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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie ein elektrochemisches System. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie oder um einen Elektrolyseur handeln.
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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, gemeinsam als Membranelektrodeneinheit (MEA) bezeichnet, die in der Regel außerhalb des aktiven Bereichs von einer Verstärkungslage oder einem Zellrahmen umgeben ist, sowie gegebenenfalls zu den Separatorplatten weisende Gasdiffusionslagen (GDL) bzw. poröse Transportlagen (PTL) und ggf. insbesondere der Druckverteilung dienende Lagen aus Sintermetall oder Netzlagen.
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Die Separatorplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen oder Elektrolyseurzellen) 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. In Brennstoffzellen kommen meist Bipolarplatten zum Einsatz, die wiederum gewöhnlich jeweils zwei Separatorplatten, die entlang ihrer von den elektrochemischen Zellen abgewandten Rückseiten miteinander verbunden sind. In Elektrolyseuren können die Separatorplatten hingegen jeweils auch nur eine Einzelplatte, ggf. in Kombination mit einem oder mehreren Rahmenelementen, aufweisen.
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Gewöhnlich weisen die 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. Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen bzw. der durch die Durchgangsöffnungen der Separatorplatten gebildeten Medienkanäle weisen bekannte Separatorplatten oftmals Elastomer- und/oder Sickenanordnungen auf, die jeweils um die Durchgangsöffnung der Separatorplatte herum in der Platte selber angeordnet sind oder in diesem Bereich auf die Platte aufgebracht sind.
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Die Separatorplatten können außerdem Kanalstrukturen zur Versorgung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Separatorplatte mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Medien aufweisen. Der elektrochemisch aktive Bereich kann z. B. eine elektrochemische Zelle einschließen oder begrenzen. Bei den Medien kann es sich im Fall einer Brennstoffzelle 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 beiden miteinander verbundenen Separatorplatten die Reaktionsmedien, d.h. Brennstoff und Reaktionsgase, geführt, während das Kühlmittel zwischen den Separatorplatten geführt wird. Bei den Medien kann es sich im Fall eines Elektrolyseurs beispielsweise um Wasser als zugeführtes Medium sowie Wasserstoff und eine Mischung aus Sauerstoff und Wasser als abgeführte Medien handeln. Ein Teil des Wasserstoffs wird dabei oftmals im Kreis geführt, um eine Verunreinigung des Systems zu vermeiden.
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Derartige Kanäle sind durch Stege voneinander getrennt, so dass quer zur Fließrichtung des Fluids eine Abfolge von Stegen und von den Stegen voneinander getrennten Kanälen entsteht. Bei Brennstoffzellen liegt dem der Versorgung des aktiven Bereichs dienenden Verteilbereich bzw. dem der Abfuhr aus dem aktiven Bereich dienenden Sammelbereich nur ein Verstärkungsrand der MEA gegenüber, während im eigentlichen aktiven Bereich die MEA selber sowie die GDLs zwischen den Separatorplatten angeordnet sind. In einem Zwischenbereich überlappt der MEA-Verstärkungsrand die eigentliche Membran samt Elektroden und Katalysator und auch die GDL ragt in diesen Zwischenbereich hinein, so dass in diesem Zwischenbereich eine größere Materialstärke vorhanden ist als im aktiven Bereich und im Verteil- und/oder Sammelbereich. Bei Elektrolyseuren kann entweder zwischen zwei oder drei derartigen Bereichen, in denen sich Kanäle erstrecken, unterschieden werden. Zwischen den in diesem Abschnitt genannten aneinander grenzenden Bereichen können die Separatorplatten jeweils einen Übergangsbereich aufweisen.
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Aufgrund der Anordnung der Durchgangsöffnungen und Kanäle in/auf den Platten endet ein Teil der Kanäle und Stege bei vielen Separatorplatten an oder in den Übergangsbereichen. An den Enden der Kanäle, an denen der jeweilige Kanalboden in die den Kanälen benachbarte Ebene der jeweiligen Separatorplatte überführt wird, treten oftmals Materialspannungen und eine starke Materialausdünnung der Kanalwände aufgrund des dort sehr starken Verzuges des Plattenmaterials beim Prägen der Kanäle auf. Aufgrund des hohen Umformgrades können teilweise sogar Risse auftreten. Materialausdünnung führen zu einer geringeren Dauerhaltbarkeit der Separatorplatte, starke Materialausdünnungen und Risse zu einem höheren Ausschuss bei der Herstellung von Separatorplatten.
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Durch den Prägeprozess ist an den Kanalenden zudem das Material in zwei verschiedene Richtungen gekrümmt. Zum einen ist die Wandung des Kanals im Querschnitt quer zur Längserstreckung des Kanals gekrümmt und zum anderen auch in Richtung der Längserstreckung gekrümmt. Dies führt aufgrund des relativ kleinen Prägeradius am Ende des Kanals zu einer relativ starken Umformung des Kanalendes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Separatorplatte zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Dauerhaltbarkeit aufweist und in der Fertigung eine höhere Prozessstabilität und einen reduzierten Ausschuss aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrochemisches System mit einer derartigen Separatorplatte zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Separatorplatte und das elektrochemische System nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Separatorplatte umfasst eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden und benachbarten Kanälen, welche ausgebildet sind zum Führen eines Fluids zumindest entlang eines Bereichs der Separatorplatte. Die Kanäle weisen jeweils eine Tiefe, eine Längserstreckung, einen Kanalboden und zwei Seitenwände auf, wobei für mindestens einen der Kanäle folgendes gilt:
- - die Tiefe des Kanals ist in einem ersten Bereich des Kanals entlang der Längserstreckung im Wesentlichen konstant,
- - der Kanalboden ist im ersten Bereich des Kanals im Wesentlichen flach und
- - die Tiefe des Kanals nimmt in einem an den ersten Bereich angrenzenden Übergangsbereich des Kanals entlang der Längserstreckung ab, wodurch ein Kanalbodenfortsatz im Übergangsbereich gekrümmt ist.
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Der Kanalbodenfortsatz ist im Übergangsbereich derart gekrümmt, dass, wenn entlang der Längserstreckung des Kanals und im ersten Bereich parallel zueinander verlaufende Oberflächenlinien des Kanalbodens im Bereich des Kanalbodenfortsatzes fortgesetzt werden, die Oberflächenlinien im Bereich des Kanalbodenfortsatzes ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die oben erwähnten Eigenschaften können vorzugsweise nicht nur für einen Kanal, sondern für eine Vielzahl von Kanälen gelten.
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Die Angabe „im Wesentlichen parallel“ soll hierbei im Sinne der vorliegenden Schrift bedeuten, dass in realen Platten Abweichungen von der Parallelität von höchstens 12°, insbesondere höchstens 10°, vorzugsweise höchstens 8°, typischerweise höchstens 6°, in der Regel höchstens 4°, in manchen Ausführungsformen höchstens 2° möglich sind. Derartige Abweichungen von der Parallelität können beispielsweise dadurch entstehen, dass bei abnehmender Tiefe des Kanals die Breite des Kanals, genauer des Fortsatzes des Kanalbodens, aufgrund der geringeren Prägehöhe prozessbedingt leicht zunehmen kann. Es kann sein, dass die genannten Abweichungen für zwei beliebige Oberflächenlinien aus allen Oberflächenlinien des Kanals gelten. Insbesondere können die genannten Abweichungen für zwei maximal voneinander entfernte Oberflächenlinien des Kanals gelten.
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Dadurch, dass die Oberflächenlinien erfindungsgemäß auch im Kanalbodenfortsatz im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, erfährt das Material der Separatorplatte in diesem Bereich eine gleichgerichtete Krümmung, wodurch sich in diesem Bereich ein Umformgrad reduziert im Vergleich zu Kanälen von herkömmlichen Separatorplatten, bei denen das Kanalende einen in Draufsicht runden oder bogenförmigen, beispielsweise halbkreisförmigen, Verlauf hat. Hierdurch wird die Separatorplatte in diesem Bereich weniger stark ausgedünnt, als wenn die Oberflächenlinien auseinandergehen und das Material in unterschiedlichen Richtungen gekrümmt ist. Somit kann das Plattenmaterial eine gleichmäßigere Dicke aufweisen und/oder kann eine Mindestdicke besser eingehalten werden. Außerdem können bei der gleichgerichteten Krümmung bzw. bei reduziertem Umformgrad Spannungen im Material reduziert werden. Insgesamt können also übermäßige Materialausdünnung und/oder Rissbildung an den Kanalenden verringert werden und kann also die Dauerhaltbarkeit der Separatorplatte erhöht werden. Es kann außerdem zu einem niedrigeren Ausschuss bei der Herstellung von Separatorplatten kommen.
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Gewöhnlich sind die oben beschriebenen Eigenschaften für eine Vielzahl der Kanäle, beispielsweise mindestens 10, 20, 50 oder 100, oder sogar für alle Kanäle der Separatorplatte erfüllt. Die Kanäle können mindestens einen ersten Kanal bzw. erste Kanäle und mindestens einen zweiten Kanal bzw. zweite Kanäle aufweisen, welche jeweils die oben definierten Eigenschaften aufweisen.
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Für den mindestens einen ersten Kanal kann folgendes gelten: der Übergangsbereich bildet einen Endabschnitt des Kanals und grenzt an einen im Wesentlichen flachen, insbesondere nicht geprägten, Bereich der Separatorplatte. Der flache Bereich der Separatorplatte kann aufgrund von weiteren geprägten Elementen in der Separatorplatte eine Flächenausdehnung von höchstens 50 mm2, zum Beispiel höchstens 20 mm2 haben.
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Für den mindestens einen zweiten Kanal kann folgendes gelten: der Übergangsbereich grenzt an einen zweiten Bereich des Kanals oder an einen weiteren Kanal, ist zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich bzw. dem weiteren Kanal angeordnet und verbindet beide fluidisch miteinander. Hierbei kann eine Tiefe des Kanals im zweiten Bereich bzw. eine Tiefe des weiteren Kanals geringer als die Tiefe des Kanals im ersten Bereich sein. In diesem Fall bildet der Übergangsbereich also einen fluidischen Übergang vom tieferen, ersten Bereich zum flacheren zweiten Bereich bzw. zum flacheren weiteren Kanal.
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Insbesondere bei Brennstoffzellen kann einerseits der Aktivbereich einen ersten Bereich bilden und ein Zwischenbereich einen zweiten Bereich, alternativ oder zusätzlich ist es hier möglich, dass der Verteil- und/oder Sammelbereich einen ersten Bereich bildet und ein Zwischenbereich einen zweiten Bereich. Insbesondere wenn kein Zwischenbereich vorhanden ist oder der Zwischenbereich einen Übergangsbereich bildet, ist es bevorzugt, dass der Verteil- und/oder Sammelbereich eine ersten Bereich bildet und der Aktivbereich einen zweiten Bereich. Bei Elektrolyseuren hingegen erstreckt sich der erste Bereich vorteilhafterweise im Aktivbereich und der zweite Bereich kann einen Verteil- oder Sammelbereich darstellen.
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Die Separatorplatte kann also eine Vielzahl von ersten Kanälen und eine Vielzahl von zweiten Kanälen aufweisen. Es kann vorgesehen sein, beispielsweise in Brennstoffzellen, dass mindestens zwei einander nächstliegende zweite Kanäle durch mindestens einen ersten Kanal voneinander getrennt sind. Häufig sind aber mehrere oder gar alle einander nächstliegende zweite Kanäle durch mindestens einen ersten Kanal voneinander getrennt. Oftmals sind mehrere erste Kanäle zwischen zwei einander nächstliegenden zweiten Kanälen angeordnet. Bei Elektrolyseuren kann es auch vorkommen, dass mehrere zweite Kanäle einander unmittelbar benachbart angeordnet sind und zwischen solchen Gruppen mindestens ein erster Kanal angeordnet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Kanal entlang seiner Längserstreckung im ersten Bereich und/oder im Übergangsbereich zumindest abschnittsweise einen geraden oder gekrümmten Verlauf hat. Eine Verlaufsrichtung des Kanals wird hierbei üblicherweise entlang der Plattenebene beschrieben; eine Komponente des Verlaufs senkrecht zur Plattenebene - also die Tiefe bzw. Höhe des Kanals - wird dabei außer Betracht gelassen. Eine Krümmung des Kanalbodenfortsatzes kann hierbei lediglich oder zumindest durch die abnehmende Tiefe des Kanals im Übergangsbereich gegeben sein, diese erscheint in Abwesenheit einer weiteren Krümmung in einer Draufsicht auf die Plattenebene symmetrisch zu beiden Seiten der Mittellinie des Kanalbodens. In dieser ersten Ausführungsform ist der Kanalbodenfortsatz im Übergangsbereich in lediglich einer Richtung, nämlich senkrecht zur Plattenebene, gekrümmt. Es kann vorgesehen sein, dass der Kanalbodenfortsatz zusätzlich in Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Kanals gekrümmt ist. Hier ergibt sich in Draufsicht auf den Kanal eine asymmetrische Form. Es kann vorgesehen sein, dass eine Umfangslinie des Kanals im Bereich des Kanalbodenfortsatzes einen geraden Abschnitt aufweist, bei einem ersten Kanal kann sich ein solcher gerader Abschnitt insbesondere am Ende des Kanals und winklig, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Kanals bzw. des Kanalbodenfortsatzes erstrecken.
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Optional weisen die Oberflächenlinien im Bereich des Kanalbodenfortsatzes eine im Wesentlichen gleiche Länge auf. Dies kann zum Beispiel vorkommen, wenn der Kanalbodenfortsatz in lediglich einer Richtung gekrümmt ist.
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In manchen Ausführungsformen ist eine Krümmung des Kanalbodenfortsatzes in Richtung senkrecht zur Plattenebene im Wesentlichen konstant. Üblicherweise ist ein solcher Krümmungsradius des Kanalbodenfortsatzes insbesondere mindestens 0,1 mm, insbesondere 0,15 mm, insbesondere 0,2 mm und/oder vorzugsweise höchstens 4 mm, insbesondere höchstens 2,5 mm.
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Wesentlich bei sämtlichen dieser Beschreibungen ist, dass die jeweiligen Bema-ßungen und Radien den Radius der Separatorplatte auf der Innenseite des Kanals angeben. Aufgrund der Materialdicke der jeweiligen Platte kann der Radius auf der bezüglich des Kanals außenliegenden Außenseite der Separatorplatte andere Werte aufweisen.
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Abweichend von dem Kanalbodenfortsatz können Seitenwandfortsätze der Seitenwände im Übergangsbereich des Kanals jeweils zumindest abschnittsweise mindestens in zwei Richtungen gekrümmt sein. Jede Seitenwand kann im ersten Bereich einen ersten Krümmungsbereich aufweisen, welcher in einer Quererstreckung des Kanals quer zur Längserstreckung an den Kanalboden angrenzt und in Quererstreckung gekrümmt ist. Wenn entlang der Längserstreckung des Kanals und im ersten Krümmungsbereich parallel zueinander verlaufende Oberflächenlinien im Bereich der Seitenwandfortsätze fortgesetzt werden, können die Oberflächenlinien im Bereich der Seitenwandfortsätze auseinandergehen. Die Oberflächenlinien können dann insbesondere jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen. Optional weist die jeweilige Seitenwand im ersten Bereich des Kanals einen Verbindungsbereich und einen zweiten Krümmungsbereich auf. Der erste Krümmungsbereich und der zweite Krümmungsbereich weisen oftmals unterschiedliche Krümmungsradien auf. Der zweite Krümmungsbereich kann an einen flachen, insbesondere nicht geprägten, Bereich der Separatorplatte angrenzen. Der Verbindungsbereich erstreckt sich zwischen dem ersten Krümmungsbereich und dem zweiten Krümmungsbereich und verbindet beide miteinander. Der Verbindungsbereich kann als ebene geneigte Fläche oder geneigte Fläche mit geringer Krümmung ausgebildet sein.
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Der Kanalbodenfortsatz kann im Übergangsbereich eine in die Plattenebene projizierte Länge von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 4 mm und vorzugsweise höchstens 2 mm haben und/oder eine konstante Breite von mindestens 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,05 mm, insbesondere mindestens 0,08 mm und/oder höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1,8 mm aufweisen.
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Optional ist ein Krümmungsradius eines der Seitenwandfortsätze in Richtung der Längserstreckung des Kanals mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,15 mm, insbesondere mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,0 mm. Weiter kann ein Krümmungsradius des Seitenwandfortsatzes in Richtung der Quererstreckung des Kanals mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,15 mm und/oder höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 1,5 mm sein.
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Der Kanal kann im ersten Bereich eine Breite aufweisen, welche auf halber Tiefe des Kanals bestimmt wird. Beispielsweise kann die Länge des Übergangsbereichs größer als, gleich groß wie oder kleiner als die Breite des Kanals sein. Wie das konkrete Verhältnis von Breite zu Länge ist, kann vom zur Verfügung stehenden Bauraum und sonstigen, die Gesamtkonstruktion bestimmenden Faktoren abhängen. Es kann auch so sein, dass im Falle einer zweilagigen Bipolarplatte die die Anoden- und Kathodenplatten bildenden Separatorplatten diesbezüglich unterschiedlich sind. Die Breite des Kanals kann im ersten Bereich etwas geringer sein als im zweiten Bereich. Die Breite des Kanals kann außerdem etwas geringer sein als eine Breite des weiteren Kanals. Die Bezeichnung der „etwas geringeren Breite“ soll hierbei eine Breitenverringerung von höchstens 10% einschließen. Die Breitenverringerung kann, wie oben angedeutet, daher stammen, dass ein flacher Kanal prozessbedingt eine etwas größere Breite als ein tiefer Kanal aufweist. In anderen Ausführungsformen kann die Breite des Kanals im zweiten Bereich auch deutlich größer sein als im ersten Bereich, beispielsweise um mindestens 50%, mindestens 75%, mindestens 100% oder mindestens 125% breiter sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gesamtanzahl an Kanälen im zweiten Bereich gegenüber der Gesamtanzahl Kanälen im ersten Bereich stark verringert ist, etwa weil die Anzahl erster Kanäle die Anzahl zweiter Kanäle deutlich überwiegt.
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Die Separatorplatte kann mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids und einen elektrochemisch aktiven Bereich aufweisen. Die Durchgangsöffnung kann zum Durchleiten eines Reaktionsmediums, eines Reaktionsproduktes, und ggf. eines Kühlmittels, insbesondere einer Kühlflüssigkeit ausgestaltet sein. Eine Durchgangsöffnung kann dabei eine Einlassöffnung bzw. Zuführöffnung oder eine Auslassöffnung bzw. Abführöffnung für das Fluid bilden. Die Kanäle können ausgebildet sein zum
- - Zuführen des Fluids zu der Durchgangsöffnung,
- - Abführen des Fluids von der Durchgangsöffnung und/oder
- - Führen des Fluids entlang des elektrochemisch aktiven Bereichs.
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Im Folgenden wird der genannte elektrochemisch aktive Bereich manchmal der Einfachheit halber als Aktivbereich bezeichnet. Zwischen der Durchgangsöffnung und dem Aktivbereich ist häufig ein Verteil- oder Sammelbereich vorgesehen, um das Fluid zu verteilen bzw. zu sammeln. Hierbei sei erwähnt, dass der Aktivbereich gewöhnlich einen Großteil der Fläche der Separatorplatte einnimmt. Das Fluid strömt also typischerweise von der zuleitenden Durchgangsöffnung über einen Verteilbereich zum Aktivbereich. Das Fluid wird dann in der Regel am Ende des Aktivbereichs durch den Sammelbereich gesammelt und anschließend zur abführenden Durchgangsöffnung geleitet.
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Der Verteilbereich, der Aktivbereich sowie der Sammelbereich weisen die genannten Kanäle zur Führung des Fluids auf. Zwischen dem Verteilbereich und dem Aktivbereich sowie zwischen dem Aktivbereich und dem Sammelbereich, d.h. in Zwischenbereichen, gehen die Kanäle des Verteilbereiches und des elektrochemisch aktiven Bereiches bzw. des Aktivbereiches und des Sammelbereiches ineinander über. Ein Teil der Kanäle kann dabei ineinander überführt, zusammengeführt und/oder zu weiteren Kanälen aufgetrennt werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Aktivbereich die ersten Bereiche der Kanäle, insbesondere lediglich die ersten Bereiche aufweist, während die zweiten Bereiche bzw. die weiteren Kanäle im Verteil- oder Sammelbereich vorgesehen sind. Wie oben erläutert, können die Kanäle bzw. Kanalabschnitte im Zwischenbereich, insbesondere in einer Variante als Brennstoffzelle, bedingt durch die dort aufliegenden Lagen GDL, Membran und MEA-Verstärkungsrand eine geringere Tiefe haben als die Kanäle bzw. Kanalabschnitte im Aktivbereich, Verteilbereich und/oder Sammelbereich.
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Beim Übergangsbereich sind verschiedene Szenarien denkbar, wobei in der Separatorplatte dieser Schrift mindestens eines dieser Szenarien gegeben sein kann:
- - der Übergangsbereich bildet den unmittelbaren Übergang vom Verteilbereich zum Aktivbereich oder den Übergang vom Aktivbereich zum Sammelbereich;
- - der Übergangsbereich bildet den Übergang vom Verteilbereich zum abgesenkten Zwischenbereich und/oder
- - der Übergangsbereich bildet den Übergang vom Aktivbereich zum abgesenkten Zwischenbereich.
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Oftmals sind die Kanäle in die Separatorplatte eingeformt, vorzugsweise durch Hydroformen, Tiefziehen oder Prägen, insbesondere Hubprägen oder Rollprägen.
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Zum Beispiel wenn die Separatorplatte in einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, können zwei Separatorplatten zu einer zweilagige Bipolarplatte verbunden sein, wobei oftmals zwischen den Separatorplatten der Bipolarplatte ein Kühlraum zum Aufnehmen eines Kühlmittels vorgesehen ist. In einer Anwendung als Elektrolyseur sind die Separatorplatten häufig als Einzellage zwischen die Zellen eingebaut.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Bipolarplatte bereitgestellt, welche zwei miteinander verbundene Separatorplatten aufweist, und mindestens eine der beiden Separatorplatten nach der zuvor beschriebenen Art ausgestaltet ist. Eine der beiden Separatorplatten kann als Anodenplatte ausgebildet sein, während die andere der beiden Separatorplatten üblicherweise als Kathodenplatte ausgestaltet ist. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte sind benachbart zueinander unter Ausbildung einer Kontaktfläche zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet. Vorteilhafterweise sind Anodenplatte und Kathodenplatte stoffschlüssig und abdichtend zumindest längs ihres Umfangsrandes miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrochemisches System bereitgestellt. Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art. Im Falle eines Brennstoffzellensystems kann das elektrochemische System eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten in Form von zu Bipolarplatten zusammengefügten Separatorplatten aufweisen.
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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 jeweils aus zwei Separatorplatten ausgestaltete Bipolarplatten einer Brennstoffzelle mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
- 3 ein Beispiel einer Separatorplatte in einer abschnittsweisen Draufsicht;
- 4 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Separatorplatten eines Elektrolyseurs mit einer zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
- 5 schematisch in einer perspektivischen Darstellung eine Rückseite eines Kanals zum Leiten eines Fluids entlang eines Teils einer Separatorplatte;
- 6 schematisch in einer Seitenansicht den Kanal der 5;
- 7 schematisch in einer Draufsicht eine Vielzahl von Kanälen;
- 8 schematisch in einer perspektivischen Darstellung die Kanäle der 7;
- 9 schematisch in einer Seitenansicht einen weiteren Kanal;
- 10 schematisch in einer Draufsicht den Kanal der 9;
- 11 schematisch in einer Draufsicht eine Vielzahl von weiteren Kanälen;
- 12 schematisch in einer Draufsicht eine Vielzahl von weiteren Kanälen; und
- 13 schematisch in einer Draufsicht eine Vielzahl von weiteren Kanälen.
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Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 2 oder mit einer Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten, die jeweils aus zwei metallischen Separatorplatten 2 bestehen, 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 Zelten 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.
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Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Separatorplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist in der Regel eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind, wobei die Medienanschlüsse 5 manchmal als Ports bezeichnet werden. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgerei-cherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
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2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte, aus dem Stand der Technik bekannte jeweils aus zwei Separatorplatten 2a, 2b bestehende Bipolarplatten 27 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 Bipolarplatte 27 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 27 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. entlang ihres Außenrandes miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
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Die Separatorplatten 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 27 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von aus Separatorplatten nach Art der Separatorplatte 2 bestehenden Bipolarplatten 27 bzw. 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.
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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.
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Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 27 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt). Eine Sickenanordnung 12 der Bipolarplatte 27 kann als Kombination von zwei zusammenwirkenden, voneinander wegweisenden und auf gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 27 liegenden Dichtsicken 12a, 12b, 12c der Separatorplatten 2a, 2b, aufgefasst werden.
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In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18, auch Aktivbereich 18 genannt, weisen die ersten Separatorplatten 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 Separatorplatte 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 Bipolarplatten 27 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- oder/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 Verteilstrukturen des Verteil- und/oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
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Die Dichtsicken 12a-12c werden von Durchführungen 13a-13c gekreuzt. 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 jeweils als Hohlraum 19 ausgebildeten Verteil- bzw. Sammelbereich 20 und Aktivbereich 18 zwischen den Einzelplatten 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
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Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b über den Verteil- oder Sammelbereich 20 auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a zum Aktivbereich. 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 und weiter auf den Aktivbereich 18 auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt.
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Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- 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 Separatorplatten 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 Separatorplatten 2a, 2b ausgebildet und in die Separatorplatten 2a, 2b eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozess.
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In
2 sind ferner zwei rechteckige Randbereiche 21 des Strömungsfeldes 17 hervorgehoben, die an den dem Verteil- bzw. Sammelbereich 20 zugewandten Enden des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 angeordnet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Breite Strömungsfelds 17 erstrecken, hier quer zum Verlauf der Kanäle des Strömungsfeldes 17. Im Stapel des Systems 1 dienen diese Randbereiche 21 jeweils der Aufnahme und Anlage eines verstärkten Bereichs der Membranelektrodeneinheiten (MEA) 10. Der Randbereich 21 wird im Folgenden als Zwischenbereich 21 oder MEA-Anlagebereich bezeichnet. Der Zwischenbereich 21 ist im Vergleich zum aktiven Bereich 18 (Strömungsfeld 17) und manchmal auch im Vergleich zum Verteil- oder Sammelbereich 20 abgesenkt, wodurch die Separatorplatten 2 bzw. die Bipolarplatten 27 ebenso wie die MEA 10 im Stapel eine optimale Verpressung aufweist. Mehr Details sind in der
WO 2018/114819 A1 veröffentlicht, welche durch Referenzieren zum integralen Bestandteil dieser Schrift gemacht wird.
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3 zeigt etwas vergrößert einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 27 mit den zusammengefügten metallischen Separatorplatten 2a, 2b. Dem Betrachter zugewandt ist die Vorderseite der ersten Separatorplatte 2a. Erkennbar sind die Durchgangsöffnungen 11a-c in der Bipolarplatte 27 und die zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordneten Dichtsicken 12a-c, die in die erste Separatorplatte 2a eingeprägt sind. Außerdem sind hier die Kanalstrukturen 14, 16 des Aktivbereichs 18, des Zwischenbereichs 21 und des Verteil- oder Sammelbereichs 20 erkennbar. Manche der Kanäle 16 des Aktivbereichs 18 werden im Verteil- oder Sammelbereich 20 fortgesetzt und enden kurz vor der Durchgangsöffnung 11b. Andere Kanäle 14 des Aktivbereichs 18 enden kurz nach dem Zwischenbereich 21 und sind in ihren Endbereichen leicht in Richtung der Durchgangsöffnung 11b gebogen. Die
3 ist im Übrigen auch in der bereits genannten Veröffentlichung
WO 2018/114819 A1 gezeigt, dort als
2. Auf eine detaillierte Beschreibung wird hier deswegen verzichtet. Merkmale, die in Bezug auf die in der
WO 2018/114819 A1 gezeigten
2 offenbart und dort näher erläutert sind, können auch im Zusammenhang mit den in der vorliegenden Schrift offenbarten Merkmale kombiniert und beansprucht werden.
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In alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur (vgl. auch 4), 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.
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So zeigt die 4 ähnlich wie die 2 zwei Separatorplatten und eine zwischen den Separatorplatten angeordnete MEA 10. Die Separatorplatten 2 und die MEA 20 der 4 sind Bestandteil eines Elektrolyseurs.
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In einem elektrochemischen System wie es in 1 gezeigt ist, können sowohl bekannte Separatorplatten 2, wie sie in 2 bis 4 gezeigt sind, als auch erfindungsgemäße Separatorplatten 2, wie sie ab 5 abschnittsweise dargestellt sind, eingesetzt werden.
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Herkömmlicherweise sind Enden der Kanäle 14, 16 angefast oder umlaufend überwiegend konstant verrundet. Durch den Prägeprozess ist an den Kanalenden das Material des Kanalbodens der Separatorplatte 2 in zwei verschiedene Richtungen gekrümmt. Zum einen setzt sich der Kanalboden in Längserstreckung des Kanals 14, 16 so fort, dass er in dieser Richtung eine Krümmung aufweist. Dieser Krümmung ist unabhängig von einer möglichen Änderung der Verlaufsrichtung des jeweiligen Kanals eine Krümmung quer zur Längsrichtung des Kanals 14, 16 bzw. zu einer virtuellen Linie, die die Längsrichtung fortsetzt, überlagert. Anstelle eines Kanalbodens, der beabstandet zu seinem Ende einen im Wesentlichen flachen Abschnitt aufweist, ist der Kanalboden somit in Querschnitten quer zur Längsrichtung mit zunehmender Annäherung an das Ende stärker gekrümmt. Dies führt jedoch zu Materialspannungen, einem hohen Umformgrad und einer starken Materialausdünnung an dem jeweiligen Ende des Kanals 14, 16, was manchmal Rissbildung in diesem Bereich der Separatorplatte 2 zur Folge haben kann.
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Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise abzumildern. Einzelheiten werden anhand der beigefügten 5-13 beschrieben.
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Die 5-13 zeigen verschiedene Ansichten von Stegen, welche in die Separatorplatte 2 eingeformt sind. Die in 5-13 gezeigten Stege bilden auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Separatorplatte 2 - also z.B. im Falle einer Brennstoffzelle auf der Kühlmittelseite - Kanäle 30 aus und sind im Folgenden auch als solche bezeichnet. Die in 5-13 dargestellten Vertiefungen zwischen den Stegen (Kanäle) bilden in Aufsicht auf die Rückseite der Separatorplatte 2 Stege zwischen den Kanälen, beispielsweise für das Kühlmittel. Sie sind im Folgenden aus Sicht der Rückseite bezeichnet und beschrieben. Der Betrachter muss sich folglich in 5-13 in die Ansicht jeweils von der Rückseite der Zeichnungsebene hineinversetzen. Dies gilt auch für den Fall, dass die Separatorplatte 2 als Einzelplatte ausgestaltet ist und die Rückseite keine unmittelbare Auflagefläche für eine weitere Separatorplatte bildet, wie häufig im Falle eines Elektrolyseurs.
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Die 5-13 zeigen also mindestens einen Kanal 30, welcher eine Tiefe, eine Längserstreckung, einen Kanalboden 32 und zwei Seitenwände 42 aufweist. Die Tiefe des Kanals 30 ist in einem ersten Bereich 31 des Kanals entlang der Längserstreckung im Wesentlichen konstant. Der Kanalboden 32 ist im ersten Bereich 31 des Kanals 30 im Wesentlichen flach. Außerdem nimmt die Tiefe des Kanals 30 in einem an den ersten Bereich 31 angrenzenden Übergangsbereich 33 des Kanals 30 entlang der Längserstreckung ab, wodurch ein Kanalbodenfortsatz 34 im Übergangsbereich 33 gekrümmt ist. Der Kanalbodenfortsatz 34 ist im Übergangsbereich 33 derart gekrümmt, dass, wenn entlang der Längserstreckung des Kanals 30 und im ersten Bereich 31 parallel zueinander verlaufende Oberflächenlinien 22, 23 des Kanalbodens 32 im Bereich des Kanalbodenfortsatzes 34 fortgesetzt werden, die Oberflächenlinien 22, 23 im Bereich des Kanalbodenfortsatzes 34 ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Die in den 5-13 gezeigten Oberflächenlinien 22, 23 sind aus Gründen der Einfachheit und der Übersichtlichkeit derart eingezeichnet, dass sie die Grenze zwischen Seitenwand 42 und Kanalboden 32 bilden. Diese Oberflächenlinien 22, 23 sind also Oberflächenlinien des Kanalbodens, welche maximal voneinander entfernt sind. Zwischen diesen Oberflächenlinien 22, 23 und in Längserstreckung des Kanals 30 verlaufende Oberflächenlinien sind im Wesentlichen parallel zueinander, sowohl im ersten Bereich 31 als auch im Bereich des Kanalbodenfortsatzes 34. Im Übrigen kann die Parallelität der Oberflächenlinien für zwei beliebige der Oberflächenlinien Kanalbodenfortsatzes 34 gelten. Geringfügige Abweichungen der Parallelität sind jedoch, wie oben beschrieben, möglich.
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Die vorliegende Schrift unterscheidet zwischen verschiedenartigen Kanälen 30: ersten Kanälen 26 und zweiten Kanälen 28. Im Folgenden wird manchmal lediglich auf Kanal 26 oder Kanal 28 Bezug genommen. Beide Kanäle 26, 28 können als Kanal 30 aufgefasst werden.
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Der in den 5-6 gezeigte erste Kanal 26 hat einen Übergangsbereich 33, welcher einen Endabschnitt 35 des Kanals 30 bildet. Der Endabschnitt 35 grenzt an einen im Wesentlichen flachen, nicht geprägten Bereich 36 der Separatorplatte 2. Der flache Bereich 36 kann alternativ auch als geprägtes Plateau ausgestaltet sein, und relativ zu einer nicht-geprägten Plattenebene der Separatorplatte 2 erhaben sein bzw. parallel zu der Plattenebene der Separatorplatte 2 verlaufen.
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In der Ausführungsform der 5-6 ist der Kanalbodenfortsatz 34 im Übergangsbereich 33 in lediglich einer Richtung gekrümmt, nämlich in Längserstreckung des Kanals 30. Insbesondere können die Oberflächenlinien 22, 23 im Bereich des Kanalbodenfortsatzes 34 eine im Wesentlichen gleiche Länge haben. Eine Umfangslinie 29 des Kanals 30 begrenzt den Kanal 30 und bildet eine Trennlinie zwischen Kanal 30 und weiteren Bereichen der Separatorplatte 2. Die Umfangslinie 29 des Kanals 30 kann im Bereich des Kanalbodenfortsatzes 34 bzw. am Ende des Kanalbodenfortsatzes einen geraden Abschnitt 38 aufweisen.
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Eine Krümmung des Kanalbodenfortsatzes 34 kann hierbei im Wesentlichen konstant sein, wobei ein Krümmungsradius des Kanalbodenfortsatzes 34 insbesondere mindestens 0,1 mm, insbesondere 0,15 mm, insbesondere 0,2 mm und/oder vorzugsweise höchstens 4 mm, insbesondere höchstens 2,5 mm sein kann.
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Der Kanalbodenfortsatz 34 kann im Übergangsbereich 33 eine in die Plattenebene projizierte Länge von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 4 mm und vorzugsweise höchstens 2 mm haben und/oder eine konstante Breite von mindestens 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,05 mm, insbesondere mindestens 0,08 mm und/oder höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1,8 mm aufweisen.
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Die Seitenwand 42 umfasst in der Regel im ersten Bereich des Kanals 30 einen ersten Krümmungsbereich 46, einen zweiten Krümmungsbereich 48 und einen Verbindungsabschnitt 47, welcher sich zwischen den Krümmungsbereichen 46, 48 erstreckt und beide miteinander verbindet. Der Verbindungsabschnitt 47 kann als ebene geneigte Fläche ausgestaltet sein. Alternativ kann der Verbindungsabschnitt 47 bedingt durch den Umformungsprozess eine leichte Krümmung aufweisen. Im ersten Bereich 33 des Kanals sind die Krümmungsbereiche 46, 48 in der Regel in einer Richtung gekrümmt. Die Krümmungsradien der beiden Krümmungsbereiche 46, 48 weichen üblicherweise voneinander ab, und können beispielhafte Werte von 0,1 mm oder 0,15 mm bei Brennstoffzellen bzw. 0,25 mm oder 0,4 mm bei Elektrolyseuren. aufweisen. Der zweite Krümmungsbereich 48 kann an einen flachen, insbesondere nicht geprägten, Bereich 36 der Separatorplatte angrenzen. Dieser flache Bereich kann sich zwischen zwei benachbarten Kanälen 30 erstrecken und als solcher relativ schmal sein. In einer Quererstreckung des Kanals 30 quer zur Längserstreckung grenzt der erste Krümmungsbereich 46 an den Kanalboden 32 und ist in Quererstreckung gekrümmt.
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Im Übergangsbereich 33 des Kanals 30 weist die Seitenwand 42 Seitenwandfortsätze 44 auf. Die Seitenwandfortsätze 44 sind oftmals im Übergangsbereich 33 des Kanals 30 jeweils zumindest abschnittsweise mindestens in zwei Richtungen gekrümmt. Wenn entlang der Längserstreckung des Kanals 30 und im ersten Krümmungsbereich 46 parallel zueinander verlaufende Oberflächenlinien 24, 25 im Bereich der Seitenwandfortsätze 44 fortgesetzt werden, gehen die Oberflächenlinien 24, 25 im Bereich der Seitenwandfortsätze 44 auseinander und weisen insbesondere jeweils eine unterschiedliche Länge auf. So ist die Länge der Oberflächenlinie 25 durch die stärkere Krümmung in diesem Bereich in zwei Richtungen kürzer als die Oberflächenlinie 24. Die Umfangslinie 29 des Kanals 30 kann im Bereich der Seitenwandfortsätze 44 einen bogenförmigen Abschnitt 39 aufweisen.
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Optional ist ein Krümmungsradius mindestens eines der Seitenwandfortsätze 44 in Richtung der Längserstreckung des Kanals 30 mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,15 mm, insbesondere mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,0 mm. Weiter kann ein Krümmungsradius des Seitenwandfortsatzes 44 in Richtung der Quererstreckung des Kanals 30 mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,15 mm und/oder höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 1,5 mm sein.
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Die in den 9 und 10 gezeigte Ausführungsform des Kanals 30 ähnelt der Ausführungsform der 5 und 6, und hat im Vergleich eine etwas einfachere Krümmungsgeometrie. Der Kanalbodenfortsatz 34 und die Seitenwandfortsätze 44 tauchen dabei so in die Plattenebene ein, dass der Kanalbodenfortsatz 34 sich bei gleichbleibender Breite entlang eines Radius absenkt und die Radien der Seitenwandfortsätze 44 zum Ende hin immer größer werden. Auf eine detailliertere Beschreibung wird hier verzichtet. Die Ausführungsform der 9 und 10 eignet sich insbesondere für eine Anwendung in einem Elektrolyseur.
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Die 7, 8 und 11-13 zeigen Ausführungsformen mit einer Vielzahl von ersten Kanälen 26 der zuvor beschriebenen Art. Zusätzlich zu den ersten Kanälen 26 können auch noch zweite Kanäle 28 vorgesehen sein, welche sich abschnittsweise neben den ersten Kanälen 26 erstrecken. So sind in den 7, 8 und 11 zweite Kanäle 28 gezeigt.
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Gemäß der Ausführungsform der 7 und 8 kann der Übergangsbereich 33 an einen weiteren Kanal 40 angrenzen. Der Übergangsbereich 33 ist zwischen dem ersten Bereich 31 des zweiten Kanals 28 und dem weiteren Kanal 40 angeordnet und verbindet beide fluidisch miteinander. Eine Tiefe des weiteren Kanals 40 kann zumindest in einem an den Übergangsbereich 33 grenzenden Teilbereich geringer sein als die Tiefe des Kanals 28 im ersten Bereich 31.
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Der weitere Kanal 40, insbesondere der Kanalboden 41 des weiteren Kanals 40, weitet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel auf und hat dadurch eine größere Breite als der zweite Kanal 28 und der Übergangsbereich 33, er ist beispielsweise mindestens 1,5 mal breiter. Eine Breite wird hier senkrecht zur Erstreckungsrichtung und auf halber Tiefe des entsprechenden Kanals gemessen.
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Gemäß der Ausführungsform der 11 grenzt der Übergangsbereich 33 des zweiten Kanals 28 an einen zweiten Bereich 37 des Kanals 28. Der Übergangsbereich 33 ist zwischen dem ersten Bereich 31 und dem zweiten Bereich 37 angeordnet und verbindet beide fluidisch miteinander. Eine Tiefe des Kanals 28 im zweiten Bereich 37 kann geringer sein als die Tiefe des Kanals 28 im ersten Bereich 31. Der erste Bereich 31 des Kanals 28 und der zweite Bereich 37 des Kanals 28 erstrecken sich beide geradlinig, wobei der zweite Bereich des Kanals 28 optional in einem Winkel von ca. 25-30° zum ersten Bereich 31 des Kanals 28 angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform sind beide Bereiche 31, 37 parallel zueinander ausgerichtet.
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Der zweite Bereich 31 und der erste Bereich 37 des zweiten Kanals 28 unterscheiden sich somit unter anderem in ihrer Tiefe und in ihrer Ausrichtung. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der Kanal 28 im ersten Bereich 31 eine etwas geringere Breite hat als im zweiten Bereich 37, zum Beispiel um einen Faktor 1,05 bis 1,2 schmaler.
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In den 7, 8 und 11 ist erkennbar, dass die Anzahl der ersten Kanäle 26 größer ist als eine Anzahl der zweiten Kanäle 28. Insbesondere sind einander nächstliegende zweite Kanäle 28 durch mindestens einen ersten Kanal 26, in den 7, 8 und 11 durch drei erste Kanäle 26, voneinander getrennt. Die Anzahl der zwischen den zweiten Kanälen 28 angeordneten ersten Kanälen 26 kann auch höher oder niedriger sein als drei. In 7, 8 und 11 weist der Übergangsbereich 33 der zweiten Kanäle 28 jeweils entlang seiner Längserstreckung einen gekrümmten Verlauf auf. Der ersten Krümmung des Kanalbodenfortsatzes ist also eine zweite, ausschließlich der Richtungsänderung geschuldete Krümmung überlagert. Anders als die zweite Krümmung eines Kanalbodenfortsatzes bei herkömmlichen Separatorplatten kompensieren sich hier die Änderungen auf beiden Längsrichtungen des Kanalbodenfortsatzes bzw. verlaufen parallel.
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In der 12 sind lediglich erste Kanäle 26 vorgesehen, welche sich in ihren Endbereichen 35 bzw. Übergangsbereichen 33 geradlinig erstrecken. Davon abweichend sind in der 13 erste Kanäle 26 abgebildet, welche in ihren Übergangsbereichen 33 gebogen sind. Trotz der gebogenen Form des Übergangsbereichs sind die Oberflächenlinien 22, 23 im Übergangsbereich im Wesentlichen parallel zueinander.
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Die zuvor beschriebenen Kanäle 26, 28, 30, 40 sind typischerweise in die Separatorplatte eingeformt, in der Regel durch Hydroformen, Tiefziehen, Prägen, insbesondere Hubprägen oder Rollprägen.
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Ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 enthält eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten 2 mit den in den 5-13 gezeigten Kanälen. Im Übrigen wird auf die obige Beschreibung des elektrochemischen Systems 1 der 1 verwiesen.
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Merkmale, welche in lediglich einer der 1-13 gezeigt sind, können mit Merkmalen von anderen Figuren kombiniert werden, sofern sie sich nicht ausschließen.
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Bezugszeichenliste:
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- 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
- 16
- Kanalstrukturen
- 17
- Strömungsfeld
- 18
- elektrochemisch aktiver Bereich
- 19
- Hohlraum
- 20
- Verteil- und/oder Sammelbereich
- 21
- Verbindungsbereich
- 22
- Oberflächenlinie
- 23
- Oberflächenlinie
- 24
- Oberflächenlinie
- 25
- Oberflächenlinie
- 26
- erster Kanal
- 27
- Bipolarplatte
- 28
- zweiter Kanal
- 29
- Umfangslinie des Kanals
- 30
- Kanal
- 31
- erster Bereich des Kanals
- 32
- Kanalboden
- 33
- Übergangsbereich
- 34
- Kanalbodenfortsatz
- 35
- Endabschnitt
- 36
- flacher Bereich der Separatorplatte
- 37
- zweiter Bereich des Kanals
- 38
- gerader Abschnitt der Umfangslinie
- 39
- bogenförmiger Abschnitt der Umfangslinie
- 40
- weiterer Kanal
- 41
- Kanalboden des weiteren Kanals
- 42
- Seitenwand
- 44
- Seitenwandfortsatz
- 46
- erster Krümmungsbereich Seitenwand
- 47
- Verbindungsabschnitt Seitenwand
- 48
- zweiter Krümmungsbereich Seitenwand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/114819 A1 [0048, 0049]
