DE202022106613U1

DE202022106613U1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches System mit zwei verschiedenen Einzelplatten

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Publication number: DE202022106613U1
Application number: DE202022106613.2U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: CN118086933A; DE102023132663A1; US20240175152A1

Abstract

Separatorplatte (1) für ein elektrochemisches System, insbesondere einen Elektrolyseur, umfassend
- eine erste metallische Platte (10), wobei die erste Platte (10) ein Strömungsfeld (11) mit in die erste Platte (10) eingeformten Kanalstrukturen (12) zum Führen eines Reaktions- oder Produktmediums entlang der ersten Platte (10) aufweist,
- eine zweite metallische Platte (20) mit mindestens einem Dichtelement (21) zum Abdichten zumindest eines Bereichs (11) der Separatorplatte (1), wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander unterscheiden,
wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, welche zwei miteinander verbundene Einzelplatten aufweist. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Elektrolyseur sein.
Elektrolyseure erzeugen zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser durch Anlegen eines Potentials und können gleichzeitig mindestens eines der erzeugten Gase verdichten.
Herkömmliche Elektrolyseure bestehen aus einem Stapel aus Einzelzellen, die jeweils eine Abfolge von Schichten mit einer Separatorplatte, zwei Mediendiffusionsstrukturen, insbesondere poröse Transportlage(n) (PTL) und/oder Gasdiffusionslage(n) (GDL), und einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) aufweisen. Dieser Stapel von elektrochemischen Zellen muss gegenüber dem Außenraum abgedichtet werden, da die Medien innerhalb der Zellen unter einem Überdruck gegenüber dem Außendruck geführt werden. Hierzu weisen Elektrolyseure typischerweise für jede der einzelnen elektrochemischen Zellen, die übereinander zu einem Elektrolyseur gestapelt sind, einen am äußeren Rand der elektrochemischen Zelle umlaufenden Zellrahmen auf. Die einzelnen Zellen im Stapel sind miteinander verpresst, beispielsweise mittels Schrauben zwischen zwei Endplatten. Der Stapel aus elektrochemischen Zellen weist zwischen den einzelnen Zellrahmen bzw. zwischen den Zellrahmen und den zwischen den Zellrahmen angeordneten Separatorplatten oder Membran-Elektroden-Anordnungen längs des Außenumfangs jedoch nach innen beabstandet zum Außenumfang umlaufende Dichtelemente auf.
Die zum Stapel zusammengefassten Einzelzellen sind jeweils durch eine Separatorplatte getrennt, die einerseits der Trennung der Medien und andererseits der Weiterleitung des Stroms- bzw. der Spannung von Einzelzelle zu Einzelzelle dient, insbesondere durch den - ggf. indirekten - Kontakt der Stege zwischen den fluidführenden Kanälen zu den MEAs. Die Separatorplatten weisen dabei ein Strömungsfeld mit Kanalstrukturen auf ihrer Oberfläche auf, die angeordnet sind, um Fluid zu- bzw. abzuführen. Die Kanalstrukturen haben die Aufgabe, eine flächige Verteilung von Medien zu gewährleisten.
In einem Elektrolyseur kann eine Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Innern einer elektrochemischen Zelle mehr als 20 bar betragen. So kann auf der Produktseite, beispielsweise der H₂-Seite, der Druck zum Beispiel bis zu 40 bar betragen, während der Druck auf der Eduktseite, beispielsweise der H₂O-Seite, lediglich bis zu 2 bar beträgt. Es ist daher wichtig, das Strömungsfeld von der Umgebung und auch innerhalb des elektrochemischen Systems abzudichten. Hierzu ist üblicherweise ein um das Strömungsfeld angeordnetes Dichtelement vorgesehen.
Die Kanalstrukturen des Strömungsfeldes sind üblicherweise in die Separatorplatte eingeformt, beispielsweise mittels Prägens, Hydroformens oder Tiefziehens. Um eine gute Formbarkeit der Separatorplatte zu ermöglichen, das Material der Separatorplatte beim Umformen nicht zu sehr zu beanspruchen und Materialrisse zu vermeiden, sollten die Kanalstrukturen nicht zu hoch sein und das Material im Bereich des Strömungsfeldes nicht zu dick sein. Weiter sollte das Material im Strömungsfeld korrosionsbeständig sein, um den aggressiven Prozessbedingungen im elektrochemischen System standhalten zu können.
Außerhalb des Strömungsbereiches sind die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit nicht so hoch. Andererseits soll das System eine hohe mechanische Stabilität und hohe Dichtheit im Außenbereich aufweisen.
Material und Eigenschaften der Separatorplatte werden somit als Kompromiss zwischen Formbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Stabilität und Dichtungswirkung ausgewählt. Dies führt oft dazu, dass die Separatorplatte in manchen Bereichen nicht optimal ausgebildet ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen separaten, um das Strömungsfeld der Separatorplatte angeordneten Zellrahmen zu verwenden, welcher für die Abdichtung des Systems verwendet wird, während die Separatorplatte mit den Kanalstrukturen für die Führung der Medien entlang der Flachseite der Separatorplatte verantwortlich ist. Die Separatorplatte wird in diesem Fall oftmals als Einlegeteil in den Zellrahmen eingelegt. Nachteilig an diesen Anordnungen ist, dass die Verwendung eines zusätzlichen Zellrahmens relativ komplex und aufwendig ist. So muss beispielsweise sichergestellt werden, dass der Zellrahmen und die Separatorplatte auch fluiddicht miteinander verbunden sind, was oftmals zusätzliche Dichtungen erfordert. Dies gilt insbesondere in Elektrolyseuren, wo zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite hohe Druckdifferenzen bestehen.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um eine möglichst einfache, praxistaugliche Lösung für die vorstehenden Probleme zu finden.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Separatorplatte, die Anordnung und das elektrochemische System gemäß den unabhängigen Ansprüchen definiert.
Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, insbesondere einen Elektrolyseur vorgeschlagen. Die Separatorplatte umfasst

- eine erste metallische Platte, wobei die erste Platte ein Strömungsfeld mit in die erste Platte eingeformten Kanalstrukturen zum Führen eines Reaktions- oder Produktmediums entlang der ersten Platte aufweist, und
- eine zweite metallische Platte mit mindestens einem Dichtelement zum Abdichten zumindest eines Bereichs der Separatorplatte.

Die erste Platte und die zweite Platte unterscheiden sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander. Weiter sind die erste Platte und die zweite Platte stoffschlüssig miteinander verbunden.
Mit anderen Worten ist die erste Platte als Strömungsplatte ausgebildet und hat als primäre Funktion, die Medien entlang der Separatorplatte zu leiten. Die zweite Platte ist als Dichtungsplatte ausgebildet und hat als primäre Funktion, einen Bereich der Separatorplatte gegenüber der Umgebung abzudichten. Mit der vorgeschlagenen Separatorplatte erfolgen Abdichtung und Medienführung somit durch zwei verschiedenen Platten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften bzw. Materialdicken. Hierdurch können die erste Platte hinsichtlich der Medienführung und die zweite Platte hinsichtlich der Abdichtung optimiert werden.
Die genannte Materialeigenschaft kann ein Elastizitätsmodul, eine Festigkeit, eine elektrische Leitfähigkeit, eine Korrosionsbeständigkeit, eine Bruchdehnung und/oder eine chemische Zusammensetzung umfassen.
Die unterschiedlichen Materialeigenschaften können dabei aus der Verwendung von verschiedenen Materialien resultieren. Die unterschiedlichen Materialeigenschaften können sich alternativ bei gleichbleibendem Material durch eine unterschiedliche Verarbeitung des Materials ergeben. Wenn der Hauptbestandteil des Materials gleichbleibt, kann die Zusammensetzung der Legierung durch Beimischung mindestens eines weiteren Materials geändert werden, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erlangen. So ist reines Titan typischerweise relativ weich, es können aber zu Zulegieren von weiteren Metallen härtere Eigenschaften erreicht werden. Hauptbestandteil des Materials heißt zum Beispiel, dass mindestens 50% oder mindestens 70% des Materials aus einer einzigen Komponente besteht.
Beispielsweise kann eine Ausführung der Erfindung die Verwendung einer ersten Platte aus Titan mit hoher Bruchdehnung von 35% und niedriger Festigkeit von 300 MPa als Strömungsfeld und dazu einer zweiten Platte ebenfalls aus Titan mit niedriger Bruchdehnung von 15% und hoher Festigkeit von 650 MPa als Platte mit Dichtelement.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Materialdicke der ersten Platte zwischen 0,1 und 0,6 mm beträgt. Eine Plattendicke der zweiten Platte kann zwischen 0,1 und 1,2 mm betragen. Hierbei kann insbesondere gelten, dass die zweite Platte eine größere Materialdicke als die erste Platte aufweist, beispielsweise mindestens zweimal größer oder mindestens dreimal größer.
In manchen Ausführungsformen ist ein Plattenkörper der ersten Platte aus Edelstahl oder Titan hergestellt. Ein Plattenkörper der zweiten Platte kann ebenfalls aus Edelstahl oder Titan hergestellt sein. Hierbei sind Kombinationen aus den genannten Materialien und den unterschiedlichen Dicken möglich. Oftmals sind die erste Platte und/oder die zweite Platte aus einem Metallblech geformt. Beispielsweise kann die erste Platte aus Titan mit einer guten Umformbarkeit bestehen und die zweite aus Edelstahl mit Federeigenschaften. Der metallische Plattenkörper der ersten Platte und/oder der zweiten Platte kann mit einer Beschichtung versehen sein, zum Beispiel für eine Verbesserung der Leitfähigkeit, Korrosionsfähigkeit oder Mikroabdichtwirkung.
Das Dichtelement weist oftmals eine in die zweite Platte eingeformte Dichtsicke oder eine mit dem Plattenkörper der zweiten Platte verbundene Elastomerraupe oder Beschichtung auf. Das Dichtelement läuft in der Regel um den abzudichtenden Bereich der Separatorplatte. Üblicherweise ist das Dichtelement zum Abdichten des Strömungsfeldes und/oder von Medienzuführungen bzw. Mediendurchführungen ausgestaltet. Falls das Dichtelement zum Abdichten des Strömungsfeldes ausgestaltet ist, kann das Dichtelement um das Strömungsfeld herum angeordnet sein, zum Beispiel rahmenförmig. Die zweite Platte kann auch zwei Dichtelemente aufweisen, welche beidseitig einer Planflächenebene der zweiten Platte angeordnet sind und voneinander wegweisen und möglicherweise unterschiedlich beschaffen sein können.
In einer Ausführungsform überlappen die erste Platte und die zweite Platte sich im Bereich der Kanalstrukturen der ersten Platte. In diesem Fall kann die zweite Platte zumindest im Überlappungsbereich mit der ersten Platte eine durchgehende, geschlossene Platte sein. Optional ist die zweite Platte zumindest im Überlappungsbereich im Wesentlichen als ebene Platte ausgestaltet. Die zweite Platte kann einen Randbereich aufweisen, welcher um den Umfangsrand der ersten Platte herum verläuft, wobei das Dichtelement in dem Randbereich angeordnet ist. Der Randbereich kann hierbei insbesondere rahmenförmig sein.
In manchen Ausführungen ist im Bereich des Strömungsfeldes zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte ein Hohlraum definiert, wobei in den Kanalstrukturen Druckausgleichsöffnungen vorgesehen sind, um den Hohlraum fluidisch mit einer von der zweiten Platte abgewandten Seite der ersten Platte zu verbinden. Hierdurch können Druckdifferenzen ausgeglichen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Separatorplatte eine dritte metallische Platte, welche ein Strömungsfeld mit Kanalstrukturen zum Führen eines Produkt- oder Reaktionsmediums entlang der dritten Platte aufweist, wobei die zweite Platte zwischen der ersten Platte und der dritten Platte angeordnet ist. Die Separatorplatte kann also als dreilagige Struktur ausgebildet sein.
Oftmals unterscheiden die dritte Platte und die zweite Platte sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander. Optional sind die dritte Platte und die zweite Platte stoffschlüssig miteinander verbunden. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Platte, die zweite Platte und die dritte Platte an mindestens einer Stelle gemeinsam miteinander verschweißt sind. Alternativ können die stoffschlüssigen Verbindungen - also die stoffschlüssige Verbindung der ersten Platte mit der zweiten Platte und die stoffschlüssige Verbindung der zweiten Platte mit der dritten Platte - auch beabstandet voneinander sein.
Die erste Platte und die dritte Platte können aus dem gleichen Material gefertigt sein und/oder eine gleiche Materialdicke aufweisen. Die erste Platte und die dritte Platte können in Bezug auf eine Planflächenebene der zweiten Platte symmetrisch zueinander ausgebildet und angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die erste Platte und die zweite Platte sich im Bereich der Kanalstrukturen der ersten Platte nicht überlappen. In diesem Fall kann die zweite Platte rahmenförmig sein und die erste Platte nach außen an ihrem Umfangsrand abschließen. Die erste Platte kann in die rahmenförmige zweite Platte eingelegt sein. Falls vorhanden, ist ein Überlappungsbereich der beiden Platten somit ohne Kanalstrukturen in der ersten Platte ausgebildet. Optional sind die erste Platte und die zweite Platte auf Stoß oder überlappend - also im Überlappungsbereich - stoffschlüssig verbunden, beispielsweise geschweißt oder gelötet.
Unabhängig davon, ob die erste Platte und die zweite Platte im Bereich der Kanalstrukturen überlappen oder nicht, kann die zweite Platte eine Vertiefung aufweisen, wobei die erste Platte im Bereich der Vertiefung mit der zweiten Platte verbunden ist.
Üblicherweise sind die erste Platte und die zweite Platte miteinander verschweißt, beispielsweise mittels Punktschweißens, Reibschweißens, Rollschweißens, Ultraschallschweißens, Elektrodenschweißens oder Laserschwei-ßens. Als stoffschlüssige Verbindung der Platten kommt zum Beispiel eine Schweißnaht in Betracht. Optional können die erste Platte und die zweite Platte abdichtend miteinander verbunden sein, vorzugsweise über eine durchgehende, also ununterbrochene Schweißnaht. Hierdurch können zusätzliche Dichtelemente wie Dichtlagen entfallen, was mit einer Vereinfachung des Systems einhergeht. Ähnliche Schweißverbindungen kommen für die Verbindung der zweiten Platte und der dritten Platte in Frage.
Oftmals bildet das Strömungsfeld der ersten Platte eine Abstützfläche für eine Membranelektrodeneinheit einer elektrochemischen Zelle. Analog kann das Strömungsfeld der dritten Platte eine Abstützfläche für eine Membranelektrodeneinheit einer elektrochemischen Zelle bilden. Die Membranelektrodeneinheit kann hierbei unmittelbar, also ohne zwischenliegende Elemente, auf dem jeweiligen Strömungsfeld angeordnet sein und auf diesem anliegen. Alternativ kann die Membranelektrodeneinheit auch indirekt auf dem Strömungsfeld angeordnet sein, wobei zwischen dem Strömungselement und der Membranelektrodeneinheit noch eine weitere Schicht wie eine Mediendiffusionsstruktur angeordnet ist. Die Separatorplatte kann weiter mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, welche ausgestaltet ist zum Durchleiten eines Reaktionsmediums (Reaktandenmedium) oder Produktmediums. Die Durchgangsöffnung kann dabei eine Zuführöffnung oder eine Abführöffnung bilden. Die Durchgangsöffnung kann in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld sein, damit ein Medium von der Durchgangsöffnung zum Strömungsfeld hin oder vom Strömungsfeld weg zur Durchgangsöffnung geleitet werden kann.
Die Separatorplatte kann insbesondere als Bipolarplatte ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann die Separatorplatte in einem Stapel in Serie geschalteter elektrochemischer Zellen auf einer Seite die Anode einer ersten elektrochemischen Zelle und auf der anderen Seite die Kathode einer zweiten, der ersten elektrochemischen Zelle benachbarten, elektrochemischen Zelle bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Anordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, umfassend eine Separatorplatte der zuvor beschriebenen Art, eine Membranelektrodeneinheit (MEA), welche auf der Seite des Strömungsfeldes der ersten Platte angeordnet ist und/oder eine poröse Transportlage (PTL) oder Gasdiffusionslage (GDL), die zwischen MEA und Strömungsfeld angeordnet ist.
Die Anordnung kann weiter einen Zellrahmen aufweisen, welcher um die erste Platte herum angeordnet ist und auf dem Dichtelement der zweiten Platte angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrochemisches System vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art oder eine Vielzahl von Anordnungen der zuvor beschriebenen Art aufweist.
Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um einen Elektrolyseur handeln. Die vorliegende Schrift ist jedoch nicht auf einen Elektrolyseur beschränkt. Alternativ kann das elektrochemische System auch ein Brennstoffzellensystem oder eine Redoxflowbatterie sein. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem das elektrochemische System ein Elektrolyseur ist, ist oftmals Wasser das Reaktionsmedium, während Wasserstoff oder Sauerstoff das Produktmedium sein können. In einem Brennstoffzellensystem sind Wasserstoff und Sauerstoff häufig die Reaktionsmedien, während Wasser das Produktmedium ist.
Ausführungsbeispiele der Separatorplatte, der Anordnung und des elektrochemischen Systems sind in den beigefügten Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle eines Elektrolyseurs mit einer erfindungsgemäßen Separatorplatte;
2 eine perspektivische Darstellung einer Separatorplatte der Einzelzelle gemäß der 1;
3 eine Draufsicht auf eine weitere Separatorplatte gemäß einer Ausführungsform;
4 eine Schnittansicht einer Anordnung mit einer Separatorplatte und einem Zellrahmen;
5 eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung mit einer dreilagigen Separatorplatte und zwei Zellrahmen;
6 eine Draufsicht auf eine weitere Separatorplatte gemäß einer Ausführungsform;
7 eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung mit einer Separatorplatte und einem Zellrahmen;
8 eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung mit einer Separatorplatte und einem Zellrahmen;
9 eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung mit einer Separatorplatte und einem Zellrahmen; und
10 eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung mit einer Separatorplatte und einem Zellrahmen.

Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt eine Explosionsansicht einer elektrochemischen Einzelzelle 100, wobei die Einzelzelle 100 im gezeigten Ausführungsbeispiel Bestandteil eines Elektrolyseurs ist. Die Einzelzelle 100 umfasst zwei Separatorplatten 1 und 2 zwei Zellrahmen 42 und 44, eine Dichtlage 45 sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung 40 mit Mediendiffusionsstrukturen 41 und 43. Die Mediendiffusionsstruktur 43 umfasst beispielsweise Lagen aus Kohlenstoffvlies, während die Mediendiffusionsstruktur 41 Metall, bspw. Titan umfasst. Die Separatorplatte 1 ist hier beispielsweise an der Anodenseite der Einzelzelle 100 angeordnet. Die Separatorplatte 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel an der Kathodenseite der Einzelzelle 100 angeordnet. Die einzelnen Lagen werden miteinander zu einer Einzelzelle verpresst. Die einzelnen Lagen weisen jeweils fluchtend übereinander angeordnete Fluiddurchführungen 46, 47, 50 zum Hinein- bzw. Hinausführen von Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff sowie Positionierlöcher 48 auf.
Durch eine Projektion des Zellrahmens 44 auf die Separatorplatte 2 wird ein Strömungsfeld der Separatorplatte 2 definiert. Durch eine Projektion des Zellrahmens 42 auf die Separatorplatte 1 wird ein Strömungsfeld 11 der Separatorplatte 1 definiert. Der Zellrahmen 42 weist nicht gezeigte Verteilerkanäle zum Verteilen des eingeführten Wassers auf. Die Durchgangsöffnungen 46, 47 sind in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld 11, damit ein Medium von der Durchgangsöffnung 46 zum Strömungsfeld 11 oder vom Strömungsfeld 11 zur Durchgangsöffnung 47 geleitet werden kann. Bei Anlegen eines Potentials kann im Elektrolyseur Wasserstoff aus dem zugeleiteten Wasser erzeugt werden. Dieser kann ausgeleitet werden durch die Verteilerkanäle 49 im Zellrahmen 44. Anschließend kann er durch die Durchgangsöffnungen 50 die Zelle verlassen.
In der 2 ist die Separatorplatte 1 der 1 zur Deutlichkeit einzeln und in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die 3-10 zeigen weitere Ausführungsformen der Separatorplatte 1. Während die in den 1-2 gezeigte Separatorplatte 1 eine runde Außenkontur hat, sind auch andere Formen möglich. Beispielsweise haben die Separatorplatten 1 der 3 und 6 eine rechteckige Außenkontur.
Nachfolgend wird näher auf Details der Separatorplatte 1 eingegangen, wobei es klar ist, dass die nachfolgende Beschreibung auch für die Separatorplatte 2 gelten kann. Insbesondere können die Separatorplatten 1, 2 identisch ausgebildet sein.
Wie aus 1-10 ersichtlich, weist die Separatorplatte 1 eine erste metallische Platte 10 auf, welche 10 ein Strömungsfeld 11 mit in die erste Platte 10 eingeformten Kanalstrukturen 12 zum Führen eines Reaktions- oder Produktmediums entlang der ersten Platte 10 aufweist. Die erste Platte 10 ist somit als Strömungsplatte ausgebildet und hat als primäre Funktion, die Medien entlang einer Flachseite der Separatorplatte 1 zu leiten.
Zudem weist die Separatorplatte 1 eine zweite metallische Platte 20 mit mindestens einem Dichtelement 21 zum Abdichten zumindest eines Bereichs der Separatorplatte 1 auf. Die zweite Platte 20 ist als Dichtungsplatte ausgebildet und hat als primäre Funktion, einen Bereich der Separatorplatte 1 gegenüber der Umgebung oder innerhalb des Systems abzudichten. Der durch das Dichtelement 21 abzudichtende Bereich kann insbesondere das Strömungsfeld 11 der ersten Platte umfassen. Weiter kann das Dichtelement 21 um die Portöffnungen 46, 47 - also Mediendurchführungen wie Medienzuleitungen oder Medienableitungen - angeordnet sein, sodass auch die Portöffnungen 46, 47 durch das Dichtelement 21 abgedichtet werden. Weiterhin weist die zweite Platte 20 um die Durchgangsöffnungen 50 Dichtelemente 51 zum Abdichten eines zweiten Bereichs auf.
Die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 sind vorzugsweise beide aus Metallblechen hergestellt, aber unterscheiden sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander. Somit können die unterschiedlichen Funktionen - nämlich Medienführung und Abdichtung- durch unterschiedliche Materialien bzw. Materialdicken realisiert werden.
Die genannte Materialeigenschaft kann hierbei ein Elastizitätsmodul, eine Festigkeit wie eine Zugfestigkeit, eine elektrische Leitfähigkeit, eine Korrosionsbeständigkeit, eine Bruchdehnung und/oder eine chemische Zusammensetzung umfassen.
Eine gute Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit wäre zum Beispiel wünschenswert für den medienleitenden Teil der Separatorplatte 1, also die erste Platte 10, während mechanische Stabilität und Dichtungswirkung für den abdichtenden Teil der Separatorplatte 1, also die zweite Platte 20, wichtige Kriterien sind. Die erste Platte 10 kann beispielsweise im Vergleich zur zweiten Platte 20 eine höhere elektrische Leitfähigkeit, eine höhere Korrosionsbeständigkeit, einen kleineren Elastizitätsmodul und/oder eine größere Bruchdehnung aufweisen.
In 2 ist eine ersten Platte 10 aus Titan mit hoher Bruchdehnung von 35% und niedriger Festigkeit von 300 MPa als Strömungsfeld und dazu eine zweite Platte 20 ebenfalls aus Titan mit niedriger Bruchdehnung von 15% und hoher Festigkeit von 650 MPa als Platte mit Dichtelement zu sehen.
Ein Plattenkörper der ersten Platte 10 kann vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt sein. Alternativ ist auch Titan möglich. Ein Plattenkörper der zweiten Platte 20 kann ebenfalls aus Titan oder Edelstahl hergestellt sein. Wenn beide Plattenkörper gleiche Metalle aufweisen, können diese in unterschiedlichen Mengenverhältnissen bzw. Legierungen vorliegen bzw. unterschiedlich bearbeitet worden sein.
In den Ausführungsformen der 4-5, 7 können die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 eine gleiche bzw. ähnliche Materialdicke von beispielsweise mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 0,6 mm aufweisen. Voneinander abweichende Materialdicken sind alternativ auch möglich. Die Materialien der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 20 unterscheiden sich jedoch.
In den Ausführungsformen der 8-10 können die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, unterscheiden sich jedoch erkennbar wenigstens in ihren Materialdicken. Während die Materialdicke der ersten Platte 10 beispielsweise zwischen 0,1 und 0,4 mm beträgt, ist die Materialdicke der zweiten Platte 20 mit mindestens 0,8 mm wesentlich größer.
Weiter sind die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere eine Schweißverbindung wie eine Schweißnaht 24, vgl. 3-10, und/oder eine Schweißverbindung 25, vgl. 3-5, umfassen. Beispielsweise sind die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 mittels Punktschweißens, Ultraschallschweißens oder Elektrodenschweißens oder Laserschweißens miteinander verbunden. Die Schweißnaht 24 kann um das Strömungsfeld 11 herum angeordnet sein, um beide Platten 10, 20 dort miteinander verbinden. Insbesondere in den Ausführungsformen der 6-10 ist die Schweißnaht 24 als rahmenförmige, ununterbrochene Schweißnaht ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich können die Platten mittels einer Vielzahl beabstandeter Schweißverbindungen 25 miteinander verbunden sein, s. Ausführungsbeispiele der 3-5. Die voneinander beabstandeten Schweißverbindungen 25 können zum Beispiel im Strömungsfeld 11 vorgesehen sein, wo die erste Platte 10 die zweite Platte 20 im Bereich des Kanalbodens 18 kontaktiert.
In den 3-5 überlappen die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 sich im Bereich der Kanalstrukturen 12 der ersten Platte 10. Die zweite Platte 20 kann sich im Überlappungsbereich 13 als ebene, durchgehende, geschlossene Platte erstrecken und Kanalböden 18 der der ersten Platte 10 kontaktieren. Kontaktflächen der Kanalböden 18 und der zweiten Platte 20 bilden somit geeignete Stellen für die vorstehend genannten Schweißverbindungen 25 und 24.
Im Überlappungsbereich 13 und im Bereich des Strömungsfeldes 11 zwischen der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 20 kann ein Hohlraum 14 vorhanden sein. In den Kanalstrukturen 12 können Druckausgleichsöffnungen 15 vorgesehen sein, um den Hohlraum 14 fluidisch mit einer von der zweiten Platte 20 abgewandten Seite 16 der ersten Platte 10 zu verbinden. Nach dem Herstellen der Separatorplatte 1 ist der Druck im Hohlraum 14 gewöhnlich etwa 1 bar. Die im Hohlraum 14 verbleibende Menge Gas, meistens Luft, wird insbesondere dann etwa gleich bleiben, falls die Schweißnaht 24 umlaufend und abdichtend ausgebildet ist und keine Druckausgleichsöffnungen 15 vorgesehen sind. Dies kann problematisch sein, wenn die erste Platte 10 auf der Hochdruckseite der Separatorplatte 1 angeordnet ist, also beispielsweise der Wasserstoffseite, wo der Druck im Betrieb der elektrochemischen Zelle 100 bis zu 40 bar werden kann. Die Druckausgleichsöffnungen 15 können diese Druckdifferenz somit ausgleichen.
In den 3-5 ist erkennbar, dass die zweite Platte 20 einen rahmenförmigen Randbereich 22 aufweist, welcher um den Umfangsrand 17 der ersten Platte 10 herum verläuft, wobei das Dichtelement 21 in dem rahmenförmigen Randbereich 22 angeordnet ist. Eine Orthogonalprojektion des Randbereichs 22 auf eine Separatorplattenebene definiert somit den Umfangsrand 17 der ersten Platte 10, sodass der Randbereich 22 der zweiten Platte 20 also keinen Überlapp mit der ersten Platte 10 aufweist. Das Dichtelement 21 ist in den Ausführungsformen der 4-5 und 7 als in die zweite Platte eingeformte Dichtsicke ausgestaltet. Die Dichtsicke 21 kann hierbei mittels Hydroformens, Prägens und/oder Tiefziehens in die zweite Platte eingeformt sein. Die Dichtsicke kann aus einer Planflächenebene der zweiten Platte 20 herausragen und kann zum Beispiel ein Sickendach und zwei Sickenflanken aufweisen, wobei das Sickendach eine Anlagefläche für den Zellrahmen 42 bildet. Zur Verbesserung ihrer Dichtfunktion kann die Dichtsicke 21 auf ihrem Sickendach noch eine Beschichtung aufweisen.
Zusätzlich zur ersten Platte 10 und zur zweiten Platte 20 kann die Separatorplatte eine dritte metallische Platte 30 aufweisen, vgl. 5. Die zweite Platte 20 erstreckt sich flächig zwischen der ersten Platte 10 und der dritten Platte 30. In diesem Fall ist die Separatorplatte 1 also als dreilagige metallische Platte ausgestaltet. Die Merkmale der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 20 der 5 unterscheiden sich nicht von den Merkmalen der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 20 der 4 und auf eine Wiederholung der Beschreibung dieser Merkmale wird deshalb verzichtet. Die dritte Platte 30 kann symmetrisch zur ersten Platte 10 ausgebildet sein, wobei die erste Platte 10 und die dritte Platte 30 in Bezug auf eine Planflächenebene der zweiten Platte 20 symmetrisch zueinander angeordnet sind. Alternativ kann sich die dritte Platte 30 auch von der ersten Platte 10 unterscheiden, beispielsweise um unterschiedliche Drücke auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Separatorplatte 1 besser berücksichtigen zu können.
Analog zur ersten Platte 10 umfasst die dritte Platte ein Strömungsfeld 31 mit Kanalstrukturen 32 zum Führen eines Produkt- oder Reaktionsmediums entlang einer Flachseite der dritten Platte 30, Druckausgleichöffnungen 35 und einen Umfangsrand 37, welcher über Schweißnaht 24 mit der zweiten Platte verbunden ist. Die Druckausgleichsöffnungen 35 sind vorgesehen, um Hohlraum 34 fluidisch mit einer von der zweiten Platte 20 abgewandten Seite 36 der dritten Platte 30 zu verbinden. Eine einzige Schweißnaht 24 kann hierbei die drei Platten 10, 20, 30 miteinander verbinden. Alternativ können zwei Schweißnähte 24 vorgesehen sein, wobei die erste Schweißnaht die Platten 10, 20 miteinander verbindet und die zweite Schweißnaht die Platten 20, 30 miteinander verbindet. Analog kann jede Schweißverbindung 25 alle drei Platten 10, 20, 30 miteinander verbinden. Es können auch Schweißverbindungen 25 vorgesehen sein, die lediglich Platten 10, 20 oder Platten 20, 30 miteinander verbinden.
Die Materialeigenschaften der ersten Platte 10 und der dritten Platte 30 können vorzugsweise gleich, aber auch unterschiedlich sein. Die Materialdicken der ersten Platte 10 und der dritten Platte 30 können vorzugsweise gleich, aber auch unterschiedlich sein. Die Ausführungsform der ersten Platte 10 und der dritten Platte 30 kann identisch sein aber auch unterschiedlich.
Die dritte Platte 30 und die zweite Platte 20 unterscheiden sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander. Hinsichtlich der Materialeigenschaften und Materialdicken der dritten Platte 30 sei auf die Ausführungen zur ersten Platte 10 oben verwiesen.
Weiter sei noch angemerkt, dass Fließrichtungen von den Medien, welche auf beiden Flachseiten der Separatorplatte 1 strömen, zum Beispiel auf der Seite der ersten Platte 10 und auf der Seite der dritten Platte 30, insbesondere im Bereich der Strömungsfelder 11, 31, auf beiden Seiten gleich oder unterschiedlich sein können. Bei unterschiedlichen Fließrichtungen kann die Separatorplatte 1 zum Beispiel als Gegenstromplatte, bei der die Fließrichtungen um 180° zueinander verdreht sind, oder Kreuzstromplatte, bei der die Fließrichtungen beispielsweise um 90° zueinander verdreht sind, ausgebildet sein. Dies kann auch gelten für die Ausführungsbeispiele, in denen keine dritte Platte 30 vorhanden ist, vgl. z.B. 4, 7-10.
In den Ausführungsbeispielen der 6-10 überlappen sich die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 im Bereich der Kanalstrukturen 12 der ersten Platte 10 nicht. In diesen Ausführungsformen kann die zweite Platte 20 rahmenförmig sein und die erste Platte 10 nach außen an ihrem Umfangsrand 17 abschließen. Die zweite Platte 20 kann somit auch als Zellrahmen fungieren. In diesem Fall können also Bauteile eingespart werden. Die erste Platte 10 kann dann als Einlegeteil in die rahmenförmige zweite Platte 20 eingelegt werden. Damit keine Fluide von der einen Flachseite der Separatorplatte 1 auf die andere Flachseite der Separatorplatte 1 gelangen, verbindet die umlaufende und ununterbrochene Schweißnaht 24 beide Platten 10 und 20 abdichtend miteinander. Hierdurch kann auf zusätzliche Dichtlagen verzichtet werden. Hierbei können die erste Platte 10 und die zweite Platte 20 auf Stoß (vgl. 7, 8) oder überlappend (vgl. 9, 10) geschweißt sein. Um einerseits Platz für die erste Platte 10 und andererseits eine gute Schweißstelle zu schaffen, kann die zweite Platte 20 eine Vertiefung 23 aufweisen, wobei die erste Platte 10 im Bereich der Vertiefung 23 angeordnet ist und dort mit der zweiten Platte 20 verschweißt ist.
Weiter kann die zweite Platte 20 mindestens ein Dichtelement 21 aufweisen, welches als Beschichtung oder Elastomerraupe ausgestaltet ist und mit dem Plattenkörper der zweiten Platte 20 verbunden ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen der 8-10 sind auf beiden Flachseiten der zweiten Platte 20 Dichtelemente 21 vorgesehen. Hierbei können die beiden Dichtelemente 21 in Art, Geometrie und Verlauf unterschiedlich sein.
In den 6-10 sind im Strömungsfeld 11 beidseitig der ersten Platte 10 Kanalstrukturen 12 vorhanden. Das Strömungsfeld 11 kann also beidseitig - insbesondere auf Hochdruckseite und Niederdruckseite - für die Medienverteilung von Fluiden genutzt werden.
Für sämtliche der oben beschriebenen Ausführungsformen können noch folgende Merkmale realisiert sein. So kann das Strömungsfeld 11 der ersten Platte 10 bzw. das Strömungsfeld 31 der dritten Platte 30 (falls vorgesehen) eine Abstützfläche für die oben beschriebene Membranelektrodeneinheit 40 der elektrochemischen Zelle 100 bilden. Wie in der 1 angedeutet, kann zwischen der Membranelektrodeneinheit 40 und dem Strömungsfeld 11 bzw. 31 optional noch eine Mediendiffusionsstruktur 41, 43, wie eine Gasdiffusionslage oder eine poröse Transportlage angeordnet sein. Die genannten Strömungsfelder 11, 31 bzw. deren Kanalstrukturen 12, 32 können hierbei mittels Hydroformens, Prägens und/oder Tiefziehens in die erste Platte 10 eingeformt sein. Außerdem kann die Separatorplatte 1 als Bipolarplatte ausgestaltet sein.
Je nach Bedarf und Anwendungsfall können auf den metallischen Plattenkörpern der Platten 10, 20 noch Beschichtungen aufgebracht sein, zum Beispiel für eine Verbesserung der Leitfähigkeit, Korrosionsfähigkeit oder Mikroabdichtwirkung.
Es sei noch angemerkt, dass das in der vorliegenden Schrift beschriebene elektrochemische System nicht auf einen Elektrolyseur beschränkt ist. Alternativ kann das elektrochemische System auch ein Brennstoffzellensystem oder eine Redoxflow-Batterie sein. In Ausführungsformen, wo das elektrochemische System ein Elektrolyseur ist, ist oftmals Wasser das Reaktionsmedium, während Wasserstoff und Sauerstoff das Produktmedium sein können. In einem Brennstoffzellensystem sind Wasserstoff und Sauerstoff häufig die Reaktionsmedien, während Wasser das Produktmedium ist.
Alternativ oder zusätzlich zu den Schweißverbindungen 24, 25 können die Platten 10, 20 miteinander verlötet sein. Die in den 3-10 gezeigten Bezugszeichen 24, 25 können in diesem Fall Lötverbindungen repräsentieren.
Einzelne Merkmale der zuvor Beschriebenen und in den 1-10 gezeigten Separatorplatten 1 bzw. Anordnungen können separat beansprucht oder miteinander kombiniert werden, sofern die Merkmalskombination sich nicht widerspricht.
Bezugszeichenliste

1: Separatorplatte
2: Separatorplatte
10: erste Platte
11: Strömungsfeld
12: Kanalstrukturen
13: Überlappungsbereich
14: Hohlraum
15: Druckausgleichöffnung
16: zweite Platte abgewandte Seite
17: Umfangsrand
18: Kanalboden
20: zweite Platte
21: Dichtelement
22: Randbereich
23: Vertiefung
24: durchgehende Schweißnaht
25: Schweißverbindung
30: dritte Platte
31: Strömungsfeld
32: Kanalstrukturen
34: Hohlraum
35: Druckausgleichöffnung
36: zweite Platte abgewandte Seite
37: Umfangsrand
40: Membran-Elektroden-Anordnung
41: Mediendiffusionsstruktur
42: Zellrahmen
43: Mediendiffusionsstruktur
44: Zellrahmen
45: Dichtlage
46: Fluiddurchgangsöffnung
47: Fluiddurchgangsöffnung
48: Positionierloch
49: Verteileröffnungen Wasserstoff
50: Durchgangsöffnungen Wasserstoff
51: Dichtsicke um Wasserstoffdurchgangsöffnung

Claims

Separatorplatte (1) für ein elektrochemisches System, insbesondere einen Elektrolyseur, umfassend - eine erste metallische Platte (10), wobei die erste Platte (10) ein Strömungsfeld (11) mit in die erste Platte (10) eingeformten Kanalstrukturen (12) zum Führen eines Reaktions- oder Produktmediums entlang der ersten Platte (10) aufweist, - eine zweite metallische Platte (20) mit mindestens einem Dichtelement (21) zum Abdichten zumindest eines Bereichs (11) der Separatorplatte (1), wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander unterscheiden, wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Separatorplatte (1) nach Anspruch 1, wobei die genannte Materialeigenschaft ein Elastizitätsmodul, eine Festigkeit, eine elektrische Leitfähigkeit, eine Korrosionsbeständigkeit, eine Bruchdehnung und/oder eine chemische Zusammensetzung umfasst.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Materialdicke der ersten Platte (10) zwischen 0,1 und 0,6 mm beträgt und/oder wobei eine Materialdicke der zweiten Platte (20) zwischen 0,1 und 1,2 mm beträgt.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) sich im Bereich der Kanalstrukturen der ersten Platte (10) überlappen.
Separatorplatte (1) nach Anspruch 4, wobei die zweite Platte (20) zumindest im Überlappungsbereich (13) mit der ersten Platte (10) eine durchgehende, geschlossene Platte ist.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 4-5, wobei im Bereich des Strömungsfeldes (11) zwischen der ersten Platte (10) und der zweiten Platte (20) ein Hohlraum (14) definiert ist, wobei in den Kanalstrukturen Druckausgleichsöffnungen (15) vorgesehen sind, um den Hohlraum (14) fluidisch mit einer von der zweiten Platte (20) abgewandten Seite (16) der ersten Platte (10) zu verbinden.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 4-6, wobei die zweite Platte (20) einen rahmenförmigen Randbereich (22) aufweist, welcher um den Umfangsrand (17) der ersten Platte (10) herum verläuft, wobei das Dichtelement (21) in dem rahmenförmigen Randbereich (22) angeordnet ist.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine dritte metallische Platte (30), welche ein Strömungsfeld (31) mit Kanalstrukturen (32) zum Führen eines Produkt- oder Reaktionsmediums entlang der dritten Platte (30) aufweist, wobei die zweite Platte (20) zwischen der ersten Platte (10) und der dritten Platte (30) angeordnet ist.
Separatorplatte (1) nach Anspruch 8, wobei die dritte Platte (30) und die zweite Platte (20) sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft und/oder ihrer Materialdicken voneinander unterscheiden, wobei die dritte Platte (30) und die zweite Platte (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die erste Platte (10) und die dritte Platte (30) aus dem gleichen Material sind und/oder eine gleiche Materialdicke aufweisen.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) sich im Bereich der Kanalstrukturen (12) der ersten Platte (10) nicht überlappen.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1-3 oder 11, wobei die zweite Platte (20) rahmenförmig ist und die erste Platte (10) nach au-ßen an ihrem Umfangsrand (17) abschließt, wobei die erste Platte (10) in die rahmenförmige zweite Platte (20) eingelegt ist.
Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1-3, 11 oder 12, wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) auf Stoß oder überlappend geschweißt sind.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Platte (20) eine Vertiefung (23) aufweist, und die erste Platte (10) im Bereich der Vertiefung (23) mit der zweiten Platte (20) verbunden ist.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Plattenkörper der ersten Platte (10) und/oder ein Plattenkörper der zweiten Platte (20) aus Edelstahl und/oder Titan hergestellt sind.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Platte (10) und die zweite Platte (20) miteinander verschweißt sind, beispielsweise mittels Punktschweißens, Rollschweißens oder Elektrodenschweißens oder Laserschweißens.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strömungsfeld (11) der ersten Platte (10) eine Abstützfläche für eine Membranelektrodeneinheit (40) einer elektrochemischen Zelle (100) bildet.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (21) eine in die zweite Platte (20) eingeformte Dichtsicke, eine mit einem Plattenkörper der zweiten Platte (20) verbundene Elastomerraupe oder Beschichtung aufweist.
Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (21) zum Abdichten des Strömungsfeldes (11) und/oder der Mediendurchführungen ausgestaltet ist.
Anordnung für ein elektrochemisches System, umfassend eine Separatorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, eine Membranelektrodeneinheit (40), welche auf der Seite des Strömungsfeldes der ersten Platte (10) angeordnet ist und/oder eine Mediendiffusionsstruktur, die zwischen MEA und Strömungsfeld angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 20, umfassend einen Zellrahmen (42), welcher um die erste Platte (10) herum angeordnet ist und auf dem Dichtelement (21) der zweiten Platte (20) angeordnet ist.
Elektrochemisches System, umfassend eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten (1, 2) nach einem der Ansprüche 1-19 oder eine Vielzahl von Anordnungen nach einem der Ansprüche 20-21.