WO2024256514A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system - Google Patents

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Rainer Glück
Arnold Gente
Stefan Schoenbauer
Stefan Schuerg
Udo Riegler
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Robert Bosch GmbH
Reinz Dichtungs GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a separator plate for an electrochemical system.
  • the electrochemical system can in particular be a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery.
  • An electrochemical system with a plurality of such separator plates is also disclosed.
  • the separator plates or the individual plates can each have or form structures which are designed, for example, to supply the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates with one or more media and/or to transport away reaction products.
  • these structures can be used to guide a cooling fluid through a gap between the individual plates of a separator plate.
  • the structures can, for example, comprise sequences of webs and channels.
  • the media can therefore be fuels (e.g. hydrogen or methanol), reaction gases (e.g. air or oxygen) or coolants.
  • the terms medium and fluid can be used synonymously.
  • the separator plates usually each have at least one through-opening through which the media can be guided to or away from the electrochemical cells or membrane electrode assemblies (MEAs) arranged between adjacent separator plates of the stack.
  • MEAs membrane electrode assemblies
  • a respective fluid is guided by means of the structures described above into a respective first distribution area and from there into a flow field opposite the active area of the cell or MEA. After flowing through the active area, the fluid is fed back to an outlet through-opening via a second distribution area, also called a collection area.
  • a second distribution area also called a collection area.
  • a first fluid e.g. a fuel
  • a second fluid e.g. a reaction gas
  • the fluid-conducting structures on the respective outer sides of the individual plates form complementary structures on their inner sides, which guide the cooling fluid.
  • the cooling fluid guidance is sometimes only possible under increased flow resistance. This reduces the cooling capacity of the separator plate accordingly and can consequently lead to limitations in the performance of the electrochemical system.
  • An object of the present invention is therefore to improve the cooling capacity of a separator plate and thus a performance of an electrochemical system with a plurality of such separator plates.
  • a separator plate for an electrochemical system comprising a first individual plate and a second individual plate, the inner sides of which face one another and together delimit a cooling fluid distribution structure, wherein the separator plate has at least one first through-opening for passing a cooling fluid through the separator plate and the cooling fluid distribution structure has at least one distribution region and a flow field, wherein the inner side of the first individual plate has a plurality of webs and first channels formed therebetween, wherein the first channels each define at least one continuous fluid connection from the distribution region into the flow field, wherein the inner side of the second individual plate has a plurality of webs and second channels formed therebetween, wherein at least some of the second channels each have a first section which opens into one of the first channels and a second section which extends in the flow field, wherein the first section has a flow cross-section which is enlarged compared to a flow cross-section of the second section.
  • the invention provides for the flow to be deliberately slowed down in the mouth area of the second channels by means of the cross-section widening. This is advantageous because in this In the mouth area (ie in the first section of the second channels) a certain degree of turbulence within the coolant flow is unavoidable due to the fluid exchange taking place there and a significant change in direction that is typically present there.
  • the effect of limiting pressure loss is particularly pronounced when, as provided in embodiments, the second channels open into a curved and/or also widened area of the first channels. Such a design of the first channels further reduces the flow velocity.
  • the first channels can extend at least in sections in the distribution region.
  • the first channels can optionally continue in the flow field and/or connect to channels in the flow field and/or merge into channels in the flow field.
  • the first channels can have an optional curved section.
  • the distribution region can comprise a first section which comprises first segments of the first channels, wherein the first segments define a fluid connection between the through-opening and the curved section of a respective first channel, wherein the distribution region also comprises a second section which comprises second segments of the first channels, wherein the second segments each define a fluid connection between the curved section of a respective first channel and the flow field.
  • the curved section of a respective first channel can have a flow cross-section which is larger than the flow cross-section of the first segment of the first channel.
  • the flow field can be characterized, for example, by the fact that all of the webs and channels included in it are straight and run parallel to one another and parallel to a main flow direction of the cooling fluid through the flow field.
  • the webs and channels could also be wave-shaped and run next to one another and along the main flow direction (or a main flow axis) with a similar wave shape.
  • the flow field can be characterized by the fact that it lies within an MEA reinforcement edge and in particular is surrounded and/or framed by it at least in sections.
  • the MEA reinforcement edge is preferably not opposite the flow field itself, but rather the actually active area of the MEA, in particular in the form of its electrolyte membrane.
  • the situation can be different with regard to the less deeply formed area that is at least partially assigned to the flow field and in which the MEA reinforcement edge and the GDL overlap one another.
  • the first and second individual plates can also each have a distribution area and a flow field for fluid guidance on their outer sides. Between the A transition region can be arranged between the distribution region and the flow field, in which the webs have a lower height compared to both the distribution region and the flow field. The transition region can be counted partly as part of the distribution region and partly as part of the flow field.
  • the first individual plate can form a cathode plate and/or can carry oxygen or air on its outside as a first fluid.
  • the second individual plate can form an anode plate and/or can carry hydrogen on its outside as a second fluid.
  • the first section of the second channels can be located at least partially outside the flow field and/or at least partially within the distribution area. However, it is also possible for both the first and the second section to be located entirely within the flow field.
  • the second section of a second channel can be any (partial) section of the second channel in the flow field. Alternatively, this section can comprise the entire length of the second channel in the flow field.
  • the second channels can be connected to a respective first channel in a fluid-conducting manner as a result of the opening.
  • the second channels can be fed with cooling fluid from or through the first channel into which they open or, depending on the direction of flow, feed the first channel with cooling fluid. Consequently, at least part of the cooling fluid from a first channel can be distributed to at least one second channel opening into it or can be received and collected by the first channel from this second channel.
  • the second channels can each open into one of the first channels at one end of a respective first section.
  • every second channel can, for example, be elongated and/or extend along a longitudinal axis in the direction of a center of the flow field.
  • This center can be a center along a main flow axis of the flow field, along which the cooling fluid flows through the flow field.
  • the first nor the second channels necessarily have to run in a straight line, but this can nevertheless be provided in principle.
  • connection of the second channels to the first channels as a result of the flow into one another enables a branching of the cooling fluid distribution structure.
  • This can, for example, enable the cooling fluid to be guided in the distribution area with a first number of channels and the cooling fluid to be guided in the flow field with a second, larger number of channels, the larger number being formed at least partially as a result of the branching described.
  • the second channels can each flow into only one first channel. This means a limited number of feed points into or out of the second channels, which can reduce flow resistance. On the other hand, several second channels can flow into a first channel (e.g. two or more second channels). This enables a particularly significant increase in the number of channels or a particularly pronounced branching of the type explained above.
  • the flow cross-section of the first section is at least 20% larger than the flow cross-section of the second section, and in particular by at least 30% or by at least 40%.
  • the flow cross-section of the first section can be larger by at least 60%, by at least 100% or by at least 150% larger than the flow cross-section of the second section.
  • the flow cross-section of the first section can be larger than the flow cross-section of the second section, for example by no more than 200%.
  • the increase in flow cross-section between the first and second sections can be uniform for each of the second channels or can vary between the second channels.
  • Several groups of second channels can exist, whereby in each group the increase in flow cross-section in the respective first section is uniform, but the increase in flow cross-section of the groups differs from one another. Such degrees of freedom can be used to achieve a space-optimized design of the cooling fluid distribution structure.
  • the first section can have a maximum flow cross-section of a respective second channel. This reduces the space required by the second channel, since the increased flow cross-section can be limited to the first section, for example.
  • the flow cross-section can continuously decrease from the first section to the second section, or at least not increase again.
  • the flow cross-section can be constant or continuously decrease at least over a certain length of a respective second channel. This can avoid large jumps in the cross-section, which in turn could cause turbulence and thus pressure losses.
  • the flow cross-section of the first section is significantly increased by increasing a width dimension of the second channel.
  • the width dimension preferably runs in or parallel to a flat surface plane of the separator plate.
  • the width can be measured perpendicular to a local main flow direction in or through a second channel.
  • an increase in the width dimension may exceed any increase in the maximum height of the first channel in its first section (for example, be at least twice as large) and/or the maximum height of the first channel may be substantially constant.
  • the height may be measured orthogonal to the planar surface plane and/or in a direction pointing towards the corresponding opposing single plate.
  • a maximum height dimension of the first section and the second section differ from each other by no more than 20%.
  • the height dimension can run perpendicular to a flat surface plane of the separator plate.
  • the plane of the flat surface of a respective individual plate can be defined, for example, by an edge of the individual plate or by those flat areas of the individual plate that are not deformed as a result of an embossing or deep-drawing process to form the web-channel structures or beads described here.
  • the plane of the flat surface can run in the neutral fibers of the corresponding sections of the plates, on the other hand, it is also possible to consider the surfaces of the relevant sections of the plates as plane of the flat surface. With the latter approach, however, it must be ensured that when considering distances or the like, the material thickness of only one of the two plates considered is taken into account.
  • a further development provides that the respective opening of a second channel into one of the first channels comprises that an open end of the second channel, which faces a contact plane between the first and second individual plates, is opposite the first channel.
  • At least some of the second channels can each be located in sections opposite a web formed on the inside of the first individual plate.
  • the second channels (and more precisely, a partial section thereof) can each cross a web formed on the inside of the first plate. This corresponds to an at least temporary change of level of the cooling fluid guide if, for example, the cooling fluid is guided from the first section of the second channels while flowing over the opposite web in the direction of the second section or the flow field.
  • a reverse flow direction from the flow field in the direction of the first section is also possible.
  • a change of level of the cooling fluid guide can be understood as a change of flow levels of the cooling fluid distribution structure in such a way that a change is made from an area in which a flow cross section of the cooling fluid distribution structure extends significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the first individual plate to an area in which a flow cross section of the cooling fluid distribution structure extends significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the second individual plate, or vice versa.
  • the second channels each have a partial section that is opposite a web formed on the inside of the first individual plate.
  • This partial section can connect the first and second sections of the respective second channel in a fluid-conducting manner.
  • the partial section can be included in the first or second section, for example if it has width dimensions analogous to these. It has been shown that the possibility of changing levels and providing a partial section described above provides additional degrees of freedom in order to branch the cooling fluid distribution structure to a significant extent in the region of the transition between the distribution region and the flow field.
  • a flow cross-section of the partial section can also be larger than a flow cross-section of the second section.
  • This particularly relates to an average value of the flow cross-section of the respective sections, wherein this average value is averaged over the length of a respective section, for example. Consequently, the average value of the flow cross-section of the partial section can be larger than the average value of the flow cross-section of the second section.
  • a flow cross-section of an area of the first section that opens into the first channel and a flow cross-section of the partial section may not differ from each other by more than 50%. In this case, too, the mean values of the respective areas and sections can be considered.
  • the first section has a length which is less than 20 times, in particular 15 times, in particular 12 times, in particular 10 times, in particular 8 times the channel width in the second section.
  • height and width measurements may be taken to be measured at half the height of the structure in question.
  • At least some of the other second channels extend in the flow field and are each located opposite one of the first channels. This increases the degree of branching at the transition from the distribution area into the flow field.
  • these second channels can each be located opposite a continuation of a first channel into the flow field.
  • the cooling fluid can thus be guided not only as a result of the second channels opening into the first channels on the inside of the second individual plate as described above, but also by the corresponding direct opposite location of at least some of the second and first channels. This increases the achievable cooling of the second individual plates.
  • these other second channels have a flow cross-section that essentially corresponds to a flow cross-section of a respective second section of the second channels. This can result in uniform flow conditions in the flow field.
  • the invention also relates to an electrochemical system having a plurality of Separator plates according to any aspect described herein.
  • Figure 1 shows a perspective view of an electrochemical system with a plurality of stacked separator plates with membrane electrode units arranged between them.
  • Figure 2 shows a perspective view of two separator plates of a system similar to Figure 1 with a membrane electrode assembly (MEA) arranged between the separator plates.
  • MEA membrane electrode assembly
  • Figure 3 shows a perspective partial view of the separator plate of the first embodiment in the region of a distribution region of a first individual plate, in particular cathode plate, of the separator plate.
  • Figure 4 shows a perspective partial view of a separator plate according to the first embodiment in the region of a distribution region of a second individual plate, in particular anode plate, of the separator plate.
  • Figure 5 shows a schematically highly simplified view of a part of a cooling fluid distribution structure in the interior of the separator plate according to the first embodiment.
  • Figure 6 shows an orthogonal projection of the structural features of a part of the separator plate into a common plane.
  • FIG 1 shows an electrochemical system 1 of the type proposed here with a plurality of identical metallic separator plates 2 (or bipolar plates). These are arranged in a stack 6 and stacked along a z-direction 7. The separator plates 2 of the stack 6 are clamped between two end plates 3, 4. The z-direction 7 is also called the stack direction.
  • the system 1 is a fuel cell stack. Two adjacent separator plates 2 of the stack 6 enclose an electrochemical cell between them, which serves, for example, to convert chemical energy into electrical energy.
  • a membrane electrode unit (MEA) 10 is arranged between adjacent separator plates 2 of the stack 6 (see Figure 2 below).
  • the MEAs typically each contain at least one membrane, e.g. an electrolyte membrane.
  • a gas diffusion layer (GDL) can be arranged on one or both surfaces of the MEA.
  • GDL gas diffusion layer
  • the system 1 can also be used 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 can correspond to the structure of the separator plates 2 explained in more detail here, even if the media guided on or through the separator plates in an electrolyzer, an electrochemical compressor or a redox flow battery can differ from the media used for a fuel cell system.
  • the separator plates 2 each define a plate plane, wherein the plate planes of the separator plates 2 are each aligned parallel to the x-y plane and thus perpendicular to the stacking direction (z-axis 7).
  • the end plate 4 has a plurality of media connections 5 via which media can be fed to the system 1 and via which media can be removed from the system 1.
  • These media that can be fed to the system 1 and removed from the system 1 can include, for example, fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or depleted fuels or a cooling fluid such as water and/or glycol.
  • fuels such as molecular hydrogen or methanol
  • reaction gases such as air or oxygen
  • reaction products such as water vapor or depleted fuels
  • a cooling fluid such as water and/or glycol.
  • Figure 2 shows in perspective two adjacent separator plates 2 or bipolar plates, which can be included in an electrochemical system of the type of system 1 from Figure 1.
  • the separator plates 2 correspond to an example from the prior art. However, the properties and features explained below in relation to this can also apply to the separator plates 2 according to the invention disclosed here or can be provided for them, unless otherwise mentioned or apparent.
  • Fig. 2 also shows a known membrane electrode unit (MEA) 10 arranged between these adjacent separator plates 2, wherein the MEA 10 in Fig. 2 is largely covered by the separator plate 2 facing the viewer.
  • the separator plate 2 is formed from two materially joined individual plates 2a, 2b, of which in Fig. 2 only the individual plate 2a facing the viewer is visible, which covers the other individual plate 2b.
  • the individual plates 2a, 2b can each be made from a metal sheet, e.g. from a stainless steel sheet.
  • the individual plates 2a, 2b can, for example, be welded to one another, e.g. by laser welding connections or only be connected when the stack is stacked.
  • the design of fluid-conducting structures on the outside of the individual plate 2a facing the viewer can differ in Fig. 2 from the structures according to the invention in the other figures below.
  • the individual plates 2a, 2b have through-openings which are aligned with one another and form through-openings 11a-c of the separator plate 2.
  • the through-openings 11a-c form lines which extend through the stack 6 in the stacking direction 7 (see Figure 1).
  • each of the lines formed by the through-openings 11a-c is in fluid communication with one of the ports 5 in the end plate 4 of the system 1.
  • a cooling fluid can be introduced into the stack 6 or discharged from the stack 6 via the lines formed by the through-openings 11a.
  • the lines formed by the through-openings 11b, 11c can be designed to supply the electrochemical cells of the fuel cell stack of the system 1 with fuel and with reaction gas and to discharge the reaction products from the stack 6.
  • the individual plate 2a facing the viewer has sealing arrangements in the form of sealing beads 12a-c. These are arranged around the through openings 11a-c and completely enclose the through openings 11a-c.
  • the second individual plate 2b also has corresponding sealing beads 12a-c on the rear side of the separator plate 2 facing away from the viewer in Figure 2 for sealing the through openings 11a-c (not shown).
  • Alternative sealing systems such as elastomer seals, can also be used.
  • the individual plate 2a facing the viewer Adjacent to the electrochemically active region 18 of the MEA, the individual plate 2a facing the viewer has a flow field 17a with structures for guiding a reaction medium along the outside of the individual plate 2a on its outside facing the viewer. These structures are designed in Figure 2 in the form of a large number of webs and channels running between the webs and delimited by the webs. On the outside of the separator plate 2 facing the viewer, the individual plate 2a facing the viewer also has two distribution regions 20a.
  • the distribution areas 20a each comprise structures which are designed to distribute a medium introduced from a first of the two through-openings 11b into one of the distribution areas 20a by means of the flow field 17a over the active area 18 or to collect or bundle a medium flowing from the active area 18 or from the flow field 17a to the second of the through-openings 11b.
  • the collecting distribution area 20a can also be designed as a
  • the fluid-conducting structures of the distribution areas 20a in Figure 2 are also provided by webs and channels running between the webs and delimited by the webs.
  • a cooling fluid distribution structure 19 formed and/or enclosed between the individual plates 2a, 2b also has distribution areas 20c which overlap with the distribution areas 20a, b of the individual plates 2a, 2b.
  • This cooling fluid distribution structure 19 also has a flow field 17c which overlaps with the flow fields 17a, b of the outer sides of the individual plates 2a, 2b or is enclosed between them.
  • the web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b form complementarily shaped web-channel structures on the corresponding inner sides and thus complementarily shaped web-channel structures of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the two through-openings 11b or the lines formed by the through-openings 11b through the plate stack of the system 1 are each in fluid communication with one another via passages 13b in sealing beads 12b, via the distribution structures of the distribution areas 20 and via the flow field 17a of the individual plate 2a facing the viewer of Figure 2.
  • This individual plate 2a is a second individual plate 2a in the sense of this disclosure.
  • a fluid guided along the outside of this individual plate 2a is preferably hydrogen, so that the through-openings 11b are preferably hydrogen through-openings 11b. This results in particular from the smallest cross-section of the hydrogen through-openings 11b compared to the other through-openings 11a, 11c.
  • the two through-openings 11c or the lines formed by the through-openings 11c through the plate stack of the system 1 are each in fluid communication with one another via corresponding bead feedthroughs 13c, via corresponding distribution structures and via a corresponding flow field on an outer side of the individual plate 2b facing away from the viewer of Figure 2.
  • This individual plate 2b is a first individual plate 2b in the sense of this disclosure.
  • a fluid guided along the outer side of this individual plate 2b is preferably air or oxygen, so that the through-openings 11c are preferably air or oxygen through-openings 11c. This results in particular from the largest cross-section of the air or oxygen through-openings 11c compared to the other through-openings 11a, 11b.
  • the through-openings 11a are each in fluid communication with one another via a cavity enclosed or surrounded by the individual plates 2a, 2b, which forms the cooling fluid distribution structure 19, namely via feedthroughs 13a.
  • This cavity or this cooling fluid distribution structure 19 serves to guide a cooling fluid through the separator plate 2, in particular for cooling the electrochemically active region 18 of the MEA.
  • the through-openings 11a are therefore cooling fluid through-openings, which is particularly obvious from their average cross-sectional size in comparison to the other through-openings 11b, 11c.
  • Figure 3 shows a section of the outside of the separator plate 2 according to an embodiment with a view of the first individual plate 2b facing away from the viewer in Figure 2, in particular a cathode plate, in the dashed area in Figure 2.
  • the viewing angle is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the position of the through-opening 11c shown in Figure 3. Only a cut-off part of both the distribution area 20b and the flow field 17b is shown.
  • a fluid is guided from the through-opening 11c via a first distribution area 20b and through a web-channel structure 46b on the outside of the first individual plate 2b.
  • the web-channel structure 46b has several outwardly projecting webs 27b and channels 29b enclosed between them, only selected ones of which are provided with a corresponding reference symbol.
  • the deepest areas of the channels 29b run in the plane of the first single plate 2b.
  • the web-channel structure 46b forms complementary shaped webs and channels of the cooling fluid distribution structure 19, see Figures 5 and 6 discussed below. More precisely, the webs 27b of the web-channel structure 46b form cooling fluid-carrying channels of the cooling fluid distribution structure 19, whereas the channels 29b of the web-channel structure 46b form webs of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the distribution area 20b comprises a first section 20bl, an optional curved section 52 and a second section 20b2.
  • the webs 27b of the web-channel structure 46b have a first segment 50.
  • the webs 27b have a second segment 54.
  • the segments 50, 54 and the curved section 52 follow one another directly and merge directly into one another.
  • the corresponding segments of a complementarily shaped channel 27c of the cooling fluid distribution structure 19 can conduct cooling fluid.
  • the sections 20bl, 20b2 are present on the inside as analogous sections 20bl, 20b2 of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the first segment 50 extends from an edge of the distribution region 20b near the through-opening 11c to the optional curved section 52.
  • the curved section 52 is generally positioned closer to the flow field 17b than to the through-opening 11c.
  • the second segment 54 extends from the curved section 52 to the flow field 17b. At least one end section of the second segment 54 pointing away from the curved section 52 can run parallel to a main flow direction (not shown) vertical in Fig. 3 through the flow field 17b.
  • the second segment 54 merges directly into a web 27b of the flow field 17b or is continued as such.
  • the first segment 50 is significantly longer than the curved section 52.
  • the first segment 50 and also the second segment 54 are also each straight.
  • the curved section 52 does not have a completely straight section and preferably also does not have a section with a constant flow cross-section.
  • each first web 27b temporarily increases within a respective curved section 52.
  • each web 27b therefore has a smaller flow cross-section compared to the curved section 52.
  • Figure 4 shows a section of the bipolar plate 2 with a view of the outside of the second individual plate 2a, preferably an anode plate, in the dashed area in Figure 2. The viewing angle is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the indicated position of the through-opening 11b in Figure 4. Only a cut-off part of the distribution area 20a and the flow field 17a are shown.
  • a fluid is guided from the through-opening 11b over the distribution area 20a and guided through a web-channel structure 46a on the outside of the second individual plate 2a.
  • the web-channel structure 46a has several outwardly projecting webs 27a and channels 29a enclosed between them, selected ones of which are each provided with a corresponding reference symbol.
  • the deepest areas of the channels 29a run in the plane of the second individual plate 2a.
  • the webs 27a are optionally interrupted in sections along their longitudinal extension within the distribution region 20a, but can also extend continuously in the direction of the flow field 17a.
  • the webs 27a are optionally also interrupted near their transition to the flow field 17a, but can also extend at least partially continuously into the flow field 17a.
  • the webs 27a are therefore not guided with a change of direction as in Fig. 3 and also not continuously into the flow field 17a.
  • the number of webs 27a is - at least together with the webs 28a - greater in the flow field 17a than in the distribution area 20a.
  • additional webs 28a are provided in the flow field 17a, which would not merge into these webs 27a even in the case of an alternative continuous extension of the webs 27a of the distribution area 20a.
  • Figure 4 also shows that some of the webs 27a, 28a have widened first sections 33 in a transition region between the distribution region 20a and the flow field 17a.
  • these first sections 33 are located in the distribution region 20a and merge into less strongly widened second sections 35.
  • the latter are located in the flow field 17a and run there in a straight line along a main flow axis S.
  • Fig. 5 shows a schematically highly simplified view of a first channel 27c and two second channels 30c opening into it of the cooling fluid distribution structure 19 formed between the individual plates 2a, b.
  • the separator plate 2 which is only shown in part, is rotated by 90° compared to Figures 3 and 4, which corresponds to an orientation analogous to Figure 2 (see also orientation of the main flow axis S in comparison to Fig. 4).
  • the cooling fluid distribution structure 19 in turn has a distribution region 20c and a flow field 17c.
  • the cooling fluid distribution structure 19 actually comprises a plurality of first and second channels 27c, 30c, which is not shown in the schematically greatly simplified Fig. 5.
  • the first channel 27c is essentially limited by the inside of one of the webs 27b of the first individual plate 2b (see Fig. 3) or, in other words, is shaped complementarily to such a web 27b.
  • the first channel 27c has first and second segments 50, 54 and a curved section 52, which are each designed as recesses on the inside of the first individual plate 2b that are complementary to the segments 50, 54 and the curved section 52 of the webs 27b.
  • Each of the webs 27b from Fig. 3 forms a corresponding first channel 27c of the cooling fluid distribution structure 19 or is shaped complementarily thereto.
  • the first channel 27c preferably has a substantially or completely constant height, which runs, for example, orthogonal to the planar surface planes of the individual plates 2a, 2b.
  • the width of the first channel 27c varies along its course. In view of the preferably constant height, this variation in width is equivalent to a variation in a flow cross-section available to the cooling fluid in the first channel 27c.
  • Fig. 5 shows that the optional curved section 52 has a significantly larger width than the first and second segments 50, 54. This results in a significant widening of the flow cross-section in the curved section 52 and limited to this.
  • first and second segments 50, 54 run at an angle relative to one another.
  • the widened curved section 52 thus defines an area of a change in direction of the first channel 27c and enables the cooling fluid to be diverted from the first segment 50 into the second segment 54, which is angled relative thereto.
  • Fig. 5 also shows a cooling fluid feed from (or into) the first channel 27c into (or from) the second channels 30c shown in dashed lines.
  • the second channels 30c are essentially limited by the inside of a part of the webs 27a, 28a of the second individual plate 2a (see Fig. 4). In other words, the second channels 30c are shaped complementarily to a portion of the webs 27a, 28a. This particularly concerns a portion of the webs 27a, 28a in or near the flow field 17a of the second individual plate 2a and especially webs 27a, 28a with a widened end section 33 (see Fig. 4).
  • the second channels 30c are spaced apart by webs 34c, which form complementarily shaped channels 34a on the outside of the second individual plate 2a (see Fig. 4).
  • the second channels 30c each have a widened first section 33c, which merges into a less widened second section 35c. It can be seen that the first sections 33c on the inside of the second individual plate 2a are opposite the curved section 52 on the inside of the first individual plate 2b. An open end of each first section 33c faces the curved section 52 and establishes a fluid-conducting connection between the first channel 27c and a respective second channel 30c. For example, two second channels 30c open into a respective first channel 27c, wherein each of the second channels 30c opens into only one first channel 27c.
  • the first and second sections 33c, 35c run, for example, at an angle to one another. This enables the first section 33c to be brought close to a respective first channel 27c in a space-saving manner.
  • the first sections 33c have a (e.g. average or maximum) width bl. This is measured, for example, transversely to a local main flow direction along a second channel 30c in the region of the first section 33c.
  • the width bl is greater than a width b2 of a respective second section 35c (e.g. again measured transversely to a local main flow direction along a second channel 30c in the region of a second section 35c).
  • the width bl decreases continuously and continuously from a respective first section 33c to the width b2.
  • the initial width bl is, for example, approximately 1.5 times as large as the width b2.
  • a height of the second channels 30c measured orthogonally to the widths bl, b2 and to the planes of the individual plates 2a, 2b is essentially constant, in particular in their region 33c, or completely constant. Consequently, the widening of the first sections 33c to the width bl results in an enlarged flow cross-section there compared to the second sections 35c.
  • Fig. 5 further shows that a length II of each first section 33c is significantly greater than the width b2 of the second section 35c.
  • the length II can, for example, be measured up to a position and/or the first section 33c can extend up to a position at which the flow field 17c begins and/or at which the width b2 is present for the first time.
  • the length II in relation to the width b2 is less than 20 times, in particular 15 times, in particular 12 times, in particular 10 times and in particular 8 times.
  • Fig. 6 shows an orthogonal projection of a section of the separator plate 2, which is oriented analogously to Fig. 5, in a plane parallel to the planes of the individual plates 2a, 2b.
  • the view corresponds to a view through the corresponding section of the separator plate 2.
  • the section shown corresponds approximately to an area that has the schematically shown structures from Fig. 5. Positions of the distribution areas 20a-c and flow fields 17a-c on the outer and inner sides of the first and second Individual plates 2a, b are entered. These overlap at least in sections.
  • first channels 27c of the cooling fluid distribution structure 19 are shown, each of which is shaped complementarily to webs 27b on the outside of the first individual plate 2b. Also shown is the fluid-conducting connection of the optional curved section 52 of each first channel 27c to two second channels 30c on the inside of the second individual plate 2a (shaped complementarily to webs 27a on the outside of the second individual plate 2a). Not all of the second channels 30c are marked with a corresponding reference symbol in Figure 6. For some of the second channels 30c, their widened first sections 33c and their reduced-width second sections 35c are marked.
  • the widened first section 33c is shown hatched.
  • the first section 33c therefore extends from an opening area into the first channel 27c (see left end of the first section 33c in Fig. 6) to a position at which the reduced width b2 (see Fig. 5) of the second section 35c, which preferably continues into the flow field 17c, is present for the first time.
  • the first section 33c also comprises a likewise widened partial section 37c. This partial section 37c is not located opposite a channel on the inside of the first individual plate 2b, at least in sections, but rather opposite a web 29c formed there.
  • the cooling fluid guided along the second channels 30c thus flows over a web 29c on the inside of the first individual plate 2b in the partial section 37c, so that a flow cross-section for the cooling fluid in this area is provided exclusively in the second individual plate 2a.
  • Figure 6 also shows further channels 28c on the inside of the first individual plate 2b. These are part of the cooling fluid distribution structure 19 and are shaped complementarily to the webs 28b on the outside of this first individual plate 2b, see Figure 3.
  • the channels 28c are located opposite sections of the second channels 30c.
  • Figure 6 also shows that the second segment 54 of each first channel 27c is led into the flow field 17c of the cooling fluid distribution structure 19 and continues there as a channel.
  • This is opposite a further second channel 31c on the inside of the second individual plate 2a, which is shaped complementarily to one of the webs 28a on the outside of this second individual plate 2a (see Figure 4).
  • the further second channel 31c is an example of a different type of second channel 31c on the inside of the second individual plate 2a compared to the second channels 30c discussed above.
  • the first channel 27c has a step St at the beginning of the curved section 52, but the maximum height in the curved section 52 is otherwise constant.
  • Figure 6 also shows two transfer angles W2, W3 between a respective first channel 27c (in particular its optional curved section 52) and one of the second channels 30c.
  • the first transfer angle W2 is enclosed by a longitudinal axis LI of the curved section 52 and a longitudinal axis L2 of the second channel 30c and in particular of its first section 33c.
  • the longitudinal axes LI, L2 preferably run centrally in the width direction through the sections or regions mentioned.
  • the second channel 30c that is positioned closer to the first segment 50 (not shown in Figure 6 in the case of the uppermost channel 27c) is considered.
  • the smallest achievable intersection angle between the longitudinal axes LI, L2 is considered.
  • the second transfer angle W3 is spanned between the longitudinal axis LI' of the curved section 52 and the longitudinal axis L2' of the other second channel 30c and in particular of its first section 33c.
  • the second channel 30c is considered which is positioned further away from the first segment 50 (not shown in the case of the uppermost channel 27c).
  • the longitudinal axis L2' under consideration is slightly different from the longitudinal axis L2 of the first transfer angle W2.
  • a longitudinal axis LI of a local area of the first channel 27c and in particular of the curved section 52 is therefore always used, which is intersected by the longitudinal axis L2 of the correspondingly considered second channel 30c.
  • the first transfer angle W2 is greater than the second transfer angle W3, e.g. by at least 5° or at least 10°. Both transfer angles W2, W3 are less than 80°, in particular less than 70° or in particular less than 60°, but preferably greater than 40°.
  • Fig. 6 also shows an angle Wl spanned by the first and second segments 50, 54 of a respective first channel 27c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox‐Flow‐Batterie sein. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten.
Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Im Kontext derartiger Stapel werden die Separatorplatten auch als Bipolarplatten bezeichnet. Die 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). Typischerweise sind die Separatorplatten aus zwei, insbesondere zusammengefügten, Einzelplatten gebildet. Die Einzelplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten bzw. die 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 eingerichtet sind. Insbesondere kann mittels dieser Strukturen ein Kühlfluid durch einen Zwischenraum zwischen den Einzelplatten einer Separatorplatte geführt werden. Die Strukturen können z. B. Abfolgen von Stegen und Kanälen umfassen. Bei den Medien kann es sich folglich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Im Rahmen dieser Offenbarung können die Begriffe Medium und Fluid gleichbedeutend verwendet werden.
Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, durch die hindurch die Medien zu den zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen bzw. den Membran- Elektroden-Anordnungen (MEAs) geleitet oder von diesen weggeführt werden können.
Aus einer solchen Durchgangsöffnung wird ein jeweiliges Fluid mittels der vorstehend geschilderten Strukturen in einen jeweiligen ersten Verteilbereich geführt und von dort in ein dem aktiven Bereich der Zelle bzw. MEA gegenüberliegendes Strömungsfeld. Nach dem Durchströmen des aktiven Bereichs wird das Fluid über einen zweiten Verteilbereich, auch Sammelbereich genannt, wieder einer Austritts-Durchgangsöffnung zugeführt. Ein Beispiel hierfür findet sich in der DE 20 2016 107 302 Ul. Es ist bekannt, an einer ersten Außenseite der Separatorplatte, d.h. einer Außenseite einer ersten Einzelpatte, ein erstes Fluid zu führen, z.B. einen Brennstoff, und an einer davon abgewandten zweiten Außenseite der Separatorplatte, d.h. einer Außenseite einer zweiten Einzelpatte, ein zweites Fluid zu führen, z.B. ein Reaktionsgas. In einem von den Innenseiten der Einzelplatten begrenzten Innenraum wird hingegen üblicherweise ein Kühlfluid geführt.
Die fluidführenden Strukturen an den jeweiligen Außenseiten der Einzelplatten bilden an deren Innenseiten komplementär geformte Strukturen aus, welche das Kühlfluid führen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei bisherigen Lösungen die Kühlfluidführung teilweise nur unter erhöhten Strömungswiderständen möglich ist. Dies senkt das Kühlvermögen der Separatorplatte entsprechend und kann folglich zu Beschränkungen des Leistungsvermögens des elektrochemischen Systems führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, das Kühlvermögen einer Separatorplatte und somit ein Leistungsvermögen eines elektrochemischen Systems mit einer Mehrzahl derartiger Separatorplatten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in dieser Beschreibung und in den Figuren angegeben.
Entsprechend wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, wobei die Separatorplatte eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte umfasst, deren Innenseiten einander zugewandt sind und gemeinsam eine Kühlfluidverteilstruktur begrenzen, wobei die Separatorplatte mindestens eine erste Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Kühlfluids durch die Separatorplatte aufweist und die Kühlfluidverteilstruktur mindestens einen Verteilbereich und ein Strömungsfeld aufweist, wobei die Innenseite der ersten Einzelplatte eine Vielzahl von Stegen und dazwischen ausgebildeten ersten Kanälen aufweist, wobei die ersten Kanäle jeweils wenigstens eine durchgängige Fluidverbindung von dem Verteilbereich in das Strömungsfeld definieren, wobei die Innenseite der zweiten Einzelplatte eine Vielzahl von Stegen und dazwischen ausgebildeten zweiten Kanälen aufweist, wobei zumindest einige der zweiten Kanäle jeweils einen ersten Abschnitt aufweisen, der in einen der ersten Kanäle mündet, und einen zweiten Abschnitt, der sich in dem Strömungsfeld erstreckt, wobei der erste Abschnitt einen Strömungsquerschnitt aufweist, der gegenüber einem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts vergrößert ist.
Durch das Aufweiten des Strömungsquerschnitts im ersten Abschnitt und folglich im Mündungsbereich der zweiten Kanäle wird eine dortige Strömungsgeschwindigkeit gezielt herabgesetzt. Dies hat zur Folge, dass Druckverluste des Kühlfluids begrenzt werden können, die bei einem Überleiten des Kühlfluids von den ersten in die zweiten Kanäle ohne entsprechende Aufweitung verstärkt auftreten würden. Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, in dem Mündungsbereich der zweiten Kanäle die Strömung mittels der Querschnittsaufweitung gezielt zu verlangsamen. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Mündungsbereich (d. h. im ersten Abschnitt der zweiten Kanäle) aufgrund des dort stattfindenden Fluidaustauschs sowie einer dort typischerweise vorliegenden signifikanten Richtungsänderung ein gewisser Grad an Verwirbelungen innerhalb der Kühlmittelströmung nicht vermeidbar ist.
Der Effekt der Druckverlustbegrenzung tritt insbesondere dann verstärkt auf, wenn, wie gemäß Ausführungsformen vorgesehen, die zweiten Kanäle in einen gekrümmten und/oder ebenfalls aufgeweiteten Bereich der ersten Kanäle münden. Eine solche Gestaltung der ersten Kanäle setzt die Strömungsgeschwindigkeit zusätzlich herab.
Die ersten Kanäle können sich zumindest abschnittsweise in dem Verteilbereich erstrecken. Die ersten Kanäle können optional in dem Strömungsfeld fortgesetzt werden und/oder an Kanäle in dem Strömungsfeld anschließen und/oder in Kanäle in dem Strömungsfeld übergehen. Die ersten Kanäle können einen optionalen Krümmungsabschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Verteilbereich einen ersten Abschnitt umfassen, der erste Segmente der ersten Kanäle umfasst, wobei die ersten Segmente eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung und dem Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals definieren, wobei der Verteilbereich auch einen zweiten Abschnitt umfasst, der zweite Segmente der ersten Kanäle umfasst, wobei die zweiten Segmente jeweils eine Fluidverbindung zwischen dem Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals und dem Strömungsfeld definieren. Der Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der größer ist als der Strömungsquerschnitt des ersten Segments des ersten Kanals.
Das Strömungsfeld kann sich zum Beispiel dadurch auszeichnen, dass sämtliche hiervon umfassten Stege und Kanäle geradlinig sind und parallel zueinander sowie parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kühlfluids durch das Strömungsfeld verlaufen. Alternativ könnten die Stege und Kanäle aber auch wellenförmig sein und mit gleichartiger Wellenform nebeneinander sowie entlang der Hauptströmungsrichtung (oder auch einer Hauptströmungsachse) verlaufen.
Zusätzlich oder alternativ kann sich das Strömungsfeld dadurch auszeichnen, dass es innerhalb eines MEA-Verstärkungsrands liegt und insbesondere von diesem zumindest abschnittsweise umgeben und/oder eingerahmt wird. Jedoch liegt dem Strömungsfeld selbst der MEA-Verstärkungsrand vorzugsweise nicht gegenüber, sondern der eigentlich aktive Bereich der MEA, insbesondere in Form von deren Elektrolytmembran. Es wird beispielhaft auf die DE 20 2020 106 459 Ul verwiesen und dort insbesondere auf die Figur 3B, die eine MEA mit Verstärkungsrand zeigt, der einen aktiven Bereich der MEA einrahmt. Anders kann es sich jedoch bezüglich des zumindest teilweise dem Strömungsfeld zugeordneten weniger tief ausgeformten Bereichs verhalten, in dem der MEA-Verstärkungsrand und die GDL einander überlappen.
Die erste und die zweite Einzelplatte können an ihren Außenseiten jeweils ebenfalls einen Verteilbereich und ein Strömungsfeld zur Fluidführung aufweisen. Zwischen dem Verteilbereich und dem Strömungsfeld kann ein Übergangsbereich angeordnet sein, in dem die Stege verglichen sowohl mit dem Verteilbereich als auch mit dem Strömungsfeld eine geringere Höhe aufweisen. Der Übergangsbereich kann teilweise zum Verteilbereich und teilweise zum Strömungsfeld gerechnet werden. Die erste Einzelplatte kann eine Kathodenplatte bilden und/oder kann an ihrer Außenseite als ein erstes Fluid Sauerstoff oder Luft führen. Die zweite Einzelplatte kann eine Anodenplatte bilden und/oder kann eine ihrer Außenseite als ein zweites Fluid Wasserstoff führen.
Der erste Abschnitt der zweiten Kanäle kann sich zumindest teilweise außerhalb des Strömungsfeldes befinden und/oder zumindest teilweise innerhalb des Verteilbereichs. Es ist jedoch auch möglich, dass sich sowohl der erste als auch der zweite Abschnitt vollständig innerhalb des Strömungsfeldes befinden. Der zweite Abschnitt eines zweiten Kanals kann ein beliebiger (Teil-)Abschnitt des zweiten Kanals im Strömungsfeld sein. Alternativ kann dieser Abschnitt die Gesamtlänge des zweiten Kanals im Strömungsfeld umfassen.
Die zweiten Kanäle können infolge des Mündens fluidleitend mit einem jeweiligen ersten Kanal verbunden sein. Die zweiten Kanäle können aus oder durch den ersten Kanal, in den sie münden, mit Kühlfluid gespeist werden oder, je nach Strömungsrichtung, den ersten Kanal mit Kühlfluid speisen. Folglich kann zumindest ein Teil des Kühlfluids aus einem ersten Kanal auf wenigstens einen darin mündenden zweiten Kanal verteilt oder von dem ersten Kanal aus diesem zweiten Kanal erhalten und gesammelt werden.
Die zweiten Kanäle können jeweils mit einem Ende eines jeweiligen ersten Abschnitts in einen der ersten Kanäle münden. Von diesem Ende ausgehend kann sich ein jeder zweiter Kanal zum Beispiel langgestreckt und/oder entlang einer Längsachse in Richtung von einer Mitte des Strömungsfeldes erstrecken. Diese Mitte kann eine Mitte entlang einer Hauptströmungsachse des Strömungsfeldes sein, entlang derer das Kühlfluid durch das Strömungsfeld strömt. Weder die ersten, noch die zweiten Kanäle müssen zwingend geradlinig verlaufen, was aber dennoch prinzipiell vorgesehen sein kann.
Der Anschluss der zweiten Kanäle an die ersten Kanäle infolge des ineinander Mündens ermöglicht eine Verzweigung der Kühlfluidverteilstruktur. Dies kann zum Beispiel ein Führen des Kühlfluids im Verteilbereich mit einer ersten Anzahl von Kanälen ermöglichen und das Führen des Kühlfluids im Strömungsfeld mit einer zweiten größeren Anzahl von Kanälen, wobei die größere Anzahl zumindest teilweise infolge der geschilderten Verzweigung gebildet wird.
Die zweiten Kanäle können jeweils in nur einen ersten Kanal münden. Dies bedeutet eine begrenzte Anzahl von Einspeisungsstellen in die bzw. aus den zweiten Kanälen, was einen Strömungswiderstand reduzieren kann. Andererseits können in einen ersten Kanal mehrere zweite Kanäle münden (z. B. zwei oder mehr zweite Kanäle). Dies ermöglicht eine besonders deutliche Vergrößerung der Kanalanzahl bzw. eine besonders ausgeprägte Verzweigung der vorstehend erläuterten Art.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts um wenigstens 20 % gegenüber dem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts vergrößert ist und insbesondere um wenigstens 30 % oder um wenigstens 40 %. Insbesondere kann der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts um wenigstens 60 %, um wenigstens 100 % oder um wenigstens 150 % gegenüber dem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts vergrößert sein. Zum Erzielen einer Kompaktheit kann der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts gegenüber dem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts aber bspw. um nicht mehr als 200% vergrößert sein.
Die Strömungsquerschnittsvergrößerung zwischen den ersten und zweiten Abschnitten kann für jeden der zweiten Kanäle einheitlich sein oder kann zwischen den zweiten Kanälen variieren. Es können mehrere Gruppen an zweiten Kanälen existieren, wobei in jeder Gruppe die Strömungsquerschnittsvergrößerung im jeweiligen ersten Abschnitt einheitlich ist, sich die Strömungsquerschnittsvergrößerungen der Gruppen aber voneinander unterscheiden. Durch derartige Freiheitsgrade kann eine raumoptimierte Gestaltung der Kühlfluidverteilstruktur erreicht werden.
Der erste Abschnitt kann einen maximalen Strömungsquerschnitt eines jeweiligen zweiten Kanals aufweisen. Dies reduziert den Platzbedarf des zweiten Kanals, da der vergrößerte Strömungsquerschnitt beispielsweise auf den ersten Abschnitt beschränkt sein kann. Der Strömungsquerschnitt kann sich von dem ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt hin kontinuierlich verkleinern, zumindest aber nicht erneut vergrößern. Beispielsweise kann der Strömungsquerschnitt zumindest über eine gewisse Länge eines jeweiligen zweiten Kanals konstant sein oder kontinuierlich abnehmen. Hierdurch können starke Querschnittssprünge vermieden werden, welche wiederum Verwirbelungen und dadurch Druckverluste verursachen könnten.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts maßgeblich durch eine Vergrößerung einer Breitenabmessung des zweiten Kanals vergrößert. Die Breitenabmessung verläuft vorzugsweise in oder parallel zu einer Planflächenebene der Separatorplatte. Alternativ oder zusätzlich kann die Breite senkrecht zu einer lokalen Hauptströmungsrichtung in oder durch einen zweiten Kanal gemessen werden.
Insbesondere kann eine Vergrößerung der Breitenabmessung eine etwaige Vergrößerung der maximalen Höhe des ersten Kanals in dessen ersten Abschnitt übersteigen (zum Beispiel wenigstens doppelt so groß sein) und/oder kann die maximale Höhe des ersten Kanals im Wesentlichen konstant sein. Die Höhe kann orthogonal zu der Planflächenebene gemessen werden und/oder in einer Richtung, die zu der entsprechend gegenüberliegenden Einzelplatte weist.
Das maßgebliche Vergrößern des Strömungsquerschnitts durch Anpassen der Breitenabmessung kann lokale Höhenzuwächse der zweiten Einzelplatte verhindern oder zumindest begrenzen, sofern konstruktiv überhaupt möglich. Gemäß einer Ausführungsform weichen eine maximale Höhenabmessung des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts um nicht mehr als 20 % voneinander ab. Dabei kann die Höhenabmessung senkrecht zu einer Planflächenebene der Separatorplatte verlaufen.
In an sich bekannter Weise kann die Planflächenebene einer jeweiligen Einzelplatte z. B. durch einen Rand der Einzelplatte oder durch diejenigen ebenen Bereiche der Einzelplatte festgelegt sein, die nicht infolge eines Präge- oder Tiefziehprozesses zum Ausbilden hierin geschilderter Steg-Kanal-Strukturen oder Sicken verformt sind. Einerseits können die Planflächenebenen in den neutralen Fasern der entsprechenden Abschnitte der Platten verlaufen, andererseits ist es auch möglich, die Oberflächen der betreffenden Abschnitte der Platten als Planflächenebenen zu betrachten. Bei letzterer Betrachtungsweise ist allerdings darauf zu achten, dass bei Distanzen o. dgl. die Materialstärke nur einer von zwei betrachteten Platten berücksichtigt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das jeweilige Münden eines zweiten Kanals in einen der ersten Kanäle umfasst, dass ein offenes Ende des zweiten Kanals, das einer Berührebene zwischen der ersten und zweiten Einzelplatte zugewandt ist, dem ersten Kanal gegenüberliegt.
Die zumindest einigen der zweiten Kanäle können jeweils abschnittsweise einem an der Innenseite der ersten Einzelplatte ausgebildeten Steg gegenüberliegen. Beispielsweise können die zweiten Kanäle (und kann genauer gesagt ein Teilabschnitt hiervon) jeweils einen an der Innenseite der ersten Platte ausgebildeten Steg kreuzen. Dies entspricht einem zumindest temporären Ebenenwechsel der Kühlfluidführung, wenn das Kühlfluid zum Beispiel aus dem ersten Abschnitt der zweiten Kanäle unter Überströmen des gegenüberliegenden Steges weiter in Richtung des zweiten Abschnitts bzw. des Strömungsfeldes geleitet wird. Auch eine umgekehrte Strömungsrichtung vom Strömungsfeld in Richtung des ersten Abschnitts ist aber möglich.
Unter einem Ebenenwechsel der Kühlfluidführung kann ein Wechsel von Strömungsebenen der Kühlfluidverteilstruktur in der Weise verstanden werden, dass von einem Bereich, in dem sich ein Strömungsquerschnitt der Kühlfluidverteilstruktur maßgeblich in einem von der ersten Einzelplatte aufgespannten Strömungsraum für das Kühlfluid erstreckt, zu einem Bereich gewechselt wird, in dem sich ein Strömungsquerschnitt der Kühlfluidverteilstruktur maßgeblich in einem von der zweiten Einzelplatte aufgespannten Strömungsraum für das Kühlfluid erstreckt, oder umgekehrt.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die zumindest einigen der zweiten Kanäle jeweils einen Teilabschnitt aufweisen, der einem an der Innenseite der ersten Einzelplatte ausgebildeten Steg gegenüberliegt. Dieser Teilabschnitt kann den ersten und zweiten Abschnitt des jeweiligen zweiten Kanals fluidleitend verbinden. Alternativ kann der Teilabschnitt von dem ersten oder zweiten Abschnitt umfasst sein, beispielsweise wenn er zu diesen analoge Breitenabmessungen aufweist. Es hat sich gezeigt, dass durch die vorstehend geschilderte Möglichkeit des Ebenenwechsels und Vorsehens eines Teilabschnitts zusätzliche Freiheitsgerade bereitgestellt werden, um die Kühlfluidverteilstruktur im Bereich des Übergangs zwischen Verteilbereich und Strömungsfeld in einem signifikanten Ausmaß zu verzweigen.
Ein Strömungsquerschnitt des Teilabschnitts kann ebenfalls gegenüber einem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts vergrößert sein. Dies betrifft insbesondere einen Mittelwert des Strömungsquerschnitts der jeweiligen Abschnitte, wobei dieser Mittelwert z. B. über die Länge eines jeweiligen Abschnitts gemittelt ist. Folglich kann der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des Teilabschnitts größer als der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des zweiten Abschnitts sein.
Zusätzlich oder alternativ können ein Strömungsquerschnitt eines in den ersten Kanal mündenden Bereichs des ersten Abschnitts und ein Strömungsquerschnitt des Teilabschnitts um nicht mehr als 50% voneinander abweichen. Auch in diesem Fall können die Mittelwerte der jeweiligen Bereiche und Abschnitte betrachtet werden.
Durch die vorstehenden Relativverhältnisse der Strömungsquerschnitte können ausreichend effektive Strömungsverlangsamungen erreicht werden, insbesondere jedoch ohne übermäßige Querschnittssprünge, welche wiederum Druckverluste erzeugen könnten.
Gemäß einer Weiterbildung weist der erste Abschnitt eine Länge auf, die geringer ist als das 20-fache, insbesondere das 15-fache, insbesondere als das 12-fache, insbesondere als das 10-fache, insbesondere als das 8-fache der Kanalbreite im zweiten Abschnitt.
Sind keine abweichenden Angaben gegeben, so kann für Höhen- und Breitenangaben gelten, dass sie jeweils auf halber Höhe der betreffenden Struktur gemessen werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich zumindest einige andere der zweiten Kanäle im Strömungsfeld und liegen dort jeweils einem der ersten Kanäle gegenüber. Dies erhöht den Grad der Verzweigung beim Übergang von dem Verteilbereich in das Strömungsfeld. Beispielsweise können diese zweiten Kanäle jeweils einer Fortsetzung eines ersten Kanals in das Strömungsfeld hinein gegenüberliegen. Somit kann das Kühlfluid nicht nur infolge des vorstehend geschilderten Mündens der zweiten Kanäle in die ersten Kanäle an der Innenseite der zweiten Einzelplatte geführt werden, sondern auch durch das entsprechende direkte Gegenüberliegen mindestens eines Teils der zweiten und ersten Kanäle. Hierdurch wird die erzielbare Kühlung der zweiten Einzelplatten erhöht.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass diese einigen anderen zweiten Kanäle einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der im Wesentlichen einem Strömungsquerschnitt eines jeweiligen zweiten Abschnitts der zweiten Kanäle entspricht. Dies kann in gleichmäßigen Strömungsverhältnissen im Strömungsfeld resultieren.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrochemisches System mit einer Mehrzahl von Separatorplatten gemäß jeglichem hierin geschilderten Aspekt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Figurenübergreifend können für gleichartige oder gleichwirkende Merkmale die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von gestapelten Separatorplatten samt dazwischen angeordneter Membranelektrodeneinheiten.
Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung zwei Separatorplatten eines Systems ähnlich Figur 1 mit einer zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA).
Figur 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht der Separatorplatte der ersten Ausführungsform im Bereich eines Verteilbereichs einer ersten Einzelplatte, insbesondere Kathodenplatte, der Separatorplatte.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Separatorplatte gemäß der ersten Ausführungsform im Bereich eines Verteilbereichs einer zweiten Einzelplatte, insbesondere Anodenplatte, der Separatorplatte.
Figur 5 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Ansicht eines Teils einer Kühlfluidverteilstruktur im Innern der Separatorplatte gemäß der ersten Ausführungsform.
Figur 6 zeigt eine Orthogonalprojektion der Strukturmerkmale eines Teils der Separatorplatte in eine gemeinsame Ebene.
Figur 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 der hier vorgeschlagenen Art mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 2 (bzw. Bipolarplatten). Diese sind in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt. Die Separatorplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 2 des Stapels 6 schließen 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 Separatorplatten 2 des Stapels 6 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe nachstehende Figur 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
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 kann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Kompressor 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 Separatorplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten 2 jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung (z-Achse 7) ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder ein Kühlfluid wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
Figur 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Separatorplatten 2 oder Bipolarplatten, die von einem elektrochemischen System von der Art des Systems 1 aus Figur 1 umfasst sein können. Die Separatorplatten 2 entsprechen einem Beispiel aus dem Stand der Technik. Die nachstehend in Bezug hierauf erläuterten Eigenschaften und Merkmale können aber ebenso auf die hier offenbarten erfindungsgemäßen Separatorplatten 2 zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein, sofern nicht anders erwähnt oder ersichtlich.
Fig. 2 zeigt auch eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in Figur 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Separatorplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten 2a, 2b gebildet, von denen in Figur 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die weitere Einzelplatte 2b verdeckt. Die Einzelplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen oder erst beim Aufstapeln des Stacks verbunden werden. Insbesondere die Gestaltung von fluidführenden Strukturen an der dem Betrachter zugewandten Außenseite der Einzelplatte 2a kann in Fig. 2 von den erfindungsgemäßen Strukturen der nachstehenden weiteren Figuren abweichen.
Die Einzelplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, welche Durchgangsöffnungen lla-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten 2 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe Figur 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen lla-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. ein Kühlfluid in den Stapel 6 eingeleitet oder aus dem Stapel 6 abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen können dagegen zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel 6 ausgebildet sein.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf. Diese sind jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet und umschließen die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig. Die zweite Einzelplatte 2b weist an der vom Betrachter der Figur 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 2 ebenfalls entsprechende Dichtsicken 12a-c zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c auf (nicht gezeigt). Alternative Dichtsysteme, wie etwa Elastomerdichtungen, können ebenfalls zum Einsatz kommen.
Angrenzend an den elektrochemisch aktiven Bereich 18 der MEA weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a an ihrer dem Betrachter zugewandten Außenseite ein Strömungsfeld 17a mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite der Einzelplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in Figur 2 in Form einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen ausgebildet. An der dem Betrachter zugewandten Außenseite der Separatorplatte 2 weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a zudem zwei Verteilbereiche 20a auf. Die Verteilbereiche 20a umfassen jeweils Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in einen der Verteilbereiche 20a eingeleitetes Medium mittels des Strömungsfelds 17a über den aktiven Bereich 18 zu verteilen bzw. ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 bzw. vom Strömungsfeld 17a zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hinströmendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. In letzterem Fall kann der sammelnden Verteilbereich 20a auch als ein
Sammelbereich bezeichnet werden. Die fluidführenden Strukturen der Verteilbereiche 20a sind in Figur 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
Ohne dass dies in Figur 2 gesondert dargestellt ist, weist eine zwischen den Einzelplatten 2a, 2b ausgebildete und/oder eingeschlossene Kühlfluidverteilstruktur 19 ebenfalls Verteilbereiche 20c auf, welche sich mit den Verteilbereichen 20a, b der Einzelplatten 2a, 2b überlappen. Auch weist diese Kühlfluidverteilstruktur 19 ein Strömungsfeld 17c auf, das mit den Strömungsfeldern 17a, b der Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b überlappt bzw. zwischen diesen eingeschlossen ist. Die Steg-Kanal-Strukturen an den Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b bilden dabei komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen an den entsprechenden Innenseiten aus und somit komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen der Kühlfluidverteilstruktur 19. Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen der Verteilbereiche 20 und über das Strömungsfeld 17a der dem Betrachter der Figur 2 zugewandten Einzelplatte 2a miteinander in Fluidverbindung. Diese Einzelplatte 2a ist eine zweite Einzelplatte 2a im Sinne dieser Offenbarung. Ein entlang der Außenseite dieser Einzelplatte 2a geführtes Fluid ist vorzugsweise Wasserstoff, sodass die Durchgangsöffnungen 11b vorzugsweise Wasserstoff-Durchgangsöffnungen 11b sind. Dies ergibt sich insbesondere aus dem im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11a, 11c geringsten Querschnitt der Wasserstoff-Durchgangsöffnungen 11b.
In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen 13c, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der Figur 2 abgewandten Einzelplatte 2b miteinander in Fluidverbindung. Diese Einzelplatte 2b ist eine erste Einzelplatte 2b im Sinne dieser Offenbarung. Ein entlang der Außenseite dieser Einzelplatte 2b geführtes Fluid ist vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, sodass die Durchgangsöffnungen 11c vorzugsweise Luft- oder Sauerstoff- Durchgangsöffnungen 11c sind. Dies ergibt sich insbesondere aus dem im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11a, 11b größten Querschnitt der Luft- oder Sauerstoff- Durchgangsöffnungen 11c.
Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Einzelplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum, der die Kühlfluidverteilstruktur 19 bildet, miteinander in Fluidverbindung, und zwar über Durchführungen 13a. Dieser Hohlraum bzw. diese Kühlfluidverteilstruktur 19 dient zum Führen eines Kühlfluids durch die Separatorplatte 2, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der MEA. Die Durchgangsöffnungen 11a sind daher Kühlfluid-Durchgangsöffnungen, was insbesondere auch aus deren mittlerer Querschnittsgröße im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11b, 11c naheliegt.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Außenseite der Separatorplatte 2 gemäß einer Ausführungsform mit Blick auf die in Fig. 2 vom Betrachter abgewandte erste Einzelplatte 2b, insbesondere eine Kathodenplatte, in dem gestrichelt umrissenen Bereich aus Figur 2. Der Blickwinkel ist gegenüber Figur 2 gedreht, wie anhand der angezeigten Position der Durchgangsöffnung 11c in Figur 3 erkennbar. Sowohl vom Verteilbereich 20b als auch vom Strömungsfeld 17b ist nur ein abgeschnittener Teil dargestellt. In diesen wird ein Fluid aus der Durchgangsöffnung 11c über einen ersten Verteilbereich 20b und unter Führung durch eine Steg-Kanal-Struktur 46b an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2b geführt. Die Steg- Kanal-Struktur 46b weist mehrere nach außen hervorstehende Stege 27b sowie dazwischen eingeschlossene Kanäle 29b auf, von denen jeweils nur ausgewählte mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die tiefsten Bereiche der Kanäle 29b verlaufen in der Planflächenebene der ersten Einzelplatte 2b.
An der vom Betrachter abgewandten Innenseite der ersten Einzelplatte 2b bildet die Steg- Kanal-Struktur 46b komplementär geformte Stege und Kanäle der Kühlfluidverteilstruktur 19 aus, siehe die nachstehend diskutierten Figuren 5 und 6. Genauer gesagt formen die Stege 27b der Steg-Kanal-Struktur 46b kühlfluidführende Kanäle der Kühlfluidverteilstruktur 19 aus, wohingegen die Kanäle 29b der Steg-Kanal-Struktur 46b Stege der Kühlfluidverteilstruktur 19 ausbilden.
Der Verteilbereich 20b umfasst einen ersten Abschnitt 20bl, einen optionalen Krümmungsabschnitt 52 und einen zweiten Abschnitt 20b2. In dem ersten Abschnitt 20bl weisen die Stege 27b der Steg-Kanal-Struktur 46b ein erstes Segment 50 auf. In dem zweiten Abschnitt 20b2 weisen die Stege 27b ein zweites Segment 54 auf. Die Segmente 50, 54 und der Krümmungsabschnitt 52 folgen direkt aufeinander und gehen direkt ineinander über. An der Innenseite können die entsprechenden Segmente eines komplementär geformten Kanals 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 Kühlfluid führen. Die Abschnitte 20bl, 20b2 liegen an der Innenseite als analoge Abschnitte 20bl, 20b2 der Kühlfluidverteilstruktur 19 vor.
Das erste Segment 50 erstreckt sich von einem Rand des Verteilbereichs 20b nahe der Durchgangsöffnung 11c bis zu dem optionalen Krümmungsabschnitt 52. Der Krümmungsabschnitt 52 ist allgemein näher zu dem Strömungsfeld 17b als zu der Durchgangsöffnung 11c positioniert. Das zweite Segment 54 erstreckt sich von dem Krümmungsabschnitt 52 bis zu dem Strömungsfeld 17b. Zumindest ein von dem Krümmungsabschnitt 52 weg weisender Endabschnitt des zweiten Segments 54 kann parallel zu einer in Fig. 3 vertikalen Hauptströmungsrichtung (nicht abgebildet) durch das Strömungsfeld 17b verlaufen. Das zweite Segment 54 geht direkt in einen Steg 27b des Strömungsfelds 17b über oder wird als ein solcher weitergeführt.
Bei einem überwiegenden Teil der ersten Stege 27b ist das erste Segment 50 deutlich länger als der Krümmungsabschnitt 52. Das erste Segment 50 und auch das zweite Segment 54 sind zudem jeweils geradlinig. Der Krümmungsabschnitt 52 weist hingegen keinen vollständig geradlinigen Teilabschnitt und vorzugsweise auch keinen Abschnitt mit konstantem Strömungsquerschnitt auf.
Ein Strömungsquerschnitt eines jeden ersten Stegs 27b vergrößert sich vorübergehend innerhalb eines jeweiligen Krümmungsabschnitts 52. Im ersten und zweiten Segment 50, 54 weist jeder Steg 27b daher einen im Vergleich zum Krümmungsabschnitt 52 kleineren Strömungsquerschnitt auf.
Alternativ könnte der Krümmungsabschnitt 52 jedoch weggelassen werden und könnten die ersten und zweiten Segmente 50, 54 direkt ineinander übergehen. Dies kann auch einen gekrümmten oder gewinkelten Übergang umfassen. Dieser Übergang kann sich jedoch durch keine oder durch eine deutliche kleinere Strömungsquerschnittsvergrößerung auszeichnen im Vergleich zu dem hier beispielhaft offenbarten Krümmungsabschnitt 52. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Bipolarplatte 2 mit Blick auf die Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a, vorzugsweise einer Anodenplatte, in dem gestrichelt umrissenen Bereich aus Figur 2. Der Blickwinkel ist gegenüber Figur 2 gedreht, wie anhand der angedeuteten Position der Durchgangsöffnung 11b in Figur 4 erkennbar. Nur ein abgeschnittener Teil des Verteilbereichs 20a und des Strömungsfelds 17a sind dargestellt. In diesen wird ein Fluid aus der Durchgangsöffnung 11b über den Verteilbereich 20a und unter Führung durch eine Steg- Kanal-Struktur 46a an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a geführt. Lediglich beispielhaft weist die Steg-Kanal-Struktur 46a mehrere nach außen hervorstehende Stege 27a sowie dazwischen eingeschlossene Kanäle 29a auf, von denen jeweils ausgewählte mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die tiefsten Bereiche der Kanäle 29a verlaufen in der Planflächenebene der zweiten Einzelplatte 2a.
Die Stege 27a sind, wie dargestellt, entlang ihrer Längserstreckung innerhalb des Verteilbereichs 20a optional abschnittsweise unterbrochen, können sich aber auch durchgängig in Richtung des Strömungsfeldes 17a erstrecken.
Ferner optional sind die Stege 27a auch nahe ihres Übergangs zu dem Strömungsfeld 17a unterbrochen, können sich aber zumindest teilweise ebenso durchgängig in das Strömungsfeld 17a hinein erstrecken. Die Stege 27a werden folglich nicht unter einer Richtungsänderung wie in Fig. 3 und auch nicht durchgängig in das Strömungsfeld 17a geführt.
Die Anzahl der Stege 27a ist - zumindest gemeinsam mit den Stegen 28a - im Strömungsfeld 17a größer als im Verteilbereich 20a. Zum Beispiel sind zusätzliche Stege 28a im Strömungsfeld 17a vorgesehen, die auch bei einer alternativen durchgängigen Erstreckung der Stege 27a des Verteilbereichs 20a nicht in diese Stege 27a übergehen würden.
Figur 4 zeigt außerdem, dass ein Teil der Stege 27a, 28a aufgeweitete erste Abschnitte 33 in einem Übergangsbereich zwischen dem Verteilbereich 20a und Strömungsfeld 17a aufweist. In dem gezeigten Beispiel befinden sich diese ersten Abschnitte 33 in dem Verteilbereich 20a und gehen in weniger stark aufgeweitete zweite Abschnitte 35 über. Letztere befinden sich im Strömungsfeld 17a und verlaufen dort geradlinig entlang einer Hauptströmungsachse S.
Fig. 5 zeigt schematisch stark vereinfacht einen ersten Kanal 27c sowie zwei darin mündende zweite Kanäle 30c der zwischen den Einzelplatten 2a, b ausgebildeten Kühlfluidverteilstruktur 19. Die entsprechend nur ausschnittsweise dargestellte Separatorplatte 2 ist gegenüber den Figuren 3 und 4 um 90° gedreht, was einer Orientierung analog zu Figur 2 entspricht (sh. a. Orientierung der Hauptströmungsachse S im Vergleich zu Fig. 4).
Die Kühlfluidverteilstruktur 19 weist wiederum einen Verteilbereich 20c und ein Strömungsfeld 17c auf. Die Kühlfluidverteilstruktur 19 umfasst tatsächlich eine Vielzahl von ersten und zweiten Kanälen 27c, 30c, was in der schematisch stark vereinfachten Fig. 5 jedoch nicht dargestellt ist. Der erste Kanal 27c wird maßgeblich durch die Innenseite von einem der Stege 27b der ersten Einzelplatte 2b begrenzt (sh. Fig. 3) oder, anders ausgedrückt, ist komplementär zu einem solchen Steg 27b geformt. Entsprechend weist der erste Kanal 27c erste und zweite Segmente 50, 54 und einen Krümmungsabschnitt 52 auf, die jeweils als zu den Segmenten 50, 54 und dem Krümmungsabschnitt 52 der Stege 27b komplementäre Vertiefungen an der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b ausgebildet sind. Jeder der Stege 27b aus Fig. 3 bildet einen entsprechenden ersten Kanal 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 aus bzw. ist komplementär hierzu geformt.
Der erste Kanal 27c weist vorzugsweise eine im Wesentlichen oder vollständig konstante Höhe auf, die z. B. orthogonal zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 2a, 2b verläuft. Die Breite des ersten Kanals 27c variiert hingegen entlang seines Verlaufs. In Anbetracht der bevorzugt konstanten Höhe ist diese Breitenvariation gleichbedeutend mit einer Variation eines dem Kühlfluid zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts im ersten Kanal 27c.
Fig. 5 zeigt, dass der optionale Krümmungsabschnitt 52 im Vergleich eine deutlich größere Breite aufweist als das erste und zweite Segment 50, 54. Somit ergibt sich eine im Krümmungsabschnitt 52 und auf diesen begrenzte signifikante Aufweitung des Strömungsquerschnitts.
Des Weiteren verdeutlicht sich aus Fig. 5, dass das erste und zweite Segment 50, 54 in einem Winkel relativ zueinander verlaufen. Der aufgeweitete Krümmungsabschnitt 52 definiert folglich einen Bereich einer Richtungsänderung des ersten Kanals 27c und ermöglicht eine Umlenkung des Kühlfluids von dem ersten Segment 50 in das relativ hierzu angewinkelte zweite Segment 54.
Fig. 5 zeigt auch eine Kühlfluideinspeisung aus dem (oder in den) ersten Kanal 27c in (oder aus) gestrichelt dargestellten zweiten Kanäle 30c. Die zweiten Kanäle 30c werden maßgeblich durch die Innenseite von einem Teil der Stege 27a, 28a der zweiten Einzelplatte 2a begrenzt (sh. Fig. 4). Anders ausgedrückt sind die zweiten Kanäle 30c komplementär zu einem Anteil der Stege 27a, 28a geformt. Die betrifft insbesondere einen Anteil der Stege 27a, 28a in oder nahe des Strömungsfeldes 17a der zweiten Einzelplatte 2a und speziell Stege 27a, 28a mit einem aufgeweiteten Endabschnitt 33 (sh. Fig. 4). Die zweiten Kanäle 30c sind über Stege 34c beabstandet, welche an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a komplementär geformte Kanäle 34a bilden (sh. Fig. 4).
Die zweiten Kanäle 30c weisen jeweils einen aufgeweiteten ersten Abschnitt 33c auf, der in einen weniger stark aufgeweiteten zweiten Abschnitt 35c übergeht. Man erkennt, dass die ersten Abschnitte 33c an der Innenseite der zweite Einzelplatte 2a dem Krümmungsabschnitt 52 an der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b gegenüberliegen. Dabei ist ein offenes Ende eines jeden ersten Abschnitts 33c dem Krümmungsabschnitt 52 zugewandt und stellt eine fluidleitende Verbindung zwischen dem ersten Kanal 27c und einem jeweiligen zweiten Kanal 30c her. Beispielhaft münden zwei zweite Kanäle 30c in einen jeweiligen ersten Kanal 27c, wobei jeder der zweiten Kanäle 30c in nur einen ersten Kanal 27c mündet. Die ersten und zweiten Abschnitte 33c, 35c verlaufen beispielhaft in einem Winkel zueinander. Dies ermöglicht ein platzsparendes Heranführen des ersten Abschnitts 33c an einen jeweiligen ersten Kanal 27c.
Die ersten Abschnitte 33c weisen eine (z.B. mittlere oder maximale) Breite bl auf. Diese wird z. B. quer zu einer lokalen Hauptströmungsrichtung entlang eines zweiten Kanals 30c im Bereich des ersten Abschnitts 33c gemessen. Die Breite bl ist größer als eine Breite b2 eines jeweiligen zweiten Abschnitts 35c (z. B. wiederum gemessen quer zu einer lokalen Hauptströmungsrichtung entlang eines zweiten Kanals 30c im Bereich eines zweiten Abschnitts 35c). In dem gezeigten Beispiel nimmt die Breite bl ausgehend von einem jeweiligen ersten Abschnitt 33c kontinuierlich und stufenlos auf die Breite b2 ab. Die anfängliche Breite bl ist zum Beispiel ca. 1,5-mal so groß wie die Breite b2.
Hingegen ist eine orthogonal zu den Breiten bl, b2 und zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 2a, 2b gemessene Höhe der zweiten Kanäle 30c im Wesentlichen, insbesondere in ihrem Bereich 33c, oder vollständig konstant. Folglich resultiert die Aufweitung der ersten Abschnitte 33c auf die Breite bl in einem dortigen vergrößerten Strömungsquerschnitt im Vergleich zu den zweiten Abschnitten 35c.
Fig. 5 zeigt ferner, dass eine Länge II eines jeden ersten Abschnitts 33c deutlich größer ist als die Breite b2 des zweiten Abschnitts 35c. Die Länge II kann zum Beispiel bis zu einer Position gemessen werden und/oder der erste Abschnitt 33c kann sich bis zu einer Position erstrecken, an der das Strömungsfeld 17c beginnt und/oder an der erstmalig die Breite b2 vorliegt.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass die Länge II im Verhältnis zur Breite b2 geringer ist als das 20- fache, insbesondere das 15-fache, insbesondere als das 12-fache, insbesondere als das 10- fachen und insbesondere als das 8-fache.
Sowohl die Richtungsänderung im Bereich des Krümmungsabschnitts 52 als auch der Fluidaustausch zwischen dem ersten Kanal 27c und einem jeweils darin mündenden zweiten Kanal 30c verursachen Turbulenzen in der Kühlfluidströmung. Durch die optionale Aufweitung des Strömungsquerschnitts im Krümmungsabschnitt 52, vor allem aber durch die erfindungsgemäße Aufweitung des Strömungsquerschnitts in einem jedem ersten Abschnitt 33c, wird die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich erhöhter Turbulenzen gezielt reduziert, was Druckverluste begrenzt.
Fig. 6 zeigt eine Orthogonalprojektion eines Ausschnitts der Separatorplatte 2, die analog zu Fig. 5 orientiert ist, in eine zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 2a, 2b parallele Ebene. Die Ansicht entspricht einer Durchsicht durch den entsprechenden Ausschnitt der Separatorplatte 2. Der gezeigte Ausschnitt entspricht in etwa einem Bereich, der die schematisch dargestellten Strukturen aus Fig. 5 aufweist. Positionen der Verteilbereiche 20a- c und Strömungsfelder 17a-c an den Außen- und Innenseiten der ersten und zweiten Einzelplatten 2a, b sind eingetragen. Diese überlappen sich jeweils zumindest abschnittsweise.
Ferner erkennt man Positionen und Ausmaße von Überlappungen der Kanal-Steg-Strukturen 46a, b sowie die gemeinsam hiervon begrenzte Kühlfluidverteilstruktur 19.
Drei erste Kanäle 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 sind gezeigt, die jeweils komplementär zu Stegen 27b an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2b geformt sind. Gezeigt ist ferner der fluidleitende Anschluss des optionalen Krümmungsabschnitts 52 eines jeden ersten Kanals 27c an zwei zweite Kanäle 30c an der Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a (komplementär geformt zu Stegen 27a an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a). Nicht sämtliche der zweiten Kanäle 30c sind in Figur 6 mit einem entsprechenden Bezugszeichen markiert. Für einige der zweiten Kanäle 30c sind deren aufgeweitete erste Abschnitte 33c und deren breitenreduzierte zweite Abschnitte 35c markiert.
Für einen der zweiten Kanäle 30c ist der aufgeweitete erste Abschnitte 33c schraffiert dargestellt. Der erste Abschnitte 33c erstreckt sich demnach von einem Mündungsbereich in den ersten Kanal 27c (sh. linkes Ende des ersten Abschnitts 33c in Fig. 6) bis zu einer Position, an der erstmal die reduzierte und vorzugsweise in das Strömungsfeld 17c weitergeführte Breite b2 (sh. Fig. 5) des zweiten Abschnitts 35c vorliegt. Dabei umfasst der erste Abschnitt 33c auch einen ebenfalls aufgeweiteten Teilabschnitt 37c. Dieser Teilabschnitt 37c liegt zumindest abschnittsweise keinem Kanal an der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b gegenüber, sondern einem dort ausgebildeten Steg 29c.
Das entlang der zweiten Kanäle 30c geführte Kühlfluid überströmt somit im Teilabschnitt 37c einen Steg 29c an der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b, sodass ein Strömungsquerschnitt für das Kühlfluid in diesem Bereich ausschließlich in der zweiten Einzelplatte 2a bereitgestellt ist.
In Figur 6 sind ebenfalls weitere Kanäle 28c an der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b gezeigt. Diese sind Bestandteil der Kühlfluidverteilstruktur 19 und sind komplementär geformt zu den Stegen 28b an der Außenseite dieser ersten Einzelplatte 2b, siehe Figur 3. Die Kanäle 28c liegen Abschnitten der zweiten Kanäle 30c gegenüber.
Weiter zeigt Figur 6, dass das zweite Segment 54 eines jeden ersten Kanals 27c in das Strömungsfeld 17c der Kühlfluidverteilstruktur 19 hineingeführt und dort als Kanal fortgesetzt wird. Dieser liegt einem weiteren zweiten Kanal 31c an der Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a gegenüber, der komplementär geformt ist zu einem der Stege 28a an der Außenseite dieser zweiten Einzelplatte 2a (siehe Figur 4). Der weitere zweite Kanal 31c ist ein Beispiel eines im Vergleich zu den vorstehend diskutierten zweiten Kanälen 30c anderen Typs von zweiten Kanälen 31c an der Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a. Abweichend von Figur 4 weist der erste Kanal 27c zu Beginn des Krümmungsabschnitts 52 eine Stufe St auf, die maximale Höhe im Krümmungsabschnitt 52 erstreckt sich aber ansonsten konstant. Figur 6 zeigt schließlich auch zwei Übergabewinkel W2, W3 zwischen einem jeweiligen ersten Kanal 27c (insbesondere dessen optionalem Krümmungsabschnitt 52) und jeweils einem der zweiten Kanälen 30c. Der erste Übergabewinkel W2 wird eingeschlossen durch eine Längsachse LI des Krümmungsabschnitts 52 und eine Längsachse L2 des zweiten Kanals 30c und insbesondere von dessen erstem Abschnitt 33c. Die Längsachsen LI, L2 verlaufen vorzugsweise in Breitenrichtung jeweils mittig durch die genannten Abschnitte bzw. Bereiche. Es wird derjenige zweite Kanal 30c betrachtet, der näher zu dem in Figur 6 im Fall des obersten Kanals 27c nicht dargestellten ersten Segments 50 positioniert ist. Ferner wird der kleinste eintragbare Schnittwinkel zwischen den Längsachsen LI, L2 betrachtet.
Der zweite Übergabewinkel W3 wird zwischen der Längsachse LI' des Krümmungsabschnitts 52 und der Längsachse L2' des anderen zweiten Kanals 30c und insbesondere von dessen erstem Abschnitt 33c aufgespannt. Dabei wird derjenige zweite Kanal 30c betrachtet, der weiter entfernt von dem im Fall des obersten Kanals 27c nicht dargestellten ersten Segments 50 positioniert ist.
Aufgrund der Krümmung des Krümmungsabschnitts 52 liegt die betrachtete Längsachse L2' gegenüber der Längsachse L2 des ersten Übergabewinkels W2 leicht anders. Zur Definition der Übergabewinkel W2, W3 wird folglich stets eine Längsachse LI eines lokalen Bereichs des ersten Kanals 27c und insbesondere des Krümmungsabschnitts 52 herangezogen, der von der Längsachse L2 des entsprechend betrachteten zweiten Kanals 30c geschnitten wird.
Der erste Übergabewinkel W2 ist in dem gezeigten Beispiel größer als der zweite Übergabewinkel W3, z.B. um wenigstens 5° oder wenigstens 10°. Beide Übergabewinkel W2, W3 sind kleiner als 80°, insbesondere kleiner als 70° oder insbesondere kleiner als 60°, vorzugsweise aber größer als 40°.
Der Vollständigkeit halber zeigt Fig. 6 auch einen Winkel Wl, der von den ersten und zweiten Segmenten 50, 54 eines jeweiligen ersten Kanals 27c aufgespannt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine erste Einzelplatte (2b) und eine zweite Einzelplatte (2a), deren Innenseiten einander zugewandt sind und gemeinsam eine Kühlfluidverteilstruktur (19) begrenzen, wobei die Separatorplatte (2) mindestens eine erste Durchgangsöffnung (11a) zum Durchleiten eines Kühlfluids durch die Separatorplatte (2) aufweist und die Kühlfluidverteilstruktur (19) mindestens einen Verteilbereich (20c) und ein Strömungsfeld (17c) aufweist, wobei die Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) eine Vielzahl von Stegen (29c) und dazwischen ausgebildeten ersten Kanälen (27c) aufweist, wobei die ersten Kanäle (27c) jeweils wenigstens eine durchgängige Fluidverbindung von dem Verteilbereich (20c) in das Strömungsfeld (17c) definieren, wobei die Innenseite der zweiten Einzelplatte (2a) eine Vielzahl von Stegen (34c) und dazwischen ausgebildeten zweiten Kanälen (30c) aufweist, wobei zumindest einige der zweiten Kanäle (30c) jeweils einen ersten Abschnitt (33c) aufweisen, der in einen der ersten Kanäle (27c) mündet, und einen zweiten Abschnitt (35c), der sich in dem
Strömungsfeld (17c) erstreckt, wobei der erste Abschnitt (33c) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der gegenüber einem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts (35c) vergrößert ist.
2. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1, wobei der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts (33c) um wenigstens 20 % gegenüber dem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts (35c) vergrößert ist und insbesondere um wenigstens 30 % oder um wenigstens 40 %.
3. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts (33c) maßgeblich durch eine Vergrößerung einer Breitenabmessung (bl) des zweiten Kanals (30c) vergrößert ist, wobei die Breitenabmessung (bl) in oder parallel zu einer Planflächenebene der
Separatorplatte (2) verläuft.
4. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine maximale Höhenabmessung des ersten Abschnitts (33c) und des zweiten Abschnitts (35c) um nicht mehr als 20 % voneinander abweichen, wobei die Höhenabmessung senkrecht zu einer Planflächenebene der Separatorplatte (2) verläuft.
5. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Münden eines zweiten Kanals (30c) in einen der ersten Kanäle (27c) umfasst, dass ein offenes Ende des zweiten Kanals (30c), das einer Berührebene zwischen der ersten und zweiten Einzelplatte (2a, 2b) zugewandt ist, dem ersten Kanal (27c) gegenüberliegt.
6. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest einigen der zweiten Kanäle (30c) jeweils abschnittsweise einem an der Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Steg (29c) gegenüberliegen.
7. Separatorplatte (2) nach Anspruch 6, wobei die zumindest einigen der zweiten Kanäle (30c) jeweils einen Teilabschnitt (37c) aufweisen, der dem an der Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Steg (29c) gegenüberliegt, wobei ein Strömungsquerschnitt des Teilabschnitts (37c) ebenfalls gegenüber einem Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts (35c) vergrößert ist.
8. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Strömungsquerschnitt eines in den ersten Kanal (27c) mündenden Bereichs des ersten Abschnitts (33c) und ein Strömungsquerschnitt des Teilabschnitts (37c) um nicht mehr als 50% voneinander abweichen.
9. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (33c) eine Länge (II) aufweist, die geringer ist als das 20-fache, insbesondere das 15-fache, insbesondere als das 12-fache, insbesondere als das 10-fache, insbesondere als das 8-fache der Kanalbreite (b2) im zweiten Abschnitt (35c).
10. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich zumindest einige andere der zweiten Kanäle (30c) im Strömungsfeld (17c) erstrecken und dort jeweils einem der ersten Kanäle (27c) gegenüberliegen.
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