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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, eine Bipolarplatte mit zwei derartigen Separatorplatten, eine elektrochemische Zelle, sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von derartigen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie oder um einen Elektrolyseur handeln.
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Bekannte elektrochemische Systeme weisen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen auf, zu denen in jeder Richtung der Stapelerstreckung jeweils eine Hälfte einer Bipolarplatte zählt, die die Zellen nach außen hin abschließt. Solche Bipolarplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten einzelnen Separatorplatten gebildet. Die Separatorplatten der Bipolarplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
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Die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Bipolarplatten abgeschlossenen elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Bipolarplatte aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten der Bipolarplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
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Ferner weisen die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine oder mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Bipolarplatten des Stapels abgeschlossenen elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten der Bipolarplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden. Die Durchgangsöffnungen sind in der Regel fluchtend zueinander angeordnet und bilden Fluidleitungen, welche sich in Stapelrichtung, also senkrecht zu den Plattenebenen der jeweiligen Separatorplatten bzw. Bipolarplatten, erstrecken.
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Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
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Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektrodeneinheit erfolgt üblicherweise außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs und umfasst üblicherweise sowohl mindestens eine um die Durchgangsöffnung angeordnete Portabdichtung sowie eine Außenabdichtung, welche als Sickenanordnungen ausgebildet sein können. Zumindest die Portabdichtungen, in einigen Fällen auch die Außenabdichtung, auch als Perimeterabdichtung bezeichnet, sollen oft jedoch eine gezielte lokale Passage von Medien von der Durchgangsöffnung zum bzw. vom elektrochemisch aktiven Bereich ermöglichen. Hierzu können Sickenanordnungen Durchführungen aufweisen, die entweder als Öffnungen oder als Anhebungen ihrer Flanken ausgeführt sein können.
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Um eine gute Effizienz des elektrochemischen Systems zu gewährleisten, ist es normalerweise vorteilhaft, die Fläche des elektrochemisch aktiven Bereichs der Separatorplatte bzw. der Bipolarplatte möglichst groß auszulegen und den Anteil der Fläche anderer Strukturen wie der Durchgangsöffnungen möglichst gering zu halten. Um die Fläche der Separatorplatte möglichst effizient zu benutzen, können zum Beispiel statt kreisrunder Durchgangsöffnungen andersgeformte wie vieleckige, insbesondere rechteckige, Durchgangsöffnungen vorgesehen werden. Die zugehörige um die Durchgangsöffnung laufende Portabdichtung hat dann üblicherweise eine entsprechende vieleckige bzw. rechteckige Form.
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Sickenanordnungen weisen üblicherweise ein Sickendach und zwei, jeweils zu diesem Sickendach benachbart angeordnete Sickenschenkel oder Sickenflanken sowie Sickenfüße auf. Das Dach kann dabei einen flachen Abschnitt aufweisen oder aber im Querschnitt überwiegend gewölbt sein. Allgemein ergeben sich durch unterschiedliche Verlaufsformen, beispielsweise gerade oder gekrümmte Abschnitte, der Sickenanordnung unterschiedliche Sickensteifigkeiten in Abschnitten unterschiedlicher Verlaufsform. Weiter kann eine Sickensteifigkeit einer Sickenanordnung bedingt durch eine Form und einen Verlauf von benachbarten Elementen, beispielsweise einen an die Sickenanordnung angrenzenden Rand oder aber auch einer abschnittsweise an die Sickenanordnung angrenzende bzw. zu dieser benachbart verlaufende Sickenanordnung, entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Sickenanordnung nicht konstant sein. Durch die vorgenannten Einflussfaktoren kann die Elastizität der Sickenanordnungen lokal zu- oder abnehmen, was wiederum einen negativen Einfluss auf die eigentliche Verpressung der jeweiligen Sickenanordnung in ihren verschiedenen Abschnitten haben kann. Hierbei besteht das Risiko, dass Medien in Bereichen geringerer Verpressung unbeabsichtigt durch die Sickenanordnung hindurch strömen bzw. dass Betriebsmedien in den Innenraum der Bipolarplatte hinein fließen und Kühlmittel in den Außenraum der Bipolarplatte gelangen. Die betreffenden Medien gehen dabei einerseits für den Betrieb des elektrochemischen Systems verloren und können gegebenenfalls unkontrollierte Reaktionen auslösen, die das System beschädigen können. Andererseits besteht das Risiko, dass Kühlmittel in den Bereich der Betriebsmedien gelangt und dort beispielsweise die MEA beschädigt.
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Aufgrund der großen Anzahl an Bipolarplatten bzw. Einzelplatten in einem Stapel kann ein geringer Unterschied in der Verpressung und Rückfederung der Sickenanordnung entlang ihres Verlaufs in einer einzigen Bipolarplatte bzw. in einer einzigen Separatorplatte zu einer relativ großen Differenz in der Rückfederung der in Serie geschalteten Sickenanordnungen führen, so dass sich geringe Unterschiede bei den einzelnen Separatorplatten signifikant auf die Dichtigkeit des gesamten Stapels auswirken.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Separatorplatte bzw. eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die eine verbesserte Dichtigkeit bzw. einen möglichst effizienten Betrieb des elektrochemischen Systems gewährleistet. Außerdem sollen eine elektrochemische Zelle und ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten bzw. Zellen angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Separatorplatte, die Bipolarplatte, die elektrochemische Zelle und das elektrochemische System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche sowie Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Die Separatorplatte weist mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchführen eines Fluids mit einer die Durchgangsöffnung begrenzenden Kante auf. Außerdem weist die Separatorplatte mindestens eine Sickenanordnung, insbesondere eine Portsicke, auf, die beabstandet zur Kante zumindest abschnittsweise um die Durchgangsöffnung verläuft und nach oben aus einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene herausragt. Zwischen der mindestens einen Sickenanordnung und der Kante ist ein Randabschnitt aufgespannt. Der Randabschnitt weist von der Kante ausgehende und abschnittsweise entlang eines Kantenverlaufs im Wechsel aufeinander folgende Vertiefungen und Erhebungen auf. Dabei ragt jede Vertiefung in die entgegengesetzte Richtung wie die mindestens eine Sickenanordnung, bei Annahme eines nach oben weisenden Sickendachs also nach unten, aus der Plattenebene heraus und jede Erhebung ragt nach in dieselbe Richtung wie die mindestens eine Sickenanordnung, bei Annahme eines nach oben weisenden Sickendachs also nach oben, aus der Plattenebene heraus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchführen eines Fluids, sowie eine die Durchgangsöffnung begrenzende Kante auf. Die Kante weist dabei in einem Eckbereich der Durchgangsöffnung einen gekrümmten Abschnitt auf. Weiter weist die Separatorplatte mindestens eine Sickenanordnung auf, beispielsweise eine Portsicke oder eine Perimetersicke, die beabstandet zur Kante zumindest abschnittsweise um die Durchgangsöffnung verläuft und nach oben aus einer durch die Separatorplatte definierten Plattenebene herausragt. Die Separatorplatte weist zumindest eine zur mindestens einen Sickenanordnung beabstandete Entlastungssicke zum Entlasten der mindestens einen Sickenanordnung in einem verpressten Zustand der Separatorplatte auf. Die Entlastungssicke grenzt an den gekrümmten Abschnitt der Kante an oder ist außerhalb eines zwischen der mindestens einen Sickenanordnung, insbesondere der Portsicke, und dem gekrümmten Abschnitt der Kante aufgespannten Randabschnitts angeordnet, sodass die mindestens eine Sickenanordnung zwischen der Entlastungssicke und dem gekrümmten Randabschnitt verläuft.
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Die Entlastungssicke kann nach oben aus der Plattenebene herausragen. Die Entlastungssicke kann innerhalb einer durch die mindestens eine Sickenanordnung, beispielsweise durch die Portsicke, umschlossenen Fläche angeordnet sein, und dort an den gekrümmten Abschnitt der Kante angrenzen bzw. von der Kante ausgehen, oder außerhalb einer durch die Sickenanordnung, insbesondere durch die Portsicke, umschlossenen Fläche oder beispielsweise außerhalb einer von der Perimetersicke durchzogenen Fläche angeordnet sein, sodass die mindestens eine Sickenanordnung zwischen der Entlastungssicke und der Kante verläuft. Damit die Entlastungssicke wirksam zur Entlastung der mindestens einen Sickenanordnung beiträgt, kann ein minimaler Abstand von der Entlastungssicke bis zur mindestens einen Sickenanordnung in der Regel höchstens 1,2 mm, insbesondere höchstens 0,8 mm sein. Der minimale Abstand kann weiter wenigstens 0,5 mm, insbesondere wenigstens 0,2 mm betragen.
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Die genannten Erhebungen, Vertiefungen und Entlastungssicken können die Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit der Separatorplatte im Bereich der Durchgangsöffnung beeinflussen. Durch die Erhebungen und Vertiefungen kann zum Beispiel die Steifigkeit der Separatorplatte lokal entlang einer Richtung senkrecht zur Plattenebene erhöht werden. Dadurch kann verhindert werden, dass sich der Randabschnitt aus der Plattenebene herausbiegt, wenn Druck auf die mindestens eine Sickenanordnung ausgeübt wird. Wenn die Separatorplatte zum Beispiel in einem elektrochemischen System verbaut ist und dort mit weiteren Separatorplatten zu einem Stapel verpresst wird, kann durch die Erhebungen und Vertiefungen verhindert werden, dass benachbarte Separatorplatten im Bereich der Durchgangsöffnung (auch Portbereich genannt) infolge einer Hebelwirkung auseinanderklaffen. Hierdurch verringert sich das Risiko eines Kurzschlusses und einer Beschädigung einer zwischen den Separatorplatten angeordneten MEA. Insgesamt kann durch die alternierende Anordnung der Erhebungen und Vertiefungen eine gleichmäßigere Kraftverteilung auf die mindestens eine Sickenanordnung erreicht werden. Unabhängig davon können auch die Entlastungssicken die Steifigkeit der Separatorplatten entlang der Richtungen, die die Plattenebene aufspannen, beeinflussen. Durch das Vorsehen der Entlastungssicken im Randabschnitt kann verhindert werden, dass sich dort Druckspannungen im Material der Separatorplatte aufbauen. Somit kann eine lokale Steifigkeit der mindestens einen Sickenanordnung im Eckbereich der Durchgangsöffnung verringert werden, wodurch eine gleichmäßigere Kraftverteilung auf die mindestens eine Sickenanordnung erreicht werden kann, insbesondere wenn die Separatorplatte in einem elektrochemischen System verbaut ist.
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Die Erhebungen, Vertiefungen und Entlastungssicken tragen also zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung auf die mindestens eine Sickenanordnung bei, wodurch die Dichtigkeit des Systems bzw. Stapels verbessert werden kann. Hierbei kann insbesondere ausgenutzt werden, dass die Steifigkeit der Separatorplatte im Eckbereich der Durchgangsöffnung reduziert und in geraden Abschnitten der Durchgangsöffnung erhöht wird.
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Die Merkmale des ersten Aspekts (u.a. alternierende Erhebungen und Vertiefungen) und die Merkmale des zweiten Aspekts (u.a. Entlastungssicken) können miteinander kombiniert werden. Andererseits müssen die in Bezug auf den oben beschriebenen ersten Aspekt genannten Erhebungen und Vertiefungen in den Ausführungsformen, die eine Entlastungssicke aufweisen, nicht zwingend vorhanden sein. Weiter müssen die Entlastungssicken gemäß dem zweiten Aspekt nicht zwingend in Ausführungsformen mit den Erhebungen und Vertiefungen gemäß dem ersten Aspekt vorhanden sein.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können sich auf beide der zuvor genannten Aspekte der Erfindung beziehen, soweit nicht offensichtlich ist, dass nur einer der beiden Aspekte gemeint ist oder sein kann.
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Die Plattenebene kann im Wesentlichen durch nicht-verformte Bereiche der Separatorplatte definiert werden. Mit nicht-verformten Bereichen können insbesondere die Bereiche einer Separatorplatte gemeint sein, die eben sind und nicht Teil einer Sicke sind. Das sind beispielsweise Bereiche, die keine Prägungen aufweisen. Nachstehend ist mit Höhe der Abstand des betreffenden Bereichs zur Plattenebene gemessen senkrecht zur Plattenebene gemeint, falls dieser Bereich auf der gleichen Seite aus der Plattenebene herausragt, wie die mindestens eine Sickenanordnung. Mit Tiefe ist der Abstand des betreffenden Bereichs zur Plattenebene gemessen senkrecht zur Plattenebene gemeint, wenn der Bereich in die entgegengesetzte Richtung herausragt. So können die mindestens eine Sickenanordnung und die Erhebung als Hochprägung und die Vertiefung als Tiefprägung bezeichnet werden.
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Die Erhebungen und Vertiefungen können als entlang des Kantenverlaufs begrenzte Prägungen mit einem im Wesentlichen parallel zur Plattenebene sich erstreckenden Abschnitt sowie gekrümmt oder schräg zur Plattenebene verlaufenden Übergangsbereichen ausgebildet sein. Die Erhebungen und Vertiefungen können also Prägungen sein, die sich jeweils in einem abgegrenzten Bereich der Kante erstrecken, sodass die Kante selbst im Bereich einer Erhebung nach oben aus der Plattenebene herausragt, und im Bereich einer Vertiefung nach unten aus der Plattenebene herausragt. Die Kante kann dabei einen stetigen Verlauf aufweisen und ist beispielsweise zwischen den Bereichen mit Erhebungen oder Vertiefungen und Bereichen ohne Erhebungen oder Vertiefungen nicht unterbrochen. Zwischen Erhebungen und Vertiefungen und/oder Erhebungen und Erhebungen oder Vertiefungen und Vertiefungen kann die Kante im Wesentlichen in der Plattenebene und/oder parallel zur Plattenebene verlaufen. Oftmals hat die Kante zwischen benachbarten Erhebungen und Vertiefungen zumindest in einem Bereich der Durchgangsöffnung einen geraden Verlauf.
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Die Erhebungen und Vertiefungen einerseits und die mindestens eine Sickenanordnung andererseits sind üblicherweise voneinander getrennte Prägeelemente. Es kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen und die Vertiefungen beabstandet zur nächstliegenden Sickenanordnung angeordnet sind. Ein minimaler Abstand von den Erhebungen bzw. Vertiefungen zu dieser Sickenanordnung kann zum Beispiel mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 2,5 mm betragen. Das bedeutet, dass zwischen den Erhebungen und der nächstliegenden Sickenanordnung, beziehungsweise zwischen den Vertiefungen und der nächstliegenden Sickenanordnung, ein Teil des Randabschnitts verläuft. Der Teil des Randabschnitts, der die mindestens eine Sickenanordnung von den Erhebungen und Vertiefungen trennt, kann eben ausgebildet sein und/oder sich in der Plattenebene und/oder parallel zur Plattenebene erstrecken. Benachbarte Erhebungen und Vertiefungen können gleiche oder variierende Abstände zueinander aufweisen.
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Die Erhebungen und Vertiefungen weisen jeweils einen Umriss auf, der im Wesentlichen durch die Grenze zwischen den jeweiligen Erhebungen und Vertiefungen und den angrenzenden ebenen Bereichen des Randabschnitts definiert werden kann. Da die Erhebungen und Vertiefungen von der Kante ausgehen, bildet auch der von den jeweiligen Erhebungen und Vertiefungen eingeschlossene Abschnitt der Kante einen Teil des Umrisses. Die Umrisse können in ihrer Form frei ausgestaltet sein. Die Form des Umrisses kann dabei von Erhebung zu Erhebung und/oder von Vertiefung zu Vertiefung gleich sein oder variieren. Die Umrisse können in Projektion auf die Plattenebene vorzugsweise ein Viereck, insbesondere ein Trapez oder ein Rechteck oder ein beliebiges Vieleck bilden, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken. Die Umrisse können in Projektion auf die Plattenebene auch abschnittsweise wellenförmig sein und/oder dem Verlauf der Sickenanordnung folgen bzw. parallel zu dieser verlaufen. Die Form des Umrisses einer Erhebung oder Vertiefung kann in Projektion auf die Plattenebene insbesondere im Wesentlichen der eines Rechtecks entsprechen, dessen Längsrichtung parallel zur Kante verläuft. Die Länge des Rechtecks kann beispielsweise mindestens dem 1,5-fachen, dem 2-fachen oder dem 2,5-fachen der Breite des Rechtecks entsprechen. Die Ecken des Rechtecks können dabei abgerundet sein. Davon unbenommen kann zumindest ein Abschnitt eines Umrisses parallel zur Kante verlaufen. Unabhängig davon kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Abschnitt eines Umrisses im Wesentlichen senkrecht von der Kante ausgeht. Davon unbenommen kann vorgesehen sein, zumindest einen Abschnitt eines Umrisses einer Erhebung und/oder einer Vertiefung an den Verlauf der mindestens einen Sickenanordnung, insbesondere der Portsicke, anzupassen. Dabei ist beispielsweise vorstellbar, dass der Umriss dem Verlauf dieser Sickenanordnung zumindest abschnittsweise folgt. Die freie Gestaltungsmöglichkeit der Umrisse der Erhebungen und Vertiefungen erlaubt ein optimales Anpassen dieser Strukturen zur lokalen Versteifung der Separatorplatte.
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Die mindestens eine Sickenanordnung kann abschnittsweise einen wellenförmigen Verlauf aufweisen. Die mindestens eine Sickenanordnung kann in manchen Ausführungsformen zumindest abschnittsweise sich abwechselnde konvexe und konkave Bereiche aufweisen. Das bedeutet, dass auch der an die mindestens eine Sickenanordnung, insbesondere an die Portsicke, angrenzende Randabschnitt konvexe und konkave Bereiche aufweist. Vorteilhafterweise können konvexen oder konkaven Bereichen der mindestens einen Sickenanordnung eine Erhebung oder eine Vertiefung zugeordnet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Erhebungen und Vertiefungen entweder abschnittsweise, oder entlang des ganzen Verlaufs der mindestens einen Sickenanordnung von den konvexen und konkaven Bereichen der mindestens einen Sickenanordnung entkoppelt sind. Unabhängig davon kann es Ausführungsformen geben, in denen zwischen benachbarten Erhebungen und Vertiefungen und/oder zwischen nächstliegenden Erhebungen und zwischen nächstliegenden Vertiefungen ungleiche Abstände auftreten.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Kante entlang ihres Verlaufs zwischen den Erhebungen und Vertiefungen im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. Zumindest an einer Stelle pro Eckbereich des jeweiligen Ports ist es jedoch vorteilhaft, wenn sich der eigentliche gekrümmte Eckbereich zwischen einer Erhebung/Vertiefung und einer anderen Erhebung/Vertiefung erstreckt. Alternativ oder ergänzend kann die Kante auch im Bereich der Erhebungen und/oder der Vertiefungen zumindest abschnittsweise gerade ausgebildet sein. Gerade entlang des Verlaufs der Kante bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kante entlang ihres Verlaufs keine Krümmung aufweist. Es kann dabei die Projektion der Kante auf die Plattenebene und/oder die Projektion der Kante auf eine zur Plattenebene senkrechte Ebene gerade sein und keine Krümmung aufweisen.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Erhebungen und/oder die Vertiefungen jeweils unterschiedlich lang und breit ausgebildet sind. Lang bedeutet hier die Erstreckung der Erhebungen und Vertiefungen entlang der Kante, breit bedeutet, die Erstreckung der Erhebungen und Vertiefungen senkrecht zur Kante. Bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die Erhebungen länger und breiter ausgestaltet sind als die Vertiefungen.
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Es sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen die Erhebungen jeweils unterschiedlich hoch und/oder die Vertiefungen jeweils unterschiedlich tief ausgebildet sind. Ebenso denkbar ist, dass zumindest eine Erhebung höher ausgebildet ist als die übrigen Erhöhungen und/oder zumindest eine Vertiefung tiefer ausgebildet ist als die übrigen Vertiefungen. Bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die Erhebungen höher sind als die Vertiefungen tief sind. Mit anderen Worten ist der Abstand der Erhebungen zur Plattenebene gemessen senkrecht zur Plattenebene größer als der Abstand der Vertiefungen zur Plattenebene gemessen senkrecht zur Plattenebene. In diesem Fall können die Erhebungen dazu ausgestaltet sein Vertiefungen einer benachbarten Separatorplatte aufzunehmen, s. weiter unten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Randabschnitt zumindest abschnittsweise Bereiche auf, die in der Plattenebene liegen und/oder als ebene Flächen ausgebildet sind und/oder parallel zur Plattenebene ausgerichtet sind und/oder keine Prägungen aufweisen.
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Die mindestens eine Sickenanordnung ist typischerweise ausgestaltet, einen Bereich der Separatorplatte abzudichten, zum Beispiel gegenüber der Umgebung und/oder dem Inneren der Separatorplatte oder der Bipolarplatte bzw. der elektrochemischen Zelle, des Stapels oder des elektrochemischen Systems. So kann die Portsicke für die Abdichtung der Durchgangsöffnung vorgesehen sein, während die Perimetersicke für die Abdichtung eines weiteren Bereichs, insbesondere des elektrochemisch aktiven Bereichs vorgesehen sein kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform weist die mindestens eine Sickenanordnung ein Sickendach auf, das parallel zur Plattenebene ausgerichtet ist und/oder als ebene Fläche ausgestaltet ist. Unabhängig davon, kann mindestens eine Erhebung ein Erhebungsdach aufweisen, das parallel zur Plattenebene ausgerichtet ist und/oder als ebene Fläche ausgestaltet ist. Ebenso denkbar ist, dass zumindest eine Vertiefung einen Vertiefungsboden aufweist, der parallel zur Plattenebene ausgerichtet ist und/oder als ebene Fläche ausgestaltet ist.
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Optional können die Erhebungen und Vertiefungen auch Flanken aufweisen, die als gekrümmte oder ebene Flächen oder im Wesentlichen ebene Flächen ausgebildet sind, die nicht parallel zur Plattenebene ausgerichtet sind. Die Linie, an der eine solche Flanke die Plattenebene schneidet, kann als Biegekante bezeichnet werden. In einer Ausgestaltungsform weisen die Erhebungen und Vertiefungen auf ihrer von der Durchgangsöffnung abgewandten Seite eine Biegekante auf, die parallel zu dem Kantenabschnitt verläuft, der die jeweilige Erhebung oder Vertiefung aufweist. Auch nicht parallel zu dem Kantenabschnitt verlaufende Biegekanten sind möglich, ebenso wie dem Sickenverlauf der mindestens einen, insbesondere der nächstliegenden Sickenanordnung, folgende Biegekanten. Es kann Ausführungsformen geben, in denen die Erhebungen und Vertiefungen sowohl Flanken als auch Erhebungsdächer bzw. Vertiefungsböden der zuvor beschriebenen Art aufweisen. Es sind ebenso Ausführungsformen möglich, in denen zwischen einer Flanke und einem Erhebungsdach bzw. einem Vertiefungsboden ein gekrümmter Abschnitt angeordnet ist, welcher beide Bereiche miteinander verbindet.
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In einer Ausführungsform weist die Durchgangsöffnung zumindest einen Eckbereich auf. In einem Eckbereich der Durchgangsöffnung kann die Kante zwei gerade Abschnitte aufweisen, die unter einem Winkel aufeinanderstoßen. Es sind auch Ausführungsformen möglich, in denen die beiden geraden Abschnitte der Kante über einen gekrümmten Abschnitt der Kante miteinander verbunden sind. Zwischen dem gekrümmten Abschnitt der Kante und der Sickenanordnung verläuft ein gekrümmter Randabschnitt.
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Wie bereits oben angedeutet, kann zumindest eine Entlastungssicke an den gekrümmten und/oder den geraden Abschnitt der Kante angrenzen oder ist außerhalb des Randabschnitts angeordnet, sodass die mindestens eine Sickenanordnung, ggf. beide Sickenanordnungen, also beispielsweise Portsicke und Perimetersicke, zwischen der Entlastungssicke und dem gekrümmten Randabschnitt verläuft/verlaufen. Möglich sind auch Ausführungsformen, die mehr als eine Entlastungssicke aufweisen. Weiter kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Entlastungssicke in einem geraden Randabschnitt angeordnet ist, der von einem geraden Abschnitt im Eckbereich der Kante und der ihr nächstliegenden Sickenanordnung, insbesondere der Portsicke, aufgespannt ist, solange zwischen dieser Entlastungssicke und dem nächstliegenden gekrümmten Randabschnitt keine Erhebung und/oder Vertiefung angeordnet ist. Die Entlastungsicken können in einem Querschnitt quer zu ihrer jeweiligen Längsrichtung zumindest abschnittsweise bogenförmig oder U-förmig sein, und als solche eine gewisse Federung aufweisen, damit sich keine unerwünschten Kräfte und/oder Spannungen im Material der Separatorplatte aufbauen.
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Nachstehend wird manchmal zwischen innerer Entlastungssicke und äußerer Entlastungssicke unterschieden, wobei eine innere Entlastungssicke eine Entlastungssicke ist, die an die Kante angrenzt und/oder innerhalb der durch die mindestens eine Sickenanordnung umschlossenen Fläche angeordnet ist, und eine äußere Entlastungssicke eine Entlastungssicke ist, die außerhalb des Randabschnitts bzw. der durch die Portsicke umschlossenen und ggf. der von einer dieser Portsicke benachbarten Perimetersicke durchzogenen Fläche angeordnet ist, sodass die mindestens eine Sickenanordnung zwischen äußerer Entlastungssicke und Kante verläuft.
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Sowohl innere Entlastungssicken als auch äußere Entlastungssicken können bezüglich ihres Querschnitts als Vollsicken mit zwei Sickenschenkeln ausgebildet sein. Innere Entlastungssicken können als halboffene Sicken ausgebildet sein, die sich jeweils in einem abgegrenzten Bereich der Kante erstrecken. Die halb offenen Sicken ragen nach oben aus der Plattenebene heraus. Auch die Kante selbst ragt also im Bereich einer inneren Entlastungssicke nach oben aus der Plattenebene heraus. Äußere Entlastungssicken können als geschlossene Sicken ausgebildet sein, die umlaufend einen nicht parallel zur Plattenebene verlaufenden Bereich aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Entlastungssicke zumindest in einem ihrer Endbereiche eine Aussparung aufweist, die den Randbereich mit dem erhobenen Bereich der Entlastungssicke verbindet. Hierbei kann die Aussparung von der mindestens einen Sickenanordnung beabstandet sein. Sowohl eine innere als auch eine äußere Entlastungssicke kann so ausgebildet sein, dass sie zumindest in einem ihrer Endbereiche eine Aussparung aufweist. Diese Aussparung verbindet vorzugsweise den Randbereich, d.h. den in der Plattenebene verlaufenden Bereich, mit dem erhobenen Bereich der Entlastungssicke. Die Aussparung ist dabei vorzugsweise von der ihr nächstliegenden Sickenanordnung beabstandet. Die Aussparung kann eine Öffnung in der Separatorplatte bilden. Üblicherweise ist die Aussparung als Ausstanzung oder Ausschnitt in der Platte ausgebildet. Vorzugsweise ist eine solche mit einer Aussparung versehene äußere Entlastungssicke so angeordnet, dass zwischen der Aussparung und der ihr nächstliegenden Sickenanordnung eine dieser Sickenanordnung folgende, umlaufende Schweißnaht angeordnet ist, so dass die Aussparung die Abdichtung nicht beeinträchtigt. Anstelle individueller, einzelnen Entlastungssicken zugeordneter Aussparungen sind auch Aussparungen möglich, die sich an mehrere Entlastungssicken anschließen, dabei aber ebenso von der nächstliegenden Sickenanordnung beabstandet sind.
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Innere und äußere Entlastungssicken weisen jeweils einen Umriss auf, der im Wesentlichen durch die Grenze zwischen der jeweiligen Entlastungssicke und den angrenzenden ebenen Bereichen der Separatorplatte definiert werden kann. Da die inneren Entlastungssicken in der Regel von der Kante ausgehen, bildet auch der von den jeweiligen inneren Entlastungssicken eingeschlossene Abschnitt der Kante einen Teil des Umrisses. Die Umrisse der Entlastungssicken können in ihrer Form frei ausgestaltet sein, bevorzugt sind jedoch Grundformen, die abgesehen von ihren Endbereichen auf einer Rechteckform oder einem Trapez beruhen. Die Form kann dabei von Entlastungssicke zu Entlastungssicke variieren. Der Umriss der Entlastungssicke kann beispielsweise in Projektion auf die Plattenebene ein Rechteck mit abgerundeten Ecken sein. Es kann beispielsweise auch eine Seite des Rechtecks gekrümmt sein und dem Verlauf des eingeschlossenen Abschnitts der Kante folgen. Eine Länge des Rechtecks kann dabei mindestens dem 4-fachen, 3-fachen, 2- fachen oder dem 1,5-fachen der Breite des Rechtecks entsprechen. Der Radius der abgerundeten Ecken kann insbesondere der Hälfte der Breite des Rechtecks entsprechen. Trapezformen können zum Port hin oder vom Port weg auffächern.
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Unabhängig davon kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschnitt des Umrisses einer inneren Entlastungssicke winklig, insbesondere senkrecht von der Kante ausgeht. Es ist beispielsweise ebenso vorstellbar, dass der Verlauf zumindest eines Umrisses einer Entlastungssicke dem Verlauf insbesondere der nächstliegenden Sickenanordnung zumindest abschnittsweise angepasst ist oder folgt. Dies kann bedeuten, dass beispielsweise die Länge der Entlastungssicken in senkrechter Richtung zur Kante unterschiedlich ist und/oder an den Verlauf der mindestens einen, insbesondere der nächstliegenden Sickenanordnung angepasst ist.
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Optional kann die zumindest eine Entlastungssicke derart angeordnet sein, dass eine entlang einer Längsrichtung der Entlastungssicke verlaufende Gerade den gekrümmten Randabschnitt der Kante schneidet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die entlang einer Längsrichtung der Entlastungssicke verlaufende Gerade den gekrümmten Randabschnitt in einem Winkel von größer 70°, bevorzugt größer als 80° und kleiner 110°, bevorzugt kleiner als 100° schneidet. In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Entlastungssicke derart angeordnet, dass eine entlang der Längsrichtung der Entlastungssicke verlaufende Gerade den gekrümmten Randabschnitt der Kante senkrecht, also in einem Winkel von 90° schneidet.
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Es kann unabhängig davon vorgesehen sein, dass die Entlastungssicken gleich oder unterschiedlich hoch sind, das bedeutet, gleich oder unterschiedlich weit aus der Plattenebene herausragen. Ebenso kann vorgesehen sein, dass alle Entlastungssicken weniger weit aus der Plattenebene herausragen als die mindestens eine Sickenanordnung. Die Breiten und Längen der Entlastungsicken können untereinander auch gleich sein oder variieren.
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Bei der mindestens einen Sickenanordnung kann es sich um eine Portsicke handeln, die eine Durchgangsöffnung umgibt. Hierbei erstreckt sich diese Sickenanordnung üblicherweise vollständig um die Durchgangsöffnung herum. Bei der mindestens einen Sickenanordnung kann es sich aber auch um eine Perimetersicke handeln. Auf der der Durchgangsöffnung abgewandten Seite einer Portsicke umläuft die Perimetersicke diese Durchgangsöffnung üblicherweise im Nahbereich nur abschnittsweise. Oftmals liegen bei einer solchen beispielhaften Konstellation die beiden Sickenanordnungen, z.B eine Portsicke und eine Perimetersicke, sehr nahe beieinander und äußere Entlastungssicken werden in so einem Fall vorzugsweise auf der der Durchgangsöffnung abgewandten Seite beider Sickenanordnungen angeordnet, auch weil der Bauraum zwischen den beiden Sickenanordnungen meist sehr begrenzt sein kann. Hiermit ist nicht gemeint, dass eine Perimetersicke eine Durchgangsöffnung umgibt, weil sie, wenn sie nahe des Außenrandes der Separatorplatte verläuft, im Wesentlichen eine Vielzahl von Elementen oder sämtliche Elemente der Separatorplatte umgibt.
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In einer Ausführungsform sind die mindestens eine Sickenanordnung, die Erhebungen, die Vertiefungen, und/oder die Entlastungssicken in die Separatorplatte eingeformt. Die mindestens eine Sickenanordnung, Erhebungen und Entlastungssicken können beispielsweise hochgeprägt, die Vertiefungen tiefgeprägt sein. Die mindestens eine Sickenanordnung, die Erhebungen, die Vertiefungen und/oder die Entlastungssicken können dabei z.B. durch Hydroforming, Prägen und/oder Tiefziehen in das Material der Separatorplatte eingeformt werden. Ein Plattenkörper der Separatorplatte kann hierbei aus einem Metallblech gefertigt sein, z.B. aus einem Edelstahlblech oder einem Blech aus einer Titanlegierung. Der Plattenkörper kann dabei zumindest abschnittsweise auch beschichtet sein, z.B. im Bereich der mindestens einen Sickenanordnung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die zwei miteinander verbundene Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art aufweist. Die Separatorplatten sind dabei derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass die Durchgangsöffnungen zueinander fluchtend oder teilweise überlappend angeordnet sind und die Sickenanordnungen der Separatorplatten voneinander wegweisen. Die Separatorplatten können dabei derart angeordnet sein, dass sie sich jeweils zumindest abschnittsweise an ihren Randabschnitten berühren. Optional können die Randabschnitte der beiden Separatorplatten mittels zumindest einer Schweißverbindung miteinander verbunden sein. Ebenso ist es möglich, dass auf der der Durchgangsöffnung abgewandten Seite der mindestens einen Sickenanordnung eine Schweißverbindung, insbesondere eine dichte und umlaufende Schweißverbindung angeordnet ist.
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Optional können in beiden Separatorplatten vorgesehene Erhebungen und Vertiefungen derart ausgebildet sein, dass die Vertiefungen jeweils einer Separatorplatte in die Erhebungen der jeweils anderen Separatorplatten eingreifen oder die Vertiefungen jeweils einer Separatorplatte die Erhebungen der jeweils anderen Separatorplatte zumindest abschnittsweise berühren. Eingreifen kann hier bedeuten, dass eine Vertiefung der einen Separatorplatte zumindest teilweise in einem Volumen angeordnet sein kann, das von einer Erhebung der anderen Separatorplatte und der jeweiligen Plattenebene eingeschlossen wird. In der Regel weisen die Entlastungssicken der miteinander verbundenen Separatorplatten voneinander weg, insbesondere mit ihren Sickendächern.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, die zwei Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art aufweist. Weiter weist die elektrochemische Zelle eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) auf, welche sich zwischen den Separatorplatten erstreckt. Die Durchgangsöffnungen der Separatorplatten der elektrochemischen Zelle sind fluchtend oder teilweise überlappend angeordnet und die Sickenanordnungen der Separatorplatten weisen aufeinander zu. Die Erhebungen und/oder Entlastungssicken der Separatorplatten können Abstützelemente für die Membran-Elektrodeneinheit (MEA), insbesondere in dem Bereich der MEA, in dem sich der Verstärkungsrand erstreckt, bilden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrochemisches System, das eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art und/oder eine Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten der zuvor beschriebenen Art und/oder eine Vielzahl von gestapelten elektrochemischen Zellen der zuvor beschriebenen Art aufweist.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von verschiedenen Figuren beispielhaft dargestellt und erläutert werden. Dabei werden gleiche und ähnliche Elemente der Separatorplatten und Bipolarplatten und Anordnungen mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung nicht immer wiederholt wird. In den folgenden Beispielen finden sich die erfindungsgemäßen Merkmale zusammen mit einer oder mehreren optionalen erfindungsgemäßen Verbesserungen und Weiterentwicklungen. Es ist jedoch möglich, einzelne Elemente dieser Verbesserungen und Weiterentwicklungen auch unabhängig von den weiteren Elementen der jeweiligen Beispiele oder auch in Kombination mit einzelnen der weiteren Elemente desselben Beispiels oder anderer Beispiele zu verwenden und hierdurch die Erfindung weiter zu verbessern.
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Es zeigt:
- 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung eine elektrochemische Zelle mit einer Vielzahl von gestapelten Separatorplatten und/oder gestapelten Bipolarplatten und/oder gestapelten elektrochemischen Zellen;
- 2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung eine Bipolarplatte des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektrodeneinheit gemäß dem Stand der Technik;
- 3 schematisch in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik;
- 4 in zwei 4A und 4B schematisch in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, sowie eine Detailansicht;
- 5 in vier 5A, 5B, 5C und 5D schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, sowie drei Schnittansichten;
- 6 in drei 6A, 6B und 6C schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, sowie zwei Schnittansichten;
- 7 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt beider Separatorplatten einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 8 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
- 9 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
- 10 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
- 11 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer Bipolarplatte im Bereich einer Durchgangsöffnung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 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 Bipolarplatten 2 des Stapels begrenzen zwischen sich eine elektrochemische Zelle, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Jeweils eine der Separatorplatten einer Bipolarplatte wird dabei zur von der Bipolarplatte begrenzten Zelle gezählt. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
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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 Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten 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 Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, in der sich die sie bildenden Separatorplatten berühren. Auch die Separatorplatten bilden in ihren nicht-umgeformten Bereichen ihre eigene Plattenebene, wobei die Plattenebenen sowohl der Bipolarplatten als auch der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 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 abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
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2 zeigt perspektivisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte benachbarte Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech oder einem Titanblech. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet oder verklebt sein, insbesondere durch Laserschweißverbindungen verbunden sein.
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Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 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 eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet 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-11c sind im Wesentlichen jeweils parallel zur Plattenebene ausgebildet. Die miteinander fluchtenden Durchgangsöffnungen der aufeinander folgenden Bipolarplatten eines Stapels bilden gemeinsam eine Leitung in Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Plattenebene.
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Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-cjeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 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 Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen 16 zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils mindestens einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf, dessen Strukturen ein Medium von einer Durchgangsöffnung 11b zum aktiven Bereich 18 hin verteilt und/oder vom aktiven Bereich 18 bündelt und zu einer der Durchgangsöffnungen 11b leitet. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
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Die Dichtsicken 12a-12c weisen Durchführungen 13a-13c auf, die eine Passage von z.B. Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteilbereich 20 ermöglichen, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 11b und dem Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 11c und dem Verteilbereich 20, so dass Luft in den Verteilbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die Durchführungen 13a-13c können als Anhebungen oder Perforationen der Sicken selber oder als Perforationen von aus den Sicken sich fortsetzenden Prägestrukturen ausgebildet sein.
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Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Bezüglich der Durchgangsöffnung 11a schafft die Perimetersicke 12d eine räumliche Trennung vom Verteilbereich 20 und ermöglicht über die Durchführung 13a eine Passage von Kühlmittel zum Verteilbereich 20 im Innern der Bipolarplatte, genauer dem dortigen Hohlraum 19. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen 16 des aktiven Bereichs 18, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a, 2b ausgebildet und in die Separatorplatten 2a, 2b eingeformt, z. B. in einem Präge-, Tiefzieh- oder Hydroformingprozess.
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Die Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 können z. B. jeweils aus einem Edelstahlblech mit einer Stärke von weniger als 100 µm gebildet sein. Die Bipolarplatte 2 hat in der Regel eine im Wesentlichen rechteckige Form.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Bipolarplatte 2 gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht. Die Bipolarplatte 2 gemäß der 3 ist wie die Bipolarplatte 2 gemäß 2 aus genau zwei metallischen Separatorplatten 2a, 2b zusammengefügt, wobei die Separatorplatte 2b durch die dem Betrachter der 3 zugewandte Separatorplatte 2a verdeckt ist.
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Die Bipolarplatte 2 weist ebenfalls Durchgangsöffnungen 11a-c zum Durchleiten von Medien durch die Bipolarplatte 2 auf. Dabei sind jeweils die Durchgangsöffnungen 11a-c an einander gegenüber liegenden Seiten oder Enden der Bipolarplatte 2 miteinander in Fluidverbindung. Jede der Durchgangsöffnungen 11a-c wird von einer Dichtsicke 12a, 12b, 12c umlaufen, die zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c ausgebildet sind. Die Dichtsicken 12a-c werden manchmal als Portabdichtungen bezeichnet. Zudem weist die Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 eine Perimetersicke 12d auf. Im Unterschied zur Perimetersicke 12d der Bipolarplatte 2 gemäß 2 umläuft die Perimetersicke 12d der Bipolarplatte 2 gemäß der 3 nicht nur den aktiven Bereich 18, die Verteil- oder Sammelbereiche 20 und die Durchgangsöffnungen 11b und 11c, sondern zusätzlich auch die Durchgangsöffnungen 11a, sie umschließt also sämtliche der Durchgangsöffnungen 11a-11c.
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Ähnlich wie in der 2 sind bei der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 der 3 die mit 11a bezeichneten zweiten Durchgangsöffnungen über Durchführungen 13a durch die Dichtsicken 12a und über einen von den Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 eingeschlossenen, in der Draufsicht nicht sichtbaren Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Die mit 11c bezeichneten Durchgangsöffnungen der Separatorplatte 2a der Bipolarplatte 2 sind über Durchführungen 13c durch die Dichtsicken 12c und über Verteil- und Sammelbereiche 20, die hier keine linearen sondern noppenartigen Strukturen aufweisen, sowie über einen aktiven Bereich 18 der in 3 verdeckten Separatorplatte 2b miteinander in Fluidverbindung. Wie in 2 verlaufen die Ränder der Verteil- oder Sammelbereiche 20 parallel zu den Seitenkanten der Bipolarplatte 2.
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Abweichend von der 2 haben die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form. Die Durchgangsöffnungen 11a-c werden jeweils durch eine Kante 23a-c begrenzt, wobei die Kante 23a-c jeweils vier Eckbereiche 27 mit einem gekrümmten Verlauf und vier dazwischenliegende Bereiche 26 mit einem geraden Verlauf aufweisen. Zwischen der Dichtsicke 12a-c und der Kante 23a-c ist ein Randabschnitt 28 aufgespannt, sodass die Dichtsicken 12a-c zur Kante 23a-c beabstandet sind. Die Kanten 23a-c der Durchgangsöffnungen 11a-c können parallel zu den Seitenkanten der Bipolarplatte 2 ausgerichtet sein. Entlang der y-Richtung 9 und damit quer zur Längsrichtung der Bipolarplatte 2 sind die Durchgangsöffnungen 11a-c nebeneinander angeordnet und entlang der x-Richtung 8 symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zueinander ausgerichtet. Durch die rechteckige Form der Durchgangsöffnungen 11a-c kann eine Fläche der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b im Vergleich zu den runden Durchgangsöffnungen 11a-c der 2 besser ausgenutzt werden. Insbesondere lässt sich hierdurch eine durch den Außenrandbereich 22 verwendete Fläche reduzieren bzw. minimieren.
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Bedingt durch die runde Form ihrer zugeordneten Durchgangsöffnungen 11a-c haben die Dichtsicken 12a-c der Bipolarplatte 2 bzw. Separatorplatten 2a, 2b gemäß der 2 in der Regel ebenfalls einen runden Verlauf. Hierdurch ist eine Verpressung der Dichtsicken 12a-c der im System 1 verbauten Bipolarplatten 2 im Wesentlichen gleichmäßig entlang ihrer Erstreckungsrichtung.
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Aufgrund der im Wesentlichen rechteckigen Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b der 3 haben die zugeordneten Dichtsicken 12a-c im Regelfall ebenfalls einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf, welcher sich aus vier Teilabschnitten 24 und vier Eckbereichen 25 zusammensetzt. Durch die gekrümmte bzw. gebogene Verlaufsform der Dichtsicken 12a-c in ihren Eckbereichen 25 haben die Dichtsicken 12a-c dort typischerweise eine größere Steifigkeit als in ihren Teilabschnitten 24, welche oftmals einen geraden Verlauf aufweisen. Die Dichtsicken 12a-c haben somit insbesondere im verbauten Zustand der Bipolarplatte 2, also insbesondere im Stapel 1, eine variierende Verpressung bzw. Rückfederung entlang ihres Verlaufs.
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Aufgrund der großen Anzahl an Bipolarplatten 2 bzw. Einzelplatten 2a, 2b im Stapel 1 kann ein geringer Unterschied in der Verpressung und Rückfederung der jeweiligen Dichtsicke 12a-c entlang ihres Verlaufs in einer einzigen Bipolarplatte 2 bzw. in einer einzigen metallischen Separatorplatte 2a, 2b zu einer relativ großen Differenz in der Rückfederung der in Serie geschalteten Dichtsicken 12a-c führen, so dass geringe Unterschiede bei den einzelnen Separatorplatten 2a, 2b sich signifikant auf die Dichtigkeit des gesamten Stapels 1 auswirken können.
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Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert um einerseits die Fläche der Bipolarplatte 2 bzw. der Separatorplatten 2a, 2b möglichst effizient auszunutzen und andererseits eine möglichst gute Dichtigkeit im Bereich der Durchgangsöffnungen 11a-c zu gewährleisten.
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Um eine homogenere Verpressungskraft auf die Sickenanordnung 12a-c zu bewirken, sind nachfolgend näher erläuterte alternierende Erhebungen 41a, 42a und Vertiefungen 41b, 42b und/oder Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b in den Separatorplatten 2a, 2b vorgesehen, s. 4-11.
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Speziell ist zwischen einer Sickenanordnung 49a, 49b und einer Kante der Durchgangsöffnung 11 ein Randabschnitt 51a, 51b aufgespannt. Der Randabschnitt 51a, 51b umfasst von der Kante ausgehende und abschnittsweise entlang eines Kantenverlaufs im Wechsel aufeinander folgende Vertiefungen 42a, 42b und Erhebungen 41a, 41b. Die Vertiefungen 42a, 42b ragen in die entgegengesetzte Richtung wie die Sickenanordnungen 49a, 49b aus der jeweiligen Plattenebene 45a, 45b und die Erhebungen 41a, 41b ragen in dieselbe Richtung wie die Sickenanordnungen 49a, 49b aus der jeweiligen Plattenebene 45a, 45b, vgl. insbesondere 4-8. Dabei ragen in der Darstellung der 4 die Vertiefung 42a und die Erhebung 41b nach unten und die Vertiefung 42b und die Erhebung 41a nach oben aus der eigenen Plattenebene 45a, 45b. Alternativ oder zusätzlich grenzt eine Entlastungssicke 43a, 43b an den gekrümmten Abschnitt 27 der Kante an (vgl. 4, 5, 7, 9, 10 und 11) oder ist außerhalb eines zwischen der Sickenanordnung 49a, 49b und dem gekrümmten Abschnitt der Kante 27 aufgespannten Randabschnitts 51a, 51b angeordnet, sodass die Sickenanordnung 49a, 49b zwischen der Entlastungssicke 44a, 44b und dem gekrümmten Randabschnitt 27 verläuft (vgl. 4, 5 und 8 bis 11).
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Weitere Einzelheiten und Details werden im Folgenden ausgeführt.
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4 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Bipolarplatte in zwei schematischen Darstellungen (4A und 4B). Gezeigt ist ebenfalls ein Koordinatensystem 7, 8, 9, das für beide Darstellungen gilt.
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4A zeigt einen Eckbereich 27 einer Durchgangsöffnung 11 einer Bipolarplatte 2 perspektivisch, während die 4B eine Detailansicht der 4A zeigt. Die gezeigte Bipolarplatte 2 weist zwei miteinander verbundene Separatorplatten 2a, 2b auf. Beide Separatorplatten 2a, 2b weisen angrenzend zum Eckbereich 27 zwei in einem Winkel zueinander angeordnete gerade Kantenabschnitte 26 auf, die über einen gekrümmten Abschnitt im Eckbereich 27 ineinander übergehen bzw. miteinander verbunden sind. Gerade bedeutet hier, dass die Kantenabschnitte in Projektion auf die Plattenebene im Wesentlichen keine Krümmung aufweisen.
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Die erste Separatorplatte 2a weist eine Sickenanordnung 49a und Erhebungen 41a auf, die nach oben aus einer Plattenebene 45a herausragen. Die Plattenebene 45a ist dabei parallel zu einer Ebene, die von der x-Richtung 8 und der y-Richtung 9 des gezeigten Koordinatensystems aufgespannt wird. Die Sickenanordnung 49a und die Erhebungen 41a ragen dabei in positiver z-Richtung 7 aus der Plattenebene 45a heraus. Die erste Separatorplatte 2a weist ebenso Vertiefungen 42a auf, die nach unten, also in negativer z-Richtung 7 aus der Plattenebene herausragen. Die Erhebungen 41a und Vertiefungen 42a gehen von den geraden Kantenabschnitten 26 aus. Die Erhebungen 41a und Vertiefungen 42a folgen entlang des Kantenverlaufs im Wechsel aufeinander. Jeder gerade Kantenabschnitt kann mindestens zwei Vertiefungen und mindestens zwei Erhebungen aufweisen.
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Eine zweite Plattenebene 45b der zweiten Separatorplatte 2b ist parallel zur ersten Plattenebene 45a ausgerichtet. Die Separatorplatte 2b weist ebenfalls eine Sickenanordnung 49b, mehrere Erhebungen 41b und mehrere Vertiefungen 42b auf. Die zweite Separatorplatte 2b ist derart angeordnet, dass die Sickenanordnung 49b und die Erhebungen 41b in negativer z-Richtung 7 aus der Plattenebene 45b herausragen. Die Vertiefungen 42b der zweiten Separatorplatte 2b ragen in positiver z-Richtung 8 aus der Plattenebene 45b heraus, also entgegen der Sickenanordnung 49b.
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Die Sickenanordnungen 49a, 49b können eine der oben beschriebenen Sickenanordnungen 12a, 12b oder 12c repräsentieren oder durch eine dieser Sickenanordnungen 12a-c gebildet sein. Weiter ist die Durchgangsöffnung 11 gezeigt, welche einer der Durchgangsöffnungen 11a-c entsprechen kann.
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Die Erhebungen 41a, 41b, Vertiefungen 42a, 42b und Entlastungssicken 43a, 43b sind dabei als Prägungen ausgebildet, die sich jeweils in einem abgegrenzten Bereich der Kante erstrecken. Die Erhebungen 41a, 41b, Vertiefungen 42a, 42b und Entlastungssicken 43a, 43b bilden dabei Strukturen, die aus der Plattenebene herausragen und mit der Plattenebene kein geschlossenes Volumen bilden. Anders bilden die Entlastungssicken 44a, 44b Strukturen, die aus der Plattenebene herausragen und dabei mit der Plattenebene gemeinsam ein geschlossenes Volumen bilden. In 4B ist zu erkennen, dass die Kante im Bereich der Erhebung 41a und der Vertiefung 42b aus der jeweiligen Plattenebene 45a beziehungsweise 45b herausragt. Die Erhebungen 41a, 41b und Vertiefungen 42a, 42b sind üblicherweise beabstandet zur Sickenanordnung 49a, 49b angeordnet, wobei ein minimaler Abstand zwischen Sickenanordnung 49a, 49b und den Erhebungen 41a, 41b bzw. Vertiefungen 42a, 42b mindestens 0,2 mm und höchstens 2,5 mm sein kann. Weiter weisen die Erhebungen 41a, 41b und Vertiefungen 42a, 42b in der Regel jeweils ebene Flächen auf, die parallel zur Plattenebene 45a, 45b ausgerichtet sind, sogenannte Erhebungsdächer, bzw. Vertiefungsböden.
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In der gezeigten Ausführungsform der 4A sind die Formen, sowohl in Umriss als auch im Höhenprofil, jeder Erhebung 41a, 41b gleich, unabhängig davon, ob sie zur ersten oder zur weiten Separatorplatte zugehörig sind. Das gilt ebenso für die Vertiefungen 42a, 42b, deren Formen ebenfalls identisch sind, unabhängig davon, ob sie auf der ersten oder der zweiten Separatorplatte angeordnet sind. Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen beispielsweise alle Erhebungen einer ersten Separatorplatte jeweils die gleiche Form haben, während die Vertiefungen der anderen Separatorplatte jeweils anders geformt sind als die Erhebungen der ersten Separatorplatte, insbesondere die Vertiefungen der zweiten Separatorplatte etwas kleiner sind, d.h. in Draufsicht weniger Fläche einnehmen, als die Erhebungen der ersten Separatorplatte.
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Jede Separatorplatte 2a, 2b kann zudem mehrere innere Entlastungssicken 43a, 43b und mehrere äußere Entlastungssicken 44a, 44b aufweisen. Die Entlastungsicken 43a, 43b, 44a, 44b können in einem Querschnitt quer zu ihrer Längsrichtung bogenförmig und damit flexibel in der x-y-Ebene sein, damit vermieden wird, dass sich Spannungen im Material der Separatorplatte aufbauen und die Sickenanordnung 49a, 49b entlastet werden kann. Der Umriss der inneren und äußeren Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b kann beispielsweise in Projektion auf die Plattenebene ein Rechteck mit abgerundeten Ecken (bei inneren Entlastungssicken zweiseitig, bei äußeren Entlastungsseiten allseitig) sein. Eine Länge des Rechtecks kann dabei minimal dem 4-fachen, 3-fachen, 2- fachen oder dem 1,5-fachen der Breite des Rechtecks entsprechen. Der Radius der abgerundeten Ecken kann zum Beispiel der Hälfte der Breite des Rechtecks entsprechen. Je nach Betrachtungsweise kann der Bereich der abgerundeten Ecken bei der Bestimmung der Länge noch mit gerechnet werden oder nicht.
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Die inneren Entlastungssicken 43a, 43b sind dabei in einem Randbereich 51a, 51b der Separatorplatten 2a, 2b angeordnet, der von der Sickenanordnung 49a, 49b und der Kante der Durchgangsöffnung 11 aufgespannt wird, genauer angrenzend an den Eckbereich 27 der Kante. Die inneren Entlastungssicken 43a, 43b sind dabei als Prägungen ausgebildet, die sich jeweils in einem abgegrenzten Bereich der Kante erstrecken. 4B zeigt, dass die Kante im Bereich der Entlastungssicken 43a, 43b aus der jeweiligen Plattenebene 45a, 45b herausragt. In dem gezeigten Beispiel ist die Anzahl der inneren Entlastungssicken 43a, 43b gleich der Anzahl der äußeren Entlastungssicken. Es sind durchaus Ausführungsformen vorstellbar, in der sich die Anzahl der inneren Entlastungssicken von der Anzahl der äußeren Entlastungssicken unterscheidet.
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Die äußeren Entlastungssicken 44a, 44b sind derart angeordnet bzw. ausgerichtet, dass eine entlang der Längsrichtung der äußeren Entlastungssicke 44a, 44b verlaufenden Gerade die Kante der Durchgangsöffnung 11 im Wesentlichen senkrecht schneidet. Auch die inneren Entlastungssicken 43a, 43b sind dabei derart angeordnet bzw. ausgerichtet, dass eine entlang ihrer Längsrichtung verlaufende Gerade die Kante im Wesentlichen senkrecht schneidet.
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Die beiden Separatorplatten 2a, 2b sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Vertiefungen 42a, 42b der einen Separatorplatte 2a, 2b in die Erhebungen 43a, 43b der jeweils anderen Separatorplatte 2a, 2b eingreifen. Es kann Ausführungsformen geben, in denen die Vertiefungen der einen Separatorplatte die Erhebungen der anderen Separatorplatte zumindest abschnittsweise berühren, beispielsweise im Bereich ihrer Böden bzw. Dächer.
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5 inklusive 5A -5D zeigt die Draufsicht auf eine Bipolarplatte 2 sowie mehrere Schnittansichten. 5 zeigt den zwischen der Sickenanordnung und der Kante aufgespannten Randabschnitt 51a, 51b. In der Draufsicht der 5A ist ein wellenförmiger Verlauf der Sickenanordnung 49a entlang der Randabschnitte erkennbar. Der Verlauf der Sickenanordnung 49b der in dieser Figur verdeckten und nicht sichtbaren Separatorplatte 2b ist identisch und deckungsgleich mit dem Verlauf der Sickenanordnung der sichtbaren Platte 2a. Durch den wellenförmigen Verlauf der Sickenanordnung 49a, 49b entstehen konvexe und konkave Randabschnitte, welche an konkave bzw. konvexe Abschnitte der Sickenanordnungen angrenzen. Entlang des wellenförmigen Verlaufs der Sickenanordnung 49a, 49b wechseln sich also konkave und konvexe Randabschnitte ab. In der in 5 gezeigten Ausführungsform der Separatorplatten 2a, 2b ist zumindest im gezeigten Abschnitt jedem konvexen und jedem konkaven Randabschnitt eine Erhebung 41a, 41b oder eine Vertiefung 42a, 42b zugeordnet. Die Erhebungen 41a, 41b und Vertiefungen 42a, 42b sind in dieser Ausführungsform an den Stellen der Kante angeordnet, an denen der Sickenanordnungsverlauf einen geringsten oder einen größten Abstand zur Kante aufweist.
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Die 5B zeigt eine Schnittansicht auf die von der Schnittlinie B-B gekennzeichnete Schnittebene. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zu den Plattenebenen 45a, 45b und senkrecht zur Kante angeordnet. Sie schneidet eine Erhebung 41a der Separatorplatte 2a bzw. eine Vertiefung 42b der Separatorplatte 2b und die Sickenanordnungen 49a, 49b. Die Sickenanordnungen 49a, 49b werden in einem Bereich geschnitten, in dem ihr Verlauf einen größten Abstand zur Kante aufweist. Eine Vertiefung 42b der zweiten Separatorplatte 2b greift in die Erhebung 41a der ersten Separatorplatte 2a ein.
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Die 5C zeigt eine Schnittansicht auf die von der Schnittlinie C-C gekennzeichnete Schnittebene. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zu den Plattenebenen 45a, 45b und senkrecht zur Kante angeordnet. Sie schneidet eine Vertiefung 42a der Separatorplatte 2a bzw. eine Erhebung 41b der Separatorplatte 2b und die Sickenanordnungen 49a, 49b. Die Sickenanordnungen 49a, 49b werden in einem Bereich geschnitten, in dem ihr Verlauf einen kleinsten Abstand zur Kante aufweist. Die Vertiefung 42a der ersten Separatorplatte 2a greift in die Erhebung 41b der zweiten Separatorplatte 2b ein.
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Die 5D zeigt eine Schnittansicht auf die von der Schnittlinie D-D gekennzeichnete Schnittebene. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zu den Plattenebenen 45a, 45b und senkrecht zur Kante angeordnet. Sie schneidet unter anderem innere Entlastungssicken 43a, 43b der Separatorplatten 2a, 2b, die Sickenanordnungen 49a, 49b und äußere Entlastungssicken 44a, 44b. Aus dieser Schnittansicht 5D wird ersichtlich, dass die Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b derart angeordnet sein können, dass jeder Entlastungssicke 43a, 44a der einen Separatorplatte 2a eine Entlastungssicke 43b, 44b auf der zweiten Separatorplatte 2b gegenüberliegen kann. Die gegenüberliegenden Entlastungssicken 43a, 43b bzw. 44a, 44b der beiden Separatorplatten 2a, 2b können parallel zueinander angeordnet sein und können einander zumindest bereichsweise, üblicherweise vollständig überlappen. Anders als im in 5 gezeigten Beispiel kann sich insbesondere die Länge der übereinander angeordneten Entlastungssicken 43a, 43b bzw. 44a, 44b unterscheiden.
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Die 6 inklusive 6A-6C zeigt eine weitere Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu der Ausführungsform, die in den 4 und 5 gezeigt ist, sie weist allerdings keine Entlastungssicken auf. Im Eckbereich 27 der Durchgangsöffnung 11ist der gekrümmte Randabschnitt 51a zwischen der Kante und der Sickenanordnung 49a somit als ebene Fläche ohne Prägestrukturen oder Sicken ausgebildet. In 6A ist eine schematische Darstellung dieser Ausführungsform in Draufsicht gezeigt. Die 6B und 6C zeigen Schnittansichten auf die von den Schnittlinien E-E, beziehungsweise F-F gekennzeichneten Schnittebenen. Aus den Schnittansichten wird ersichtlich, dass hier die Vertiefungen 42a, 42b der 6B weniger tief geprägt sind, als die Erhebungen 41a, 41b, wodurch sich ein Spalt von höchstens 100 µm zwischen ineinander greifenden Vertiefungen 42a, 42b und Erhebungen 41a, 41b gibt.
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Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Bipolarplatte 2, wobei jeweils eine Draufsicht auf in der Bipolarplatte aufeinander zu liegen kommende Ausschnitte der beiden Separatorplatten 2a, 2b gezeigt ist, die bei Rotation um die Achse 100 so bewegt werden können, dass sie aufeinander zu liegen kommen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Separatorplatten im Hinblick auf die Entlastungssicken43a, 43b, 44a, 44b, Erhebungen 41a, 41b und Vertiefungen 42a, 42b unterschiedlich ausgeführt. Während die Separatorplatte 2a drei innere Entlastungssicken 43a in den gekrümmten Abschnitten der Kante aufweist und außerdem beidseitig hierzu je eine weitere Entlastungssicke 71a in den geraden Bereichen der Kante, weist die Separatorplatte 2b nur eine innere Entlastungssicke 43b auf sowie zwei weitere Entlastungssicken 71b, die in der fertigen Bipolarplatte 2 jeweils mit einer der Entlastungssicken 43a, 71a der ersten Separatorplatte 2a überlappen. Die weiteren Entlastungssicken 71a sind den inneren Entlastungssicken 43a, 43b strukturell ähnlich, weisen jedoch eine geringere Länge auf. Für Details sei deswegen auf die Beschreibung der inneren Entlastungssicken 43a, 43b verwiesen. Sie können der Entlastung der Sickenanordnung 49a, 49b zwischen dem gekrümmten Abschnitt und einer Erhebung und/oder Vertiefung dienen. Anders als die erste Separatorplatte 2a weist die zweite Separatorplatte 2b zusätzlich drei äußere Entlastungssicken 44b auf. In 7 ist jeweils eine schematische Darstellung beider Separatorplatten 2a, 2b dieser Ausführungsform in Draufsicht gezeigt.
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Die Erhebungen und Vertiefungen sind in dieser Ausführungsform in beiden Separatorplatten 2a, 2b gegenüber von Wendepunkten des wellenförmigen Verlaufs der Sickenanordnung 49a, 49b angeordnet. Diese Wendepunkte des Verlaufs der Sickenanordnung sind die Punkte, an denen der Verlauf der Sickenanordnung 49a, 49b sein Krümmungsverhalten ändert, also von konkav in konvex übergeht und andersherum. Die Vertiefungen 42a, 42b sind jeweils etwas kleiner ausgebildet als die Erhebungen 41a, 41b, so dass die Vertiefungen 42a, 42b in den Erhebungen 41a, 41b Aufnahme finden. Zur am weitesten vom Eckbereich 27 entfernten Erhebung 41a in der Separatorplatte 2a ist keine entsprechende Vertiefung in der Separatorplatte 2b ausgebildet.
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Eine weitere Ausführungsform ist schematisch und in Draufsicht in 8 gezeigt. Diese Ausführungsform weist äußere Entlastungssicken 44a, 44b (nicht sichtbar), aber keine inneren Entlastungssicken auf. Unabhängig davon variiert der Umriss von Erhebung 41a zu Erhebung 41a'. Während zumindest ein der Kante gegenüberliegender Abschnitt des Umrisses einer Erhebung 41a ebenso wie der Vertiefung 42a, insbesondere die Biegekanten 81a, 82a parallel zur Kante verläuft, weist die Erhebung 41a' keinen solchen Abschnitt des Umrisses auf, der der Kante gegenüberliegt und parallel zur Kante verläuft, vielmehr verläuft die der Sickenanordnung 49a zugewandte Biegekante 81a' schrägt zur Kante. Es sind auch Variationen denkbar, in denen lediglich die Breite und/oder die Länge der Erhebung 41a, 41a' variiert, während beispielsweise zur Kante parallele Abschnitte beibehalten werden. Es sind ebenso Ausführungsformen denkbar, in denen zusätzlich oder alternativ der Umriss der Vertiefungen 42a variiert werden kann. Weiter ist denkbar, dass die Separatorplatte 2a bei Variation der Umrisse von Erhebungen 41a, 41a' und/oder Vertiefungen 42a keine Entlastungsickensicken, nur innere Entlastungssicken 43a, 43b und/oder innere 43a, 43b, äußere 44a, 44b und/oder weitere Entlastungssicken 71a aufweist. Optional oder alternativ ist denkbar, dass auch die Tiefe und/oder Höhe der Vertiefungen 42a beziehungsweise Erhebungen 41a, 41a' variiert.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform ohne Erhebungen und Vertiefungen, in der die Separatorplatte 2a lediglich innere und äußere Entlastungssicken 43a, 44a aufweist. Es sind ebenso Ausführungsformen denkbar, in denen auch in dem geraden Abschnitt weitere Entlastungssicken vorgesehen sein können.
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Die 10 zeigt eine Ausführungsform, in der die äußeren Entlastungssicken so angeordnet sind, dass zwei Sickenanordnungen 49a, 59a zwischen den äußeren Entlastungssicken 44a und der Kante der Durchgangsöffnung 11 angeordnet sind. Die beiden Sickenanordnungen können beispielsweise einerseits einer Perimetersicke 59a vergleichbar der Perimetersicke 12d in 2 und 3 und andererseits einer Portsicke 49a vergleichbar der Portsicke 12a, 12b oder 12c in 2 und 3 entsprechen. Während die Portsicke 49a die Durchgangsöffnung 11 vollständig umgibt, entfernt sich die Perimetersicke 59a in ihrem weiteren Verlauf von der Portsicke 49a und der Durchgangsöffnung 11. Weiterhin unterscheidet sich diese Ausführungsform von den vorhergehenden darin, dass die inneren Entlastungssicken 43a, 43b zusätzliche Öffnungen 47a an ihren den Sickenanordnungen 49a, 59a zugewandten Enden aufweisen, die einen zusätzlichen Spannungsabbau bzw. eine zusätzliche Spannungsvermeidung in Richtung senkrecht zur Kante der Durchgangsöffnung ermöglichen.
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Die 11 zeigt eine Ausführungsform, in der wie in 10 am zur Sickenanordnung 49a weisenden Ende der inneren Entlastungssicken 43a, 43b Öffnungen 47a ausgebildet sind. Weiter sind am zur Sickenanordnung 49a weisenden Ende der äußeren Entlastungssicken 44a, 44b in beiden Separatorplatten 2a, 2b sichelförmige Öffnungen 48a, 48b ausgespart, die sich entlang der inneren Enden der äußeren Entlastungssicken 44a, 44b erstrecken. Anstelle der einzelnen Öffnungen 47a könnte auch am äußeren Ende der inneren Entlastungssicken eine vergleichbare sichelförmige Aussparung vorgesehen sein. Ebenso könnten am inneren Ende der äußeren Entlastungssicken 44a, 44b einzelne Öffnungen 47a vorgesehen sein. In der 11 sind lediglich Vertiefungen 42a und Erhebungen 41a in einem Bereich des geraden Abschnitts 26 vorgesehen, der unmittelbar an den Eckbereich 27 der Kante angrenzt. Alternativ können die Erhebungen 41a und Vertiefungen 42a auch entlang des gesamten geraden Abschnitts 26 vorgesehen sein, vgl. zum Beispiel die 4-6, 8 und 10.
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Sowohl in 10 als auch in 11 sind die zusätzlichen Öffnungen 47a, 48a, 48b nur mit den Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b verbunden und zu den Sickenanordnungen 49a, 49b, 59a, 59b beabstandet.
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Es sei noch angemerkt, dass die Erhebungen 41a, 41b, Vertiefungen 42a, 42b, Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b und Sickenanordnungen 49a, 49b jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a, 2b ausgebildet und in die Separatorplatten 2a, 2b eingeformt sind, z. B. in einem Präge-, Tiefzieh- oder Hydroformingprozess.
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Weiter ist in den 4-11 zu erkennen, dass jede Sickenanordnung 49a, 49b ein Sickendach aufweist, jede Erhebung 41a, 41b ein Erhebungsdach aufweist und jede Vertiefung 42a, 42b einen Vertiefungsboden aufweist. Das Sickendach, das Erhebungsdach und der Vertiefungsboden sind in der Regel jeweils parallel zur Plattenebene 45a, 45b ausgerichtet und als ebene Fläche ausgestaltet. Die Entlastungssicken 43a, 43b, 44a, 44b, 71a weisen in der Regel gewölbte, relativ flexible Sickendächer auf, damit Materialspannungen in der x-y-Ebene ausgeglichen werden können.
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Die Separatorplatten 2a, 2b der 4-11 sind zusammengefügt und bilden eine Bipolarplatte 2. Hierbei sind die Durchgangsöffnungen 11 zueinander fluchtend oder teilweise überlappend angeordnet. Außerdem weisen die Sickenanordnungen 49a, 49b, 59a, 59b der Separatorplatten 2a, 2b voneinander weg. Weitere Einzelheiten und Details der Bipolarplatte 2 können der obigen Beschreibung entnommen werden. Die Separatorplatten 2a, 2b können zum Beispiel in ihren Randabschnitten 51a, 51b mittels zumindest einer Schweißverbindung, insbesondere einer Laserschweißverbindung miteinander verbunden sein. Grundsätzlich ist dies überall in den Bereichen möglich, wo der Randabschnitt 51a der ersten Separatorplatte 2a den Randabschnitt 51b der zweiten Separatorplatte 2b berührt. Dies kann also auch dort erfolgen, wo die Erhebungen und Vertiefungen der beiden Separatorplatten 2a, 2b einander kontaktieren.
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Weiter wird eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, welche zwei der zuvor beschriebenen Separatorplatten 2a, 2b umfasst. Die elektrochemische Zelle weist außerdem eine zwischen den Separatorplatten 2a, 2b angeordnete Membran-Elektrodeneinheit, wie die MEA 10 der oben im Kontext der 2 beschriebenen Art auf. Die Durchgangsöffnungen 11 sind zueinander fluchtend oder teilweise überlappend angeordnet. Weiter weisen bei dieser Betrachtungsweise die Sickenanordnungen 49a, 49b, 59a, 59b der Separatorplatten 2a, 2b der einander benachbarten Bipolarplatten aufeinander zu. Es kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen 41a, 41b und/oder die mindestens eine Entlastungssicke 43a, 43b der Separatorplatten 2a, 2b Abstützflächen für die MEA 10 bilden.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- elektrochemisches System
- 2
- Bipolarplatte
- 2'
- Bipolarplatte
- 2a
- Einzelplatte
- 2b
- Einzelplatte
- 3
- Endplatte
- 4
- Endplatte
- 5
- Medienanschluss
- 6
- Stapel
- 7
- z-Richtung
- 8
- x-Richtung
- 9
- y-Richtung
- 10
- Membranelektrodeneinheit
- 11
- Durchgangsöffnung
- 11a-c
- Durchgangsöffnungen
- 12
- Dichtsicke
- 12a-d
- Dichtsicken
- 13a-c
- Durchführungen
- 14
- Membran
- 15
- Randabschnitt
- 16
- Strukturen zum Führen eines Fluids
- 17
- Strömungsfeld
- 18
- elektrochemisch aktiver Bereich
- 19
- Hohlraum
- 20
- Verteil- und Sammelbereich
- 22
- Außenrandbereich
- 23
- Kante
- 23a-c
- Kante
- 24
- Teilabschnitt
- 25
- Eckbereich der Sicke
- 26
- gerader Abschnitt
- 27
- Eckbereich der Kante
- 28
- Randabschnitt
- 29
- Versteifungsstruktur
- 30
- Ausnehmung
- 31
- konvexer Abschnitt
- 32
- konkaver Abschnitt
- 33
- konvexer Abschnitt
- 35
- Schweißverbindung
- 36
- Schweißverbindung
- d1
- minimaler Abstand der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im Eckbereich 27
- d2
- minimaler Abstand der Sickenanordnung 12 zur Kante 23 im geraden Abschnitt 26
- α
- Umfangswinkel der Kante 23 im Eckbereich 27
- β
- Umfangswinkel der Kante 23 im Eckbereich 27
- φ
- erster Winkel
- 41a, 41b
- Erhebung
- 42a, 42b
- Vertiefung
- 43a, 43b
- innere Entlastungssicke
- 44a, 44b
- äußere Entlastungssicke
- 45a, 45b
- Plattenebene
- 47a, 47b
- Öffnung am Ende einer inneren Entlastungssicke
- 48a, 48b
- Öffnung am Ende einer äußeren Entlastungssicke
- 49a, 49b
- Sickenanordnung (Portsicke)
- 51a, 51b
- Randabschnitt
- 59a, 59b
- Sickenanordnung (Perimetersicke)
- 71a
- weitere Entlastungssicke, nicht im Eckbereich
- 81a, 81a'
- Biegekante
- 82a, 82a'
- Biegekante
- 100
- Drehachse
