Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches System, insbesondere Brennstoffzellen- System, welches entsprechend dem Obergriff des Anspruchs 1 in Stapelform aufge baut ist.

Ein elektrochemisches System ist beispielsweise aus der DE 20 2016 107 302 U1 be kannt. Das bekannte elektrochemische System umfasst eine Mehrzahl an Bipolarplat ten, welche jeweils aus zwei Separatorplatten zusammengesetzt sind. Die Separator platten umfassen jeweils eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Mediums und einen Verteil- oder Sammelbereich mit einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Durch gangsöffnung stehen. Ferner weist die bekannte Separatorplatte ein Strömungsfeld auf, das über den Verteil- oder Sammelbereich mit der Durchgangsöffnung verbunden ist und Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums aufweist.

Eine weitere Separatorplatte, welche ebenfalls für die Verwendung in einem elektro chemischen System vorgesehen ist, ist in der DE 20 2015 204 300 U1 offenbart. In diesem Fall wird die Bezeichnung Separatorplatte für eine komplette Bipolarplatte verwendet, wobei diese aus sogenannten Einzelplatten, das heißt Halbblechen, zu sammengesetzt ist. Durch die beiden Einzelplatten sind Konturen von Kanälen gebil det, wobei Kreuzungsbereiche zwischen verschiedenen Kanälen existieren.

Die US 4,983,472 A offenbart eine, einen elektrischen Strom führende Platte einer Brennstoffzelle, welche zwischen einer flächigen Elektrode und einer weiteren Platte angeordnet ist. Die stromführende Platte weist eine Strukturierung in der Art eines Schachbrettmusters auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrochemische Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei zugleich günstige strömungstechnische Verhältnisse inner halb des elektrochemischen Systems gegeben sein sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrochemisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das elektrochemische System umfasst eine Mehr zahl gestapelter Bipolarplatten, welche jeweils aus zwei strukturierten, Wellenberge und Wellentäler beschreibenden Halbblechen zusammengesetzt sind. Zwischen den Halbblechen einer jeden Bipolarplatte sind durch die Wellenberge und Wellentäler Kühlmittelkanäle gebildet, wobei die Bipolarplatten auf ihren Außenseiten zugleich Strömungskanäle für Betriebsmedien begrenzen und sich jeweils zwischen zwei Bipo larplatten eine Membrananordnung befindet.

In einem Aktivfeld der Bipolarplatte sind die Strömungskanäle für die Medien, welche den Stapel an Bipolarplatten durchströmen, spiegelsymmetrisch zueinander angeord net, wobei sich die Spiegelsymmetrie auf die Ebene, in der die Membrananordnung liegt, bezieht. Zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld jeder Bipolarplatte exis tiert ein Übergangsbereich, in dem die zunächst deckungsgleich übereinanderliegen den Strömungskanäle derart auseinanderlaufen, dass sich eine in Querrichtung der Strömungskanäle versetzte Anordnung von Strömungskanälen, welche auf der ersten Seite der Membrananordnung liegen, und Strömungskanälen, welche auf der gegen überliegenden Seite der Membrananordnung liegen, ergibt.

Durch den in Draufsicht auf die Bipolarplatte innerhalb des Übergangsbereiches ge gebenen, vom Aktivfeld zum Verteilerfeld zunehmenden Versatz zwischen Strö mungskanälen, welche sich aufeinander entgegengesetzten Seiten jeder Bipolarplatte befinden, ist die Möglichkeit gegeben, dass sich die Halbbleche der Bipolarplatte in entsprechend gegeneinander versetzten Oberflächenabschnitten an umgebenden, flächigen Bauteilen abstützen. Damit sind geometrische Ungenauigkeiten, welche bei der Serienfertigung gegeben sein können, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen unter Wahrung der erforderlichen Dichtheit besser ausgleichbar. Zugleich können selbst bei dichter Stapelung der Platten große, strömungsgünstige Querschnitte der durch die Halbbleche begrenzten Strömungskanäle bereitgestellt werden.

Gemäß einer ersten Gestaltungsmöglichkeit der Bipolarplatten laufen innerhalb des Übergangsbereichs die, die Kühlmittelkanäle bildenden Wellenberge und Wellentäler des ersten Halbblechs einer jeden Bipolarplatte derart gegenüber den Wellenbergen und Wellentälern des zweiten Halbblechs auseinander, dass im Aktivfeld gegebene getrennte, zueinander parallele Kühlmittelkanäle in jeder Bipolarplatte in einen zu sammenhängenden, sich über mehrere Wellenberge und Wellentäler erstreckenden, für eine besonders gleichmäßige Kühlung sorgenden Kühlmittelraum übergehen. Dies bedeutet, dass ein breiter, gewellter, zwischen den Halbblechen einer Bipolarplatte gebildeter offener Querschnitt, der von Kühlmittel durchströmbar ist und zum Verteiler feld der Bipolarplatte hin offen ist, sich - vom Verteilerfeld aus betrachtet - in Richtung zum Aktivfeld in einzelne Kühlmittelkanäle aufsplittet.

In demjenigen Abschnitt des Übergangsbereichs, in welchem die einzelnen Kühlmit telkanäle einer jeden Bipolarplatte zu einem Kühlmittelraum vereint sind, kann die Membrananordnung lose zwischen den benachbarten Bipolarplatten liegen, wobei die Auslenkbarkeit der Membrananordnung durch die genannten Bipolarplatten, in Quer richtung der Strömungskanäle betrachtet, alternierend in lediglich einer Richtung, je weils normal zur genannten, durch die Membrananordnung definierten Ebene, blo ckiert ist. Die Membrananordnung stützt sich somit abwechselnd beispielsweise an ei ner Bipolarplatte, welche sich auf der Oberseite der Membrananordnung befindet, und an einer auf der Unterseite der Membrananordnung befindlichen Bipolarplatte ab, wo bei die Angaben „Oberseite“ und „Unterseite“ keine Information über die tatsächliche Ausrichtung der Bipolarplatten im Raum implizieren. Dabei wird eine gewisse Flexibili tät der Membrananordnung ausgenutzt, die eine wellenförmige Auslenkung der Membrananordnung aus der, durch die Membrananordnung im Bereich des Aktivfel des vorgegebenen Ebene erlaubt.

Insbesondere kann die Membrananordnung, welche lose zwischen den benachbarten Biopolarplatten liegt, im Querschnitt die Wellenform der Halbbleche, jedoch mit weni- ger ausgeprägten Wellenbergen und Wellentälern, wiedergeben, womit sich der Ein druck einer gewebten Struktur ergibt. Damit können in dem entsprechenden, an das Verteilerfeld grenzenden Abschnitt des Übergangsbereichs sowohl die Anordnungen aus den Halbblechen als auch die Membrananordnungen Verformungen in normaler Richtung der Plattenanordnung aufnehmen, wobei derartige Verformungen thermisch und/oder durch von außen einwirkende Kräfte bedingt sein können.

Was den genauen Verlauf der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld betrifft, existieren verschiedene geomet rische Varianten:

Gemäß einer ersten Variante sind die Strömungskanäle am an das Aktivfeld grenzen den Rand des Übergangsbereiches gegenüber der Ausrichtung, welche die Strö mungskanäle am an das Verteilerfeld grenzenden Rand des Übergangsbereiches ha ben, schräg gestellt. In typischer, vertikaler Ausrichtung der Bipolarplatten handelt es sich bei den genannten Rändern beispielsweise um den unteren und den oberen Rand des Übergangsbereiches.

Ebenso sind Varianten realisierbar, in welchen die Strömungskanäle an beiden Rän dern des Übergangsbereichs in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Hierbei sind die Strömungskanäle auf der einen Seite der Bipolarplatte innerhalb des Übergangsberei ches beispielsweise komplett gerade, während die Strömungskanäle auf der entge gengesetzten Seite der Bipolarplatte am an das Aktivfeld grenzenden Rand des Über gangsbereichs gegenüber demjenigen Rand des Übergangsbereichs, welcher an das Verteilerfeld grenzt, parallel versetzt sind, wobei der Parallelversatz insbesondere der Breite eines Strömungskanals entsprechen kann.

Sofern keiner der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs eine komplett gerade Form aufweist, können die Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbe reichs beispielsweise Y-förmig auseinanderlaufen. Damit sind gleiche Strömungsver hältnisse auf beiden Seiten der Bipolarplatte herstellbar. Das elektrochemische System kann in Form eines Brennstoffzellen-Stapels oder Brennstoffzellen-Stacks für mobile oder für stationäre Anwendungen vorgesehen sein. Insbesondere handelt es sich bei der Membrananordnung um eine Polymerelektrolyt membrane (PEM), so dass eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorliegt, die insbe sondere zum Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas eingesetzt wird.

Die Bipolarplatten sind insbesondere aus dreidimensional geprägten Metallblechen, insbesondere aus Stahl, Titan oder einer Titanlegierung, hergestellt und können mit Beschichtungen versehen und/oder mit weiteren Bestandteilen, insbesondere Gasdif fusionsschichten, die üblicherweise zwischen einer Membrananordnung und einer Bi polarplatte angeordnet werden, des elektrochemischen Systems verbunden sein. Da bei werden zwei geprägte Metallbleche miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen, wobei zwischen den Metallblechen ein von Kühlmittel durchströmbarer Kühlmittelraum gebildet wird.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 in schematischer Ansicht einen Ausschnitt eines elektrochemischen Sys tems,

Fig. 2 und 3 jeweils einen Schnitt A-A beziehungsweise B-B durch die Anordnung nach Figur 1 ,

Fig. 4 eine alternative Gestaltung eines elektrochemischen Systems in einer

Ansicht analog Figur 1 ,

Fig. 5 ein weiteres elektrochemisches System in einer Darstellung analog Fi gur 1 . Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämt liche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sowie Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.

Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen System handelt es sich um einen Brennstoffzellen-Stapel. Hinsichtlich des prinzipiel len Aufbaus sowie der Funktion von Brennstoffzellen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 2, welche je weils aus zwei Halbblechen 3, 4 gebildet und zu einem Stack gestapelt sind. Zwischen den Bipolarplatten 2 befindliche Membrananordnungen sind mit 5 bezeichnet. Im Ver gleich zu den Bipolarplatten 2 weisen die Membrananordnungen 5, zumindest in be stimmten Flächenabschnitten, eine erhöhte Flexibilität auf. Diese Flexibilität betrifft insbesondere die Nachgiebigkeit bei Belastungen, welche senkrecht auf die im We sentlichen plattenförmigen, gestapelten Anordnungen 2, 5 wirken. Die genannte Flexi bilität kann sich unter anderem in einer durch die Membrananordnung 5 beschriebene Wellenform 22 ausdrücken, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.

Durch das elektrochemische System 1 geleitete Medien durchströmen ein Verteiler feld 8, einen Übergangsbereich 7 und ein Aktivfeld 6, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Dagegen finden im Verteilerfeld 8 und im Übergangsbereich 7 noch keine elektrochemischen Reaktionen statt. Die Membran anordnung 5 weist daher innerhalb des Verteilerfeldes 8 und des Übergangsbereiches 7 einen Aufbau auf, welcher vom Aufbau innerhalb des Aktivfeldes 6 abweicht.

Durchgehend vom Verteilerfeld 8 bis zum Aktivfeld 6 sind durch die Membrananord nung 5 zahlreiche Strömungskanäle 9, welche sich auf der ersten Seite der Memb rananordnung 5 befinden, von Strömungskanälen 10 auf der zweiten Seite der Memb- rananordnung 5 getrennt. Die erste Seite der Membrananordnung 5 wird im vorlie genden Fall ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Oberseite, die zweite Sei te der Membrananordnung 5 auch als Unterseite bezeichnet.

Die innerhalb des Aktivfeldes 6 befindlichen Ausgangsabschnitte der Strömungskanä le 9, 10 sind einheitlich mit 11 bezeichnet. Sämtliche Ausgangsabschnitte 11 sind pa rallel zueinander angeordnet, wobei stets ein Ausgangsabschnitt 11 auf der Oberseite der Membrananordnung 5 spiegelsymmetrisch zu einem Ausgangsabschnitt 11 auf der Unterseite der Membrananordnung 5 angeordnet ist. Bezogen auf die Ansicht nach den Figuren 1 , 4, 5 bedeutet dies, dass jeweils zwei Ausgangsabschnitte 11 in nerhalb des Aktivfeldes 6 genau übereinander angeordnet sind. Im Unterschied hierzu liegen die mit 12, 13 bezeichneten Eingangsabschnitte der Strömungskanäle 9, 10, wie ebenfalls aus den Figuren 1 , 4, 5 hervorgeht, alternierend nebeneinander.

Dies bedeutet, dass ein Eingangsabschnitt 12, welcher einem Strömungskanal 9 zu zurechnen ist, in jedem Fall neben einem Eingangsabschnitt 13, weicher einem Strö mungskanal 10 zuzurechnen ist, liegt oder von zwei Eingangsabschnitten 13 benach bart ist. In der Draufsicht stellt dies eine Auffächerung der Strömungskanäle 9, 10 in nerhalb des Übergangsbereichs 7, welcher das Aktivfeld 6 strömungstechnisch mit dem Verteilerfeld 8 verbindet, dar.

Die in den Figuren oben liegenden Strömungskanäle 9 weisen in allen Ausführungs beispielen innerhalb des Übergangsbereichs 7 eine erste Knickstelle 14 auf. In den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Fällen ist zusätzlich eine zweite Knickstelle 15 ei nes Strömungskanals 9 gegeben. Abweichend von den vereinfachten Darstellungen können die sogenannten Knickstellen 14, 15 abgerundet ausgeführt sein.

Der in den skizzierten Ausführungsbeispielen unten liegende Strömungskanal 10 weist im Fall von Figur 1 eine einzige Knickstelle 14, im Fall von Figur 4 einen durch gehend geraden Verlauf, und im Fall von Figur 5 zwei Knickstellen 14, 15 auf. In allen Fällen sind sämtliche Ausgangsabschnitte 12, 13 der Strömungskanäle 9, 10 parallel zueinander ausgerichtet. Hierbei sind die Eingangsabschnitte 12, 13 im Fall von Fi gur 1 gegenüber den Ausgangsabschnitten 11 schräggestellt, wogegen in den Ausge staltungen nach den Figuren 4 und 5 eine Parallelität sämtlicher Abschnitte 11 , 12, 13 gegeben ist.

Jedes Halbblech 3, 4 weist eine Wellenstruktur 16 auf, durch die Wellenberge 17 und Wellentäler 18 beschrieben sind. Im Aktivfeld 6 ist jeweils ein Wellenberg 17 spiegel symmetrisch zu einem Wellental 18 angeordnet, sodass dazwischen ein Kühlmittelka nal 19 gebildet ist. Parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle 19 sind durch Stege 21 , welche durch aufeinander liegende Abschnitte der Halbbleche 3, 4 gebildet sind, voneinander getrennt. Im Bereich der Stege 21 können die Halbbleche 3, 4 mit einander verschweißt oder verlötet sein. Die Strömungskanäle 9, 10 befinden sich je weils zwischen der Membrananordnung 5 und einem Steg 21 , wobei sie zugleich an jeweils zwei Kühlmittelkanäle 19 grenzen.

Innerhalb des Übergangsbereichs 7 verschieben sich die Wellenstrukturen 16 der Halbbleche 3, 4 derart zueinander, dass, wie der Schnitt A-A, der auch für die Varian ten nach den Figuren 4 und 5 gilt, zeigt, stets ein Wellenberg 17 über einem Wellen berg 17 und ein Wellental 18 über einem Wellental 18 liegt. Damit sind die Kühlmittel kanäle 19 aufgelöst und zu einem einzigen Kühlmittelraum 20 vereinigt, der sich im Schnitt (Figur 2) zwischen den Halbblechen 3, 4 schlängelt. Im Unterschied zu den Kühlmittelkanälen 19 sind die Strömungskanäle 9, 10 weiterhin voneinander unter scheidbar, wobei die Trennung durch die Membrananordnung 5 gegeben ist. Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 2 veranschaulicht, ist jedoch durch die Halbbleche 3, 4, welche zusammenhängende Kühlmittelräume 20 bilden, keine starre Fixierung der Membrananordnung 5 gegeben. Vielmehr kann die Membrananordnung 5 in einer Wellenform 22 zwischen Halbblechen 4, 3 benachbarter Bipolarplatten 2 liegen. Ein hergehend mit elastischen Auslenkungen der Halbbleche 3, 4 sind somit in demjeni gen Abschnitt des Übergangsbereichs 7, der an das Aktivfeld 8 grenzt, in begrenztem Maße auch Formänderungen der Membrananordnung 5 möglich. Bezuqszeichenliste Elektrochemisches System Bipolarplatte Halbblech Halbblech Membrananordnung Aktivfeld Übergangsbereich Verteilerfeld Strömungskanal auf der ersten Seite der Membrananordnung Strömungskanal auf der zweiten Seite der Membrananordnung Ausgangsabschnitt eines Strömungskanals Eingangsabschnitt eines Strömungskanals Eingangsabschnitt eines Strömungskanals erste Knickstelle eines Strömungskanals zweite Knickstelle eines Strömungskanals Wellenstruktur eines Halbblechs Wellenberg Wellental Kühlmittelkanal Kühlmittelraum Steg Wellenform der Membrananordnung