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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte mit einer ersten und einer zweiten metallischen Lage, insbesondere eine Separatorplatte für eine elektrochemische Zelle. Die Erfindung betrifft auch ein elektrochemisches System. Derartige elektrochemische Systeme sind beispielsweise Redox-Flow-Batterien, elektrochemische Verdichter, Brennstoffzellsysteme oder Elektrolyseure.
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Beispielsweise in Brennstoffzellsystemen sind jeweils eine Vielzahl derartiger Separatorplatten senkrecht zur Lagenebene der Separatorplatte gestapelt. Die einzelnen Separatorplatten sind mittels Zwischenlagen, beispielsweise Membranen bzw. Membranelektrodeneinheiten (MEAs) voneinander getrennt.
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Eine Membranelektrodeneinheit (MEA) besteht üblicherweise aus einem elektrochemisch aktiven Bereich, in dem ein Protonenübergang zwischen den beiden Seiten der MEA stattfindet und in dem auf den Membranoberflächen Elektroden und katalytische Beschichtungen vorhanden sind, außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs sind die MEAs üblicherweise von einem Verstärkungsrand umgeben. Zumindest im elektrochemisch aktiven Bereich ist zusätzlich meist noch auf jeder Oberfläche eine Gasdiffusionslage vorhanden, die einen vereinfachten Zugang für Sauerstoff und Wasserstoff zur beschichteten Membran ermöglicht.
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Vereinfachend wird im Folgenden auch in Bezug auf die Separatorplatten vom elektrochemisch aktiven Bereich und vom elektrochemisch nicht aktiven Bereich die Rede sein, auch wenn es sich um die diesen Bereichen der MEA gegenüberliegende Bereiche handelt.
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Zur Abgrenzung von fluidführenden Räumen gegeneinander und nach außen weisen diese Separatorplatten eine Vielzahl von Sicken auf, insbesondere Dichtsicken, die zwischen benachbarten Lagen einer Separatorplatte und zwischen Separatorplatten und benachbarten MEAs fluidführende Räume fluiddicht abdichten. Dichtsicke können entlang ihres Verlaufs Durchführungen aufweist, die sich im Querschnitt durch die Dichtsicke von einer Seite der Dichtsicke zur gegenüberliegenden Seite der Dichtsicke erstrecken und der Weiterleitung von Medien, insbesondere Fluiden, durch bzw. quer zur Dichtsicke dienen. Die Durchführungen können sich beispielsweise in Form mindestens eines Tunnels, der in eine Sickenflanke mündet oder wie diese aus er Lagenebene angehoben ist, oder in Form mindestens einer Öffnung in der Sickenflanke fortsetzen.
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Weiterhin sind die Umfangsränder von Durchgangsöffnungen in den metallischen Lagen und/oder auch der Außenumfangsrand der metallischen Lagen häufig unter Ausbildung einer Halbsicke gekröpft. Dies hat bei den häufig sehr dünnen metallischen Lagen den Vorteil, dass ein stabiler Rand geschaffen wird.
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Nachteilig ist dabei, dass bei Verpressung des Stacks aus Separatorplatten die metallischen Lagen der Separatorplatte an ihren Rändern, d. h. insbesondere an den Umfangsrändern der Durchgangsöffnungen und an den Außenumfangsrändern aufbiegen. Dadurch besteht das Risiko, dass die scharfen, üblicherweise gestanzten, Außenkanten der Durchgangsränder oder der Außenränder der Lagen sich in die die Separatorplatten trennenden Zwischenlagen, insbesondere die Verstärkungsränder der MEA, eindrücken, eingraben und diese unter Umständen perforieren. Damit ist dann die elektrische Trennung zwischen den benachbarten Separatorplatten durchbrochen und damit die Funktionsweise der elektrochemischen Zelle bzw. des elektrochemischen Systems gestört.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Separatorplatte zur Verfügung zu stellen, bei der eine Beschädigung der benachbarten Lagen bzw. Schichten auch unter Verpressung vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Separatorplatte nach Anspruch 1 und das elektrochemische System nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Separatorplatten finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Separatorplatte für ein elektrochemisches System weist eine erste und eine zweite metallische Lage (Separatorteilplatten) auf, die mit je einer ihrer Flachseiten benachbart zueinander angeordnet sind. Diese erste und diese zweite metallische Lage weisen jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung zur Zufuhr und/oder Ableitung eines Fluides auf, die paarweise bezüglich ihrer axialen Durchgangsrichtung zumindest im Wesentlichen koaxial angeordnet sind und eine Durchleitungsöffnung für das Fluid durch die Separatorplatte bilden. Die Umfangsränder der Durchgangsöffnungen jeweils eines Paares von Durchgangsöffnungen bilden dabei zumindest abschnittsweise den Umfangsrand der jeweiligen Durchgangsöffnung und weisen zumindest abschnittsweise oder vollständig umlaufend eine aus der Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage von der benachbarten metallischen Lage wegweisend auskragende Halbsicke auf.
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Erfindungsgemäß ist der offene Rand der Halbsicke jeder der metallischen Lagen in Richtung der Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage unter Ausbildung eines Kragens abgewinkelt. Der Kragen muß jedoch nicht vollständig längs des Randes ausgebildet sein, es genügt auch eine abschnittsweise Ausbildung. Für die Durchgangsöffnungen und/oder für die Außenumfangsränder können also der Kragen der ersten und der Kragen der zweiten metallischen Lage längs des jeweiligen Randes zumindest abschnittsweise benachbart überdeckend angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Separatorplatte für ein elektrochemisches System weist in einer alternativen Ausführungsform eine erste und eine zweite metallischen Lage auf, die ebenfalls mit je einer ihrer Flachseiten benachbart zueinander angeordnet sind. Dabei weist der Außenumfangsrand der ersten metallischen Lage und der Außenumfangsrand der zweiten metallischen Lage jeweils eine zumindest abschnittsweise den jeweiligen Umfangsrand bildende, aus der Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage von der benachbarten metallischen Lage wegweisend auskragende Halbsicke auf.
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Erfindungsgemäß ist der offene Rand der Halbsicke jeder der metallischen Lagen in Richtung der Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage unter Ausbildung eines Kragens abgewinkelt.
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Für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen und/oder für die Außenumfangsränder können insbesondere der Kragen der ersten und/oder der zweiten metallischen Lage längs des Umfangsrandes der Durchgangsöffnung und/oder des Außenumfangsrandes zumindest abschnittsweise die Begrenzung der fluidführenden Durchgangsöffnung und/oder des Außenumfangsrandes bilden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kragen wird verhindert, dass beim Verpressen der Lagen in einem Stapel trotz Aufbiegens der Halbsicke beispielsweise freie Kanten auf benachbarte weichere Bauteile, wie beispielsweise MEAs, insbesondere deren Verstärkungsränder, drücken und diese beschädigen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Randes der metallischen Lagen kann für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen oder auch auf Ränder der metallischen Lagen längs des Außenrandes der metallischen Lagen angewandt werden.
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Auf der von der jeweiligen Durchgangsöffnung abgewandten Seite der Halbsicke kann weiterhin eine die jeweilige Durchgangsöffnung umlaufende Dichtsicke angeordnet sein.
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Im Unterschied zu diesen Dichtsicken besitzen die genannten Halbsicken hauptsächlich die Funktion, den Rand auf eine definierte Höhe einzustellen und zu stabilisieren. Eine zusätzliche Dichtfunktion der Halbsicken ist nicht erforderlich, aber möglich.
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Für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen können die Dichtsicken entlang ihres Verlaufs zumindest in einem ersten Abschnitt mindestens eine Durchführung aufweisen, die sich im Querschnitt durch die Dichtsicke von einer Seite der Dichtsicke zur gegenüberliegenden Seite der Dichtsicke erstreckt, wobei der Kragen nur in Abschnitten benachbart zu der bzw. den Durchführungen und/oder benachbart zu dem ersten Abschnitt ausgebildet ist. Benachbart ist hier so zu verstehen, dass in den Bereichen, in denen die Durchführungen vorhanden sind, vorzugsweise keine Kragen angeordnet sind, aber in den übrigen, zu diesem ersten Abschnitt benachbarten Bereichen. Weist beispielsweise eine Durchgangsöffnung über 55% ihres Umfangsrandes Durchführungen auf, so ist es bevorzugt, wenn über die übrigen 45% oder zumindest 40% des Umfangsrandes Kragen in beiden Lagen angeordnet sind.
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Die Separatorplatte kann zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage einen Kühlbereich zum Führen eines Kühlmediums entlang einer Flachseite der metallischen Lagen einschließen. Auf der ersten und zweiten metallische Lage können weiterhin jeweils auf ihrer der benachbarten metallischen Lage abgewandten Flachseite Kanalstrukturen zur Ausbildung eines Strömungsfeldes für ein Fluid angeordnet sein.
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Die Länge, Breite und Richtung der Kragen kann in weiten Grenzen verändert werden, solange die Funktion der beiden Kragen, nämlich die Verhinderung der Beschädigung einer Trennschicht zu einer benachbarten Separatorplatte erfüllt wird. Dazu kann beispielsweise der Kragen der ersten und/oder der zweiten metallischen Lage zumindest abschnittsweise über die Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage hinausragen oder unter einem Winkel verlaufen. Insbesondere kann für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen und/oder für die Außenumfangsränder der Kragen der ersten und/oder der zweiten metallischen Lage im Wesentlichen oder vollständig, insbesondere zu über 50% seiner Länge, insbesondere im Falle einer Durchgangsöffnung zu über 90% seiner Länge außerhalb des ersten Abschnitts, unter einem Winkel β zur Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage mit 70° ≤ β ≤ 130°, vorteilhafterweise 80° ≤ β ≤ 120°, verlaufen.
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Dasselbe gilt für die Halbsicken und deren Flanken. Insbesondere können für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen und/oder für die Außenumfangsränder die Flanken der Halbsicke der ersten und/oder der zweiten metallischen Lage im Wesentlichen oder vollständig, insbesondere zu über 50% ihrer Länge, insbesondere im Falle einer Durchgangsöffnung zu über 90% ihrer Länge außerhalb des ersten Abschnitts, unter einem Winkel α zur Lagenebene der jeweiligen metallischen Lage mit 20° ≤ α ≤ 80°, vorteilhafterweise 25° ≤ α ≤ 60°, verlaufen.
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Für eine, mehrere oder alle Durchgangsöffnungen und/oder für die Außenumfangsränder ausgehend vom die Durchgangsöffnung oder den Außenumfangsrand in der ersten und/oder zweiten metallischen Lage umgebenden Lagenrand kann der Kragen der jeweiligen metallischen Lage einen oder mehrere Schlitze aufweisen. Dadurch wird, insbesondere bei gekrümmten Rändern der Materialmangel kompensiert, der beim Umbiegen des Kragens aus der Lagenebene auftritt. Vorteilhaft sind hier Schlitze, die sich senkrecht zum Lagenrand erstrecken, insbesondere wenn sie sich auch bis zum Lagenrand erstrecken. Aufgrund des Materialmangels, beispielsweise in gekrümmten Bereichen, können dabei auch senkrecht am Lagenrand beginnende Schlitze sich in ihrer weiteren Erstreckung aufweiten, z.B. v-förmig aufweiten. Die Schlitze können dabei über die gesamte Breite des jeweiligen Kragens gehen. Weiterhin können sie längs des Umfangsrandes insbesondere bereichsweise äquidistant angeordnet sein und so Spannungen in dem Kragen, die sich beim Prägen aufgebaut haben, gleichmäßig reduzieren.
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Vorzugsweise überlappen die Enden der Kragen von im Wesentlichen koaxial angeordneten Durchgangsöffnungen und/oder der Außenumfangsränder der ersten und der zweiten metallischen Lage einander und/oder sind in senkrechter Richtung zur Lagenebene der ersten und/oder der zweiten Lage versetzt zueinander angeordnet. Bereits ein solches Überlappen oder auch eine versetzte Anordnung genügt, um eine Beschädigung einer Trennschicht zwischen benachbarten Separatorplatten zu verhindern.
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Weiter müssen die Kragen der ersten metallischen Lage und der zweiten metallischen Lage nicht formschlüssig zueinander angeordnet, insbesondere nicht formschlüssig miteinander verbunden sein. Dies gilt einerseits für die Kragen einer Durchleitungsöffnung, kann aber auch gemeinsam für sämtliche Kragen der Durchleitungsöffnungen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere auch elektrochemische Systeme, insbesondere Redox-Flow-Batterien, elektrochemischer Verdichter, Brennstoffzellsysteme oder Elektrolyseure, mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Separatorplatten, wobei die Vielzahl von Separatorplatten senkrecht zur Lagenebene der ersten und/oder zur Lagenebene der zweiten metallischen Lagen gestapelt sind. Üblicherweise bei Brennstoffzellsystemen sind die MEAs alternierend zu den einzelnen Separatorplatten angeordnet.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Separatorplatten gegeben. Dabei bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente, so dass die Beschreibung dieser Elemente und Bezugszeichen ggfls. nicht wiederholt wird. Jedes der folgenden Beispiele verwirklicht neben den zwingenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung auch eine Vielzahl optionaler Merkmale. Sämtliche nicht in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen, nicht zwingenden Merkmale können jedoch auch einzeln oder in beliebiger Kombination mit weiteren nicht zwingenden Merkmalen desselben Beispiels oder eines oder mehrerer anderer Beispiele kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle;
- 2 eine Anordnung aus MEA und Separatorplatten der Brennstoffzelle aus 1;
- 3 in 3A einen Ausschnitte um eine Fluiddurchgangsöffnung zweier herkömmlicher Separatorplatten im Querschnitt vor Verpressung in einem Brennstoffzellstack und in 3B denselben Ausschnitt unter Verpressung in einem Brennstoffzellstack;
- 5 bis 8 Ausschnitte in Aufsicht oder im Querschnitt aus erfindungsgemäßen Separatorplatten;
- 9 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Separatorplatte; und
- 10A bis 10C verschiedene Ausschnitte aus Abwicklungen der Draufsichten auf die Kragen erfindungsgemäßer Separatorplatten.
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1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Separatorplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 2 des Stapels begrenzen also eine elektrochemische Zelle, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Separatorplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA 10 beinhaltet jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Benachbarte Separatorteilplatten, die nicht durch eine MEA voneinander getrennt sind, bilden eine erfindungsgemäße Separatorplatte mit den beiden Separatorteilplatten als erste und zweite metallische Lage, die zwei elektrochemisch aktive Felder voneinander trennt.
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Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
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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 bzw. ihrer Lagen 2a, 2b jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist in der Regel eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind, wobei die Medienanschlüsse 5 manchmal als Ports bezeichnet werden. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
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2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte, aus dem Stand der Technik bekannte, Separatorplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorteilplatten oder Lagen 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorteilplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorteilplatte 2b verdeckt. Die Separatorteilplatten 2a, 2b weisen jeweils mindestens eine metallische Lage, z. B. aus einem Edelstahlblech, auf. Zwei benachbarte Separatorteilplatten 2a, 2b bilden gemeinsam eine Separatorplatte und können miteinander verbunden sind, beispielsweise verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
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Die Separatorteilplatten 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten von der Art der Separatorplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel 6 ein- und ausgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-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 Separatorteilplatten 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 Separatorteilplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
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In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorteilplatten 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 Separatorteilplatte 2a auf. Diese ersten Strukturen 14 sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Separatorplatten 2 weisen die ersten Separatorteilplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 60 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 60 umfaßt Strukturen 61, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 60 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen 61 des Verteil- oder Sammelbereichs 60 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 weisen Durchführungen 13a-13c auf, von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Separatorteilplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Separatorteilplatte 2b ausgeführt sind, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Separatorteilplatte 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Separatorteilplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12aund dem Verteil- bzw. Sammelbereich 60, so dass das Kühlmittel in den Verteil- bzw. Sammelbereich 60 zwischen den Separatorplatten 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
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Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorteilplatte 2a, diese Durchführungen 13b sind durch von dem Verteil- oder Sammelbereich zugewandten, schräg zur Plattenebene verlaufende Perforationen charakterisiert. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteil- oder Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorteilplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung.
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Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteil- oder Sammelbereich, so dass Luft in den Verteil- oder Sammelbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorteilplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die zugehörigen Perforationen sind hier nicht sichtbar.
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Die ersten Separatorteilplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 60 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 Separatorteilplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteil- oder Sammelstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 60 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorteilplatten 2a ausgebildet und in die Separatorteilplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozeß. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorteilplatten 2b. Jede Dichtsicke 12a-12d kann im Querschnitt zumindest ein Sickendach und zwei Sickenflanken aufweisen, eine im Wesentlichen winklige Anordnung zwischen diesen Elementen ist jedoch nicht notwendig, es kann auch ein gekrümmter Übergang vorgesehen sein.
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Während die Dichtsicken 12a-12c einen im Wesentlichen runden Verlauf aufweisen, weist die Perimetersicke 12d verschiedene Abschnitte auf, welche unterschiedlich geformt sind. So kann der Verlauf der Perimetersicke 12d zumindest zwei wellenförmige Abschnitte aufweisen.
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Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 60 und über das Strömungsfeld 17 im aktiven Bereich 18 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Separatorteilplatten 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Separatorteilplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. In den aktiven Bereichen 18 sind dazu jeweils erste Strukturen, insbesondere Kanalstrukturen, 14 zum Führen der betreffenden Medien vorgesehen.
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Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorteilplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Separatorplatte 2, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Separatorplatte 2. Das Kühlmittel dient somit hauptsächlich der Kühlung des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Separatorplatte 2. Durch den Hohlraum 19 strömt das Kühlmittel ausgehend von einer Eingangsöffnung 11a in Richtung einer Ausgangsöffnung 11a. Als Kühlmittel werden oftmals Mischungen von Wasser und Frostschutzmitteln verwendet. Andere Kühlmittel sind aber auch denkbar. Zum besseren Führen des Kühlmittels bzw. Kühlmediums sind zweite Strukturen auf der Innenseite der Separatorplatte 2 vorhanden. Diese sind in 2 nicht ersichtlich, da sie beispielsweise auf der dem Betrachter abgewandten Oberfläche der Separatorteilplatte 2a verlaufen, sie liegen damit den oben genannten ersten Strukturen 14 auf der anderen Oberfläche der Separatorteilplatte 2a gegenüber. Im aktiven Bereich 18 führen die zweiten Strukturen 15 das Kühlmedium entlang der Innenseite der Separatorplatte in Richtung der Ausgangsöffnung 11a. Die zweiten Strukturen umfassen typischerweise Kanalstrukturen zum Führen des Kühlfluids, die eine Längsströmungsrichtung des Kühlmediums definieren.
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Die erfindungsgemäße Separatorplatte weist zwei metallische Lagen auf, die unmittelbar benachbarten Separatorteilplatten 2a und 2b verschiedener Separatorplatten in 1 und 2 entsprechen. Gemeinsam trennen diese beiden metallischen Lagen als Separatorplatte zwei elektrochemisch aktive Bereiche voneinander.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Randbereichen um Durchgangsöffnungen oder an Außenrändern von Separatorplatten dargestellt. Dabei ist es für die technische Erläuterung unerheblich, ob es sich um einen Randbereich von Durchgangsöffnungen oder einen Außenrandbereich handelt.
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Es werden daher die einzelnen metallischen Lagen mit den Bezugszeichen 20a, 20b, 20c und 20d bezeichnet, wobei 20a und 20b eine erfindungsgemäße Separatorplatte bilden und 20c und 20d eine erfindungsgemäße Separatorplatte bilden. Dichtsicken werden mit den Bezugszeichen 21a, 21b, 21c und 21d bezeichnet, die erfindungsgemäßen Halbsicken mit den Bezugszeichen 22a, 22b, 22c und 22d bezeichnet die Kanten am Umfangsrand oder Außenrand mit den Bezugszeichen 23a, 23b, 23c und 23d und die Kragen mit den Bezugszeichen 24a, 24b, 24c und 24d. Allgemein werden daher die metallischen Lagen in Ergänzung zu den Bezugszeichen 2a und 2b aus 2 mit dem Bezugszeichen 20, die Dichtsicken in Ergänzung zu den Bezugszeichen 12a-d aus 2 mit dem Bezugszeichen 21, die Halbsicken mit dem Bezugszeichen 22, die Kanten mit dem Bezugszeichen 23 und die Kragen mit dem Bezugszeichen 24.
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3 zeigt im Teilbild 3A einen unverpreßten Stapel aus zwei herkömmlichen Separatorplatten mit jeweils zwei metallischen Lagen 21a, 21b bzw. 21c, 21d, die durch eine elektrisch isolierende Trennmembran 10, beispielsweise eine MEA, voneinander getrennt und insbesondere voneinander elektrisch isoliert sind. Jede der Lagen weist eine Außenkante 23a, 23b, 23c bzw. 23d zu einer Öffnung 30 bzw. zu einem Außenraum 30 auf. Am Rand jeder dieser Lagen, der in der jeweiligen Kante endet, weist jede dieser Lagen eine zur Kante hin offene Halbsicke 22a, 22b, 22c bzw. 22d auf. Diese ermöglicht es trotz der üblicherweise geringen Blechstärke einen stabilen Rand vorzusehen.
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3B zeigt denselben Stapel aus 3A, nunmehr im verpressten Zustand. Durch die Verpressung biegen sich die Ränder der Lagen 20a, 20b, 20c und 20d auf, so daß die scharfen Kanten 23b und 23c auf die Trennschicht 10 drücken und diese perforieren können. Sobald sich die Lagen 20b und 20c berühren, ist die elektrische Isolation zwischen diesen Lagen aufgehoben und damit die elektrochemische Zelle funktionsuntüchtig.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ränder der metallischen Lagen 20a, 20b, 20c und 20d in einer Ansicht wie in 3A. Die Halbsicken 22a und 22b sind an ihren Rändern jeweils unter Ausbildung eines Kragens 24a, 24b zur jeweils benachbarten Lage abgewinkelt. Die Kragen 24a und 24b überlappen sich dabei in Betrachtung in der Lagenebene Ea, Eb der Lagen 20a und 20b oder der MEA 10. Dieser Versatz der beiden Kragen 24a und 24b gegeneinander im Querschnitt der Lagen 20a und 20b wird erzeugt, indem die Halbsicke 22a mit ihrem Sickenfuß näher an einer benachbarten Dichtsicke 21a als die Halbsicke 22b an einer benachbarten Dichtsicke 21b, die symetrisch zu der Dichtsicke 21a verläuft, angeordnet ist. Das Sickendach der Halbsicken 22a und 22b ist jedoch in radialer Richtung um den Außenraum 30 gleich lang.
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Der Kragen 24b, der sich in den Innenraum der Halbsicke 20a erstreckt und der radial von dem Bereich 30 weiter entfernt ist als der Kragen 24a ist im Beispiel der 4 breiter als der Kragen 24a. Bei Verpressung der beiden metallischen Lagen 20a und 20b gegeneinander können die Halbsicken 22a und 22b zwar wie in 3B gezeigt aufklaffen, der breite Kragen 24b verhindert jedoch, dass der Kragen 24a die MEA 10 berühren und beschädigen kann.
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Generell ist es vorteilhaft, wenn die Kragen 24a und 24b jeweils eine Breite aufweisen, die einen Überlapp ihrer freien Enden auch im verpressten Zustand, selbst bei aufklaffenden Halbsicken gewährleisten, um auch unter Verpressung einen hinreichenden Abstand des Kragens 24a von der MEA 10 zu gewährleisten. In Summe müssen die Kragen 24a und 24b dazu breiter sein als der Abstand der Sickendächer der Halbsicken 22a und 22b, vorzugsweise um mindestens 20% breiter sein. Weiterhin bewirken die Kragen 24a, 24b, ..., dass die Durchgangsöffnungen entlang ihres Verlaufs zumindest über weite Abschnitte definierte Außenwände aufweisen, die zu geringen Verwirbelungen und damit zu geringen Druckverlusten der in den Durchgangsöffnungen geführten Medien führen.
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Die Kragen 24a, 24b, 24c und 24d sind in 4 und in weiteren Figuren schematisch unter einem rechten Wickel βa, ... zum Sickendach der Halbsicken 22a, 22b, 22c und 22d dargestellt. Allerdings ist es auch möglich, dass die Winkel zwischen Sickendach und Kragen von 90° abweichen, sie können beispielsweise 70° ≤ β ≤ 130° oder 80° ≤ β ≤ 120° betragen, wobei Winkel > 90° produktionstechnisch bevorzugt sind. Hier sind die Winkel als Winkel zu den Berührebenen der Lagen 20a, 20b bzw. 20c und 20d eingezeichnet, diese verlaufen parallel zu den Lagenebenen Ea, Eb ..., die jeweils in den neutralen Fasern der unverformten Blechabschnitte verlaufen.
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Auch die Ränder der Lagen 20c und 20d sind in entsprechender Weise wie die Ränder der Lagen 20a und 20b ausgebildet.
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5 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen in 4. Der Versatz der Kragen 22a und 22b bzw. der Versatz der Kragen 22c und 22d wird in dieser Ausführungsform erzeugt, indem die Halbsicken 22a und 22c ein in radialer Richtung um den Außenraum längeres Sickendach aufweisen als die Halbsicken 22c bzw. 22d. Die Sickenschenkel der Halbsicken spannen mit der Lagenebene einen Winkel α zu der jeweiligen metallischen Lage von 60° auf, in anderen Ausführungsformen sind allerdings auch deutlich abweichende Winkel im Bereich von 20° ≤ α ≤ 80° möglich.
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6 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen in 5. Abweichend hiervon sind jedoch die Sickendächer der Halbsicken 22a und 22b sowie der Halbsicken 22c und 22d jeweils in radialer Richtung gleich lang. Der Versatz der Kragen 24a und 24b ist gegenüber der 5 vertauscht, der Kragen 24a verläuft innerhalb des durch die Halbsicke 22b und den Kragen 24b aufgespannten Raumes. Dieser Versatz wird erzeugt, indem wie in 4 die Sickenfüße der Halbsicken 22a und 22b gegeneinander versetzt sind.
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Weiterhin verlaufen die Kragen 24a und 24b nicht unter einem rechten Winkel gegen den benachbarten Sickendächer der Halbsicken 22a und 22b in der jeweils gleichen Lage 20a bzw. 20b, sondern unter einem eingeschlossenen Winkel zwischen Sickendach und Kragen, der größer 90° beträgt.
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Die vorangehenden drei Ausführungsbeispiele zeigen jeweils Halbsicken und Kragen mit scharfen Kanten, dies ist eine zeichnerische Vereinfachung. Real werden sämtliche Kanten verrundet bzw. mir einem Radius ausgeführt, der sich beim Umformen einstellt. Weiter sind die Ausführungsbeispiele sämtlich mit geradem bzw. ebenem Sickendach dargestellt, tatsächlich können auch im Querschnitt verrundete, kuppenförmige Sickendächer zum Einsatz kommen.
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7 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um eine Durchgangsöffnung 30 in geschnittener Schrägansicht.
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Zur besseren Übersicht wurde die MEA 10 unterhalb der Lage 20a bzw. Oberhalb der Lage 20b nicht eingezeichnet. Die Ausgestaltung der Ränder der Lagen 20a und 20b um die Öffnung 30 entspricht derjenigen in 5 Der Kragen 24b greift in den Raum ein, der von der Halbsicke 22a und dem Kragen 24a aufgespannt wird.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich derjenigen in 7. Im Unterschied hierzu weist der Kragen 24a längs des Umfangsrandes der Öffnung 30 in regelmäßigen Abschnitten Schlitze 25a, 25b, 25c etc. auf. Diese Schlitze kompensieren den Materialmangel, der sich beim Umbiegen des Randes der Lage 20a zum Kragen 24a ergibt. In gleicher Weise weist der Kragen 24b längs des Umfangsrandes der Öffnung 30 in regelmäßigen Abschnitten Schlitze 25d, 25e, 25f etc. auf, die den Materialüberschuß, der sich beim Umbiegen des Randes der Lage 20b zum Kragen 24b ergibt, kompensieren.
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9 zeigt eine Draufsicht auf eine Separatorplatte 2 ähnlich der aus 2. Allerdings weist die oben liegende Lage 2a sowohl an ihrem Außenrand 34 als auch teilweise um ihre Durchgangsöffnungen 11a-11c umlaufend Halbsicken 22 und Kragen 24 auf. Die Halbsicken 22 und Kragen 24 verlaufen dabei am Außenrand 34 nur abschnittsweise parallel zur Perimetersicke 12d. Die Durchgangsöffnungen 11a-11c weisen jeweils erste Abschnitte 33a-33c auf, in denen die Dichtsicken 12a-12c Durchführungen 13a-13c aufweisen. Die ersten Abschnitte 33a-33c erstrecken sich dabei jeweils im Uhrzeigersinn von der Durchführung mit ungestrichenem Bezugszeichen, d.h. 13a, 13b, 13c zur Durchführung mit gestrichenem Bezugszeichen, d.h. 13a, 13b, 13c. In diesen ersten Abschnitten sind jeweils keine Kragen 24 angeordnet. Die Kragen 24 sind also nur benachbart zu den ersten Abschnitten 33a-33c ausgebildet. Zugunsten der Übersichtlichkeit wurden die Kragen 24 und Halbsicken 22 nur in den Durchgangsöffnungen 11c mit eigenen Bezugszeichen versehen. 9 zeigt eine Separatorplatte 2, bei der sowohl am Außenrand 34 als auch an den Durchgangsöffnungen 11a-11c Halbsicken 22 und Kragen 24 ausgebildet sind. Die Kombination aus Halbsicken22 und Kragen 24 kann jedoch auch nur am Außenrand 34 oder nur an mindestens einer, mehreren oder allen Durchgangsöffnungen 11a-11c ausgebildet sein.
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10A bis 10C zeigen jeweils Ausschnitte aus Abwicklungen der Draufsichten auf die Kragen erfindungsgemäßer Separatorplatte, die Blickrichtung ist dabei aus der Mitte einer Durchgangsöffnung auf deren Umfangsrand gerichtet bzw. von Außen im Wesentlichen senkrecht auf eine Außenumfangsrand einer Separatorplatte. 10A zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kragen umlaufend konstante Breite aufweisen, wobei der Kragen 24a der oberen Lage mit dem Kragen der unteren 24b einen umlaufend konstant breiten Überlappungsbereich 26 aufweisen. 10B zeigt hingegen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kragen umlaufend sich ändernde Breite aufweisen, so dass der Kragen 24a der oberen Lage mit dem Kragen der unteren 24b einen umlaufenden Überlappungsbereich 26 ausbildet, dessen Breite in Umlaufrichtung jedoch variiert.
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10C zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Enden der Kragen 24a, 24b der ersten und der zweiten metallischen Lage in senkrechter Richtung zur Lagenebene der ersten bzw. zweiten Lage versetzt zueinander angeordnet sind. Auch wenn hier kein unmittelbarer Überlappungsbereich ausgebildet ist, wird, da die Sickendächer der Halbsicken 22a, 22b jeweils einen Anschlag bilden können und da die Kragen 24a, 24b eine beträchtliche Breite 27a, 27b aufweisen, eine Beeinträchtigung der an die Separatorplatten im verbauten Zustand angrenzenden MEA vermieden.
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Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung und den vorhergehenden Beispielen ist, dass die Kragen (z.B. 24a, 24b, 24c und 24d) längs des Umfangsrandes der Durchgangsöffnung oder des Außenrandes der jeweiligen metallischen Lage lediglich abschnittsweise angeordnet sein müssen. Auch die Überlappung benachbarter, zueinander gerichteter Kragen benachbarter Lagen kann lediglich abschnittsweise erfolgen.
