WO2024256538A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system - Google Patents

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Thomas Glück
Arnold Gente
Stefan Schoenbauer
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Robert Bosch GmbH
Reinz Dichtungs GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a separator plate for an electrochemical system.
  • the electrochemical system can in particular be a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery.
  • An electrochemical system with a plurality of such separator plates is also disclosed.
  • 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).
  • 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.
  • An object of the present invention is therefore to limit pressure losses in the fluid flow of a separator plate and thus to improve 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 first individual plate, which is in particular an anode plate, comprising:
  • the distribution region comprising:
  • first portion defining a fluid connection between the through-opening and the connection region and having a plurality of first webs and first channels formed between the first webs
  • connection region which defines a fluid connection between the connection region and the flow field and which has a plurality of second webs and second channels formed between the second webs
  • connection region is arranged between the first and second sections of the distribution region such that each fluid exchange between the first and second sections flows through the connection region
  • a width of the connection region runs parallel to the main flow axis and the width is at least 1 mm and a maximum of 5 mm.
  • the width is between at least 2 mm and a maximum of 3 mm.
  • none or a maximum of 7%, preferably a maximum of 5%, of the first webs and the second webs merge into one another through the connection region.
  • the connection region can therefore be completely or at least substantially web-free or, in other words, at least have reduced webs compared to the first and second sections.
  • channel/web structures in the distribution areas and in the flow field usually differ from one another in terms of the number of webs and channels.
  • the webs in the distribution area usually run at a different angle to the main flow axis than in the flow field, which results in a smaller number of channels in the distribution area, even if the channel and web width corresponds to that of the flow field.
  • a coarser structure is often chosen in the distribution area than in the flow field, for example in the form of larger channel and web widths, since no material turnover and thus no power generation takes place in the distribution area.
  • Such a web layout has the disadvantage that the web/channel width in the distribution area must be an integer multiple of the web/channel width in the flow field. This also results in the restriction that the number of webs in the flow field must be an integer multiple of the number of webs in the distribution area. This is one of the structural restrictions that has so far made it difficult to design the transition area between the distribution area and the flow field in a way that optimizes pressure loss.
  • the invention provides for the connection of webs of the flow field with webs in the transition region of the first individual plate of the distribution area completely or at least for the most part, in particular any or at least most of the connections that can be made in principle between all of these webs.
  • the invention preferably all or at least almost all of the webs of the flow field end at the transition to the distribution area.
  • pressure equalization can take place between adjacent channels, which improves the even distribution of the volume flow across all channels of the flow field.
  • both the number of webs and the channel/web width in the distribution area and flow field can be designed more independently of each other than was previously the case.
  • the number of webs in the flow field does not necessarily have to be an integer multiple of the number of webs in the distribution area. This means that the structure of the distribution area can be optimized more freely than before, e.g. with regard to fluid flow, uniform distribution and pressure losses.
  • the first and the second individual plates can have inner sides facing each other, which have or define a cooling fluid distribution structure.
  • the webs and channels on an outer side of the respective individual plates can form complementarily shaped webs and channels on their respective inner side. These complementarily shaped webs and channels can be included in the cooling fluid distribution structure and/or guide the cooling fluid.
  • the cooling fluid distribution structure can also have at least one distribution area and one flow field, which can each overlap with the distribution area and flow field of the first and/or second individual plate.
  • the first and second individual plates can each have a distribution area and a flow field for fluid guidance on their outer sides, with these distribution areas and flow fields preferably overlapping in sections.
  • the second individual plate can form a cathode plate and/or can carry oxygen or air as a first fluid on its outer side.
  • the first individual plate can form an anode plate and/or can carry hydrogen or another fuel gas as a second fluid on its outer side.
  • a length of the completely or substantially web-free connection region which is measured along a longitudinal axis extending perpendicular to the main flow axis, is substantially as large as a length of the flow field measured along this longitudinal axis. This causes any fluid that is exchanged between the first and second sections of the distribution region to always flow through the connection region.
  • the width of the connection area i.e. the area through which the webs do not extend, is advantageously understood as a width in which the webs do not rest on the MEA or its reinforcing edge or the GDL at all. It therefore begins with the lowering of the first web and ends when the second web reaches its full height in the area of the web crest or vice versa.
  • the width is preferably determined parallel to the aforementioned main flow axis.
  • the second webs can each have an end facing the completely or substantially web-free connecting region, and a connecting line between these ends cannot be straight.
  • the connecting line can be corrugated, for example. In particular, it can be periodically corrugated. The periodicity can result from a repeating sequence of differently shaped and/or dimensioned second webs. This sequence can, for example, be in a direction transverse to the main flow axis.
  • the width dimensions of the completely or substantially web-free connecting area can be limited (in particular due to the straight connecting line of the ends of the first webs).
  • the design freedom for the second webs can be increased.
  • the latter enables, for example, the formation of sufficiently large and suitably extending flow cross sections of the cooling fluid distribution structure on the inside of the first individual plates.
  • the connecting lines can each define a boundary of the web-free connection area.
  • at least the longest sections of the first webs run at an angle relative to the main flow axis that is greater than or equal to 70°. The smallest achievable cutting angle can be considered.
  • At least the longest sections of the second webs can run at an angle relative to the main flow axis that is less than 45° and preferably less than 20°. Again, the smallest achievable intersection angle can be considered.
  • the longest sections of the first and second webs can be straight.
  • ends of the second webs in particular can be non-straight and in particular curved and/or have enlarged or varying flow cross-sectional dimensions.
  • At least the first webs are each at least three times, in particular at least five times, in particular at least seven times as long as they are wide, thus serving to provide direction and not just to support the MEA, its reinforcing edge or the GDL, with the length and width dimensions each running parallel to a flat surface plane of the separator plate.
  • the plane 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 formed as a result of an embossing or deep drawing process to form the web-channel structures or beads described here.
  • the plane surfaces 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 surfaces. With the latter approach, however, it must be ensured that the material thickness of only one of the two plates considered is taken into account when considering distances or the like.
  • the first section has a greater extent than the second section, with the extensions each running parallel to the main flow axis.
  • the extension of the first section can be at least three times as large as the extension of the second section.
  • the number of second webs is not an integer multiple of the number of first webs.
  • the number of first webs can be less than half the number of second webs. This results in corresponding design freedom for the first and second sections of the distribution area.
  • the second individual plate can have channels on its inner side opposite the completely or essentially web-free connection area of the first individual plate and in particular bridging channels.
  • the cooling fluid can be guided along the inside of the connection area in these channels. In this way, the cooling fluid can be exchanged between the flow field and distribution area of the cooling fluid distribution structure, even if the completely or essentially web-free connection area does not provide any channels for the cooling fluid on its inside.
  • this can mean both the actual flow field and an overlap area that closes off the flow field in the direction of the distribution area.
  • the channels of the cooling fluid in the overlap area can be formed less high, so that there is sufficient space for the overlap of the GDL and the MEA reinforcement edge, which will be explained below.
  • a further development provides that the completely or substantially web-free connection region of the first individual plate is opposite a region of the second individual plate which has at least sections of a plurality of webs formed in the second individual plate and channels formed between the webs.
  • 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 area of a first Single plate, especially anode plate, of the separator plate.
  • Figure 4 shows an orthogonal projection of the structural features of a part of the separator plate into a common plane.
  • Figure 5 shows in two sub-figures 5A, 5B a comparable orthogonal projection as Figure 4 as well as a corresponding sectional view.
  • Figures 6 and 7 each show views analogous to Fig. 3 of separator plates according to further embodiments.
  • 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 via which media can be fed into the system 1 and via 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.
  • 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 holes aligned with each other, which form through holes 11a-c of the separator plate 2.
  • the through openings 11a-c form lines that extend in the stacking direction 7 through the stack 6 (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 for example, can be introduced into the stack 6 or drained from the stack 6 via the lines formed by the through openings 11a.
  • the lines formed by the through openings 11b, 11c can be designed to supply the electrochemical cells of the fuel cell stack of the system 1 with fuel and with reaction gas and to drain the reaction products from the stack 6.
  • the distribution areas 20a each comprise structures which are designed to distribute a medium introduced from a first of the two through-openings 11b into one of the distribution areas 20a by means of the flow field 17b over the active area 18 or to distribute a medium flowing from the active area 18 or from the flow field 17a to the second of the through-openings 11b. To collect or bundle medium. In the latter case, the collecting distribution area 20a can also be referred to as a collection area.
  • the fluid-conducting structures of the distribution areas 20a in Figure 2 are also provided by webs and channels running between the webs and delimited by the webs.
  • a cooling fluid distribution structure 19 formed and/or enclosed between the individual plates 2a, 2b also has distribution areas which overlap with the distribution areas 20a, b of the individual plates 2a, 2b.
  • This cooling fluid distribution structure is fluidically connected to a flow field or comprises this, wherein this flow field overlaps with the flow fields 17a, b of the outer sides of the individual plates 2a, 2b or is enclosed between them.
  • the web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b form complementarily shaped web-channel structures on the corresponding inner sides and thus complementarily shaped web-channel structures of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the two through-openings 11b or the lines formed by the through-openings 11b through the plate stack of the system 1 are each in fluid communication with one another via passages 13b in sealing beads 12b, via the distribution structures of the distribution areas 20a, b and via the flow field 17a of the individual plate 2a facing the viewer in Figure 2.
  • This individual plate 2a is a first 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 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 again done, for example, 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 to cool the electrochemically active region 18 of the MEA.
  • the through-openings 11a are therefore cooling fluid through-openings, which is particularly obvious from their average cross-sectional size in comparison to the other through-openings 11b, 11c.
  • Figure 3 shows a section of the bipolar plate 2 with a view of the outside of the first individual plate 2a, preferably an anode plate, in the dashed area in Figure 2.
  • the viewing angle is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the indicated position of the through-opening 11b in Figure 3. Only a cut-off part of the distribution area 20a and the flow field 17a are shown.
  • a fluid is guided into the flow field 17a from the through-opening 11b via the distribution area 20a and guided by a web-channel structure 46a on the outside of the second individual plate 2a.
  • the flow field 17a has a main flow axis S, along which the fluid flows through the flow field 17a (see also main flow axis S in Fig. 2).
  • the web-channel structure 46a has several outwardly projecting webs 27a, 37a as well as channels 29a, 39a enclosed between them, selected ones of which are provided with a corresponding reference symbol.
  • the deepest areas of the channels 29a, 39a run in the plane of the second individual plate 2a.
  • the web-channel structure 46a has first webs 27a and first channels 29a in a first section 21a of the distribution area 20a, which run from the through-opening 11b to a connecting area 60.
  • the first webs 27a are, as shown, optionally interrupted in sections along their longitudinal extension within the distribution area 20a, but can also extend continuously.
  • the web-channel structure 46a also has second webs 37a and second channels 39a, which run from the connecting region 60 to the flow field 17a and continue there as webs and channels of the flow field 17a or merge into corresponding webs and channels.
  • the second webs 37a and second channels 39a extend in a second section 22a of the distribution region 20a.
  • the first and second sections 21a, 22a are connected via the connecting region 60, so that all fluid that is exchanged between the first and second sections 21a, 22a must pass through the connecting region 60.
  • the connecting region 60 is completely free of webs. It therefore extends as a gap-like free region between the first and second sections 21a, 22a. Furthermore, it preferably has a consistently constant height and/or a consistently planar shape.
  • the number of second webs 37a in the second section 22a is greater than the number of first webs 27a in the first section 21a. For example, at least five times or at least nine times as many second webs 37a as first webs 27a can be provided.
  • the flow field 17a can be characterized, for example, in that all of the webs and channels included here are straight and run parallel to one another and parallel to the main flow direction.
  • the webs and channels of the flow field 17a could also be wave-shaped and run with a similar wave shape next to one another and along the main flow direction S.
  • the wave shape can oscillate evenly around the main flow axis S and/or the main flow axis S can define a central axis of the wave shape around which it oscillates in a wave-like manner.
  • the flow field 17a 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.
  • the MEA reinforcement edge is not opposite the flow field 17a itself, but rather the actually active area of the MEA, in particular in the form of its electrolyte membrane.
  • the situation can be different with regard to the less deeply formed area assigned to the flow field, in which the MEA reinforcement edge and the GDL overlap one another.
  • the completely web-free connecting region 60 in the example of Fig. 3 preferably runs in the plane of the first individual plate 2a.
  • the webs 27a, 37a run out onto the plane of the first individual plate 2a at the edges of the web-free connecting region 60.
  • the webs 27a, 37a do not extend along the main flow axis S through the connecting region 60 and are therefore not directly connected to one another and do not merge into one another. Instead, they end on a respective adjacent side of the connecting region 60 and are spaced apart from one another by the latter.
  • Fig. 3 shows that ends of the first webs 27a, which adjoin the connecting region 60, can be connected by means of a straight connecting line 62.
  • the connecting line 62 runs perpendicular to the main flow axis S.
  • the ends of the second webs 37a, which adjoin the connecting region 60 can be connected by means of a non-rectilinear connecting line 64.
  • this connecting line 64 is wave-shaped and, in particular, periodically wave-shaped. This results from the fact that the ends of the second webs 37a, which adjoin the connecting region 60, form a regularly repeating sequence of in a certain way shaped and define ends extending to a certain extent parallel to the main flow axis S.
  • a part of the second webs 37a has enlarged and curved end sections 33 at the transition to the web-free connection region 60.
  • the web-free connection region 60 in Fig. 3 is designed to be continuous, in particular in such a way that it has a continuous region without webs. This region can extend essentially orthogonally to the main flow axis S.
  • Figure 3 shows a longitudinal axis L3 of the web-free connection region 60, which runs orthogonally to the main flow axis S.
  • a dimension of the web-free connection region 60 along this longitudinal axis L3 is at least as large as a dimension of the flow field 17a along the longitudinal axis L3. This underlines that the fluid must always flow through the web-free connection region 60 in order to switch between the first and second sections 21a, 22a.
  • a width dimension B of the web-free connection region 60 extends orthogonally to the longitudinal axis L3 and along the main flow axis S. Due to the uneven extension of the ends of the second webs 37a, which border on the web-free connection region 60 - see the wavy connection line 64 - the width dimension B of the web-free connection region 60 varies along the longitudinal axis L3. The width B thus fluctuates between at least 1 mm and up to 5 mm.
  • both the extension E1 of the first section 21a and the extension E2 of the second section 22a are significantly larger than the width dimension B of the web-free connection region 60 in Fig. 3, for example at least twice as large or at least three times as large. Furthermore, the extension E1 of the first section 21a is at least twice and preferably at least three times as large as the extension E2 of the second section 22a.
  • Figure 3 also shows the different orientations of the first and second webs 27a, 37a based on respective angles Wl, W2. These angles Wl, W2 define orientations of the webs 27a, 37a relative to the main flow axis S.
  • a longitudinal axis LI is entered for one of the first webs 27a. This runs at an angle Wl relative to the main flow axis S, the is smaller than 90° when considering the smallest possible cutting angle.
  • a longitudinal axis L2 is also entered for one of the second webs 37a. This is angled relative to the main flow axis S by an angle W2, which is, however, significantly smaller than the angle W1 of the first webs 27a.
  • the angle W2 is shown schematically greatly enlarged and can be significantly smaller. It can also be 0°.
  • Figure 3 further shows that the first webs 27a are at least three times, in particular at least five times, in particular seven times as long as they are wide, wherein the length and width dimensions each run parallel to a flat surface plane of the first individual plate 2a.
  • Fig. 4 shows an orthogonal projection of a section of the separator plate 2 of the first embodiment, which is oriented analogously to Fig. 2, in a plane parallel to the planes of the flat surfaces of the individual plates 2a, 2b.
  • the view corresponds to a view through an area of the separator plate 2 that includes a transition between the flow field 17a and the distribution area 20a of the first individual plate 2a and thus also a part of the connection area 60, which is completely web-free in this embodiment, wherein the area in which the webs are completely lowered is shown schematically hatched from top left to bottom right.
  • 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.
  • Those webs and channels from Fig. 4 that are not present in Fig. 3 are webs and channels of the second individual plate 2b.
  • the essentially or completely web-free connection area 60 in the first individual plate 2a is thus opposite an area in the second individual plate 2b through which both channels 30c on the inside of the first individual plate 2a and unspecified channels on the outside of the first individual plate 2a extend, which are formed in the area of the back of the webs between the channels 30c.
  • the essentially or completely web-free connection region 60 is therefore advantageously formed only in one of the two individual plates of the separator plate.
  • Three channels 27c of the cooling fluid distribution structure 19 are shown, each of which is formed complementarily to webs on the outside of the second individual plate 2b.
  • the channels 27c each have an optionally widened curvature region 52, which, however, could also not be widened compared to adjacent segments of the first channels 27c.
  • each channel 27c is connected in a fluid-conducting manner to three channels 30c on the inside of the first individual plate 2a. These channels 30c are shaped complementarily to second webs 37a on the outside of the first individual plate 2a. Not all of the second channels 30c are marked with a corresponding reference symbol in Figure 4.
  • the curved regions 52 of the second individual plate 2b partially overlap with the web-free connection region 60 and extend through it or, in other words, bridge it. This allows cooling fluid to flow through the cooling fluid distribution structure 19, although there are no webs on the outside of the first individual plate 2a in the web-free connection region 60 that could form complementarily shaped channels of the cooling fluid distribution structure 19.
  • the web-free connection region 60 is opposite channels formed on the inside of the second individual plate 2b, which provide a fluid connection between a distribution region 20c and the flow field 17c of the cooling fluid distribution structure 19.
  • Figure 5A shows essentially the same section as Figure 4, but here we will now look more closely at the determination of the width B of the connection area 60
  • the area that is shown hatched in Figure 5A from bottom left to top right represents the area in which there is no contact between the webs and the MEA reinforcement edge or the GDL on the corresponding outer side, i.e. the actual connection area 60.
  • the areas 270 of the first webs 27a closest to the second webs 37a, which have the maximum height of the webs 27a are considered and on the other hand the areas 370 of the second webs 37a closest to the first webs 27a, which also have the maximum height, whereby the height can vary, as is clear from Figure 5B.
  • these are therefore, on the side of the distribution area 20a, the web crest lines 280 of the first webs 27a closest to the second webs 37a up to the respective start of their lowering.
  • the connection between corresponding line sections on web crest lines 280 is parallel to the main flow axis S.
  • the areas of maximum height of the webs 37a facing the distribution area 20a are the end points of the web crest lines 380 at the points 375 at which the lowering of the web crests begins to form the connecting area 60.
  • the width B can be determined, for example, along one of the double arrows from Figure 5A, see also Figure 5B.
  • Figures 6 and 7 each show views of separator plates 2 according to further embodiments that are analogous to Figure 3.
  • the only difference to the embodiment of Figure 3 is that the connecting region 60 is not completely web-free in this case.
  • All explanations for Figure 3 also apply to the identical features and structures of the embodiments of Figures 6 and 7.
  • the connecting region 60 is not completely free of webs.
  • the majority of the first and second webs 27a, 37a do not merge into another of the first and second webs 27a, 37a and the connecting region 60 is web-free in a large part of its surface.
  • first and second webs 27a, 37a that merge into one another are only examples in Figures 6 and 7 and may differ from the variants shown.

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Abstract

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

Description

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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow- Batterie sein. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten.
Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Im Kontext derartiger Stapel werden die Separatorplatten auch als Bipolarplatten bezeichnet. Die Separatorplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Separatorplatten aus zwei, insbesondere zusammengefügten, Einzelplatten gebildet. Die Einzelplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet sind. Insbesondere kann mittels dieser Strukturen ein Kühlfluid durch einen Zwischenraum zwischen den Einzelplatten einer Separatorplatte geführt werden. Die Strukturen können z. B. Abfolgen von Stegen und Kanälen umfassen. Bei den Medien kann es sich folglich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Im Rahmen dieser Offenbarung können die Begriffe Medium und Fluid gleichbedeutend verwendet werden.
Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, durch die hindurch die Medien zu den zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen bzw. den Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) geleitet oder von diesen weggeführt werden können.
Aus einer solchen Durchgangsöffnung wird ein jeweiliges Fluid mittels der vorstehend geschilderten Strukturen in einen jeweiligen ersten Verteilbereich geführt und von dort in ein dem aktiven Bereich der Zelle bzw. MEA gegenüberliegendes Strömungsfeld. Nach dem Durchströmen des aktiven Bereichs wird das Fluid über einen zweiten Verteilbereich, auch Sammelbereich genannt, wieder einer Austritts-Durchgangsöffnung zugeführt. Ein Beispiel hierfür findet sich in der DE 20 2016 107 302 Ul.
Es ist bekannt, an einer ersten Außenseite der Separatorplatte, d.h. einer Außenseite einer ersten Einzelpatte, ein erstes Fluid zu führen, z.B. einen Brennstoff, und an einer davon abgewandten zweiten Außenseite der Separatorplatte, d.h. einer Außenseite einer zweiten Einzelpatte, ein zweites Fluid zu führen, z.B. ein Reaktionsgas. In einem von den Innenseiten der Einzelplatten begrenzten Innenraum wird hingegen üblicherweise ein Kühlfluid geführt. Die Medien werden dabei üblicherweise mittels externer Pumpleistungen durch das System geführt.
Es hat sich gezeigt, dass bei bisherigen Lösungen die Fluidführungen teilweise nur unter erhöhten Strömungswiderständen möglich sind. Dies stellt höhere Anforderungen an die externe Pumpleistung. Ferner kann dies zu Beschränkungen des summarischen Leistungsvermögens des elektrochemischen Systems führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, Druckverluste bei der Fluidführung einer Separatorplatte zu begrenzen und somit ein summarisches Leistungsvermögen eines elektrochemischen Systems mit einer Mehrzahl derartiger Separatorplatten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in dieser Beschreibung und in den Figuren angegeben. Entsprechend vorgeschlagen wird eine Separatorplatte, für ein elektrochemisches System, umfassend eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte, die erste Einzelplatte, die insbesondere eine Anodenplatte ist, umfassend:
- wenigstens eine erste Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids durch die Separatorplatte;
- wenigstens einen Verteilbereich;
- ein Strömungsfeld, das über den Verteilbereich in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung ist und das eingerichtet ist, das Fluid entlang einer Strömungshauptachse zu führen; wobei der Verteilbereich umfasst:
- einen Verbindungsbereich,
- einen ersten Abschnitt, der eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung und dem Verbindungsbereich definiert und der eine Vielzahl von ersten Stegen und zwischen den ersten Stegen ausgebildete erste Kanälen aufweist,
- einen zweiten Abschnitt, der eine Fluidverbindung zwischen dem Verbindungsbereich und dem Strömungsfeld definiert und der eine Vielzahl von zweiten Stegen und zwischen den zweiten Stegen ausgebildete zweite Kanälen aufweist, wobei der Verbindungsbereich derart zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Verteilbereichs angeordnet ist, dass jeder Fluidaustausch zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt den Verbindungsbereich durchströmt, wobei eine Breite des Verbindungsbereichs parallel zur Strömungshauptachse verläuft und die Breite mindestens 1 mm und maximal 5 mm beträgt. Vorzugsweise liegt die Breite zwischen mindestens 2 mm und maximal 3 mm. Ferner gehen keine oder maximal 7%, vorzugsweise maximal 5%, der ersten Stege und der zweiten Stegen durch den Verbindungsbereich hindurch ineinander über. Der Verbindungsbereich kann folglich vollständig oder zumindest im Wesentlichen stegfrei sein oder, mit anderen Worten, zumindest stegreduziert im Vergleich zu dem ersten und zweiten Abschnitt.
Diese Lösung trägt dem Umstand Rechnung, dass am Übergang zwischen Strömungsfeld und Verteilbereich schwerpunktmäßig Druckverluste der Fluidströmung auftreten können. Dies resultiert aus vielfachen Richtungsänderungen der Fluidströmung und vielfachen Übergängen der Fluidströmung zwischen fluidführenden Strukturen an diesem Übergang. Bisher sind Gestaltungsspielräume zum Ausbilden dieses Übergangs zwecks Reduzieren der Druckverluste gering. Durch den vollständig oder zumindest im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereich werden diese Gestaltungsspielräume erhöht, beispielsweise da der erste und zweite Abschnitt des Verteilbereichs überwiegend strukturell entkoppelt werden und daher hinsichtlich ihrer Fluidführung individuell optimierbar sind.
So ist es beispielsweise bekannt, dass Kanal-/Stegstrukturen in den Verteilbereichen und im Strömungsfeld in der Regel hinsichtlich der Anzahl der Stege und Kanäle voneinander abweichen. Üblicherweise verlaufen die Stege im Verteilbereich unter einem anderen Winkel zur Hauptströmungsachse als im Strömungsfeld, wodurch sich eine geringere Kanalanzahl im Verteilbereich ergibt, selbst wenn die Kanal- und Stegbreite derjenigen des Strömungsfelds entspricht. Häufig wird im Verteilbereich auch eine gröbere Struktur als im Strömungsfeld gewählt, zum Beispiel in Form größerer Kanal- und Stegbreiten, da im Verteilbereich kein Stoffumsatz und somit auch keine Stromerzeugung stattfindet.
Die vorstehenden Umstände führen bisher dazu, dass nicht alle Stege des Strömungsfeldes direkt in dem Verteilbereich weitergeführt werden können. Meist können nur ausgewählte Stege direkt vom Strömungsfeld in den Verteilbereich übergehen. Zwischen diesen ausgewählten Stegen liegende weitere Stege des Strömungsfelds enden bisher am Übergang zum Verteilbereich.
Quer zur Hauptströmungsachse betrachtet kann zum Beispiel nur jeder x-te Steg, wobei x eine ganzzahlige Zahl > 0 ist, vom Strömungsfeld in den Verteilbereich übergehen. Zwischen zwei benachbarten x-ten Stegen liegende Stege des Strömungsfeldes enden hingegen bisher am Übergang zum Verteilbereich.
Eine solche Stegführung geht mit dem Nachteil einher, dass die Steg-/Kanal- breite im Verteilbereich ein ganzzahliges Vielfaches der Steg-/Ka na I breite im Strömungsfeld sein muss. Damit ergibt sich auch die Einschränkung, dass die Anzahl der Stege im Strömungsfeld ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Stege im Verteilbereich sein muss. Dies ist eine der strukturellen Einschränkung, die bisher eine druckverlustoptimierte Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen Verteilbereich und Strömungsfeld erschwert.
Stattdessen sieht die Erfindung vor, im genannten Übergangsbereich der ersten Einzelplatte auf Verbindung von Stegen des Strömungsfeldes mit Stegen des Verteilbereich vollständig oder zumindest größtenteils zu verzichten, insbesondere auf jegliche oder zumindest die meisten prinzipiell herstellbaren Verbindungen zwischen sämtlichen dieser Stege. Somit enden vorzugsweise alle oder zumindest fast alle Stege des Strömungsfeldes am Übergang zum Verteilbereich. Dies resultiert in einer höheren Anzahl sowie in vergrößerten Strömungsquerschnitten von fluidleitenden Verbindungen zwischen den Kanälen des Strömungsfeldes und des Verteilbereichs. In der Folge vergrößert sich ein erzielbares Strömungsvolumen. Zusätzlich kann ein Druckausgleich zwischen benachbarten Kanälen erfolgen, wodurch die Gleichverteilung des Volumenstroms auf alle Kanäle des Strömungsfeldes verbessert wird.
Des Weiteren kann sowohl die Anzahl der Stege als auch die Kanal-/ Stegbreite im Verteilbereich und Strömungsfeld unabhängiger voneinander ausgeführt werden als bisher der Fall. Insbesondere muss die Anzahl der Stege im Strömungsfeld nicht zwingend ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Stege des Verteilbereichs sein. Somit kann die Struktur des Verteilbereiches freier z.B. hinsichtlich Fluidströmung, Gleichverteilung und Druckverlusten optimiert werden als bisher.
Die erste und die zweite Einzelplatte können einander zugewandte Innenseiten aufweisen, die eine Kühlfluidverteilstruktur aufweisen bzw. definieren. Die Stege und Kanäle an einer Außenseite der jeweiligen Einzelplatten können komplementär geformte Stege und Kanäle an ihrer jeweiligen Innenseite ausbilden. Diese komplementär geformten Stege und Kanäle können von der Kühlfluidverteilstruktur umfasst sein und/oder das Kühlfluid führen. Die Kühlfluidverteilstruktur kann ebenfalls wenigstens einen Verteilbereich und ein Strömungsfeld aufweisen, welche sich jeweils mit dem Verteilbereich und Strömungsfeld der ersten und/oder zweiten Einzelplatte überlappen können.
Die erste und die zweite Einzelplatte können an ihren Außenseiten jeweils einen Verteilbereich und ein Strömungsfeld zur Fluidführung aufweisen, wobei sich diese Verteilbereiche und Strömungsfelder vorzugsweise jeweils abschnittsweise überlappen. Die zweite Einzelplatte kann eine Kathodenplatte bilden und/oder kann an ihrer Außenseite als ein erstes Fluid Sauerstoff oder Luft führen. Die erste Einzelplatte kann eine Anodenplatte bilden und/oder kann an ihrer Außenseite als ein zweites Fluid Wasserstoff oder ein anderes Brenngas führen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Länge des vollständig oder im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereichs, die entlang einer senkrecht zur Strömungshauptachse sich erstreckenden Längsachse gemessen wird, im Wesentlichen so groß wie eine entlang dieser Längsachse gemessene Länge des Strömungsfeldes. Dies bewirkt, dass jegliches Fluid, das zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Verteilbereichs ausgetauscht wird, stets den Verbindungsbereich durchströmt.
Die Breite des Verbindungsbereichs, also des Bereichs, durch den sich die Stege nicht erstrecken, wird dabei vorteilhafterweise als eine Breite verstanden, in der die Stege gar nicht an der MEA bzw. ihrem Verstärkungsrand oder der GDL anliegen. Er beginnt demnach mit dem Absenken des ersten Steges und endet mit dem Erreichen der vollen Höhe des zweiten Steges im Bereich der Stegkuppe bzw. umgekehrt. Die Breite wird dabei vorzugsweise parallel zur vorgenannten Strömungshauptachse bestimmt.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass zumindest die Mehrheit der ersten Stege jeweils ein dem vollständig oder im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereich zugewandtes Ende aufweisen und eine Verbindungslinie dieser Enden geradlinig ist. Hierbei handelt es sich um erste Stege, die nicht durch Verbindungsbereich hindurch in zweite Stege übergehen.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest die Mehrheit der zweiten Stege jeweils ein dem vollständig oder im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereich zugewandtes Ende aufweisen und eine Verbindungslinie dieser Enden kann nicht geradlinig sein. Hierbei handelt es sich um zweite Stege, die nicht durch Verbindungsbereich hindurch in erste Stege übergehen. Die Verbindungslinie kann zum Beispiel gewellt sein. Insbesondere kann sie periodisch gewellt sein. Die Periodizität kann aus einer sich wiederholenden Abfolge von verschiedenartig geformten und/oder dimensionierten zweiten Stegen resultieren. Diese Abfolge kann zum Beispiel in einer Richtung quer zur Hauptströmungsachse vorliegen.
Durch Ausbilden der Stege, sodass sich die vorstehend erwähnten Verbindungslinien ergeben, können die Breitenabmessungen des vollständig oder im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereichs begrenzt werden (insbesondere aufgrund der geradlinigen Verbindungslinie der Enden der ersten Stege). Andererseits können die Gestaltungsspielräume für die zweiten Stege erhöht werden. Letzteres ermöglicht beispielsweise das Ausbilden ausreichend großer und geeignet verlaufender Strömungsquerschnitte der Kühlfluidverteilstruktur an der Innenseite der ersten Einzelplatten. Die Verbindungslinien können jeweils eine Grenze des stegfreien Verbindungsbereichs definieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlaufen zumindest die jeweils längsten Abschnitte der ersten Stege in einem Winkel relativ zur Strömungshauptachse, der größer oder gleich 70° ist. Es kann der kleinste eintragbare Schnittwinkel betrachtet werden.
Alternativ oder zusätzlich können zumindest die jeweils längsten Abschnitte der zweiten Stege in einem Winkel relativ zur Strömungshauptachse verlaufen, der geringer als 45° und vorzugsweise geringer als 20° ist. Erneut kann der kleinste eintragbare Schnittwinkel betrachtet werden.
Es hat sich gezeigt, dass mittels derartiger Ausrichtungen der ersten und zweiten Stege ein zuverlässiger und ausreichender Volumenstrom durch den Verteilbereich bei begrenztem Platzbedarf realisierbar ist.
Die jeweils längsten Abschnitte der ersten bzw. zweiten Stege können geradlinig sein. Hingegen können Enden insbesondere der zweiten Stege nicht geradlinig und insbesondere gekrümmt sein und/oder vergrößerte oder variierende Strömungsquerschnittsabmessungen aufweisen.
Bei einer Weiterbildung sind zumindest die ersten Stege jeweils wenigstens dreimal, insbesondere wenigstens fünfmal, insbesondere wenigstens siebenmal so lang wie breit, dienen also der Richtungsgebung und nicht nur der Abstützung der MEA, ihres Verstärkungsrandes oder der GDL, wobei die Längen- und Breitenabmessungen jeweils parallel zu einer Planflächenebene der Separatorplatte verlaufen. Dies unterstreicht, dass die ersten Stege langgestreckt ausgebildet sein können und eine zuverlässige Strömungsführungsfunktion über eine entsprechende Länge bereitstellen können.
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..
Gemäß einer Variante weisen die ersten Stege eine größere Höhe gemessen senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte auf als die zweiten Stege. Hierdurch können durch die ersten Stege komplementär geformte Kanäle der Kühlfluidverteilstruktur entsprechend vergrößerte Tiefen und folglich vergrößerte Strömungsquerschnitte aufweisen. Dies kann als ein Gestaltungsspielraum z. B. ermöglichen, dass gegenüberliegend zu den ersten Stegen an einer Innenseite der zweiten Einzelplatte keine Kanäle oder lediglich kleiner dimensionierte Kanäle vorhanden sein können als gegenüberliegend zu den zweiten Stegen, um ausreichende Strömungsquerschnitte für das im Innern geführte Kühlfluid bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform weist der erste Abschnitt eine größere Erstreckung als der zweite Abschnitt auf, wobei die Erstreckungen jeweils parallel zu der Strömungshauptachse verlaufen. Insbesondere kann die Erstreckung des ersten Abschnitts wenigstens dreimal so groß sein wie die Erstreckung des zweiten Abschnitts. Mittels derartiger Dimensionen des ersten und zweiten Abschnitts kann ein zuverlässiger und ausreichender Volumenstrom durch den Verteilbereich bei begrenztem Platzbedarf realisiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der zweiten Stege kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ersten Stege ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der ersten Stege weniger als die Hälfte der Anzahl der zweiten Stege betragen. Dies resultiert jeweils in entsprechenden Gestaltungsfreiräumen für die ersten und zweiten Abschnitte des Verteilbereichs.
Die zweite Einzelplatte kann an ihrer Innenseite gegenüberliegend zu dem vollständig oder im Wesentlichen stegfreien Verbindungsbereich der ersten Einzelplatte und insbesondere diesen überbrückende Kanäle aufweisen. Folg- lieh kann das Kühlfluid entlang der Innenseite des Verbindungsbereichs in diesen Kanälen geführt werden. Auf diese Weise kann das Kühlfluid zwischen dem Strömungsfeld und Verteilbereich der Kühlfluidverteilstruktur ausgetauscht werden, auch wenn der vollständig oder im Wesentlichen stegfreie Verbindungsbereich an seiner Innenseite keine Kanäle für das Kühlfluid bereitstellt.
Wenn hier von Strömungsfeld die Rede ist, kann dies sowohl das eigentliche Strömungsfeld als auch einen Überlappungsbereich, der das Strömungsfeld in Richtung des Verteilbereichs abschließt, meinen. Gegenüber dem eigentlichen Strömungsfeld können die Kanäle des Kühlfluids im Überlappungsbereich weniger hoch ausgeformt sein, so dass dort ausreichend Raum für den Überlapp der nachfolgend noch erläuterten GDL und des MEA-Verstärkungsrands gegeben ist.
Zusammengefasst sieht eine Weiterbildung vor, dass der vollständig oder im Wesentlichen stegfreie Verbindungsbereich der ersten Einzelplatte einem Bereich der zweiten Einzelplatte gegenüberliegt, der zumindest Abschnitte einer Vielzahl von in der zweiten Einzelplatte ausgebildeten Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen aufweist.
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 Anodenplatte, der Separatorplatte.
Figur 4 zeigt eine Orthogonalprojektion der Strukturmerkmale eines Teils der Separatorplatte in eine gemeinsame Ebene.
Figur 5 zeigt in zwei Teilfiguren 5A, 5B eine vergleichbare Orthogonalprojektion wie Figur 4 sowie eine zugehörige Schnittdarstellung.
Figuren 6 und 7 zeigen jeweils zu Fig. 3 analoge Ansichten von Separatorplatten gemäß weiteren Ausführungsformen.
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 Separatorplatten 2 jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung (z-Achse 7) ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder ein Kühlfluid wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
Figur 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Separatorplatten 2 oder Bipolarplatten, die von einem elektrochemischen System von der Art des Systems 1 aus Figur 1 umfasst sein können. Die Separatorplatten 2 entsprechen einem Beispiel aus dem Stand der Technik. Die nachstehend in Bezug hierauf erläuterten Eigenschaften und Merkmale können aber ebenso auf die hier offenbarten erfindungsgemäßen Separatorplatten 2 zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein, sofern nicht anders erwähnt oder ersichtlich.
Fig. 2 zeigt auch eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in Figur 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Separatorplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten 2a, 2b gebildet, von denen in Figur 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die weitere Einzelplatte 2b verdeckt. Die Einzelplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen oder erst beim Aufstapeln des Stacks verbunden werden. Insbesondere die Gestaltung von fluidführenden Strukturen an der dem Betrachter zugewandten Außenseite der Einzelplatte 2a kann in Fig. 2 von den erfindungsgemäßen Strukturen der nachstehenden weiteren Figuren abweichen.
Die Einzelplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, welche Durchgangsöffnungen lla-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Sta- pelung einer Mehrzahl von Separatorplatten 2 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe Figur 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen lla-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. ein Kühlfluid in den Stapel 6 eingeleitet oder aus dem Stapel 6 abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen können dagegen zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel 6 ausgebildet sein.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf. Diese sind jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet und umschließen die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig. Die erste Einzelplatte 2a 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 sowie entlang einer Hauptströmungsachse S auf. Diese Strukturen sind in Figur 2 in Form einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen ausgebildet. An der dem Betrachter zugewandten Außenseite der Separatorplatte 2 weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a zudem zwei Verteilbereiche 20a auf. Die Verteilbereiche 20a umfassen jeweils Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in einen der Verteilbereiche 20a eingeleitetes Medium mittels des Strömungsfelds 17b über den aktiven Bereich 18 zu verteilen bzw. ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 bzw. vom Strömungsfeld 17a zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. In letzterem Fall kann der sammelnden Verteilbereich 20a auch als ein Sammelbereich bezeichnet werden. Die fluidführenden Strukturen der Verteilbereiche 20a sind in Figur 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
Ohne dass dies in Figur 2 gesondert dargestellt ist, weist eine zwischen den Einzelplatten 2a, 2b ausgebildete und/oder eingeschlossene Kühlfluidverteilstruktur 19 ebenfalls Verteilbereiche auf, welche sich mit den Verteilbereichen 20a, b der Einzelplatten 2a, 2b überlappen. Diese Kühlfluidverteilstruktur ist fluidisch mit einem Strömungsfeld verbunden oder umfasst dieses, wobei dieses Strömungsfeld mit den Strömungsfeldern 17a, b der Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b überlappt bzw. zwischen diesen eingeschlossen ist. Die Steg-Kanal-Strukturen an den Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b bilden dabei komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen an den entsprechenden Innenseiten aus und somit komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen der Kühlfluidverteilstruktur 19.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen der Verteilbereiche 20a, b und über das Strömungsfeld 17a der dem Betrachter der Figur 2 zugewandten Einzelplatte 2a miteinander in Fluidverbindung.
Diese Einzelplatte 2a ist eine erste 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 zweite Einzel- platte 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 Bipolarplatte 2 mit Blick auf die Außenseite der ersten 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 3 erkennbar. Nur ein abgeschnittener Teil des Verteilbereichs 20a und des Strömungsfelds 17a sind dargestellt. In das Strömungsfeld 17a 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. Das Strömungsfeld 17a weist eine Hauptströmungsachse S auf, entlang derer das Fluid durch das Strömungsfeld 17a strömt (sh. a. Hauptströmungsachse S in Fig. 2).
Die Steg-Kanal-Struktur 46a weist mehrere nach außen hervorstehende Stege 27a, 37a sowie zwischen diesen eingeschlossene Kanäle 29a, 39a auf, von denen jeweils ausgewählte mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die tiefsten Bereiche der Kanäle 29a, 39a verlaufen in der Planflächenebene der zweiten Einzelplatte 2a. Genauer gesagt weist die Steg-Kanal-Struktur 46a in einem ersten Abschnitt 21a des Verteilbereichs 20a erste Stege 27a und erste Kanäle 29a auf, die von der Durchgangsöffnung 11b bis zu einem Verbindungsbereich 60 verlaufen. Die ersten Stege 27a sind, wie dargestellt, entlang ihrer Längserstreckung innerhalb des Verteilbereichs 20a optional abschnittsweise unterbrochen, können sich aber auch durchgängig erstrecken.
Weiter weist die Steg-Kanal-Struktur 46a zweite Stege 37a und zweite Kanäle 39a auf, die von dem Verbindungsbereich 60 bis zu dem Strömungsfeld 17a verlaufen und dort als Stege und Kanäle des Strömungsfeldes 17a weitergeführt werden bzw. in entsprechende Stege und Kanäle übergehen. Die zweiten Stege 37a und zweiten Kanäle 39a erstrecken sich in einem zweiten Abschnitt 22a des Verteilbereichs 20a. Der erste und zweite Abschnitt 21a, 22a sind über den Verbindungsbereich 60 verbunden, sodass sämtliches Fluid, dass zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 21a, 22a ausgetauscht wird, den Verbindungsbereich 60 durchlaufen muss.
In der Ausführungsform von Fig. 3 ist der Verbindungsbereich 60 vollständig stegfrei. Er erstreckt sich daher als spaltartiger freibleibender Bereich zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 21a, 22a. Ferner weist er vorzugsweise eine durchgängig konstante Höhe und/oder eine durchgängig planare Form auf.
Die Anzahl der zweiten Stege 37a im zweiten Abschnitt 22a ist größer als die Anzahl der ersten Stege 27a im ersten Abschnitt 21a. Es können zum Beispiel wenigstens fünfmal oder wenigstens neunmal so viele zweite Stege 37a wie erste Stege 27a vorgesehen sein.
Das Strömungsfeld 17a kann sich zum Beispiel dadurch auszeichnen, dass sämtliche hiervon umfassten Stege und Kanäle geradlinig sind und parallel zueinander sowie parallel zu der Hauptströmungsrichtung verlaufen. Alternativ könnten die Stege und Kanäle des Strömungsfelds 17a aber auch wellenförmig sein und mit gleichartiger Wellenform nebeneinander sowie entlang der Hauptströmungsrichtung S verlaufen. Die Wellenform kann gleichmäßig um die Hauptströmungsachse S oszillieren und/oder die Hauptströmungsachse S kann eine Mittelachse der Wellenform definieren, um die wellenartig oszilliert wird. Zusätzlich oder alternativ sowie nicht auf die spezifischen Details dieses Ausführungsbeispiels beschränkt, kann sich das Strömungsfeld 17a dadurch auszeichnen, dass es innerhalb eines MEA-Verstärkungsrands liegt und insbesondere von diesem zumindest abschnittsweise umgeben und/oder eingerahmt wird. Jedoch liegt dem Strömungsfeld 17a 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. Anders kann es sich jedoch bezüglich des dem Strömungsfeld zugeordneten weniger tief ausgeformten Bereichs verhalten, in dem der MEA-Verstär- kungsrand und die GDL einander überlappen.
Der im Beispiel von Fig. 3 vollständig stegfreie Verbindungsbereich 60 verläuft vorzugsweise in der Planflächenebene der ersten Einzelplatte 2a. Die Stege 27a, 37a laufen entsprechend an den Rändern des stegfreien Verbindungsbereichs 60 auf die Planflächenebene aus. Die Stege 27a, 37a erstrecken sich nicht entlang der Hauptströmungsachse S durch den Verbindungsbereich 60 hindurch und sind folglich auch nicht direkt miteinander verbunden und gehen nicht ineinander über. Stattdessen enden sie an einer jeweiligen angrenzenden Seite des Verbindungsbereich 60 und sind durch diesen voneinander beabstandet.
Fig. 3 zeigt, dass Enden der ersten Stege 27a, die an den Verbindungsbereich 60 angrenzen, mittels einer geradlinigen Verbindungslinie 62 verbindbar sind. In dem gezeigten Beispiel verläuft die Verbindungslinie 62 senkrecht zur Hauptströmungsachse S.
Hingegen sind die Enden der zweiten Stege 37a, die an den Verbindungsbereich 60 angrenzen, mittels einer nicht-geradlinigen Verbindungslinie 64 verbindbar. Insbesondere ist diese Verbindungslinie 64 wellenförmig und ferner insbesondere periodisch wellenförmig. Dies resultiert daraus, dass die Enden der zweiten Stege 37a, die an den Verbindungsbereich 60 angrenzen, eine sich regelmäßig wiederholende Abfolge von in bestimmter Weise geformten und sich in bestimmtem Ausmaß parallel zur Hauptströmungsachse S erstreckenden Enden definieren. So weist ein Teil der zweiten Stege 37a vergrößerte und gekrümmte Endabschnitte 33 am Übergang zum stegfreien Verbindungsbereich 60 auf.
Der in Fig. 3 stegfreie Verbindungsbereich 60 ist zusammenhängend ausgebildet, insbesondere in der Weise, dass er einen zusammenhängenden Bereich ohne Stege aufweist. Dieser Bereich kann sich im Wesentlichen orthogonal zur Hauptströmungsachse S erstrecken. Figur 3 zeigt eine Längsachse L3 des stegfreien Verbindungsbereichs 60, die orthogonal zu der Hauptströmungsachse S verläuft. Eine Abmessung des stegfreien Verbindungsbereichs 60 entlang dieser Längsachse L3 ist mindestens so groß wie eine Abmessung des Strömungsfeldes 17a entlang der Längsachse L3. Dies unterstreicht, dass das Fluid stets den stegfreien Verbindungsbereich 60 durchströmen muss, um zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 21a, 22a zu wechseln.
Eine Breitenabmessung B des stegfreien Verbindungsbereichs 60 erstreckt sich orthogonal zu der Längsachse L3 und entlang der Hauptströmungsachse S. Aufgrund der ungleichmäßigen Erstreckung der Enden der zweiten Stege 37a, die an den stegfreien Verbindungsbereich 60 angrenzen - siehe die wellenförmige Verbindungslinie 64 -, variiert die Breitenabmessung B des stegfreien Verbindungsbereichs 60 entlang der Längsachse L3. So schwankt die Breite B zwischen mindestens 1 mm und bis zu 5 mm.
In derselben Breitenrichtung betrachtet erkennt man, dass sowohl die Erstreckung El des ersten Abschnitts 21a als auch die Erstreckung E2 des zweiten Abschnitts 22a deutlich größer sind als die Breitenabmessung B des in Fig. 3 stegfreien Verbindungsbereichs 60, beispielsweise mindestens doppelt so groß oder mindestens dreimal so groß. Ferner ist die Erstreckung El des ersten Abschnitts 21a mindestens doppelt und vorzugsweise mindestens dreimal so groß wie die Erstreckung E2 des zweiten Abschnitts 22a.
Figur 3 zeigt ferner die verschiedenen Ausrichtungen der ersten und zweiten Stege 27a, 37a anhand von jeweiligen Winkeln Wl, W2. Diese Winkel Wl, W2 definieren Ausrichtungen der Stege 27a, 37a relativ zur Hauptströmungsachse S. Für einen der ersten Stege 27a ist eine Längsachse LI eingetragen. Diese verläuft in einem Winkel Wl relativ zur Hauptströmungsachse S, der kleiner als 90° ist, wenn man einen kleinsten eintragbaren Schnittwinkel betrachtet.
Für einen der zweiten Stege 37a ist ebenfalls eine Längsachse L2 eingetragen. Diese ist gegenüber der Hauptströmungsachse S um einen Winkel W2 angewinkelt, der jedoch deutlich kleiner als der Winkel W1 der ersten Stege 27a ist. Der Winkel W2 ist schematisch stark vergrößert dargestellt und kann deutlich kleiner ausfallen. Er kann auch 0° betragen.
Figur 3 zeigt weiter, dass die ersten Stege 27a wenigstens dreimal, insbesondere wenigstens fünfmal, insbesondere siebenmal so lang wie breit sind, wobei die Längen- und Breitenabmessungen jeweils parallel zu einer Planflächenebene der ersten Einzelplatte 2a verlaufen.
Fig. 4 zeigt eine Orthogonalprojektion eines Ausschnitts der Separatorplatte 2 der ersten Ausführungsform, die analog zu Fig. 2 orientiert ist, in eine zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 2a, 2b parallele Ebene. Die Ansicht entspricht einer Durchsicht durch einen Bereich der Separatorplatte 2, der einen Übergang zwischen dem Strömungsfeld 17a und dem Verteilbereich 20a der ersten Einzelplatte 2a und somit auch einen Teil des bei dieser Ausführungsform vollständig stegfreien Verbindungsbereichs 60 umfasst, der wobei schematisch der Bereich, in dem die Stege vollständig abgesenkt sind, von links oben nach rechts unten schraffiert dargestellt ist. Positionen der Verteilbereiche 20a-c und Strömungsfelder 17a-c an den Außen- und Innenseiten der ersten und zweiten Einzelplatte 2a, b sind eingetragen. Diese überlappen sich jeweils zumindest abschnittsweise.
Ferner erkannt man Positionen und Ausmaße von Überlappungen der Kanal- Steg-Strukturen 46a, b an den Außenseiten der ersten und zweiten Einzelplatten 2a, b sowie die gemeinsam hiervon begrenzte Kühlfluidverteilstruktur 19. Diejenigen Stege und Kanäle aus Fig. 4, die in Fig. 3 nicht vorhanden sind, sind Stege und Kanäle der zweiten Einzelplatte 2b. Dem im Wesentlichen oder vollständig stegfreien Verbindungsbereich 60 in der ersten Einzelplatte 2a liegt in der zweiten Einzelplatte 2b also ein Bereich gegenüber, durch den sich sowohl Kanäle 30c an der Innenseite der erste Einzelplatte 2a als auch nicht weiter bezeichnete Kanäle an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2a erstrecken, die im Bereich der Rückseite der Stege zwischen den Kanälen 30c ausgebildet sind. Der im Wesentlichen oder vollständig stegfreie Verbindungsbereich 60 ist also vorteilhafterweise nur in einer der beiden Einzelplatten der Separatorplatte ausgebildet.
Drei Kanäle 27c der Kühlfluidverteilstruktur 19 sind gezeigt, die jeweils komplementär zu Stegen an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2b geformt sind. Die Kanäle 27c weisen jeweils einen optional aufgeweiteten Krümmungsbereich 52 auf, der jedoch auch nicht gegenüber angrenzenden Segmenten der ersten Kanäle 27c aufgeweitet sein könnte.
Der Krümmungsbereich 52 eines jeden Kanals 27c ist fluidleitend an drei Kanäle 30c an der Innenseite der erste Einzelplatte 2a angeschlossen. Diese Kanäle 30c sind komplementär geformt zu zweiten Stegen 37a an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2a. Nicht sämtliche der zweiten Kanäle 30c sind in Figur 4 mit einem entsprechenden Bezugszeichen markiert.
Für den in Fig. 4 obersten Kanal 27c sind Übergabebereiche zu den zweiten Kanälen 30c schraffiert dargestellt. Im Fall der oberen beiden Kanäle 30c markiert die Schraffur jeweils einen Bereich, in dem offene Enden der zweiten Kanäle 30c dem Krümmungsbereich 52 gegenüberliegen und die Kanäle 30 folglich in den Krümmungsbereich 52 münden.
Man erkennt, dass die Krümmungsbereiche 52 der zweiten Einzelplatte 2b mit dem stegfreien Verbindungsbereich 60 abschnittsweise überlappen und sich durch diesen hindurch erstrecken oder, mit anderen Worten, diesen überbrücken. Dies ermöglicht, dass Kühlfluid durch die Kühlfluidverteilstruktur 19 fließen kann, obwohl im stegfreien Verbindungsbereich 60 keine Stege auf der Außenseite der ersten Einzelplatte 2a vorhanden sind, die komplementär geformte Kanäle der Kühlfluidverteilstruktur 19 bilden könnten. Anders ausgedrückt und nicht auf die Details dieses Ausführungsbeispiels beschränkt, liegen dem stegfreien Verbindungsbereich 60 an der Innenseite der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildete Kanäle gegenüber, die eine Fluidverbindung eines Verteilbereichs 20c und des Strömungsfelds 17c der Kühlfluidverteilstruktur 19 bereitstellen.
Die Figur 5A zeigt im Wesentlichen denselben Ausschnitt wie Figur 4, hier wird nun genauer auf die Bestimmung der Breite B des Verbindungsbereichs 60 eingegangen. Der Schnitt A-A aus Figur 5A, der nicht-maßstäblich in Figur 5B gezeigt ist, verdeutlicht einige Details hierzu. Der Bereich, der in Figur 5A von links unten nach rechts oben schraffiert dargestellt ist, stellt den Bereich dar, in dem auf der entsprechenden Außenseite kein Kontakt zwischen Stegen und dem MEA-Verstärkungsrand bzw. der GDL vorhanden ist, also den eigentlichen Verbindungsbereich 60. Dementsprechend werden zur Breitenbestimmung einerseits die den zweiten Stegen 37a nächstliegenden Bereiche 270 der ersten Stege 27a, die die maximale Höhe der Stege 27a aufweisen, betrachtet und andererseits die den ersten Stegen 27a nächstliegenden Bereiche 370 der zweiten Stege 37a, die ebenfalls die maximale Höhe aufweisen, wobei die Höhe unterschiedlich sein kann, wie aus Figur 5B deutlich wird. Im vorliegenden Beispiel mit vollständig verrundeten Stegkuppen sind dies somit auf Seite des Verteilbereichs 20a die den zweiten Stegen 37a nächstliegenden Stegkuppenlinien 280 der ersten Stege 27a bis zum jeweiligen Beginn ihrer Absenkung. Die Verbindung zwischen entsprechenden Linienabschnitten auf Stegkuppenlinien 280 erfolgt parallel zur Hauptströmungsachse S. Auf der Seite des Strömungsfelds 17a sind die dem Verteilbereich 20a zugewandten Bereiche maximaler Höhe der Stege 37a die Endpunkte der Stegkuppenlinien 380 an den Stellen 375, an denen die Absenkung der Stegkuppen zur Ausbildung des Verbindungsbereichs 60 beginnt. Die Breite B kann beispielsweise entlang einem der Doppelpfeile aus Figur 5A ermittelt werden, vergleiche auch Figur 5B.
Die Figuren 6 und 7 zeigen jeweils zu Fig. 3 analoge Ansichten von Separatorplatten 2 gemäß weiteren Ausführungsformen. Der einzige Unterschied zu der Ausführungsform von Fig. 3 ist, dass der Verbindungsbereich 60 in diesem Fall nicht vollständig stegfrei ist. Davon abgesehen treffen sämtliche Erläuterungen zu Fig. 3 ebenso auf die identischen Merkmale und Strukturen der Ausführungsformen der Figuren 6 und 7 zu.
In beiden Ausführungsformen der Figuren 6 und 7 ist der Verbindungsbereich 60 nicht vollständig stegfrei. Stattdessen existieren im Fall von Figur 6 beispielhaft zwei entlang der Längsachse L3 betrachtet äußere Paare von ersten und zweiten Stegen 27a, 37a, die sich in den Verbindungsbereich 60 hinein erstrecken, um ineinander überzugehen. Im Fall von Figur 7 existiert beispielhaft ein entlang der Längsachse L3 betrachtet mittleres Paar von ersten und zweiten Stegen 27a, 37a, die sich in den Verbindungsbereich 60 hinein erstrecken, um ineinander überzugehen. Sämtliche weiteren ersten und zweiten Stege 27a, 37a enden analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 am Verbindungsbereich 60. Somit geht die Mehrheit der ersten und zweiten Stege 27a, 37a nicht in einen jeweils anderen von erstem und zweitem Steg 27a, 37a über und der Verbindungsbereich 60 ist in einem Großteil seiner Fläche stegfrei.
Die Anzahl und Positionierung der ineinander übergehenden ersten und zweiten Stege 27a, 37a sind in den Figuren 6 und 7 nur beispielhaft und können von den gezeigten Varianten abweichen.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (2), für ein elektrochemisches System (1), umfassend eine erste Einzelplatte (2a) und eine zweite Einzelplatte (2b), die erste Einzelplatte (2a) umfassend:
- wenigstens eine erste Durchgangsöffnung (11b) zum Durchleiten eines Fluids durch die erste Einzelplatte (2a);
- wenigstens einen Verteilbereich (20a);
- ein Strömungsfeld (17a), das über den Verteilbereich (20a) in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (11b) ist und das eingerichtet ist, das Fluid entlang einer Strömungshauptachse (S) zu führen; wobei der Verteilbereich (20a) umfasst:
- einen Verbindungsbereich (60),
- einen ersten Abschnitt (21a), der eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (11b) und dem Verbindungsbereich (60) definiert und der eine Vielzahl von ersten Stegen (27a) und zwischen den ersten Stegen (27a) ausgebildeten ersten Kanälen (29a) aufweist,
- einen zweiten Abschnitt (22a), der eine Fluidverbindung zwischen dem Verbindungsbereich (60) und dem Strömungsfeld (17a) definiert und der eine Vielzahl von zweiten Stegen (37a) und zwischen den zweiten Stegen (37a) ausgebildeten zweiten Kanälen (39a) aufweist, wobei der Verbindungsbereich (60) derart zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Verteilbereichs (20a) angeordnet ist, dass jeder Fluidaustausch zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (21a, 22a) den Verbindungsbereich (60) durchströmt, wobei eine Breite (B) des Verbindungsbereichs (60) parallel zur Strömungshauptachse (S) verläuft und die Breite (B) mindestens 1 mm und maximal 5 mm beträgt und wobei keine oder maximal 7%, vorzugsweise maximal 5% der ersten Stege (27a) und der zweiten Stegen (37a) durch den Verbindungsbereich (60) hindurch ineinander übergehen.
2. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1, wobei eine entlang einer senkrecht zur Strömungshauptachse (S) sich erstreckenden Längsachse (L3) gemessene Länge des Verbindungsbereichs (60) im Wesentlichen so groß ist wie eine entlang dieser Längsachse (L3) gemessene Länge des Strömungsfeldes (17a).
3. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest die Mehrheit der ersten Stege (27a) jeweils ein dem Verbindungsbereich (60) zugewandtes Ende aufweisen und eine Verbindungslinie (62) dieser Enden geradlinig ist; und/oder wobei zumindest die Mehrheit zweiten Stege (37a) jeweils ein dem Verbindungsbereich (60) zugewandtes Ende aufweisen und eine Verbindungslinie (64) dieser Enden nicht geradlinig ist.
4. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest die jeweils längsten Abschnitte der ersten Stege (27a) in einem Winkel (Wl) relativ zur Strömungshauptachse (S) verlaufen, der größer oder gleich 70° ist und/oder wobei zumindest die jeweils längsten Abschnitte der zweiten Stege (37a) in einem Winkel (W2) relativ zur Strömungshauptachse (L2) verlaufen, der geringer als 45°, vorzugsweise geringer als 20° ist.
5. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest die ersten Stege (27a) wenigstens dreimal so lang wie breit sind, wobei die Längen- und Breitenabmessungen jeweils parallel zu einer Planflächenebene der ersten Einzelplatte (2a) verlaufen.
6. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Stege (27a) eine größere Höhe gemessen senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte (2a) aufweisen als die zweiten Stege (37a).
7. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (21a) eine größere Erstreckung (Ei) als der zweite Abschnitt aufweist, wobei die Erstreckungen (Ei, E2) jeweils parallel zu der Strömungshauptachse (S) verlaufen, insbesondere wobei die Erstreckung (Ei) des ersten Abschnitts (21a) wenigstens dreimal so groß ist wie die Erstreckung (E2) des zweiten Abschnitts (22a).
8. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der zweiten Stege (37a) kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ersten Stege (27a) ist; und/oder wobei die Anzahl der ersten Stege (27a) weniger als die Hälfte der Anzahl der zweiten Stege (37a) beträgt.
9. Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsbereich (60) der ersten Einzelplatte (2a) einem Bereich der zweiten Einzelplatte (2b) gegenüberliegt, der zumindest Abschnitte einer Vielzahl von in der zweiten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen aufweist.
10. Elektrochemisches System (1), umfassend wenigstens eine Separatorplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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