DE202020106459U1 - Anordnung für ein elektrochemisches System, Stapel sowie elektrochemisches System - Google Patents

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Abstract

Anordnung (30) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine erste Separatorplatte (2a), eine zweite Separatorplatte (2b) und eine zwischen den Separatorplatten (2a, 2b) angeordnete Membranelektrodeneinheit, MEA, (10) zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle zwischen den Separatorplatten (2a, 2b), die MEA (10) aufweisend:
- einen elektrochemisch aktiven Bereich (18) und
- mindestens eine rahmenförmige, den elektrochemisch aktiven Bereich umschließende Verstärkungslage (55),
wobei in der Verstärkungslage (55) und in jeder Separatorplatte (2a, 2b) jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung (51, 11) zum Durchleiten eines Fluids ausgebildet ist, wobei die Durchgangsöffnung (51) der Verstärkungslage (55) und die Durchgangsöffnungen (11) der Separatorplatten (2a, 2b) zum Bilden eines Fluidleitungsabschnitts (31) fluchtend zueinander angeordnet sind,
wobei die Verstärkungslage (55) mindestens eine flexible Lasche (50) mit einem freien Ende zum Beeinflussen einer Fluidströmung aufweist,
wobei eine Orthogonalprojektion zumindest einer der beiden Durchgangsöffnungen der Separatorplatten (2a, 2b) auf die Verstärkungslage (55) eine Projektionsfläche (56) definiert, welche zumindest bereichsweise mit der Lasche (50) überlappt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein elektrochemisches System, welche eine erste Separatorplatte, eine zweite Separatorplatte und eine zwischen den Separatorplatten angeordnete Membranelektrodeneinheit zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle zwischen den Separatorplatten aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Stapel mit einer Vielzahl derartiger Anordnungen und ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Anordnungen und/oder einem Stapel. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Anordnung bzw. der Stapel können grundsätzlich auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden. An die Stelle der Membranelektrodeneinheit tritt dann eine Befeuchtermembran.
  • Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Solche Separatorplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Eine Bipolarplatte begrenzt typischerweise auf beiden Seiten jeweils eine elektrochemische Zelle. Typischerweise sind Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten Separatorplatten gebildet. Die Separatorplatten (Einzelplatten) der Bipolarplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
  • Die elektrochemischen Zellen umfassen jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Separatorplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Die MEAs weisen darüber hinaus jeweils mindestens eine rahmenförmige Verstärkungslage auf, welche den elektrochemischaktiven Bereich der MEA umschließt und typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Die rahmenförmige(n) Verstärkungslage(n) wird/werden manchmal auch Randabschnitt oder Verstärkungsrand der MEA genannt.
  • Die Separatorplatten und Bipolarplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Bipolarplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Bipolarplatte aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten der Bipolarplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
  • Ferner weisen die Bipolarplatten bzw. Separatorplatten üblicherweise jeweils mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Bipolarplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten der Bipolarplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden. Die Durchgangsöffnungen sind in der Regel fluchtend zueinander angeordnet und bilden Fluidleitungen, welche sich in Stapelrichtung, also senkrecht zu den Plattenebenen der jeweiligen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten, erstrecken.
  • Um die Herstellung eines derartigen elektrochemischen Systems zu vereinfachen und Kosten zu begrenzen, sind die Separatorplatten bzw. Bipolarplatten im Stapel üblicherweise baugleich ausgeführt. Ebenso sind die MEAs untereinander üblicherweise baugleich ausgeführt. Folglich weist die jeweilige Fluidleitung entlang der Stapelrichtung typischerweise eine periodisch gleichbleibende Querschnittsgröße und -form auf. Für eine entlang der Stapelrichtung gleiche Versorgung der jeweiligen Zellen mit Medien und/oder Kühlmedium sollte aber unter Berücksichtigung eines Druckabfalls in der Fluidleitung entlang der Stapelrichtung in Fluidströmungsrichtung eine Querschnittgröße der Fluidleitung von einem Einströmbereich in Richtung des gegenüberliegenden Endes abnehmen. Als Kompromiss werden im Stand der Technik oftmals Abmessungen der Fluidleitung gewählt, welche im Einströmbereich, in der Mitte und am Ende der Fluidleitung durchschnittlich zu klein, ideal bzw. zu groß sind. Dies hat zur Folge, dass eine Versorgung der Zellen entlang der Stapelrichtung nicht gleich ist. Insbesondere sind die Zellen am Ende der Fluidleitung in der Regel unterversorgt, wodurch die Leistung des elektrochemischen Systems zumindest dort nicht voll ausgeschöpft wird. Aufgrund der unterschiedlichen Versorgung der Zellen mit Medien werden die Zellen im Stapel außerdem unterschiedlich stark beansprucht. Die am stärksten beanspruchten Zellen können einen höheren Verschleiß aufweisen und somit früher ausfallen, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer des elektrochemischen Systems auswirken kann.
  • Abhilfe kann durch unterschiedlich große Durchgangsöffnungen der Separatorplatten bzw. der MEAs entlang der Stapelrichtung oder Füllkörper, die den hydraulischen Querschnitt verändern, geschaffen werden. Unterschiedlich große Durchgangsöffnungen sind jedoch wegen des Erfordernisses der baugleichen Separatorplatten ebenso wie der baugleichen MEAs nicht erwünscht. Ein Füllkörper ist ebenfalls mit zusätzlichem Montageaufwand bzw. Kosten und außerdem mit einem Beschädigungsrisiko des Stapels verbunden.
  • Die Veröffentlichungen US 2011/0165492 A1 , US 2012/0070761 A1 , US 2016/0013509 A1 , DE 10 2016 225 444 A1 , DE 10 2017 202 705 A1 , US 2009/0081521 A1 , EP 1 968 149 A1 beschäftigen sich ebenfalls mit der geschilderten Problematik.
  • Ähnliche Strukturen sind auch bei Separatorplatten und Membranen von Befeuchtern für elektrochemische Systeme vorhanden. Das im Folgenden Ausgesagte kann also entsprechend auch für Separatorplatten von Befeuchtern gelten. Hier können anstelle von aus zwei Separatorplatten bestehenden Bipolarplatten auch nur einlagige Platten, d.h. Separatorplatten zum Einsatz kommen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere wäre es wünschenswert, wenn eine Vorrichtung geschaffen werden kann, bei der eine Versorgung der elektrochemischen Zellen mit Medien gleichmäßiger erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung, einen Stapel und ein System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der nachfolgenden Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Anordnung umfasst eine erste Separatorplatte, eine zweite Separatorplatte und eine zwischen den Separatorplatten angeordnete Membranelektrodeneinheit, MEA, zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle zwischen den Separatorplatten.
  • Die MEA umfasst einen elektrochemisch aktiven Bereich und mindestens eine rahmenförmige, den elektrochemisch aktiven Bereich umschließende Verstärkungslage. In der Verstärkungslage und in jeder Separatorplatte ist jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids ausgebildet, wobei die Durchgangsöffnung der Verstärkungslage und die Durchgangsöffnungen der Separatorplatten zum Bilden eines Fluidleitungsabschnitts fluchtend zueinander angeordnet sind. Die Verstärkungslage weist mindestens eine flexible Lasche mit einem freien Ende zum Beeinflussen einer Fluidströmung auf, wobei eine Orthogonalprojektion zumindest einer der beiden Durchgangsöffnungen der Separatorplatten auf die Verstärkungslage eine Projektionsfläche definiert, welche zumindest bereichsweise mit der Lasche überlappt.
  • Die Anordnung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Stapel, in dem eine Vielzahl derartiger Anordnungen entlang einer Stapelrichtung gestapelt sind. Die Fluidleitungsabschnitte können in diesem Fall eine Fluidleitung bilden. Die flexiblen Laschen können beim Stapeln insbesondere in einem dem Fluideinströmbereich gegenüberliegenden Endabschnitt der Fluidleitung eine Querschnittsverjüngung bewirken, um einem Druckabfall im Endabschnitt der Fluidleitung entgegenzuwirken. Mit der vorgeschlagenen Anordnung kann somit ein Druckabfall entlang der Stapelrichtung der Fluidleitung ausgeglichen werden, sodass eine Versorgung der einzelnen Zellen mit Medien gleichmäßig erfolgen kann, zum Beispiel innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs gehalten werden kann. Mit anderen Worten können hierdurch stark abweichende Konzentrationen der Medien in den Zellen über zumindest einen Abschnitt des Stapels oder über die gesamte Stapelhöhe verhindert werden.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik können über den gesamten Stapel baugleiche Teile sowohl für die Separatorplatten als auch für die MEAs verwendet werden.
  • Die Lasche kann derart ausgebildet sein, dass das freie Ende der Lasche aus einer durch die Verstärkungslage definierten Ebene ausgelenkt oder auslenkbar ist, vorzugsweise durch Einwirken der Fluidströmung und/oder einer externen Vorrichtung. So kann mit Zunahme eines Fluidvolumenstroms und/oder einer Fluidgeschwindigkeit die Auslenkung des freien Endes zunehmen. Es kann vorgesehen sein, dass die flexible Lasche formstabil ist, und erst unter Einwirkung der Fluidströmung und/oder einer externen Vorrichtung aus der Ebene ausgelenkt wird oder auslenkbar ist. Formstabil soll hierbei heißen, dass die Lasche unabhängig von ihrer Orientierung im Wesentlichen ihre Form behält, wenn lediglich die Schwerkraft auf die Lasche wirkt. Die Lasche kann auch biegeschlaff sein, wodurch die Lasche auch lediglich unter Einwirkung der Schwerkraft ausgelenkt wird oder auslenkbar ist. Eine externe Vorrichtung zum Auslenken der Lasche aus der Ebene kann Teil einer Stapelvorrichtung sein, in der die Bipolarplatten und MEAs alternierend aufgestapelt werden. Sie kann aber auch unabhängig von einer solchen Stapelvorrichtung ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann dabei nach Fertigstellung des Stapels üblicherweise entfernt werden, dabei bleibt bei formstabilen flexiblen Laschen die durch die externe Vorrichtung eingebrachte Auslenkung der jeweiligen Lasche erhalten. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, eine solche externe Vorrichtung im Stapel zu belassen. Sie unterscheidet sich in ihrem Aufbau aber von den keilartigen Elementen zur Volumenanpassung der betreffenden Fluidleitung, eine solche externe Vorrichtung weist entlang der Stapelrichtung einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt auf.
  • Insbesondere bei einer externen Vorrichtung, die nicht im Stapel verbleibt, ist es auch möglich die Vorrichtung während des Führens in der Fluidleitung auf- und zuzuklappen, so dass nur einzelne Laschen oder nur Laschen eines oder mehrerer definierten/r Abschnitts/e des Stapels ausgelenkt werden. Es ergeben sich somit trotz der Verwendung von Gleichteilen unterschiedliche Strömungsquerschnitte entlang des Stapels.
  • Die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte definieren jeweils eine erste Plattenebene bzw. eine zweite Plattenebene. Die erste Plattenebene und die zweite Plattenebene sind zumeist parallel zueinander ausgerichtet. Die durch die Verstärkungslage definierte Ebene ist in der Regel parallel zur ersten Plattenebene und/oder parallel zur zweiten Plattenebene ausgerichtet. Die genannte Projektionsfläche ist üblicherweise parallel zu der ersten Plattenebene, der zweiten Plattenebene und/oder der durch die Verstärkungslage definierte Ebene ausgerichtet.
  • Die Verstärkungslage kann einen die Durchgangsöffnung der Verstärkungslage umlaufenden Kragen aufweisen. Ein solcher umlaufender Kragen ist dabei nicht mit der flexiblen Lasche gleichzusetzen. Die Lasche ist jedoch vorzugsweise mit dem Kragen verbunden, vorzugsweise an einer dem freien Ende gegenüberliegenden Seite der Lasche. Das freie Ende weist üblicherweise eine in Bezug auf den Kragen größere Beweglichkeit auf, insbesondere senkrecht zur Projektionsfläche, aber manchmal auch in seitlicher Richtung, also parallel zur der Projektionsfläche.
  • Der Kragen kann zum Beispiel zumindest teilweise innerhalb der genannten Projektionsfläche liegen. Hierdurch ist eine Querschnittsfläche des Fluidleitungsabschnitts im Bereich der Durchgangsöffnung der Verstärkungslage typischerweise kleiner als eine Querschnittsfläche des Fluidleitungsabschnitts im jeweiligen Bereich der Durchgangsöffnungen der Separatorplatten. Alternativ kann die Kante der Durchgangsöffnung der Verstärkungslage zumindest abschnittsweise in der genannten Orthogonalprojektion mit der Kante der Durchgangsöffnung einer oder beider der benachbarten Separatorplatten zusammenfallen. Alternativ kann der Kragen außerhalb der genannten Projektionsfläche liegen, zum Beispiel komplett außerhalb der Projektionsfläche. Hierdurch ist eine Querschnittsfläche des Fluidleitungsabschnitts im Bereich der Durchgangsöffnung der Verstärkungslage typischerweise größer als eine Querschnittsfläche des Fluidleitungsabschnitts im jeweiligen Bereich der Durchgangsöffnungen der Separatorplatten. In diesem Fall kann mindestens eine der Separatorplatten im Bereich des Fluidleitungsabschnitts zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sein. Hierdurch kann das Risiko eines Kurzschlusses zwischen benachbarten Bipolarplatten reduziert werden.
  • Generell bestimmt einerseits die Form der Lasche das Auslenkverhalten in Bezug auf die Fluidströmung. Das freie Ende der Lasche kann zum Beispiel eine sich verjüngende Form aufweisen. Hierbei sind eine Dicke der Lasche und/oder der Verstärkungslage meistens im Wesentlichen konstant. In manchen Ausführungsformen ist das freie Ende der Lasche halbkreisförmig, rechteckig, trapezförmig, sichelförmig, zungenförmig, U-förmig oder V-förmig. Andererseits kann - insbesondere bei nicht-runden Durchgangsöffnungen in den angrenzenden Separatorplatten - auch die Position der Lasche innerhalb der Durchgangsöffnung das Auslenkverhalten in Bezug auf die Fluidströmung beeinflussen. Eine in einem Eckbereich einer solchen Durchgangsöffnung angeordnete Lasche wird durch ihre Verbindung mit zwei Kanten bei gleicher Verbindungslänge mit dem übrigen Verstärkungsrand oder dessen Kragen etwas schwerer auszulenken sein als eine nur an einer Kante angebundene Lasche. Weiter ist eine Lasche, die nur eine kurze gemeinsame Kante mit dem Kragen aufweist, also eine kurze Verbindungslänge, bei ansonsten gleichen Bedingungen im Allgemeinen leichter auszulenken als eine Lasche, die eine längere gemeinsame Kante mit dem Kragen aufweist.
  • Die Lasche kann ausgestaltet sein, um mit einer Lasche einer weiteren Anordnung verbunden zu werden. So kann die Lasche mindestens eine Ausnehmung zum Aufnehmen einer weiteren Lasche, insbesondere der Laschenspitze, einer weiteren Anordnung, beispielsweise einer benachbarten Anordnung, aufweisen. Sind die Laschen durch Auslenkung miteinander verbunden worden, können sie vorzugsweise nicht allein durch die Fluidströmung oder deren Wegfall voneinander gelöst werden. Nichtsdestotrotz ist es vorteilhaft, wenn ein mechanisches Lösen möglich ist, etwa durch Aufziehen mit einer mechanischen Vorrichtung wie etwa einen Haken.
  • Die rahmenförmige Verstärkungslage und insbesondere die Lasche sind in der Regel aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Die Verstärkungslage kann einlagig oder mehrlagig sein. Die Lasche weist üblicherweise höchstens die gleiche Anzahl von Lagen wie die Verstärkungslage auf. In einer Ausführungsform ist die Lasche integral mit der rahmenförmigen Verstärkungslage ausgebildet. Beispielsweise ist in der Verstärkungslage mindestens ein Einschnitt oder eine Ausnehmung vorgesehen, welcher oder welche die Lasche bzw. das freie Ende der Lasche seitlich begrenzt. Alternativ können die Lasche und die rahmenförmige Verstärkungslage separate Elemente sein, welche miteinander - beispielsweise stoffschlüssig - verbunden sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stapel für ein elektrochemisches System bereitgestellt. Der Stapel umfasst eine Vielzahl von Anordnungen der zuvor beschriebenen Art. Hierbei sind die Anordnungen entlang einer Stapelrichtung gestapelt und ihre Fluidleitungsabschnitte bilden eine Fluidleitung. Die Fluidleitungsabschnitte sind also fluchtend zueinander zur Bildung der Fluidleitung angeordnet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass für eine Vielzahl von Anordnungen die jeweilige zumindest teilweise ausgelenkte Lasche in einen Fluidleitungsabschnitt mindestens einer benachbarten Anordnung hineinragt, sodass die Fluidleitung zumindest abschnittsweise entlang der Stapelrichtung eine sich ändernde Querschnittsfläche gemessen im Bereich der Durchgangsöffnung der MEA bzw. deren Verstärkungslage aufweist.
  • Hierbei ist die Querschnittsfläche üblicherweise parallel zu der ersten Plattenebene, der zweiten Plattenebene und/oder der durch die Verstärkungslage definierte Ebene ausgerichtet. Die Querschnittsfläche der Fluidleitung gemessen im Bereich der Durchgangsöffnung der Verstärkungslage bzw. der MEA kann sich in Fluidströmungsrichtung beispielsweise verkleinern oder vergrößern. Die Fluidleitung ist vorzugsweise fluidisch mit einem Fluideinlass und/oder einem Fluidauslass verbunden.
  • Zumindest in einem Teilbereich des Stapels, vorzugsweise in gesamten Stapel, können sämtliche MEAs und/oder sämtliche ersten Separatorplatten und/oder sämtliche zweiten Separatorplatten baugleich sein. Hierdurch kann die Herstellung des Stapels vereinfacht werden und Kosten können gesenkt werden.
  • Mindestens eine zumindest teilweise ausgelenkte Lasche kann an einer benachbarten Lasche anliegen. Des Weiteren kann die zumindest teilweise ausgelenkte Lasche mit einer benachbarten Lasche formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Hierdurch kann ein Flattern der Lasche während des Betriebes des Stapels verhindert werden.
  • Beispielsweise können die zumindest teilweise ausgelenkten Laschen in Ausnehmungen von benachbarten Laschen eingreifen, vorzugsweise einrasten. Alternativ ist auch eine klebende Verbindung benachbarter Laschen möglich. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Klebewirkung aktiviert werden muss, wenn die Laschen in einer vorbestimmten Position (z.B. der ausgelenkten Position) sind, beispielsweise über Temperatur, UV-Bestrahlung oder über Feuchtigkeit. Zum Aktivieren der Klebeverbindung kann eine dazu ausgelegte Vorrichtung durch die Fluidleitung bewegt werden, z.B. eine Wärmelampe, eine UV-Lampe oder ein Feuchtigkeitsspender. Hierbei ist es grundsätzlich möglich, eine derartige Aktivierung über die gesamte Stapelhöhe durchzuführen, oder auch nur über einen oder mehrere Abschnitte des Stapels, beispielsweise durch An- und Ausschalten der Vorrichtung während des Bewegens in der Fluidleitung. Auch hierbei ergeben sich trotz der Verwendung von Gleichteilen unterschiedliche Strömungsquerschnitte entlang des Stapels.
  • Der Stapel kann weiter mit einer ersten Endplatte und eine zweiten Endplatte zu einem elektrochemischen System ergänzt werden, wobei die MEAs und die Separatorplatten zwischen den beiden Endplatten angeordnet sind. Dabei können zwischen der jeweils letzten Separatorplatte und der ihr nächstliegenden Endplatte zusätzliche Platten, insbesondere jeweils genau eine den Separatorplatten ähnliche Platte, eingefügt sein. Die erste Endplatte kann die Beweglichkeit bzw. Auslenkung der Laschen in Stapelrichtung begrenzen. Zumindest eine an die erste Endplatte angrenzende Lasche kann sich auf die Endplatte abstützen. Vorzugsweise kann sich eine Vielzahl von Laschen zumindest indirekt auf die erste Endplatte abstützen.
  • Optional weist die erste Endplatte im Bereich der Fluidleitung ein Abstützelement zum Abstützen einer Vielzahl von Laschen und zum Unterstützen einer Fluidführung auf. Das Abstützelement kann als Vorsprung in die Fluidleitung hineinragen. Durch das Abstützelement können die Laschen gezielt in Richtung eines Fluidauslasses ausgelenkt werden. Das Abstützelement und/oder die darauf abgestützten Laschen können derart ausgebildet sein, dass sie das Fluid zumindest indirekt, beispielsweise durch die Zelle hindurch, in Richtung des Fluidauslasses leiten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird also ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten Anordnungen der zuvor beschriebenen Art und/oder den Stapel der zuvor beschriebenen Art. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur, oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Die Anordnung bzw. der Stapel können auch in einem Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, wobei es im Falle eines Befeuchters vorteilhaft ist, wenn die Separatorplatte nur aus einer Einzelplatte besteht.
  • Ausführungsbeispiele der Anordnung für ein elektrochemisches System, des Stapels sowie des elektrochemisches System sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten und elektrochemischen Zellen;
    • 2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
    • 3A schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
    • 3B schematisch eine Draufsicht auf eine an die Bipolarplatte gemäß 3A angrenzende MEA;
    • 4 schematisch einen Schnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 entlang der in der 3A gezeigten Schnittlinie A-A;
    • 5A schematisch einen Längsschnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1;
    • 5B eine Vergrößerung eines Details der 5A;
    • 6A schematisch einen Schnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 entlang einer zu der in der 3A gezeigten Schnittlinie A-A analogen Schnittlinie gemäß einer Ausführungsform;
    • 6B schematisch eine Draufsicht auf eine MEA, welche im Stapel der 6A verwendet werden kann;
    • 7 schematisch eine Draufsicht auf eine MEA gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 8 schematisch eine Draufsicht auf eine MEA gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 9 schematisch eine Draufsicht auf eine MEA gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 10 schematisch eine Draufsicht auf eine MEA gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 11 schematisch einen Schnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 12 schematisch einen Längsschnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 gemäß einer Ausführungsform;
    • 13A schematisch einen Längsschnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 gemäß einer Ausführungsform;
    • 13B eine Vergrößerung eines Details der 13A;
    • 14A schematisch eine Draufsicht auf eine MEA gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    • 14B schematisch einen Schnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit den MEAs gemäß der 14A;
    • 15 schematisch einen Längsschnitt durch eine Fluidleitung in einem Ruhezustand; und
    • 16 schematisch einen Längsschnitt durch die Fluidleitung der 15 in einem Betriebszustand.
  • Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Dabei ist nicht überall Maßstäblichkeit gegeben. Insbesondere in den Querschnitten sind insbesondere die Querschnittsflächen von Öffnungen relativ zu den Elementhöhen verkleinert dargestellt.
  • 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel 6. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels 6 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit 10 (MEA) angeordnet. Die MEA 10 beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran 14, z. B. eine Elektrolytmembran (siehe z. B. 3B, 4). Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage 16 (GDL) angeordnet sein.
  • Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
  • Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 und die sie bildenden Separatorplatten 2a, 2b (s. 2 u. 4) definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Auch die MEAs sind jeweils parallel zur x-y-Ebene angeordnet. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
  • 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Bipolarplatten 2, 2' eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die jeweilige Bipolarplatte ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten gebildet (siehe z. B. 4). In der dem Betrachter abgewandten Bipolarplatte 2' sind dies die Separatorplatten 2a und 2b', in der dem Betrachter zugewandten Bipolarplatte 2 die Separatorplatten 2a* und 2b. Die Bezeichnungen 2a* und 2b' werden in der vorliegenden 2 verwendet, um zu betonen, welche Separatorplatten 2a bzw. 2b der MEA abgewandt sind, sie entsprechen in ihrem Aufbau aber den Separatorplatten 2a und 2b. In 2 ist jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a* bzw. 2a sichtbar, die die zweite Separatorplatte 2b bzw. 2b* verdeckt. Die Separatorplatten 2a*, 2b, 2a, 2b' können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a* und 2b bzw. 2a und 2b' können jeweils z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen. Klebe- oder Lötverbindungen sind ebenfalls möglich. Ungeachtet dieser Verbindung sind es die Separatorplatten 2a und 2b, die die MEA 10 zwischen sich einschließen.
  • Die Separatorplatten 2a*, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Fluidleitungen 25, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Fluidleitungen 25 jeweils in Fluidverbindung mit einem der Anschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Fluidleitungen 25 kann z. B. Kühlmittel in den Stapel 6 eingeleitet oder aus dem Stapel 6 abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Fluidleitungen 25 dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel 6 ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene der Bipolarplatte 2 ausgebildet.
  • Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a, wie hier anhand der Separatorplatte 2a* ersichtlich, oftmals jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen üblicherweise an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
  • In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a*, 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Mediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a*, 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2, 2' weisen die ersten Separatorplatten 2a*, 2a zudem jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 als medienleitende Prägestrukturen aufgefasst werden.
  • Die Dichtsicken 12a-12c weisen oftmals Durchführungen 13a-13c, die hier als lokale Anhebungen bzw. Aussparungen der Sicke ausgeführt sind, auf, von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Separatorplatte 2a* bzw. 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgeführt sind, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Separatorplatte 2a* bzw. 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteilbereich, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a* bzw. 2a, diese Durchführungen 13b sind durch von dem Verteilbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Perforationen charakterisiert. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a* bzw. 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteilbereich, so dass Luft in den Verteilbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die zugehörigen Perforationen sind hier nicht sichtbar.
  • Die ersten Separatorplatten 2a weisen in der Regel ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b. Außerhalb des von der Perimetersicke 12d umgebenen Bereichs ergibt sich in jeder Separatorplatte 2a, 2b ein Außenrandbereich 22, in dem üblicherweise keine Fluidführung erfolgt.
  • Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Fluidleitungen 25 durch den Stapel 6 des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und über das Strömungsfeld 17 im aktiven Bereich 18 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Separatorplatten 2a* bzw. 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Stapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Separatorplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Stapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorplatten 2a*, 2b bzw. 2a, 2b' eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 2, 2', insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Bipolarplatte 2, 2'.
  • Hierbei sei angemerkt, dass statt der Sickenanordnungen 12a-d auch insbesondere in Vertiefungen der Separatorplatte angeordnete elastomere Dichtlippen vorgesehen sein können. Der Verlauf dieser Dichtlippen und ggf. Vertiefungen kann im Wesentlichen derselbe sein, wie der in den Figuren gezeigte Verlauf der Sickenanordnungen12a-d, auf lokal gewellte Verläufe wird dabei aber üblicherweise verzichtet. Nachfolgend werden die Sickenanordnungen 12a-12d und die Vertiefungen/Dichtlippen allgemein als Dichtelemente bezeichnet. Wie im Folgenden noch gezeigt wird, ist es nicht notwendig, dass die Dichtelemente wie die vorgenannten Dichtelemente auf Seiten der Separatorplatten ausgebildet sind, ebenso ist es möglich, dass die Dichtelemente 120 am Verstärkungsrand der MEA angebracht sind.
  • 3A zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 2, wobei die Blickrichtung entlang der negativen z-Richtung 7 ausgerichtet ist. Die Bipolarplatte 2 gemäß 3A kann alle Merkmale der Bipolarplatten 2 gemäß den 1 und 2 aufweisen. Wie die Bipolarplatten 2 gemäß den 1 und 2 umfasst die Bipolarplatte 2 gemäß 3A also zwei Separatorplatten oder Metallbleche 2a, 2b. Die Separatorplatten oder Metallbleche 2a, 2b berühren einander entlang ihrer einander zugewandten Flachseiten und sind entlang ihrer einander zugewandten Flachseiten miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Metallbleche 2a, 2b der Bipolarplatte 2 stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, z. B. durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Löt- oder Klebeverbindungen sind alternativ auch möglich. Entsprechend den Bipolarplatten 2 gemäß den 1 und 2 kann die Bipolarplatte 2 gemäß 3A Durchgangsöffnungen 11a-c, Sickenanordnungen 12a-d, einen elektrochemisch aktiven Bereich 18, mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich 20 sowie einen Außenrandbereich 22 aufweisen.
  • Die 3B zeigt eine Draufsicht auf eine MEA 10, welche insbesondere zusammen mit der Bipolarplatte 2 der 3A in dem Stapel 6 der 1 verwendet werden kann. Die MEA weist Durchgangsöffnungen 51a, 51b, 51c auf, welche jeweils mit den Durchgangsöffnungen 11a, 11b, 11c fluchten.
  • Die MEA 10 umfasst typischerweise jeweils eine Membran 14, z. B. eine Elektrolytmembran, und einen mit der Membran 14 verbundenen Randabschnitt 55, welcher oftmals als Verstärkungslage 55 oder rahmenförmige Verstärkungslage 55 bezeichnet wird. Beispielsweise kann die Verstärkungslage 55 stoffschlüssig mit der Membran 14 verbunden sein, z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren. Weiter ist in der 3B ein elektrochemisch aktiver Bereich 58 der MEA gezeigt, welcher beim Stapeln der MEA 10 und der Bipolarplatte 2 mit dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 der Bipolarplatte 2 zur Deckung gebracht wird. Die Membran 14 und die beiden Gasdiffusionslagen 16 erstrecken sich über den elektrochemisch aktiven Bereich 58 der MEA 10. Die rahmenförmige Verstärkungslage 55, die Membran 14 und die Gasdiffusionslagen 16 überlappen sich typischerweise in einem Überlappungsbereich 61.
  • Die 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Abschnitt des Plattenstapels 6 des Systems 1 aus 1, wobei die Schnittebene in z-Richtung und damit senkrecht zu den Plattenebenen der Bipolarplatten 2 ausgerichtet ist. Sie kann beispielsweise entlang des geknickten Schnitts A-A der in 3A gezeigten Bipolarplatte 2 verlaufen.
  • Die baugleichen Bipolarplatten 2 des Stapels 6 umfassen jeweils eine der zuvor beschriebenen ersten metallischen Separatorplatten 2a und eine der zuvor beschriebenen zweiten metallischen Separatorplatten 2b. Zu erkennen sind Strukturen zur Medienleitung entlang der Außenflächen der Bipolarplatten 2, hier insbesondere jeweils in Form von Stegen und durch die Stege begrenzten Kanälen. Insbesondere sind Kanäle 23 auf den voneinander wegweisenden Oberflächen aneinander angrenzender Separatorplatten 2a, 2b sowie Kühlkanäle 19 zwischen aneinander grenzenden Separatorplatten 2a, 2b gezeigt. Zwischen den Kühlkanälen 19 liegen die beiden Separatorplatten 2a, 2b in einem Kontaktbereich 24 aufeinander auf und sind dort jeweils miteinander verbunden, im vorliegenden Beispiel mittels Laserschweißnähten.
  • Zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels 6 ist jeweils eine z. B. aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet, zum Beispiel die MEA der 3B.
  • Die Membran 14 der MEA 10 erstreckt sich jeweils wenigstens über den aktiven Bereich 18 der angrenzenden Bipolarplatten 2 und ermöglicht dort einen Protonenübergang über oder durch die Membran 14. Die Verstärkungslage 55 der MEA 10 dient jeweils dem Positionieren, Befestigen und Abdichten der Membran 14 zwischen den angrenzenden Separatorplatten 2a, 2b. Wenn die Bipolarplatten 2 in Stapelrichtung zwischen den Endplatten 3, 4 des Systems 1 eingespannt werden (siehe 1), kann die rahmenförmige Verstärkungslage 55 der MEA 10 beispielsweise jeweils zwischen den Dichtsicken 12a-d der jeweils angrenzenden Separatorplatten 2a, 2b und/oder jeweils wenigstens zwischen den Perimetersicken 12d der angrenzenden Bipolarplatten 2 verpresst werden, um die Membran 14 auf diese Weise zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2 zu fixieren.
  • Der Randabschnitt bzw. die Verstärkungslage 55 überdeckt oftmals jeweils den Verteil- oder Sammelbereich 20 der angrenzenden Bipolarplatten 2. Nach außen kann die Verstärkungslage 55 auch über die Perimetersicke 12d hinaus reichen und dort an den Außenrandbereich 22 der Separatorplatten 2a, 2b angrenzen (vgl. 2).
  • Weiter können im aktiven Bereich 18 die bereits oben erwähnten Gasdiffusionslagen 16 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 ermöglichen das Anströmen der Membran 14 über einen möglichst großen Bereich der Oberfläche der Membran 14 und können so den Protonenübergang über die Membran 14 verbessern. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. jeweils beiderseits der Membran 14 im aktiven Bereich 18 zwischen den angrenzenden Separatorplatten 2a, 2b angeordnet sein.
  • Die 5A zeigt einen Längsschnitt parallel zur z-x-Ebene durch einen Teilbereich des Stapels 6 in einem simulierten Betriebszustand des Systems 1. Zu erkennen ist, dass die Fluidleitung 25 mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt, insbesondere durchströmt ist. Abhängig vom Fluid kann die Fluidleitung 25 durch eine Vielzahl von fluchtenden Durchgangsöffnungen 11a, 11b oder 11c gebildet sein. Die Fluidleitung 25 umfasst einen ersten Endabschnitt 26, einen Mittelabschnitt 27 und einen zweiten Endabschnitt 28, welche fluidisch miteinander verbunden sind und in Reihe geschaltet sind. Der erste Endabschnitt 26 ist mit einem als Fluideinlass ausgestalteten Medienanschluss 5 verbunden und kann somit als Fluideinströmbereich 26 aufgefasst werden. Der zweite Endabschnitt 28 der Fluidleitung 25 grenzt typischerweise an die erste Endplatte 3 des Stapels 6 an (s. auch 12). Aus der Fluidleitung 25 tritt das Fluid über die gesamte Länge, d.h. in jedem der Abschnitte 26, 27, 28 der Fluidleitung 25 in die sie aufspannenden elektrochemischen Zellen ein (nicht dargestellt). Die 5B zeigt eine Vergrößerung eines Details der 5A im Bereich des zweiten Endabschnitts 28.
  • Die Fluidleitung 25 hat im Bereich der durch die Separatorplatten 2a, 2b gebildeten Durchgangsöffnungen 11a-c eine Querschnittsfläche, welche sich parallel zu den Plattenebenen der Separatorplatten 2a, 2b erstreckt (vgl. auch 4). Die Querschnittsfläche der Fluidleitung 25 ist entlang der Stapelrichtung im Bereich der Durchgangsöffnungen 11a-c in räumlichen Abständen konstant. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 2 weitet sich die Querschnittfläche der Fluidleitung 25 ein wenig auf, wobei eine Größe der Querschnittsfläche im Bereich der Verstärkungslage 55, also mittig zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 2, ein lokales Minimum aufweist, s. auch 4. Die Querschnittfläche der Fluidleitung 25 ist auch im Bereich der Durchgangsöffnungen 51a-c der Verstärkungslage 55 konstant, vgl. auch 4. Mit anderen Worten weist die Fluidleitung 25 in Stapelrichtung typischerweise eine periodisch gleichbleibende Querschnittsgröße und -form auf, wobei die räumliche Periode einer Abmessung der elektrochemischen Zelle (einschließlich der Separatorplatten 2a, 2b) in z-Richtung entspricht.
  • In den 5A, 5B ist anhand der in der Fluidleitung 25 gezeigten Strömungslinien zu erkennen, dass im zweiten Endabschnitt 28 aufgrund eines Druckabfalls und/oder eines Geschwindigkeitsabfalls des in der Fluidleitung 25 strömenden Fluids Fluidwirbel 29 gebildet werden, wohingegen die Strömung im ersten Endabschnitt 26 und im Mittelabschnitt 27 im Wesentlichen laminar ist. Die Leistung der jeweiligen elektrochemischen Zelle des Stapels 6 ist somit ortsabhängig und nimmt in der Regel in Richtung vom Fluideintrittsbereich 26 zum Endbereich 28 stetig ab. Die auf Höhe des Endabschnitts 28 liegenden elektrochemischen Zellen sind aufgrund eines Druckabfalls entlang der Stapelrichtung in der Regel unterversorgt, während ein Fluiddruck oder eine Fluidgeschwindigkeit für die in Bezug auf die Stapelrichtung in Höhe des Einströmbereichs 26 befindlichen elektrochemischen Zellen oftmals zu hoch ist. Dadurch, dass baugleiche Bipolarplatten 2 und MEAs 10 verwendet werden, muss für die Versorgung der elektrochemischen Zellen mit Medien oder Kühlfluid ein Kompromiss gefunden werden. Üblicherweise ist die Fluidleitung 25 für eine Versorgung von sich im Mittelabschnitt 27 befindlichen elektrochemischen Zellen mit Medien oder Kühlflüssigkeit optimiert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um ortsabhängige Leistungsschwankungen der elektrochemischen Zellen im Stapel 6 zu verringern und um insbesondere den Wirkungsgrad des (Teil-)Stapels 6 von elektrochemischen Zellen, welche an den zweiten Endbereich 28 angrenzen, zu erhöhen. Der Stapel 6, in dem der Endbereich 28 der Fluidleitung 25 aufgespannt ist, stellt dabei einen Abschnitt des gesamten Stapels des elektrochemischen Systems dar, kann aber für sich genommen auch als Stapel 6 betrachtet werden.
  • Mit der Erfindung wird eine Anordnung 30 für einen Stapel 6 bzw. für ein elektrochemisches System 1, insbesondere das in der 1 gezeigte elektrochemische System 1 vorgeschlagen.
  • Die 6A zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Stapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1, wobei der Stapel 6 eine Vielzahl von gestapelten Anordnungen 30 gemäß einer Ausführungsform aufweist. Während in 6A ein Plattenstapel 6 dargestellt ist, der drei Anordnungen 30 sowie oben und unten Abschnitte zweier weiterer Anordnungen 30 zeigt, weisen elektrochemische Systeme 1 üblicherweise mehr als 100, oftmals sogar mehr als 300 derartige Anordnungen 30 auf. Im Kontext dieser Erfindung kann ein Stapel somit ein Teilstapel sein, wie er in 6A dargestellt ist oder ein kompletter Stapel eines elektrochemischen Systems.
  • Jede Anordnung 30 kann die zuvor beschriebenen Elemente 2a, 2b, 1 und 55 aufweisen, wobei zwischen den Separatorplatten 2a, 2b eine elektrochemische Zelle ausgebildet ist. Wie oben beschrieben ist in der Verstärkungslage 55 und in jeder Separatorplatte 2a, 2b jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung 51b, 11b zum Durchleiten eines Fluids ausgebildet. Die Durchgangsöffnung 51b der Verstärkungslage 55 und die Durchgangsöffnungen 11b der Separatorplatten 2a, 2b sind zum Bilden eines Fluidleitungsabschnitts 31 fluchtend zueinander angeordnet. Die fluchtend zueinander angeordneten Fluidleitungsabschnitte 31 der Anordnungen 30 bilden wiederum die Fluidleitung 25. Um den Unterschied zwischen 25 und 31 zu illustrieren, ist am Beispiel einer Anordnung 30 der Bereich des zugehörigen Fluidleitungsabschnitts 31 mit einer gestrichelten Linie begrenzt.
  • Zusätzlich zu den in den 2, 3B, 4, 5A gezeigten Verstärkungslagen 55 weist die Verstärkungslage 55 der in der 6A gezeigten MEA 10 mindestens eine flexible Lasche 50b mit einem freien Ende zum Beeinflussen einer Fluidströmung auf. Hierbei definiert eine Orthogonalprojektion zumindest einer der beiden Durchgangsöffnungen 11b der Separatorplatten 2a, 2b auf die Verstärkungslage 55 eine Projektionsfläche 56, welche zumindest bereichsweise mit der Lasche 50b überlappt. In manchen Ausführungen liegt die Lasche 50b vollständig innerhalb der Projektionsfläche 56. Mit anderen Worten ragt in dieser Orthogonalprojektion die Lasche 50b seitlich in den durch die Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Fluidleitungsabschnitt 31, bzw. in die Fluidleitung 25.
  • Die Verstärkungslage 55 kann - wie die Verstärkungslage der 4 - einen die Durchgangsöffnung 51b der Verstärkungslage 55 umlaufenden Kragen 52 aufweisen. Der durch den umlaufenden Kragen 52 definierte Teil der Verstärkungslage 55 kann seitlich durch die angrenzenden Dichtelemente 12b der Separatorplatten 2a, 2b begrenzt sein. Die Lasche 50b ist auf einer dem freien Ende gegenüberliegenden Seite mit dem Kragen 52 verbunden. In der 6A umschließt der Kragen 52 die genannte Projektionsfläche 56 und liegt außerhalb der Projektionsfläche 56. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere an, wenn nicht nur die Dichtsicken 12b eine elektrisch isolierende Beschichtung 70 aufweisen, sondern der gesamte Bereich der Separatorplatten der von der Innenkante bis zum von ihr wegweisenden Ende der Sicke eine elektrisch isolierende Beschichtung 70 aufweist, so dass kein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 auftreten kann. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass der Kragen 52 teilweise innerhalb der Projektionsfläche 56 liegt, vgl. die Ausführungsform der 11.
  • Die Verstärkungslage 55 inklusive der Lasche 50b ist in der Regel aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Die Verstärkungslage 55 kann hierbei z.B. einlagig oder mehrlagig sein. Falls mehrere Lagen vorgesehen sind, können diese z.B. miteinander verklebt oder laminiert sein. Die Lasche 50b weist üblicherweise höchstens die gleiche Anzahl von Lagen wie die Verstärkungslage 55 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lasche 50b integral mit der Verstärkungslage 55 ausgebildet, z.B. mit mindestens einer der Lagen der Verstärkungslage 55. Alternativ können die Lasche 50b und die Verstärkungslage 55 separate Elemente sein, welche beispielsweise stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Die Verstärkungslage 55 und insbesondere die Lasche 50b können eine konstante Dicke aufweisen.
  • In der 6A ist ein Zustand des Systems 1 gezeigt, in dem die formstabilen Laschen 50b sich noch parallel zu den Plattenebenen erstrecken. Die flexible Lasche 50b ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass das freie Ende aus einer durch die Verstärkungslage 55 definierten Ebene E ausgelenkt oder auslenkbar ist, vorzugsweise durch Einwirken der Fluidströmung und/oder einer externen Vorrichtung. In der 6A sind die formstabilen flexiblen Laschen 50b noch nicht ausgelenkt; derartig ausgelenkte Laschen 50 sind jedoch z.B. in der 11 zu erkennen. Statt formstabiler Laschen 50b können auch biegeschlaffe Laschen zum Einsatz kommen.
  • Obwohl in den 6A, 6B auf die Durchgangsöffnungen 51b, 11b und die Lasche 50b Bezug genommen wird, kann die Lasche auch im Bereich der Durchgangsöffnungen 11a, 11c bzw. 51a, 51c vorgesehen werden. Um zu verdeutlichen, dass die Lasche nicht auf eine bestimmte Durchgangsöffnung 11a, 11b, 11c der Separatorplatten 2a, 2b oder eine bestimmte Durchgangsöffnung 51a, 51b, 51c der MEA 10 beschränkt ist, wird im Folgenden und in den 7-16 verallgemeinernd auf die Lasche 50 und die Durchgangsöffnungen 11, 51 Bezug genommen. Wie in 4 sind die Separatorplatten 2a, 2b in 6A bereichsweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 70 versehen.
  • Die Lasche 50 kann zusammen mit der Durchgangsöffnung 51 durch Ausstanzen oder Ausschneiden der Verstärkungslage 55 gebildet werden. So kann in der Verstärkungslage 55 mindestens ein Einschnitt oder eine Ausnehmung vorgesehen sein, welcher oder welche die Lasche 50 bzw. das freie Ende der Lasche 50 seitlich begrenzt.
  • Das freie Ende der Lasche 50 kann verschiedene Formen aufweisen, vgl. 6B-10. Insbesondere kann das freie Ende bei gleichbleibender Dicke eine sich verjüngende Form aufweisen. So kann das freie Ende der Lasche 50 halbkreisförmig, rechteckig, U-förmig (vgl. 6B), trapezförmig (vgl. 7), zungenförmig (vgl. 8), sichelförmig (vgl. 9) oder V-förmig (vgl. 10) sein.
  • Abgesehen von der Form der Lasche 50 unterscheidet sich die Verstärkungslage 55 der 10 von den Verstärkungslagen 55 der 6B-9 außerdem dadurch, dass statt nur einer Lasche 50 vier Laschen 50 vorgesehen sind. Die Anzahl der Laschen 50 kann auch kleiner oder größer als vier sein. Falls zwei oder mehr Laschen 50 vorgesehen sind, können diese unterschiedliche oder gleiche Formen aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass bei Vorhandensein mehrerer Laschen 50 in einer Fluidleitung 25 und einer Verstärkungslage 55 eine oder mehrere, aber nicht alle dieser Laschen 50 mit entsprechenden Laschen benachbarter Verstärkungslagen 55 formschlüssig sind/werden (vgl. 14A, 14B) und/oder stoffschlüssig, beispielsweise mit einem zu aktivierenden Kleber verbunden sind/werden, während eine oder mehrere aber nicht alle dieser Laschen 50 nicht mit entsprechenden Laschen benachbarter Verstärkungslagen 55 verbunden sind/bleiben.
  • Auch im Verbindungsbereich kann die gemeinsame Kante von Kragen 52 und Lasche 50 zwischen verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich gestaltet sein, beispielsweise unterschiedlich lang sein oder eine unterschiedliche Anbindung erfahren, beispielsweise in Form einer geraden gemeinsamen Kante (6B, 7, 10) oder einer runden gemeinsamen Kante (9) oder einer geknickten gemeinsamen Kante (8). Letztere ist gleichbedeutend mit einer Anbindung an mehreren, insbesondere zwei Kragenseiten, insbesondere bei einer eckigen Kragenform.
  • Das freie Ende der Lasche 50 weist in Bezug auf den Kragen 52 eine größere Beweglichkeit auf, insbesondere senkrecht zur Projektionsfläche 56, manchmal auch in seitlicher Richtung, also parallel zur Projektionsfläche 56. Aus diesem Grund kann die Lasche 50 aus der Ebene E ausgelenkt werden, was anhand der 11-16 näher erläutert wird. Bei einigen Laschenformen wird nicht die gesamte Lasche ausgelenkt. Da sich bevorzugt gerade Biegelinien einstellen, fällt die Biegelinie nicht in jedem Fall mit der Übergangslinie zwischen Kragen und Lasche zusammen.
  • So ist in der 11 zu erkennen, dass die Lasche 50 aus der Ebene E der Verstärkungslage ausgelenkt ist. Hierdurch ist die Lasche 50 winklig - also nicht parallel - zu der Ebene E angeordnet. Die aus der Ebene E ausgelenkte Lasche 50 kann durch die Durchgangsöffnungen 11 einer der Separatorplatten 2a, 2b der eigenen Anordnung 30 hindurchgreifen. Weiter kann die Lasche 50 in einen Fluidleitungsabschnitt 31 einer benachbarten Anordnung 30 hineinragen. Optional kann die Lasche 50 sogar in mindestens eine der Durchgangsöffnungen 11, 51 der benachbarten Anordnung 30 eingreifen (vgl. 11). Ebenso ist es möglich, dass die Lasche nicht nur in den Fluidleitungsabschnitt 31 der benachbarten Anordnung hineinragt, sondern durch diesen hindurchragt und sich über die Höhe mehrerer Fluidleitungsabschnitt 31 erstreckt, beispielsweise im voll ausgelenkten Zustand der Lasche 50 über die Höhe von mehr als 15 oder gar mehr als 25 Fluidleitungsabschnitten 31 erstreckt.
  • Optional kann vorgesehen sein, dass der Kragen 52 zumindest bereichsweise innerhalb der Projektionsfläche 56 liegt (vgl. 11). In diesem Fall kann eine Querschnittsfläche der Fluidleitung 25 im Bereich der Durchgangsöffnung 51 der Verstärkungslage 55 kleiner sein als eine Querschnittsfläche der Fluidleitung 25 im jeweiligen Bereich der Durchgangsöffnungen 11 der Separatorplatten 2a, 2b. Hierbei ist die Querschnittsfläche üblicherweise parallel zu der ersten Plattenebene, der zweiten Plattenebene und/oder der durch die Verstärkungslage 55 definierte Ebene E ausgerichtet. Insbesondere wenn der Kragen 52 umlaufend in die Projektionsfläche 56 hineinragt, verhindert dies einen Kurzschluss zwischen einander benachbarten Bipolarplatten. In diesem Fall kann auf eine elektrisch isolierende Beschichtung im Bereich um die Durchgangsöffnung 11 der Separatorplatte 2a, 2b verzichtet werden.
  • 11 unterscheidet sich von den übrigen Ausführungsformen auch dadurch, dass die Anordnung nicht mittels eines oder mehrerer in die Bipolarplatten eingeformten/r Dichtelements/e, nämlich Dichtsicken 12, sondern mittels beidseitig auf die Verstärkungslage 55 aufgebrachter Elastomerraupen 12' abgedichtet wird.
  • Ähnlich zur 5A zeigt die 12 einen Längsschnitt parallel zur z-x-Ebene durch einen Teilbereich des Stapels 6 gemäß einer Ausführungsform. Wie bereits oben beschrieben, umfasst das elektrochemische System 1 neben dem vollständige Stapel 6 eine erste Endplatte 3 und eine zweite Endplatte 4 (nicht dargestellt in der 12), wobei die MEAs 10 und die Separatorplatten 2a, 2b bzw. die Anordnungen 30 zwischen den beiden Endplatten 3, 4 angeordnet sind. Die 12 stellt eine stark schematisierte Darstellung dar, insbesondere die Laschen 50 sind nicht maßstäblich dargestellt, auf die Darstellung von weiteren Details der elektrochemischen Zellen und Separatorplatten wurde verzichtet.
  • Der in 12 gezeigte Abschnitt des elektrochemischen Systems 1 ist in einem Ruhezustand, d.h. es strömt kein Fluid im Stapel 6. Zur Deutlichkeit ist eine Strömungsrichtung des Fluids in der 12 mittels Pfeilen angedeutet.
  • Die in der 12 gezeigte Fluidleitung 25 ist ausgestaltet zum Einlassen von Medien, wie Methanol, Wasserstoff, Luft oder Kühlflüssigkeit. Wie bereits im Zusammenhang mit der 5A erläutert umfasst die Fluidleitung 25 den ersten Endabschnitt 26, den Mittelabschnitt 27 und den zweiten Endabschnitt 28, welche fluidisch miteinander verbunden sind. Der erste Endabschnitt 26 ist mit einem als Fluideinlass ausgestalteten Medienanschluss 5 der zweiten Endplatte 4 (nicht gezeigt in der 12) verbunden und kann somit als Fluideinströmbereich 26 aufgefasst werden.
  • Der zweite Endabschnitt 28 der Fluidleitung 25 grenzt an die erste Endplatte 3 an und wird durch die Endplatte 3 fluiddicht geschlossen. Die Endplatte 3 begrenzt unmittelbar eine Beweglichkeit bzw. Auslenkung der angrenzenden flexiblen Lasche 50 in Stapelrichtung (z-Richtung) und kann verhindern, dass die an die Endplatte 3 angrenzende Lasche 50 aus der Ebene E der Verstärkungslage 55 ausgelenkt wird. Wie in der 12 angedeutet kann sich während des Betriebs des Stapels 6 eine Vielzahl von Laschen 50 zumindest im zweiten Endbereich 28 wenigstens indirekt auf die Endplatte 3 abstützen. Hierdurch sind die Laschen 50 im Fluideinströmbereich 26 weiter aus ihrer jeweiligen Ebene E ausgelenkt als die Laschen 50 im zweiten Endabschnitt 28.
  • Bedingt durch die aus den Ebenen E ausgelenkten Laschen 50 im ersten Endabschnitt 26 einerseits und die durch die Endplatte 3 abgestützten Laschen 50 im Endabschnitt 28 andererseits nimmt eine Größe der Querschnittsfläche der Fluidleitung 25 im Bereich der Durchgangsöffnungen 11 und/oder der Durchgangsöffnungen 51 über den Verlauf der Fluidleitung 25, d.h. zwischen dem Anfang des Einströmbereichs 26 und dem diesem abgewandten Ende des zweiten Endabschnitts 28 in Fluidströmungsrichtung ab.
  • Aufgrund der in Fluidströmungsrichtung sich verkleinernden Querschnittsfläche der Fluidleitung 25 im Bereich des Endabschnitts 28 kann somit ein Druckabfall in diesem Bereich 28 kompensiert werden, wodurch z.B. Wirbelbildung im zweiten Endabschnitt 28 verhindert werden kann. Eine derartige oder ähnliche Situation ist ebenfalls in der 13A gezeigt. Die 13A zeigt eine Simulation des Systems 1, bei dem die Fluidleitung 25 von einem Fluid durchströmt wird. In den 13A und 13B ist gut zu erkennen, dass die Fluidleitung 25 einen sich in Fluidströmungsrichtung verringernden Strömungsquerschnitt im Bereich des zweiten Endabschnitts 28 aufweist. Die in der Fluidleitung 25 dargestellten Strömungslinien zeigen im Gegensatz zu denen in 5 keine Wirbel. Dies kann zu einem erhöhten Wirkungsgrad der angrenzenden elektrochemischen Zellen führen. Durch diesen erhöhten Wirkungsgrad kann das System 1 bei gleichbleibender Leistung im Vergleich zum Stand der Technik insgesamt kompakter ausgeführt werden.
  • Auf der anderen Seite des Stapels 6 der 12 ist eine weitere Fluidleitung 35 gezeigt, welche in ähnlicher Weise zur Fluidleitung 25 durch die in den Separatorplatten 2a, 2b ausgeformten Durchgangsöffnungen 11 und die in den Verstärkungsrändern 55 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 51 bzw. Fluidleitungsabschnitte 31 gebildet wird. Die Fluidleitung 35 ist ausgestaltet zum Abtransportieren von Medien, insbesondere Reaktionsprodukten, Reaktionsmedien oder Kühlflüssigkeit, in Richtung eines Fluidauslasses.
  • Die Fluidleitung 35 umfasst einen ersten Endabschnitt 36, einen Mittelabschnitt 37 und einen zweiten Endabschnitt 38, die jeweils mehrere Anordnungen 30 aufweisen, welche fluidisch miteinander verbunden sind. Der erste Endabschnitt 36 ist mit einem als Fluidauslass ausgestalteten Medienanschluss 5 der zweiten Endplatte 4 (nicht gezeigt) verbunden und kann somit als Fluidausströmbereich 36 aufgefasst werden. Der zweite Endabschnitt 38 der Fluidleitung 25 grenzt an die Endplatte 3 an und wird durch die Endplatte 3 fluiddicht geschlossen.
  • Optional kann die erste Endplatte 3 im Bereich der Fluidleitung 35 ein Abstützelement 39 zum Abstützen einer Vielzahl von Laschen 50 und zum Unterstützen einer Fluidführung in der Fluidleitung 35 aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Abstützelement 39 integral mit einem Plattenkörper der ersten Endplatte 3 geformt. Das Abstützelement 39 kann alternativ auch als separates mit der Endplatte 3 verbundenes Bauteil ausgestaltet sein.
  • Das Abstützelement 39 kann als Vorsprung ausgebildet sein und kann als solcher in die Fluidleitung 35 hineinragen. Das Abstützelement 39 kann insbesondere eine in Richtung des Fluidausströmbereichs 36, also in Strömungsrichtung, sich verjüngende Form aufweisen. In dem Bereich des Abstützelements, wo sich die Laschen 50 abstützen, kann das Abstützelement 39 eine strömungsoptimierte, beispielsweise eine konkave Form aufweisen. Durch das Abstützelement 39 können die Laschen 50 gezielt in Richtung des Fluidauslasses ausgelenkt werden. Insofern bildet das Abstützelement 39 ein Auslenkelement zum Auslenken der Laschen 50. Die an das Abstützelement 39 angrenzende flexible Lasche 50 schmiegt sich üblicherweise an die konkave Form des Abstützelements 39 an. Das Abstützelement 39 und die darauf abgestützten Laschen 50 sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie das Fluid in Richtung des Fluidauslasses 5 der zweiten Endplatte 4 leiten. Eine Querschnittsfläche der Fluidleitung 35 gemessen im Bereich der Durchgangsöffnungen 51 der Verstärkungslage 55 und/oder der Durchgangsöffnungen 11 der Separatorplatten 2a, 2b kann sich in Fluidströmungsrichtung, insbesondere zwischen dem zweiten Endabschnitt 38 und dem ersten Endabschnitt 36, vergrößern. Insgesamt kann durch die Laschen 50 und das Abstützelement 39 ein Strömungsquerschnitt der Fluidleitung 35 in Richtung des Fluidausströmbereichs 36 zumindest bereichsweise zunehmen.
  • Den Fluidleitungen 25 und 35 ist somit gemein, dass die Querschnittsfläche der jeweiligen Fluidleitung 25, 35 gemessen im Bereich der Durchgangsöffnungen 51 der Verstärkungslage 55 und/oder der Durchgangsöffnungen 11 der Separatorplatten 2a, 2b in Richtung der ersten Endplatte 3 abnimmt.
  • In der Ausführungsform der 12 sind die Laschen in der Fluidleitung 35 auf der dem elektrochemisch aktiven Bereich zugewandten Seite der Fluidleitung 35 angeordnet, auch wenn dies nicht zwangsweise bedeutet, dass das Fluid zwischen den Laschen 50 in die Fluidleitung 35 einströmt. Die 15 und 16 zeigen ebenfalls eine Schnittzeichnung der Fluidleitung 35; jedoch strömt das Fluid in die Fluidleitung 35 von einer den Laschen 50 abgewandten Seite der Fluidleitung 35.
  • Der Stapel 6 der 15 ist in einem Ruhezustand gezeigt, d.h. es strömt kein Fluid im Stapel 6. Der gleiche Stapel 6 ist in der 16 in einem Betriebszustand gezeigt. Zur Deutlichkeit ist eine Strömungsrichtung des Fluids in der 16 mittels Pfeilen angedeutet. Beim Vergleich der 15 und 16 fällt auf, dass die Laschen 50 in der 16 aufgrund der Fluidströmung stärker aus der Ebene E ausgelenkt werden als die Laschen 50 der 15.
  • In manchen Ausführungsformen kann das freie Ende der jeweiligen Lasche 50 durch Einwirken der Fluidströmung, z.B. beim erstmaligen Anschalten des Stapels 6 bzw. Systems 1 aus der Ebene E erstmalig ausgelenkt werden. Die Lasche 50 kann durch das erstmalige Auslenken dauerhaft ausgelenkt sein. Alternativ kann die Lasche 50 lediglich während des Anströmens durch das Fluid ausgelenkt werden. Eine Mischform ist ebenfalls möglich, bei der die Lasche 50 nach dem erstmaligen Auslenken dauerhaft ausgelenkt ist und bei zusätzlicher Anströmung durch Fluid weiter ausgelenkt werden kann. Die erstmalige Auslenkung der Lasche 50 kann auch durch eine externe Vorrichtung, z.B. mittels eines Stempels, erfolgen.
  • In den Ausführungsformen der 11, 12, 13A, 13B, 15, 16 liegen benachbarte Laschen 50 aneinander an. Beispielsweise um ein Flattern von einzelnen Laschen 50 zu verhindern oder zur Arretierung in einem (teil-) ausgelenkten Zustand, können die Laschen 50 mit benachbarten Laschen 50 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Ein Beispiel für miteinander verbundene Laschen 50 ist in der 14B gezeigt.
  • Die 14A und 14B zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Lasche 50 mindestens eine Ausnehmung 53, vorzugsweise eine Vielzahl von schlitzförmigen Ausnehmungen, aufweist. Die Ausnehmung 53 ist derart geformt, dass sie eine Laschenspitze einer weiteren Lasche 50 einer benachbarten Anordnung 30 aufnehmen kann. Die Ausnehmung 53 ist somit als Rastelement für die benachbarte Lasche 50 ausgebildet. In der 14B ist angedeutet, dass die Laschenspitze einer Lasche 50 in mehrere Ausnehmungen 53 von unterschiedlichen Laschen 50 eingreifen kann. So kann die Lasche 50 nicht nur mit der benachbarten Lasche 50, sondern auch mit dem übernächsten Nachbarn 50 verbunden werden.
  • Alternativ ist auch eine klebende Verbindung benachbarter Laschen 50 möglich. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Klebewirkung aktiviert werden muss, wenn die Laschen 50 in einer vorbestimmten Position (z.B. der auslenkten Position) sind, beispielsweise über Temperatur, UV-Bestrahlung oder über Feuchtigkeit. Zum Aktivieren der Klebeverbindung kann eine dazu ausgelegte Vorrichtung durch die jeweilige Fluidleitung 25, 35 bewegt werden, z.B. eine Wärmelampe, eine UV-Lampe oder ein Feuchtigkeitsspender.
  • Zumindest in einem Teilbereich des Stapels 6, vorzugsweise jedoch in gesamten Stapel 6, können sämtliche MEAs 10 und/oder sämtliche Separatorplatten 2a, 2b bzw. Bipolarplatten 2 der beschriebenen Ausführungsformen jeweils baugleich sein.
  • Merkmale der Ausführungsformen der 6-16 können miteinander kombiniert werden, sofern sie sich nicht widersprechen. Weiter sei angemerkt, dass die Merkmale der in den 1 bis 5B gezeigten Systeme und Vorrichtungen mit den Ausführungsformen der 6-16 kombiniert werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrochemisches System
    2
    Bipolarplatte
    2a
    Einzelplatte
    2b
    Einzelplatte
    3
    Endplatte
    4
    Endplatte
    5
    Medienanschluss
    6
    Stapel
    7
    z-Richtung
    8
    x-Richtung
    9
    y-Richtung
    10
    Membranelektrodeneinheit
    11
    Durchgangsöffnung
    11a-c
    Durchgangsöffnungen
    12a-c
    Dichtsicken
    13a-c
    Durchführungen
    14
    Membran
    16
    Gasdiffusionslage
    17
    Strömungsfeld
    18
    elektrochemisch aktiver Bereich
    19
    Hohlraum
    20
    Verteil- und Sammelbereich
    22
    Außenrandbereich
    23
    Kanal
    24
    Kontaktbereich
    25
    Fluidleitung
    26
    Fluideinströmbereich
    27
    Mittelabschnitt
    28
    Endabschnitt
    29
    Fluidwirbel
    30
    Anordnung
    31
    Fluidleitungsabschnitt
    35
    Fluidleitung
    36
    Fluideinströmbereich
    37
    Mittelabschnitt
    38
    Endabschnitt
    39
    Abstützelement
    50
    Lasche
    50a-c
    Lasche
    51
    Durchgangsöffnung
    51a-c
    Durchgangsöffnungen
    52
    Kragen
    53
    Ausnehmung
    55
    Verstärkungslage
    56
    Projektionsfläche
    58
    elektrochemisch aktiver Bereich
    61
    Überlappungsbereich
    70
    isolierende Beschichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0165492 A1 [0008]
    • US 2012/0070761 A1 [0008]
    • US 2016/0013509 A1 [0008]
    • DE 102016225444 A1 [0008]
    • DE 102017202705 A1 [0008]
    • US 2009/0081521 A1 [0008]
    • EP 1968149 A1 [0008]

Claims (15)

  1. Anordnung (30) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine erste Separatorplatte (2a), eine zweite Separatorplatte (2b) und eine zwischen den Separatorplatten (2a, 2b) angeordnete Membranelektrodeneinheit, MEA, (10) zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle zwischen den Separatorplatten (2a, 2b), die MEA (10) aufweisend: - einen elektrochemisch aktiven Bereich (18) und - mindestens eine rahmenförmige, den elektrochemisch aktiven Bereich umschließende Verstärkungslage (55), wobei in der Verstärkungslage (55) und in jeder Separatorplatte (2a, 2b) jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung (51, 11) zum Durchleiten eines Fluids ausgebildet ist, wobei die Durchgangsöffnung (51) der Verstärkungslage (55) und die Durchgangsöffnungen (11) der Separatorplatten (2a, 2b) zum Bilden eines Fluidleitungsabschnitts (31) fluchtend zueinander angeordnet sind, wobei die Verstärkungslage (55) mindestens eine flexible Lasche (50) mit einem freien Ende zum Beeinflussen einer Fluidströmung aufweist, wobei eine Orthogonalprojektion zumindest einer der beiden Durchgangsöffnungen der Separatorplatten (2a, 2b) auf die Verstärkungslage (55) eine Projektionsfläche (56) definiert, welche zumindest bereichsweise mit der Lasche (50) überlappt.
  2. Anordnung (30) nach Anspruch 1, wobei die Lasche (50) derart ausgebildet ist, dass das freie Ende der Lasche (50) aus einer durch die Verstärkungslage (55) definierten Ebene (E) ausgelenkt oder auslenkbar ist, vorzugsweise durch Einwirken der Fluidströmung und/oder einer externen Vorrichtung.
  3. Anordnung (30) nach Anspruch 2, wobei mit Zunahme eines Fluidvolumenstroms und/oder einer Fluidgeschwindigkeit die Auslenkung des freien Endes zunimmt.
  4. Anordnung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungslage (55) einen die Durchgangsöffnung der Verstärkungslage (55) umlaufenden Kragen (52) aufweist, wobei die Lasche (50) mit dem Kragen (52) verbunden ist.
  5. Anordnung (30) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Kragen (52) innerhalb oder außerhalb der genannten Projektionsfläche (56) liegt.
  6. Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lasche (50) mindestens eine Ausnehmung (53) zum Aufnehmen einer weiteren Lasche (50) einer weiteren Anordnung (30) aufweist.
  7. Anordnung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungslage (55) einlagig oder mehrlagig ist und die Lasche (50) höchstens die gleiche Anzahl von Lagen wie die Verstärkungslage (55) aufweist.
  8. Stapel (6) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine Vielzahl von Anordnungen (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnungen (30) entlang einer Stapelrichtung gestapelt sind und ihre Fluidleitungsabschnitte (31) eine Fluidleitung (25, 35) bilden.
  9. Stapel nach Anspruch 8 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, wobei für eine Vielzahl von Anordnungen (30) die jeweilige zumindest teilweise ausgelenkte Lasche (50) in einen Fluidleitungsabschnitt (31) einer benachbarten Anordnung (30) hineinragt, sodass die Fluidleitung (25, 35) zumindest abschnittsweise entlang der Stapelrichtung eine sich ändernde Querschnittsfläche gemessen im Bereich der Durchgangsöffnung (51) der Verstärkungslage (55) aufweist.
  10. Stapel (6) nach Anspruch 9 soweit rückbezogen auf Anspruch 6, wobei zumindest teilweise ausgelenkte Laschen (50) in Ausnehmungen (53) von benachbarten Laschen (50) eingreifen, vorzugsweise einrasten.
  11. Stapel (6) nach einem der Ansprüche 8-10, wobei zumindest in einem Teilbereich des Stapels (6) sämtliche MEAs (10) und/oder sämtliche Separatorplatten (2a, 2b) baugleich sind.
  12. Stapel (6) nach einem der Ansprüche 8-11, weiter umfassend eine erste Endplatte (3) und eine zweite Endplatte (4), wobei die MEAs (10) und die Separatorplatten (2a, 2b) zwischen den beiden Endplatten (3, 4) angeordnet sind, wobei zumindest eine an die erste Endplatte (3) angrenzende Lasche (50) sich auf die erste Endplatte (3) abstützt.
  13. Stapel (6) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die erste Endplatte (3) im Bereich der Fluidleitung (25, 35) ein Abstützelement (39) zum Abstützen einer Vielzahl von Laschen (50) und zum Unterstützen einer Fluidführung aufweist.
  14. Stapel (6) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Abstützelement (39) und die darauf abgestützten Laschen (50) derart ausgebildet sind, dass sie das Fluid in Richtung eines Fluidauslasses (5) leiten.
  15. Elektrochemisches System (1), umfassend eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten Anordnungen (30) nach einem der Ansprüche 1-7 und/oder einen Stapel (6) nach einem der Ansprüche 8-14.
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