DE202015106197U1 - Separator plate for an electrochemical system and electrochemical system - Google Patents
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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.Separator plate (10) for an electrochemical system (1) with two individual plates (10 ', 10' ') and a cavity (18) arranged between the individual plates for carrying out a cooling medium, wherein at least one of the individual plates has an active region (16', 16 '') having structures (17 ', 17' ') for guiding a reaction medium on an outer side of the separator plate (10) and a bead (15', 15 ''), which for sealing the active area or for sealing an opening ( 10c, 10g) is formed in the separator plate (10), wherein the opening (10c, 10g) for supplying a cooling medium into the cavity (18) or for discharging a cooling medium from the cavity (18) is formed, and wherein the bead ( 15 ', 15' ') has at least one lowered portion (31', 31 '') in which the height (20 ', 20' ') of the sock roof (23', 23 '') is smaller than that along the course the bead (15 ', 15' ') determines the average height of the Sick roofs (23 ', 23' '); characterized in that a minimum height of the bead roof (23 ', 23' ') in the lowered area (31', 31 '') to reduce a coolant flow in the bead interior (24) is less than or equal to a maximum height (22 ', 22' ' ) of the structures (17 ', 17' ') of the active region (16', 16 '').
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. The present invention relates to a separator plate for an electrochemical system and to an electrochemical system having a plurality of separator plates of the type proposed here. The electrochemical system may be, for example, a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a humidifier for a fuel cell system , The humidifier is also considered as an electrochemical system.
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. Known electrochemical systems usually comprise a multiplicity of separator plates, which are arranged in a stack, so that between each two adjacent separator plates an electrochemical cell or a humidifier cell is arranged. The separator plates usually each comprise two individual plates which are connected to one another along their rear sides remote from the electrochemical cells or the humidifier cells.
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. The Separatorplatten can z. B. the electrical contacting of the electrodes of the individual electrochemical cells (eg., Fuel cells or electrolysers) and / or the electrical connection of adjacent cells are used (series connection of the cells). The separator plates may also be configured to dissipate heat generated in the cells between the separator plates. Such waste heat can occur, for example, in the conversion of electrical or chemical energy in an electrolyzer or a fuel cell. In fuel cells, bipolar plates are frequently used as separator plates. The separator plates may also be configured to supply the cells with media, e.g. As with reaction gases, supply and transport away reaction products from the cells. For this purpose, the separator plates can have channel structures, which are arranged in particular in an electrochemically active area (gas distributor structure / flow field). The active area may, for. B. include or limit an electrochemical cell or a humidifier cell. The channel structures may, for. B. molded into the individual plates, in particular stamped.
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. The individual plates of the separator plates are normally connected together so as to enclose between them a cavity for passing a cooling medium. In particular, the cooling medium serves to dissipate heat from the active region of the separator plate or the individual plates.
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. Usually, the separator plates or the individual plates of the separator plates each have at least one passage opening. In the separator plate stack of the electrochemical system, the passage openings of the stacked separator plates which are aligned or at least partially overlapping, then form media channels for supplying media or for discharging media. These through-holes or the media channels formed by the through-holes usually each provide a fluid connection between the active region on the outside of the separator plate or between the cavity for passing a coolant and a port on an end plate of the electrochemical system. A medium can then be introduced into the system or removed from the system via such a port.
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. For sealing the passage openings or the media channels formed by the passage openings of the separator plates and / or for sealing the active area, known separator plates may further comprise bead arrangements which are respectively arranged around the passage opening and / or around the active area of the separator plate. The bead arrangements can also be molded into the individual plates, in particular impressed.
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. It has been shown in individual cases that the cooling medium is guided in the cavity between the individual plates of the separator plate in undesirable ways. Sometimes the cooling medium z. B. to a considerable extent flow through the region of the embossed bead and so are guided past the cavity facing the rear side of the active region of the separator plate, which at least in places can lead to insufficient cooling of the active area. This can adversely affect the efficiency of the electrochemical system.
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. It is therefore an object of the present invention to provide a separator plate for an electrochemical system, which allows operation of the electrochemical system with the highest possible efficiency.
Diese Aufgabe wird durch eine Separatorplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Spezielle Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. This object is achieved by a separator plate according to claim 1. Special embodiments are described in the subclaims.
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. So proposed is a Separatorplatte for an electrochemical system with two individual plates and arranged between the individual plates cavity for performing a cooling medium. At least one of the individual plates has an active area with structures for guiding a reaction medium on an outer side of the separator plate and a bead, which is designed to seal the active area or to seal an opening in the separator plate, wherein the opening is formed for supplying a cooling medium into the cavity or for discharging a cooling medium from the cavity. The bead has at least one lowered region in which the height of the bead roof is smaller than the average height of the bead cover along the course of the bead. With the average height of the beaded roof along the course of the bead, the mean greatest height of the beaded roof over the connecting plane of the individual plates in the regions in which the beaded roof runs parallel to this connecting plane should be designated here.
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. The proposed Separatorplatte is characterized in that a certain perpendicular to the plane surface plane of the respective individual plate minimum height of the sill roof in the lowered area to reduce coolant flow in the bead interior is less than or equal to a also perpendicular to the planar plane of the single plate maximum height of the structures of the active area.
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. Because the minimum height of the beaded roof in the lowered region of the bead is less than or equal to the maximum height of the structures of the active region, the cooling medium is largely or completely prevented from passing past the rear side of the active region of the separator plate through the beaded interior, where it does not or only to a small extent contribute to the cooling of the active area of the separator plate and / or to the cooling of the electrochemical cell or humidifier cell bounded by the active area. Compared to known separator plates, the separator plate proposed here thus enables a more efficient cooling of the system. Thus, the temperature distribution of the system can be set better and with less energy and the efficiency of the system can be significantly increased. Compared with other solutions that provide to reduce or avoid the flow of coolant in the bead interior, the introduction of an additional filling element in the bead interior, the solution proposed here has the further advantage that it can be realized without the introduction of such an additional filler element. The separator plate proposed here is therefore also particularly easy and inexpensive to produce.
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. The structures for guiding a reaction medium on the outside of the separator plate may include channel structures in the active area of the separator plate. The maximum height of these structures, which is determined perpendicular to the planar surface plane of the respective individual plate, can thus be in particular a maximum height or a maximum depth of these channel structures.
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. The bead can be lowered in the lowered area over the entire width of the bead. As a result, the undesired flow of the coolant in the bead interior can be further reduced. In addition, a lowered over the entire width bead during manufacture is typically particularly easy to shape.
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. The bead may also be lowered in the lowered area only over part of the width of the bead or have a different degree of reduction along the width of the bead. For example, a rounded bead can be lowered so that a wide plateau is formed. This also makes it possible to effectively reduce the hydraulic cross section of the bead interior.
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. For particularly efficient suppression or reduction of the coolant flow in the interior of the bead, the minimum height of the sock roof in the lowered area, which is perpendicular to the planar surface plane of the respective individual panel, can be at most 50 percent, preferably at most 25 percent, particularly preferably at most 10 percent, of the mean height of the sicke along the course of the sipe Sick roofs amount. Alternatively or additionally, the minimum height of the bead cover in the lowered region can amount to at most 90 percent, preferably at most 60 percent, particularly preferably at most 20 percent, of the maximum height of the structures of the active region. The beaded roof can also be lowered in the lowered area to the planar surface plane of the respective individual panel, in particular over the entire width of the bead. Likewise, the lowered portion of the bead may be formed such that a cross section of the bead interior in the depressed area is at most 50 percent, preferably at most 25 percent, particularly preferably at most 10 percent of the average bead cross section along the course of the bead.
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. The lowered region may extend along the direction of the bead over a length which is at least three times, preferably at least five times, a foot width of the bead determined transversely to the longitudinal direction of the bead, in particular with respect to an average foot width determined by averaging along the course of the bead. This can contribute to the bead having a high degree of elasticity even in the lowered area. On the other hand, a contiguous lowered portion of a bead will advantageously never be more than a quarter of the total length of the respective bead.
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. The maximum height of the bead may be at least one-and-a-half, preferably at least twice, more preferably at least three times the maximum height of the structures of the active area. If the bead is designed to seal the active region and circumscribes the active region, then a membrane composite of sufficient thickness can be accommodated in the active region and the space surrounding the membrane composite can be sealed to the outside by the bead.
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. The bead can additionally have at least one raised area in which the height of the beaded roof is greater than the average height of the beaded roof along the course of the beading. For example, the maximum height of the sock roof in the raised area may be at least 1.3 times, preferably at least 1.5 times, in particular 1.75 times, the mean height of the sock roof along the course of the sipe. In particular, the bead can have at least two lowered areas and an identical number of raised areas to the number of lowered areas. Preferably, the lowered portions of the bead are disposed on opposite sides of the bead path, which typically forms a closed curve. Is the bead z. B. formed for sealing the active area, so is ensured by the arrangement of the depressed area on both sides of the active area that the undesired flow of coolant through the bead interior on both sides of the active area is reduced or prevented.
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. The central bead cross section is preferably not determined over the entire course of the bead, but preferably only along such areas in which a) the bead is neither lowered nor increased, i. in which the bead height corresponds to the average bead height, and b) the bead has no openings in the flanks. Here, if the bead has straight sections, only those sections are considered in which the bead is straight and the conditions a) and b) apply. If the bead has no straight sections, but has a wave-shaped course, only the cross sections are taken into account at the turning points, where the conditions a) and b) apply.
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. The lowered area of the bead and the raised area of the bead or the lowered areas of the bead and the raised areas of the bead can in particular be arranged and configured such that in the formation of the separator plate stack the bead of a separator plate seals with a bead of a structurally identical further separator plate can be brought into engagement, for. B. in particular such that the raised portion or the raised portions of the bead of a first separator plate is positively received in the lowered area or in the lowered areas of the bead of one of the first separator plate adjacent, identical second separator plate or are added. For this purpose, the raised area or the raised areas of the bead are preferably designed to be complementary to the lowered area or to the lowered areas of the bead.
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. Preferably, the lowered and the raised portions of the bead are formed such that an edge region of a membrane electrode assembly (MEA) arranged between the separator plates can be arranged and pressed between the beads of adjacent, identical separator plates, in particular also in the lowered and the raised areas of the beads. In an electrochemical system with a stack of separator plates designed in this way, the mutually facing beads of adjacent, identically constructed separator plates engage one another in a form-fitting manner along the complementary raised and lowered regions. As a result, the stability of the separator plate stack, in particular with respect to displacements perpendicular to the stacking direction, can be significantly increased.
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. In the active region surrounded by the beads of the adjacent separator plates, the MEA arranged between the separator plates typically has a membrane composite. This membrane composite usually comprises at least one polymer electrolyte membrane (PEM) and gas diffusion layers (GDL). The GDL can be arranged on both sides of the PEM and be designed, for example, as a carbon nonwoven. In the case of a fuel cell stack, the membrane composite may comprise electrochemically active electrodes. These are usually arranged on both sides of the PEM. The can be arranged between the beads and compressible edge area of the MEA, however, z. B. only the edge of the PEM of the membrane composite and no GDL. Alternatively, the edge region of the MEA may comprise a reinforcement, which is attached to the membrane composite and surrounding the membrane composite circumferentially. It is likewise conceivable that the edge region of the MEA has both the edge of the PEM and also a reinforcement, wherein the edge of the PEM and the reinforcement in the edge region of the MEA are then z. B. are joined together to form a laminate. Preferably, the edge region of the MEA has a smaller thickness than the membrane composite bordered by the edge region of the MEA.
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. The bead can be curved at least partially in the lowered and / or in the raised portion of the bead, z. B. along the course of the bead and / or across the course of the bead. The beaded roof preferably has no edges in the lowered and / or elevated region, in particular along the course of the bead. This contributes to maintaining the elasticity of the bead in the lowered and / or elevated area. moreover For example, edges formed in the lowered and / or raised region of the bead could damage a marginal area of an MEA arranged between the adjacent separator plates and be arranged between the beads of adjacent separator plates. The MEA and the edge region can be designed as described above. This can be avoided by the configuration of the lowered and / or elevated area without edges.
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. To increase the stability and the elasticity of the bead, the bead may at least partially extend undulating and have a wavelength λ. The lowered area of the bead and / or the raised area of the bead can then extend along the course of the bead over a length of at least λ, preferably at least 2 · λ. If the lowered and / or the raised areas are wave-shaped, the wave amplitude and / or the wavelength in the raised and / or lowered regions may deviate from the wave amplitude and / or the wavelength in the non-raised or lowered regions of the bead. However, the lowered and / or elevated regions can also run completely or at least partially straight, in particular even if the bead otherwise has wave-shaped regions.
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. The individual plates of the separator plate may be formed of metal, preferably of stainless steel. Alternatively, other metals suitable for corresponding electrochemical systems, such as e.g. Titanium or aluminum, as well as coated steels are used. A thickness of the individual plates, which is determined perpendicular to the plane of the plane of the individual plates, can be between 50 μm and 150 μm, preferably between 70 μm and 110 μm. The bead and the structures of the active area can be embossed in the single plate or in the individual plates.
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. Preferably, both individual plates each have an active area with structures for guiding a reaction medium on an outer side of the separator plate and at least one bead having at least one lowered area and preferably additionally having at least one raised area. The lowered and / or the raised region of the beads of both individual plates can then each be formed as described above and stamped analogously into the separator plate.
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. If the beads of both individual plates each have at least two lowered regions and two raised regions of the previously described type, the lowered regions and the raised regions can be arranged symmetrically with respect to an axis of symmetry of the separator plate. The axis of symmetry may be aligned perpendicular or parallel to the plane planes of the individual plates. For example, the separator plate may have a twofold rotational symmetry with respect to the axis of symmetry. If this is the case, the separator plate stack of an electrochemical system can be formed from a multiplicity of identically constructed separator plates, the lowered and raised regions of the mutually facing beads of adjacent separator plates of the stack interlocking in a form-fitting manner as described above. Identical adjacent separator plates of the stack are then typically rotated 180 degrees relative to one another.
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. Further proposed is an electrochemical system, in particular a fuel cell system, an electrochemical compressor, a humidifier for a fuel cell system or an electrolyzer, with a layer of cells, each having at least one membrane composite with at least one polymer membrane. The cells are each separated by separator plates of the type described above.
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. Adjacent to each other Separatorplatten the proposed electrochemical system have mutually facing beads, each having at least one lowered portion and each having at least one elevated portion, wherein the lowered portions and the raised portions in the mutually facing beads are arranged so complementary to each other and formed that the facing each other beads are sealingly engaged with each other, preferably receiving the edge portion of an MEA, which is arranged between the adjacent Separatorplatten.
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. The mutually facing beads can be increased in the raised regions relative to the mean height of the beaded roof along the course of the respective beading by at least an amount corresponding to a thickness of the membrane composite in the compressed state disposed between the structures of the active region of adjacent separator plates. Preferably, the mutually facing beads of the adjacent Separatorplatten in the lowered areas are then lowered by a nämlichen amount. The proposed electrochemical system may, in particular, have a multiplicity of identically constructed separator plates of the type described above.
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. The cooling medium here is not exclusive to be understood as a coolant. It can also be used to warm up the electrochemical system under certain operating conditions. The cooling medium can be liquid or be gaseous or present as a liquid-gaseous two-phase system.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Specific embodiments of the invention are illustrated in the figures and will be explained in more detail with reference to the following description. It shows:
Die z-Achse
Die Planflächenebenen der Einzelplatten der Separatorplatte
Zwischen den Separatorplatten
Die Separatorplatte
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen
Die Sickenanordnungen der Separatorplatte
In
Die Einzelplatten
Die Einzelplatten
In
Gezeigt sind in
In
Die zur Abdichtung der aktiven Bereiche
Die MEA
Die
Um eine unerwünschte Kühlmittelströmung im Sickeninnenraum
Auf diese Weise wird der Querschnitt des Sickeninnenraumes
In einem Abschnitt
Die Anordnung des abgesenkten Bereiche
Die Sicken
Infolge dieser symmetrischen Ausgestaltung der Sicken
Auf diese Weise wird eine Anordnung des Stapels
Die abgesenkten Bereiche
Nur der Übersichtlichkeit halber zeigen die Schnitte gemäß den
In
Der im Schnitt D-D im Bereich
Im Abschnitt
Die
Die Darstellungen der
Die
Der zwischen den gestrichelten Linien sich erstreckende erhöhte Bereich
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