DE102023132353A1

DE102023132353A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system mit einer entlastungssicke

Info

Publication number: DE102023132353A1
Application number: DE102023132353.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gaugler; Andre Speidel
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2023-11-21
Publication date: 2024-05-23
Also published as: CN118057639A; DE202022106505U1; US20240170690A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie eine Bipolarplatte aufweisend zwei solche Separatorplatten für ein elektrochemisches System. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrochemisches System umfassend zumindest zwei Separatorplatten bzw. eine Bipolarplatte. Bei dem elektrochemischen System kann es sich um ein Brennstoffzellsystem, um einen elektrochemischen Verdichter, eine Redox-Flow-Batterie oder einen Elektrolyseur handeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie eine Bipolarplatte aufweisend zwei solche Separatorplatten für ein elektrochemisches System. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrochemisches System umfassend zumindest zwei Separatorplatten bzw. eine Bipolarplatte. Bei dem elektrochemischen System kann es sich um ein Brennstoffzellsystem, um einen elektrochemischen Verdichter, eine Redox-Flow-Batterie oder einen Elektrolyseur handeln.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. An beiden Enden des Stapels sind üblicherweise formstabile, struktursteife Endplatten angeordnet. Solche Bipolarplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet, welche im Folgenden als Separatorplatten bezeichnet werden. Die Separatorplatten der Bipolarplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Während in Brennstoffzellsystemen fast immer Bipolarplatten, die aus zwei Separatorplatten zusammengesetzt sind, eingesetzt werden, können in den anderen genannten elektrochemischen Systemen sowohl zweilagige Bipolarplatten als auch einlagige Separatorplatten anstelle von Bipolarplatten verwendet werden.
Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können neben den eigentlichen Membranen sowie den Katalysatorschichten und Elektroden je eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
Die Bipolarplatten bzw. die einzelnen Separatorplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Bipolarplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Reaktionsmedien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Bipolarplatte aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten der Bipolarplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein. Die Reaktionsmedien, Reaktionsprodukte sowie das frische oder erwärmte Kühlmedium können unter dem Begriff „Medien“ zusammengefasst werden.
Ferner weisen die Bipolarplatten bzw. die einzelnen Separatorplatten üblicherweise jeweils mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien in Stapelrichtung zu den von benachbarten Separatorplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten der Bipolarplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden. Weiter können die Separatorplatten außerdem Kanalstrukturen zur Versorgung eines aktiven Bereichs der elektrochemischen Zelle mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Medien aufweisen. Hierzu können - insbesondere pro Medium - mindestens zwei Durchgangsöffnungen - mindestens eine Einlassöffnung sowie mindestens eine Auslassöffnung - fluidisch über einen Verteil-, Strömungs- und Sammelbereiche miteinander verbunden sein. Der Strömungsbereich liegt dabei vorteilhafterweise dem elektrochemisch aktiven Bereich der Zelle gegenüber. Sowohl der Verteil-, der Strömungs- und der Sammelbereich können dabei Kanalstrukturen zur Medienführung aufweisen.
Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektrodeneinheit bzw. zwischen einer Separatorplatte und einer Membran-Elektrodeneinheit erfolgt üblicherweise über außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs angeordnete Dichtelemente und umfasst üblicherweise sowohl mindestens eine um eine Durchgangsöffnung angeordnete Portabdichtung sowie eine Außenabdichtung (Perimeterdichtelement), wobei die Dichtelemente als Sickenanordnungen ausgebildet sein können.
Damit die Dichtelemente unabhängig vom jeweils vorherrschenden Betriebszustand gleichbleibend eine gute Dichtwirkung erzielen können, ist es wünschenswert, dass insbesondere die Dichtelemente wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs elastisch, d. h. reversibel verformbar sind. Werden die Dichtelemente jedoch über den Toleranzbereich hinaus verformt, kann es zu plastischen, d. h. irreversiblen Verformungen der Dichtelemente kommen. Dies kann ggf. dazu führen, dass die Dichtelemente ihre Dichtwirkung nicht mehr erfüllen können. Dadurch kann die Effizienz des Systems erheblich verringert oder eine Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems sogar vollständig unmöglich werden. Wird das System mit leicht entzündlichen Medien wie beispielsweise Wasserstoff betrieben oder werden im Betrieb derartige Medien erzeugt, kann eine Beschädigung der Dichtelemente sogar ein großes Sicherheitsrisiko darstellen. Eine irreversible Verformung der Dichtelemente der Bipolarplatten bzw. der Separatorplatten kann z. B. durch das plötzliche Einwirken großer mechanischer Kräfte auf den Plattenstapel verursacht werden, wie sie beispielsweise bei einem Autounfall auftreten können.
Wenn eine solche elektrochemische Zelle einen Kraftstoß erfährt, beispielsweise durch einen Aufprall, können die Dichtelemente teilweise hohe Deformationen erfahren. Durch die Trägheit der Bauteile und der darin geführten Medien, insbesondere des Kühlmittels, beim Aufprall, entsteht in Aufprallrichtung eine überhöhte Kraft auf den Dichtelementen der Bipolarplatten bzw. Separatorplatten. Diese Kraft kann zu einer dauerhaften Verformung der Dichtelemente führen. Die Kräfte wirken dabei beim eigentlichen Aufprall besonders stark auf die Dichtelemente der Separatorplatten, die einen geringen Abstand zur Krafteinwirkung aufweisen und damit näher an der als erste Endplatte bezeichneten Endplatte angeordnet sind. Mit zunehmendem Abstand der Separatorplatten nimmt die Krafteinwirkung auf die Dichtelemente beim Aufprall ab. Bei einem anschließenden „Ausfedern“ des Stapels erfahren die Dichtelemente der entlasteten Separatorplatten auf der abgewandten Seite des Aufpralls eine schlagartige Verpressung durch Anschlag an der zweiten Endplatte, wobei hier die Kräfte mit größerem Abstand der Separatorplatten vom Aufprallort umso stärker sind. Beide Phänomene, die einer Schockwelle vergleichbar sind, können zu einer Undichtigkeit des gesamten Stapels führen und diesen somit unbrauchbar machen.
Es ist daher vorteilhaft, das elektrochemische System bzw. seine Separatorplatten mit einem Entlastungsmechanismus zu versehen, der die Dichtelemente auch beim Einwirken großer mechanischer Kräfte möglichst vor irreversiblen plastischen Verformungen schützt.
Eine bekannte Lösung sieht dazu vor, das elektrochemische System in einen Schutzbehälter einzuschließen, der eine große Festigkeit und eine gute mechanische Stabilität aufweist. Allerdings kann es bei einem Aufprall zu einem derart großen Impulsübertrag kommen, dass dieser von dem Schutzbehälter nicht aufgefangen und/oder vernichtet werden kann, so dass er im Wesentlichen ungedämpft auf den Plattenstapel übertragen wird. Weiter ist ein derartiger Schutzbehälter in der Regel mit zusätzlichen Kosten, Gewicht, Bauraumbedarf und Materialaufwand verbunden, welche oftmals insbesondere bei mobilen Anwendungen nicht erwünscht sind.
Andere bekannte Lösungen sehen elektronische Abschaltmechanismen vor, die jedoch lediglich Medienströme unterbrechen, jedoch keinerlei Schutz vor mechanischen Zerstörungen bieten.
Wünschenswert wäre es also, wenn eine Anordnung geschaffen werden kann, die möglichst großen mechanischen Belastungen standhalten kann und damit einen möglichst sicheren Betrieb gewährleistet. Der Bauraumbedarf und das Gewicht der gesuchten Anordnung sollen dabei gegenüber den bekannten Lösungen möglichst wenig oder kaum steigen.
In der WO 2019/076813 A1 werden kissenartige Schockabsorber zum Absorbieren der Aufprallenergie vorgeschlagen, welche im Randbereich der Bipolarplatte angebracht werden, beispielsweise durch Aufstecken, Einstecken oder Verkleben. Das Anbringen dieser Schockabsorber ist daher mit zusätzlichem Aufwand und oftmals mit mindestens einem zusätzlichen Fertigungsschritt verbunden. Ähnliches gilt für gedruckte oder als Film aufgebrachte Druckabsorber, wie sie in der US 2020/0388858 gezeigt sind. Es wäre wünschenswert, wenn die Herstellung der Separatorplatte vereinfacht werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine robustere Separatorplatte bzw. eine Bipolarplatte oder ein elektrochemisches System mit zumindest einer Separatorplatte zu entwickeln, welche die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise löst.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Eine erfindungsgemäße Separatorplatte für ein elektrochemisches System umfasst mindestens eine Dichtsicke zum Abdichten eines Bereichs der Separatorplatte, sowie mindestens eine Entlastungssicke zum Entlasten der Dichtsicke, die die mindestens eine Dichtsicke vorzugsweise im Arbeitsbereich ebenso wie in einem Crashfall oder bei einem Aufprall entlastet. Die mindestens eine Dichtsicke und die mindestens eine Entlastungssicke sind voneinander beabstandet und erheben sich insbesondere jeweils in derselben Richtung aus der Separatorplattenebene.
Die mindestens eine Entlastungssicke weist dabei in einem unverpressten Zustand der Separatorplatte in mindestens einem ersten Segment längs ihrer Erstreckungsrichtung in einem Querschnitt senkrecht zu ihrem Verlauf, also senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung, mindestens eine Sickenflanke mit mindestens einem ersten äußeren Abschnitt und einem zweiten inneren Abschnitt auf. Der erste äußere Abschnitt und der zweite innere Abschnitt der Sickenflanke weisen hierbei voneinander verschiedene positive Winkel zur Separatorplattenebene auf.
Unter einem unverpressten Zustand der Separatorplatte wird insbesondere ein Zustand verstanden, in dem die Separatorplatte ohne gezielte Krafteinwirkung auf einer Oberfläche ruht. Ebenso zählt zum unverpressten Zustand der Separatorplatte ein Zustand, in dem die Separatorplatte mit einer anderen Separatorplatte zu einer Bipolarplatte verbunden ist und diese Bipolarplatte in vergleichbarer Weise auf einer Oberfläche ruht. Weiter umfasst der Begriff „unverpresster Zustand“ die Situation, in der die Bipolarplatten beispielsweise alternierend mit den Membranelektrodenanordnungen ohne äußere Verpressung aufgestapelt sein können, in allen drei Fällen werden die aus dem Eigengewicht der Separatorplatte bzw. der Bipolarplatte und ggf. der MEA resultierenden Kräfte vernachlässigt.
Unter einem verpressten Zustand wird hingegen ein Zustand verstanden, bei dem die Bipolarplatten mit ihren Separatorplatten alternierend mit MembranElektrodenanordnungen zu einem Stapel aufgestapelt und - ggf. unter Zwischenfassung weiterer Bauteile - zwischen den Endplatten des Bipolarplattenstapels verspannt sind. Die Verspannung erfolgt dabei so, dass die Dichtsicken überwiegend elastisch verpresst sind. Das elektrochemische System befindet sich im verpressten Zustand also im Arbeitsbereich der Dichtsicke.
Wird das elektrochemische System und werden damit auch die Bipolarplatten und die Separatorplatten jedoch weiter verpresst, so tritt ein überpresster Zustand ein. Dies sind also insbesondere Zustände, wie sie während bzw. nach einem Aufprall auftreten. Die vorliegende Erfindung dient auch dazu, dass die Dichtsicke nach einem solchen Aufprall wieder in ihren Arbeitsbereich zurückfedern kann, so dass das elektrochemische System auch nach einem solchen Aufprall noch dicht und gegebenenfalls mit Einschränkungen arbeitsfähig ist.
Sowohl die mindestens eine Dichtsicke als auch die mindestens eine Entlastungssicke können zumindest näherungsweise als Vollsicken ausgebildet sein, wobei sie zwei Sickenflanken sowie ein zwischen diesen Sickenflanken sich erstreckendes Sickendach aufweisen. Ein Sickendach kann dabei von der Separatorplattenebene weg gewölbt sein oder sich im Wesentlichen gerade, insbesondere parallel zur Separatorplattenebene, erstrecken. Bei einer Vollsicke mit gewölbtem Sickendach können insbesondere maximal 20%, vorzugsweise maximal 15% der gesamten Sickenhöhe auf die Höhe dieser Wölbung entfallen. Die Sickenflanken der mindestens einen Entlastungssicke und/oder der mindestens einen Dichtsicke können in einem Querschnitt senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung jeweils spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sein, wobei sich die Symmetrieebene bevorzugt senkrecht zur Separatorplattenebene erstreckt. Es sind aber auch asymmetrische Sickenformen mit unterschiedlich ausgebildeten Sickenflanken möglich.
Vorteilhafterweise ragt das Sickendach der Entlastungssicke im unverpressten Zustand der Separatorplatte genau so weit wie oder weniger weit aus der Separatorplattenebene heraus als das Sickendach der Dichtsicke. Beim Zusammenpressen des Stapels zwischen den Endplatten vor Inbetriebnahme kommt somit üblicherweise zunächst das Sickendach der Dichtsicke zur Anlage an der MEA. Die Entlastungssicke kann schon vor Erreichen der Verspannung, wie sie dem normalen Betriebszustand entspricht, oder beim Erreichen dieses Zustands zur Anlage an der MEA kommen. Im verpressten Zustand der Separatorplatte, d.h. im normalen Betriebszustand, ragt die Entlastungssicke typischerweise genauso weit aus der Separatorplattenebene heraus wie die Dichtsicke. Im verspannten Zustand der Separatorplatte liegen also sowohl die Dichtsicke als auch die Entlastungssicke an der MEA an. Die Sickendächer können dabei - falls sie oder zumindest eine davon unbeschichtet sind - mit einer Blechoberfläche an der MEA anliegen oder - falls sie oder zumindest eine davon beschichtet sind - mit einer Beschichtung.
Weiter ist es bevorzugt, wenn der ersten Winkel α des ersten äußeren Abschnitts mindestens einer Sickenflanke der Entlastungssicke kleiner ist als der zweiten Winkel β des benachbarten zweiten inneren Abschnitts derselben Sickenflanke der Entlastungssicke. Dies gilt vorzugsweise im unverpressten Zustand, kann aber auch im verpressten Zustand der Separatorplatte und damit der Entlastungssicke gelten.
Diese unterschiedlichen Flankenwinkel haben zur Folge, dass bei geringer Krafteinwirkung auf das Sickendach der Entlastungssicke, wie sie beispielsweise beim normalen Betriebszustand vorherrscht, im Wesentlichen nur der erste äußere Abschnitt verformt wird, während der zweite innere Abschnitt nur eine Linearverschiebung erfährt. Kommt es zu einer stärkeren Verpressung, kann der erste äußere Abschnitt bis in eine Ebene parallel zur Separatorplattenebene verformt werden, wobei sich der erste äußere Abschnitt dann in Abhängigkeit von seitlichen Ausweichmöglichkeiten im Wesentlichen in dieser parallelen Ebene erstrecken oder sich um diese Ebene herum wellenförmig aufstauen kann.
Beispielsweise kann der Flankenwinkel des ersten äußeren Abschnitts im unverpressten Zustand 3° - 30°, bevorzugt 4° - 20°, besonders bevorzugt 4° - 10° betragen, währen der Flankenwinkel des zweiten inneren Abschnitts im unverpressten Zustand zwischen 45° und 85°, bevorzugt zwischen 60° und 80° und besonders bevorzugt zwischen 70° und 80° betragen kann.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Sickenflanke der Dichtsicke in dem verpressten Zustand der Separatorplatte einen kleineren Winkel zur Separatorplattenebene aufweist als der zweite innere Abschnitt der Sickenflanke der Entlastungssicke. Die mindestens eine Dichtsicke kann so ausgebildet sein, dass mindestens eine ihrer Flanken, vorzugsweise ihre beiden Flanken, im Querschnitt senkrecht zum Sickenverlauf zumindest im unverpressten Zustand der Separatorplatte mindestens einen dritten Abschnitt aufweist/aufweisen, der einen dritten positiven Winkel φ zur Separatorplattenebene aufweist, wobei dieser dritte Winkel φ verschieden ist vom ersten Winkel α und/oder vom zweiten Winkel β der Flanke der Entlastungssicke. Der erste Winkel α kann im verpressten und/oder unverpressten Zustand der Separatorplatte kleiner sein als der dritte Winkel φ. Hierdurch ist der erste Abschnitt der Entlastungssicke weicher als der dritte Abschnitt, so dass das Federverhalten des Gesamtsystems bei Anlage sowohl der Dichtsicke als auch der Entlastungssicke an der MEA im Wesentlichen dem Federverhalten bei Anlage nur der Dichtsicke an der MEA entspricht.
Beim Übergang vom verpressten in einen überpressten Zustand sowie im überpressten Zustand der Separatorplatte selbst kann dieser Winkel φ soweit durch das Verpressen verringert sein, dass er kleiner ist als der Winkel β des zweiten inneren Abschnitts der Sickenflanke der Entlastungssicke. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einem Aufprall die Aufprallenergie fast ausschließlich von der Entlastungssicke aufgenommen wird, da diese aufgrund dieses Winkelverhältnisses steifer sein kann als die Dichtsicke.
Der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt der mindestens einen Flanke der mindestens einen Entlastungssicke und/oder der dritte Abschnitt der mindestens einen Flanke der mindestens einen Dichtsicke können im Querschnitt geradlinig oder gekrümmt verlaufen. Insbesondere kann der erste Abschnitt der mindestens einen Flanke der mindestens einen Entlastungssicke von einem Sickenfuß in Richtung des Sickendachs, d.h. in Richtung des zweiten Abschnitts, mit zunehmendem Winkel α verlaufen, insbesondere im Querschnitt mit einem Radius R1 gekrümmt verlaufen, wobei für den Radius R1 vorteilhafterweise gilt 0,5 mm ≤ R1, vorteilhafterweise 2 mm ≤ R1, und/oder R1 ≤ 70 mm, vorteilhafterweise R1 ≤ 50 mm. Eine solche Krümmung des ersten Abschnitts ermöglicht ein geschmeidiges Abrollen dieses Abschnitts beim elastischen Verpressen der Entlastungssicke.
Die Flankenabschnitte, also der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt, und/oder das Sickendach können im Querschnitt jeweils als im Wesentlichen gerade Liniensegmente aufgefasst werden, welche miteinander verbunden sind, gegebenenfalls über gekrümmte Verbindungsabschnitte. In diesem Fall können der erste Winkel und der zweite Winkel im Wesentlichen konstant sein.
Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der Sickenflanke können zusammen einen Bereich der Entlastungssicke bilden, welcher in Bezug auf die Separatorplattenebene konvex geformt ist. Der zweite Abschnitt und das Sickendach können zusammen einen Bereich der Entlastungssicke bilden, welcher in Bezug auf die Separatorplattenebene konkav geformt ist.
Vorzugsweise nehmen die mindestens zwei Flankenabschnitte einen beträchtlichen Anteil an der Breite der gesamten Entlastungssicke ein. Beispielsweise kann die gesamte Flanke, d.h. der erste äußere Abschnitt und der zweite innere Abschnitt zusammen, eine Breite aufweisen, die mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 60%, insbesondere mehr als 70% und besonders bevorzugt mehr als 80% der Breite des Sickendachs beträgt. Summiert über beide Sickenflanken beträgt deren Anteil an der gesamten Sickenbreite oftmals als mehr als die Hälfte. Das Sickendach kann dabei insbesondere als Auflagefläche, in der Regel ebene Auflagefläche, wirken. Betrachtet man die Breitenanteile der mindestens zwei Flankenabschnitte getrennt, so kann die Breite des ersten äußeren Abschnitts mindestens 1/3, vorzugsweise mindestens 40%, insbesondere mindestens 50% der Breite des Sickendachs. Der auf den zweiten inneren Abschnitt entfallende Breitenanteil kann etwas geringer ausfallen, seine Breite kann mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 25% und insbesondere mindestens 30% der Breite des Sickendachs betragen.
Die Dichtsicke kann als Portsicke zum Abdichten einer in der Separatorplatte ausgebildeten Durchgangsöffnung - insbesondere gegenüber anderen Medienräumen - oder als Perimetersicke zum Abdichten eines Strömungsfeldes und ggf. fortlaufend von Durchgangsöffnungen - insbesondere gegenüber der Umgebung der Separatorplatte - ausgestaltet sein.
Eine Dichtsicke, insbesondere ein Portsicke, kann zumindest in Abschnitten Strukturen zum Durchführen von Medien aufweisen. Hierzu wird auf die DE 102 48 531 A1 , DE 20 2015 104 972 , DE 20 2015 104 973 und die noch unveröffentlichte DE 20 2022 101 861.8 verwiesen, wobei der Inhalt jeder dieser Schriften mittels Referenzierens vollumfänglich zum Bestandteil der vorliegenden Schrift gemacht wird. Eine Entlastungssicke weist hingegen vorteilhafterweise keine solche Durchführungsstruktur auf.
Die mindestens eine Entlastungssicke kann zwischen einer Außenkante, die einen Außenumfang der Separatorplatte begrenzt, und der Dichtsicke angeordnet sein, insbesondere in einem Eckbereich oder Randbereich der Separatorplatte. Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Entlastungssicke benachbart zu einer Portsicke, insbesondere zwischen zwei Portsicken oder zwischen einer Perimetersicke und einer Portsicke, angeordnet sein. Die Entlastungssicke kann hierbei jeweils beabstandet zur und längs der Dichtsicke verlaufen. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Dichtsicke in den zur Entlastungssicke benachbarten Bereichen keine der vorgenannten Durchführungsstrukturen aufweist.
Eine besonders gute Entlastung der mindestens einen Dichtsicke wird erreicht, wenn die Separatorplatte eine Vielzahl von nacheinander angeordneten und voneinander beabstandeten Entlastungssicken aufweist, welche entlang des Verlaufs der Dichtsicke, insbesondere entlang der Perimetersicke, angeordnet sind.
Eine Entlastungssicke kann beidseitig der mindestens einen Dichtsicke angeordnet sein, ebenso wie zu beiden Seiten einer Entlastungssicke jeweils eine Dichtsicke verlaufen kann. Insbesondere kann eine Entlastungssicke zwischen zwei Portsicken angeordnet sein und damit beide Dichtsicken entlasten.
Verlaufen die mindestens eine Entlastungssicke und die mindestens eine Dichtsicke zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel, so können insbesondere oder ausschließlich in einem, mehreren oder allen der Abschnitten mit im Wesentlichen parallelem Verlauf, die einander zugewandten Sickenflanken der Dichtsicke und der Entlastungssicke im Querschnitt senkrecht zum Sickenverlauf voneinander verschiedene positive Winkel zur Separatorplattenebene aufweisen. Weiter ist es bevorzugt, wenn sich die Separatorplatte in einem Bereich zwischen der Dichtsicke und der Entlastungssicke im Wesentlichen eben bzw. parallel zur Separatorplattenebene erstreckt und/oder keine geprägten Strukturen aufweist.
Ebenso alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Entlastungssicke in einem Verteil- oder in einem Sammelbereich angeordnet sein. Auch hier können mehrere Entlastungssicken voneinander beabstandet angeordnet sein, beispielsweise nebeneinander, hintereinander oder zueinander versetzt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Erstreckungsrichtung einer in einem Verteil- oder in einem Sammelbereich angeordneten Entlastungssicke maximal um ± 30°, bevorzugt maximal um ± 15°, insbesondere maximal um ± 5°, von der Strömungsrichtung des Fluids bzw. der Erstreckungsrichtung der Fluidkanäle auf der entsprechenden Oberfläche abweicht und insbesondere zu dieser parallel verläuft. Bei dieser Anordnung können in einem Bereich zwischen der Dichtsicke und der Entlastungssicke weitere Strukturen vorgesehen sein.
Sowohl mindestens eine Dichtsicke als auch mindestens eine Entlastungssicke können zumindest abschnittsweise geradlinig und/oder in ihrer Erstreckungsrichtung wellenförmig mit mindestens einer Wellenperiode verlaufen. Dabei kann mindestens ein geradliniger Abschnitt der mindestens einen Dichtsicke entlang eines geradlinigen Abschnitts der mindestens einen Entlastungssicke, ein wellenförmiger Abschnitt der mindestens einen Dichtsicke phasengleich oder phasenversetzt, insbesondere um λ/2, entlang eines wellenförmigen Abschnitts der mindestens einen Entlastungssicke verlaufen, oder ein gerader Abschnitt von Dichtsicke/Entlastungssicke entlang eines wellenförmigen Abschnitts von Entlastungssicke/Dichtsicke.
Durch die zuvor beschriebene Separatorplatte erfolgt im verpressten Zustand eine im Wesentlichen elastische Verpressung sowohl der Dichtsicke als auch der Entlastungssicke, die Entlastungssicke führt im Arbeitsbereich also zu keiner signifikanten Veränderung des Federverhaltens der Dichtsicke. Andererseits können beim Übergang vom verpressten in den überpressten Zustand die übermäßigen Kräfte, die beispielsweise bei einem Aufprall auftreten können, überwiegend in die Entlastungssicke eingeleitet werden, so dass die Dichtsicke nur einen kleinen Teil der Energie des Aufpralls aufnehmen muss. Da die Entlastungssicke, genauer ihr zweiter innerer Flankenabschnitt, im überpressten Zustand die am wenigsten nachgiebige Struktur der Separatorplatte bildet, kann die Entlastungssicke im Crashfall zusätzliche Kraft aufnehmen, die ohne die Entlastungssicke von der Dichtsicke aufgenommen werden müsste und dadurch die Dichtsicke entlasten, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine dauerhafte Deformation der Dichtsicke verringert werden kann.
Das Sickendach der Entlastungssicke kann zur lokalen Anpassung des Federverhaltens der Entlastungssicke beispielsweise mit Vertiefungen versehen werden. Diese Vertiefungen können punktförmig ausgebildet sein oder sich in Längsrichtung der Entlastungssicke zumindest abschnittsweise erstrecken. Die Vertiefungen können dabei auch gruppenweise und/oder kettenförmig angeordnet sein und innerhalb einer Gruppe/Kette unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich tief, oder identisch ausgebildet sein.
Die Separatorplatte kann aus einem Blech wie einem Metallblech, insbesondere einem Edelstahlblech, ggf. mit Beschichtung, geformt sein. Die mindestens eine Dicht- und die mindestens Entlastungssicke der Separatorplatte können zum Beispiel mittels Hydroformen, Prägen und/oder Tiefziehen in die jeweilige Separatorplatte eingeformt sein. In dieser Schrift wird der Begriff Prägen stellvertretend für Hydroformen, Prägen - rollierendem Prägen oder Hubprägen - und Tiefziehen verwendet. Die Separatorplattenebene der Separatorplatte kann eine Ebene sein, die durch drei Punkte aus unverformten Bereichen der Separatorplatte aufgespannt wird. Diese drei Punkte liegen typischerweise in Auflageflächen der unverformten Bereiche der Separatorplatte, in denen diese im verbauten Zustand an die nächste Separatorplatte angrenzt, d.h. im Falle einer Brennstoffzelle typischerweise auf der von der MEA abweisenden Seite. Unverformte Bereiche der Separatorplatte können Bereiche der Separatorplatte sein, die keine geprägten Strukturen aufweisen. Die Separatorplatte hat eine Dicke, welche in der Regel mindestens 50 µm und/oder höchstens 200 µm beträgt. Die Dicke ist hierbei also die Ausdehnung des Blechs der Separatorplatte senkrecht zur Separatorplattenebene und kann in manchen Fällen gegenüber den übrigen Abmessungen der Separatorplatte vernachlässigt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte, die zwei miteinander verbundene, wie zuvor beschriebene, Separatorplatten aufweist. Die Separatorplatten sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass ihre Unterseiten einander zugewandt sind und die Dichtsicken und Entlastungsicken beider Separatorplatten mit ihren Sickendächern voneinander wegweisen.
Die beiden Separatorplatten der Bipolarplatte können beispielsweise beidseitig der Entlastungssicke und/oder zwischen Entlastungssicke und Dichtsicke und/oder beidseitig der Dichtsicke zumindest abschnittsweise mittels Schweißverbindungen, insbesondere mittels Laserschweißverbindungen miteinander verbunden sein. Die Schweißverbindungen können dabei punkt-, strich- oder linienförmig, ggf. auch in Form ineinandergreifender Bögen, ausgeführt sein. Sie können aus beabstandeten Schweißungen oder aus fortlaufenden bzw. zusammengesetzten Schweißungen bestehen und damit fluiddicht ausgeführt sein. Insbesondere können dichtende Schweißverbindungen einerseits einer Sicke mit nicht-dichtenden Schweißverbindungen andererseits dieser Sicke miteinander kombiniert werden.
Weiter umfasst die Erfindung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl zuvor beschriebener Separatorplatten bzw. einer Vielzahl zuvor beschriebener Bipolarplatten. Je nach Anwendung sind zwischen den Separatorplatten (beispielsweise bei Elektrolyseuren) oder zwischen den Bipolarplatten (beispielsweise bei Brennstoffzellen) elektrochemische Zellen angeordnet. Die elektrochemische Zellen und die Separator- bzw. Bipolarplatten sind dabei in einem Stapel senkrecht zu den Separatorplattenebenen aufgestapelt und - ggf. unter Zwischenfassung weiterer Bauteile - zwischen Endplatten zusammengepresst.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des elektrochemischen Systems bzw. der Bipolarplatten entsprechen dabei weitestgehend den für die Separatorplatten beschriebenen Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen.
Ausführungsbeispiele der Separatorplatte, der Bipolarplatte, der Anordnung, der elektrochemischen Zelle und des elektrochemischen Systems sind in den beigefügten Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei aus zwei Separatorplatten bestehende Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
3 schematisch eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Separator- bzw. Bipolarplatte einer ersten Variation der Erfindung;
4 in drei 4A bis 4C schematische Schnittdarstellungen der aus zwei Separatorplatten bestehenden Bipolarplatte aus 3 entlang der Schnittlinie A-A in drei Verpressungszuständen;
5 in vier 5A bis 5D schematische Schnittdarstellungen der aus zwei Separatorplatten bestehenden Bipolarplatte aus 3 entlang der Schnittlinie B-B in vier Verpressungszuständen;
6 in drei 6A bis 6C schematische Schnittdarstellungen der aus zwei Separatorplatten bestehenden Bipolarplatte aus 3 entlang der Schnittlinie C-C in drei Verpressungszuständen und in 6D eine alternative Variante zu 6A;
7 schematisch eine Draufsicht auf eine aus zwei Separatorplatten bestehende Bipolarplatte einer weiteren Variation;
8 schematisch eine Draufsicht auf eine aus zwei Separatorplatten bestehende Bipolarplatte einer weiteren Variation; und
9 schematisch eine Draufsicht auf eine aus zwei Separatorplatten bestehende Bipolarplatte einer weiteren Variation.

Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Zugunsten der Übersichtlichkeit wird teilweise auf die Wiederholung von Bezugszeichen in den Figuren verzichtet.
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Eine Verspannung kann beispielsweise über Bänder 50 oder hier nicht dargestellte Zugstäbe bzw. Zugplatten erfolgen. Ein Verschlussmechanismus der Bänder kann dabei auf der Endplatte 3 angeordnet sein und ist in der gezeigten Darstellung nicht sichtbar. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels begrenzen also eine elektrochemische Zelle, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA 10 beinhaltet typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Die MEA 10 umfasst außerdem oftmals eine rahmenförmige Verstärkungslage, welche die Elektrolytmembran umrahmt und diese im Überlappungsbereich mit der eigentlichen Elektrolytmembran verstärkt. Die Verstärkungslage ist in der Regel elektrisch isolierend ausgebildet und verhindert im Betrieb des elektrochemischen Systems 1, dass ein Kurzschluss entsteht.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Auch bei diesen elektrochemischen Systemen können Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können und ggf. nur eine Separatorplatte - also keine aus zwei Separatorplatten bestehende Bipolarplatte - zwischen zwei einander nächstliegenden Membranen verbaut wird.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist in der Regel eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
In einem elektrochemischen System, wie es in 1 gezeigt ist, können sowohl konventionelle Bipolarplatten 2, wie sie in 2, gezeigt sind, als auch erfindungsgemäße Separatorplatten oder aus diesen bestehende Bipolarplatten, wie sie ab 3 gezeigt sind, eingesetzt werden.
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte, aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 2, 2' eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet (siehe auch z. B. Figurengruppen 4 bis 6), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem ggf. (vor)beschichteten Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. entlang ihres Außenrandes miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Medienanschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel 6 eingeleitet werden, während das Kühlmittel über andere Durchgangsöffnungen 11a aus dem Stapel 6 abgeleitet wird. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel 6 ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene ausgebildet.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Portsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatte 2 entsprechende Portsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt). Jede Sickenanordnung einer Portsicke 12a-12d kann im Querschnitt zumindest ein Sickendach und zwei Sickenflanken aufweisen, eine im Wesentlichen winklige Anordnung zwischen diesen Elementen ist jedoch nicht notwendig, es kann auch ein gekrümmter Übergang vorgesehen sein, d.h. auch im Querschnitt bogenförmige Sicken sind möglich.
An einen elektrochemisch aktiven Bereich 18 der MEA angrenzend weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit ersten Strukturen 14 zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite (oder auch Vorderseite) der Separatorplatte 2a auf. Diese ersten Strukturen 14 sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weist die erste Separatorplatte 2a zudem jeweils einen Verteil- und Sammelbereich 20 auf. Die Verteil- und Sammelbereiche 20 umfassen zweite Strukturen 16 zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite (oder auch Vorderseite) der Separatorplatte 2a, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den angrenzenden Verteilbereich 20 eingeleitetes Medium über das Strömungsfeld 17 und somit den aktiven Bereich 18 zu verteilen und über den Sammelbereich 20 ein ausgehend vom Strömungsbereich 17 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die zweiten Strukturen 16 d.h. die Strukturen des Verteil- bzw. Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben.
Die Portsicken 12a-12c werden von Leitungskanälen 13a-13c gekreuzt, die jeweils in sämtliche Separatorplatten 2a, 2b eingeformt sind, und von denen die Leitungskanäle 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Separatorplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Separatorplatte 2b eine Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteilbereich 20 ausbilden. Beispielsweise ermöglichen die Leitungskanäle 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteil- bzw. Sammelbereich 20, so dass das Kühlmittel in den Verteil- bzw. Sammelbereich 20 zwischen den Separatorplatten 2a, 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird.
Die Leitungskanäle 13b in der oben liegenden Separatorplatte 2a und die Leitungskanäle 13c in der unten liegenden Separatorplatte 2b stellen gemeinsam mit Durchbrüchen 15' in den Flanken eines Verbindungskanals 15 sämtlicher Leitungskanäle 13b bzw. 13c eine entsprechende Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung 11b bzw. 11c und dem jeweils angrenzenden Verteil- oder Sammelbereich 20 her. So ermöglichen die Leitungskanäle 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen den Durchgangsöffnungen 12b und dem angrenzenden Verteil- bzw. Sammelbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a. Diese Leitungskanäle 13b grenzen an dem Verteil- oder Sammelbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Durchbrüche 15' - hier in den Flanken des Verbindungskanals 15 -, durch die der Wasserstoff strömen kann, an. Leitungskanäle 13c ermöglichen zusammen mit Durchbrüchen 15' in den Flanken des Verbindungskanals 15 eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteil- oder Sammelbereich auf der Rückseite der Bipolarplatte 2, so dass Luft in den Verteil- oder Sammelbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird (in 2 nicht sichtbar). Mögliche weitere Ausgestaltungen sind zum Beispiel in den oben genannten Schriften DE 20 2022 101 861, DE 20 2015 104 972 , DE 20 2015 104 973 und DE 102 48 531 A1 gezeigt.
Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, die Verteil- bzw. Sammelbereiche 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Umgebung des Systems 1 und gemeinsam mit den Portsicken 12a gegenüber den Durchgangsöffnungen 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken 12d. Die Strukturen des Strömungsbereichs 17, die Verteil- oder Sammelstrukturen des Verteil- bzw. Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Strömungsfelder, Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Einzelplatten 2b.
Während die Portsicken 12a-12c einen im Wesentlichen runden Verlauf aufweisen, der jedoch in erster Linie von der Flächenform der zugehörigen Durchgangsöffnung 11a-11c abhängt, weist die Perimetersicke 12d verschiedene Abschnitte auf, welche unterschiedlich geformt sind. So kann der Verlauf der Perimetersicke 12d zumindest zwei wellenförmige Abschnitte aufweisen, auch Portsicken 12a-12c können abschnittsweise wellenförmig verlaufen.
Wie eingangs erwähnt, wurde die vorliegende Erfindung konzipiert um in einem Stapel verpresste Separatorplatten und insbesondere deren Dichtsicken 12a-12d in einem Crashfall vor permanenter Deformation zu schützen. Dafür werden zusätzliche Strukturen - nämlich Entlastungssicken - vorgesehen, die es ermöglichen, die Aufprallenergie aufzunehmen. In den nachfolgenden 3-9 sind die Dichtsicken mit einem flachen Sickendach dargestellt, dies ist jedoch nicht notwendig, d.h. die Dichtsicke kann auch ein im Querschnitt bogenförmiges Sickendach aufweisen, wie es in DE 10 2009 012 730 A1 für den Stand der Technik bzw. die jeweils obere Separatorplatte gezeigt ist.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Separatorplatte 2a, für ein elektrochemisches System 1, wie es in 1 dargestellt ist, die die dem Betrachter zugewandte Lage einer Bipolarplatte 2 bildet. Wie in 2 sind drei Durchgangsöffnungen 11a-11c für Medien gegeben, die über Leitungskanäle 13a-13c in Fluidverbindung mit dem Verteil- oder Sammelbereich 20 stehen können, der wiederum mit dem Strömungsfeld 17, das dem aktiven Bereich der MEA (nicht gezeigt) gegenüberliegt fluidisch verbunden ist. Die Durchgangsöffnungen 11a-11c sind jeweils individuell durch Portsicken 12a-12c sowie gemeinsam mit den Verteil- und Sammelbereichen 20 und dem Strömungsfeld 17 mittels der Perimetersicke 12d zum Außenraum hin abgedichtet. Die Separatorplatte 2a der 3 unterscheidet sich von der der 2 einerseits durch andere Formen der Durchgangsöffnungen 11a-11c, durch eine geänderte Führung der Perimetersicke 12d, die hier sämtliche Durchgangsöffnungen 11a-11c umschließt, sowie durch die noppenförmigen zweiten Strukturen 16 des Verteil- bzw. Sammelbereichs 20. Bezüglich dieser Elemente können erfindungsgemäße Separatorplatten 2a bzw. Bipolarplatte 2 jedoch auch so ausgebildet sein, wie in 2 dargestellt.
Andererseits unterscheiden sich die Separatorplatte 2a der 3 und die Separatorplatte 2a der 2 durch die zusätzlichen Entlastungssicken 22a-c, 22c*, die nur in der erfindungsgemäßen Ausführungsform der 3 gezeigt sind und insbesondere in einem Crashfall oder bei einem Aufprall der Entlastung der Dichtsicken 12a-d dienen.
Die Entlastungssicke 22a verläuft entlang zumindest eines Abschnitts der Perimetersicke 12d in geringem Abstand zu dieser. Sie ist also zwischen einer Außenkante 61, die einen Außenumfang der Separatorplatte 2a begrenzt, und der Dichtsicke 12d, hier der Perimetersicke, in einem Randbereich der Separatorplatte angeordnet. Nur in den Eckbereichen entfernt sich die Entlastungssicke 22a von der Perimetersicke 12d und läuft aus. In den übrigen Bereichen verläuft die Entlastungssicke 22a parallel zur Perimetersicke 12d. Die Entlastungssicken 22b sind zwischen den Durchgangsöffnungen 11a und 11c und zwischen den Durchgangsöffnungen 11a und 11b angeordnet und verlaufen beabstandet und entlang zumindest eines Abschnitts der Portsicken 12a und 12c bzw. 12a und 12b, d. h. zwischen diesen Portsicken. Auch hier verlaufen Dichtsicken 12a-c und Entlastungssicken 22b außer in den Eckbereichen der Portsicken 12a-c bzw. den Endabschnitten der Entlastungssicken 22b parallel. Der Abstand zwischen den Portsicken 12a und 12c bzw. 12a und 12b und der jeweils dazwischen sich erstreckenden Entlastungssicke 22b ist hier etwas größer als der Abstand zwischen der Perimetersicke 12d und der Entlastungssicke 22a und entspricht zwischen den parallel verlaufenden Abschnitten ungefähr der Breite der Entlastungssicke 22b bzw. der Portsicken12a-c. Die Entlastungssicken 22b weisen im Vergleich zur Entlastungssicke 22a ein Sickendach 25 auf, welches sich zwischen den Sickenflanken 24 erstreckt, wobei das Sickendach abschnittsweise eben ist und über die gesamte Erstreckung mit gleichmäßigem Abstand angeordnete Vertiefungen 28 aufweist.
Weitere Entlastungssicken 22c, 22c* sind im Verteil- bzw. Sammelbereich 20 angeordnet. Sie erstrecken sich zwischen den zweiten Strukturen 16 und sind deutlich stärker zu den Dichtsicken 12a-d beabstandet wie die Entlastungssicken 22a und 22b. Während sich die Entlastungssicken 22c in Verlängerung der Leitungskanäle 13b, 13c erstrecken und somit im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Mediums in seiner jeweiligen Strömungsebene (vgl. 2), sind die Entlastungssicken 22c* in einem Winkel von knapp 30° zu den nächstliegenden Leitungskanälen 13a angeordnet.
Die Pfeile Pa, Pb, Pc in 3 stellen jeweils die Erstreckungsrichtung der Entlastungssicke 22a, 22b bzw. 22c dar.
Die Schnittdarstellungen der 4A-4C, 5A-5D und 6A-6C zeigen jeweils einen Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Entlastungssicke 22a, 22b bzw. 22c. Sämtliche der 4A-4C, 5A-5D und 6A-6C zeigen dabei eine Bipolarplatte 2, die zwei miteinander verbundene Separatorplatten 2a, 2b aufweist, die derart angeordnet sind, dass ihre Unterseiten einander zugewandt sind und die Dichtsicken 12, 12' und Entlastungsicken 22, 22' beider Separatorplatten 2a, 2b mit ihren Sickendächern 25, 25' bzw. 35, 35' voneinander wegweisen. Die Separatorplatten 2a, 2b sind im gezeigten Ausschnitt symmetrisch zueinander ausgebildet und liegen in ihren unverformten Bereichen 40 in der jeweiligen Separatorplattenebene E aufeinander auf. Auf eine Beschreibung der Elemente der zweiten Separatorplatte 2b, die verglichen mit denen der ersten Separatorplatte 2a durch ein „'" gekennzeichnet sind, wird überwiegend verzichtet, da sie im gezeigten Ausschnitt mittels Spiegelung an der Separatorplattenebene E in diejenigen der Separatorplatte 2a überführt werden könnten. Ebenso wird bei ansonsten symmetrischen Anordnungen meist nur ein Element, das mittels einer Spiegelung in ein analoges Element überführt werden kann, mit einem Bezugszeichen versehen. Sämtliche Sicken bzw. Querschnitte sind ohne Beschichtung dargestellt. Sie können tatsächlich vollständig unbeschichtet sein, können aber auch auf mindestens einer ihrer Oberflächen, beispielsweise auf der der MEA zugewandten Oberfläche, vollflächig oder abschnittsweise beschichtet sein. Insbesondere können die Sickendächer mit einer polymer-, insbesondere elastomerbasierten Beschichtung beschichtet sein. Ebenso ist die MEA ohne Beschichtungen bzw. eigene Dichtelemente dargestellt, sie könnte jedoch auch - insbesondere den Sickendächern gegenüberliegend bzw. an diesen anliegend - eine Beschichtung bzw. ein elastomerbasiertes Dichtelement aufweisen.
4A bis 4C zeigen jeweils einen Schnitt durch die Bipolarplatte 2 aus 3 entlang der Schnittlinie A-A, d.h. benachbart zum Außenrand 61 der Bipolarplatte 2. 4A zeigt dabei den unverpressten Zustand, 4B den verpressten Zustand, wie er sich unter Betriebsbedingungen einstellt und 4C einen überpressten Zustand, bei dem die Verpressung größer ist als unter normalen Betriebsbedingungen. Die beide Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 sind mittels einer durchgehenden Laserschweißverbindung 41 zwischen der Entlastungssicke 22a und fortlaufend der Dichtsicke 12d einerseits und dem Außenrand 61 andererseits sowie einer unterbrochenen Laserschweißverbindung 41' in einem Bereich zwischen der Dichtsicke 12d und der Entlastungssicke 22a miteinander verbunden.
Die Dichtsicke 12d ist hier eine symmetrisch ausgebildete Vollsicke 12d mit einem Sickendach 35 und Sickenflanken 34 und dient als Perimetersicke, d.h. zum Abdichten gegenüber der Umgebung. Die Entlastungssicke 22a ist ebenfalls symmetrisch ausgebildet, ihre Sickenflanken weisen allerdings jeweils einen ersten äußeren Abschnitt 26 und einen zweiten inneren Abschnitt 27 aufweist, die voneinander verschiedene positive Winkel α, β zur Separatorplattenebene E aufweisen, die insbesondere in der 4A, also im unverpressten Zustand, als α₁, β₁ gut erkennbar und voneinander unterscheidbar sind. Im unverpressten Zustand beträgt der Flankenwinkel α₁ des ersten äußeren Abschnitts ungefähr 10°, während der Flankenwinkel β₁ des zweiten inneren Abschnitts ungefähr 50° beträgt. Der Flankenwinkel α₁ des ersten äußeren Abschnitts 26 der Entlastungssicke 22a ist also im unverpressten Zustand kleiner als der Flankenwinkel β₁ des zweiten inneren Abschnitts 27. Noch steiler ist allerdings im unverpressten Zustand der Separator- 2a bzw. Bipolarplatte 2 der Flankenwinkel φ₁ der Dichtsicke 12d; er beträgt ungefähr 60°. Die mindestens eine Sickenflanke der Dichtsicke weist im Querschnitt senkrecht zum Sickenverlauf zumindest in diesem unverpressten Zustand der Separatorplatte also mindestens einen dritten Abschnitt auf, der einen dritten positiven Winkel φ zur Separatorplattenebene aufweist, wobei der dritte Winkel φ₁ verschieden von zumindest einem der Flankenwinkel der Entlastungssicke 22a ist, nämlich dem ersten Winkel α₁ bzw. dem zweiten Winkel β₁. Im Beispiel der 4A gilt für den unverpressten Zustand: α₁ < φ₁ und β₁< φ₁
In diesem unverpressten Zustand, in dem die Bipolarplatten 2 beispielsweise alternierend mit den Membranelektrodenanordnungen 10, 10' ohne äußere Verpressung aufgestapelt sein können, liegen nur die Dichtsicken 12d, 12d' an den benachbarten MEAs 10, 10' an. Entsprechend ist in diesem unverpressten Zustand die Höhe der Dichtsicke 12d größer als die Höhe der Entlastungssicke 22a, die Entlastungssicke 22a der Separatorplatte 2a ragt also weniger weit aus der Separatorplattenebene E heraus als die Dichtsicke 12d.
Im verpressten Zustand, der in 4B dargestellt ist und dem Betriebszustand entspricht, kommen sowohl die Dichtsicke 12d mit ihrem Sickendach 35 als auch die Entlastungssicke 22a mit ihrem Sickendach 25 zur Anlage an der MEA 10 bzw. deren Verstärkungsrand. Die Entlastungssicke 22a ragt also genauso weit aus der Separatorplattenebene heraus wie die Dichtsicke12d. Somit erfahren beide Sicken, d.h. die Dichtsicke 12d und die Entlastungssicke 22a eine Verpressung. Auch hier ist der Flankenwinkel α des ersten äußeren Abschnitts 26 der Entlastungssicke 22a kleiner als der Flankenwinkel β des zweiten inneren Abschnitts 27. Hier beträgt der Flankenwinkel α₂ mit ungefähr 6° noch etwas mehr als die Hälfte des Flankenwinkels α₁ des unverpressten Zustands. Der Flankenwinkel β₂ ist hingegen identisch mit dem Flankenwinkel β₁ des unverpressten Zustands. Er ist damit größer als der Flankenwinkel φ₂ der Dichtsicke, der sich auf ungefähr 35° reduziert hat. Auch für den Betriebszustand gilt also: α₂ < φ₂. In diesem verpressten Zustand der Separatorplatte 2a bzw. der Bipolarplatte 2 weist die Sickenflanke 34 der Dichtsicke 12d einen Winkel φ₂ zur Separatorplattenebene E auf, der kleiner ist als der Flankenwinkel β₂ des zweiten inneren Abschnitts 27 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22a.
Im in 4C dargestellten Zustand, der einem überpressten Zustand entspricht, in dem die Separatorplatte 2a bzw. die Bipolarplatte 2 eine größere Verpressung erfahren als dies unter normalen Betriebsbedingungen der Fall ist, ist der erste äußere Abschnitt 26 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22a im Wesentlichen vollständig verpresst. Er kann wie hier dargestellt in der Separatorplattenebene E verlaufen, er kann aber auch etwas um diese herum gewellt sein. Auch hier ist somit der Flankenwinkel α des ersten äußeren Abschnitts 26 der Entlastungssicke 22a kleiner als der Flankenwinkel β des zweiten inneren Abschnitts 27. Der Flankenwinkel β₃ des zweiten inneren Abschnitts 27 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22a hat mit einer Verpressung auf 50° eine ähnliche Verpressung erfahren wie die Sickenflanke 34 der Dichtsicke 12d, die einen Winkel φ₃ von ungefähr 27° zur Separatorplattenebene E aufspannt. Auch in diesem verpressten Zustand ist der Winkel φ₃ der Sickenflanke 34 der Dichtsicke 12d somit kleiner als der Flankenwinkel β₃ des zweiten inneren Abschnitts 27 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22a.
5A bis 5D zeigen jeweils einen Schnitt durch die Bipolarplatte 2 aus 3 entlang der Schnittlinie B-B, d.h. zwischen zwei Durchgangsöffnungen 11a, 11c der Bipolarplatte 2. Die Dichtsicken 12a, 12c sind hier somit Portsicken zum Abdichten einer in der Separatorplatte ausgebildeten Durchgangsöffnung 11a, 11c. Hier ist somit beidseitig der Entlastungssicke 22b jeweils eine Dichtsicke 12a bzw. 12c angeordnet. 5A bis 5D zeigen jeweils einen Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Entlastungssicke 22b. 5A zeigt dabei den unverpressten Zustand, 5B den verpressten Zustand im Arbeitsbereich und 5C und 5D jeweils einen überpressten Zustand, bei dem die Verpressung größer ist als unter normalen Betriebsbedingungen.
Die Entlastungssicke 22b wird hier an einer Stelle geschnitten, in der das Sickendach 25 eine Vertiefung 28 aufweist. Zwischen solche Abschnitten verläuft das Sickendach 25 im Wesentlichen eben. Anstelle punktförmiger Vertiefungen wären auch Vertiefungen möglich, welche sich in Längsrichtung Pb der Entlastungssicke erstrecken. Die Vertiefung 28 weist einen Bodenbereich 28a und Flanken 29 mit einem Flankenwinkel γ auf.
Im unverpressten Zustand der 5A sind die Winkel α₁, β₁ und φ₁ ähnlich wie in 4A ausgebildet, d.h. α₁ < β₁ < φ₁. Der Flankenwinkel γ₁ der Flanke 29 der Vertiefung 28 entspricht im Wesentlichen dem Winkel β₁, den der zweite innere Abschnitt 27 der Sickenflanke der Entlastungssicke 22b mit der Separatorplattenebene E aufspannt. Die Bodenbereiche 28a, 28a' der Vertiefungen 28, 28' sind voneinander beabstandet.
Im in 5B dargestellten Betriebszustand haben sich die Verhältnisse im Wesentlichen analog zum Verpressen vom unverpressten Zustand in den Arbeitsbereich, d.h. dem Übergang von 4A zu 4B verändert. Weiterhin sind die Flankenwinkel der Flanke 28 und des Flankenabschnitts 27, γ₂ und β₂, vergleichbar, die Bodenbereiche 28a, 28a' der Vertiefungen 28, 28' haben sich nur minimal angenähert und sind weiterhin deutlich voneinander beabstandet.
In einem ersten über den Arbeitsbereich hinaus verpressten Zustand, wie er in 5C dargestellt ist, ist der Winkel α nicht mehr erkennbar. Der erste äußere Abschnitt 26 der Sickenflanke 24 und der Bereich 40 lassen sich nicht mehr unterscheiden. Wie im in 4C dargestellten Zustand ist der zweite innere Abschnitt 27 der Sickenflanke 24 - gemeinsam mit der Flanke 29 der Vertiefung 28 - der steilste Abschnitt im gezeigten Ausschnitt der Bipolarplatte 2. Der Flankenwinkel β₃ dieses Abschnitts ist nun größer als der Flankenwinkel φ₃ der Sickenflanke der Dichtsicke 12c. Weiterhin sind die Flankenwinkel der Flanke 28 und des Flankenabschnitts 27, γ₃ und β₃, vergleichbar, allerdings haben sich die Bodenbereiche 28a, 28a' der Vertiefungen 28, 28' nun deutlich angenähert, kommen jedoch noch nicht zur Anlage.
Werden noch höhere Kräfte eingeleitet, so werden diese fast vollständig von der Entlastungssicke 22b aufgenommen. Der Flankenwinkel β₄ ist in 5D auf ungefähr 40° reduziert, wohingegen er in 5A, d.h. im unverpressten Zustand (β₁), und in 5B, d.h. im Arbeitsbereich (β₂), ungefähr 50° beträgt. Der Flankenwinkel γ₄ der Vertiefung 28 beträgt hingegen weiterhin ungefähr 50°. Durch die Neigung des zweiten inneren Abschnitts des Flankenwinkels der Entlastungssicke sind die die Bodenbereiche 28a, 28a' der Vertiefungen 28, 28' hier zur Anlage gekommen, die Vertiefungen unterstützen die Entlastungssicke gegen eine weitere Verformung.
6A bis 6C zeigen jeweils einen Schnitt durch die Bipolarplatte 2 aus 3 entlang der Schnittlinie C-C, die vom Verteilbereich 20 in die Nähe des Außenrands der Bipolarplatte 2 reicht. Die Schnitte sind allerdings gebrochen dargestellt, d.h. sie zeigen jeweils nur einen Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Entlastungssicke 22c und der Dichtsicke 12d, die als Perimetersicke ausgebildet ist. 6A zeigt dabei den unverpressten Zustand, 6B den verpressten Zustand, wie er sich unter Betriebsbedingungen einstellt, und 6C einen überpressten Zustand, bei dem die Verpressung größer ist als im Arbeitsbereich.
Die Perimetersicke 12d ist in 6A in einem anderen Segment als in 4A gezeigt, ist aber als solches unverändert fortgeführt und weist somit denselben Querschnitt auf wie in den 4A. Die Entlastungssicke 22c hingegen weist einen ersten Abschnitt 26 auf, der von einem Sickenfuß 21 in Richtung des Sickendachs 25 mit zunehmendem Winkel α verläuft. Konkret ist der erste Abschnitt im gezeigten Querschnitt mit einem Radius R1 gekrümmt, der hier 0,6 mm beträgt. Grundsätzlich können der erste Abschnitt 26 und/oder der zweite Abschnitt 27 der Entlastungssicke 22c und/oder der dritte Abschnitt, d.h. die Sickenflanke 34 der Dichtsicke 12d im Querschnitt geradlinig oder gekrümmt verlaufen.
Dieser Radius R1 ermöglicht es, dass sich der Winkel am Sickenfuß 21 beim Übergang vom unverpressten Zustand (6A) in den Betriebszustand ( 6B) kaum verändert. Vielmehr rollt der erste äußere Abschnitt 26 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22c über diesen Radius R1 ab und der weiter vom Sickendach 25 entfernte Bereich dieses ersten äußere Abschnitts verflacht sich, so dass ein Teil des ersten äußeren Abschnitts in der Separatorplattenebene E verläuft oder mit diesem verschmilzt und die Breite der Sickenflanke 24, die sichtbar aus der Separatorplattenebene E aufsteigt, sich verringert.
Kommt es zu einer Verpressung über den Arbeitsbereich hinaus (6C), ist kein erster äußerer Abschnitt 26 der Sickenflanke 24 der Entlastungssicke 22c mehr von Abschnitten der Separatorplatte 2a, die benachbart in der Separatorplattenebene E verlaufen, unterscheidbar. Durch die Verpressung der Separatorplatte 2a bzw. der Bipolarplatte 2 hat die Dichtsicke 12d eine stärkere Verformung erfahren als der zweite innere Abschnitt 27 der Entlastungssicke 22c, so dass auch hier wieder gilt: β₃ > φ₃.
Die 6D zeigt eine alternative Variante der in der 6A gezeigten Bipolarplatte, wobei das Sickendach 25 leicht nach oben, also weg von der Separatorplattenebene gewölbt ist. Bei dem gewölbten Sickendach können insbesondere maximal 20%, vorzugsweise maximal 15% der gesamten Sickenhöhe auf die Höhe dieser Wölbung entfallen. Ansonsten entspricht die Variante der 6D der Ausführungsform der 6A. Beim Verpressen wird das Sickendach 25 flach gedrückt, vgl. 6B und 6C, welche die Separatorplatte 2 in einem verpressten bzw. überpressten Zustand zeigen.
Zumindest im unverpressten Zustand, oftmals auch im verpressten Zustand, bilden der erste Abschnitt 26 und der zweite Abschnitt 27 der Sickenflanke 24 gemeinsam einen in Bezug auf die Separatorplattenebene konvex gewölbten Bereich, wohingegen der zweite Abschnitt 27 und das Sickendach 25 zusammen einen in Bezug auf die Separatorplattenebene konkav geformten Bereich aufspannen, vgl. 4A, 5A, 6A, 6D.
Die Flankenabschnitte, also der erste Abschnitt 26 und der zweite Abschnitt 27, und/oder das Sickendach 25 können im Querschnitt jeweils als im Wesentlichen gerade Liniensegmente aufgefasst werden, welche miteinander verbunden sind, gegebenenfalls über gekrümmte Verbindungsabschnitte. Manchmal können der erste Winkel α und der zweite Winkel β im Wesentlichen konstant sein, vgl. 4-6C. Beispielsweise kann der Flankenwinkel α des ersten äußeren Abschnitts 26 im unverpressten Zustand 3° - 30°, bevorzugt 4° - 20°, besonders bevorzugt 4° - 10° betragen, währen der Flankenwinkel β des zweiten inneren Abschnitts 27 im unverpressten Zustand zwischen 45° und 85°, bevorzugt zwischen 60° und 80° und besonders bevorzugt zwischen 70° und 80° betragen kann.
Vorzugsweise nehmen die mindestens zwei Flankenabschnitte 26, 27 einen beträchtlichen Anteil an der Breite der gesamten Entlastungssicke 22 ein. Beispielsweise kann die gesamte Flanke, d.h. der erste äußere Abschnitt 26 und der zweite innere Abschnitt 27 zusammen, eine Breite aufweisen, die mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 60%, insbesondere mehr als 70% und besonders bevorzugt mehr als 80% der Breite des Sickendachs 25 beträgt. Summiert über beide Sickenflanken 24 beträgt deren Anteil an der gesamten Sickenbreite oftmals als mehr als die Hälfte. Das Sickendach 25 kann dabei insbesondere als Auflagefläche, in der Regel ebene Auflagefläche, für die MEA 10 wirken. Betrachtet man die Breitenanteile der mindestens zwei Flankenabschnitte 26, 27 getrennt, so kann die Breite des ersten äußeren Abschnitts 26 mindestens 1/3, vorzugsweise mindestens 40%, insbesondere mindestens 50% der Breite des Sickendachs 25 betragen. Der auf den zweiten inneren Abschnitt 27 entfallende Breitenanteil kann etwas geringer ausfallen, seine Breite kann mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 25% und insbesondere mindestens 30% der Breite des Sickendachs 25 betragen.
Die Entlastungssicken 22a, 22b, 22c können in einer Separatorplatte wie in 3 dargestellt - ggf. mit weiteren Entlastungssicken 22a, 22b, 22c, 22c* - gemeinsam eingesetzt werden. Es können aber auch nur Entlastungssicken 22a und/oder Entlastungssicken 22b und/oder Entlastungssicken 22c in einer Separatorplatte 2a bzw. Bipolarplatte 2 eingesetzt werden. Während die Entlastungssicke 2a in 3 so ausgeführt ist, dass sie sich über ihren gesamten Verlauf gerade erstreckt, kann sie, wie in 7 bis 9 in schematischen Draufsichten auf Separatorplatten 2a bzw. Bipolarplatten 2 gezeigt, auch in Eckbereichen 62 der Separatorplatte erstrecken und dabei einer solchen Ecke folgen. Auf die Darstellung von Portsicken wurde in den schematischen 7 bis 9 zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet. In allen drei Ausführungsformen erstreckt sich die Separatorplatte 2a in den Bereichen 63 zwischen der Dichtsicke 12d und der Entlastungssicke 22a im Wesentlichen eben bzw. parallel zur Separatorplattenebene E bzw. weist keine geprägten Strukturen auf.
In 7 ist die Entlastungssicke zwischen einer Außenkante 61, die einen Außenumfang der Separatorplatte 2a begrenzt, und der Dichtsicke 12d angeordnet und verläuft umlaufend, also auch in den Eckbereichen 62 und Randbereichen 60 der Separatorplatte 2a. Die Entlastungssicke 22a verläuft dabei in allen Bereichen im Wesentlichen längs der Dichtsicke 12d, überwiegend sogar parallel zur Dichtsicke 12d. Sowohl die Dichtsicke 12d als auch die Entlastungssicke 22a verläuft hier in ihrer Erstreckungsrichtung wellenförmig mit mindestens einer Wellenperiode. Die Wellenformen von Dichtsicke 12d und Entlastungssicke 22a sind dabei etwas zueinander verschoben.
In 8 und 9 hingegen verlaufen die Entlastungssicke und die Dichtsicke geradlinig. Die Entlastungssicke 22a weist dabei eine Vielzahl von nacheinander angeordneten und voneinander beabstandeten Entlastungssicken 220 auf, welche entlang des Verlaufs der Dichtsicke angeordnet sind.
Bezugszeichenliste:

1: elektrochemisches System
2: Bipolarplatte
2': zweite Bipolarplatte
2a: Separatorplatte
2b: Separatorplatte
3: Endplatte
4: Endplatte
5: Medienanschluss
6: Stapel
7: z-Richtung
8: x-Richtung
9: y-Richtung
10: Membranelektrodeneinheit
11a-c: Durchgangsöffnungen
12a-d: Sickenanordnung
13a-c: Durchführungen
14: erste Strukturen
15: Verbindungskanal
15': Durchbrüche in den Flanken des Verbindungskanals
16: zweite Strukturen
17: Strömungsfeld
18: aktiver Bereich
20: Verteil- oder Sammelbereich
21: Sickenfuß der Entlastungssicke
22a-c: Entlastungssicke
24: Sickenflanke der Entlastungssicke
25: Sickendach der Entlastungssicke
26: erster äußerer Bereich der Entlastungssicke
27: zweiter innerer Bereich der Entlastungssicke
28: Vertiefung des Sickendachs
28a: Boden der Vertiefung
29: Flanke der Vertiefung
34: Sickendach der Dichtsicke
35: Sickenflanke der Dichtsicke
40: Bereich zwischen Entlastungssicke und Dichtsicke
41, 41': Schweißverbindung
60: Außenrandbereich
61: Außenkante
62: Eckbereich
63: Bereich zwischen Dicht- und Entlastungssicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019076813 A1 [0013]
US 20200388858 [0013]
DE 10248531 A1 [0033, 0058]
DE 202015104972 [0033, 0058]
DE 202015104973 [0033, 0058]
DE 202022101861 [0033]
DE 102009012730 A1 [0061]

Claims

Separatorplatte (2a, 2b) für ein elektrochemisches System (1) mit einer Separatorplattenebene (E), umfassend - mindestens eine Dichtsicke (12a-d) zum Abdichten eines Bereichs der Separatorplatte (2a, 2b), und - mindestens eine Entlastungssicke (22a-c) zum Entlasten der Dichtsicke (12a-d), insbesondere in einem Crashfall oder bei einem Aufprall, wobei die Entlastungssicke (22a-c) von der Dichtsicke (12a-d) beabstandet ist, wobei in mindestens einem ersten Segment längs der Erstreckungsrichtung (Pa, Pb, Pc) mindestens eine Sickenflanke (24) der Entlastungssicke (22a-c) im Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Entlastungssicke zumindest in einem unverpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) mindestens einen ersten äußeren Abschnitt (26) und einen zweiten inneren Abschnitt (27) aufweist, die voneinander verschiedene positive Winkel (α, β) zur Separatorplattenebene (E) aufweisen.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei mindestens eine Sickenflanke (34) der Dichtsicke (12a-d) in einem verpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) einen kleineren Winkel (φ) zur Separatorplattenebene (E) aufweist als der zweite innere Abschnitt (26) der Sickenflanke (24) der Entlastungssicke (22a-c).
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im unverpressten Zustand und/oder im verpressten Zustand der erste äußere Abschnitt (26) einen ersten Winkel α aufweist und der zweite innere Abschnitt (27) einen zweiten Winkel β aufweist, wobei α < β.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei mindestens eine Sickenflanke (34) der Dichtsicke (12a-d) im Querschnitt senkrecht zum Sickenverlauf zumindest im unverpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) mindestens einen dritten Abschnitt aufweist, der einen dritten positiven Winkel φ zur Separatorplattenebene (E) aufweist, wobei der dritte Winkel φ verschieden vom ersten Winkel α und/oder vom zweiten Winkel β ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei folgendes gilt: α < φ, vorzugsweise im verpressten und/oder unverpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b).
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichtsicke als Portsicke (12a-c) zum Abdichten einer in der Separatorplatte ausgebildeten Durchgangsöffnung (11a-c) oder als Perimetersicke (12d) zum Abdichten eines Strömungsfeldes (17) der Separatorplatte ausgestaltet ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke (22a-c) zwischen einer Außenkante (61), die einen Außenumfang der Separatorplatte begrenzt, und der Dichtsicke angeordnet ist, insbesondere in einem Eckbereich (62) oder Randbereich (60) der Separatorplatte (2a, 2b).
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke benachbart zu einer Portsicke (11a-11c), insbesondere zwischen zwei Portsicken (11a-11c), angeordnet ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Separatorplatte (2a, 2b) mindestens zwei Durchgangsöffnungen (11a-11a, 11b-11b, 11c-11c) sowie fluidisch mit diesen verbundene Verteil- (20), Strömungs- (17) und Sammelbereiche (20) aufweist, wobei mindestens eine Entlastungssicke (22a-c) in einem Verteil- oder in einem Sammelbereich (20) angeordnet ist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Entlastungssicke (22a-c) eine Vielzahl von nacheinander angeordneten und voneinander beabstandeten Entlastungssicken (220) aufweist, welche entlang des Verlaufs der Dichtsicke (12a-d) angeordnet sind.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke (22a-c) und die Dichtsicke (12a-d) in einem, mehreren oder allen Bereichen im Wesentlichen längs zueinander, insbesondere parallel zueinander verlaufen.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke (22a-c) im unverpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) genauso weit oder weniger weit aus der Separatorplattenebene (E) herausragt als die Dichtsicke (12a-d).
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke (22a-c) im verpressten Zustand der Separatorplatte (2a, 2b) genauso weit aus der Separatorplattenebene (E) herausragt wie die Dichtsicke (12a-d).
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entlastungssicke (22a-c) ein Sickendach (25) aufweist, welches sich zwischen den Sickenflanken (24) erstreckt, wobei das Sickendach (25) im Wesentlichen eben oder von der Separatorplattenebene (E) weggewölbt ist oder in einem Abschnitt der Entlastungssicke mindestens eine Vertiefung (28) aufweist.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (26) und/oder der zweite Abschnitt (27) der Entlastungssicke (22a-c) und/oder der dritte Abschnitt (34) der Dichtsicke (12a-d) im Querschnitt geradlinig oder gekrümmt verläuft.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt von einem Sickenfuß (21) in Richtung des Sickendachs (25) mit zunehmendem Winkel α verläuft, insbesondere im Querschnitt mit einem Radius R1 gekrümmt, vorteilhafterweise mit 0,5 mm ≤ R1, vorteilhafterweise 2 mm ≤ R1, und/oder R1 ≤ 70 mm, vorteilhafterweise R1 ≤ 50 mm verläuft.
Separatorplatte (2a, 2b) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei insbesondere oder ausschließlich in einem, mehreren oder allen der Abschnitte, in denen die Entlastungssicke (22a-c) und die Dichtsicke (12a-d) im Wesentlichen parallel verlaufen, die einander zugewandten Sickenflanken (24, 34) der Dichtsicke (12a-d) und der Entlastungssicke (22a-c) im Querschnitt senkrecht zum Sickenverlauf voneinander verschiedene positive Winkel (α; β φ) zur Separatorplattenebene (E) aufweisen.
Separatorplatte (2a, 2b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsicke (12a-d) und/oder die Entlastungssicke (22a-c) in ihrer Erstreckungsrichtung (Pa, Pb, Pc) wellenförmig mit mindestens einer Wellenperiode verläuft.
Bipolarplatte (2), aufweisend zwei miteinander verbundene Separatorplatten (2a, 2b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart angeordnet sind, dass ihre Unterseiten einander zugewandt sind und die Dichtsicken (12a-d) und Entlastungsicken (22a-c) beider Separatorplatten (2a, 2b) mit ihren Sickendächern (25, 25', 35, 35') voneinander wegweisen.
Bipolarplatte (2) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Separatorplatten (2a, 2b) beidseitig der Entlastungssicke (22a-c) und/oder zwischen Entlastungssicke (22a-c) und Dichtsicke (12a-d) und/oder beidseitig der Dichtsicke (12a-d) zumindest abschnittsweise mittels Schweißverbindungen (41, 41') miteinander verbunden sind.
Elektrochemisches System (1) umfassend eine Vielzahl von Separatorplatten (2a, 2b) nach einem der Ansprüche 1-18 und/oder eine Vielzahl von Bipolarplatten (2) gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, welche in einem Stapel (6) senkrecht zu den Separatorplattenebenen (E) aufgestapelt sind.