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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellen werden typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebaut. Eine solche Brennstoffzelle, welche auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet wird, weist dabei zwischen den Einzelzellen Separatorplatten auf. Über diese Separatorplatten werden die Medien auf die Einzelzellen verteilt und häufig wird Kühlmedium durch die Separatorplatten geführt. Für die hier vorliegende Erfindung ist dabei lediglich die Oberfläche zur Verteilung der Medien in der Separatorplatte relevant. Diese weist typischerweise einen Durchbruch zur Zufuhr des jeweiligen Mediums auf sowie ein Strömungsfeld, über welches das Medium entlang der elektrochemisch aktiven Fläche der Einzelzelle geführt wird. Im Übergangsbereich zwischen dem Durchbruch und dem Strömungsfeld geht es darum, dass Medium möglichst gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Strömungsfeldes zu verteilen. Im Allgemeinen wird die Strömung deshalb von einem runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf einen sehr dünnen und breiten Querschnitt zwischen der jeweiligen Separatorplatte und einer zu ihr benachbarten Gasdiffusionslage bzw. Membranelektrodenanordnung aufgefächert.
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Die
US 2020/0203737 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang einen Übergangsbereich, welcher über einen Strömungskanal mit dem Durchbruch verbunden ist. Im Übergangsbereich selbst wird die Strömung auf eine große Breite aufgefächert, wozu Strömungsleitelemente zwischen dem Strömungskanal und dem Strömungsfeld in dem Übergangsbereich angeordnet sind. Diese sind mittig als Dreieck, welches mit seiner Spitze dem anströmenden Medium zugewandt ist, ausgebildet. Flankiert wird dieses Dreieck von schrägstehenden Strömungsleitelementen in Form von geraden Rippen, welche für eine Auffächerung der Strömung sorgen.
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Dieser Aufbau hat sich zwar grundsätzlich bewährt, zeigt in der Praxis jedoch gewisse Nachteile bei der Dauerfestigkeit der Separatorplatten, insbesondere im Bereich der Strömungsleitelemente.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine weiter verbesserte Separatorplatte für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Separatorplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Separatorplatte ist es so, dass diese im Übergangsbereich zwischen dem Durchbruch und dem eigentlichen Strömungsfeld Strömungsleitelemente zur Verteilung des Mediums auf das Strömungsfeld aufweist, wie die Separatorplatte aus dem Stand der Technik.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass diese Strömungsleitelemente an ihrer einer benachbarten Einheit wie beispielsweise der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zugewandten Oberfläche Vorsprünge zur Anlage an dieser benachbarten Einheit aufweisen. Die Strömungsleitelemente sind also nicht mit einer Oberfläche mit der durchgängig gleichen Höhe ausgestaltet, sondern weisen Vorsprünge an der Oberfläche auf. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser Aufbau die Wirkung der Strömungsleitelemente quasi nicht beeinflusst, jedoch durch die Verringerung der Kontaktfläche bei gegebenem unverändertem Druck die wirkenden Kräfte verringert. Durch diese Verringerung der Kontaktfläche und der Kräfte im Bereich der Strömungsleitelemente werden bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Separatorplatte die mechanischen Spannungen auf die Strömungsleitelemente der Separatorplatte reduziert. Dies führt einerseits bei vergleichbaren Abmessungen der Separatorplatte zu einer verringerten mechanischen Belastung und damit zu einer höheren Stabilität sowie andererseits zu einer längeren Haltbarkeit einer solchen Separatorplatte im Dauereinsatz.
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Diese Kombination aus verringerter mechanischer Spannung und erhöhter Dauerfestigkeit ist ein ganz entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Separatorplatte gegenüber den im eingangs genannten Stand der Technik genannten Aufbauten.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte kann es dabei vorgesehen sein, dass die Vorsprünge weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 60% der Oberfläche der Strömungsleitelemente ausmachen. Damit lässt sich bei gleichem auf die Elemente wirkenden Druck eine dementsprechende Verringerung der Kräfte auf weniger als die Hälfte erreichen.
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Die Vorsprünge stehen dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte lediglich um einen relativ geringen Betrag von typischerweise 0,1 mm oder weniger über die Oberfläche der Strömungsleitelemente über. Vorzugsweise beträgt der Überstand zwischen 0,03 und 0,1 mm, je nach Ausgestaltungn der benachbarten Einheit. Dies reicht aus, um den mechanischen Kontakt zu der benachbarten Einheit, beispielsweise der MEA bzw. einer Gasdiffusionslage derselben, entsprechend zu reduzieren. Gleichzeitig stellt dies sicher, dass die Strömungsleitelemente ihre Aufgabe zuverlässig übernehmen und in der Praxis quasi keine Querströmungen durch die zwischen den Vorsprüngen verbleibenden Flächen des Strömungsleitelements einerseits und der benachbarten Einheit andererseits auftreten.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte ist es so, dass in dem Übergangsbereich in Strömungsrichtung des Mediums nach dem das Medium auffächernden Strömungsleitelementen mehrere Reihen von Noppen angeordnet sind, welche eine offene Strömung mit Strömungskomponenten sowohl in Längs- als auch Querrichtung zulassen, um bei einer gleichzeitigen durch die Noppen verbesserten Vermischung des zuströmenden Mediums eine homogene Verteilung auf den gesamten Querschnitt der Kanäle des Strömungsfeldes zu erreichen.
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Dabei kann gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der Bereich mit den Strömungsleitelementen über einen Strömungskanal mit dem Durchbruch verbunden sein. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei so. dass der Strömungskanal, welcher häufig auch als Via bezeichnet wird, auf der den Strömungsleitelementen abgewandten Seite der Separatorplatte angeordnet ist und über wenigstens einen Schlitz in der Separatorplatte mit dem Bereich der Strömungsleitelemente verbunden ist. Der Strömungskanal bzw. die Via wandert bei dieser besonderen Ausgestaltung also auf die, wenn man die Strömungsleitelemente und das Strömungsfeld betrachtet, Rückseite der Separatorplatte. In diesem Bereich ist typischerweise relativ viel Platz, da hier Kanäle für das Kühlmedium ausgebildet sind, welche zusammen mit Kanälen auf einer zweiten umgekehrten Platte dann ein Strömungsfeld für das Kühlmedium ausbilden, wenn die beiden Separatorplatten Rücken an Rücken zu einer Bipolarplatte zusammengefügt sind. Benachbart zu den Druchbrüchen für die Gase bleibt dann aussreichend Bauraum für den jeweilige Strömungskanal (Via).
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Die äußeren Oberflächen der Bipolarplatte tragen dann auf der einen Seite ein Strömungsfeld für die Luft und auf der anderen Seite ein Strömungsfeld für den Wasserstoff. Diese können prinzipiell vergleichbar aufgebaut sein. Die Strömungskanäle können nun im Bereich dieser einander zugewandten Rückseiten realisiert werden, wo typischerweise mehr Bauraum zur Verfügung steht. Über Schlitze oder wenigstens einen Schlitz, wobei der Schlitz in einer bevorzugten Form der erfindungsgemäßen Separatorplatte von mehreren quer zur Strömungsrichtung des Mediums fluchtenden Schlitzen ausgebildet ist, erfolgt dann das Überströmen aus dem Strömungskanal in den Bereich der Strömungsleitelemente, welche die Strömung entsprechend auffächern und im weiteren Verlauf des Übergangsbereichs in der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung über die Noppen gleichmäßig auf den Aufbau des jeweiligen Strömungsfeldes verteilen.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine in Strömungsrichtung des Mediums in dem Strömungsfeld relativ kurze Platte bezogen auf die jeweils aktive Fläche der dazwischen angeordneten Brennstoffzellen. Würde die Via auf derselben Seite wie der Bereich mit den Strömungsleitelementen angeordnet, was prinzipiell auch möglich wäre und im eingangs genannten Stand der Technik gezeigt ist, dann würde der Aufbau hier etwas größer werden, was bezüglich des auf die aktive Fläche der Einzelzellen bezogenen Formats des Brennstoffzellenstapels jedoch als Nachteil zu sehen ist. Daneben, und auch das wirkt sich letztlich vorteilhaft auf die Größe der Separatorpalte aus, erleichtert der Aufbau mit der Via auf der Rückseite die Abdichtung, da die Via hier nicht durch die umlaufende Abdichtung der jeweilgen Plattenseite für den Sauerstoff und den Wasserstoff hindruchgeführt werden muss.
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Um die Strömung in der gewünschten Art und Weise aufzufächern, kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte auch vorgesehen sein, dass die Strömungsleitelemente ein mittiges mit seiner Spitze dem anströmenden Medium zugewandtes Dreieck und parallel zu dessen Schenkeln auf beiden Seiten jeweils mehrere gerade Rippen aufweisen. Dieser Aufbau ermöglicht eine gute Auffächerung der Strömung, welche über einen relativ schmalen Strömungskanal oder die den Strömungskanal mit dem Bereich mit den Strömungsleitelementen verbindenden Schlitze anströmt, auf eine relativ breite Fläche, mit welcher das eigentliche Strömungsfeld angeströmt werden sollte. Eine solche Strömung ermöglicht dann die Ausnutzung der gesamten Breite des Strömungsfeldes und damit eine relativ ideale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Fläche der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. ihrer MEA.
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Entscheidend für die verbesserte Funktion ist dabei vor allem das Auffächern der Strömung auf der Seite des zuströmenden Mediums. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass im Bereich des aus dem Strömungsfeld bzw, der Separatorpaltte abströmenden Mediums analoge Strömungsleitelemente zum Sammeln des abströmenden Mediums angeordnet sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Separatorplatte in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der
- Technik;
- 2 einen Teil einer erfindungsgemäß ausgestalteten Separatorplatte;
- 3 eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnitts aus der Darstellung in 2; und
- 4 eine Schnittdarstellung durch eines der Strömungsleitelemente.
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In der Darstellung der 1 ist eine Separatorplatte 1 in einer möglichen Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Diese Figur dient zur allgemeinen Erläuterung der Funktion einer Separatorplatte 1. Sie entspricht dabei nicht dem in der Erfindungsmeldung eingangs genannten Stand der Technik, sondern stellt einen anderen Stand der Technik dar, welcher zur Erläuterung der Funktionalität jedoch ebenso geeignet ist. Eine solche Separatorplatte 1 ist typischerweise ein Teil einer Bipolarplatte, welche aus zwei derartigen Separatorplatten 1 aufgebaut wird. Diese werden dann zusammen mit Membranelektrodenanordnungen (MEA) zu dem Brennstoffzellenstapel gestapelt, was dem Fachmann allgemein bekannt ist.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es nun so. dass die Separatorplatte 1, hier am Beispiel ihrer Sauerstoffseite, entsprechend erläutert wird. Der Sauerstoff als eines der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Medien strömt dabei, wie es durch den Pfeil unterhalb der Darstellung in 1 gezeigt ist. von links nach rechts. Über einen Durchbruch 2 wird der Sauerstoff zugeführt, über einen Durchbruch 3 gelangt er wieder aus dem System. Die aufgestapelten Separatorplatten 1 bzw. die aus ihnen gebildeten Bipolarplatten weisen diese Durchbrüche 2, 3 sowie die anderen später noch erläuterten Durchbrüche jeweils fluchtend auf, sodass diese durch den Stapel durchlaufende Kanäle zur Verteilung und zum Sammeln des Mediums ausbilden.
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Auf der Rückseite der in 1 dargestellten Seite der Separatorplatte befindet sich nun ein gestrichelt angedeuteter Strömungskanal, 4 welcher den Durchbruch 2 mit einem Schlitz 5 verbindet. Über diesen Schlitz strömt das Medium dann auf die Vorderseite in einen mit Noppen 6 versehenen Abschnitt 15 eines Übergangsbereichs, bevor es die parallelen Kanäle des eigentlichen Strömungsfeldes 7 durchströmt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Strömungsfelds 7 folgt wieder der Bereich mit den Noppen 6, bevor das Medium durch einen weiteren Schlitz 8 gesammelt abströmt und über die Rückseite der Separatorplatte 1 in den Durchbruch 3 gelangt, durch welchen die an Sauerstoff abgereicherte Abluft dann den Brennstoffzellenstapel verlässt.
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Die beiden Durchbrüche 9, 10 dienen zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium, welches in entsprechenden Kühlmedienkanälen auf der Rückseite der hier dargestellten Separatorplatte 1 strömt. Die mit 11 und 12 bezeichneten Durchbrüche dienen der Zufuhr und der Abfuhr von Wasserstoff und Anodenabgas auf einer benachbarten Separatorplatte 1, welche zur Ausgestaltung einer Bipolarplatte mit der hier gezeigten Separatorplatte 1 Rücken an Rücken verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt, wird.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nun in der Darstellung der 2 zu erkennen. Dabei ist lediglich die Durchbrüche 2, 9 und 11 und ein Teil des Strömungsfeldes 7 sowie der dazwischen angeordnete Übergangsbereich dargestellt. Über einen wiederum gestrichelt angedeuteten Strömungskanal 4 auf der Rückseite der Separatorplatte 1 strömt das Medium vom Durchbruch 2 zu den Schlitzen 5, welche hier in Form von drei fluchtend aufeinanderfolgenden Schlitzen 5 ausgebildet sind. Im Anschluss an das Ausströmen durch diese Schlitze 5 des Mediums auf der Seite, auf welche die Darstellung in 2 blickt, folgen dann Strömungsleitelemente13, von welchen lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Diese Strömungsleitelemente 13 sind in der Art von geraden Strömungsleitelementen 13 angeordnet und sind benachbart zu einem in der Mitte als Dreieck angeordneten Strömungsleitelement 13' ausgebildet. Sie sind im Wesentlichen parallel zu den Schenkeln dieses Dreiecks als Strömungsleitelement 13', welches mit seiner Spitze in Richtung der anströmenden Medien ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung der Strömungsleitelemente 13 und des Strömungsleitelements 13' ergibt sich eine gute Auffächerung der Strömung. Anschließend wird diese in dem mit den Noppen 6 versehenen Abschnitt 15 aufgefächert und auf die einzelnen Kanäle des Strömungsfeldes 7 gleichmäßig verteilt. Jedes einzelne der Strömungsleitelemente 13, 13' weist dabei Vorsprünge auf, welche hier lediglich an dem Strömungsleitelement 13' mit einem Bezugszeichen 14 versehen sind. Diese dienen dazu, bei unverändertem Druck in Stapelrichtung der aufgestapelten Separatorplatten 1 und MEAs die eingetragenen Kräfte zu minimieren.
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In der vergrößerten dreidimensionalen Darstellung der 3 ist zu erkennen, dass die einzelnen Strömungsleitelemente 13 beispielsweise zwei und das dreieckige Strömungsleitelement 13' jeweils drei dieser Vorsprünge 14 tragen. Sie verringern also die Auflagefläche, auf dem die MEA benachbart zu der Separatorplatte 1 zu liegen kommt. Die Oberfläche der Vorsprünge 14 beträgt dabei vorzugsweise weniger als 60% der Gesamtoberfläche der Strömungsleitelemente 13, 13'. Damit lassen sich bei gleichem Druck die Kräfte um dasselbe Maß reduzieren, da Kraft und Fläche bei konstantem Druck proportional zueinander sind.
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In der Darstellung der 4 ist nun ein Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 3 zu erkennen. Das Strömungsleitelement 13 weist hier eine Gesamthöhe H auf, welche gegenüber der tiefsten Stelle der Separatorplatte 1 entsprechend gemessen ist. Gegenüber dieser Oberfläche 16 des Strömungsleitelements 13 mit der Höhe H gegenüber dem mit 17 bezeichneten Grund der Strömungsleitgeometrie stehen nun die beiden Vorsprünge 14 hervor. Die Höhe der Vorsprünge 14 gegenüber der Höhe H ist hier mit h bezeichnet. Die Höhe h beträgt von der gesamten Höhe H+h nur wenige Prozent, beispielsweise 10 bis 20%. Hierdurch wird eine ausreichende Entlastung der Oberfläche 16 zwischen den Vorsprüngen 14 von mechanischer Spannung erreicht und andererseits bleibt der Aufbau so, dass eine Querströmung des Mediums über das Strömungsleitelement 13 oder 13' hinweg, hier also in die Blattebene hinein oder aus dieser heraus, weitgehend verhindert wird. Die Wirkung der Strömungsleitelemente 13, 13' wird also nicht nachteilig beeinflusst, sehr wohl aber werden die auf sie einwirkende einwirkenden Kräfte reduziert, sodass bei gleicher Materialauswahl und gleicher Materialstärke der Separatorplatte 1 eine bessere Dauerfestigkeit derselben erzielt werden kann.
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Ein vergleichbarer Aufbau zum Sammeln des Mediums ließe sich optinal auch auf der gegenüberliegenden Seite des Strömungsfeldes 7 realisieren. Über analoge Strömungsleitelemente 13, 13' ließe sich so das Medium zwischen dem Abschnitt 15 und dem dortigen Schlitz, welche in 1 mit 8 bezeichnet ist, umsetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2020/0203737 A1 [0003]
