EP4526938A2

EP4526938A2 - Plattenanordnung für eine elektrochemische zelle

Info

Publication number: EP4526938A2
Application number: EP23726947.7A
Authority: EP
Inventors: Klaus Bender; Hanna WINTER; Jürgen Remmlinger; Thomas Swoboda
Original assignee: Bender Maschinenbau U Streckmetallfabrik GmbH; Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Bender Maschinenbau U Streckmetallfabrik GmbH; Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2025-03-26
Also published as: WO2023222545A2; US20250316722A1; CN118985055A; DE102022112175B3; JP2025517065A; KR20250010006A; WO2023222545A3

Abstract

Eine Plattenanordnung (2) für eine elektrochemische Zelle (1), insbesondere Brennstoffzelle, umfasst ein zur sandwichartigen Anordnung zwischen einer ersten, in einer Grundebene liegenden Platte (5) und einer hierzu parallelen zweiten Platte (4) vorgesehenes, als Streckmetall (3) ausgebildetes Gitter, welches eine Vielzahl an Knoten (6) sowie die Knoten (6) verbindende Stege (10, 11) aufweist, wobei in Draufsicht auf das Gitter (3) parallel zueinander verlaufende Knotenreihen (KR1, KR2) gebildet sind, die eine Längsrichtung (LR) definieren, wobei sämtliche Knoten (6) eine flächige, abgeknickte Form mit einer quer zur Längsrichtung (LR) ausgerichteten Knicklinie, welche zwei Knotenabschnitte (7, 8) voneinander trennt, haben. Zumindest bei einer Teilmenge der Knoten (6) ist jeweils einer der Knotenabschnitte (7) zumindest näherungsweise parallel zu den genannten Platten (4, 5) angeordnet.

Description

Plattenanordnung für eine elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, vorgesehene Plattenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche ein als Streckmetall ausgebildetes Gitter umfasst.

Eine derartige Plattenanordnung einer elektrochemischen Zelle ist beispielsweise aus der DE 11 2009 004 658 B4 bekannt. Die bekannte Plattenanordnung ist für die Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehen und umfasst ein sogenanntes Gaskanal-Ausbildungselement, welches in Form eines Streckmetallgitters vorliegt, wobei Verbindungsabschnitte, das heißt Knoten, des Streckmetalls voneinander unterscheidbare Abschnitte aufweisen, welche in unterschiedlicher Weise gegenüber Platten, unter anderem in Form eines Separators, zwischen welche das Streckmetall eingelegt ist, schräggestellt sind. Hierbei können zwischen den Knotenabschnitten und den Platten insbesondere spitze Winkel eingeschlossen sein. Ein Winkel, der zwischen einem Abschnitt des Knotens und dem Separator eingeschlossen ist, ist dabei kleiner als ein zwischen einem weiteren Abschnitt des Knotens und einer Gasdiffusionsschicht eingeschlossener Winkel. Die DE 11 2009004 658 B4 sieht eine Herstellung des Streckmetalls aus Titan vor.

Die DE 11 2007 000017 T5 hat ein Verfahren zum Bilden einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle zum Gegenstand. Im Rahmen dieses Verfahrens kommt eine Metallgitterbearbeitungsvorrichtung zum Einsatz, mit welcher ein Edelstahlblech bearbeitet wird. Das Edelstahlblech kann mit Hilfe von Zuführwalzen einem Haltemechanismus zugeführt werden. Mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs, welches ebenfalls der Metallgitterbearbeitungsvorrichtung zuzurechnen ist, werden Durchgangslöcher in einer gitterartigen, versetzten Anordnung ausgebildet. Die Durchgangslöcher haben eine sechseckige Form und stellen im in eine Brennstoffzelle eingebauten Zustand des Gitters freie Querschnitte bereit. Ein in der US 8,206,865 B2 beschriebener Separator für eine Brennstoffzelle wird von einem Kollektor kontaktiert, der aus einem Metallgitter gebildet ist. Auch ist die Möglichkeit erwähnt, eine Vielzahl von Metallgittern zu stapeln, um den Kollektor zu bilden. Eine Kontaktfläche zwischen dem Kollektor und einer Elektrodenschicht soll größer oder gleich einer Kontaktfläche zwischen dem Kollektor und dem Separatorkörper sein.

Ein weiteres Element, welches einen Gasströmungsweg in einer Brennstoffzellenbatterie bildet, ist in der US 9,160,026 B2 offenbart. Auch in diesem Fall liegt das den Gasströmungsweg bildende Element in Form einer Metallgitterstruktur vor. Das genannte Element weist eine Vielzahl von ringförmigen Abschnitten auf, welche durchgehende Öffnungen bilden.

Die US 9,450,253 B2 beschreibt mögliche geometrische Details einer aus Streckmetall gebildeten Zellenstruktur einer Brennstoffzelle. Auch in diesem Fall beschreiben die Maschen des Streckmetalls hexagonale oder sonstige polygonale Formen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Elemente für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter strömungstechnischen sowie fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei ein robuster, auch für mobile Anwendungen geeigneter Aufbau des Endproduktes, das heißt des Brennstoffzellensystems oder sonstigen elektrochemischen Systems, insbesondere in Form eines Brennstoffzellenstapels, angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für die Verwendung in einer elektrochemischen Zelle geeignete Plattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Plattenanordnung ist zur Bildung eines Stapels elektrochemischer Zellen nach Anspruch 10 geeignet.

Die Plattenanordnung umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein zur sandwichartigen

Anordnung zwischen einer ersten, in einer Grundebene liegenden Platte und einer hierzu parallelen zweiten Platte vorgesehenes, als Streckmetall ausgebildetes Gitter, welches eine Vielzahl an Knoten sowie die Knoten verbindende Stege aufweist, wobei in Draufsicht auf das Gitter parallel zueinander verlaufende Knotenreihen gebildet sind, die eine Längsrichtung definieren, wobei sämtliche Knoten eine flächige, abgeknickte Form mit einer quer zur Längsrichtung ausgerichteten Knicklinie, welche zwei Knotenabschnitte des jeweiligen Knotens voneinander trennt, haben.

Gemäß Anspruch 1 ist zumindest bei einer Teilmenge der Knoten jeweils einer der beiden Knotenabschnitte zumindest näherungsweise parallel zu den genannten Platten angeordnet. Von einer näherungsweise parallelen Anordnung wird im vorliegenden Fall gesprochen, wenn der betreffende Knotenabschnitt mit der angrenzenden Platte des elektrochemischen Systems einen Winkel von nicht mehr als 15° einschließt. Insbesondere liegt der betreffende Knotenabschnitt plan auf der genannten Platte, welche durch eine Membran-Elektroden- Anordnung gebildet sein kann, auf.

Mit dieser Form des Steckmetalls werden mehrere Funktionen der Plattenanordnung gleichermaßen erfüllt: Zum einen werden durch die zahlreichen zu den Platten wenigstens näherungsweise parallelen Knotenabschnitte des Streckmetalls insgesamt großzügig dimensionierte Kontaktflächen bereitgestellt, welche Kräfte innerhalb des Plattenstapels mit moderaten Flächenpressungen aufnehmen sowie elektrische Ströme leiten. Zum anderen sorgen die schräg gestellten Plattenabschnitte zusammen mit den Stegen des Gitters, das heißt des Streckmetalls, für gezielte strömungsleitende Effekte, wobei Medien, die zwischen den Platten fließen, auch Strömungskomponenten senkrecht zu den Platten erfahren.

Jeder Knotenabschnitt, welcher parallel zu den Platten angeordnet ist oder lediglich in einem geringen Maße, das heißt in einem Winkel von weniger als 15°, schräg zu den Platten gestellt ist, ist, sofern er nicht am Rand des Gitters angeordnet ist, über zwei Stege mit Knotenabschnitten verbunden, welche in einem stärkeren Maße schräg zu den Platten, von welchen eine die Grundebene definiert, gestellt sind, das heißt einen größeren Winkel mit den Platten einschließen. Dies bedeutet, dass die Stege in sich verwunden sind. Dies trägt sowohl zur Strömungsleitung als auch zur mechanischen Stabilität des Streckmetalls bei.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung liegt bei einigen Knoten des Streckmetalls, insbesondere bei in bestimmten Reihen angeordneten Knoten, der erste Knotenabschnitt flächig auf der Grundebene, welche durch die Membran-Elektroden-Anordnung gegeben sein kann, auf, wogegen bei anderen, typischerweise ebenfalls reihenförmig angeordneten Knoten ein Abstand zwischen den Knoten und der genannten Ebene existiert, wobei die ersten Knotenabschnitte in einer zur Grundebene parallelen Ebene angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist zwar im Vergleich zu Ausführungsformen, bei welchen der erste Knotenabschnitt eines jeden Knotens die Grundebene kontaktiert, eine in der Summe geringere Kontaktfläche zwischen den Knoten und einer der an das Streckmetall angelegten Platten gegeben, doch existieren gerade aufgrund der von der Grundebene abgehobenen Knotenabschnitte erweiterte freie Querschnitte für das durch die Plattenanordnung strömende Medium.

Die auf der Grundebene aufliegenden Knoten und die von der Grundebene abgehobenen Knoten können alternierend in jeweils einer Knotenreihe, welche sich in Längsrichtung des Streckmetalls erstreckt, angeordnet sein. Ebenso sind beispielsweise Varianten des Streckmetalls realisierbar, bei welchen stets zwei nebeneinander angeordnete Reihen an Knoten auf der Grundebene aufliegen und jede dritte Knotenreihe von der Grundebene abgehoben ist.

Bei der Herstellung des Streckmetalls aus einem zunächst keine Öffnungen aufweisenden Blech kann mit einem variablen Vorschub des Blechs gearbeitet werden, der beim fertiggestellten Produkt, das heißt Streckmetall, dadurch zum Ausdruck kommt, dass Knotenabschnitte unterschiedlicher Länge vorliegen. Die Länge ist dabei in Vorschubrichtung zu messen. Die Vorschubrichtung schließt mit der Knicklinie, welche die Grenze zwischen den beiden Knotenabschnitten darstellt, einen rechten Winkel ein. Bei jedem Knotenabschnitt wird dessen Länge an der Oberfläche des jeweiligen Kotenabschnitts, das heißt nicht an einer Projektion des Knotens auf die Grundebene, gemessen.

Mit Hilfe des variablen Vorschubs, welchen das zum Streckmetall zu verarbeitende Blech erfährt, sind vier verschiedene Arten von Knoten innerhalb ein und desselben in Form von Streckmetall vorliegenden Gitters in einem einzigen Herstellungsprozess erzeugbar: In einer ersten Knotenreihe liegen Knoten vor, welche aus zwei langen Knotenabschnitten gebildet sind, wobei einer der zwei Knotenanschnitte plan auf der Grundebene aufliegen kann. Zwischen jeweils zwei solchen sogenannten großen Knoten ist ein als kleiner Knoten bezeichneter, aus zwei vergleichsweise kurzen Knotenabschnitten gebildeter Knoten angeordnet, wobei in diesem Fall beide Knotenabschnitte schräg zur Grundebene angeordnet sind. In einer zweiten Knotenreihe, welche komplett von der Grundebene abgehoben ist, liegen verschiedene Varianten von Knoten mittlerer Größe vor. Hierbei ist jeweils einer der Knotenabschnitte von der Grundebene sowie von der zweiten Platte beabstandet, beispielsweise parallel beabstandet, wogegen der zweite, als einziger Abschnitt schräg gestellte oder in stärkerer Ausprägung schräg gestellte Knotenabschnitt die zweite Platte linienförmig kontaktiert.

Die erste Variante der Knoten ist aus einem kurzen, insbesondere zu den Platten parallelen Knotenabschnitt und einem zweiten, vergleichsweise langen Knotenabschnitt gebildet. Umgekehrte Verhältnisse liegen bei der zweiten Variante vor: In diesem Fall schließt an einen langen, zu den Platten parallelen Knotenabschnitt ein vergleichsweise kurzer, schräger, bis zur zweiten Platte reichender Knotenabschnitt an. Die Stege, welche die Knoten miteinander verbinden, erstrecken sich entweder von einem langen zu einem weiteren langen Knotenabschnitt oder zwischen zwei kurzen Knotenabschnitten, so dass jeder Steg eine in sich gleichbleibende Breite aufweist.

Darüber hinaus sind durch andere Varianten der Vorschublänge bei der Fertigung auch Streckmetallgitter mit mehr als zwei unterschiedlichen Knotenreihen, beispielsweise drei oder vier verschiedenen Knotenreihen, realisierbar. Denkbar ist auch, dass verschiedene Arten von Knotenreihen jeweils ausschließlich aus Knoten aufgebaut sind, deren aneinandergrenzende Abschnitte in jedem Einzelfall unterschiedliche Längen aufweisen.

Die Knotenabschnitte werden allgemein auch als halbe Knotenpunkte bezeichnet. Ist ein Knotenabschnitt parallel zur Grundebene angeordnet, so wird unabhängig von der tatsächlichen Ausrichtung der Plattenanordnung im Raum vereinfachend auch von einem horizontalen Knotenabschnitt gesprochen. In verschiedensten Formen des Streckmetalls kann zwischen den beiden Knotenabschnitten eines Knotens beispielsweise ein Winkel von mindestens 90° und maximal 150° eingeschlossen sein.

Bei der Platte, welche allgemein als zweite Platte bezeichnet wird, handelt es sich insbesondere um eine Bipolarplatte. Die Bipolarplatte kann in an sich bekannter Weise aus zwei Halbblechen aufgebaut sein, zwischen welchen Kanäle für ein Kühlmittel gebildet sind. Auch eine Ausgestaltung der zweiten Platte als Monopolarplatte ist möglich. Sowohl im Fall einer Bipolarplatte als auch im Fall einer Monopolarplatte wird auch die Bezeichnung Separator für die zweite Platte verwendet.

Die erste, die Grundebene definierende plattenförmige Anordnung, welche kurz als erste Platte bezeichnet wird, umfasst insbesondere eine protonendurchlässige Polymerelektrolytmembran (PEM). An die PEM grenzen in typischer Ausgestaltung poröse Anoden- und Kathoden-Katalysatorlagen sowie poröse Gasdiffusionslagen, welche ebenfalls der ersten Platte zuzurechnen sind. Somit liegen innerhalb eines Plattenstapels, welcher eine Vielzahl gleichartiger Plattenanordnung umfasst, Kontakte zwischen den verschiedenen Gasdiffusionslagen und den Streckmetallgittern vor. Unabhängig von der geometrischen Gestaltung des Streckmetalls sind durch die Streckmetallgitter in jedem Fall Strömungsfelder für Betriebsmedien des elektrochemischen Systems ausgebildet.

In der bereits beschriebenen Ausgestaltung, in welcher ein mit variablem Vorschub produziertes Streckmetall zum Einsatz kommt, kann diejenige Knotenreihe, welche von der Grundebene abgehoben ist, beispielsweise von der Grundebene um eine Distanz entfernt sein, welche mindestens 30 % und höchstens 60 % des Abstandes zwischen den beiden Platten, das heißt der Stärke des Streckmetallgitters, entspricht.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kontaktieren die Knoten einer Knotenreihe ersten Typs ausschließlich die erste Platte der Plattenanordnung, wogegen die Knoten einer Knotenreihe zweiten Typs ausschließlich die zweite Platte kontaktieren. In diesem Fall können die Knotenabschnitte sämtlicher Knoten eine einheitliche Länge aufweisen, wobei - in Querrichtung des Streckmetalls betrachtet - die Knotenreihen ersten und zweiten Typs alternierend angeordnet sind. Geht man von einer horizontalen Anordnung der Plattenanordnung aus, so befinden sich die Knoten der verschiedenen Knotenreihen in unterschiedlichen Höhen, was als gewellte Form des Streckmetalls in dessen Querrichtung betrachtet werden kann. Durch die Wellenform werden besonders große Strömungsquerschnitte innerhalb der Plattenanordnung freigehalten. Sämtliche Stege weisen in diesem Fall eine einheitliche Breite, welche durch den Vorschub beim Herstellungsprozess vorgegeben ist, auf.

In einer weiterentwickelten Ausführungsform wird ein variabler Vorschub, welcher sich in Knotenabschnitten uneinheitlicher Breite ausdrückt, mit einer Wellung des Streckmetalls kombiniert. Auch in diesem Fall existieren, ebenso wie in der bereits in der im Detail erläuterten Ausgestaltung, verschiedene Knotenreihen, wobei in einer Knotenreihe abwechselnd lange und kurze Knoten hintereinander angeordnet sind, wogegen in der zweiten Knotenreihe mittellange Knoten verschiedener Ausprägung vorliegen. Im Unterschied zu der bereits erläuterten Ausgestaltung kann sich die weiterentwickelte Ausführungsform insbesondere dadurch auszeichnen, dass die Knoten mittlerer Länge besonders weit von der ersten Platte abgehoben sind. Durch eine Distanz der horizontalen Knotenabschnitte dieser Knoten von der ersten Platte im Bereich von beispielsweise 50% ± 10%, insbesondere 50% ± 5%, des Plattenabstandes sind besonders großzügig dimensionierte, in Längsrichtung durch die Plattenanordnung verlaufende Strömungskanäle, welche sich vom Einlass bis zum Auslass eines Strömungsfeldes erstrecken können, gebildet. Nachfolgend werden vier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Streckmetallgitters für eine elektrochemische Zelle,

Fig. 2 eine Plattenanordnung einer elektrochemischen Zelle einschließlich des Streckmetallgitters nach Figur 1,

Fig. 3 bis 5 das Streckmetallgitter nach Figur 1 in weiteren Darstellungen,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Streckmetallgitters für eine elektrochemische Zelle,

Fig. 7 eine Plattenanordnung einer elektrochemischen Zelle einschließlich des Streckmetallgitters nach Figur 6,

Fig. 8 bis 12 das Streckmetallgitter nach Figur 6 in weiteren Darstellungen,

Fig. 13 eine dritte Ausführungsform eines Streckmetallgitters für eine elektrochemische Zelle,

Fig. 14 eine Plattenanordnung einer elektrochemischen Zelle einschließlich des Streckmetallgitters nach Figur 13,

Fig. 15 bis 19 das Streckmetallgitter nach Figur 13 in weiteren Darstellungen, Fig. 20 eine vierte Ausführungsform eines Streckmetallgitters für eine elektrochemische Zelle,

Fig. 21 eine Plattenanordnung einer elektrochemischen Zelle einschließlich des Streckmetallgitters nach Figur 20,

Fig. 22 bis 26 das Streckmetallgitter nach Figur 20 in weiteren Darstellungen.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Konturen von Teilen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Bei einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen Zelle handelt es sich in den Ausführungsbeispielen um eine Brennstoffzelle, welche eine Mehrzahl gleichartiger, gestapelter Plattenanordnungen 2 umfasst. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion des Stapels elektrochemischer Zellen 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Der Plattenanordnung 2 ist ein Streckmetallgitter 3 zuzurechnen, welches kurz auch als Streckmetall oder als Gitter bezeichnet wird. Weiter umfasst die Plattenanordnung 2 eine erste plattenförmige Anordnung 5, nämlich eine Membran-Elektroden-Anordnung einschließlich Gasdiffusionslagen, welche vereinfachend auch als erste Platte bezeichnet wird. Darüber hinaus ist der Plattenanordnung 2 eine zweite Platte 4 zuzurechnen, bei welcher es sich um ein Teil einer Bipolarplatte handelt.

Diejenige Oberfläche der Platte 5, welche das Streckmetall 3 kontaktiert, definiert eine Grundebene der Plattenanordnung 2. Zwischen den beiden Platten 4, 5 existieren gravierende Unterschiede hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit. Beide Platten 4, 5 sind zur Leitung elektrischer Ströme vorgesehen, wobei elektrische Ströme insbesondere durch Kontaktbereiche zwischen dem Gitter 3 und den verschiedenen Platten 4, 5 fließen. Dem Streckmetall 3 kommt auch eine wichtige Funktion hinsichtlich der Leitung flüssiger und/oder gasförmiger Medien, das heißt Betriebsmedien der elektrochemischen Zelle 1, zu.

Das Gitter 3 weist eine Vielzahl an Knoten 6 auf, welche jeweils einen ersten Knotenabschnitt 7 und einen hierzu schräggestellten Knotenabschnitt 8 aufweisen und in den Figuren teils in vereinfachter Form zu sehen sind. Der erste Knotenabschnitt 7 ist in den Ausführungsbeispielen parallel zu den Platten 4, 5 angeordnet. Die Knotenabschnitte 7, 8 grenzen an einer Knicklinie aneinander. Der Winkel zwischen den Knotenabschnitten 7, 8 ist mit a bezeichnet.

Die Knoten 6 des Gitters 3 sind durch Stege 10, 11 miteinander verbunden, sodass Öffnungen 9 mit rautenförmige Grundform gebildet sind. Ein durch das Gitter 3 zwischen den Platten 4, 5 gebildeter Strömungskanal ist allgemein mit 12 bezeichnet. Das die Plattenanordnung 2 durchströmende Medium fließt insgesamt in der mit LR bezeichneten Längsrichtung der Plattenanordnung 2. In Längsrichtung LR ist die Abmessung SWD (Short Way Diagonal) der Maschen des Gitters 3 zu messen. Die Abmessung LWD (Long Way Diagonal) ist in ebenfalls gängiger Weise quer zur Längsrichtung LR zu messen. KB gibt die Knotenbreite, das heißt die übereinstimmende Breite der Knotenabschnitte 7,8, an. Mit SH ist die Streckgitterhöhe, das heißt der Abstand zwischen den Platten 4, 5, angegeben. Die an den horizontalen Abschnitten 7 zu messende, im Wesentlichen einheitliche Wandstärke des Gitters 3 ist mit WS angegeben. Die Knoten 6 sind in Knotenreihen KR1, KR2 angeordnet, welche in Längsrichtung LR verlaufen.

Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 5 sind, anders als in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 6 bis 14 sowie 20 bis 26, sämtliche Knotenreihen KR1, KR2 gleichartig gestaltet. Hierbei liegen alle Knotenabschnitte 7 plan auf der ersten Platte 5, das heißt der Membran-Elektroden-Anordnung, auf. Die zweite, in den Ausführungsbeispielen in den dargestellten Bereichen ebene Platte 4 wird dagegen nur von Kanten der zweiten Knotenabschnitte 8 kontaktiert, was jedoch aufgrund der gegebenen Stromtragfähigkeit und mechanischen Belastbarkeit der zweiten Platte 4 tolerabel ist. In Strömungsrichtung, das heißt in Längsrichtung LR, stellt jeder Knoten 6 des Streckmetalls 3 nach Figur 1 eine den Raum zwischen den Platten 4, 5 ausfüllende Barriere dar, wobei die Schrägstellung der Abschnitte 8 dazu beiträgt, dass Medium am Knoten 6 vorbei in Richtung der benachbarten Stege 10, 11 gelenkt wird. Jeder Steg 10, 11 verbindet einen horizontalen Knotenabschnitt 7 mit einem schräggestellten Knotenabschnitt 8, was bedeutet, dass der Steg 10, 11 in sich verwunden ist. Eine solche Verwindung der Stege 10, 11 ist auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen gegeben und trägt dazu bei, dass das strömende Medium eine Bewegungskomponente in Normalrichtung zu den Platten 4, 5 erfährt. Darüber hinaus erhöht die Verwindung der Stege 10, 11 zusammen mit der abgeknickten Form der Knoten 6 die Stabilität der gesamten Streckmetalls 3.

Die Ausführungsform nach den Figuren 6 bis 12 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 5 deutlich dadurch, dass verschiedene Längen der aneinandergrenzenden Abschnitte 7, 8 der Knoten 6 gegeben sind. Dies wird durch einen variablen Vorschub des Bleches, aus welchem das Streckmetall 3 gefertigt wird, erreicht.

Beim Streckmetallgitter 3 nach Figur 6 sind, wie insbesondere aus Figur 12 hervorgeht, sämtliche Knoten 6 der ersten Knotenreihe KR1 von der Membran-Elektroden-Anordnung 5 abgehoben. Dagegen liegen die Knoten 6 der zweiten Knotenreihe KR2, wie aus Figur 11 hervorgeht, entweder flächig oder linienförmig an der Membran-Elektroden-Anordnung 5 an. Im letztgenannten Fall ist die Knotenreihe KR2 durch alternierend angeordnete längere und kürzere Knoten 6 gebildet. Hierbei ist die Länge des ersten Knotenabschnitts 7 eines längeren Knotens 6 mit LI bezeichnet. Der an den längeren Knotenabschnitt 7 anschließende, schräggestellte Knotenabschnitt 8 weist eine Länge L2 auf, die im dargestellten Fall mit der Länge LI übereinstimmt. Bei dem in der Knotenreihe KR2 nächsten Knoten 6 handelt es sich um einen kurzen Knoten, wobei in diesem Fall beide Knotenabschnitte 7, 8 in unterschiedlicher Weise schräg zu Platten 4, 5 gestellt sind. Jeder der Knotenabschnitte 7, 8 weist hierbei eine Länge L3 auf, die geringer als die Länge LI ist. Durch die ausgeprägtere Schrägstellung der kurzen Knoten 6 im Vergleich zu den längeren Knoten 6 erstrecken sich auch die kürzeren Knoten 6 von der Oberfläche der Bipolarplatte 4 bis zur Oberfläche der ersten Platte 5. Somit erstrecken sich sämtliche Knoten 6 der Knotenreihe KR2 des Gitters 3 nach Figur 6 über die komplette Streckgitterhöhe SH. Im Gegensatz zu Knoten 6 der Knotenreihe KR2 kontaktieren sämtliche Knoten 6 der ersten Knotenreihe KR1 zwar die zweite Platte 4, nicht jedoch die erste Platte 5. Im Fall der ersten Knotenreihe KR1 ist bei jedem Knoten 6 eine Kombination eines kurzen und eines langen Knotenabschnitts 7, 8 gegeben. Ist der ersten Knotenabschnitt 7 als kurzer Knotenabschnitt mit einer Länge L3 ausgebildet, so handelt es sich bei dem zweiten, schräggestellten Knotenabschnitt 8 um einen langen Knotenabschnitt der Länge L2. Bei dem in der Knotenreihe KR1 nächsten Knoten 6 sind dagegen umgekehrte Längenverhältnisse gegeben: Der erste, horizontale Knotenabschnitt 7 ist als langer Knotenabschnitt der Länge LI ausgebildet. Bei dem hieran anschließenden, schräggestellten Knotenabschnitt 8 handelt es sich um einen kurzen Abschnitt der Länge L3. Die Distanz d beträgt im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 bis 12 weniger als die Hälfte der Streckgitterhöhe SH. Je nach der Relation zwischen der Distanz d und der Streckgitterhöhe SH sowie der Nachgiebigkeit der ersten Platte 5 kann auch eine Anlage der ersten Platte 5 an den Knoten 6 der ersten Knotenreihe KR1 gegeben sein. Ansonsten ist, wie aus Figur 12 hervorgeht, zwischen den Knoten 6 der ersten Knotenreihe KR1 und der Platte 5 ein Freiraum gebildet, welcher dem Strömungskanal 12 zuzurechnen ist.

Auch im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 13 bis 19 sind die Knoten 6 der Knotenreihe KR1, wie aus Figur 18 hervorgeht, von der ersten Platte 5 abgehoben. Zugleich kontaktieren diese Knoten 6, wie ebenfalls aus Figur 18 hervorgeht, die Bipolarplatte 4. Das Gegenteilige gilt für die Knoten 6 der zweiten Knotenreihe KR2. In diesem Fall liegen sämtliche Knotenabschnitte 7 auf der ersten Platte 5 auf, wogegen die schräggestellten Knotenabschnitte 8 von der Bipolarplatte 4 beabstandet sind. Im Querschnitt weisen sämtliche Knoten 6 der Knotenreihe KR1, KR2, wie aus einem Vergleich der Figuren 18 und 19 hervorgeht, eine einheitliche Querschnittsform auf. Die Länge der Knotenabschnitte 7, 8 beträgt in allen Fällen LI. Insgesamt liegt in der Ausführungsform nach den Figuren 13 bis 19 ein gewelltes Streckmetall 3 vor.

In der Ausführungsform nach den Figuren 24 bis 26 sind Merkmale des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 13 bis 19 mit Merkmalen des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 6 bis 12 kombiniert. Dementsprechend liegt im Fall der Figuren 20 bis 26 ein mit variablem Vorschub hergestelltes gewelltes Streckmetall 3 vor. Die Figur 25 zeigt die Querschnittsform der Knoten 6 in der zweiten Knotenreihe KR2. Eine Gemeinsamkeit mit der Ausgestaltung nach Figur 11 liegt insofern vor, als in Längsrichtung LR alternierend Knoten 6, welche aus zwei langen Knotenabschnitten 7, 8 gebildet sind, und Knoten 6, welche aus zwei kurzen, jeweils die Länge L3 aufweisenden Knotenabschnitten 7, 8 gebildet sind, unter Einhaltung von Abständen, welche als Öffnungen 9 vorliegen, aneinandergereiht sind. Im Unterschied zur Ausgestaltung nach Figur 11 sind jedoch in Fall von Figur 25 sämtliche Knoten 6 der Knotenreihe KR2 von der Bipolarplatte 4 beabstandet. Was die erste Knotenreihe KR1 betrifft, ist die aus Figur 26 hervorgehende Querschnittsgestaltung grundsätzlich mit der Querschnittsgestaltung nach Figur 12 vergleichbar. Dies bedeutet, dass sämtliche schräggestellten Knotenabschnitte 8 die Bipolarplatte 4 kontaktieren, wogegen die horizontalen Knotenabschnitte 7 von der ersten Platte 5 abgehoben sind. Der Abstand d zwischen den horizontalen Knotenabschnitten 7 und der ersten Platte 5 entspricht im Fall von Figur 27 etwa der Hälfte der Streckgitterhöhe SH. Hierbei sind die längeren, jeweils die Länge LI aufweisenden Knotenabschnitte 7 etwas weiter von der ersten plattenförmigen Anordnung 5 entfernt als die kürzeren, jeweils die Länge L3 aufweisenden Knotenabschnitte 7. Insgesamt ist bei der Ausführungsform nach den Figuren 20 bis 26 ein besonders weiter, offener Querschnitt des Strömungskanals 12 gegeben, wobei zugleich flächige, materialschonende Anlagen des Streckmetalls 3 an der ersten plattenförmigen Anordnung 5 existieren.

Bezugszeichenliste

1 Elektrochemische Zelle, Brennstoffzelle

2 Plattenanordnung

3 Streckmetall, Gitter

4 zweite Platte, Bipolarplatte

5 erste plattenförmige Anordnung, MEA

6 Knoten

7 erster Knotenabschnitt

8 zweiter Knotenabschnitt, schräggestellt

9 Öffnung

10 Steg

11 Steg

12 Strömungskanal a Winkel d Distanz

KB Knotenbreite

KR1, KR2 Knotenreihen

LI Länge

L2 Länge

L3 Länge

LR Längsrichtung

LWD Breite in Querrichtung

SH Streckgitterhöhe

SWD Breite in Längsrichtung

WS Wandstärke

Claims

Patentansprüche Plattenanordnung (2) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend ein zur sandwichartigen Anordnung zwischen einer ersten, in einer Grundebene liegenden Platte (5) und einer hierzu parallelen zweiten Platte (4) vorgesehenes, als Streckmetall (3) ausgebildetes Gitter, welches eine Vielzahl an Knoten (6) sowie die Knoten (6) verbindende Stege (10, 11) aufweist, wobei in Draufsicht auf das Gitter (3) parallel zueinander verlaufende Knotenreihen (KR1, KR2) gebildet sind, die eine Längsrichtung (LR) definieren, wobei sämtliche Knoten (6) eine flächige, abgeknickte Form mit einer quer zur Längsrichtung (LR) ausgerichteten Knicklinie, welche zwei Knotenabschnitte (7, 8) voneinander trennt, haben, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Teilmenge der Knoten (6) jeweils einer der Knotenabschnitte (7) zumindest näherungsweise parallel zu den genannten Platten (4, 5) angeordnet ist. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einigen derjenigen Knoten (6), welche der genannten Teilmenge zuzurechnen sind, der erste Knotenabschnitt (7) mit der Grundebene einen Winkel von weniger als 15 Grad einschließt, insbesondere plan auf der Grundebene aufliegt. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Knoten (6) existieren, welche ebenfalls der genannten Teilmenge zuzurechnen sind, jedoch jeweils einen von Grundebene beabstandeten Knotenabschnitt (7) aufweisen. Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Knoten (6) existieren, deren Knotenabschnitte (7, 8) eine übereinstimmende Länge (LI, L2) aufweisen. Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (LI, L3) des ersten Knotenabschnitts (7) zumindest bei einigen Knoten (6) von der Länge (L3, LI) des zweiten Knotenabschnitts (8) abweicht. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Knotenreihen (KR2) ausschließlich Knoten (6) mit zwei gleich langen Knotenabschnitten (7, 8) angeordnet sind, wobei sich Knoten (6) mit zwei langen Knotenabschnitten (7, 8) mit Knoten (6), welche aus zwei kurzen Knotenabschnitten (7, 8) gebildet sind, abwechseln, und in einer andere Knotenreiche (KR1) ausschließlich Knoten (6) mit ungleich langen Knotenabschnitten (7, 8) angeordnet sind, wobei in diesem Fall alternierend jeweils ein Knoten (6) mit einem langen, zu den Platten (4, 5) zumindest näherungsweise parallelen Abschnitt (7) und einem kurzen, stärker schräg gestellten Abschnitt (8) und ein Knoten (6) mit einem kurzen, zu den Platten (4, 5) zumindest näherungsweise parallelen Abschnitt (7) und einem langen, vergleichsweise stark schräg gestellten Abschnitt (8) hintereinander gereiht sind. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Knotenreihe (KR2), welche aus Knoten (6) mit gleich langen Knotenabschnitten (7, 8) gebildet ist, mit ihren zu den Platten (4, 5) zumindest näherungsweise parallelen Knotenabschnitten (7) die Grundebene tangiert, wogegen die andere Knotenreihe (KR1) mit ihren zur Grundebene zumindest näherungsweise parallelen Knotenabschnitten (7) um eine Distanz (d) von der Grundebene abgehoben ist, welche mindestens 30 % und höchstens 60 % des Abstandes (SH) zwischen den beiden Platten (4, 5), das heißt der Stärke des Gitters (3), entspricht. Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Knotenabschnitten (7, 8) eines Knotens (6) ein Winkel (a) von mindestens 90° und maximal 150° eingeschlossen ist. Verwendung einer Plattenanordnung (2) nach Anspruch 1 in einer Brennstoffzelle (1). Stapel elektrochemischer Zellen (1), umfassend eine Mehrzahl an Plattenanordnungen (2) nach Anspruch 1, welche jeweils ein als Streckmetall (3) ausgebildetes Gitter sowie zwei das Gitter (3) kontaktierende Platten (4, 5), nämlich eine Membran-Elektroden-Anordnung (5) als erste Platte sowie eine Bipolarplatte (4) als zweite Platte, aufweisen.