DE102022212601A1 - Separatorplatte mit Schweißabschnitten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System. 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. 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 gewöhnlich eine Vielzahl von Separatorplatten, die in einem Stapel angeordnet sind, so dass je zwei benachbarte Separatorplatten eine elektrochemische Zelle einschließen. Eine elektrochemische Zelle umfasst gewöhnlich eine mit Elektroden sowie einer Katalysatorschicht versehene Membran, sowie gegebenenfalls zu den Separatorplatten weisende Gasdiffusionslagen. Die eigentliche Membran ist dabei vorzugsweise nicht über die gesamte Fläche einer Separatorplatte ausgebildet, sondern erstreckt sich im Wesentlichen in dem Bereich, der den elektrochemisch aktiven Bereich des Systems ausbildet. Dieser ist üblicherweise im Wesentlichen mittig angeordnet und wird von einem Rahmen umschlossen. Dieser Rahmen wird üblicherweise von einem elektrischen Isolator, beispielsweise einer polymerbasierten Folie gebildet. Der Rahmen hat dabei auch die Aufgabe, einander benachbarte Separatorplatten voneinander elektrisch zu isolieren und so einen Kurzschluss zu vermeiden. Die Membranelektrodeneinheit, nachfolgend auch als MEA abgekürzt, umfasst neben der Membran, den Elektroden, der oder den Katalysatorschichten auch den Rahmen, der gelegentliche auch als Verstärkungsrand bezeichnet wird, aber nicht die Gasdiffusionslage(n).
• Die Separatorplatten umfassen gewöhnlich jeweils zwei Einzelplatten, die entlang ihrer von den elektrochemischen Zellen abgewandten Rückseiten miteinander verbunden sind. 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). Die Separatorplatten können auch zum Ableiten von Wärme dienen, die in den Zellen zwischen den Separatorplatten entsteht. Solche Abwärme kann etwa bei der Umwandlung chemischer in elektrische Energie in einer Brennstoffzelle entstehen. Bei Brennstoffzellen kommen häufig Bipolarplatten als Separatorplatten zum Einsatz.
• Gewöhnlich weisen die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten der Separatorplatten jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf. Im Separatorplattenstapel des elektrochemischen Systems bilden die fluchtend oder zumindest abschnittsweise überlappend angeordneten Durchgangsöffnungen der gestapelten Separatorplatten dann Medienkanäle zur Medienzufuhr oder zur Medienableitung. Die Durchgangsöffnungen sind entsprechend auch im Rahmen der Membranelektrodeneinheit ausgebildet. Insbesondere sind die Durchgangsöffnungen im Rahmen mit einem geringeren Durchmesser als in den Separatorplatten ausgebildet, so dass der hieraus resultierende Überstand des Rahmens die einander nächstliegenden Separatorplatten voneinander isoliert. Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen bzw. der durch die Durchgangsöffnungen der Separatorplatten gebildeten Medienkanäle weisen bekannte Separatorplatten ferner Sickenanordnungen auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen der Separatorplatte herum angeordnet sind.
• Die Einzelplatten der Separatorplatte können außerdem Kanalstrukturen zur Versorgung eines aktiven Bereichs der Separatorplatte mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Medien aufweisen. Der aktive Bereich kann z. B. eine elektrochemische Zelle einschließen oder begrenzen. Bei den Medien kann es sich beispielsweise um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um ein Kühlmittel als zugeführte Medien und um Reaktionsprodukte und erwärmtes Kühlmittel als abgeführte Medien handeln. Bei Brennstoffzellen werden üblicherweise auf den voneinander abgewandten Oberflächen der Einzelplatten die Reaktionsmedien, d.h. Brennstoff und Reaktionsgase, geführt, während das Kühlmittel zwischen den Einzelplatten geführt wird.
• Die Flanken der Sickenanordnung, die um die Durchgangsöffnung der Separatorplatte angeordnet ist, können, wie in der DE 102 48 531 A1 gezeigt, einen oder mehrere Durchbrüche aufweisen. Diese Durchbrüche dienen dem Herstellen einer Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung der Separatorplatte und dem aktiven Bereich der Separatorplatte.
• Aus der Druckschrift DE 102 48 531 A1 ist weiterhin bekannt, dass die Separatorplatte außerdem einen oder mehrere Leitungskanäle aufweisen kann, die sich an einer Außenseite der Sickenanordnung an die Sickenflanke anschlie-ßen und in Fluidverbindung mit einem Sickeninnenraum der Sickenanordnung stehen. Das Zuführen eines Mediums von der Durchgangsöffnung durch die Sickenanordnung zum elektrochemisch aktiven Bereich der Separatorplatte kann mithilfe solcher Leitungskanäle noch gezielter erfolgen. Auch können derartige Leitungskanäle das Abführen des Mediums vom elektrochemisch aktiven Bereich durch die Sickenanordnung zur Durchgangsöffnung verbessern. Insgesamt kann also die Effizienz des elektrochemischen Systems gesteigert werden.
• Die genannten Leitungskanäle sind also Bestandteil einer Fluidverbindung der Durchgangsöffnung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich und als solche nur in einem Abschnitt der Sickenanordnung vorgesehen, üblicherweise erstreckt sich dieser Abschnitt zwischen der Durchgangsöffnung und dem elektrochemisch aktiven Bereich. Diese asymmetrische Gestalt der Sickenanordnung kann jedoch zu einer inhomogenen Sickenverpressung im Stapel führen, was wiederum zu Undichtigkeiten im Stapel bzw. System führen kann.
• Aus der Veröffentlichung WO 2017/046398 A1 ist ebenfalls eine Separatorplatte mit Leitungskanälen zum fluidischen Verbinden der Durchgangsöffnungen mit dem elektrochemisch aktiven Bereich bekannt. Die Separatorplatte weist zwei miteinander verbundene Einzelplatten auf, welche miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen zum Durchleiten eines Fluids aufweisen. Die Durchgangsöffnungen beider Einzelplatten haben jeweils umlaufend geprägte Innenkanten, die voneinander beabstandet sind und voneinander wegweisen bzw. auseinanderklaffen. Der Leitungskanal und die geprägte Innenkante haben eine gleiche Höhe gemessen senkrecht zu einer Plattenebene. Weiter bilden die geprägten Innenkanten der Durchgangsöffnung einen breiten Zugang zum Einlass bzw. Auslass des eigentlichen Leitungskanals.
• Diese geprägten Innenkanten sind zwar einerseits für das Ausbilden der Leitungskanäle und das Ausstanzen bzw. Schneiden der Durchgangsöffnungen in einer Ebene vorteilhaft. Andererseits stellen die auseinanderklaffenden Innenkanten aber eine Kurzschlussgefahr dar. Wenn die Einzelplatten durch den Verpressungsdruck der Dichtsicke im Stapel und die damit verbundene Hebelwirkung auf die Innenkante noch weiter auseinandergedrückt werden, können benachbarte Separatorplatten den zwischen ihnen befindlichen Überstand des Rahmens der Membranelektrodeneinheit beschädigen, ggf. sogar perforieren oder in diesem sogar größere Risse verursachen und in der Folge durch die so entstandenen Öffnungen hindurch einander unter Umständen sogar kontaktieren, was einen Kurzschluss zur Folge haben kann. Um dieses Problem zu lösen oder zu lindern, kann zwar die Höhe der Dichtsicke erhöht werden bei gleichbleibender Höhe der geprägten Innenkanten. Zugleich ist eine möglichst geringe Höhe der Sickenanordnung jedoch vorteilhaft, um die Größe des Separatorplattenstapels zu minimieren bzw. bei gleicher Höhe des Separatorplattenstapels mehr Zellen unterzubringen. Weiterhin wäre bei einer Erhöhung der Sickenhöhe eine Anpassung vieler weiterer Parameter des Gesamtsystems, z.B. auch im elektrochemisch aktiven Bereich, erforderlich, was praktisch nicht oder nur sehr schwer umsetzbar ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die die oben genannten Probleme zumindest teilweise löst.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung beschrieben.
• Entsprechend wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Separatorplatte umfasst eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte, welche miteinander verbunden sind, wobei zumindest die erste Einzelplatte aufweist:
• - einen elektrochemisch aktiven Bereich,
• - wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung begrenzenden Innenkante,
• - eine um die Durchgangsöffnung herum angeordnete Dichtsicke zum Abdichten der Durchgangsöffnung, wobei die Dichtsicke einen Dichtsickeninnenraum, eine erste der Durchgangsöffnung zugewandte Sickenflanke und eine zweite Sickenflanke aufweist,
• - eine Vielzahl von ersten Leitungskanälen, welche sich an die erste Sickenflanke der Dichtsicke anschließen, in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum sind und sich von der Dichtsicke in Richtung der Durchgangsöffnung erstrecken, wobei die Durchgangsöffnung und der Dichtsickeninnenraum über die ersten Leitungskanäle fluidisch miteinander verbunden sind, und
• - eine Vielzahl von ersten Schweißabschnitten zum Verbinden der beiden Einzelplatten, welche im Wesentlichen parallel zu den Leitungskanälen verlaufen und jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen angeordnet sind.
• Durch die ersten Schweißabschnitte liegen die Einzelplatten im Innenkantenbereich der Separatorplatte aneinander an, wodurch ein Aufklaffen der Einzelplatten in diesem Bereich der Separatorplatte verhindert werden kann. Somit können das Risiko einer Beschädigung einzelner Bestandteile und/oder eines Kurzschlusses im Betrieb des elektrochemischen Systems verringert werden.
• Eine Fluidverbindung bzw. eine fluidische Verbindung im Sinne dieser Schrift kann eine direkte Verbindung ohne zwischengeschaltete Elemente oder eine indirekte Verbindung mit zusätzlichen zwischengeschalteten Elementen sein. Eine fluidische Verbindung von der Durchgangsöffnung über erste Leitungskanäle, eine Dichtsicke und ggf. zweite Leitungskanäle mit einem Verteil- und/Sammelbereich bzw. einem elektrochemisch aktiven Bereich wird manchmal als Sickendurchführung bezeichnet. Üblicherweise tritt eine Sickendurchführung nicht einzeln auf, sondern sind Gruppen von Sickendurchführungen im Bereich einer Dichtsicke ausgebildet.
• Im Wesentlichen parallel im Sinne dieser Schrift schließt Abweichungen um bis zu 25° ein, ebenso wie Abweichungen von einer Geraden über maximal 15% der Länge eines Schweißabschnittes und gekrümmte Schweißabschnitte deren Erstreckung in Breitenrichtung weniger als 15% ihrer Erstreckung in der parallelen Richtung beträgt.
• Oftmals weisen die ersten Schweißabschnitte einen geringeren Abstand zur Innenkante auf als zur Dichtsicke, insbesondere zu einem nächstliegenden Sickenfuß der Dichtsicke. Es kann vorgesehen sein, dass ein der Innenkante zugewandtes Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts näher an die Kante heranreicht als ein der Innenkante abgewandtes Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts an einen nächstliegenden Sickenfuß der Dichtsicke heranreicht.
• Vorzugsweise sind die Innenkanten der Durchgangsöffnung der beiden Einzelplatten zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich der ersten Leitungskanäle bzw. Sickendurchführungen deckungsgleich. Sie können allerdings auch einen minimalen Versatz zueinander haben. Haben die beiden Innenkanten einen Versatz zueinander, so ist jeweils die Innenkante der an der betrachteten Stelle weiter zurückstehenden Einzelplatte als Innenkante der gesamten Durchgangsöffnung der Separatorplatte zu betrachten.
• Manchmal weist das dem nächstliegenden Sickenfuß zugewandte Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts einen Abstand zum Sickenfuß von minimal 0,2 mm, vorzugsweise minimal 0,3 mm, insbesondere minimal 0,4 mm auf. Umgekehrt ist es bevorzugt, wenn der maximale Abstand des jeweiligen ersten Schweißabschnitts zum nächstliegenden Sickenfuß maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,75 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm beträgt.
• Üblicherweise reichen die ersten Schweißabschnitte bis an die Innenkante heran. Die ersten Schweißabschnitte müssen aber nicht bis an die Innenkante heranreichen, es ist jedoch bevorzugt, wenn der maximale Abstand des jeweiligen ersten Schweißabschnitts zur Innenkante maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,75 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm und insbesondere 0,25 mm beträgt.
• Es kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei der ersten Schweißabschnitte zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen angeordnet sind. Die Anzahl der ersten Schweißabschnitte zwischen benachbarten Leitungskanälen kann vom Abstand zwischen diesen Leitungskanälen abhängen. Falls ein minimaler Abstand zwischen zwei benachbarten Leitungskanälen relativ groß ist, kann es vorteilhaft sein, mehrere erste Schweißabschnitte vorzusehen, um das Ausmaß des Aufklaffens der Einzelplatten in diesem Bereich zu reduzieren.
• Ein sich zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen erstreckender Bereich der Separatorplatte kann drei Teilbereiche umfassen, welche sich parallel zu den ersten Leitungskanälen erstrecken. Die drei Teilbereiche können einen ersten seitlichen Teilbereich, einen zweiten mittleren Teilbereich und einen dritten seitlichen Teilbereich aufweisen, wobei die seitlichen Teilbereiche typischerweise an die ersten Leitungskanäle angrenzen. Die ersten Schweißabschnitte können jeweils in dem mittleren Teilbereich oder alternativ oder zusätzlich in mindestens einem der beiden seitlichen Teilbereiche angeordnet sein.
• Eine Länge der ersten Schweißabschnitte - also eine Länge von jedem der ersten Schweißabschnitte - kann zum Beispiel größer als 1,0, vorzugsweise größer als 1,5 mm, insbesondere größer als 2,0 mm sein. Außerdem kann eine Breite der ersten Schweißabschnitte - also eine Breite von jedem der ersten Schweißabschnitte -zum Beispiel im Bereich 20 µm - 200 µm liegen. Bezogen auf den Abstand zwischen Innenkante und erstem nächstliegenden Sickenfuß beträgt die Länge der ersten Schweißabschnitte mindestens ¼, vorzugsweise mindestens 1/3 und insbesondere mindestens 40%. Die Abstände zwischen den Enden der ersten Schweißabschnitte und dem nächstliegenden Sickenfuß bzw. der Innenkannte betragen vorzugsweise maximal 1/3, vorzugsweise maximal ¼ des Abstands zwischen der Innenkante und dem nächstliegenden Sickenfuß.
• Außerdem kann die Separatorplatte eine Vielzahl von zweiten Schweißabschnitten zum Verbinden der beiden Einzelplatten aufweisen. Die zweiten Schweißabschnitte sind üblicherweise winklig, vorzugsweise senkrecht, zu den ersten Schweißabschnitten ausgerichtet und sind jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen angeordnet. Ein Winkel zwischen dem jeweiligen ersten Schweißabschnitt und dem zweiten Schweißabschnitt beträgt zum Beispiel 70° oder mehr und/oder 110° oder weniger. Auch sind kürzere gerundete Übergänge möglich, insbesondere über maximal 15% der Gesamtlänge von erstem und zweitem Schweißabschnitt.
• Die zweiten Schweißabschnitte sind im Regelfall in den gleichen Abschnitten zwischen den ersten Leitungskanälen angeordnet wie die ersten Schweißabschnitte. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der zweiten Schweißabschnitte einen der ersten Schweißabschnitte kreuzt und/oder an einen der ersten Schweißabschnitte angrenzt. Optional sind mindestens zwei zweite Schweißabschnitte zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen angeordnet. Mindestens einer der ersten Schweißabschnitte und mindestens einer der zweiten Schweißabschnitte können zusammen eine T-förmige, +-förmige, L-förmige, rechteck-förmige oder H-förmige oder im Wesentlichen U-förmige oder C-förmige Schweißnaht bilden. Die Ausrichtung des Gesamtgebildes aus ersten und zweiten Schweißabschnitten kann dabei für die vorgenannten Formen im Rahmen der im Wesentlichen parallelen Ausrichtung der ersten Schweißabschnitte zu den ersten Leitungskanälen variiert werden bzw. an den vorhandenen Platz oder die gegebene Situation angepasst werden.
• Ein minimaler Abstand der zweiten Schweißabschnitte zur Innenkante kann jeweils mindestens 0,2 mm, vorzugsweise 0,3 mm betragen.
• Die jeweiligen ersten Schweißabschnitte und/oder die zweiten Schweißabschnitte können Laserschweißverbindungen umfassen.
• Die Anzahl der ersten Schweißabschnitte kann größer als oder kleiner als oder gleich groß wie die Anzahl der ersten Leitungskanäle sein. Die Anzahl der zweiten Schweißabschnitte kann größer als oder kleiner als oder gleich groß wie die Anzahl der ersten Leitungskanäle und/oder die Anzahl der ersten Schweißabschnitte sein.
• Die ersten Leitungskanäle können winklig zur Innenkante und/oder zur Dichtsicke ausgerichtet sein, vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 60° und/oder höchstens 120°, insbesondere etwa 90°.
• In einer Ausführungsform umfasst die Separatorplatte eine Schweißnaht zum Verbinden der Einzelplatten. Oftmals ist die Schweißnaht auf einer der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Dichtsicke um die Dichtsicke herum angeordnet. Vorzugsweise ist die Schweißnaht insbesondere um eine Durchgangsöffnung für ein Reaktionsgas ausgebildet. Die Schweißnaht kann als durchgehende Schweißnaht oder Steppnaht ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung der Schweißnaht kann hierbei von der Art der Durchgangsöffnung abhängen. Falls zum Beispiel die Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Reaktionsmediums, insbesondere eines Reaktionsgases ausgestaltet ist, kann die Schweißnaht als durchgehende Schweißnaht ausgestaltet sein. In diesem Fall hat die Schweißnaht neben einer verbindenden Funktion der beiden Einzelplatten auch eine abdichtende Funktion und soll verhindern, dass Kühl- und Reaktionsmedien miteinander vermischt werden. Falls die Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Kühlmittels, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgestaltet ist, kann die Schweißnaht als Folge einzelner voneinander beabstandeter Nahtabschnitte ausgebildet sein. In diesem Fall sollte nämlich das Kühlfluid zwischen den beiden Einzelplatten und durch die Schweißnaht hindurch fließen können. In diesem Fall kann auf die Schweißnaht auch vorteilhafterweise verzichtet werden. Die Schweißnaht kann unabhängig von der Linienform als Laserschweißnaht ausgebildet sein.
• Die Separatorplatte kann außerdem eine Vielzahl von zweiten Leitungskanälen aufweisen, welche sich an die zweite Sickenflanke der Dichtsicke anschlie-ßen und in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum sind. Der elektrochemisch aktive Bereich und der Dichtsickeninnenraum können über die zweiten Leitungskanäle fluidisch miteinander verbunden sein. Jeder der zweiten Leitungskanäle kann jeweils über einen in der Separatorplatte ausgebildeten Durchbruch, vorzugsweise einen in der ersten Einzelplatte ausgebildeten Durchbruch, fluidisch mit dem elektrochemisch aktiven Bereich verbunden sein. Diese Ausführungsform kann insbesondere bei einer Ausbildung der Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Reaktionsmediums vorteilhaft sein. Die Anzahl der zweiten Leitungskanäle kann größer als oder gleich wie die Anzahl der ersten Leitungskanäle sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, eine kleinere Anzahl zweiter Leitungskanäle als erste Leitungskanäle auszubilden.
• Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zumindest für ein Medium, insbesondere für das Kühlmittel die zweiten Leitungskanäle unmittelbar in den Verteil- und/oder Sammelbereich münden und so auf der Innenseite der Separatorplatte in fluidischer Verbindung mit dem aktiven Bereich stehen. Ein Durchbruch ist für dieses Medium vorzugsweise nicht vorgesehen.
• Optional sind die zweiten Leitungskanäle winklig zur Schweißnaht und/oder zur Dichtsicke ausgerichtet, vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 60° und/oder höchstens 120°, insbesondere etwa 90°.
• Der mindestens eine Durchbruch kann insbesondere als Ausschnitt und/oder Ausstanzung der betreffenden Platte ausgestaltet sein.
• Wird eine Sicke, d.h. die Dichtsicke, nicht mit einem trapezförmigen oder wannenförmigen Querschnitt ausgebildet, sondern mit einem deutlich stärker gebogenen Querschnitt, so trifft das oben (bzw. weiter unten) für die verschiedenen Sickenflanken Ausgesagte in der Regel für das jeweilige bzw. die jeweiligen äußere Drittel eines Sickenbogens zu.
• Die zweite Einzelplatte kann zumindest teilweise die gleichen Merkmale wie die erste Einzelplatte aufweisen, allerdings sind vorzugsweise die Durchbrüche in der ersten Einzelplatte an anderen Durchgangsöffnungen vorgesehen als in der zweiten Einzelplatte, auch können beispielsweise die Verteil- und Sammelbereiche verschieden ausgeführt sein. Die Separatorplatte kann somit zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest im Bereich der Sicke und der ersten Leitungskanäle spiegelsymmetrisch aufgebaut sein, wobei die Spiegelebene parallel zu einer Planplattenebene der Separatorplatte und zwischen den beiden Einzelplatten verläuft.
• Die Dichtsicke kann zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen, gekrümmten, runden oder geraden Verlauf aufweisen. Die Sickenflanken der Dichtsicke sind oftmals komplementär geformt, d.h. wenn die erste Sickenflanke in einem Abschnitt konvex geformt ist, ist die zweite Sickenflanke in diesem Abschnitt konkav geformt und andersherum.
• In einer Ausführungsform weist die Dichtsicke zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen Verlauf auf, wobei der wellenförmige Verlauf eine Vielzahl von Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten aufweist, welche jeweils an einem Wendepunkt ineinander übergehen. Die jeweiligen Schweißabschnitte können zum Beispiel jeweils einem konkaven Abschnitt der Dichtsicke und/oder einem konvexen Abschnitt und/oder einem Wendepunkt der Dichtsicke zugewandt sein.
• Die Leitungskanäle (erste und/oder zweite) können sich zum Beispiel an die Wendepunkte, die konkaven Abschnitte oder die konvexen Abschnitte der Dichtsicke anschließen. Es kann vorkommen, dass sich die ersten Leitungskanäle an einen konkaven Abschnitt der Dichtsicke anschließen, während sich die zweiten Leitungskanäle an einen konvexen Abschnitt der Dichtsicke anschließen oder andersherum. Ebenso ist es möglich, dass sowohl die ersten Leitungskanäle als auch die zweiten Leitungskanäle an konkave Abschnitte anschließen oder an konvexe Abschnitte anschließen, so dass die ersten und zweiten Leitungskanäle bezüglich des Verlaufs der Dichtsicke relativ zueinander versetzt angeordnet sind.
• Die Dichtsicke, die Innenkante und/oder die Schweißnaht können zumindest bereichsweise parallel zueinander verlaufen. Zusätzlich oder alternativ können Haupterstreckungsrichtungen der Dichtsicke, der Innenkante, und/oder der Schweißnaht zumindest bereichsweise parallel zueinander verlaufen.
• Wie oben angedeutet, kann die Durchgangsöffnung ausgestaltet sein zum Durchleiten eines Reaktionsmediums, insbesondere eines Reaktionsgases, oder eines Kühlmittels, insbesondere einer Kühlflüssigkeit. Eine Durchgangsöffnung kann dabei eine Zuführöffnung oder eine Abführöffnung bilden.
• Außerdem wird ein elektrochemisches System vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art aufweist.
• Ausführungsbeispiele der Separatorplatte und des elektrochemischen Systems sind in den 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);
• 3A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer Separatorplatte gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht;
• 3B eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen der 3A in einem unverpressten Zustand der Separatorplatte;
• 3C eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen der 3A in einem verpressten Zustand der Separatorplatte;
• 4 eine Gruppe von Sickendurchführungen gemäß einer Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 5 eine Gruppe von Sickendurchführungen gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 6 eine Gruppe von Sickendurchführungen gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 7 eine Gruppe von Sickendurchführungen gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 8 eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen in einem unverpressten Zustand der Separatorplatte;
• 9 eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen in einem verpressten Zustand der Separatorplatte;
• 10 eine Durchgangsöffnung einer Separatorplatte gemäß einer Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 11 eine Durchgangsöffnung einer Separatorplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 12 eine Durchgangsöffnung einer Separatorplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
• 13 eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen der 12 in einem unverpressten Zustand der Separatorplatte; und
• 14 eine Schnittdarstellung zwischen zwei Sickendurchführungen der 12 in einem verpressten Zustand der Separatorplatte.
• 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 Separatorplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Separatorplatten 2 des Stapels 6 sind üblicherweise 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 begrenzen also eine elektrochemische Zelle, 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 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA 10 beinhaltet typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Die MEA 10 umfasst außerdem oftmals eine rahmenförmige Verstärkungslage, welche die Elektrolytmembran umrahmt und diese verstärkt. Die Verstärkungslage ist in der Regel elektrisch isolierend ausgebildet und verhindert im Betrieb des elektrochemischen Systems 1, dass ein Kurzschluss entsteht.
• 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 Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann 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 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 Separatorplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist in der Regel eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind, wobei die Medienanschlüsse 5 manchmal als Ports bezeichnet werden. 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 abgerei-cherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen. In einem elektrochemischen System wie es in 1 gezeigt ist, können sowohl bekannte Separatorplatten, wie sie in 2 gezeigt sind, als auch erfindungsgemäße Separatorplatten, wie sie ab 3 dargestellt sind, eingesetzt werden.
• 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte, aus dem Stand der Technik bekannte, Separatorplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 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 (siehe auch z. B. 8, 9, 13, 14), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die zweite 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. entlang ihres Außenrandes miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
• Die Einzelplatten 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten von der Art der Separatorplatte 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 6 eingeleitet werden, während das Kühlmittel über andere Durchgangsöffnungen 11a aus dem Stapel abgeleitet wird. 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-c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene ausgebildet.
• Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Einzelplatten 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 Einzelplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
• In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Einzelplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit ersten Strukturen 14 zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite (oder auch Vorderseite) der Einzelplatte 2a auf. Diese ersten Strukturen 14 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 Separatorplatten 2 weisen die ersten Einzelplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- oder/oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- und/oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen 21, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den angrenzenden Verteilbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und über den Sammelbereich 20 ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen 21 des Verteil- und/oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
• Die Dichtsicken 12a-12c weisen Leitungskanäle 13a-13c auf, von denen die Leitungskanäle 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Einzelplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Einzelplatte 2b ausgeführt sind, während die Leitungskanäle 13b in der oben liegenden Einzelplatte 2a und die Leitungskanäle 13c in der unten liegenden Einzelplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Leitungskanäle 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteil- bzw. Sammelbereich 20, so dass das Kühlmittel in den Verteil- bzw. Sammelbereich 20 zwischen den Einzelplatten 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
• Weiterhin ermöglichen die Leitungskanäle 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Einzelplatte 2a, diese Leitungskanäle 13b grenzen an dem Verteil- oder Sammelbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Durchbrüche an. Durch die Leitungskanäle 13b und die Durchbrüche strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Einzelplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Leitungskanäle 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteil- oder Sammelbereich, so dass Luft in den Verteil- oder Sammelbereich auf der Unterseite der unten liegenden Einzelplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die zugehörigen Durchbrüche sind hier nicht sichtbar.
• Die ersten Einzelplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- und/oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber den Durchgangsöffnungen 11a d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Einzelplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteil- oder Sammelstrukturen des Verteil- und/oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Einzelplatten 2a ausgebildet und in die Einzelplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Einzelplatten 2b. Jede Dichtsicke 12a-12d kann im Querschnitt zumindest ein Sickendach und zwei Sickenflanken aufweisen, eine im Wesentlichen winklige Anordnung zwischen diesen Elementen ist jedoch nicht notwendig, es kann auch ein gekrümmter Übergang vorgesehen sein, d.h. auch bogenförmige Sicken sind möglich.
• Während die Dichtsicken 12a-12c im Beispiel der 2 einen im Wesentlichen runden Verlauf aufweisen, weist die Perimetersicke 12d verschiedene Abschnitte auf, welche unterschiedlich geformt sind. So kann der Verlauf der Perimetersicke 12d zumindest zwei wellenförmige Abschnitte aufweisen.
• Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Leitungskanäle 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 Einzelplatten 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 Leitungskanäle, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Einzelplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. In den aktiven Bereichen 18 sind dazu jeweils Kanalstrukturen 14 zum Führen der betreffenden Medien vorgesehen.
• 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 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 Separatorplatte 2. Das Kühlmittel dient somit hauptsächlich der Kühlung des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Separatorplatte 2. Durch den Hohlraum 19 strömt das Kühlmittel ausgehend von einer Eingangsöffnung 11a in Richtung einer Ausgangsöffnung 11a. Als Kühlmittel werden oftmals Mischungen von Wasser und Frostschutzmitteln verwendet. Andere Kühlmittel sind aber auch denkbar. Zum besseren Führen des Kühlmittels bzw. Kühlmediums sind Kanalstrukturen auf der Innenseite der Separatorplatte 2 vorhanden. Diese sind in 2 nicht ersichtlich, da sie beispielsweise auf der dem Betrachter abgewandten Oberfläche der Einzelplatte 2a verlaufen, sie liegen damit den oben genannten Kanalstrukturen 14 auf der anderen Oberfläche der Einzelplatte 2a gegenüber. Im aktiven Bereich 18 führen die Kanalstrukturen das Kühlmedium entlang der Innenseite der Separatorplatte in Richtung der Ausgangsöffnung 11a.
• Während in 2 eine Separatorplatte gezeigt ist, bei der die Perimetersicke die Durchgangsöffnungen 11a nicht mit umschließt, d.h. die Perimetersicke von Leitungskanälen 13a gekreuzt wird, sind auch Designs von Separatorplatten möglich, bei denen die Durchgangsöffnungen 11a wie die anderen Durchgangsöffnungen 11b, 11c von der Perimetersicke umschlossen werden, so dass keine derartige Kreuzung notwendig ist.
• Die 3 umfasst 3A-3C und zeigt eine weitere Separatorplatte 2 gemäß dem Stand der Technik. Im Folgenden kann die Durchgangsöffnung 11 eine der oben genannten Durchgangsöffnungen 11a-11c repräsentieren.
• 3A zeigt den Bereich um eine Durchgangsöffnung 11 einer Separatorplatte 2 mit nicht erfindungsgemäßen Sickendurchführungen 25 in einer Draufsicht. Insbesondere weist jede Sickendurchführung 25 gemäß 3A Leitungskanäle 26, 27 konstanter Höhe und konstanter Breite auf. Das Zuführen eines Mediums von der Durchgangsöffnung 11 durch die Dichtsicke 12 zum elektrochemisch aktiven Bereich 18 der Separatorplatte 2 kann mithilfe solcher Leitungskanäle 26, 27 gezielt erfolgen. Auch können derartige Leitungskanäle 26, 27 das Abführen des Mediums vom elektrochemisch aktiven Bereich 18 durch die Sickenanordnung 12 zur Durchgangsöffnung 11 verbessern.
• Die 3B, 3C zeigen jeweils zwei Schnittdarstellungen zwischen zwei Sickendurchführungen 25 gemäß 3A, wobei die Schnittebene senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte 2 ist. Die Schnittebene verläuft entlang der in 3A hervorgehobenen Geraden A-A.
• Die Darstellung der 3B zeigt den zur Sickendurchführung 25 benachbarten Bereich 37 im unverpressten Zustand der Separatorplatte 2.
• Die Darstellung der 3C zeigt den Abschnitt im verpressten Zustand der Separatorplatte, wobei eine senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte 2 bzw. senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten 2a, 2b auf die Sickenanordnung 12 ausgeübte Kraft durch Pfeile 15 hervorgehoben ist. Die Kraft entsteht dadurch, dass die Separatorplatten 2 und Membranelektrodeneinheiten 10 im Stapel 6 zwischen den Endplatten 3, 4 verpresst werden.
• Die Durchgangsöffnung 11 der Separatorplatte 2 wird durch fluchtende oder einander zumindest teilweise überdeckende Durchgangsöffnungen beider Einzelplatten 2a, 2b gebildet. Die Durchgangsöffnungen der Einzelplatten 2a, 2b haben jeweils umlaufend geprägte Innenkanten 16, die voneinander wegweisen bzw. beabstandet sind. Ein zur Durchgangsöffnung 11 weisender Einlass bzw. Auslass eines Leitungskanals 26 ist an der geprägten Innenkante 16 der Durchgangsöffnung gebildet, wobei der Leitungskanal 26 und die geprägte Innenkante 16 eine gleiche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 aufweisen.
• Diese geprägten Innenkanten 16, genauer die geprägten Bereiche, die unmittelbar an die Innenkanten 16 anschließen, sind zwar einerseits für das Ausbilden der Leitungskanäle 26 und das Ausstanzen bzw. Schneiden der Durchgangsöffnungen 11 in einer Ebene vorteilhaft. Andererseits stellen die voneinander beabstandeten Innenkanten 16 aber eine Kurzschlussgefahr dar, insbesondere wenn die Einzelplatten 2a, 2b durch den Verpressungsdruck auf die Dichtsicke 12 im Stapel 6 und die damit verbundene Hebelwirkung auf die Innenkante 16 noch weiter auseinanderklaffen, wodurch benachbarte Separatorplatten 2 den hier nicht dargestellten Verstärkungsrand der MEA verletzen bzw. zerstören können und durch die so gebildeten Öffnungen einander schlimmstenfalls kontaktieren und somit einen Kurzschluss bilden können. So ist der Darstellung der 3C entnehmbar, dass die Einzelplatten 2a, 2b in von der Dichtsicke 12 beabstandeten Bereichen 21, 23 beim Verpressen derart auseinanderklaffen, dass die Einzelplatte 2a in den Bereichen 21, 23 teilweise über die Höhe 24 der Dichtsicke 12 hinausragt. In diesem Fall kann z. B. die zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels 2 angeordnete Membranelektrodeneinheit 10, insbesondere die rahmenförmige Verstärkungslage, beschädigt werden.
• In 3B und 3C sind Schweißverbindungen 28 zwischen den Einzelplatten 2a, 2b der Separatorplatte 2 zum stoffschlüssigen Verbinden der Platten 2a, 2b ausgebildet, s. auch 3A. Auf einer der dem aktiven Bereich 18 zugewandten Seite der Dichtsicke 12 ist, wie in 3A-3C gezeigt, eine durchgängige Schweißlinie 38 zwischen den beiden Einzelplatten 2a, 2b der Separatorplatte 2 im Bereich der Leitungskanäle 27 ausgebildet. Somit sind die ungünstige Hebelwirkung und das Auseinanderklaffen der Einzelplatten 2a, 2b auf einer dem aktiven Bereich 18 zugewandten Seite der Dichtsicke 12 etwas geringer als auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Dichtsicke 12. Das Auseinanderklaffen der Einzelplatten 2a, 2b in den Bereichen 21, 23 beim Verpressen der Sickenanordnung 12 kann somit durch die stoffschlüssige Verbindung 28 vermindert werden kann. Jedoch ist die auf den Bereich 21 infolge der Verpressung der Dichtsicke 12 ausgeübte Hebelkraft auch in dem Bereich 21 auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Dichtsicke 12 weiterhin so groß, dass die Einzelplatte 2a in dem Bereich 21 teilweise über die Höhe 14 der Sickenanordnung 12 hinausragt.
• Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen.
• Den Separatorplatten 2 der Ausführungsformen der 4-14 ist gemein, dass zumindest eine der, vorzugsweise aber beide Einzelplatten 2a, 2b wenigstens eine Durchgangsöffnung 11 zum Durchleiten eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung begrenzenden Innenkante 16 aufweist. Eine um die Durchgangsöffnung 11 herum angeordnete Dichtsicke 12 ist vorgesehen zum Abdichten der Durchgangsöffnung 11, wobei die Dichtsicke 12 einen Dichtsickeninnenraum 31, eine erste der Durchgangsöffnung 11 zugewandte Sickenflanke 32 und eine zweite Sickenflanke 33 aufweist. Zwischen den Sickenflanken 32, 33 kann sich ein Sickendach 34 erstrecken. Das Sickendach 34 kann mit einer Beschichtung versehen sein, zum Beispiel einer polymerbasierten Beschichtung zum Verbessern der Dichtfunktion der Dichtsicke 12.
• Um das entsprechende Fluid von der Durchgangsöffnung 11 durch die Sicke 12 zum elektrochemisch aktiven Bereich 18 bzw. vom elektrochemisch aktiven Bereich 18 durch die Sicke 12 und zur Durchgangsöffnung 11 zu leiten, ist eine Gruppe 25 von Sickendurchführungen 25' vorgesehen. Hierzu ist eine Vielzahl von ersten Leitungskanälen 26 vorgesehen, welche sich an die erste Sickenflanke 32 der Dichtsicke 12 anschließen. Die ersten Leitungskanäle 26 sind in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum 31, erstrecken sich von der Dichtsicke 12 in Richtung der Durchgangsöffnung 11 und sind fluidisch mit der Durchgangsöffnung 11 verbunden. Die ersten Leitungskanäle 26 bilden Anhebungen der jeweiligen Platte 2a, 2b, wodurch das Fluid von der Durchgangsöffnung 11 zum Dichtsickeninnenraum 31 bzw. vom Dichtsickeninnenraum 31 zur Durchgangsöffnung 11 strömen kann. Die Durchgangsöffnung 11 und der Dichtsickeninnenraum 31 sind also über die ersten Leitungskanäle 26 fluidisch miteinander verbunden.
• Die Einzelplatten 2a, 2b sind miteinander über erste Schweißabschnitte 36 stoffschlüssig verbunden, wobei die ersten Schweißabschnitte 36 insbesondere als Laserschweißverbindungen ausgestaltet sein können.
• Die ersten Schweißabschnitte 36 verlaufen im Wesentlichen parallel zu den ersten Leitungskanälen 26 und sind jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen 26 angeordnet, üblicherweise in einem Bereich 37, der sich zwischen zwei benachbarten Leitungskanälen 26 erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich der Bereich 37 zwischen der Innenkante 16 und der Dichtsicke 12.
• Während also die Schweißabschnitte 28 im Stand der Technik etwa senkrecht zu den Leitungskanälen 26 ausgerichtet sind, sind sie gemäß der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen parallel zu den Leitungskanälen 26 bzw. senkrecht zur Innenkante 16 ausgerichtet. Die ersten Schweißabschnitte 36 stellen sicher, dass die Einzelplatten 2a, 2b im Randbereich der Durchgangsöffnung 11 aufeinander aufliegen und dort nicht mehr auseinanderklaffen können. Im Folgenden wird manchmal stellvertretend für eine Vielzahl von ersten Schweißabschnitten 36 auf einen einzigen Schweißabschnitt 36 Bezug genommen.
• Der Bereich 37 kann drei Teilbereiche umfassen, welche sich im Wesentlichen parallel zu den ersten Leitungskanälen 26 erstrecken. Die drei Teilbereiche können einen ersten seitlichen Teilbereich, einen zweiten mittleren Teilbereich und einen dritten seitlichen Teilbereich aufweisen, wobei die seitlichen Teilbereiche typischerweise jeweils an die ersten Leitungskanäle 26 angrenzen. Die ersten Schweißabschnitte 36 können zum Beispiel jeweils in dem mittleren Teilbereich oder alternativ in mindestens einem der beiden seitlichen Teilbereiche angeordnet sein. Sie können aber auch in beiden seitlichen Teilbereichen oder gar in allen drei Teilbereichen angeordnet sein. Da die Leitungskanäle 26 oftmals einen geraden Verlauf aufweisen, können die ersten Schweißabschnitte 36 insbesondere durch geradlinige Schweißabschnitte gebildet sein.
• Oftmals weisen die ersten Schweißabschnitte 36 einen geringeren Abstand zur Innenkante 16 auf als zur Dichtsicke 12, insbesondere zum nächstliegenden Sickenfuß 35 der Dichtsicke 12. Unter dem jeweiligen Abstand von einem Element zum nächsten Element wird hierbei der minimalste Abstand zwischen den Elementen verstanden. Der jeweilige erste Schweißabschnitt 36 hat ein der Innenkante zugewandtes Ende 36a und ein der Dichtsicke 12 zugewandtes Ende 36b, welches also der Innenkante 16 abgewandt ist. Wie zum Beispiel aus den 4-11 zu erkennen ist, reicht das der Innenkante 16 zugewandte Ende 36a oftmals näher an die Innenkante 16 heran als das der Innenkante 16 abgewandte Ende 36b des jeweiligen ersten Schweißabschnitts 36 an einen nächstliegenden Sickenfuß 35 der Dichtsicke 12. Es kann vorgesehen sein, dass das dem nächstliegenden Sickenfuß 35 zugewandte Ende 36b des jeweiligen ersten Schweißabschnitts 36 einen Abstand zum Sickenfuß 35 von minimal 0,2 mm, vorzugsweise minimal 0,3 mm aufweist.
• In manchen Ausführungsformen sind die ersten Schweißabschnitte 36 von der Innenkante 16 beabstandet, vgl. 4, 6, 12-14. In diesem Fall weist also das Ende 36a einen Abstand zur Innenkante 16 auf. In einigen Ausführungsformen reichen die ersten Schweißabschnitte 36 bis an die Innenkante 16 heran, vgl. zum Beispiel die ersten Schweißabschnitte 36 der 5, 7-11. In diesem Fall fallen das Ende 36a und die Innenkante 16 zusammen, bzw. das Ende 36a grenzt an die Innenkante 16 an.
• Zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen 26 kann im Bereich 37 mindestens ein erster Schweißabschnitt 36 vorgesehen sein, vgl. 4-7. Es können auch mindestens zwei erste Schweißabschnitte 36 im Bereich 37 zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen 26 angeordnet sein, vgl. 5-7. Die Anzahl der ersten Schweißabschnitte 36 zwischen zwei benachbarten Leitungskanälen 26 kann sich insbesondere nach dem vorhandenen Platz und dem Bedarf, die Einzelplatten 2a, 2b in dem Bereich 37 fest miteinander zu verbinden, richten.
• Eine Länge des jeweiligen ersten Schweißabschnitts 36 kann zum Beispiel größer als 1,0, vorzugsweise größer als 1,5 mm, insbesondere größer als 2,0 mm sein. Wie aus den 4-7 ersichtlich, können die Schweißabschnitte 36 hinsichtlich ihrer Länge variieren. Falls die Dichtsicke 12 lokal einen konkaven Verlauf hat, ist in diesem Bereich 37 der Separatorplatte 2 mehr Platz für einen Schweißabschnitt 36, sodass die Länge des ersten Schweißabschnitts 36 in diesem Abschnitt größer ist, als in einem Bereich 37 der Separatorplatte 2, wo die Dichtsicke 12 einen konvexen Verlauf hat. Außerdem kann eine Breite der ersten Schweißabschnitte 36 - also eine Breite von jedem der ersten Schweißabschnitte 36 -zum Beispiel im Bereich 20 µm - 200 µm liegen.
• Wie bereits oben angemerkt, verlaufen die ersten Schweißabschnitte 36 im Wesentlichen parallel zu den ersten Leitungskanälen 26. Die Angabe „im Wesentlichen“ soll dabei verdeutlichen, dass geringfügige Abweichungen von der Parallelität von höchstens 25°, oder höchstens 15°, vorzugsweise höchstens 10° vorkommen können. So sind in der 7 im zweiten Beispiel von rechts zwei Schweißabschnitte 36 gezeigt, welche einen Winkel von 5° zu den ersten Leitungskanälen 26 aufweisen. Die übrigen in den 4-7 gezeigten ersten Schweißabschnitte verlaufen parallel zu den ersten Leitungskanälen 26 und sind außerdem üblicherweise im Wesentlichen senkrecht zur Innenkante 16 ausgerichtet. Abweichungen von der Parallelität ergeben sich im oben genannten Rahmen beispielsweise, wenn die einander nächstliegenden ersten Leitungskanäle 26 nicht parallel zueinander verlaufen, wie in 10-12 ersichtlich.
• Wie ebenfalls oben angemerkt, können auch andere geringfügige Abweichungen von der Parallelität von „im Wesentlichen parallel“ umfasst sind. Das zweite Beispiel von links in 7 zeigt abgerundete Übergänge zwischen erstem und zweiten Schweißabschnitt, bei denen über weniger als 15% der Länge eines ersten bzw. zweiten Schweißabschnittes 36,38 Abweichungen von einer zum ersten Leitungsabschnitt 26 parallelen Geraden gegeben sind. Das äußerst linke Beispiel der 7 zeigt weiter einen gekrümmte ersten Schweißabschnitt 36, dessen Erstreckung in Breitenrichtung weniger als 15% ihrer Erstreckung in der zu den angrenzenden ersten Leitungsabschnitten 26 parallelen Richtung beträgt.
• Außerdem kann die Separatorplatte 2 eine Vielzahl von zweiten Schweißabschnitten 38 zum Verbinden der beiden Einzelplatten 2a, 2b aufweisen. Die zweiten Schweißabschnitte 38 sind üblicherweise winklig, vorzugsweise senkrecht, zu den ersten Schweißabschnitten 36 ausgerichtet und sind jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen 26 angeordnet, in der Regel ebenfalls im Bereich 37. Falls vorhanden sind die zweiten Schweißabschnitte im Regelfall in den gleichen Bereichen 37 zwischen den ersten Leitungskanälen 26 angeordnet wie die ersten Schweißabschnitte 36. Ein Winkel zwischen dem jeweiligen ersten Schweißabschnitt 36 und dem zweiten Schweißabschnitt 38 beträgt zum Beispiel 70° oder mehr und/oder 110° oder weniger.
• Die zweiten Schweißabschnitte 38 können an die ersten Schweißabschnitte 36 angrenzen, vgl. 4-6 oder die ersten Schweißabschnitte 36 kreuzen, vgl. 7. Auch können erster und zweiter Schweißabschnitt über einen kurzen runden Abschnitt ineinander übergehen. In den 4, 5 und 7 ist höchstens ein zweiter Schweißabschnitt 38 zwischen benachbarten Leitungskanälen 26 vorhanden. In der 6 ist gezeigt, dass es zum Beispiel zwei zweite Schweißabschnitte 38 im Bereich 37 zwischen benachbarten Leitungskanälen 26 geben kann. Bei Bedarf können auch mehr als zwei Schweißabschnitte 38 im jeweiligen Bereich 37 vorhanden sein.
• Der mindestens eine erste Schweißabschnitt 36 und mindestens ein zweiter Schweißabschnitt 38 können zusammen eine zusammengesetzte Schweißnaht bilden, welche verschiedene Formen aufweisen kann. So bilden die Schweißabschnitte 36, 38 eine T-förmige (4, 7), eine H-förmige (5, 6, kann bei Drehung auch als I-förmig bezeichnet werden), C-förmige (6, kann bei Drehung auch als U-förmig bezeichnet werden), rechteckige bzw. quaderförmige (6), kreuzförmige (7, kann auch als +-förmig bezeichnet werden) oder L-förmige Schweißnaht. Weitere Formen und Orientierungen sind ebenfalls denkbar.
• Die zweiten Schweißabschnitte 38 sind von der Innenkante 16 beanstandet, wobei ein minimaler Abstand der zweiten Schweißabschnitte 38 zur Innenkante 16 in der Regel jeweils mindestens 0,2 mm, vorzugsweise 0,3 mm beträgt. Die zweiten Schweißabschnitte 38 können parallel zur Innenkante ausgerichtet sein; ihr Abstand zur Innenkante 16 ist in diesem Fall konstant.
• Die jeweiligen ersten Schweißabschnitte 36 und/oder die zweiten Schweißabschnitte 38 können insbesondere Laserschweißverbindungen umfassen. Die Anzahl der ersten Schweißabschnitte 36 kann größer als oder kleiner als oder gleich groß wie die Anzahl der ersten Leitungskanäle 26 sein. Die Anzahl der zweiten Schweißabschnitte 38 kann größer als oder kleiner als oder gleich groß wie die Anzahl der ersten Leitungskanäle 26 und/oder die Anzahl der ersten Schweißabschnitte 36 sein. Manchmal sind die ersten Schweißabschnitte 36 und/oder die zweiten Schweißabschnitte 38 mittig zwischen den benachbarten Leitungskanälen 26 angeordnet.
• Es kann auch Bereiche zwischen benachbarten Leitungskanälen geben, in welchen keine Schweißabschnitte 36, 38 vorgesehen sind, vgl. Bereiche 29 in 10-12. Oftmals sind wechseln sich die Bereiche 37 mit den Schweißabschnitten 36, 38 und die Bereiche 29 ohne Schweißabschnitte miteinander ab, sind also alternierend angeordnet.
• In manchen Ausführungsformen (vgl. 4-7, 10-12) ist optional eine Vielzahl von zweiten Leitungskanälen 27 vorgesehen, welche sich an die zweite Sickenflanke 33 der Dichtsicke 12 anschließen und in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum 31 sind. Der elektrochemisch aktive Bereich 18 und der Dichtsickeninnenraum 31 sind über die zweiten Leitungskanäle 27 fluidisch miteinander verbunden. Hierbei sei angemerkt, dass zwischen dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 und den zweiten Leitungskanälen 27 optional noch der oben genannte Verteil- und/oder Sammelbereich 20 angeordnet sein kann. Die Fluidverbindung zwischen dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 und dem Dichtsickeninnenraum 31 besteht in diesem Fall aus den zweiten Leitungskanälen 27 und dem Verteil- und/oder Sammelbereich 20. Manchmal können noch zusätzliche Verbindungsabschnitte in der Fluidverbindung vorgesehen sein.
• In manchen Ausführungsformen sind die zweiten Leitungskanäle 27 über mindestens einen in der Separatorplatte 2 ausgebildeten Durchbruch 55 fluidisch mit dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 verbunden. Diese Ausführungsformen sind insbesondere bei einer Ausgestaltung der betreffenden Durchgangsöffnung 11 als Durchgangsöffnung 11b, 11c für Reaktionsmedien, insbesondere Reaktionsgas, bevorzugt. Der mindestens eine Durchbruch 55 ist bzw. die Durchbrüche 55 sind vorzugsweise in dergleichen Einzelplatte 2a, 2b ausgebildet wie die zweiten Leitungskanäle 27. Üblicherweise weist an einer Durchgangsöffnung nur eine der Einzelplatten 2a, 2b Durchbrüche 55 auf, während beide Einzelplatten 2a, 2b zweite Leitungskanäle 27 aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Durchbrüche 55 genauso groß ist wie die Anzahl der zweiten Leitungskanäle 27.
• Die Durchbrüche 55 sind vorzugsweise als Ausschnitte und/oder Ausstanzungen ausgebildet und können entsprechend durch Ausschneiden und/oder Ausstanzen der Platte 2 oder der Einzelplatten 2a, 2b geformt werden.
• In manchen Ausführungsformen kann mindestens eine Hilfssicke 40, 50 vorgesehen sein, welche fluidisch mit den Leitungskanälen 26 oder 27 verbunden ist. So weisen die Separatorplatten 2 der Ausführungsformen der 4-14 mindestens eine Hilfssicke 40, 50 auf, welche fluidisch mit den Leitungskanälen 26, 27 verbunden ist. Hierdurch sind die Durchbrüche 55 von den eigentlichen Leitungskanälen 26, 27 beabstandet. Oftmals ist mit dieser Art von Hilfssicke 40, 50 keine abdichtende Funktion der Durchgangsöffnung 11 verbunden. Je nach der gewählten Höhe der Hilfssicke 40, 50 kann die jeweilige Hilfssicke 40, 50 in einem verpressten Stapel 6 in Stapelrichtung vom Rahmen einer Membranelektrodeneinheit 10 beabstandet sein oder am Rahmen der Membranelektrodeneinheit 10 anliegen. Es sei angemerkt, dass in manchen Ausführungsformen auf die Hilfssicken 40, 50 auch verzichtet werden kann.
• Die erste Hilfssicke 40 (vgl. 12-14) weist üblicherweise eine der Dichtsicke 12 zugewandte Sickenflanke 43 auf, wobei sich die ersten Leitungskanäle 26 an die Sickenflanke 43 der ersten Hilfssicke 40 anschließen und in Fluidverbindung mit dem ersten Hilfssickeninnenraum 41 sind. Die ersten Leitungskanäle 26 erstrecken sich von der ersten Hilfssicke 40 zur Dichtsicke 12, genauer von der Sickenflanke 43 der ersten Hilfssicke 40 zur ersten Sickenflanke 32 der Dichtsicke 12. Die erste Hilfssicke 40 ist beispielsweise als Halbsicke ausgestaltet.
• Eine senkrecht zu einer Planflächenebene der Separatorplatte 2 bestimmte maximale Höhe der ersten Hilfssicke 40 ist typischerweise geringer als eine entsprechende maximale Höhe der Dichtsicke 12. Anders als die Dichtsicke 12 wird die erste Hilfssicke 40 im verpressten Zustand der Separatorplatte 2 in der Regel nicht verpresst.
• In manchen Ausführungsformen umläuft die erste Hilfssicke 40 die Durchgangsöffnung 11 komplett, vgl. 12. In anderen, bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Hilfssicke 40 lediglich in einem Bereich vorgesehen, wo die ersten Leitungskanäle 26 nicht vorgesehen sind (11). Auch kann auf eine erste Hilfssicke 40 in weiteren Ausführungsformen vollständig verzichtet werden (10).
• Die zweite Hilfssicke 50 (vgl. 4-12) umfasst üblicherweise einen zweiten Hilfssickeninnenraum 51, eine erste der Dichtsicke 12 zugewandte Sickenflanke 52 und eine zweite der Dichtsicke 12 abgewandte Sickenflanke 53, wobei sich die zweiten Leitungskanäle 27 an die erste Sickenflanke 52 der zweiten Hilfssicke 50 anschließen und in Fluidverbindung mit dem zweiten Hilfssickeninnenraum 51 sind. Die zweiten Leitungskanäle 27 erstrecken sich von der zweiten Hilfssicke 50 zur Dichtsicke 12, genauer von der ersten Sickenflanke 52 der zweiten Hilfssicke 50 zur zweiten Sickenflanke 33 der Dichtsicke 12. Die Sickenflanken 52, 53 sind durch ein Sickendach 54 miteinander verbunden. Zudem ist die zweite Hilfssicke 50 als Vollsicke ausgestaltet.
• Eine senkrecht zu einer Planflächenebene der Separatorplatte 2 bestimmte maximale Höhe der zweiten Hilfssicke 50 ist typischerweise geringer als eine entsprechende maximale Höhe der Dichtsicke 12. Anders als die Dichtsicke 12 wird die erste Hilfssicke 50 im verpressten Zustand der Separatorplatte 2 in der Regel nicht verpresst.
• Üblicherweise ist die zweite Hilfssicke 50 lediglich in einem Bereich vorgesehen, in dem die zweiten Leitungskanäle 27 angeordnet sind, vgl. 10-12.
• Dieser Bereich erstreckt sich in der Regel fluidisch zwischen den Leitungskanälen 27 und dem Strömungsfeld 17 bzw. dem elektrochemisch aktiven Bereich 18 oder dem Verteil- und Sammelbereich 20. Eine Anordnung zwischen diesen Elementen ist in vielen Ausführungsformen bevorzugt, aber nicht zwingend. Falls die zweite Hilfssicke 50 vorgesehen ist, kann die Anzahl der Durchbrüche 55 kleiner, gleich oder größer sein als die Anzahl der zweiten Leitungskanäle 27. Die Schweißnaht 39 ist, falls vorhanden, üblicherweise auf einer der Dichtsicke 12 abgewandten Seite der zweiten Hilfssicke 50 angeordnet. Eine solche Schweißnaht 39 kann an Durchgangsöffnungen 11 für Reaktanden als vorzugsweise durchgehende, abdichtende Linie ausgebildet sein, wie in 4, 6 und 10-12 gezeigt ist. An Durchgangsöffnungen 11 für Kühlmittel kann eine solche Schweißnaht 39 nicht vorhanden sein, wie in 5, oder in einer nicht-abdichtenden Ausführungsform, beispielsweise als voneinander beabstandete Schweißlinien wie in 7 realisiert sein.
• Optional verlaufen die Hilfssicken 40, 50 parallel zueinander. Vorzugsweise weisen beide Hilfssicken 40, 50 dieselbe Höhe auf. Weiter können die erste Hilfssicke 40, die zweite Hilfssicke 50, die Innenkante 16 der Durchgangsöffnung 11 und/oder eine Haupterstreckungsrichtung der Dichtsicke 12 zumindest abschnittsweise parallel verlaufen. Vorzugsweise sind die Leitungskanäle 26, 27 und/oder die ersten Schweißabschnitte 36 winklig zur Schweißnaht 39, zur ersten Hilfssicke 40, zur zweiten Hilfssicke 50 und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Dichtsicke 12 ausgerichtet, vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 65° und/oder höchstens 115°, insbesondere etwa 90°. Der gewählte Winkel kann von dem vorhandenen Platz abhängig sein.
• Die Dichtsicke 12, die Leitungskanäle 26, 27 und die Hilfssicken 40, 50 sind üblicherweise in die jeweilige Einzelplatte 2a, 2b eingeformt, zum Beispiel durch Prägen, Hydroformen oder Tiefziehen. Somit sind die Dichtsicke 12, die Leitungskanäle 26, 27 und die Hilfssicken 40, 50 integraler Bestandteil der jeweiligen Separatorplatte 2a, 2b.
• Die Durchgangsöffnung 11 kann verschiedene Formen haben, zum Beispiel polygonförmig mit abgerundeten Ecken (10-12) oder rund (2), auch komplexere Formen sind möglich.
• Die Dichtsicke 12 kann zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen, gekrümmten, runden oder geraden Verlauf aufweisen. Die Dichtsicken 12 der 4-12 haben jeweils einen wellenförmigen Verlauf. Die wellenförmige Dichtsicke 12 weist abwechselnd konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte auf, welche jeweils an einem Wendepunkt ineinander übergehen. Eine Haupterstreckungsrichtung der Dichtsicke 12 ergibt sich dann aus der Verbindungslinie der Wendepunkte der neutralen Faser der Dichtsicke 12. Die Haupterstreckungsrichtung der Dichtsicke 12 kann zumindest abschnittsweise parallel bzw. konzentrisch zu der ersten Hilfssicke 40, der zweiten Hilfssicke 50 und der Innenkante 16 verlaufen, vgl. 4-12. Die Sickenflanken 32, 33 der Dichtsicke 12 sind oftmals komplementär geformt, d.h. wenn die erste Sickenflanke 32 in einem Abschnitt konvex geformt ist, ist die zweite Sickenflanke 33 in diesem Abschnitt konkav geformt und andersherum.
• In den Ausführungsformen der 4-6 und 10-12 sind die Leitungskanäle 26, 27 an den Wendepunkten des wellenförmigen Verlaufs der Dichtsicke 12 angeordnet bzw. schließen sich an die Wendepunkte an. Alternativ können die Leitungskanäle 26, 27 abwechselnd an den konvexen und/oder den konkaven Abschnitten der Wellenform angeordnet sein, wie in 7 dargestellt.
• Die jeweiligen Schweißabschnitte 36, 38 können bei Anordnung der Leitungskanäle 26 im Bereich der Wendepunkte jeweils einem konkaven Abschnitt der Dichtsicke 12 und/oder einem konvexen Abschnitt der Dichtsicke 12 zugewandt sein, wie in 4-6 und 10-12 dargestellt.. Bei Anordnung der Leitungskanäle 26 in den konvexen und/oder konkaven Abschnitten der Wellenform wie in 7 können die jeweiligen Schweißabschnitte 36, 38 jeweils einem Wendepunkt der Dichtsicke 12 zugewandt sein.
• Die 12 zeigt eine Durchgangsöffnung 11 und eine um die Durchgangsöffnung herum angeordnete Dichtsicke 12 in einer Draufsicht, wobei die 13 eine Schnittdarstellung zwischen den Leitungskanälen 26 der 12 zeigt. Die 12 und 13 zeigen einen unverpressten Zustand der Separatorplatte 2. Außerdem zeigt die 14 den gleichen Schnitt wie die 13, allerdings in einem verpressten Zustand der Separatorplatte 2. Der Vergleich der Separatorplatte der 12-14 mit der Separatorplatte 2 der 3A-3C gemäß dem Stand der Technik zeigt, dass die senkrechten Schweißabschnitte 36 der 12-14 einen kleineren Abstand zur Innenkante 16 aufweisen als die horizontalen Schweißverbindungen 28. Außerdem liegen die Einzelplatten 2a, 2b der 12-14 im Bereich ihrer Innenkanten 16 aneinander an bzw. sind im Bereich ihrer Innenkanten 16 nicht voneinander beabstandet wie in 3A-3C. Insgesamt stellen die Innenkanten 16 der Einzelplatten 2a, 2b im verpressten Zustand der Separatorplatte 2 keine bzw. eine verringerte Kurzschlussgefahr dar.
• In ähnlicher Weise wie die 13 und 14 zeigen die 8 und 9 jeweils eine Schnittdarstellung zwischen den Leitungskanälen 26 einer der 5, 7, 10-11, wobei der Schnitt durch den ersten an die Innenkante 16 angrenzenden Schweißabschnitt 36 verläuft. Die 8 zeigt einen unverpressten Zustand der Separatorplatte 2. Die 9 zeigt den gleichen Schnitt wie die 8, allerdings in einem verpressten Zustand der Separatorplatte 2. Auch hier ist erkennbar, dass die Innenkanten 16 infolge der ersten Schweißabschnitte 36 fest miteinander verbunden sind und aneinander anliegen.
• In den Ausführungsformen der 10-12 sind außerdem weitere Schweißabschnitte 56 vorgesehen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Innenkante 16 verlaufen. Diese weiteren Schweißabschnitte 56 können in regelmäßigen Abständen um die Durchgangsöffnung 11 angeordnet sein. Sie können hinsichtlich Form, Größe und Ausrichtung bzw. Abstand bezüglich der Dichtsicke 12 und/oder Innenkante 16 die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die ersten Schweißabschnitte, sie befinden sich jedoch nicht zwischen zwei benachbarten Leitungskanälen 26, sondern in einem Abschnitt 57 zwischen der Dichtsicke 12 und der Innenkante 16, in dem keine Sickendurchführungen 25' angeordnet sind.
• In allen Ausführungsformen kann die zweite Einzelplatte 2b die gleichen Merkmale wie die erste Einzelplatte 2a aufweisen, wobei die Merkmale an verschiedenen Durchgangsöffnungen jeder Einzelplatte ausgebildet sein können. Die Separatorplatte 2 kann somit zumindest bereichsweise, vorzugsweise im Bereich der Sickendurchführung 25', hinsichtlich der Prägestrukturen, nicht aber hinsichtlich der Durchbrüche 55, spiegelsymmetrisch aufgebaut sein, wobei die Spiegelebene parallel zu einer Planplattenebene der Separatorplatte 2 und zwischen den beiden Einzelplatten 2a, 2b verläuft.
• Bezugszeichenliste

1

elektrochemisches System

2

Separatorplatte

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-c

Dichtsicken

12d

Perimeter-Dichtsicke

13a-c

Durchführungen

14

Kanalstrukturen

15

Verpressungskraft

16

Innenkante

17

Strömungsfeld

18

elektrochemisch aktiver Bereich

19

Hohlraum

20

Verteil- und/oder Sammelbereich

21

von Dichtsicke 12 beabstandeter Bereich

22

ebener Bereich

23

von Dichtsicke 12 beabstandeter Bereich

24

Höhe der Dichtsicke 12

25

Gruppe von Sickendurchführungen

25'

Sickendurchführung

26

erste Leitungskanäle

27

zweite Leitungskanäle

28

stoffschlüssige Verbindung

29

Bereich zwischen benachbarten Leitungskanälen

31

Dichtsickeninnenraum

32

erste Sickenflanke

33

zweite Sickenflanke

34

Sickendach

35

Sickenfuß

36

erste Schweißabschnitte

36a

Innenkante zugewandtes Ende des Schweißabschnitts

36b

Innenkante abgewandtes Ende des Schweißabschnitts

37

Bereich zwischen benachbarten Leitungskanälen

38

zweite Schweißabschnitte

39

Schweißnaht

40

erste Hilfssicke

41

erster Hilfssickeninnenraum

42

erste Sickenflanke

43

zweite Sickenflanke

50

zweite Hilfssicke

51

erster Hilfssickeninnenraum

52

erste Sickenflanke

53

zweite Sickenflanke

55

Durchbruch

56

weitere Schweißabschnitte

57

Abschnitt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10248531 A1 [0006, 0007]
• WO 2017/046398 A1 [0009]

Claims (16)

1. Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System, umfassend eine erste Einzelplatte (2a) und eine zweite Einzelplatte (2b), welche miteinander verbunden sind, wobei zumindest die erste Einzelplatte (2a) aufweist: - einen elektrochemisch aktiven Bereich (18), - wenigstens eine Durchgangsöffnung (11) zum Durchleiten eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung (11) begrenzenden Innenkante (16), - eine um die Durchgangsöffnung (11) herum angeordnete Dichtsicke (12) zum Abdichten der Durchgangsöffnung (11), wobei die Dichtsicke (12) einen Dichtsickeninnenraum (31), eine erste der Durchgangsöffnung (11) zugewandte Sickenflanke (32) und eine zweite Sickenflanke (33) aufweist, - eine Vielzahl von ersten Leitungskanälen (26), welche sich an die erste Sickenflanke der Dichtsicke (12) anschließen, in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum (31) sind und sich von der Dichtsicke (12) in Richtung der Durchgangsöffnung (11) erstrecken, wobei die Durchgangsöffnung (11) und der Dichtsickeninnenraum (31) über die ersten Leitungskanäle (26) fluidisch miteinander verbunden sind, und - eine Vielzahl von ersten Schweißabschnitten zum Verbinden der beiden Einzelplatten (2a, 2b), welche im Wesentlichen parallel zu den ersten Leitungskanälen (26) verlaufen und jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen (26) angeordnet sind.
2. Separatorplatte (2) nach Anspruch 1, wobei ein der Innenkante (16) zugewandtes Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts (36) näher an die Innenkante (16) heranreicht als ein der Innenkante (16) abgewandtes Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts (36) an einen nächstliegenden Sickenfuß (35) der Dichtsicke (12) heranreicht.
3. Separatorplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das dem nächstliegenden Sickenfuß (35) zugewandte Ende des jeweiligen ersten Schweißabschnitts (36) einen Abstand zum Sickenfuß von minimal 0,2 mm, vorzugsweise minimal 0,3 mm aufweist.
4. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schweißabschnitte (36) bis an die Innenkante (16) heranreichen.
5. Separatorplatte (2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens zwei der ersten Schweißabschnitte (36) zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen (26) angeordnet sind.
6. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Länge der ersten Schweißabschnitte größer als 1,0, vorzugsweise größer als 1,5 mm ist.
7. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von zweiten Schweißabschnitten (38) zum Verbinden der beiden Einzelplatten (2a, 2b), welche winklig, insbesondere senkrecht, zu den ersten Schweißabschnitten (36) ausgerichtet sind und jeweils zwischen den ersten Leitungskanälen (26) angeordnet sind.
8. Separatorplatte (2) gemäß Anspruch 7, wobei mindestens einer der zweiten Schweißabschnitte (38) einen der ersten Schweißabschnitte (36) kreuzt und/oder an einen der ersten Schweißabschnitte (36) angrenzt.
9. Separatorplatte (2) gemäß einem der Ansprüche 7-8, wobei mindestens zwei zweite Schweißabschnitte (38) zwischen zwei benachbarten ersten Leitungskanälen (26) angeordnet sind.
10. Separatorplatte (2) gemäß einem der Ansprüche 7-9, wobei mindestens einer der ersten Schweißabschnitte (36) und mindestens einer der zweiten Schweißabschnitt (38) zusammen eine T-förmige, +-förmige, L-förmige, rechteck-förmige, H-förmige oder näherungsweise U-förmige oder C-förmige Schweißnaht bilden.
11. Separatorplatte (2) nach einem der Ansprüche 7-10, wobei ein minimaler Abstand der zweiten Schweißabschnitte (38) zur Innenkante (16) jeweils mindestens 0,2 mm, vorzugsweise 0,3 mm beträgt.
12. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichtsicke (12) zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen Verlauf aufweist, wobei der wellenförmige Verlauf eine Vielzahl von Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten aufweist, welche jeweils an einem Wendepunkt ineinander übergehen, wobei die jeweiligen Schweißabschnitte (36, 38) jeweils einem konkaven Abschnitt der Dichtsicke (12) und/oder einem konvexen Abschnitt der Dichtsicke (12) zugewandt sind.
13. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichtsicke (12) zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen Verlauf aufweist, wobei der wellenförmige Verlauf eine Vielzahl von Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten aufweist, welche jeweils an einem Wendepunkt ineinander übergehen, wobei die jeweiligen Schweißabschnitte (36, 38) jeweils zumindest näherungsweise einem Wendepunkt der Dichtsicke (12) zugewandt sind.
14. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von zweiten Leitungskanälen (27), welche sich an die zweite Sickenflanke (33) der Dichtsicke (12) anschließen und in Fluidverbindung mit dem Dichtsickeninnenraum (31) sind, wobei der elektrochemisch aktive Bereich (18) und der Dichtsickeninnenraum (31) über die zweiten Leitungskanäle (27) fluidisch miteinander verbunden sind.
15. Separatorplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zweiten Leitungskanäle (27) über wenigstens einen in der Separatorplatte (2) ausgebildeten Durchbruch (35), vorzugsweise einen in der ersten Einzelplatte (2a) ausgebildeten Durchbruch (35), fluidisch mit dem elektrochemisch aktiven Bereich (18) verbunden sind.
16. Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Schweißabschnitte (36, 38) Laserschweißverbindungen umfassen.

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