DE102023203124A1

DE102023203124A1 - Separatorplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102023203124A1
Application number: DE102023203124.8A
Authority: DE
Inventors: Andre Speidel; Bernd Gaugler; Stephan Wenzel; Kurt Höhe; Christoph Specht
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2023-04-04
Publication date: 2023-10-12
Also published as: US20230327144A1; CN116895779A; DE202022101861U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor oder um einen Elektrolyseur handeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor oder um einen Elektrolyseur handeln.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen üblicherweise 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 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 elektrischer bzw. chemischer 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 Durchgangsöffnung 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 der Separatorplatte wird üblicherweise so definiert, dass er z. B. den aktiven Bereich einer elektrochemischen Zelle einschließen oder begrenzen kann. 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 beispielsweise 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. Nach dem die Einzelplatte geprägt wurde, werden die Durchbrüche in der Regel durch Stanzen oder Schneiden des Plattenmaterials hergestellt. Da die Durchbrüche sich in den Flanken der Sickenanordnung befinden, ist jedoch ein relativ aufwendiger 3D-Schnitt notwendig. Außerdem können die Durchbrüche scharfe Kanten bilden, welche die MEA, beispielsweise die Folie des Verstärkungsrands, beschädigen können, ggf. sogar perforieren oder in diesem sogar grö-ßere Risse verursachen. Die in der Sickenflanke ausgebildeten Durchbrüche verursachen außerdem eine lokale Schwächung der Sickenflanke, wodurch deren Steifigkeit bereichsweise herabgesetzt wird.
Aus der Druckschrift DE 102 48 531 A1 ist weiterhin bekannt, dass die Separatorplatte anstelle der in der Sickenflanke ausgebildeten Durchbrüche einen oder mehrere Leitungskanäle aufweisen kann, die sich an einer Außenseite der Sickenanordnung an die Sickenflanke anschließen und in Fluidverbindung mit einem Sickeninnenraum der Sickenanordnung stehen. Solche sich an die Sickenflanke anschließenden Leitungskanäle können untereinander mit beispielsweise sickenähnlichen Kanalabschnitten kombiniert werden, wie dies in der WO 2020/174038 A1 gezeigt ist. 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 Leitungs- und Verteilkanäle sind also Bestandteil einer Fluidverbindung der Durchgangsöffnung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich und als solche nur in einem Abschnitt der Sickenanordnung vorgesehen, der sich zwischen der Durchgangsöffnung und dem elektrochemisch aktiven Bereich erstreckt. Diese asymmetrische Gestalt der Sickenanordnung kann jedoch zu einer inhomogenen Sickenverpressung im Stapel führen, was wiederum zu Undichtigkeiten im Stapel bzw. System führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die die obengenannten Probleme zumindest teilweise löst. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Separatorplatte anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Separatorplatte gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung beschrieben.
Dementsprechend wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, umfassend eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte, welche miteinander verbunden sind. Die Separatorplatte weist in einer ersten Variante Folgendes auf:

- einen elektrochemisch aktiven Bereich,
- wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids,
- eine um die Durchgangsöffnung herum angeordnete Sickenanordnung zum Abdichten der Durchgangsöffnung, wobei ein Sickeninnenraum fluidisch mit der Durchgangsöffnung verbunden ist,
- mindestens einen in der ersten Einzelplatte ausgebildeten ersten Durchbruch, welcher sich im Wesentlichen parallel zu einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene erstreckt, und
- mindestens einen in der zweiten Einzelplatte ausgebildeten Leitungskanal, welcher auf einer Seite der Sickenanordnung angeordnet ist.

Der in der zweiten Einzelplatte ausgebildete Leitungskanal mündet in einen Bereich der ersten Einzelplatte mit dem ersten Durchbruch. „Bereich der ersten Einzelplatte mit dem ersten Durchbruch“ kann dabei sowohl eine direkte Mündung in den ersten Durchbruch bezeichnen aber auch eine indirekte Mündung in den ersten Durchbruch, wobei noch ein Fluidraum durchströmt wird, der von der ersten Einzelplatte aufgespannt wird. Außerdem verbindet der in der zweiten Einzelplatte ausgebildete Leitungskanal den Sickeninnenraum der Sickenanordnung fluidisch mit dem in der ersten Einzelplatte ausgebildeten ersten Durchbruch.
Dadurch, dass der erste Durchbruch sich im Wesentlichen parallel zu der Plattenebene erstreckt, kann der erste Durchbruch parallel zur Plattenebene gestanzt oder geschnitten werden. Somit kann bei der Herstellung des ersten Durchbruchs auf komplizierte 3D-Schnitte verzichtet werden. Außerdem verringert sich hierdurch das Risiko, dass die MEA und insbesondere der MEA-Verstärkungsrand, durch schräge, scharfe Kanten des ersten Durchbruchs beschädigt wird.
Der erste Durchbruch ist also nicht in einer zur Plattenebene schräg verlaufenden Sickenflanke der Sickenanordnung ausgebildet. In der Regel ist der erste Durchbruch zudem von der Sickenanordnung beabstandet. Der erste Durchbruch kann beispielsweise auf einer der Durchgangsöffnung zugewandten Seite der Sickenanordnung oder auf einer dem aktiven Bereich zugewandten Seite der Sickenanordnung liegen. Dementsprechend kann der Leitungskanal auf einer der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Sickenanordnung oder auf einer der Durchgangsöffnung zugewandten Seite der Sickenanordnung angeordnet sein.
Der Leitungskanal ist vorzugsweise durch das Plattenmaterial der zweiten Einzelplatte geformt. Die Erfindung umfasst daher auch ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte. Dabei werden die Sickenanordnung und/oder der mindestens eine Leitungskanal in die Einzelplatte(n), insbesondere der Leitungskanal der zweiten Einzelplatte in die zweite Einzelplatte, durch Hydroformen, Tiefziehen und/oder Prägen, insbesondere Hub- und/oder Rollprägen, eingeformt. In der nachfolgenden Beschreibung können unter dem Begriff „Prägen“ oder „geprägt“ die Begriffe Hydroformen, Rollprägen, Hubprägen und/oder Tiefziehen verstanden werden. Dieser Verfahrensschritt wird üblicherweise simultan mit dem Einformen der sonstigen Strömungsführungsstrukturen, wie etwa der Fluidführungskanäle des elektrochemisch aktiven Bereichs, durchgeführt. Insbesondere bei großen Separatorplatten ist dabei das Rollprägen bevorzugt, da es mit geringeren Pressenkräften pro umgeformter Flächeneinheit auskommt als die anderen genannten Verfahren.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der mindestens eine erste Durchbruch vor oder nach dem Einformen der Sickenanordnung in die erste Einzelplatte eingebracht wird, insbesondere aus dieser ausgestanzt wird. Dabei kann ein Hub- und/oder rollierendes Stanzverfahren zum Einsatz kommen. Diese einfachen Verfahren können insbesondere dadurch angewandt werden, insbesondere nach dem Einformen der vorgenannten Strukturen, dass sich der erste Durchbruch im Wesentlichen parallel zu der Plattenebene erstreckt. Schneiden oder Stanzen in schrägen Flächen - also abgewinkelt zur Plattenebene - ist prozess- und werkzeugtechnisch schwieriger umzusetzen bzw. kann scharfe Kanten verursachen.
Eine Fluidverbindung bzw. eine fluidische Verbindung im Sinne dieser Schrift kann eine direkte Verbindung ohne zwischengeschaltete Elemente oder eine indirekte Verbindung mit zusätzlichen dazwischengeschalteten Elementen sein.
Die fluidische Verbindung des Sickeninnenraums mit dem in der ersten Einzelplatte ausgebildeten ersten Durchbruch mittels des in der zweiten Einzelplatte ausgebildeten Leitungskanals kann ohne zwischengeschaltete Kanäle oder Leitungsabschnitte - also mittels einer direkten fluidischen Verbindung - oder alternativ über weitere Kanäle oder Leitungsabschnitte - also über eine indirekte fluidische Verbindung - hergestellt werden. Diese weiteren Kanäle oder Leitungsabschnitte zur Herstellung der fluidischen Verbindung des in der zweiten Einzelplatte ausgebildeten Leitungskanals mit dem Sickeninnenraum können z.B. in der ersten Einzelplatte und/oder in der zweiten Einzelplatte vorhanden sein.
Die Angaben „im Wesentlichen parallel“ bzw. „im Wesentlichen orthogonal“ in Bezug auf zwei Komponenten sollen Herstellungstoleranzen einschließen und sollen im Sinne der vorliegenden Schrift bedeuten, dass geringfügige Abweichungen von der Parallelität bzw. Orthogonalität erlaubt sind, so dass ein entsprechender Winkel zwischen den jeweiligen Komponenten zwischen höchstens -30° und/oder +30°, vorzugsweise -20° und/oder +20°, insbesondere -10° und/oder +10° oder sogar -5° und/oder + 5° abweichen kann. Dies soll auch für die Erstreckung des Durchbruchs gelten.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Orthogonalprojektion des ersten Durchbruchs senkrecht zur Plattenebene auf die zweite Einzelplatte eine Projektionsfläche definiert, wobei die zweite Einzelplatte im Bereich der Projektionsfläche zumindest einen Teil des Leitungskanals aufweist.
Oftmals erstreckt sich der Leitungskanal zumindest bereichsweise von der Sickenanordnung in Richtung des elektrochemisch aktiven Bereichs. Es kann vorgesehen sein, dass der Leitungskanal sich zumindest bereichsweise im Wesentlichen parallel, gewinkelt und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung erstreckt. Der Leitungskanal kann also verschiedene Abschnitte umfassen, welche fluidisch miteinander verbunden sind und sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Der Leitungskanal kann sich an die Sickenanordnung, insbesondere an eine Sickenflanke der Sickenanordnung anschließen.
Die Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung ist in der Regel im Wesentlichen parallel zu einer die Durchgangsöffnung begrenzenden Kante. Falls die Sickenanordnung einen wellenförmigen Verlauf mit konvexen und konkaven Abschnitten umfasst, gehen die konvexen und konkaven Abschnitte des wellenförmigen Verlaufs jeweils an einem Wendepunkt ineinander über. Der Wellenform der Sickenanordnung ist dann die genannte Haupterstreckungsrichtung überlagert. Die Haupterstreckungsrichtung ergibt sich dann aus der Verbindungslinie der Wendepunkte der neutralen Faser der Sickenanordnung, insbesondere des Sickendachs der Sickenanordnung.
Optional ist in der ersten Einzelplatte mindestens ein Leitungskanal vorgesehen, welcher als fluidisches Verbindungsstück zwischen dem Sickeninnenraum und dem Leitungskanal in der zweiten Einzelplatte ausgestaltet sein kann. Zum Beispiel kann die erste Einzelplatte einen Leitungskanal aufweisen, welcher fluidisch mit dem Sickeninnenraum verbunden ist, bereichsweise mit dem Leitungskanal der zweiten Einzelplatte überlappt und von dem ersten Durchbruch beabstandet ist.
Es ist aber ebenso möglich, dass in der ersten Einzelplatte kein Leitungskanal ausgebildet ist oder nur ein Leitungskanal, der nur über den Leitungskanal in der zweiten Einzelplatte mit dem Sickeninnenraum fluidisch verbunden ist. So kann es vorgesehen sein, dass sich in der ersten Einzelplatte kein Leitungskanal zwischen der Sickenanordnung und dem ersten Durchbruch erstreckt.
Mit der Bezeichnung „zwischen zwei Elementen“ können einerseits nur die auf der kürzesten Verbindungsgerade der beiden Elemente gelegenen Stellen gemeint sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Stellen gemeint sein, die auf weiteren, die Elemente verbindenden, nicht-kürzesten Geraden liegen, welche höchstens einen Winkel von 45° mit der kürzesten Verbindungsgerade einschließen.
Der mindestens eine Leitungskanal weist vorzugsweise eine sickenartige Struktur mit einem Dach und beidseitig zu diesem jeweils einer Flanke auf, die in einem Sickenfuß tangential in eine Ebene münden, die parallel zur Plattenebene verläuft. Das Dach kann dabei im Querschnitt gewölbt oder eben ausgebildet sein. Das Dach kann in Erstreckungsrichtung des Leitungskanals eben oder schräg ausgebildet sein.
Sind sowohl in der zweiten Einzelplatte als auch in der ersten Einzelplatte Leitungskanäle ausgebildet, so können diese in Orthogonalprojektion auf die Plattenebene vollständig oder teilweise überlappend verlaufen oder auch vollständig zueinander versetzt sein. Insbesondere können Abschnitte der Leitungskanäle, die sich unmittelbar an die Flanke der Sickenanordnung anschlie-ßen, also insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Sickenanordnung verlaufen, vollständig oder teilweise überlappend verlaufen oder auch vollständig zueinander versetzt sein.
In einer Ausführungsform ist der erste Durchbruch in einem Bereich der Platte gebildet, welcher in einer Plattenebene der ersten Einzelplatte liegt. Alternativ kann der erste Durchbruch in einem geprägten Bereich der Platte gebildet sein. Der erste Durchbruch kann zum Beispiel von einer geprägten Struktur umgeben sein, die beispielsweise in dieselbe Richtung wie die Sickenanordnung aus der Plattenebene herausragt. Eine Höhe des geprägten Bereichs bzw. der geprägten Struktur gemessen senkrecht von der Plattenebene ist vorzugsweise geringer als eine Höhe der Sickenanordnung, insbesondere im unverpressten Zustand des Plattenstapels bzw. der Sickenanordnung. Der geprägte Bereich kann ein Plateau bilden, in dem der erste Durchbruch ausgebildet ist, der geprägte Bereich kann jedoch auch eine ringförmig in sich geschlossene Wulst bilden, wobei der erste Durchbruch im von dem Wulst umgebenen Bereich ausgebildet ist und dabei in einer anderen Ebene als die auskragenden Bereiche der Wulst liegt. Beispielsweise kann der Wulst in eine Ebene, die sich zwischen der Ebene des Sickendachs und der Plattenebene der ersten Einzelplatte erstreckt, während sich der Durchbruch in der Plattenebene der ersten Einzelplatte oder einer Ebene zwischen der Plattenebene der ersten Einzelplatte und der Ebene des auskragenden Bereichs der Wulst erstreckt. Der geprägte Bereich bzw. die geprägte Struktur mit dem Durchbruch kann zum Beispiel eine ovale, abgerundet-rechteckige oder elliptische Grundform aufweisen oder sich kanalförmig erstrecken, beispielsweise zumindest teilweise entlang des in der zweiten Einzelplatte ausgebildeten Leitungskanals.
Es ist auch möglich, dass mehrere erste Durchbrüche in der ersten Einzelplatte ausgebildet sind. Hier kann es bevorzugt sein, dass diese mehreren Durchbrüche auf der der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Sickenanordnung - und/oder auf der der Durchgangsöffnung zugewandten Seite der Sickenanordnung so angeordnet sind, dass zwischen mindestens zweien der beiden ersten Durchbrüchen zumindest abschnittsweise eine Prägestruktur in der ersten Einzelplatte ausgebildet ist. Die Prägestruktur kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sie in dieselbe Richtung von der Plattenebene erstreckt wie die Sickenanordnung. Die Prägestruktur kann eine ovale, abgerundet-rechteckige oder elliptische Grundform aufweisen und ist bevorzugt mittig zwischen den beiden ersten Durchbrüchen angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann sich auch mindestens ein Leitungskanal als Prägestruktur zumindest abschnittsweise zwischen den beiden ersten Durchbrüchen erstrecken.
Sowohl mittels einer wulstförmigen geprägten Struktur, die mindestens einen Durchbruch umgibt als auch mit einer gesonderten Prägestruktur kann eine Auflagefläche für den MEA-Verstärkungsrand geschaffen werden, die von der Ebene des Durchbruchs beabstandet ist, so dass ein ausreichender Strömungsraum für das durch den mindestens einen ersten Durchbruch bzw. die mindestens zwei ersten Durchbrüche strömende Medium aufgespannt wird. Sowohl die wulstförmige geprägte Struktur als auch die Prägestruktur müssen sich dabei nicht in einer zur Plattenebene parallelen Ebene erstrecken, sie können auch schräg zur Plattenebene verlaufen.
Der erste Durchbruch kann alternativ zum Beispiel von einer geprägten Struktur umgeben sein, insbesondere abschnittsweise umgeben sein, die in die entgegengesetzte Richtung wie die Sickenanordnung aus der Plattenebene herausragt. Ein solcher erster Durchbruch kann sich also in einer Ebene erstrecken, die sich auch innerhalb des Leitungskanals der zweiten Einzelplatte erstreckt.
Optional kann die erste Einzelplatte eine um die Durchgangsöffnung herum angeordnete erste Dichtsicke zum Abdichten der Durchgangsöffnung aufweisen. Dementsprechend kann die zweite Einzelplatte eine um die Durchgangsöffnung herum angeordnete zweite Dichtsicke zum Abdichten der Durchgangsöffnung aufweisen. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke können überlappend angeordnet sein und die genannte Sickenanordnung mit einem gemeinsamen Dichtsickeninnenraum bilden, welcher fluidisch mit der Durchgangsöffnung der Separatorplatte verbunden ist. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke sind typischerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Separatorplatte ausgebildet und weisen in der Regel mit ihren Sickendächern voneinander weg. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke sind üblicherweise als Vollsicken ausgestaltet und umfassen dementsprechend in der Regel jeweils zwei Sickenflanken. Oftmals sind die Sickenflanken der jeweiligen Dichtsicken durch ein gerades oder gewölbtes Sickendach miteinander verbunden. Alternativ ist es möglich, dass der Dichtsickeninnenraum von nur einer Dichtsicke in einer der ersten und zweiten Einzelplatten aufgespannt wird, also nur in der ersten oder nur in der zweiten Einzelplatte und die komplementäre Einzelplatte in den betreffenden Bereichen beispielsweise flach verläuft.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Leitungskanal sich zumindest bereichsweise von der zweiten Dichtsicke in Richtung des elektrochemisch aktiven Bereichs oder in Richtung der Durchgangsöffnung erstreckt. Der Leitungskanal schließt sich vorzugsweise an die zweite Dichtsicke an, insbesondere an eine Sickenflanke der zweiten Dichtsicke.
Die Erfindung erlaubt viele Kombinationen hinsichtlich der Anzahl Leitungskanäle und erster Durchbrüche. In einer ersten Variante ist ein erster Durchbruch in der ersten Einzelplatte mit einem Leitungskanal in der zweiten Einzelplatte verbunden, insbesondere mit einem Leitungskanal, der im Wesentlichen senkrecht zur Sickenanordnung verläuft. Ebenso ist es jedoch möglich, dass eine Vielzahl erster Durchbrüche in der ersten Einzelplatte mit einem Leitungskanal in der zweiten Einzelplatte zumindest abschnittsweise überlappt, so dass ein Leitungskanal mit mehreren Durchbrüchen in fluidischer Verbindung steht. Auch ist es möglich, aus einem einzigen Leitungskanal in der zweiten Einzelplatte, der senkrecht zur Sickenanordnung verläuft, mindestens zwei erste Durchbrüche zu speisen bzw. über diesen Leitungskanal fluid aus diesen ersten Durchbrüchen abzuführen. Ebenso ist es möglich, einen ersten Durchbruch in der ersten Einzelplatte mit mehreren Leitungskanälen in der zweiten Einzelplatte abschnittsweise zu überlappen und hierdurch fluidisch zu verbinden.
In einer zweiten Variante der Erfindung weist die Separatorplatte Folgendes auf:

- einen elektrochemisch aktiven Bereich,
- wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids,
- eine zumindest in einer der Einzelplatten um die Durchgangsöffnung herum angeordnete Sickenanordnung zum Abdichten der Durchgangsöffnung, wobei ein Sickeninnenraum fluidisch mit der Durchgangsöffnung verbunden ist,
- mindestens einen in der ersten Einzelplatte ausgebildeten ersten Durchbruch, welcher sich im Wesentlichen parallel zu einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene erstreckt, und
- mindestens einen in einer der Einzelplatten ausgebildeten Leitungskanal, welcher auf einer Seite der Sickenanordnung angeordnet ist.

Auch in dieser Variante mündet der Leitungskanal in einen Bereich der ersten Einzelplatte mit dem ersten Durchbruch, insbesondere einen von der ersten Einzelplatte aufgespannten Bereich mit dem ersten Durchbruch, und verbindet und den Sickeninnenraum der Sickenanordnung fluidisch mit dem in der ersten Einzelplatte ausgebildeten ersten Durchbruch. Wiederum ist es nicht notwendig, dass der Durchbruch mittels eines komplexen 3-D Stanzverfahrens ausgebildet wird, sondern er kann mittels eines einfachen 2-D Stanzverfahrens eingebracht werden.
In dieser zweiten Variante kann der Leitungskanal in die erste Einzelplatte eingeformt sein. Der Leitungskanal kann durch das Plattenmaterial der ersten Einzelplatte geformt sein. In dieser zweiten Variante kann eine Sickenanordnung in der zweiten Lage um die Durchgangsöffnung umlaufen, es ist aber auch möglich, dass in der zweiten Lage keine entsprechende Sickenanordnung ausgebildet ist.
Viele der oben genannten Ausführungsformen der ersten Variante einschließlich des Verfahrens können auch mit der zweiten Variante der Erfindung realisiert werden, sofern sie nicht im Widerspruch zu dieser stehen.
In beiden Varianten kann die erste Einzelplatte wenigstens eine erste Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids aufweisen, wobei die zweite Einzelplatte eine zweite Durchgangsöffnung zum Durchleiten des Fluids aufweist. Die erste Durchgangsöffnung und die zweite Durchgangsöffnung sind meistens fluchtend oder zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet und bilden die genannte Durchgangsöffnung der Separatorplatte, um welche die Sickenanordnung angeordnet ist.
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 Einlassöffnung bzw. Zuführöffnung oder eine Auslassöffnung bzw. Abführöffnung für das Fluid bilden. Eine Leitungssequenz, die vom Rand einer Durchgangsöffnung bis zu einem ersten Durchbruch führt, wird in der vorliegenden Schrift auch als Sickendurchführung bezeichnet, da sie dem Durchleiten eines Fluids durch den Bereich, den die Sickenanordnung quert, dient.
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-C ein weiteres Beispiel einer Separatorplatte mit an die Sickenanordnung sich anschließenden Leitungskanälen in zwei Richtungen gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht, einer schematisierten Detailansicht sowie einer Schnittansicht;
4A perspektivisch eine Durchführung durch eine Sickenanordnung einer Separatorplatte mit an die Sickenanordnung sich anschließenden Leitungskanälen in einer Richtung gemäß dem Stand der Technik;
4B eine Schnittdarstellung der Sickendurchführung aus 4A;
5A perspektivisch eine Gruppe von Sickendurchführungen einer Separatorplatte gemäß der ersten Variante der Erfindung;
5B die Anordnung der 5A in einer Draufsicht;
5C-F verschiedene Schnittdarstellungen durch die Separatorplatte der 5B;
5G die Separatorplatte der 5A und 5B in einer Unteransicht;
6A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
6B-C verschiedene Schnittdarstellungen durch die Separatorplatte der 6A;
6D die Separatorplatte der 6A in einer Unteransicht;
7A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
7B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 7A;
7D die Separatorplatte der 7A in einer Unteransicht;
8A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
8B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 8A;
8D die Separatorplatte der 8A in einer Unteransicht;
9A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
9B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 9A;
9D die Separatorplatte der 9A in einer Unteransicht;
10A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
10B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 10A;
10D die Separatorplatte der 10A in einer Unteransicht;
11A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
11B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 11A;
11D die Separatorplatte der 11A in einer Unteransicht;
12A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
12B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 12A;
12D die Separatorplatte der 12A in einer Unteransicht;
12E perspektivisch die Separatorplatte der 12A
13A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer Separatorplatte in einer Draufsicht;
13B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 13A;
13D die Separatorplatte der 13A in einer Unteransicht;
14A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer Separatorplatte gemäß der zweiten Variante der Erfindung in einer Draufsicht;
14B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 14A;
14D die Separatorplatte der 14A in einer Unteransicht;
15A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte gemäß der ersten Variante der Erfindung in einer Draufsicht;
15B-C verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 15A;
15D die Separatorplatte der 15A in einer Unteransicht;
16A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte gemäß der ersten Variante der Erfindung in einer Draufsicht;
16B-E verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 16A;
16F die Separatorplatte der 16A in einer Unteransicht;
17A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
17B-E verschiedene Schnittdarstellungen der Separatorplatte der 17A;
17F die Separatorplatte der 17A in einer Unteransicht;
18A eine Gruppe von Sickendurchführungen einer weiteren Separatorplatte in einer Draufsicht;
18B-C verschiedene Schnittansichten aus der Separatorplatte der 18A;
18D die Separatorplatte der 18A in einer Unteransicht; und
19 Ablaufschemata von Verfahren zur Herstellung 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 abgereicherte 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 bis 4 gezeigt sind, als auch erfindungsgemäße Separatorplatten, wie sie ab 5 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. 4A, 4B), 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-cjeweils 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). Eine Sickenanordnung 12 der Separatorplatte 2 kann als Kombination von zwei zusammenwirkenden, voneinander wegweisenden und auf gegenüberliegenden Seiten der Separatorplatte 2 liegenden Dichtsicken 12a der Einzelplatten 2a, 2b, Dichtsicken 12b der Einzelplatten 2a, 2b, Dichtsicken 12c der Einzelplatten 2a, 2b aufgefasst werden. Wie im Folgenden noch gezeigt wird, kann eine Sickenanordnung 12 jedoch auch nur eine in einer der beiden Einzelplatten ausgebildete Dichtsicke 12a, 12b bzw. 12c umfassen.
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 mindestens einen Verteil- und/oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- und/oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, 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 Verteil- bzw. Sammelstrukturen 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 werden von Durchführungen 13a-13c gekreuzt, die jeweils in sämtliche Einzelplatten 2a, 2b eingeformt sind, und von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Einzelplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Einzelplatte 2b eine Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteilbereich 20 ausbilden, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Einzelplatte 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Einzelplatte 2b eine entsprechende Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11b bzw. 11c und dem jeweils angrenzenden Verteilbereich 20 herstellen. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 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 Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Einzelplatte 2a, diese Durchführungen 13b grenzen an dem Verteil- oder Sammelbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Durchbrüche 15 an. Durch die Durchführungen 13b und die Durchbrüche 15 strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Einzelplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Durchführungen 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 in der Sickenflanke verlaufenden 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 Strömungsfelder, 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 im Querschnitt bogenförmige Sicken sind möglich.
Während die Dichtsicken 12a-12c einen im Wesentlichen runden Verlauf aufweisen, der jedoch in erster Linie von der Flächenform der zugehörigen Durchgangsöffnung 11a-11c abhängt, 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 die die Dichtsicken 12b kreuzende Durchführungen 13b, über die Verteilstrukturen des Verteil- bzw. 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 Verteil- bzw. Sammelstrukturen 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 der Durchführungen 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. Auch gemischte Designs sind möglich, bei denen zusätzlich zu der in 2 gezeigten Perimetersicke eine weitere Perimetersicke vorhanden ist, die sämtliche Durchgangsöffnungen 11a, 11b, 11c sowie ggf. vorhandene weitere Mediendurchgangsöffnungen umschließt.
3A zeigt etwas vergrößert einen Ausschnitt der Separatorplatte 2 aus 2 mit den zusammengefügten metallischen Einzelplatten 2a, 2b. Dem Betrachter zugewandt ist die Vorderseite der ersten Einzelplatte 2a. Erkennbar sind die Durchgangsöffnungen 11a-c in der Separatorplatte 2 und die zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordneten Dichtsicken 12a-c, die in die erste Einzelplatte 2a eingeprägt sind. Die Dichtsicke 12d zum Abdichten insbesondere des aktiven Bereichs 18 der ersten Einzelplatte 2a ist abschnittweise dargestellt. Die Dichtsicken 12a-c weisen wiederum Durchführungen 13a-c zum Durchführen von Medien durch die Dichtsicken 12a-c bzw. die Sickenanordnungen 12 der Separatorplatte 2 auf, wobei deutlich wird, dass das Medium der Durchgangsöffnung 11a - es handelt sich dabei insbesondere um Kühlmittel - sowohl die Sicke 12a als auch die Sicke 12d queren muss; es wird durchgängig auf der vom Betrachter abgewandten Seite der Einzelplatte 2a geführt. Das aus der Durchgangsöffnung 11b zwischen den Einzelplatten 2a, 2b und durch die Durchführung 13b quer zur Sickenanordnung 12b geführte Medium tritt über die in der Flanke sich erstreckende Durchbruch 15 (vgl. z. B. Öffnung 33 der 6 bis 8 aus der Veröffentlichung DE 20 2015 104 973 U1 ) in den dem Betrachter zugewandten Verteil- und/oder Sammelbereich 20 ein. Das aus dem nicht sichtbaren Verteil- und/oder Sammelbereich auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Separatorplatte 2 abgeführte Medium tritt durch eine in der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildete Öffnung in einen Leitungskanal zwischen den Einzelplatten 2a und 2b ein, quert die Sicke 12c über die Durchführung 13c und fließt weiter in die Durchgangsöffnung 11c.
3B zeigt einen Ausschnitt einer schematisierten Separatorplatte 2 abgesehen von der Form der Durchgangsöffnung vergleichbar 3A in perspektivischer Darstellung. Stellvertretend aber nicht beschränkend wird hier auf eine Durchgangsöffnung 11 Bezug genommen, womit eine der Durchgangsöffnungen 11a-c gemeint sein kann, insbesondere eine der Durchgangsöffnung 11c in 3A entsprechende Durchgangsöffnung.
Die erste Einzelplatte 2a kann eine um die Durchgangsöffnung 11 herum angeordnete erste Dichtsicke zum Abdichten der Durchgangsöffnung 11 aufweisen. Dementsprechend kann die zweite Einzelplatte 2b eine um die Durchgangsöffnung 11 herum angeordnete zweite Dichtsicke zum Abdichten der Durchgangsöffnung 11 aufweisen. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke können die genannte Sickenanordnung 12 mit dem gemeinsamen Dichtsickeninnenraum 24 bilden, welcher fluidisch mit der Durchgangsöffnung 11 der Separatorplatte 2 verbunden ist.
In der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere auch in Bezug auf die 5-19, wird der Einfachheit halber meistens auf die Sickenanordnung 12, und nicht auf die einzelnen Dichtsicken der Einzelplatten 2a, 2b Bezug genommen.
Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke sind typischerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Separatorplatte 2 ausgebildet und weisen in der Regel mit ihren Sickendächern 23 voneinander weg. Die erste Dichtsicke und die zweite Dichtsicke sind üblicherweise als Vollsicken ausgestaltet und umfassen dementsprechend in der Regel jeweils zwei Sickenflanken 21, 22. Oftmals sind die Sickenflanken 21, 22 der jeweiligen Dichtsicken durch ein Sickendach 23 miteinander verbunden.
Die der Durchgangsöffnung 11 zugewandte Sickenflanke 21 weist eine Vielzahl von Anhebungen 25 zum Durchleiten eines Mediums durch die Sickenflanke 21 sowie an diese anschließende Leitungskanäle 27 zum Leiten eines Mediums zur Sickenflanke 21 auf. Über die Leitungskanäle 27 und die Anhebungen 25 ist die Durchgangsöffnung 11 in Fluidverbindung mit dem Sickeninnenraum 24. Die von der Durchgangsöffnung 11 abgewandte Sickenflanke 22 weist ebenfalls Anhebungen 25' zum Durchleiten eines Mediums durch die Sickenflanke 22 auf.
An der von der Durchgangsöffnung 11 abgewandten Außenseite der Sickenanordnung 12 schließen sich Leitungskanäle 26 an, die über Anhebungen 25' mit dem Sickeninnenraum 24 in Fluidverbindung sind. Der Leitungskanal 26 ist hier so ausgestaltet, dass mehrere Leitungskanalabschnitte in einen gemeinsamen, im Wesentlichen parallel zur Sickenanordnung 12 verlaufenden Verteilkanal 29 münden, der ebenfalls sickenförmig ausgestaltet ist und an dessen der Sickenanordnung 12 bzw. der Durchgangsöffnung 11 abgewandter Flanke Durchbrüche 15 angeordnet sind. Ein im Medienkanal 11 geführtes Medium kann somit über die Kanäle 27, die Anhebungen 25, den Sickeninnenraum 24, die Anhebungen 25', die Kanäle 26, den Verteilkanal 29 und die Durchbrüche 15 durch die Sickenanordnung 12 hindurchgeführt und z. B. gezielt in den aktiven Bereich 18 der Einzelplatte 2a bzw. Separatorplatte 2 geleitet werden, wie anhand der Pfeile in 3C angedeutet ist. Zwischen der Sickenanordnung 12 und dem hier nicht dargestellten aktiven Bereich 18 sind die beiden Einzelplatten 2a, 2b mittels einer durchgängigen bzw. durchgängig wirkenden Schweißnaht 70 miteinander verbunden. Die Leitungskanäle 26, 27 haben zumeist eine konstante Höhe, wobei die Höhe der Leitungskanäle 26, 27 der Einzelplatte 2a jeweils durch den entlang der z-Richtung 7 bestimmten Abstand des Tunneldaches 28 von der Planflächenebene E der Einzelplatte 2a gegeben ist. 3C zeigt eine Schnittdarstellung der Sickenanordnung 12 gemäß 3B, wobei die Schnittebene entlang der x-z-Ebene ausgerichtet ist und in Längsrichtung durch einen der Leitungskanäle 26 bzw. 27 verläuft.
Eine Umkehrung der Flussrichtung relativ zur Durchgangsöffnung 11 ergibt sich z.B. durch die gegenüberliegende Seite der Separatorplatte 2, wo das Fluid vom aktiven Bereich 18 durch die Sickenanordnung 12 hin zur Durchgangsöffnung 11 geleitet wird.
4A und 4B zeigen eine Variante einer Sickenanordnung 12 des Stands der Technik, bei der im Vergleich zur 3 allerdings auf der zum Verteilbereich 20 bzw. zum aktiven Bereich 18 weisenden Seite auf einen Leitungskanal 26 und den Verteilerkanal 29 verzichtet wird und das Medium bereits auf der der Durchgangsöffnung 11 abgewandten Sickenflanke durch Durchbrüche 15 auf die dem Betrachter zugewandte Oberfläche der oberen Einzelplatte 2a fließt. Eine Umkehrung der Elemente 27, 25, 24, 15 ist auch möglich. In diesem Fall, welcher nicht dargestellt ist, liegen die Durchbrüche 15 auf einer der Durchgangsöffnung 11a zugewandten Seite der Sickenanordnung 12, während die Kanäle 26 bzw. 27 auf einer dem aktiven Bereich 18 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 angeordnet sind. In diesem Fall strömt das Fluid also von der Durchgangsöffnung 11 nacheinander durch Durchbrüche 15, den Sickeninnenraum 24, die Anhebungen 25 und die Kanäle 27 in Richtung des aktiven Bereichs 18.
Die gesamte Leitungssequenz aus Leitungskanal 27, Anhebung 25, Sickeninnenraum 24, Anhebung 25', ggf. Leitungskanal 26, ggf. Verteilkanal 29 und Durchbruch 15 entspricht einer Sickendurchführung 13 wie vorgenannt.
Um den Stapel 2 der Separatorplatten des Systems 1 möglichst kompakt zu gestalten, ist es wünschenswert, die Sickenanordnung 12 und die übrigen Dichtsicken 12a-d der Separatorplatte 2 möglichst flach auszubilden. Die Durchbrüche 15 und Anhebungen 25 in den Sickenflanken 21 können jedoch die Stabilität und Elastizität und damit die Dichtwirkung der Sickenanordnung 12 beeinträchtigen. Dem könnte ggf. durch eine Verkleinerung der Durchbrüche 15 und Anhebungen 25 abgeholfen werden. Eine solche Verkleinerung hätte aber eine ebenfalls ungewünschte Verringerung des Medienstromes durch die Sickenanordnung 12 zur Folge.
Außerdem werden die Einzelplatten 2a, 2b der Separatorplatte 2 häufig zunächst geprägt, hydrogeformt oder tiefgezogen, bevor die Durchbrüche 15 in die Einzelplatten gestanzt oder geschnitten werden. Hierdurch sind relativ komplizierte 3D-Schnitte notwendig, um die Durchbrüche 15 zu formen.
Dadurch, dass die Kanten der Durchbrüche 15 in Stapelrichtung manchmal relativ weit oben angeordnet sind, besteht zudem die Gefahr, dass die auf dem Sickendach 23 aufliegende MEA 10, insbesondere die rahmenförmige Verstärkungslage bzw. Verstärkungsrand der MEA, durch scharfe Kanten der Durchbrüche 15 beschädigt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehenden Probleme zumindest teilweise zu lösen.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figurengruppen 5-18 gezeigt, welche jeweils Teilfiguren mit verschiedenen Ansichten und Schnittzeichnungen aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber wird manchmal auf eine komplette Figurengruppe Bezug genommen (z.B. 5 statt auf eine der 5A-5G).
Die Ausführungsformen der 5-18 umfassen eine Separatorplatte 2 für ein elektrochemisches System 1 mit einer ersten Einzelplatte 2a und einer zweiten Einzelplatte 2b, welche miteinander verbunden sind, z.B. durch Schweißverbindungen, insbesondere Laserschweißverbindungen. Die Separatorplatte 2 weist vorzugsweise den zuvor beschriebenen elektrochemisch aktiven Bereich 18 auf. Die 5-18 zeigen einen Bereich um eine Durchgangsöffnung 11 einer Separatorplatte 2 mit Sickendurchführungen 30 durch die Sickenanordnung 12.
Die Separatorplatte 2 weist weiter wenigstens eine Durchgangsöffnung 11 zum Durchleiten eines Fluids und eine um die Durchgangsöffnung 11 herum angeordnete Sickenanordnung 12 zum Abdichten der Durchgangsöffnung 11 auf, wobei ein Sickeninnenraum 24 der Sickenanordnung 12 fluidisch mit der Durchgangsöffnung 11 der Separatorplatte 2 verbunden ist. Im Folgenden kann die Durchgangsöffnung 11 eine der oben genannten Durchgangsöffnungen 11a-11c repräsentieren. Des Weiteren kann die Sickenanordnung 12 eine der Dichtsicken 12a-c repräsentieren. Mittels der Sickendurchführungen 30 kann das Fluid von der Durchgangsöffnung durch die Sickenanordnung 12 zum aktiven Bereich 18 oder vom aktiven Bereich 18 durch die Sickenanordnung 12 zur Durchgangsöffnung 11 geleitet werden.
Zudem hat die Separatorplatte 2 mindestens einen in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildeten ersten Durchbruch 35, welcher sich im Wesentlichen parallel zu einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene erstreckt. Mit anderen Worten ist eine durch den Durchbruch 35 definierte Ebene, genauer gesagt, durch eine umlaufende Kante 36 des Durchbruchs 35 definierte Ebene im Wesentlichen parallel zur Plattenebene der Separatorplatte 2.
Der erste Durchbruch ist also nicht in einer zur Plattenebene schräg verlaufenden Sickenflanke 22 der Sickenanordnung 12 oder in einem gewölbten Abschnitt der Separatorplatte, wie einem Endabschnitt eines Leitungskanals, ausgebildet. Durch die Parallelität der durch den Durchbruch 35 definierten Ebene mit der Plattenebene kann bei der Herstellung des Durchbruchs 35 bzw. der Durchbrüche 35 ein einfacher 2D-Schnitt gemacht werden. Außerdem verringert sich durch die parallele Ausrichtung des Durchbruchs 35 das Risiko einer Beschädigung des Verstärkungsrands der MEA 10.
Damit der Durchbruch 35 der ersten Einzelplatte 2a trotzdem fluidisch mit der Sickenanordnung 12 verbunden wird, umfasst die Separatorplatte 2 außerdem mindestens einen in der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildeten Leitungskanal 40, welcher auf einer der Durchgangsöffnung 11 abgewandten Seite der Sickenanordnung 12 angeordnet ist. Der in der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildete Leitungskanal 40 mündet in einen Bereich der ersten Einzelplatte 2a mit dem ersten Durchbruch 35. Außerdem verbindet der in der zweiten Einzelplatte 2a ausgebildete Leitungskanal 40 den Sickeninnenraum 24 der Sickenanordnung 12 fluidisch mit dem in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildeten ersten Durchbruch 35.
Der Leitungskanal 40 ist vorzugsweise durch das Plattenmaterial der zweiten Einzelplatte 2b geformt bzw. begrenzt. Im Regelfall ist der Leitungskanal 40 in die zweite Einzelplatte 2b durch Hydroformen, Rollprägen, Hubprägen und/oder Tiefziehen eingeformt, und kann als solcher wannenförmig ausgestaltet sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Leitungskanal 40 sich zumindest bereichsweise von der zweiten Dichtsicke in Richtung des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 erstreckt. Der Leitungskanal endet dabei, wie beispielsweise in 5 gezeigt, vor der Schweißnaht 70, die in erfindungsgemäßen Separatorplatten 2 ebenso wie im Stand der Technik vorhanden sein kann. Auf eine Darstellung der Schweißnähte wurde in den meisten Ausführungsbeispielen aus Klarheitsgründen verzichtet. Der Leitungskanal 40 schließt sich vorzugsweise an die zweite Dichtsicke an, insbesondere an eine Sickenflanke der zweiten Dichtsicke.
Es sei hierbei angemerkt, dass die fluidische Verbindung des Sickeninnenraumes 24 mit dem ersten Durchbruch 35 mittels des Leitungskanals 40 direkt oder zumindest indirekt hergestellt werden kann. Es können also noch weitere Kanalabschnitte oder Verbindungsstücke zwischen dem Leitungskanal 40 und dem Sickeninnenraum 24 vorhanden sein, welche den Leitungskanal fluidisch mit dem Sickeninnenraum 24 verbinden.
Ebenso kann der Leitungskanal 40 verschiedene Abschnitte 42, 44 mit verschiedenen Ausrichtungen bzw. Erstreckungsrichtungen umfassen, vgl. Ausführungsformen der 5-11, 13 und 15-18. Der Leitungskanal 40 kann zum Beispiel mindestens oder genau einen Primärkanal 42 umfassen, welcher beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung (vgl. unten) der Sickenanordnung 12 und/oder parallel zur Kante 16 der Durchgangsöffnung 11 verläuft. Der Primärkanal 42 ist hierbei typischerweise von der Sickenanordnung 12 beabstandet und befindet sich auf der dem aktiven Bereich zugewandten Seite der Sickenanordnung 12. Der Primärkanal 42 hat oftmals einen geraden Verlauf, kann aber bereichsweise auch wellenförmig oder bogenförmig sein. Ein Schnitt der Primärkanals 42 quer zum Verlauf des Primärkanals 42 und durch die zweite Einzelplatte 2b ist in der Regel trapezförmig.
Der Leitungskanal 40 kann weiterhin mindestens einen Sekundärkanal 44, vorzugsweise eine Vielzahl von Sekundärkanälen 44, aufweisen. Im Folgenden wird auf einen einzigen Sekundärkanal 44 Bezug genommen; selbstverständlich können hiermit auch mehrere Sekundärkanäle 44 gemeint sein. Der Sekundärkanal 44 verbindet den Primärkanal 42 vorzugsweise fluidisch mit dem Sickeninnenraum 24 und schließt sich üblicherweise an die Sickenflanke 22 der Sickenanordnung 12 an, genauer gesagt: an die in der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildete Sickenflanke der zweiten Dichtsicke an. Falls die zugehörige Durchgangsöffnung 11 als Einlassöffnung ausgebildet ist, wird der Primärkanal 42 somit durch die Sekundärkanäle 44 gespeist. Falls anders herum die zugehörige Durchgangsöffnung 11 als Auslassöffnung ausgebildet ist, ist der Primärkanal 42 eine Zulaufleitung für die Sekundärkanäle 44. Je nach Strömungsrichtung des Fluids bzw. Funktion der Durchgangsöffnung 11 kann der Primärkanal 42 als Verteilkanal oder Sammelkanal bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die Abschnitte 42 und/oder 44 bzw. der Leitungskanal 40 niedriger als die Sickenanordnung 12, d.h. sie ragen weniger weit aus der Plattenebene heraus als die Sickenanordnung 12.
Der Sekundärkanal 44 kann winklig zum Primärkanal 42 und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung 12 angeordnet sein, zum Beispiel in einem Winkel α von mindestens 45°, beispielsweise mindestens 60°, insbesondere mindestens 75° und/oder höchstens 135°, beispielsweise höchstens 120°, insbesondere höchstens 105°. In einem Beispiel verläuft der Sekundärkanal 44 im Wesentlichen orthogonal zum Primärkanal 42 und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung 12. Der Sekundärkanal 44 erstreckt sich üblicherweise von der Sickenanordnung 12 in Richtung des aktiven Bereichs 18. 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Sekundärkanäle 44 unter einem Winkel von ungefähr 55° zum kurze gerade Abschnitt des Primärkanals 42 verlaufen. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwar ein Primärkanal 42, aber kein Sekundärkanal 44 vorhanden ist.
In der Regel ist der erste Durchbruch 35 von der Sickenanordnung 12 beabstandet. Der Durchbruch 35 kann zum Beispiel in einem Bereich der ersten Einzelplatte 2a gebildet sein, welcher in einer Plattenebene der ersten Einzelplatte 2a liegt, vgl. Schnittdarstellungen in den 5D, 8C, 9C, 10C, 11B, 12C, 13C, 15D 16D, 17D und 18B. Die Plattenebene der Einzelplatte 2a kann hierbei als ebener Bereich der Einzelplatte 2a definiert sein, welcher nicht geprägt ist.
Alternativ kann der erste Durchbruch 35 in einem geprägten Bereich 37 der Einzelplatte 2a gebildet sein. Eine derartige Ausbildung ist in den Schnittdarstellungen der 5E, 5F, 6C, 7C, 14C, 16C, 16D, 16E gezeigt. Der geprägte Bereich 37 ist jedenfalls in der unmittelbaren Nähe des ersten Durchbruchs 35, also im Bereich angrenzend an den ersten Durchbruch 35, flach und parallel zur Plattenebene der ersten Einzelplatte 2a, im Falle einer wulstförmigen Prägung (16E) ggf. identisch zur Plattenebene der ersten Einzelplatte 2a, und parallel zur Plattenebene E der Separatorplatte 2. Der Geprägte Bereich 37 hat vorzugsweise eine Höhe gemessen senkrecht von der Plattenebene, welche geringer ist als eine Höhe der Sickenanordnung 12, damit der geprägte Bereich 37 im verbauten Zustand des Stapels 1 nicht mitverpresst wird. In der 5B ist in Zusammenschau mit den 5E und 5F zu erkennen, dass die geprägten Bereiche 37 unterschiedliche Höhen haben können. Weiterhin zeigen 16D, 16E, dass es auch möglich ist, dass die Prägung den Durchbruch 35 beabstandet abschnittsweise umgibt, während der Rand 36 des Durchbruchs 35 zumindest abschnittsweise in der Plattenebene verläuft. Dies ermöglicht eine bessere Abstützung des MEA-Verstärkungsrandes, ohne den Medienfluss zu beeinträchtigen.
In der Ausführungsform der 5 sind die geprägten Bereiche 37 um die Durchbrüche 35 herum ausgebildet und können z.B. eine abgerundet-rechteckige Grundform oder eine ovale Grundform aufweisen. Jeder geprägte Bereich weist einen einzigen Durchbruch 35 auf. Der geprägte Bereich 37 kann auch als geprägte Struktur aufgefasst werden. Während die geprägten Bereiche 37 mittig und rechts in der 5A in dieselbe Richtung wie die Sickenanordnung 12 aus der Plattenebene herausragen, ist der geprägte Bereich 37* links in 16A in entgegengesetzter Richtung zur Richtung der Sickenanordnung zur Plattenebene geprägt, sie ragt also in den Leitungskanal 42 hinein, wie aus 16C ersichtlich ist.
In den Ausführungsformen der 6A, 7A, 14A sind pro geprägtem Bereich 37 mehrere Durchbrüche 35 vorgesehen. Der geprägte Bereich 37 kann zum Beispiel als von der Berührebene E der Einzelplatten betrachtet rinnenförmige Anhebung ausgeführt sein und ein flaches Dach 38 aufweisen, welches sich parallel zur Plattenebene der Separatorplatte 2 erstreckt. Zudem kann sich der geprägte Bereich 37 der ersten Einzelplatte 2a in diesen Ausführungsformen zum Beispiel kanalförmig entlang des Leitungskanals 40 der zweiten Einzelplatte 2b erstrecken. Der geprägte Bereich 37 ist hier zum Beispiel als Primärkanal 52 (vgl. unten) der ersten Einzelplatte 2a ausgebildet.
Eine Orthogonalprojektion des ersten Durchbruchs 35 senkrecht zur Plattenebene auf die zweite Einzelplatte 2b kann eine Projektionsfläche definieren, wobei die zweite Einzelplatte 2b im Bereich der Projektionsfläche zumindest einen Teil des Leitungskanals 40 aufweist. Dies ist insbesondere bei einer Draufsicht auf die erste Einzelplatte 2a und deren Durchbrüche 35 erkennbar, vgl. 5B, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A, 11A, 12A, 12E, 13A, 15A,17A und 18A, wo der Leitungskanal 40, insbesondere der Primärkanal 42, unterhalb des Durchbruchs 35 gut zu erkennen ist.
Obwohl die in den 5-13 sowie 15-gezeigten Separatorplatten 2 den Primärkanal 42 aufweisen und die Separatorplatte 2 der 18 eine Mehrzahl von Primärkanälen 42, kann alternativ auch auf den Primärkanal 42 verzichtet werden. In diesem Fall kann jeder Durchbruch 35 einem eigenen Sekundärkanal 44 zugeordnet sein, welcher den jeweiligen Durchbruch 35 fluidisch mit den Sickeninnenraum 24 verbindet. Über eine entsprechende Gestaltung des im Folgenden noch zu beschreibenden Leitungskanals 50 in der ersten Einzelplatte 2a kann ebenfalls auf einen Primärkanal 42 in der zweiten Einzelplatte 2b verzichtet werden, wie in 14 gezeigt ist.
Die Separatorplatte 2 umfasst in manchen Ausführungsformen mindestens einen in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildeten Leitungskanal 50, welcher auf einer der Durchgangsöffnung 11 abgewandten Seite der Sickenanordnung 12 bzw. der dem aktiven Bereich 18 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 angeordnet ist. Der in der ersten Platte 2a ausgebildete Leitungskanal 50 kann in direkter oder indirekter Fluidverbindung mit dem Sickeninnenraum 24 der Sickenanordnung 12 stehen.
Der Leitungskanal 50 ist vorzugsweise durch das Plattenmaterial der ersten Einzelplatte 2a geformt. Im Regelfall ist der Leitungskanal 40 in die zweite Einzelplatte 2a durch Hydroformen, Rollprägen, Hubprägen und/oder Tiefziehen eingeformt, und kann als solcher als Sicke, insbesondere Vollsicke ausgestaltet sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Leitungskanal 50 sich zumindest bereichsweise von der ersten Dichtsicke in Richtung des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 erstreckt. Der Leitungskanal 50 schließt sich vorzugsweise an die erste Dichtsicke an, insbesondere an eine Sickenflanke der ersten Dichtsicke.
So kann der Leitungskanal 50 verschiedene Abschnitte 52 und/oder 54 mit verschiedenen Ausrichtungen bzw. Erstreckungsrichtungen umfassen, vgl. Ausführungsformen der 5-8, 11, 12, 14, 15, 16, 17 und 18. Insbesondere kann der Leitungskanal 50 in analoger Weise zu den Primär- und Sekundärkanälen 42, 44 des Leitungskanals 40 einen Primärkanal 52 und/oder mindestens einen Sekundärkanal 54 aufweisen. Vorzugsweise sind die Abschnitte 52 und/oder 54 bzw. der Leitungskanal 50 niedriger als die Sickenanordnung 12, d.h. sie ragen weniger weit aus der Plattenebene heraus als die Sickenanordnung 12.
Der Leitungskanal 50 kann zum Beispiel einen einzigen Primärkanal 52 umfassen, vgl. 6A, 7A, 14A welcher beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung (vgl. unten) der Sickenanordnung 12 und/oder parallel zur Kante 16 der Durchgangsöffnung 11 verläuft. Der Primärkanal 52 ist hierbei typischerweise von der Sickenanordnung 12 beabstandet und befindet sich auf der dem aktiven Bereich zugewandten Seite der Sickenanordnung 12. Der Primärkanal 52 hat oftmals einen geraden Verlauf.
Der mindestens eine Durchbruch 35 kann in einem ebenen Abschnitt des in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildeten Leitungskanals 50 geformt sein, beispielsweise in einem flachen Dach des Leitungskanals. Insbesondere kann der Durchbruch 35 in einem ebenen Abschnitt des Primärkanals 52 geformt sein, beispielsweise in einem Dach 38 des Primärkanals 52.
Der Leitungskanal 50 kann weiterhin in manchen Ausführungsformen (vgl. 5B, 6A, 8A, 11A, 12A, 14A, 16A, 18A) mindestens einen Sekundärkanal 54, vorzugsweise eine Vielzahl von Sekundärkanälen 54, aufweisen. Im Folgenden wird auf einen einzigen Sekundärkanal 54 Bezug genommen; es ist jedoch klar, dass hiermit auch mehrere Sekundärkanäle 54 gemeint sein können.
In manchen Ausführungsformen (vgl. 6A, 14A) verbindet der Sekundärkanal 54 den Primärkanal 52 fluidisch mit dem Sickeninnenraum 24 und schließt sich dabei oftmals an die Sickenflanke 22 der Sickenanordnung 12 an, genauer gesagt: an die in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildete Sickenflanke der ersten Dichtsicke an. Falls die zugehörige Durchgangsöffnung 11 als Einlassöffnung ausgebildet ist, wird der Primärkanal 52 somit durch die Sekundärkanäle 54 gespeist. Falls anders herum die zugehörige Durchgangsöffnung 11 als Auslassöffnung ausgebildet ist, ist der Primärkanal 52 eine Zulaufleitung für die Sekundärkanäle 54.
Der Sekundärkanal 54 kann winklig zum Primärkanal 52 und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung 12 und/oder zur Kante 16 der Durchgangsöffnung angeordnet sein, zum Beispiel in einem Winkel β von mindestens 45°, beispielsweise mindestens 60°, insbesondere mindestens 75° und/oder höchstens 135°, beispielsweise höchstens 120°, insbesondere höchstens 105°. In einem Beispiel verläuft der Sekundärkanal 54 im Wesentlichen orthogonal zum Primärkanal 52 und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung 12 und/oder der Kante 16 der Durchgangsöffnung 11. Der Sekundärkanal 54 erstreckt sich üblicherweise von der Sickenanordnung 12 in Richtung des aktiven Bereichs 18.
Die Sekundärkanäle 54 können sich dabei so weit in Richtung der ersten Durchbrüche 35 erstrecken, dass sie zumindest abschnittsweise, insbesondere mit Bereichen, in denen sie ihre maximalen Höhe aufweisen, zwischen die ersten Durchbrüche oder gar weiter von der Sickenanordnung weg ragen und so den MEA-Verstärkungsrand abstützen können, so dass ein ausreichender Strömungsraum zum bzw. vom Durchbruch 35 zum aktiven Bereich 18 sichergestellt ist, vgl. 5, 6, 8, 11, 12, 13, 14, 16, 17 und 18.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Leitungskanal 50 und die Kanäle 52, 54 optional sind. So sind die Kanäle 50, 52, 54 in manchen Ausführungsformen nicht vorhanden, vgl. 9, 10, 15. Der Leitungskanal 50 kann lediglich den Primärkanal 52 (vgl. 7) oder den mindestens einen Sekundärkanal 54 (vgl. 5, 8, 11, 12, 18) aufweisen. Alternativ können auch sowohl der Primärkanal 52 als auch die Sekundärkanäle 54 vorgesehen sein, vgl. 6, 14. Die Primärkanäle 52 können zu den Leitungsabschnitten 42 in Orthogonalprojektion in die Plattenebene versetzt zueinander verlaufen, vgl. 8 und 11 oder einander im Wesentlichen überdecken, vgl. 5, 6 und 13
Optional können, wie vorher bereits angedeutet, Leitungskanäle 27 auf einer der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 vorhanden sein (s. 5-14 und 16-18), welche üblicherweise jeweils eine konstante Höhe und eine konstante Breite aufweisen und in die Durchgangsöffnung 11 münden. Die Leitungskanäle 27 können hierbei nur in der ersten Einzelplatte 2a (14), nur in der zweiten Einzelplatte 2b (10, 13) oder in beiden Einzelplatten 2a, 2b (5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 16, 17, 18) ausgebildet sein. Die 9 und 10 unterscheiden sich beispielsweise dahingehend, dass in der 9 beidseitig der Separatorplatte Leitungskanäle 27a, 27b ausgebildet sind, während in der 10 nur die zweite Einzelplatte 2b Leitungskanäle 27b aufweist. Die Leitungskanäle 27a, 27b der Einzelplatten 2a, 2b sind in den 8, 9 in einer Richtung parallel zur Kante 16 versetzt zueinander angeordnet, sodass sie nicht miteinander überlappen und senkrecht zur Kante 16 parallel zueinander verlaufen. In anderen Ausführungsformen sind die Leitungskanäle 27a, 27b in beiden Platten 2a, 2b vorgesehen und überlappend angeordnet, vgl. 5C, 6B, 7B, 11B, 12C, 16B, 17B, 18C, sodass sie gemeinsam Leitungskanäle 27 der Separatorplatte bilden.
Die Leitungskanäle 27, 27a, 27b schließen an eine Sickenflanke 21 der Sickenanordnung 12 an - bzw. an Sickenflanken der ersten Dichtsicke und/oder der zweiten Dichtsicke - und bilden eine fluidische Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11 und dem Sickeninnenraum 24. Das Zuführen eines Mediums von der Durchgangsöffnung 11 zur Sickenanordnung 12 kann mithilfe solcher Leitungskanäle 27, 27a, 27b erfolgen. Auch können derartige Leitungskanäle 27, 27a, 27b das Abführen des Mediums von der Sickenanordnung 12 zur Durchgangsöffnung 11 verbessern.
Alternativ ist es - wie in 15 gezeigt - möglich, dass der Medienübertritt zwischen der Durchgangsöffnung 11 und einem zum Sickeninnenraum 24 führenden Leitungskanal 40' nicht zwischen den Einzelplatten 2a, 2b erfolgt, sondern über einen weiteren Durchbruch 35' bzw. mehrere weitere Durchbrüche 35' in einer der Einzelplatten 2a, 2b, hier der Einzelplatte 2a. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch zwischen der Dichtsicke 12 und der Durchgangsöffnung 11 eine Schweißnaht 70' vorgesehen ist, beispielsweise um ein Auseinanderklaffen der die Durchgangsöffnung 11 umgebenden Lagenränder beim Verpressen der Dichtsicke 12 zu vermeiden oder zu begrenzen.
Ebenso ist es möglich, einen Durchbruch 35' auch auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Dichtsicke 12 vorzusehen, wie dies in 16 der Fall ist. Hier ist weiterhin eine Schweißnaht 70' zwischen der Dichtsicke 12 und der Durchgangsöffnung 11 angeordnet, die um die Durchgangsöffnung 11 umläuft, so dass Fluid zwischen dem Sickeninnenraum 24 und der Durchgangsöffnung 11 nur durch die Durchbrüche 35' fließen kann. Die Durchbrüche 35' selbst sind in einer Ebene parallel zur Plattenebene angeordnet, die durch den Kanal 50' bzw. Primärkanal 52' gebildet wird. Der Primärkanal 52' verbindet die Durchbrüche 35' sowie die Sekundärkanäle 54', die innerhalb der ersten Einzelplatte 2a wiederum die Verbindung zum Sickeninnenraum 24 schaffen. Weiter ist in der zweiten Einzelplatte 2b auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sicke ein Kanal 40' mit Primärkanal 42' und Sekundärkanälen 44' ausgebildet, der zum vorgenannten Kanal 50' im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet ist, jedoch ohne die Durchbrüche 35'.
Weiter wäre es möglich auf der der Durchgangsöffnung 11 abgewandten Seite der Dichtsicke 12 auf einen Durchbruch 35 zu verzichten, dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Medium, wie beispielsweise beim Kühlmittel üblich, im aktiven Bereich 18 nicht auf einer nach außen weisende Oberfläche der Separatorplatte 2 fließt, sondern im Innenraum zwischen den Einzelplatten 2a, 2b und somit auf der dem aktiven Bereich 18 zugewandten Seite der Dichtsicke 12 durch keine der Einzelplatten 2a, 2b hindurchgeführt werden muss. Merkmale, welche im Zusammenhang mit den in den 5-14 und 16-18 gezeigten Durchbrüchen 35 gezeigt sind, können auch mit den Durchbrüchen 35' kombiniert und beansprucht werden. So können zum Beispiel in Analogie zur 5B Kanäle bzw. Kanalabschnitte 50, 52 und/oder 54 in der ersten Separatorplatte 2a zwischen der Sickenanordnung 12 und der Kante 16 der Durchgangsöffnung 11 vorgesehen sein.
Das Vorsehen von Sekundärkanälen 44 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 ebenfalls die Leitungskanäle 27b angeordnet sind. Entsprechend kann auch das Vorsehen von Sekundärkanälen 54 vorteilhaft sein, wenn auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 ebenfalls Leitungskanäle 27a angeordnet sind. Beispielsweise sind in den Ausführungsbeispielen der 5, 6, 8, 11,16 und 17 beidseitig der Sickenanordnung 12 sowohl Kanäle 27a, 54 als auch 27b, 44 vorgesehen, wodurch eine Verpressungskraft auf die Sickenanordnung 12 homogener ausgestaltet werden kann bzw. homogenisiert werden kann. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf die Dichtheit des Systems aus.
Das Vorsehen des Primärkanals 52 kann zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn auf der der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Seite der Sickenanordnung 12 geprägte Innenkanten 16 der Durchgangsöffnung 11 vorhanden sind, wie dies bei 5-12 und 17-18 symmetrisch und bei 13 und 14 asymmetrisch der Fall ist. Hierdurch kann eine Verpressungskraft auf die Sickenanordnung 12 homogener ausgestaltet werden bzw. homogenisiert werden. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf die Dichtheit des Systems aus.
Die Leitungskanäle 40, 50 der Einzelplatten 2a, 2b können zumindest bereichsweise überlappen und dort gemeinsam einen Leitungskanal 60 der Separatorplatte 2 bilden. So können überlappende Primärkanäle 42, 52 der Einzelplatten 2a, 2b Bestandteile eines Primärkanals 62 der Separatorplatte 2 sein. In manchen Ausführungsformen ist ein Sekundärkanal 64 der Separatorplatte 2 vorgesehen, welcher durch überlappende Sekundärabschnitte 44, 54 der Einzelplatten 2a, 2b geformt ist, vgl. 5C, 6B, 16B.
Manchmal sind die Sekundärkanäle 44, 54 der Einzelplatten relativ zueinander versetzt, sodass sie keinen gemeinsamen Sekundärkanal 64, sondern räumlich voneinander getrennte Kanalabschnitte bilden, vgl. z.B. 8 und 11. Dies kann sich ausgleichend auf den Steifigkeitsverlauf der Sickenanordnung auswirken.
Optional haben die Durchgangsöffnungen 11 der Einzelplatten 2a, 2b jeweils umlaufend geprägte Innenkanten 16, die voneinander wegweisen bzw. beabstandet sind, vgl. 5-12 und 17-18. Ein zur Durchgangsöffnung 11 weisender Einlass - bei Ausbildung der Durchgangsöffnung 11 als Einlassöffnung - bzw. Auslass - bei Ausbildung der Durchgangsöffnung 11 als Auslassöffnung - des mindestens einen Leitungskanals 27 ist üblicherweise an der geprägten Innenkante 16 der Durchgangsöffnung gebildet, wobei der Leitungskanal 27 bzw. Leitungskanal 27a, 27b und die geprägte Innenkante 16 in der Regel 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, können für das Ausbilden der Leitungskanäle 27, 27a, 27b und das Ausstanzen bzw. Schneiden der Durchgangsöffnungen 11 in einer Ebene vorteilhaft sein. In 14 ist die Prägung der Innenkante 16 nur in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildet, entspricht in ihrer Höhe aber ungefähr der Summe der Höhe der Prägungen der beiden Einzelplatten 2a, 2b in den Ausführungsbeispielen der 5-12 und 17-18.
Im Ausführungsbeispiel der 13 ist in der ersten Einzelplatte 2a ein wesentlich breiterer an die Innenkante 16 bzw. die Durchgangsöffnung 11 angrenzender Bereich als in den übrigen Ausführungsbeispielen aus der Plattenebene heraus verformt und bildet einen angehobenen Bereich 56, der fingerförmig in Richtung des aktiven Bereichs 18 auskragt. Die fingerförmigen Auskragungen 57 überlappen dabei mit dem Leitungskanal 40 und den Durchbrüchen 35 in der zweiten Einzelplatte 2b und stellen so gemeinsam mit dem Leitungskanal 40 eine Fluidverbindung zwischen den Durchbrüchen 35 und dem Sickeninnenraum 24 und weiter mit der Durchgangsöffnung 11 her. Die fingerförmigen Auskragungen 57 und der angehobene Bereich 56 können also anstelle der Primärkanäle 54 und der Leitungskanäle 27a vorgesehen sein. Die fingerförmigen Auskragungen 57 wirken hier auch als Prägungen, die sich zwischen den Durchbrüchen 35 erstrecken und den MEA-Verstärkungsrand abstützen.
In den 5A, 5B sind verschiedene Durchbrüche 35 gezeigt, welche unterschiedliche Formen aufweisen: rechteckig mit abgerundeten Ecken, kreisrund und oval. Die Erfindung ist nicht auf diese Formen der Durchbrüche 35 beschränkt, vielmehr können auch andere Formen für die Durchbrüche 35 verwendet werden, z.B. langlochförmig (vgl. 9, 10) oder abgerundet-vieleckig.
Die erste Einzelplatte 2a kann manchmal auch Prägestrukturen 39 aufweisen, welche von der Sickenanordnung 12 und den Durchbrüchen 35 beabstandet sind. Die Prägestrukturen 39 sind zum Beispiel in den 9 und 10 gezeigt und können ähnlich wie die geprägten Bereiche 37 der 5 gewölbt mit einem Flachdach 31 sein, weisen aber keine Durchbrüche 35 auf. Die Prägestrukturen 39 können anstelle der Primärkanäle 54 vorgesehen sein und als lokale Versteifung der ersten Einzelplatte 2a fungieren. Weiter wirken diese Prägestrukturen, wenn sie zwischen Durchbrüchen 35 angeordnet sind, als Abstandshalter, so dass der MEA-Verstärkungsrand nicht unmittelbar auf den Durchbrüchen 35 aufliegt und das Fluid ungehindert von oder zu den Durchbrüchen 35 strömen kann. Die Prägestrukturen 39 können oberhalb des Leitungskanals 40, insbesondere des Primärkanals 42 angeordnet sein. Eine Orthogonalprojektion der Prägestruktur 39 senkrecht zur Plattenebene auf die zweite Einzelplatte 2b kann eine Projektionsfläche definieren, wobei die zweite Einzelplatte 2b im Bereich der Projektionsfläche zumindest einen Teil des Leitungskanals 40, insbesondere des Primärkanals 42, aufweist. Vorzugsweise überbrückt die Prägestruktur 39 zumindest in x-Richtung den Leitungskanal 40 bzw. den Primärkanal 42 und verleiht dem Gesamtsystem somit mehr Struktursteifigkeit.
In 6A und 6B ist angedeutet, dass der Primärkanal 52 und der Sekundärkanal 54 jeweils eine unterschiedliche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 bzw. der ersten Einzelplatte 2a aufweisen. Alternativ können sie analog zu den Primär- und Sekundärkanälen 42, 44 der zweiten Einzelplatte 2b auch eine gleiche Höhe haben.
Oftmals haben der in der zweiten Einzelplatte 2b ausgebildete Leitungskanal 27b und der Sekundärkanal 44 eine gleiche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 bzw. der zweiten Einzelplatte 2b, vgl. 5C, 6B, 7B, 8C, 9C, 10C, 11B, 13B und 16B. Die gleichen Höhen der Kanäle 27b, 44 resultieren in einer gleichmäßigen Umgebung der Sickenanordnung 12, was sich positiv auf das Dichtverhalten der Sickenanordnung auswirkt. Alternativ können die Kanäle 27b, 44 auch unterschiedliche Höhen haben. Üblicherweise haben der Primärkanal 42 und der Sekundärkanal 44 eine gleiche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 bzw. der zweiten Einzelplatte 2b, vgl. 5C, 6B, 7B, 8C, 9C, 10C, 11B 13B und 16B. Alternativ können die Kanäle 42, 44 auch unterschiedliche Höhen haben. Auch können die Kanäle in ihrem Verlauf sich ändernde Höhen aufweisen, wie in 18B gezeigt ist, wo die Höhe zu den Enden hin abnimmt, beginnend im Überlappungsbereich mit den Öffnungen 35.
In der Ausführungsform der 6 haben der Primärkanal 52 und der Sekundärkanal 54 eine unterschiedliche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 bzw. der ersten Einzelplatte 2a. Zum Beispiel ist die Höhe des Sekundärkanals 54 größer als die Höhe des Primärkanals 52. Alternativ kann die Höhe des Primärkanals 52 größer sein als die Höhe des Sekundärkanals. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Kanäle 52, 54 eine gleiche Höhe aufweisen.
Oftmals haben der in der ersten Einzelplatte 2a ausgebildete Leitungskanal 27a und der Sekundärkanal 54 eine gleiche Höhe gemessen senkrecht zu einer Planflächenebene (Plattenebene) der Separatorplatte 2 bzw. der zweiten Einzelplatte 2b, vgl. 5C, 6B, 8B, 14B und 16B. Die gleichen Höhen der Kanäle 27a, 54 resultieren in einer gleichmäßigen Umgebung der Sickenanordnung 12, was sich positiv auf das Dichtverhalten der Sickenanordnung auswirkt. Alternativ können die Kanäle 27a, 54 auch unterschiedliche Höhen haben.
Die Sickenanordnung 12 kann in einem zwischen der Durchgangsöffnung 11 und dem aktiven Bereich 18 liegenden Abschnitt einen periodischen Verlauf aufweisen, insbesondere einen wellenförmigen Verlauf mit konkaven und konvexen Abschnitten, vgl. 5-18. Die konvexen und konkaven Abschnitte des wellenförmigen Verlaufs gehen jeweils an einem Wendepunkt ineinander über. Der Wellenform des Sickendachs 23 ist eine Haupterstreckungsrichtung überlagert. Die Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung 12 ergibt sich aus der Verbindungslinie der Wendepunkte der neutralen Faser des Sickendachs 23. In alternativen Ausführungsformen hat der Verlauf der Sickenanordnung 12 in dem zwischen der Durchgangsöffnung 11 und dem aktiven Bereich 18 liegenden Abschnitt einen geraden Verlauf, wie er für den Stand der Technik in 4A dargestellt ist, aber ebenso für die Erfindung realisiert werden kann. In diesem Fall entspricht die Haupterstreckungsrichtung dem geraden Verlauf des Sickendachs 23.
Die Durchbrüche 35 können konvexen und/oder konkaven Abschnitten der Sickenanordnung 12 zugewandt sein. Jeder Durchbruch 35 kann zwischen zwei benachbarten Sekundärabschnitten 54 oder Prägestrukturen 39 angeordnet sein. Die Durchbrüche 35 können in regelmäßigen Abständen voneinander beabstandet sein, vgl. 6A, 8A, 9A, 10A, 11A, 12A, 13A, 14A, 15A, und 18 bei vorletzterer gilt dies auch für die der Durchgangsöffnung 11 zugewandten Durchbrüche 35'. In der Ausführungsform der 7A variieren die Abstände der Durchbrüche 35.
Die Ausführungsbeispiele der 13 und 14 unterscheiden sich von den übrigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass in beiden jeweils nur in einer der Einzelplatten 2a, 2b eine Dichtsicke 12 ausgebildet ist. Hierbei sind die Sickenhöhen höher als in den übrigen Ausführungsbeispielen. In 13 ist die Sicke gegenüber der Ebene E der Separatorplatte 2 derart asymmetrisch ausgebildet, dass ihr Sickendach nach unten über die Ebene E übersteht, während die Sickenfüße nach oben über die Ebene E überstehen. Diese nach oben überstehende Höhe wird durch eine zwischen der Dichtsicke 12 und der Öffnung 35 angeordnete zusätzliche Stufe 48 in der zweiten Einzelplatte 2b ausgeglichen. Auch in der ersten Einzelplatte 2a ist eine entsprechende zusätzliche Stufe 58 eingeformt. In 14 ist die Sicke hingegen so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen vollständig nach oben über die Ebene E übersteht, lediglich die Sickenfüße befinden sich - betrachtet man die untere Oberfläche der Blechlage der Einzelplatte 2b und nicht deren neutrale Faser - in der Ebene E. Das Ausführungsbeispiel der 14 zeigt somit, dass es auch möglich ist, die erfindungsgemäße Separatorplatte 2 im Abdichtbereich so auszubilden, dass lediglich die Einzelplatte 2a geprägt ist, während die Einzelplatte 2b im entsprechenden Bereich als Glattblech ohne Prägungen, Vertiefungen oder Erhebungen ausgeführt sein kann.
Ein Durchbruch 35 kann mit zwei in seiner Nachbarschaft endenden Leitungskanälen 40 in fluidischer Verbindung stehen, wie in 17 gezeigt ist.
Eine Gruppe von zwei Durchbrüchen 35 kann über einen kurzen Leitungskanal 40 bzw. 42 mit einem endenden Leitungskanal 54 in fluidischer Verbindung stehen, wie in 18A gezeigt ist. 18C zeigt weiter, dass das Dach eines Leitungskanals, hier des Leitungskanals 54, nicht parallel zur Plattenebene verlaufen muss, sondern auch jenseits von Sickenflanken und sonstigen Flanken schräg verlaufen kann, wobei Winkel < 30° herstellungstechnisch bevorzugt sind.
Es ist für den Fachmann klar, dass einzelne Merkmale der 1-4, welche mit den Ausführungsformen der 5-18 kompatibel sind und/oder diesen Ausführungsformen der 5-18 nicht widersprechen, zusammen mit einzelne Merkmale der Ausführungsformen der 5-18 beansprucht werden können.
19 stellt den Herstellprozess für die Herstellung der Separatorplatte schematisch dar. Bei der Herstellung beider Einzelplatten kann jeweils sowohl ein Ablauf gewählt werden, bei dem zuerst die Strukturen in die Einzelplatte eingeprägt werden und danach die Durchbrüche und Durchgangsöffnungen aus der Einzelplatte ausgeschnitten, insbesondere ausgestanzt werden, bei der Anodenplatte also zuerst der Schritt F_A1 und danach der Schritt S_A1 erfolgt, als auch ein Ablauf, bei dem zuerst die Durchbrüche und Durchgangsöffnungen aus der Einzelplatte ausgeschnitten, insbesondere ausgestanzt werden und danach die Strukturen in die Einzelplatte eingeprägt werden, also bei der Kathodenplatte zuerst der Schritt S_K2 und danach der Schritt F_K2 erfolgt. Anschließend erhalten die beiden Einzelplatten üblicherweise den finalen Zuschnitt ihrer Außenkanten, Schritt A_A für die Anodenplatte bzw. A_K für die Kathodenplatte, ehe sie im Schritt V gefügt werden, beispielsweise miteinander verschweißt werden, und ggf. im Schritt B beschichtet werden.
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: Sickenanordnung
12a-c: Dichtsicken
12d: Perimeter-Dichtsicke
13a-c: Durchführungen
14: Kanalstrukturen
15: schräger Durchbruch
16: Innenkante
17: Strömungsfeld
18: elektrochemisch aktiver Bereich
19: Hohlraum
20: Verteil- und/oder Sammelbereich
21: Sickenflanke
22: Sickenflanke
23: Sickendach
24: Sickeninnenraum
25, 25': Durchbruch in Form einer Anhebung
26: Leitungskanal
27: Leitungskanal
27a: Leitungskanal
27b: Leitungskanal
28: Tunneldach
29: Leitungskanal
30: Sickendurchführung
31, 31': Flachdach der Prägestruktur 39, 39'
35, 35': Durchbruch in der ersten Einzelplatte 2a
36: Kante des Durchbruchs 35
37: geprägter Bereich
38: Sickendach
39, 39': Prägestruktur
40, 40': Leitungskanal der zweiten Einzelplatte 2b
42, 42': Primärkanal der zweiten Einzelplatte 2b
44, 44': Sekundärkanal der zweiten Einzelplatte 2b
48: weitere Stufe der zweiten Einzelplatte 2b
50: Leitungskanal der ersten Einzelplatte 2a
52: Primärkanal der ersten Einzelplatte 2a
54: Sekundärkanal der ersten Einzelplatte 2a
56: abgesenkter/angehobener Bereich der ersten Einzelplatte 2a
57: fingerförmige Auskragungen des angehobenen Bereichs
58: weitere Stufe der ersten Einzelplatte 2a
60: Leitungskanal der Separatorplatte 2
62: Primärkanal der Separatorplatte 2
64: Sekundärkanal der Separatorplatte 2
70, 70': Schweißnähte
E: Plattenebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10248531 A1 [0007, 0008]
WO 2020/174038 A1 [0008]
DE 202015104973 U1 [0059]

Claims

Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System mit einer ersten Einzelplatte (2a) und einer zweiten Einzelplatte (2b), welche miteinander verbunden sind, wobei die Separatorplatte (2) aufweist: - einen elektrochemisch aktiven Bereich (18), - wenigstens eine Durchgangsöffnung (11) zum Durchleiten eines Fluids, - eine um die Durchgangsöffnung (11) herum angeordnete Sickenanordnung (12) zum Abdichten der Durchgangsöffnung (11), wobei ein Sickeninnenraum (24) fluidisch mit der Durchgangsöffnung (11) verbunden ist, - mindestens einen in der ersten Einzelplatte (2a) ausgebildeten ersten Durchbruch (35, 35'), welcher sich im Wesentlichen parallel zu einer durch die Separatorplatte (2) definierten Plattenebene erstreckt, und - mindestens einen in der zweiten Einzelplatte (2b) ausgebildeten Leitungskanal (40, 40'), welcher auf einer Seite der Sickenanordnung (12) angeordnet ist, wobei der in der zweiten Einzelplatte (2b) ausgebildete Leitungskanal (40, 40') in einen Bereich der ersten Einzelplatte (2a) mit dem ersten Durchbruch (35, 35') mündet und den Sickeninnenraum (24) der Sickenanordnung (12) fluidisch mit dem in der ersten Einzelplatte (2a) ausgebildeten ersten Durchbruch (35, 35') verbindet.
Separatorplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei eine Orthogonalprojektion des ersten Durchbruchs (35, 35') senkrecht zur Plattenebene auf die zweite Einzelplatte (2b) eine Projektionsfläche definiert, wobei die zweite Einzelplatte (2b) im Bereich der Projektionsfläche zumindest einen Teil des Leitungskanals (40, 40') aufweist.
Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungskanal (40, 40') sich zumindest bereichsweise von der Sickenanordnung (12) in Richtung des elektrochemisch aktiven Bereichs oder in Richtung der Durchgangsöffnung (11) erstreckt.
Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungskanal (40, 40') sich zumindest bereichsweise parallel und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung (12) erstreckt.
Separatorplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Leitungskanal (40, 40') sich an die Sickenanordnung anschließt.
Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Einzelplatte einen Leitungskanal (50) aufweist, welcher fluidisch mit dem Sickeninnenraum (24) verbunden ist, bereichsweise mit dem Leitungskanal (40) der zweiten Einzelplatte überlappt und von dem ersten Durchbruch (35) beabstandet ist.
Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Durchbruch (35, 35') in einem Bereich der Platte gebildet ist, welcher in einer Plattenebene (E) der ersten Einzelplatte (2a) liegt.
Separatorplatte (2) nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der erste Durchbruch (35) von einer geprägten Struktur (39) umgeben ist.
Separatorplatte (2) nach Anspruch 8, wobei eine Höhe des geprägten Bereichs gemessen senkrecht von der Plattenebene (E) geringer ist als eine Höhe der Sickenanordnung (12).
Separatorplatte (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Durchbruch (35, 35') von der Sickenanordnung (12) beabstandet ist.
Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System mit einer ersten Einzelplatte (2a) und einer zweiten Einzelplatte (2b), welche miteinander verbunden sind, wobei die Separatorplatte (2) aufweist: - einen elektrochemisch aktiven Bereich (18), - wenigstens eine Durchgangsöffnung (11) zum Durchleiten eines Fluids, - eine zumindest in einer der Einzelplatten (2a, 2b) um die Durchgangsöffnung (11) herum angeordnete Sickenanordnung (12) zum Abdichten der Durchgangsöffnung (11), wobei ein Sickeninnenraum (24) fluidisch mit der Durchgangsöffnung (11) verbunden ist, - mindestens einen in der ersten Einzelplatte (2a) ausgebildeten ersten Durchbruch (35, 35'), welcher sich im Wesentlichen parallel zu einer durch die Separatorplatte (2) definierten Plattenebene (E) erstreckt, und - mindestens einen in einer der Einzelplatten (2a, 2b) ausgebildeten Leitungskanal (40, 40', 50), welcher auf einer Seite der Sickenanordnung (12) angeordnet ist, wobei der Leitungskanal (40, 40', 50) in einen Bereich der ersten Einzelplatte (2a, 2b) mit dem ersten Durchbruch (35, 35') mündet und den Sickeninnenraum (24) der Sickenanordnung (12) fluidisch mit dem in der ersten Einzelplatte (2a) ausgebildeten ersten Durchbruch (35, 35') verbindet.
Separatorplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungskanal (40, 50) auf einer der Durchgangsöffnung (11) abgewandten Seite der Sickenanordnung (12) angeordnet ist.
Separatorplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungskanal (40') auf einer der Durchgangsöffnung (11) zugewandten Seite der Sickenanordnung (12) angeordnet ist.
Separatorplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich in der ersten Einzelplatte kein Leitungskanal zwischen der Sickenanordnung (12) und dem ersten Durchbruch (35. 35') erstreckt.
Separatorplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Einzelplatte (2a) mindestens zwei erste Durchbrüche (35, 35') zumindest auf der der Durchgangsöffnung (11) abgewandten und/oder auf der der Durchgangsöffnung (11) zugewandten Seite der Sickenanordnung (12) aufweist, wobei sich zwischen den beiden ersten Durchbrüchen (35, 35') zumindest abschnittsweise eine Prägestruktur (39, 39') in der ersten Einzelplatte (2a) erstreckt.
Separatorplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei sich in der ersten Einzelplatte (2a) mindestens ein Leitungskanal (50, 50') als Prägestruktur (39, 39') zumindest abschnittsweise zwischen den beiden ersten Durchbrüchen (35, 35') erstreckt.
Separatorplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungskanal (40, 40' 50,) in die Einzelplatte (2a, 2b), insbesondere die zweite Einzelplatte (2b), durch Hydroformen, Tiefziehen und/oder Prägen, insbesondere Hub- und/oder Rollprägen, eingeformt ist.
Separatorplatte nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der mindestens eine erste Durchbruch (35, 35') vor oder nach dem Einformen der Sickenanordnung in die erste Einzelplatte (2a) eingebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sickenanordnung (12) und/oder der Leitungskanal (40, 40' 50,) in die Einzelplatte (2a, 2b), insbesondere die zweite Einzelplatte (2b), durch Hydroformen, Tiefziehen und/oder Prägen, insbesondere Hub- und/oder Rollprägen, eingeformt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der mindestens eine erste Durchbruch (35, 35') vor oder nach dem Einformen der Sickenanordnung in die erste Einzelplatte (2a) eingebracht wird.