential erzeugte elektrische Spannung kann an der Kontaktierungsplatte 50 abgegriffen werden. Eine elektrische Verbindung zwischen der Kontaktierungsplatte 50 und einer Außenseite des Systems 1 kann über einen metallischen elektrischen Leiter 51 realisiert werden. Der Leiter 51 und die Kontaktierungsplatte 50 sind an einer der Endplatte 4 zugewandten Rückseite 26 der Kontaktierungsplatte 50 in elektrischem Kontakt miteinander. Bei der hier dargestellten Ausführungsform des Systems 1 sind die Kontaktierungsplatte 50 und der metallische elektrische Leiter 51 einteilig ausgebildet, z. B. als einteiliges Gussteil. Der Leiter 51 erstreckt sich von der Rückseite 26 der Kontaktierungsplatte 50 bis zur Außenseite des Systems 1, insbesondere bis an eine von der Stapelabschlussplatte 32 abgewandte Außenseite der Endplatte 4. Der Leiter 51 greift in eine Durchgangsöffnung 58 in der Endplatte 4 ein. Die Durchgangsöffnung 58 erstreckt sich von der Außenseite der Endplatte 4 bis zu einer der Kontaktierungsplatte 51 zugewandten Innenseite der Endplatte 4. Die Kontaktierungsplatte ist aus einem Metall wie Kupfer oder Edelstahlgebildet. Der Leiter 51 bildet an der Rückseite 26 der Kontaktierungsplatte50 einen Vorsprung in Gestalt eines Bolzens. Das von der Kontaktierungsplatte 50 abgewandte Ende des Leiters 51 ist in der Regel in elektrischem Kontakt mit einem elektrischen Kabel, das z. B. mit einem elektrischen Verbraucher verbunden ist.
In 5 und 7 sind der Leiter 51 und die Kontaktierungsplatte 50 miteinander verschweißt. Der Leiter 51 kann zum Beispiel einteilig ausgebildet sein, z. B. ist er als einteiliges Formteil wie ein Bolzen ausgebildet, s. ebenfalls 5 und 7.
Die Kontaktierungsplatte 50 kann eine Befestigungsmöglichkeit 52 zum Befestigen der Kontaktierungsplatte 50 an einer Endplatte 4 aufweisen, zum Beispiel in Form des Leiters 51 und/oder in Form eines zusätzlichen Elements 52' (vgl. 5 und 7).
Die erste Separatorplatte 32 und die Kontaktierungsplatte 50 können stoffschlüssig miteinander verbunden sein, insbesondere durch mindestens eine Schweißverbindung 57. Die Schweißverbindung 57 kann als um die Durchgangsöffnung 11 umlaufende abdichtende Schweißlinie ausgebildet sein und kann insbesondere zum Abdichten eines zwischen der ersten Separatorplatte 32 und der Kontaktierungsplatte 50 angeordneten Zwischenraums 56 ausgestaltet sein. Der Zwischenraum 56 erstreckt sich zwischen der Rückseite 24 der ersten Separatorplatte 32 und der Vorderseite 27 der Kontaktierungsplatte 50 und ist als Hohlraum zum Aufnehmen eines Fluids ausgestaltet.
Oftmals wird der Zwischenraum 56 über einen mit der Durchgangsöffnung 11 (vgl. Durchgangsöffnung 11a in 2) fluidisch verbundenen Kanal oder eine in der ersten Dichtsicke 12 und/oder dem Abstützelement 40 ausgebildeten Fluiddurchführung mit Kühlmittel versorgt, um die Rückseite 24 erste Separatorplatte 32 zu kühlen. Im in 4 gezeigten Schnitt setzt sich die Fluiddurchführung aus einer Aussparung 63 im der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Schenkel der Sicke 12, einer Aussparung 43 im Abstützelement 40 und einer Anhebung 66 des rechten Sickenfußes der Sicke 12 zusammen. Im in 5 gezeigten Schnitt erfolgt die Fluiddurchführung des Kühlmittels von der Durchgangsöffnung 11 über eine Aussparung 65 der Endplatte 50, eine Aussparung 43 im Abstützelement 40 und wiederum einer Anhebung 66 des rechten Sickenfußes der Sicke 12 zum Zwischenraum 56. Die Ausführungsform der 7 ermöglicht hingegen die vergleichbare Kühlmitteldurchführung nur über eine Aussparung 53 der Kontaktplatte 50 sowie eine Anhebung 66 des rechten Sickenfußes der Sicke 12. All diese Fluidleitungen bilden einen Kühlmittelkanal 60'.
Das Abstützelement 40 überbrückt den Abstand zwischen dem Sickeninnenraum und der ersten Endplatte 4 und ist somit als formstabiler, starrer Abstandhalter ausgebildet. Das Abstützelement 40 kann auf einer der ersten Separatorplatte 32 abgewandten Seite an die erste Endplatte 4 angrenzen. Das Abstützelement 40 kann an der Endplatte 4 befestigt werden, z.B. eingepresst, verschraubt oder mittels eines Klebstoffs. In der Ausführungsform der 4 ist eine Aussparung 55 in der Endplatte 4 ausgeformt, welche zum Aufnehmen des Abstützelements 40 ausgestaltet ist.
Alternativ kann das Abstützelement 40 auf einer der ersten Separatorplatte 32 zugewandten Seite an die Kontaktierungsplatte 50 angrenzen. In diesem Fall kann das Abstützelement 40 an der Kontaktierungsplatte 50 befestigt werden, vgl. 6A, 7-9, z.B. mittels eines Klebstoffs. In den Ausführungsformen der 6A, 7-9 sind das Abstützelement 40 und die Kontaktierungsplatte 50 als zwei einzelne Teile ausgebildet, wobei das Abstützelement 40 zwischen der Kontaktierungsplatte 50 und der ersten Separatorplatte 32 angeordnet ist. In 5 hingegen sind das Abstützelement 40 und die Kontaktierungsplatte 50 einteilig ausgebildet. In diesem Fall kann das Abstützelement durch einen an der Vorderseite 27 der Kontaktierungsplatte 50 gebildeten Vorsprung oder wie in 5 durch eine Umfalzung des Plattenmaterials der Kontaktierungsplatte 50 ausgestaltet sein. Die Umfalzung muss dabei nicht wie gezeigt zweifach erfolgen, auch einfache Umfalzungen können bei entsprechender Materialstärke ausreichen.
Das für das Abstützelement 40 verwendete Material kann sich von dem Material der Kontaktierungsplatte 50 und/oder dem Material der ersten Separatorplatte 32 und/oder dem Material der Endplatte 4 unterscheiden. Alternativ kann für das Abstützelement 40 und die Separatorplatte 32 und/oder die Kontaktierungsplatte 50 das gleiche Material verwendet werden. Grundsätzlich ist es aber ebenso möglich, das Abstützelement 40 aus demselben Material wie die Endplatte 4 zu fertigen, also auch aus einem Kunststoffmaterial, sofern es eine akzeptabel niedrige Setzungsneigung hat. Hierfür kommen insbesondere Kunststoffe mit einem hohen Anteil an Verstärkungsstoffen, z.B. Fasern, in Frage.
Die erste Separatorplatte 32 stützt sich also im Bereich der ersten Dichtsicke 12, insbesondere ihres Sickendachs 36, mittels des Abstützelements 40 auf die erste Endplatte 4, vgl. 4 und 5 oder eine zwischen der Endplatte 4 und der Separatorplatte 32 gelegene Platte ab, vgl. z.B. die Kontaktierungsplatte 50 in den 6A, 8 und 9. Die Abstützung ist auch dann gegeben, wenn abschnittsweise entlang des Umfangs der Durchgangsöffnung 11 kein Kontakt besteht, weil ein Fluid durch den Zwischenraum geleitet wird.
Die erste Endplatte 4 kann eine Aussparung oder Vertiefung 42 zum Aufnehmen eines Dichtelements 44 aufweisen. Das Dichtelement 44 ist zwischen der Kontaktierungsplatte 50 und der ersten Endplatte 4 angeordnet und dichtet den Bereich zwischen den Platten 4, 50 gegenüber Fluid aus der Durchgangsöffnung 11 ab. Das Dichtelement 44 kann zum Beispiel als elastomerer O-Ring ausgestaltet sein, wobei dieser vorzugsweise im verpressten Zustand in einer Aufnahme versenkt ist, so dass er im Kraftnebenschluss liegt. Die Abdichtung kann somit unabhängig von der Dichtlinie der Dichtsicke 12 realisiert werden.
Zusätzlich kann die erste Separatorplatte 32 eine Anlagefläche 64 aufweisen, wobei die Anlagefläche 64 zwischen dem linken Sickenschenkel der Sicke 12 links der Durchgangsöffnung 11 und dem rechten Sickenschenkel der Perimetersicke 12d sich in der durch die erste Separatorplatte 32 definierte Plattenebene erstreckt und auf der Vorderseite 27 der Kontaktierungsplatte anliegt, vgl. 4-7. Die Anlagefläche 64 ist eine Resultierende des Einformens der um die Durchgangsöffnung 11 umlaufenden Sicke 12 sowie ggf. der Perimetersicke 12d, welche üblicherweise durch Prägen, Hydroformen oder Tiefziehen in den Plattenkörper der ersten Separatorplatte 32 eingeformt werden. Die erste Separatorplatte 32 kann zum Beispiel im Bereich der Anlagefläche 64 stoffschlüssig mit der Kontaktierungsplatte 50 verbunden sein, vgl. die vorgenannte Schweißverbindung 57. Oftmals befinden sich das Dichtelement 44 und die Anlagefläche 64 auf gegenüberliegenden Seiten der Kontaktierungsplatte 50, wobei Projektionen des Dichtelements 44 und der Anlagefläche 64 senkrecht auf eine Plattenebene der Kontaktierungsplatte 50 überlappen. Das Dichtelement 44 sorgt also für eine Abdichtung zwischen der ersten Endplatte 4 und der Kontaktierungsplatte 50, während die stoffschlüssige Verbindung 57 die Abdichtung zwischen der Kontaktierungsplatte 50 und der ersten Separatorplatte 32 übernimmt. Die Perimetersicken 12d sind hier nur in 4 und 8 dargestellt, könnten aber auch in den anderen Ausführungsformen realisiert sein.
Zusätzlich kann die erste Separatorplatte 32 eine weitere Auflagefläche 68 aufweisen, die an die Endplatte 4 - vgl. 4 - oder an die Kontaktierungsplatte 50 - vgl. 6A - angrenzt und sich auf der anderen, der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sicke 12 erstreckt. Wiederum verläuft diese Auflagefläche 68 in der durch die erste Separatorplatte 32 definierten Plattenebene E32 und resultiert vom Einformen der Sicke 12 mittels Prägens, Hydroformens oder Tiefziehens in den Plattenkörper der ersten Separatorplatte 32. Die Auflagefläche 68 muss aber nicht bis an die Durchgangsöffnung 11 heranreichen, vgl. 4, 6A.
Es kann mindestens ein Kanal 60, 60' zum Durchleiten des durch die Durchgangsöffnung 11 geleiteten Fluids vorgesehen sein, um die Vorderseite 25 oder die Rückseite 24 der ersten Separatorplatte 32 individuell mit Fluid, wie einem Reaktionsmedium (hier wird der Kanal als Kanal 60 bezeichnet) oder einem Kühlmittel (hier wird der Kanal, wie oben bereits erwähnt, als Kanal 60' bezeichnet), zu versorgen. Der Kanal 60, 60' ist also fluidisch mit der Durchgangsöffnung 11, der Medienöffnung 14 und/oder einer durch die Durchgangsöffnungen 11 gebildeten Fluidleitung 100 verbunden, vgl. 5-9 Der Kanal kann sich abschnittsweise zwischen der ersten Separatorplatte 32 und der ersten Endplatte 4 (vgl. 4-7 und 9) und/oder zwischen der ersten Separatorplatte 32 und der Kontaktierungsplatte 50 (vgl. 4-7 und 9) erstrecken. Benachbart zu der Durchgangsöffnung 11, die dasjenige Medium führt, was zwischen der der Endplatte 4 nächstliegenden MEA 10 und der der Endplatte 4 nächstliegenden Separatorplatte 2b geführt wird, ist hingegen kein solcher Kanal ausgebildet, sondern nur Sickendurchführungen 13 in den übrigen Separatorplatten 2b des Stapels, vgl. 8.
Der Kanal 60 kann zumindest abschnittsweise in der Endplatte 4 ausgebildet sein, beispielsweise durch mindestens eine in der Endplatte 4 ausgebildete Fluiddurchführung 65, wie eine Öffnung, Aussparung oder Vertiefung, vgl. 6A. Zusätzlich oder alternativ kann sich der Kanal zumindest abschnittsweise als Fluiddurchführung 53 in der Kontaktierungsplatte 50 erstrecken und dort als Vertiefung, Öffnung oder Aussparung ausgebildet sein, vgl. 6A und 9. Zusätzlich oder alternativ kann der Kanal 60 sich außerdem teilweise in dem Abstützelement 40 erstrecken, und dort zum Beispiel in Form einer Fluiddurchführung 43, wie einem Durchgangsloch, ausgestaltet sein, vgl. 9. Der Kanal 60 kann - je nach Funktion des Kanals 60 als Fluidzuleitung oder Fluidableitung - eine in der ersten Separatorplatte 32 ausgebildeten Eintritts- oder Austrittsöffnung 63 aufweisen. Die als Fluiddurchführung 63 ausgestaltete Öffnung kann zwischen der Auflagefläche 66 und dem Sickendach 36 der Dichtsicke 12 angeordnet sein.
6B zeigt in einer Draufsicht auf die Separatorplatte 32 den Verlauf des Abstützelements 40 auf der Rückseite 24, d.h. der der Endplatte 4 zugewandten Oberfläche der Separatorplatte um die Durchgangsöffnung 11. Das Abstützelement ist dabei im Innenraum 35 der Sicke 12 aufgenommen. Der Schnitt B-B dieser Figur ist vergrößert in 6C wiedergegeben. Aus dieser Ansicht des unverpressten Zustands wird deutlich, dass im unverpressten Zustand das Abstützelement 40 eine Höhe H40 aufweist, die geringer ist als die Höhe H12 der Sicke.
Die Anordnung 30 kann weiter eine als Doppellage ausgeführte zweite Separatorplatte 34 aufweisen, welche eine erste Lage 2a und eine zweite Lage 2b umfasst, welche miteinander verbunden sind. Die zweite Separatorplatte 34 ist hierbei auf der Vorderseite 25 der ersten Separatorplatte 32 angeordnet.
Zwischen der ersten Separatorplatte 32 und der zweiten Separatorplatte 34 kann die oben beschriebene Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet sein. In den Figuren ist zu erkennen, dass die rahmenförmige Verstärkungslage 15 sich flächig zwischen den Separatorplatten 32, 34 erstreckt.
Die zweite Separatorplatte 34 kann eine Sickenanordnung 21 aufweisen, welche wie die oben beschriebene Sickenanordnungen 12a-c ausgestaltet sein kann. Die Sickenanordnung 21 der Separatorplatte 34 ist durch zwei Dichtsicken 21a, 21b der jeweiligen Einzellagen 2a, 2b gebildet und dichtet einen Bereich der Separatorplatte 34 gegenüber der Durchgangsöffnung 11 ab.
Die erste Dichtsicke 12 der ersten Separatorplatte 32 und die Dichtsicke 21b der zweiten Lage 2b sind einander mit ihren Sickendächern 36, 37 zugewandt; diese Sickendächer 36, 37 verlaufen parallel zueinander. Mit Ausnahme der Ausführungsform der 6 können sämtliche Separatorplatten 34 hier so ausgebildet sein, dass die Dichtsicken 21a, 21b asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, sei es, dass ihre Sickendächer 36, 37 unterschiedliche Breite haben oder dass zumindest einer ihrer Sickenschenkel einen gestuften Anstieg aufweist.
Vorzugsweise ist mindestens eine der Lagen 2a, 2b der zweiten Separatorplatte 34 identisch zur als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführten ersten Separatorplatte 32.
Die erste Dichtsicke 12 und/oder die Dichtsicken 21a, 21b sind typischerweise in die jeweilige Separatorplatte, genauer gesagt in den Plattenkörper der jeweiligen Separatorplatte, eingeformt, z.B. durch Prägen, Hydroformen und/oder Tiefziehen. Es kann vorgesehen sein, dass die Separatorplatten 32, 34, insbesondere Dichtsicken 12, 21a, 21b, eine Beschichtung aufweisen, insbesondere im Bereich ihrer Sickendächer. Die Beschichtung ist auf dem Plattenkörper der jeweiligen Separatorplatte 32, 34 aufgetragen und kann zum Beispiel als Polymerbeschichtung ausgestaltet sein, wobei sie sich hinsichtlich des Materials von dem Plattenkörper der Separatorplatten 32, 34 unterscheidet. Die Beschichtung der ersten Dichtsicke 12, ebenso wie die der Dichtsicken 21a, 21b kann als Mikroabdichtung fungieren
Die Anordnung 30 kann eine Vielzahl von weiteren Separatorplatten 2 aufweisen. Für Details der Separatorplatten 2 wird auf die obige Beschreibung im Zusammenhang mit den 1-3 verwiesen. Es sei angemerkt, dass die zweite Separatorplatte 34 und die weiteren Separatorplatten 2 identisch ausgebildet sein können.
Die Anordnung 30 kann außerdem noch die zweite Endplatte 3 umfassen, die vorzugsweise aber keine Medienanschlüsse aufweist. Die Separatorplatten 2, 32, 34, die MEAs 10 und die Kontaktierungsplatte 50 sind zwischen den Endplatten 3, 4 angeordnet und zwischen diesen verpresst. Insgesamt kann die Anordnung 30 also den vorbeschriebenen Stapel 6 oder das elektrochemische System 1 bilden oder ein Bestandteil des Systems 1 oder des Stapels 6 sein.
Bezugszeichenliste:

1: elektrochemisches System
2: Separatorplatte
2a: Einzellage
2b: Einzellage
3: zweite Endplatte
4: erste Endplatte
5: Medienanschluss
6: Stapel
7: z-Richtung
8: x-Richtung
9: y-Richtung
10: Membranelektrodeneinheit
11a-d: Durchgangsöffnungen
12: erste Dichtsicke
12a-d: Sickenanordnungen
13: Durchführungen in „normalen“ Platten des Stacks
13a-c: Durchführungen
14: Medienöffnung
15: Verstärkungslage
16: Gasdiffusionslage
17: Strömungsfeld
18: elektrochemisch aktiver Bereich
19: Hohlraum
20: Verteil- und/oder Sammelbereich
21: Sickenanordnung
21a: Dichtsicke
21b: Dichtsicke
23: Abschlussplatte
24: Rückseite
25: Vorderseite
26: Rückseite
27: Vorderseite
28: elastomere Beschichtung
30: Anordnung
32: erste Separatorplatte
34: zweite Separatorplatte
35: Sickeninnenraum
36: Sickendach
37: Sickendach
40: Abstützelement
42: Aufnahme für das Dichtelement
43: Fluiddurchführung durch das Abstützelement
44: Dichtelement
45: Endabschnitt
46: Endabschnitt
48: Vertiefung
50: Kontaktierungsplatte
51: Spannungsabgriff
52: Befestigungsmöglichkeit
53: Fluiddurchführung durch Anpassung der Kontaktierungsplatte
54: Gewinde
55: Aussparung zur Aufnahme des Abstützelements
56: Zwischenraum
57: stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Schweißverbindung
58: Durchgangsöffnung
59: Stutzen
60: Kanal (Medium)
60': Kanal (Kühlmittel)
63: Fluiddurchführung i.d. Separatorplatte
64: Anlagefläche
65: Fluiddurchführung i.d. Endplatte
66: Fluidweiterführung zwischen Separatorplatte und Endplatte oder Kontaktierungsplatte = Anhebung eines Sickenschenkels
68: Auflagefläche
100: Fluidleitung
E32: Plattenebene der Lage 32
H12: Höhe der Sicke 12
H40: Höhe des Abstützelements 40

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]
DE 202014007977 U1 [0011]
DE 202020105396 U1 [0037]

Claims

Anordnung (30) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführte erste Separatorplatte (32) und ein Abstützelement (40), wobei die erste Separatorplatte (32) eine erste Dichtsicke (12) zum Abdichten eines Bereichs der ersten Separatorplatte (32) aufweist, wobei die erste Dichtsicke (12) aus einer durch die erste Separatorplatte (32) definierten Plattenebene herausragt und einen an einer Rückseite (24) der ersten Separatorplatte offenen Sickeninnenraum (35) und ein an einer Vorderseite (25) der ersten Separatorplatte (32) auskragendes Sickendach (36) aufweist, wobei das Abstützelement (40) zum Abstützen des Sickendachs (36) in den Sickeninnenraum (35) hineinragt.
Anordnung (30) nach Anspruch 1, wobei das Abstützelement (40) als starrer Abstandshalter ausgebildet ist.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Separatorplatte (32) mindestens eine Durchgangsöffnung (11) zum Durchleiten eines Fluids aufweist, wobei die erste Dichtsicke (12) um die Durchgangsöffnung (11) herum angeordnet ist und diese abdichtet.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abstützelement (40) und/oder die erste Dichtsicke (12) mindestens eine Fluiddurchführung (63, 43) zum Durchleiten eines Fluids aufweist, vorzugsweise des durch die Durchgangsöffnung (11) geleiteten Fluids.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abstützelement (40) sich entlang des gesamten Verlaufs der ersten Dichtsicke (12) erstreckt.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abstützelement (40) einen runden, ovalen oder abgerundetrechteckigen Querschnitt aufweist.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Höhenrichtung senkrecht zur Plattenebene definiert ist, wobei eine maximale Höhe (H40) des Abstützelements (40) geringer ist als eine Höhe (H12) der ersten Dichtsicke (12) gemessen von der Plattenebene bis zur neutralen Faser des Sickendachs (36) im unverpressten Zustand der Anordnung (30).
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Plattenkörper der ersten Separatorplatte (32) und/oder das Abstützelement (40) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine an die Rückseite (24) der ersten Separatorplatte (32) angrenzende Kontaktierungsplatte (50), wobei die erste Separatorplatte (32) und die Kontaktierungsplatte elektrisch (50) und/oder mediendicht miteinander verbunden sind.
Anordnung (30) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Abstützelement (40) und die Kontaktierungsplatte (50) - einteilig ausgebildet sind oder - als zwei einzelne Teile ausgebildet sind, wobei das Abstützelement (40) zwischen der Kontaktierungsplatte (50) und der ersten Separatorplatte (32) angeordnet ist.
Anordnung (30) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungsplatte (50) eine Befestigungsmöglichkeit (52) zum Befestigen der Kontaktierungsplatte (50) an einer Endplatte (4) aufweist.
Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 9-11, wobei die erste Dichtsicke (12) und/oder das Abstützelement (40) jeweils mindestens eine Fluiddurchführung (63, 43) aufweisen, die eingerichtet ist, ein Fluid in einen zwischen der ersten Separatorplatte (32) und der Kontaktierungsplatte (50) angeordneten Zwischenraum (56) zu leiten.
Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 9-12, wobei die erste Separatorplatte (32) und die Kontaktierungsplatte (50) miteinander verschweißt sind, insbesondere zum Abdichten eines zwischen der ersten Separatorplatte (32) und der Kontaktierungsplatte (50) angeordneten Bereichs (56).
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine erste Endplatte (4), wobei die erste Dichtsicke (12) der ersten Separatorplatte (32) mit ihrem Sickendach (36) von der ersten Endplatte (4) wegweist und das Abstützelement (40) zwischen der ersten Separatorplatte (32) und der ersten Endplatte (4) angeordnet ist.
Anordnung (30) nach dem vorstehenden Anspruch soweit rückbezogen auf die Ansprüche 9-13, wobei die Kontaktierungsplatte (50) an die erste Endplatte (4) angrenzt und zwischen der ersten Endplatte (4) und der ersten Separatorplatte (32) angeordnet ist.
Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine als Doppellage ausgeführte zweite Separatorplatte (34), welche eine erste Lage (2a) und eine zweite Lage (2b) umfasst, welche miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine der Lagen (2a, 2b) der zweiten Separatorplatte (34) identisch zur als Einzellage und Stapelabschlussplatte ausgeführten ersten Separatorplatte (32) ist, und wobei die zweite Separatorplatte (34) auf der Vorderseite (25) der ersten Separatorplatte (32) angeordnet ist.
Anordnung (30) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zweite Lage (2b) der zweiten Separatorplatte (34) eine zweite Dichtsicke (21b) zum Abdichten eines Bereichs der zweiten Separatorplatte (34) aufweist, wobei die erste Dichtsicke (12) der ersten Separatorplatte (32) und die zweite Dichtsicke (21b) der zweiten Lage (2b) einander mit ihren Sickendächern (36, 37) zugewandt sind und mit ihren Sickendächern (36, 37) parallel zueinander verlaufen.
Elektrochemisches System (1), umfassend die Anordnung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche soweit rückbezogen auf Anspruch 14, eine Vielzahl von weiteren Separatorplatten (2, 34) und eine zweite Endplatte (3), wobei die erste Endplatte (4) eine Vielzahl von Medienanschlüssen (5) aufweist, wobei die Medienanschlüsse (5) der ersten Endplatte (4) fluidisch mit Durchgangsöffnungen (11) der ersten Separatorplatte (32) verbunden sind, wobei die erste Separatorplatte (32) und die weiteren Separatorplatten (2, 34) zwischen den beiden Endplatten (3, 4) angeordnet und verpresst sind, wodurch ein Stapel (6) gebildet wird.
Elektrochemisches System (1) nach dem vorstehenden Anspruch umfassend eine weitere Anordnung gemäß Anspruch 1, die zwischen der Vielzahl von weiteren Separatorplatten (2, 34) und der zweiten Endplatte (3) angeordnet ist.
Elektrochemisches System (1) nach dem vorstehenden Anspruch wobei die zweite Endplatte (3) keine Durchgangsöffnung (11) zum Durchleiten eines Fluids aufweist.