WO2017029158A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system - Google Patents

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Joachim Scherer
Claudia Kunz
Bernadette GRÜNWALD
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Reinz-Dichtungs-Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a separator plate for an electrochemical system.
  • electrochemical systems such as fuel cell systems or electrochemical compressor systems and electrolyzers as well as humidifiers for electrochemical systems, usually comprise a plurality of separator plates, which are arranged in a stack, so that each two adjacent Separatorplatten an electrochemical cell or a
  • the separator plates usually each comprise two individual plates which are connected to one another along their rear sides remote from the electrochemical cells or the humidifier cells.
  • the Separatorplatten can z.
  • bipolar plates are frequently used as separator plates.
  • electrochemical system In the context of this invention, it also includes humidifier systems for other electrochemical systems.
  • the individual plates of the separator plates can have channel structures for supplying the cells with one or more media and / or for removing media.
  • the media may be, for example, fuels (eg, hydrogen or methanol), reaction gases (eg, air or oxygen), or a coolant as supplied media, and reaction products and heated coolant as discharged media.
  • the separator plates for forwarding in the electrochemical
  • the electrochemical cells in particular a fuel cell, for. B. each comprise a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assemblies or MEA), each with a polymer electrolyte membrane (PEM).
  • MEA Membrane Electrode Assemblies
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the MEA may also have one or more gas diffusion layers (GDL), which are usually oriented towards the separator plates, in particular to bipolar plates of fuel cell systems and z.
  • GDL gas diffusion layers
  • the cell is formed by a substantially gas-impermeable but water-permeable membrane, which may be supported by support media, as well as by at least one, preferably both sides of a diffusion medium of a textile or carbon nonwoven.
  • Pressure of the coolant passed between the individual plates can then lead to breakage of the connections, for example tearing between the plates or e.g. a Sch spapfropf is torn from one or both individual plates, so that at least in a plate, a hole is formed. Additionally or alternatively, the offset can also lead to too much energy is entered into a point of a single plate and burns them, so that also creates a hole. Thus, the individual plates along the joints can be damaged to the point of uselessness. This can cause the between adjacent ones
  • Moisture cells are flooded with a guided between the individual plates cooling fluid that passes through the cracks in the individual plates through the individual plates. Also, there may be a direct uncontrolled reaction between the reaction media, if both single plate holes. Both can lead to the failure of the entire stack.
  • the present invention is therefore based on the object, a
  • separator plate for an electrochemical system, which is as stable as possible in a region in which the channels of the individual plates of the separator plate are crossed relative to each other and which can be produced with the least possible rejects.
  • a separator plate for an electrochemical system which has a first single plate and a second single plate connected to the first single plate.
  • the first individual plate comprises at least two first channels, which are formed in the first individual plate and run alongside one another, for media guidance, which are separated from one another at least in sections by a web formed between the first channels.
  • the second single plate comprises a molded into the second single plate second channel for media management.
  • the web formed between the first channels and the second channel formed in the second individual plate are designed and arranged such that a projection of the second channel onto the first single plate perpendicular to the planar surface plane of the first individual plate the web in an intersection region of the web and / or along the Crossing area crosses.
  • the proposed Separatorplatte is characterized in particular by the fact that the web is lowered in the crossing region of the web, so that the both sides of the web extending first channels via the reduction of the web in fluid communication, and that one of the second single plate facing back of the bottom of the lowering of the Web is connected in the crossing region cohesively with one of the first single plate facing back of the bottom of the second channel.
  • the shorter formulation is used below for simplicity, after which Channels and / or the webs of the second single plate crossing the webs and / or the channels of the first single plate or vice versa.
  • first channels extending on either side of the web are in fluid communication via the depression of the web, the positioning of the first channel can be achieved
  • Reduction along the first channels can also be used selectively to influence the flow behavior of the media in the first channels and in the space between the individual plates.
  • the web lowering can with respect to their contact surface with at least one
  • Channel of the other single plate be formed so that it extends along the direction of the web in the region of the lowering, ie parallel to the direction of the two sides of the web extending channels over a length which is at most five times or at most three times the largest width of at least one crossed by him channel or any crossed by him bridge each at half their height. This makes it possible to ensure that the flow behavior of the medium in the channels is no longer influenced or impaired by the bar lowering. In order to achieve the benefits associated with the web lowering, however, it is desirable that the length of the web lowering along the running direction of the web or along the direction of both sides of the web extending channels at least 0.5 times the width of the crossed channel in the Floor area is.
  • first single plate a plurality of juxtaposed extending first channels for media management may be formed, wherein adjacent channels of the plurality of first channels are each at least partially separated by a web.
  • second channels for media guidance can be formed in the second single plate, wherein the first channels, the webs of the first single plate and the second channels can be configured and arranged such that projections of the second channels perpendicular to the first single plate to the planar surface plane of the first single plate, the webs of the first single plate in each case intersect along one or more crossing regions of the webs.
  • the webs of the first single plate can be lowered in these crossing regions or at least in some of the crossing regions, so that the first channels extending on either side of the respective web of the first single plate are in fluid communication via the depression of this web.
  • Single plate can then in turn be cohesively connected to one of the first single plate facing back of the bottom of the web of the first single plate crossing second channel of the second single plate.
  • the stability and longevity of the separator plate can be increased by a sufficiently large number of web depressions in the crossing regions of the webs of the first individual board and of the cohesive connection formed in this crossing region.
  • the choice of positions for the web depressions between adjacent channels can purposefully influence the flow behavior (eg medium flow rate, hydrostatic pressure, flow velocity) of the medium in the first channels .
  • the targeted placement of the cohesive connections between the first and the second single plate can also serve to influence the flow behavior of a guided between the two individual plates cooling medium, typically to homogenize.
  • the number and arrangement of the web depressions and cohesive connections in the region of web depressions is preferably chosen such that a balance results between optimum flow guidance of these media and optimum longevity of the separator plate. It is particularly advantageous if the Reductions are arranged so that they lie substantially in extension of the coolant supply lines.
  • adjacent channels of the plurality of second channels of the second single plate can each be separated by a web.
  • These webs of the second single plate and the first channels of the first single plate can be designed and arranged such that projections of the first channels perpendicular to the planar surface plane of the second single plate on the second single plate cross the webs of the second single plate along one or more crossing regions of the webs.
  • Single plate may be lowered in the crossing regions or at least in some of the crossing regions, so that the two channels extending on either side of the respective web are in fluid communication via the depression of this web.
  • One of the first single plate facing back of the bottom of the lowering of the respective web of the second single plate can be materially connected in this case with a second single plate facing back of the bottom of the web of the second single plate crossing first channel.
  • This arrangement provides the advantages already described above in terms of stability, longevity and improved flow behavior of the guided in the channels of the individual plates media.
  • a plurality of depressions may be formed with cohesive connections of the type described.
  • the media which are guided or can be guided in the first and / or second channels can be reaction gases, fuels as well
  • the media guided or routable in the first and / or second channels can be, in particular, moist gas, gas to be humidified and, in the further course, depleted humid gas and at least partially humidified gas.
  • the webs and channels of the individual plates can be designed and arranged such that the same first or second channel in each case crosses two or more adjacent webs and channels of the respective other single plate. In the crossing areas defined by this channel of the two or more adjacent webs of each other single plate can be formed in turn depressions with cohesive connections of the type described.
  • the first channels can be designed such that they run straight at least in sections, in particular parallel to one another. Alternatively or additionally, the first channels may extend fan-shaped at least in sections. Alternatively or additionally, the first channels may be curved at least in sections, in particular in a circular arc section or in a wave shape.
  • first channels can also apply to the course of the second channels, with identical, similar or different channel courses being able to be present on both individual plates.
  • profile of the first and / or the second channels can be adapted in many ways to the geometry of the various functional regions of the respective single plate.
  • the individual plates are formed as metal plates, for. As plates made of steel or stainless steel.
  • the individual plates may be at least partially coated on at least one of their surfaces, in particular with a coating for corrosion prevention and / or improvement of the electrical conductivity.
  • the cohesive connection or the cohesive connections between the backs of the web subsidence and the backs of the channel bottoms of the individual plates can
  • the individual plates can in each case have a thickness between 50 ⁇ and 150 ⁇ , preferably between 70 ⁇ and 110 ⁇ , which are determined perpendicular to the planar surface plane of the respective individual plate, in each case including or excluding the stated limit values.
  • the channels and the webs can z. B. be embossed in the individual plates. Sheets of said thickness have a low weight and good formability with sufficient stability.
  • the cohesive connection at the back of the bottom of the lowering of the web of a single plate can be relative to the main extension direction of the channel of the other single plate, with the rear side connects the back of the web lowering, at an angle of -25 ° to + 25 °, in particular of 10 ° to + 10 °.
  • the deviation of the alignment of the integral connection from the course direction of the respective channel can be greater, the wider the contact surface between the back of the web drop and the back of the channel bottom in the respective crossing region or along the respective crossing region.
  • the cohesive connection may extend continuously or in sections over a length at the back of the bottom of the web lowering of one of the individual plates, which corresponds to at least twice, preferably at least five times, in particular at least ten times, the width of the cohesive connection.
  • the cohesive connection may extend at least in sections over a length which corresponds at least to the width of the web in the respective intersection region, preferably at least twice the web width in the intersection region.
  • Length of the cohesive connection may also correspond at least to the width or at least the average width of one of the two sides of the respective web extending channels.
  • the connecting seam formed by the material connection can be connected.
  • the connecting seam can also have line-shaped or punctiform sections. The compound can be longer, the more the angle, which spans the bridge with the channel crossed by him, deviates from 90 °.
  • the bottom of the respective web drop of the first and / or the second single plate can each be continuously lowered to the bottoms of adjacent to this web channels.
  • the other single plate facing backs of the bottom of the web lowering and adjoining the web lowering channel bottoms can, for. B. be formed so that they lie in a plane.
  • the cohesive connection can then follow the course of the channel connected or to be connected to the web transverse (but not necessarily perpendicular) to the course of the web and to the course of adjacent to the web channels over the entire width of the web and additionally on extend the entire width of the adjacent channels or across the entire width of at least one of the adjacent channels. This can advantageously contribute to the stability and longevity of the cohesive connection.
  • a first end of the first and / or second channels may be in fluid communication with at least a portion of an active area of the respective single plate.
  • a second end of the first and / or the second channels may each be in fluid communication with a passage opening of the separator plate.
  • the passage opening can z. B. be set up to supply a medium to the active area or for discharging a medium from the active area.
  • Separator plates of the stack typically include channels in the stack that traverse the stack along the stacking direction. These channels can be fed to the stack media. Likewise, media can be removed from the stack via these channels.
  • the individual plates may have the through holes enclosing beads for sealing the respective passage opening. The first end of the first channels and / or the second channels can then z. B. be in fluid communication with a sift passage for passing a medium through the respective bead.
  • the first channels and / or the second channels may form at least part of a distribution region of the respective single plate, which is also referred to as a feed region or discharge region of the single plate.
  • the distribution region may each have a first edge region in which the first and the second channels are in fluid communication with at least part of an active region of the respective single plate, and may each have one second edge region, in which the first and the second channels are each in fluid communication with a passage opening of the separator plate.
  • the passage opening serves to supply a medium to the active area or to discharge a medium from the active area via the distribution area.
  • This distribution region can in particular extend between two channel branches of at least one, preferably a plurality of channels. With these channel branches can be realized in each case a multiplication of the number of channels or a reduction of the number of channels.
  • the channel branch may comprise a transition of the aforementioned bead passage to the feed or discharge area.
  • the channel branches extend in the two aforementioned edge regions of the distribution region.
  • both channel branches of a channel adjacent to a distribution region in the flow direction either have both an increase or both a reduction in the number of channels.
  • Such distribution areas span an approximately triangular area.
  • the channels of the distribution area run essentially transversely to the direction of the channels in the active area.
  • the total length of the mutually parallel channels is therefore usually very different and there are often some short marginal channels or webs. If one considers those 80% of the channels or webs which have the greatest overall length within a distribution region, their web portions between the depressions have a length of at least 10 mm, preferably at least 12 mm. Here, however, only the web sections are considered between the subsidence, terminal web sections are often shorter.
  • the distribution areas in addition to the parallel to the planar surface plane of the respective individual plate extending channel areas and land areas and connecting the channel and land areas, the plane plane of the respective single plate transverse areas even further, on a different level than the channel areas and the web areas have areas extending parallel to the plane of the plane.
  • This can be advantageous, for example, for optimizing the pressure drop or the volume flow.
  • the Distribution areas - apart from edge areas - consist of the aforementioned channel and web areas and the channel and web areas connecting, transverse to the planar surface plane of the respective single plate areas, of which the channel and land areas each extending in exactly one plane.
  • the at least one distribution region of a single plate therefore has regions which extend parallel to the planar surface plane of the respective individual plate, specifically in such a way that the regions are distributed over exactly two planes.
  • the illustrated examples all relate to a bipolar plate for a fuel cell system.
  • the electrochemical system may also be formed as an electrolyzer, compressor or as a humidifier for an electrochemical system and have separator plates.
  • the invention essential to lowering the channel and arranged there connection of the individual plates is shown below only for the distribution of a separator plate.
  • FIG. 3 shows a section through the stack from FIG. 1, wherein the sectional plane is oriented perpendicular to the planar surface plane of the plates of the stack;
  • FIG. 4 shows excerpts of plan views of the surfaces of a bipolar plate according to the invention, of a section through the active region of the bipolar plate and a view through this bipolar plate;
  • FIG. 5 shows detailed views of a section through two different bipolar plates according to the invention in the region of a lowered web
  • FIG. 6 is a plan view of the crossing region of a lowered web with a channel in a bipolar plate according to the invention.
  • Bipolar plates each with at least one crossing region, in each case in the cutout.
  • Fig. 1 shows an electrochemical system 1 with a stack 2 of identical separator plates, which are stacked along a z-direction 7 and clamped between two end plates 3, 4.
  • the separator plates are designed here as bipolar plates and each comprise two interconnected individual plates.
  • the system 1 is a fuel cell stack. Each two adjacent bipolar plates of the stack 2 thus include between them an electrochemical cell which serves to convert chemical energy into electrical energy.
  • the electrochemical cells have z. B. each have a membrane electrode unit (MEA) and gas diffusion layers (GDL).
  • the system 1 may also be configured as an electrolyzer, compressor, or as a humidifier for an electrochemical system, such as a fuel cell system. In these electrochemical systems are also
  • the end plate 4 has a plurality of ports 5, via which the system 1 media can be fed and discharged via the media from the system 1.
  • These system 1 can be fed and discharged from the system 1 media can, for.
  • fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or coolant such as water and / or glycol.
  • Fig. 2 shows a part of a bipolar plate 100 of the stack 2 of FIG. 1 in a plan view, in particular a part of a first metal single plate 100a of the bipolar plate 100.
  • Fig. 3 shows a section through part of the stack 2 of Fig. 1, wherein the sectional plane is aligned parallel to the z-axis 7 and extends along the section line 11 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows that the bipolar plate 100 comprises, in addition to the first individual plate 100a, a second individual plate 100b, wherein the individual plates 100a, 100b are bonded to one another in regions in a materially joined manner to form the bipolar plate 100 on their mutually facing rear sides of the plates.
  • the individual plates 100a, 100b are formed as metal sheets, in particular as stainless steel sheets.
  • the individual plates 100a, 100b may be made at least partially of non-metallic materials, e.g. B. of heat-resistant, preferably electrically conductive plastic.
  • the individual plates 100a, 100b each have a thickness 190a, 190b (see FIG. 5) of 100 ⁇ m perpendicular to their planar surface plane.
  • the individual plates 100a, 100b are connected to one another in regions by laser welding connections along their mutually facing rear sides.
  • the individual plates 100a, 100b may be partially connected by other cohesive connections, z. B. by other welds, by solder joints or by adhesive bonds.
  • Fig. 3 also shows another, the bipolar plate 100 of identical design
  • the bipolar plate 100 shown in FIG. 2 has passage openings 110, 120, 130.
  • the passage openings 110, 120, 130 form with the remaining bipolar plates of the stack 2 of FIG. 1 lines for media supply and removal. These conduits pass through the stack 2 in the z direction 7 and are each in fluid communication with one of the ports 5 shown in FIG.
  • the bipolar plate 100 Around the through-openings 110, 120, 130, the bipolar plate 100 has beads 111, 121, 131 formed in the bipolar plate 100.
  • the beads are formed in the bipolar plate 100.
  • a further bead 141 surrounds the passage openings 110, 130, the beads 111, 131 and an active region of the single plate 100a which adjoins the left-hand end of FIG. 2, but which is shown in FIG. 2 only in a very short section 167a.
  • the bead 141 serves to seal the active area and the through-openings 110, 130 of the single plate 100a against the through-opening 120 and the surroundings.
  • this active region 167a delimits an electrochemical cell which exists between the single plate 100a and one of the
  • Bipolar plate 100 adjacent bipolar plate of the stack 2 is arranged.
  • FIG. 2 shows that the beads 111, 121, 131 each have passages 112, 122, 132 transversely through the beads 111, 121, 131.
  • These feedthroughs 112, 122, 132 also referred to as sip passages, each serve for the targeted and metered passage of a medium through the beads 111, 121, 131.
  • the passages 112, 122, 132 serve in the beads 111, 121, 131 in each case the production of a fluid connection between the lines formed by the through-holes 110, 120, 130 and the media distribution channels 160a and finally the active region 167a
  • Bipolar plate 100 or between the lines and a spanned between the individual plates 100a, 100b cavity 18 (FIG. 3), which is designed for receiving and circulation of a coolant.
  • the single plate 100a has, on its front side remote from the second individual plate 100b, a distribution region 150a with a multiplicity of channels 160a for media guidance.
  • the channels 160a are formed in the single plate 100a, in particular stamped.
  • the channels 160a are mostly straight and parallel to each other. Sectionwise, namely in the transition 165a from the distribution area 150a to the active area
  • the channels 160a are curved. Those channels 160a, the upper extend halfway through the center of the through hole 130, also have a kink.
  • the channels 160a are each embossed as recesses in the single plate 100a, wherein between each two adjacent channels 160a a respective web 170a is formed, which fluidly separates the channels 160a or at least partially separates fluidically.
  • the distribution region 150a thus has a multiplicity of webs 170a.
  • the channels 160a have at their respective half height a smaller width 161a than the webs 170a formed between the channels 160a, the width of which is denoted by 171a.
  • the widths 161a of the channels 160a are z. Each about 0.2 mm (see Figures 5 and 6).
  • the channels 160a and the lands 170a each extend over a length of between about 1.5 cm and 11 cm.
  • the distribution region 150a of the first single plate 100a with the channels 160a establishes a fluid connection between the line of the stack 2 formed by the passage opening 130 and an active region 167a of the first single plate 100a on the front side of the first single plate 100a facing away from the second single plate 100b ,
  • a medium conducted in the conduit formed by the passage opening 130 can be guided via the sip passage 132 and via the channels 160a into the active region 167a of the first single plate 100a or vice versa.
  • the channels 160a continue in channels of the active region 167a, yet one end, namely the second end of the channels 160a, is defined in the transition region 165a.
  • second ends 162a of the channels 160a are in fluid communication with the active region 167a of the first single plate 100a, where they merge into other channels.
  • First ends 163a of the channels 160a are in fluid communication with the through-opening 130 of the bipolar plate 100 or with the feed or discharge line of the stack 2 formed by the through-opening 130, in particular via the sipe passage 132.
  • the channels 160a fan out, wherein the channels 160a in the illustrated embodiment, with the exception of the few channels 160a with kinks substantially parallel.
  • a cross-section of the channels 160a thus increases in each case, since in the active region 167a, if necessary, further webs are formed there.
  • the number of channels 160a is greater than the number of bushings 132 through the bead 131, z. B.
  • a transition region 164a between the bead 131 and the through hole 130 facing ends 163a of the channels 160a is thus a branch region of the first single plate 100a. In this branching region, the number of channels that fluidly connect the through-hole 130 with the active region of the first single plate 100a increases.
  • the number of channels or channel-like structures for media guidance is again greater than that
  • a transition region 165a between the active region 167a of the first single plate 100a facing ends 162a of the channels 160a and the active region 167a of the first single plate 100a thus again provides a branching region the first single plate
  • the channels 160a are arranged between two branching regions of the first single plate 100a.
  • 4c shows a section of the distribution region 150a on the front side of the first single plate 100a facing away from the second individual plate 100b, with the first channels 160a and with the webs 170a arranged between the first channels 160a. 4c further shows, in sections, the passage opening 130 and the bead 131 surrounding the passage opening 130 and a short section 167a of the active area of the first single plate 100a. Clearly visible are the branching regions 164a and 165a, in which the number of channels fluidly connecting the through-hole 130 to the active region 167a of the first single plate 100a increases from the through-hole 130 to the active region 167a, respectively.
  • FIG. 4a shows a section of a distribution region 150b on the front side of the second single plate 100b facing away from the first individual plate 100a.
  • FIG. 4 a additionally shows, in sections, the through-opening 130 and the bead 131 b enclosing the through-opening 130 in this layer as well as a short section 167 b of the active region of the second individual part. plate 100b.
  • the distribution region 150b of the second single plate 100b has a multiplicity of channels 160b and a plurality of webs 170b respectively arranged between two adjacent channels 160b, the webs 170b respectively fluidically separating the channels 160b at least in sections.
  • the channels 160b of the second single plate 100b provide fluid communication between a through opening 130 of the bipolar plate 100 and the active region 167b of the second single plate 100b on the front side of the second single plate 100b facing away from the first single plate 100a ,
  • FIGS. 4a and 4c shows a section through the bipolar plate 100 according to the invention from FIGS. 4a and 4c through the active area, namely the left outer edge of Fig. 4a and the right outer edge of Fig. 4c, while the two individual plates 100a, 100b are recognizable in the joined state.
  • Fig. 4d shows the entire bipolar plate 100, which also already in Fign. 4a-c, but now in view through the two individual plates 100a, 100b, with the single plate 100a shown in FIG. 4c at the top. Due to the intersecting channels 160a and 160b or intersecting webs
  • Single plate 100b and the first single plate 100a are partially bonded cohesively along their mutually facing backsides, here in particular by laser welding joints along the cohesive connections 50th
  • both the channels 160b and the webs 170b of the second single plate 100b and the channels 160a and the webs 170a of the first single plate 100a extend obliquely from bottom left to top right, it follows that the channels 160a and the webs 170a of the
  • FIGS. 4a, 4c close the channels 160a and the webs 170a of the first single plate 100a with the channels 160b and the webs 170b of the second single plate 100b z.
  • B. a crossing angle of about 50 ° or 130 °.
  • portions 60b of the ridges 170b of the second single plate 100b in which a perpendicular projection of one of the channels 160a of the first single plate 100a onto the second single plate 100b crosses one of the ridges 170b of the second single plate 100b, are called crossing regions of the ridges 170b of the second single plate 100b ,
  • separator plates are typically connectable only along very small contact areas in those regions in which the channels of the individual plates are crossed as described here, namely precisely where the two are facing back sides of the channel bottoms of the two individual plates intersect each other.
  • the improvement proposed here consists precisely in that at least the webs 170a of the first single plate 100a are lowered in at least some of the intersection regions 60a, as shown in FIG. 4c, such that the rear side of the first single plate 100a facing the second single plate 100b is in these intersection regions 60a is in contact with the rear side of the bottom of the corresponding channel 160b of the second single plate 100b and is connected in a materially coherent manner, here z. B. by laser welding.
  • the contact surfaces, along which the rear sides of the individual plates 100a, 100b in the distribution regions 150a, 150b are in contact and are connected to one another or can be connected, can thus be increased significantly.
  • the webs 170a in the crossing regions 60a are each lowered over a length which corresponds approximately to twice the width of the channel crossed by the web 170a at half its height, here z. B. each over a length of about 0.4 mm.
  • z. B. each over a length of about 0.4 mm.
  • the positions for the web subsidence can therefore z. B. also be selected specifically to produce a desired flow profile of the medium in the distribution region 150a with the additional fluid connections between adjacent channels 160a.
  • the land depressions may be targeted to compensate for or reduce any pressure differences or differences in mass transport in the channels 160a.
  • the course of the integral connections 50 between the individual plates 100a, 100b is typically respectively predetermined essentially by the profile of the bottom of the respective channel 160b of the second individual plate 100b, on the rear side of which the integral connection 50 is formed .
  • FIG. 4 a shows that the integral connections 50 are aligned parallel or substantially parallel to the course of the channels 160 b and the webs 170 b in the distribution region 150 b of the second individual plate 100 b.
  • the alignment of the integral connections 50 may slightly differ from the direction of the bottom of the respective channel 160b, z. B. by an angle of up to 25 °, preferably at an angle of up to 10 °.
  • a length of the cohesive connections 50 corresponds in the example of FIGS. 4a, 4c, in each case due to the angle of the channels 160a and 160b, which deviates greatly from 90 °, at least twice the width of the webs 170a.
  • the length of the cohesive connections 50 corresponds to at least twice the width of the channels 160b traversed by the partially lowered webs 170a at half their height there.
  • the cohesive compounds extend into the
  • FIGS. 4a, 4c each over a length of at least 0.7 mm.
  • the length of the cohesive connections 50 in FIGS. 4a, 4c each at least 10 times the width of the respective cohesive connection 50 in the region of the interface between the two individual plates 100a, 100b.
  • Distribution area 150a extend within such an approximately triangular area substantially transverse to the direction of the channels in the active area 167a in order to be able to supply or remove medium to or from the entire width of the active area 167a.
  • the total length of the mutually parallel channels 160a is very different, and there are often some short marginal channels or webs, such as the web 170a *. Between such marginal channels or webs lying
  • the length D is 14 mm.
  • Fig. 5a shows one of the in Figs. 4a, 4c shown material-cohesive connections 50, namely a welded connection between the individual plates 100a, 100b in cross section, while Fig. 5b is an alternative cohesive connection, namely an adhesive or solder joint between two individual plates 100a, 100b.
  • the cutting plane is shown in Figs.
  • 5a and 5b are thus selected such that the webs 170a and the channels 160a of the first single plate 100a have a minimum width along the cutting plane. Since the ridges 170b and the channels 160b of the second single plate 100b are oblique relative to the channels 160a and the ridges 170a of the first single plate 100a, the widths of the channels 160b and the ridges 170b of the second single plate 100b appear opposite to the widths of FIGS Channels 160a and the webs 170a of the first single plate 100a increases.
  • the middle web 170a is lowered to the bottom of the two adjacent channels 160a.
  • the rear side of the web depression 60a facing the second individual plate 100b thus lies in a plane with the adjoining back sides of the bottoms of the channels 160a extending on both sides of the middle web 170a, so that in the embodiment shown in FIGS.
  • Optics depends and is usually between 30 ⁇ and 200 ⁇ , is used in adhesive or solder joints, as shown in Fig. 5b, tried to use at least 75%, preferably at least 95% of the width of the contact surface, in particular the entire width of the contact surface for the connection , Nevertheless, the advantages of the invention, especially in welded joints, as shown in the accuracy of the positioning of an instrument for forming the integral connection 50 in the crossing region 60a of Fig. 5 due to the increased contact area between the individual plates 100a, 100b are less demanding than This is the case in the known from the prior art connection of individual plates is the case. In addition, the advantages of the invention are particularly evident in the enlargement of the possible lengths of the integral connections.
  • Fig. 5a two levels El and E2 are further indicated, each extending along the neutral fiber of the single plate 100a.
  • the plane El corresponds to the plane in which a non-lowered web 170a extends, the plane E2 of the plane in which a channel 160a and the fully lowered portions of the web 170a extend.
  • all areas of the single plate 100a, at least within their distribution area 150a, do not extend transversely to the planar surface plane of the single plate
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of an intersection region 60a of a web 170a of the first single plate 100a in a modified embodiment of the bipolar plate 100. Shown is the web depression in FIG. 6
  • Image center through which a fluid connection between the both sides of the central web 170 a extending channels 160 a of the first single plate 100 a results.
  • the course of a channel 160b of the second single plate 100b is shown schematically, the bottom back side facing the first single plate 100a here parallel to the xy plane and thus to the planar surface plane of the first single plate 100a at a right angle to the webs 170a and 170b the channels 160a of the first single plate 100a extends.
  • the web depression 60a of the first individual plate 100a is connected to the rear side of the bottom of the channel 160b of the second individual plate 100b facing the first individual plate 100a by a material-bonding connection 50.
  • connection 50 is here aligned perpendicular to the webs 170a and the channels 160a of the first single plate 100a. In this case, the connection 50 extends in the lowered crossing region 60a over the entire width of the partially lowered web 170a.
  • Figures 7a-f show schematically further embodiments of webs 170a and channels 160a of the first single plate 100a and of webs 170b and channels 160b of the second single plate 100b in a schematic view.
  • both the webs 170a of the first single plate 100a and the webs 170b of the second single plate 100b have a web depression in some of the regions where they are crossed by a channel of the other single plate, respectively.
  • cohesive connections of the type described above are again arranged between the individual plates 100a, 100b.
  • cohesive connections 50m, 50n exist between the backs of the depressions 60a of the webs 170a of the first single plate 100a and the back sides of the bottoms of the channels 160b of the second single plate 100b, as previously described in connection with FIGS. 4-6 explained.
  • Figs. 7a-c also represent depressions 60b of the webs 170b of the second single plate 100b, which are connected along their rear sides to the rear sides of the bottoms of the channels 160a of the first single plate 100a via integral connections 50p to 50s.
  • cohesive connections 50u, 50t are shown, which extend over at least one web drop 60a and at least one web drop 60b.
  • indices m, n and p to t are used only to distinguish between the individual designs, it is always about cohesive connections 50.
  • cohesive connections 50 For clarity, in the Fign. 7a-f only a part of the channels, webs, depressions and cohesive connections provided with their own reference numerals. 7a shows, with reference to two parallel groups of channels 160a, 160b, which intersect at a right angle, that several cohesive connections 50p can be formed along the rear side of the same channel, wherein the two cohesive connections 50p are spaced apart here by two webs 170b ,
  • Fig. 7b shows two sets of channels 160a, 160b, in which the channels 160a, 160b widen from top to bottom in each case.
  • the flocks intersect at an angle of about 65 ° or 115 °.
  • the two reductions or crossing areas 60a in addition to a continuous weld
  • the depressions or crossing regions 60b have two further welded joints 50r and 50s which differ from the welded joints 50q in that they lie in a region. in which two adjacent webs 170b are lowered, so that they are in immediate effect relationship.
  • the webs 170a and the channels 160a of the first single plate 100a and the webs 170b and the channels 160b of the second single plate 100b may be curved, for example, circular arc (FIG. 7c) or wavy (FIG. 7d).
  • Figures 7e and 7f illustrate more complex subsidence and connection patterns by means of a rectangular grid of intersecting sets of channels 160a, 160b of constant channel width, these complex patterns not being limited to rectangular arrays of channels of constant width.
  • the complex subsidence and connection patterns can be used primarily to guide media targeted through the channels.
  • two mutually adjacent webs 170b are each lowered relative to the same channel 160a to form the depressions 60b.
  • the two webs 170a delimiting this channel 160a are in turn lowered in the area between the two adjacent webs 170b, which are lowered in sections, forming the depressions 60a.
  • the contact surfaces The back surfaces of the channels 160a, 160b together with the contact surfaces of the backs of the recesses 60a and the back of the bottom of the channel 160b and the contact surfaces of the backs of the recesses 60b and the back of the bottom of the channel 160a form a large contact surface of the two individual plates 100a, 100b, which allows a cross-shaped cohesive connection 50t of the two individual plates 100a, 100b.
  • FIG. 7f shows an angled connection 50u of the two individual plates 100a, 100b, which extends over three web lowering or crossing regions 60b, 60a and 60b.
  • a web 170b of the second single plate 100b is lowered in the area opposite a channel 160a of the first single plate 100a and thus fluidly connects two channels 160b of the second single plate 100b.
  • a web 170a of the first single plate 100a is again lowered adjacent to the countersink 60b of the web 170b.
  • This reduction 60a fluidly connects two channels 160a of the first single plate 100a.
  • a web 170b of the second single plate 100b is again lowered.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (100) für ein elektrochemisches System (1), die eine erste Einzelplatte (100a) und eine mit der ersten Einzelplatte (100a) verbundene zweite Einzelplatte (100b) aufweist; wobei die erste Einzelplatte (100a) zwei in die erste Einzelplatte (100a) eingeformte, nebeneinander verlaufende erste Kanäle (160a) zur Medienführung aufweist, die durch einen zwischen den ersten Kanälen (160a) ausgebildeten Steg (170a) wenigstens abschnittweise voneinander getrennt sind; wobei die zweite Einzelplatte (100b) einen in die zweite Einzelplatte (100b) eingeformten zweiten Kanal (160b) zur Medienführung aufweist; und wobei der zwischen den ersten Kanälen (160a) ausgebildete Steg (170a) und der in die zweite Einzelplatte (100b) eingeformte zweite Kanal (160b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Projektion des zweiten Kanals (160b) auf die erste Einzelplatte (100a) senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte (100a) den Steg (170a) entlang eines Kreuzungsbereiches (60a) des Steges (170a) kreuzt. Die vorgeschlagene Separatorplatte zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg (170a) im Kreuzungsbereich (60a) des Steges (170a) abgesenkt ist, so dass die beiderseits des Steges (170a) verlaufenden ersten Kanäle (160a) über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, und dass eine der zweiten Einzelplatte (100b) zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte (100a) zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals (160b) verbunden ist.

Description

Separatorplatte für ein elektrochemisches System
Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System.
Bekannte elektrochemische Systeme, beispielsweise Brennstoffzellensysteme oder elektrochemische Verdichtersysteme sowie Elektrolyseure ebenso wie Befeuchter für elektrochemische Systeme, umfassen gewöhnlich eine Vielzahl von Separatorplatten, die in einem Stapel angeordnet sind, so dass je zwei benachbarte Separatorplatten eine elektrochemische Zelle oder eine
Befeuchterzelle einschließen. Die Separatorplatten umfassen gewöhnlich jeweils zwei Einzelplatten, die entlang ihrer von den elektrochemischen Zellen bzw. den Befeuchterzellen abgewandten Rückseiten miteinander verbunden sind. Die Separatorplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Bei Brennstoffzellen kommen häufig Bipolarplatten als Separatorplatten zum Einsatz. Der Begriff„elektrochemisches System" schließt im Kontext dieser Erfindung auch Befeuchtersysteme für andere elektrochemische Systeme ein.
Die Einzelplatten der Separatorplatten können Kanalstrukturen zur Versor- gung der Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Medien aufweisen. Bei den Medien kann es sich beispielsweise um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um ein Kühlmittel als zugeführte Medien und um Reaktionsprodukte und erwärmtes Kühlmittel als abgeführte Medien handeln. Ferner können die Separatorplatten zum Weiterleiten der in der elektrochemischen
Zelle entstehenden Abwärme dienen, wie sie etwa bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in einer Brennstoffzelle entsteht, sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein. Bei Brennstoffzellen werden üblicher- weise auf den einander abgewandten Oberflächen der Einzelplatten die Reaktionsmedien, d.h. Brennstoff und Reaktionsgase, geführt, während das Kühlmittel zwischen den Einzelplatten geführt wird. Die elektrochemischen Zellen insbesondere einer Brennstoffzelle können z. B. jeweils eine Membran- Elektrodeneinheit (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA) mit jeweils einer Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die MEA können auch eine oder mehrere Gasdiffusionslagen (GDL) aufweisen, die üblicherweise zu den Separatorplatten, insbesondere zu Bipolarplatten von Brennstoffzellsystemen hin orientiert und z. B. als Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Bei Befeuchtern für elektrochemische Systeme wird die Zelle von einer im Wesentlichen gas- undurchlässigen aber wasserdurchlässigen Membran, die von Stützmedien gestützt sein kann, sowie von mindestens einem, vorzugsweise von beidseitig je einem Diffusionsmedium aus einem Textil- oder Kohlenstoffvlies gebildet.
Oft bedingen es der Aufbau und die Funktion der Einzelplatten, dass die Kanä- le der Einzelplatten derselben Separatorplatte wenigstens bereichsweise gekreuzt zueinander verlaufen, so dass die Rückseiten der Kanalböden nur in den Kreuzungsbereichen in Kontakt bringbar und verbindbar sind. Sofern die Einzelplatten im Bereich der sich kreuzenden Kanäle verbunden werden, stellt eine derartige Anordnung somit hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Einzelplatten relativ zueinander sowie an die Positionierung des zum Ausbilden der Verbindung vorgesehenen Instrumentes relativ zu den Einzelplatten. Gebräuchliche Verfahren zur Verbindung der Einzelplatten miteinander sind z. B. Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Löten oder Kleben. Wird die erforderliche Genauigkeit der Positionierung beim Verbinden der Einzelplatten nicht eingehalten, so sind die Verbindungen aufgrund des Versatzes zu schwach oder fehlen zumindest teilweise ganz. Insbesondere der
Druck des zwischen den Einzelplatten geführten Kühlmittels kann dann dazu führen, dass es zum Reißen der Verbindungen kommt, wobei diese beispielsweise zwischen den Platten aufreißen oder z.B. ein Schweißpfropf aus einer oder beiden Einzelplatten gerissen wird, so dass zumindest in einer Platte ein Loch entsteht. Zusätzlich oder alternativ kann der Versatz auch dazu führen, dass zu viel Energie in einen Punkt einer Einzelplatte eingetragen wird und diese durchbrennt, so dass ebenfalls ein Loch entsteht. So können die Einzelplatten entlang der Verbindungsstellen bis zur Unbrauchbarkeit beschädigt werden. Dies kann dazu führen, dass die zwischen benachbarten
Separatorplatten eingeschlossenen elektrochemischen Zellen oder
Befeuchterzellen mit einer zwischen den Einzelplatten geführten Kühlflüssigkeit geflutet werden, die durch die Risse in den Einzelplatten durch die Einzelplatten hindurch tritt. Auch kann es zu einer direkten unkontrollierten Reaktion zwischen den Reaktionsmedien kommen, wenn beide Einzelplatte Löcher aufweisen. Beides kann zum Ausfall des gesamten Stapels führen. Die bisher verwendeten Methoden zum Verbinden der Einzelplatten in Bereichen, in denen die Kanäle der Einzelplatten gekreuzt verlaufen, können daher einen hohen Ausschuss in der Produktion oder eine geringe Lebensdauer des Systems im Betrieb nach sich ziehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die auch in einem Bereich, in dem die Kanäle der Einzelplatten der Separatorplatte relativ zueinander gekreuzt verlaufen, möglichst stabil ist und die mit möglichst ge- ringem Ausschuss herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Separatorplatte sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Separatorplatte für ein elektrochemisches Sys- tem, die eine erste Einzelplatte und eine mit der ersten Einzelplatte verbundene zweite Einzelplatte aufweist. Die erste Einzelplatte umfasst wenigstens zwei in die erste Einzelplatte eingeformte, nebeneinander verlaufende erste Kanäle zur Medienführung, die durch einen zwischen den ersten Kanälen aus- gebildeten Steg wenigstens abschnittweise voneinander getrennt sind. Die zweite Einzelplatte umfasst einen in die zweite Einzelplatte eingeformten zweiten Kanal zur Medienführung. Der zwischen den ersten Kanälen ausgebildete Steg und der in die zweite Einzelplatte eingeformte zweite Kanal sind derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Projektion des zweiten Kanals auf die erste Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte den Steg in einem Kreuzungsbereich des Steges und/oder entlang des Kreuzungsbereiches kreuzt.
Die vorgeschlagene Separatorplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Steg im Kreuzungsbereich des Steges abgesenkt ist, so dass die beiderseits des Steges verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, und dass eine der zweiten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung des Steges im Kreuzungsbereich stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals verbunden ist.
Anstatt die Formulierung zu gebrauchen, wonach eine Projektion der Kanäle und/oder Stege der zweiten Einzelplatte auf die erste Einzelplatte die Stege und/oder die Kanäle der ersten Einzelplatte kreuzt oder umgekehrt, wird im Folgenden der Einfachheit halber auch die kürzere Formulierung verwendet, wonach die Kanäle und/oder die Stege der zweiten Einzelplatte die Stege und/oder die Kanäle der ersten Einzelplatte kreuzen oder umgekehrt. Darunter soll jedoch stets verstanden werden, dass die einander kreuzenden Stege und Kanäle der beiden Einzelplatten jeweils zumindest abschnittsweise in un- terschiedlichen Ebenen verlaufen, wobei diese Ebenen überwiegend parallel zueinander ausgerichtet sind.
Dadurch, dass der die ersten Kanäle trennende Steg dort, wo er den zweiten Kanal kreuzt, abgesenkt ist und dass eine der zweiten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals verbunden ist, ist der Bereich, in dem die beiden Einzelplatten verbunden sind oder verbindbar sind, vergrößert. Die beiden Einzelplatten sind nämlich nicht nur dort miteinander verbunden oder verbindbar, wo die Kanäle der ersten Einzelplatte und die Kanäle der zweiten Einzelplatte einander kreuzen und ihre Rückseiten somit in Kontakt miteinander kommen, sondern zusätzlich im
Kreuzungsbereich des Steges zwischen den Kanälen der ersten Einzelplatte, wo durch die Absenkung des Steges eine größere Berührfläche der Rückseiten der Einzelplatten gegeben ist. Dies erhöht die Stabilität der Verbindung zwischen den Einzelplatten und stellt geringere Anforderungen an die räumliche Genauigkeit der gewählten Verbindungstechnik. Die Ausschussrate bei der
Herstellung der Separatorplatte und die Lebensdauer der Separatorplatte im Betrieb können so verbessert werden.
Dadurch, dass die beiderseits des Steges verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, kann die Positionierung der
Absenkung entlang der ersten Kanäle zudem gezielt genutzt werden, um Ein- fluss auf das Strömungsverhalten der Medien in den ersten Kanälen und im Zwischenraum zwischen den Einzelplatten zu nehmen. Die Stegabsenkung kann bezüglich ihrer Kontaktfläche mit mindestens einem
Kanal der anderen Einzelplatte derart ausgebildet sein, dass sie sich entlang der Verlaufsrichtung des Steges im Bereich der Absenkung, also parallel zur Verlaufsrichtung der beiderseits des Steges verlaufenden Kanäle, über eine Länge erstreckt, die höchstens das Fünffache oder höchstens das Dreifache der größten Breite des mindestens einen von ihm gekreuzten Kanals oder eines gegebenenfalls von ihm gekreuzten Stegs jeweils auf deren halber Höhe beträgt. So kann sichergestellt werden, dass das Strömungsverhalten des Mediums in den Kanälen durch die Stegabsenkung nicht mehr als nötig beein- flusst oder beeinträchtigt wird. Um die mit der Stegabsenkung verbundenen Vorteile zu erzielen, ist es jedoch wünschenswert, dass die Länge der Stegabsenkung entlang der Verlaufsrichtung des Steges bzw. entlang der Verlaufsrichtung der beiderseits des Steges verlaufenden Kanäle wenigstens das 0,5- Fache der Breite des gekreuzten Kanals in dessen Bodenbereich beträgt. Für eine stabile Verbindung ist es jedoch unabhängig von den Kanalbreiten vor- teilhaft, dass die Länge der Absenkung mindestens 0,15 mm beträgt. In die erste Einzelplatte kann eine Vielzahl nebeneinander verlaufender erster Kanäle zur Medienführung eingeformt sein, wobei benachbarte Kanäle der Vielzahl der ersten Kanäle jeweils wenigstens abschnittweise durch einen Steg getrennt sind. Ebenso kann in die zweite Einzelplatte eine Vielzahl nebenei- nander verlaufender zweiter Kanäle zur Medienführung eingeformt sein, wobei die ersten Kanäle, die Stege der ersten Einzelplatte und die zweiten Kanäle derart ausgebildet und angeordnet sein können, dass Projektionen der zweiten Kanäle auf die erste Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte die Stege der ersten Einzelplatte jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche der Stege kreuzen. Die Stege der ersten Einzelplatte können in diesen Kreuzungsbereichen oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche abgesenkt sein, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges der ersten Einzelplatte verlaufenden ersten Kanäle über die Absenkung dieses Steges in Fluidverbindung sind. Eine der zweiten Einzelplatte zuge- wandte Rückseite des Bodens der Absenkung im jeweiligen Steg der ersten
Einzelplatte kann dann wiederum stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg der ersten Einzelplatte kreuzenden zweiten Kanals der zweiten Einzelplatte verbunden sein. Durch eine ausreichend große Anzahl an Stegabsenkungen in den Kreuzungsberei- chen der Stege der ersten Einzelplatte und der in diesem Kreuzungsbereich ausgebildeten stoffschlüssigen Verbindung kann die Stabilität und die Langlebigkeit der Separatorplatte erhöht werden.
Insbesondere im hier beschriebenen Fall einer Vielzahl nebeneinander verlau- fender erster Kanäle kann durch die Wahl der Positionen für die Stegabsenkungen zwischen benachbarten Kanälen gezielt Einfluss auf das Strömungsverhalten (z. B. Mediumflussrate, hydrostatischer Druck, Strömungsgeschwindigkeit) des Mediums in den ersten Kanälen genommen werden. In ganz ähnlicher Weise kann die gezielte Platzierung der stoffschlüssigen Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Einzelplatte auch dazu dienen, das Strömungsverhalten eines zwischen den beiden Einzelplatten geführten Kühlmediums zu beeinflussen, typischerweise zu homogenisieren. Die Anzahl und Anordnung der Stegabsenkungen und stoffschlüssigen Verbindungen im Bereich von Stegabsenkungen wird vorzugsweise so gewählt, dass eine Balance zwischen optimaler Strömungsführung dieser Medien und optimaler Langlebigkeit der Separatorplatte resultiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Absenkungen so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen in Verlängerung der Kühlmittelzuleitungen liegen.
Alternativ oder zusätzlich können benachbarte Kanäle der Vielzahl der zwei- ten Kanäle der zweiten Einzelplatte jeweils durch einen Steg getrennt sein.
Diese Stege der zweiten Einzelplatte und die ersten Kanäle der ersten Einzelplatte können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass Projektionen der ersten Kanäle auf die zweite Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene der zweiten Einzelplatte die Stege der zweiten Einzelplatte jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche der Stege kreuzen. Die Stege der zweiten
Einzelplatte können in den Kreuzungsbereichen oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche abgesenkt sein, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden zweiten Kanäle über die Absenkung dieses Steges in Fluidverbindung sind. Eine der ersten Einzelplatte zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung des jeweiligen Steges der zweiten Einzelplatte kann auch in diesem Fall stoffschlüssig mit einer der zweiten Einzelplatte zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg der zweiten Einzelplatte kreuzenden ersten Kanals verbunden sein. Diese Anordnung zeitigt wiederum die bereits zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich Stabilität, Langlebigkeit und verbessertem Strömungsverhalten der in den Kanälen der Einzelplatten geführten Medien. Beispielsweise kann in demselben Steg der ersten und/oder der zweiten Einzelplatte jeweils eine Vielzahl von Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen der beschriebenen Art ausgebildet sein. Bei den in den ersten und/oder zweiten Kanälen geführten oder führbaren Medien kann es sich im Falle von Brennstoffzelle um Reaktionsgase, Brennstoffe sowie
Reaktionsprodukte handeln. Auf der Rückseite der Stege, d.h. zwischen den Einzelplatten, werden üblicherweise Kühlmittel geführt. Im Falle einer Befeuchterzelle kann es sich bei den in den ersten und/oder zweiten Kanälen geführten oder führbaren Medien insbesondere um feuchtes Gas, zu befeuch- tendes Gas sowie im weiteren Verlauf um verarmtes feuchtes Gas und zumindest teilweise befeuchtetes Gas handeln.
Die Stege und Kanäle der Einzelplatten können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass derselbe erste oder zweite Kanal jeweils zwei oder mehr benachbarte Stege und Kanäle der jeweils anderen Einzelplatte kreuzt. In den durch diesen Kanal definierten Kreuzungsbereichen der zwei oder mehr be- nachbarten Stege der jeweils anderen Einzelplatte können wiederum Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen der beschriebenen Art ausgebildet sein. Die ersten Kanäle können derart ausgebildet sein, dass sie wenigstens abschnittsweise gerade, insbesondere parallel zueinander verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Kanäle wenigstens abschnittweise fächerförmig verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Kanäle wenigstens abschnittweise gekrümmt, insbesondere kreisbogenabschnitts- oder wel- lenförmig verlaufen. Dasselbe hier über den Verlauf der ersten Kanäle Gesagte kann jeweils ebenso für den Verlauf der zweiten Kanäle gelten, wobei auf beiden Einzelplatten identische, ähnliche oder unterschiedliche Kanalverläufe vorhanden sein können. Auf diese Weise kann der Verlauf der ersten und/oder der zweiten Kanäle auf vielfältige Weise an die Geometrie der ver- schiedenen funktionellen Bereiche der jeweiligen Einzelplatte angepasst werden.
Die Stege und Kanäle der ersten Einzelplatte können die Stege und Kanäle der zweiten Einzelplatte parallel zu den Planflächenebenen der Einzelplatten z. B. in einem Kreuzungswinkel α kreuzen. Für den Kreuzungswinkel α kann gelten:
15" < α < 165°, vorzugsweise 30" < α < 150°.
Typischerweise sind die Einzelplatten als Metall platten ausgebildet, z. B. als Platten aus Stahl oder Edelstahl. Die Einzelplatten können dabei zumindest auf einer ihrer Oberflächen zumindest abschnittsweise beschichtet sein, insbesondere mit einer Beschichtung zur Korrosionsprävention und/oder Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Die stoffschlüssige Verbindung bzw. die stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den Rückseiten der Stegabsenkungen und den Rückseiten der Kanalböden der Einzelplatten können
Schweißverbindungen sein, insbesondere Laserschweißverbindungen. Laser- schweißverfahren eignen sich besonders gut für das automatisierte Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den Einzelplatten. Alternativ können die stoffschlüssigen Verbindungen oder wenigstens einige der stoffschlüssigen Verbindungen als Lötverbindungen oder als Klebeverbindungen ausgebildet sein. Die Einzelplatten können jeweils eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte bestimmte Dicke zwischen 50 μιη und 150 μιη, vorzugsweise zwischen 70 μιη und 110 μιη, jeweils einschließlich oder ausschließlich der angegebenen Grenzwerte, haben. Die Kanäle und die Stege können z. B. in die Einzelplatten eingeprägt sein. Bleche der genannten Dicke weisen bei ausreichender Stabilität ein geringes Gewicht und eine gute Formbarkeit auf.
Die stoffschlüssige Verbindung an der Rückseite des Bodens der Absenkung des Steges einer Einzelplatte kann sich relativ zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals der anderen Einzelplatte, mit dessen Rückseite sie die Rückseite der Stegabsenkung verbindet, in einem Winkel von -25° bis +25°, insbesondere von -10° bis +10° erstrecken. Die Abweichung der Ausrichtung der stoffschlüssigen Verbindung von der Verlaufsrichtung des jeweiligen Kanals kann dabei umso größer sein, je breiter die Kontaktfläche zwischen der Rückseite der Stegabsenkung und der Rückseite des Kanalbodens im jeweiligen Kreuzungsbereich oder entlang des jeweiligen Kreuzungsbereichs ist.
Die stoffschlüssige Verbindung kann sich an der Rückseite des Bodens der Stegabsenkung einer der Einzelplatten durchgängig oder abschnittsweise über eine Länge erstrecken, die mindestens dem Doppelten, vorzugsweise mindestens dem Fünffachen, insbesondere mindestens dem Zehnfachen der Breite der stoffschlüssigen Verbindung entspricht. Die stoffschlüssige Verbindung kann sich zumindest in Abschnitten über eine Länge erstrecken, die wenigstens der Breite des Steges im jeweiligen Kreuzungsbereich entspricht, vor- zugsweise wenigstens der doppelten Stegbreite im Kreuzungsbereich. Die
Länge der stoffschlüssigen Verbindung kann auch wenigstens der Breite oder wenigstens der mittleren Breite eines der beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden Kanäle entsprechen. Die von der stoffschlüssigen Verbindung gebildete Verbindungsnaht kann zusammenhängend sein. Alternativ kann die Verbindungsnaht auch strichlinienförmige oder punktlinienförmige Abschnitte aufweisen. Die Verbindung kann umso länger sein, je stärker der Winkel, den der Steg mit dem von ihm gekreuzten Kanal aufspannt, von 90° abweicht.
Der Boden der jeweiligen Stegabsenkung der ersten und/oder der zweiten Einzelplatte kann jeweils durchgehend bis zu den Böden der an diesen Steg angrenzenden Kanäle abgesenkt sein. Die der jeweils anderen Einzelplatte zugewandten Rückseiten des Bodens der Stegabsenkung und der an die Stegabsenkung sich anschließenden Kanalböden können z. B. derart ausgebildet sein, dass sie in einer Ebene liegen. Z. B. kann sich die stoffschlüssige Verbindung dann dem Verlauf des mit der Stegabsenkung verbundenen oder zu ver- bindenden Kanals folgend quer (jedoch nicht notwendigerweise senkrecht) zum Verlauf des Steges und zum Verlauf der an den Steg angrenzenden Kanäle über die gesamte Breite des Steges und zusätzlich über die gesamte Breite der angrenzenden Kanäle oder über die gesamte Breite wenigstens eines der angrenzenden Kanäle erstrecken. Dies kann vorteilhaft zur Stabilität und zur Langlebigkeit der stoffschlüssigen Verbindung beitragen.
Ein erstes Ende der ersten und/oder der zweiten Kanäle kann in Fluidverbin- dung mit mindestens einem Teil eines aktiven Bereichs der jeweiligen Einzelplatte sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein zweites Ende der ersten und/oder der zweiten Kanäle jeweils in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung der Separatorplatte sein. Die Durchgangsöffnung kann z. B. zur Zuführung eines Mediums zum aktiven Bereich oder zum Abführen eines Mediums aus dem aktiven Bereich eingerichtet sein. Beim Stapeln der
Separatorplatten bilden die fluchtenden Durchgangsöffnungen der
Separatorplatten des Stapels typischerweise Kanäle im Stapel, die den Stapel entlang der Stapelrichtung durchziehen. Über diese Kanäle können dem Stapel Medien zugeführt werden. Ebenso können Medien über diese Kanäle aus dem Stapel abgeführt werden. Die Einzelplatten können die Durchgangsöffnungen umschließende Sicken zum Abdichten der jeweiligen Durchgangsöffnung aufweisen. Das erste Ende der ersten Kanäle und/oder der zweiten Kanäle kann dann z. B. mit einer Si- ckendurchführung zum Durchführen eines Mediums durch die jeweilige Sicke in Fluidverbindung sein.
Die ersten Kanäle und/oder die zweiten Kanäle können zumindest einen Teil eines Verteilbereichs der jeweiligen Einzelplatte bilden, der auch als Zuführbereich oder Abführbereich der Einzelplatte bezeichnet wird. Dieser
Verteilbereich kann jeweils einen ersten Randbereich aufweisen, in dem die ersten bzw. die zweiten Kanäle in Fluidverbindung mit mindestens einem Teil eines aktiven Bereichs der jeweiligen Einzelplatte sind, und kann jeweils einen zweiten Randbereich aufweisen, in dem die ersten bzw. die zweiten Kanäle jeweils in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung der Separatorplatte sind. Hierbei dient die Durchgangsöffnung zur Zuführung eines Mediums zum aktiven Bereich oder zum Abführen eines Mediums aus dem aktiven Bereich über den Verteilbereich. Dieser Verteilbereich kann sich insbesondere zwischen zwei Kanalverzweigungen mindestens eines, vorzugsweise mehrerer Kanäle erstrecken. Mit diesen Kanalverzweigungen kann jeweils eine Vervielfachung der Anzahl der Kanäle oder eine Reduktion der Anzahl Kanäle realisiert sein. Die Kanalverzweigung kann einen Übergang der genannten Sicken- durchführung zum Zuführ- bzw. vom Abführbereich umfassen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Kanalverzweigungen in den beiden vorgenannten Randbereichen des Verteilbereichs. Insbesondere weisen beide Kanalverzweigungen eines Kanals in bzw. an einen Verteilbereich angrenzend in Strömungsrichtung entweder beide eine Erhöhung oder beide eine Verringerung der Anzahl der Kanäle auf.
Oftmals spannen derartige Verteilbereiche eine näherungsweise dreieckige Fläche auf. Die Kanäle des Verteilbereichs verlaufen dabei im Wesentlichen quer zur Verlaufsrichtung der Kanäle im aktiven Bereich. Die Gesamtlänge der parallel zueinander verlaufenden Kanäle ist deshalb meist sehr unterschiedlich und es ergeben sich häufig einige kurze randständige Kanäle bzw. Stege. Betrachtet man diejenigen 80% der Kanäle bzw. Stege, die die größte Gesamtlänge innerhalb eines Verteilbereiches aufweisen, so weisen deren Stegabschnitte zwischen den Absenkungen eine Länge von mindestens 10 mm, vor- zugsweise von mindestens 12 mm auf. Hierbei werden allerdings nur die Stegabschnitte zwischen den Absenkungen betrachtet, endständige Stegabschnitte sind häufig kürzer.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Verteilbereiche neben den sich parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte erstreckenden Kanalbereichen und Stegbereichen sowie den die Kanal- und Stegbereiche verbindenden, zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte quer verlaufenden Bereichen noch weitere, sich auf einer anderen Ebene als die Kanalbereiche und die Stegbereiche parallel zur Planflächenebene erstreckende Bereiche aufwei- sen. Dies kann beispielsweise zur Optimierung des Druckabfalls oder des Volumenstroms vorteilhaft sein. Es ist jedoch bevorzugt, wenn die Verteilbereiche - abgesehen von Randbereichen - aus vorgenannten Kanal- und Stegbereichen sowie den die Kanal- und Stegbereiche verbindenden, zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte quer verlaufenden Bereichen bestehen, von denen die Kanal- und Stegbereiche sich jeweils in genau einer Ebene erstrecken. Der mindestens eine Verteilbereich einer Einzelplatte weist in diesem vorteilhaften Fall also Bereiche auf, die sich parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte erstrecken und zwar so, dass die Bereiche auf genau zwei Ebenen verteilt sind. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Bei diesen Beispielen werden für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass deren Erläuterung gegebenenfalls nicht wiederholt wird. Die nachfolgenden Beispiele weisen weiterhin eine Vielzahl von zusätzlichen Merkmalen auf, die die Erfindung weiter verbessern können.
Diese zusätzlichen Merkmale können jedoch nicht ausschließlich in der im jeweiligen Beispiel gezeigten Kombination eingesetzt werden, sondern auch isoliert voneinander oder in Kombination mit anderen Merkmalen in anderen Beispielen. Die dargestellten Beispiele beziehen sich sämtlich auf eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellsystem. Bei alternativen, nicht dargestellten Ausführungsformen kann das elektrochemische System ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Befeuchter für ein elektrochemisches System ausgebildet sein und Separatorplatten aufweisen. Die erfindungswesentliche Kanalabsenkung und die dort angeordnete Verbindung der Einzelplatten ist im Folgenden nur für den Verteilbereich einer Separatorplatte dargestellt.
Bei nicht dargestellten Ausführungsformen können sie jedoch ebenso im aktiven Bereich vorgesehen sein, wenn dort die ersten und zweiten Kanäle gekreuzt zueinander verlaufen. Es zeigt: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von gestapelt
Bipolarplatten; einen Ausschnitt einer Bipolarplatte des Stapels aus Fig. 1 in leicht gesprengter Darstellung, wobei die Bipolarplatte Kanalstrukturen und Durchgangsöffnungen aufweist; Fig. 3 einen Schnitt durch den Stapel aus Fig. 1, wobei die Schnittebene senkrecht zur Planflächenebene der Platten des Stapels ausgerichtet ist;
Fig. 4 Ausschnitte von Draufsichten auf die Oberflächen einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, von einem Schnitt durch den aktiven Bereich der Bipolarplatte sowie eine Durchsicht durch diese Bipolarplatte;
Fig. 5 Detailansichten je eines Schnitts durch zwei verschiedene erfindungsgemäße Bipolarplatten im Bereich eines abgesenkten Steges;
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Kreuzungsbereich eines abgesenkten Steges mit einem Kanal in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte; sowie
Fig. 7 Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem Kreuzungsbereich, jeweils in Durchsicht im Ausschnitt.
Fig. 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 2 von baugleichen Separatorplatten, die entlang einer z-Richtung 7 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die Separatorplatten sind hier als Bipolarplatten ausgebildet und umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten des Stapels 2 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Die elektrochemischen Zellen weisen z. B. jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) und Gasdiffusionslagen (GDL) auf. Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Befeuchter für ein elektrochemisches System, wie ein Brennstoffzellensystem, ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen werden ebenfalls
Separatorplatten verwendet. Der Aufbau dieser Separatorplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien unterscheiden.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Ports 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
Fig. 2 zeigt einen Teil einer Bipolarplatte 100 des Stapels 2 aus Fig. 1 in einer Draufsicht, insbesondere einen Teil einer ersten metallischen Einzelplatte 100a der Bipolarplatte 100. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Stapels 2 aus Fig. 1, wobei die Schnittebene parallel zur z-Achse 7 ausgerichtet ist und entlang der in Fig. 2 dargestellten Schnittlinie 11 verläuft.
Fig. 3 ist entnehmbar, dass die Bipolarplatte 100 neben der ersten Einzelplatte 100a eine zweite Einzelplatte 100b umfasst, wobei die Einzelplatten 100a, 100b zur Ausbildung der Bipolarplatte 100 an ihren einander zugewandten Rückseiten der Böden bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Einzelplatten 100a, 100b als Metallbleche ausgebildet, insbesondere als Edelstahlbleche. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die Einzelplatten 100a, 100b wenigstens teilweise aus nicht-metallischen Materialien gefertigt sein, z. B. aus hitzebeständigem, vorzugsweise elektrisch leitfähigem Kunststoff. Die Einzelplatten 100a, 100b weisen senkrecht zu ihrer Planflächenebene jeweils eine Dicke 190a, 190b (siehe Fig. 5) von 100 μιη auf. Hier sind die Einzelplatten 100a, 100b entlang ihrer einander zugewandten Rückseiten bereichsweise durch Laserschweißverbindungen miteinander verbunden. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die Einzelplatten 100a, 100b auch durch andere stoffschlüssige Verbindungen bereichsweise verbunden sein, z. B. durch andere Schweißverbindungen, durch Lötverbindungen oder durch Klebverbindungen. Fig. 3 zeigt zudem weitere, der Bipolarplatte 100 baugleiche
Bipolarplatten 200, 300 sowie zwischen den Bipolarplatten 100, 200, 300 angeordnete MEA 16 und Gasdiffusionslagen 17.
Die in Fig. 2 gezeigte Bipolarplatte 100 weist Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 auf. Die Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 bilden mit den übrigen Bipolarplatten des Stapels 2 aus Fig. 1 Leitungen zur Medienzu- und -abfuhr. Diese Leitungen durchziehen den Stapel 2 in der z-Richtung 7 und sind jeweils in Fluidverbindung mit einem der in Fig. 1 gezeigten Ports 5.
Um die Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 herum weist die Bipolarplatte 100 in die Bipolarplatte 100 eingeformte Sicken 111, 121, 131 auf. Die Sicken
111, 121, 131 dienen dazu, die von den Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 gebildeten Leitungen gegen die jeweils anderen Medienräume und gegen die Umgebung abzudichten. Eine weitere Sicke 141 umschließt die Durchgangsöffnungen 110, 130, die Sicken 111, 131 sowie einen am linken Bildende der Fig. 2 sich anschließenden aktiven Bereich der Einzelplatte 100a, der in Fig. 2 jedoch nur in einem sehr kurzen Abschnitt 167a dargestellt ist. Die Sicke 141 dient der Abdichtung des aktiven Bereichs und der Durchgangsöffnungen 110, 130 der Einzelplatte 100a gegen die Durchgangsöffnung 120 und die Umgebung. Im vorliegenden Beispiel begrenzt dieser aktive Bereich 167a eine elekt- rochemische Zelle, die zwischen der Einzelplatte 100a und einer der
Bipolarplatte 100 benachbarten Bipolarplatte des Stapels 2 angeordnet ist.
Ferner zeigt Fig. 2, dass die Sicken 111, 121, 131 jeweils Durchführungen 112, 122, 132 quer durch die Sicken 111, 121, 131 aufweisen. Diese Durchführun- gen 112, 122, 132, auch als Sickendurchführungen bezeichnet, dienen jeweils der gezielten und dosierten Durchführung eines Mediums durch die Sicken 111, 121, 131. Beispielsweise dienen die Durchführungen 112, 122, 132 in den Sicken 111, 121, 131 jeweils der Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den von den Durchgangsöffnungen 110, 120, 130 gebildeten Leitungen und den Medienverteilkanälen 160a und letztlich dem aktiven Bereich 167a der
Bipolarplatte 100 oder zwischen den Leitungen und einem zwischen den Einzelplatten 100a, 100b aufgespannten Hohlraum 18 (Fig. 3), der zur Aufnahme und Zirkulation eines Kühlmittels ausgebildet ist. Fig. 2 ist ferner entnehmbar, dass die Einzelplatte 100a an ihrer von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite einen Verteilbereich 150a mit einer Vielzahl von Kanälen 160a zur Medienführung aufweist. Die Kanäle 160a sind in die Einzelplatte 100a eingeformt, insbesondere eingeprägt. Die Kanäle 160a verlaufen größtenteils gerade und parallel zueinander. Abschnittweise, nämlich im Übergang 165a vom Verteilbereich 150a zum aktiven Bereich
167a, verlaufen die Kanäle 160a gekrümmt. Diejenigen Kanäle 160a, die ober- halb der Mitte der Durchgangsöffnung 130 verlaufen, weisen zudem eine Knickstelle auf. Die Kanäle 160a sind jeweils als Vertiefungen in die Einzelplatte 100a eingeprägt, wobei zwischen zwei benachbarten Kanälen 160a jeweils ein Steg 170a ausgebildet ist, der die Kanäle 160a fluidisch trennt oder we- nigstens abschnittweise fluidisch trennt. Der Verteilbereich 150a weist also eine Vielzahl von Stegen 170a auf. Die Kanäle 160a haben auf ihrer jeweiligen halben Höhe eine geringere Breite 161a als die zwischen den Kanälen 160a ausgebildeten Stege 170a, deren Breite mit 171a bezeichnet wird. Die Breiten 161a der Kanäle 160a betragen z. B. jeweils etwa 0,2 mm (siehe Fign. 5 und 6). Die Kanäle 160a und die Stege 170a erstrecken sich jeweils über eine Länge von zwischen ungefähr 1,5 cm und 11 cm.
Der Verteilbereich 150a der ersten Einzelplatte 100a mit den Kanälen 160a stellt eine Fluidverbindung zwischen der von der Durchgangsöffnung 130 ge- bildeten Leitung des Stapels 2 und einem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a an der von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite der ersten Einzelplatte 100a her. So kann ein in der von der Durchgangsöffnung 130 gebildeten Leitung geführtes Medium über die Sickendurchfüh- rung 132 und über die Kanäle 160a in den aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a geleitet werden oder umgekehrt. Die Kanäle 160a setzen sich in Kanälen des aktiven Bereichs 167a fort, dennoch wird im Übergangsbereich 165a ein Ende, nämlich das zweite Ende der Kanäle 160a definiert. Insbesondere sind zweite Enden 162a der Kanäle 160a in Fluidverbindung mit dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a und gehen dort in an- dere Kanäle über. Erste Enden 163a der Kanäle 160a sind in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung 130 der Bipolarplatte 100 bzw. mit der von der Durchgangsöffnung 130 gebildeten Zu- oder Abführleitung des Stapels 2, und zwar insbesondere über die Sickendurchführung 132. Zum aktiven Bereich 167a der Einzelplatte 100a hin, also im Übergangsbereich 165a der Kanäle 160a, fächern sich die Kanäle 160a auf, wobei die Kanäle 160a im dargestellten Ausführungsbeispiel abgesehen von den wenigen Kanälen 160a mit Knickstellen im Wesentlichen parallel verlaufen. Im Übergangsbereich 165a zum aktiven Bereich 167a der Einzelplatte 100a nimmt ein Querschnitt der Kanäle 160a also jeweils zu, da dort im aktiven Bereich 167a ggf. weitere Stege aus- gebildet werden. Die Zahl der Kanäle 160a ist größer als die Zahl der Durchführungen 132 durch die Sicke 131, z. B. wenigstens um einen Faktor 1,5 oder wenigstens um einen Faktor 2. Ein Übergangsbereich 164a zwischen der Sicke 131 und den der Durchgangsöffnung 130 zugewandten Enden 163a der Kanäle 160a ist also ein Verzweigungsbereich der ersten Einzelplatte 100a. In diesem Verzweigungsbereich erhöht sich die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich der ersten Einzelplatte 100a verbinden.
Im aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a ist die Zahl der Kanäle oder kanalähnlichen Strukturen zur Medienführung nochmals größer als die
Zahl der Kanäle 160a, z. B. wiederum wenigstens um einen Faktor 1,5 oder wenigstens um einen Faktor 2. Ein Übergangsbereich 165a zwischen den dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a zugewandten Enden 162a der Kanäle 160a und dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a stellt somit wiederum einen Verzweigungsbereich der ersten Einzelplatte
100a dar. In diesem Verzweigungsbereich erhöht sich die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich der ersten Einzelplatte 100a verbinden. In diesem Sinne sind die Kanäle 160a zwischen zwei Verzweigungsbereichen der ersten Einzelplatte 100a angeordnet.
Fig. 4c zeigt einen Ausschnitt des Verteilbereichs 150a an der von der zweiten Einzelplatte 100b abgewandten Vorderseite der ersten Einzelplatte 100a mit den ersten Kanälen 160a und mit den zwischen den ersten Kanälen 160a angeordneten Stegen 170a. Fig. 4c zeigt weiter abschnittsweise die Durchgangs- Öffnung 130 und die die Durchgangsöffnung 130 umschließende Sicke 131 sowie einen kurzen Abschnitt 167a des aktiven Bereichs der ersten Einzelplatte 100a. Deutlich zu erkennen sind die Verzweigungsbereiche 164a und 165a, in denen die Anzahl der Kanäle, die die Durchgangsöffnung 130 fluidisch mit dem aktiven Bereich 167a der ersten Einzelplatte 100a verbinden, jeweils von der Durchgangsöffnung 130 zum aktiven Bereich 167a hin zunimmt.
Fig. 4a zeigt einen Ausschnitt eines Verteilbereiches 150b an der von der ersten Einzelplatte 100a abgewandten Vorderseite der zweiten Einzelplatte 100b. Fig. 4a zeigt darüber hinaus abschnittsweise die Durchgangsöffnung 130 und die die Durchgangsöffnung 130 in dieser Lage umschließende Sicke 131b sowie einen kurzen Abschnitt 167b des aktiven Bereichs der zweiten Einzel- platte 100b. Wie der Verteilbereich 150a der ersten Einzelplatte 100a weist der Verteilbereich 150b der zweiten Einzelplatte 100b eine Vielzahl von Kanälen 160b und eine Vielzahl von jeweils zwischen zwei benachbarten Kanälen 160b angeordneten Stegen 170b auf, wobei die Stege 170b die Kanäle 160b jeweils wenigstens abschnittweise fluidisch trennen. Wie die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a stellen die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b eine Fluidverbindung zwischen einer Durchgangsöffnung 130 der Bipolarplatte 100 und dem aktiven Bereich 167b der zweiten Einzelplatte 100b an der von der ersten Einzelplatte 100a abgewandten Vorderseite der zweiten Einzelplat- te 100b her.
Fig. 4b stellt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte 100 aus Fign. 4a und 4c durch den aktiven Bereich dar, nämlich die linke Außenkante der Fig. 4a bzw. die rechte Außenkante der Fig. 4c, dabei sind die beiden Ein- zelplatten 100a, 100b im gefügten Zustand erkennbar.
Fig. 4d zeigt die gesamte Bipolarplatte 100, die auch schon in Fign. 4a-c dargestellt ist, nun jedoch in Durchsicht durch die beiden Einzelplatten 100a, 100b, wobei die in Fig. 4c gezeigte Einzelplatte 100a oben liegt. Aufgrund der einan- der nun kreuzenden Kanäle 160a und 160b bzw. einander kreuzenden Stege
170a und 170b sind die Details der Verteilbereiche 150a, 150b, wie etwa die Schweißverbindungen zwischen den beiden Einzelplatten 100a, 100b kaum zu erkennen. Aus diesem Grund sind diese in den Figuren 4a und 4c dargestellt. Die in den Fig. 4a und 4c gezeigten Verteilbereiche 150b und 150a der zweiten
Einzelplatte 100b und der ersten Einzelplatte 100a sind entlang ihrer einander zugewandten Rückseiten bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, hier insbesondere durch Laserschweißverbindungen entlang der stoffschlüssigen Verbindungen 50.
Aus der Tatsache, dass in den Darstellungen der jeweiligen Vorderseiten der Einzelplatten 100a und 100b in den Fign. 4a, 4c sowohl die Kanäle 160b und die Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b als auch die Kanäle 160a und die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a jeweils schräg von links unten nach rechts oben verlaufen, folgt, dass die Kanäle 160a und die Stege 170a des
Verteilbereichs 150a der ersten Einzelplatte 100a und die Kanäle 160b und die Stege 170b des Verteilbereichs 150b der zweiten Einzelplatte 100b in parallelen Ebenen gekreuzt zueinander verlaufen. Im Beispiel der Fign. 4a, 4c schließen die Kanäle 160a und die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a mit den Kanälen 160b und den Stegen 170b der zweiten Einzelplatte 100b z. B. einen Kreuzungswinkel von ca. 50° bzw. 130° ein.
Bereiche 60a der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a, in denen eine senkrechte Projektion eines der Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b auf die erste Einzelplatte 100a einen der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a kreuzt, werden Kreuzungsbereiche der Stege 170a der ersten Einzelplatte
100a genannt. Ganz entsprechend werden Bereiche 60b der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b, in denen eine senkrechte Projektion eines der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a auf die zweite Einzelplatte 100b einen der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b kreuzt, Kreuzungsbereiche der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b genannt.
Wie eingangs beschrieben besteht ein entscheidender Nachteil bekannter Separatorplatten darin, dass die Einzelplatten der Separatorplatte in solchen Bereichen, in denen die Kanäle der Einzelplatten wie hier beschrieben ge- kreuzt verlaufen, typischerweise nur entlang sehr kleiner Kontaktbereiche verbindbar sind, nämlich gerade dort, wo die einander zugewandten Rückseiten der Kanalböden der beiden Einzelplatten einander kreuzen.
Die hier vorgeschlagene Verbesserung besteht gerade darin, dass wenigstens die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a, wie in Fig. 4c gezeigt, in wenigstens einigen der Kreuzungsbereiche 60a derart abgesenkt sind, dass die der zweiten Einzelplatte 100b zugewandte Rückseite der ersten Einzelplatte 100a in diesen Kreuzungsbereichen 60a mit der Rückseite des Bodens des entsprechenden Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b in Kontakt ist und stoff- schlüssig verbunden ist, hier z. B. durch Laserschweißverbindungen. Die Kontaktflächen, entlang derer die Rückseiten der Einzelplatten 100a, 100b in den Verteilbereichen 150a, 150b in Kontakt sind und miteinander verbunden sind oder verbindbar sind, können so deutlich vergrößert werden. Entlang der Verlaufsrichtung der Stege 170a sind die Stege 170a in den Kreuzungsbereichen 60a jeweils über eine Länge abgesenkt, die in etwa dem Doppelten der Breite des vom Steg 170a gekreuzten Kanals auf dessen halber Höhe entspricht, hier z. B. jeweils über eine Länge von ca. 0,4 mm. Über die Stegabsenkungen in den Kreuzungsbereichen 60a wird zudem eine Fluidverbindung der beiderseits des jeweiligen Steges verlaufenden Kanäle 160a hergestellt. Die Positionen für die Stegabsenkungen können daher z. B. auch gezielt gewählt werden, um mit den zusätzlichen Fluidverbindungen zwischen benachbarten Kanälen 160a ein gewünschtes Strömungsprofil des Mediums im Verteilbereich 150a herzustellen. Beispielsweise können die Stegabsenkungen gezielt gesetzt werden, um etwaige Druckunterschiede oder Unterschiede im Massentransport in den Kanälen 160a auszugleichen oder zu verringern.
Wie Fig. 4a zu entnehmen ist, ist der Verlauf der stoffschlüssigen Verbindungen 50 zwischen den Einzelplatten 100a, 100b typischerweise jeweils im Wesentlichen durch den Verlauf des Bodens des jeweiligen Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b vorgegeben, an dessen Rückseite die stoffschlüssige Verbindung 50 jeweils ausgebildet ist. So zeigt Fig. 4a, dass die stoffschlüssigen Verbindungen 50 jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Kanäle 160b und der Stege 170b im Verteilbereich 150b der zweiten Einzelplatte 100b ausgerichtet sind. Abhängig von der Breite des Bodens der Kanäle 160b kann die Ausrichtung der stoffschlüssigen Verbindungen 50 ggf. geringfügig von der Verlaufsrichtung des Bodens des jeweiligen Kanals 160b abweichen, z. B. um einen Winkel von bis zu 25°, vorzugsweise um einen Winkel von bis zu 10°.
Eine Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 entspricht im Beispiel der Fign. 4a, 4c jeweils aufgrund des stark von 90° abweichenden Winkels zwischen den Kanälen 160a und 160b wenigstens dem Doppeltem der Breite der Stege 170a. Ebenso entspricht die Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 dort jeweils wenigstens dem Doppeltem der Breite der von den abschnittsweise abgesenkten Stegen 170a gequerten Kanäle 160b auf deren halber Höhe. Z. B. erstrecken sich die stoffschlüssigen Verbindungen in den
Fign. 4a, 4c jeweils über eine Länge von wenigstens 0,7 mm. Insbesondere entspricht die Länge der stoffschlüssigen Verbindungen 50 in den Fign. 4a, 4c jeweils wenigstens dem 10-Fachen der Breite der jeweiligen stoffschlüssigen Verbindung 50 im Bereich der Grenzfläche zwischen den beiden Einzelplatten 100a, 100b. Wie schon aus Fig. 2 deutlich wird, können Verteilbereiche 150a von
Separatorplatten eine näherungsweise dreieckige Fläche aufspannen. Sowohl aus Fig. 2 als auch aus Fig. 4c ist zu sehen, dass die Kanäle 160a des
Verteilbereichs 150a innerhalb einer derartigen näherungsweise dreieckigen Fläche im Wesentlichen quer zur Verlaufsrichtung der Kanäle im aktiven Bereich 167a verlaufen, um zur bzw. von der gesamten Breite des aktiven Bereichs 167a Medium zu- oder abführen zu können. Die Gesamtlänge der parallel zueinander verlaufenden Kanäle 160a ist sehr unterschiedlich, und es ergeben sich häufig einige kurze randständige Kanäle bzw. Stege, wie etwa der Steg 170a*. Zwischen derartigen randständigen Kanälen bzw. Stegen liegende
Stegabschnitte weisen hier jeweils eine identische Länge D auf, die sich zwischen zwei einander nächstliegenden Stegabsenkungen erstreckt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Länge D 14 mm. Fig. 5a zeigt eine der in den Fign. 4a, 4c gezeigten stoffschlüssigen Verbindungen 50, nämlich eine Schweißverbindung zwischen den Einzelplatten 100a, 100b im Querschnitt, während Fig. 5b eine alternative stoffschlüssige Verbindung, nämlich eine Kleb- oder Lötverbindung zwischen zwei Einzelplatten 100a, 100b darstellt. In den Fign. 5a und 5b ist die Schnittebene senkrecht zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 100a, 100b und senkrecht zur Verlaufsrichtung der Stege 170a und der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a ausgerichtet. Die Schnittebene ist in den Fign. 5a und 5b also so gewählt, dass die Stege 170a und die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a entlang der Schnittebene eine minimale Breite haben. Da die Stege 170b und die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b relativ zu den Kanälen 160a und den Stegen 170a der ersten Einzelplatte 100a schräg verlaufen, erscheinen die Breiten der Kanäle 160b und der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b in Fig. 5 gegenüber den Breiten der Kanäle 160a und der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a vergrößert.
In den Fign. 5a und 5b ist deutlich zu erkennen, dass der mittlere Steg 170a bis zum Boden der beiden angrenzenden Kanäle 160a abgesenkt ist. Die der zweiten Einzelplatte 100b zugewandte Rückseite der Stegabsenkung 60a liegt somit in einer Ebene mit den angrenzenden Rückseiten der Böden der beider- seits des mittleren Steges 170a verlaufenden Kanäle 160a, so dass im in Fign.
5a bzw. 5b dargestellten Kreuzungsbereich 60a eine besonders große Kontakt- fläche entlang der einander zugewandten Rückseiten der Einzelplatten 100a, 100b entsteht.
Während, wie aus Fig. 5a deutlich wird, die Breite der Schweißverbindung in erster Linie von der verwendeten Schweißanlage und insbesondere von deren
Optik abhängt und meist zwischen 30 μιη und 200 μιη beträgt, wird bei Kleboder Lötverbindungen, wie in Fig. 5b gezeigt, versucht, mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 95% der Breite der Berührfläche, insbesondere die gesamte Breite der Berührfläche für die Verbindung zu nutzen. Dennoch zeigen sich die Vorteile der Erfindung gerade auch bei Schweißverbindungen, da an die Genauigkeit der Positionierung eines Instrumentes zum Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung 50 im Kreuzungsbereich 60a der Fig. 5 aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche zwischen den Einzelplatten 100a, 100b geringere Anforderungen zu stellen sind, als dies bei der aus dem Stand der Tech- nik bekannten Verbindung von Einzelplatten der Fall ist. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich darüber hinaus insbesondere bei der Vergrößerung der möglichen Längen der stoffschlüssigen Verbindungen.
In Fig. 5a sind weiterhin zwei Ebenen El und E2 bezeichnet, die sich jeweils entlang der neutralen Faser der Einzelplatte 100a erstrecken. Die Ebene El entspricht dabei der Ebene, in der sich ein nicht-abgesenkter Steg 170a erstreckt, die Ebene E2 der Ebene, in der sich ein Kanal 160a sowie die vollständig abgesenkten Abschnitte des Steges 170a erstrecken. Vorteilhafterweise verlaufen sämtliche Bereiche der Einzelplatte 100a, zumindest innerhalb ihres Verteilbereichs 150a, die nicht quer zur Planflächenebene der Einzelplatte
100a verlaufen, nur in der Ebene El oder der Ebene E2.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Kreuzungsbereich 60a eines Steges 170a der ersten Einzelplatte 100a bei einer abgewandelten Aus- führungsform der Bipolarplatte 100. Gezeigt ist die Stegabsenkung in der
Bildmitte, durch die eine Fluidverbindung zwischen den beiderseits des mittleren Steges 170a verlaufenden Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a resultiert. Zudem ist schematisch der Verlauf eines Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b gezeigt, dessen der ersten Einzelplatte 100a zugewandte Bodenrückseite hier parallel zur x-y-Ebene und damit zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte 100a in einem rechten Winkel zu den Stegen 170a und den Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a verläuft. Entlang ihrer der zweiten Einzelplatte 100b zugewandten Rückseite ist die Stegabsenkung 60a der ersten Einzelplatte 100a mit der der ersten Einzelplatte 100a zugewandten Rückseite des Bodens des Kanals 160b der zweiten Einzelplatte 100b durch eine stoffschlüssige Verbindung 50 verbunden. Dem Verlauf des Kanals
160b der zweiten Einzelplatte folgend ist die Verbindung 50 hier senkrecht zu den Stegen 170a und den Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a ausgerichtet. Dabei erstreckt sich die Verbindung 50 im abgesenkten Kreuzungsbereich 60a über die gesamte Breite des abschnittsweise abgesenkten Steges 170a.
Die Abbildungen 7a-f zeigen schematisch weitere Ausführungsformen von Stegen 170a und Kanälen 160a der ersten Einzelplatte 100a und von Stegen 170b und Kanälen 160b der zweiten Einzelplatte 100b in schematischer Durchsicht. In einigen der Ausführungsformen weisen sowohl die Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a als auch die Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b in einigen der Bereiche, in denen sie von einem Kanal der jeweils anderen Einzelplatte gekreuzt werden, eine Stegabsenkung auf. Im Bereich der Stegabsenkungen sind wiederum stoffschlüssige Verbindungen der zuvor beschriebenen Art zwischen den Einzelplatten 100a, 100b angeordnet. Insbesondere bestehen stoffschlüssige Verbindungen 50m, 50n zwischen den Rückseiten der Absenkungen 60a der Stege 170a der ersten Einzelplatte 100a und den Rückseiten der Böden der Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b, wie bereits zuvor im Zusammenhang mit den Fign. 4-6 erläutert. Zusätzlich sind in den Fign. 7a-c jedoch auch Absenkungen 60b der Stege 170b der zweiten Einzelplatte 100b dargestellt, die entlang ihrer Rückseiten mit den Rückseiten der Böden der Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a über stoffschlüssige Verbindungen 50p bis 50s verbunden sind. Darüber hinaus sind stoffschlüssige Verbindungen 50u, 50t dargestellt, die sich über mindestens eine Stegabsenkung 60a und mindestens eine Stegabsenkung 60b erstrecken. Die Indices m, n und p bis t dienen dabei nur der Unterscheidung zwischen den individuellen Gestaltungen, es handelt sich immer um stoffschlüssige Verbindungen 50. Der Übersichtlichkeit halber wurde in den Fign. 7a-f nur ein Teil der Kanäle, Stege, Absenkungen und stoffschlüssigen Verbindungen mit eigenen Bezugszeichen versehen. Fig. 7a zeigt anhand zweier paralleler Scharen von Kanälen 160a, 160b, die sich in einem rechten Winkel kreuzen, dass entlang der Rückseite desselben Kanals mehrere stoffschlüssige Verbindungen 50p ausgebildet sein können, wobei die beiden stoffschlüssigen Verbindungen 50p hier durch zwei Stege 170b voneinander beabstandet sind.
Fig. 7b zeigt zwei Scharen von Kanälen 160a, 160b, bei denen sich die Kanäle 160a, 160b jeweils von oben nach unten verbreitern. Die Scharen kreuzen sich in einem Winkel von ca. 65° bzw. 115°. Hier ist in den beiden Absenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60a neben einer durchgängigen Schweißverbindung
50m auch eine aus mehreren Schweißpunkten auf einer Linie zusammengesetzte Schweißverbindung 50n vorhanden. Neben den Schweißverbindungen 50q, die wie die Schweißverbindungen 50p der Fig. 7a ausgeführt sind, weisen die Absenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60b zwei weitere Schweißverbin- düngen 50r und 50s auf, die sich von den Schweißverbindungen 50q dadurch unterscheiden, dass sie in einem Bereich liegen, in dem zwei einander benachbarte Stege 170b abgesenkt sind, so dass sie in unmittelbarem Wirkungszusammenhang stehen. In den Fign. 7c und 7d ist gezeigt, dass die Stege 170a und die Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a und die Stege 170b und die Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b gekrümmt verlaufen können, nämlich beispielsweise kreisbogenförmig (Fig. 7c) oder gewellt (Fig. 7d). Die Fign. 7e und 7f stellen anhand eines rechtwinkligen Rasters einander kreuzender Scharen von Kanälen 160a, 160b mit konstanter Kanalbreite komplexere Absenkungs- und Verbindungsmuster dar, wobei diese komplexen Muster nicht auf rechtwinklige Anordnungen der Kanäle mit konstanter Breite beschränkt sind. Die komplexen Absenkungs- und Verbindungsmuster können vor allem dazu verwendet werden, Medien gezielt durch die Kanäle zu führen.
In Fig. 7e sind zwei einander benachbarte Stege 170b jeweils gegenüber demselben Kanal 160a unter Ausbildung der Absenkungen 60b abgesenkt. Die beiden diesen Kanal 160a begrenzenden Stege 170a sind wiederum im Be- reich zwischen den beiden benachbarten, abschnittsweise abgesenkten Stegen 170b unter Ausbildung der Absenkungen 60a abgesenkt. Die Kontaktflä- che der Rückseiten der Böden der Kanäle 160a, 160b bildet zusammen mit den Kontaktflächen der Rückseiten der Absenkungen 60a und der Rückseite des Bodens des Kanals 160b und den Kontaktflächen der Rückseiten der Absenkungen 60b und der Rückseite des Bodens des Kanals 160a eine große Kontaktfläche der beiden Einzelplatten 100a, 100b, die eine kreuzförmige stoffschlüssige Verbindung 50t der beiden Einzelplatten 100a, 100b erlaubt.
Fig. 7f stellt eine gewinkelte Verbindung 50u der beiden Einzelplatten 100a, 100b dar, die über drei Stegabsenkungen bzw. Kreuzungsbereiche 60b, 60a und 60b reicht. Hierzu ist ein Steg 170b der zweiten Einzelplatte 100b im Bereich gegenüber einem Kanal 160a der ersten Einzelplatte 100a abgesenkt und verbindet somit zwei Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b fluidisch. Gegenüber einem dieser Kanäle 160b der zweiten Einzelplatte 100b ist angrenzend an die Absenkung 60b des Stegs 170b wiederum ein Steg 170a der ersten Einzelplatte 100a abgesenkt. Diese Absenkung 60a verbindet wiederum zwei Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a fluidisch. Schließlich ist gegenüber einem dieser Kanäle 160a der ersten Einzelplatte 100a angrenzend an die Absenkung 60a des Stegs 170a wiederum ein Steg 170b der zweiten Einzelplatte 100b abgesenkt.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (100) für ein elektrochemisches System (1), die eine erste Einzelplatte (100a) und eine mit der ersten Einzelplatte (100a) verbundene zweite Einzelplatte (100b) aufweist;
wobei die erste Einzelplatte (100a) zwei in die erste Einzelplatte (100a) eingeformte, nebeneinander verlaufende erste Kanäle (160a) zur Medienführung aufweist, die durch einen zwischen den ersten Kanälen (160a) ausgebildeten Steg (170a) wenigstens abschnittweise voneinander getrennt sind; wobei die zweite Einzelplatte (100b) einen in die zweite Einzelplatte (100b) eingeformten zweiten Kanal (160b) zur Medienführung aufweist; und wobei der zwischen den ersten Kanälen (160a) ausgebildete Steg
(170a) und der in die zweite Einzelplatte (100b) eingeformte zweite Kanal (160b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Projektion des zweiten Kanals (160b) auf die erste Einzelplatte (100a) senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte (100a) den Steg (170a) entlang eines Kreu- zungsbereiches (60a) des Steges (170a) kreuzt; dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (170a) im Kreuzungsbereich (60a) des Steges (170a) abgesenkt ist, so dass die beiderseits des Steges (170a) verlaufenden ersten Kanäle
(160a) über die Absenkung des Steges in Fluidverbindung sind, und dass eine der zweiten Einzelplatte (100b) zugewandte Rückseite des Bodens der Absenkung stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte (100a) zugewandten Rückseite des Bodens des zweiten Kanals (160b) verbunden ist.
2. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Einzelplatte (100a) eine Vielzahl nebeneinander verlaufender erster Kanäle (160a) zur Medienführung eingeformt ist, wobei benachbarte Kanäle der Vielzahl der ersten Kanäle (160a) jeweils wenigstens abschnittweise durch einen Steg (170a) getrennt sind, und dass in die zweite Einzelplatte (100b) eine Vielzahl nebeneinander verlaufender zweiter Kanäle (160b) zur Medienführung eingeformt ist, wobei die ersten Kanäle (160a), die Stege (170a) der ersten Einzelplatte (100a) und die zweiten Kanäle (160b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Pro- jektionen der zweiten Kanäle (160b) auf die erste Einzelplatte (100a) senkrecht zur Planflächenebene der ersten Einzelplatte (100a) die Stege (170a) der ersten Einzelplatte (100a) jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche (60a) der Stege (170a) kreuzen, wobei die Stege (170a) der ersten Einzelplatte (100a) in den Kreuzungsbereichen (60a) oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche (60a) abgesenkt sind, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges (170a) der ersten Einzelplatte (100a) verlaufenden ersten Kanäle (160a) über die Absenkung dieses Steges in Fluidverbindung sind, und dass eine der zweiten Einzelplatte (100b) zugewandte Rückseite des Bodens der jeweiligen Absenkung stoffschlüssig mit einer der ersten Einzelplatte (100a) zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg (170a) der ersten
Einzelplatte (100a) kreuzenden zweiten Kanals (160b) verbunden ist.
3. Separatorplatte (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kanäle der Vielzahl der zweiten Kanäle (160b) ebenfalls jeweils durch einen Steg (170b) getrennt sind und dass diese Stege (170b) der zweiten Einzelplatte (100b) und die ersten Kanäle (160a) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Projektionen der ersten Kanäle (160a) auf die zweite Einzelplatte (100b) senkrecht zur Planflächenebene der zweiten Einzelplatte (100b) die Stege (170b) der zweiten Einzelplatte (100b) jeweils entlang eines oder mehrerer Kreuzungsbereiche (60b) der Stege (170b) kreuzen, wobei die
Stege (170b) der zweiten Einzelplatte (100b) in den Kreuzungsbereichen (60b) oder wenigstens in einigen der Kreuzungsbereiche (60b) abgesenkt sind, so dass die beiderseits des jeweiligen Steges (170b) verlaufenden zweiten Kanäle (160b) über die Absenkung dieses Steges (170b) in Fluidverbindung sind, und dass eine der ersten Einzelplatte (100a) zugewandte Rückseite des Bodens der jeweiligen Absenkung stoffschlüssig mit einer der zweiten Einzelplatte (100b) zugewandten Rückseite des Bodens des den Steg (170b) der zweiten Einzelplatte (100b) kreuzenden ersten Kanals (160a) verbunden ist.
4. Separatorplatte (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in demselben Steg (170a, 170b) eine Vielzahl von Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen (50) der beschriebenen Art ausgebildet ist.
5. Separatorplatte (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion eines oder mehrerer der ersten oder der zweiten Kanäle (160b) auf die jeweils andere Einzelplatte senkrecht zur Planflächenebene dieser Einzelplatte zwei oder mehr benachbarte Stege und Kanäle kreuzt, wobei in den durch denselben Kanal definierten Kreuzungsbereichen der zwei oder mehr benachbarten Stege jeweils Absenkungen mit stoffschlüssigen Verbindungen (50) der beschriebenen Art ausgebildet sind.
6. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kanäle (160a) und/oder die zweiten Kanäle (160b) wenigstens abschnittsweise gerade, insbesondere parallel zueinander verlaufen.
7. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kanäle (160a) und/oder die zweiten Kanäle (160b) wenigstens abschnittweise fächerförmig verlaufen.
8. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kanäle (160a) und/oder die zweiten Kanäle (160b) wenigstens abschnittweise gekrümmt verlaufen.
9. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (100a, 100b) Metallplatten sind und dass die stoffschlüssige Verbindung (50) jeweils eine Schweißverbindung, insbesondere eine Laserschweißverbindung ist.
10. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten (100a, 100b) bestimmte Dicke (190a, 190b) der Einzelplatten je- weils zwischen 50 und 150 μιη, vorzugsweise zwischen 70 und 110 μιη beträgt.
11. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (160a, 160b) und die Stege (170a, 170b) in die Einzelplatten eingeprägt sind.
12. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die stoffschlüssige Verbindung (50) an der Rückseite des Bodens der Absenkung des Steges (170a, 170b) einer Einzelplatte (100a, 100b) in einem Winkel von -25° bis +25°, insbesondere von -10° bis +10° relativ zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals der anderen Einzelplatte erstreckt.
13. Separatorplatte (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die stoffschlüssige Verbindung (50) an der Rückseite des Bodens der Absenkung einer Einzelplatte (100a, 100b) durchgängig oder abschnittsweise über eine Länge erstreckt, die mindestens dem Doppelten, vorzugsweise mindestens dem Fünffachen, insbesondere mindestens dem Zehnfachen der Breite der stoffschlüssigen Verbindung (50) entspricht.
14. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Absenkung des Steges (170a, 170b) jeweils durchgehend bis zu den Böden der an den Steg (170a, 170b) angrenzenden Kanäle (160a, 160b) abgesenkt ist, so dass die Rückseite des Bodens der Absenkung und die Rückseite der an die Absenkung sich anschließenden Kanalböden in einer Ebene liegen.
15. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionen der zweiten Kanäle (160b) auf die erste Einzelplatte (100a) mit den Stegen (170a) der ersten Einzelplatte (100a) oder dass die Projektionen der ersten Kanäle (160a) auf die zweite Einzelplatte (100b) mit den Stegen (170b) der zweiten Einzelplatte (100b) in den Kreuzungsbereichen (60a, 60b) parallel zu den Planflächenebenen der Einzel- platten (100a, 100b) jeweils einen Kreuzungswinkel α einschließen, wobei gilt: 15° < α < 165°, vorzugsweise 30" < α < 150°.
16. Separatorplatte (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende der ersten und der zweiten Kanäle (160a, 160b) in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung (110, 130) der Separatorplatte (100) ist und dass ein zweites Ende der ersten und der zweiten Kanäle (160a, 160b) jeweils in Fluidverbindung mit mindestens einem Teil eines aktiven Bereichs der jeweiligen Einzelplatte ist, wobei die Durchgangsöffnung (110, 130) zur Zuführung eines Mediums zum aktiven Bereich oder zum Abführen eines Mediums aus dem aktiven Bereich eingerichtet ist.
17. Separatorplatte (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (100a, 100b) die Durchgangsöffnungen (110, 130) umschließende Sicken (111, 131) zum Abdichten der jeweiligen Durchgangsöffnung (110, 130) aufweisen und dass das erste Ende der ersten Kanäle (160a) und/oder der zweiten Kanäle (160b) jeweils mit einer Sickendurchführung (112, 132) zum Durchführen eines Mediums durch die jeweilige Sicke (111, 131) in fluidischer Verbindung steht.
18. Separatorplatte (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nämlich Bipolarplatte.
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