DE102024124856A1

DE102024124856A1 - Bipolarplatte für ein elektrochemisches system

Info

Publication number: DE102024124856A1
Application number: DE102024124856.4A
Authority: DE
Inventors: Claudia Kunz; Thomas Stöhr; Bernadette Grünwald
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2023-09-01
Filing date: 2024-08-30
Publication date: 2025-03-06
Also published as: DE202023105024U1; US20250079476A1; CN119560579A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Es kann eine Vielzahl derartiger Bipolarplatten umfassen. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Bipolarplatten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Es kann eine Vielzahl derartiger Bipolarplatten umfassen. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Bipolarplatten.
Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet, die im Rahmen dieses Dokuments auch als Separatorplatten bezeichnet werden. Die Einzelplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Bipolarplatten bzw. die Einzelplatten können jeweils Strukturen der nachstehend erläuterten Art aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Temperiermedium handeln. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Temperiermedium-Kanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
Ferner weisen die Bipolarplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, durch die hindurch die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Bipolarplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen geleitet oder von diesen weggeführt werden können. Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
Als Strukturen zur Medienversorgung und/oder Medienführung können insbesondere Kanäle innerhalb der Separatorplatten und somit der Bipolarplatte vorgesehen sein, die durch Stege voneinander getrennt sind. Die Kanäle, die beispielsweise in Form von Nuten eingeprägt sein können, können Fließwege für die typischerweise flüssigen oder gasförmigen Medien bereitstellen.
Typischerweise weist jede Separatorplatte einen aktiven Bereich auf mit Kanälen zum Führen eines Reaktionsmediums und/oder von Reaktionsprodukten entlang der Außenseite der Bipolarplatte. Dieser aktive Bereich liegt einer MEA gegenüber. Der aktive Bereich kann auch als Strömungsfeld bezeichnet werden oder ein Strömungsfeld umfassen.
Der aktive Bereich ist fluidleitend über einen sogenannten Verteilbereich mit einer der Durchgangsöffnungen verbunden und wird durch diese gespeist. Aus dem aktiven Bereich können über einen weiteren Verteilbereich, der auch als Sammelbereich bezeichnet werden kann, Reaktionsmedien und/oder Reaktionsprodukte einer weiteren Durchgangsöffnung zum Abtransport zugeführt werden.
An den einander zugewandten Innenseiten zweier Separatorplatten, die von einer jeweiligen Bipolarplatte umfasst sind, bilden die vorstehend erwähnten Kanal-Steg-Strukturen des Strömungsfelds und des wenigstens einen Verteilbereichs komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen aus. Diese spannen einen Fließbereich für eine Temperiermediumführung im Innenraum der Bipolarplatte auf.
Auch die Verteilbereiche weisen typischerweise bestimmte getrennte Kanäle auf. Im Folgenden werden die Kanäle auf den Außenseiten der Bipolarplatte in einem Verteilbereich als Gas-Fließkanäle und die Kanäle im Innenraum der Bipolarplatte als Temperiermedium-Fließkanäle bezeichnet.
Bei der Ausbildung eines funktionsbereiten Stapels wird zwischen benachbarten Bipolarplatten eine Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen, die im Fließbereich die Kanäle für die Durchleitung des Reaktionsmediums in einer ersten Bipolarplatte von den Kanälen für die Durchleitung eines weiteren Reaktionsmediums in einer zweiten, nur durch die Membran-Elektroden-Anordnung von der ersten Bipolarplatte getrennten Bipolarplatte voneinander trennt. Die Membran-Elektroden-Anordnung, typischerweise als MEA abgekürzt, erstreckt sich in der Regel über den aktiven Bereich hinaus in den oder die Verteilbereich(e).
Die MEA umfassen in ihrem aktiven Bereich üblicherweise die eigentliche protonenleitende Membran, auf dieser aufgebrachte Elektroden und Katalysatorschichten, auf denen leitende und gasdurchlässige Schichten, sogenannte Gasdiffusionslagen (GDLs) aufgebracht sind. In ihrem Randbereich umfasst die MEA üblicherweise ein polymerbasiertes Folienmaterial, das den aktiven Bereich rahmenförmig umschließt und in einem schmalen Überlappbereich mit den den aktiven Bereich bildenden Materialen oder einem Teil davon, überlappt. Die MEA definiert in einem Stapel eines elektrochemischen Systems den Abstand zwischen den Separatorplatten. Gleichzeitig weisen die Gasdiffusionslagen (GDL) der MEA relativ große Schwankungen bezüglich ihrer Dicken auf.
Es wird daher zwischen Bipolarplatten üblicherweise in Dickenrichtung des Stapels genau so viel Raum vorgesehen, dass im aktiven Bereich einerseits ausreichend Raum für die Aufnahme des betreffenden Abschnitts der MEA und andererseits genau so viel Raum für eine definierte Verpressung dieses Abschnitts der MEA zur Verfügung steht. Hieraus resultiert, dass in den Verteilbereichen mitunter mehr Platz vorgehalten wird, als für dessen Funktion unbedingt notwendig wäre. Bei einer überdurchschnittlich dicken MEA im aktiven Bereich resultiert also ein großer Spalt in den Verteilbereichen, bei einem unterdurchschnittlich dünnen aktiven Bereich der MEA ein geringer oder kein Spalt in den Verteilbereichen.
Die Bipolarplatten sind in konventionellen elektrochemischen Systemen so gestaltet, dass ihre Separatorplatten sowohl im aktiven Bereich als auch in den Verteilbereichen abschnittsweise aufeinander zu liegen kommen und in diesen Bereichen zumindest abschnittsweise miteinander verschweißt sind. Druckschwankungen des zwischen den Separatorplatten einer Bipolarplatte durchgeleiteten Temperiermediums verursachen jedoch Bewegungen der Separatorplatten relativ zueinander und setzen die Verbindungen zwischen den Separatorplatten einer Bipolarplatte, insbesondere Schweißverbindungen in den Verteilbereichen, dynamischen Druckschwankungen und Belastungen aus. Diese können zu einem Bruch der Schweißverbindung führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verbindungen infolge von Dickenvariationen der MEAs bereits erhöhten Belastungen ausgesetzt sind.
In der Folge können undefinierte Temperiermedien-Führungen durch den Innenraum der Bipolarplatte auftreten, was zu Druck- und somit Effizienzverlusten führt. Zudem können auch die Separatorplatten als solche im Bereich der Schweißverbindungen perforiert werden, was die Betriebsfähigkeit und insbesondere die Betriebssicherheit der Bipolarplatte sowie des übergeordneten elektrochemischen Systems gefährdet.
Andere vorbekannte Lösungen halten die notwendige Höhentoleranz im Verteilbereich in Form eines Spalts zwischen den beiden Separatorplatten einer Bipolarplatte vor, was aber dazu führt, dass keine bzw. keine gute Lenkung des Temperiermittels möglich ist, so dass insbesondere schlecht gekühlte Zonen im aktiven Bereich der Bipolarplatte entstehen können, was zu Beschädigungen der MEA führen kann und ebenfalls Effizienzverluste mit sich bringt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bipolarplatte bereitzustellen, mit der in einem elektrochemischen System Dickenschwankungen einer MEA unter Gewährleistung einer verbesserten Effizienz sowie einer verbesserten Betriebssicherheit kompensiert werden können, wobei vorzugsweise gleichzeitig eine definierte Verteilung des Temperiermediums über den Aktivbereich der Bipolarplatte erreicht wird.
Diese Aufgabe wird zumindest teilweise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen, in dieser Beschreibung und in den Figuren angegeben.
Entsprechend vorgeschlagen wird eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System. Die Bipolarplatte umfasst eine erste Separatorplatte und eine zweite Separatorplatte, die in zur Plattenebene der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Die erste und die zweite Separatorplatte weisen dabei jeweils in zur Plattenebene senkrechter Richtung zueinander benachbart eine erste Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Reaktionsmediums durch die Separatorplatte und eine zweite, zur ersten Durchgangsöffnung in der Plattenebene benachbarte Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Temperiermediums durch die Separatorplatte auf. Die erste und zweite Separatorplatte umfassen weiterhin jeweils einen aktiven Bereich mit ersten Strukturen zum Führen von Reaktionsmedium entlang einer außen liegenden Flachseite der Separatorplatte und zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums entlang der Innenseite der Bipolarplatte. Auch diese sind in senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet bzw. überlappen bei Orthogonalprojektion in die Plattenebene miteinander.
Darüberhinaus weisen die erste und die zweite Separatorplatte jeweils in zur Plattenebene senkrechter Richtung zueinander benachbart mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich mit ersten Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums zwischen der ersten Durchgangsöffnung und dem aktiven Bereich und zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums zwischen der zweiten Durchgangsöffnung und dem aktiven Bereich auf. Dabei weisen die Strukturen zum Führen des Temperiermediums im Verteil- oder Sammelbereich Temperiermedium-Fließkanäle auf, die durch Stege, die in Richtung der jeweils anderen Separatorplatte weisen, voneinander getrennt sind.
Weiter weist der mindestens eine Verteil- oder Sammelbereich der ersten Separatorplatte und/oder der Verteil- oder Sammelbereich der zweiten Separatorplatte mindestens einen Ausgleichsbereich auf. Im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte sind in einem, mehreren oder allen der mindestens einen Ausgleichsbereiche diejenigen Stege, die der jeweils benachbarten Separatorplatte zugewandt sind, in den Bereichen zwischen zueinander benachbarten Temperiermedium-Fließkanälen in zur Plattenebene senkrechter Richtung von der benachbarten Separatorplatte beabstandet. Dies gilt mit der Ausnahme, dass der Ausgleichsbereich beabstandet zu seinem Außenrand mindestens einen freistehenden elastischen Kontaktbereich aufweist, in dem ein Abschnitt eines Steges derartig auskragt, dass dieser Abschnitt mit der benachbarten Separatorplatte eine Berührfläche ausbildet.
Die überwiegende Beabstandung der Stege einer Separatorplatte von der benachbarten Separatorplatte dient im Ausgleichsbereich dem Toleranzausgleich für Höhenschwankungen der MEA bzw. GDLs. Wird eine MEA bzw. werden MEAs mit überdurchschnittlich dicken GDLs verbaut, verbleibt ein Spalt auch nach Verbau und Verspannung der Bipolarplatte und der MEA in einem Stapel eines elektrochemischen Systems, wird eine MEA mit unterdurchschnittlich dicken GDLs verbaut, wird zumindest ein Teil des vorgehaltenen Spalts bei Verbau und Verspannung der Bipolarplatte und der MEA in einem Stapel eines elektrochemischen Systems verpresst. Üblicherweise wird der Spalt so ausgelegt, dass er auch sehr dünne GDLs ausgleichen kann.
Beabstandet zu seinem Außenrand weist der Ausgleichsbereich jedoch auch mindestens einen freistehenden elastischen Kontaktbereich auf, in dem ein Abschnitt eines Steges derartig auskragt, dass dieser Abschnitt mit der benachbarten Separatorplatte eine Berührfläche ausbildet. Der mindestens eine elastische Kontaktbereich ist dabei üblicherweise so gestaltet, dass er zumindest einen elastischen Verpressungsanteil aufweist, so dass er sich nach Verbau und Verspannung bei betriebsüblicher Pulsation des Temperiermediums reversibel verformen kann. Dabei weist der mindestens eine elastische Kontaktbereich nach Verbau und Verspannung der Bipolarplatte und einer eher dünneren MEA in einem Stapel eines elektrochemischen Systems sowohl eine plastische als auch eine elastische Verformung auf. Wird hingegen eine sehr dicke MEA mit verbaut, kann auch nur eine elastische Verformung vorhanden sein. Die Elastizität der Kontaktbereiche ermöglicht jedoch nicht nur einen Höhenausgleich für unterschiedliche MEA- bzw. GDL-Dicken, sondern auch eine Anpassung an die Druckpulsation.
Vorzugsweise berühren die Berührflächen der elastischen Kontaktbereiche der einen Separatorplatte Stegabschnitte der anderen Separatorplatte derart, dass die Berührflächen der elastischen Kontaktbereiche und die die Berührflächen berührenden Stegabschnitte der anderen Separatorplatte eine Fluidbarriere im Inneren der Bipolarplatte bilden, um die das Temperiermedium herum fließen muss. Dies kann eine Lenkwirkung für das Temperiermedium zur Folge haben, so dass durch geeignete Anordnung der Berührflächen Temperiermedium definiert in die Bereiche geleitet werden kann, die ohne eine derartige Führung eine unzureichende Temperierung im Betrieb erfahren würden, wodurch die Effizienz des elektrochemischen Systems verbessert wird.
Die Berührflächen kragen von der Stegfläche in Richtung der anderen Separatorplatte aus und liegen vor Verbau und Verspannung der Bipolarplatte in einem Stapel eines elektrochemischen Systems an der anderen Separatorplatte an. Auch unter normalen Betriebsbedingungen, d.h. nach Verbau und Verspannung ist diese Berührung üblicherweise gegeben. Bei sehr starken Temperiermedium-Druckpulsen kann es zeitweilig auch zum kurzzeitigen Abheben der Berührflächen kommen. Es ist dabei vorteilhaft, wenn innerhalb eines Ausgleichsbereichs die Stege einer der Separatorplatten jeweils frei von stoffschlüssigen Verbindungen mit der anderen Separatorplatte sind. Die elastischen Kontaktelemente ermöglichen also sogar einen Verzicht auf die Separatorplatten verbindende Schweißnähte. Diese können folglich nicht aufreißen, insbesondere nicht unter etwaiger lokaler Perforation der Separatorplatten. Dies steigert die Betriebssicherheit.
Der elastische Kontaktbereich kann für einen, mehrere oder sämtliche der elastischen Kontaktbereiche in Aufsicht auf die Plattenebene einer der Separatorplatten eine längliche Form, eine länglich-abgerundete Form, eine runde Form oder eine Freiform aufweisen. Sind in einem Verteil- oder Sammelbereich mehrere elastische Kontaktbereiche vorhanden, können diese unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere kann über die Wahl einer konkreten Form des elastischen Kontaktbereichs eine Anpassung an den zur Verfügung stehenden Bauraum erfolgen, darüber hinaus kann die konkrete Form auch Einfluss auf die Elastizität eines elastischen Kontaktbereichs haben. Beispielsweise können runde elastische Kontaktbereiche in Bereichen eingesetzt werden, in denen weniger Fluidlenkung benötigt ist, währen die anderen genannten Formen, insbesondere die länglichen Formen, vorzugsweise zur Lenkung eingesetzt werden können.
In Aufsicht auf die Plattenebene einer Separatorplatte nimmt der eine Ausgleichsbereich oder nimmt einer der mehreren oder aller Ausgleichsbereiche insgesamt - einschließlich der darin enthaltenen elastischen Kontaktbereiche - eine Fläche FA ein. Die Gesamtfläche sämtlicher darin enthaltener Kontaktbereiche wird mit FKges bezeichnet. Dabei gilt für das Verhältnis dieser beiden Flächen FKges ≤ 0,2 FA, insbesondere FKges ≤ 0,1 FA. Die elastischen Kontaktbereiche nehmen also nur einen Bruchteil der Ausgleichsbereichsfläche ein. Damit ergibt sich ein großer Bereich des Ausgleichsbereichs, in dem Temperiermedium zwischen den beiden Separatorplatten vorhanden ist oder fließen kann, insbesondere auch zwischen den einander zugewandten Stegen.
Die Berührflächen der elastischen Kontaktbereiche machen üblicherweise nur einen Teil der Fläche der elastischen Kontaktbereiche aus. In Aufsicht auf die Plattenebene einer Separatorplatte kann die Gesamtfläche der in dem einem, oder einem bestimmten der mehreren oder aller Ausgleichsbereiche enthaltenen Berührflächen als FBges bestimmt werden. Dabei gilt für das Verhältnis der wie oben definierten Fläche des einen oder eines der mehreren oder aller Ausgleichsbereiche FA und der darin eingeschlossenen Berührflächen FBges ≤ 0,05 FA, insbesondere FBges ≤ 0,03 FA. Dies gilt für den unverbauten und den verbauten Zustand.
Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders gute Fluidlenkung des Temperiermediums erzielt werden kann, wenn einer, mehrere oder alle der elastischen Kontaktbereiche in Aufsicht auf die Plattenebene einer der Separatorplatten eine längliche oder länglich-abgerundete Form aufweist/aufweisen und in seiner/ihrer Längsachse unter einem von null verschiedenen Winkel α zu der Längsachse der Stege, aus denen sie auskragen, im jeweiligen elastischen Kontaktbereich verläuft/verlaufen. Besonders vorteilhaft sind dabei Winkel α mit 15° ≤ α ≤ 90°, insbesondere 20° ≤ α ≤ 60°. Bei nicht geradlinigen Stegen kann die Längsachse dabei als Mittellinie zweier Tangenten verstanden werden, wobei die Tangenten die geraden Flankenabschnitte oder Wendepunkte der Stegflanken zu beiden Seiten des Steges dort berühren, wo eine Stegflanke den geringsten Abstand zum jeweiligen elastischen Kontaktbereich aufweist.
Während im aktiven Bereich einer Bipolarplatte die Kanäle beider Separatorplatten meist im Wesentlichen parallel verlaufen, ist es für eine gezielte Verteilung der Medien über die gesamte Breite des aktiven Bereichs vorteilhaft, wenn im Verteil- und/oder Sammelbereich die Gas-Kanäle einer Separatorplatte unter einem Winkel zu den Gas-Kanälen der anderen Separatorplatte der Bipolarplatte verlaufen, wodurch auch die Temperiermedium-Fließkanäle beider Separatorplatten im Innern einer Bipolarplatte nicht parallel zueinander verlaufen. Beispielsweise können die Temperiermedium-Fließkanäle einer der Separatorplatten und die Temperiermedium-Fließkanäle der anderen Separatorplatte zumindest abschnittsweise unter einem Winkel 15° ≤ δ ≤ 90°, vorzugsweise 20° ≤ δ ≤ 60° verlaufen. Dies trägt bereits wesentlich dazu bei, das Temperiermedium über die gesamte Breite des aktiven Bereichs zu verteilen. Sowohl für eine ausreichende Abstützung der Berührfläche(n) des mindestens einen elastischen Kontaktbereichs an der anderen Separatorplatte als auch für eine definierte Führung des Temperiermediums ist es dabei vorteilhaft, wenn ein, mehrere oder sämtliche elastische Kontaktbereiche einer der Separatorplatten und ein Steg des Verteil- oder Sammelbereichs der anderen Separatorplatte in Orthogonalprojektion auf die Plattenebene der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte unter einem sehr spitzen oder gar verschwindenden Winkel zueinander verlaufen. Besonders vorteilhaft sind dabei Winkel γ, für die gilt y ≤30°, vorzugsweise γ ≤ 20°, insbesondere γ ≤ 10°. Der Winkel wird dabei auf Seiten des elastischen Kontaktbereichs bei einem länglichen elastischen Kontaktbereich ebenso wie bei einem elastischen Kontaktbereich, der einer Freiform entspricht, entlang dessen längster Ausdehnung bestimmt. Auf Seiten des Steges wird die Längsachse des Steges herangezogen, die wie zuvor die Längsachse des Steges, der den elastischen Kontaktbereich enthaltenden Separatorplatten bestimmt wird, wobei der elastische Kontaktbereich orthogonal auf die andere Separatorplatte projiziert wird.
Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn für einen, mehrere oder alle der elastischen Kontaktbereiche in Aufsicht auf die Plattenebene einer der Separatorplatten der elastische Kontaktbereich eine längliche oder länglich-abgerundete Form aufweist und in seiner Längsachse im Wesentlichen parallel zu einem Steg in der benachbarten Separatorplatte verläuft. Hiermit kann sich eine besonders große Berührfläche ergeben.
In Ausführungsformen ist die Stegbreite im Bereich des elastischen Kontaktbereichs konstant. Alternativ vergrößert sich die Stegbreite im elastischen Kontaktbereich. So kann die maximale Stegbreite im Bereich des elastischen Kontaktbereichs mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50%, insbesondere mindestens 100%, besonders bevorzugt mindestens 200% größer sein als die Stegbreite dieses Steges außerhalb eines elastischen Kontaktbereichs, beispielsweise in dem Bereich des Stegverlaufs, der keinen elastischen Kontaktbereich aufweist und in dem der Steg ansonsten seine maximale Breite aufweist.
Der elastische Kontaktbereich kann eine um die Berührfläche zumindest abschnittsweise umlaufende Federfläche aufweisen. Die Federfläche ist dabei vorzugsweise so gestaltet, dass sie dem elastischen Kontaktbereich seine Elastizität verleiht. Beispielsweise kann die Federfläche eine geringere Steigung aufweisen als die durchschnittliche Steigung der Flanke des Steges, in dem der elastische Kontaktbereich angeordnet ist. Beispielsweise kann die Steigung der Federfläche relativ zur Berührfläche des elastischen Kontaktbereichs einen Winkel β aufspannen, für den gilt β ≤ 30°, vorzugsweise β ≤ 20°, insbesondere β ≤ 15°.
Die Federfläche kann eine Berührfläche vollständig umlaufen. Dies ist insbesondere bei abgerundetlänglichen oder runden Kontaktbereichen oder bei Kontaktbereichen mit Freiform bevorzugt. Alternativ kann, insbesondere im Fall einer länglichen Berührfläche bzw. eines länglichen elastischen Kontaktbereichs, die Federfläche zumindest abschnittsweise in Aufsicht auf die Plattenebene einer der Separatorplatten eine längliche Form aufweisen und in ihrer Längsachse im Wesentlichen parallel zu einem Steg, insbesondere zur Längsachse eines Steges, in der benachbarten Separatorplatte verlaufen. Dabei ist es bevorzugt, wenn sich beidseitig zu einer länglichen Berührfläche je eine entsprechende längliche Federfläche erstreckt.
Insbesondere eine längliche oder länglich-abgerundeten Federfläche kann sich so zwischen zwei einander nächstliegenden Temperiermedium-Fließkanälen erstrecken, dass sie deren aufeinander zu weisende Flankenenden verbindet. Hierdurch kann eine gesamte Stegbreite mit einem Barriereelement versehen werden.
Weiter ist es möglich, dass ein Federbereich eines elastischen Kontaktbereichs nicht nur aus einem uniform gestalteten Bereich besteht. Ein Federbereich kann auch mindestens zwei Bereiche aufweist, die relativ zur vom Federbereich begrenzten Berührfläche eine unterschiedliche Steigung aufweisen. Einerseits können solche Bereiche unterschiedlicher Steigung umlaufend aufeinander folgen, beispielsweise um unterschiedliche Elastizitäten in unterschiedlichen Bereichen zu erzielen. Hierzu wird zur Vermeidung von Höhenstufen vorzugsweise auch die Breite der entsprechenden Bereiche des Federbereichs angepasst. Andererseits, aber die vorherige Anordnung nicht ausschließend, können diese verschiedenen Bereiche auch so relativ zueinander angeordnet sein, dass einer dieser zwei Bereiche den anderen Bereich vorzugsweise umläuft, insbesondere vollständig umläuft. Beispielsweise kann eine Berührfläche von einem ersten dieser Bereiche des Federbereichs umlaufen werden insbesondere über ihren gesamten Umfang. Dieser erste Bereich des Federbereichs kann dann wiederum vom zweiten Bereich des Federbereichs abschnittsweise oder vollständig umlaufen werden. Durch diese in Reihe geschalteten Federbereiche kann eine progressive Federkennlinie realisiert werden, insbesondere wenn beide Federbereiche eine unterschiedliche maximale Auslenkung aufweisen.
Weiterhin kann eine der beiden Separatorplatten einer Bipolarplatte in dem Ausgleichsbereich oder den Ausgleichsbereichen die Temperiermedium-Fließkanäle mit Ausnahme der elastischen Kontaktbereiche weniger tief sein als die äußere Flanke eines oder beider der beiden äußersten Temperiermedium-Fließkanäle. Hierdurch kann der Spalt zwischen den Stegen im Ausgleichsbereich besonders einfach geschaffen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrochemisches System mit einer Mehrzahl von Bipolarplatten gemäß jeglichem hierin geschilderten Aspekt und MEAs, insbesondere einer Mehrzahl von gestapelten Bipolarplatten und dazwischen liegenden MEAs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Figurenübergreifend können für vergleichbare Merkmale gleichartige Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:

1 ein elektrochemisches System mit konventionellen Bipolarplatten oder Bipolarplatten gemäß der Erfindung;
2 einen Ausschnitt des elektrochemischen Systems aus 1 mit konventionellen Bipolarplatten;
3 in drei 3A-3C eine Teildraufsicht, eine Querschnittsteilansicht und eine Temperiermediumverteilung einer Bipolarplatte gemäß einem Beispiels des Standes der Technik;
4 in fünf 4A-4E eine Teildraufsicht, drei Querschnittsteilansichten und eine Temperiermediumverteilung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte;
5 in zwei 5A und 5B eine Schrägansicht eines Abschnitts eines Verteilbereichs einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte sowie eine zugehörige Detailansicht;
6 in zwei 6A und 6B eine Schrägansicht eines Abschnitts eines Verteilbereichs einer weiteren erfindungsgemäßen Bipolarplatte sowie eine zugehörige Detailansicht;
7 eine Teildraufsicht auf einen Verteilbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Bipolarplatte;
8 In drei 8A-8C drei Teildraufsichten auf Verteilungsbereiche erfindungsgemäßer Bipolarplatten; und.
9 eine Schrägansicht eines Abschnitts eines Verteilbereichs einer weiteren erfindungsgemäßen Bipolarplatte

1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten 2. Die Bipolarplatten 2 sind als Anordnung in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind 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 Bipolarplatten 2 des Stapels 6 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels 6 jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
Alternativ kann das in 1 und 2 dargestellte System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten 2 verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten 2 kann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten 2 geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene E (vgl. 3B und 4B), in der sich Separatorplatten 2a, 2b (siehe 2), die metallische Lagen der Bipolarplatten 2 bilden, berühren. Auch die Separatorplatten 2a, 2b bilden in ihren nichtumgeformten Bereichen ihre eigene Plattenebene 39a, 39b (vgl. 3B, 4B, 5B und 6B), wobei die Plattenebenen sowohl der Bipolarplatten 2 als auch der Separatorplatten 2a, 2b jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder ggf. Temperiermedium wie Wasser und/oder Glykol umfassen. Bei einem Elektrolyseur wird dem Stapel Wasser zu- und Sauerstoff sowie Wasserstoff abgeführt.
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete und aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10. Dabei ist die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a großflächig sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech oder einem Blech aus einer Titanlegierung. Die Bleche können abschnittsweise oder vollflächig beschichtet oder plattiert sein, beispielsweise mittels einer korrosionshemmenden und/oder die Leitfähigkeit erhöhenden Beschichtung. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet oder verklebt sein, und können insbesondere durch Laserschweißverbindungen verbunden sein. Die MEA 10 weist längs ihres Außenrandes einen Verstärkungsrand auf, an dem die MEA zwischen den beiden Bipolarplatten 2 fluiddicht eingespannt wird.
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c gemeinsam mit fluchtenden Durchgangsöffnungen in den Verstärkungsrändern der MEAs 10 Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Temperiermedium in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen 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 6 ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen jeweils parallel zur Plattenebene ausgebildet.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Portsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Portsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils mindestens einen Verteilbereich 20 auf, der je nach Strömungsrichtung in der vorstehend geschilderten Weise auch als Sammelbereich bezeichnet werden kann. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. In 2 sind die jeweils zueinander korrespondierenden Durchlassöffnungen, die dem Ein- oder Auslass desselben ggf. im Zuge der elektrochemischen Reaktion veränderten Fluids dienen mit und ohne Hochkomma bezeichnet, z.B. 11a und 11a'. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege 26a, 26b und zwischen den Stegen 26a, 26b verlaufende und durch die Stege 26a, 26b begrenzte Gas-Fließkanäle 27a, 27b gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 also als medienleitende Prägestrukturen aufgefasst werden.
Bei einer herkömmlichen Bipolarplatte in 2 liegen die Separatorplatten im Bereich der Rückseiten der Böden der Gas-Fließkanäle 27a, 27b in den Verteilbereichen unmittelbar aufeinander und stützen sich aneinander ab. Üblicherweise sind die beiden Separatorplatten an Berührstellen in den Verteilbereichen miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, beispielsweise mittels kurzen Schweißnähten 38, wie in 2 gezeigt.
Die Portsicken 12a-12c des Beispiels aus 2 weisen Durchführungen 13a-13c auf, die der Passage von Medien durch diese Dichtsicken dienen. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Temperiermedium zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteilbereich 20, so dass das Temperiermedium in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteilbereich 20 auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteilbereich 20, so dass Luft in den Verteilbereich 20 auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem Verteilbereich 20 herausgeführt wird. Die Durchgangsöffnungen 11a bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 kann erforderlichenfalls jeweils zum Führen eines Temperiermediums durch die Bipolarplatte 2 dienen, insbesondere zum Temperieren wie Kühlen, Erwärmen oder konstant Halten der Temperatur des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Bipolarplatte 2.
Die ersten Separatorplatten 2a der Bipolarplatten 2 des Stapels 6 weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Temperiermediumkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Bei alternativen Plattendesigns kann die Perimetersicke auch die Temperiermediumöffnungen und damit den gesamten Temperiermediumkreislauf mit einschließen. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Stege 21 und Kanäle 22 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Hubpräge-, Rollpräge-, Tiefzieh- oder Hydroformingprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b.
Die Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 können insbesondere im Fall einer Brennstoffzelle z. B. jeweils aus einem Edelstahlblech mit einer Stärke von weniger als 100 µm gebildet sein. Im Falle eines Elektrolyseurs ist sowohl die Verwendung von Blechen aus einer Titanlegierung als auch aus vollflächig beschichtetem Edelstahl möglich. Die Blechstärken sind bei Elektrolyseuren üblicherweise größer, beispielsweise können sie 100-800 µm, 150-500 µm, insbesondere 200-300 µm betragen. Die Bipolarplatte 2 hat in der Regel eine im Wesentlichen rechteckige Form, kann jedoch auch rund oder oval sein, insbesondere bei Elektrolyseuren.
Die 3 zeigt in 3A eine Teildraufsicht auf eine Bipolarplatte 2 bzw. ihre Separatorplatte 2a gemäß einem Beispiel des Standes der Technik im Bereich der Durchgangsöffnungen 11a-11c, eines Verteilbereichs 20, sowie eines kurzen Abschnitts des aktiven Bereichs 18. Das Beispiel unterscheidet sich von dem aus 2 dadurch, dass im Verteilbereich 20 keine Schweißverbindungen 38 vorhanden sind und die Rückseiten der Böden der Kanäle 27a, 27b im Verteilbereich nicht aufeinander aufliegen, sondern innerhalb der Begrenzungslinie 30 voneinander beabstandet angeordnet sind.
In 3A ist eine beispielhafte Lage einer mehrfach geknickt verlaufenden Schnittebene A-A angedeutet. Die Schnittebene A-A verläuft allgemein orthogonal zu den in 3B eingetragenen Plattenebenen E der Bipolarplatte 2 bzw. 39a, 39b der Separatorplatten 2a, 2b und somit in z-Richtung des Stapels aus 1. Weiter verläuft sie in einem Bereich, in dem sich auch ein Verteilbereich 20 der in 3A von der Separatorplatte 2a verdeckten zweiten Separatorplatte 2b erstreckt. Somit überlappen sich in der Schnittebene A-A die Verteilbereiche 20 der Separatorplatten 2a, 2b aus 3A. Zudem liegen dort auch die komplementär zu den jeweiligen Verteilbereichen 20 geformten Rückseiten oder auch Innenseiten der Separatorplatten 2a, 2b einander gegenüber, wie aus der Querschnittsteilansicht der 3B deutlich wird.
Die baugleichen Bipolarplatten 2 des Stapels umfassen jeweils wie im Beispiel der 2 eine erste metallische Separatorplatte 2a und eine zweite metallische Separatorplatte 2b. Zu erkennen sind Strukturen zur Medienleitung entlang der Außenflächen der Bipolarplatten 2, hier insbesondere jeweils in Form von Stegen 26a, 26b und durch die Stege 26a, 26b getrennten Gas-Fließkanälen 27a, 27b. Insbesondere sind Temperiermittel-Fließkanäle 22a, 22b im Hohlraum 19 zwischen aneinander grenzenden Separatorplatten 2a, 2b gezeigt. Zwischen den Temperiermedium-Fließkanälen 22a, 22b weisen die beiden Separatorplatten 2a, 2b Stege 21a, 21b auf, die jedoch anders als im Beispiel der 2 nicht miteinander in Kontakt sind. Zwischen die Ebenen 32a, 32b, in denen sich die einander nächstliegenden Bereiche der Stege 21a, 21b erstrecken, ist vielmehr ein Abstand 23 aufgespannt, in dem das Temperiermedium frei fließen kann. Zwischen den Stegen bzw. Stegdächern und Kanälen bzw. Kanalböden erstrecken sich jeweils Flanken 29a, 29b bzw. 28a, 28b.
Zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels ist jeweils eine z. B. aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet. Die MEA 10 umfasst typischerweise jeweils eine Membran 14, z. B. eine katalysatorbeschichtete Elektrolytmembran, und einen mit der Membran verbundenen Randabschnitt 15 sowie mindestens eine, hier zwei Gasdiffusionslagen (GDL) 16. Beispielsweise kann der Randabschnitt 15 stoffschlüssig mit der Membran verbunden sein, z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren. Die Gasdiffusionslagen 16 ermöglichen das Anströmen der Membran über einen möglichst großen Bereich der Oberfläche der Membran und können so den Protonenübergang über die Membran verbessern. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. jeweils beiderseits der Membran im aktiven Bereich 18 zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. aus einem Faservlies gebildet sein oder ein Faservlies umfassen.
Die Membran der MEA 10 erstreckt sich jeweils wenigstens über den aktiven Bereich 18 der angrenzenden Bipolarplatten 2 und ermöglicht dort einen Protonenübergang über oder durch die Membran. Allerdings reicht die Membran nicht in den Verteil- oder Sammelbereich 20 hinein. Der Randabschnitt 15 der MEA 10 dient jeweils dem Positionieren, Befestigen und Abdichten der Membran zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2. Wenn die Bipolarplatten 2 des Systems 1 in Stapelrichtung zwischen den Endplatten 3, 4 eingespannt werden (siehe 1), kann der Randabschnitt 15 der MEA 10 beispielsweise jeweils zwischen den Portsicken 12a-c der jeweils angrenzenden Bipolarplatten 2 und/oder jeweils wenigstens zwischen den Perimetersicken 12d der angrenzenden Bipolarplatten 2 verpresst werden, um die Membran 14 der MEA 10 auf diese Weise zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2 zu fixieren.
Lediglich umlaufend um die Dichtsicken, beispielsweise um die Portsicke 12b sowie entlang des Außenrandes 24 sind die beiden Separatorplatten 2a, 2b miteinander mittels Schweißnähten 38' dicht verschweißt, wie aus der Schnittdarstellung der 3B deutlich wird.
Aus der in 3C schematisch dargestellten Temperiermediumverteilung der Bipolarplatte aus 3A wird allerdings deutlich, dass die zentral gelegenen Bereiche sehr gut mit Temperiermedium versorgt sind, während in die seitlichen Randbereiche, die grob betrachtet in Verlängerung der Durchgangsöffnungen 11b, 11c liegen, nur mit sehr wenig Temperiermittel gespeist werden, wie mittels der unterschiedlich dicken Linien illustriert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehenden Probleme zumindest teilweise zu lösen. Die Erfindung wird weiter anhand der 4 bis 7 erläutert.
4 stellt in vier 4A-4E eine Teildraufsicht, drei Querschnittsteilansichten und eine Temperiermediumverteilung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 2 dar.
Wie in den Beispielen des Stands der Technik aus 2 und 3 ist auch hier die Bipolarplatte 2 mit einer ersten Separatorplatte 2a und einer zweiten Separatorplatte 2b ausgebildet, die in zur Plattenebene 39a, 39b der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte 2a, 2b senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wie in der Schnittdarstellung der 4B, die sich entlang der Schnittlinie B-B aus 4A erstreckt, ersichtlich ist. Auf eine explizite Darstellung der MEA bzw. Ihres Verstärkungsrandes wurde in 4B verzichtet, die Anordnung der MEA relativ zu einer Bipolarplatte entspricht aber grundsätzlich der in 3B. In beiden Separatorplatten 2a, 2b sind im gezeigten Ausschnitt in zur Plattenebene 39a, 39b senkrechter Richtung zueinander benachbart zwei erste Durchgangsöffnungen 11b, 11c zum Durchleiten je eines Reaktionsmediums durch die Separatorplatten und eine zweite, zur ersten Durchgangsöffnung in der Plattenebene 39a, 39b benachbarte Durchgangsöffnungen 11a, zum Durchleiten eines Temperiermediums durch die Separatorplatte 2a, 2b vorhanden und zumindest abschnittsweise gezeigt. Wie in 2 sind entsprechende Durchgangsöffnungen auch benachbart zum gegenüberliegenden kurzen Ende der Bipolarplatte 2 vorhanden, hier jedoch nicht dargestellt.
Vom Aktivbereich 18 ist sowohl in der Draufsicht der 4A als auch der Querschnittsteilansicht der 4B nur ein kurzer Abschnitt mit ersten Strukturen 17 zum Führen von Reaktionsmedium entlang einer außen liegenden Flachseite der Separatorplatte 2a gezeigt, die zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums entlang der Innenseite der Bipolarplatte 2 werden in der Querschnittsteilansicht der 4B dargestellt.
Wiederum weisen die Separatorplatten 2a, 2b mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich 20 mit ersten Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums zwischen der ersten Durchgangsöffnung 11b bzw. 11c und dem aktiven Bereich 18 und mit zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums zwischen der zweiten Durchgangsöffnung 11a und dem aktiven Bereich 18 auf, wobei die zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums im Verteil- oder Sammelbereich 20 auf den Innenseiten der Separatorplatten 2a, 2b Temperiermedium-Fließkanäle 22a, 22b aufweisen, die durch Stege 21a, 21b voneinander getrennt sind, und einen Hohlraum 19 für die Führung des Temperiermediums im Innern der Bipolarplatte 2 aufspannen. Sowohl der Verteil- oder Sammelbereich 20 der ersten Separatorplatte 2a als auch der Verteil- oder Sammelbereich 20 der zweiten Separatorplatte 2b weisen hier einen Ausgleichsbereich 35a, 35b auf, dessen Außengrenze der gestrichelten Begrenzungslinie 30 in 4A entspricht.
Die Querschnittsteilansicht der 4B zeigt den Zustand, in dem die beiden Separatorplatten 2a, 2b bereits miteinander verbunden sind, jedoch noch nicht in einem Stapel elektrochemischer Zellen montiert sind. Im Ausgleichsbereich 35 sind die der jeweils benachbarten Separatorplatte 2a, 2b zugewandten Stege 21a, 21b zwischen zueinander benachbarten Temperiermedium-Fließkanälen 22a, 22b in zur Plattenebene 39a, 39b senkrechter Richtung von der benachbarten Separatorplatte beabstandet. Wie in 3 ist also ein Abstand 23 in z-Richtung vorhanden, der ein Queren der Stege 21a, 21b ermöglicht.
Hiervon ausgenommen ist jedoch mindestens ein freistehender elastischer Kontaktbereich 44, der beabstandet zum Außenrand 30 des Ausgleichsbereichs 35 angeordnet ist und in dem ein Abschnitt eines Steges, hier eines Steges 21a in der oben liegenden Separatorplatte 2a so auskragt, dass er mit der benachbarten Separatorplatte 2b eine Berührfläche 42 ausbildet. Es ergeben sich also bei einem Teil der Kreuzungspunkte der Stege 21a, 21b beider Separatorplatten 2a, 2b Berührflächen 42. Die Elastizität der Kontaktbereiche 44 ermöglicht einen Höhenausgleich für unterschiedliche MEA- bzw. GDL-Dicken, weiterhin ermöglicht sie eine Anpassung an die Druckpulsation, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
Diese elastischen Kontaktbereiche 44 ermöglichen unter normalen Betriebsbedingungen eine bessere Verteilung des Temperiermediums über die Breite des aktiven Bereichs 18, wie in 4C mittels der über den gesamten Breitenverlauf verteilten gleich breiten Linien verdeutlicht wird. Aufgrund der Elastizität federn die elastischen Kontaktbereiche 44 bei Pulsation, so dass sich die Fläche der jeweiligen Berührflächen 42 verändern kann. Nur bei extrem hohen Temperiermedium-Stößen können die Berührflächen 42 ihren Kontakt verlieren. Anders als bei den geschweißten Lösungen des Stands der Technik ergibt sich hierdurch nur ein kurzzeitiges Abheben, ohne dass es zu einer Schädigung der Separatorplatten käme oder gar zum Aufreißen des Plattenmaterials.
Die Berührflächen 42 der elastischen Kontaktbereiche 44 der Separatorplatte 2a berühren Stegabschnitte 21k der anderen Separatorplatte 2b, wobei die Berührflächen 42 der elastischen Kontaktbereiche 44 und die die Berührflächen 42 berührenden Stegabschnitte 21k der anderen Separatorplatte 2b vorzugsweise eine Fluidbarriere 31 im Inneren der Bipolarplatte 2 bilden. Dabei muss Temperiermedium seitlich an den Berührflächen 42 vorbeiströmen und durch die vom Abstand 23 zu der Fluidbarriere benachbart aufgespannten Strömungsräume fließen.
Im vorliegenden Beispiel ist die vom Außenrand 30 begrenzte Fläche die gesamte Fläche FA des betrachteten Ausgleichsbereichs 35. Im Beispiel der 4 weist der Verteilbereich 20 bzw. Ausgleichsbereich 35 zwei Bereiche 201, 202 unterschiedlicher Fluidführung auf, in denen auch die elastischen Kontaktbereiche 44 beispielhaft unterschiedlich ausgeführt sind. Die unterschiedliche Ausführung der elastischen Kontaktbereiche könnte auch aus unterschiedlichen Bipolarplatten stammen.
4D zeigt eine Querschnittsteilansicht entlang der Schnittlinie C-C aus 4A. 4E stellt schließlich vergrößert den Bereich V aus 4E dar, wobei zur Verdeutlichung der Höhenverhältnisse die Vergrößerung in z-Richtung größer ist als die in der Plattenebene. Aus dieser Detailansicht wird der Abstand 23 des Steges 21a bzw. seiner zur unteren Separatorplatte 2b weisenden Oberfläche zur zu ihm weisenden Oberfläche des Steges 21b deutlich, auch wenn die Ansicht hier die Stege in der Plattenebene zueinander versetzt schneidet. Insbesondere ist diese Oberfläche des Steges 21a von der Plattenebene E der Bipolarplatte 2 beabstandet. Die zum Außenrand 30 des Ausgleichsbereichs 35 weisende Kanalflanke 28a' ist höher als die im Inneren des Ausgleichsbereichs 35 angeordnete Kanalflanke 28a. In diesem Ausgleichsbereich 35 sind also die Temperiermedium-Fließkanäle 22a mit Ausnahme der elastischen Kontaktbereiche 44 weniger tief als die äußere Flanke 28a' zumindest des gezeigten der beiden äußersten Temperiermedium-Fließkanäle 22a.
5 zeigt in zwei 5A und 5B eine Schrägansicht des Abschnitts 201 eines Verteilbereichs 20 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 2 sowie eine zugehörige Detailansicht. Während in der unten angeordneten Separatorplatte 2b die Strömungsquerschnitte der Temperiermedium-Fließkanäle 22b und der Gas-Fließkanäle 27b vergleichbar sind, spannt die oben angeordnete Separatorplatte 2a wesentlich mehr Strömungsraum für die Leitung des Gases auf der außen liegenden Oberfläche in den Gas-Fließkanälen 27a als für die Leitung des Temperiermediums in den Fließkanälen 22a auf. In 5 verlaufen die Temperiermedium-Fließkanäle 22a und 22b in beiden Separatorplatten 2a, 2b in einem Winkel zueinander, die Temperiermedium-Fließkanäle 22a der ersten Separatorplatte 2a sind deutlich schmäler ausgebildet als die Temperiermedium-Fließkanäle 22b der zweiten Separatorplatte 2b. Zwischen den einander zugewandten Stegen 21a, 21b zwischen zueinander benachbarten Temperiermedium-Fließkanälen 22a, 22b verbleibt in großen Abschnitten des Ausgleichsbereichs 35 in zur Plattenebene 39a, 39b senkrechter Richtung ein Abstand 23. Dieser Abstand beträgt zwar weniger als ein Viertel einer Höhe eines Temperiermedium-Fließkanals 22a, 22b, er ermöglicht aber dennoch ein Queren der Stege 21a, 21b und eine große Vielfalt an Strömungswegen für Temperiermedium. Auch um die Strömung des Temperiermediums zu lenken sind mehrere elastische Kontaktbereiche 44 in solchen Abschnitten einer Separatorplatte vorgesehen, die auf einer Oberfläche einen Boden eines Gas-Fließkanals 27a und auf ihrer anderen Oberfläche den Steg 21a zwischen zwei Temperiermedium-Fließkanälen 22a ausbilden. In diesen Bereichen kragt ein Abschnitt 21k eines Steges 21a derartig aus, dass er mit der benachbarten Separatorplatte, hier der Separatorplatte 2b, eine Berührfläche 42 ausbildet.
Die in 5A dargestellten elastischen Kontaktbereiche 44 weisen sämtlich eine länglich-abgerundete Form auf. Die Längsachse Lo eines beispielhaften Kontaktbereichs 44 verläuft unter einem Winkel α zu der Längsachse Lsa des Steges 21a im entsprechenden elastischen Kontaktbereich 44, wobei α hier - in Draufsicht auf die Plattenebene 39 - ungefähr 30° beträgt. Diese schräge Anordnung zwingt dem Temperiermedium zusätzlich zur Barrierewirkung der elastischen Kontaktbereiche 44 eine gezielte Lenkung auf. Anders als im hier dargestellten Beispiel müssen nicht sämtliche elastischen Kontaktbereiche 44 mit ihren Längsachsen denselben Winkel α mit der Längsachse der zugehörigen Stege aufspannen, vielmehr kann es für die Fluidlenkung bevorzugt sein, wenn verschiedene elastische Kontaktbereiche 44 unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
Im in 5A gezeigten Ausschnitt des Ausgleichsbereichs 35 ist die Stegbreite Bs im Bereich des elastischen Kontaktbereichs 44 konstant und entspricht der Stegbreite außerhalb des elastischen Kontaktbereichs 44. Hierdurch und durch die nur geringe Höhe des elastischen Kontaktbereichs 44 verändert sich der Querschnitt der betreffenden Gas-Fließkanäle 27a nur wenig, so dass die elastischen Kontaktbereiche 44 keine signifikanten Druckverluste verursachen.
Die elastischen Kontaktbereiche 44, die alle zum selben Ausgleichsbereich gehören, weisen jeweils eine Fläche FK auf. Die Flächen FK können für einen gesamten Ausgleichsbereich zu einer Gesamtfläche FKges aufsummiert werde. Im Vergleich zur Fläche des betreffenden Ausgleichsbereichs 35 (vgl. 4A) ist diese Gesamtfläche aber sehr gering, sie beträgt hier weniger als 10%. Ebenso lassen sich die Flächen FB der Berührflächen 42 der Kontaktbereiche 44 eines Ausgleichsbereichs zu einer Gesamtfläche FBges aufsummieren. Hier ergibt sich noch ein geringerer Flächenanteil an der Fläche FA des betreffenden Ausgleichsbereichs 35, er beträgt weniger als 3%. Die vorgenannten Werte können sich dabei auf den Zustand einer unverbauten Bipolarplatte 2 beziehen oder auf eine in einem Stapel 6 eines elektrochemischen Systems 1 verbaute Bipolarplatte 2.
In 5B ist gezeigt, dass der elastische Kontaktbereich 44 eine um die Berührfläche 42 umlaufende Federfläche 46 aufweist. Diese Federfläche 46 weist dabei mit einem Anstiegswinkel relativ zur Berührfläche β von ca. 10° eine geringere Steigung sk auf als die durchschnittliche Steigung der Flanke des benachbarten Steges sf in derselben Separatorplatte 2a mit einem Anstiegswinkel φ von ungefähr 32° relativ zur Berührfläche. Der Anstieg der Flanke bzw. des geraden Flankenabschnitts 29a ist jedoch deutlich steiler und beträgt ungefähr ε=60°.
In 6A der 6 ist eine Schrägansicht eines anderen Abschnitts 202 eines Verteilbereichs 20 gezeigt, der aber ebenso zu einer anderen erfindungsgemäßen Bipolarplatte 2 gehören könnte. 6B zeigt eine zugehörige Detailansicht. Die elastischen Kontaktbereiche 44, die in 6A gezeigt sind, weisen jeweils eine runde Form auf, ebenso die Berührflächen 42. Die Federflächen 46 umschließen letztere im Wesentlichen kreisringförmig. Die Gas-Fließkanäle 27a der oben liegenden Separatorplatte 2a weisen verglichen mit den sie trennenden Stegen 26a in den Bereichen, in denen keine elastischen Kontaktbereiche 44 angeordnet sind, eine Breite auf, die nur ungefähr ¼ der Breite der sie trennenden Stege 27a aufweisen. Entsprechend sind die Temperiermedium-Fließkanäle 22a ungefähr viermal so breit wie die sie trennenden Stege 21a. Allerdings verbreitern sich die Stege 21a im Bereich des elastischen Kontaktbereichs 44. Sie weisen dort eine maximale Stegbreite Bk auf, die fast 5-mal so groß ist wie die Stegbreite Bs außerhalb eines elastischen Kontaktbereichs 44, wie in 6B besonders deutlich wird. In 6B ist die Breite Bk dabei nur symbolisch im gezeigten breitesten Stegbereich eingezeichnet, eigentlich müsste sie sich orthogonal zur Längsachse des Steges und damit parallel zu Bk erstrecken, was jedoch aufgrund der Schrägansicht schwierig darstellbar ist.
Der Winkel β, den die Federfläche 46 mit der Ebene der Separatorplatte bzw. der Berührfläche 42 aufspannt, beträgt wiederum ungefähr 10°, wohingegen der Winkel, den die Flanke 29a mit der Berührfläche 42 aufspannt, ungefähr 25° beträgt und somit etwas kleiner als im vorhergehenden Beispiel ist.
7 stellt eine Teildraufsicht auf einen Verteilbereich 20 einer weiteren erfindungsgemäßen Bipolarplatte 2 dar. Darin sind einerseits beispielhaft verschiedene Formen von elastischen Kontaktbereichen 44 in Aufsicht auf die Plattenebene E bzw. Durchsicht durch die Separatorplatte 2a gezeigt. Es sind sowohl die Elemente mit Bezugszeichen versehen, die sich auf der dem Betrachter zugewandten Oberfläche befinden als auch solche, die im Hohlraum 19 oder auf der Unterseite angeordnet sind. Einerseits ist eine Gruppe von elastischen Kontaktbereichen 44l gegeben, die sich mit länglicher Form von links unten nach rechts oben erstreckt und dabei jeweils unmittelbar in die die Temperiermedium-Fließkanäle 22a trennenden Stege 21a übergeht. Sowohl ganz rechts als auch mittig sind Gruppen von elastischen Kontaktbereichen 44o mit länglich-abgerundeter Form gezeigt, die sich ebenfalls von links unten nach rechts oben erstrecken, dabei aber einen geringen Abstand zu den die Temperiermedium-Fließkanäle 22a trennenden Stegen 21a belassen. Links der Mitte ist eine Gruppe von elastischen Kontaktbereichen 44r gezeigt, die eine runde Form aufweisen und einen deutlichen Abstand zu den die Temperiermedium-Fließkanäle 22a trennenden Stegen 21a aufweisen. Links oben ist schließlich ein Ausführungsbeispiel eines elastischen Kontaktbereichs 44f gezeigt, der eine Freiform aufweist.
In allen gezeigten Beispielen der 7 weist der elastische Kontaktbereich 44 eine Berührfläche 42 und eine zumindest abschnittsweise um die Berührfläche 42 umlaufende Federfläche 46 auf. Dabei ist die Federfläche 46o, 46r, 46f jeweils so ausgebildet, dass die Federfläche 46o, 46r, 46f die Berührfläche 42o, 42r, 42f vollständig umläuft. Bei der Gruppe von elastischen Kontaktbereichen 44l mit länglicher Form weisen die Federflächen 42l ebenfalls zumindest abschnittsweise eine längliche Form auf. Diese länglichen Federflächen 42l erstrecken sich so zwischen zwei einander nächstliegenden Temperiermedium-Fließkanälen 22a, dass sie deren aufeinander zu weisenden Flankenenden verbinden.
Die Gas-Fließkanäle 27a der oben liegenden Separatorplatte 2a verlaufen in 7 parallel zueinander und von links oben nach rechts unten, wobei die Neigung gegenüber der Horizontalen weniger als 10° beträgt. Auf der Rückseite der die Gas-Fließkanäle 27a trennenden, ebenfalls parallel und mit derselben Neigung verlaufenden Stege 26a erstrecken sich die Temperiermedium-Fließkanäle 22a in derselben Richtung. Die Flanken zwischen Stegen und Kanälen sind jeweils mit dem Bezugszeichen 28a - auf der Temperiermedium führenden Innenseite der Bipolarplatte 2 - bzw. 29a -auf der gasführenden Außenoberfläche der Bipolarplatte 2 - angegeben.
Andererseits sind in 7 auch die Verläufe der Temperiermedium-Fließkanäle 22b in der in dieser Darstellung unten liegenden Separatorplatte 2b mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Temperiermedium-Fließkanäle 22b (bzw. Stege 26b zwischen den Gas-Fließkanälen27b) erstrecken sich dabei jeweils zwischen den mit länger gestrichelten Linien begrenzten Bereichen, die entsprechenden Stege 21b (bzw. Gas-Fließkanäle 27b) zwischen den mit kürzer gestrichelten Linien begrenzten Bereichen, die Flanken 28b bzw. 29b jeweils zwischen einer länger gestrichelten Linie und einer kürzer gestrichelten Linie. Diese Strukturen verlaufen jeweils von links unten nach rechts oben. Die Temperiermedium-Fließkanäle 22a der ersten Separatorplatte 2a spannen hier mit den Temperiermedium-Fließkanälen 22b der zweiten Separatorplatte 2b einen Winkel δ von ungefähr 150° auf.
Die elastischen Kontaktbereiche 44l verlaufen mit ihrer Längsachse LI im Wesentlichen parallel zur Längsachse Lsb eines Stegs in der benachbarten Separatorplatte 2b, hier sowohl zu den die Temperiermedium-Fließkanäle trennenden Stege 21b als auch zu den die Gas-Fließkanäle trennenden Stege 26b. Nur für einen Steg der letztgenannten Art ist die Längsachse Lsb explizit eingezeichnet. Grundsätzlich ist jedoch auch ein spitzer Winkel zwischen den beiden Stegen möglich, dieser sollte allerdings 30° nicht überschreiten. Eine vergleichbare Parallelität ist hier auch für die Längsachsen Lo bzw. Lf der elastischen Kontaktbereiche 44o und 44f und die Längsachse Lsb gegeben. Auch die Längsachsen Lt der beidseitig der Berührbereiche 42f angeordneten Federflächen 46 verlaufen parallel zu den Längsachsen Lsb der Stege 21b und 26b.
8 zeigt in drei Teilfiguren weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bipolarplatten, wobei die elastischen Kontaktbereiche 44 in 8A und 8B von den vorgenannten Ausführungsbeispielen abweicht, um diese abweichende Form zu betonen sind die betreffenden Bezugszeichen mit Strichen zur Unterscheidung versehen. Sowohl in 8A als auch in 8B sind elastische Kontaktbereiche 44', 44'', 44''' in Schlüssellochform ausgebildet. In 8A ist sämtlichen elastischen Kontaktbereichen 44', 44'' gemein, dass die Berührflächen 42', 42'' eine abgerundete längliche Form aufweist. Die die Berührflächen 42', 42'' umlaufenden Federflächen 46' 46'weisen entlang ihrer abgerundeten Endbereiche jeweils eine konstante Breite auf. In den länglichen, seitlichen Abschnitten sind unterschiedlich gestaltet. Während die entsprechenden Abschnitte des Kontaktbereich 44' in ihrem Verlauf zunächst einen schmalen Bereich 48', der sich in einen breiten Bereich 47' verbreitert um sich dann im Wesentlichen symmetrisch wieder zu einem schmalen Bereich 48' zu verjüngen, ist die Anordnung der breiten Bereiche 47'' und des schmalen Bereichs 48'' beim elastischen Kontaktbereich 44'' entgegengesetzt. Somit wird im elastischen Kontaktbereich 44' eine besonders hohe Elastizität im mittleren Bereich, d.h. im Bereich mit den schmalen Bereichen der Federfläche 44' erzielt, die Elastizität nimmt also von einem Ende zur Mitte hin zu, um zum gegenüberliegenden Ende wieder zuzunehmen. Mit der Federfläche 46'' wird hingegen eine Vergleichmäßigung der Elastizität über den gesamten elastischen Kontaktbereich 44' erzielt. Die sich verändernde Breite des elastischen Kontaktbereichs 44', 44'' kann mit ihren Auskragungen bzw. Rücksprüngen weiter zur Lenkung des Temperiermediums beitragen. Die unterschiedlich breiten Bereiche 47, 48 gehen, da sie Ebenen gleichen Abstands miteinander verbinden, mit unterschiedlichen Steigungen einher. 8A zeigt somit zwei unterschiedliche elastische Kontaktbereiche 44', 44'', bei denen jeweils ein Federbereich 46 mindestens zwei Bereiche 47, 48 aufweist, die relativ zur vom Federbereich 46 begrenzten Berührfläche 42 eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei die mindestens zwei Bereiche 47, 48 umlaufend aufeinander folgen.
Im elastischen Kontaktbereich 44''' weist auch die Berührfläche 42''' eine näherungsweise Schlüssellochform auf. Die Federfläche 46''' umläuft die Berührfläche 42''' mit im Wesentlichen konstanter Breite. Allerdings weisen die gekrümmten Bereiche 49 eine etwas geringere Elastizität auf als die geraden Abschnitte. Die Gesamtform des elastischen Kontaktbereichs 44''' dient mit ihren Auskragungen bzw. Rücksprüngen einerseits einer guten Ausnutzung des Bauraums innerhalb eines Temperiermedium-Steges 21 und gleichzeitig einer zusätzlichen Lenkung des Temperiermediums um den elastischen Kontaktberiech 44''' herum.
In der 8B sind weiterhin mit denselben Linienmustern wie in 7 die verschiedenen Bereiche der von der sichtbaren Separatorplatte der Bipolarplatte 2 verdeckten Separatorplatte dargestellt. Anders als beispielsweise in 7 verlaufen die Stege und Kanäle der verdeckten Separatorplatte dabei nicht parallel zur Längsachse Lf der elastischen Kontaktbereiche 44''', sondern unter einem spitzen Winkel γ, der hier ungefähr 5° beträgt.
In der 8C ist gezeigt, dass der Verteilbereich auch mit mindestens einem Temperiermedium-Zwischenkanal 220 ausgeführt werden kann, der beispielsweise abschnittsweise in einem Steg 21 zwischen zwei Temperiermedium-Fließkanälen 22 angeordnet ist. Die gestrichelten Linien deuten wie in 7 die verschiedenen Bereiche der von der sichtbaren Separatorplatte der Bipolarplatte 2 verdeckten Separatorplatte dar. Der Zwischenkanal 220 verläuft entsprechend in einem Bereich, in dem sich in der anderen Separatorplatte ebenfalls ein Temperiermedium Fließkanal erstreckt bzw. die ihn begrenzenden Flanken. Der Zwischenkanal 220 erweitert also im entsprechenden Bereich den für das Temperiermedium zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt. Gleichzeitig können die Strukturen des Zwischenkanals 220 auch zusätzliche Strömungsführungselemente auf der dem Betrachter zugewandten Oberfläche bilden, also einen Zwischensteg oder eine zusätzliche Barriere im Bereich eines Gas-Fließkanals 270. Hierdurch lässt sich zusätzlich die Richtung des in diesem Gas-Fließkanal 270 strömenden Gases beeinflussen. Die Bezugszeichen in 8C sind ohne Zuordnung zur ersten oder zweiten Separatorplatte angegeben, um zu betonen, dass die elastischen Kontaktbereiche 44 prinzipiell in einer Anoden- und/oder in einer Kathodenplatte einer Bipolarplatte angeordnet sein können. Sind sie in beiden Separatorplatten angeordnet, ist es jedoch bevorzugt, wenn sie in in der Bipolarplatte nicht überlappenden Abschnitten angeordnet sind.
9 zeigt eine Schrägansicht eines Abschnitts eines Verteilbereichs einer weiteren erfindungsgemäßen Bipolarplatte, die eine Variante zur 5 darstellt. Hier ist der Federfläche 46 um die Berührfläche 42 abgestuft gestaltet und weist einen äußeren Bereich 46a mit einer konstanten Steigung sk sowie einen inneren Bereich 46b mit einer als Radius r1 ausgeführten Steigung auf. Die dem Betrachter zugewandte Schnittkante des Bereichs 46b einschließlich des kurzen geraden Abschnitts, in dem die Schnittkante entlang der Berührfläche 42 verläuft, ist zur Hervorhebung dieses Radius r1 sowohl in ihrer unteren Begrenzungslinie als auch in ihrer oberen Begrenzungslinie gepunktet dargestellt.
Sämtliche der Beispiele der 4 bis 9 zeigen, dass innerhalb eines Ausgleichsbereichs 35 die Stege einer der Separatorplatten 2a, 2b jeweils frei von stoffschlüssigen Verbindungen 38 mit der zweiten Separatorplatte 2b sind.

Claims

Bipolarplatte (2) für ein elektrochemisches System (1), mit einer ersten Separatorplatte (2a) und einer zweiten Separatorplatte (2b), die in zur Plattenebene (39a, 39b) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) senkrechter Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Separatorplatte (2a, 2b) jeweils in zur Plattenebene (39a, 39b) senkrechter Richtung zueinander benachbart aufweisen - eine erste Durchgangsöffnung (11b, 11c) zum Durchleiten eines Reaktionsmediums durch die Separatorplatte und eine zweite, zur ersten Durchgangsöffnung in der Plattenebene (39a, 39b) benachbarte Durchgangsöffnung (11a) zum Durchleiten eines Temperiermediums durch die Separatorplatte (2a, 2b) ; - einen Aktivbereich (18) mit ersten Strukturen (17) zum Führen von Reaktionsmedium entlang einer außen liegenden Flachseite der Separatorplatte und zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums entlang der Innenseite der Bipolarplatte (2); und - mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich (20) mit ersten Strukturen zum Führen des Reaktionsmediums zwischen der ersten Durchgangsöffnung (11b, 11c) und dem aktiven Bereich und zweiten Strukturen zum Führen des Temperiermediums zwischen der zweiten Durchgangsöffnung (11a) und dem aktiven Bereich, wobei die Strukturen zum Führen des Temperiermediums im Verteil- oder Sammelbereich (20) Temperiermedium-Fließkanäle (22a, 22b) aufweisen, die durch Stege (21a, 21b) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteil- oder Sammelbereich (20) der ersten Separatorplatte (2a) und/oder der Verteil- oder Sammelbereich (20) der zweiten Separatorplatte (2b) mindestens einen Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) aufweisen, wobei im nichtmontierten Zustand der Bipolarplatte (2) in einem, mehreren oder allen der mindestens einen Ausgleichsbereiche (35) die der jeweils benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) zugewandten Stege (21a, 21b) zwischen zueinander benachbarten Temperiermedium-Fließkanälen (22a, 22b) in zur Plattenebene (39a, 39b) senkrechter Richtung von der benachbarten Separatorplatte beabstandet sind mit der Ausnahme, dass der Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) beabstandet zu seinem Außenrand (30) mindestens einen freistehenden elastischen Kontaktbereich (44) aufweist, in dem ein Abschnitt eines Steges (21a, 21b) derartig auskragt, dass dieser Abschnitt mit der benachbarten Separatorplatte (2a, 2b) eine Berührfläche (42) ausbildet.
Bipolarplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührflächen (42) der elastischen Kontaktbereiche (44) der einen Separatorplatte (2a, 2b) Stegabschnitte (21k) der anderen Separatorplatte (2b, 2a) berühren, wobei die Berührflächen (42) der elastischen Kontaktbereiche (44) und die die Berührflächen (42) berührenden Stegabschnitte (21k) der anderen Separatorplatte (2b, 2a) eine Fluidbarriere (31) im Inneren der Bipolarplatte (2) bilden.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder sämtliche der elastischen Kontaktbereiche (44), der elastische Kontaktbereich (44) in Aufsicht auf die Plattenebene einer der Separatorplatten eine längliche Form (44l), eine länglich-abgerundete Form (44o), eine runde Form (44r) oder eine Freiform (44f) aufweisen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35) in Aufsicht auf die Plattenebene (39a, 39b) einer der Separatorplatten (2a, 2b) der Ausgleichsbereich (35) eine Fläche FA und die elastischen Kontaktbereiche (44) dieses Ausgleichsbereichs (35) insgesamt eine Gesamtfläche FKges aufweisen, wobei gilt FKges ≤ 0,2FA insbesondere FKges ≤ 0,1 FA.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35) in Aufsicht auf die Plattenebene (39a, 39b) einer der Separatorplatten (2a, 2b) der Ausgleichsbereich (35) eine Fläche FA und die Berührflächen (42) der elastischen Kontaktbereiche (44) dieses Ausgleichsbereichs (35) insgesamt eine Gesamtfläche FBges aufweisen, wobei im verpressten Zustand gilt FBges ≤ 0,05 FA, insbesondere Fbges ≤ 0,03 FA.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der elastischen Kontaktbereiche (44) in Aufsicht auf die Plattenebene (39a, 39b) einer der Separatorplatten (2a, 2b) der elastische Kontaktbereich (44) eine längliche Form (44l) oder eine länglich-abgerundete Form (44o) aufweist und in seiner Längsachse (Ll, Lo) unter einem Winkel α ≠ 0° zu der Längsachse (Ls, Lsa, Lsb) des Steges (21a, 21b) im jeweiligen elastischen Kontaktbereich (44) verläuft, wobei vorteilhafterweise gilt 15° ≤ α ≤ 90°, insbesondere 20° ≤ α ≤ 60°.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein, mehrere oder sämtliche elastischen Kontaktbereiche einer der Separatorplatten (2a, 2b) und ein Steg des Verteil- oder Sammelbereichs (20) der anderen Separatorplatte (2b, 2a) in Orthogonalprojektion auf die Plattenebene (39a, 39b) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) mit einem Winkel γ ≤ 30°, vorzugsweise y ≤ 20°, insbesondere y ≤ 10° relativ zueinander verlaufen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der elastischen Kontaktbereiche (35) in Aufsicht auf die Plattenebene (39a, 39b) einer der Separatorplatten (2a, 2b) der elastische Kontaktbereich (44) eine längliche Form oder eine länglich-abgerundete Form aufweist und in seiner Längsachse (L) im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (Ls, Lsa, Lsb) eines Stegs (21) in der benachbarten Separatorplatte verläuft.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegbreite (Bs) im Bereich des elastischen Kontaktbereichs (44) konstant ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Stegbreite (Bk) im Bereich des elastischen Kontaktbereichs (44) mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50%, insbesondere mindestens 100% und besonders bevorzugt mindestens 200% größer ist als die Stegbreite (Bs) außerhalb eines elastischen Kontaktbereichs (44).
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Kontaktbereich (44) eine um die Berührfläche (42) zumindest abschnittsweise umlaufende Federfläche (46) aufweist, die eine geringere Steigung (sk) aufweist als die durchschnittliche Steigung der Flanke des benachbarten Steges (sf) in derselben Separatorplatte.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Kontaktbereich (44) eine um die Berührfläche (42) zumindest abschnittsweise umlaufende Federfläche (46) aufweist, die eine Steigung (sb) von β ≤ 30°, vorzugsweise β ≤ 20°, insbesondere β ≤ 15° relativ zur Berührfläche, aufweist.
Bipolarplatte nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federfläche (46) die Berührfläche (42) vollständig umläuft.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Federfläche (46) zumindest abschnittsweise in Aufsicht auf die Plattenebene (39a, 39b) einer der Separatorplatten (2a, 2b) eine längliche Form aufweist und mit ihrer Längsachse (Lt) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (Ls, Lsa, Lsb) eines Stegs (21) in der benachbarten Separatorplatte verläuft.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Federfläche (46) sich zwischen zwei einander nächstliegenden Temperiermedium-Fließkanälen (26) so erstreckt, dass sie deren aufeinander zu weisende Flankenenden verbindet.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiermedium-Fließkanäle (22a) einer der Separatorplatten (2a, 2b) und die Temperiermedium-Fließkanäle (22b) der anderen Separatorplatte (2b, 2a) zumindest abschnittsweise unter einem Winkel 15°≤δ≤90°, vorzugsweise 20°≤δ≤60°, verlaufen.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Ausgleichsbereichs (35) die Stege (21) einer der Separatorplatten (2a, 2b) jeweils frei von stoffschlüssigen Verbindungen mit der anderen Separatorplatte (2b, 2a) sind.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federbereich (46) mindestens zwei Bereiche (46a, 46b, 47, 48, 49) aufweist, die relativ zur vom Federbereich (46) begrenzten Berührfläche (42) eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei einer dieser zwei Bereiche den anderen Bereich vorzugsweise umläuft, insbesondere vollständig umläuft und/oder die mindestens zwei Bereiche (47, 48, 49) umlaufend aufeinander folgen.
Bipolarplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle der Ausgleichsbereiche (35, 35a, 35b) der ersten und/oder der zweiten Separatorplatte (2a, 2b) in dem Ausgleichsbereich (35, 35a, 35b) die Temperiermedium-Fließkanäle (22a, 22b) mit Ausnahme der elastischen Kontaktbereiche weniger tief sind als die äußere Flanke (28a') eines oder beider der beiden äußersten Temperiermedium-Fließkanäle.
Elektrochemisches System (1), umfassend wenigstens eine Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche sowie wenigstens eine MEA.