WO2016059215A1 - Separatorplatte und elektrochemisches system - Google Patents

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WO2016059215A1
WO2016059215A1 PCT/EP2015/074016 EP2015074016W WO2016059215A1 WO 2016059215 A1 WO2016059215 A1 WO 2016059215A1 EP 2015074016 W EP2015074016 W EP 2015074016W WO 2016059215 A1 WO2016059215 A1 WO 2016059215A1
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separator plate
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wave
region
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PCT/EP2015/074016
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Thomas STÖHR
Claudia Kunz
Stephan Wenzel
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Reinz-Dichtungs-Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a Separatorplatte for an electrochemical system and such an electrochemical system.
  • the Separatorplatte can be used for example for a fuel cell system in which electrical energy is obtained from hydrogen and oxygen.
  • the separator plate can also be used for an electro-typewriter in which hydrogen and oxygen are generated from water by applying a potential.
  • the separator plate can also be used for an electrochemical compressor in which molecular hydrogen is transported through the membrane by the application of a potential by means of oxidation / reduction and at the same time compressed.
  • the separator plate can also be used for a Humidifier be used for an electrochemical system in which a dry gas to be supplied to an electrochemical system by means of a moist gas, usually an exhaust gas of an electrochemical system, is moistened.
  • a moist gas usually an exhaust gas of an electrochemical system
  • electrochemical system a plurality of electrochemical cells, for example up to 200, are usually stacked in series to form a stack or stack such that the cells are then separated from each other by a separator plate.
  • the lines themselves usually consist of a membrane electrode assembly, also referred to as MEA (membrane electrode assembly), and a respective gas diffusion layer (GDL), e.g. made of electrically conductive carbon mat, on both sides of the MEA.
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layer
  • the cell consists only of a membrane, possibly with a support medium and with the GDLs comparable porous structures, but need not be electrically conductive.
  • the separator plates In an electrochemical system, apart from the separation of the electrochemical cells, the separator plates have several additional functions in relation to one another. This is on the one hand the electrical contacting of the electrodes of the various electrochemical cells and the forwarding of the current to the respectively adjacent cell, and on the other hand the supply of the cells Cells with the operating media and the disposal of the reaction products, further the cooling of the electrochemical cells and the transfer of waste heat, as well as the sealing of the compartments of the two different operating media and the coolant against each other and to the outside.
  • the two metallic individual plates of the separator are corresponding to supply the electrochemical cells through holes for operating media, usually on the one hand in particular hydrogen or methanol and on the other hand, in particular air or oxygen, and coolant, usually mixtures of demineralized water and antifreeze formed.
  • operating media and coolant are referred to collectively as media.
  • a distribution structure is formed in each of the two metal individual plates, with channels forming on both surfaces of the two individual plates.
  • a respective operating medium and in the space between the two metallic individual plates the coolant is guided.
  • the region in which an operating medium is guided in a channel structure is also referred to as an electrochemically active region of the separator plate.
  • Each of the distribution structures communicates with at least two of the through openings, namely at least one inlet and at least one outlet for the respective fluid.
  • each of the metallic individual plates is at least closed circumferentially around the electrochemically active region of the separator around and surrounding the through openings each surrounded by a sealing structure which is spaced to the electrochemically active region or the respective edge of the through hole is.
  • the sealing of the electrochemically active region can take place in such a way that passage openings are arranged inside the sealing structure which is closed around it and are sealed by its own circumferential sealing structures against the compartment containing the electrochemically active region.
  • the sealing elements were formed as Volisicken with at least partially non-linear course. These are, on the one hand, corrugations that thicken and dilate periodically alternately on both sides, and on the other corrugations, which have a wave-shaped course in sections.
  • the base widths of the bead flanks - measured at right angles to the respective neutral fiber of the wave-shaped bead - remain the same over their course in the wave-shaped sections.
  • different inner and outer radii which have different stiffnesses and springbacks, are formed, in particular in the region of the crests and valleys, ie the vertices.
  • the object of the invention is thus to provide a separator, which allows a uniform sealing of an electrochemical cell without much more space is required for the sealing than for the seals of the prior art for the seal.
  • the costs for the separator plate should remain comparable to the costs of a separator plate of the prior art, so that both the cost of the manufacturing process and the cost of materials may increase at most negligible.
  • the seal should be used both for sealing systems without branches and extensions as well as those with branches and / or extensions.
  • the invention thus relates on the one hand a Separatorplatte for an electrochemical system with two metallic individual plates.
  • the metallic individual plates each have through openings for operating media and optionally cooling means as well as in the metallic individual plates molded distribution structures, each communicating with at least two of the through holes, in each of the metallic individual plates is at least circumferentially around the electrochemically active region and spaced therefrom and / or circumferentially about at least one of the through holes and spaced apart whose edge has a peripheral sealing structure whose cross-section has a bead roof, two bead flanks and at least partially two bead feet.
  • Border lines form on both sides of the beaded roof, which delimit the beaded roof extending parallel to the plane of the plate against the inclined edges of the bag, including a transition radius that is usually present. It is essential that the sealing structure extends at least in sections at least in sections wavy with at least two wave periods with convex and concave sections, so that at the transition from the bead roof to the bead flanks upper inner and outer radii and lower sipe feet inside and Train external radii.
  • the width (W D ) of the beaded roof is constant in the region of its wave-shaped extension, but the base width (W
  • the waveform of the piece roof is superimposed on a main extension direction. This main direction of extension results from the connecting line of the inflection points of the neutral fiber of the bead roof.
  • a convex section thus extends from one nem turning point or from a perpendicular to the tangent to the neutral fiber of the beaded roof at its inflection point over a more protruding from the main extension direction of the bead vertex to the next inflection point, a concave portion of a turning point or from a perpendicular to the tangent to the neutral fiber of the Sick roof at its inflection point over a less strongly projecting from the main extension direction of the bead vertex to the next inflection point.
  • the amplitudes of the boundary lines of the bead can be different from the amplitudes of the course lines of the bead feet, while the wavelengths are identical.
  • At least one of the bead flanks in the region of the wave-shaped course of the bead roof has extensions which have a roof, two flanks and two feet, these projections are designed so that the overall height of the extensions lower is the total height of the sealing structure, so that the extensions do not affect the actual sealing line or only slightly.
  • These extensions can serve on the one hand to allow the passage of a medium across a sealing line.
  • the extensions are preferably provided on both bead flanks.
  • extensions can also serve exclusively as support structures or stiffening structures, they usually only have a length which is less than 5 times the width of the bead roof.
  • the arrangement of the extensions is advantageously carried out so that the distance between at least two extensions to each other, preferably all extensions to each other at a bead edge nx ⁇ / 2, where ⁇ corresponds to the period length of the waveform of the sill roof and n is a natural number.
  • the extensions can therefore be present, for example, at each trough and / or each wave crest of the section of the sealing structure in which the bead roof shows a wave-shaped course. However, they can also be arranged at the inflection points of the wave structure.
  • the number of extensions depends on the respective intended use and the total length, ie the number of wave periods of the wave-shaped region of the bead-roof. For a uniform seal, it is advantageous if the base width (W
  • the sealing system of the separator plate in addition to the already described change in the base width of at least one bead edge also changes the flank angle in the region of the wave-shaped extension of the bead has.
  • ) between the bead roof and a bead flank extending in a concave section and the flank angle (ct A ) between the bead roof and the opposite bead flank which change in a convex Section extends, at least in sections, to varying degrees.
  • the lower outer radius at a cross section through the sealing structure is equal to or greater than the upper outer radius.
  • the cross section of the bead is always determined perpendicular to the neutral fiber of the beaded roof.
  • the side roofs of the sealing structures of the two metallic individual plates of the separator plate have a mirror-symmetrical course with respect to their contact surface. Even with small inaccuracies in the placement of individual separator plates in the plate stack, a precise propagation of the sealing lines through the entire plate stack is thus achieved with sufficient width of the bead roof.
  • the mirror symmetry therefore primarily relates to the course of the bead-roofs of the sealing structures, but it may also relate to the entire sealing structures, the sealing structures here being meant without any extensions which may be present.
  • the height of the sealing structures can also plate in both metallic plates of the separator be substantially identical. As a result, a particularly uniform compression and sealing is achieved because the spring force of the beads in both individual plates is identical.
  • the sealing structure of the separator plate extends not only in a single contiguous section with a wave-shaped beaded roof, but it is advantageous for optimum sealing, if several sections of the sill roof, the connected over the Sickenverlauf, but spatially separated (ie, for example another location of the plate), each extending wavy.
  • the different sections of wavy extension have different wavelengths and / or amplitudes, but it is preferred if at least all roof sections of a continuous Beading, preferably even all beads, which have a wave-shaped course of the bead roof, the same wavelengths and amplitudes.
  • the wave-shaped sections of the bead-roof extend in those sections of the sealing structure in which the sealing structure is macroscopically viewed, i. E. has a rectilinear course or a slightly curved course with a radius> 15 mm in relation to its main extension direction.
  • the width of the beaded roof is at least in the region of the wave-shaped course of the beaded roof between 0.2 and 2 mm, preferably between 0.9 and 1.2 mm.
  • the width of the Si ckendachs further linear or curved course also in the above areas.
  • the bead sections with wave-shaped course of the bead-bead have in addition to the change in the base width of at least one bead edge and a change in the edge angle of the respective bead edge (s) on.
  • the adjacent flank angle increases from a cross-section perpendicular to the tangent through the inflection point of the neutral fiber to a cross-section perpendicular to the tangent through the apex of the convex portion of the pitch-corrugated fiber neutral fiber and then to Cross-section perpendicular to the tangent through the next turning point of the neutral fiber out again.
  • the flank angle of a concave portion starting from a cross-section perpendicular to the tangent through the inflection point of the neutral fiber, first to a cross-section perpendicular to the tangent through the apex of the concave portion, decreases the trough of the neutral fiber of the sipe roof, ie the minimum, and then to to the cross section perpendicular to the tangent through the next turning point of the neutral fiber back to.
  • the changes are continuous. In principle, it is advantageous if the flank angle of a concave section is smaller than the flank angle of a convex section.
  • the fuel angle of a concave portion is generally between 15 ° and 60 °, preferably between 25 ° and 50 °, while the flank angle of a convex portion is generally between 20 ° and 65 °, preferably between 30 ° and 55 °.
  • the ranges are defined in each case inclusive or exclusively of the named limits. In this way, the solution according to the invention differs significantly from the prior art, in which the flank angles remain unchanged over the course of the bead.
  • the change of the flank angle in a concave section between inflection point and vertex corresponds to a decrease by up to 50%, preferably up to 40%, based on the value at the inflection point, the change of the flank angle in a convex portion between inflection point and vertex of an increase of up to 120%, preferably up to 100%, more preferably up to 70 % based on the value at the inflection point.
  • the base width of the bead can change along one of its sections, in which the bead roof is welienförmig, only on a bead flank, in one embodiment, however, on both bead flanks. If it changes only on a bead flank, the change, if it takes place in a convex section, if there is a decrease, is at least 5%, preferably at least 25%, of the base width at a cross section perpendicular to the tangent at one of the adjoining flanks Turning points, it takes place in a concave section, so it is an increase, the change is at least 5%, preferably at least 20% based on the base width at a cross section perpendicular to the tangent at one of the adjacent inflection points.
  • the change is between 5 and 70%, preferably between 30 and 55%, based on the base width at a cross section perpendicular to the tangent at one of the adjacent turning points.
  • the overall width of the sealing structure is constant from bead foot to foot in the area of a wave-shaped extension of the bead roof, so that the base width of the two bead flanks always changes in a complementary manner.
  • the sealing structure extends linearly in total in the region of the wave-shaped extension of the beaded roof.
  • the space requirement for the sealing structure is particularly low.
  • the invention relates to a separator plate for an electrochemical system which has two metallic individual plates, each of which has passage openings for operating media and, if necessary, coolant and distribution structures molded into the metallic individual plates, each communicating with at least two of the passage openings.
  • each of the metallic individual plates at least circumferentially around the electrochemically active region and spaced from this and / or circumferentially formed around at least one of the through holes and spaced from the edge of a circumferential sealing structure whose cross section has a bead roof, two bead flanks and at least partially two bead feet ,
  • the sealing structure extends, at least in sections, in the form of a wave, at least in sections, with at least two wave periods with convex and concave sections.
  • upper inner and outer radii are also formed here at the transition from the bead roof to the bead flanks, and lower inner and outer radii are formed at the bead feet.
  • This embodiment of the invention is characterized in that at least one side adjacent to the bead feet at least along the area in which the bead roof extends wavy, sections welded joints between the two metal plates of the separator plate are provided, the welds each adjacent to the area a convex portion of the Weilenverlaufs and preferably substantially concentric with the lower outer radius.
  • the distance to the bead base preferably corresponds to a maximum of twice, in particular at most the simple width of the bead roof.
  • the flat portions adjacent to the Sickfoot which tend to diverge without further action due to a low spring stiffness, connected to each other and the entire separator plate thus receives more structural rigidity.
  • the welding takes place precisely in the areas in which the structural rigidity is to be increased, while the Areas of sufficient structural rigidity along the crimp feet of
  • one of the bead flanks in the region of the wave-shaped course of the beaded roof can have extensions which have a roof, two flanks and two feet, wherein these extensions are designed such that the overall height of the extensions is smaller as the total height of the sealing structure.
  • the welded joints extend, as already stated, only partially. In this case, it is preferable if their extent amounts to at least 1/9 of the wavelength of the wave-shaped course of the bead-roof. Further, it is preferred if the extension of the welded joint extends over the entire convex region of the wave path, ie between the perpendiculars through the mutually nearest inflection points of the neutral fiber of the beaded roof.
  • the sealing structure of a single plate has constant height, exceptions are possibly existing extensions. It is particularly preferred if all individual plates have sealing structures with a constant height.
  • the sealing structure has a coating for micro-sealing at least in the region of the bead roof.
  • the coating is applied, for example, to at least one, but preferably on both individual plates so on the bead roof that it is located on the outside of the separator.
  • the coating advantageously contains, as a binder, FPM (fluoroelastomer), silicone rubber or NBR rubber (nitrile-butadiene rubber), PUR (polyurethane), NR (natural rubber), FF M (perfiuorubber), SBR (styrene-butadiene rubber).
  • the coating may also be a pressure-sensitive adhesive or a physically-setting adhesive.
  • This may be, for example, a permanently tacky adhesive, which preferably consists of mixtures of rubbers and adhesive resins, so-called Tackifiern, or a sub-crosslinked rubber, wherein synthetic and natural resins come as adhesive resins in question.
  • Natural and synthetic rubbers, polyacrylates, polyesters, polychloroprenes, polyvinyl ethers and / or polyurethanes and / or fluoropolymer rubbers can be used as base polymers, to which resins such as, in particular, modified natural resins, for example rosin and / or synthetic resins, for example. Polyester resins, phenolic resins - and plasticizers and / or antioxidants can be added. Typical coating thicknesses for all the aforementioned substances are between 5 and 200 micrometers.
  • the metallic layers of the separator plates are preferably made of steel, in particular stainless steel, wherein in the electrochemically active region conductive coatings may be present.
  • steel in particular stainless steel
  • aluminum, titanium, wafz-coated, low alloy steels e.g. with chrome, stainless steel, niobium, tantalum or chrome
  • Nickel alloys are coated. Usual plate thicknesses are between 50 and 200 microns, preferably between 60 and 150 microns.
  • the separator plates can be guided in bipolar plates in which different media are conveyed on both surfaces and
  • Monopolar plates in which the same medium is performed on both surfaces of a monopolar plate are distinguished. In most cases, slightly different monopolar plates are used for the two different media. In particular, the differences may pertaining to the presence of projections on the sealing beads. The course of the sealing structures and thus their sections wave-shaped design, however, is usually identical or mirror-symmetrical in all plates. The remarks of this description apply to both types of plates, unless differences are emphasized by explicit mention. In both types of plates preferably coolant is guided in the space between the two individual plates of the respective plate.
  • the separator according to the invention plates use in an electrochemical system.
  • an electrochemical system includes two end plates, as well as a plurality of electrochemical cells, each separated by a separator plate according to any one of the preceding claims.
  • the entire system is preferably held together by means of bracing means, for example bolts or straps, and provided with a bracing force optimized for the sealing.
  • bracing means for example bolts or straps, and provided with a bracing force optimized for the sealing.
  • transition plates may be provided, the design of which deviates from the design of the separator plates of the stack. Most per end plate such a transition plate, which can also be designed in several layers, available.
  • the electrochemical system is preferably a fuel cell system, an electrolyzer, an electrochemical compressor system or a humidification system for a fuel cell system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrochemical
  • FIGS. 5a-5e are identical to FIGS. 5a-5e.
  • FIGS. 6a-6e are identical to FIGS. 6a-6e.
  • FIGS. 7a - 7e each in five partial views of sections of the
  • Sealing system of three different Separatorptatten invention is a plan view of a detail of a sealing system of a further separator plate according to the invention.
  • FIGS. 9a, 9b show an oblique view and a plan view of a section of a sealing system of a further separator plate according to the invention with passages through the sealing system;
  • FIGS. 10a, 10b a plan view of a section of a sealing 10c system of a further separator plate according to the invention with the sealing system adjacent
  • FIGS. IIa, IIb is an oblique view and a plan view of a detail of a sealing system of another separator plate according to the invention.
  • FIG. 12 is a plan view of a detail of a sealing system of a further separator plate according to the invention.
  • Figure 1 illustrates an electrochemical system 1 with a plurality of alternately stacked cells 46 and Separatorplatten 2 and two stack or stack limiting end plates 11, 11 '.
  • the viewer facing end plate has six sockets 12 to 17, which Supply and discharge of reaction media and coolant are used: 12 denotes the supply port for air, 17 the exhaust port for oxygen-depleted air 13, the supply port for hydrogen, 16 the discharge port for unused hydrogen, 15 the supply port for coolant and 14 den
  • A denotes oxygen-rich or fresh air
  • D low-oxygen air B hydrogen
  • C unused hydrogen E cool coolant and heated coolant.
  • FIG. 2-a shows a cell 46 of an electrochemical system 1, in this case a fuel cell system 1, together with the two separator plates 2 and 2 'delimiting the cell 46.
  • the view is essentially in the z direction of the given in Figure 1 coordinate system.
  • the electrochemical system 1 of FIG. 2-a differs from that of FIG. 1 in that the reducing agent, namely the hydrogen, is passed through the stack not only via a port perpendicular to the plane of the plate, but via the two ports located in the upper corners 23, 23 '. The forwarding of the unused hydrogen gas in the stacking direction via the two located in the lower corners ports 26, 26 '.
  • the two lateral ports 24, 25 are used to direct coolant perpendicular to the plate plane through the stack.
  • the upper port 27 serves to füruritung sau first off rich air through the stack, the lower port 22 of the passage of oxygen-poor air through the stack.
  • the upper layer 2a of the reducing agent namely the hydrogen
  • Separator plate 2 has a sealing structure consisting of several beads.
  • a bead 32 that surrounds the electrochemically active region 29 and extends in sections along the outer edge 19 serves to seal the electrochemically active region 29 or the compartment enclosing it and, as a whole, the plate to the outside.
  • each of the ports 22 to 27 has a separate, surrounding the respective port bead 31, 31 '. It should be noted that the ports 22, 23, 23 ', 26, 26' and 27 for the reaction media together with the surrounding beads 31 are within the area surrounding the bead 32.
  • the viewer facing surface of the separator plate 2 further has a channel structure 28, here for the distribution of air, which simultaneously forms the electrochemically active surface 29.
  • the bead 32 thus surrounds the electrochemically active surface 29 circumferentially and at a distance, whereby the abrading changed in the course.
  • the supply of air from the port 27 to the channel structure 28 and the discharge of the depleted air from the channel structure 28 to the port 22 will be explained in more detail with reference to Figure 2-c.
  • Figure 2-b shows a section through two separator plates 2, 2 ', one between the two separator plates 2, 2' arranged electrochemical
  • Membrane electrode unit is on both sides of the MEA is in each case a gas diffusion layer (GDL) 44, 44 ', each consisting for example of an electrically conductive fleece made of graphite fibers arranged.
  • GDL gas diffusion layer
  • channel structures 28 are formed, which are used on both sides of the layer for the distribution of media.
  • the channel structures 28 form the electrochemically active region 29.
  • a first medium M1 namely air
  • a second medium M2 is distributed on the underside of the layer 2b.
  • the second medium M2 is hydrogen.
  • M3 is again air and M4 is again hydrogen.
  • the second medium M2 is again around Air.
  • the channels in a monopolar structure serve to distribute hydrogen, which here represents the third and fourth medium, M3 and M4.
  • M3 and M4 the third and fourth medium
  • the bead 31 surrounds the through-opening 23 and thus seals off the hydrogen port
  • the bead 32 which peripherally seals the electrochemically active region, runs along the section shown in the detail
  • the outer edge 19 of the layer 2a of the separator plate 2 so that it is cut only once in the section shown here .
  • the height of the beads 31, 32 with each other is substantially identical, the height of the beads 31, 32nd but is significantly higher than the height of the channel structures 28.
  • FIG. 2-c represents the layer 2a of the separator plate 2 which is closest to the viewer in FIG. 2-a in plan view, thus corresponds again to a view in the direction of FIG. 1.
  • the bead 31 ' surrounds the port opening 25 circumferentially and has a small, apart from the wave structure of the bead itself, substantially constant distance from the edge of the port opening 25.
  • the bead 31 surrounds the port opening 26 'in a comparable manner, but has an overall circular course without a wave structure. Again, the distance to the edge of the port is essentially constant.
  • the bead 32 extends along and spaced from the outer edge 19 of the layer 2a of the separator plate 2 and encloses not only the electrochemically active region 29, which seals it, but also the ports 22, 23, 23 ', 26, 26' and 27 together with the In the example shown, the bead 32 has a plurality of sections 35 in which the bead roof has a wave-shaped course. These sections 35 are macroscopically straightforward.
  • the portions 35, in which the bead 32 has a wave-shaped course of the beaded roof, respectively in elongate-rectilinear portions of the sealing system, while relatively strongly curved portions of the bead 32, as the oval-surrounded region S a Have the shape of the bead sill, which corresponds to the total extension direction of the bead 32 in the relevant section, so has no periodic wave-shaped course.
  • FIG. 3 basically shows the size ratios and angle designations in a sealing system of a separator plate, as will be used hereinafter.
  • the section of FIG. 3 corresponds, for example, to the section CC in FIG. 2-c, ie lies in a plane parallel to the yz plane of FIG. 1.
  • the total width of a bead 3 of a sealing system is W T , the width of the beaded roof 39 denoted by W D.
  • the inner and outer base widths W f and W A are identical in the considered symmetrical bead cross-section, so that for simplicity the designation W is used instead of the distinguishing designations W t , WA.
  • FIG. 3 further illustrates the various sections of a cross-section of a bead 3 from right to left: A beaded edge 38 follows a first beading foot 37, and after a further buckling point the beaded roof 39 follows. On the other side of the bead roof follow another bead flank 38 'and the second Sickerfuß 39' after another kink.
  • the squeezing feet are defined as the boundary points, which adjoin a bead flank on their end facing away from the bead roof, on which a tangent to the course of the layer runs parallel to the middle screen E of the separator plate 2. If a bead, irrespective of its function, is regarded as a sealing element 32 around an electrochemically active region 29 or as a sealing element 31, 31 'of an inner edge, it is referred to here and below as 3.
  • Figure 3 further illustrates how the two layers 2a, 2b a
  • Separatorpiatte 2 are formed essentially mirror-symmetrical and in the area outside the bead 3, more precisely starting at the bead feet 37,
  • Figure 4 is in three fields based on a section of a single layer 2a of a separator 2, the wave-shaped course of a portion of a bead 3 of the prior art, in which the bead 39 with constant width W D , namely 1.6 mm, wavy with at least two
  • Wave periods with wavelength ⁇ extends shown.
  • the sectional view of Figure 4-c corresponds to all three in Figure 4-b given cutting lines AD-AD, BD-BD and CD-CD alike.
  • the two bead flanks 38, 38 ' have over the entire course constant base width W of 0.7 mm.
  • the total width of the bead 3 W T is thus 3 mm. Since the base width of the bead flanks 38, 38 'does not change over the course of the bead and the base width of the bead flanks 38, 38' on both sides of the bead 39 is also identical, the bead 3 consequently has a uniform flank angle ⁇ .
  • flank angle in the outer angle or flank angle in the convex portion, ⁇ x A and internal angle or flank angle in the concave portion, OLI, so is not possible in the separator plate 2 of the prior art.
  • the angles ⁇ are each 35 °.
  • FIG. 4-b further emphasizes that the amplitudes of the respective bead feet and the two transition curves between the bead roof and the bead flanks adjacent thereto are identical.
  • Figure 4-b further illustrates the convex and concave portions, each extending between two dashed lines and the cutting line CD-CD, each of which represents a perpendicular to the tangent to the neutral fiber of the bead 39, extend.
  • 0 and ⁇ and the upper and lower outer radii r A o and r A u derived from virtual circles, which are indicated by two-dot chain dashed lines. While in the concave areas, in which inner radii are present, an above-average rigidity of the beads is given, this is below average in the convex areas in which external radii are present.
  • FIG. 5 comprises three cross-sectional representations, wherein FIG. 5-c reproduces the cross-section at the points of inflection, ie the sections AE-AE and DE-DE from FIG. 5-b.
  • Figure 5-c thus corresponds to Figure 4-c.
  • FIG. 5-d represents the cross-section BE-BE on the wave crest and FIG. 5-e the cross-section CE-CE on the wave trough of the upper crimp foot 38 from FIG. 5-b.
  • the width of the beaded roof 39, W D remains over the entire undulating course the bead 39 is constant and is 1.6 mm as in the previous example of the prior art.
  • the inflection points, which delimit the convex from the concave portions of the bead 3, are shown with dashed lines as in the previous example or lie on the two cutting lines AE-AE and DE-DE.
  • the line T marks the main extension direction of the bead 3 and results as a connecting line of the inflection points of the neutral fiber of the bead roof.
  • the base width W A of the respective bead flank 38, 38' is reduced so that it decreases starting at the inflection point up to the vertex and from the vertex to to the next turning point increases again.
  • the base width is 0.85 mm, at the vertex, however, only 0.65 mm.
  • the respective bead flank 38, 38 ' in the concave areas, however, constant with a base width of 0.85 mm.
  • the total width of the bead W T thus alternates between 3.1 and 3.3 mm.
  • the amplitude of the bead feet here is slightly larger than the amplitude of the transition lines between the bead roof and bead flanks, the ratio is approximately 1.25: 1.
  • remains constant over the respective concave area constant, it is like the angle ⁇ at the turning points 35 °.
  • the flank angle of the convex portion a A begins at an inflection point of 35 ° to 60 ° at the apex and then decreases again until the next inflection point to 35 °. Due to the steeper flank angle, the bead flank in the region in which it has a low bead rigidity in the prior art - cf. the markings g in Figure 4-b - stiffened, so that the bead has a constant overall rigidity over its undulating course.
  • the designations W A and a A are respectively to the convex portions and the designations W
  • FIG. 6 again shows with five partial images a second embodiment of a separator plate 2 according to the invention on the basis of sections of its bead 3.
  • the cross section at the two points of inflection which is reproduced in FIG. 6-c, essentially corresponds to the cross section of FIG -c since the bead 3 seems to be symmetrical here.
  • Figure 6-b illustrates, however, that the bead flanks 38, 38 'are widened in the concave areas between the turning points, so that here also the bead 3 has an overall asymmetric course.
  • the bead 3 of the embodiment according to FIG. 6 differs from the bead 3 of the embodiment according to FIG. 6 in that the beaded roof 39 is somewhat narrower, namely only has a width W D of 1.2 mm. At the turning points, the base width is the
  • the outer edge W A of the bead extends with this base width from turning point to turning point.
  • the base width of the inner edge W t increases starting at a turning point of 0.6 mm to 0.8 mm at the trough to decrease in its course until the next turning point to 0.6 mm again.
  • the total width W T of the bead 3 varies in this embodiment between 2.4 and 2.6 mm.
  • flank angle remains constant on the outer flank A A ; it is 34 ° here.
  • the flank angle on the inner flank ct On the other hand, it decreases over the course of a concave section from point of inflection to point of inflection from 34 ° to 26 ° at the trough and then increases again to 34 °.
  • the bead rigidity is reduced in the regions which are indicated by h in FIG. 4-b because of their above-average high rigidity in the stiffening, and thus the stiffening of the stiffening over the corrugated one
  • Figure 7 represents an embodiment of the invention, in which both the base width of the bead flank W A on the convex portions decreases and increases again and the base width of the bead flank W, on the concave sections and decreases again.
  • T marked as in the two previous embodiments, the main extension direction of the bead in the illustrated section.
  • the flank angle ⁇ XA thus experiences, over a convex portion, an increase up to the vertex which follows a decrease, in a concave portion the flank angle ct
  • the embodiment of FIG. 7 thus combines both approaches. ze, which are separated from each other in the embodiments of Figures 5 and
  • the width of the bead roof Wo is 1.2 mm, while the bead flanks at the vertex farther from the main extension line T have a minimum of their width W A of 0.6 mm, which increases to a width W until the next inflection point from 1 mm and further to the vertex lying closer to the main extension line T to a maximum of the width W t of 1.4 mm.
  • the flank angle ⁇ at the inflection points is 21 °, the flank angles et are thus flatter than in the preceding exemplary embodiments.
  • the flank angle A increases to 42 °
  • the total width W T of the bead 3 is 3.2 mm here.
  • FIG. 8 illustrates a further embodiment of a separator plate 2 according to the invention, now based solely on a plan view of a section of a bead 3, the bead of the bead of which runs in the form of a wave in the illustrated section.
  • both the flank angle of the convex portions is increased, and the flank angle of the concave portions is reduced. Accordingly, the base widths at the vertices, ie the wave crests and valleys are increased compared to the base widths of the inflection points.
  • the overall width W T of the bead 3 is also constant in the illustrated section with a wave-shaped course of the beaded roof 39.
  • the squeezing feet are rectilinear, here run the squeezing feet with a significantly lower amplitude, which is about 0.45 times the amplitude of the boundary lines of the sill.
  • FIG. 9 shows a section of a bead 3 of a separator plate 2 according to the invention, which has extensions 33 on both bead flanks 38, 38 ', as already explained in the context of FIG.
  • the extensions on both bead flanks 38, 38 ' are arranged periodically at a spacing of ⁇ / 2, in each case in the region of the points of inflection of the undulating course of the beaded roof 39.
  • the extensions 33 serve to pass a medium through the sealing barrier Beading 3 and that on the surface facing away from the viewer surface of the layer 2a of the separator 2, namely between the two were 2a and 2b.
  • the extensions each consist of two feet, which extend vertically in Figure 9-b, two flanks and a roof, the feet of the extensions are indeed in the same plane as the squeezing feet, the total height of the extensions but less than the height of the bead 3, so that the extensions affect the compression behavior of the bead only marginally.
  • the bead feet 37, 37 ' are interrupted.
  • the extensions 33 are formed only in the upper layer 2a.
  • the bead of this embodiment corresponds to that of the embodiment of FIG.
  • FIG. 10 a shows a section of a bead 3 of a separator plate 2 according to the invention, which is located only on the bead flank 38 located in the figure below has two extensions 33, which are spaced from each other by a wavelength ⁇ .
  • the extensions serve here as a barrier between the channel structure, not shown, which adjoins below the section shown and the sealing structure. They prevent the medium outside the electrochemically active region from flowing past the gas diffusion layers 44 and 44 'shown in FIG. 2-b and thus not being available to the electrochemically active electrodes 42 and 42'. This would lead to unacceptable losses in the utilization of the fuel gases and thus to a significant reduction in the efficiency of the electrochemical cell.
  • FIG. 10b shows a section of a bead 3 of a separator according to the invention.
  • This is an embodiment in which only one bead flank 38 (with bead foot 37) changes, while the flank 38 'lying opposite the extensions in this case remains constant and thus the bead foot 37' runs parallel to the bead roof 39.
  • the increase in the flank angle in concave areas shown in FIG. 10b is only one possibility.
  • 32 0 ).
  • flank angles described are not only limited to the regions in which protrusions 33 are introduced in a bead flank, but can similarly be used in any other region of the beaded bead region on a separator plate 2, 2 ' ,
  • edge facing the active area or the outward facing bead edge can be adapted and this can also be varied individually in different areas of the separator plate, in accordance with the local requirements for the beading properties.
  • 11 shows an oblique view and a plan view of a further embodiment of a separator plate 2 according to the invention, different from the previous oblique views except for FIG. 9a showing both layers 2a, 2b of the separator plate 2.
  • the side edges run with a constant base width, to even out the
  • bead-pressing is provided with weld connections 60, 60 'in sections, which are essentially concentric in their radius to the bead feet 37, 37' of the two layers 2a, 2b of a separator plate 2.
  • the extent of the welds 60, 60 ' here corresponds exactly to the extent of the convex portion, i. from a perpendicular to the tangent to the neutral fiber of the bead 39 through a first inflection point to a perpendicular to the tangent to the neutral fiber of the bead 39 through a second inflection point adjacent to the first inflection point.
  • the welds are provided in all convex areas shown, so that both sides of the bead are given welded joints.
  • FIG. 12 shows a variant of the embodiment of FIG. 11, in which only the extent of the weld seams is reduced compared with the embodiment of FIG. It is about 20% of the wavelength ⁇ here.

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Abstract

Das vorliegende Schutzrecht betrifft eine Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System (1), umfassend zwei metallische Einzelplatten (2a, 2b), wobei die metallischen Einzelplatten (2a, 2b) Durchgangsöffnungen (22-27) für Betriebsmedien und ggf. Kühlmittel aufweisen sowie in die metallischen Einzelplatten (2a, 2b) eingeformte Verteilungsstrukturen (28), die jeweils mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen (22-27) kommunizieren, wobei in jede der metallischen Einzelplatten (2a, 2b) zumindest umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich (29) und beabstandet zu diesem und/oder umlaufend um mindestens eine der Durchgangsöffnungen (22-27) und beabstandet zu deren Kante eine umlaufende Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) eingeformt ist, deren Querschnitt ein Sickendach (39), zwei Sickenflanken (38, 38') und zumindest abschnittsweise zwei Sickenfüße (37, 37') aufweist, wobei sich die Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) zumindest im Bereich ihres Sickendachs (39) zumindest abschnittsweise wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten erstreckt. Es ist vorgesehen, dass das Sickendach (39) im Bereich seiner wellenförmigen Erstreckung eine konstante Breite (WD) aufweist und dass sich im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs (39) die Basisbreite (WI, WA) mindestens einer der beiden Sickenflanken (38, 38') ändert.

Description

Separatorplatte und elektrochemisches System
[0001] Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie ein solches elektrochemisches System.
[0002] Die Separatorplatte kann beispielsweise für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie gewonnen wird. Die Separatorplatte kann auch für einen Elektroty- seur verwendet werden, bei dem durch Anlegen eines Potentials Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erzeugt werden. Die Separatorplatte kann ebenfalls für einen elektrochemischen Verdichter verwendet werden, bei dem molekularer Wasserstoff durch das Anlegen eines Potentials mittels Oxidati- on/Reduktion durch die Membran hindurch transportiert und gleichzeitig komprimiert wird. Darüber hinaus kann die Separatorplatte auch für einen Befeuchter für ein elektrochemisches System verwendet werden, bei dem ein einem elektrochemischen System zuzuführendes trockenes Gas mittels eines feuchten Gases, meist eines Abgases eines elektrochemischen Systems, befeuchtet wird. [0003] Üblicherweise umfassen Separatorplatten für ein elektrochemisches
System ein Plattenpaar mit zwei metallischen Einzelplatten, wobei jeweils zwei Separatorplatten eine elektrochemische Zelle, also beispielsweise eine Brennstoffzelle, umgeben und diese zur nächsten elektrochemischen Zelle hin abgrenzen. In einem elektrochemischen System wird dabei meist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, beispielsweise bis zu 200, derart in Serie zu einem Stapel oder Stack aufgestapelt, dass die Zellen dann jeweils durch eine Separatorplatte voneinander getrennt sind. Die Zeilen selbst bestehen üblicherweise aus einer Membran-Elektrodeneinheit, auch als MEA {membrane electrode assembly) bezeichnet, sowie jeweils einer Gasdiffusionslage (GDL), die z.B. aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoffvlies besteht, auf beiden Seiten der MEA. Der gesamte Stapel wird zwischen zwei Endplatten über ein
Verspannsystem zusammengehalten und mit einer vorbestimmten Pressung versehen. Im Fall eines Befeuchters besteht die Zelle nur aus einer Membran, ggf. mit einem Stützmedium sowie mit den GDLs vergleichbaren porösen Strukturen, die aber nicht elektrisch leitfähig sein müssen.
[0004] Den Separatorplatten kommt in einem elektrochemischen System neben der Abtrennung der elektrochemischen Zellen gegeneinander mehrere weitere Funktionen zu, dies ist einerseits die elektrische Kontaktierung der Elektroden der verschiedenen elektrochemischen Zellen sowie die Weiterlei- tung des Stroms zur jeweils benachbarten Zelle, andererseits die Versorgung der Zellen mit den Betriebsmedien und die Entsorgung der Reaktionsprodukte, weiter die Kühlung der elektrochemischen Zellen und die Weiterleitung der Abwärme, sowie das Abdichten der Kompartimente der beiden unter- schiedlichen Betriebsmedien und des Kühlmittels gegeneinander sowie nach außen.
[0005] In den beiden metallischen Einzelplatten der Separatorplatte sind entsprechend zur Versorgung der elektrochemischen Zellen Durchgangsöffnungen für Betriebsmedien, üblicherweise also einerseits insbesondere Wasserstoff oder Methanol und andererseits insbesondere Luft oder Sauerstoff, sowie Kühlmittel, meist Mischungen aus demineralisiertem Wasser und Frostschutzmitteln, ausgebildet. Im Folgenden werden Betriebsmedien und Kühlmittel gemeinsam als Medien bezeichnet. Weiter ist in jeder der beiden metallischen Einzelplatten eine Verteilungsstruktur eingeformt, wobei sich dabei auf beiden Oberflächen der beiden Einzelplatten Kanäle ausbilden. Auf jeder der nach außen weisenden Oberflächen der Separatorplatte wird jeweils ein Betriebsmedium und im Zwischenraum zwischen den beiden metallischen Einzelplatten das Kühlmittel geführt. Der Bereich, in dem ein Betriebsmedium in einer Kanalstruktur geführt wird, wird auch als elektrochemisch aktiver Bereich der Separatorplatte bezeichnet. Jede der Verteilungsstrukturen kommuniziert mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen, nämlich mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass für das jeweilige Fluid. Zur Abdichtung der verschiedenen Medienbereiche gegeneinander und nach außen ist jede der metallischen Einzelplatten zumindest geschlossen umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich der Separatorplatte herum sowie um die Durchgangsöffnungen herum jeweils von einer Dichtstruktur umgeben, die zu dem elektrochemisch aktiven Bereich bzw. der betreffenden Kante der Durchgangsöffnung beabstandet ist. Die Abdichtung des elektrochemisch aktiven Bereichs kann dabei so erfolgen, dass innerhalb der geschlossen um ihn umlaufenden Dichtstruktur Durchgangsöffnungen angeordnet sind, die durch eigene umlaufende Dichtstrukturen gegen das den elektrochemisch aktiven Bereich enthaltende Kompartiment abgedichtet sind. [0006] Bereits in der DE 101 58 772 AI wurde vorgeschlagen, die Dichtstruktur jeweils in die metallischen Einzelplatten der Separatorpfatte einzuprägen, nämlich in Form einer sich geradlinig erstreckenden Voll- oder Halbsicke. Mit diesen geradlinigen Sicken konnte bei kleinen Separatorplatten mit im wesentlichen quadratischer Grundfläche und einer kleinen bis mäßigen Plattenzahl bei gleichzeitig hoher Stackverspannung ein die damaligen Erwartungen zufriedenstellendes Abdichtergebnis erzielt werden, aber bereits im Falle sich geradlinig erstreckender Sicken bei Separatorplatten mit eher langgestreckten Plattengrundflächen oder größeren Separatorplatten war das Abdichtergebnis meist unzureichend. Bei langen, geradlinig verlaufenden Sickenabschnitten verlieren die Sicken mit wachsendem Abstand von den Eckpunkten ihre Steifigkeit und weisen in den betreffenden Bereichen keine ausreichende Rückstell kraft auf.
[0007] Dem wurde in der WO 2004/036677 A2 dadurch entgegenzutreten versucht, dass die Dichtelemente als Volisicken mit zumindest abschnittsweise nicht-linearem Verlauf ausgebildet wurden. Dies sind zum einen Sicken, die sich periodisch alternierend zu beiden Seiten verdicken und verdünnen sowie zum anderen Sicken, die abschnittsweise insgesamt einen wellenförmigen Verlauf aufweisen. Dabei bleiben die Basisbreiten der Sickenflanken - rechtwinklig zur jeweiligen neutralen Faser der wellenförmigen Sicke gemessen - über deren Verlauf in den wellenförmigen Abschnitten gleich. Als Folge bilden sich insbesondere im Bereich der Wellenberge und -täler, d.h. der Scheitelpunkte, unterschiedliche Innen- und Außenradien aus, die unterschiedliche Steifigkeiten und Rückfederungen aufweisen. Hierdurch ergeben sich entlang der beiden Sickenflanken jeweils alternierende und in Bezug auf einander gegenüberliegende Sickenflanken zueinander entgegengesetzt sich verändernde Homogenitäten der Verpressung im Kontaktbereich des Sickendachs. Hierbei besteht das Risiko, dass Medien in Bereichen geringerer Sickensteifigkeit durch die Dichtstruktur hindurch strömen bzw. dass Betriebsmedien in den Innenraum der Separatorplatte hinein fließen und Kühlmittel in den Außenraum der Separatorplatte. Die betreffenden Medien gehen dabei einerseits für den Betrieb des elektrochemischen Systems verloren. Dies ist im Hinblick auf die Effizient des elektrochemischen Systems nicht akzeptabel. Anderer- seits besteht das Risiko, dass Kühlmittel in den Bereich der Betriebsmedien gefangt und dort beispielsweise die Membran beschädigt.
[0008] Aufgrund der großen Anzahl an Separatorplatten in einem Stapel führt ein geringer Unterschied in der Steifigkeit und Rückfederung der Dichtsicke entlang ihres Verlaufs in einer einzigen Separatorplatte bzw. in einer einzigen metallischen Einzelplatte einer Separatorplatte zu einer sehr großen Differenz in der Rückfederung der in Serie geschalteten Dichtsicken, so dass geringe Unterschiede bei den einzelnen Separatorplatten sich signifikant auf die Dichtigkeit des gesamten Stapels auswirken.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Separatorplatte anzugeben, die eine gleichmäßige Abdichtung einer elektrochemischen Zelle erlaubt, ohne dass für die Abdichtung wesentlich mehr Bauraum als für die Abdichtungen des Stands der Technik benötigt wird. Die Kosten für die Separatorplatte sollen dabei vergleichbar bleiben mit den Kosten einer Separatorplatte des Stands der Technik, so dass sowohl die Kosten des Herstellverfahrens als auch der Materialaufwand höchstens unwesentlich zunehmen dürfen. Die Abdichtung soll sowohl für Dichtsysteme ohne Verzweigungen und Fortsätze als auch für solche mit Verzweigungen und/oder Fortsätzen einsetzbar sein.
[0010] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Separatorplatte gemäß Ansprüchen 1 und 18 sowie einem elektrochemischen System gemäß An- spruch 22. Weiterbildungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
[0011] Die Erfindung betrifft also einerseits eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System mit zwei metallischen Einzelplatten. Die metallischen Einzelplatten weisen jeweils Durchgangsöffnungen für Betriebsmedien und ggf. Kühlmittel sowie in die metallischen Einzelplatten eingeformte Verteilungsstrukturen auf, die jeweils mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen kommunizieren, in jede der metallischen Einzelplatten ist zumindest umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich und beabstandet zu diesem und/oder umlaufend um mindestens eine der Durchgangsöffnungen und beabstandet zu deren Kante eine umlaufende Dichtstruktur eingeformt, deren Querschnitt ein Sickendach, zwei Sickenflanken und zumindest abschnittsweise zwei Sickenfüße aufweist. Am Sickendach bilden sich dabei beidseitig Begrenzungslinien aus, die das parallel zur Plattenebene verlaufende Sickendach gegen die zu dieser Ebene geneigten Säckenflanken einschließlich eines meist vorhandenen Übergangsradius abgrenzt. Wesentlich dabei ist, dass sich die Dichtstruktur zumindest im Bereich ihres Sickendachs zumindest abschnittsweise wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten erstreckt, so dass sich am Übergang vom Sickendach zu den Sickenflanken obere Innen- und Außenradien und an den Sickenfüßen untere Innen- und Außenradien ausbilden. Anders als im Stand der Technik ist zwar die Breite (WD) des Sickendachs im Bereich seiner wellenförmigen Er- streckung konstant, aber die Basisbreite (W|, WA) mindestens einer der beiden Sickenflanken ändert sich. Hierdurch wird sichergestellt, dass die gesamte Dichtstruktur nicht nur in ihren ggf. vorhanden linearen Bereichen ein gleichmäßiges Dichtverhalten aufweist, sondern auch im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs entlang zumindest eines Übergangs vom Sickendach zu der jeweiligen Sickenflanke ein gleichmäßiges Dichtverhalten/gleichmäßige Steifigkeit aufweist.
[0012] Die konvexen und konkaven Abschnitte des wellenförmigen Verlaufs gehen jeweils an einem Wendepunkt ineinander über. Der Wellenform des Stckendachs ist eine Haupterstreckungsrichtung überlagert. Diese Haupter- streckungsrichtung ergibt sich aus der Verbindungslinie der Wendepunkte der neutralen Faser des Sickendachs. Ein konvexer Abschnitt reicht somit von ei- nem Wendepunkt bzw. von einer Senkrechten zur Tangente an die neutralen Faser des Sickendachs an dessen Wendepunkt über einen stärker aus der Haupterstreckungsrichtung der Sicke auskragenden Scheitelpunkt zum nächsten Wendepunkt, ein konkaver Abschnitt von einem Wendepunkt bzw. von einer Senkrechten zur Tangente an die neutrale Faser des Sickendachs an dessen Wendepunkt über einen weniger stark aus der Haupterstreckungsrichtung der Sicke auskragenden Scheitelpunkt zum nächsten Wendepunkt. Für die gesamte Dichtstruktur wird hierbei immer Bezug genommen auf die entsprechende Senkrechte zur Tangente an den betreffenden Punkt der neutralen Faser.
[0013] Die Amplituden der Begrenzungslinien des Sickendachs können sich von den Amplituden der Verlaufslinien der Sickenfüße unterscheiden, während die Wellenlängen identisch sind.
[00141 Obiges gilt auch für die vorteilhafte Ausführungsform, bei der mindestens eine der Sickenflanken im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs Fortsätze aufweist, die ein Dach, zwei Flanken und zwei Füße aufweisen, wobei diese Fortsätze so gestaltet sind, dass die Gesamthöhe der Fortsätze geringer ist als die Gesamthöhe der Dichtstruktur, so dass die Fortsätze die eigentliche Dichtlinie nicht oder nur wenig beeinträchtigen. Diese Fortsätze können einerseits dazu dienen, die Passage eines Mediums quer zu einer Dichtlinie zu ermöglichen. Hierzu sind die Fortsätze vorzugsweise auf beiden Sickenflanken vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, einseitig Fortsätze vorzusehen, die auf der Oberfläche der Einzelplatte, über die das Sickendach übersteht, eine Barriere zwischen einer Verteilungsstruktur und der Dichtstruktur ausbilden, um so den Fluss eines Betriebsmediums oder Kühlmittels optimal zu lenken. Unabhängig davon, ob ein Fortsatz einer Passage eines Mediums dient oder als Barriere, ist es bevorzugt, wenn mindestens einer dieser Fortsätze den Innenraum der Dichtstruktur mit einer der Verteilungsstrukturen oder einer der Durchgangsöffnungen für Betriebsmedien oder Kühlmittel verbindet. Daneben können Fortsätze auch ausschließlich als Stützstrukturen oder Versteifungsstrukturen dienen, sie weisen dabei meist nur eine Länge auf, die geringer ist als das 5-fache der Breite des Sickendachs.
[0015] Die Anordnung der Fortsätze erfolgt dabei vorteilhafterweise so, dass der Abstand mindestens zweier Fortsätze zueinander, vorzugsweise sämtlicher Fortsätze zueinander an einer Sickenflanke n x λ/2 ist, wobei λ der Periodenlänge der Wellenform des Sickendachs entspricht und n eine natürliche Zahl ist. Die Fortsätze können also beispielsweise an jedem Wellental und/oder jedem Wellenberg des Abschnitts der Dichtstruktur vorhanden sein, in dem das Sickendach einen wellenförmigen Verlauf zeigt. Sie können jedoch auch an den Wendepunkten der Wellenstruktur angeordnet sein. Die Anzahl der Fortsätze richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck und der Gesamtlänge, d.h. der Anzahl Wellenperioden des wellenförmigen Bereichs des Sickendachs. [0016] Für eine gleichmäßige Abdichtung ist es vorteilhaft, wenn sich die Basisbreite (W|, WA) mindestens einer der beiden Sickenflanken stetig ändert, da sprunghafte Änderungen einer gleichmäßigen Abdichtung entgegenwirken würden.
[0017] Für eine gleichmäßige Abdichtung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Dichtsystem der Separatorplatte zusätzlich zu der bereits beschriebenen Änderung der Basisbreite mindestens einer Sickenflanke auch Änderungen der Flankenwinkel im Bereich der wellenförmigen Erstreckung des Sickendachs aufweist. Hierbei ändern sich entlang des wellenförmigen Erstreckungsbe- reichs der Flankenwinkel (ct|) zwischen dem Sickendach und einer Sickenflanke, die sich in einem konkaven Abschnitt erstreckt, und der Flankenwinkei (ctA) zwischen dem Sickendach und der gegenüberliegenden Sickenflanke, die sich in einem konvexen Abschnitt erstreckt, zumindest abschnittsweise in unterschiedlichem Ausmaß. [0018] Weiter ist es insbesondere im Hinblick auf die Hersteilung der
Separatorpfatte vorteilhaft, wenn der untere Außenradius an einem Querschnitt durch die Dichtstruktur gleich oder größer ist als der obere Außenradius. Der Querschnitt der Sicke wird im Kontext dieser Erfindung immer senk- recht zur neutralen Faser des Sickendachs bestimmt.
[0019] Insbesondere im Hinblick auf eine gleichmäßige Abdichtung eines viele Separatorplatten umfassenden Plattenstapels ist es vorteilhaft, wenn die Si- ckendächer der Dichtstrukturen der beiden metallischen Einzelplatten der Separatorplatte bezogen auf ihre Kontaktfläche einen zueinander spiegelsymmetrischen Verlauf aufweisen. Auch bei geringen Ungenauigkeiten der Platzierung einzelner Separatorplatten im Plattenstapel wird somit bei ausreichender Breite des Sickendachs eine präzise Fortpflanzung der Dichtlinien durch den gesamten Plattenstapel erreicht. Die Spiegelsymmetrie betrifft somit in erster Linie den Verlauf der Sickendächer der Dichtstrukturen, sie kann aber auch die gesamten Dichtstrukturen betreffen wobei die Dichtstrukturen hier ohne ggf. vorhandene Fortsätze gemeint sind. Die Höhe der Dichtstrukturen kann darüber hinaus auch in beiden metallischen Einzelplatten der Separator platte im Wesentlichen identisch sein. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verpressung und Abdichtung erzielt, weil die Federkraft der Sicken in beiden Einzelplatten identisch ist.
[0020] Vorzugsweise verläuft die Dichtstruktur der Separatorplatte nicht nur in einem einzelnen zusammenhängenden Abschnitt mit einem wellenförmigen Sickendach, vielmehr ist es für eine optimale Abdichtung vorteilhaft, wenn mehrere Abschnitte des Sickendachs, die über den Sickenverlauf ver- bunden, aber räumlich getrennt (d.h. z.B. an einem anderen Ort der Platte angeordnet) sind, sich jeweils wellenförmig erstrecken. Grundsätzlich äst es möglich, dass die verschiedenen Abschnitte wellenförmiger Erstreckung unterschiedliche Wellenlängen und/oder Amplituden aufweisen, es ist jedoch bevorzugt, wenn zumindest sämtliche Dachabschnitte einer fortlaufenden Sicke, vorzugsweise sogar sämtlicher Sicken, die einen wellenförmigen Verlauf des Sickendachs aufweisen, die selben Wellenlängen und Amplituden aufweisen.
[0021] Hierbei ist es zum einen vorteilhaft, wenn sich bei einer umlaufenden Dichtstruktur, bei der sich mehrere Abschnitte des S'tckendachs wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden geschlossen um den elektrochemisch aktiven Bereich einer metallischen Einzelplatte umlaufend erstrecken, zumindest zwei wellenförmige Abschnitte entlang einander gegenüberliegender Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs der Einzelplatten erstrecken. Die wellenförmigen Abschnitte können sich auch entlang sämtlicher Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs abschnittsweise erstrecken.
[0022] Zum anderen kann es vorteilhaft sein, wenn sich bei einer umlaufenden Dichtstruktur, bei der sich mehrere Abschnitte des Sickendachs wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden entlang einer Innenkante, also der Kante mindestens einer Durchgangsöffnung für Betriebsmedien oder Kühlmittel einer metallischen Einzelplatte erstrecken, zumindest zwei wellenförmige Abschnitte entlang einander gegenüberliegender Innenkanten der Durchgangsöffnung erstrecken. Auch hier ist es grundsätzlich möglich, dass an allen Innenkanten abschnittsweise Sicken mit wellenförmigem Sickendach verlaufen.
[0023] Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn sich die wellenförmigen Abschnitte des Sickendachs in solchen Abschnitten der Dichtstruktur erstrecken, in denen die Dichtstruktur makroskopisch betrachtet, d.h. bezogen auf ihre Haupterstreckungsrichtung, einen geradlinigen Verlauf oder einen schwach gekrümmten Verlauf mit einem Radius > 15 mm aufweist.
[0024] Bevorzugt beträgt die Breite des Sickendachs zumindest im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs zwischen 0,2 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,2 mm. Im Allgemeinen liegt die Breite des Si- ckendachs im weiteren linearen oder gekrümmten Verlauf ebenfalls in den genannten Bereichen.
[0025] Die Sickenabschnitte mit wellenförmigem Verlauf des Sickendachs weisen neben der Änderung der Basisbreite mindestens einer Sickenflanke auch eine Änderung des Flankenwinkels der betreffenden Sickenflanke(n) auf. Betrachtet man einen konvexen Abschnitt des Sickendachs, so nimmt der angrenzende Flankenwinkel beginnend an einem Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den Wendepunkt der neutralen Faser bis zu einem Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den Scheitelpunkt des konvexen Abschnitts der neutralen Faser des Sickendachs hin zu und dann bis zum Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den nächsten Wendepunkt der neutralen Faser hin wieder ab. Entsprechend nimmt der Flankenwinkel eines konkaven Abschnitts beginnend an einem Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den Wendepunkt der neutralen Faser zunächst bis zu einem Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den Scheitelpunkt des konkaven Abschnitts das Wellental der neutralen Faser des Sickendachs, also des Minimums, ab und dann bis zum Querschnitt senkrecht zur Tangente durch den nächsten Wendepunkt der neutralen Faser hin wieder zu. Vorteilhafterweise verlaufend die Änderungen stetig. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Flankenwinkel eines konkaven Abschnitts geringer ist als der Flankenwinkel eines konvexen Abschnitts. Der Ftankenwinkel eines konkaven Abschnitts liegt im Allgemeinen zwischen 15° und 60°, vorzugsweise zwischen 25° und 50°, während der Flankenwinkel eines konvexen Abschnitts im Aligemeinen zwischen 20° und 65°, vorzugsweise zwischen 30° und 55° liegt. Die Bereiche sind dabei jeweils einschließlich oder ausschließlich der genannten Grenzen definiert. Hierdurch unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung deutlich vom Stand der Technik, bei dem die Flankenwinkel über den Verlauf der Sicke unverändert bleiben.
[0026] Die Änderung des Flankenwinkels in einem konkaven Abschnitt zwischen Wendepunkt und Scheitelpunkt entspricht dabei einer Abnahme um bis zu 50 %, vorzugsweise um bis zu 40% bezogen auf den Wert am Wendepunkt, die Änderung des Flankenwinkels in einem konvexen Abschnitt zwischen Wendepunkt und Scheitelpunkt einer Zunahme um bis zu 120 %, vorzugsweise um bis zu 100 %, besonders bevorzugt um bis zu 70% bezogen auf den Wert am Wendepunkt.
[0027] Die Basisbreite der Sicke kann sich entlang einem ihrer Abschnitte, in dem das Sickendach welienförmig verläuft, nur an einer Sickenflanke, in einer Ausführungsform jedoch an beiden Sickenflanken verändern. Verändert sie sich nur an einer Sickenflanke, beträgt die Änderung, wenn sie in einem konvexen Abschnitt erfolgt, aiso eine Abnahme vorliegt, an dieser Sickenflanke mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 25 % bezogen auf die Basisbreite an einem Querschnitt senkrecht zur Tangente an einem der angrenzenden Wendepunkte, erfolgt sie in einem konkaven Abschnitt, handelt es sich also um eine Zunahme, beträgt die Änderung mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 20 % bezogen auf die Basisbreite an einem Querschnitt senkrecht zur Tangente an einem der angrenzenden Wendepunkte.
[0028] Verändert sich die Basisbreite beider Sickenflanken, so beträgt die Änderung zwischen 5 und 70 %, vorzugsweise zwischen 30 und 55 % bezogen auf die Basisbreite an einem Querschnitt senkrecht zur Tangente an einem der angrenzenden Wendepunkte.
[0029] In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Separatorplatte ist die Gesamtbreite der Dichtstruktur von Sickenfuß zu Si- ckenfuß im Bereich einer wellenförmigen Erstreckung des Sickendachs konstant, so dass sich die Basisbreite der beiden Sickenflanken also immer komplementär ändern. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Dichtstruktur insgesamt im Bereich der wellenförmigen Erstreckung des Sickendachs linear. Hierbei ist der Bauraumbedarf für die Dichtstruktur besonders gering. [0030] Die Erfindung betrifft andererseits eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, das zwei metallische Einzelplatten, die jeweils Durch- gangsöffnungen für Betriebsmedien und ggf. Kühlmittel aufweisen sowie in die metallischen Einzelplatten eingeformte Verteilungsstrukturen, die jeweils mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen kommunizieren. Dabei ist in jede der metallischen Einzelplatten zumindest umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich und beabstandet zu diesem und/oder umlaufend um mindestens eine der Durchgangsöffnungen und beabstandet zu deren Kante eine umlaufende Dichtstruktur eingeformt, deren Querschnitt ein Sickendach, zwei Sickenflanken und zumindest abschnittsweise zwei Sickenfüße aufweist. Auch hier erstreckt sich die Dichtstruktur zumindest im Bereich ihres Sickendachs zumindest abschnittsweise wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten. Hierdurch bilden sich auch hier am Übergang vom Sickendach zu den Sickenflanken obere Innen- und Außenradien und an den Sickenfüßen untere Innen- und Außenradien aus. Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einseitig benachbart zu den Sickenfüßen zumindest entlang des Bereichs, in dem sich das Sickendach wellenförmig erstreckt, abschnittsweise Schweißverbindungen zwischen den beiden metallischen Einzelplatten der Separatorplatte vorgesehen sind, wobei die Schweißverbindungen sich jeweils im Bereich benachbart zu einem konvexen Bereich des Weilenverlaufs und vorzugsweise im Wesentlichen konzentrisch zum unteren Außenradius erstrecken. Der Abstand zum Sickenfuß entspricht dabei vorzugsweise maximal der doppelten, insbesondere maximal der einfachen Breite des Sickendachs. Hierbei werden die flachen Abschnitte benachbart zum Sickenfuß, die ohne weitere Maßnahmen aufgrund einer zu geringen Federsteifigkeit zum Auseinanderklaffen neigen, miteinander verbunden und die gesamte Separatorplatte erhält so mehr Struktursteifigkeit. Andererseits erfolgt die Schweißung genau in den Bereichen, in denen die Struktursteifigkeit erhöht werden soll, währen die Bereiche ausreichender Struktursteifigkeit entlang der Sickenfüße von
Schweißverbindungen frei bleiben.
[0031] Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine der Sicken- flanken im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs Fortsätze aufweist, die ein Dach, zwei Flanken und zwei Füße aufweisen, wobei diese Fortsätze so gestaltet sind, dass die Gesamthöhe der Fortsätze geringer ist als die Gesamthöhe der Dichtstruktur. Das zuvor für die Fortsätze Ausgeführte gilt hier gleichermaßen.
[0032] Die Schweißverbindungen erstrecken sich, wie bereits ausgeführt, nur abschnittsweise. Hierbei ist es bevorzugt, wenn ihre Erstreckung jeweils mindestens 1/9 der Wellenlänge des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs beträgt. Weiter ist es bevorzugt, wenn sich die Erstreckung der Schweißverbindung maximal über den gesamten konvexen Bereich des Wellenverlaufs erstreckt, also zwischen den Senkrechten durch die einander nächstgelegenen Wendepunkte der neutralen Faser des Sickendachs.
[0033] Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Dichtstruktur einer Einzelplatte konstante Höhe aufweist, hiervon ausgenommen sind die ggf. vorhandenen Fortsätze. Besonders bevorzugt ist es, wenn sämtliche Einzelplatten Dichtstrukturen mit konstanter Höhe aufweisen.
[0034] Für alle vorgenannten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ist es vorteilhaft, wenn die Dichtstruktur zumindest im Bereich des Sickendachs eine Beschichtung zur Mikroabdichtung aufweist. Die BeSchichtung ist dabei beispielsweise auf mindestens einer, vorzugsweise aber auf beiden Einzelplatten so auf dem Sickendach aufgebracht, dass sie sich auf der Außenseite der Separatorplatte befindet. Die Beschichtung enthält dabei als Binder vorteilhafterweise FPM (Fluorelastomer), Silikon- Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FF M (Perfiuorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien- Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilikon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen), Silikonharz und/oder Epoxidharz oder Mischungen der vorgenannten Stoffe. Bei der Beschichtung kann es sich auch um einen Haftklebstoff oder einen physikalisch abbindenden Klebstoff handeln. Dies kann beispielsweise ein dauerhaft klebriger Klebstoff sein, der vorzugsweise aus Mischungen von Kautschuken und Haftharzen, sogenannten Tackifiern, oder einem untervernetzten Kautschuk bestehen, wobei synthetische und natürliche Harze als Haftharze in Frage kommen. Als Basispolymere können dabei Natur- und Synthese-Kautschuke, Polyacryiate, Polyester, Polychloroprene, Polyvinylether und/oder Polyurethane und/oder Fluorpolymerkautschuke verwendet werden, denen Harze wie insbesondere modifizierte Naturharze - bspw. Kolophonium - und/oder Kunstharze -bspw. Polyesterharze, Phenolharze - sowie Weichmacher und/oder Antioxidantien zugesetzt werden können. Typische Beschichtungsdicken betragen für alle vorgenannten Stoffe zwischen 5 und 200 Mikrometer.
[0035] Die metallischen Lagen der Separatorplatten bestehen vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, wobei im elektrochemisch aktiven Bereich leitfähige Beschichtungen vorhanden sein können. In alternativen Ausführungsformen werden als Werkstoffe Aluminium, Titan, wafzbeschichtete, niedrig legierte Stähle, die z.B. mit Chrom, Edelstahl, Niob, Tantal oder Chrom-
Nickellegierungen beschichtet sind, eingesetzt. Übliche Blechstärken liegen zwischen 50 und 200 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 60 und 150 Mikrometer.
[0036] Grundsätzlich können die Separatorplatten in Bipoiarplatten, bei de- nen auf beiden Oberflächen unterschiedliche Medien geführt werden und
Monopolarplatten, bei denen auf beiden Oberflächen einer Monopolarplatte dasselbe Medium geführt wird, unterschieden werden. Meist werden dabei leicht unterschiedliche Monopolarplatten für die beiden unterschiedlichen Medien verwendet. Die Unterschiede können hierbei insbesondere das Vor- handensein von Fortsätzen an den Dichtsicken betreffen. Der Verlauf der Dichtstrukturen und somit deren abschnittsweise wellenförmige Gestaltung ist hingegen meist in sämtlichen Platten identisch bzw. spiegelsymmetrisch. Die Ausführungen dieser Beschreibung gelten für beide Plattentypen, es sei denn, dass Unterschiede durch explizite Erwähnung hervorgehoben sind. Bei beiden Plattentypen wird im Zwischenraum der beiden Einzelplatten der jeweiligen Platte vorzugsweise Kühlmittel geführt.
[0037] Vorteilhafterweise finden die erfindungsgemäßen Separator platten Verwendung in einem elektrochemischen System. Ein solches elektrochemisches System enthält zwei Endpiatten, sowie eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils durch eine Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche voneinander getrennt sind. Das gesamte System wird dabei bevorzugt mittels Verspannmitteln, beispielsweise Bolzen oder Bändern, zusammengehalten und dabei mit einer für die Abdichtung optimierten Verspannkraft versehen. Zwischen den Endplatten und den äußersten Zellen des Stacks können Übergangsplatten vorgesehen sein, deren Design vom Design der Separatorplatten des Stapels abweicht. Meist ist pro Endplatte eine solche Übergangsplatte, die auch mehrlagig ausgeführt sein kann, vorhanden.
[0038] Bei dem elektrochemischen System handelt es sich vorzugsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen Elektrolyseur, ein elektrochemisches Verdichtersystem oder ein Befeuchtersystem für ein Brennstoffzellensystem.
[0039] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese Zeichnungen dienen ausschließlich der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne dass die Erfindung auf diese beschränkt wäre. Gleiche Teile sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Beispiele beziehen sich sämtlich auf ein Brennstoffzellensystem, die Ausführungen gelten jedoch gleichermaßen auch für die anderen vorgenannten Typen elektrochemischer Systeme. Die Figuren enthalten neben den in den unabhängigen Ansprüchen dargelegten wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung auch in unterschiedlicher Zusammensetzung optionale und vorteilhafte Weiterbildungen. Jede einzelne dieser vorteilhaften und/oder optionalen Weiterbildungen der Erfindung kann als solche die in den unabhängigen Ansprüchen dargelegte Erfindung weiterbilden, auch ohne Kombination mit einer, mehreren oder sämtlichen der in den Beispielen zugleich dargestellten optionalen und/oder vorteilhaften Weiterbildungen.
[0040] Die Figuren zeigen schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen
Systems;
Fign. 2a, 2b, eine Explosionsdarstellung einer elektrochemischen Zelle 2c
mit zwei daran angrenzenden Separatorplatten sowie ein partieller Querschnitt einer solchen Zelle und eine Draufsicht auf eine solche Separatorplatte; Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Dichtsystems einer Separatorplatte;
Fign. 4a, 4b, in drei Teilbildern Ansichten von Ausschnitten des Dich- 4c
tungssystems einer Separatorpfatte gemäß dem Stand der Technik;
Fign. 5a - 5e,
Fign. 6a - 6e,
Fign. 7a - 7e in je fünf Teilbildern Ansichten von Ausschnitten des
Dichtungssystems von drei unterschiedlichen erfindungsgemäßen Separatorptatten; Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Dichtungssystems einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte;
Fign. 9a, 9b eine Schrägansicht und eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines DichtungssYstems einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte mit Durchführungen durch das Dichtungssystem;
Fign. 10a, 10b, eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Dichtungs- 10c Systems einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte mit an das Dichtungssystem angrenzenden
Begrenzungselementen;
Fign. IIa, IIb eine Schrägansicht und eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Dichtungssystems einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte; und
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Dichtungssystems einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte.
[0041] Figur 1 stellt ein elektrochemisches System 1 mit einer Vielzahl alternierend gestapelter Zellen 46 und Separatorplatten 2 sowie zwei den Stapel bzw. Stack begrenzenden Endplatten 11, 11' dar. Die dem Betrachter zugewandte Endplatte weist sechs Stutzen 12 bis 17 auf, die der Zu- und Abfuhr von Reaktionsmedien und Kühlmittel dienen: 12 bezeichnet den Zufuhrstutzen für Luft, 17 den Abfuhrstutzen für an Sauerstoff abgereicherte Luft 13 den Zufuhrstutzen für Wasserstoff, 16 den Abfuhrstutzen für nicht verbrauchten Wasserstoff, 15 den Zufuhrstutzen für Kühlmittel und 14 den
Abfuhrstutzen für erwärmtes Kühlmittel. Es lassen sich also sechs Medienströme unterscheiden: A bezeichnet sauerstoffreiche bzw. frische Luft, D sau- erstoffarme Luft, B Wasserstoff, C nicht verbrauchten Wasserstoff, E kühles Kühlmittel und F erwärmtes Kühlmittel.
[0042] Figur 2-a zeigt eine Zelle 46 eines elektrochemischen Systems 1, hier eines Brennstoffzellensystems 1 zusammen mit den beiden die Zelle 46 begrenzenden Separatorplatten 2 und 2'. Der Blick geht dabei im Wesentlichen in z-Richtung des in Figur 1 gegebenen Koordinatensystems. Das elektrochemische System 1 der Figur 2-a weicht von dem der Figur 1 dahingehend ab, dass das Reduktionsmittel, nämlich der Wasserstoff, nicht nur über einen Port senkrecht zur Plattenebene durch den Stack geleitet wird, sondern über die beiden in den oberen Ecken befindlichen Ports 23, 23'. Die Weiterleitung des nicht verbrauchten Wasserstoff-Gases in Stapelrichtung erfolgt über die beiden in den unteren Ecken befindlichen Ports 26, 26'. Die beiden seitlichen Ports 24, 25 dienen der Leitung von Kühlmittel senkrecht zur Plattenebene durch den Stack. Der obere Port 27 dient der Durchieitung von sau erst off reicher Luft durch den Stack, der untere Port 22 der Durchleitung von sauerstoffarmer Luft durch den Stack. Die oben liegende Lage 2a der
Separatorplatte 2 weist eine Dichtstruktur auf, die aus mehreren Sicken besteht. Zum einen dient eine um den elektrochemisch aktiven Bereich 29 umlaufende, abschnittsweise entlang des Außenrandes 19 umlaufende Sicke 32 der Abdichtung des elektrochemisch aktiven Bereichs 29 bzw. des ihn einschließenden Kompartiments sowie insgesamt der Platte nach außen hin. Darüber hinaus weist jeder der Ports 22 bis 27 eine separate, den jeweiligen Port umgebende Sicke 31, 31' auf. Hervorzuheben ist, dass die Ports 22, 23, 23', 26, 26' und 27 für die Reaktionsmedien gemeinsam mit den sie umgebenden Sicken 31 innerhalb des von der Sicke 32 umgebenden Bereichs liegen. Die dem Betrachter zugewandte Oberfläche der Separatorplatte 2 weist weiterhin eine Kanalstruktur 28, hier für die Verteilung von Luft, auf, die gleichzeitig die elektrochemisch aktive Fläche 29 bildet. Die Sicke 32 umgibt die elektrochemisch aktive Fläche 29 somit umlaufend und beabstandet, wobei sich der Ab- stand im Verlauf ändert. Die Zuleitung der Luft vom Port 27 zur Kanalstruktur 28 und die Ableitung der abgereicherten Luft von der Kanalstruktur 28 zum Port 22 wird anhand der Figur 2-c näher erläutert.
[0043] Figur 2-b stellt einen Schnitt durch zwei Separatorplatten 2, 2', eine zwischen den beiden Separatorplatten 2, 2' angeordnete elektrochemische
Zelle 46, nämlich eine Brennstoffzelle, sowie Elemente der jenseits der Separatorplatte 2' angeordneten nächsten elektrochemischen Zelle dar. Der Schnitt entspricht dabei in Bezug auf die dargestellten Elemente dem Schnitt B-B aus Figur 2-a, die Abstände der verschiedenen Elemente sind jedoch im Hinblick auf eine platzsparende Darstellung angepasst. Die sichtbare Fläche liegt also in einer y-z-Ebene der Figur 1. Aus der Schnittdarstellung wird deutlich, dass die elektrochemische Zelle 46 auf der eigentlichen
Polymerelektrolytmembran (PEM) beidseitig jeweils eine katalytische Schicht 42, 2' trägt, die als Elektrode wird und hier zum besseren Verständnis beabstandet dargestellt ist. Diese Elemente steilen zusammen die sogenannte
Membran-Elektroden-Einheit (MEA) dar. Beidseitig der MEA ist jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL) 44, 44', die jeweils beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Vlies aus Graphitfasern besteht, angeordnet.
[0044] In die beiden Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 sind Kanalstrukturen 28 eingeformt, die auf beiden Seiten der Lage zur Verteilung von Medien genutzt werden. Die Kanalstrukturen 28 bilden dabei den elektrochemisch aktiven Bereich 29. Auf der Oberseite der Lage 2a wird ein erstes Medium Ml, nämlich Luft, verteilt. Auf der Unterseite dieser Lage 2a, d.h. in der Kavit t zwischen den beiden Lagen 2a und 2b wird Kühlmittel K verteilt. Auf der Unterseite der Lage 2b wird ein zweites Medium M2 verteilt. Im Falle eines bipolaren Aufbaus des elektrochemischen Systems handelt es sich bei dem zweiten Medium M2 um Wasserstoff. In diesem Fall ist M3 wiederum Luft und M4 wiederum Wasserstoff. Bei einem monopolaren Aufbau des elektrochemischen Systems handelt es sich bei dem zweiten Medium M2 wiederum um Luft. Auf beiden Außenoberflächen der zweiten Separatorplatte 2' dienen die Kanäle bei einem monopolaren Aufbau dagegen der Verteilung von Wasserstoff, der hier das dritte und vierte Medium, M3 und M4 darstellt. Im Falle eines bipolaren Aufbaus sind sämtliche Separatorplatten eines Stapels identisch, im Fade eines monopolaren Aufbaus alternieren ggf. zwei verschiedene Separatorplattenvarianten entlang des Stapels.
(0045] Aus dem Schnitt der Figur 2-b wird auch deutlich, dass die Sicke 31 die Durchgangsöffnung 23 umgibt und somit den Wasserstoffport abdichtet. Die Sicke 32, die den elektrochemisch aktiven Bereich umlaufend abdichtet, verläuft dagegen im gezeigten Ausschnitt im Wesentlichen entlang des Außenrandes 19 der Lage 2a der Separatorplatte 2, so dass sie im hier gezeigten Abschnitt nur einmal geschnitten wird. Aus der Schnittdarstellung ist weiterhin ersichtlich, dass die Höhe der Sicken 31, 32 untereinander im Wesentlichen identisch ist, wobei die Höhe der Sicken 31, 32 aber deutlich höher ist als die Höhe der Kanalstrukturen 28.
{0046] Figur 2-c stellt die in Figur 2-a dem Betrachter nächstliegende Lage 2a der Separatorplatte 2 in Draufsicht dar, entspricht also wieder einem Blick in z- ichtung der Figur 1. Hier soll auf die Ausgestaltung der Sicken 31, 31' und 32 näher eingegangen werden. Die Sicke 31' umgibt die Portöffnung 25 umlaufend und weist dabei einen geringen, abgesehen von der Wellenstruktur der Sicke selbst, im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand von der Kante der Portöffnung 25 auf. Die Sicke 31 umgibt auf vergleichbare Weise die Portöffnung 26', weist aber einen insgesamt kreisrunden Verlauf ohne Wellenstruktur auf. Auch hier ist der Abstand zur Kante des Ports im Wesentlichen konstant. Die Sicke 32 verläuft entlang und beabstandet zur Außenkante 19 der Lage 2a der Separatorplatte 2 und umschließt dabei nicht nur den elektrochemisch aktiven Bereich 29, den sie abdichtet, sondern auch die Ports 22, 23, 23', 26, 26' und 27 samt der sie abdichtenden Sicken 31. Im dargestellten Beispiel weist die Sicke 32 mehrere Abschnitte 35 auf, in denen das Sickendach einen wellenförmigen Verlauf aufweist. Diese Abschnitte 35 haben für sich betrachtet makroskopisch einen geradlinigen Verlauf. Es ist offensichtlich, dass die Abschnitte 35, in denen die Sicke 32 einen wellenförmigen Verlauf des Sickendachs aufweist, jeweils in langgestreckt-geradlinigen Abschnitten des Dichtsystems angeordnet sind, während relativ stark gekrümmte Bereiche der Sicke 32, wie der mit einem Oval umgebene Bereich S eine Form des Sickendachs aufweisen, das der Gesamterstreckungsrichtung der Sicke 32 im betreffenden Abschnitt entspricht, also keinen periodisch-wellenförmigen Verlauf aufweist.
[0047] Aus Figur 2-c lässt sich auch erkennen, dass Luft aus dem Port 27 entlang der Fortsätze 33 durch die Sicke 31 hindurch fließt, um so zum elektrochemisch aktiven Bereich 29 zu gelangen, wo der in ihr enthaltene Sauerstoff mit Protonen, die durch die EA hindurchtreten, reagiert. Die so an Sauerstoff abgereicherte Luft, die als Ergebnis der Reaktion einen höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweist, fließt dann weiter nach unten zu den Fortsätzen 33 und passiert dort die Sicke 31 neuerlich und wird über den Port 22 zur Endplatte geführt. Die Fortsätze sind dabei so in die Flanken der Sicke 31 eingeformt, dass die Abdichtung nicht gestört wird.
[0048] Figur 3 stellt grundsätzlich die Größenverhältnisse und Winkelbezeichnungen in einem Dichtungssystem einer Separatorplatte dar, wie sie im Folgenden verwendet werden. Der Schnitt der Figur 3 entspricht dabei beispielsweise dem Schnitt C-C in Figur 2-c, liegt also in einer Ebene parallel zur y- z-Ebene der Figur 1. Die Gesamtbreite einer Sicke 3 eines Dichtungssystems wird mit WT, die Breite des Sickendachs 39 mit WD bezeichnet. Die innere und äußere Basisbreite Wf bzw. WA sind im betrachteten symmetrischen Sicken- querschnitt identisch, so dass vereinfachend die Bezeichnung W anstelle der unterscheidenden Bezeichnungen Wt, WA verwendet wird. Vergleichbares gilt für den inneren und äußeren Flankenwinkel cij und OA, der analog vereinfachend mit α bezeichnet wird. Die Höhe einer Sicke in einer einzelnen Lage 2a, 2b einer Separatorplatte 2 wird mit H bezeichnet. Figur 3 illustriert weiter die verschiedenen Abschnitte eines Querschnitts einer Sicke 3 von rechts nach links: Auf einen ersten Sickenfuß 37 folgt eine Sickenflanke 38, nach einem weiteren Knickpunkt schließt sich das Sickendach 39 an. Auf der anderen Seite des Sickendachs folgen nach einem weiteren Knick eine weitere Sickenflanke 38' sowie der zweite Sickenfuß 39'. Die Sickenfüße sind definiert als die Grenzpunkte, die an eine Sickenflanke auf ihren dem Sickendach abgewandten Ende angrenzen, an denen eine Tangente an den Verlauf der Lage parallel zur Mitteiebene E der Separatorplatte 2 verläuft. Wird eine Sicke unabhängig von ihrer Funktion als Dichtelement 32 um einen elektrochemisch aktiven Bereich 29 oder als Dichtelement 31, 31' einer Innenkante betrachtet, wird sie hier und im Folgenden mit 3 bezeichnet.
[0049] Figur 3 illustriert weiter, wie die beiden Lagen 2a, 2b einer
Separatorpiatte 2 im Wesentlichen spiegelsymmeträsch ausgebildet sind und im Bereich außerhalb der Sicke 3, genauer beginnend an den Sickenfüßen 37,
37', miteinander flächig in Kontakt sind. Auf die Darstellung der Kanalstruktur wurde hier verzichtet, hier wird auf die Erläuterungen im Kontext der Figur 2- b verwiesen.
[0050] Die Ausführungen zu den Figuren 1 bis 3 gelten sowohl für
Separatorplatten des Stands der Technik als auch für erfindungsgemäße
Separatorplatten.
[0051] In Figur 4 ist in drei Teilbildern anhand eines Ausschnitts aus einer einzelnen Lage 2a einer Separatorplatte 2 der wellenförmige Verlauf eines Abschnitts einer Sicke 3 des Stands der Technik, bei dem sich das Sickendach 39 mit konstanter Breite WD, nämlich 1,6 mm, wellenförmig mit mindestens zwei
Wellenperioden mit Wellenlänge λ erstreckt, gezeigt. Die Schnittdarstellung der Figur 4-c entspricht dabei allen drei in Figur 4-b gegebenen Schnittlinien AD-AD, BD-BD und CD-CD gleichermaßen. Die beiden Sickenflanken 38, 38' weisen über den gesamten Verlauf gleichbleibende Basisbreite W von jeweils 0,7 mm auf. Die Gesamtbreite der Sicke 3 WT beträgt somit 3 mm. Nachdem sich die Basisbreite der Sickenflanken 38, 38' über den Sickenveriauf nicht ändert und die Basisbreite der Sickenflanken 38, 38' zu beiden Seiten des Sickendachs 39 ebenfalls identisch ist, weist die Sicke 3 folglich einen einheitlichen Flankenwinkel α auf. Eine Unterscheidung der Flankenwinkel in Außenwinkel bzw. Flankenwinkel im konvexen Abschnitt, <xA, und Innenwinkel bzw. Flankenwinkel im konkaven Abschnitt, OLI, ist also bei der Separatorplatte 2 des Stands der Technik nicht möglich. Die Winkel α betragen jeweils 35°. Figur 4-b unterstreicht weiter, dass die Amplituden der jeweiligen Sickenfüße und der beiden Übergangskurven zwischen Sickendach und den daran angrenzenden Sickenflanken identisch sind.
[0052] Figur 4-b illustriert weiterhin die konvexen und konkaven Bereiche, die sich jeweils zwischen zwei gestrichelten Linien bzw. der Schnittlinie CD-CD, die jeweils eine Senkrechte zur Tangente an die neutrale Faser des Sickendachs 39 wiedergeben, erstrecken. Daneben sind auch die oberen und unteren Innenradien Γ|0 und Πυ und die oberen und unteren Außenradien rAo und rAu aus virtuellen Kreisen abgeleitet, die mit zweifach punktierten strichpunktierten Linien angedeutet sind. Während in den konkaven Bereichen, in denen also Innenradien vorhanden sind, eine überdurchschnittliche Steifigkeit der Sicken gegeben ist, ist diese in den konvexen Bereichen, in denen Außenradien vorhanden sind, unterdurchschnittlich. Dies ist eine Folge der inneren Stützung in den konkaven Bereichen durch die zueinander weisenden Sickenabschnitte. Die Bereiche geringer Sickensteifigkeit sind mit g, die hoher Sickensteifigkeit mit h gekennzeichnet. Durch diese ungleichmäßig verteilte Sickensteifigkeit kann es zu Undichtigkeiten kommen, da Medien durch die Abschnitte geringer Sickensteifigkeit hindurchfließen und in unerwünschte Bereiche eindringen können. Hiergegen bietet die vorliegende Erfindung Abhilfe. [0053] In Figur 5 sind vergleichbare Darstellungen einer Sicke 3 wie in Figur 4 gegeben, hier nun jedoch für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2. Während im vorangehenden Beispiel des Stands der Technik die Querschnitte senkrecht zur Tangente an die neutrale Faser des Sickendachs 39 an allen Punkten des wellenförmigen Verlaufs des Stcken- dachs 39 identisch sind, unterscheiden sie sich hier nun deutlich. Aus diesem Grunde umfasst Figur 5 drei Querschnittsdarstellungen, wobei Figur 5-c den Querschnitt an den Wendepunkten, d.h. die Schnitte AE-AE und DE-DE aus Figur 5-b wiedergibt. Figur 5-c entspricht somit Figur 4-c. Figur 5-d stellt den Querschnitt BE-BE am Wellenberg und Figur 5-e den Querschnitt CE-CE am Wellental des oberen Sickenfußes 38 aus Figur 5-b dar. Die Breite des Sickendachs 39, WD, bleibt über den gesamten wellenförmigen Verlauf des Sickendachs 39 konstant und beträgt wie im vorangehenden Beispiel des Stands der Technik 1,6 mm. Die Wendepunkte, die die konvexen von den konkaven Abschnitten der Sicke 3 abgrenzen, sind wie im vorhergehenden Beispiel mit gestrichelten Linien dargestellt bzw. liegen auf den beiden Schnittlinien AE-AE und DE-DE. Die Linie T markiert die Haupterstreckungs-richtung der Sicke 3 und ergibt sich als Verbindungslinie der Wendepunkte der neutralen Faser des Sickendachs. In den konvexen Bereichen, deren Sickenflanken 38, 38' in Figur 5-b jeweils mit Schraffuren gekennzeichnet sind, ist die Basisbreite WA der jeweiligen Sickenflanke 38, 38' so reduziert, dass sie beginnend am Wendepunkt abnimmt bis zum Scheitelpunkt und vom Scheitelpunkt bis zum nächsten Wendepunkt wieder zunimmt. An den Wendepunkten beträgt die Basisbreite 0,85 mm, am Scheitelpunkt hingegen nur 0,65 mm. In den konkaven Bereichen verläuft die Breite | der jeweiligen Sickenflanke 38, 38' hingegen konstant mit einer Basisbreite von 0,85 mm. Die Gesamtbreite der Sicke WT alterniert also zwischen 3,1 und 3,3 mm. Die Amplitude der Sickenfüße ist hier etwas größer als die Amplitude der Übergangslinien zwischen Sickendach und Sickenflanken, das Verhältnis beträgt ungefähr 1,25 : 1. [0054] Der Flankenwinkel des konkaven Bereichs ct| bleibt entsprechend über den jeweiligen konkaven Bereich konstant, er beträgt wie der Winkel α an den Wendepunkten 35°. Der Flankenwinkel des konvexen Bereichs aA nimmt hingegen beginnend an einem Wendepunkt von 35° auf 60° am Scheitelpunkt zu und nimmt dann wieder bis zum nächsten Wendepunkt auf 35° ab. Durch den steileren Flankenwinkel wird der Sickenflanke in dem Bereich, in dem sie im Stand der Technik eine geringe Sickensteifigkeit aufweist - vgl. die Kennzeichnungen g in Figur 4-b - versteift, so dass die Sicke insgesamt eine konstante Steifigkeit über ihren wellenförmigen Verlauf aufweist. [0055] Hierbei sei angemerkt, dass die Bezeichnungen WA und aA sich jeweils auf die konvexen Abschnitte und die Bezeichnungen W| und αι sich jeweils auf die konkaven Abschnitte beziehen und somit an jedem Wendepunkt von einer Sickenflanke zur gegenüberliegenden springen.
[0056] Figur 6 stellt wiederum mit fünf Teilbildern eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2 anhand von Ausschnitten ihrer Sicke 3 dar. Wiederum entspricht der Querschnitt an den beiden Wendepunkten, der in Figur 6-c wiedergegeben ist, im Wesentlichen dem Querschnitt der Figur 4-c da die Sicke 3 hier symmetrisch ausgebildet zu sein scheint. Figur 6-b verdeutlicht jedoch, dass die Sickenflanken 38, 38' in den konkaven Bereichen zwischen den Wendepunkten jeweils verbreitert sind, so dass auch hier die Sicke 3 einen insgesamt asymmetrischen Verlauf aufweist.
[0057] Grundsätzlich unterscheidet sich die Sicke 3 der Ausführungsform nach Figur 6 gegenüber der Sicke 3 der Ausführungsform nach Figur 6 dadurch, dass das Sickendach 39 etwas schmaler ausgeführt ist, nämlich nur eine Breite WD von 1,2 mm aufweist. An den Wendepunkten beträgt die Basisbreite der
Sickenflanken W 0,6 mm. Die Außenflanke WA der Sicke erstreckt sich mit dieser Basisbreite von Wendepunkt zu Wendepunkt. Die Basisbreite der Innenflanke Wt vergrößert sich hingegen beginnend an einem Wendepunkt von 0,6 mm auf 0,8 mm am Wellental um in ihrem Verlauf bis zum nächsten Wendepunkt wieder auf 0,6 mm abzunehmen. Die Gesamtbreite WT der Sicke 3 variiert in dieser Ausführungsform zwischen 2,4 und 2,6 mm.
[0058] Entsprechend bleibt der Flankenwinkel auf der Außenflanke aA kon- stant, er beträgt hier 34°. Der Flankenwinkel auf der Innenflanke ct| nimmt hingegen über den Verlauf eines konkaven Abschnitts von Wendepunkt zu Wendepunkt von 34° auf 26° am Wellental ab um dann wieder auf 34° zuzunehmen. Hierdurch wird die Sickensteifigkeit in den Bereichen, die in Figur 4-b wegen ihrer überdurchschnittliche hohen Sickensteifigkeit mit h gekennzeich- net sind, reduziert und somit die Sickensteifigkeit über den wellenförmigen
Verlauf der Sicke 3 auf beiden Sickenflanken 38, 38' vergleichmäßigt, so dass Leckagen verhindert werden. Die Bereiche, in denen sich die Basisbreite einer Sickenflanke 38, 38' ändert, sind in Figur 6-b mit einer Schraffur gekennzeichnet. [0059] Ergänzend soll hervorgehoben werden, dass die Amplituden der Si- ckenfüße nur ungefähr 2/3 der Amplitude der Übergangslinien zwischen Sickendach 39 und den Sickenflanken 38,38' beträgt.
[0060] Figur 7 repräsentiert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl die Basisbreite der Sickenflanke WA über die konvexen Abschnitte ab- und wieder zunimmt und die Basisbreite der Sickenflanke W, über die konkaven Abschnitte zu- und wieder abnimmt. Auf eine Schraffur der Bereiche, in denen sich die Basisbreite ändert, wurde daher hier verzichtet. T markiert wie in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Haupterstreckungs- richtung der Sicke im dargestellten Ausschnitt. Der Flankenwinkel <XA erfährt somit über einen konvexen Abschnitt eine Zunahme bis zum Scheitelpunkt, der eine Abnahme folgt, in einem konkaven Abschnitt durchläuft der Flankenwinkel ct| hingegen eine Abnahme, der nach dem Scheitelpunkt eine Zunahme folgt. Das Ausführungsbeispiel der Figur 7 vereinigt somit beide Ansät- ze, die voneinander getrennt in den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und
6 zur Vergleichmäßigung der Sickensteifigkeit über den wellenförmigen Verlauf des Sickendachs verwendet wurden, wodurch eine besonders effektive und somit vorteilhafte Vergleichmäßigung der Sickensteifigkeit erhalten wird.
[0061] Konkret beträgt die Breite des Sickendachs Wo 1,2 mm, während die Sickenflanken am weiter von der Haupterstreckungslinie T entfernten Scheitelpunkt ein Minimum ihrer Breite WA von 0,6 mm aufweisen, dem eine Zunahme bis zum nächsten Wendepunkt auf eine Breite W von 1 mm und weiter bis zum näher bei der Haupterstreckungslinie T liegenden Scheitelpunkt auf ein Maximum der Breite Wt von 1,4 mm folgt. Die Flankenwinkei α an den Wendepunkten betragen 21°, die Flankenwinkel et sind somit flacher als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Zum weiter von der Haupterstreckungslinie T entfernten Scheitelpunkt hin nimmt der Flankenwinkei ctA auf 42° zu, zum näher bei der Haupterstreckungslinie T liegenden Scheitelpunkt hin nimmt der Flankenwinkel ct| auf 16° ab.
[0062] Besonders augenfällig ist, dass die Gesamtbreite WT der Sicke 3 über den gesamten Abschnitt, in dem das Sickendach 39 wellenförmig verläuft, konstant bleibt, wodurch der Bauraumbedarf der Ausführungsform nach Figur
7 besonders gering ist, so dass diese Ausführungsform besonders vorteilhaft ist. Die Gesamtbreite WT der Sicke 3 beträgt hier 3,2 mm.
[0063] Figur 8 illustriert eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2 nunmehr allein anhand einer Draufsicht auf einen Abschnitt einer Sicke 3, deren Sickendach im dargestellten Abschnitt wellenförmig verläuft. Wie im Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist sowohl der Flankenwinkel der konvexen Abschnitte vergrößert, als auch der Flankenwinkel der konkaven Abschnitte verringert. Entsprechend sind die Basisbreiten an den Scheitelpunkten, also den Wellenbergen und -tälern gegenüber den Basisbreiten der Wendepunkte vergrößert. Wie im Ausführungsbeispiel der Figur 7 verläuft auch die Gesamtbreite WT der Sicke 3 im dargestellten Abschnitt mit wellenförmigem Verlauf des Sickendachs 39 konstant. Während im Ausführungsbeispiel der Figur 7 die Sickenfüße geradlinig verlaufen, verlaufen hier die Sickenfüße mit einer signifikant geringeren Amplitude, die ungefähr dem 0,45 fachen der Amplitude der Begrenzungslinien des Sickendachs beträgt.
[0064] Figur 9 stellt einen Abschnitt einer Sicke 3 einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2 dar, die auf beiden Sickenflanken 38, 38' Fortsätze 33 aufweist, wie sie bereits im Kontext der Figur 2 erläutert wurden. Hier wird deutlich, dass die Fortsätze auf beiden Sickenflanken 38, 38' mit einem Abstand von λ/2 periodisch angeordnet sind und zwar jeweils im Bereich der Wendepunkte des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs 39. Die Fortsätze 33 dienen der Durchleitung eines Mediums durch die Dichtbarriere der Sicke 3 und zwar auf der vom Betrachter abgewandten Oberfläche der Lage 2a der Separatorplatte 2, nämlich zwischen den beiden lagen 2a und 2b. Aus Figur 9 wird deutlich, dass die Fortsätze jeweils aus zwei Füßen, die sich in Figur 9-b vertikal erstrecken, zwei Flanken sowie einem Dach bestehen, wobei die Füße der Fortsätze zwar in derselben Ebene wie die Sickenfüße liegen, die Gesamthöhe der Fortsätze ist jedoch geringer als die Höhe der Sicke 3, so dass die Fortsätze das Verpressungsverhalten der Sicke nur marginal beeinflussen. Im Bereich der Fortsätze sind die Sickenfüße 37, 37' unterbrochen. Die Fortsätze 33 sind nur in der oben liegenden Lage 2a ausgebildet. Bezüglich ihrer sonstigen Gestaltung, insbesondere bezüglich dem wellenförmigen Verlauf des Sickendachs 39 und der Reduktion der Basisbreite WA und der Zunahme des Flankenwinkels ctA in den konvexen Bereichen relativ zu den angrenzenden Wendepunkten, entspricht die Sicke dieser Ausführungsform derjenigen der Ausführungsform der Figur 5.
[0065] Figur 10a zeigt einen Abschnitt einer Sicke 3 einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2, die nur auf der in der Figur unten liegenden Sickenflanke 38 zwei Fortsätze 33 aufweist, die voneinander um eine Wellenlänge λ beabstandet sind. Die Fortsätze dienen hier als Barriere zwischen der nicht dargestellten Kanalstruktur, die sich unterhalb des gezeigten Ausschnitts anschließt und der Dichtstruktur. Sie verhindern, dass das Medium außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs an den in Figur 2-b gezeigten Gasdiffusionslagen 44 und 44' vorbeiströmt und somit den elektrochemisch aktiven Elektroden 42 und 42' nicht zu Verfügung steht. Dies würde zu nicht hinnehmbaren Verlusten bei der Ausnutzung der Brenngase und somit zu einer signifikanten Verringerung der Effizienz der elektrochemischen Zelle führen.
[O066] Figur 10b zeigt einen Abschnitt einer Sicke 3 einer erfindungsgemäßen Separator platte. Dies ist eine Ausführungsform, in der sich nur eine Sicken- flanke 38 (mit Sickenfuß 37) ändert, während die in diesem Fall den Fortsätzen gegenüberliegende Flanke 38' konstant bleibt und somit der Sickenfuß 37' parallel zum Sickendach 39 verläuft. Die in Fig. 10b dargestellte Zunahme des Flankenwinkels in konkaven Bereichen ist nur eine Möglichkeit. In einer weiteren Ausführungsform (dargestellt in Fig. 10c) nimmt der Flankenwinkel von den Wendepunkten aus (a und aA=21°) hin zum Scheitelpunkt in den konkaven Bereichen zu (ct|=320). Als Vorteil der jeweiligen Ausführungsform ergibt sich eine gezielte Möglichkeit, die Sickeneigenschaften an die geometrischen Änderungen durch die Einführung der Fortsätze 33 in die Sickenflanke 38 anzupassen.
[0067] Die beschriebenen, einseitige Änderungen der Flankenwinkel äst nicht nur auf die Bereiche, in denen Fortsätze 33 in einer Sickenflanke eingebracht sind, beschränkt, sondern kann analog in jedem anderen Bereich des weilen- förmigen Sickenbereichs auf einer Separatorplatte 2, 2' angewendet werden.
Hierbei kann entweder die dem aktiven Bereich zugewandte oder die nach außen gerichtete Sickenflanke angepasst werden und dieses auch in verschiedenen Bereichen der Separatorplatte individuell, entsprechend den lokalen Anforderungen an die Sickeneigenschaften, variiert werden. [0068] Figur 11 zeigt anhand einer Schrägansicht und einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2, wobei hier anders als in den vorangegangenen Schrägansichten außer Figur 9-a beide Lagen 2a, 2b der Separatorplatte 2 dargestellt sind. Hier verlaufen die Si- ckenflanken mit konstanter Basisbreite, zur Vergleichmäßigung der
Sickenverpressung sind hier in den konvexen Bereichen abschnittsweise Schweißverbindungen 60, 60' vorgesehen, die im Wesentlichen in ihrem Radius konzentrisch zu dem der Sickenfüße 37, 37' der beiden Lagen 2a, 2b einer Separatorplatte 2 verlaufen. Die Erstreckung der Schweißverbindungen 60, 60' entspricht hier genau der Erstreckung des konvexen Bereichs, d.h. von einer Senkrechten zur Tangente an die neutrale Faser des Sickendachs 39 durch einen ersten Wendepunkt bis zu einer Senkrechten zur Tangente an die neutrale Faser des Sickendachs 39 durch einen zweiten, zum ersten Wendepunkt benachbarten Wendepunkt. Die Schweißverbindungen sind dabei in sämtlichen gezeigten konvexen Bereichen vorgesehen, so dass beidseitig der Sicke Schweißverbindungen gegeben sind.
Figur 12 stellt eine Variante der Ausführungsform der Figur 11 dar, bei der lediglich die Erstreckung der Schweißnähte gegenüber der Ausführungsform der Figur 11 reduziert ist. Sie beträgt hier ungefähr 20% der Wellenlänge λ.

Claims

REINZ-Dichtungs-GmbH 157PCT 2433 Patentansprüche
1. Separatorplatte (2) für ein elektrochemisches System (1) , umfassend zwei metallische Einzelplatten (2a, 2b) ,
wobei die metallischen Einzelplatten (2a, 2b) Durchgangsöffnungen (22-27) für Betriebsmedien und ggf. Kühlmittel aufweisen sowie in die metallischen Einzelplatten (2a, 2b) eingeformte Verteilungsstrukturen
(28) , die jeweils mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen (22- 27) kommunizieren, wobei in jede der metallischen Einzelplatten (2a, 2b) zumindest umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich
(29) und beabstandet zu diesem und/oder umlaufend um mindestens eine der Durchgangsöffnungen (22-27) und beabstandet zu deren Kante eine umlaufende Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) eingeformt ist, deren Querschnitt ein Sickendach (39), zwei Sickenflanken (38, 38') und zumindest abschnittsweise zwei Sickenfüße (37, 37'} aufweist, wobei sich die Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) zumindest im Bereich ihres Sickendachs (39) zumindest abschnittsweise wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sickendach (39) im Bereich seiner wellenförmigen Erstreckung konstante Breite (Wo) aufweist und dass sich im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs (39) die Basisbreite (Wi; WA) mindestens einer der beiden Sickenflanken (38, 38') ändert.
2. Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine der Sickenflanken (38, 38') im Bereich des wellenförmigen Verlaufs des Sickendachs (39) Fortsätze (33, 34) aufweist, die ein Dach, zwei Flanken und zwei Füße aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamthöhe der Fortsätze (33, 34) geringer ist als die Gesamthöhe der Dichtstruktur (3, 31, 3 , 32} und dass der Abstand mindestens zweier Fortsätze (33, 34) zueinander, vorzugsweise sämtlicher Fortsätze {33, 34) zueinander an einer Sickenflanke (38, 38') n x λ/2 mit λ der Periodenlänge der Wellenform des Sickendachs {39} ist.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Fortsätze (33, 34) den Innenraum der Dächtstruktur (3, 31, 3 , 32) mit einer der Verteilungsstrukturen oder einer der Durchgangsöffnungen {22-27) für Betriebsmedien oder Kühlmittel verbindet.
Separatorplatte nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Basisbreite (W|, WA) mindestens einer der beiden Sickenflanken (38, 38') stetig ändert.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Flankenwinkel ( t) zwischen dem Sickendach (39) und einer Sickenflanke (38, 38'), die sich in einem konkaven Abschnitt erstreckt entlang des wellenförmigen Erstreckungsbe- reichs zumindest abschnittsweise in unterschiedlichem Ausmaß ändert als der Flankenwinkel (aA) zwischen dem Sickendach (39) und der gegenüberliegenden Sickenflanke (38, 38'), die sich in einem konvexen Abschnitt erstreckt.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sickendächer (39) der Dichtstrukturen (3, 31, 3 , 32) der beiden metallischen Einzeiplatten (2a, 2b) der Separatorplatte (2) bezogen auf ihre Kontaktfläche (E) einen zueinander spiegelsymmetrischen Verlauf aufweisen.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine umlaufende Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) sich in mehreren Abschnitten wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden entlang des elektrochemisch aktiven Bereichs (29) einer metallischen Einzelplatte (2a, 2b) erstreckt, wobei zumindest zwei wellenförmige Abschnitte sich entlang einander gegenüberliegender Kanten des elektrochemisch aktiven Bereichs (29) der Einzelplatten (2a, 2b) erstrecken.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine umlaufende Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) sich in mehreren Abschnitten wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden entlang der Innenkante mindestens einer Durchgangsöff- nung (22-27) für Betriebsmedien oder Kühlmittel einer metallischen Einzelplatte (2a, 2b) erstreckt, wobei zumindest zwei wellenförmige Abschnitte sich entlang einander gegenüberliegender Innenkanten der Durchgangsöffnung (22-27) erstrecken.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Sickendachs (WD) zwischen 0,2 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,2 mm beträgt.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flankenwinkel (ct|) eines konkaven Abschnitts zwischen 15° und 60°, vorzugsweise zwischen 25° und 50° beträgt.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Flankenwinkels (oi|) bezogen den Flankenwinkel (a) am Wendepunkt einer Abnahme um bis zu 50% entspricht.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flankenwinkel (OIA) eines konvexen Abschnitts zwischen 20° und 65°, vorzugsweise zwischen 30° und 55° beträgt.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Flankenwinkels (ctA) bezogen auf den Flankenwinke! (ot) am Wendepunkt einer Zunahme um bis zu 100% entspricht.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Abnahme der Basisbreite (WA) innerhalb eines konvexen Abschnitts zwischen 5 und 50%, vorzugsweise zwischen 5 und 40 % der Basisbreite (W) derselben Sickenflanke (38, 38') an einem der den konvexen Abschnitt begrenzenden Wendepunkte beträgt.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Zunahme der Basisbreite (W|) innerhalb eines konkaven Abschnitts zwischen 5 und 100%, vorzugsweise zwischen 5 und 70 % der Basisbreite (W) derselben Sickenflanke (38, 38') an einem der den konkaven Abschnitt begrenzenden Wendepunkte beträgt.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreite (WT) der Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) von Sickenfuß (37, 37') zu Sickenfuß (37', 37) im Bereich einer wellenförmigen Erstreckung der Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) konstant ist. 36
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtstruktur (3, 31, 3 , 32} insgesamt im Bereich der wellenförmigen Erstreckung des Sickendachs (39) linear erstreckt.
Separatorplatte für ein elektrochemisches System, umfassend zwei metallische Einzelplatten (2a, 2b),
wobei die metallischen Einzelplatten (2a, 2b) Durchgangsöffnungen (22-27) für Betriebsmedien und ggf. Kühlmittel aufweisen sowie in die metallischen Einzeiplatten (2a, 2b) eingeformte Verterlungsstrukturen
(28) , die jeweils mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen (22- 27) kommunizieren, wobei in jede der metallischen Einzelplatten (2a, 2b) zumindest umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich
(29) und beabstandet zu diesem und/oder umlaufend um mindestens eine der Durchgangsöffnungen (22-27) und beabstandet zu deren Kante eine umlaufende Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) eingeformt ist, deren Querschnitt ein Sickendach (39), zwei Sickenflanken (38, 38') und zumindest abschnittsweise zwei Sickenfüße (37, 37') aufweist, wobei sich die Dichtstruktur (3, 31, 31', 32) zumindest im Bereich ihres Sickendachs (39) zumindest abschnittsweise wellenförmig mit mindestens zwei Wellenperioden mit konvexen und konkaven Abschnitten erstreckt, so dass sich am Übergang vom Sickendach (39) zu den Sickenflanken (38, 38') obere Innen- und Außenradien und an den Sickenfüßen (37, 37') untere Innen- und Außenradien ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einseitig benachbart zu den Sickenfüßen (37, 37') zumindest entlang des Bereichs, in dem sich das Sickendach (39) wellenförmig erstreckt, abschnittsweise Schweißverbindungen (60, 60') zwischen den beiden metallischen Einzeiplatten (2a, 2b) der Separatorplatte (2) vorgesehen sind, wobei die Schweißverbindungen (60, 60') sich jeweils im Bereich benachbart zu einem konvexen Bereich des Wellenverlaufs und im Wesentlichen konzentrisch zum Si- ckenfuß (37, 37') des konvexen Bereichs erstrecken.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schweißverbindungen (60, 60') jeweils über mindestens 1/9 der Wellenlänge λ und maximal über den gesamten konvexen Abschnitt erstrecken.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtstruktur (3, 31, 3 , 32) zumindest im Bereich des Sickendachs (39) eine Beschichtung (70) aufweist.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (70) FPM (Fluorelastomer), Silikon-Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilikon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen), Silikonharz, Epoxidharz oder Mischungen der vorgenannten Stoffe, oder Haftkiebstoff und/oder physikalisch abbindenden Klebstoff enthält.
Elektrochemisches System, enthaltend zwei Endplatten, ggf. Übergangsplatten, Verspannungsmittei sowie eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen (46), die jeweils durch eine Separatorplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche voneinander getrennt sind.
Elektrochemisches System nach dem vorhergehenden Anspruch, nämlich Brennstoffzellensystem, Elektrolyseur, elektrochemisches
Verdichtersystem oder Befeuchtersystem für ein Brennstoffzellensystem.
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