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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, wie sie in elektrochemischen Systemen zur Umwandlung chemischer in elektrische Energie und elektrischer Energie in chemische Energie eingesetzt werden, sowie eine Brennstoffzelle mit einer oder mehreren derartigen Bipolarplatten.
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Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Derartige Bipolarplatten weisen typischerweise zwei einzelne Separatorplatten, eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte auf, die aufeinandergelegt zusammengefügt sind. Das Zusammenfügen erfolgt üblicherweise stoffschlüssig, insbesondere durch eine Schweißverbindung.
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Derartige Bipolarplatten weisen zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte Hohlräume auf, in denen ein Kühlmittel zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte hindurchgeführt werden kann. Das Kühlmittel kann nicht nur zum Kühlen als Hauptaufgabe sondern auch ganz allgemein zum Temperieren der Bipolarplatten dienen, beispielsweise auch zum Erwärmen der Bipolarplatte bei einer sehr niedrigen Umgebungstemperatur.
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Hierzu wird über eine Durchgangsöffnung (Port) Kühlmittel in diesen Zwischenraum geführt und dort über eine Verteilerstruktur in den Fließbereich geleitet, der einen Großteil der Fläche zwischen den beiden Platten (Anodenplatte und Kathodenplatte) einnimmt. Der Fließbereich ist so gestaltet, dass in ihm die Anodenplatteund die Kathodenplatte in denjenigen Bereichen temperiert werden, in denen auf der Außenseite der Bipolarplatte die elektrochemische Reaktion stattfindet.
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Aus dem Fließbereich wird das Kühlmittel über Kanäle eines Sammelbereichs zu einer weiteren Durchgangsöffnung (Port) durch die Bipolarplatte geführt, über den das Kühlmittel aus dem Zwischenbereich zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte abgeführt wird.
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Verteilbereich, Fließbereich sowie Sammelbereich weisen Kanäle zur Führung des Kühlmittels auf. Zwischen dem Verteilbereich und dem Fließbereich sowie zwischen dem Fließbereich und dem Sammelbereich, d.h. in Übergangsbereichen, gehen die Kanäle des Verteilbereiches und des Fließbereiches bzw. des Fließbereiches und des Sammelbereiches ineinander über. Ein Teil der Kanäle wird dabei ineinander überführt, zusammengeführt und/oder zu weiteren Kanälen aufgetrennt.
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Derartige Kühlmittelkanäle sind durch Stege voneinander getrennt, so dass quer zur Fließrichtung des Kühlmittels eine Abfolge von Stegen und von den Stegen voneinander getrennten Nuten (Kanälen) entsteht. Wie bereits erwähnt, enden ein Teil der Kanäle und damit der Nuten und Stege an oder in den Übergangsbereichen. An den Enden der Kanäle, an denen der jeweilige Kanalboden (Nutboden) in die den Nuten benachbarte Ebene der jeweiligen Anoden- oder Kathodenplatte überführt wird, tritt eine starke Materialausdünnung der Nutenwände aufgrund des dort sehr starken Verzuges des Plattenmaterials beim Prägen der Nuten auf. Aufgrund des hohen Umformgrades können teilweise sogar Risse auftreten. Materialausdünnung sowie Risse führen zu einer geringeren Dauerhaltbarkeit der Separatorplatte und zu einem höheren Ausschuss bei der Herstellung von Separatorplatten.
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Durch den Prägeprozess ist an den Nutenden zudem das Material in zwei verschiedene Richtungen gekrümmt. Zum einen ist die Wandung der Nut im Querschnitt quer zur Längserstreckung der Nut gekrümmt und zum anderen auch in Richtung der Längserstreckung gekrümmt. Dies führt aufgrund des großen und über den gesamten Umfang des Nutendes konstanten Prägeradius am Ende der Nut zu einer sehr starken Umformung des Nutendes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bipolarplatte zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Dauerhaltbarkeit aufweist und in der Fertigung eine höhere Prozessstabilität und einen reduzierten Ausschuss aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Bipolarplatte zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben. Weiterhin wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzelle nach Anspruch 17 gelöst, die eine oder mehrere der erfindungsgemäßen Bipolarplatten aufweist.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist in herkömmlicher Weise zwei Separatorplatten, eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte, im Folgenden zusammenfassend auch „Platten“ genannt, auf. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte sind benachbart zueinander unter Ausbildung einer Kontaktfläche zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet. Vorteilhafterweise sind Anodenplatte und Kathodenplatte stoffschlüssig und abdichtend längs ihres Umfangsrandes miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt.
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Zwischen den beiden Platten sind Hohlräume ausgebildet, die beispielsweisezum Führen eines Kühlmittels (allgemeiner „Temperiermittels“) vorgesehen sind. Diese Hohlräume befinden sich in einem einem Einlassport benachbarten Verteilbereich, einem einem Auslassport benachbarten Sammelbereich und einem zwischen dem Verteilbereich und dem Sammelbereich angeordneten Fließbereich.
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Der Fließbereich jeder der Platten weist eine erste Schar von ersten Nuten auf, die sich zwischen dem Verteilbereich und dem Sammelbereich erstrecken und quer zu ihrer Längsrichtung benachbart zueinander und durch erste Stege voneinander getrennt angeordnet sind. Diese ersten Nuten in der Anodenplatte und in der Kathodenplatte bilden Fließkanäle für das Kühlmittel in dem Fließbereich. Sämtliche der Nuten sind dabei als Vertiefung gegenüber der Plattenebene bzw. der Kontaktfläche der Platte mit der benachbarten Platte ausgebildet.
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Sowohl der Verteilbereich als auch der Sammelbereich weisen jeweils eine zweite Schar von zweiten Nuten auf, die sich vom Fließbereich weg erstrecken und ebenfalls quer zur ihrer Längsrichtung benachbart zueinander angeordnet und durch zweite Stege voneinander getrennt sind. Auch diese Nuten bilden Kanäle zum Führen des Kühlmittels in diesen zweiten Nuten. Die ersten Nuten des Fließbereiches und die zweiten Nuten des Verteilbereiches und/oder die ersten Nuten des Fließbereiches und die zweiten Nuten des Sammelbereiches gehen in einem Übergangsbereich ineinander über. Eine einzelne zweite Nut kann im Übergangsbereich auch direkt in eine Nut des Fließbereiches übergehen.
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Erfindungsgemäß wird die oben angegebene Aufgabe nun insbesondere dadurch gelöst, dass zumindest eine der ersten Nuten und der zweiten Nuten ausgehend vom Fließbereich, Verteilbereich und/oder Sammelbereich in Richtung des benachbarten Übergangsbereiches oder im Übergangsbereich derart ausgebildet sind, dass der Nutboden in Richtung der Kontaktfläche ansteigt, so dass der Abstand des Nutbodens zur Kontaktfläche abnimmt.
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Dies hat den Effekt, dass bei einer am oder im Übergangsbereich endenden Nut am Ende der Nut in Richtung des Übergangsbereiches oder im Übergangsbereich der durch die Prägung zu überwindende Höhenunterschied zwischen Nutboden und Kontaktfläche verringert wird, so dass sich an dem Ende der Nut der Umformgrad zwischen Nutboden und Kontaktfläche reduziert im Vergleich zu herkömmlichen Kanalstrukturen der Separatorplatte. Hierdurch ergibt sich auch eine geringere Materialspannung. Auch wenn eine erste Nut des Fließbereiches in eine zweite Nut des Verteilbereiches oder des Sammelbereiches übergeht, kann erfindungsgemäß der Nutboden in Richtung des Übergangsbereiches oder im Übergangsbereich für die erste Nut und/oder die zweite Nut, die ineinander übergehen, in Richtung der Kontaktfläche ansteigen. Auch hierbei wird ein geringerer Umformgrad zwischen dem Nutboden und der Kontaktfläche in denjenigen Bereichen erreicht, in denen eine Nut in die andere Nut übergeht. Zudem können Differenzen in der Tiefe der ineinander gehenden ersten Nut und zweiten Nut ausgeglichen werden.
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Damit werden ein zu hoher Umformgrad und eine zu große Materialausdünnung am Ende einer Nut oder im Übergangsbereich von einer ersten Nut zu einer zweiten Nut vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bereich, in dem der Nutboden der jeweiligen Nut in Richtung der Kontaktfläche ansteigt, eine Mindestlänge L1 in Erstreckungsrichtung der Nut nicht unterschreitet, vorzugsweise der Anstieg des Nutbodens in Richtung der Kontaktfläche sich über mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 1,4 mm erstreckt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn diese Länge L1 größer ist als die Breite B der Nut, vorteilhafterweise größer als das 1,2-fache der Breite B der Nut. Die Breite B der Nut wird dabei auf halber Tiefe der Nut in einem Bereich bestimmt, in dem der Nutboden noch nicht in Richtung der Kontaktfläche ansteigt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn über eine Länge L2 der Anstieg des Nutbodens linear erfolgt, d. h. mit einem vorgegebenen Winkel α gegenüber der Ebene der Kontaktfläche. Vorteilhafterweise beträgt dieser Winkel α ≤ 10°, vorzugsweise ≤ 5°. In diesem Falle wird ein besonders materialschonendes Anheben des Nutbodens bewirkt, das andererseits ausreichend ist, um eine zu große Materialausdünnung durch zu hohe Umformgrade in dem Bereich des Anstiegs des Nutbodens in Richtung der Kontaktfläche bzw. nachfolgend nach diesem Anstieg zu vermeiden.
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Herkömmlicherweise sind die Enden der Nuten bei Kanälen, die am oder im Übergangsbereich enden, angefast und umlaufend konstant verrundet. Auch dies führt zu einem hohen Umformgrad und einer starken Materialausdünnung an dem jeweiligen Ende des Kanals.
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Dies kann vermieden oder verbessert werden, wenn im Bereich eines derartigen Nutendes/Kanalendes eine geeignete Ausbildung der Nutwand im Querschnitt quer zur Längsrichtung der Nut ausgebildet wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Nutboden in diesem Querschnitt in einem ersten Krümmungsbereich mit einem Radius R1 in die Nutwand übergeht, diese sich dann über einen Zwischenabschnitt, beispielsweise einen im Querschnitt geradlinigen Zwischenabschnitt, bis zu einem weiteren zweiten Krümmungsbereich erstreckt, in dem die Nutwand mit einem Radius R2 in die Kontaktfläche bzw. den benachbarten Steg übergeht. R1 beträgt dabei vorteilhafterweise 0,04 mm bis 0,24 mm und/oder R2 beträgt dabei 0,11 mm bis 0,33 mm. Diese Werte gelten insbesondere bei der Verwendung von metallischen Lagen mit einer Blechdicke zwischen 50 µm und 200 µm, insbesondere bei einer Blechdicke von 75 µm oder 85 µm. Insbesondere durch den groß gewählten Radius R2 im Übergang von der Nutwand zur Kontaktfläche (bzw. zum Dach des benachbarten Steges) wird eine Verringerung der Materialausdünnung in der Nutwand erzielt.
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Wesentlich bei sämtlichen dieser Beschreibungen ist, dass die jeweiligen Bema-ßungen und Radien den Radius der Separatorplatte auf der Innenseite der Nut angeben. Aufgrund der Materialdicke der jeweiligen Platte kann der Radius auf der bezüglich der Nut außenliegenden Außenseite der Separatorplatte andere Werte aufweisen. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Radius des zweiten Krümmungsabschnittes auf der Außenseite des zweiten Krümmungsabschnitt R1 beträgt. In gleicher Weise kann der erste Krümmungsbereich auf seiner Außenseite den Radius R2 aufweisen. Die beiden Krümmungsbereiche sind in diesem Falle vorteilhafterweise punktsymmetrisch zueinander ausgebildet.
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Sofern eine Nut in eine andere Nut übergeht, beispielsweise eine erste Nut in eine zweite Nut bzw. eine zweite Nut in eine erste Nut, so kann auch hier der Übergangsbereich zwischen diesen beiden Nuten durch eine geeignete Ausgestaltung von Nutwand und Nutboden in einem Querschnitt quer zur Längserstreckung der ersten und der zweiten Nut verbessert werden. Hierzu wird ein fünfter Krümmungsbereich ausgebildet, der einen Radius R1' aufweist, in dem der Nutboden in die Nutwand übergeht, sowie ein sechster Krümmungsbereich, in dem die Nutwand unter Ausbildung eines Radius R2' in die der Nut benachbarten Bereiche der Platte, d. h. die Kontaktfläche bzw. das Dach des benachbarten Steges, übergeht.
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Vorteilhafterweise beträgt der Radius R1' 0,225 mm bis 0,375 mm und/oder der Radius R2' 0,125 mm bis 0,215 mm, wobei die Radien wiederum auf der Innenseite der jeweiligen Nut bestimmt werden. Bei einer derartigen Wahl der Radien R1' und R2' wird der Umformgrad und die Materialausdünnung beim Übergang vom Nutboden zur Kontaktfläche in den Übergangsbereichen, in den eine Nut in eine andere Nut übergeht, verbessert bzw. reduziert.
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Auch hier kann wieder eine geeignete punktsymmetrische Ausbildung von fünftem und sechstem Krümmungsbereich vorgesehen werden, so dass der fünfte und sechste Krümmungsbereich jeweils auf ihrer Außenseite den Radius R2' bzw. Radius R1' aufweisen.
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Wenn eine der Nuten des Fließbereiches und/oder des Verteilbereiches und/oder des Sammelbereiches am oder im Übergangsbereich endet, so kann das Ende des Übergangsbereiches vorteilhafterweise derart ausgestaltet werden, dass im Übergang vom Nutboden zur Kontaktfläche der Querschnitt durch die Nut, bestimmt längs der Längserstreckung der Nut und auf der Innenseite der Nut gemessen, einen dritten Krümmungsbereich mit einem Radius R3 aufweisen, in dem der Nutboden in die Nutwand übergeht. Geeignete Werte, die zu einer verbesserten Materialausdünnung und Umformgrad in diesem Bereich beitragen, sind 0,31 mm ≤ R3 ≤ 1,5 mm, insbesondere ein Radius R3 mit 0,525 mm ± 0,0525 mm.
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Zuletzt umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Brennstoffzelle mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Bipolarplatten.
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Im Folgenden werden nun einige Beispiele erfindungsgemäßer Bipolarplatten bzw. von Elementen hiervon gegeben. Dabei bezeichnen durchgängig in sämtlichen Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente, so dass deren Beschreibung gegebenenfalls nicht wiederholt wird.
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Es zeigen
- 1 eine Brennstoffzelle;
- 2 eine Bipolarplatte;
- 3 eine Aufsicht auf eine Separatorplatte;
- 4 eine Aufsicht auf eine herkömmliche Separatorplatte von der Außenseite der Kathodenplatte her gesehen auf einen Ausschnitt um einen Übergangsbereich zwischen einem Verteilbereich und einem Fließbereich;
- 5 einen Ausschnitt aus der Kathodenplatte in 4;
- 6 bis 10 verschiedene Ansichten und Querschnitte durch Kanalenden erfindungsgemäßer Separatorplatten.
- 11 eine Aufsicht auf einen Übergangsbereich zwischen einem Verteilbereich oder Sammelbereich und einem Fließbereich einer erfindungsgemäßen Separatorplatte.
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Hier wie im Folgenden werden zur einfachen Darstellung durchgängig Darstellungen gewählt, die auf die Außenseite einer Separatorplatte einer Bipolarplatte blicken. Folglich sind in positiver Weise jeweils Stege und Nuten dargestellt, die beispielsweise Gase leiten können. Die Erfindung betrifft jedoch die Ausgestaltung von Stegen und Nuten in Sicht auf die Kühlmittelführungsseite der Separatorplatte, d. h. von hinten auf die Zeichnungsebene. Stege in der Zeichnungsebene auf der dargestellten Seite bilden dort Nuten aus, während Nuten auf der dargestellten Seite in Sicht von der anderen Seite Stege ausbilden. Die Kanäle für Gase, die beispielsweise in 3 dargestellt sind, sind folglich komplementär zu den hier interessierenden Kanälen für das Kühlmittel.
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1 zeigt eine Brennstoffzelle 50 mit einer ersten Endplatte 51a und einer zweiten Endplatte 51b. Die beiden Endplatten 51a und 51b schließen zwischen sich eine Vielzahl von Bipolarplatten 1 ein. Diese Bipolarplatten 1 werden mittels eines Zuflusses 52a mit Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff), mittels eines Zuflusses 52b mit Kühlmittel und mittels eines Zuflusses 52c mit einem Oxidans (beispielsweise Sauerstoff oder Luft) versorgt. Der Abfluss 52d dient der Ausleitung von unverbrauchtem Brennstoff und Reaktionsprodukten, der Abfluss 52e dient der Ausleitung von Kühlmittel und der Auslauf 52f dient der Ausleitung von unverbrauchtem Oxidans.
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2 zeigt eine Abfolge von zwei Bipolarplatten 1a und 1b, die eine ionenleitende Polymermembran (MEA) 8 zwischen sich einschließen. Jede der Bipolarplatten 1a und 1b besteht aus einer Anodenplatte 10 und einer auf deren Rückseite angeordneten, in 2 von der Anodenplatte verdeckte Kathodenplatte 20. Die Kathodenplatte 20, die in 2 nicht zu erkennen ist, ist mit der Anodenplatte 10, die zu ihr benachbart ist, verschweißt, wodurch zwischen den beiden Platten, Anodenplatte 10 und Kathodenplatte 20, ein abgedichteter Fließbereich für Kühlmittel (allgemeiner: Temperiermittel) hergestellt wird. Die Bipolarplatten 1a und 1b weisen jeweils Durchgangsöffnungen 53a bis 53f auf, sog. „Ports“, die der Zufuhr von Brennstoff (Port 53a), der Ableitung von unverbrauchtem Brennstoff und Reaktionsprodukten (Port 53d), der Zuleitung von Kühlmittel (Port 53b), der Ableitung von Kühlmittel (Port 53e) sowie der Zuleitung von Oxidationsmittel (Port 53c) oder der Ableitung von unverbrauchtem Oxidationsmittel (Port 53f) dienen. Die Ports 53a bis 53f entsprechen und sind fluidisch mit den Anschlüssen 52a bis 52f jeweils in einem 1:1-Verbindungsverhältnis verbunden.
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3 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer Außenseite einer Separatorplatte, beispielsweise einer Anodenplatte 10, der Bipolarplatte 1a. In 3 sowie ist eine Ansicht auf die Außenseite der Separatorplatte 10 dargestellt. In den 4, 5, 6 und 11 ist jeweils die Ansicht auf die Außenseite der Kathodenplatte 20 dargestellt. Die erfindungsgemäßen Kanäle für das Kühlmittel sind in allen Figuren jeweils auf der dem Betrachter der Figuren abgewandten Seite der Separatorplatte angeordnet. Da sämtliche der gezeigten Separatorplatten aus flachen Blechen durch einen Präge- und Stanzvorgang hergestellt werden, entsprechen in diesen Figuren zu betrachtende Stege Nuten oder Kanälen und die in diesen Figuren zu betrachtenden Nuten Stegen auf der dem Betrachter abgewandten Oberfläche der Separatorplatte und werden auch im Folgenden so bezeichnet.
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3 zeigt eine Separatorplatte mit einem Port 53a für die Zuleitung von Brennstoff, einem Port 53b für die Zuleitung von Kühlmittel und einem Port 53c für die Zuleitung von Oxidationsmittel. Ausgehend von dem Port 53a strömt der Brennstoff entlang eines Verteilbereiches 3, eines Fließbereiches 5 und eines nicht dargestellten Sammelbereiches zum ebenfalls nicht dargestellten Auslaßport für unverbrauchten Brennstoff und Reaktionsprodukte. Verteilbereich 3, Fließbereich 5 und Sammelbereich 4 weisen auf der dem Betrachter zugewandten Oberfläche der Separatorplatte, hier Anodenplatte 10, Kanalstrukturen auf. Diese Kanalstrukturen sind durch geprägte Nuten und Stege ausgebildet, so dass auch auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Anodenplatte 10 entsprechend komplementäre Kanalstrukturen vorhanden sind.
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Die Kanäle des Verteilbereiches 3 gehen in einem Übergangsbereich 6 in die Kanäle des Fließbereiches 5 über. Die Kanäle des Fließbereiches 5 gehen in einem nicht dargestellten Übergangsbereich in die Kanäle des Sammelbereiches über. Entsprechende komplementäre Strukturen stehen, wie bereits oben erwähnt, auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Separatorplatte 10 dem Kühlmittel zur Verfügung.
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Die Separatorplatte 10 kann beispielsweise auch eine Kathodenplatte sein.
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Im Falle einer Anodenplatte als Separatorplatte 10 kann dann das Kühlmittel, das über den Port 53b zugeführt und in den Zwischenbereich zwischen Anodenplatte 10 und nicht dargestellter Kathodenplatte gebracht wird, entlang der auf der dem Betrachter abgewandten Seite angeordneten Kanalstrukturen der Separatorplatte und Kanalstrukturen der Kathodenplatte vom Port 53b über den Verteilbereich 3 zum Fließbereich 5 strömen und von dort über den Sammelbereich zum Auslassport strömen, von wo das Kühlmittel aus der Brennstoffzelle über einen Anschluss (beispielsweise Stutzen 52e in 1) ausgeleitet werden kann.
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4 zeigt einen Ausschnitt eines Übergangsbereichs 6 zwischen einem Verteilbereich 3 und einem Fließbereich 5 in Aufsicht auf die Außenseite einer herkömmlichen Separatorplatte, hier jetzt eine Kathodenplatte 20. Grundsätzlich kann jedoch eine Anodenplatte bezüglich der vorliegenden Erfindung gleich ausgestaltet sein wie die hier dargestellte Kathodenplatte. Auf eine Darstellung und Beschreibung einer Anodenplatte wird hier daher verzichtet.
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Die in 4 gezeigten Stege bilden aus Sicht der Kühlmittelseite der Separatorplatte 20 Nuten und sind im Folgenden auch als solche bezeichnet. Die in 4 dargestellten Vertiefungen zwischen den Stegen (Nuten) bilden in Aufsicht auf die Kühlmittelströmungsseite der Separatorplatte 20 Stege zwischen den Kanalnuten für das Kühlmittel. Sie sind im Folgenden aus Sicht des Kühlmittels bezeichnet und beschrieben. Der Betrachter muss sich folglich in 4 und auch in den folgenden Figuren in die Ansicht jeweils von der Rückseite der Zeichnungsebene hineinversetzen.
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Der Fließbereich 5 weist eine Vielzahl von Nuten 12a, 12b etc. als erste Nuten zur Führung des Kühlmittels auf. Diese sind durch Stege 13a, 13b etc. voneinander getrennt. Der Verteilbereich 3 weist eine Vielzahl von Nuten 14a, 14b etc. als zweite Nuten zur Führung des Kühlmittels auf. Diese Nuten 14a, 14b etc. sind durch Stege 15a, 15b etc. voneinander getrennt. In der in 4 dargestellten Aufsicht auf die Außenseite der Separatorplatte 20 erscheinen die Nuten 12a, 12b, 14a, 14b etc. zur Führung des Kühlmittels als Erhöhungen und die zwischen den Nuten liegenden Stege 13a, 13b, 15a, 15b etc. als Vertiefung. Diese Nuten 12a, 12b, 14a, 14b etc weisen Nutenböden 16a, 16b, 16a', 16b' etc. auf, die über Nutwände 19a, 19b, 19a', 19b' etc. in die Ebene, in der die Kathodenplatte 20 flächig eine benachbarte Anodenplatte 10 kontaktiert, übergeht. Diese Kontaktfläche ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.
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In 4 gehen zwei der Nuten 14a, 14b des Verteilbereiches 3 unmittelbar in zwei Nuten 12c, 12f des Fließbereiches 5 über. Die Nuten 12a, 12b, 12d, 12e sowie 12g des Fließbereiches 5 enden im Übergangsbereich 6 zwischen dem Fließbereich 5 und dem Verteilbereich 3.
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Typischerweise sind die Nuten 14a, 14b eines Verteilbereiches 3 tiefer als die Nuten 12a, 12b etc. eines Fließbereiches, da die eingelegte Membranelektrodeneinheit mit Gasdiffusionslage im Fließbereich eine höhere Dicke aufweist.
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Problematisch ist hier nun, dass sowohl die Enden der Nuten 12a, 12b, 12d, 12e, 12g etc. in den Nutwänden 19a, 19b etc. eine sehr starke Materialausdünnung aufgrund des Prägeprozesses und der dort befindlichen großen Höhendifferenz erfahren, als auch die Übergänge zwischen den tieferen Nuten 14a, 14b etc. in die weniger tiefen Nuten 12c, 12f des Fließbereiches 5 aufgrund der Materialausdünnung rissanfällig sind.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ende einer Nut 12, wie sie in 4 als Nuten 12a, 12b etc. dargestellt sind. Auch im Verteilbereich können die Nuten an ihren Enden in einer der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Form, insbesonder in der in 5 dargestellten Form, ausgebildet sein, sowohl an den dem Fließbereich 5 zugewandten Enden als auch an den den jeweiligen Durchgangsöffnungen 53a bis 53f zugewandten Enden. Die in 5 dargestellte Nut weist im Querschnitt zu ihrer Längserstreckung einen gekrümmten Bereich 30, einen linear verlaufenden Bereich 32 und einen weiteren in entgegengesetzter Richtung gekrümmten Bereich 31 auf, mit dem der Nutboden 16 in die Ebene der Kontaktfläche 7 mit der benachbarten Anodenplatte überführt wird. Am Ende der Nut 12 ist ebenfalls ein gekrümmter Bereich 35, ein weiterer Zwischenbereich 36 und ein in entgegengesetzter Richtung gekrümmter Bereich 37 vorgesehen.
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Nachteilig ist bei dem in 4 und in 5 dargestellten Stand der Technik, dass der Nutboden 16 in einer Ebene bis zum Ende der Nut 12 verläuft, so dass in diesem Bereich eine sehr starke Umformung der Separatorplatte 20 beim Prägen der Nut 12 erfolgt. Dieser hohe Umformgrad resultiert in starken Materialausdünnungen in der Nutwand 19 der Nut 12, was bis hin zur Rissbildung gehen kann. Dies beeinträchtigt die Dauerhaltbarkeit sowie die Prozessstabilität bei der Herstellung der Separatorplatte 20. Weiterhin führt dies zu einem hohen Anteil an Ausschuss bei der Herstellung der Separatorplatte 20.
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6 bis 10 zeigen ein erfindungsgemäßes Beispiel eines Nutendes 17 einer Nut 12 des Fließbereiches 5 (jedoch in Aufsicht auf die Außenseite der Separatorplatte 20). Dieses Ende 17 der Nut 12 ist besonders gestaltet bezüglich der Radien im Querschnitt quer zur Längserstreckung des Nutbodens 16 als auch bezüglich der Ausgestaltung des Nutendes im Übergang vom Nutboden 16 zu der die Kontaktfläche 7 ausbildenden Stege 13a, 13b der Separatorplatte 20. In Aufsicht auf das Ende 17 der Nut 12 ist, wie in 7 dargestellt, ausgehend von dem Nutboden 16 die Nutwand 19a bzw. 19b zu beiden Seiten des Nutbodens 16 derart ausgestaltet, dass ausgehend vom Nutboden 16 ein Bereich 30 mit einer ersten Krümmung R1, gefolgt von einem Übergangsbereich 32 und einem weiteren Krümmungsbereich 31 mit einem Radius R2 in die benachbarten Bereiche der Nut 12, die sich aus Sicht der Nut 12 als Stege 13a, 13b darstellen, übergeht. In 7 beträgt der Radius R1 0,2 mm. Der Radius R2 im vorliegenden Beispiel beträgt 0, 305 mm.
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Auch im in 8 dargestellten Querschnitt in Längsrichtung des Nutbodens 16 längs der Linie A-A in 7 weist das Ende der Nut 12 einen ersten Krümmungsbereich 35 auf, der in einen geraden Abschnitt 36 übergeht. Dieser gerade Abschnitt 36 geht über einen weiteren Krümmungsbereich 37 in die benachbarte Ebene der Separatorplatte 20 über, die zugleich die Kontaktfläche 7 zur benachbarten Anodenplatte ausbildet. Der Radius R3 des gekrümmten Abschnittes 35, in dem die Nutwand 19 vom Nutboden 16 in den geraden Übergangsabschnitt 36 übergeht, beträgt im vorliegenden Beispiel 0,6 mm außen. Der Radius R3 beträgt in einem weiteren bevorzugten Beispiel 0,25 mm, wenn beispielsweise das Nutende einer Nut aus dem Fließbereich betrachtet wird. Toleranzen sind bis zu 10 % der jeweiligen angegebenen Werte möglich.
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Der Bereich 36 verläuft dabei vorteilhafterweise zur Ebene der Kontaktfläche 7 bzw. zur Ebene des Nutbodens 16 unter einem Winkel von 28,9°.
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9 zeigt eine seitliche Aufsicht, die dem Schnitt in 8 entspricht. Zusätzlich sind die Krümmungsabschnitte 30, 31 und der zwischen diesen befindliche Übergangsabschnitt 32 dargestellt. Der gekrümmte Abschnitt 30, der einen Radius R1 aufweist, erstreckt sich ausgehend vom abgerundeten Ende der Nut 12 bis in den Bereich, in dem er parallel und seitlich benachbart zum Nutboden 16 verläuft. Durch Verwendung eines größeren Radius' R3 bzw. R1 können die Radien weit in die Flanken 37 bzw. 32 hineinragen, wodurch insgesamt am Ende der Nut 16 der Übergang vom Nutboden 16 zu den benachbarten Stegen 13 geringer verformt werden muss.
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10 zeigt einen Querschnitt längs der Linie B-B in 7 durch die Nut 12. Der Nutboden 16 geht über gekrümmte Bereiche 30, lineare Bereiche 32 und gekrümmte Bereiche 31 beidseits zum Nutboden 16 in die Stege 13a, 13b über. In vorteilhaften weiteren Ausführungsformen werden die Radien R1 und R2 der Bereiche 30 und 31 so gewählt, dass der Innenradius des Bereiches 30 R1 ist und der Außenradius des Bereiches 30 R2 ist. Im Bereich 31 können die Radien entsprechend vertauscht sein, so dass der Innenradius des Bereiches 31 R2 beträgt und der Außenradius des Bereichs 31 R1 beträgt.
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11 zeigt einen Ausschnitt aus 4. Die Nut 12c des Fließbereiches 5 geht mit ihrem Ende 17c in das Ende 18a' der Nut 14a über. In diesem Übergangsbereich wird der Nutboden 16a' der Nut 14a ausgehend vom Verteilbereich 3 in Richtung des Fließbereiches 5 im Übergangsbereich 6 angehoben, so dass der Abstand zwischen den Stegen 13b, 13c und dem Nutboden 16a' der Nut 14a in Richtung der Nut 12c, verringert wird. Dadurch wird zugleich der Höhenunterschied zwischen dem Nutboden 16a' und dem Nutboden 16c der Nut 12c verringert. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Anhebung des Nutbodens 16a', wenn dieser über eine längere Strecke, vorteilhafterweise über mindestens 1 mm erfolgt. Weiterhin kann die Nut 14a im Übergangsbereich derart ausgestaltet sein, dass der Nutboden 16a' in die benachbarten Stege 13b, 13c durch eine Abfolge von einem Krümmungsbereich 38 mit einem Radius R1', einem Zwischenbereich und einem Krümmungsbereich 39 mit einem Radius R2' erfolgt. R1' und R2' betragen im vorliegenden Beispiel 0,165 mm bzw. 0,275 mm.
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In ähnlicher Weise wie der Nutboden 16a' vom Verteilbereich 4 im Übergangsbereich 6 zum Fließbereich 5 angehoben wird, wird der Nutboden der Nuten 12a, 12b und 12d, die im Übergangsbereich 6 enden, ausgehend vom Fließbereich 5, zu ihrem Ende 17a, 17b und 17d im Übergangsbereich 6 hin, angehoben. Hierdurch verringert sich der zu überwindende Höhenunterschied am Ende der Nutböden 16a, 16b, 16d zu der benachbarten Ebene der Separatorplatte 20, die die Kontaktfläche 7 zur Anodenplatte ausbildet. Durch eine derartige Anhebung über eine längere Strecke kann ebenfalls der Verzug der Nutwände der Nuten 12a, 12b und 12d an deren Enden 17a, 17b und 17d verringert werden.
