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Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Elektrolysesystem vorgesehene Elektrodenplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für ein Elektrolysesystem, insbesondere zur Produktion von Wasserstoff.
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Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels Elektrolyse ist beispielsweise in der
EP 2 507 410 B1 beschrieben. Die beschriebene Elektrolyseanlage soll dazu geeignet sein, mit Wasser betrieben zu werden, welches aus einer Salz-, Brack- oder Süßwasserquelle entnommen wird. Das Wasser wird hierbei einem Trägergasstrom zugeführt, so dass wenigstens ein Teil des Wassers in verdunsteter Form im Trägergasstrom aufgenommen wird. Der auf diese Weise beladene Trägergasstrom wird schließlich einem Elektrolysator zugeführt.
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Aus der
EP 1 587 760 B1 ist eine Elektrolysezelle bekannt, welche mehrere Elektrolyseplatten umfasst. Die Elektrolyseplatten sind hierbei innerhalb eines Gehäuses an Nuteneinrichtungen befestigt. Das Gehäuse der bekannten Elektrolysezelle weist einen Einlass und ein Auslass auf, um den Durchfluss eines Fluids zu ermöglichen. In dem Gehäuse ist eine Vielzahl an Platten in gestapelter Form angeordnet.
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Eine in der
DE 199 56 787 A1 beschriebene Elektrolyseplatte besteht aus einem äußeren, nicht-leitenden Rahmen und einer darin gelagerten, elektrisch leitfähigen, bipolaren Graphitplatte. Zur Zwangsführung von Elektrolytlösungen im Bereich einer Elektrolytzuführung sind Kunststoffschürzen vorgesehen.
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Eine aus der
DE 10 2013 225 159 B4 bekannte Anordnung elektrochemischer Zellen, welche beispielsweise zur Durchleitung von Wasser oder wässrigen Elektrolyten vorgesehen ist, umfasst Grundelemente in Form flächiger Gebilde, die eine Netzstruktur aufweisen oder aus einem porösen Werkstoff gebildet sind. Mehrere Grundelemente sind übereinander angeordnet, wobei Randbereiche der Grundelemente mit Hilfe einer Füllmasse fluiddicht verbunden sind.
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Verschiedene in den Dokumenten
WO 2019/121947 A1 und
WO 2020/030644 A1 beschriebene elektrochemische Systeme weisen jeweils Anordnungen aus mehreren Separatorplatten auf, durch die Fluidräume begrenzt sind. Bei den beschriebenen elektrochemischen Systemen kann es sich um Brennstoffzellen oder Elektrolysezelle handeln.
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Die
EP 3 725 916 A1 offenbart eine zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Generierung von Wasserstoff vorgesehene Elektrolyseplatte, welche eine Öffnung zur Durchleitung von Gas aufweist, wobei Ränder der Öffnung mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material abgedeckt sind.
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Aus der
EP 3 575 442 A1 ist ein bipolares elektrisches Gefäß bekannt, welches zur Herstellung von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Anode und/oder Kathode des Gefäßes ist als poröse Elektrode ausgebildet. Bei einer Membran des bipolaren Gefäßes handelt es sich um eine poröse Membran mit anorganischen Bestandteilen. Die Vorrichtung nach der
EP 3 575 442 A1 soll zur alkalischen Elektrolyse geeignet sein.
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Methoden zur Einbindung von Wasserstoffelektrolysesystemen in umfassendere Systeme, in denen ein Energie- und/oder Medienfluss stattfindet, sind zum Beispiel in den Dokumenten
WO 2014/144556 A1 und
DE 20 2011 102 525 U1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Elektrolyseplatten in Form von Elektrodenplatten gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei fertigungstechnischen ebenso wie elektrotechnischen und strömungstechnischen Aspekten Rechnungen getragen werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrodenplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt für die in einem Elektrolyseur zu verwendende Elektrodenplatte, und umgekehrt.
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Die Elektrodenplatte weist einen Rahmenbereich auf, der ein Aktivfeld umgibt, an welchem in der fertiggestellten Anlage, das heißt im Elektrolyseur, elektrochemische Reaktionen ablaufen. Das Aktivfeld ist dreidimensional strukturiert. Auf den Rahmenbereich trifft dies in typischen Ausgestaltungen nicht zu. Dieser ist eben ausgestaltet und wird durch unverformtes, ebenes Metallblech gebildet, das eine Basisebene ausbildet. Das Aktivfeld hat ebenso wie der Rahmenbereich und damit die gesamte Elektrodenplatte eine rechteckige, typischerweise nicht quadratische Grundform. Mehrere Elektrodenplatten sind dazu vorgesehen, zu einem Stapel an Elektrolysezellen zusammengebaut zu werden.
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Im Aktivfeld ist eine Prägestruktur in Form von einzelnen, ausgehend von der Basisebene erhabenen und vertieften Prägeelementen einschließlich einer Vielzahl an linearen, also geradlinig verlaufenden Prägeleisten gegeben. Die linearen Prägeleisten sind hierbei in einer Zeilen- und Spaltenanordnung derart positioniert, dass sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung jeweils alternierend erhabene und vertiefte lineare Prägeleisten ausgebildet sind, wobei sämtliche linearen Prägeleisten einer Zeile in gleicher Weise gegenüber den Längsseiten des Aktivfeldes und einer dazu parallelen Durchflussrichtung für Fluide schräg gestellt sind und die linearen Prägeleisten der nächsten Zeile die gegensinnige, betragsmäßig gleiche Schrägstellung aufweisen. Die Prägeleisten tragen sowohl zur mechanischen Stabilität der Elektrodenplatte als auch zur Strömungsleitung bei. Ferner ermöglichen sie die Leitung elektrischer Ströme über das eingesetzte Metallblech. Die Anordnung der linearen Prägeleisten, die in einem Fischgrätmuster erfolgt, ermöglicht eine besonders gleichmäßige Strömungs- und Fluidverteilung hinsichtlich der vorbeiströmenden Fluide im Bereich der Oberfläche der Elektrodenplatte. Weiterhin bringt die Umformung des Metallblechs aus der Basisebene heraus in beide Richtungen senkrecht zur Basisebene einen enormen Zugewinn an mechanischer Stabilität der Elektrodenplatte mit sich, die den Einsatz besonders dünner Metallbleche, insbesondere im Bereich von 150 µm bis 500 µm, erlaubt.
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An die linearen Prägeleisten der Elektrodenplatte können weitere Bestandteile der Elektrolysezellen, beispielsweise Gasdiffusionslagen, angrenzen. Die Grenzbereiche zwischen den langgestreckten linearen Prägeleisten und den weiteren Bestandteilen sind hierbei flächig ausgebildet, was sowohl hinsichtlich mechanischer Belastungen als auch hinsichtlich des Flusses elektrischer Ladungen von Vorteil ist. Dies ist insbesondere bei großtechnischen Elektrolyse-Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff relevant.
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Gemäß einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltung ist durch jeweils zwei Zeilen an linearen Prägeleisten ein Sub-Cluster der Prägestruktur gebildet, wobei insgesamt beispielsweise mindestens vier derartige Sub-Cluster hintereinandergeschaltet sind. Die Hintereinanderschaltung bezieht sich auf die Strömungsrichtung des Fluids oder Elektrolyten, welche in typischer Ausgestaltung der Längsrichtung der Elektrodenplatte entspricht. Ebenso sind Varianten realisierbar, in welchen ein Sub-Cluster aus mehr als zwei Reihen an linearen Prägeleisten aufgebaut ist. In jedem Fall kann der Abstand zwischen zwei Sub-Clustern zum Beispiel mindestens 5% und höchstens 10% der in Längsrichtung der Elektrodenplatte zu messenden projizierten Länge der in einer Zeile angeordneten linearen Prägeleisten entsprechen.
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Die Prägeelemente, welche neben linearen Prägeleisten insbesondere auch Prägepunkte darstellen können, haben im Vergleich zur Länge und Breite des Aktivfeldes in zahlreichen möglichen Gestaltungen der aus Metallblech, zum Beispiel aus nichtrostendem Stahl oder Titan, geformten Elektrodenplatte vergleichsweise geringe Abmessungen. Beispielsweise sind in jeder Zeile mindestens drei erhabene und mindestens drei vertiefte Prägeelemente, insbesondere lineare Prägeleisten, angeordnet.
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Im Ein- und/oder Auslaufbereich des Fluids oder Elektrolyten, das heißt in der ersten und letzten Zeile der Prägestruktur, können die erhabenen linearen Prägeleisten die volle, auch bei den linearen Prägeleisten der übrigen Zeilen gegebene Länge aufweisen, wogegen die vertieften linearen Prägeleisten als stark verkürzte, insbesondere höchstens halb so lange lineare Prägeleisten ausgebildet sind, wobei die Verkürzung der vertieften linearen Prägeleisten zum Rand der Prägestruktur hin gegeben ist. In entsprechender Weise ist es möglich, am eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Rand der Prägestruktur die erhabenen linearen Prägeleisten zu verkürzen, während die vertieften linearen Prägeleisten in unverkürzter Form vorliegen. Die einseitige Verkürzung der linearen Prägeleisten ist in jedem Fall nutzbar, um ein Bauteil des Elektrolysestacks, zum Beispiel einen Rahmen oder eine Dichtung, in flächigen Kontakt mit der Elektrodenplatte zu bringen.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung unterscheidet sich die Höhe der erhabenen linearen Prägleisten von der Höhe der vertieften linearen Prägeleisten, wobei die Erscheinung einer linearen Prägeleiste als „erhaben“ oder „vertieft“ stets davon abhängt, von welcher Seite des Metallblechs aus die lineare Prägeleiste betrachtet wird. Statt „Höhe der Prägeleisten“ wird auch der Begriff „Prägetiefe“ verwendet. Die Prägetiefe ist orthogonal zur Basisebene des unverformten Metallblechs zu messen. Durch die sich unterscheidenden Prägetiefen zur einen und zur anderen Seite des Metallblechs hin ist eine Asymmetrie der Prägestruktur gegeben. Diese Asymmetrie ist nutzbar, um auf der kathodischen und anodischen Seite der Elektrodenplatte gezielt unterschiedliche Strömungsverhältnisse einzustellen. Insbesondere beträgt die Differenz zwischen der auf der kathodischen Seite gegebenen Prägetiefe und der auf der anodischen Seite gegebenen Prägetiefe mehr als die, von der Basisebene des Metallblechs aus zu messende, Blechstärke des Metallblechs.
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Allgemein ist die Elektrodenplatte durch umformende Verfahren rationell herstellbar, indem eine Vielzahl einzelner Prägeelemente erzeugt wird, welche zu beiden Seiten der Elektrodenplatte hin unterschiedlich weit aus den Oberflächen des unverfomten Metallblechs herausragen und zusammen auf jeder Seite der Elektrodenplatte ein Fischgrätmuster beschreiben.
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Die Elektrodenplatte einschließlich der als Fischgrätmuster vorliegenden Strukturierung kann mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung versehen sein. Hierbei ist nicht notwendigerweise die gesamte Elektrodenplatte in einheitlicher Weise beschichtet. Insbesondere kann eine Beschichtung ausschließlich im Aktivfeld, nicht jedoch im Rahmenbereich, gegeben sein. Ebenso ist es möglich, den Rahmenbereich in vom Aktivfeld abweichender Weise zu beschichten.
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In allen Ausführungsformen liegt ein Vorteil der Elektrodenplatte insbesondere darin, dass durch ein dreidimensionales, doppelseitig geformtes Design eine laminare, gleichmäßig über das Aktivfeld verteilte Medienströmung unterstützt wird. Die Erhebungen und Vertiefungen im Aktivfeld, sofern sie nicht lediglich punktförmig aus der Oberfläche herausragen, können stark modifiziert an eine Sinusform angelehnt sein. Im Unterschied zu einer sinusförmigen Profilierung können insbesondere Plateaus gegeben sein, welche in maximal von der Oberfläche des unverformten Metallblechs entfernten Ebenen liegen. Dies gilt sowohl für den Längsschnitt als auch für den Querschnitt durch eine lineare Prägeleiste. In beiden Fällen sind Flanken der linearen Prägleisten beispielsweise um einen Winkel von 30° bis 60° gegenüber der Ebene, in welcher die nicht oder nicht wesentlich verformte Oberfläche des Metallblechs liegt, schräg gestellt, womit eine im Schnitt trapezförmige Gestaltung in Längs- wie in Querrichtung gegeben sein kann.
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In Draufsicht auf die Elektrodenplatte können die einzelnen linearen Prägeleisten beispielsweise um einen betragsmäßig einheitlichen Winkel von 45° ± 15° gegenüber den Längsseiten der Elektrodenplatte schräg gestellt sein. Zusammen mit der beschriebenen Längs- und Querschnittsgestaltung ergibt sich damit ein strömungsleitender Effekt, der auf die Vermeidung von Toträumen beim Betrieb des Elektrolyseurs ausgelegt ist, wobei insbesondere die Ausbildung von stationären Wirbeln in Vertiefungen minimiert ist.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform ist die Anordnung, insbesondere fischgrätartige Anordnung, der schräg zur Strömungsrichtung des Fluids oder Elektrolyten gestellten linearen Prägeleisten von zwei an den Längsseiten des Aktivfeldes befindlichen Reihen an Prägeelementen, beispielsweise Prägepunkten, flankiert, welche in Spaltenrichtung der Prägestruktur ausgerichtet sind. Diese im Vergleich zu den linearen Prägeleisten kleinen, insbesondere nahezu punktuellen Prägeelemente, welche sich in jeweils einem Streifen am Rand der Aktivfeldes, das heißt am Übergang zum Rahmenbereich, befinden, haben den Effekt, dass in den betreffenden schmalen Bereichen eine Beruhigung der Strömung eintritt, insbesondere Strömungskomponenten orthogonal zur Längsrichtung der Elektrodenplatte im Vergleich zur Mitte des Aktivfeldes gedämpft werden.
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Statt punktförmiger Erhebungen können in den seitlichen Bereichen des Aktivfeldes, welche sich vom Einströmbereich bis zum Ausströmbereich des Fluids oder Elektrolyten erstrecken, auch Prägeelemente vorhanden sein, welche jeweils eine V-Form beschreiben, wobei sich am Anfang und am Ende einer jeden Zeile an linearen Prägeleisten ein solches V-förmiges Prägeelement befindet. Hierbei sind die V-Schenkel der Prägeelemente auf die zeilenförmig aufgereihten linearen Prägeleisten zu gerichtet. Dies bedeutet, dass jede Zeile an schräg gestellten linearen Prägeleisten durch zwei V-förmige Prägeelemente in der Art eines Zeichens „spitze Klammer auf“ und eines Zeichens „spitze Klammer zu“ eingeschlossen ist. Die V-förmigen, als spitze Klammern erscheinenden Prägeelemente können derart dimensioniert sein, dass sie nur teilweise durch ein auf der Elektrodenplatte aufliegendes Bauteil des Elektrolysestacks abgedeckt sind. Das Bauteil, durch welches eine Rahmenstufe gebildet sein kann, befindet sich dabei außerhalb der Aktivfläche, wobei die rinnenartigen Vertiefungen, welche in Form der V-Schenkel gegeben sind, aus der Abdeckung hervorragen, während sich der mittige Knick eines jeden V-förmigen Prägeelementes unter der Abdeckung befindet. Durch diese Konstellation werden zwei Vorteile erreicht: Zum einen wird ein nicht funktionaler Medienstrom am Rand des Aktivfeldes weitgehend unterbunden; zum anderen wird ein geringer Medienstrom durch die Kanäle, welche durch die V-förmigen Prägeelemente gebildet sind, zugelassen, womit die Ansammlung von Fluiden in Toträumen vermieden wird.
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Im gesamten Aktivfeld sorgt die Strukturierung der Elektrodenplatte dafür, dass der strömende Elektrolyt beziehungsweise das Fluid auch eine Bewegungskomponente normal zur Ebene, welche durch die Basisebene definiert ist, erfährt. Diese Strömungskomponenten von der Basisebene weg - oder auch zur Basisebene hin - werden unter anderem dadurch generiert, dass in Strömungsrichtung aufeinander folgende Zeilen an linearen Prägeleisten alternierend aus Prägeleisten aufgebaut sind, welche in einer ersten Zeile in einem einheitlichen Winkel gegenüber der Längsrichtung des Aktivfeldes angestellt sind und in der folgenden Zeile mit entgegengesetzter Orientierung und betragsmäßig gleichem Winkel ebenfalls schräg gestellt sind, wobei auch die bereits erwähnten Flankenwinkel, die bei jeder linearen Prägeleiste und auch bei den punktförmigen und eventuellen sonstigen Prägeelementen gegeben sind, eine Rolle spielen.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenplatte für eine Elektrolyse-Anlage in Draufsicht,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrodenplatte für eine Elektrolyse-Anlage in Ansicht analog 1,
- 3 ein Detail einer Prägestruktur einer Elektrodenplatte in Draufsicht,
- 4 und 5 die Prägestruktur in Schnittdarstellungen,
- 6 eine weitere Draufsicht auf die Prägestruktur mit schematischer Markierung der Schnittlinien (zu 4 und 5),
- 7 in perspektivischer Ansicht eine Elektrodenplatte mit V-förmigen Prägeelementen an den Längsseiten des Aktivfeldes,
- 8 in perspektivischer, rückseitiger Ansicht eine Elektrodenplatte mit stark verkürzten Prägeleisten im Ein- und Auslaufbereich des Aktivfeldes,
- 9 die Elektrodenplatte nach 7 in schematisierter Ansicht analog 6,
- 10 die Elektrodenplatte nach 8 in schematisierter Ansicht analog 9.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Elektrodenplatte ist aus Stahlblech hergestellt und zur Verwendung in einer nicht weiter dargestellten Elektrolyse-Anlage zur Wasserstoffproduktion, kurz auch als Elektrolysesystem 10 bezeichnet, vorgesehen. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion solcher Elektrolyse-Anlagen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Die Elektrodenplatte 1 ist aus einem Metallblech gebildet und hat eine rechteckige, nicht quadratische Form, wobei ein ebener Rahmenbereich 2 eine dreidimensional strukturierte Aktivfläche 3 umgibt. Im Rahmenbereich 2 befinden sich mehrere, im Ausführungsbeispiel kreisrunde Öffnungen 4, 5 unterschiedlicher Größe, die unter anderem zur Durchleitung von Medien oder zum Durchstecken von Zugankern zum Zusammenhalten eines Stapels an Elektrolysezellen nutzbar sind. Das Metallblech liegt im Rahmenbereich 2 unverformt in einer ebenen Plattenform vor. Das unverformte, ebene Metallblech bildet eine Basisebene E (vergleiche 5), aus welcher heraus die Prägestrukturen 6 nach oben und unten aus der Basisebene E heraus geformt werden.
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In der Aktivfläche 3 ist eine Prägestruktur 6 gegeben, die aus der Basisebene E der Elektrodenplatte 1 beidseitig herausragt. Auf einer ersten Seite 7 des Metallblechs ist die Prägestruktur 6 als erhabener Prägebereich 8 (vergleiche 4), der sich aus der Basisebene E heraus dem Betrachter entgegen erhebt, bezeichnet. Die erhabenen Prägebereiche 8 wechseln sich mit vertieften Prägebereichen 9 ab, die sich ebenfalls aus der Basisebene E heraus, jedoch vom Betrachter weg erheben.
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Die Prägestruktur 6 ist in Form von Sub-Clustern 11 gegliedert, wie insbesondere aus der 3 hervorgeht, die sich sowohl auf das Ausführungsbeispiel nach 1 als auch auf das Ausführungsbeispiel nach 2 bezieht. Insgesamt ist ein Zeilen-Spalten-Muster der Prägestruktur 6 gegeben, wobei jedes Sub-Cluster 11 zwei Zeilen an linearen Prägeleisten 14, 15 umfasst.
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Beim Betrieb des Elektrolysesystems 10 entspricht die mit DR bezeichnete Durchflussrichtung des Elektrolyten der Längsrichtung des Aktivfeldes 3 sowie der gesamten Elektrodenplatte 1. Gegenüber der Durchflussrichtung DR sind die einzelnen Prägeleisten 14, 15 um einen betragsmäßig einheitlichen Winkel α von 45° ± 15° schräg gestellt. Die volle Länge einer jeden Prägeleiste 14, 15 ist mit L, die quer zur Durchflussrichtung DR projizierte, das heißt optisch verkürzte Länge mit L' bezeichnet. Der mit A` bezeichnete Abstand zwischen zwei Sub-Clustern 11 ist ebenso wie die Länge L` in Durchflussrichtung DR zu messen und beträgt 5% bis 10% der projizierten Länge L`. Die Längen L, L' werden auch als Lamellenlänge beziehungsweise projizierte Lamellenlänge bezeichnet.
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Zusätzlich zu den linearen Prägeleisten 14, 15, das heißt Lamellen, sind in der Aktivfläche 3 in den Ausführungsformen nach den 1 und 2 auch Prägepunkte 16, 17 in Form von ausgehend von der Basisebene E erhabenen Punkten 16 und vertieften Punkten 17 ausgebildet. Zusammenfassend werden die linearen Prägeleisten 14, 15 und Prägepunkte 16, 17 auch als Prägeelemente bezeichnet.
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In allen Figuren sind die dem erhabenen Prägebereich 8 zuzurechnenden Prägeelemente 14, 16 mit durchgezogenen Linien und die vertieften Prägeelemente 15, 17 mit gestrichelten Linien kenntlich gemacht. Am Anfang und Ende jeder Zeile, die durch gleichsinnig schräg gestellte lineare Prägeleisten 14, 15 gebildet ist, befindet sich in den Fällen der 1 und 2 ein Prägepunkt 16, 17.
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Einschließlich dieser optionalen Prägepunkte 16, 17 sind in jeder Zeile erhabene Prägeelemente 14, 16 und vertiefte Prägeelemente 15, 17 alternierend angeordnet. In prinzipiell gleicher Weise wechseln sich in den Spalten, die durch die linearen Prägeleisten 14, 15 gebildet sind und sich in Längsrichtung der Elektrodenplatte 1 erstrecken, stets eine erhabene lineare Prägeleiste 14 und eine vertiefte lineare Prägeleiste 15 ab, so dass in allen Fällen insgesamt eine Anordnung der Prägeleisten 14, 15 in einem Fischgrätmuster gegeben ist. Dabei ist vorzugsweise eine Anzahl an Sub-Clustern 11 von mindestens 2, insbesondere von mehr als 5, vorhanden
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 befindet sich im Ausführungsbeispiel nach 2 an den beiden Längsseiten des Aktivfeldes 3 jeweils eine Reihe an erhabenen Prägepunkten 16. Diese Reihen werden auch als Rand-Cluster 13 der Prägestruktur 6 bezeichnet. Abweichend von der in 2 skizzierten Ausgestaltung könnte auch ein erstes Rand-Cluster 13 aus - ausgehend von der Basisebene E - abwechselnd erhabenen Prägepunkten 16 und vertieften Prägepunkten 17 gebildet sein. In jedem Fall befinden sich die Prägepunkte 16, 17, aus welchen die Rand-Cluster 13, welche jeweils entweder komplett dem erhabenen Prägebereich 8 oder komplett dem vertieften Prägebereich 9 zuzurechnen sind, aufgebaut sind, linienförmig aufgereiht neben denjenigen Prägepunkten 16, 17, die in der bereits beschriebenen Weise den Beginn und das Ende einer jeden Zeile an linearen Prägeleisten 14, 15 markieren.
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Wie aus den Schnittdarstellungen A-A und B-B (vergleiche 6) in den 4 und 5, welche sich auf alle übrigen Figuren beziehen, hervorgeht, unterscheidet sich die mit h1 bezeichnete Prägetiefe des erhabenen Prägebereichs 8, das heißt die Höhe der Prägeelemente 14, 16, deutlich, nämlich um mehr als die mit s bezeichnete Blechstärke der Elektrodenplatte 1, von der mit h2 bezeichneten Prägetiefe des vertieften Prägebereichs 9. Die erste Seite 7 der Elektrodenplatte 1 liegt in den vorliegenden Fällen in der x-y-Ebene. Die Prägeelemente 14, 15, 16, 17 erstrecken sich in die z-Richtung. Die mit 18 bezeichneten Flanken an den beiden Enden einer jeden Prägeleiste 15, 16 sind um einen Winkel β von 45° ± 15° schräg zur x-y-Ebene gestellt.
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In 5, welche einen Schnitt B-B quer zur Erstreckung der Prägeleiste 15, 16 zeigt (vergleiche 6), ist die Strukturbreite im erhabenen Prägebereich 8 mit B1 und die Strukturbreite im vertieften Prägebereich 9 mit B2 angegeben. Ferner ist in 5 ein Winkel γ eingezeichnet, wobei die Schrägstellung der Flanken 18 an den Längsseiten der Prägeleiste 15, 16 in diesem Fall der Differenz aus 180° und dem Winkel γ entspricht und ebenso wie der Winkel β im Bereich von 30° bis 60° liegt.
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Sowohl in 4 als auch in 5 ist eine trapezförmige Profilierung der linearen Prägeleisten 14, 15 erkennbar. Plateaus der linearen Prägeleisten 14, 15, welche in zur ersten Seite 7 parallelen, von dieser um h1 beziehungsweise h2 beabstandeten Ebenen liegen, sind in 5 mit 19 bezeichnet. Abweichend von den idealisierten Darstellungen nach den 4 und 5 können die Übergänge zwischen den Plateaus 19 und den Flanken 18 ebenso wie die Übergänge zwischen den Flanken 18 und der ersten Seite 7 abgerundet ausgeführt sein. Sämtliche Prägeelemente 14, 15, 16, 17 werden durch umformende Verfahren hergestellt. Das Aufbringen von Beschichtungen auf die Aktivfläche 3 ist vor und/oder nach der Umformung möglich.
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Was die Profilierung der linearen Prägeleisten 14, 15 betrifft, sind keine Unterschiede zwischen der Ausgestaltung nach den 4 und 5 und den Ausführungsbeispielen nach den 7 bis 10 gegeben.
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In der Ausführungsform nach den 7 und 9 sind die Rand-Cluster 13 durch V-förmige Prägeelemente 20, 21 gegeben. Hierbei erscheint das Prägeelement 20 als typographisches Symbol „spitze Klammer auf“ und das Prägeelement 20 als typographisches Symbol „spitze Klammer zu“ am Anfang und Ende einer jeden Zeile an schräg gestellten linearen Prägeleisten 14, 15. Die Durchflussrichtung DR entspricht in 9, ebenso wie in 6, der x-Richtung. Wie aus 7 hervorgeht, befinden sich in den Seitenbereichen des Aktivfeldes 3, direkt neben den V-förmigen Prägeelementen 20, 21, im Vergleich zu den Prägeleisten 14, 15 verkürzte vertiefte beziehungsweise erhabene Prägeleisten 22, 23. Die Länge dieser verkürzten Prägeleisten 22, 23 beträgt mehr als die Hälfte der vollen Länge L der übrigen Prägeleisten 14, 15.
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Zusätzlich zu den modifizierten Seitenbereichen der Prägestruktur 6 sind im Ausführungsbeispiel nach 8 und 10 auch Modifikationen im Einlaufbereich sowie im Auslaufbereich des Aktivfeldes 3 gegeben. Im Unterschied zu den 1 und 2 sowie zu 7 zeigt die 8 die willkürlich als „Rückseite“ bezeichnete Seite der Elektrodenplatte 1. In 10 ist, ebenso wie in den 6 und 9, die „Vorderseite“ der Elektrodenplatte 1 in symbolisierter Weise dargestellt. Wie aus 8 hervorgeht, ist im Einlaufbereich des Aktivfeldes 3 jeweils zwischen zwei erhabenen linearen Prägeleisten 14 eine stark verkürzte vertiefte lineare Prägeleiste 24 angeordnet. Die Länge der verkürzten linearen Prägeleisten 24 beträgt weniger als die Hälfte der ansonsten einheitlichen Länge L der linearen Prägeleisten 14, 15. Damit ist Raum am Rand der Prägestruktur 6 gewonnen, in welchem ein flächiger Kontakt zwischen einem nicht dargestellten Bauteil und der ersten Seite 7 der Elektrodenplatte 1 herstellbar ist, wobei ein Überlapp zwischen den ungekürzten linearen Prägeleisten 14 und dem genannten Bauteil gegeben ist. Entsprechendes gilt für den Auslaufbereich des Elektrolyten, welcher sich, bezogen auf die Anordnung nach 1, am rechten Rand des dargestellten Ausschnitts aus der Elektrodenplatte 1 befindet. Im Fall von 8 und 10 sind damit alle vier Randbereiche der insgesamt rechteckigen Prägestruktur 6 im Vergleich zum zentralen, ausschließlich aus den linearen Prägeleisten 14 15 gebildeten Bereich der Prägestruktur 6 modifiziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodenplatte
- 2
- Rahmenbereich
- 3
- Aktivfeld
- 4
- Öffnung (groß) im Rahmenbereich
- 5
- Öffnung (klein) im Rahmenbereich
- 6
- Prägestruktur
- 7
- Erste Seite des Metallblechs
- 8
- erhabener Prägebereich (ausgehend von der Basisebene)
- 9
- vertiefter Prägebereich (ausgehend von der Basisebene)
- 10
- Elektrolysesystem
- 11
- Sub-Cluster
- 12
- Freiraum zwischen zwei Sub-Clustern
- 13
- Rand-Cluster
- 14
- erhabene lineare Prägeleiste (ausgehend von der Basisebene)
- 15
- vertiefte lineare Prägeleiste (ausgehend von der Basisebene)
- 16
- erhabener Prägepunkt (ausgehend von der Basisebene)
- 17
- vertiefter Prägepunkt (ausgehend von der Basisebene)
- 18
- Flanke eines Prägeelementes
- 19
- Plateau eines Prägeelementes
- 20
- V-förmiges Prägeelement
- 21
- V-förmiges Prägeelement
- 22
- verkürzte vertiefte Prägeleiste im Seitenbereich
- 23
- verkürzte erhabene Prägeleiste im Seitenbereich
- 24
- stark verkürzte Prägeleiste im Ein- oder Auslaufbereich
- α, β, γ
- Winkel
- A'
- Abstand zwischen Sub-Clustern
- B1
- Strukturbreite im erhabenen Prägebereich
- B2
- Strukturbreite im vertieften Prägebereich
- DR
- Durchflussrichtung
- h1
- Höhe des erhabenen Prägebereichs
- h2
- Höhe des vertieften Prägebereichs
- L
- Lamellenlänge
- L'
- Lamellenlänge (projiziert) in Durchflussrichtung
- s
- Blechstärke
- E
- Basisebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2507410 B1 [0002]
- EP 1587760 B1 [0003]
- DE 19956787 A1 [0004]
- DE 102013225159 B4 [0005]
- WO 2019121947 A1 [0006]
- WO 2020030644 A1 [0006]
- EP 3725916 A1 [0007]
- EP 3575442 A1 [0008]
- WO 2014144556 A1 [0009]
- DE 202011102525 U1 [0009]
