DE202015106197U1

DE202015106197U1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches System und elektrochemisches System

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Publication number: DE202015106197U1
Application number: DE202015106197.8U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-02-17
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: WO2017085077A1; CN108352544A; DE112016005238A5; CN108352544B

Abstract

Separatorplatte (10) für ein elektrochemisches System (1) mit zwei Einzelplatten (10‘, 10‘‘) und einem zwischen den Einzelplatten angeordneten Hohlraum (18) zum Durchführen eines Kühlmediums, wobei wenigstens eine der Einzelplatten einen aktiven Bereich (16‘, 16‘‘) mit Strukturen (17‘, 17‘‘) zum Führen eines Reaktionsmediums an einer Außenseite der Separatorplatte (10) sowie eine Sicke (15‘, 15‘‘) aufweist, die zum Abdichten des aktiven Bereichs oder zum Abdichten einer Öffnung (10c, 10g) in der Separatorplatte (10) ausgebildet ist, wobei die Öffnung (10c, 10g) zum Zuführen eines Kühlmediums in den Hohlraum (18) oder zum Abführen eines Kühlmediums aus dem Hohlraum (18) ausgebildet ist, und wobei die Sicke (15‘, 15‘‘) wenigstens einen abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) aufweist, in dem die Höhe (20‘, 20‘‘) des Sickendaches (23‘, 23‘‘) kleiner ist als die entlang des Verlaufs der Sicke (15‘, 15‘‘) bestimmte mittlere Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘); dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) zur Verringerung einer Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum (24) kleiner oder gleich einer maximalen Höhe (22‘, 22‘‘) der Strukturen (17‘, 17‘‘) des aktiven Bereichs (16‘, 16‘‘) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von Separatorplatten der hier vorgeschlagenen Art. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, einen Elektrolyseur oder um einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem handeln. Auch der Befeuchter wird hier als elektrochemisches System betrachtet.
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen gewöhnlich eine Vielzahl von Separatorplatten, die in einem Stapel angeordnet sind, so dass zwischen je zwei benachbarten Separatorplatten eine elektrochemische Zelle oder eine Befeuchterzelle angeordnet ist. Die Separatorplatten umfassen gewöhnlich jeweils zwei Einzelplatten, die entlang ihrer von den elektrochemischen Zellen bzw. den Befeuchterzellen abgewandten Rückseiten miteinander verbunden sind.
Die Separatorplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen bzw. Elektrolyseuren) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Die Separatorplatten können ferner zum Ableiten von Wärme ausgebildet sein, die in den Zellen zwischen den Separatorplatten entsteht. Solche Abwärme kann etwa bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in einem Elektrolyseur bzw. einer Brennstoffzelle entstehen. Bei Brennstoffzellen kommen häufig Bipolarplatten als Separatorplatten zum Einsatz. Die Separatorplatten können außerdem dazu ausgebildet sein, die Zellen mit Medien, z. B. mit Reaktionsgasen, zu versorgen und Reaktionsprodukte von den Zellen abzutransportieren. Dazu können die Separatorplatten Kanalstrukturen aufweisen, die insbesondere in einem elektrochemisch aktiven Bereich angeordnet sind (Gasverteilerstruktur/Flowfield). Der aktive Bereich kann z. B. eine elektrochemische Zelle oder eine Befeuchterzelle einschließen oder begrenzen. Die Kanalstrukturen können z. B. in die Einzelplatten eingeformt, insbesondere eingeprägt sein.
Die Einzelplatten der Separatorplatten sind normalerweise derart miteinander verbunden, dass sie zwischen sich einen Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmediums einschließen. Das Kühlmedium dient insbesondere dem Ableiten von Wärme aus dem aktiven Bereich der Separatorplatte bzw. der Einzelplatten.
Gewöhnlich weisen die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten der Separatorplatten jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf. Im Separatorplattenstapel des elektrochemischen Systems bilden die fluchtend oder zumindest abschnittweise überlappend angeordneten Durchgangsöffnungen der gestapelten Separatorplatten dann Medienkanäle zur Medienzufuhr oder zur Medienableitung. Diese Durchgangsöffnungen bzw. die von den Durchgangsöffnungen gebildeten Medienkanäle stellen üblicherweise jeweils eine Fluidverbindung zwischen dem aktiven Bereich an der Außenseite der Separatorplatte oder zwischen dem Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels und einem Port an einer Endplatte des elektrochemischen Systems her. Über einen solchen Port kann dann jeweils ein Medium in das System eingeleitet oder aus dem System abgeführt werden.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen bzw. der durch die Durchgangsöffnungen der Separatorplatten gebildeten Medienkanäle und/oder zum Abdichten des aktiven Bereichs können bekannte Separatorplatten ferner Sickenanordnungen aufweisen, die jeweils um die Durchgangsöffnung und/oder um den aktiven Bereich der Separatorplatte herum angeordnet sind. Auch die Sickenanordnungen können in die Einzelplatten eingeformt, insbesondere eingeprägt sein.
Es hat sich in Einzelfällen gezeigt, dass das Kühlmedium im Hohlraum zwischen den Einzelplatten der Separatorplatte auf unerwünschten Wegen geführt wird. Mitunter kann das Kühlmedium z. B. zu einem erheblichen Teil durch den Bereich der eingeprägten Sicke fließen und so an der dem Hohlraum zugewandten Rückseite des aktiven Bereichs der Separatorplatte vorbei geführt werden, was zumindest stellenweise zu einer ungenügenden Kühlung des aktiven Bereichs führen kann. Dies kann den Wirkungsgrad des elektrochemischen Systems nachteilig beeinflussen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die einen Betrieb des elektrochemischen Systems mit möglichst hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Separatorplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Spezielle Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System mit zwei Einzelplatten und einem zwischen den Einzelplatten angeordneten Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmediums. Wenigstens eine der Einzelplatten weist einen aktiven Bereich mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums an einer Außenseite der Separatorplatte sowie eine Sicke auf, die zum Abdichten des aktiven Bereichs oder zum Abdichten einer Öffnung in der Separatorplatte ausgebildet ist, wobei die Öffnung zum Zuführen eines Kühlmediums in den Hohlraum oder zum Abführen eines Kühlmediums aus dem Hohlraum ausgebildet ist. Die Sicke weist wenigstens einen abgesenkten Bereich auf, in dem die Höhe des Sickendaches kleiner ist als die entlang des Verlaufs der Sicke bestimmte mittlere Höhe des Sickendaches. Mit der entlang des Verlaufs der Sicke bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches soll hier die mittlere größte Höhe des Sickendaches über der Verbindungsebene der Einzelplatten in den Bereichen, in denen das Sickendach parallel zu dieser Verbindungsebene verläuft, bezeichnet sein.
Die vorgeschlagene Separatorplatte zeichnet sich dadurch aus, dass eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte bestimmte minimale Höhe des Sickendaches im abgesenkten Bereich zur Verringerung einer Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum kleiner oder gleich einer ebenfalls senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatte bestimmten maximalen Höhe der Strukturen des aktiven Bereichs ist.
Dadurch, dass die minimale Höhe des Sickendaches im abgesenkten Bereich der Sicke kleiner oder gleich der maximalen Höhe der Strukturen des aktiven Bereichs ist, wird weitgehend oder vollständig verhindert, dass das Kühlmedium vorbei an der Rückseite des aktiven Bereichs der Separatorplatte durch den Sickeninnenraum geführt wird, wo es nicht oder nur in geringem Maße zur Kühlung des aktiven Bereichs der Separatorplatte und/oder zur Kühlung der von dem aktiven Bereich begrenzten elektrochemischen Zelle oder Befeuchterzelle beiträgt. Gegenüber bekannten Separatorplatten ermöglicht die hier vorgeschlagene Separatorplatte somit eine effizientere Kühlung des Systems. Dadurch kann die Temperaturverteilung des Systems besser und mit geringerem Energieaufwand eingestellt und der Wirkungsgrad des Systems erheblich erhöht werden. Gegenüber anderen Lösungen, die zur Verringerung oder Vermeidung der Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum das Einbringen eines zusätzlichen Füllelementes in den Sickeninnenraum vorsehen, hat die hier vorgeschlagene Lösung ferner den Vorteil, dass sie ohne das Einbringen eines solchen zusätzlichen Füllelementes realisierbar ist. Die hier vorgeschlagene Separatorplatte ist also zusätzlich besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Die Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums an der Außenseite der Separatorplatte können Kanalstrukturen im aktiven Bereich der Separatorplatte umfassen. Die senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte bestimmte maximale Höhe dieser Strukturen kann somit insbesondere eine maximale Höhe oder eine maximale Tiefe dieser Kanalstrukturen sein.
Die Sicke kann im abgesenkten Bereich über die gesamte Breite der Sicke abgesenkt sein. Dadurch kann die unerwünschte Strömung des Kühlmittels im Sickeninnenraum weiter verringert werden. Zudem ist eine über die gesamte Breite abgesenkte Sicke bei der Herstellung typischerweise besonders einfach formbar.
Die Sicke kann im abgesenkten Bereich auch nur über einen Teil der Breite der Sicke abgesenkt sein oder eine unterschiedlich starke Absenkung entlang der Breite der Sicke aufweisen. Beispielsweise kann eine gerundete Sicke so abgesenkt sein, dass ein breites Plateau entsteht. Auch hierdurch lässt sich der hydraulische Querschnitt des Sickeninnenraumes wirksam reduzieren.
Zur besonders effizienten Unterdrückung oder Verringerung der Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum kann die senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte bestimmte minimale Höhe des Sickendaches im abgesenkten Bereich höchstens 50 Prozent, vorzugsweise höchstens 25 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 10 Prozent der entlang des Verlaufs der Sicke bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die minimale Höhe des Sickendaches im abgesenkten Bereich höchstens 90 Prozent, vorzugsweise höchstens 60 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 20 Prozent der maximalen Höhe der Strukturen des aktiven Bereichs betragen. Das Sickendach kann im abgesenkten Bereich auch bis zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte abgesenkt sein, insbesondere auch über die gesamte Breite der Sicke. Ebenso kann der abgesenkte Bereich der Sicke derart ausgebildet sein, dass ein Querschnitt des Sickeninnenraumes im abgesenkten Bereich höchstens 50 Prozent, vorzugsweise höchstens 25 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 10 Prozent des entlang des Verlaufs der Sicke bestimmten mittleren Sickenquerschnitts beträgt.
Der abgesenkte Bereich kann sich entlang der Verlaufsrichtung der Sicke über eine Länge erstrecken, die wenigstens das Dreifache, vorzugsweise wenigstens das Fünffache einer quer zur Längsrichtung der Sicke bestimmten Fußbreite der Sicke beträgt, insbesondere bezüglich einer durch Mittelung entlang des Verlaufs der Sicke bestimmten mittleren Fußbreite. Dies kann dazu beitragen, dass die Sicke auch im abgesenkten Bereich einen hohen Grad an Elastizität aufweist. Ein zusammenhängender abgesenkter Abschnitt einer Sicke wird andererseits vorteilhafterweise nie mehr als ein Viertel der Gesamtlänge der jeweiligen Sicke betragen.
Die maximale Höhe der Sicke kann wenigstens das Eineinhalbfache, vorzugsweise wenigstens das Doppelte, besonders vorzugsweise wenigstens das Dreifache der maximalen Höhe der Strukturen des aktiven Bereichs betragen. Sofern die Sicke zum Abdichten des aktiven Bereichs ausgebildet ist und den aktiven Bereich umläuft, kann so ein Membranverbund hinreichender Dicke im aktiven Bereich aufgenommen sein und der den Membranverbund umschließende Raum kann durch die Sicke nach außen abgedichtet werden.
Die Sicke kann zusätzlich wenigstens einen erhöhten Bereich aufweisen, in dem die Höhe des Sickendaches größer ist als die entlang des Verlaufs der Sicke bestimmte mittlere Höhe des Sickendaches. Z. B. kann die maximale Höhe des Sickendaches im erhöhten Bereich wenigstens das 1,3-fache, vorzugsweise wenigstens das 1,5-fache, insbesondere das 1,75-fache der mittleren Höhe des Sickendaches entlang des Verlaufs der Sicke betragen. Insbesondere kann die Sicke wenigstens zwei abgesenkte Bereiche und eine der Anzahl der abgesenkten Bereiche identische Anzahl von erhöhten Bereichen aufweisen. Vorzugsweise sind die abgesenkten Bereiche der Sicke an einander gegenüberliegenden Seiten des Sickenverlaufs angeordnet, der typischerweise eine geschlossene Kurve bildet. Ist die Sicke z. B. zum Abdichten des aktiven Bereichs ausgebildet, so ist durch die Anordnung der abgesenkten Bereich beiderseits des aktiven Bereichs gewährleistet, dass der unerwünschte Kühlmittelstrom durch den Sickeninnenraum beiderseits des aktiven Bereichs verringert oder unterbunden wird.
Der mittlere Sickenquerschnitt wird dabei vorzugsweise nicht über den gesamten Verlauf der Sicke bestimmt, sondern vorzugsweise nur entlang solcher Bereiche, in denen a) die Sicke weder abgesenkt noch erhöht ist, d.h. in denen die Sickenhöhe der mittleren Sickenhöhe entspricht, und b) die Sicke keine Öffnungen in den Flanken aufweist. Hierbei werden, wenn die Sicke gerade verlaufende Abschnitte aufweist, nur die Abschnitte berücksichtigt, in denen die Sicke gerade verläuft und die Bedingungen a) und b) zutreffen. Wenn die Sicke keine gerade verlaufenden Abschnitte aufweist, sondern einen wellenförmigen Verlauf aufweist, werden nur die Querschnitte an den Wendepunkten berücksichtigt, an denen die Bedingungen a) und b) zutreffen.
Der abgesenkte Bereich der Sicke und der erhöhte Bereich der Sicke oder die abgesenkten Bereiche der Sicke und die erhöhten Bereiche der Sicke können insbesondere derart angeordnet und ausgebildet sein, dass bei der Ausbildung des Separatorplattenstapels die Sicke einer Separatorplatte mit einer Sicke einer baugleich ausgebildeten weiteren Separatorplatte dichtend in Eingriff bringbar ist, z. B. insbesondere derart, dass der erhöhte Bereich oder die erhöhten Bereiche der Sicke einer ersten Separatorplatte formschlüssig im abgesenkten Bereich oder in den abgesenkten Bereichen der Sicke einer der ersten Separatorplatte benachbarten, baugleichen zweiten Separatorplatte aufgenommen ist oder aufgenommen sind. Dazu ist der erhöhte Bereich bzw. sind die erhöhten Bereiche der Sicke vorzugsweise komplementär zum abgesenkten Bereich bzw. zu den abgesenkten Bereichen der Sicke ausgebildet.
Vorzugsweise sind die abgesenkten und die erhöhten Bereiche der Sicke dabei derart ausgebildet, dass zwischen den Sicken benachbarter, baugleicher Separatorplatten ein Randbereich einer zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (membrane electrode assembly, MEA) anordenbar und verpressbar ist, und zwar insbesondere auch in den abgesenkten und den erhöhten Bereichen der Sicken. Bei einem elektrochemischen System mit einem Stapel derartig ausgebildeter Separatorplatten greifen die einander zugewandten Sicken benachbarter, baugleicher Separatorplatten entlang der komplementären erhöhten und abgesenkten Bereiche also formschlüssig ineinander. Dadurch kann die Stabilität des Separatorplattenstapels, insbesondere gegenüber Verschiebungen senkrecht zur Stapelrichtung, deutlich erhöht werden.
Im von den Sicken der benachbarten Separatorplatten umgebenen aktiven Bereich weist die zwischen den Separatorplatten angeordnete MEA typischerweise einen Membranverbund auf. Dieser Membranverbund umfasst gewöhnlich wenigstens eine Polymerelektrolytmembran (PEM) sowie Gasiffusionslagen (GDL). Die GDL können beiderseits der PEM angeordnet und beispielsweise als Kohlenstoffvlies ausgebildet sein. Im Falle eines Brennstoffzellenstapels kann der Membranverbund elektrochemisch aktive Elektroden umfassen. Diese sind normalerweise beiderseits der PEM angeordnet. Der zwischen den Sicken anordenbare und verpressbare Randbereich der MEA umfasst dagegen z. B. nur den Rand der PEM des Membranverbundes und keine GDL. Alternativ kann der Randbereich der MEA eine Verstärkung umfassen, die an den Membranverbund angefügt ist und den Membranverbund umlaufend einfasst. Ebenso ist es denkbar, dass der Randbereich der MEA sowohl den Rand der PEM also auch eine Verstärkung aufweist, wobei der Rand der PEM und die Verstärkung im Randbereich der MEA dann z. B. zu einem Laminat zusammengefügt sind. Vorzugsweise weist der Randbereich der MEA eine geringere Dicke auf als der von dem Randbereich der MEA eingefasste Membranverbund.
Das Sickendach kann im abgesenkten und/oder im erhöhten Bereich der Sicke zumindest abschnittsweise gekrümmt sein, z. B. entlang des Verlaufs der Sicke und/oder quer zum Verlauf der Sicke. Bevorzugt weist das Sickendach im abgesenkten und/oder im erhöhten Bereich keine Kanten auf, insbesondere entlang des Verlaufs der Sicke. Dies trägt zur Erhaltung der Elastizität der Sicke im abgesenkten und/oder erhöhten Bereich bei. Zudem könnten im abgesenkten und/oder erhöhten Bereich der Sicke ausgebildete Kanten einen zwischen den Sicken benachbarter Separatorplatten angeordneten und verpressten Randbereich einer zwischen den benachbarten Separatorplatten angeordneten MEA beschädigen. Die MEA und der Randbereich können dabei wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Dies kann durch die Ausgestaltung des abgesenkten und/oder erhöhten Bereichs ohne Kanten vermieden werden.
Zur Erhöhung der Stabilität und der Elastizität der Sicke kann die Sicke wenigstens abschnittweise wellenartig verlaufen und eine Wellenlänge λ aufweisen. Der abgesenkte Bereich der Sicke und/oder der erhöhte Bereich der Sicke kann sich dann entlang der Verlaufsrichtung der Sicke über eine Länge von wenigstens λ, vorzugsweise von wenigstens 2·λ erstrecken. Sofern die abgesenkten und/oder die erhöhten Bereiche wellenförmig verlaufen, können die Wellenamplitude und/oder die Wellenlänge in den erhöhten und/oder abgesenkten Bereichen von der Wellenamplitude und/oder der Wellenlänge in den nicht erhöhten oder abgesenkten Bereichen der Sicke abweichen. Die abgesenkten und/oder erhöhten Bereiche können jedoch auch vollständig oder wenigstens abschnittweise gerade verlaufen, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Sicke sonst wellenförmige Bereiche aufweist.
Die Einzelplatten der Separatorplatte können aus Metall gebildet sein, vorzugsweise aus Edelstahl. Alternativ können auch andere für entsprechende elektrochemische Systeme geeignete Metalle wie z.B. Titan oder Aluminium, sowie beschichtete Stähle verwendet werden. Eine senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten bestimmte Dicke der Einzelplatten kann jeweils zwischen 50 µm und 150 µm, vorzugsweise zwischen 70 µm und 110 µm betragen. Die Sicke und die Strukturen des aktiven Bereichs können in die Einzelplatte oder in die Einzelplatten eingeprägt sein.
Vorzugsweise weisen beide Einzelplatten jeweils einen aktiven Bereich mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums an einer Außenseite der Separatorplatte sowie wenigstens eine Sicke mit wenigstens einem abgesenkten Bereich und vorzugsweise zusätzlich mit wenigstens einem erhöhten Bereich auf. Der abgesenkte und/oder der erhöhte Bereich der Sicken beider Einzelplatten können dann jeweils wie zuvor beschrieben ausgebildet und analog in die Separatorplatte eingeprägt sein.
Wenn die Sicken beider Einzelplatten jeweils wenigstens zwei abgesenkte Bereiche und zwei erhöhte Bereiche der zuvor beschriebenen Art aufweisen, können die abgesenkten Bereiche und die erhöhten Bereiche bezüglich einer Symmetrieachse der Separatorplatte symmetrisch angeordnet sein. Die Symmetrieachse kann senkrecht oder parallel zu den Planflächenebenen der Einzelplatten ausgerichtet sein. Z. B. kann die Separatorplatte eine zweizählige Drehsymmetrie bezüglich der Symmetrieachse aufweisen. Ist dies der Fall, so kann der Separatorplattenstapel eines elektrochemischen Systems aus einer Vielzahl baugleicher Separatorplatten gebildet sein, wobei die abgesenkten und erhöhten Bereiche der einander zugewandten Sicken benachbarter Separatorplatten des Stapels wie zuvor beschrieben formschlüssig ineinander greifen. Baugleiche benachbarte Separatorplatten des Stapels sind dann typischerweise relativ zueinander um 180 Grad gedreht angeordnet.
Vorgeschlagen wird ferner ein elektrochemisches System, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem oder ein Elektrolyseur, mit einer Schichtung von Zellen, die jeweils mindestens einen Membranverbund mit jeweils mindestens einer Polymermembran aufweisen. Die Zellen sind jeweils durch Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art voneinander getrennt.
Einander unmittelbar benachbarte Separatorplatten des vorgeschlagenen elektrochemischen Systems weisen einander zugewandte Sicken mit jeweils wenigstens einem abgesenkten Bereich und mit jeweils wenigstens einem erhöhten Bereich auf, wobei die abgesenkten Bereiche und die erhöhten Bereiche in den einander zugewandten Sicken derart komplementär zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass die einander zugewandten Sicken dichtend in Eingriff miteinander sind, vorzugsweise unter Aufnahme des Randbereichs einer MEA, die zwischen den benachbarten Separatorplatten angeordnet ist.
Die einander zugewandten Sicken können in den erhöhten Bereichen gegenüber der entlang des Verlaufs der jeweiligen Sicke bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches wenigstens um einen Betrag erhöht sein, der einer Dicke des zwischen den Strukturen des aktiven Bereichs benachbarter Separatorplatten angeordneten Membranverbundes im verpressten Zustand entspricht. Vorzugsweise sind die einander zugewandten Sicken der benachbarten Separatorplatten in den abgesenkten Bereichen dann um einen nämlichen Betrag abgesenkt. Das vorgeschlagene elektrochemische System kann insbesondere eine Vielzahl baugleicher Separatorplatten der zuvor beschriebenen Art aufweisen.
Das Kühlmedium ist hier nicht ausschließliches als Kühlmittel zu verstehen. Es kann unter bestimmten Betriebsbedingungen auch zum Aufwärmen des elektrochemischen Systems verwendet werden. Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig sein oder als flüssig-gasförmiges zwei-Phasen-System vorliegen.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 perspektivisch ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von gestapelten Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten;
2 perspektivisch zwei Separatorplatten des Stapels gemäß 1 mit einem zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranverbund;
3 zwei benachbarte Separatorplatten des Stapels gemäß 1 in einer Schnittdarstellung;
4a, 4c eine Schnittdarstellung und eine Seitenansicht des Stapels gemäß 1;
4b eine Draufsicht auf eine der Separatorplatten des Stapels gemäß 1;
4d weitere Schnittdarstellungen des Stapels gemäß 1, wobei die Schnittebene senkrecht auf der Schnittebene der 4a, 4c steht;
5a, 5c eine Schnittdarstellung und eine Seitenansicht des Stapels gemäß 1;
5b die Draufsicht auf eine der Separatorplatten des Stapels gemäß 4b, wobei zusätzlich ein Teil eines aktiven Bereichs der Separatorplatte dargestellt ist;
5d die Schnittdarstellungen des Stapels gemäß 4d, wobei zusätzlich Teile eines aktiven Bereichs der Separatorplatten dargestellt sind;
6a–b vergrößerte Darstellungen von Schnittdarstellungen gemäß 5d;
7a–c vergrößerte Darstellungen der Schnittdarstellungen gemäß 5d, wobei zwischen benachbarten Separatorplatten jeweils ein Membranverbund angeordnet ist;
8 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer der Separatorplatten des Stapels gemäß 1;
9 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer der Separatorplatten des Stapels gemäß 1;
10a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Sicke einer der Separatorplatten des Stapels gemäß 1; und
10b eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Sicke einer der Separatorplatten des Stapels gemäß 1.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 2 von mehreren, baugleichen Separatorplatten, die entlang einer z-Richtung 7 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die Separatorplatten sind hier als Bipolarplatten ausgebildet und umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten des Stapels 2 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Kompressor oder als Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen werden ebenfalls Separatorplatten verwendet. Der Aufbau dieser Separatorplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien unterscheiden.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Ports 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder an Sauerstoff verarmte Luft, oder Kühlmittel wie Wasser, Wasserdampf und/oder Wasser-Glykol-Mischungen umfassen.
2 zeigt zwei unmittelbar benachbarte Separatorplatten 10, 11 des Stapels 2 aus 1. Hier und im Folgenden sind wiederkehrende Merkmale dabei jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Separatorplatten 10, 11 sind identisch ausgebildet. Im Folgenden wird daher nur die Separatorplatte 10 im Detail beschrieben. Sie steht damit beispielhaft für die Separatorplatten des Stapels 2.
Die Planflächenebenen der Einzelplatten der Separatorplatte 10 sind entlang der x-y-Ebene ausgerichtet. Hier ist die Separatorplatte 10 aus zwei zusammengefügten metallischen Einzelplatten 10‘, 10‘‘ gebildet. In 2 ist jedoch nur die dem Betrachter zugewandte erste Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10 sichtbar. Die Einzelplatten 10‘, 10‘‘ der Separatorplatte 10 sind aus Edelstahlblechen gefertigt, die z. B. jeweils eine senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten bestimmte Dicke von 100 µm haben. Die Einzelplatten 10‘, 10‘‘ können zur Ausbildung der Separatorplatte 10 entlang ihrer einander zugewandten Rückseiten miteinander verschweißt, insbesondere abschnittsweise miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt sein. Z. B. können die Einzelplatten 10‘, 10‘‘ durch Laserschweißverbindungen verbunden sein.
Zwischen den Separatorplatten 10, 11 ist eine Membranelektrodeneinheit (membrane electrode assembly, MEA) 12 angeordnet. Die MEA 12 kann einen Membranverbund mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM) sowie mit einer oder mehreren Gasdiffusionslagen (GDL) aufweisen. Die GDL sind üblicherweise zu den Separatorplatten 10, 11 hin orientiert und z. B. als Kohlenstoffvlies ausgebildet. Ferner kann die MEA 12 einen Randbereich aufweisen, der den Membranverbund der MEA 12 umlaufend einfasst. Die einander zugewandten Seiten der Separatorplatten 10, 11 schließen im verpressten Zustand eine elektrochemische Zelle 13 ein. Bei Befeuchtern für Brennstoffzellensysteme umfasst die Zelle 13 eine im Wesentlichen gasundurchlässige aber wasserdurchlässige Membran, die von Stützmedien gestützt sein kann. Bei Befeuchtern ist an beiden Seiten der Membran typischerweise ferner jeweils wenigstens eine Lage eines Diffusionsmediums angeordnet. Das Diffusionsmedium kann z. B. ein Textil- oder ein Kohlenstoffvlies umfassen.
Die Separatorplatte 10 weist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 10a–h, auf. Die MEA 12 weist entsprechende Durchgangsöffnungen auf, die mit den Durchgangsöffnungen 10a–h der Separatorplatte 10 und mit entsprechenden Durchgangsöffnungen der übrigen Separatorplatten des Stapels 2 fluchten, so dass die Durchgangsöffnungen nach dem Verpressen des Stapels 2 Medienkanäle bilden, die jeweils mit einem der Ports 5 aus 1 in Fluidverbindung sind. Diese Medienkanäle dienen der Zufuhr von Medien in das elektrochemische System 1 und der Ableitung von Medien aus dem elektrochemischen System 1.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 10a–h bzw. zum Abdichten der von den Durchgangsöffnungen 10a–h gebildeten Medienkanäle sind in der Separatorplatte 10 Sickenanordnungen ausgebildet, die um die Durchgangsöffnungen 10a–h herum angeordnet sind. So weist die von der Separatorplatte 11 abgewandte erste Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10 um die Durchgangsöffnungen 10a–h herum Sickenanordnungen 14a‘–14h‘ auf. Die Sickenanordnungen 14a‘–14h‘ umschließen die Durchgangsöffnungen 10a–h jeweils vollständig. Die der Separatorplatte 11 zugewandte und in 2 verdeckte zweite Einzelplatte 10‘‘ der Separatorplatte 10 weist um die Durchgangsöffnungen 10a–h herum entsprechende Sickenanordnungen auf. Eine zusätzliche Sickenanordnung 15’ der Separatorplatte 10 umschließt die Durchgangsöffnungen 10a–b, 10d–f und 10h gemeinsam und zusammen mit dem Bereich der Struktur 17‘ vollständig.
Die Sickenanordnungen der Separatorplatte 10 sind hier jeweils einstückig mit den Einzelplatten 10‘, 10‘‘ ausgebildet. Üblicherweise sind die Sickenanordnungen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ in die Einzelplatten eingeformt, insbesondere eingeprägt. Senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ haben die in den Einzelplatten ausgebildeten Sickenanordnungen im unverpressten Zustand jeweils eine Höhe von nur 500 µm oder sogar von nur 450 µm. Die Höhe der Sicke bezeichnet dabei jeweils den Abstand des höchsten Punktes des Sickendaches zur Planflächenebene der jeweiligen Einzelplatte auf der zum Sickendach weisenden Oberfläche. Diese außerordentlich geringe Sickenhöhe trägt vorteilhaft zur Kompaktheit des Stapels 2 des Systems 1 bei.
In 2 ist ferner zu erkennen, dass die erste Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10 an ihrer von der zweiten Einzelplatte 10‘‘ der Separatorplatte 10 abgewandten Vorderseite in einem in etwa rechteckigen aktiven Bereich 16’ eine Struktur 17’ zur Führung von Reaktionsmedium aufweist. Die Struktur 17’ umfasst eine Vielzahl von Kanälen, die in die Einzelplatte 10‘ eingeprägt sind. Die Struktur 17’ wird auch Flowfield oder Gasverteilerstruktur genannt. Der aktive Bereich 16’ der Separatorplatte 10 bzw. der ersten Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10 begrenzt eine weitere elektrochemische Zelle, die zwischen der Separatorplatte 10 und einer der Separatorplatte 10 in der positiven z-Richtung 7 unmittelbar benachbarten weiteren Separatorplatte angeordnet ist, die in 2 nicht dargestellt ist. Der aktive Bereich 16’ und die Struktur 17’ sind allseits vollständig von der Sickenanordnung 15’ umschlossen, so dass die Sickenanordnung 15’ den aktiven Bereich 16’ und die Struktur 17’ gegenüber der Umgebung abdichtet. Die zweite Einzelplatte 10‘‘ der Separatorplatte 10 weist an ihrer von der ersten Einzelplatte 10‘ abgewandten Vorderseite einen dem aktiven Bereich 16’ entsprechenden aktiven Bereich 16‘‘ und eine der Struktur 17’ entsprechende, in die zweite Einzelplatte 10‘‘ eingeprägte Struktur 17‘‘ zum Führen von Reaktionsmedium auf (siehe 3).
Die Einzelplatten 10‘, 10‘‘ der Separatorplatte 10 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass sie zwischen ihren einander zugewandten Rückseiten einen Hohlraum 18 zum Durchführen eines Kühlmediums einschließen. Bei dem Kühlmedium kann es sich z. B. um Wasser-Glykol-Mischungen handeln. Der Hohlraum 18 ist insbesondere derart zwischen den Einzelplatten 10‘, 10‘‘ angeordnet, dass mittels des durch den Hohlraum 18 geführten Kühlmittels Wärme aus den aktiven Bereichen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ ableitbar ist.
Die Einzelplatten 10‘, 10‘‘ weisen ferner Durchführungen 19a–h auf, die zum dosierten Durchführen oder Durchleiten von Medien (z. B. von Brennstoffen, Reaktionsgasen, Reaktionsprodukte oder von Kühlmittel) durch die Sickenanordnungen 14a‘–14h‘, 15’ ausgebildet sind. Einige der Durchführungen 19a–h, nämlich die Durchführungen 19c und 19g, stellen eine Fluidverbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 10c und 10g (bzw. den durch diese gebildeten Medienkanälen) und dem Hohlraum 18 zwischen den Einzelplatten 10‘, 10‘‘ her. Einige der Durchführungen, nämlich die Durchführungen 19a und 19e, stellen eine Fluidverbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 10a und 10e (bzw. den durch diese gebildeten Medienkanälen) und den Strukturen 17’ des dem Betrachter der 2 zugewandten aktiven Bereichs 16’ der ersten Einzelplatte 10‘ her. Die übrigen Durchführungen 19b, 19d, 19f und 19h stellen eine Fluidverbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 10b, 10d, 10f und 10h (bzw. den durch diese gebildeten Medienkanälen) und den vom Betrachter abgewandten Strukturen 17‘‘ des aktiven Bereichs 16‘‘ der zweiten Einzelplatte 10‘‘ her.
3 zeigt in schematischer Darstellung einen y-z-Schnitt der Separatorplatten 10, 11 mit den Einzelplatten 10‘, 10‘‘, 11‘, 11‘‘ und der zwischen den Separatorplatten 10, 11 angeordneten MEA 12. Gezeigt sind die Sicke 15‘ und der aktive Bereich 16‘ der ersten Einzelplatte 10‘. Ein Sickendach 23‘ der Sicke 15‘ hat eine Höhe 20‘. Die Höhe 20‘ des Sickendaches 23‘ ist durch den senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatte 10‘, hier also entlang der z-Richtung 7 bestimmten Abstand des Sickendaches 23‘ von der Planflächenebene der Einzelplatte 10‘ gegeben. Die von den Strukturen 17‘ des aktiven Bereichs 16‘ gebildeten Kanäle haben eine maximale Höhe 22‘. Die maximale Höhe 22‘ der Strukturen 17‘ ist durch den senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatte 10‘ bestimmten Abstand der Oberseiten der Strukturen 17‘ von der Planflächenebene der Einzelplatte 10‘ gegeben.
In 3 ist die Höhe 20‘ z. B. gleich der entlang des Verlaufs der Sicke 15‘ bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches 23‘ und beträgt wenigstens das Eineinhalbfache, vorzugsweise wenigstens das Doppelte der maximalen Höhe 22‘ der Strukturen 17‘ des aktiven Bereichs 16‘ der ersten Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10. Die mittlere Höhe der Sicke 15‘ bzw. des Sickendaches 23‘ beträgt vorzugsweise weniger als 500 µm, z. B. 440 µm. Die maximale Höhe 22‘ der von den Strukturen 17‘ gebildeten Kanäle kann z. B. 240 µm betragen.
Gezeigt sind in 3 außerdem die Sicke 15’‘ und der aktive Bereich 16’‘ der zweiten Einzelplatte 10’‘. Ein Sickendach 23’‘ der Sicke 15’‘ hat eine Höhe 20’‘. Die Höhe 20’‘ des Sickendaches 23’‘ ist durch den senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatte 10’‘, hier also entlang der z-Richtung 7 bestimmten Abstand des Sickendaches 23’‘ von der Planflächenebene der Einzelplatte 10’‘ gegeben. Die von den Strukturen 17’‘ des aktiven Bereichs 16’‘ gebildeten Kanäle haben eine maximale Höhe 22’‘. Die maximale Höhe 22’‘ der Strukturen 17’‘ ist durch den senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatte 10’‘ bestimmten Abstand der Oberseiten der Strukturen 17’‘ von der Planflächenebene der Einzelplatte 10’‘ gegeben.
In 3 ist die Höhe 20’‘ z. B. gleich der entlang des Verlaufs der Sicke 15’‘ bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches 23’‘ und beträgt wenigstens das Eineinhalbfache, vorzugsweise wenigstens das Doppelte der maximalen Höhe 22’‘ der Strukturen 17’‘ des aktiven Bereichs 16’‘ der zweiten Einzelplatte 10’‘ der Separatorplatte 10. Die mittlere Höhe der Sicke 15’‘ bzw. des Sickendaches 23’‘ beträgt vorzugsweise weniger als 500 µm, z. B. 440µm. Die maximale Höhe 22’‘ der von den Strukturen 17’‘ gebildeten Kanäle kann z. B. 300 µm betragen.
Die zur Abdichtung der aktiven Bereiche 16‘, 16‘‘ um die aktiven Bereiche 16‘, 16‘‘ herum angeordneten Sicken 15‘, 15‘‘ der beiden Einzelplatten 10‘, 10‘‘ schließen einen Sickeninnenraum 24 ein, der z. B. teilweise in Fluidverbindung mit dem Hohlraum 18 zum Durchführen eines Kühlmittels zwischen den Einzelplatten 10‘, 10‘‘ sein kann. Beispielsweise ist es nicht immer vermeidbar, dass Kühlmittel, das über die Öffnung 10c in der Separatorplatte 10 in den Hohlraum 18 geleitet wird und das über die Öffnung 10g in der Separatorplatte 10 aus dem Hohlraum 18 abgeleitet wird (siehe 2), teilweise auch in den Sickeninnenraum 24 gelangt, wo es zur Kühlung der aktiven Bereiche 16‘, 16‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ nicht oder so gut wie nicht beiträgt. Für eine möglichst effiziente Kühlung der aktiven Bereiche 16‘, 16‘‘ soll daher möglichst vermieden werden, dass Kühlmittel im Hohlraum 18 an den aktiven Bereichen 16‘, 16‘‘ vorbei durch den Sickeninnenraum 24 im Bereich der Sicken 15‘, 15‘‘ von der Öffnung 10c zur Öffnung 10g strömt. Die insbesondere im Zusammenhang mit den 4–7 beschriebene Ausgestaltung der Sicken 15‘, 15‘‘ soll daher dazu beitragen, eine Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum 24 zu verringern oder vollständig zu unterbinden.
Die MEA 12 kann eine Polymermembran 25 und beiderseits der Polymermembran 25 angeordnete Gasdiffusionslagen (GDL) 26‘, 26‘‘ aufweisen. Die Polymermembran 25 und die GDL 26‘, 26‘‘ bilden einen Membranverbund. Dieser Membranverbund ist im aktiven Bereich 16‘‘ der zweiten Einzelplatte 10‘‘ und einem entsprechenden aktiven Bereich der Einzelplatte 11‘ der Separatorplatte 11 aufgenommen und zwischen den Separatorplatten 10, 11 angeordnet. Der Membranverbund ist von den Sicken 15‘‘, 27‘ umschlossen und wird von den Sicken 15‘‘, 27‘ abgedichtet. Ein Außenrand der Polymermembran 25 (z.B. eine Elektrolytmembran) bildet einen Randbereich der MEA 12 und ist zwischen den Sicken 15‘‘ und 27‘ der Einzelplatten 10‘‘ und 11‘ angeordnet und verpresst. Bei anderen Ausführungsformen kann anstelle des Außenrandes der Polymermembran 25 auch ein von der Polymermembran 25 verschiedener und mit dem Membranverbund der MEA 12 verbundener Verstärkungsrand zwischen den Sicken 15‘‘ und 27‘ verpresst sein. Der Membranverbund der MEA 12 hat eine senkrecht zur Planflächenebene des Membranverbundes bestimmte Dicke 27 von z. B. 290 µm. Die Dicke 27 des Membranverbundes kann z. B. das 0,5- bis 1,5-fache der maximalen Höhe 22‘‘ der Strukturen 17‘‘ betragen. Die Planflächenebenen des Membranverbundes und der Separatorplatten 10, 11 sind parallel zueinander ausgerichtet, hier jeweils parallel zur x-y-Ebene.
Die 4a und 4c zeigen einen x-z-Schnitt durch bzw. eine Seitenansicht auf einen Teil des Stapels 2 gemäß 1, also senkrecht zu den Planflächenebenen der Separatorplatten des Stapels 2. Die in 4b hervorgehobene Schnittebene A-A verläuft dabei in Längsrichtung durch die zur Abdichtung der aktiven Bereiche der Separatorplatten um die aktiven Bereiche der Separatorplatten herum angeordneten Sicken, insbesondere auch in Längsrichtung durch die Sicken 15‘, 15‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ gemäß den 2 und 3. Die 4a–c zeigen entlang der x-Richtung 8 jeweils denselben Abschnitt des Stapels 2. 4d zeigt mehrere y-z-Schnitte durch denselben Teil des Stapels, und zwar jeweils entlang der in 4b hervorgehobenen Schnittebenen B-B, C-C und D-D. 4b zeigte eine Draufsicht auf den Sickenbereich der obersten in den 4a, 4c und 4d dargestellten Separatorplatte 10.
4a zeigt die entlang der z-Richtung 7 gestapelten Separatorplatten 10, 11 sowie weitere Separatorplatten 28, 29. Die Separatorplatten 10, 11, 28, 29 sind jeweils baugleich, wobei hier beispielhaft nur die Ausgestaltung der Separatorplatte 10 im Detail beschrieben wird. Hervorgehoben sind insbesondere die Sicken 15‘, 15‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ der Separatorplatte 10 und der zwischen den Sicken 15‘, 15‘‘ gebildete Sickeninnenraum 24.
Um eine unerwünschte Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum 24 zu verringern oder zu unterbinden, weisen die Sicken 15‘, 15‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ in einem Abschnitt 30 jeweils einen abgesenkten Bereich 31‘, 31‘‘ auf. In den abgesenkten Bereichen 31‘, 31‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ sind die senkrecht zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘, also entlang der z-Richtung 7 bestimmten minimalen Höhen der Sickendächer 23‘, 23‘‘ jeweils durchgehend kleiner als die entlang des gesamten Verlaufs der Sicken 15‘, 15‘‘ bestimmten mittleren Höhen der Sicken 15‘, 15‘‘. Zur Veranschaulichung sind die mittleren Höhen der Sicken 15‘, 15‘‘ in 4a im Abschnitt 30 gestrichelt hervorgehoben. In den abgesenkten Bereichen 31‘, 31‘‘ reichen die Dächer 23‘, 23‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ quer zur Verlaufsrichtung der Sicken 15‘, 15‘, in 4a also senkrecht zur Zeichenebene, jeweils über die gesamte Breite der Sicken 15‘, 15‘‘ bis zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ oder beinahe bis zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ herunter. In 4c sind die Planflächenebenen der Einzelplatten jeweils durch gerade Linien hervorgehoben, die jeweils zwischen den Sickendächern der Sicken derselben Separatorplatte angeordnet sind und entlang der x-Richtung 8 verlaufen. Insbesondere sind die Sicken 15‘, 15‘‘ derart ausgestaltet, dass die minimalen Höhen der Sicken 15‘, 15‘‘ in den abgesenkten Bereichen 31‘, 31‘‘ kleiner sind als die maximale Höhe 22‘, 22‘‘ der Strukturen 17‘, 17‘‘ in den aktiven Bereichen 16‘, 16‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘.
Auf diese Weise wird der Querschnitt des Sickeninnenraumes 24 durch die Absenkungen der Sicken 15‘, 15‘‘ derart verringert, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im Sickeninnenraum 24 zwischen den Öffnungen 10c und 10g der Separatorplatte 10 deutlich herabgesetzt wird. Hierdurch wird ein Ausgleich der Verteilung zwischen der Strömung im Sickeninnenraum 24 und derjenigen entlang des zwischen den aktiven Bereichen 16‘, 16‘‘ angeordneten Teils des Hohlraumes 18 zwischen den Öffnungen 10c und 10g der Separatorplatte 10 (siehe 2) erreicht. Somit wird auf Grund der Absenkungen der Sicken 15‘, 15‘‘ im Vergleich zum Stand der Technik ein höherer Anteil des zwischen den Öffnungen 10c und 10g der Separatorplatte 10 fließenden Kühlmediums durch die aktiven Bereiche 16‘, 16‘‘ geleitet. Hierfür kann z. B. der Querschnitt des Sickeninnenraumes 24 zwischen den Sicken 15‘, 15‘‘ an der schmalsten Stelle entlang des Abschnitts 30 (4a) kleiner sein als 10 Prozent des entlang des gesamten Verlaufs der Sicken 15‘, 15‘‘ bestimmten mittleren Querschnitts des Sickeninnenraumes 24.
In einem Abschnitt 32 weisen die Sicken 15‘, 15‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ jeweils einen erhöhten Bereich 33‘, 33‘‘ auf. In den erhöhten Bereichen 33‘, 33‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ sind die senkrecht zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘, also entlang der z-Richtung 7 bestimmten maximalen Höhen der Sickendächer 23‘, 23‘‘ jeweils durchgehend größer als die entlang des gesamten Verlaufs der Sicken 15‘, 15‘‘ bestimmten mittleren Höhen der Sicken 15‘, 15‘‘. Zur Veranschaulichung sind die mittleren Höhen der Sicken 15‘, 15‘‘ in 4a auch im Abschnitt 32 gestrichelt hervorgehoben. Entlang der parallel zur x-z-Ebene ausgerichteten Schnittebene A-A gemäß 4b sind die erhöhten Bereiche 33‘, 33‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ vorzugsweise komplementär zu den abgesenkten Bereichen 31‘, 31‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ geformt. Da die Sickendächer 23‘, 23‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ in den abgesenkten Bereichen 31‘, 31‘‘ jeweils bis zu einer Höhe von Null abgesenkt sind, beinhaltet dies insbesondere, dass die maximale Höhe der Sicken 15‘, 15‘‘ in den erhöhten Bereichen 33‘, 33‘‘ vorzugsweise jeweils das Doppelte der mittleren Sickenhöhe beträgt.
Die Anordnung des abgesenkten Bereiche 31‘, eines weiteren abgesenkten Bereichs 34‘, des erhöhten Bereichs 33‘ und eines weiteren erhöhten Bereichs 35‘ der Sicke 15‘ der Einzelplatte 10‘ ist schematisch in den 8 und 9 gezeigt. Die abgesenkten Bereiche 31‘‘, 34‘‘ und die erhöhten Bereiche 33‘‘, 35‘‘ der Sicke 15‘‘ der in den 8 und 9 verdeckten zweiten Einzelplatte 10‘‘ befinden sich an den nämlichen Stellen der zweiten Einzelplatte 10‘‘. Die Anordnungen der Sicken 15‘, 15‘‘, der abgesenkten Bereiche 31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘ und der erhöhten Bereiche 33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘ sind also symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene in X-Y Richtung des Koordinatensystems angeordnet, die parallel zu den Planflächenebenen der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ ausgerichtet und zwischen den Einzelplatten 10‘, 10‘‘ angeordnet ist. Dies ist in den 8 und 9 jeweils durch die Anordnung der mit Pfeilen versehenen Bezugszeichen 31‘‘, 33‘‘, 34‘‘, 35‘‘ angedeutet.
Die Sicken 15‘, 15‘‘ der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ der Separatorplatte 10 weisen somit jeweils zwei abgesenkte Bereiche 31‘, 34‘ bzw. 31‘‘, 34‘‘ und zwei erhöhte Bereiche 33‘, 35‘ bzw. 33‘‘, 35‘‘ auf. Die Anordnung der abgesenkten Bereiche 31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘ und der erhöhten Bereiche 33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘ entlang der Sicken 15‘, 15‘‘ ist dabei jeweils symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 36. In 8 ist die Symmetrieachse 36 senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ ausgerichtet. In 9 ist die Symmetrieachse 36 parallel zur Planflächenebene der Einzelplatten 10‘, 10‘‘ ausgerichtet, insbesondere parallel zur längeren Kante der Einzelplatten 10‘, 10‘‘. Die Separatorplatte 10 weist bei den Ausführungsformen gemäß den 8 und 9 also jeweils eine zweizählige Symmetrie bezüglich Rotationen um die Symmetrieachse 36 auf, so dass wenigstens die Sicken 15‘, 15‘‘ mit ihren abgesenkten und erhöhten Bereichen bei Rotationen um 180 Grad bezüglich der x-Achse 8 des Koordinatensystems jeweils miteinander in Deckung bringbar sind.
Infolge dieser symmetrischen Ausgestaltung der Sicken 15‘, 15‘‘ kann der Stapel 2 aus einer Vielzahl baugleicher Separatorplatten gebildet sein, wobei benachbarte Separatorplatten des Stapels 2 relativ zueinander jeweils um 180 Grad rotiert sind, um die einander zugewandten Sicken benachbarter Separatorplatten dichtend miteinander in Eingriff zu bringen. Sind die Separatorplatten des Stapels 2 beispielsweise gemäß 8 ausgestaltet, so ist jede zweite Platte des Stapels 2 ausgehend von der Ausrichtung gemäß 8 um 180 Grad um die x-Achse zu rotieren, die relativ zur Platte angeordnet ist wie die Symmetrieachse 36 gemäß 9. Sind die Separatorplatten des Stapels 2 dagegen gemäß 9 ausgestaltet, so ist jede zweite Platte des Stapels 2 ausgehend von der Ausrichtung gemäß 9 um 180 Grad um die z-Achse zu rotieren, die relativ zur Platte angeordnet ist wie die Symmetrieachse 36 gemäß 8.
Auf diese Weise wird eine Anordnung des Stapels 2 erzielt, wie sie z. B. in 4a gezeigt ist. Dort greifen in den Abschnitten 30, 32 die abgesenkten und die erhöhten Bereiche einander zugewandter Sicken benachbarter, baugleicher Separatorplatten wenigstens entlang der Längsrichtung der Sicken, in 4a also entlang der x-Richtung 8, formschlüssig ineinander. So greifen im Abschnitt 30 der abgesenkte Bereich 31‘‘ der Sicke 15‘‘ der Separatorplatte 10 und ein erhöhter Bereich 36‘ einer Sicke 37‘ der Separatorplatte 11 wenigstens entlang der Verlaufsrichtung der Sicken 15‘‘, 37‘, in 4a also entlang der x-Richtung 8, formschlüssig ineinander. Umgekehrt greifen im Abschnitt 32 der erhöhte Bereich 33‘‘ der Sicke 15‘‘ der Separatorplatte 10 und ein abgesenkter Bereich 38‘ der Sicke 37‘ der Separatorplatte 11 wenigstens entlang der Verlaufsrichtung der Sicken 15‘‘, 37‘ formschlüssig ineinander. Durch dieses wenigstens teilweise formschlüssige Ineinandergreifen der Absenkungen und Erhöhungen einander zugewandter Sicken benachbarter, baugleicher Separatorplatten wird der Stapel 2 zusätzlich stabilisiert.
Die abgesenkten Bereiche 31‘, 34‘ und die erhöhten Bereiche 33‘, 35‘‘ der Sicken 15‘, 15‘‘ der Separatorplatte 10, die exemplarisch für alle Separatorplatten des Stapels 2 stehen kann, müssen dabei nicht notwendigerweise streng komplementär zueinander ausgebildet sein. Bevorzugt sind sie jedoch wenigstens im Wesentlichen komplementär zueinander ausgebildet, so dass einander zugewandte Sicken baugleicher, benachbarter Separatorplatten des Stapels 2 unter Aufnahme eines zwischen den Sicken verpressten Randbereichs einer zwischen den benachbarten Separatorplatten angeordneten MEA, z. B. unter Aufnahme eines Randbereichs der MEA 12 (siehe 3) zwischen den Sicken, dichtend miteinander in Eingriff bringbar sind. Der Randbereich der MEA kann z. B. durch einen Außenrand der Polymermembran 25 gebildet sein, der durch das Auflaminieren eines Verstärkungsfilms zusätzlich verstärkt wird (siehe 3). Der Randbereich der MEA 12 hat eine senkrecht zur Planflächenebene des Membranverbundes bestimmte Dicke von z. B. 90 µm.
Nur der Übersichtlichkeit halber zeigen die Schnitte gemäß den 4a, 4c keine MEA, die zwischen den Sicken benachbarter Separatorplatten des Stapels 2 angeordnet und verpresst sind. Den 4a, 4c ist jedoch deutlich entnehmbar, dass die Sickendächer der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 des Stapels 2 wenigstens entlang der Verlaufsrichtung der Sicken, hier also entlang der x-Richtung 8, keine Kanten aufweisen. Insbesondere in den abgesenkten und den erhöhten Bereichen in den Sickenabschnitten 30, 32 haben die Sickendächer einen gekrümmten Verlauf. Dies erleichtert das Verpressen eines Randbereichs einer MEA zwischen einander zugewandten Sicken benachbarter Separatorplatten. Insbesondere wird durch die wenigstens teilweise abgerundete Ausgestaltung des Sickendaches in den abgesenkten und erhöhten Bereichen der Sicke eine Beschädigung des zwischen den Sicken verpressten Randbereichs einer zwischen den benachbarten Separatorplatten angeordneten MEA vermieden.
In 4d sind y-z-Schnitte durch den Stapel 2 dargestellt, und zwar entlang der in 4b gezeigten Schnittebenen B-B, C-C und D-D. Entlang der Schnittebene B-B (4d, links) entspricht die Höhe der Sickendächer der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 der entlang des Verlaufs der Sicken bestimmten mittleren Sickenhöhe. Ebenso entspricht der in diesem Schnitt der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 gezeigte Sickenquerschnitt dem in einem geraden Verlauf der Sicke bestimmten mittleren Sickenquerschnitt A_m. Entlang der Schnittebene C-C (4d, Mitte) sind die Sickendächer der Separatorplatten 11, 29 gegenüber der mittleren Sickenhöhe bereits leicht erhöht, während die Sickendächer der Separatorplatten 10, 28 gegenüber der mittleren Sickenhöhe komplementär zu den erhöhten Sicken der Separatorplatten 11, 29 abgesenkt sind. Entlang der Schnittebene D-D (4d, rechts) nehmen die Sickendächer der Separatorplatten 11, 29 ihre maximale Höhe an, während die Sickendächer der Separatorplatten 10, 28 komplementär dazu ihre minimale Höhe annehmen.
Der im Schnitt D-D im Bereich 31‘ gezeigte minimale Sickenquerschnitt A_min in den Separatorplatten 10, 28 ist gegenüber dem in Schnitt B-B gezeigten mittleren Sickenquerschnitt A_m der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 deutlich reduziert, wodurch der Durchfluss der Kühlmediums in den Sicken der Separatorplatten 10, 28 im Bereich 30 deutlich reduziert bzw. verhindert wird. Im Schnitt D-D ist ebenfalls der im Bereich 31‘ vergrößerte Sickenquerschnitt A_max gezeigt, der in den Separatorplatten 11, 29 aus der Erhöhung der entsprechenden Sicken resultiert. Für den gesamten Kühlmittelfluss im Sickenbereich der Separatorplatten 11, 29 hat dieser vergrößerte Sickenquerschnitt jedoch keinen verstärkenden Einfluss, da in dem in 4b gezeigten Bereich 33‘ die entsprechenden Sicken der Separatorplatten 11, 29 wiederum abgesenkt sind und somit der resultierende Kühlmittelfluss auch in diesen Sicken reduziert bzw. verhindert wird. Anhand der 4d ist auch gut zu erkennen, dass die Sickendächer der Separatorplatten 10, 28 im abgesenkten Bereich (4d, Mitte und rechts) jeweils über ihre gesamte Breite, also entlang der y-Richtung 9, gegenüber der mittleren Höhe des Sickendaches abgesenkt sind.
Im Abschnitt 32, also im erhöhten Bereich 33‘ der Sicke 15‘, ist eine quer zum Verlauf der Sicke 15‘, also entlang der y-Richtung 9 bestimmte Fußbreite 39 der Sicke 15‘ gegenüber einer mittleren Fußbreite 40 der Sicke 15‘ vergrößert. Im Abschnitt 30, also im abgesenkten Bereich 31‘ der Sicke 15‘, ist die Fußbreite 39 der Sicke 15‘ gegenüber der mittleren Fußbreite 40 der Sicke 15‘ dagegen verkleinert (siehe 4b). Die mittlere Fußbreite 40 wird z. B. durch Mittelung entlang des gesamten Verlaufs der Sicke 15‘ bestimmt. Hier beträgt die entlang des Verlaufs der Sicke 15‘ bestimmte Länge des abgesenkten Bereichs 31‘ der Sicke 15‘, in dem die Höhe des Sickendaches 23‘ durchgehend kleiner ist als die mittlere Sickenhöhe, ca. das Dreifache der mittleren Fußbreite 40 der Sicke 15. Ebenso beträgt die entlang des Verlaufs der Sicke 15‘ bestimmte Länge des erhöhten Bereichs 33‘ der Sicke 15‘, in dem die Höhe des Sickendaches 23‘ durchgehend größer ist als die mittlere Sickenhöhe, ebenfalls ca. das Dreifache der mittleren Fußbreite 40 der Sicke 15. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Länge des abgesenkten Bereichs 31‘ und/oder des erhöhten Bereichs 33‘ der Sicke 15‘ jeweils wenigstens das Fünffache der mittleren Fußbreite 40 der Sicke 15‘ betragen.
Die 5a–d umfassen die Darstellungen der 4a–d, wobei in den 5b und 5d zusätzlich die aktiven Bereiche der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 gezeigt sind, die sich in der positiven y-Richtung 9 an die Sicken anschließen. Exemplarisch ist hier jeweils nur der aktive Bereich 16‘ an der Außenseite der Einzelplatte 10‘ der Separatorplatte 10 hervorgehoben.
6a zeigt den bereits in der 5d (links) illustrierten Schnitt entlang der Schnittebene B-B gemäß 5b in vergrößerter Darstellung. Entsprechend zeigt 6b den bereits in der 5d (rechts) illustrierten Schnitt entlang der Schnittebene D-D gemäß 5b in vergrößerter Darstellung.
Die Darstellungen der 7a und 7c entsprechen den Darstellungen der 6a und 6b, wobei in den aktiven Bereichen zwischen den Separatorplatten 10, 11, 28, 29 zusätzlich Membranverbünde 12a–c baugleicher Membran-Elektroden-Einheiten gezeigt sind. Außenränder von Polymermembranen 25a–c der Membranverbünde 12a–c sind jeweils zwischen den einander zugewandten Sicken der Separatorplatten 10, 11, 28, 29 verpresst. Insbesondere der 7c ist entnehmbar, dass die minimale Höhe des Sickendaches 23‘ der Sicke 15‘ der Einzelplatte 10‘ im abgesenkten Bereich 31‘ kleiner ist als die maximale Höhe 22‘ der Strukturen 17‘ des aktiven Bereichs 16‘. Z. B. beträgt die minimale Höhe des Sickendaches 23‘ der Sicke 15‘ im abgesenkten Bereich 31‘ weniger als 10 Prozent der mittleren Höhe des Sickendaches 23‘ der Sicke 15‘.
Die 10a, 10b zeigen wiederum die Sicke 15‘ der Einzelplatte in einer Draufsicht. Die Sicke 15‘ verläuft jeweils wenigstens abschnittweise wellenartig mit einer Wellenlänge λ. Dieser wenigstens abschnittweise wellenartige Verlauf der Sicke 15‘ ist z. B. auch in 2 dargestellt. Der zwischen den gestrichelten Linien sich erstreckende abgesenkte Bereich 31‘ der Sicke 15‘ gemäß 10a erstreckt sich entlang des Verlaufs der Sicke 15‘ jeweils über eine Länge von wenigstens 2·λ. Bei der Ausführungsform gemäß 10a geht die Änderung der Höhe des Sickendaches zugleich mit einer Änderung des Winkels der Sickenflanken und mit einer Reduktion der quer zur Verlaufsrichtung der Sicke 15‘ bestimmten Amplitude des wellenartigen Verlaufs der Sicke 15‘ einher.
Der zwischen den gestrichelten Linien sich erstreckende erhöhte Bereich 33‘ der Sicke 15‘ gemäß 10b erstreckt sich entlang des Verlaufs der Sicke 15‘ jeweils ebenfalls über eine Länge von wenigstens 2·λ. In 10b verläuft die Sicke 15‘ im erhöhten Bereich 33‘ gerade oder im Wesentlichen gerade. Die Sickenflanken sind bogenförmig verbreitert, um Änderungen der Rückfederung der Sicke 15‘ zu begrenzen.

Claims

Separatorplatte (10) für ein elektrochemisches System (1) mit zwei Einzelplatten (10‘, 10‘‘) und einem zwischen den Einzelplatten angeordneten Hohlraum (18) zum Durchführen eines Kühlmediums, wobei wenigstens eine der Einzelplatten einen aktiven Bereich (16‘, 16‘‘) mit Strukturen (17‘, 17‘‘) zum Führen eines Reaktionsmediums an einer Außenseite der Separatorplatte (10) sowie eine Sicke (15‘, 15‘‘) aufweist, die zum Abdichten des aktiven Bereichs oder zum Abdichten einer Öffnung (10c, 10g) in der Separatorplatte (10) ausgebildet ist, wobei die Öffnung (10c, 10g) zum Zuführen eines Kühlmediums in den Hohlraum (18) oder zum Abführen eines Kühlmediums aus dem Hohlraum (18) ausgebildet ist, und wobei die Sicke (15‘, 15‘‘) wenigstens einen abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) aufweist, in dem die Höhe (20‘, 20‘‘) des Sickendaches (23‘, 23‘‘) kleiner ist als die entlang des Verlaufs der Sicke (15‘, 15‘‘) bestimmte mittlere Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘); dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) zur Verringerung einer Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum (24) kleiner oder gleich einer maximalen Höhe (22‘, 22‘‘) der Strukturen (17‘, 17‘‘) des aktiven Bereichs (16‘, 16‘‘) ist.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15’, 15’’) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) über die gesamte Breite der Sicke abgesenkt ist.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15’, 15’’) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) über einen Teil der Breite des Sickendachs (23‘, 23‘‘) abgesenkt ist.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) im abgesenkten Bereich höchstens 50 Prozent, vorzugsweise höchstens 25 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 10 Prozent der mittleren Sickenhöhe beträgt und/oder dass die minimale Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) im abgesenkten Bereich höchstens 90 Prozent, vorzugsweise höchstens 60 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 20 Prozent der maximalen Höhe (22‘, 22‘‘) der Strukturen (17‘, 17‘‘) des aktiven Bereichs (16‘, 16‘‘) beträgt.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Sickeninnenraumes (24) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) höchstens 50 Prozent, vorzugsweise höchstens 25 Prozent, besonders vorzugsweise höchstens 10 Prozent des mittleren Sickenquerschnitts beträgt.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang der Verlaufsrichtung der Sicke (15‘, 15‘‘) bestimmte Länge des abgesenkten Bereichs (31‘, 31‘‘) der Sicke (15’, 15’’) wenigstens das Dreifache, vorzugsweise wenigstens das Fünffache einer quer zur Längsrichtung der Sicke bestimmten Fußbreite der Sicke beträgt.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sickendach (23‘, 23‘‘) im abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘) entlang der Hauptausrichtung der Sicke (15’, 15’’) zumindest abschnittsweise gekrümmt ist und keine Kanten aufweist.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15’, 15’’) wenigstens einen erhöhten Bereich aufweist, in dem die Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) größer ist als die entlang des Verlaufs der Sicke (15’, 15’’) bestimmte mittlere Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘).
Separatorplatte (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) im erhöhten Bereich (33‘, 33‘‘) wenigstens das 1,3-fache, vorzugsweise wenigstens das 1,5-fache, insbesondere wenigstens das 1,7-fache der mittleren Höhe des Sickendaches (23‘, 23‘‘) entlang des Verlaufs der Sicke (15’, 15’’) beträgt.
Separatorplatte (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sickendach (23‘, 23‘‘) im erhöhten Bereich (33‘, 33‘‘) entlang der Hauptausrichtung der Sicke (15’, 15’’) zumindest abschnittsweise gekrümmt ist und keine Kanten aufweist.
Separatorplatte (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15’, 15’’) wenigstens zwei abgesenkte Bereiche (31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘) und eine der Anzahl der abgesenkten Bereiche identische Anzahl von erhöhten Bereichen (33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘) aufweist.
Separatorplatte (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesenkte Bereich (31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘) der Sicke (15’, 15’’) und der erhöhte Bereich (33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘) der Sicke (15’, 15’’) oder dass die abgesenkten Bereiche der Sicke (15’, 15’’) und die erhöhten Bereiche der Sicke (15’, 15’’) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Sicke (15’, 15’’) mit einer Sicke einer baugleich ausgebildeten weiteren Separatorplatte (11) dichtend in Eingriff bringbar ist, vorzugsweise unter Aufnahme eines Randbereichs einer Membranelektrodeneinheit (MEA) zwischen den Sicken, insbesondere auch in den abgesenkten und den erhöhten Bereichen der Sicken.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15‘, 15‘‘) wenigstens abschnittweise wellenartig verläuft mit einer Wellenlänge λ, wobei sich der abgesenkte Bereich der Sicke (15‘, 15‘‘) und/oder der erhöhte Bereich der Sicke (15‘, 15‘‘) entlang der Verlaufsrichtung der Sicke (15‘, 15‘‘) über eine Länge von wenigstens λ, vorzugsweise von wenigstens 2·λ erstreckt.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (10‘, 10‘‘) der Separatorplatte (10) aus Metall gebildet sind, vorzugsweise aus Edelstahl.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Planflächenebene der Einzelplatten (10‘, 10‘‘) bestimmte Dicke der Einzelplatten jeweils zwischen 50 µm und 150 µm, vorzugsweise zwischen 70 µm und 110 µm beträgt.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (15‘, 15‘‘) und die Strukturen (17‘, 17‘‘) des aktiven Bereichs (16‘, 16‘‘) in die Einzelplatte (10‘, 10‘‘) eingeprägt sind.
Separatorplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Einzelplatten (10‘, 10‘‘) jeweils einen aktiven Bereich (16‘, 16‘‘) mit Strukturen (17‘, 17‘‘) zum Führen eines Reaktionsmediums an einer Außenseite der Separatorplatte (10) sowie wenigstens eine Sicke (15’, 15’’) mit wenigstens einem abgesenkten Bereich (31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘) und mit wenigstens einem erhöhten Bereich (33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘) aufweisen.
Separatorplatte (10) nach den Ansprüchen 12 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (15‘, 15‘‘) der Einzelplatten (10‘, 10‘‘) jeweils wenigstens zwei abgesenkte Bereiche (31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘) und zwei erhöhte Bereiche (33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘) aufweisen, wobei die abgesenkten Bereiche (31‘, 31‘‘, 34‘, 34‘‘) und die erhöhten Bereiche (33‘, 33‘‘, 35‘, 35‘‘) bezüglich einer Symmetrieachse (36) symmetrisch angeordnet sind.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (36) senkrecht oder parallel zu den Planflächenebenen der Einzelplatten (10‘, 10‘‘) ausgerichtet ist.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine zweizählige Drehsymmetrie bezüglich der Symmetrieachse (36).
Elektrochemisches System (1), insbesondere Brennstoffzellensystem, elektrochemischer Kompressor, Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem oder Elektrolyseur, mit einer Schichtung von Zellen mit jeweils mindestens einem Membranverbund (12) mit jeweils mindestens einer Polymermembran (25), wobei Zellen jeweils durch Separatorplatten (10, 11, 28, 29) nach einem der Ansprüche 8 bis 20 voneinander getrennt sind, wobei einander unmittelbar benachbarte Separatorplatten (10, 11) einander zugewandte Sicken (15‘‘, 37‘) mit jeweils wenigstens einem abgesenkten Bereich (31‘, 38‘) und mit jeweils wenigstens einem erhöhten Bereich (33‘, 36‘) aufweisen und wobei die abgesenkten Bereiche (31‘, 38‘) und die erhöhten Bereiche (33‘, 36‘) in den einander zugewandten Sicken (15‘‘, 37‘) derart komplementär zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass die einander zugewandten Sicken (15‘‘, 37‘) dichtend in Eingriff miteinander sind, vorzugsweise unter Aufnahme wenigstens eines Randbereichs einer Membranelektrodeneinheit (MEA) zwischen den einander zugewandten Sicken.
Elektrochemisches System nach Anspruch 21 mit einem Membranverbund, der zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten (10, 11) angeordnet ist, wobei die einander zugewandten Sicken (15‘‘, 37‘) in den erhöhten Bereichen (33‘, 36‘) gegenüber der entlang des Verlaufs der jeweiligen Sicke (15‘‘, 37‘) bestimmten mittleren Höhe des Sickendaches wenigstens um einen Betrag erhöht sind, der einer Dicke des Membranverbundes (12) im verpressten Zustand entspricht.
Elektrochemisches System nach einem der Ansprüche 21 oder 22 mit einer Vielzahl baugleich ausgebildeter Separatorplatten (10, 11, 28, 29).