WO2024256528A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system - Google Patents

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separator plate
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Bernadette GRÜNWALD
Rainer Glück
Thomas STÖHR
Arnold Gente
Stefan Schoenbauer
Stefan Schuerg
Udo Riegler
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Robert Bosch GmbH
Reinz Dichtungs GmbH
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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.
  • Known electrochemical systems of the type mentioned normally comprise a stack of electrochemical cells, each of which is separated from one another by separator plates.
  • the separator plates are also referred to as bipolar plates.
  • the separator plates can serve, for example, to electrically contact the electrodes of the individual electrochemical cells (e.g. fuel cells) and/or to electrically connect adjacent cells (series connection of the cells).
  • the separator plates are typically formed from two individual plates, in particular joined together.
  • the individual plates can be joined together in a materially bonded manner, e.g. by one or more welded joints, in particular by one or more laser welded joints.
  • 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 fed to the electrochemical cells or membrane electrode assemblies (MEAs) arranged between adjacent separator plates of the stack or from these can be led away.
  • 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
  • a cooling fluid is usually guided in an interior space delimited by the inner sides of the individual plates.
  • the media are usually guided through the system by means of external pumping.
  • 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 places higher demands on the external pumping power. This reduces the cooling capacity of the separator plate accordingly and can consequently lead to limitations in the overall 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 total 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 each other and together define 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 flow field is in fluid communication with the through-opening via the distribution region, wherein the inside of the first individual plate, in particular a cathode 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 and/or through the distribution region into the flow field and each have a curved section, wherein the distribution region comprises 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 comprises a second section which comprises second segments of the first channels, where
  • the invention provides for the flow to be deliberately slowed down by means of the widening of the cross-section in the curved section, in which a certain degree of turbulence within the coolant flow cannot be avoided due to the change in direction that takes place there.
  • the effect of limiting pressure loss is particularly pronounced when, as provided in embodiments, additional fluid channels open into the curved section.
  • these fluid channels can be formed, for example, on the inside of the second individual plate and exchange cooling fluid with the curved section.
  • Such a fluid exchange additionally increases the local turbulence of the cooling fluid flow in the curved section. Consequently, in this case, the targeted slowing down of the flow by widening the flow cross-section is particularly effective in avoiding pressure losses.
  • the first channels can extend at least in sections in the distribution area. For example, they can extend, in particular completely, in the distribution area and be connected to the flow field in a fluid-conducting manner.
  • the channels can optionally be continued in the flow field and/or connect to channels in the flow field and/or merge into channels in the flow field.
  • the curved section can generally serve to effect a change in direction of a respective first channel when it runs from a region near the passage opening in the direction of the flow field.
  • the through-opening and the flow field of the separator plate are generally dimensioned differently and/or the through-opening is offset relative to a center of the flow field when viewed in a width direction of the separator plate.
  • the width direction of the separator plate can extend parallel to a flat surface plane of the individual plates and orthogonal to a longitudinal axis of the individual plates and/or orthogonal to a flow direction through the flow field. In order to guide a plurality of channels from the through-opening to the flow field, these cannot always run in a straight line within the distribution area due to the described different dimensions and/or positioning.
  • the curved section which according to one embodiment is the only curved section of the first channels, enables a targeted change in direction of the first channels in order to be able to connect any starting positions of the first channels near the through-opening with any end positions of the first channels near the flow field.
  • the first channels it is also possible for the first channels to have at least one further curved section, for example in their course between the through-opening and the curved section mentioned here.
  • each first channel can each directly adjoin one another and/or directly merge into one another.
  • the first channels optionally have no further segments and sections within the distribution area, apart from the first and second segments and the curved section disclosed here.
  • the second segments in particular end sections thereof remote from the curvature region, can each run parallel to a main flow direction of the cooling fluid through the flow field and/or in channel sections in the flow field which have such a parallel extension,
  • the main flow direction can run in a longitudinal direction of the separator plate and/or be straight, preferably completely straight.
  • the first segment of each first channel can run at an angle to the main flow direction.
  • the first and second individual plates can each also have a distribution area and a flow field for fluid guidance on their outer sides.
  • the first individual plate can form a cathode plate and/or can carry oxygen or air as a first fluid on its outer side.
  • the second individual plate can form an anode plate and/or can carry hydrogen as a second fluid on its outer side.
  • the curved section of the first channel has a flow cross-section that is at least 1.5 times as large and in particular at least twice as large as the flow cross-section of the first segment of the first channel.
  • the flow cross-section can be at least 1.8 times or at least 2.2 times or between 2 and 2.5 times as large as the flow cross-section of the first segment. It has been shown that by means of such widening of the flow cross-section in the curved area, the above-explained effect according to the invention can be achieved particularly reliably.
  • the curved section of a respective first channel has a flow cross-section that is larger than the flow cross-section of the second segment of the first channel.
  • the curved section of the first channel can have a flow cross-section that is at least twice as large, preferably at least three times as large, as the flow cross-section of the second segment of the first channel.
  • the flow cross-section of the curved section can be at least 2.5 times or at least 3.5 times as large, in particular between 3 and 4 times as large, as the flow cross-section of the second segment.
  • the flow cross-section can shrink again after widening in the curved section.
  • the curved section can thus form a locally and in particular locally limited widened area of each first channel with respect to the flow cross-section. This means that the targeted reduction in the flow velocity also only takes place in a correspondingly locally limited manner.
  • the flow cross-section of the first and second segments can in principle be similar, but can also be different from one another.
  • the flow cross-section of the second segment can be larger than the flow cross-section of the first segment. This enables a fluid-conducting connection of the second segment to a channel of the flow field that has a similar or similarly enlarged flow cross-section compared to the first segment.
  • a further embodiment provides that the flow cross-section of the curved section is at least twice as large, at least two and a half times as large or at least three times as large, in particular between three and three and a half times as large, compared to a channel of the flow field to which the first channel is fluidically connected (and/or into which the first channel merges or in whose form the first channel is continued as a channel of the flow field).
  • This also underlines that the expansion of the flow cross-section can take place in a locally limited manner in the curved section.
  • At least regions of the curved section in particular regions of the curved section facing the flow field, as well as the second segments of the first channels, can have a lower height compared to both the first segments of the first channels and the channels of the flow field. This can be advantageous with regard to the space required by the MEA, MEA reinforcement edge and GDL.
  • a step can be provided in the region of the curved section, for example. If such a step is present in a first channel, the larger flow cross section of the curved section of a respective first channel is present at least in the regions of the curved section of the respective first channel that extends in the curved section between the step and the first segment of the first channel.
  • the first segment and the second segment of each first channel are inclined relative to one another by a maximum of 80° and in particular by a maximum of 70°.
  • the smallest possible cutting angle that can be entered can be considered.
  • the smallest possible cutting angle that can be entered between the, for example, extended longitudinal axes of the first and second segments can be considered.
  • a corresponding limitation of the relative angle of the first and second segments to a maximum of 80° limits the extent of the change in direction through the curved section and, accordingly, the associated flow resistance.
  • the first and second segments of each first channel can be inclined by at least 20° and in particular at least 40° relative to one another. This enables a sufficiently large change in direction through the curved section to enable a fluid-conducting connection of the first channels to different positions of the flow field.
  • the first and second segments are substantially or completely straight.
  • a substantially straight extension can be understood to mean extensions with a slight curvature and/or only partial curvature.
  • this possible curvature is preferably significantly smaller than a curvature of the curved section. For example, it is not more than 20% of the curvature of the curved section.
  • the curved section may be continuously curved or, in other words, may not have any rectilinearly extending partial section.
  • the curvature of the curved section may be constant or may vary along the length of the curved section.
  • the flow cross-section of the curved section may vary continuously along its length.
  • any section of the curved section with a constant flow cross-section may be shorter (e.g., at most half as long) than one or more sections with a varying flow cross-section.
  • the flow cross-section in the curved section increases or decreases continuously.
  • the first segment is at least four times or at least ten times as long as the curved portion.
  • This portion or, in other words, this group of first channels may extend away from outer side edges of the distribution region and/or the flow field, for example when viewed in a width direction explained above. Instead, this portion of the first channels may extend in a central region within the distribution region, again preferably when viewed in the width direction, and/or may encompass this central region.
  • a further development provides that the flow cross-section of the curved section is increased compared to the flow cross-section of the first segment (and optionally also of the second segment) by increasing a width dimension of the first channel.
  • the width dimension preferably runs in or parallel to a plane surface the separator plate and/or along or in a width direction explained above.
  • an increase in the width dimension may exceed any increase in the height of the first channel within the curved portion (for example, be at least twice as large) and/or the 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 toward the corresponding opposing single 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.
  • the inside of the second individual plate has a plurality of webs and second channels formed between them, wherein at least some of the second channels extend in sections in the flow field and open into the curved section of one of the first channels.
  • the second channels can be connected to the curved section in a fluid-conducting manner as a result of the opening.
  • the second channels can be fed with cooling fluid from or through the curved section or, depending on the flow direction, feed the curved section with cooling fluid. Consequently, at least part of the cooling fluid from the curved section can be distributed to the second channels or received and collected by the curved section from the second channels.
  • connection of the second channels to the curved section enables a branching of the cooling fluid distribution structure.
  • This can, for example, be a guide allow the cooling fluid to be distributed 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 fluid-conducting connection of first and second channels in the area of the curved section is also accompanied by turbulence, which would be significantly more pronounced if the flow cross-section were not expanded and/or if the flow speeds were high and could cause significantly greater pressure losses in the cooling fluid. This risk is effectively limited by the disclosed expansion of the flow cross-section in the curved section.
  • the respective opening of a second channel into the curved section of one of the first channels can comprise that an open end of the second channel, which faces a contact plane between the first and second individual plates, is opposite the curved section of the first channel.
  • the second channels can each open into only one bend section and/or only one first channel. This means a limited number of feed points into or out of the second channels, which can reduce flow resistance.
  • the second channels are each located in sections opposite a web formed on the inside of the first plates.
  • the second channels (and more precisely a section thereof) can cross a web formed on the inside of the first plates. This corresponds to an at least temporary change of level of the cooling fluid guide when the cooling fluid is guided, for example, from the curved section into the second channels and from these, flowing over the opposite web, further in the direction of the flow field.
  • a reverse flow direction from the flow field into the distribution area 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 that a change is made from a region 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 a region 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 first section which opens into a curved section of one of the first channels, a second section which lies opposite a web formed on the inside of the first plate, and a third section which runs in the flow field, wherein the second section connects the first and third sections in a fluid-conducting manner.
  • a further development provides that at least some of the other second channels, which are formed on the inside of the second individual plate, extend in the flow field and are each located opposite one of the first channels, which are formed on the inside of the first individual plate.
  • these second channels can each be located opposite a second segment of a first channel of the type described above and/or a continuation of a first channel into the flow field.
  • the cooling fluid can be guided not only as a result of the above-described opening of the second channels into the curved section on the inside of the second individual plate, but also by the corresponding direct opposition of at least a portion of the second and first channels. This increases the achievable cooling of the second individual plates.
  • each first channel and a second channel opening into it a second channel closest to the first segment of the first channel, for example from a possible plurality of second channels opening into the first channel, and the first channel span a first transfer angle which is less than 80°, in particular less than 70°, in particular less than 60°.
  • the smallest spanned angle that can be entered is considered.
  • each first channel and a plurality of second channels opening into it a second channel located further away from the first segment of the first channel and the first channel span a second transfer angle that is smaller than the first transfer angle, in particular by at least 5°, preferably by at least 10° smaller.
  • the smallest spanned angle that can be entered is considered.
  • the transfer angles enable a spatially compact fluid-conducting connection of the second channels to a respective first channel. At the same time, flow resistances are limited due to the at least partial change in flow direction when fluid passes between the channels.
  • 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 3a is an enlarged detail view of a section of Figure 3.
  • Figure 4 shows a perspective partial view of a separator plate according to a 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 designed as an electrolyzer, compressor or 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, whereby the plate planes of the separator plates 2 are each aligned parallel to the xy plane and thus perpendicular to the stacking direction (z axis 7).
  • the end plate 4 has a plurality of media connections 5 through which media can be fed into the system 1 and through which media can be removed from the system 1.
  • These media that can be fed into 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 which 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 cooling fluids formed by the through-openings 11a-c can, however, 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 20.
  • the distribution areas 20 each comprise structures that are designed to distribute a medium introduced from a first of the two through openings 11b into one of the distribution areas 20 via the active area 18 by means of the flow field 17a 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 20 can also be referred to as a collecting area.
  • the fluid-conducting structures of the distribution areas 20 are also provided in Figure 2 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 which overlap with the distribution areas 20 of the individual plates 2a, 2b.
  • This cooling fluid distribution structure also has a flow field 17c which overlaps with the flow fields 17a, b the outer sides of the individual plates 2a, 2b overlaps or is enclosed between them.
  • the web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b form complementary shaped web-channel structures on the corresponding inner sides and thus complementary 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. This is done, for example, again by means of 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 also evident in particular from whose average cross-sectional size is close in comparison to the other through openings 11b, 11c.
  • Figure 3 shows a section of the outside of the bipolar 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 of Figure 2.
  • the viewing angle is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the displayed position of the through-opening 11c 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 individual 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, a 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, see the enlarged detailed view from Fig. 3a.
  • 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 carry cooling fluid.
  • the sections 20bl, 20b2 are present on the inside as analogous sections 20bl, 20b2 of the distribution area 20c of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the first segment 50 extends from an edge of the distribution area 20b near the through-opening 11c to the bend section 52.
  • the bend section 52 is generally 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 52 pointing away from the curved section 52 can run parallel to a main flow direction (not shown) that is vertical in Fig. 3 through the flow field 17b.
  • the second segment 52 merges directly into a web 27b of the flow field 17b or is continued as such.
  • the flow field 17b can be characterized, for example, in that all of the webs 27b and channels 29b included therein are straight and run parallel to one another and parallel to the main flow direction.
  • the webs 27b and channels 29b could also be wave-shaped and run next to one another and along the main flow direction with a similar wave shape.
  • the webs 27b and channels 29b in the flow field 17b have a constant flow cross-section and/or a substantially constant height. In the distribution area 20b, not all of these requirements can be met.
  • the flow field 17b can be characterized in that it lies within an MEA reinforcement edge and in particular is surrounded and/or framed by it at least in sections. However, the flow field 17b itself is not opposite the MEA reinforcement edge, but rather the actually active area of the MEA, in particular in the form of its electrolyte membrane.
  • the first segment 50 is significantly longer than the curved section 52.
  • the first segment 50 and also the second segment 52 are also each straight.
  • the curved section 52 does not have a completely straight section or a section with a constant flow cross-section.
  • each first web 27b temporarily increases within the respective curved section 52.
  • each web 27b therefore has a smaller flow cross-section compared to the curved section 52.
  • Fig. 3a is an enlarged detailed view of a section outlined in dashed lines in Fig. 3.
  • the curved section 52 and its enlarged dimensions compared to the partially visible first segment 50 and second segment 54 can again be seen.
  • a step 53 is only optionally shown in Fig. 3a, which is also indicated in Fig. 3.
  • the areas of the curved section 52 facing the flow field 17c (on the inside), as well as the second segments 54 of the first channels 27c, can have a lower height both compared to the first segments 50 of the first channels 27c and compared to the channels of the flow field 17b.
  • the corresponding webs 27b on the side of the step 53 facing the flow field 17b are designed to be lower. This can be advantageous in terms of the space requirements of MEA, MEA reinforcement edge and GDL.
  • Fig. 3a also shows that additional webs 28b extend in the flow field 17b opposite the distribution region 20b. This is equivalent to a channel 29b on the outside of the first individual plate 2b branching into further channels 31b in the transition between the distribution region 20b and the flow field 17b.
  • 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 area outlined in dashed lines 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 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 interrupted near their transition to the flow field 17a, but can also extend continuously into the flow field 17a. The webs 27a are therefore not guided continuously into the flow field 17a with a change of direction as in Fig. 3.
  • the number of webs 27a is greater in the flow field 17a than in the distribution area 20a.
  • additional webs 28b 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, by way of example, that some of the webs 27a, 28a have enlarged end sections 33 in a transition region between the distribution region 20a and the flow field 17a. This is explained in more detail below with reference to Fig. 6.
  • Fig. 5 shows a highly simplified schematic of a channel 27c 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.
  • the cooling fluid distribution structure 19 in turn has a distribution area 20c and a flow field 17c.
  • the cooling fluid distribution structure 19 actually comprises a plurality of channels 27c, which is not shown in the highly simplified schematic of Fig. 5.
  • the 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. Accordingly, the 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 channel 27c of the cooling fluid distribution structure 19 or is shaped complementarily thereto.
  • the channel 27c preferably has a substantially or completely constant height, which runs, for example, orthogonal to the planes of the flat surfaces of the individual plates 2a, 2b.
  • the width of the 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 channel 27c.
  • Fig. 5 shows that the first segment 50 has a width bl.
  • the curved section 52 has a significantly larger width b2, whereby in particular a maximum and/or an average width of the curved section 52 can be considered.
  • a width b3 of the second segment 54 lies between the widths bl and b2 of the first segment 50 or the curved section 52.
  • first and second segments 50, 54 extend at an angle W1 relative to one another.
  • This angle W1 is defined as the smallest intersection angle of the extended longitudinal axes La, Lb of the first and second segments 50, 54.
  • the widened curved section 52 consequently 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 an optional cooling fluid feed from (or into) the curved section 52 into (or from) second channels 30c shown in dashed lines.
  • the second channels 30c are essentially limited by the inside of a portion of the webs 27a, 28a of the second individual plate 2a (see Fig. 4). In other words, the second channels 30c are formed complementarily to a portion of the webs 27a, 28a. This particularly relates to a portion of the webs 27a, 28a in or near the flow field 17a of the second individual plate 2a.
  • the second channels 30c optionally have enlarged end sections 33 analogous to those in Fig. 4. These end sections 33 are not shown significantly enlarged in Fig. 5 due to the schematic representation. It can be seen that these end sections 33 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 second channel 30c faces the curved section 52 and establishes a fluid-conducting connection between the first channel 27c and a respective second channel 30c.
  • 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.
  • Three 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.
  • the widened curved region 52 is shown hatched, with the hatched lines marking areas that are below half the channel height by way of example.
  • the fluid-conducting connection of the curved region 52 of each channel 27c to two channels 30c on the inside of the second individual plate 2a can be seen. Not all of the second channels 30c are marked with a corresponding reference symbol in Figure 6.
  • 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 3a.
  • the channels 28c are located opposite sections of the second channels 30c.
  • the second channels 30c each comprise a first section 30cl, which opens into one of the curved sections 52, and a third section 30c3, which is opposite a corresponding channel 28c.
  • the first and third sections 30cl, 30c3 are connected by a second section 30c2. This is not located at least in sections on any channel on the inner side of the first individual plate 2b, but rather a web 29c formed there.
  • the cooling fluid guided along the second channels 30c thus flows over a section of a web 29c on the inside of the first individual plate 2b, so that a flow cross-section for the cooling fluid in this area is provided exclusively in the second individual plate 2a.
  • Figure 6 shows that the second segment 54 of each channel 27c is led into the flow field 17c of the cooling fluid distribution structure 19 and is continued there as a channel.
  • This is opposite a 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 channel 31c is an example of a different type of second channel on the inside of the second individual plate 2a from the second channels 30c mentioned.
  • Figure 6 also shows two transfer angles W2, W3 between a channel 27c or its 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 by its end region 33.
  • 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 by its end region 33.
  • the second channel 30c is considered which is positioned further away from the first segment 50, which is not shown in the case of the uppermost channel 27c.
  • the longitudinal axis L2' considered is slightly different from the longitudinal axis L2 of the first transfer angle W2.
  • a longitudinal axis LI of a local area 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 larger than the second transfer angle W3.
  • Both transfer angles W2, W3 are smaller than 80°, but preferably larger than 40°.

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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

REINZ-Dichtungs-GmbH, Robert Bosch GmbH
Separatorplatte für ein elektrochemisches System
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 Medien werden dabei üblicherweise mittels externer Pumpleistungen durch das System 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 stellt höhere Anforderungen an die externe Pumpleistung. Dies senkt das Kühlvermögen der Separatorplatte entsprechend und kann folglich zu Beschränkungen des summarischen Leistungsvermögens des elektrochemischen Systems führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, das Kühlvermögen einer Separatorplatte und somit ein summarisches 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, umfassend eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte, 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 das Strömungsfeld über den Verteilbereich in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung ist, wobei die Innenseite der ersten Einzelplatte, insbesondere eine Kathoden- platte, eine Vielzahl von Stegen und dazwischen ausgebildeten erste Kanälen aufweist, wobei die ersten Kanäle jeweils wenigstens eine durchgängige Fluidverbindung von dem Verteilbereich in das Strömungsfeld und/oder durch den Verteilbereich in das Strömungsfeld definieren sowie jeweils einen Krümmungsabschnitt aufweisen, wobei der Verteilbereich einen ersten Abschnitt umfasst, 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 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, und wobei der Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals einen Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als der Strömungsquerschnitt des ersten Segments des ersten Kanals.
Durch das Aufweiten des Strömungsquerschnitts im Krümmungsabschnitt wird dort eine Strömungsgeschwindigkeit gezielt herabgesetzt. Dies hat zur Folge, dass Druckverluste des Kühlfluids begrenzt werden können, die bei einem Durchleiten des Kühlfluids durch den Krümmungsabschnitt ohne entsprechende Aufweitung verstärkt auftreten würden. Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, in dem Krümmungsabschnitt, in dem aufgrund der dort stattfindenden Richtungsänderung ein gewisser Grad an Verwirbelungen innerhalb der Kühlmittelströmung nicht vermeidbar ist, die Strömung mittels der Querschnittsaufweitung gezielt zu verlangsamen.
Der Effekt der Druckverlustbegrenzung tritt insbesondere dann verstärkt auf, wenn, wie gemäß Ausführungsformen vorgesehen, weitere Fluidkanäle in den Krümmungsabschnitt münden. Wie nachstehend noch erläutert, können diese Fluidkanäle zum Beispiel an der Innenseite der zweiten Einzelplatte ausgebildet sein und Kühlfluid mit dem Krümmungsabschnitt austauschen. Ein solcher Fluidaustausch erhöht zusätzlich die lokalen Verwirbelungen der Kühlfluidströmung im Krümmungsabschnitt. Folglich ist in diesem Fall die gezielte Verlangsamung der Strömung durch die Strömungsquerschnittsaufweitung besonders effektiv, um Druckverluste zu vermeiden. Die ersten Kanäle können sich zumindest abschnittsweise in dem Verteilbereich erstrecken. Beispielsweise können sie sich, insbesondere vollständig, in dem Verteilbereich erstrecken und fluidleitend mit dem Strömungsfeld verbunden sein. Die Kanäle können optional in dem Strömungsfeld fortgesetzt werden und/oder an Kanäle in dem Strömungsfeld anschließen und/oder in Kanäle in dem Strömungsfeld übergehen.
Der Krümmungsabschnitt kann allgemein dazu dienen, eine Richtungsänderung eines jeweiligen ersten Kanals zu bewirken, wenn dieser von einem Bereich nahe der Durchgangsöffnung in Richtung des Strömungsfelds verläuft.
Wie auch im Stand der Technik der Fall, sind die Durchgangsöffnung und das Strömungsfeld der Separatorplatte in der Regel unterschiedlich dimensioniert und/oder die Durchgangsöffnung ist in einer Breitenrichtung der Separatorplatte betrachtet relativ zu einer Mitte des Strömungsfeldes versetzt. Die Breitenrichtung der Separatorplatte kann sich parallel zu einer Planflächenebene der Einzelplatten erstrecken sowie orthogonal zu einer Längsachse der Einzelplatten und/oder orthogonal zu einer Strömungsrichtung durch das Strömungsfeld. Um eine Mehrzahl von Kanälen von der Durchgangsöffnung zu dem Strömungsfeld zu führen, können diese aufgrund der geschilderten abweichenden Dimensionierung und/oder Positionierung nicht stets geradlinig innerhalb des Verteilbereiches verlaufen. Durch den Krümmungsabschnitt, welcher gemäß einer Ausführungsform der einzige Krümmungsabschnitt der ersten Kanäle ist, wird eine gezielte Richtungsänderung der ersten Kanäle ermöglicht, um beliebige Startpositionen der ersten Kanäle nahe der Durchgangsöffnung mit beliebigen Endpositionen der ersten Kanäle nahe des Strömungsfeldes verbinden zu können. Es ist jedoch auch möglich, dass die ersten Kanäle mindestens einen weiteren Krümmungsabschnitt aufweisen, beispielsweise in ihrem Verlauf zwischen der Durchgangsöffnung und dem hier angesprochenen Krümmungsabschnitt.
Die Segmente und der Krümmungsabschnitt eines jeden ersten Kanals können jeweils direkt aneinander anschließen und/oder direkt ineinander übergehen. Die ersten Kanäle weisen innerhalb des Verteilbereichs optional keine weiteren Segmente und Abschnitte auf, außer den hier offenbarten ersten und zweiten Segmente und dem Krümmungsabschnitt.
Die zweiten Segmente, insbesondere von dem Krümmungsbereich entfernte Endabschnitte hiervon, können jeweils parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kühlfluids durch das Strömungsfeld verlaufen und/oder in Kanalabschnitten im Strömungsfeld, die eine solchen parallele Erstreckung aufweisen, münden. Die Hauptströmungsrichtung kann in einer Längsrichtung der Separatorplatte verlaufen und/oder geradlinig sein, vorzugsweise vollständig geradlinig. Das erste Segment eines jeden ersten Kanals kann in einem Winkel zu der Hauptströmungsrichtung verlaufen.
Die erste und die zweite Einzelplatten können an ihren Außenseiten jeweils ebenfalls einen Verteilbereich und ein Strömungsfeld zur Fluidführung aufweisen. 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.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Krümmungsabschnitt des ersten Kanals einen Strömungsquerschnitt auf, der mindestens 1,5 mal so groß und insbesondere mindestens doppelt so groß ist wie der Strömungsquerschnitt des ersten Segments des ersten Kanals. Beispielsweise kann der Strömungsquerschnitt mindestens 1,8 mal oder mindestens 2,2 mal oder zwischen 2 und 2,5 mal so groß sein wie der Strömungsquerschnitt des ersten Segments. Es hat sich gezeigt, dass mittels derartiger Aufweitungen des Strömungsquerschnitts im Krümmungsbereich die vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Wirkung besonders zuverlässig erzielbar ist.
Bei einer Ausführungsform weist der Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals einen Strömungsquerschnitt auf, der größer ist als der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments des ersten Kanals.
Insbesondere kann der Krümmungsabschnitt des ersten Kanals einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens dreimal so groß ist, wie der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments des ersten Kanals. Beispielsweise kann der Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitts mindestens 2,5 mal oder mindestens 3,5 mal so groß sein, insbesondere zwischen 3 und 4 mal so groß, wie der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments.
Folglich kann sich der Strömungsquerschnitt nach einem Aufweiten im Krümmungsabschnitt wieder verkleinern. Der Krümmungsabschnitt kann somit bezüglich des Strömungsquerschnitts einen lokal und insbesondere lokal begrenzt aufgeweiteten Bereich eines jeden ersten Kanals bilden. Dies bedeutet, dass die gezielte Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls nur entsprechend lokal begrenzt erfolgt. Der Strömungsquerschnitt des ersten und zweiten Segments kann prinzipiell gleichartig sein, kann jedoch auch verschieden voneinander sein. Insbesondere kann der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments größer als der Strömungsquerschnitte des ersten Segments sein. Dies ermöglicht ein fluidleitendes Verbinden des zweiten Segments mit einem Kanal des Strömungsfeldes, der einen ähnlich oder gleichartig vergrößerten Strömungsquerschnitt im Vergleich zu dem ersten Segment aufweist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitts im Vergleich zu einem Kanal des Strömungsfeldes, mit dem der erste Kanal fluidleitend verbunden ist (und/oder in den der erste Kanal übergeht oder in dessen Form der erste Kanal als ein Kanal des Strömungsfeldes weitergeführt wird) wenigstens zweimal größer, wenigstens zweieinhalb Mal größer oder wenigstens dreimal größer ist, insbesondere zwischen dreimal und dreieinhalb mal größer. Auch dies unterstreicht, dass die Aufweitung des Strömungsquerschnitts lokal begrenzt in dem Krümmungsabschnitt erfolgen kann.
Zumindest Bereiche des Krümmungsabschnitts, insbesondere dem Strömungsfeld zugewandte Bereiche des Krümmungsabschnitts, ebenso wie die zweiten Segmente der ersten Kanäle, können eine geringere Höhe sowohl verglichen mit den ersten Segmenten der ersten Kanäle als auch mit den Kanälen des Strömungsfelds aufweisen. Dies kann im Hinblick auf den Raumbedarf von MEA, MEA-Verstärkungsrand und GDL vorteilhaft sein. Hierzu kann beispielsweise im Bereich des Krümmungsabschnitt eine Stufe vorgesehen sein. Ist eine solche Stufe in einem ersten Kanal vorhanden, so ist der größere Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals zumindest in den Bereichen des Krümmungsabschnitts des jeweiligen ersten Kanals vorhanden, der sich im Krümmungsabschnitt zwischen der Stufe und dem ersten Segment des ersten Kanals erstreckt.
Gemäß einer weiteren Variante sind das erste Segment und das zweite Segment eines jeden ersten Kanals um maximal 80 ° und insbesondere um maximal 70 ° relativ zueinander geneigt. Dabei kann ein kleinstmöglicher eintragbarer Schnittwinkel betrachtet werden. Insbesondere kann ein vorzugsweise kleinstmöglich eintragbarer Schnittwinkel zwischen den beispielsweise verlängerten Längsachsen von dem ersten und zweiten Segment betrachtet werden. Eine entsprechende Begrenzung der Relativanwinkelung von erstem und zweitem Segment auf maximal 80° begrenzt das Ausmaß der Richtungsänderung durch den Krümmungsabschnitt und entsprechend einen damit einhergehenden Strömungswiderstand. Alternativ oder zusätzlich können das erste und das zweite Segment eines jeden ersten Kanals um wenigstens 20 ° und insbesondere wenigstens 40° relativ zueinander geneigt sein. Dies ermöglicht eine ausreichend große Richtungsänderung durch den Krümmungsabschnitt, um eine fluidleitende Anbindung der ersten Kanäle an verschiedene Positionen des Strömungsfeldes zu ermöglichen.
Bevorzugt sind das erste und das zweite Segment im Wesentlichen oder vollständig geradlinig. Unter einer im Wesentlichen geradlinigen Erstreckung können Erstreckungen mit einer geringfügigen und/oder nur abschnittsweise vorliegenden Krümmung verstanden werden. Diese etwaige Krümmung ist vorzugsweise jedoch deutlich kleiner als eine Krümmung des Krümmungsabschnitts. Beispielsweise beträgt sie nicht mehr als 20 % der Krümmung des Krümmungsabschnitts.
Der Krümmungsabschnitt kann durchgängig gekrümmt sein oder, mit anderen Worten, keinen sich geradlinig erstreckenden Teilabschnitt aufweisen. Die Krümmung des Krümmungsabschnitts kann konstant sein oder entlang der Länge des Krümmungsabschnitts variieren. Der Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitts kann entlang von dessen Länge durchgängig variieren. Alternativ kann jeglicher Abschnitt des Krümmungsabschnitts mit einem konstanten Strömungsquerschnitt kürzer sein (z.B. höchstens halb so lang sein), wie ein oder mehrere Abschnitt(e) mit einem variierenden Strömungsquerschnitt. Vorzugsweise nimmt der Strömungsquerschnitt im Krümmungsabschnitt stetig zu bzw. ab.
Bei einer Ausführungsform ist bei zumindest einem Teil der ersten Kanäle das erste Segment wenigstens viermal oder wenigstens zehnmal so lang wie der Krümmungsabschnitt. Dieser Teil oder, mit anderen Worten, diese Gruppe der ersten Kanäle kann sich entfernt von äußeren Seitenrändern des Verteilbereichs und/oder des Strömungsfelds erstrecken, beispielsweise in einer vorstehend erläuterten Breitenrichtung betrachtet. Stattdessen kann sich dieser Teil der ersten Kanäle in einem, wiederum vorzugsweisen in Breitenrichtung betrachtet, mittigen Bereich innerhalb des Verteilbereichs erstrecken und/oder diesen mittigen Bereich umfassen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitts gegenüber dem Strömungsquerschnitt des ersten Segments (und optional auch des zweiten Segments) maßgeblich durch eine Vergrößerung einer Breitenabmessung des ersten Kanals vergrößert wird. Dabei verläuft die Breitenabmessung vorzugsweise in oder parallel zu einer Planflächenebene der Separatorplatte und/oder entlang oder in einer vorstehend erläuterten Breitenrichtung.
Insbesondere kann eine Vergrößerung der Breitenabmessung eine etwaige Vergrößerung der Höhe des ersten Kanals innerhalb des Krümmungsabschnitts übersteigen (zum Beispiel wenigstens doppelt so groß sein) und/oder kann die 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 Höhenzuwächse der Einzelplatten im Bereich des Krümmungsabschnitts verhindern oder zumindest begrenzen, sofern konstruktiv überhaupt möglich.
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.
Bei einer Weiterbildung weist die Innenseite der zweiten Einzelplatte eine Vielzahl von Stegen und dazwischen ausgebildeten zweiten Kanälen auf, wobei sich zumindest einige der zweiten Kanäle abschnittsweise in dem Strömungsfeld erstrecken und in den Krümmungsabschnitt von einem der ersten Kanäle münden. Die zweiten Kanäle können infolge des Mündens fluidleitend mit dem Krümmungsabschnitt verbunden sein. Die zweiten Kanäle können aus oder durch den Krümmungsabschnitt mit Kühlfluid gespeist werden oder, je nach Strömungsrichtung, den Krümmungsabschnitt mit Kühlfluid speisen. Folglich kann zumindest ein Teil des Kühlfluids aus dem Krümmungsabschnitt auf die zweiten Kanäle verteilt oder von dem Krümmungsabschnitt aus den zweiten Kanälen erhalten und gesammelt werden.
Der Anschluss der zweiten Kanäle an den Krümmungsabschnitt ermöglicht eine Verzweigung der Kühlfluidverteilstruktur. Dies kann zum Beispiel ein Füh- ren des Kühlfluids im Verteilbereich mit einer ersten Anzahl von Kanälen ermöglichen und das Führen des Kühlfluid im Strömungsfeld mit einer zweiten größeren Anzahl von Kanälen, wobei die größere Anzahl zumindest teilweise infolge der geschilderten Verzweigung gebildet wird.
Auch das fluidleitende Verbinden von ersten und zweiten Kanälen im Bereich des Krümmungsabschnitts geht mit Verwirbelungen einher, welche bei ausbleibender Strömungsquerschnittserweiterung und/oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten deutlich ausgeprägter wären und deutlich größere Druckverluste des Kühlfluids verursachen könnten. Dieses Risiko wird durch die offenbarte Strömungsquerschnittserweiterung im Krümmungsabschnitt wirksam begrenzt.
Das jeweilige Münden eines zweiten Kanals in den Krümmungsabschnitt von einem der ersten Kanäle kann umfassen, dass ein offenes Ende des zweiten Kanals, das einer Berührebene zwischen der ersten und zweiten Einzelplatte zugewandt ist, dem Krümmungsabschnitt des ersten Kanals gegenüberliegt.
Die zweiten Kanäle können jeweils in nur einen Krümmungsabschnitt und/oder nur einen ersten Kanal münden. Dies bedeutet eine begrenzte Anzahl von Einspeisungsstellen in die bzw. aus den zweiten Kanäle, was einen Strömungswiderstand reduzieren kann.
Hingegen sieht eine Weiterbildung vor, dass in einen Krümmungsabschnitt eines jeweiligen ersten Kanals mehr als ein zweiter Kanal mündet. Dies ermöglicht eine besonders deutliche Vergrößerung der Kanalanzahl bzw. eine besonders ausgeprägte Verzweigung der vorstehend erläuterten Art.
Gemäß einer Weiterbildung liegen die zweiten Kanäle jeweils abschnittsweise einem an der Innenseite der ersten Platten ausgebildeten Steg gegenüber. Beispielsweise können die zweiten Kanäle (und kann genauer gesagt ein Abschnitt hiervon) einen an der Innenseite der ersten Platten ausgebildeten Steg kreuzen. Dies entspricht einem zumindest temporären Ebenenwechsel der Kühlfluidführung, wenn das Kühlfluid zum Beispiel aus dem Krümmungsabschnitt in die zweiten Kanäle und von diesen unter Überströmen des gegenüberliegenden Steges weiter in Richtung des Strömungsfeldes geleitet wird. Auch eine umgekehrte Strömungsrichtung vom Strömungsfeld in den Verteilbereich 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.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die zweiten Kanäle jeweils einen ersten Abschnitt auf, der in einen Krümmungsabschnitt von einem der ersten Kanäle mündet, einen zweiten Abschnitt, der einem an der Innenseite der ersten Platte ausgebildeten Steg gegenüberliegt, und einen dritten Abschnitt, der im Strömungsfeld verläuft, wobei der zweite Abschnitt den ersten und dritten Abschnitt fluidleitend verbindet.
Es hat sich gezeigt, dass durch die vorstehend geschilderte Möglichkeit des Ebenenwechsels und auch die vorstehend genannten Abschnitte der zweiten Kanäle zusätzliche Freiheitsgerade bereitgestellt werden, um die Kühlfluidverteilstruktur im Bereich des Übergangs zwischen Verteilbereich und Strömungsfeld in einem signifikanten Ausmaß zu verzweigen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass sich zumindest einige andere der zweiten Kanäle, die an der Innenseite der zweiten Einzelplatte ausgebildet sind, im Strömungsfeld erstrecken und dort jeweils einem der ersten Kanäle gegenüberliegen, die an der Innenseite der ersten Einzelplatte ausgebildet sind. Beispielsweise können diese zweiten Kanäle jeweils einem zweiten Segment eines ersten Kanals der vorstehend geschilderten Art und/oder 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 den Krümmungsabschnitt 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.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Orthogonalprojektion der ersten und zweiten Kanäle in die Planflächenebene der Separatorplatte für jeden ersten Kanal und einen darin mündenden zweiten Kanal gilt: ein dem ersten Segment des ersten Kanals nächstliegender zweite Kanal, beispielsweise aus einer etwaigen Mehrzahl von in den ersten Kanal mündenden zweiten Kanäle, und der erste Kanal spannen einen ersten Übergabewinkel auf, der weniger als 80°, insbesondere weniger als 70°, insbesondere weniger als 60° beträgt. Vorzugsweise wird der kleinste eintragbare aufgespannte Winkel betrachtet.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass bei einer Orthogonalprojektion der ersten und zweiten Kanäle in die Planflächenebene der Separatorplatte für jeden ersten Kanal und eine darin mündende Mehrzahl von zweiten Kanälen gilt: ein von dem ersten Segment des ersten Kanals weiter entfernt liegender zweiter Kanal und der erste Kanal spannen einen zweiten Übergabewinkel auf, der geringer ist als der erste Übergabewinkel, insbesondere um mindestens 5°, vorzugsweise um mindestens 10° geringer ist. Vorzugsweise wird der kleinste eintragbare aufgespannte Winkel betrachtet.
Mittels der Übergabewinkel wird eine räumlich kompakte fluidleitende Anbindung der zweiten Kanäle an einen jeweiligen ersten Kanal ermöglicht. Gleichzeitig werden Strömungswiderstände aufgrund der zumindest teilweise Strömungsrichtungsänderung bei einem Fluidübertritt zwischen den Kanälen begrenzt.
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 3a ist eine vergrößerte Detailansicht eines Ausschnitts von Figur 3.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Separatorplatte ge- mäß einer 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-Rich- tung 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 Separator- platten 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 Durchgangsöffnun- gen 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 20 auf. Die Verteilbereiche 20 umfassen jeweils Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in einen der Verteilbereiche 20 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 20 auch als ein Sammelbereich bezeichnet werden. Die fluidführenden Strukturen der Verteilbereiche 20 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 auf, welche sich mit den Verteilbereichen 20 der Einzelplatten 2a, 2b überlappen. Auch weist diese Kühlfluidverteilstruktur 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-Ka- nal-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. Dies erfolgt beispielsweise wiederum durch 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 Bipolarplatte 2 gemäß einer Ausführungsform mit Blick auf die in Fig. 2 vom Betrachter abgewandte erste Einzelplatte 2b, insbesondere eine Kathodenplatte, in dem gestrichelt umris- senen 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 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, sh. die vergrößerte Detailansicht aus Fig. 3a. 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 des Verteilbereichs 20c der Kühlfluidverteilstruktur 19 vor.
Das erste Segment 50 erstreckt sich von einem Rand des Verteilbereichs 20b nahe der Durchgangsöffnung 11c bis zu dem 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 52 kann parallel zu einer in Fig. 3 vertikalen Hauptströmungsrichtung (nicht abgebildet) durch das Strömungsfeld 17b verlaufen. Das zweite Segment 52 geht direkt in einen Steg 27b des Strömungsfelds 17b über oder wird als ein solcher weitergeführt.
Das Strömungsfeld 17b kann sich zum Beispiel dadurch auszeichnen, dass sämtliche hiervon umfasst Stege 27b und Kanäle 29b geradlinig sind und parallel zueinander sowie parallel zu der Hauptströmungsrichtung verlaufen. Alternativ könnten die Stege 27b und Kanäle 29b aber auch wellenförmig sein und mit gleichartiger Wellenform nebeneinander sowie entlang der Hauptströmungsrichtung verlaufen. Außerdem weisen die Stege 27b und Kanäle 29b im Strömungsfeld 17b einen konstanten Strömungsquerschnitt und/oder eine im Wesentlichen konstante Höhe auf. Im Verteilbereich 20b können nicht sämtliche dieser Voraussetzungen erfüllt sein.
Zusätzlich oder alternativ sowie nicht auf die spezifischen Details dieses Ausführungsbeispiels beschränkt, kann sich das Strömungsfeld 17b dadurch auszeichnen, dass es innerhalb eines MEA-Verstärkungsrands liegt und insbesondere von diesem zumindest abschnittsweise umgeben und/oder eingerahmt wird. Jedoch liegt dem Strömungsfeld 17b selbst der MEA-Verstärkungsrand 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.
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 52 sind zudem jeweils geradlinig. Der Krümmungsabschnitt 52 weist hingegen keinen vollständig geradlinigen Teilabschnitt und auch keinen Abschnitt mit konstantem Strömungsquerschnitt auf.
Wie nachstehend noch anhand von Figur 5 erläutert, vergrößert sich ein Strömungsquerschnitt eines jeden ersten Stegs 27b vorübergehend innerhalb des jeweiligen Krümmungsabschnitts 52. Im ersten und zweiten Segment 50, 52 weist jeder Steg 27b daher einen im Vergleich zum Krümmungsabschnitt 52 kleineren Strömungsquerschnitt auf. Fig. 3a ist eine vergrößerte Detailansicht eines in Fig. 3 gestrichelt umrissenen Ausschnitts. Man erkennt wiederum den Krümmungsabschnitt 52 und dessen vergrößerte Abmessungen gegenüber dem teilweise erkennbaren ersten Segment 50 und zweiten Segment 54. Lediglich optional ist eine Stufe 53 in Figur 3a eingetragen, die auch in Figur 3 angedeutet ist. Über diese Stufe 53 können die dem Strömungsfeld 17c (auf der Innenseite) zugewandten Bereiche des Krümmungsabschnitts 52, ebenso wie die zweiten Segmente 54 der ersten Kanäle 27c, eine geringere Höhe sowohl verglichen mit den ersten Segmenten 50 der ersten Kanäle 27c als auch verglichen mit den Kanälen des Strömungsfelds 17b aufweisen. Umgekehrt sind auf der in Fig. 3a gezeigten Außenseite die entsprechenden Stege 27b auf der dem Strömungsfeld 17b zugewandten Seite der Stufe 53 niedriger ausgeführt. Dies kann im Hinblick auf den Raumbedarf von MEA, MEA-Verstärkungsrand und GDL vorteilhaft sein.
Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass Fig. 3a ferner zeigt, dass sich im Strömungsfeld 17b gegenüber dem Verteilbereich 20b zusätzliche Stege 28b erstrecken. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich ein Kanal 29b an der Außenseite der ersten Einzelpatte 2b im Übergang zwischen Verteilbereich 20b und Strömungsfeld 17b in weitere Kanäle 31b verzweigt.
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 ebenso durchgängig in das Strömungsfeld 17a hinein erstrecken. Die Stege 27a werden folglich nicht unter einer Richtungsänderung wie in Fig. 3 durchgängig in das Strömungsfeld 17a geführt.
Die Anzahl der Stege 27a ist im Strömungsfeld 17a größer als im Verteilbereich 20a. Zum Beispiel sind zusätzliche Stege 28b 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 beispielhaft außerdem, dass ein Teil der Stege 27a, 28a vergrößerte Endabschnitte 33 in einem Übergangsbereich zwischen dem Verteilbereich 20a und Strömungsfeld 17a aufweist. Dies wird nachstehend anhand von Fig. 6 noch näher erläutert.
Fig. 5 zeigt schematisch stark vereinfacht einen Kanal 27c 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. Die Kühlfluidverteilstruktur 19 weist wiederum einen Verteilbereich 20c und ein Strömungsfeld 17c auf. Die Kühlfluidverteilstruktur 19 umfasst tatsächlich eine Vielzahl von Kanälen 27c, was in der schematisch stark vereinfachten Fig. 5 jedoch nicht dargestellt ist.
Der 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 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 Kanal 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 aus bzw. ist komplementär hierzu geformt.
Der 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 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 Kanal 27c. Fig. 5 zeigt, dass das erste Segment 50 eine Breite bl aufweist. Der Krümmungsabschnitt 52 weist im Vergleich eine deutlich größere Breite b2 auf, wobei insbesondere eine maximale und/oder eine mittlere Breite des Krümmungsabschnitts 52 betrachtet werden kann. Eine Breite b3 des zweiten Segments 54 liegt zwischen den Breiten bl und b2 des ersten Segments 50 bzw. des Krümmungsabschnitts 52. Somit ergibt sich eine im Krümmungsabschnitt 52 und auf diesen begrenzte Aufweitung des Strömungsquerschnitts. Im Bereich der Aufweitung von bl über b2 nach b3 läuft der Kanal 27c dabei unverzweigt weiter, d.h. die Aufweitung stellt keine einseitige Aufweitung zur Ausbildung von Verzweigungen innerhalb des Kanals 27c dar.
Des Weiteren verdeutlicht sich aus Fig. 5, dass das erste und zweite Segment 50, 54 in einem Winkel W1 relativ zueinander verlaufen. Dieser Winkel W1 ist als kleinster Schnittwinkel der verlängerten Längsachsen La, Lb des ersten und zweiten Segments 50, 54 definiert. 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 optionale Kühlfluideinspeisung aus dem (oder in den) Krümmungsabschnitt 52 in (oder aus) gestrichelt dargestellte zweite 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.
Entsprechend weisen die zweiten Kanäle 30c optional vergrößerte Endabschnitte 33 analog zu denjenigen aus Fig. 4 auf. Diese Endabschnitte 33 sind in Fig. 5 infolge der schematischen Darstellung nicht signifikant vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass diese Endabschnitte 33 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 zweiten Kanals 30c dem Krümmungsabschnitt 52 zugewandt und stellt eine fluidleitende Verbindung von dem ersten Kanal 27c und einem jeweiligen zweiten Kanal 30c her.
Sowohl die Richtungsänderung im Bereich des Krümmungsabschnitts 52 als auch der optionale Fluidaustausch zwischen dem ersten Kanal 27c und den zweiten Kanälen 30c verursachen Turbulenzen in der Kühlfluidströmung. Durch die Aufweitung des Strömungsquerschnitts im Krümmungsabschnitt 52 wird die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Abschnitt erhöhter Turbulenzen gezielt reduziert, was auftretende 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 Kanäle 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 sind gezeigt, die jeweils komplementär zu Stegen 27b an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2b geformt sind. Für den Mittleren der Kanäle 27c ist der aufgeweitete Krümmungsbereich 52 schraffiert dargestellt, wobei die Schraffurlinien beispielhaft Bereiche markieren, die unterhalb der halben Kanalhöhe liegen. Ferner erkennt man den fluidleitenden Anschluss des Krümmungsbereichs 52 eines jeden Kanals 27c an zwei 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.
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 3a. Die Kanäle 28c liegen Abschnitten der zweiten Kanäle 30c gegenüber.
Genauer gesagt umfassen die zweiten Kanäle 30c jeweils einen ersten Abschnitt 30cl, der in einen der Krümmungsabschnitte 52 mündet, und einen dritten Abschnitt 30c3, der einem entsprechenden Kanal 28c gegenüberliegt. Verbunden sind der erste und dritte Abschnitt 30cl, 30c3 durch einen zweiten Abschnitt 30c2. Dieser 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 einen Abschnitt eines Stegs 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.
Weiter zeigt Figur 6, dass das zweite Segment 54 eines jeden Kanals 27c in das Strömungsfeld 17c der Kühlfluidverteilstruktur 19 hineingeführt und dort als Kanal fortgesetzt wird. Dieser liegt einem 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 Kanal 31c ist ein Beispiel eines von den erwähnten zweiten Kanälen 30c verschiedenen Typs von zweiten Kanälen an der Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a.
Figur 6 zeigt schließlich auch zwei Übergabewinkel W2, W3 zwischen einem Kanal 27c bzw. dessen 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 Endbereich 33. 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 Krümmungsabschnitt 52 und der Längsachse L2' des anderen zweiten Kanals 30c und insbesondere von dessen Endbereich 33 aufgespannt. Dabei wird derjenige zweite Kanal 30c betrachtet, der weiter entfernt von dem im Fall des obersten Kanals 27c nicht dargestellten ersten Segment 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 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. Beide Übergabewinkel W2, W3 sind kleiner als 80°, vorzugsweise aber größer als 40°. Der Vollständigkeit halber zeigt Fig. 6 erneut auch den Winkel Wl, wie vorstehend anhand von Figur 5 erläutert.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System, 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 das Strömungsfeld (17c) über den Verteilbereich (20c) in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (11a) ist, wobei die Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) eine Vielzahl von Stegen (29c) und dazwischen ausgebildeten erste Kanälen (27c) aufweist, wobei die ersten Kanäle (27c) jeweils wenigstens eine durchgängige Fluidverbindung von dem Verteilbereich (20c) in das Strömungsfeld (17c) definieren sowie jeweils einen Krümmungsabschnitt (52) aufweisen, wobei der Verteilbereich (20c) einen ersten Abschnitt (20bl) umfasst, der erste Segmente (50) der ersten Kanäle (27c) umfasst, wobei die ersten Segmente (50) eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (11a) und dem Krümmungsabschnitt (52) eines jeweiligen ersten Kanals (27c) definieren, wobei der Verteilbereich (20c) einen zweiten Abschnitt (20b2) umfasst, der zweite Segmente (54) der ersten Kanäle (27c) umfasst, wobei die zweiten Segmente (54) jeweils eine Fluidverbindung zwischen dem Krümmungsabschnitt (52) eines jeweiligen ersten Kanals (27c) und dem Strömungsfeld (17c) definieren, und wobei der Krümmungsabschnitt (52) eines jeweiligen ersten Kanals (27c) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als der Strömungsquerschnitt des ersten Segments (50) des ersten Kanals (27c).
2. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1, wobei der Krümmungsabschnitt (52) des ersten Kanals (27c) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der mindestens 1,5 mal so groß, insbesondere mindestens doppelt so groß ist wie der Strömungsquerschnitt des ersten Segments (50) des ersten Kanals (27c).
3. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Krümmungsabschnitt (52) eines jeweiligen ersten Kanals (27c) ei- nen Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments (54) des ersten Kanals (27c).
4. Separatorplatte (2) nach Anspruch 3, wobei der Krümmungsabschnitt (52) des ersten Kanals (27c) einen Strömungsabschnitt aufweist, der mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens dreimal so groß ist wie der Strömungsquerschnitt des zweiten Segments (54) des ersten Kanals (27c).
5. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2 und 3 oder 4, wobei das erste Segment (50) und das zweite Segment (54) eines jeden ersten Kanals (27c) um maximal 80 ° und insbesondere um maximal 70 ° relativ zueinander geneigt sind.
6. Separatorplatte (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das erste und das zweite Segment (50, 54) im Wesentlichen oder vollständig geradlinig sind.
7. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei zumindest einem Teil der ersten Kanäle (27c) das erste Segment (50) wenigstens viermal oder wenigstens zehnmal so lang ist wie der Krümmungsabschnitt (52).
8. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strömungsquerschnitt des Krümmungsabschnitts (52) gegenüber dem Strömungsquerschnitt des ersten Segments (50) maßgeblich durch eine Vergrößerung einer Breitenabmessung (bl-b3) des ersten Kanals (27c) vergrößert wird, wobei die Breitenabmessung (bl-b3) in oder parallel zu einer Planflächenebene der Separatorplatte (30c) verläuft.
9. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Innenseite der zweiten Einzelplatte (2b) eine Vielzahl von Stegen und dazwischen ausgebildeten zweiten Kanälen (30c) aufweist, wobei sich zumindest einige der zweiten Kanäle (30c) abschnittsweise in dem Strömungsfeld (17c) erstrecken und in den Krümmungsabschnitt (52) von einem der ersten Kanäle (27c) münden.
10. Separatorplatte (2) nach Anspruch 9, wobei in einen Krümmungsabschnitt (52) eines jeweiligen ersten Kanals (27c) mehr als ein zweiter Kanal (30c) mündet.
11. Separatorplatte (2) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweiten Kanäle (30c) jeweils abschnittsweise einem an der Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Steg (29c) gegenüberliegen; und/oder wobei die zweiten Kanäle (30c) jeweils einen ersten Abschnitt (30cl) aufweisen, der in einen Krümmungsabschnitt (52) von einem der ersten Kanäle (27c) mündet, einen zweiten Abschnitt (30c2), der einem an der Innenseite der ersten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Steg (29c) gegenüberliegt, und einen dritten Abschnitt (30c3), der im Strömungsfeld (17c) verläuft, wobei der zweite Abschnitt (30c2) den ersten und dritten Abschnitt (30cl, 30c3) fluidleitend verbindet.
12. Separatorplatte (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei sich zumindest einige andere der zweiten Kanäle (31c) im Strömungsfeld (17c) erstrecken und dort jeweils einem der ersten Kanäle (27c) gegenüberliegen.
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