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WO2019076813A1 - Elektrochemische anordnung und elektrochemisches system - Google Patents

Elektrochemische anordnung und elektrochemisches system Download PDF

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WO2019076813A1
WO2019076813A1 PCT/EP2018/078075 EP2018078075W WO2019076813A1 WO 2019076813 A1 WO2019076813 A1 WO 2019076813A1 EP 2018078075 W EP2018078075 W EP 2018078075W WO 2019076813 A1 WO2019076813 A1 WO 2019076813A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
separator plates
electrochemical
support
plate
support element
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/078075
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Wenzel
Bernd Gaugler
Armin GÜTERMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Reinz Dichtungs GmbH
Original Assignee
Reinz Dichtungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2020520031A priority patent/JP7214723B2/ja
Priority to CN201880067434.XA priority patent/CN111247678B/zh
Priority to KR1020207013640A priority patent/KR102418532B1/ko
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical arrangement with two metallic separator plates and an electrochemical cell arranged between the metallic separator plates.
  • the invention further relates to an electrochemical system having a plurality of such electrochemical assemblies arranged in a stack.
  • electrochemical systems usually comprise a stack of electrochemical cells, each separated by separator plates.
  • the term electrochemical cell is intended in this document, in particular cells for converting chemical energy into electrical energy (eg fuel cells), to induce a chemical reaction by supplying electrical energy (eg electrolysis cells) or to exchange moisture between gases (eg, humidifier cells).
  • the separator plates are formed from two assembled single plates.
  • the individual plates of the separator can be joined together materially, for. B. by one or more welded joints, in particular by one or more laser welding joints.
  • the separator plates usually each have at least one or more passage openings. Through the passage openings, the media and / or the reaction products can be conducted to the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates of the stack or into the inner space formed by the individual plates of the separator plate or be derived from cells or from the interior.
  • the mentioned separator plates can, for. B. the electrical contacting of the electrodes of the individual electrochemical cells (eg., Fuel cells) and / or the electrical connection of adjacent cells serve (series connection of the cells).
  • the Separatorplatten which may be constructed in particular of two individual plates, and these same individual plates may each have structures or form, the z. B. are designed to supply the arranged between adjacent separator plates electrochemical cells with one or more media and / or for the removal of reaction products.
  • the media may be fuels (eg, hydrogen or methanol) or reaction gases (eg, air or oxygen).
  • the separator plates or the individual plates can have structures for guiding a cooling medium through the separator plate, in particular for guiding the cooling medium through an interior enclosed by the individual plates of the separator plate.
  • Separator plates can thus be designed to pass on the waste heat produced during the conversion of electrical or chemical energy in the electrochemical cell.
  • the separator plates for sealing the different media or cooling channels against each other and / or the entire separator plate may be formed to the outside.
  • the electrochemical cells also typically each include one or more electrolyte membranes (eg, in the case of fuel cells) or one or more water exchange membranes (eg, in the case of humidifier cells).
  • the electrochemical cells can also Gas diffusion layers, which are preferably disposed on either side of the membrane and which can improve the rate of media transfer or media exchange across the membrane.
  • the gas diffusion layers can z. B. be designed as metal or carbon nonwoven.
  • the separator plates or the individual plates of the separator plates often have sealing elements which are e.g. B. in the form of
  • Sealing beads are molded or embossed in the Separatorplatten. In particular, these can be performed as arcuate full beads or full beads with two legs and a roof extending therebetween.
  • the sealing elements of adjacent separator plates of the stack typically support one another in order to achieve the sealing effect.
  • the sealing elements can consistently achieve a good sealing effect irrespective of the prevailing operating state, it is desirable for the sealing elements to be resilient at least within a predetermined tolerance range, ie. H. reversibly deformable.
  • a predetermined tolerance range ie. H. reversibly deformable.
  • the sealing elements are deformed beyond the tolerance range, it can lead to plastic, d. H. irreversible deformations of the sealing elements come. If necessary, this can lead to the sealing elements no longer being able to fulfill their sealing effect. This can significantly reduce the efficiency of the system or even make maintenance of the system completely impossible. Will the system be flammable
  • the invention is therefore an object of the invention to provide an electrochemical arrangement with two separator plates and between the Separatorplatten and sealed by sealing elements electrochemical cell that can withstand the largest possible mechanical loads and thus ensures the safest possible operation.
  • the space requirement and the weight of the sought arrangement should hardly rise as against the known solutions.
  • an electrochemical system with a plurality of corresponding electrochemical arrangements is to be created.
  • the electrochemical device proposed herein comprises at least: first and second metallic separator plates each defining a plate plane and stacked in a stacking direction perpendicular to the plate planes; and
  • the separator plates each have at least one sealing element stamped into the separator plate and rising above the respective plate plane, the sealing elements of the separator plates being supported against one another for sealing at least the electrochemical cell arranged between the separator plates.
  • the sealing elements of the separator plates are elastically deformable in the stacking direction, so that a distance z of the plate planes of the separator plates can be reversibly reduced by an elastic compression of at least one of the sealing elements of the separator plates at least up to a distance z 2 .
  • the electrochemical arrangement proposed here comprises at least one support element, which is respectively arranged between the separator plates and which in a direction parallel to the plate planes of the
  • Separator plates is spaced from the sealing elements of Separatorplatten. If the sealing elements are configured as full corrugations, a sealing element comprises the entire full bead. A support element is thus spaced from the entire sealing element and not between the two bead legs of a full bead.
  • the sealing elements of the separator plates are formed in such a way and the at least one support element is for the protection of the sealing elements of
  • Separator plates before irreversible plastic deformation arranged and designed such that when the distance z of the plate planes of the separator plates from each other due to a force acting in the stacking direction on the separator plates pressing force is reduced to a distance z z z 2 , one for compression or for further compression of only the at least one support element by a distance ⁇ 'in the stacking direction required force F s is greater than a force required for further compression of only the at least one sealing element separator plates to the distance ⁇ ' in the stacking direction force F D.
  • the Separatorplatten can be formed in total each of a flat sheet metal, z. B. by a stamping or deep drawing process. If the separator plates consist of more than one plate, the individual plates can each be formed from a flat metal sheet, likewise for example by an embossing or deep-drawing process. The plate levels can then z. B. be defined by those just remained areas of Separatorplatten that have not been deformed by the molding process. Instead of the distance z of the plate planes of the separator plates from each other, the distance z of the separator plates from each other or simply from the plate spacing is discussed below for the sake of simplicity. There is one
  • Separator plate defined as the median plane of the plate group.
  • the sealing elements of the separator plates can be designed such that the at least one support element can be arranged and designed such that for distances z of the separator plates from each other z ⁇ zi, where zi> z 2 applies, with a further reduction of the distance z
  • the at least one support element can be arranged and configured such that the support element has a substantially exponential force-displacement curve for distances z of the separator plates from one another with z ⁇ zi with zi> z 2 .
  • the force-displacement curve represents the force F s (z) which must be applied in order to compress only the support element arranged between the separator plates to such an extent that the distance between the separator plates is equal to z.
  • This can apply at least in sections in the area z ⁇ zi. However, this applies preferably throughout the entire area
  • the sealing elements of the Separatorplatten can be designed such that a reduction of the distance of the separator plates from each other to a value z ⁇ z 3 with z 3 ⁇ z 2 at least one of the sealing elements of
  • One or more of the support elements of the at least one support element may be configured such that it / they each at least one Cavity and / or each having a plurality of pores / have.
  • one or more of the support members of the at least one support member may each comprise a foamed material or may be wholly or partially formed of a foamed material. It is also layered structures with different elastic-compressible and / or foamed
  • the support element or the support elements which comprises the at least one cavity and / or the pores, can in each case be designed such that the at least one cavity and / or the pores are directed onto the separator plates in the stacking direction acting pressing force is completely or at least partially collapsible / are.
  • the support element comprising the at least one cavity and / or the pores can then each be designed and arranged in such a way that the at least one cavity and / or the pores are at a distance z
  • the resistance of the support element against further compression in the stacking direction is usually determined in each case by the strength or the elasticity of the material or materials from which or from which the support element is respectively formed .
  • the at least one support element may further be designed such that its resistance to compression or to further compression in the stacking direction when the cavity and / or the pores are not or only partially collapsed, for. B. for plate spacing z with z> z 2 , mainly not determined by the strength or elasticity of the support element material, but by the geometry of the cavity and / or the pores of the support element or possibly by a pressure of a in the cavity and / or gas trapped in the pores.
  • the resistance of the at least one support element against compression or against further compression in the stacking direction can be given a specific dependence on the plate spacing by the formation of the at least one support element with a cavity and / or with pores in this way.
  • the sealing elements of the separator plates can be designed in this way and the at least one support element can be arranged and designed such that for plate spacings z with z> z 2 for compressing or further compression of only the at least one sealing element of
  • Separator plates by a distance .DELTA. ⁇ "required in the stacking direction force F D is greater than or equal to the force required for compression or further compression of only the at least one support member by the distance ⁇ " in the stacking direction F s .
  • This preferably applies at least for plate spacings z with zi ⁇ z ⁇ z 0 .
  • the resistance of the at least one sealing element against compression or against further compression of the sealing element in the stacking direction for large plate spacings, namely for plate spacings z with z> zi can be so low that the resistance of the entire arrangement against a reduction of Plate spacing in this area is dominated by the sealing elements of Separatorplatten.
  • the arrangement can thus changes the plate spacing, z. B. due to temperature fluctuations occurring during operation, undisturbed or substantially undisturbed yield.
  • the at least one support element comprises at least one support element or a plurality of support elements which is arranged and configured such that between at least one of the separator plates and this support element in the stacking direction for z> zi with zi> z 2 each a gap remains.
  • This support element or these support elements can then also be arranged and designed such that the at least one intermediate space for z ⁇ zi disappears in each case.
  • this support element or these support elements can be arranged and designed such that it / is only in contact with plate plates z with z ⁇ zi in the stacking direction with both separator plates of the arrangement.
  • the sealing elements of the separator plates may each comprise a perimeter bead enclosing the electrochemical cell and sealing the electrochemical cell from an environment of the electrochemical assembly.
  • the at least one support element can then z. B. comprise at least one support element or a plurality of support members, or in each case in a direction parallel to the plate planes of
  • Separator plates extends, is arranged on a side facing away from the electrochemical cell side of the Perimetericke / are.
  • This support element or these support elements are therefore arranged outside the region sealed off from the perimeter bead.
  • the at least one support element comprises at least one support element, which is arranged within the area sealed by the perimeter bead.
  • the at least one support element comprises at least one support element or a plurality of support elements, which at least partially comprise / comprise an electrically insulating material or which is / are at least partially formed from an electrically insulating material.
  • the electrically insulating material is then preferably each arranged such that at each distance z of the metallic
  • the support elements of the at least one support element is / are formed completely from an electrically insulating material.
  • the support elements, which have an electrically insulating material to avoid an electrical short circuit between the separator plates comprise at least those support elements which are arranged outside the area sealed by the perimeter bead.
  • At least one or more of the support elements of the at least one support element may comprise a thermoplastic material, a thermoplastic elastomer and / or a ceramic material. It is also conceivable that at least one or more of the support elements of at least one support element comprises / comprise a polymer-based and / or a metallic support fabric. At least one or more of the support elements of the at least one support element can be connected to at least one of the separator plates in a material-locking and / or non-positive and / or positive-locking manner.
  • the electrochemical cell may have a frame. Furthermore, the electrochemical cell can have at least one membrane embedded in the frame, in particular an electrolyte membrane or a water transfer membrane. Usually, the membrane is sealingly received between the mutually supporting sealing elements of Separatorplatten. Preferably, a gas diffusion layer is additionally arranged on both sides of the membrane. At least one or more of the support elements of the at least one support element can / can be materially and / or positively connected to the frame.
  • At least one or more of the support members of the at least one support member may be configured to be attachable to at least one of the separator plates, e.g. In a direction parallel to the plate planes of the separator plates.
  • this support element or these support elements are then in each case releasably attachable to at least one of the separator plates.
  • the separator plates usually each have at least one passage opening for passing a medium through the separator plate.
  • the at least one sealing element of the separator plates can then each comprise at least one port bead embossed into the separator plate, wherein a respective port bead is arranged around each of the through openings for sealing the through openings.
  • One or more of the support elements of the at least one support element can then be arranged on a side of the ports that faces away from the passage opening.
  • one or more of the support elements of the at least one support element is / are arranged within the area sealed by the port bead.
  • the port beads may then each have bushings that provide fluid communication between that of the
  • the at least one support member is in a direction parallel to the plate planes of the separator plates, each spaced from the port bead.
  • Each of the separator plates may comprise two metallic single plates.
  • Each of the individual plates may comprise at least one sealing element embossed in this single plate and elastic in the stacking direction.
  • the sealing elements of the individual plates are then identical to the aforementioned sealing elements of the separator plates.
  • each of the individual plates can each have at least one perimeter bead and / or at least one port bead.
  • the proposed here electrochemical arrangement may further comprise a holding element, the z. B. is arranged laterally on the stack formed by the separator plates of the arrangement.
  • the at least one support element of the arrangement may comprise a plurality of support elements, which are each connected to the holding element or which are each formed integrally with the holding element.
  • an electrochemical system having a plurality of electrochemical assemblies of the type previously described, stacked along a common stacking direction. That is, the system's common stacking direction and the stacking directions of the system's arrays are aligned in parallel. If the electrochemical system comprises a holding element of the type described above, this holding element can extend along the stacking direction over a multiplicity of the electrochemical arrangements. The holding element can then be connected to a plurality of support elements of different arrangements of the system or be formed integrally with these support elements.
  • FIGS Figures shown Exemplary embodiments of the electrochemical arrangement proposed here and of the electrochemical system proposed here are described in FIGS Figures shown and will be explained in more detail with reference to the following description.
  • various essential to the invention or advantageous further education elements are mentioned in the context of these examples, with individual ones of these elements as such for the development of the invention - also removed from the context of the respective example and other features of each example - can be used.
  • the same or similar reference numerals are used in the figures for the same or similar elements and their explanation is therefore partially omitted.
  • 1 shows schematically an embodiment of an electrochemical system according to the invention having a multiplicity of electrochemical arrangements arranged in a stack and each having two metallic separator plates and one electrochemical cell arranged between the separator plates;
  • Fig. 2 shows schematically a metallic according to the invention
  • FIG. 3a shows schematically a detail of the electrochemical system of FIG.
  • FIG. 3b schematically shows a detail of the electrochemical system from FIG.
  • FIG. 4a-c schematically sectional views of an inventive
  • FIG. 5a-b schematically supporting elements according to the invention with cavity in a sectional view
  • FIG. 6a-c schematically sectional views of an inventive
  • Fig. 6d schematically shows force-displacement characteristics of the sealing bead
  • FIGS. 7-14 schematically each show a detail of an electrochemical system according to the invention with a multiplicity of electrochemical arrangements in a sectional representation according to various embodiments.
  • Fig. 1 shows an inventive electrochemical system 1 with a stack 32 having a plurality of identical metallic separator plates 10, which are stacked along a z-direction 6 and clamped between two end plates 3, 4.
  • the z-direction 6 is also called stacking direction.
  • the separator plates 10 each comprise two interconnected individual plates 10a, 10b (see eg Fig. 3a).
  • the system 1 is a fuel cell stack.
  • Each two adjacent Separatorplatten 10 of the stack 32 thus include an electrochemical cell between them, the z. B. the conversion of chemical energy into electrical energy is used, and form each with an electrochemical arrangement.
  • the stack 32 of the system 1 thus comprises a plurality of electrochemical arrangements which are stacked in the z-direction 6.
  • the electrochemical cells usually each have a membrane electrode assembly (MEA) 14 having a membrane 15, for. B. an electrolyte membrane, and gas diffusion layers (GDL) 16 includes (see, for example, Fig. 3a).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the system 1 may also be designed as an electrolyzer, compressor or as a redox flow battery.
  • Separator plates can also be used in these electrochemical systems. The structure of these separator plates corresponds to the structure of the here explained in more detail separator plates 10, even if the on or through the Separator plates can distinguish guided media.
  • the end plate 4 has a multiplicity of media connections 5, via which media can be supplied to the system 1 and can be discharged from the system 1 via the media.
  • These system 1 can be fed and discharged from the system 1 media can, for.
  • fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or coolant such as water and / or glycol include.
  • FIG. 2 shows a plan view of a detail of one of the separator plates 10 of the system from FIG. 1.
  • the separator plate 10 is formed from two metallic single plates 10a, 10b, of which only the first single plate 10a is visible in FIG the second single plate 10b hidden.
  • the individual plates 10a, 10b may each be made of a metal sheet, for. B. from a stainless steel sheet.
  • the individual plates 10a, 10b have mutually aligned passage openings which form passage openings IIa, IIb, 11c of the separator plate 10.
  • the passage openings 11a-c of the separator plates 10 form
  • each of the lines formed by the through-holes 11a-c are each in fluid communication with one of the media ports 5 in the end plate 4 of the system 1.
  • the lines formed by the through-holes 11a, 11b serve to supply the electrochemical
  • coolant can be introduced into the stack 32 or discharged from the stack 32 via the line formed by the passage 11c.
  • the first single plate 10a on sealing elements in the form of port pitches 12a-c which are each arranged around the through holes lla-c around and completely enclose the through holes lla-c respectively.
  • the port pitches 12a-c are each formed in the single plate 10a, in particular embossed.
  • FIG. 10b shows the rear side facing away from the observer of FIG Separator plate 10 corresponding Porticken for sealing the through holes lla-c (not shown).
  • the port pitches 12a-c are at least perpendicular to the plane of the plate, which is aligned parallel to the plane of the drawing in FIG. 2, and thus elastic along the z-direction 6, ie reversibly deformable.
  • the first single plate 10a on its front side facing the observer of FIG. 2 has a flow field 17 with structures for guiding a medium along the front side of the single plate 10a.
  • These structures include, for. B. a plurality of webs and arranged between the webs channels, which are impressed, for example, in the single plate 10 a.
  • FIG. 2 shows only a section of the active region 8 on the front side of the separator plate 10.
  • the first single plate 10a also on a distribution or collection area 20, which in turn has structures for guiding a medium along the front of the single plate 10a, these structures typically also include webs and disposed between the webs channels.
  • the distribution or collection area 20 establishes a fluid connection between the passage opening IIb and the active area 8.
  • the passages of the distribution or collection region 20 are in communication with the passage opening IIb via passages 13b through the ports 12b, and with the passage formed by the passage IIb through the passages
  • the passage opening IIa or the line formed by the passage opening IIa through the plate stack 32 is usually correspondingly in fluid communication with a distribution and collection area and over this with a flow field.
  • the passage opening 11c or the line formed by the passage opening 11c through the stack 32 is in fluid communication with an enclosed or enclosed by the individual plates 10 a, 10 b inner space 22, which is designed to guide a coolant through the separator plate 10.
  • Embossed shape of a perimeter bead 12d, the flow field 17 of the active area 8, the distribution or collection area 20 and the passage openings IIa, IIb circulates and these with respect to the passage opening 11c, d. H. relative to the coolant circuit, and seals against the environment of the system 1.
  • the flow field 17 of the active area 8 the distribution or collection area 20 and the passage openings IIa, IIb circulates and these with respect to the passage opening 11c, d. H. relative to the coolant circuit, and seals against the environment of the system 1.
  • Perimeter bead 12d additionally enclose the passage opening 11c.
  • the perimeter bead 12d is like the port pitches 12a-c perpendicular to the plate plane and thus along the z-direction 6 elastic, so reversible deformable.
  • the support elements are not shown in Fig. 2, they will be explained only with reference to the following figures.
  • FIG. 3a shows a detail of the stack 32 of the electrochemical system 1 from FIG. 1 in a sectional representation, wherein the sectional plane along the line A-A from FIG. 2 is aligned parallel to the x-z plane.
  • the stack 32 includes a
  • the separator plates 10 of the stack 32 are each formed identically here.
  • the separator plates 10 define plate planes oriented perpendicular to the z-direction 6.
  • Fig. 3a is clearly seen that the metallic separator plates 10 are each formed of two interconnected metallic individual plates 10a, 10b. The presentation of any existing coatings has been omitted here for the sake of clarity. Shown are also the active areas 8 of the separator plates 10 and the individual plates 10a, 10b, each having a flow field 17 with embossed into the individual plates 10a, 10b channels and webs.
  • the structures of the flow fields 17 serve to guide reaction media on the outer sides of the separator plates 10 and to guide a coolant through the interior spaces 22 of the separator plates 10 enclosed by the individual plates 10a, 10b.
  • the active regions 8 there is between two adjacent separator plates 10 of the stack 32 each one
  • Membrane electrode unit (MEA) 14 is arranged.
  • the MEAs 14 each include a membrane 15, e.g. B. an electrolyte membrane, and on both sides of the membrane 15 arranged Gasdiffusionsla- conditions (GDL) 16.
  • GDL 16 are z. B. each formed from a metal or a carbon fabric and allow the guided in the active areas 8 media, the membranes 15 can flow in the areas of the webs of the flow fields 17.
  • GDL 16 Gasdiffusionsla- conditions
  • Separator plates 10 arranged electrochemical cells with the active regions 8 each sealed by the in the individual plates 10a, 10b embossed, at least in the z-direction 6 elastic perimeter beads 12d. At the edge of the active region 8 and toward the perimeter beads 12d, the membranes 15 are each embedded in a reinforced frame 18.
  • Frame 18 is in each case received in a sealing manner between the perimeter beads 12d of adjacent separator plates 10 of the stack 32.
  • the elastic port pitches 12a-c of two adjacent separator plates 10 of the stack 32 are also supported against one another via the frame 18 and seal those of the through-openings 11a-c that rotate around them, in each case toward the outside and toward the interior of the stack 32 (FIG. not shown in Fig. 3a).
  • the plate planes of adjacent separator plates 10 of the stack 32 have a certain distance along the z-direction 6 of z 0 from each other.
  • the beads 12a-d are usually slightly elastically compressed along the z-direction 6 by a bias introduced into the stack 32 via the end plates 3, 4 (see FIG , In this state, the frames 18 each have a thickness ⁇ also determined along the z-direction 6 (see detail figure).
  • Fig. 3a it can be seen that the plate spacing z 0 between adjacent
  • the height h of the individual plates 10a, 10b embossed perimeter thicknesses 12d is greater than a maximum height along the z-direction 6 of the likewise impressed into the individual plates 10a, 10b structures 17 of the active areas 8 of the arranged between the separator plates 10 electrochemical cells.
  • the plate distance z 0 in normal operation of the system 1 can z. B. between 0.4 mm and 2 mm. However, the plate spacing z 0 in normal operation can also assume smaller or larger values.
  • the proposed here electrochemical system 1 is distinguished from known systems in particular by the fact that between adjacent separator plates 10 of the stack 32 each support elements 19a, 19b are arranged.
  • the support elements 19a, 19b serve the purpose of protecting the beads 12a-d of the separator plates 10 of the stack 32 from irreversible plastic deformation. Such irreversible plastic deformation of the beads 12a-d may occur when strong mechanical forces act on the stack 32, e.g. B. along the z-direction 6 perpendicular to the plate planes of the separator plates 10th
  • the support elements act as absorbers 19a, 19b, which are designed to forces acting on the stack 32 in the z-direction 6 and would cause in the absence of the support members 19a, 19b irreversible compression of the beads 12a-d, if possible to completely absorb, thus preventing damage to the beads 12a-d.
  • the fuel cell system 1 is used to generate electrical energy in a motor vehicle, such forces z. B. occur in an accident collision. Irreversible plastic deformations of the sealing elements of the separator plates 10 can impair the sealing effect of the sealing elements and lead to leaks of reaction gas and / or coolant. This can affect the efficiency of the system 1 or even make the operation of the system 1 impossible.
  • the support members 19a, 19b or at least some of them may, for.
  • a thermoplastic material in particular thermoplastics without fiber reinforcement, or a thermoplastic elastomer, eg TPVs esp. EPDM-PP blends or NBR-PP blends, optionally also include extrudable TPUs or be formed entirely from at least one of these materials.
  • the support members 19a, 19b may comprise a foamed material, such as a foamed thermoplastic or a foamed thermoplastic elastomer.
  • the thermoplastic elastomer may be selected from the group of thermoplastic polyurethane elastomers (TPE-U) and thermoplastic styrene block copolymers (TPE-S). They may have an encapsulation and / or an outer skin, which is integral with the actual body of the support element by foam injection molding of the respective thermoplastic elastomer using at least one chemical and / or physical blowing agent, such as nitrogen, carbon dioxide or a low-boiling hydrocarbon, in particular by evaporation or expansion of the propellant may be formed.
  • TPE-U thermoplastic polyurethane elastomers
  • TPE-S thermoplastic styrene block copolymers
  • the support members 19a, 19b or at least some of them may also comprise a ceramic material.
  • the support elements 19a, 19b or at least some of them may comprise a polymer-based and / or a metallic support fabric.
  • the support elements 19a, 19b may be parallel to the plate planes of the separator plates z. B. each have a rectangular or a round cross-section. However, other forms are conceivable.
  • the support members 19a, 19b are arranged in a direction parallel to the plate planes of the separator plates 10, spaced from the port pitches 12a-c and the perimeter bead 12d, respectively.
  • a spacing of the support elements 19a, 19b which is parallel to the plate planes of the separator plates 12 should preferably not exceed a maximum distance L max from a bead nearest the respective support element 19a, 19b ,
  • the support members 19a are within each of the Perimeter beads 12d enclosed and sealed areas of the
  • Separator plates 10 are arranged.
  • the support elements 19b are each arranged outside the regions of the separator plates 10 enclosed and sealed by the perimeter beads 12d.
  • the support elements 19a, 19b further each materially connected to the frame 18, in which the membranes 15 are embedded.
  • the support elements 19a, 19b or at least some of them z. B. also be materially connected to the separator plates 10, as shown for example in Fig. 5.
  • the support elements 19a, 19b may be glued to the frame 18 and / or to the separator plates 10 or connected by material application.
  • the support members 19a, 19b are mounted on both sides of the frame 18. In particular, in the embodiment of FIG.
  • the frame 18 extends in a direction parallel to the plate planes of the separator plates 10 on either side of the perimeter beads 12d, ie both within and outside the region of the separator plates 10 enclosed and sealed by the perimeter beads 12d
  • Individual plates 10a, 10b of the separator plates 10 also have respective half-bridges 21a, 21b at their outer edges.
  • An outer edge of the frame 18 extends parallel to the plate planes of the separator plates 10 to the outer edge of the separator plates 10, respectively.
  • the support elements 19a, 19b are in the embodiment of Fig. 3a along the z-direction 6 each between a separator 10 and the latter
  • Separator plate 10 immediately adjacent frame 18 is arranged. Between each of the adjacent support elements 19a, 19b along the z-direction 6, a separator plate 10 and a frame 18 are alternately arranged.
  • the support elements 19a, 19b are arranged between the separator plates 10 and in particular along the z-direction 6 dimensioned such that they at least when in the z-direction 6 a pressing force acts on the stack 32, in the absence of the support elements irreversible plastic deformation of the beads 12a-d would cause in the z-direction 6 against each other (see, for example, Fig. 7) and / or against the metallic Support separator plates 10 (see, for example, Fig. 3a) to prevent irreversible plastic deformation of the beads 12a-d.
  • a height of the support elements 19a, 19b determined along the z-direction 6 already corresponds to the normal operation of the system 1 when the plate spacing between the plate planes is adjacent
  • Perimeter beads 12d of the individual plates 10a, 10b Perimeter beads 12d of the individual plates 10a, 10b.
  • the support elements 19a, 19b extend in this case at the plate spacing z 0 in the z-direction 6 respectively to a separator plate 10 and to the frame 18 immediately adjacent to this separator plate 10 and are in contact with both.
  • FIG. 3b likewise shows a detail of the stack 32 of the electrochemical system 1 from FIG. 1 in a sectional illustration, the sectional plane running along the line B-B from FIG. 2.
  • the individual plates 10a, 10b successively half beads 21a, 21b, a Perimetericke 12d, a combination of Portsicke 12a and half beads 21a ', 21b', which circulates as a combination around the passage opening IIa and a short portion of a distribution area 20th on.
  • the port beads 12a and the half bead 21a ' have, in the area facing the distribution area 20, respective passages 13a, which allow a passage of fluid from the passage opening IIa to the distribution area 20 and further to the flow field.
  • the MEA does not extend into this area, but rather sections of the frame 18 are arranged between the separator plates 10. As in Fig. 3a, the support members 19b are mounted on the frame portions 18, extending here between the perimeter bead 12d and the port beads 12a.
  • FIGS. 4a-c each show schematically in a sectional representation an embodiment of a single plate 10a of the stack 32 and a plate 10a arranged on this support member 19.
  • the support member 19 according to the
  • FIGS. 4a-c are representative of support elements arranged in each case between two adjacent separator plates 10 of the stack 32.
  • the support element 19 according to FIGS. 4a-c here is thus representative of one or more of the support elements 19a, 19b, 19c, 19d, 19f, 19g, 19h described above and below, in particular also for combinations of these.
  • the support member 19 from the FIGS. 4a-c is here connected to the single plate 10a, z. B. by an adhesive bond. In the single plate 10a a perimeter bead 12d is impressed.
  • the in Figs. 4a-d may also apply to the port pitches 12a-c or to the entirety of the beads 12a-d (see, for example, FIG. 2).
  • FIGS. 4a-c, the perimeter bead 12d and the support member 19 each at a different degree of compression of the stack 32 in the z-direction 6, wherein the degree of compression in each case by the distance z of the plate planes of adjacent separator plates 10 of the stack
  • FIGS. 4a-c in each case only a part of the symmetrical arrangement of two separator plates 10 or of two individual plates 10a, 10b, the frame 18 between the separator plates 10 and the individual plates 10a, 10b, respectively, with the thickness ⁇ and that between the separator plates 10 or the support elements 19 arranged between the individual plates 10a, 10b (see, for example, FIG. 3a), the height h along the z-direction 6 is the bead
  • the height h of the bead 12d in normal operation of the system 1 may, for. B. assume a value between 0.3 mm and 0.6 mm.
  • FIG. 4d shows the force-displacement characteristics F D (z) and F s (z) as continuous functions of the distance z between the plate planes of adjacent separator plates 10 of the stack 32, wherein the distance values z 0 , z and z 2 , the in the Fign. 4a-c, each highlighted by dashed vertical lines.
  • Fig. 4d at the plate spacings z 0 , zi and z 2 shown in FIGS. 4a-c respectively acting on the bead 12d and on the support member 19 forces F D (z 0 ), F D (zi), F s (zi), F D (z 2 ) and F D (z 2 ) as horizontally extending highlighted dashed lines.
  • I n Fig. 4d is also acting on the bead 12d and on the support member 19 and z. B. on the end plates 3, 4 introduced into the stack 32 total force
  • the characteristic F G (z) can z. B. in the stepwise compression of the stack 32 are recorded by means of a force sensor, wherein the stack 32, the separator plates 10 with the molded beads 12 a - d and between the
  • Separator plates 10 arranged support elements 19 comprises (see, for example, Fig. 3a).
  • the force sensor can record each of the pressing force exerted on the end plates 3, 4.
  • the force can be, for example, for an electrochemical cell and the two limiting them
  • the sealing element characteristic F D (z) can z. B. in the stepwise compression of a stack of separator plates of the type of Separatorplatten 10 with the molded-perimeter bead 12d (and possibly in addition to the
  • the energy deposited as a result of pressing the perimeter bead 12d along the z-direction 6 in the perimeter bead 12d is in each case given by the corresponding surface under the curve F D (z).
  • the energy deposited as a result of a compression of the support element 19 along the z-direction 6 in the support element 19 is in each case given by the corresponding surface under the curve F s (z).
  • the force-displacement characteristic curve F D (z) of the bead 12d is clearly the elastic behavior of the bead 12d at plate spacings z with z 3 ⁇ z ⁇ z 0 removable, characterized by the linear course of the characteristic F D (z) in this area ,
  • a slight deviation of the characteristic curve F D (z) from an ideal linear profile may be due to the fact that the bead 12d does not completely recover its original undeformed geometry after a first compression ( hysteresis).
  • the bead 12d is formed such that an even greater compression of the bead 12d for 3 addition, that leads for plate spacing z with z ⁇ z 3, to an irreversible plastic deformation of the bead 12d.
  • the in Figs. 4a-c shown support member 19 has a plurality of pores 23 ren.
  • the support member 19 of FIGS. 4a-c made of a foamed
  • the pores 23 may be in the unloaded state z. B. be approximately spherical and have typical diameters between 0.01 mm and 0.15 mm.
  • the pores 23 of the support element can be completely or at least partially compressed, which changes the course of the support element.
  • Characteristic F s (z) significantly influenced.
  • significantly different distance ranges with different behavior of the support element characteristic F s (z) in the respective area can be seen on the support element characteristic F s (z).
  • the resistance of the support member 19 relative to a compression of the support member 19 in the z-direction 6 significantly determined by the geometry of those structures of the support member 19, which not or not yet completely collapsed Form pores 23.
  • the support element characteristic F s (z) which characterizes the resistance of the support element 19 with respect to compression or against further compression of the support element 19, lies continuously below the sealing element characteristic F D (z) of the bead 12 d.
  • the force F D required for this plate spacing z to compress or further compress only the bead 12d in the z direction 6 by a distance ⁇ "> 0 applies (z) is greater than or equal to the force at the same plate spacing z for compression or further compression of only the support member 19 in the z-direction 6 by the same distance ⁇ "required force F s (z).
  • the support element 19 or the support elements 19 is / are such and in particular along the z-direction 6 dimensioned / are such that the resistance of the stack 32 against compression or against further compression of the stack 32 in the z-direction 6 with only slight deformation of the beads 12a-d of the separator 12, ie at plate intervals z zi ⁇ z ⁇ z 0 , significantly determined by the resistance of the beads 12a-d against further compression.
  • the support element 19 and the support elements 19 thus affect the elastic deformability of the beads 12a-d, which is quite desirable at low plate spacings, at plate spacings z with zi ⁇ z ⁇ z 0, thus hardly noticeable.
  • the beads 12a-d may cause slight deformations of the separator plates 10 and / or other components in the z-direction 6, e.g. B. caused by the operation of the system 1 temperature fluctuations or other miscellaneous operating conditions, readily yield and thus their Sealing function fully maintained.
  • the bead 12d is thus formed and the support member 19 is arranged and designed such that for all plate spacings z with z ⁇ zi for compression or further compression of only the support member 19 by a distance ⁇ '"> 0 in the z-direction 6 required force F s with a further reduction of the plate spacing z grows faster than the force required for further compression only the bead 12d by the same path ⁇ '"in the z-direction 6 force F D.
  • zi is here z.
  • B the largest plate spacing to which this relation applies.
  • the characteristic F s (z) may have an exponential profile at least in the region z ⁇ zi.
  • the support element characteristic F s (z) and the sealing element characteristic F D (z) intersect.
  • the bead 12d may be formed such that the support member 19 may be arranged and formed such that the pores 23 of the support member 19 are completely compressed or collapsed for all of the plate spacings z with z ⁇ z 2 .
  • z 2 may be the largest plate spacing at which the pores 23 of the support member 19 are completely compressed or collapsed.
  • the bead 12d and the support element 19 are arranged and designed such that the support element characteristic F s (z) for all plate spacings z with z ⁇ z 2 continuously above the sealing element characteristic F D (z) runs. So we have Fs (z)> F D (z) for all plate distances z with z ⁇ z 2 , where z 2 is the largest plate distance to which this relation applies.
  • the course of the sealing element characteristic F D (z) is usually determined by the geometry of the bead 12 d and by the material properties of the bead 12 d.
  • the course of the sealing element characteristic F D (z) is determined by its height h, its foot width and its flank angle in the unloaded state and by the thickness and / or by the material of the single plate 10a, in which the bead 12d is formed.
  • the course of the support element characteristic F s (z) is typically determined by the geometry of the support member 19 and by the material properties of the support member 19. For example, the support member 19 in the in Figs.
  • the size of the plate distance zi for which applies
  • the value of z x and / or the value of z 2 19 can be reduced to smaller plate spacings out by increasing the average size of the pores 23 of the support member 19 in the unloaded state of the support member.
  • the value of zi and / or the value of z 2 can be reduced to smaller plate spacings by increasing the volume fraction of the pores 23 of the support element 19 on the total volume of the support element 19 in the unloaded state of the support element 19a.
  • the value of zi and / or the value of z 2 can be increased by increasing the cross-sectional area of the support element 19a parallel to the plate planes of the separator plates 10 or the individual plates 10a, 10b to larger plate spacings.
  • Z For example, the value of zi and / or the value of z 2 may be increased by increasing the modulus of elasticity of the material
  • Support member 19a are increased toward larger plate intervals.
  • the Fign. 5a-b show further conceivable embodiments of supporting elements 19 according to the invention, here denoted as 19c and 19d, in a sectional view along a plane parallel to the z-direction 6 and thus perpendicular to the plate planes of the separator plates 10 and the individual plates 10a. 10b is aligned.
  • the support members 19c, 19d may in alternative embodiments of the stack 32 z. B. replace all or at least some of the support elements 19a and possibly also 19b in Fig. 3a.
  • the support elements 19c, 19d each with a single plate 10a a
  • the support members 19c, 19d, or some of them may each also be connected to one of the frames 18 (see Fig. 3a).
  • the support elements 19c, 19d each have an outer wall 25 made of an elastic material.
  • the outer wall 25 is each formed of a thermoplastic elastomer.
  • the support elements 19c, 19d also each have at least one cavity 24 which extends along the z-direction 6. A volume of the cavity 24 in the unloaded state of the support elements 19c, 19d z. B. at least 30 percent or at least 50 percent of the total volume of the respective support member 19c, 19d fulfill.
  • the cavities 24 of the support elements 19c, 19d in the z-direction 6 are completely or at least partially collapsible or compressible.
  • the compression force required for compressing or partially compressing the support elements along the z-direction 6 depends inter alia on the geometry of the outer wall 25, z. Example of a wall thickness of the outer wall 25, and / or of the modulus of elasticity of the material from which the outer wall 25 is formed.
  • the cavities 24 of the support elements 19c, 19d may each be completely enclosed by the outer wall 25.
  • the outer walls 25 may also have openings through which a gas contained in the respective cavity 24, for. As air, when compressing the cavity 24 from the cavity 24 can escape. Through such openings in the outer walls, the resistance of the support elements 19c, 19d against compression can be reduced.
  • the support element 19d of FIG. 5b differs from the support element 19c of FIG. 5a by a projection 26 which extends along the z-direction 6 and which projects at least partially into the cavity 24.
  • Projection 26 may, for. B. connected to the outer wall 25 of the support member 19 d or integrally formed therewith. Due to the elasticity of the material from which the projection 26 is formed and the length of the projection 26 along the z-direction 6, the progression of the force-displacement characteristic of the support element 19d can be influenced in a targeted manner (cf.
  • the value of the above-defined plate spacing zi and / or z 2 can be set specifically with the choice of the elasticity of the projection 26 and / or by the choice of the length of the projection 26 along the z-direction 6.
  • FIGS. 6a-c show schematically in a sectional view a further embodiment of a single plate 10a of the stack 32 and a further embodiment of a support element 19 arranged on this single plate 10a.
  • the support element 19 according to FIGS. 6a-c with its properties described here representative of a further embodiment of a support element or more Supporting elements are disposed between two adjacent separator plates 10 of the stack 32.
  • the support member 19 may be formed of an elastic material, for. B. of a thermoplastic elastomer.
  • the support member 19 may be formed homogeneously.
  • the support element pores corresponding to the pores 23 of the support member 19 a according to FIGS. 4a-d or at least one cavity 24 corresponding to the cavities 24 of the support elements 19c, 19d according to FIGS. 5a-b may also provided.
  • FIGS. 6a-d show the port pitches 12a-c or to the entirety of the beads 12a-d (see, for example, FIG. 2).
  • FIGS. 4a-c show FIGS. 6a-c, the perimeter bead 12d and the support member 19a each at a different degree of compression of the stack 32 in the z-direction 6.
  • the force-displacement characteristics F D (z) and F s (z) are shown as continuous functions of the distance z between the plate planes of adjacent separator plates 10 of the stack 32.
  • Fign. 4a-d described features and designations are not explained here for simplicity's sake again in detail.
  • the arrangement according to FIGS. 6a-c differs from the arrangement according to FIGS. 4a-c, characterized in that the support element 19 according to FIGS. 6a-c with respect to the support element 19 according to FIGS. 4a-c is arranged and formed such that for all plate distances z with z> zi along the z-direction 6, a gap 31 between the support member 19 and the support member 19 immediately adjacent Separatorplatte 10 or between the support member 19 and the support member 19th immediately adjacent frame 18 remains.
  • this gap 31 along the z-direction 6 z. B. extend over a length D (see Fig. 6a). This means that along the z-direction 6 certain height of the support member 19 shown in FIGS. 6a-c at the plate spacing z 0 during normal operation of the system 1 is smaller than the height h of the perimeter bead 12d.
  • the support element 19 according to FIGS. 6a-c is designed and adapted in this way arranges that said gap 31 first disappears by compressing the stack 32 along the z-direction 6 when the plate spacing of adjacent separator plates 10 of the stack 32 is reduced to the value zi.
  • the support element 19 does not oppose the compression of the stack 32 in the z-direction 6.
  • F s (z) ⁇ F D (z) for all z with z> z 2
  • F s (z)> F D (z) for all z with z ⁇ z 2 .
  • the bead 12d and the support element 19 are thus designed such that for all plate spacings z with z ⁇ zi the force F required for compression or further compression of only the support element 19 by a distance ⁇ '"> 0 in the z-direction 6 s with a further reduction of the plate spacing z increases faster than the force required for further compression only the bead 12d by the same path ⁇ '"in the z-direction 6 force F D.
  • each z z be 0 .
  • FIG. 7 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional representation, wherein the sectional plane is oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the stack 32 shown in FIG. 7 by support members 19f of which along the cutting plane and perpendicular to the direction of the perimeter 12d each have an approximately U-shaped cross-section and at the edge of the separator plates 10 z. B. are attached to the separator plates 10.
  • the support elements 19f can thus each be positively connected, in particular via the half beads 21a, 21b, to the separator plates 10. Additionally or alternatively the support elements 19f glued to the separator plates 10 or connected in some other way.
  • the support elements 19f are arranged along the z-direction 6 on both sides of the separator plates 10 and enclose them, so that they are in contact with both individual plates 10a, 10b of the separator plates 10, respectively. Between adjacent support elements 19f, a gap 31 is provided whose height substantially corresponds to the thickness of the frame 18.
  • the support elements 19f may be dimensioned such that they extend at a plate distance z 0 in normal operation on both sides of the separator plate 10, on which they are respectively arranged along the z-direction 6 each at least to the level in which the roof of the perimeter 12d of the individual plates 10a, 10b of this separator plate 10 extends.
  • support members 19f are dimensioned along the z-direction 6 such that between adjacent support members 19f along the z-direction
  • the support elements 19f are formed such that adjacent support elements 19f contact each other for the first time when the distance between plates of adjacent separator plates 10 is reduced to a value zi ⁇ z 0 as a result of a compression of the stack 32. If adjacent separator plates 10 are in operation at different electrical potentials (such as in a fuel cell stack), it is necessary that the support elements 19f at least in those areas on their surface, along which they due to a compression of the stack
  • the support elements 19f may each be coated with an electrically insulating layer.
  • the support elements 19f or some of them may also be completely made of an electrically insulating material. be formed the material.
  • FIG. 8 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional view, the sectional plane being oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 8 differs from the embodiment according to FIG. 7 in that the support elements 19f are each connected to a holding element 27.
  • the support elements 19f are thus connected to one another along the z-direction 6 via the holding element 27.
  • the holding element 27 extends at the edge of the stack 32 along the z-direction 6 over a plurality of
  • the modulus of elasticity of the material of which the support member is formed may be about the same as the modulus of elasticity of the material of which the support members 19f are formed.
  • the support members 19f and the holding member 27 are made of the same material and integrally formed. At least in
  • Edge region of the stack 32 increases the holding member 27 typically the resistance of the stack 32 against compression of the stack 32 in the z direction 6, wherein the support member 27 at high compression at least partially can escape in the direction away from the plate interior direction.
  • FIG. 9 shows schematically a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional representation, the sectional plane being oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 9 differs from the embodiment according to FIG. 7 on the one hand in that there are no half-pits on the left outer edge of the separator plates.
  • the support elements 19f are each composed of two different materials 19 and 19f "which, for example, counteract a compression along the z-direction 6 at least one of the materials 19f, 19f "to be foamed and pores corresponding to the pores 23 of the support member 19 as shown in FIGS. 4a-c. It may also be two otherwise identical materials that have a different pore content.
  • the support elements 19f may be coextruded, for example.
  • the materials 19f, 19f form layers parallel to the plate planes the separator plates 10 are aligned and each form a sandwich-like structure with the separator plates 10, which is mirror-symmetrical with respect to the plate plane of the respective separator plate 10.
  • the first material 19f of the support element 19f forms the second layer, which is on both sides of the
  • Separator plate 10 is in contact with the separator plate 10. And the second material 19f "of the support member 19f forms the third layer, which is in contact with the second layer on both sides of the separator plate 10.
  • the course of F s (z) is adjustable in this manner such that F s (z) extends flatly for plate spacings z with zi ⁇ z ⁇ z 0 and that F s (z) runs steeply for plate spacings z with z ⁇ zi etc. (see Fig. 4d).
  • FIG. 10 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional view, the sectional plane being oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 10 differs from the embodiment according to FIG. 7 in that the support elements 19h according to FIG. 10 each fill a gap 28 which is formed by the half beads 21a, 21b at the edge of the individual plates 10a, 10b.
  • the stability of the half beads 21a, 21b and the support members 19h can be further increased.
  • FIG. 11 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional view, the sectional plane being oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 11 is a variant of the embodiment according to FIG. 8. In FIG.
  • the support elements 19g are each in the edge region of the separator plates 10 along the z-direction 6 between the half beads 21a, 21b of adjacent separator plates 10 is arranged.
  • the support elements 19g are arranged between the separator plates 10 in such a way that they already approach each other at the plate spacing z 0 in normal operation along the z-direction 6 to two adjacent separator plates 10 and touch them.
  • the support members 19g respectively fill the gap 28 between the half beads 21a, 21b.
  • the support members 19g are each connected to an integral support member 27 which extends along the z-direction 6 at the edge of the stack 32 over a plurality of separator plates 10.
  • the support members 19g and the holding member 27 are made of the same
  • FIG. 12 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional view, wherein the sectional plane is oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 12 differs from the embodiment according to FIG. 11 in that the support elements 19h according to FIG. 12 extend at least partially in a region 29 parallel to the plate planes of the separator plates 10, that of the half beads 21a, 21b at the edge the separator plates 10 extends to the perimeter beads 12d.
  • the support elements 19h fill intermediate spaces 30, which are formed along the z-direction 6 in the region 29 between adjacent separator plates 10, already at a plate spacing z 0 during normal operation.
  • FIG. 13 schematically shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional representation, wherein the sectional plane is oriented perpendicular to the plate planes of the separator plates 10.
  • the embodiment according to FIG. 13 differs from the embodiment according to FIG. 3 a in that the frames 18 do not extend barely beyond the perimeter corrugations 12 d to the edge of the separator plates 10 parallel to the plate planes of the separator plates 10. With a plate spacing z 0 in normal operation, gaps between adjacent support elements 19b thus remain along the z-direction 6.
  • the embodiment according to FIG. 13 differs from the embodiment according to FIG. 3 a by filling elements 30, which completely fill the interspace 28 between the half beads 21 a, 21 b of the separator plates 10 in each case Separator plates 10 thus give additional stability.
  • Fig. 14 shows a further embodiment of the stack 32 of the system 1 in a sectional view, but here only one electrochemical cell with two individual plates 10a, 10b belonging to two different separator plates is shown.
  • the support elements 19b are arranged here on the individual plates 10a, 10b in a region between the perimeter bead 12d and the half-pawls 21a, 21b on the outer edge of the individual plates 10a, 10b.
  • the frame 18 does not reach into the area in which the support elements 19b are arranged, so that a gap 31 between the unpressed
  • Support elements 19b remains.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anordnung mit zwei metallischen Separatorplatten (10a), die jeweils eine Plattenebene definieren, und die in einer Stapelrichtung (6) senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind. Die Separatorplatten (10a) weisen in die Separatorplatten (10a) eingeprägte Dichtelemente (12a-d) auf, die sich zum Abdichten einer zwischen den Separatorplatten (10a) angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen, und die bis auf einen Abstand Z2 in der Stapelrichtung reversibel vorformbar sind. Die Anordnung weist ferner wenigstens ein Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) auf, das zwischen den Separatorplatten (10a) angeordnet ist und das parallel zu den Plattenebenen von den Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10a) beabstandet ist. Die Dichtelemente (12a-d) und das Stützelement (19, 19a, 19f-h) sind derart ausgebildet, dass dann, wenn ein entlang der Stapelrichtung bestimmter Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10a) voneinander infolge einer in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z < Z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Az' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft Fs größer ist als eine zur weiteren Stauchung des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10a) um den Weg Az' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.

Description

Elektrochemische Anordnung und elektrochemisches System
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anordnung mit zwei metallischen Separatorplatten und einer zwischen den metallischen Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zelle. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger elektrochemischer Anordnungen, die in einem Stapel angeordnet sind.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Der Begriff elektrochemische Zelle soll im Rahmen dieses Dokuments insbesondere Zellen zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie (z. B. Brennstoffzellen), zum Induzieren einer chemischen Reaktion durch Zuführen elektrischer Energie (z. B. Elektrolysezellen) oder zum Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gasen (z. B. Befeuchterzellen) umfassen. Typischerweise sind die Separatorplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet. Die Einzelplatten der Separatorplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine oder mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen oder in den von den Einzelplatten der Separatorplatte gebildeten In- nenraum geleitet oder von Zellen bzw. aus dem Innenraum abgeleitet werden.
Die genannten Separatorplatten 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). Die Separatorplatten, die insbesondere aus zwei Einzelplatten aufgebaut sein können, und eben diese Einzelplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Separatorplatte aufwei- sen, insbesondere zum Führen des Kühlmediums durch einen von den Einzelplatten der Separatorplatte eingeschlossenen Innenraum. Die
Separatorplatten können also zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme ausgebildet sein. Ebenso können die Separatorplatten zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder der gesamten Separatorplatte nach außen ausgebildet sein.
Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Elektrolytmembranen (z. B. im Fall von Brennstoffzellen) oder eine oder mehrere Wasseraustauschmembranen (z. B. im Fall von Befeuchterzellen). Neben der Membran können die elektrochemischen Zellen zudem Gasdiffusionslagen aufweisen, die vorzugsweise beiderseits der Membran angeordnet sind und die die Rate eines Medientransfers oder eines Medien- austauschs über die Membran verbessern können. Die Gasdiffusionslagen können z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sein.
Zum Abdichten der elektrochemischen Zellen und/oder zum Abdichten der von den Durchgangsöffnungen in den Separatorplatten gebildeten Medienkanäle gegenüber der Umgebung oder gegenüber anderen Bereichen des jeweiligen elektrochemischen Systems weisen die Separatorplatten bzw. die Einzel- platten der Separatorplatten oft Dichtelemente auf, die z. B. in Form von
Dichtsicken in die Separatorplatten eingeformt oder eingeprägt sind. Insbesondere können diese als bogenförmige Vollsicken oder Vollsicken mit zwei Schenkeln und einem sich dazwischen sich erstreckenden Dach ausgeführt werden. Die Dichtelemente benachbarter Separatorplatten des Stapels stüt- zen sich dabei zur Erzielung der Dichtwirkung typischerweise aneinander ab.
Dabei kann z. B. ein Randbereich der Elektrolytmembran bzw. der
Befeuchtermembran der elektrochemischen Zelle zwischen den einander abstützenden Dichtelementen der benachbarten Separatorplatten aufgenommen sein.
Damit die Dichtelemente unabhängig vom jeweils vorherrschenden Betriebszustand gleichbleibend eine gute Dichtwirkung erzielen können, ist es wünschenswert, dass insbesondere die Dichtelemente wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs elastisch, d. h. reversibel verformbar sind. Werden die Dichtelemente jedoch über den Toleranzbereich hinaus verformt, kann es zu plastischen, d. h. irreversiblen Verformungen der Dichtelemente kommen. Dies kann ggf. dazu führen, dass die Dichtelemente ihre Dichtwirkung nicht mehr erfüllen können. Dadurch kann die Effizienz des Systems erheblich verringert oder eine Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems so- gar vollständig unmöglich werden. Wird das System mit leicht entzündlichen
Medien betrieben oder werden im Betrieb derartige Medien erzeugt, kann eine Beschädigung der Dichtelemente sogar ein großes Sicherheitsrisiko darstellen. Eine irreversible Verformung der Dichtelemente der Separatorplatten kann z. B. durch das plötzliche Einwirken großer mechanischer Kräfte auf den Plattenstapel verursacht werden, wie sie beispielsweise bei einem Autounfall auftreten können. Es ist daher vorteilhaft, das System mit einem Schutzme- chanismus zu versehen, der die Dichtelemente auch beim Einwirken großer mechanischer Kräfte möglichst vor irreversiblen plastischen Verformungen schützt. Eine bekannte Lösung sieht dazu vor, das elektrochemische System in einen
Schutzbehälter einzuschließen, der eine große Festigkeit und eine gute mechanische Stabilität aufweist. Allerdings kann es bei einem Aufprall zu einem derart großen Impulsübertrag kommen, dass dieser von dem Schutzbehälter nicht aufgefangen und/oder vernichtet werden kann, so dass er im Wesentli- chen ungedämpft auf den Plattenstapel übertragen wird.
Andere bekannte Lösungen sehen elektronische Abschaltmechanismen vor, die jedoch lediglich Medienströme unterbrechen, jedoch keinerlei Schutz vor mechanischen Zerstörungen bieten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Anordnung mit zwei Separatorplatten und einer zwischen den Separatorplatten angeordneten und durch Dichtelemente abgedichteten elektrochemischen Zelle zu schaffen, die möglichst großen mechanischen Belastungen standhal- ten kann und damit einen möglichst sicheren Betrieb gewährleistet. Der Bauraumbedarf und das Gewicht der gesuchten Anordnung sollen dabei gegenüber den bekannten Lösungen möglichst kaum steigen. Ferner soll ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl entsprechender elektrochemischer Anordnungen geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Anordnung gemäß Anspruch 1 und durch ein elektrochemisches System, das eine Vielzahl derartiger elektrochemischer Anordnungen aufweist. Die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung umfasst wenigstens: eine erste und eine zweite metallische Separatorplatte, die jeweils eine Plattenebene definieren und die in einer Stapelrichtung senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind; und
eine zwischen den Separatorplatten angeordnete elektrochemische Zelle. Die Separatorplatten weisen jeweils wenigstens ein in die Separatorplatte eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement auf, wobei sich die Dichtelemente der Separatorplatten zum Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten angeordneten elektrochemi- sehen Zelle gegeneinander abstützen. Die Dichtelemente der Separatorplatten sind in der Stapelrichtung elastisch verformbar, so dass ein Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente der Separatorplatten wenigstens bis auf einen Abstand z2 reversibel verringerbar ist.
Ferner umfasst die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung wenigstens ein Stützelement, das jeweils zwischen den Separatorplatten angeordnet ist und das in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der
Separatorplatten von den Dichtelementen der Separatorplatten beabstandet ist. Sind die Dichtelemente als Vollsicken ausgebildet, so umfasst ein Dichtelement die gesamte Vollsicke. Ein Stützelement ist also zum gesamten Dichtelement beabstandet und nicht zwischen den beiden Sickenschenkeln einer Vollsicke. Die Dichtelemente der Separatorplatten sind derart ausgebildet und das wenigstens eine Stützelement ist zum Schutz der Dichtelemente der
Separatorplatten vor einer irreversiblen plastischen Verformung derart angeordnet und ausgebildet, dass dann, wenn der Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander infolge einer in der Stapelrichtung auf die Separatorplatten einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z < z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements um einen Weg Δζ' in der Stapelrichtung benötigte Kraft Fs größer ist als eine zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten um den Weg Δζ' in der Stapelrichtung benötigte Kraft FD.
Die Separatorplatten können insgesamt jeweils aus einem ebenen Metallblech geformt sein, z. B. durch einen Präge- oder Tiefziehprozess. Bestehen die Separatorplatten aus mehr als einer Platte, so können die Einzelplatten jeweils aus einem ebenen Metallblech geformt sein, ebenfalls beispielsweise durch einen Präge- oder Tiefziehprozess. Die Plattenebenen können dann z. B. durch diejenigen eben gebliebenen Bereiche der Separatorplatten definiert sein, die durch den Formprozess nicht verformt worden sind. Anstatt vom Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander wird im Folgenden der Einfachheit halber auch vom Abstand z der Separatorplatten voneinander oder einfach vom Plattenabstand gesprochen. Besteht eine
Separatorplatte aus mehr als einer Platte, so ist die Plattenebene der
Separatorplatte als die Mittelebene der Plattengruppe definiert.
Die Dichtelemente der Separatorplatten können derart ausgebildet sein und das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass für Abstände z der Separatorplatten voneinander mit z < zi, wobei zi > z2 gilt, mit einer weiteren Verringerung des Abstandes z der
Separatorplatten voneinander die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements um einen Weg Δζ'" in der Stapelrichtung benötigte Kraft Fs schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur des Dichtelements um den Weg Δζ'" in der Stapelrichtung benötigte Kraft FD. Vorzugsweise gilt dies für alle Abstände z der Separatorplatten mit z < z .
Das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass das Stützelement für Abstände z der Separatorplatten voneinander mit z < zi mit zi > z2 eine im Wesentlichen exponentielle Kraft-Weg-Kurve aufweist. Die Kraft-Weg-Kurve stellt dabei die Kraft Fs(z) dar, die aufgebracht werden muss, um nur das zwischen den Separatorplatten angeordnete Stützelement soweit zu komprimieren, dass der Abstand der Separatorplatten voneinander gleich z beträgt. Dies kann im Bereich z < zi wenigstens abschnittweise gelten. Vorzugsweise gilt dies jedoch durchgehend im gesamten Bereich
Z < Z\.
Die Dichtelemente der Separatorplatten können derart ausgebildet sein, dass eine Verringerung des Abstandes der Separatorplatten voneinander auf einen Wert z < z3 mit z3 < z2 bei wenigstens einem der Dichtelemente der
Separatorplatten, vorzugsweise bei den Dichtelementen beider
Separatorplatten, eine irreversible plastische Stauchung bewirkt.
Eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können derart ausgebildet sein, dass es/sie jeweils wenigstens einen Hohlraum und/oder jeweils eine Vielzahl von Poren aufweist/aufweisen. Z. B. kann/können eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements jeweils ein geschäumtes Material umfassen oder ganz oder teilweise aus einem geschäumten Material gebildet sein. Es sind auch Schicht- aufbauten mit verschiedenen elastisch-kompressiblen und/oder geschäumten
Materialien möglich, wobei sich die Schichten vorzugsweise parallel zur Plattenebene der benachbarten Separatorplatte erstrecken. Das Stützelement oder die Stützelemente, das bzw. die den wenigstens einen Hohlraum und/oder die Poren umfasst/umfassen, kann/können dabei jeweils derart ausgebildet sein, dass der wenigstens eine Hohlraum und/oder die Poren durch eine in der Stapelrichtung auf die Separatorplatten einwirkende Verpresskraft ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar ist/sind. Z. B. kann das den wenigstens einen Hohlraum und/oder die Poren umfassende Stützelement dann jeweils derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der we- nigstens eine Hohlraum und/oder die Poren bei einem Abstand z der
Separatorplatten voneinander von z < z2 jeweils maximal kollabiert ist/sind.
Ist der Hohlraum bzw. sind die Poren maximal kollabiert, ist der Widerstand des Stützelements gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung gewöhnlich jeweils durch die Festigkeit oder die Elastizität des Materials bzw. der Materialien bestimmt, aus dem bzw. aus denen das Stützelement jeweils gebildet ist. Dagegen kann das wenigstens eine Stützelement ferner derart ausgebildet sein, dass sein Widerstand gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung dann, wenn der Hohlraum und/oder die Poren nicht oder nur teilweise kollabiert ist/sind, z. B. für Plattenabstände z mit z > z2, vorwiegend nicht durch die Festigkeit oder die Elastizität des Stützelementmaterials bestimmt ist, sondern durch die Geometrie des Hohlraums und/oder der Poren des Stützelements oder ggf. durch einen Druck eines in dem Hohlraum und/oder in den Poren eingeschlossenen Gases. Dem Widerstand des wenigstens einen Stützelements gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung in der Stapelrichtung kann durch die Ausbildung des wenigstens einen Stützelements mit einem Hohlraum und/oder mit Poren auf diese Weise gezielt eine Abhängigkeit vom Plattenabstand verliehen werden.
Z. B. können die Dichtelemente der Separatorplatten derart ausgebildet sein und das wenigstens eine Stützelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass für Plattenabstände z mit z > z2 die zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der
Separatorplatten um einen Weg Δζ" in der Stapelrichtung benötigte Kraft FD größer oder gleich der zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements um den Weg Δζ" in der Stapelrichtung benötigte Kraft Fs ist. Vorzugsweise gilt dies wenigstens für Plattenabstände z mit zi < z < z0. Mit anderen Worten kann der Widerstand des wenigstens einen Dichtelements gegen eine Komprimierung oder gegen eine weitere Komprimierung des Dichtelements in der Stapelrichtung für große Plattenabstände, nämlich für Plattenabstände z mit z > zi, so gering sein, dass der Widerstand der gesamten Anordnung gegen eine Verringerung des Plattenabstandes in diesem Bereich durch die Dichtelemente der Separatorplatten dominiert wird. Dies bedeutet dann, dass das wenigstens eine Stützelement den Widerstand der (die Dichtelemente und das wenigstens eine Stützelement umfassenden) Anordnung gegen Verpressung in der Stapelrichtung wenigstens in diesem Abstandsbereich (z > zi), bei dem eine plastische Verformung der Dichtelemente nicht zu befürchten ist, nicht oder ggf. nur geringfügig erhöht. Für große Plattenabstände kann die Anordnung damit Änderungen des Plattenabstandes, z. B. bedingt durch im Betrieb auftretende Temperaturschwankungen, ungestört oder im Wesentlichen ungestört nachgeben. Es ist denkbar, dass das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement oder eine Vielzahl von Stützelementen umfasst, das bzw. die derart angeordnet und ausgebildet ist/sind, dass zwischen wenigstens einer der Separatorplatten und diesem Stützelement in der Stapelrichtung für z > zi mit zi > z2jeweils ein Zwischenraum verbleibt. Dieses Stützelement bzw. diese Stützelemente kann/können dann ferner derart angeordnet und ausgebildet sein, dass der wenigstens eine Zwischenraum für z < zi jeweils verschwindet. Mit anderen Worten kann dieses Stützelement bzw. können diese Stützelemente derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es/sie erst für Plattenabstände z mit z < zi in der Stapelrichtung mit beiden Separatorplatten der An- Ordnung in Kontakt ist/sind. Die Dichtelemente der Separatorplatten können jeweils eine Perimetersicke umfassen, die die elektrochemische Zelle umschließt und die die elektrochemische Zelle gegenüber einer Umgebung der elektrochemischen Anordnung abdichtet. Das wenigstens eine Stützelement kann dann z. B. wenigstens ein Stützelement oder eine Vielzahl von Stützelementen umfassen, das bzw. die jeweils in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der
Separatorplatten verläuft, auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite der Perimetersicke angeordnet ist/sind. Dieses Stützelement bzw. diese Stützelemente sind also außerhalb des von der Perimetersicke ab- gedichteten Bereichs angeordnet. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement umfasst, das innerhalb des von der Perimetersicke abgedichteten Bereichs angeordnet ist.
Typischerweise umfasst das wenigstens eine Stützelement wenigstens ein Stützelement oder mehrere Stützelemente, das bzw. die wenigstens bereichsweise ein elektrisch isolierendes Material umfasst/umfassen oder das/die wenigstens bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind. Das elektrisch isolierende Material ist dann vorzugsweise jeweils derart angeordnet, dass bei jedem Abstand z der metallischen
Separatorplatten voneinander über dieses Stützelement kein elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Separatorplatten herstellbar ist. Insbesondere bei solchen Anwendungen, bei denen die Separatorplatten auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen können, kann auf diese Weise ein elektrischer Kurzschluss zwischen den metallischen Separatorplatten verhindert werden. Es ist auch denkbar, dass wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind. Bevorzugt umfassen die Stützelemente, die zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Separatorplatten ein elektrisch isolierendes Material aufweisen, wenigstens solche Stützelemente, die außerhalb des von der Perimetersicke abgedichteten Bereichs angeordnet sind.
Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können ein thermoplastisches Material, ein thermoplasti- sches Elastomer und/oder ein keramisches Material umfasst/umfassen. Ebenso ist es denkbar, dass wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfasst/umfassen. Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit wenigstens einer der Separatorplatten verbunden sein.
Die elektrochemische Zelle kann einen Rahmen aufweisen. Ferner kann die elektrochemische Zelle wenigstens eine in dem Rahmen eingebettete Membran aufweisen, insbesondere eine Elektrolytmembran oder eine Wassertrans- fermembran. Üblicherweise ist die Membran dichtend zwischen den einander abstützenden Dichtelementen der Separatorplatten aufgenommen. Vorzugsweise ist beiderseits der Membran zudem jeweils eine Gasdiffusionslage angeordnet. Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen verbunden sein.
Wenigstens eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können derart ausgebildet sein, dass es/sie jeweils auf wenigstens eine der Separatorplatten aufsteckbar ist/sind, z. B. in einer Rich- tung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten verläuft. Vorzugsweise ist dieses Stützelement bzw. sind diese Stützelemente dann jeweils lösbar auf wenigstens eine der Separatorplatten aufsteckbar.
Die Separatorplatten weisen gewöhnlich jeweils wenigstens eine Durchgangs- Öffnung zum Durchleiten eines Mediums durch die Separatorplatte auf. Das wenigstens eine Dichtelement der Separatorplatten kann dann jeweils wenigstens eine in die Separatorplatte eingeprägte Portsicke umfassen, wobei zum Abdichten der Durchgangsöffnungen umlaufend um jede der Durchgangsöffnungen jeweils eine Portsicke angeordnet ist. Eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements kann/können dann auf einer von der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Portsicke angeordnet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass eines oder mehrere der Stützelemente des wenigstens einen Stützelements innerhalb des von der Portsicke abgedichteten Bereichs angeordnet ist/sind. Die Portsicke kann dann jeweils Durchführungen aufweisen, die eine Fluidverbindung zwischen der von der
Portsicke umschlossenen Durchgangsöffnung und der elektrochemischen Zelle herstellen. Über einen Querschnitt der Durchführungen durch die Portsicke ist dann jeweils ein Medienfluss durch die Durchführungen möglich. Gewöhnlich ist das wenigstens eine Stützelement in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten verläuft, jeweils von der Portsicke beabstandet.
Jede der Separatorplatten kann zwei metallische Einzelplatten umfassen. Zur Ausbildung der Separatorplatte können die Einzelplatten z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden sein, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, besonders bevorzugt durch eine Laserschweißverbindung. Jede der Einzelplatten kann wenigstens ein in diese Einzelplatte eingeprägtes und in der Stapelrichtung elastisches Dichtelement umfassen. Die Dichtelemente der Einzelplatten sind dann identisch mit den zuvor genannten Dichtelementen der Separatorplatten. Insbesondere kann also jede der Einzelplatten jeweils wenigstens eine Perimetersicke und/oder wenigstens eine Portsicke aufweisen.
Die hier vorgeschlagene elektrochemische Anordnung kann ferner ein Halteelement aufweisen, das z. B. seitlich an dem von den Separatorplatten der Anordnung gebildeten Stapel angeordnet ist. Das wenigstens eine Stützelement der Anordnung kann eine Vielzahl von Stützelementen umfassen, die jeweils mit dem Halteelement verbunden sind oder die jeweils einteilig mit dem Halteelement ausgebildet sind.
Vorgeschlagen wird ferner ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen der zuvor beschriebenen Art, die entlang einer gemeinsamen Stapelrichtung gestapelt sind. Das heißt, die gemeinsame Stapelrichtung des Systems und die Stapelrichtungen der Anordnungen des Systems sind parallel ausgerichtet. Umfasst das elektrochemische System ein Halteelement der zuvor beschriebenen Art, so kann sich dieses Halteelement entlang der Stapelrichtung über eine Vielzahl der elektrochemischen Anordnungen erstrecken. Das Halteelement kann dann mit einer Vielzahl von Stützelementen unterschiedlicher Anordnungen des Systems verbunden sein oder einteilig mit diesen Stützelementen ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der hier vorgeschlagenen elektrochemischen Anordnung und des hier vorgeschlagenen elektrochemischen Systems sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei werden verschiedene erfindungswesentliche oder auch vorteilhafte weiterbildende Elemente im Rahmen dieser Beispiele genannt, wobei auch einzelne dieser Elemente als solche zur Weiterbildung der Erfindung - auch herausgelöst aus dem Kontext des jeweiligen Beispiels und weiterer Merkmale des jeweiligen Beispiels - verwendet werden können. Weiterhin werden in den Figuren für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet und deren Erläuterung daher teilweise weggelassen. Es zeigen: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen, die in einem Stapel angeordnet sind und die jeweils zwei metallische Separatorplatten und eine zwischen den Separatorplatten angeordnete elektrochemische Zelle aufweisen;
Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße metallische
Separatorplatte in einer Draufsicht;
Fig. 3a schematisch ein Detail des elektrochemischen Systems aus Fig.
1 in einer Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie A-A in Fig. 2;
Fig. 3b schematisch ein Detail des elektrochemischen Systems aus Fig.
1 in einer Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie B-B in Fig. 2;
Fig. 4a-c schematisch Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen
Einzelplatte einer metallischen Separatorplatte mit einer in die Einzelplatte eingeprägten Dichtsicke und eines Stützelements gemäß einer Ausführungsform unter Einwirkung von
Verpresskräften unterschiedlicher Stärke;
Fig. 4d schematisch Kraft-Weg-Kennlinien der Dichtsicke und des
Stützelements gemäß den Figuren 4a-c;
Fig. 5a-b schematisch erfindungsgemäße Stützelemente mit Hohlraum in einer Schnittdarstellung;
Fig. 6a-c schematisch Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen
Einzelplatte einer metallischen Separatorplatte mit einer in die Einzelplatte eingeprägten Dichtsicke und eines Stützelements gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Einwirkung von Verpresskräften unterschiedlicher Stärke;
Fig. 6d schematisch Kraft-Weg-Kennlinien der Dichtsicke und des
Stützelements gemäß den Figuren 5a-c;
Fig. 7-14 schematisch jeweils einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen in einer Schnittdarstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 32 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 10, die entlang einer z-Richtung 6 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die z-Richtung 6 wird auch Stapelrichtung genannt. Die Separatorplatten 10 umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten 10a, 10b (siehe z. B. Fig. 3a). Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 10 des Stapels 32 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient, und bilden mit dieser jeweils eine elektrochemische Anordnung. Der Stapel 32 des Systems 1 umfasst also eine Vielzahl elektrochemischer Anordnungen, die in der z-Richtung 6 gestapelt sind. Die elektrochemischen Zellen weisen gewöhnlich jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 14 auf, die eine Membran 15, z. B. eine Elektrolytmembran, sowie Gasdiffusionslagen (GDL) 16 umfasst (siehe z. B. Fig. 3a). Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 10, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien unterscheiden können.
Die z-Achse 6 spannt zusammen mit einer x-Achse 80 und einer y-Achse 90 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. 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 Kühlmit- tel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer der Separatorplatten 10 des Systems aus Fig. 1. Die Separatorplatte 10 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten metallischen Einzelplatten 10a, 10b gebildet, von denen in Fig. 2 nur die erste Einzelplatte 10a sichtbar ist, die die zweite Einzelplatte 10b verdeckt. Die Einzelplatten 10a, 10b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 10a, 10b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen IIa, IIb, 11c der Separatorplatte 10 bilden. Im Stapel 32 des Systems 1 gemäß Fig. 1 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c der Separatorplatten 10
Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 6 durch den Stapel 32 erstrecken. Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen lla-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Medienanschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Beispielsweise dienen die von den Durchgangsöff- nungen IIa, IIb gebildeten Leitungen der Versorgung der elektrochemischen
Zellen des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff und mit Reaktionsgas. Über die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung dagegen kann Kühlmittel in den Stapel 32 eingeleitet oder aus dem Stapel 32 abgeleitet werden. Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des
Stapels und gegenüber der Umgebung weist die erste Einzelplatte 10a Dichtelemente in Gestalt von Portsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig umschließen. Die Portsicken 12a-c sind jeweils in die Einzelplatte 10a eingeformt, insbesondere eingeprägt. Die zweite Einzelplatte
10b weist an der vom Betrachter der Fig. 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 10 entsprechende Portsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c auf (nicht gezeigt). Die Portsicken 12a-c sind wenigstens senkrecht zur Plattenebene, die in Fig. 2 parallel zur Zeichenebene ausgerichtet ist, und damit entlang der z-Richtung 6 elastisch, also reversibel ver- formbar.
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 8 der Separatorplatte 10 weist die erste Einzelplatte 10a an ihrer dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Mediums ent- lang der Vorderseite der Einzelplatte 10a auf. Diese Strukturen umfassen z. B. eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen angeordnete Kanäle, die beispielsweise in die Einzelplatte 10a eingeprägt sind. In Fig. 2 ist nur ein Ausschnitt des aktiven Bereichs 8 an der Vorderseite der Separatorplatte 10 gezeigt.
An der dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite der
Separatorplatte 10 weist die erste Einzelplatte 10a zudem einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf, der wiederum Strukturen zum Führen eines Mediums entlang der Vorderseite der Einzelplatte 10a aufweist, wobei diese Strukturen typischerweise ebenfalls Stege und zwischen den Stegen angeordnete Kanäle umfassen. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung IIb und dem aktiven Bereich 8 her. So sind die Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 über Durchführungen 13b durch die Portsicke 12b in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung IIb bzw. mit der von der Durchgangsöffnung IIb gebildeten Leitung durch den
Stapel 32. So kann ein durch die Durchgangsöffnung IIb geführtes Medium über die Durchführungen 13b in der Portsicke 12b und über die Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 in die Kanäle des Strömungsfeldes 17 im aktiven Bereich 8 der Separatorplatte 10 geführt werden oder umgekehrt.
An der vom Betrachter der Fig. 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 10 ist die Durchgangsöffnung IIa bzw. die von der Durchgangsöffnung IIa gebildete Leitung durch den Plattenstapel 32 gewöhnlich in entsprechender Weise in Fluidverbindung mit einem Verteil- und Sammelbereich und über diesen mit einem Strömungsfeld. Die Durchgangsöffnung 11c dagegen bzw. die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung durch den Stapel 32 ist in Fluidverbindung mit einem von den Einzelplatten 10a, 10b eingeschlossenen oder umschlossenen Innenraum 22, der zum Führen eines Kühlmittels durch die Separatorplatte 10 ausgebildet ist. Schließlich ist in die erste Einzelplatte 10a noch ein weiteres Dichtelement in
Gestalt einer Perimetersicke 12d eingeprägt, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 8, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen IIa, IIb umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11c, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die
Perimetersicke 12d zusätzlich auch die Durchgangsöffnung 11c umschließen. Die Perimetersicke 12d ist wie die Portsicken 12a-c senkrecht zur Plattenebene und damit entlang der z-Richtung 6 elastisch, also reversibel verformbar. Die Stützelemente sind in Fig. 2 nicht dargestellt, sie werden erst anhand der nachfolgenden Figuren erläutert.
Fig. 3a zeigt ein Detail des Stapels 32 des elektrochemischen Systems 1 aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene entlang der Linie A-A aus Figur 2 parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet ist. Der Stapel 32 umfasst eine
Vielzahl von metallischen Separatorplatten 10 von der Art der Separatorplatte 10 gemäß Fig. 2, die in der z-Richtung 6 gestapelt sind. Die Separatorplatten 10 des Stapels 32 sind hier jeweils identisch ausgebildet. Die Separatorplatten 10 definieren Plattenebenen die senkrecht zur z-Richtung 6 ausgerichtet sind. In Fig. 3a ist deutlich erkennbar, dass die metallischen Separatorplatten 10 jeweils aus zwei miteinander verbundenen metallischen Einzelplatten 10a, 10b gebildet sind. Auf die Darstellung von ggf. vorhandenen Beschichtungen wurde hier zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet. Dargestellt sind außerdem die aktiven Bereiche 8 der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b, die jeweils ein Strömungsfeld 17 mit in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Kanälen und Stegen aufweisen. Die Strukturen der Strömungsfelder 17 dienen zum Führen von Reaktionsmedien an den Außenseiten der Separatorplatten 10 und zum Führen eines Kühlmittels durch die von den Einzelplatten 10a, 10b eingeschlossenen Innenräume 22 der Separatorplatten 10. In den aktiven Bereichen 8 ist zwischen zwei benachchbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 jeweils eine
Membranelektrodeneinheit (MEA) 14 angeordnet. Wie zuvor erläutert umfassen die MEAs 14 beispielsweise jeweils eine Membran 15, z. B. eine Elektrolytmembran, und beiderseits der Membran 15 angeordnete Gasdiffusionsla- gen (GDL) 16. Die GDL 16 sind z. B. jeweils aus einem Metall- oder einem Kohlenstoffvlies gebildet und ermöglichen es, dass die in den aktiven Bereichen 8 geführten Medien die Membranen 15 auch in den Bereichen der Stege der Strömungsfelder 17 anströmen können. Gegenüber der Umgebung des Systems 1 sind die zwischen benachbarten
Separatorplatten 10 angeordneten elektrochemischen Zellen mit den aktiven Bereichen 8 jeweils durch die in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten, wenigstens in der z-Richtung 6 elastischen Perimetersicken 12d abgedichtet. Am Rand des aktiven Bereichs 8 und zu den Perimetersicken 12d hin sind die Membranen 15 jeweils in einen verstärkten Rahmen 18 eingebettet. Der
Rahmen 18 ist jeweils dichtend zwischen den Perimetersicken 12d benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 aufgenommen. Auch die elastischen Portsicken 12a-c zweier benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 stützen sich jeweils über den Rahmen 18 gegeneinander ab und dichten die- jenige der Durchgangsöffnungen lla-c, die sie umlaufen, jeweils nach außen und zum Inneren des Stapels 32 hin ab (in Fig. 3a nicht gezeigt).
Im Normalbetrieb des Systems 1 haben die Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 einen entlang der z-Richtung 6 bestimm- ten Abstand von z0 voneinander. Damit die Sicken 12a-d ihre Dichtwirkung erfüllen können, sind die Sicken 12a-d durch eine über die Endplatten 3, 4 (siehe Fig. 1) in den Stapel 32 eingebrachte Vorspannung üblicherweise bereits im Normalbetrieb entlang der z-Richtung 6 geringfügig elastisch gestaucht. In diesem Zustand haben die Rahmen 18 jeweils eine ebenfalls ent- lang der z-Richtung 6 bestimmte Dicke ΔΜ (siehe Detailfigur). In Fig. 3a ist erkennbar, dass der Plattenabstand z0 zwischen benachbarten
Separatorplatten 10 im Normalbetrieb jeweils durch die entlang der z- Richtung bestimmte Höhe h der Perimetersicken 12d der einander zugewandten Einzelplatten 10a, 10b benachbarter Separatorplatten 10 und durch die Dicke ΔΜ des jeweils dichtend zwischen den Perimetersicken 12d aufgenommenen Rahmens 18 der Membran 15 bestimmt ist, so dass gilt: z0 = 2-h + ΔΜ . Ferner ist der Wert von z0 gewöhnlich abhängig von der genannten Vorspannung des Stapels 32 und ggf. von der Betriebstemperatur des Stapels 32.
Üblicherweise ist die Höhe h der in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Perimetersicken 12d jeweils größer als eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte maximale Höhe der ebenfalls in die Einzelplatten 10a, 10b eingeprägten Strukturen 17 der aktiven Bereiche 8 der zwischen den Separatorplatten 10 angeordneten elektrochemischen Zellen. Der Plattenabstand z0 im Normalbetrieb des Systems 1 kann z. B. zwischen 0,4 mm und 2 mm betragen. Der Plattenabstand z0 im Normalbetrieb kann jedoch ebenso kleinere oder größere Werte annehmen.
Das hier vorgeschlagene elektrochemische System 1 zeichnet sich gegenüber bekannten Systemen insbesondere dadurch aus, dass zwischen benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 jeweils Stützelemente 19a, 19b angeordnet sind. Die Stützelemente 19a, 19b dienen dem Zweck, die Sicken 12a-d der Separatorplatten 10 des Stapels 32 vor irreversiblen plastischen Verformungen zu schützen. Solche irreversiblen plastischen Verformungen der Sicken 12a-d können dann auftreten, wenn starke mechanische Kräfte auf den Stapel 32 einwirken, z. B. entlang der z-Richtung 6 senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10.
Insbesondere wirken die Stützelemente 19a, 19b als Absorber, die dazu ausgebildet sind, Kräfte, die in der z-Richtung 6 auf den Stapel 32 einwirken und die in Abwesenheit der Stützelemente 19a, 19b eine irreversible Stauchung der Sicken 12a-d bewirken würden, möglichst vollständig zu absorbieren und so eine Beschädigung der Sicken 12a-d zu verhindern. Falls das Brennstoffzellensystem 1 zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, können solche Kräfte z. B. bei einer Unfallkollision auftreten. Irreversible plastische Verformungen der Dichtelemente der Separatorplatten 10 können die Dichtwirkung der Dichtelemente beeinträchtigen und zu Leckagen von Reaktionsgas und/oder Kühlmittel führen. Dies kann die Effizienz des Systems 1 beeinträchtigen oder den Betrieb des Systems 1 sogar unmöglich machen. Zudem können austretende Reaktionsgase ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen (Brand- oder Explosionsgefahr). Die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen können z. B. ein thermoplastisches Material, insbesondere Thermoplasten ohne Faserverstärkung, oder ein thermoplastisches Elastomer, z.B. TPVs insb. EPDM-PP-Blends oder NBR-PP-Blends, ggf. auch extrudierbare TPUs umfassen oder vollständig aus wenigstens einem dieser Materialien gebildet sein. Z. B. können die Stützelemente 19a, 19b ein geschäumtes Material umfassen, wie beispielsweise einen geschäumten Thermoplast oder ein geschäumtes thermoplastisches Elastomer. Das thermoplastische Elastomer kann aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol- Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt sein. Sie können eine Umspritzung und/oder eine Außenhaut aufweisen, die einstückig mit dem eigentlichen Körper des Stützelementes durch Schaumspritzgießen aus dem betreffenden thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels, wie Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder ein niedrig siedender Kohlenwasserstoff, insbesondere mittels Verdunsten oder Expansion des Treibmittels gebildet sein können.
Die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen können auch ein keramisches Material umfassen. Ebenso können die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfassen.
Die Stützelemente 19a, 19b können parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten z. B. jeweils einen rechteckigen oder einen runden Quer- schnitt haben. Es sind jedoch auch andere Formen denkbar. Die Stützelemente 19a, 19b sind in einer Richtung, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 verläuft, jeweils von den Portsicken 12a-c und von der Perimetersicke 12d beabstandet angeordnet. Damit sie eine unerwünschte plastische Verformung der Sicken 12a-d wirkungsvoll verhindern können, soll- te ein parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 12 bestimmter Abstand der Stützelemente 19a, 19b von einer dem jeweiligen Stützelement 19a, 19b nächstgelegenen Sicke einen Maximalabstand Lmax vorzugsweise nicht überschreiten. Beispielsweise kann jeweils gelten Lmax < 3-A, Lmax < 2-A oder Lmax < A, wobei A eine quer zur Verlaufsrichtung der jeweiligen Sicke 12a-d bestimmte Fußbreite dieser Sicke ist. Bei dem in Fig. 3a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stützelemente 19a jeweils innerhalb der von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereiche der
Separatorplatten 10 angeordnet. Die Stützelemente 19b dagegen sind jeweils außerhalb der von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereiche der Separatorplatten 10 angeordnet.
In Fig. 3a sind die Stützelemente 19a, 19b ferner jeweils stoffschlüssig mit den Rahmen 18 verbunden, in die die Membranen 15 eingebettet sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Stützelemente 19a, 19b oder wenigstens einige von ihnen z. B. auch stoffschlüssig mit den Separatorplatten 10 verbunden sein, wie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt. Z. B. können die Stützelemente 19a, 19b mit den Rahmen 18 und/oder mit den Separatorplatten 10 verklebt oder durch Materialauftrag verbunden sein. In Fig. 3a sind die Stützelemente 19a, 19b jeweils beidseitig an den Rahmen 18 angebracht. Insbesondere erstreckt sich der Rahmen 18 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3a in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 jeweils beiderseits der Perimetersicken 12d, also jeweils sowohl innerhalb als auch außerhalb des von den Perimetersicken 12d umschlossenen und abgedichteten Bereichs der Separatorplatten 10. Die Einzelplatten 10a, 10b der Separatorplatten 10 weisen an ihren äußeren Rändern ferner jeweils Halbsi- cken 21a, 21b auf. Ein äußerer Rand der Rahmen 18 erstreckt sich parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 jeweils bis zum äußeren Rand der Separatorplatten 10.
Die Stützelemente 19a, 19b sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3a entlang der z-Richtung 6 jeweils zwischen einer Separatorplatte 10 und dem dieser
Separatorplatte 10 unmittelbar benachbarten Rahmen 18 angeordnet. Zwischen entlang der z-Richtung 6 benachbarten Stützelementen 19a, 19b sind also abwechselnd jeweils eine Separatorplatte 10 und ein Rahmen 18 angeordnet.
Die Stützelemente 19a, 19b sind derart zwischen den Separatorplatten 10 angeordnet und insbesondere entlang der z-Richtung 6 derart dimensioniert, dass sie sich wenigstens dann, wenn in der z-Richtung 6 eine Verpresskraft auf den Stapel 32 wirkt, die in Abwesenheit der Stützelemente eine irreversible plastische Verformung der Sicken 12a-d bewirken würde, in der z-Richtung 6 gegeneinander (s. z. B. Fig. 7) und/oder gegen die metallischen Separatorplatten 10 (s. z. B. Fig. 3a) abstützen, um eine irreversible plastische Verformung der Sicken 12a-d zu verhindern. Z. B. entspricht bei dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe der Stützelemente 19a, 19b bereits im Normalbetrieb des Systems 1, wenn der Plattenabstand zwischen den Plattenebenen benachbarter
Separatorplatten 10 des Stapels 32 z0 beträgt, jeweils der Höhe h der
Perimetersicken 12d der Einzelplatten 10a, 10b. Die Stützelemente 19a, 19b reichen hier also beim Plattenabstand z0 in der z-Richtung 6 jeweils an eine Separatorplatte 10 und an den dieser Separatorplatte 10 unmittelbar benachbarten Rahmen 18 heran und sind mit beiden in Kontakt.
Fig. 3b zeigt ebenfalls ein Detail des Stapels 32 des elektrochemischen Systems 1 aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene entlang der Linie B-B aus Fig. 2 verläuft. Ausgehend vom Außenrand des Stapels 32 weisen die Einzelplatten 10a, 10b nacheinander Halbsicken 21a, 21b, eine Perimetersicke 12d, eine Kombination aus Portsicke 12a und Halbsicken 21a', 21b', welche als Kombination um die Durchgangsöffnung IIa umläuft sowie einen kurzen Abschnitt eines Verteilbereichs 20 auf. Die Portsicke 12a und die Halbsicke 21a' weisen im zum Verteilbereich 20 weisenden Bereich jeweils Durchführungen 13a auf, die eine Leitung von Fluid von der Durchgangsöffnung IIa zum Verteilbereich 20 und weiter zum Strömungsfeld ermöglichen. Die MEA erstreckt sich nicht bis in diesen Bereich, vielmehr sind zwischen den Separatorplatten 10 Abschnitte des Rahmens 18 angeordnet. Wie in Fig. 3a sind die Stützelemente 19b auf den Rahmenabschnitten 18 angebracht, wobei sie sich hier zwischen der Perimetersicke 12d und der Portsicke 12a erstrecken.
Fign. 4a-c zeigen jeweils schematisch in einer Schnittdarstellung eine Ausführungsform einer Einzelplatte 10a des Stapels 32 und eines auf dieser Einzel- platte 10a angeordneten Stützelements 19. Das Stützelement 19 gemäß den
Fign. 4a-c soll mit seinen hier beschriebenen Eigenschaften stellvertretend für jeweils zwischen zwei benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 angeordnete Stützelemente stehen. Das Stützelement 19 gemäß den Fign. 4a-c steht hier also stellvertretend für eines oder mehrere der zuvor und im Fol- genden beschriebenen Stützelemente 19a, 19b, 19c, 19d, 19f, 19g, 19h, insbesondere auch für Kombinationen von diesen. Das Stützelement 19 aus den Fign. 4a-c ist hier mit der Einzelplatte 10a verbunden, z. B. durch eine Klebeverbindung. In die Einzelplatte 10a ist eine Perimetersicke 12d eingeprägt. Die in den Fign. 4a-d beschriebenen Eigenschaften der Perimetersicke 12d können jedoch ebenso für die Portsicken 12a-c oder für die Gesamtheit der Sicken 12a-d gelten (siehe z. B. Fig. 2).
Insbesondere zeigen die Fign. 4a-c die Perimetersicke 12d und das Stützelement 19 jeweils bei einem unterschiedlichen Grad der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6, wobei der Grad der Verpressung jeweils durch den Abstand z der Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels
32 charakterisiert ist. Die in den Fign. 4a-c dargestellten Situationen entsprechen dabei den Abständen z0, z und z2 zwischen benachbarten
Separatorplatten 10 des Stapels 32, wobei gilt z0 > zi > z2. Wie zuvor stellt z0 dabei den Plattenabstand im Normalbetrieb dar. Da in den Fign. 4a-c jeweils nur ein Teil der symmetrischen Anordnung aus zwei Separatorplatten 10 bzw. aus zwei Einzelplatten 10a, 10b , dem zwischen den Separatorplatten 10 bzw. dem zwischen Einzelplatten 10a, 10b jeweils aufgenommenen Rahmen 18 mit der Dicke ΔΜ und den zwischen den Separatorplatten 10 bzw. den zwischen den Einzelplatten 10a, 10b angeordneten Stützelementen 19 gezeigt ist (siehe z. B. Fig. 3a), beträgt die entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe h der Sicke
12d bei einem Plattenabstand z dabei jeweils (ζ-ΔΜ)/2, wobei auch die Dicke ΔΜ des Rahmens 18 mit zunehmender Verpressung ggf. jeweils leicht abnehmen kann. Die Höhe h der Sicke 12d im Normalbetrieb des Systems 1 kann z. B. einen Wert zwischen 0,3 mm und 0,6 mm annehmen.
Für jeden der Plattenabstände z0, zi und z2 sind dabei die in der z-Richtung 6 nur auf das Dichtelement (hier die Sicke 12d) einwirkende Kraft FD(z) und die in der z-Richtung 6 nur auf das Stützelement 19 einwirkende Kraft Fs(z) durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Länge des Pfeils jeweils ein Maß für den Be- trag der Kraft ist. Die Kräfte FD(z) und Fs(z) können z. B. über die Endplatten 3,
4 des Systems 1 in den Stapel 32 eingeleitet werden.
Den Fign. 4a-c ist deutlich entnehmbar, dass die Kraft FD(z) und die Kraft Fs(z) jeweils umso größer sind, je stärker der Stapel 32 in der z-Richtung 6 verpresst ist, d. h. je kleiner der Abstand z zwischen den Plattenebenen benachbarter
Separatorplatten 10 des Stapels 32 ist. Da Kräfte stets paarweise auftreten (actio=reactio), ist die Kraft FD(z) jeweils zugleich ein Maß für den Widerstand, den die Sicke 12d ihrer Stauchung auf die Sickenhöhe von h(z)=(z-AM)/2 entgegensetzt. Ebenso ist die Kraft Fs(z) jeweils ein Maß für den Widerstand, den das Stützelement 19 seiner Komprimierung in der z-Richtung 6 entgegensetzt. Abhängig vom Plattenabstand z verteilt sich die z. B. über die Endplatten 3, 4 des Systems 1 in den Stapel 32 eingeleitete Verpresskraft also in unterschiedlicher Weise auf die Kraft FD(z), die auf das wenigstens eine Dichtelement einwirkt, und auf die Kraft Fs(z), die auf das wenigstens eine Stützelement einwirkt.
In Fig. 4d sind die Kraft-Weg-Kennlinien FD(z) und Fs(z) als stetige Funktionen des Abstandes z zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 dargestellt, wobei die Abstandswerte z0, z und z2, die den in den Fign. 4a-c gezeigten Situationen entsprechen, jeweils durch gestrichelte vertikale Linien hervorgehoben sind. Ferner sind in Fig. 4d die bei den Plattenabständen z0, zi und z2 gemäß den Fign. 4a-c jeweils auf die Sicke 12d und auf das Stützelement 19 einwirkenden Kräfte FD(z0), FD(zi), Fs(zi), FD(z2) und FD(z2) als horizontal verlaufende gestrichelte Linien hervorgehoben. I n Fig. 4d ist außerdem die auf die Sicke 12d und auf das Stützelement 19 einwirkende und z. B. über die Endplatten 3, 4 in den Stapel 32 eingeleitete Gesamtkraft
FG(Z)=Fd(Z)+Fs(Z) als weitere Kraft-Weg-Kennlinie dargestellt.
Die Kennlinie FG(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen des Stapels 32 mittels eines Kraftsensors aufgezeichnet werden, wobei der Stapel 32 die Separatorplatten 10 mit den eingeformten Sicken 12a-d und die zwischen den
Separatorplatten 10 angeordneten Stützelementen 19 umfasst (siehe z. B. Fig. 3a). Z. B. kann der Kraftsensor jeweils die auf die Endplatten 3, 4 ausgeübte Verpresskraft aufzeichnen. Alternativ lässt sich die Kraft beispielsweise auch für eine elektrochemische Zelle und die beiden sie begrenzenden
Separatorplatten unter Zuhilfenahme gesonderter Flanschplatten bestimmen.
Die Dichtelement-Kennlinie FD(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen eines Stapels von Separatorplatten von der Art der Separatorplatten 10 mit der eingeformten Perimetersicke 12d (und ggf. zusätzlich mit den
eingeformten Portsicken 12a-c) aufgezeichnet werden, wobei die Stützele- mente zwischen den Separatorplatten jedoch entfernt werden, so dass beim
Verpressen des Stapels und beim Aufzeichnen der Kennlinie zwischen den Separatorplatten keine Stützelemente angeordnet sind. Und die Kennlinie Fs(z) kann z. B. beim schrittweisen Verpressen eines Stapels von ebenen Separatorplatten ohne eingeformte Sicken aufgezeichnet werden, wobei zwischen den ebenen Separatorplatten jeweils dieselben Stützelemente 19 ange- ordnet sind wie beim Aufzeichnen der Kennlinie FG(z). Alternativ könnte die
Stützelement-Kennlinie Fs(z) auch aus der Differenz der Kennlinien FG(z) und FD(z) bestimmt werden: Fs(z)=FG(z)-FD(z).
In der F-z-Darstellung der Fig. 4d ist die infolge einer Verpressung der Perimetersicke 12d entlang der z-Richtung 6 in der Perimetersicke 12d deponierte Energie jeweils durch die entsprechende Fläche unter der Kurve FD(z) gegeben. Ebenso ist die infolge einer Verpressung des Stützelements 19 entlang der z-Richtung 6 im Stützelement 19 deponierte Energie jeweils durch die entsprechende Fläche unter der Kurve Fs(z) gegeben.
Der Kraft-Weg-Kennlinie FD(z) der Sicke 12d ist deutlich das elastische Verhalten der Sicke 12d bei Plattenabständen z mit z3 < z < z0 entnehmbar, gekennzeichnet durch den linearen Verlauf der Kennlinie FD(z) in diesem Bereich. Für Plattenabstände z im Bereich z3 < z < z0 kann eine geringfügige Abweichung des Verlaufs der Kennlinie FD(z) von einem idealen linearen Verlauf darauf zurückzuführen sein, dass die Sicke 12d ihre ursprüngliche unverformte Geometrie nach einer ersten Stauchung nicht vollständig wiedererlangt (Hysterese). Die Sicke 12d ist derart ausgebildet, dass eine noch stärkere Verpressung der Sicke 12d über z3 hinaus, d. h. für Plattenabstände z mit z < z3, zu einer irreversiblen plastischen Verformung der Sicke 12d führt. Im Diagramm der
Fig. 4d ist dies vor allem gekennzeichnet durch den Abfall der Kennlinie FD(z) im Bereich z < z3 zu kleinen Plattenabständen hin.
Das in den Fign. 4a-c dargestellte Stützelement 19 weist eine Vielzahl von Po- ren 23 auf. Z. B. ist das Stützelement 19 der Fign. 4a-c aus einem geschäumten
Elastomer gebildet. Die Poren 23 können im unbelasteten Zustand z. B. in etwa kugelförmig sein und typische Durchmesser zwischen 0,01 mm und 0,15 mm haben. Durch eine in der z-Richtung 6 auf den Stapel 32 einwirkenden Verpressungskraft können die Poren 23 des Stützelements vollständig oder wenigstens teilweise komprimiert werden, was den Verlauf der Stützelement-
Kennlinie Fs(z) maßgeblich beeinflusst. So sind an der Stützelement-Kennlinie Fs(z) deutlich verschiedene Abstandsbereiche mit unterschiedlichem Verhalten der Stützelement-Kennlinie Fs(z) in dem jeweiligen Bereich erkennbar. In etwa bei Plattenabständen z mit zi < z < z0 wird der Widerstand des Stützelements 19 gegenüber einer Komprimierung des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 maßgeblich durch die Geometrie derjenigen Strukturen des Stützelements 19 bestimmt, die die noch nicht oder noch nicht vollständig kollabierten Poren 23 bilden. In diesem Bereich liegt die Stützelement-Kennlinie Fs(z), die den Widerstand des Stützelements 19 ge- genüber einer Komprimierung oder gegenüber einer weiteren Komprimierung des Stützelements 19 charakterisiert, durchgehend unterhalb der Dichtelement-Kennlinie FD(z) der Sicke 12d, die den Widerstand der Sicke 12d gegenüber einer Stauchung oder gegenüber einer weiteren Stauchung der Sicke 12d charakterisiert. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gilt also Fs(z) < FD(z) für alle Plattenabstände z mit zi < z < z0.
Mit anderen Worten gilt bei jedem Plattenabstand z im Bereich zi < z < z0, dass die bei diesem Plattenabstand z zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d in der z-Richtung 6 um eine Wegstrecke Δζ" > 0 benötigte Kraft FD(z) größer oder gleich der bei demselben Plattenabstand z zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 um dieselbe Wegstrecke Δζ" benötigte Kraft Fs(z) ist. Dies bedeutet, dass das Stützelement 19 bzw. die Stützelemente 19 derart ausgebildet ist/sind und insbesondere entlang der z-Richtung 6 derart dimensioniert ist/sind, dass der Widerstand des Stapels 32 gegen eine Verpressung oder gegen eine weitere Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6 bei nur geringfügigen Verformungen der Sicken 12a-d der Separatorplatten 12, also bei Plattenabständen z mit zi < z < z0, maßgeblich durch den Widerstand der Sicken 12a-d gegenüber einer weiteren Verpressung bestimmt ist. Das Stützelement 19 bzw. die Stützelemente 19 beeinträchtigen die bei geringen Plattenabständen durchaus wünschenswerte elastische Verformbarkeit der Sicken 12a-d bei Plattenabständen z mit zi < z < z0 also kaum merklich. So können die Sicken 12a-d geringfügigen Verformungen der Separatorplatten 10 und/oder sonstiger Komponenten in der z-Richtung 6, die z. B. durch im Betrieb des Systems 1 auftretende Temperaturschwankungen oder weitere sonstige Be- triebszustände verursacht werden, ohne weiteres nachgeben und damit ihre Dichtfunktion uneingeschränkt aufrechterhalten.
Erst bei Abständen z < zi, wenn die Poren 23 des Stützelements 19 infolge der auf das Stützelement 19 in der z-Richtung 6 einwirkenden Verpresskraft wenigstens teilweise oder ggf. vollständig kollabiert sind, wird der Widerstand des Stützelements 19 gegenüber einer weiteren Komprimierung des Stützelements 19 in der z-Richtung 6 maßgeblich durch die anderen Eigenschaften des Materials als dessen Porengehalt und -große bestimmt, aus dem das Stützelement 19 gebildet ist, und steigt mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes stark an. Die Sicke 12d ist also derart ausgebildet und das Stützelement 19 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass für alle Plattenabstände z mit z < zi die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um einen Weg Δζ'" > 0 in der z-Richtung 6 benötigte Kraft Fs mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes z schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d um denselben Weg Δζ'" in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FD. Oder mit anderen Worten:
I dFs(z)/dz I > I dFD(z)/dz | für alle Plattenabstände z mit z < zi. Dabei ist zi hier z. B. der größte Plattenabstand, für den diese Relation gilt. Beispielsweise kann die Kennlinie Fs(z) wenigstens im Bereich z < zi in etwa einen exponentiellen Verlauf haben.
Bei einem Plattenabstand z benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 von z=z2 mit z2 < zi < z0 schneiden sich die Stützelement-Kennlinie Fs(z) und die Dichtelement-Kennlinie FD(z). Z. B. kann die Sicke 12d derart ausgebildet und das Stützelement 19 derart angeordnet und ausgebildet sein, dass die Poren 23 des Stützelements 19 für alle Plattenabstände z mit z < z2 vollständig komprimiert bzw. kollabiert sind. Z. B. kann z2 der größte Plattenabstand sein, bei dem die Poren 23 des Stützelements 19 vollständig komprimiert bzw. kollabiert sind. Dabei ist hervorzuheben, dass die Höhe h der Sicke 12d bei dem Plattenabstand z=z2 noch deutlich innerhalb desjenigen Bereichs ist, in dem die Sicke 12d elastisch verformbar ist. Bei dem Plattenabstand z=z2 besteht für die Perimetersicke 12d also noch keine Gefahr einer irreversiblen plastischen Verformung.
Die Sicke 12d und das Stützelement 19 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass die Stützelement-Kennlinie Fs(z) für alle Plattenabstände z mit z < z2 durchgehend oberhalb der Dichtelement-Kennlinie FD(z) verläuft. Es gilt also Fs(z) > FD(z) für alle Plattenabstände z mit z < z2, wobei z2 hier der größte Plattenabstand ist, für den diese Relation gilt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass es für alle Plattenabstände z mit z < z2 jeweils eine Wegstrecke der Länge Δζ' > 0 gibt, so dass die bei jedem Plattenabstand z mit z < z2 zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um die Wegstrecke Δζ' in der z-Richtung 6 benötigte Kraft AFs=Fs(z-Az')-Fs(z) jeweils größer ist als die bei demselben Plattenabstand z zur weiteren Stauchung nur der Perimetersicke 12d um dieselbe Wegstrecke Δζ' in der z-Richtung 6 benö- tigte KraftAFD=FD(z-Az')-FD(z).
Der Verlauf der Dichtelement-Kennlinie FD(z) ist gewöhnlich durch die Geometrie der Sicke 12d und durch die Materialeigenschaften der Sicke 12d bestimmt. Z. B. ist der Verlauf der Dichtelement-Kennlinie FD(z) durch ihre Höhe h, ihre Fußbreite und ihren Flankenwinkel im unbelasteten Zustand sowie durch die Dicke und/oder durch das Material der Einzelplatte 10a bestimmt, in die die Sicke 12d eingeformt ist. Und der Verlauf der Stützelement- Kennlinie Fs(z) ist typischerweise durch die Geometrie des Stützelements 19 und durch die Materialeigenschaften des Stützelements 19 bestimmt. Z. B. ist das Stützelement 19 bei der in den Fign. 4a-c dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet, dass seine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe wenigstens für alle Plattenabstände z mit z < z0 jeweils der Höhe h der Sicke 12d entspricht. Die Größe des Plattenabstandes zi, für den gilt | dFs(z)/dz | > | dFD(z)/dz | für alle z < zi, und/oder die Größe des Plattenabstandes z2, für den gilt Fs(z) > FD(z) für alle z < z2, können/kann jeweils durch Veränderung wenigstens eines oder mehrerer der folgenden Parameter einstellbar sein:
die entlang der z-Richtung 6 des Stützelements 19 bestimmte Höhe des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19;
die Größe der Querschnittsfläche des Stützelements 19 parallel zur Plattenebene der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b;
der Elastizitätsmodul des Materials oder wenigstens eines der Materialien, aus dem oder aus denen das Stützelement 19 gebildet ist;
die mittlere Größe der Poren 23 des Stützelements 19 im unbelasteten
Zustand des Stützelements 19; und/oder der Volumenanteil der Poren 23 des Stützelements 19 am Gesamtvolumen des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19.
Z. B. kann der Wert von zx und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung der mittleren Größe der Poren 23 des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützelements 19 zu kleineren Plattenabständen hin verringert werden. Z. B. kann der Wert von zi und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung des Volumenanteils der Poren 23 des Stützelements 19 am Gesamtvolumen des Stützelements 19 im unbelasteten Zustand des Stützele- ments 19a zu kleineren Plattenabständen hin verringert werden. Z. B. kann der Wert von zi und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Stützelements 19a parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b zu größeren Plattenabständen hin vergrößert werden. Und z. B. kann der Wert von zi und/oder der Wert von z2 durch eine Vergrößerung des Elastizitätsmoduls des Materials des
Stützelements 19a zu größeren Plattenabständen hin vergrößert werden.
Die Fign. 5a-b zeigen weitere denkbare Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Stützelementen 19, hier bezeichnet als 19c und 19d, und zwar in einer Schnittdarstellung entlang einer Ebene, die parallel zur z-Richtung 6 und damit senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 bzw. der Einzelplatten 10a, 10b ausgerichtet ist. Die Stützelemente 19c, 19d können bei alternativen Ausführungsformen des Stapels 32 z. B. alle oder wenigstens einige der Stützelemente 19a und ggf. auch 19b in Fig. 3a ersetzen. In den Fign. 5a-b sind die Stützelemente 19c, 19d jeweils mit einer Einzelplatte 10a einer
Separatorplatte 10 des Stapels 32 verbunden, z. B. durch eine Klebeverbindung. Alternativ können die Stützelemente 19c, 19d oder einige von ihnen jeweils ebenso mit einem der Rahmen 18 verbunden sein (siehe Fig. 3a). Die Stützelemente 19c, 19d weisen jeweils eine Außenwand 25 aus einem elastischen Material auf. Z. B. ist die Außenwand 25 jeweils aus einem thermoplastischen Elastomer gebildet. Die Stützelemente 19c, 19d weisen außerdem jeweils wenigstens einen Hohlraum 24 auf, der sich entlang der z- Richtung 6 erstreckt. Ein Volumen des Hohlraums 24 kann im unbelasteten Zustand der Stützelemente 19c, 19d z. B. wenigstens 30 Prozent oder wenigstens 50 Prozent des Gesamtvolumens des jeweiligen Stützelements 19c, 19d erfüllen. Durch eine in der z-Richtung 6 auf die Stützelemente 19c, 19d einwirkende Verpresskraft sind die Hohlräume 24 der Stützelemente 19c, 19d in der z-Richtung 6 ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar oder komprimierbar. Die zum Komprimieren oder zum teilweisen Komprimieren der Stützelemente entlang der z-Richtung 6 erforderliche Verpresskraft hängt u.a. von der Geometrie der Außenwand 25 ab, z. B. von einer Wandstärke der Außenwand 25, und/oder von dem Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Außenwand 25 gebildet ist. Die Hohlräume 24 der Stützelemente 19c, 19d können jeweils vollständig von der Außenwand 25 umschlossen sein. Alternativ können die Außenwände 25 auch Öffnungen aufweisen, durch die ein im jeweiligen Hohlraum 24 enthaltenes Gas, z. B. Luft, beim Komprimieren des Hohlraums 24 aus dem Hohlraum 24 entweichen kann. Durch derartige Öffnungen in den Außenwänden kann der Widerstand der Stützelemente 19c, 19d gegenüber einer Komprimierung verringert werden.
Das Stützelement 19d aus Fig. 5b unterscheidet sich von dem Stützelement 19c aus Fig. 5a durch einen Vorsprung 26, der sich entlang der z-Richtung 6 erstreckt und der wenigstens teilweise in den Hohlraum 24 hineinragt. Der
Vorsprung 26 kann z. B. mit der Außenwand 25 des Stützelements 19d verbunden oder einteilig mit diesem ausgebildet sein. Durch die Elastizität des Materials, aus dem der Vorsprung 26 gebildet ist, und durch die Länge des Vorsprungs 26 entlang der z-Richtung 6 kann der Verlauf der Kraft-Weg- Kennlinie des Stützelements 19d gezielt beeinflusst werden (vgl. die Kraft-
Weg-Kennlinien des Stützelements 19 gemäß Fig. 4). Z. B. kann der Wert des oben definierten Plattenabstandes zi und/oder z2 mit der Wahl der Elastizität des Vorsprungs 26 und/oder durch die Wahl der Länge des Vorsprungs 26 entlang der z-Richtung 6 gezielt eingestellt werden.
Analog den Fign. 4a-c zeigen die Fign. 6a-c jeweils schematisch in einer Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform einer Einzelplatte 10a des Stapels 32 und eine weitere Ausführungsform eines auf dieser Einzelplatte 10a angeordneten Stützelements 19. Wie zuvor soll das Stützelement 19 ge- mäß den Fign. 6a-c mit seinen hier beschriebenen Eigenschaften stellvertretend für eine weitere Ausführungsform eines Stützelements oder mehrerer Stützelemente stehen, die zwischen zwei benachbarten Separatorplatten 10 des Stapels 32 angeordnet sind. Das Stützelement 19 kann aus einem elastischen Material gebildet sein, z. B. aus einem thermoplastischen Elastomer. Das Stützelement 19 kann homogen ausgebildet sein. Es ist aber ebenso denkbar, dass das Stützelement Poren entsprechend den Poren 23 des Stützelements 19a gemäß den Fign. 4a-d oder wenigstens einen Hohlraum 24 entsprechend den Hohlräumen 24 der Stützelemente 19c, 19d gemäß den Fign. 5a-b aufweist. Wiederum ist zudem eine in die Einzelplatte 10a eingeformte Perimetersicke
12d gezeigt. Wie zuvor können die in den Fign. 6a-d beschriebenen Eigenschaften der Perimetersicke 12d jedoch ebenso für die Portsicken 12a-c oder für die Gesamtheit der Sicken 12a-d gelten (siehe z. B. Fig. 2). Analog zur Darstellung der Fign. 4a-c zeigen die Fign. 6a-c die Perimetersicke 12d und das Stützelement 19a jeweils bei einem unterschiedlichen Grad der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6. Und analog der Fig. 4d sind in Fig. 6d die Kraft-Weg-Kennlinien FD(z) und Fs(z) als stetige Funktionen des Abstandes z zwischen den Plattenebenen benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 dargestellt. Bereits in den Fign. 4a-d beschriebene Merkmale und Bezeich- nungen werden hier nur der Einfachheit halber nicht nochmal im Detail erläutert.
Die Anordnung gemäß den Fign. 6a-c unterscheidet sich von der Anordnung gemäß den Fign. 4a-c dadurch, dass das Stützelement 19 gemäß den Fign. 6a- c gegenüber dem Stützelement 19 gemäß den Fign. 4a-c derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für alle Plattenabstände z mit z > zi entlang der z- Richtung 6 ein Zwischenraum 31 zwischen dem Stützelement 19 und der dem Stützelement 19 unmittelbar benachbarten Separatorplatte 10 oder zwischen dem Stützelement 19 und dem dem Stützelement 19 unmittelbar benachbar- ten Rahmen 18 verbleibt. Beim Plattenabstand z0 kann sich dieser Zwischenraum 31 entlang der z-Richtung 6 z. B. über eine Länge D erstrecken (siehe Fig. 6a). Dies bedeutet, dass eine entlang der z-Richtung 6 bestimmte Höhe des Stützelements 19 gemäß den Fign. 6a-c beim Plattenabstand z0 im Normalbetrieb des Systems 1 kleiner ist als die Höhe h der Perimetersicke 12d.
Das Stützelement 19 gemäß den Fign. 6a-c ist derart ausgebildet und ange- ordnet, dass der genannte Zwischenraum 31 durch Verpressung des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 erstmalig dann verschwindet, wenn der Plattenabstand benachbarter Separatorplatten 10 des Stapels 32 auf den Wert zi verringert ist. Für Plattenabstände z mit z > zi setzt das Stützelement 19 der Verpressung des Stapels 32 in der z-Richtung 6 daher keinen Widerstand entgegen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die in der z-Richtung 6 nur auf das Stützelement 19 einwirkende Kraft Fs(z) für alle Plattenabstände z mit z > zi verschwindet (d. h. Fs(z) = 0). Wie zuvor ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fign. 6a-c die Sicke 12d derart ausgebildet und das Stützelement 19 derart angeordnet und ausgebildet, dass die Stützelement-Kennlinie Fs(z) des Stützelements 19 und die Dichtelement- Kennlinie FD(z) der Sicke 12d einander beim Plattenabstand z = z2 schneiden. Auch für das Ausführungsbeispiel der Fign. 6a-c gilt somit Fs(z) < FD(z) für alle z mit z > z2, sowie Fs(z) > FD(z) für alle z mit z < z2. Und wie zuvor gilt außerdem
I dFs(z)/dz I > I dFD(z)/dz | für alle z mit z < zi. Insbesondere sind die Sicke 12d und das Stützelement 19 also derart ausgebildet, dass für alle Plattenabstände z mit z < zi die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements 19 um einen Weg Δζ'" > 0 in der z-Richtung 6 benötigte Kraft Fs mit einer weiteren Verringerung des Plattenabstandes z schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur der Sicke 12d um denselben Weg Δζ'" in der z-Richtung 6 benötigte Kraft FD.
Die nachfolgenden Figuren zeigen weitere Stapel 32 des Systems 1 jeweils in einem Zustand, bei dem die Plattenabstände z. B. jeweils z = z0 betragen.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zeichnet sich der Stapel 32 gemäß Fig. 7 durch Stützelemente 19f aus, die entlang der Schnittebene und senkrecht zur Verlaufsrichtung der Perimetersicken 12d jeweils einen näherungsweise U- förmigen Querschnitt aufweisen und am Rand der Separatorplatten 10 z. B. auf die Separatorplatten 10 aufgesteckt sind. Die Stützelemente 19f können also jeweils formschlüssig, insbesondere über die Halbsicken 21a, 21b, mit den Separatorplatten 10 verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ können die Stützelemente 19f mit den Separatorplatten 10 verklebt oder auf andere Weise verbunden sein. Die Stützelemente 19f sind entlang der z-Richtung 6 jeweils beiderseits der Separatorplatten 10 angeordnet und umschließen diese, so dass sie jeweils mit beiden Einzelplatten 10a, 10b der Separatorplatten 10 in Kontakt sind. Zwischen benachbarten Stützelementen 19f ist ein Zwischenraum 31 vorhanden, dessen Höhe im Wesentlichen der Dicke des Rahmens 18 entspricht.
Parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 reichen die Stützele- mente 19f nicht an die dichtend zwischen den Perimetersicken 12d benachbarter Separatorplatten 10 aufgenommenen Rahmen 18 heran. Somit überlappen die Stützelemente 19f und die Rahmen 18 in der z-Richtung 6 nicht. Die Stützelemente 19f können derart dimensioniert sein, dass sie bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb beiderseits der Separatorplatte 10, an der sie jeweils angeordnet sind, entlang der z-Richtung 6 jeweils wenigstens bis an die Ebene heranreichen, in der sich das Dach der Perimetersicken 12d der Einzelplatten 10a, 10b dieser Separatorplatte 10 erstreckt.
Ferner sind die Stützelemente 19f entlang der z-Richtung 6 derart dimensio- niert, dass zwischen benachbarten Stützelementen 19f entlang der z-Richtung
6 bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb jeweils ein Zwischenraum verbleibt, so dass benachbarte Stützelemente 19f einander bei einem Plattenabstand von z0 nicht berühren. Z. B. sind die Stützelemente 19f derart ausgebildet, dass benachbarte Stützelemente 19f einander erstmalig dann kontak- tieren, wenn der Plattenabstand benachbarter Separatorplatten 10 infolge einer Verpressung des Stapels 32 auf einen Wert zi < z0 verringert ist. Falls benachbarte Separatorplatten 10 im Betrieb auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen (wie z. B. bei einem Brennstoffzellenstapel), ist es erforderlich, dass die Stützelemente 19f wenigstens in denjenigen Bereichen an ihrer Oberfläche, entlang derer sie infolge einer Verpressung des Stapels
32 miteinander in Kontakt geraten können, elektrisch nichtleitend sind, um zu verhindern, dass es über die Stützelemente 19f zu einem elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatorplatten 10 kommt (elektrischer Kurz- schluss). Z. B. können die Stützelemente 19f jeweils mit einer elektrisch isolie- renden Schicht beschichtet sein. Alternativ können die Stützelemente 19f oder einige von ihnen auch jeweils vollständig aus einem elektrisch isolieren- den Material gebildet sein.
Fig. 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 dadurch, dass die Stützelemente 19f jeweils mit einem Halteelement 27 verbunden sind. Die Stützelemente 19f sind somit entlang der z-Richtung 6 über das Halteelement 27 miteinander verbunden. Das Halteelement 27 erstreckt sich am Rand des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 über eine Vielzahl von
Separatorplatten 10. Der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das Halteelement gebildet ist, kann in etwa so groß sein wie der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Stützelemente 19f gebildet sind. Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform sind die Stützelemente 19f und das Halteelement 27 aus demselben Material gefertigt und einteilig ausgebildet. Wenigstens im
Randbereich des Stapels 32 erhöht das Halteelement 27 typischerweise den Widerstand des Stapels 32 gegen eine Verpressung des Stapels 32 in der z- Richtung 6, wobei das Halteelement 27 bei starken Verpressungen zumindest teilweise in die vom Platteninneren abgewandte Richtung ausweichen kann.
Fig. 9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 einer- seits dadurch, dass am linken Außenrand der Separatorplatten keine Halbsi- cken vorhanden sind. Andererseits unterscheidet sie sich von der gemäß Figur 7 dadurch, dass die Stützelemente 19f jeweils aus zwei unterschiedlichen Materialien 19 und 19f" zusammengesetzt sind, die einer Verpressung entlang der z-Richtung 6 z. B. einen unterschiedlich großen Widerstand entgegenset- zen. Z. B. kann wenigstens eines der Materialien 19f, 19f" geschäumt sein und Poren entsprechend den Poren 23 des Stützelements 19 gemäß den Fign. 4a-c aufweisen. Es kann sich auch um zwei ansonsten identische Materialien handeln, die einen unterschiedlichen Porengehalt aufweisen. Die Stützelemente 19f können beispielsweise koextrudiert sein.
Die Materialien 19f, 19f" bilden Schichten, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet sind und die mit den Separatorplatten 10 jeweils eine sandwichartige Struktur bilden, die bezüglich der Plattenebene der jeweiligen Separatorplatte 10 spiegelsymmetrisch ist. Die Separatorplatte
10 bildet dabei jeweils die innerste Schicht dieser Struktur. Das erste Material 19f des Stützelements 19f bildet die zweite Schicht, die beiderseits der
Separatorplatte 10 mit der Separatorplatte 10 in Kontakt ist. Und das zweite Material 19f" des Stützelements 19f bildet die dritte Schicht, die beiderseits der Separatorplatte 10 mit der zweiten Schicht in Kontakt ist.
Geraten bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 benachbarte Stützelemente 19f infolge einer Verpressung des Stapels 32 entlang der z-Richtung 6 nach Verschließen des Zwischenraums 31 erstmalig in Kontakt, so wird der Widerstand der Stützelemente 19f gegen eine weitere Verpressung z. B. zunächst durch dasjenige der Materialien 19f, 19f" bestimmt, das eine größere Elastizität (d. h. einen kleineren Elastizitätsmodul) aufweist. Auch durch einen derartigen Aufbau der Stützelemente 19f aus zwei unterschiedlichen Materialien 19f, 19f" lässt sich der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie Fs(z) der Stützelemente 19f also gezielt beeinflussen oder einstellen. Z. B. ist der Verlauf von Fs(z) auf diese Weise derart einstellbar, dass Fs(z) für Plattenabstände z mit zi < z < z0 flach verläuft und dass Fs(z) für Plattenabstände z mit z < zi steil verläuft o.ä. (vgl. Fig. 4d).
Fig. 10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 dadurch, dass die Stützelemente 19h gemäß Fig. 10 jeweils einen Zwischenraum 28 ausfüllen, der von den Halbsicken 21a, 21b am Rand der Einzelplatten 10a, 10b gebildet wird. So kann die Stabilität der Halbsicken 21a, 21b und der Stützelemente 19h weiter erhöht werden.
Fig. 11 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungs- form gemäß Fig. 11 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 8. In Fig.
11 sind die Stützelemente 19g jeweils im Randbereich der Separatorplatten 10 entlang der z-Richtung 6 zwischen den Halbsicken 21a, 21b benachbarter Separatorplatten 10 angeordnet. Insbesondere sind die Stützelemente 19g derart zwischen den Separatorplatten 10 angeordnet, dass sie bereits beim Plattenabstand z0 im Normalbetrieb entlang der z-Richtung 6 jeweils an zwei benachbarte Separatorplatten 10 heranreichen und diese berühren. Ebenso füllen die Stützelemente 19g jeweils den Zwischenraum 28 zwischen den Halbsicken 21a, 21b aus. Ferner sind die Stützelemente 19g jeweils mit einem integralen Halteelement 27 verbunden, das sich entlang der z-Richtung 6 am Rand des Stapels 32 über eine Vielzahl von Separatorplatten 10 erstreckt. In Fig. 11 sind die Stützelemente 19g und das Halteelement 27 aus demselben
Material gefertigt und einteilig ausgebildet.
Fig. 12 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 12 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 11 dadurch, dass die Stützelemente 19h gemäß Fig. 12 sich parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 wenigstens teilweise in einem Bereich 29 erstrecken, der von den Halbsicken 21a, 21b am Rand der Separatorplatten 10 bis zu den Perimetersicken 12d reicht. Die Stützelemente 19h füllen dabei Zwischenräume 30, die entlang der z-Richtung 6 im Bereich 29 zwischen benachbarten Separatorplatten 10 ausgebildet sind, bereits bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb vollständig aus.
Fig. 13 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 ausgerichtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 13 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 3a dadurch, dass sich die Rahmen 18 parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 10 nicht oder kaum über die Perimetersicken 12d hinaus zum Rand der Separatorplatten 10 hin erstrecken. Bei einem Plattenabstand z0 im Normalbetrieb verbleiben entlang der z-Richtung 6 somit Zwischenräume zwischen benachbarten Stützelementen 19b. Ferner unterscheidet sich die Ausführungsform gemäß Fig. 13 von der Ausführungsform gemäß Fig. 3a durch Füllelemente 30, die den Zwischenraum 28 zwischen den Halbsicken 21a, 21b der Separatorplatten 10 jeweils vollständig ausfüllen und den Separatorplatten 10 somit zusätzliche Stabilität verleihen.
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stapels 32 des Systems 1 in einer Schnittdarstellung, wobei hier jedoch nur eine elektrochemische Zelle mit zwei Einzelplatten 10a, 10b, die zu zwei verschiedenen Separatorplatten gehören, dargestellt ist. Die Stützelemente 19b sind hier auf den Einzelplatten 10a, 10b in einem Bereich zwischen der Perimetersicke 12d und den Halbsi- cken 21a, 21b am Außenrand der Einzelplatten 10a, 10b angeordnet. Der Rahmen 18 reicht nicht bis in den Bereich, in dem die Stützelemente 19b an- geordnet sind, so dass ein Zwischenraum 31 zwischen den unverpressten
Stützelementen 19b verbleibt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Anordnung
mit einer ersten und einer zweiten metallischen Separatorplatte (10), die jeweils eine Plattenebene definieren und die in einer Stapelrichtung (6) senkrecht zu den Plattenebenen gestapelt sind;
mit einer zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle;
wobei die Separatorplatten (10) jeweils wenigstens ein in die
Separatorplatte (10) eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement (12a-d) aufweisen;
wobei sich die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) zum
Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten (10) angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen;
wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) in der Stapelrichtung (6) elastisch verformbar sind, so dass ein Abstand z der Platten- ebenen der Separatorplatten (10) voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) wenigstens bis auf einen Abstand z2 reversibel verringerbar ist; und
mit wenigstens einem Stützelement (19, 19a-d, 19f-h), das jeweils zwischen den Separatorplatten (10) angeordnet ist und das jeweils in einer Rich- tung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten von den Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10) beabstandet ist;
wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) zum Schutz der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) vor einer irreversiblen plastischen Verformung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dann, wenn der Abstand z der Plattenebenen der Separatorplatten (10) voneinander infolge einer in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkenden Verpresskraft bis auf einen Abstand z mit z < z2 verringert ist, eine zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des we- nigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Δζ' in der Sta- pelrichtung (6) benötigte Kraft Fs größer ist als eine zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10) um den Weg Δζ' in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.
2. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für z < zx mit zx > z2 mit einer weiteren Verringerung des Abstandes z der Separatorplatten (10) voneinander die zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um einen Weg Δζ'" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft Fs schneller wächst als die zur weiteren Stauchung nur des Dichtelements um den Weg Δζ'" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD.
3. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es für z < zx mit zx > z2 eine im wesentlichen exponentielle Kraft-Weg-Kurve aufweist.
4. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind, dass eine Verringerung des Abstandes der Separatorplatten (10) voneinander auf einen Wert z < z3 mit z3 < z2 bei wenigstens einem der Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10), vorzugsweise bei den Dicht- elementen (12a-d) beider Separatorplatten (10), eine irreversible plastische
Stauchung bewirkt.
5. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19a, 19c) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils wenigstens einen
Hohlraum (24) und/oder jeweils eine Vielzahl von Poren (23) aufweist/aufweisen.
6. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Dichtele- mente (12a-d) der Separatorplatten (10) derart ausgebildet sind und wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass für z mit z2 < Z\ < z < z0 die zur Stauchung oder zur weiteren Stauchung nur des wenigstens einen Dichtelements der Separatorplatten (10) um einen Weg Δζ" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft FD größer oder gleich der zur Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung nur des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) um den Weg Δζ" in der Stapelrichtung (6) benötigte Kraft Fs ist.
7. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f- h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils ein geschäumtes Material umfasst/umfassen.
8. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das den wenigstens einen Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) umfassende Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart ausgebildet ist, dass der wenigstens eine Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) durch eine in der Stapelrichtung (6) auf die Separatorplatten (10) einwirkende Verpresskraft ganz oder wenigstens teilweise kollabierbar ist/sind.
9. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 8, wobei das den wenigstens einen Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) umfassende Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der wenigstens eine Hohlraum (24) und/oder die Poren (23) bei einem Abstand der Separatorplatten (10) voneinander von z < z2 jeweils maximal kollabiert ist/sind.
10. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) wenigs- tens ein erstes Stützelement (19e) umfasst, das derart angeordnet ist, dass zwischen den Separatorplatten (10) und dem wenigstens einen ersten Stützelement (19e) in der Stapelrichtung (6) für z > zi mit zi > z2 jeweils wenigstens ein Zwischenraum verbleibt.
11. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine Zwischenraum für z < zx verschwindet.
12. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtelemente (12a-d) der Separatorplatten (10) jeweils eine Perimetersicke (12d) umfassen, die die elektrochemische Zelle umschließt und gegenüber einer Umgebung der elektrochemischen Anordnung abdichtet.
13. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 12, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) wenigstens ein zweites Stützelement (19b, 19f, 19g) umfasst, das in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten (10) auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite der Perimetersicke (12d) angeordnet ist.
14. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) wenigstens bereichsweise ein elektrisch isolierendes Material umfasst oder wenigstens bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, wobei das elektrisch isolierende Material jedes Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) jeweils derart angeordnet ist, dass bei jedem Abstand z der metallischen Separatorplatten (10) voneinander über dieses Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) kein elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Separatorplatten (10) herstellbar ist.
15. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 14, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist/sind.
16. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f- h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) ein thermoplasti- sches Material, ein thermoplastisches Elastomer und/oder ein keramisches Material umfasst/umfassen.
17. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f- h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) ein polymerbasiertes und/oder ein metallisches Stützgewebe umfasst/umfassen.
18. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f- h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit wenigstens einer der Separatorplatten (10) verbunden ist/sind.
19. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle einen Rahmen (18) aufweist, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19a) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen (18) verbunden ist/sind.
20. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 19, mit wenigstens einer in dem Rahmen (18) eingespannten Membran (15), insbesondere einer Elektrolytmembran oder einer Wassertransfermembran, die dichtend zwischen den einander abstützenden Dichtelementen (12a-d) der Separatorplatten (10) aufgenommen ist, wobei vorzugsweise beiderseits der Membran (15) jeweils eine Gasdiffusionslage (16) angeordnet ist.
21. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19f, 19g) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) derart ausgebildet ist/sind, dass es/sie in einer Richtung parallel zu den Plattenebenen der
Separatorplatten (10) jeweils auf wenigstens eine der Separatorplatten (10) aufsteckbar ist/sind, vorzugsweise lösbar aufsteckbar ist/sind.
22. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Separatorplatten (10) jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung (lla-c) zum Durchleiten eines Mediums durch die
Separatorplatte (10) aufweisen, wobei das wenigstens eine Dichtelement (12a-d) der Separatorplatten (10) jeweils eine in die jeweilige Separatorplatte
(10) eingeprägte Portsicke (12a-c) umfasst, die umlaufend um die wenigstens eine Durchgangsöffnung (lla-c) dieser Separatorplatte (10) angeordnet ist, und wobei eines, mehrere oder jedes der Stützelemente (19, 19a-d, 19f-h) des wenigstens einen Stützelements (19, 19a-d, 19f-h) auf einer von der Durch- gangsöffnung (lla-c) abgewandten Seite der Portsicke (12a-c) angeordnet ist/sind.
23. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 22, wobei die Portsicke (12b) Durchführungen (13b) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (IIb) und der elektrochemischen Zelle herstellen.
24. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 22 und 23, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) jeweils innerhalb einer Ebene, die parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten (10) verläuft, von der Portsicke (12a-c) beabstandet ist.
25. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Separatorplatten (10) zwei metallische Einzelplatten (10a, 10b) umfasst, die zur Ausbildung dieser Separatorplatte (10) stoffschlüs- sig miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, besonders vorzugsweise durch eine Laserschweißverbindung.
26. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 25, wobei jede der Einzelplatten (10a, 10b) wenigstens ein in diese Einzelplatten (10a, 10b) einge- prägtes und in der Stapelrichtung (6) elastisches Dichtelement (12a-d) umfasst.
27. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Halteelement (27), das seitlich an dem Stapel (32) angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Stützelement (19, 19a-d, 19f-h) eine Vielzahl von Stützelementen (19f, 19g) umfasst, die mit dem Halteelement (27) verbunden sind oder die einteilig mit dem Halteelement (27) ausgebildet sind.
28. Elektrochemisches System (1) mit einer Vielzahl von elektrochemischen Anordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die entlang einer gemeinsamen Stapelrichtung (6) gestapelt sind.
29. Elektrochemisches System (1) nach Anspruch 28 mit einer elektrochemischen Anordnung nach Anspruch 27, wobei sich das Halteelement (27) in der gemeinsamen Stapelrichtung (6) über eine Vielzahl der elektrochemischen Anordnungen erstreckt.
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