DE102022203540A1

DE102022203540A1 - Separatorplatte mit homogenisierter sickenkraft im portbereich

Info

Publication number: DE102022203540A1
Application number: DE102022203540.2A
Authority: DE
Inventors: Andre Speidel; Bernd Gaugler
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2022-10-20
Also published as: US20220336825A1; CN115224297A; DE202021102059U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, eine Bipolarplatte mit zwei derartigen Separatorplatten, sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von derartigen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie oder um einen Elektrolyseur handeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, eine Bipolarplatte mit zwei derartigen Separatorplatten, sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von derartigen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie oder um einen Elektrolyseur handeln.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils zwischen den Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der indirekten 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 Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten einzelnen Separatorplatten gebildet. Die Separatorplatten der Bipolarplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Bipolarplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Bipolarplatte aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten der Bipolarplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
Ferner weisen die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine oder mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Bipolarplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten der Bipolarplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden. Die Durchgangsöffnungen sind in der Regel fluchtend zueinander angeordnet und bilden Fluidleitungen, welche sich in Stapelrichtung, also senkrecht zu den Plattenebenen der jeweiligen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten, erstrecken.
Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektrodeneinheit erfolgt üblicherweise außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs und umfasst üblicherweise sowohl mindestens eine um die Durchgangsöffnung angeordnete Portabdichtung sowie eine Außenabdichtung, welche als Sickenanordnungen ausgebildet sein können. Zumindest die Portabdichtungen, in einigen Fällen auch die Außenabdichtung, sollen oft jedoch eine gezielte lokale Passage von Medien von der Durchgangsöffnung zum bzw. vom elektrochemisch aktiven Bereich ermöglichen. Hierzu können Sickenanordnungen Durchführungen aufweisen, die entweder als Öffnungen oder als Anhebungen ihrer Flanken ausgeführt sein können.
Um eine gute Effizienz des elektrochemischen Systems zu gewährleisten, ist es normalerweise vorteilhaft, die Fläche des elektrochemisch aktiven Bereichs der Separatorplatte bzw. der Bipolarplatte möglichst groß auszulegen und den Anteil der Fläche anderer Strukturen wie der Durchgangsöffnungen möglichst gering zu halten. Um die Fläche der Separatorplatte möglichst effizient zu benutzen, können zum Beispiel statt kreisrunder Durchgangsöffnungen andersgeformte wie vieleckige, insbesondere rechteckige, Durchgangsöffnungen vorgesehen werden. Die zugehörige um die Durchgangsöffnung laufende Portabdichtung hat dann üblicherweise eine entsprechende vieleckige bzw. rechteckige Form.
Allgemein ist eine Sickensteifigkeit einer Sickenanordnung bedingt durch eine Form und einen Verlauf von benachbarten Elementen, beispielsweise einen an die Sickenanordnung angrenzenden Rand, entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung nicht konstant. Weiter ergeben sich durch unterschiedliche Verlaufsformen, beispielsweise gerade oder gekrümmte Abschnitte, der Sickenanordnung unterschiedliche Sickensteifigkeiten in Abschnitten unterschiedlicher Verlaufsform. Durch die vorgenannten Einflussfaktoren kann die Elastizität der Sickenanordnungen lokal zu- oder abnehmen, was wiederum einen negativen Einfluss auf die eigentliche Verpressung der jeweiligen Sickenanordnung in ihren verschiedenen Abschnitten haben kann. Hierbei besteht das Risiko, dass Medien in Bereichen geringerer Verpressung durch die Sickenanordnung hindurch strömen bzw. dass Betriebsmedien in den Innenraum der Bipolarplatte hinein fließen und Kühlmittel in den Außenraum der Bipolarplatte. Die betreffenden Medien gehen dabei einerseits für den Betrieb des elektrochemischen Systems verloren und können gegebenenfalls unkontrollierte Reaktionen auslösen, die das System beschädigen können. Andererseits besteht das Risiko, dass Kühlmittel in den Bereich der Betriebsmedien gelangt und dort beispielsweise die MEA beschädigt.
Aufgrund der großen Anzahl an Bipolarplatten bzw. Einzelplatten in einem Stapel kann ein geringer Unterschied in der Verpressung und Rückfederung der Sickenanordnung entlang ihres Verlaufs in einer einzigen Bipolarplatte bzw. in einer einzigen Separatorplatte zu einer relativ großen Differenz in der Rückfederung der in Serie geschalteten Sickenanordnungen führen, so dass geringe Unterschiede bei den einzelnen Separatorplatten sich signifikant auf die Dichtigkeit des gesamten Stapels auswirken.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Separatorplatte bzw. eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die einen möglichst effizienten Betrieb des elektrochemischen Systems gewährleistet. Außerdem soll ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Separatorplatte, die Bipolarplatte und das elektrochemische System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche sowie Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung.
Die Separatorplatte für ein elektrochemisches System umfasst

- mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchführen eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung begrenzenden Kante, wobei die Kante mindestens einen Eckbereich mit einem gekrümmten Verlauf und einen an den Eckbereich angrenzenden ersten Bereich mit einem geraden ersten Verlauf aufweist; und
- eine um den Eckbereich und den ersten Bereich laufende Sickenanordnung.

Zwischen der Sickenanordnung und der Kante ist ein Randabschnitt aufgespannt, sodass die Sickenanordnung zur Kante beabstandet ist, wobei der Randabschnitt im Eckbereich eine Ausnehmung aufweist, sodass ein minimaler Abstand der Sickenanordnung zur Kante im Eckbereich kleiner ist als im ersten Bereich. Beispielsweise kann der kleinste Abstand der Kante zum Sickenfuß im ersten Bereich 2 mm betragen, während die entsprechende Breite des Randbereichs im schmalsten Bereich des Eckbereichs 0,2 mm betragen kann. Der Randbereich kann also im Eckbereich auf 1/10 seiner Breite im ersten Bereich reduziert werden.
Bedingt durch eine Form der Durchgangsöffnung im Eckbereich hat die Sickenanordnung dort typischerweise eine stärkere Krümmung, was in der Regel zu einer größeren Steifigkeit der Sickenanordnung in diesem Bereich führt, insbesondere erhöht sich die Druckspannung. Durch das Vorsehen der Ausnehmung im Randabschnitt kann verhindert werden, dass sich dort Druckspannungen im Material der Separatorplatte aufbauen. Somit kann eine lokale Steifigkeit der Sickenanordnung im Eckbereich der Durchgangsöffnung verringert werden, wodurch eine gleichmäßigere Kraftverteilung auf die Sickenanordnung erreicht werden kann, wenn die Separatorplatte im elektrochemischen System verbaut ist. So kann besser gewährleistet werden, dass die in einem elektrochemischen System verbaute Separatorplatte und eine benachbarte Separatorplatte sich einander im Bereich der Sickenanordnung umlaufend im Wesentlichen gleichförmig kontaktieren. Dadurch, dass die Verpressungskraft um die Sickenanordnung herum homogenisiert wird, können ungewollte lokale Deformationen der Separatorplatte verringert werden. Ungewollte Kontakte zwischen benachbarten Bipolarplatten werden vermieden, so dass eine bessere Absicherung gegen Kurzschlüsse gegeben ist. Insgesamt kann also die Funktionssicherheit der Sickenanordnung verbessert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung einem konkaven Abschnitt der Sickenanordnung zugewandt ist. Die Kante kann im Bereich der Ausnehmung beispielsweise ebenfalls einen konkaven Verlauf aufweisen, wobei beispielsweise ein Radius des konkaven Verlaufs der Kante vorzugsweise kleiner sein kann als ein Radius des Sickenverlaufs. Die Kante kann im Bereich der Ausnehmung jedoch auch einen Verlauf aufweisen, in dem sich mindestens ein konvexer Bereich, mindestens ein konkaver Bereich und mindestens ein konvexer Bereich abwechseln. Die Übergänge sind dabei üblicherweise fließend. Die konvexen Bereiche der Ausnehmung grenzen typischerweise direkt an den Bereich der Kante an, welcher einen geraden Verlauf aufweist und keine Ausnehmung aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Krümmungsradius der Ausnehmung, insbesondere im konkaven Abschnitt, mindestens 3 mm beträgt und/oder ein Krümmungsradius des Verlaufs der Sickenanordnung bezogen auf die neutrale Faser der Sicke im Bereich der Ausnehmung mindestens 5 mm beträgt. Die Kante kann im Bereich der Ausnehmung zumindest abschnittsweise einem Kreissegment, einem Segment eines Ovals oder einem Segment einer Ellipse folgen. Optional weisen die Kante und die Sickenanordnung im Bereich der Ausnehmung abschnittsweise einen gleichen Verlauf auf, sodass dort der minimale Abstand der Sickenanordnung zur Kante konstant ist.
Im ersten Bereich kann eine Versteifungsstruktur zum Verstärken des Randabschnitts vorgesehen sein. Im Eckbereich ist im Regelfall aufgrund der Ausnehmung keine derartige Versteifungsstruktur gegeben. Zum einen ist wegen der Ausnehmung meistens kein Platz für eine derartige Versteifungsstruktur. Zum anderen ist gerade im Eckbereich eine Verringerung der Steifigkeit gewollt. Die Kante kann zur Ausbildung der Versteifungsstruktur zumindest bereichsweise aus einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene herausragen, insbesondere gezielt aus der Ebene, in der die Sicke in den Randabschnitt übergeht, nachfolgend auch als Plattenebene der Separatorplatte bezeichnet, heraus umgeformt sein. Optional bildet die aus der Plattenebene herausragende Kante mit einem ebenfalls aus der vorgenannten Ebene heraus umgeformten Abschnitt des Randabschnitts, insbesondere einem Abschnitt, der zur Sicke beabstandet ist und entlang der Kante verläuft, die Versteifungsstruktur für den Randabschnitt. Normalweise umfasst der Randabschnitt zwischen der Kante und der Sickenanordnung mindestens einen Bereich, welcher in der durch die Separatorplatte definierten Plattenebene liegt. Dieser Bereich kann als Kontaktbereich fungieren, in dem die Separatorplatte eine weitere Separatorplatte kontaktiert.
Optional weist die Sickenanordnung in einem dem ersten Bereich zugewandten Abschnitt einen periodischen Verlauf, vorzugsweise einen wellenförmigen Verlauf, oder einen geraden Verlauf auf. Die Sickenanordnung bzw. eine Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung verläuft in diesem ersten Bereich in der Regel parallel zur Kante der Durchgangsöffnung. Die Sickenanordnung kann überall mit Ausnahme des Eckbereichs, ggf. auch mit Ausnahme mehrerer Eckbereiche den genannten periodischen oder geraden Verlauf aufweisen oder einen Wechsel aus periodischen und geraden Verlaufsabschnitten aufweisen. Oftmals hat die Sickenanordnung in einem der Ausnehmung zugewandten Abschnitt einen bogenförmigen Verlauf.
Die Sickenanordnung ist in der Regel als Prägestruktur ausgestaltet und kann als solche z.B. durch Hydroforming, Prägen und/oder Tiefziehen in das Material der Separatorplatte eingeformt werden. Die Sickenanordnung ist somit integral mit dem Material der Separatorplatte gebildet. Die Separatorplatten können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Sie können dabei zumindest abschnittsweise auch beschichtet sein. Die Sickenanordnung kann zum Beispiel folgende Merkmale aufweisen:

- ein im Wesentlichen flaches Sickendach, mindestens eine an das Sickendach angrenzende Sickenflanke und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß oder
- ein gebogenes Sickendach, das unmittelbar in gewölbte oder gerade Sickenflanken übergeht und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß.

Optional weist die Kante einen an den Eckbereich angrenzenden zweiten Bereich mit einem geraden zweiten Verlauf auf, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich an unterschiedliche Seiten des Eckbereichs angrenzen, also beidseitig des Eckbereichs angeordnet sind. Oben genannte Merkmale des ersten Bereichs mit dem geraden ersten Verlauf können auch für den zweiten Bereich mit dem geraden zweiten Verlauf gelten und beansprucht werden. Weiter können oben genannte Merkmale der Sickenanordnung und/oder der Ausnehmung, welche im Zusammenhang mit dem ersten Bereich genannt wurden, auch mit im Zusammenhang mit dem zweiten Bereich gelten und beansprucht werden.
Der erste Bereich mit dem geraden ersten Verlauf und der zweite Bereich mit dem geraden zweiten Verlauf sind üblicherweise winklig zueinander ausgerichtet und schließen einen ersten Winkel ein. Insbesondere wenn die Ausnehmung als Kreissegment ausgebildet ist, kann die Kante im Bereich der Ausnehmung einen Umfangswinkel aufspannen. Der genannte Umfangswinkel kann aber auch für andersgeformte Ausnehmungen definiert werden. Ein Umfangswinkel der Kante im Bereich der Ausnehmung ist oftmals größer als der genannte erste Winkel, zum Beispiel mindestens 10% oder mindestens 20% größer.
Die Durchgangsöffnung kann eine im Wesentlichen vieleckige Form aufweisen, beispielsweise dreieckig, viereckig, rechteckig, quadratisch, fünfeckig oder sechseckig, und als Polygon, beispielsweise als regelmäßiges oder unregelmäßiges Polygon, ausgestaltet sein. Für ein regelmäßiges n-Eck mit n > 2 kann der genannte erste Winkel (n - 2)/n * 180° betragen. Die Seiten des Vielecks haben üblicherweise einen geraden Verlauf, vgl. den oben genannten ersten Bereich und den oben genannten zweiten Bereich. In mindestens einem, vorzugsweise in jedem Eckbereich des Vielecks, welcher durch die Sickenanordnung umgeben wird, kann der zugehörige Randabschnitt die genannte Ausnehmung aufweisen.
Die Sickenanordnungen, die die Durchgangsöffnungen umgeben, können zur gezielten lokalen Passage von Medien von der Durchgangsöffnung zum bzw. vom elektrochemisch aktiven Bereich Durchführungen aufweisen, die beispielsweise als Öffnungen oder als Anhebungen der Sickenflanken ausgeführt sein können. Diese sind vorzugsweise nicht in Eckbereichen angeordnet, können aber in Einzelfällen auch in Eckbereichen angeordnet sein.
Außerdem wird eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Bipolarplatte umfasst zwei miteinander verbundene Separatorplatten jeweils der zuvor beschriebenen Art. Hierbei sind die Durchgangsöffnungen und die Ausnehmungen der Separatorplatten fluchtend zueinander angeordnet, wobei die Sickenanordnungen der Separatorplatten voneinander wegweisen. Die Separatorplatten der Bipolarplatte bilden üblicherweise einen Innenraum, welcher ausgestaltet ist, eine Kühlflüssigkeit zu speichern bzw. diese durchzuleiten.
Es kann vorgesehen sein, dass die zwischen der Sickenanordnung und der Kante aufgespannten Randabschnitte der jeweiligen Separatorplatten in dem jeweiligen ersten Bereich mittels mindestens einer Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Im Eckbereich ist aufgrund der Ausnehmungen der Randabschnitte meistens keine Schweißverbindung vorgesehen. Die mindestens eine Schweißverbindung kann optional eine durchgehende Schweißnaht oder mehrere aneinander gereihte voneinander beabstandete Schweißabschnitte umfassen. Die Schweißverbindung kann insbesondere in dem oben genannten Kontaktbereich vorgesehen sein. Diese Schweißverbindung ist üblicherweise unabhängig von einer auf der anderen Seite der Sicke angeordneten, umlaufenden Schweißverbindung, also zusätzlich vorgesehen.
Des Weiteren wird ein elektrochemisches System bereitgestellt. Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten der oben beschriebenen Art und/oder eine Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten der oben erwähnten Art, wobei zwischen benachbarten Bipolarplatten elektrochemische Zellen ausgebildet sind. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie oder um einen Elektrolyseur handeln.
Ausführungsbeispiele der Separatorplatte, der Bipolarplatte und des elektrochemischen Systems sind in den beigefügten Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA) gemäß dem Stand der Technik;
3 schematisch in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik;
4 in drei 4A, 4B, 4C schematisch einen Ausschnitt einer Separatorplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer Ausführungsform in Draufsicht und zwei Schnittansichten;
5 schematisch einen Ausschnitt einer Separatorplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 in drei 6A, 6B, 6C schematisch einen Ausschnitt einer Separatorplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer weiteren Ausführungsform in Draufsicht und zwei Schnittansichten; und
7 schematisch einen Ausschnitt einer Separatorplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 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 Bipolarplatten 2 des Stapels schließen also 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 Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) angeordnet (siehe z. B. 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, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter 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 Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, in der sich die sie bildenden Separatorplatten berühren. Auch die Separatorplatten bilden in ihren nicht-umgeformten Bereichen ihre eigene Plattenebene, wobei die Plattenebenen sowohl der Bipolarplatten als auch der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur 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 Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
2 zeigt perspektivisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte benachbarte Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet oder verklebt sein, insbesondere durch Laserschweißverbindungen verbunden sein. Einander benachbarte Bipolarplatten 2 begrenzen jeweils eine elektrochemische Zelle.
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-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. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen jeweils parallel zur Plattenebene ausgebildet. Die miteinander fluchtenden Durchgangsöffnungen der aufeinander folgenden Bipolarplatten eines Stapels bilden gemeinsam eine Leitung in Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Plattenebene.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen 16 zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 also als medienleitende Prägestrukturen aufgefasst werden.
Die Dichtsicken 12a-12c weisen Durchführungen 13a-13c auf, von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Separatorplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgeführt sind, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Separatorplatte 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteilbereich, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a, diese Durchführungen 13b sind durch dem Verteilbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Perforationen charakterisiert. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteilbereich, so dass Luft in den Verteilbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die zugehörigen Perforationen sind hier nicht sichtbar.
Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen 16 des aktiven Bereichs 18, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Tiefzieh- oder Hydroformingprozess. Dasselbe gilt üblicherweise für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b. Außerhalb des von der Perimetersicke 12d umgebenen Bereichs ergibt sich in jeder Separatorplatte 2a, 2b ein Außenrandbereich 22, in dem keine Kanäle angeordnet sind. Der Außenrandbereich 22 ist oftmals flach und verläuft im Wesentlichen parallel zur Plattenebene der jeweiligen Separatorplatte 2a, 2b.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und über das Strömungsfeld 17 im aktiven Bereich 18 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Separatorplatten 2a miteinander in Fluidverbindung. 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, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Separatorplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 2, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Bipolarplatte 2.
Die Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 können z. B. jeweils aus einem Edelstahlblech mit einer Stärke von weniger als 100 µm gebildet sein. Die Bipolarplatte 2 hat in der Regel eine im Wesentlichen rechteckige Form.
3 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Bipolarplatte 2 gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht. Die Bipolarplatte 2 gemäß der 3 ist wie die Bipolarplatte 2 gemäß 2 aus genau zwei metallenen Separatorplatten 2a, 2b zusammengefügt, wobei die Separatorplatte 2b durch die dem Betrachter der 3 zugewandte Separatorplatte 2a verdeckt ist.
Die Bipolarplatte 2 weist ebenfalls Durchgangsöffnungen 11a-c zum Durchleiten von Medien durch die Bipolarplatte 2 auf. Dabei sind jeweils die Durchgangsöffnungen 11a-c an einander gegenüber liegenden Seiten oder Enden der Bipolarplatte 2 miteinander in Fluidverbindung. Jede der Durchgangsöffnungen 11a-c wird von einer Dichtsicke 12a, 12b, 12c umlaufen, die zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c ausgebildet sind. Die Dichtsicken 12a-c werden manchmal als Portabdichtungen bezeichnet. Zudem weist die Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 eine Perimetersicke 12d auf. Im Unterschied zur Perimetersicke 12d der Bipolarplatte 2 gemäß 2 umläuft die Perimetersicke 12d der Bipolarplatte 2 gemäß der 3 nicht nur den aktiven Bereich 18, die Verteil- oder Sammelbereiche 20 und die Durchgangsöffnungen 11b und 11c, sondern zusätzlich auch die Durchgangsöffnungen 11a, sie umschließt also sämtliche der Durchgangsöffnungen 11a-11c.
Im Gegensatz zur Bipolarplatte 2 gemäß 2 haben die Verteil- oder Sammelbereiche 20 der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 gemäß der 3 ebenfalls eine rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige Form, wobei die Ränder der Verteil- oder Sammelbereiche 20 parallel zu den Seitenkanten der Bipolarplatte 2 verlaufen. Die Verteil- und Sammelbereiche 20 weisen Verteilstrukturen auf, die dazu ausgebildet sind, von der Durchgangsöffnung 11b zum aktiven Bereich 18 strömendes Medium möglichst homogen über den aktiven Bereich 18 zu verteilen oder vom aktiven Bereich 18 zur Durchgangsöffnung 11b strömendes Medium zu sammeln. Die Verteilstrukturen der Verteil- oder Sammelbereiche 20 umfassen bei der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 in 3 noppenartige Erhebungen anstelle von linearen Kanälen und Stegen.
Ähnlich wie in der 2, sind bei der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 der 3 die mit 11a bezeichneten zweiten Durchgangsöffnungen über Durchführungen 13a durch die Dichtsicken 12a und über einen von den Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 eingeschlossenen, in der Draufsicht nicht sichtbaren Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Die mit 11c bezeichneten Durchgangsöffnungen der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 sind über Durchführungen 13c durch die Dichtsicken 12c und über Verteil- und Sammelbereiche 20 sowie über einen aktiven Bereich 18 der in 3 verdeckten Separatorplatte 2b miteinander in Fluidverbindung.
Abweichend von der 2 haben die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form. Die Durchgangsöffnungen 11a-c werden jeweils durch eine Kante 23a-c begrenzt, wobei die Kante 23a-c jeweils vier Eckbereiche 27 mit einem gekrümmten Verlauf und vier dazwischenliegende Bereiche 26 mit einem geraden Verlauf aufweisen. Zwischen der Dichtsicke 12a-c und der Kante 23a-c ist ein Randabschnitt 28 aufgespannt, sodass die Dichtsicke 12a-c zur Kante 23a-c beabstandet ist. Die Kanten 23a-c der Durchgangsöffnungen 11a-c können parallel zu den Seitenkanten der Bipolarplatte 2 ausgerichtet sein. Entlang der y-Richtung 9 und damit quer zur Längsrichtung der Bipolarplatte 2 sind die Durchgangsöffnungen 11a-c nebeneinander angeordnet und entlang der x-Richtung 8 symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zueinander ausgerichtet. Durch die rechteckige Form der Durchgangsöffnungen 11a-c kann eine Fläche der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b im Vergleich zu den runden Durchgangsöffnungen 11a-c der 2 besser ausgenutzt werden. Insbesondere lässt sich hierdurch eine durch den Außenrandbereich 22 verwendete Fläche reduzieren bzw. minimieren.
Bedingt durch die runde Form ihrer zugeordneten Durchgangsöffnungen 11a-c haben die Dichtsicken 12a-c der Bipolarplatte 2 bzw. Separatorplatten 2a, 2b gemäß der 2 in der Regel ebenfalls einen runden Verlauf. Hierdurch ist eine Verpressung der Dichtsicken 12a-c der im System 1 verbauten Bipolarplatten 2 im Wesentlichen gleichmäßig entlang ihrer Erstreckungsrichtung.
Aufgrund der im Wesentlichen rechteckigen Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b der 3 haben die zugeordneten Dichtsicken 12a-c im Regelfall ebenfalls einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf, welcher sich aus vier Teilabschnitten 24 und vier Eckbereichen 25 zusammensetzt. Durch die gekrümmte bzw. gebogene Verlaufsform der Dichtsicken 12a-c in ihren Eckbereichen 25 haben die Dichtsicken 12a-c dort typischerweise eine größere Steifigkeit als in ihren Teilabschnitten 24, welche oftmals einen geraden Verlauf aufweisen. Die Dichtsicken 12a-c haben somit insbesondere im verbauten Zustand der Bipolarplatte 2, also insbesondere im Stapel 6, eine variierende Verpressung bzw. Rückfederung entlang ihres Verlaufs.
Aufgrund der großen Anzahl an Bipolarplatten 2 bzw. Einzelplatten 2a, 2b im Stapel 6 kann ein geringer Unterschied in der Verpressung und Rückfederung der jeweiligen Dichtsicke 12a-c entlang ihres Verlaufs in einer einzigen Bipolarplatte 2 bzw. in einer einzigen metallischen Separatorplatte 2a, 2b zu einer relativ großen Differenz in der Rückfederung der in Serie geschalteten Dichtsicken 12a-c führen, so dass geringe Unterschiede bei den einzelnen Separatorplatten 2a, 2b sich signifikant auf die Dichtigkeit des gesamten Stapels 6 auswirken können.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um einerseits die Fläche der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b möglichst effizient auszunutzen und andererseits eine möglichst gute Dichtigkeit im Bereich der Durchgangsöffnungen 11a-c zu gewährleisten.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in 4-7 gezeigt, wobei hier der Übersicht halber nur einen Ausschnitt einer der Durchgangsöffnungen 11a-c gezeigt ist. Um klarzustellen, dass es sich hierbei um jede der Durchgangsöffnungen 11a-c handeln kann, werden im Folgenden die Elemente 11 und 12 ohne die oben verwendeten kennzeichnenden Buchstaben a, b oder c verwendet.
Aus den 4-7 geht hervor, dass die Durchgangsöffnung 11 eine die Durchgangsöffnung 11 begrenzende Kante 23 aufweist, wobei die Kante 23 mindestens einen Eckbereich 27 mit einem gekrümmten Verlauf und einen an den Eckbereich 27 angrenzenden ersten Bereich 26 mit einem geraden ersten Verlauf aufweist. In der Regel schließt sich auf der anderen Seite des Eckbereichs 27 ein zweiter Bereich 26 mit einem geraden zweiten Verlauf an. Mit anderen Worten grenzen der erste Bereich 26 und der zweite Bereich 26 beidseitig an den Eckbereich 27 an. Aufgrund ihrer strukturellen und funktionalen Ähnlichkeit haben beide gerade Bereiche 26 das gleiche Bezugszeichen. Merkmale, die im Folgenden nur in Bezug auf den ersten Bereich 26 genannt werden, können auch für den zweiten Bereich 26 gelten, und andersherum.
Weiter ist eine um den Eckbereich 27, den ersten Bereich 26 und den zweiten Bereich 26 laufende Sickenanordnung 12 in Gestalt einer Dichtsicke vorgesehen. Zwischen der Sickenanordnung 12 und der Kante 23 ist ein Randabschnitt 28 aufgespannt, sodass die Sickenanordnung 12 zur Kante 23 beabstandet ist. Der Randabschnitt 28 weist im Eckbereich 27 eine Ausnehmung 30 auf, sodass ein minimaler Abstand d₁ der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im Eckbereich 27 kleiner ist als ein minimaler Abstand d₂ der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im angrenzenden Bereich 26 mit dem geraden Verlauf. Durch den reduzierten Abstand d₁ der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 kann eine Steifigkeit des Eckbereichs 25 der Sickenanordnung 12 im Eckbereich 27 der Durchgangsöffnung 11 reduziert werden, und an die Steifigkeit des angrenzenden Teilabschnitts 24 der Sickenanordnung 12 angepasst werden.
In den 4A, 6A und 7 ist erkennbar, dass die Ausnehmung 30 einem konkaven Abschnitt der Sickenanordnung 12 zugewandt ist. In der 5 ist die Ausnehmung 30 aufgrund des wellenförmigen Verlaufs der dortigen Sicke 12 auch im Eckbereich 25 gleich mehreren konkaven Abschnitten der Sickenanordnung 12 zugewandt.
Die Kante 23 hat im Bereich der Ausnehmung 30 in der Regel einen mittleren konkaven Bereich 32, welcher beidseitig durch konvexe Bereiche 31, 33 flankiert wird. Die konvexen Bereiche 31, 33 der Kante 23 grenzen jeweils direkt an die geraden Abschnitte 26 der Kante 23 an. In einer optionalen Ausgestaltung weisen die Kante 23 und die Sickenanordnung 12 im Bereich der Ausnehmung 30 abschnittsweise einen gleichen oder ähnlichen Verlauf auf, sodass dort der minimale Abstand d₁ der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 konstant ist. Eine derartige Ausgestaltung ist zum Beispiel den 4A, 4C und 7 zu entnehmen.
Die Kante 23 kann im Bereich der Ausnehmung 30 zumindest abschnittsweise einem Kreissegment, einem Segment eines Ovals oder einem Segment einer Ellipse folgen. Ein Krümmungsradius der Ausnehmung 30 kann folglich bereichsweise konstant sein (z.B. im Falle eines Kreissegments) oder sich entlang der Kante 23 variieren. In manchen Ausführungsformen beträgt der Krümmungsradius der Ausnehmung 30 mindestens 3 mm. Bei einer eher schlitzförmigen Ausnehmung, wie in 6A dargestellt, kann der Krümmungsradius auch weniger als 3 mm betragen, er sollte 0,5mm jedoch nicht unterschreiten. Dadurch, dass die Sickenanordnung 12 um die Ausnehmung herum angeordnet ist und weiter außen liegt, ist deren Krümmungsradius in der Regel größer. Es kann vorgesehen sein, dass ein Krümmungsradius des Verlaufs der Sickenanordnung 12 bezogen auf die neutrale Faser N der Sickenanordnung 12 im Bereich der Ausnehmung 30 mindestens 5 mm beträgt.
Die gerade verlaufenden Bereiche 26 der Kante 23 sind üblicherweise winklig zueinander ausgerichtet und schließen einen ersten Winkel φ ein. Der Übersichtlichkeit halber wurde dieser erste Winkel φ nur in der 7 eingezeichnet; die Bereiche 26 der Kante 23 sind aber in den Ausführungsformen der 4-6 in ähnlicher Weise winklig zueinander ausgerichtet. Während der erste Winkel φ in der 7 kleiner als 90° ist, kann dieser auch 90° (vgl. 4-6) oder mehr betragen, je nach Form der Durchgangsöffnung 11. Dadurch, dass der Randabschnitt 28 in den 4-7 eine Ausnehmung 30 aufweist, und dass sich der konvexe Bereich 31, der konkave Bereich 32 und der konvexe Bereich 33 abwechseln, ist ein Umfangswinkel β der Kante 23 im Bereich der Ausnehmung 30 größer als der erste Winkel φ, zum Beispiel mindestens 10% oder mindestens 20% größer.
Bei einer lediglich abgerundeten Ecke der Kante 23 ohne Ausnehmung 30 im Eckbereich 27 der Durchgangsöffnung 11 wäre der zugehörige Umfangswinkel β der Kante 23 genauso groß wie der erste Winkel φ. Zum Vergleich ist in der 3 ein Winkel α angegeben, welcher durch die geraden Abschnitte 26 der Kante 23 eingeschlossen wird. Ein Umfangswinkel der Kante 23 gleicht im Eckbereich 27 dem Winkel α und beträgt in der 3 aufgrund der rechteckigen Ausgestaltung der Durchgangsöffnungen 11a-c etwa 90°.
Die zwischen der Sickenanordnung 12 und der Kante 23 aufgespannten Randabschnitte 28 der jeweiligen Separatorplatten 2a, 2b sind oftmals mittels mindestens einer Schweißverbindung miteinander verbunden. Hierbei sei angemerkt, dass im Eckbereich 27 aufgrund der Ausnehmungen 30 der Randabschnitte 28 keine Schweißverbindung vorgesehen ist. Die mindestens eine Schweißverbindung kann eine durchgehende Schweißnaht 35 (vgl. 5) oder mehrere aneinander gereihte voneinander beabstandete Schweißabschnitte 36 (vgl. 4) umfassen. Die Schweißabschnitte 36 der 4 können konkaven Abschnitten der wellenförmigen Sickenanordnung 12 zugewandt sein. Die Schweißnaht 35 ebenso wie die Schweißabschnitte 36 sind vorteilhafterweise in einem Bereich der Randabschnitte 28 angeordnet, der näherungsweise mittig zwischen der Kante 23 und dem Sickenfuß liegt, er hat im Beispiel der 4A einen größeren Abstand zur Kante 23 als d₁. Im Bereich der Ausnehmung 30 ist vorzugsweise keine Schweißnaht 35 bzw. kein Schweißabschnitt 36 vorhanden.
Um die Steifigkeiten der Bereiche 24, 25 der Sickenanordnung 12 weiter aneinander anzugleichen und/oder um den Randabschnitt 28 in den gerade verlaufenden Bereichen 26 der Kante 23 zu versteifen, kann im ersten Bereich 26 eine Versteifungsstruktur 29 zum Verstärken des Randabschnitts 28 vorgesehen sein. Im Eckbereich 27 ist dagegen aufgrund der Ausnehmung 30 keine derartige Versteifungsstruktur vorgesehen. Optional ragt die Kante 23 zumindest bereichsweise aus einer durch die Separatorplatte 2a, 2b definierten Plattenebene heraus, wobei die aus der Plattenebene herausragende Kante 23 die Versteifungsstruktur 29 für den Randabschnitt 28 bildet. Dort, wo die Kante 23 aus der Plattenebene herausragt, können die Separatorplatten 2a, 2b auseinander klaffen und voneinander in z-Richtung beabstandet sein, wie 4B zeigt. Alternativ können die Kanten 23 beider Separatorplatten 2a, 2b auch in dieselbe Richtung ragen und aufeinander aufliegen, dies ist hier jedoch nicht dargestellt. 6B zeigt hingegen eine Ausführungsform, bei der auf eine Versteifungsstruktur 29 verzichtet wurde.
Die Separatorplatten 2a, 2b können wie oben anhand der 2 und 3 erläutert zu einer Bipolarplatte 2 zusammengefügt werden. In diesem Fall werden die Durchgangsöffnungen 11 und die Ausnehmungen 30 der Separatorplatten 2a, 2b fluchtend zueinander angeordnet, wobei die Sickenanordnungen 12 der Separatorplatten 2a, 2b voneinander wegweisen, wie 4A, 4B, 4C, 6A, 6B, 6C verdeutlichen.
In dem Kontaktbereich liegen die Separatorplatten 2a, 2b zumindest abschnittsweise flach aneinander an und kontaktieren einander. Der Kontaktbereich und der Randabschnitt 28 können durch das gleiche Element gebildet sein. Die Separatorplatten 2a, 2b können im Kontaktbereich stoffschlüssig miteinander verbunden sein, zum Beispiel mittels mindestens einer Schweißverbindung, Laserschweißverbindung, Lötverbindung und/oder Klebeverbindung, vgl. auch die oben genannten Schweißverbindungen 35, 36.
Die Sickenanordnung 12 kann in einem dem ersten Bereich 26 zugewandten Abschnitt einen periodischen Verlauf aufweisen, insbesondere einen wellenförmigen Verlauf, vgl. 4 und 5. In alternativen Ausführungsformen hat der Verlauf der Sickenanordnung 12 in einem dem ersten Bereich 26 zugewandten Abschnitt einen geraden Verlauf, vgl. 6 und 7. Die Sickenanordnung 12 kann in einem der Ausnehmung 30 zugewandten Abschnitt einen bogenförmigen Verlauf haben, vgl. 4, 6 und 7. In der Ausführungsform der 5 hat die Sickenanordnung 12 einen wellenförmigen Verlauf in dem der Ausnehmung 30 zugewandten Abschnitt. In vielen Fällen weist die Sickenanordnung 12 ein im Wesentlichen flaches Sickendach, mindestens eine an das Sickendach angrenzende Sickenflanke und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß auf, vgl. 4-7, insb. die Schnitte der 4B, 4C, 6B, 6C. Die Sickenanordnung 12 ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Alternativ kann die Sickenanordnung 12 ein gebogenes Sickendach, das unmittelbar in gewölbte oder gerade Sickenflanken übergeht und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß aufweisen. Aus den 4B und 4C bzw. 6B und 6C wird deutlich, dass der oben genannte Abstand d₁ bzw. d₂ jeweils am Beginn der Sickenanordnung 12, d.h. dem Sickenfuß, beginnt und bis zur Kante 23 der jeweiligen Lage 2a, 2b reicht, er umfasst die gesamte Breite des Bereichs 28. Aufgrund des wellenförmigen Verlaufs der Sicke 12 ändert sich dieser Abstand in 4B d₂ zwischen d_{2, min} und d_{2, max}, während er in 6B konstant bleibt.
Es sei an dieser Stelle betont, dass zumindest einzelne in den 1-3 gezeigte Merkmale mit den in den 4-7 gezeigten Merkmalen kombiniert werden können, sofern sie sich nicht widersprechen.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemisches System
2: Bipolarplatte
2': Bipolarplatte
2a: Einzelplatte
2b: Einzelplatte
3: Endplatte
4: Endplatte
5: Medienanschluss
6: Stapel
7: z-Richtung
8: x-Richtung
9: y-Richtung
10: Membranelektrodeneinheit
11: Durchgangsöffnung
11a-c: Durchgangsöffnungen
12: Dichtsicke
12a-d: Dichtsicken
13a-c: Durchführungen
14: Membran
15: Randabschnitt
16: Strukturen zum Führen eines Fluids
17: Strömungsfeld
18: elektrochemisch aktiver Bereich
19: Hohlraum
20: Verteil- und Sammelbereich
22: Außenrandbereich
23: Kante
23a-c: Kante
24: Teilabschnitt
25: Eckbereich
26: gerader Abschnitt
27: Eckbereich
28: Randabschnitt
29: Versteifungsstruktur
30: Ausnehmung
31: konvexer Abschnitt
32: konkaver Abschnitt
33: konvexer Abschnitt
35: Schweißverbindung
36: Schweißverbindung
d1: minimaler Abstand der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im Eckbereich 27
d2: minimaler Abstand der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im geraden Abschnitt 26
α: Umfangswinkel der Kante 23 im Eckbereich 27
β: Umfangswinkel der Kante 23 im Eckbereich 27
φ: erster Winkel

Claims

Separatorplatte (2a, 2b) für ein elektrochemisches System (1), umfassend - mindestens eine Durchgangsöffnung (11) zum Durchführen eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung (11) begrenzenden Kante (23), wobei die Kante (23) mindestens einen Eckbereich (27) mit einem gekrümmten Verlauf und einen an den Eckbereich (27) angrenzenden ersten Bereich (26) mit einem geraden ersten Verlauf aufweist; und - eine um den Eckbereich (27) und den ersten Bereich (26) laufende Sickenanordnung (12), wobei zwischen der Sickenanordnung (12) und der Kante (23) ein Randabschnitt (28) aufgespannt ist, sodass die Sickenanordnung (12) zur Kante (23) beabstandet ist, wobei der Randabschnitt (28) im Eckbereich (27) eine Ausnehmung (30) aufweist, sodass ein minimaler Abstand (d₁) der Sickenanordnung (12) zur Kante (23) im Eckbereich (27) kleiner ist als im ersten Bereich (26).
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Ausnehmung (30) einem konkaven Abschnitt der Sickenanordnung (12) zugewandt ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kante (23) im Bereich der Ausnehmung (30) einen Verlauf aufweist, in dem sich mindestens ein konvexer Bereich (31), mindestens ein konkaver Bereich (32) und mindestens ein konvexer Bereich (33) abwechseln.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kante (23) im Bereich der Ausnehmung (30) zumindest abschnittsweise einem Kreissegment, einem Segment eines Ovals oder einem Segment einer Ellipse folgt.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kante (23) und die Sickenanordnung (12) im Bereich der Ausnehmung (30) zumindest abschnittsweise einen gleichen Verlauf aufweisen, sodass dort der minimale Abstand (d₁) der Sickenanordnung (12) zur Kante (23) konstant ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kante (23) einen an den Eckbereich (27) angrenzenden zweiten Bereich (26) mit einem geraden zweiten Verlauf aufweist, wobei der erste Bereich (26) und der zweite Bereich (26) an unterschiedliche Seiten des Eckbereichs (27) angrenzen.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (26) mit den geraden ersten Verlauf und der zweite Bereich (26) mit dem geraden zweiten Verlauf winklig zueinander ausgerichtet sind und einen ersten Winkel (φ) einschließen, wobei ein Umfangswinkel (β) der Kante (23) im Bereich der Ausnehmung (30) größer als der erste Winkel (φ) ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im ersten Bereich (26) eine Versteifungsstruktur (29) zum Verstärken des Randabschnitts (28) vorgesehen ist, wobei im Eckbereich (27) aufgrund der Ausnehmung (30) keine derartige Versteifungsstruktur vorgesehen ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Kante (23) zumindest bereichsweise aus einer durch die Separatorplatte (2a, 2b) definierten Plattenebene herausragt, wobei die aus der Plattenebene herausragende Kante (23) die Versteifungsstruktur (29) für den Randabschnitt (28) bildet.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sickenanordnung (12) in einem dem ersten Bereich (26) zugewandten Abschnitt einen periodischen Verlauf aufweist, vorzugsweise einen wellenförmigen Verlauf.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sickenanordnung (12) in einem der Ausnehmung (30) zugewandten Abschnitt einen bogenförmigen Verlauf hat.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die Sickenanordnung (12) aufweisend: - ein im Wesentlichen flaches Sickendach, mindestens eine an das Sickendach angrenzende Sickenflanke und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß oder - ein gebogenes Sickendach, das unmittelbar in gewölbte oder gerade Sickenflanken übergeht und je Sickenflanke einen an die Sickenflanke angrenzenden Sickenfuß.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Krümmungsradius der Ausnehmung (30) mindestens 3 mm beträgt und/oder ein Krümmungsradius des Verlaufs der Sickenanordnung (12) bezogen auf die neutrale Faser der Sickenanordnung (12) im Bereich der Ausnehmung (30) mindestens 5 mm beträgt.
Bipolarplatte (2) für ein elektrochemisches System (1), umfassend zwei miteinander verbundene Separatorplatten (2a, 2b) jeweils nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Durchgangsöffnungen (11) und die Ausnehmungen (30) der Separatorplatten (2a, 2b) fluchtend zueinander angeordnet sind, wobei die Sickenanordnungen (12) der Separatorplatten (2a, 2b) voneinander wegweisen.
Bipolarplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zwischen der Sickenanordnung (12) und der Kante (23) aufgespannten Randabschnitte (28) der jeweiligen Separatorplatten (2a, 2b) mittels mindestens einer Schweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei im Eckbereich (27) aufgrund der Ausnehmungen (30) der Randabschnitte (28) keine Schweißverbindung vorgesehen ist.
Bipolarplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Schweißverbindung eine durchgehende Schweißnaht oder mehrere aneinander gereihte voneinander beabstandete Schweißabschnitte umfasst.
Elektrochemisches System (1), umfassend eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten (2a, 2b) nach einem der Ansprüche 1-13 und/oder eine Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten (2) nach einem der Ansprüche 14-16.