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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System.
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Bekannte elektrochemische Systeme, beispielsweise Brennstoffzellensysteme oder elektrochemische Verdichtersysteme sowie Elektrolyseure ebenso wie Befeuchter für elektrochemische Systeme, umfassen gewöhnlich eine Vielzahl von Separatorplatten, die in einem Stapel angeordnet sind, so dass je zwei benachbarte Separatorplatten eine elektrochemische Zelle oder eine Befeuchterzelle einschließen. Die Separatorplatten umfassen gewöhnlich jeweils zwei Einzelplatten, die entlang ihrer von den elektrochemischen Zellen bzw. den Befeuchterzellen 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). Bei Brennstoffzellen kommen häufig Bipolarplatten als Separatorplatten zum Einsatz. Der Begriff „elektrochemisches System” schließt im Kontext dieser Erfindung auch Befeuchtersysteme für andere elektrochemische Systeme ein.
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Die Einzelplatten der Separatorplatten können Kanalstrukturen zur Versorgung der Zelten mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Medien aufweisen. 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. Ferner können die Separatorplatten zum Weiterleiten der in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme dienen, wie sie etwa bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in einer Brennstoffzelle entsteht, sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein. Bei Brennstoffzellen werden üblicherweise auf den einander abgewandten Oberflächen der Einzelplatten die Reaktionsmedien, d. h. Brennstoff und Reaktionsgase, geführt, während das Kühlmittel zwischen den Einzelplatten geführt wird. Die elektrochemischen Zellen insbesondere einer Brennstoffzelle können z. B. jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA) mit jeweils einer Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die MEA können auch eine oder mehrere Gasdiffusionslagen (GDL) aufweisen, die üblicherweise zu den Separatorplatten, insbesondere zu Bipolarplatten von Brennstoffzellsystemen hin orientiert und z. B. als Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Bei Befeuchtern für elektrochemische Systeme wird die Zelle von einer im Wesentlichen gasundurchlässigen aber wasserdurchlässigen Membran, die von Stützmedien gestützt sein kann, sowie von mindestens einem, vorzugsweise von beidseitig je einem Diffusionsmedium aus einem Textil- oder Kohlenstoffvlies gebildet.
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Oft bedingen es der Aufbau und die Funktion der Einzelplatten, dass die Kanäle der Einzelplatten derselben Separatorplatte wenigstens bereichsweise gekreuzt zueinander verlaufen, so dass die Rückseiten der Kanalböden nur in den Kreuzungsbereichen in Kontakt bringbar und verbindbar sind. Sofern die Einzelplatten im Bereich der sich kreuzenden Kanäle verbunden werden, stellt eine derartige Anordnung somit hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Einzelplatten relativ zueinander sowie an die Positionierung des zum Ausbilden der Verbindung vorgesehenen Instrumentes relativ zu den Einzelplatten. Gebräuchliche Verfahren zur Verbindung der Einzelplatten miteinander sind z. B. Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Löten oder Kleben. Wird die erforderliche Genauigkeit der Positionierung beim Verbinden der Einzelplatten nicht eingehalten, so sind die Verbindungen aufgrund des Versatzes zu schwach oder fehlen zumindest teilweise ganz. Insbesondere der Druck des zwischen den Einzelplatten geführten Kühlmittels kann dann dazu führen, dass es zum Reißen der Verbindungen kommt, wobei diese beispielsweise zwischen den Platten aufreißen oder z. B. ein Schweißpfropf aus einer oder beiden Einzelplatten gerissen wird, so dass zumindest in einer Platte ein Loch entsteht. Zusätzlich oder alternativ kann der Versatz auch dazu führen, dass zu viel Energie in einen Punkt einer Einzelplatte eingetragen wird und diese durchbrennt, so dass ebenfalls ein Loch entsteht. So können die Einzelplatten entlang der Verbindungsstellen bis zur Unbrauchbarkeit beschädigt werden. Dies kann dazu führen, dass die zwischen benachbarten Separatorplatten eingeschlossenen elektrochemischen Zellen oder Befeuchterzellen mit einer zwischen den Einzelplatten geführten Kühlflüssigkeit geflutet werden, die durch die Risse in den Einzelplatten durch die Einzelplatten hindurch tritt. Auch kann es zu einer direkten unkontrollierten Reaktion zwischen den Reaktionsmedien kommen, wenn beide Einzelplatte Löcher aufweisen. Beides kann zum Ausfall des gesamten Stapels führen. Die bisher verwendeten Methoden zum Verbinden der Einzelplatten in Bereichen, in denen die Kanäle der Einzelplatten gekreuzt verlaufen, können daher einen hohen Ausschuss in der Produktion oder eine geringe Lebensdauer des Systems im Betrieb nach sich ziehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die auch in einem Bereich, in dem die Kanäle der Einzelplatten der Separatorplatte relativ zueinander gekreuzt verlaufen, möglichst stabil ist und die mit möglichst geringem Ausschuss herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Separatorplatte sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorgeschlagen wird also eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, die eine erste Einzelplatte und eine mit der ersten Einzelplatte verbundene zweite Einzelplatte aufweist. Die erste Einzelplatte umfasst wenigstens zwei in die erste Einzelplatte eingeformte, nebeneinander verlaufende erste Kanäle zur Medienführung, die durch einen zwischen den ersten Kanälen ausgebildeten Steg wenigstens abschnittweise voneinander getrennt sind. Die zweite Einzelplatte umfasst einen in die zweite Einzelplatte eingeformten zweiten Kanal zur Medienführung. Der zwischen den ersten Kanälen ausgebildete Steg und der in die zweite Einzelplatte eingeformte zweite Kanal sind derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Projektion des zweiten Kanals auf die erste Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte den Steg in einem Kreuzungsbereich des Steges und/oder entlang des Kreuzungsbereiches kreuzt.
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Die vorgeschlagene Separatorplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Steg im Kreuzungsbereich des Steges abgesenkt ist, so dass die beiderseits des Steges verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, und dass eine der zweiten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung des Steges im Kreuzungsbereich stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals verbunden ist.
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Anstatt die Formulierung zu gebrauchen, wonach eine Projektion der Kanäle und/oder Stege der zweiten Einzelplatte auf die erste Einzelplatte die Stege und/oder die Kanäle der ersten Einzelplatte kreuzt oder umgekehrt, wird im Folgenden der Einfachheit halber auch die kürzere Formulierung verwendet, wonach die Kanäle und/oder die Stege der zweiten Einzelplatte die Stege und/oder die Kanäle der ersten Einzelplatte kreuzen oder umgekehrt. Darunter soll jedoch stets verstanden werden, dass die einander kreuzenden Stege und Kanäle der beiden Einzelplatten jeweils zumindest abschnittsweise in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, wobei diese Ebenen überwiegend parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Dadurch, dass der die ersten Kanäle trennende Steg dort, wo er den zweiten Kanal kreuzt, abgesenkt ist und dass eine der zweiten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals verbunden ist, ist der Bereich, in dem die beiden Einzelplatten verbunden sind oder verbindbar sind, vergrößert. Die beiden Einzelplatten sind nämlich nicht nur dort miteinander verbunden oder verbindbar, wo die Kanäle der ersten Einzelplatte und die Kanäle der zweiten Einzelplatte einander kreuzen und ihre Rückseiten somit in Kontakt miteinander kommen, sondern zusätzlich im Kreuzungsbereich des Steges zwischen den Kanälen der ersten Einzelplatte, wo durch die Absenkung des Steges eine größere Berührfläche der Rückseiten der Einzelplatten gegeben ist. Dies erhöht die Stabilität der Verbindung zwischen den Einzelplatten und stellt geringere Anforderungen an die räumliche Genauigkeit der gewählten Verbindungstechnik. Die Ausschussrate bei der Herstellung der Separatorplatte und die Lebensdauer der Separatorplatte im Betrieb können so verbessert werden.
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Dadurch, dass die beiderseits des Steges verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, kann die Positionierung der Absenkung entlang der ersten Kanäle zudem gezielt genutzt werden, um Einfluss auf das Strömungsverhalten der Medien in den ersten Kanälen und im Zwischenraum zwischen den Einzelplatten zu nehmen.
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Die Stegabsenkung kann bezüglich ihrer Kontaktfläche mit mindestens einem Kanal der anderen Einzelplatte derart ausgebildet sein, dass sie sich entlang der Verlaufsrichtung des Steges im Bereich der Absenkung, also parallel zur Verlaufsrichtung der beiderseits des Steges verlaufenden Kanäle, über eine Länge erstreckt, die höchstens das Fünffache oder höchstens das Dreifache der größten Breite des mindestens einen von ihm gekreuzten Kanals oder eines gegebenenfalls von ihm gekreuzten Stegs jeweils auf deren halber Höhe beträgt. So kann sichergestellt werden, dass das Strömungsverhalten des Mediums in den Kanälen durch die Stegabsenkung nicht mehr als nötig beeinflusst oder beeinträchtigt wird. Um die mit der Stegabsenkung verbundenen Vorteile zu erzielen, ist es jedoch wünschenswert, dass die Länge der Stegabsenkung entlang der Verlaufsrichtung des Steges bzw. entlang der Verlaufsrichtung der beiderseits des Steges verlaufenden Kanäle wenigstens das 0,5-Fache der Breite des gekreuzten Kanals in dessen Bodenbereich beträgt. Für eine stabile Verbindung ist es jedoch unabhängig von den Kanalbreiten vorteilhaft, dass die Länge der Absenkung mindestens 0,15 mm beträgt.
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In die erste Einzelplatte kann eine Vielzahl nebeneinander verlaufender erster Kanäle zur Medienführung eingeformt sein, wobei benachbarte Kanäle der Vielzahl der ersten Kanäle jeweils wenigstens abschnittweise durch einen Steg getrennt sind. Ebenso kann in die zweite Einzelplatte eine Vielzahl nebeneinander verlaufender zweiter Kanäle zur Medienführung eingeformt sein, wobei die ersten Kanäle, die Stege der ersten Einzelplatte und die zweiten Kanäle derart ausgebildet und angeordnet sein können, dass Projektionen der zweiten Kanäle auf die erste Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte die Stege der ersten Einzelplatte jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche der Stege kreuzen. Die Stege der ersten Einzelplatte können in diesen Kreuzungsbereichen oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche abgesenkt sein, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges der ersten Einzelplatte verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung dieses Steges in Fluidverbindung sind. Eine der zweiten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung im jeweiligen Steg der ersten Einzelplatte kann dann wiederum stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg der ersten Einzelplatte kreuzenden zweiten Kanals der zweiten Einzelplatte verbunden sein. Durch eine ausreichend große Anzahl an Stegabsenkungen in den Kreuzungsbereichen der Stege der ersten Einzelplatte und der in diesem Kreuzungsbereich ausgebildeten stoffschlüssigen Verbindung kann die Stabilität und die Langlebigkeit der Separatorplatte erhöht werden.
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Insbesondere im hier beschriebenen Fall einer Vielzahl nebeneinander verlaufender erster Kanäle kann durch die Wahl der Positionen für die Stegabsenkungen zwischen benachbarten Kanälen gezielt Einfluss auf das Strömungsverhalten (z. B. Mediumflussrate, hydrostatischer Druck, Strömungsgeschwindigkeit) des Mediums in den ersten Kanälen genommen werden. In ganz ähnlicher Weise kann die gezielte Platzierung der stoffschlüssigen Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Einzelplatte auch dazu dienen, das Strömungsverhalten eines zwischen den beiden Einzelplatten geführten Kühlmediums zu beeinflussen, typischerweise zu homogenisieren. Die Anzahl und Anordnung der Stegabsenkungen und stoffschlüssigen Verbindungen im Bereich von Stegabsenkungen wird vorzugsweise so gewählt, dass eine Balance zwischen optimaler Strömungsführung dieser Medien und optimaler Langlebigkeit der Separatorplatte resultiert.
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Alternativ oder zusätzlich können benachbarte Kanäle der Vielzahl der zweiten Kanäle der zweiten Einzelplatte jeweils durch einen Steg getrennt sein. Diese Stege der zweiten Einzelplatte und die ersten Kanäle der ersten Einzelplatte können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass Projektionen der ersten Kanäle auf die zweite Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der zweiten Einzelplatte die Stege der zweiten Einzelplatte jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche der Stege kreuzen. Die Stege der zweiten Einzelplatte können in den Kreuzungsbereichen oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche abgesenkt sein, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden zweiten Kanäle über die Absenkung dieses Steges in Fluidverbindung sind. Eine der ersten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung des jeweiligen Steges der zweiten Einzelplatte kann auch in diesem Fall stoffschlüssig mit einer der zweiten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg der zweiten Einzelplatte kreuzenden ersten Kanals verbunden sein. Diese Anordnung zeitigt wiederum die bereits zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich Stabilität, Langlebigkeit und verbessertem Strömungsverhalten der in den Kanälen der Einzelplatten geführten Medien. Beispielsweise kann in demselben Steg der ersten und/oder der zweiten Einzelplatte jeweils eine Vielzahl von Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen der beschriebenen Art ausgebildet sein. Bei den in den ersten und/oder zweiten Kanälen geführten oder führbaren Medien kann es sich im Falle von Brennstoffzelle um Reaktionsgase, Brennstoffe sowie Reaktionsprodukte handeln. Im Falle einer Befeuchterzelle kann es sich bei den in den ersten und/oder zweiten Kanälen geführten oder führbaren Medien insbesondere um feuchtes Gas, zu befeuchtendes Gas sowie im weiteren Verlauf um verarmtes feuchtes Gas und zumindest teilweise befeuchtetes Gas handeln.
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Die Stege und Kanäle der Einzelplatten können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass derselbe erste oder zweite Kanal jeweils zwei oder mehr benachbarte Stege und Kanäle der jeweils anderen Einzelplatte kreuzt. In den durch diesen Kanal definierten Kreuzungsbereichen der zwei oder mehr benachbarten Stege der jeweils anderen Einzelplatte können wiederum Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen der beschriebenen Art ausgebildet sein.
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Die ersten Kanäle können derart ausgebildet sein, dass sie wenigstens abschnittsweise gerade, insbesondere parallel zueinander verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Kanäle wenigstens abschnittweise fächerförmig verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Kanäle wenigstens abschnittweise gekrümmt, insbesondere kreisbogenabschnitts- oder wellenförmig verlaufen. Dasselbe hier über den Verlauf der ersten Kanäle Gesagte kann jeweils ebenso für den Verlauf der zweiten Kanäle gelten, wobei auf beiden Einzelplatten identische, ähnliche oder unterschiedliche Kanalverläufe vorhanden sein können. Auf diese Weise kann der Verlauf der ersten und/oder der zweiten Kanäle auf vielfältige Weise an die Geometrie der verschiedenen funktionellen Bereiche jeweiligen Einzelplatte angepasst werden.
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Die Stege und Kanäle der ersten Einzelplatte können die Stege und Kanäle der zweiten Einzelplatte parallel zu den Planflächenebenen der Einzelplatten z. B. in einem Kreuzungswinkel α kreuzen. Für den Kreuzungswinkel α kann gelten: 15° ≤ α ≤ 165°, vorzugsweise 30° ≤ α ≤ 150°.
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Typischerweise sind die Einzelplatten als Metallplatten ausgebildet, z. B. als Platten aus Stahl oder Edelstahl. Die Einzelplatten können dabei zumindest auf einer ihrer Oberflächen zumindest abschnittsweise beschichtet sein, insbesondere mit einer Beschichtung zur Korrosionsprävention und/oder Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Die stoffschlüssige Verbindung bzw. die stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den Rückseiten der Stegabsenkungen und den Rückseiten der Kanalböden der Einzelplatten können Schweißverbindungen sein, insbesondere Laserschweißverbindungen. Laserschweißverfahren eignen sich besonders gut für das automatisierte Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den Einzelplatten. Alternativ können die stoffschlüssigen Verbindungen oder wenigstens einige der stoffschlüssigen Verbindungen als Lötverbindungen oder als Klebeverbindungen ausgebildet sein.
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Die Einzelplatten können jeweils eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte bestimmte Dicke zwischen 50 μm und 150 μm, vorzugsweise zwischen 70 μm und 110 μm, jeweils einschließlich oder ausschließlich der angegebenen Grenzwerte, haben. Die Kanäle und die Stege können z. B. in die Einzelplatten eingeprägt sein. Bleche der genannten Dicke weisen bei ausreichender Stabilität ein geringes Gewicht und eine gute Formbarkeit auf.
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Die stoffschlüssige Verbindung an der Rückseite des Bodens der Absenkung des Steges einer Einzelplatte kann sich relativ zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals der anderen Einzelplatte, mit dessen Rückseite sie die Rückseite der Stegabsenkung verbindet, in einem Winkel von –25° bis +25°, insbesondere von –10° bis +10° erstrecken. Die Abweichung der Ausrichtung der stoffschlüssigen Verbindung von der Verlaufsrichtung des jeweiligen Kanals kann dabei umso größer sein, je breiter die Kontaktfläche zwischen der Rückseite der Stegabsenkung und der Rückseite des Kanalbodens im jeweiligen Kreuzungsbereich oder entlang des jeweiligen Kreuzungsbereichs ist.
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Die stoffschlüssige Verbindung kann sich an der Rückseite des Bodens der Stegabsenkung einer der Einzelplatten durchgängig oder abschnittsweise über eine Länge erstrecken, die mindestens dem Doppelten, vorzugsweise mindestens dem Fünffachen, insbesondere mindestens dem Zehnfachen der Breite der stoffschlüssigen Verbindung entspricht. Die stoffschlüssige Verbindung kann sich zumindest in Abschnitten über eine Länge erstrecken, die wenigstens der Breite des Steges im jeweiligen Kreuzungsbereich entspricht, vorzugsweise wenigstens der doppelten Stegbreite im Kreuzungsbereich. Die Länge der stoffschlüssigen Verbindung kann auch wenigstens der Breite oder wenigstens der mittleren Breite eines der beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden Kanäle entsprechen. Die von der stoffschlüssigen Verbindung gebildete Verbindungsnaht kann zusammenhängend sein. Alternativ kann die Verbindungsnaht auch strichlinienförmige oder punktlinienförmige Abschnitte aufweisen. Die Verbindung kann umso länger sein, je stärker der Winkel, den der Steg mit dem von ihm gekreuzten Kanal aufspannt, von 90° abweicht.
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Der Boden der jeweiligen Stegabsenkung der ersten und/oder der zweiten Einzelplatte kann jeweils durchgehend bis zu den Böden der an diesen Steg angrenzenden Kanäle abgesenkt sein. Die der jeweils anderen Einzelplatte zugewandten Rückseiten des Bodens der Stegabsenkung und der an die Stegabsenkung sich anschließenden Kanalböden können z. B. derart ausgebildet sein, dass sie in einer Ebene liegen. Z. B. kann sich die stoffschlüssige Verbindung dann dem Verlauf des mit der Stegabsenkung verbundenen oder zu verbindenden Kanals folgend quer (jedoch nicht notwendigerweise senkrecht) zum Verlauf des Steges und zum Verlauf der an den Steg angrenzenden Kanäle über die gesamte Breite des Steges und zusätzlich über die gesamte Breite der angrenzenden Kanäle oder über die gesamte Breite wenigstens eines der angrenzenden Kanäle erstrecken. Dies kann vorteilhaft zur Stabilität und zur Langlebigkeit der stoffschlüssigen Verbindung beitragen.
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Ein erstes Ende der ersten und/oder der zweiten Kanäle kann in Fluidverbindung mit mindestens einem Teil eines aktiven Bereichs der jeweiligen Einzelplatte sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein zweites Ende der ersten und/oder der zweiten Kanäle jeweils in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung der Separatorplatte sein. Die Durchgangsöffnung kann z. B. zur Zuführung eines Mediums zum aktiven Bereich oder zum Abführen eines Mediums aus dem aktiven Bereich eingerichtet sein. Reim Stapeln der Separatorplatten bilden die fluchtenden Durchgangsöffnungen der Separatorplatten des Stapels typischerweise Kanäle im Stapel, die den Stapel entlang der Stapelrichtung durchziehen. Über diese Kanäle können dem Stapel Medien zugeführt werden. Ebenso können Medien über diese Kanäle aus dem Stapel abgeführt werden.
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Die Einzelplatten können die Durchgangsöffnungen umschließende Sicken zum Abdichten der jeweiligen Durchgangsöffnung aufweisen. Das erste Ende der ersten Kanäle und/oder der zweiten Kanäle kann dann z. B. mit einer Sickendurchführung zum Durchführen eines Mediums durch die jeweilige Sicke in Fluidverbindung sein.
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Die ersten Kanäle und/oder die zweiten Kanäle können zumindest einen Teil eines Verteilbereichs der jeweiligen Einzelplatte bilden, der auch als Zuführbereich oder Abführbereich der Einzelplatte bezeichnet wird. Dieser Verteilbereich kann jeweils einen ersten Randbereich aufweisen, in dem die ersten bzw. die zweiten Kanäle in Fluidverbindung mit mindestens einem Teil eines aktiven Bereichs der jeweiligen Einzelplatte sind, und kann jeweils einen zweiten Randbereich aufweisen, in dem die ersten bzw. die zweiten Kanäle jeweils in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung der Separatorplatte sind. Hierbei dient die Durchgangsöffnung zur Zuführung eines Mediums zum aktiven Bereich oder zum Abführen eines Mediums aus dem aktiven Bereich über den Verteilbereich. Dieser Verteilbereich kann sich insbesondere zwischen zwei Kanalverzweigungen mindestens eines, vorzugsweise mehrerer Kanäle erstrecken. Mit diesen Kanalverzweigungen kann jeweils eine Vervielfachung der Anzahl der Kanäle oder eine Reduktion der Anzahl Kanäle realisiert sein. Die Kanalverzweigung kann einen Übergang der genannten Sickendurchführung zum Zuführ- bzw. vom Abführbereich umfassen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Kanalverzweigungen in den beiden vorgenannten Randbereichen des Verteilbereichs. Insbesondere weisen beide Kanalverzweigungen eines Kanals in bzw. an einen Verteilbereich angrenzend in Strömungsrichtung entweder beide eine Erhöhung oder beide eine Verringerung der Anzahl der Kanäle auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Bei diesen Beispielen werden für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass deren Erläuterung gegebenenfalls nicht wiederholt wird. Die nachfolgenden Beispiele weisen weiterhin eine Vielzahl von zusätzlichen Merkmalen auf, die die Erfindung weiter verbessern können. Diese zusätzlichen Merkmale können jedoch nicht ausschließlich in der im jeweiligen Beispiel gezeigten Kombination eingesetzt werden, sondern auch isoliert voneinander oder in Kombination mit anderen Merkmalen in anderen Beispielen. Die dargestellten Beispiele beziehen sich sämtlich auf eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellsystem. Bei alternativen, nicht dargestellten Ausführungsformen kann das elektrochemische System ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Befeuchter für ein elektrochemisches System ausgebildet sein und Separatorplatten aufweisen. Die erfindungswesentliche Kanalabsenkung und die dort angeordnete Verbindung der Einzelplatten ist im Folgenden nur für den Verteilbereich einer Separatorplatte dargestellt. Bei nicht dargestellten Ausführungsformen können sie jedoch ebenso im aktiven Bereich vorgesehen sein, wenn dort die ersten und zweiten Kanäle gekreuzt zueinander verlaufen. Es zeigt:
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1 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten;
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2 einen Ausschnitt einer Bipolarplatte des Stapels aus 1 in leicht gesprengter Darstellung, wobei die Bipolarplatte Kanalstrukturen und Durchgangsöffnungen aufweist;
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3 einen Schnitt durch den Stapel aus 1, wobei die Schnittebene senkrecht zur Planflächenebene der Platten des Stapels ausgerichtet ist;
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4 Ausschnitte von Draufsichten auf die Oberflächen einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, von einem Schnitt durch den aktiven Bereich der Bipolarplatte sowie eine Durchsicht durch diese Bipolarplatte;
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5 Detailansichten je eines Schnitts durch zwei verschiedene erfindungsgemäße Bipolarplatten im Bereich eines abgesenkten Steges;
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6 eine Draufsicht auf den Kreuzungsbereich eines abgesenkten Steges mit einem Kanal in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte; sowie
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7 Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem Kreuzungsbereich, jeweils in Durchsicht im Ausschnitt.
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1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 2 von baugleichen Separatorplatten, die entlang einer z-Richtung 7 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die Separatorplatten sind hier als Bipolarplatten ausgebildet und umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten des Stapels 2 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Die elektrochemischen Zellen weisen z. B. jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) und Gasdiffusionslagen (GDL) auf. Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Befeuchter für ein elektrochemisches System, wie ein Brennstoffzellensystem, ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen werden ebenfalls Separatorplatten verwendet. Der Aufbau dieser Separatorplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien unterscheiden.
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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 Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Ports 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
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2 zeigt einen Teil einer Bipolarplatte 100 des Stapels 2 aus 1 in einer Draufsicht, insbesondere einen Teil einer ersten metallischen Einzelplatte 100a der Bipolarplatte 100. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Stapels 2 aus 1, wobei die Schnittebene parallel zur z-Achse 7 ausgerichtet ist und entlang der in 2 dargestellten Schnittlinie 11 verläuft.
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3 ist entnehmbar, dass die Bipolarplatte 100 neben der ersten Einzelplatte 100a eine zweite Einzelplatte 100b umfasst, wobei die Einzelplatten 100a, 100b zur Ausbildung der Bipolarplatte 100 an ihren einander zugewandten Rückseiten der Böden bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Einzelplatten 100a, 100b als Metallbleche ausgebildet, insbesondere als Edelstahlbleche. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die Einzelplatten 100a, 100b wenigstens teilweise aus nicht-metallischen Materialien gefertigt sein, z. B. aus hitzebeständigem, vorzugsweise elektrisch leitfähigem Kunststoff. Die Einzelplatten 100a, 100b weisen senkrecht zu ihrer Planflächenebene jeweils eine Dicke 190a, 190b (siehe 5) von 100 μm auf. Hier sind die Einzelplatten 100a, 100b entlang ihrer einander zugewandten Rückseiten bereichsweise durch Laserschweißverbindungen miteinander verbunden. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die Einzelplatten 100a, 100b auch durch andere stoffschlüssige Verbindungen bereichsweise verbunden sein, z. B. durch andere Schweißverbindungen, durch Lötverbindungen oder durch Klebverbindungen. 3 zeigt zudem weitere, der Bipolarplatte 100 baugleiche Bipolarplatten 200, 300 sowie zwischen den Bipolarplatten 100, 200, 300 angeordnete MEA 16 und Gasdiffusionslagen 17.
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Die in 2 gezeigte Bipolarplatte 100 weist Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 auf. Die Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 bilden mit den übrigen Bipolarplatten des Stapels 2 aus 1 Leitungen zur Medienzu- und -abfuhr. Diese Leitungen durchziehen den Stapel 2 in der z-Richtung 7 und sind jeweils in Fluidverbindung mit einem der in 1 gezeigten Ports 5.
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Um die Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 herum weist die Bipolarplatte 100 in die Bipolarplatte 100 eingeformte Sicken 111, 121, 131 auf. Die Sicken 111, 121, 131 dienen dazu, die von den Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 gebildeten Leitungen gegen die jeweils anderen Medienräume und gegen die Umgebung abzudichten. Eine weitere Sicke 141 umschließt die Durchgangsöffnungen 110, 130, die Sicken 111, 131 sowie einen am linken Bildende der 2 sich anschließenden aktiven Bereich der Einzelplatte 100a, der in 2 jedoch nur in einem sehr kurzen Abschnitt 167a dargestellt ist. Die Sicke 141 dient der Abdichtung des aktiven Bereichs und der Durchgangsöffnungen 110, 130 der Einzelplatte 100a gegen die Durchgangsöffnung 120 und die Umgebung. Im vorliegenden Beispiel begrenzt dieser aktive Bereich 167a eine elektrochemische Zelle, die zwischen der Einzelplatte 100a und einer der Bipolarplatte 100 benachbarten Bipolarplatte des Stapels 2 angeordnet ist.
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Ferner zeigt 2, dass die Sicken 111, 121, 131 jeweils Durchführungen 112, 122, 132 quer durch die Sicken 111, 121, 131 aufweisen. Diese Durchführungen 112, 122, 132, auch als Sickendurchführungen bezeichnet, dienen jeweils der gezielten und dosierten Durchführung eines Mediums durch die Sicken 111, 121, 131. Beispielsweise dienen die Durchführungen 112, 122, 132 in den Sicken 111, 121, 131 jeweils der Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den von den Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 gebildeten Leitungen und den Medienverteilkanälen 160a und letztlich dem aktiven Bereich 167a der Bipolarplatte 100 oder zwischen den Leitungen und einem zwischen den Einzelplatten 100a, 100b aufgespannten Hohlraum 18 (3), der zur Aufnahme und Zirkulation eines Kühlmittels ausgebildet ist.
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2 ist ferner entnehmbar, dass die Einzelplatte 100a an ihrer von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite einen Verteilbereich 150a mit einer Vielzahl von Kanälen 160a zur Medienführung aufweist. Die Kanäle 160a sind in die Einzelplatte 100a eingeformt, insbesondere eingeprägt. Die Kanäle 160a verlaufen größtenteils gerade und parallel zueinander. Abschnittweise, nämlich im Übergang 165a vom Verteilbereich 150a zum aktiven Bereich 167a, verlaufen die Kanäle 160a gekrümmt. Diejenigen Kanäle 160a, die oberhalb der Mitte der Durchgangsöffnung 130 verlaufen, weisen zudem eine Knickstelle auf. Die Kanäle 160a sind jeweils als Vertiefungen in die Einzelplatte 100a eingeprägt, wobei zwischen zwei benachbarten Kanälen 160a jeweils ein Steg 170a ausgebildet ist, der die Kanäle 160a fluidisch trennt oder wenigstens abschnittweise fluidisch trennt. Der Verteilbereich 150a weist also eine Vielzahl von Stegen 170a auf, Die Kanäle 160a haben auf ihrer jeweiligen halben Höhe eine geringere Breite 161a als die zwischen den Kanälen 160a ausgebildeten Stege 170a, deren Breite mit 171a bezeichnet wird. Die Breiten 161a der Kanäle 160a betragen z. B. jeweils etwa 0,2 mm (siehe 5 und 6). Die Kanäle 160a und die Stege 170a erstrecken sich jeweils über eine Länge von zwischen ungefähr 1,5 cm und 11 cm.
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Der Verteilbereich 150a der ersten Einzelplatte 100a mit den Kanälen 160a stellt eine Fluidverbindung zwischen der von der Durchgangsöffnung 130 gebildeten Leitung des Stapels 2 und einem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a an der von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite der ersten Einzelplatte 100a her. So kann ein in der von der Durchgangsöffnung 130 gebildeten Leitung geführtes Medium über die Sickendurchführung 132 und über die Kanäle 160a in den aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a geleitet werden oder umgekehrt. Die Kanäle 160a setzen sich in Kanälen des aktiven Bereichs 167a fort, dennoch wird im Übergangsbereich 165a ein Ende, nämlich das zweite Ende der Kanäle 160a definiert. Insbesondere sind zweite Enden 162a der Kanäle 160a in Fluidverbindung mit dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a und gehen dort in andere Kanäle über. Erste Enden 163a der Kanäle 160a sind in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung 130 der Bipolarplatte 100 bzw. mit der von der Durchgangsöffnung 130 gebildeten Zu- oder Abführleitung des Stapels 2, und zwar insbesondere über die Sickendurchführung 132. Zum aktiven Bereich 167a der Einzelplatte 100a hin, also im Übergangsbereich 165a der Kanäle 160a, fächern sich die Kanäle 160a auf, wobei die Kanäle 160a im dargestellten Ausführungsbeispiel abgesehen von den wenigen Kanälen 160a mit Knickstellen im Wesentlichen parallel verlaufen. Im Übergangsbereich 165a zum aktiven Bereich 167a der Einzelplatte 100a nimmt ein Querschnitt der Kanäle 160a also jeweils zu, da dort im aktiven Bereich 167a ggf. weitere Stege ausgebildet werden.
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Die Zahl der Kanäle 160a ist größer als die Zahl der Durchführungen 132 durch die Sicke 131, z. B. wenigstens um einen Faktor 1,5 oder wenigstens um einen Faktor 2. Ein Übergangsbereich 164a zwischen der Sicke 131 und den der Durchgangsöffnung 130 zugewandten Enden 163a der Kanäle 160a ist also ein Verzweigungsbereich der ersten Einzelplatte 100a. In diesem Verzweigungsbereich erhöht sich die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich der ersten Einzelplatte 100a verbinden.
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Im aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a ist die Zahl der Kanäle oder kanalähnlichen Strukturen zur Medienführung nochmals größer als die Zahl der Kanäle 160a, z. B. wiederum wenigstens um einen Faktor 1,5 oder wenigstens um einen Faktor 2. Ein Übergangsbereich 165a zwischen den dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a zugewandten Enden 162a der Kanäle 160a und dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a stellt somit wiederum einen Verzweigungsbereich der ersten Einzelplatte 100a dar. In diesem Verzweigungsbereich erhöht sich die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich der ersten Einzelplatte 100a verbinden. In diesem Sinne sind die Kanäle 160a zwischen zwei Verzweigungsbereichen der ersten Einzelplatte 100a angeordnet.
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4c zeigt einen Ausschnitt des Verteilbereichs 150a an der von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite der ersten Einzelplatte 100a mit den ersten Kanälen 160a und mit den zwischen den ersten Kanälen 160a angeordneten Stegen 170a. 4c zeigt weiter abschnittsweise die Durchgangsöffnung 130 und die die Durchgangsöffnung 130 umschließende Sicke 131 sowie einen kurzen Abschnitt 167a des aktiven Bereichs der ersten Einzelplatte 100a. Deutlich zu erkennen sind die Verzweigungsbereiche 164a und 165a, in denen die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a verbinden, jeweils von der Durchgangsöffnung 130 zum aktiven Bereich 167a hin zunimmt.
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4a zeigt einen Ausschnitt eines Verteilbereiches 150b an der von der ersten Einzelplatte 100a abgewandten Vorderseite der zweiten Einzelplatte 100b. 4a zeigt darüber hinaus abschnittsweise die Durchgangsöffnung 130 und die die Durchgangsöffnung 130 in dieser Lage umschließende Sicke 131b sowie einen kurzen Abschnitt 167b des aktiven Bereichs der zweiten Einzelplatte 100b. Wie der Verteilbereich 150a der ersten Einzelplatte 100a weist der Verteilbereich 150b der zweiten Einzelplatte 100b eine Vielzahl von Kanälen 160b und eine Vielzahl von jeweils zwischen zwei benachbarten Kanälen 160b angeordneten Stegen 170b auf, wobei die Stege 170b die Kanäle 160b jeweils wenigstens abschnittweise fluidisch trennen. Wie die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a stellen die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b eine Fluidverbindung zwischen einer Durchgangsöffnung 130 der Bipolarplatte 100 und dem aktiven Bereich 167b der zweiten Einzelplatte 100b an der von der ersten Einzelplatte 100a abgewandten Vorderseite der zweiten Einzelplatte 100b her.
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4b stellt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte 100 aus 4a und 4c durch den aktiven Bereich dar, nämlich die linke Außenkante der 4a bzw. die rechte Außenkante der 4c, dabei sind die beiden Einzelplatten 100a, 100b im gefügten Zustand erkennbar.
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4d zeigt die gesamte Bipolarplatte 100, die auch schon in 4a–c dargestellt ist, nun jedoch in Durchsicht durch die beiden Einzelplatten 100a, 100b, wobei die in 4c gezeigte Einzelplatte 100a oben liegt. Aufgrund der einander nun kreuzenden Kanäle 160a und 160b bzw. einander kreuzenden Stege 170a und 170b sind die Details der Verteilbereiche 150a, 150b, wie etwa die Schweißverbindungen zwischen den beiden Einzelplatten 100a, 100b kaum zu erkennen. Aus diesem Grund sind diese in den 4a und 4c dargestellt.
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Die in den 4a und 4c gezeigten Verteilbereiche 150b und 150a der zweiten Einzelplatte 100b und der ersten Einzelplatte 100a sind entlang ihrer einander zugewandten Rückseiten bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, hier insbesondere durch Laserschweißverbindungen entlang der stoffschlüssigen Verbindungen 50.
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Aus der Tatsache, dass in den Darstellungen der jeweiligen Vorderseiten der Einzelplatten 100a und 100b in den 4a, 4c sowohl die Kanäle 160b und die Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b als auch die Kanäle 160a und die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a jeweils schräg von links unten nach rechts oben verlaufen, folgt, dass die Kanäle 160a und die Stege 170a des Verteilbereichs 150a der ersten Einzelplatte 100a und die Kanäle 160b und die Stege 170b des Verteilbereichs 150b der zweiten Einzelplatte 100b in parallelen Ebenen gekreuzt zueinander verlaufen. Im Beispiel der 4a, 4c schließen die Kanäle 160a und die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a mit den Kanälen 160b und den Stegen 170b der zweiten Einzelplatte 100b z. B. einen Kreuzungswinkel von ca. 50° bzw. 130° ein.
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Bereiche 60a der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a, in denen eine senkrechte Projektion eines der Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b auf die erste Einzelplatte 100a einen der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a kreuzt, werden Kreuzungsbereiche der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a genannt. Ganz entsprechend werden Bereiche 60b der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b, in denen eine senkrechte Projektion eines der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a auf die zweite Einzelplatte 100b einen der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b kreuzt, Kreuzungsbereiche der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b genannt.
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Wie eingangs beschrieben besteht ein entscheidender Nachteil bekannter Separatorplatten darin, dass die Einzelplatten der Separatorplatte in solchen Bereichen, in denen die Kanäle der Einzelplatten wie hier beschrieben gekreuzt verlaufen, typischerweise nur entlang sehr kleiner Kontaktbereiche verbindbar sind, nämlich gerade dort, wo die einander zugewandten Rückseiten der Kanalböden der beiden Einzelplatten einander kreuzen.
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Die hier vorgeschlagene Verbesserung besteht gerade darin, dass wenigstens die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a wie in 4c gezeigt in wenigstens einigen der Kreuzungsbereiche 60a derart abgesenkt sind, dass die der zweiten Einzelplatte 100b zugewandte Rückseite der ersten Einzelplatte 100a in diesen Kreuzungsbereichen 60a mit der Rückseite des Bodens des entsprechenden Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b in Kontakt ist und stoffschlüssig verbunden ist, hier z. B. durch Laserschweißverbindungen. Die Kontaktflächen, entlang derer die Rückseiten der Einzelplatten 100a, 100b in den Verteilbereichen 150a, 150b in Kontakt sind und miteinander verbunden sind oder verbindbar sind, können so deutlich vergrößert werden. Entlang der Verlaufsrichtung der Stege 170a sind die Stege 170a in den Kreuzungsbereichen 60a jeweils über eine Länge abgesenkt, die in etwa dem Doppelten der Breite des vom Steg 170a gekreuzten Kanals auf dessen halber Höhe entspricht, hier z. B. jeweils über eine Länge von ca. 0,4 mm. Über die Stegabsenkungen in den Kreuzungsbereichen 60a wird zudem eine Fluidverbindung der beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden Kanäle 160a hergestellt. Die Positionen für die Stegabsenkungen können daher z. B. auch gezielt gewählt werden, um mit den zusätzlichen Fluidverbindungen zwischen benachbarten Kanälen 160a ein gewünschtes Strömungsprofil des Mediums im Verteilbereich 150a herzustellen. Beispielsweise können die Stegabsenkungen gezielt gesetzt werden, um etwaige Druckunterschiede oder Unterschiede im Massentransport in den Kanälen 160a auszugleichen oder zu verringern.
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Wie 4a zu entnehmen ist, ist der Verlauf der stoffschlüssigen Verbindungen 50 zwischen den Einzelplatten 100a, 100b typischerweise jeweils im Wesentlichen durch den Verlauf des Bodens des jeweiligen Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b vorgegeben, an dessen Rückseite die stoffschlüssige Verbindung 50 jeweils ausgebildet ist. So zeigt 4a, dass die stoffschlüssigen Verbindungen 50 jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Kanäle 160b und der Stege 170b im Verteilbereich 150b der zweiten Einzelplatte 100b ausgerichtet sind. Abhängig von der Breite des Bodens der Kanäle 160b kann die Ausrichtung der stoffschlüssigen Verbindungen 50 ggf. geringfügig von der Verlaufsrichtung des Bodens des jeweiligen Kanals 160b abweichen, z. B. um einen Winkel von bis zu 25°, vorzugsweise um einen Winkel von bis zu 10°.
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Eine Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 entspricht im Beispiel der 4a, 4c jeweils aufgrund des stark von 90° abweichenden Winkels zwischen den Kanälen 160a und 160b wenigstens dem Doppeltem der Breite der Stege 170a. Ebenso entspricht die Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 dort jeweils wenigstens dem Doppeltem der Breite der von den abschnittsweise abgesenkten Stegen 170a gequerten Kanäle 160b auf deren halber Höhe. Z. B. erstrecken sich die stoffschlüssigen Verbindungen in den 4a, 4c jeweils über eine Länge von wenigstens 0,7 mm. Insbesondere entspricht die Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 in den 4a, 4c jeweils wenigstens dem 10-Fachen der Breite der jeweiligen stoffschlüssigen Verbindung 50 im Bereich der Grenzfläche zwischen den beiden Einzelplatten 100a, 100b.
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5a zeigt eine der in den 4a, 4c gezeigten stoffschlüssigen Verbindungen 50, nämlich eine Schweißverbindung zwischen den Einzelplatten 100a, 100b im Querschnitt, während 5b eine alternative stoffschlüssige Verbindung, nämlich eine Kleb- oder Lötverbindung zwischen zwei Einzelplatten 100a, 100b darstellt. In den 5a und 5b ist die Schnittebene senkrecht zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 100a, 100b und senkrecht zur Verlaufsrichtung der Stege 170a und der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a ausgerichtet. Die Schnittebene ist in den 5a und 5b also so gewählt, dass die Stege 170a und die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a entlang der Schnittebene eine minimale Breite haben. Da die Stege 170b und die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b relativ zu den Kanälen 160a und den Stegen 170a der ersten Einzelplatte 100a schräg verlaufen, erscheinen die Breiten der Kanäle 160b und der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b in 5 gegenüber den Breiten der Kanäle 160a und der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a vergrößert.
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In den 5a und 5b ist deutlich zu erkennen, dass der mittlere Steg 170a bis zum Boden der beiden angrenzenden Kanäle 160a abgesenkt ist. Die der zweiten Einzelplatte 100b zugewandte Rückseite der Stegabsenkung 60a liegt somit in einer Ebene mit den angrenzenden Rückseiten der Böden der beiderseits des mittleren Steges 170a verlaufenden Kanäle 160a, so dass im in 5a bzw. 5b dargestellten Kreuzungsbereich 60a eine besonders große Kontaktfläche entlang der einander zugewandten Rückseiten der Einzelplatten 100a, 100b entsteht.
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Während, wie aus 5a deutlich wird, die Breite der Schweißverbindung in erster Linie von der verwendeten Schweißanlage und insbesondere von deren Optik abhängt und meist zwischen 30 μm und 200 μm beträgt, wird bei Kleb- oder Lötverbindungen, wie in 5b gezeigt, versucht, mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 95% der Breite der Berührfläche, insbesondere die gesamte Breite der Berührfläche für die Verbindung zu nutzen. Dennoch zeigen sich die Vorteile der Erfindung gerade auch bei Schweißverbindungen, da an die Genauigkeit der Positionierung eines Instrumentes zum Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung 50 im Kreuzungsbereich 60a der 5 aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche zwischen den Einzelplatten 100a, 100b geringere Anforderungen zu stellen sind, als dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten Verbindung von Einzelplatten der Fall ist. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich darüber hinaus insbesondere bei der Vergrößerung der möglichen Längen der stoffschlüssigen Verbindungen.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Kreuzungsbereich 60a eines Steges 170a der ersten Einzelplatte 100a bei einer abgewandelten Ausführungsform der Bipolarplatte 100. Gezeigt ist die Stegabsenkung in der Bildmitte, durch die eine Fluidverbindung zwischen den beiderseits des mittleren Steges 170a verlaufenden Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a resultiert. Zudem ist schematisch der Verlauf eines Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b gezeigt, dessen der ersten Einzelplatte 100a zugewandte Bodenrückseite hier parallel zur x-y-Ebene und damit zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte 100a in einem rechten Winkel zu den Stegen 170a und den Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a verläuft. Entlang ihrer der zweiten Einzelplatte 100b zugewandten Rückseite ist die Stegabsenkung 60a der ersten Einzelplatte 100a mit der der ersten Einzelplatte 100a zugewandten Rückseite des Bodens des Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b durch eine stoffschlüssige Verbindung 50 verbunden. Dem Verlauf des Kanals 160b der zweiten Einzelplatte folgend ist die Verbindung 50 hier senkrecht zu den Stegen 170a und den Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a ausgerichtet. Dabei erstreckt sich die Verbindung 50 im abgesenkten Kreuzungsbereich 60a über die gesamte Breite des abschnittsweise abgesenkten Steges 170a.
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Die –f zeigen schematisch weitere Ausführungsformen von Stegen 170a und Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a und von Stegen 170b und Kanälen 160b der zweiten Einzelplatte 100b in schematischer Durchsicht. In einigen der Ausführungsformen weisen sowohl die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a als auch die Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b in einigen der Bereiche, in denen sie von einem Kanal der jeweils anderen Einzelplatte gekreuzt werden, eine Stegabsenkung auf. Im Bereich der Stegabsenkungen sind wiederum stoffschlüssige Verbindungen der zuvor beschriebenen Art zwischen den Einzelplatten 100a, 100b angeordnet. Insbesondere bestehen stoffschlüssige Verbindungen 50m, 50n zwischen den Rückseiten der Absenkungen 60a der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a und den Rückseiten der Böden der Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b, wie bereits zuvor im Zusammenhang mit den 4–6 erläutert. Zusätzlich sind in den 7a–c jedoch auch Absenkungen 60b der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b dargestellt, die entlang ihrer Rückseiten mit den Rückseiten der Böden der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a über stoffschlüssige Verbindungen 50p bis 50s verbunden sind. Darüber hinaus sind stoffschlüssige Verbindungen 50u, 50t dargestellt, die sich über mindestens eine Stegabsenkung 60a und mindestens eine Stegabsenkung 60b erstrecken. Die Indices m, n und p bis t dienen dabei nur der Unterscheidung zwischen den individuellen Gestaltungen, es handelt sich immer um stoffschlüssige Verbindungen 50. Der Übersichtlichkeit halber wurde in den 7a–f nur ein Teil der Kanäle, Stege, Absenkungen und stoffschlüssigen Verbindungen mit eigenen Bezugszeichen versehen.
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7a zeigt anhand zweier paralleler Scharen von Kanälen 160a, 160b, die sich in einem rechten Winkel kreuzen, dass entlang der Rückseite desselben Kanals mehrere stoffschlüssige Verbindungen 50p ausgebildet sein können, wobei die beiden stoffschlüssigen Verbindungen 50p hier durch zwei Stege 170b voneinander beabstandet sind.
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7b zeigt zwei Scharen von Kanälen 160a, 160b, bei denen sich die Kanäle 160a, 160b jeweils von oben nach unten verbreitern. Die Scharen kreuzen sich in einem Winkel von. ca. 65° bzw. 115°. Hier ist in den beiden Absenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60a neben einer durchgängigen Schweißverbindung 50m auch eine aus mehreren Schweißpunkten auf einer Linie zusammengesetzte Schweißverbindung 50n vorhanden. Neben den Schweißverbindungen 50q, die wie die Schweißverbindungen 50p der 7a ausgeführt sind, weisen die Absenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60b zwei weitere Schweißverbindungen 50r und 50s auf, die sich von den Schweißverbindungen 50q dadurch unterscheiden, dass sie in einem Bereich liegen, in dem zwei einander benachbarte Stege 170b abgesenkt sind, so dass sie in unmittelbarem Wirkungszusammenhang stehen.
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In den 7c und 7d ist gezeigt, dass die Stege 170a und die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a und die Stege 170b und die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b gekrümmt verlaufen können, nämlich beispielsweise kreisbogenförmig (7c) oder gewellt (7d).
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Die 7e und 7f stellen anhand eines rechtwinkligen Rasters einander kreuzender Scharen von Kanälen 160a, 160b mit konstanter Kanalbreite komplexere Absenkungs- und Verbindungsmuster dar, wobei diese komplexen Muster nicht auf rechtwinklige Anordnungen der Kanäle mit konstanter Breite beschränkt sind. Die komplexen Absenkungs- und Verbindungsmuster können vor allem dazu verwendet werden, Medien gezielt durch die Kanäle zu führen.
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In 7e sind zwei einander benachbarte Stege 170b jeweils gegenüber demselben Kanal 160a unter Ausbildung der Absenkungen 60b abgesenkt. Die beiden diesen Kanal 160a begrenzenden Stege 170a sind wiederum im Bereich zwischen den beiden benachbarten, abschnittsweise abgesenkten Stegen 170b unter Ausbildung der Absenkungen 60a abgesenkt. Die Kontaktfläche der Rückseiten der Böden der Kanäle 160a, 160b bildet zusammen mit den Kontaktflächen der Rückseiten der Absenkungen 60a und der Rückseite des Bodens des Kanals 160b und den Kontaktflächen der Rückseiten der Absenkungen 60b und der Rückseite des Bodens des Kanals 160a eine große Kontaktfläche der beiden Einzelplatten 100a, 100b, die eine kreuzförmige stoffschlüssige Verbindung 50t der beiden Einzelplatten 100a, 100b erlaubt.
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7f stellt eine gewinkelte Verbindung 50u der beiden Einzelplatten 100a, 100b dar, die über drei Stegabsenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60b, 60a und 60b reicht. Hierzu ist ein Steg 170b der zweiten Einzelplatte 100b im Bereich gegenüber einem Kanal 160a der ersten Einzelplatte 100a abgesenkt und verbindet somit zwei Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b fluidisch. Gegenüber einem dieser Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b ist angrenzend an die Absenkung 60b des Stegs 170b wiederum ein Steg 170a der ersten Einzelplatte 100a abgesenkt. Diese Absenkung 60a verbindet wiederum zwei Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a fluidisch. Schließlich ist gegenüber einem dieser Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a angrenzend an die Absenkung 60a des Stegs 170a wiederum ein Steg 170b der zweiten Einzelplatte 100b abgesenkt.
