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WO2018114819A1 - Separatorplatte für ein elektrochemisches system - Google Patents

Separatorplatte für ein elektrochemisches system Download PDF

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Publication number
WO2018114819A1
WO2018114819A1 PCT/EP2017/083345 EP2017083345W WO2018114819A1 WO 2018114819 A1 WO2018114819 A1 WO 2018114819A1 EP 2017083345 W EP2017083345 W EP 2017083345W WO 2018114819 A1 WO2018114819 A1 WO 2018114819A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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separator plate
flow field
plate
transition region
webs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/083345
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Scherer
Claudia Kunz
Thomas STÖHR
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Reinz Dichtungs GmbH
Original Assignee
Reinz Dichtungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Reinz Dichtungs GmbH filed Critical Reinz Dichtungs GmbH
Priority to DE112017006490.2T priority Critical patent/DE112017006490A5/de
Priority to JP2019528794A priority patent/JP6862653B2/ja
Priority to US16/471,884 priority patent/US11430999B2/en
Priority to CN201780078587.XA priority patent/CN110088956B/zh
Priority to CA3045388A priority patent/CA3045388A1/en
Publication of WO2018114819A1 publication Critical patent/WO2018114819A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a separator plate for an electrochemical system, a bipolar plate for an electrochemical system, which
  • Separator includes, and an electrochemical system with a plurality of such separator plates or bipolar plates.
  • the electrochemical system may in particular be a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery.
  • Known electrochemical systems of the type mentioned usually comprise a stack of electrochemical cells, which are each separated by bipolar plates.
  • Such bipolar plates can, for. B. the electrical contacting of the electrodes of the individual electrochemical cells (eg., Fuel cells) and / or the electrical connection of adjacent cells serve (series connection of the cells).
  • the individual electrochemical cells eg., Fuel cells
  • the electrical connection of adjacent cells serve (series connection of the cells).
  • Bipolar plates formed from two assembled individual plates, which are referred to in this document as Separatorplatten.
  • the individual plates can be joined together cohesively, z. B. by one or more welded joints, in particular by one or more laser welding joints.
  • the bipolar plates or the individual plates may each have structures or form the z. B. to supply the between adjacent
  • Bipolar plates arranged electrochemical cells are arranged with one or more media and / or for the removal of reaction products.
  • the media can be fuels (eg hydrogen or methanol), reaction gases (eg air or oxygen) or coolant.
  • the bipolar plates can be used to pass on the waste heat produced during the conversion of electrical or chemical energy in the electrochemical cell and to seal off the various media. Cooling channels against each other and / or be formed to the outside.
  • the bipolar plates usually each have at least one passage opening through which the media and / or the reaction products are applied to the cells between adjacent bipolar plates of the stack. ordered electrochemical cells can be passed or led away from them.
  • the electrochemical cells also typically each include one or more membrane electrode assemblies (MEA).
  • MEA may have one or more gas diffusion layers, which are usually oriented toward the bipolar plates and z. B. are formed as metal or carbon fleece.
  • the present invention is therefore based on the object, a
  • Separator includes, as well as an electrochemical system with a plurality of corresponding separator plates or bipolar plates.
  • a separator plate for an electrochemical system comprising:
  • a distribution or collection region having a plurality of lands and channels formed between the lands, each in fluid communication with the through-passage; a flow field that is in fluid communication with the passage opening via the distribution or collection area and that has lead structures for conducting a medium through the flow field, the flow field lead structures having a mean height hi determined perpendicular to the plane of the plane of the plate;
  • transition region disposed between the distribution or collection region and the flow field such that for each of the channels of the distribution or collection region, medium flowing from the channel into the flow field or from the flow field into the channel flows through the transition region flows through, wherein the transition region has a maximum height h max determined perpendicular to the plane plane of the plate, where: h max ⁇ 0.95-hi.
  • the average height hi can denote the mean maximum height of the Leitstruktu- ren of the flow field.
  • the maximum height of these webs can be determined in each case along a roof or a vertex of these webs.
  • the heights h max and hi preferably each designate the distance to the plane surface of the separator plate which is determined perpendicular to the plane plane of the separator plate.
  • the planar surface plane of the separator plate is z. B.
  • a catalyst-coated ionomer, a frame-shaped reinforcement layer and gas diffusion layer (s) can be formed on the flow field circumferential edge of the flow field. overlap, whereby this area of the MEA has a greater thickness than the rest of the area of the MEA. The lowered transition area can then accommodate this reinforced area of the
  • Separator plate adjacent MEA serve. So can one when pressing reduced compression of the MEA occurring on the plate and the MEA and their life can be extended in this way. Furthermore, by recording the reinforced edge region of the MEA outside the flow field and therefore outside the electrochemically active region of the separator plate, a negative influence on the media flow in the region of the flow field can be reduced or prevented.
  • the webs of the distribution or collection area may have a height h 2 determined perpendicular to the plane of the plane of the plate. The following can apply: h max ⁇ 0.9 h 2 .
  • the mean height h 2 may denote the average maximum height of the webs of the distribution or collection area, the z. B. each along a roof or apex of these webs is determined.
  • the height h 2 preferably again denotes the perpendicular to the plane plane of the plane
  • the lowered transition region can have a straight course transversely to the flow direction of the medium through the transition region or essentially transversely to the flow direction of the medium through the transition region.
  • the lowered transition region preferably has a substantially rectangular shape, wherein it can extend substantially further in a direction transverse to the direction of the flow field guiding structures than in the direction of the flow field guiding structures.
  • the guide structures of the flow field may include a plurality of webs and optionally formed between the webs channels.
  • the webs of the flow field may extend at least partially into the transition region.
  • the webs of the distribution or collection area can extend through the transition area and pass into webs of the flow field. These webs extending through the transition region are then usually lowered in the transition region. Between the webs of the flow field, which merge into webs of the distribution or collection area, more webs can be arranged in the region of the flow field. These further webs of the flow field can extend into the lowered transition region. For example, at least every twelfth or at least every sixth of these further webs of the flow field can extend into the lowered transition region.
  • the webs that extend through the transition region and / or that extend into the transition region may have the same maximum height h max in the transition region.
  • the flow field may have a number ni of channels, and the distribution or collection region may have a number n 2 of channels.
  • the following may apply: ni> 2 ⁇ ⁇ 2 , preferably ni> 3 ⁇ ⁇ 2 .
  • a depth of at least one of the channels of the distribution or collection region can vary in order to influence the flow direction of the medium.
  • channels for media guidance can also be formed between the webs which are arranged in the transition area or which extend through the distribution or collection area.
  • the channels in the transition region or at least one of the channels in the transition region may have a depth which varies to influence the flow direction of the medium, wherein the depth of the channels in the transition region again perpendicular to the plane plane of the plate is determined.
  • the depth of at least one channel of the transition region and / or the distribution or collection region may vary along its course.
  • the depth of at least one channel of the transition region and / or the distribution or collection region can also vary transversely to the flow direction of the medium in the channel or through the channel.
  • the separator plate may further comprise a bead which completely encloses the passage opening in the separator plate for sealing the passage opening. encloses dig.
  • This bead can have bushings for passing a medium through the bead.
  • the channels of the distribution or collection area may then be in fluid communication with the passage opening via these passages in the bead.
  • a bipolar plate for an electrochemical system which comprises a first separator plate of the type described above and a second separator plate.
  • first and the second separator plate are joined together, preferably by means of one or more cohesive connections.
  • the cohesive compounds can, for.
  • the second separator plate be designed as welded joints, in particular as laser welding joints.
  • the second separator plate likewise has at least one passage opening.
  • the passage openings of the first and second separator plates are arranged in alignment.
  • the bipolar plate advantageously has such a number of passage openings that there is at least one supply and one discharge opening for each medium, for example two passage openings each for fuel, reaction gas and coolant.
  • the first separator plate is formed as described above and has a lowered transition region between the distribution or collection region and the flow field.
  • Separator plate is then preferably: h max ⁇ 0.9-hi.
  • Bipolarplatte also the second separator plate of the bipolar plate as described above is formed. In this case, then includes the second
  • a distribution or collection region having a plurality of lands and channels formed between the lands, each in fluid communication with the through hole of the bipolar plate; a flow field which is in fluid communication with the through-hole of the bipolar plate via the distribution or collection region of the second separator plate and which has conductive structures for directing a medium through the flow field, wherein the conductive structures of the flow field of the second separator plate is a central one perpendicular to the plane plane of the second separator plate Have height h 12 ;
  • Separator plate or the bipolar plate has certain maximum height h max , 2, where: h max , 2 ⁇ 0.95-hi 2 .
  • Separator plate and for the maximum height h of the guide structures of the flow field of the first separator plate may also apply in particular: 0.85 hn ⁇ h max , i ⁇ 0.95-hn.
  • the maximum height h max ⁇ 2 of the transition region of the second separator plate and the maximum height hi 2 of the guide structures of the flow field of the second separator plate can then be: 0.85 hiz ⁇ h max , 2 ⁇ 0.95-h 12 .
  • the first separator plate and the second separator plate of the bipolar plate may be formed and joined together so as to enclose a space for guiding the coolant.
  • the abovementioned variation of the depth of at least one channel of the transitional area and / or of the distribution or collection area along or transversely to the passageway can in particular positively influence the distribution of the coolant.
  • such a variation can be continuous or stepped.
  • the bottom of a channel can extend obliquely transverse to its direction of extension. A reduction in the depth of a channel results in an increase in the space available for the coolant guide.
  • an electrochemical system in particular a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery, with a plurality of stacked
  • the MEA each have an active region having a first thickness and a reinforced region having a second thickness increased from the first thickness.
  • the MEA and the bipolar plates are arranged such that the reinforced area of the MEA is in each case accommodated in the lowered transition area of a bipolar plate adjoining the respective MEA.
  • the membrane electrode units in the active region typically each have a membrane electrode comprising an ionomer and at least one catalyst layer, preferably a membrane electrode and at least one gas diffusion layer (GDL).
  • GDL gas diffusion layer
  • the membrane electrodes or combinations of membrane electrodes and GDL (s) may additionally have at least one in particular frame-shaped reinforcement layer, preferably at least one reinforcement layer and at least one adhesive layer.
  • the adhesive layer can also penetrate into the other layers.
  • the membrane electrode, the gas diffusion layer (s) and the reinforcing layers together form the
  • MEA Membrane electrode unit
  • FIG. 1 shows a perspective view of an electrochemical system with a multiplicity of stacked bipolar plates and arranged between the bipolar plates
  • Membrane electrode assemblies a known from the prior art bipolar plate in a plan view; in two partial images, in each case a detail of an embodiment of a bipolar plate according to the invention in a plan view, wherein the bipolar plate has a distribution or collection region with webs and channels, a flow field with webs and channels and arranged between the distribution or collection region and the flow field transition region and wherein a maximum height of the transition region is lowered relative to a mean height of the webs of the distribution or collection region and with respect to a mean height of the webs of the flow field; a detail of another embodiment of a bipolar plate according to the invention with a lowered transition region in a plan view; a sectional view of a single plate of the bipolar plate of Figure 4A along a section line BB shown in Figure 4A ..; another sectional view of a section of
  • Fig. 1 shows an electrochemical system 1 with a stack 2 with a plurality of identical bipolar plates, which are stacked along a z-direction 7 and clamped between two end plates 3, 4.
  • Bipolar plates each comprise two interconnected individual plates, also called separator plates in this document.
  • the system 1 is a fuel cell stack. Each two adjacent bipolar plates of the stack 2 thus include between them an electrochemical cell which serves to convert chemical energy into electrical energy.
  • the electrochemical cells have z. B. each have a membrane electrode unit (MEA) and gas diffusion layers (GDL).
  • MEA membrane electrode unit
  • GDL gas diffusion layers
  • the system 1 may also be designed as an electrolyzer, compressor or as a redox flow battery.
  • Bipolar plates can also be used in these electrochemical systems. The construction of these bipolar plates corresponds to the construction of the bipolar plates described in more detail here, even if the media guided onto or through the bipolar plates can differ.
  • the end plate 4 has a multiplicity of ports 5, via which media 1 can be supplied to the system 1 and can be discharged from the system 1 via the media.
  • These system 1 can be fed and discharged from the system 1 media can, for.
  • fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or coolant such as water and / or glycol.
  • Fig. 2 shows a section of a known from the prior art bipolar plate 10, the z. B. in an electrochemical system according to the type of system 1 of FIG. 1 is usable.
  • recurring features are designated by the same reference numerals.
  • Bipolar plate 10 is formed of two cohesively assembled individual plates or separator plates 10a, 10b, of which in Fig. 2, only the first separator plate 10a is visible, which covers the second separator plate 10b.
  • the separator plates 10a, 10b may each be made of a metal sheet, for. B. from a stainless steel sheet.
  • the separator plates 10a, 10b have aligned through holes, the through holes IIa, IIb, 11c of the bipolar plate 10 form.
  • the passage openings 11a-c form lines which extend in the stacking direction 7 through the stack 2 (see FIG. 1).
  • each of the lines formed by the through-holes 11a-c is in fluid communication with one of the ports 5 in the end plate 4 of the system 1.
  • the lines formed by the through-holes IIa, IIb supply the fuel cell stack 2 with fuel and electrochemical cells with reaction gas.
  • coolant can be introduced into the stack 2 or discharged from the stack 2 via the line formed by the passage 11c.
  • the first separator plate 10a For sealing the passage openings 11a-c with respect to the interior of the stack 2 and with respect to the environment, the first separator plate 10a
  • Corrugations 12a, 12b, 12c which are respectively arranged around the through holes lla-c around and which completely surround the through holes lla-c.
  • the second separator plate 10b has at the side facing away from the viewer of Fig. 2 back of the bipolar plate 10 corresponding beads for sealing the passage openings lla-c (not shown).
  • the first separator plate 10a on its front side facing the observer of FIG. 2 has a flow field 17 with a plurality of webs 14, 15a and between the webs 14, 15a and through the webs 14, 15a limited channels 16 on.
  • FIG. 2 shows only a section of the active region 13 on the front side of the bipolar plate 10.
  • Separator 10a also a distribution or collection area 20, the webs 15b and between the webs 15b extending and limited by the webs 15b channels 18 includes.
  • the webs 15b of the distribution or collection area 20 are continuations of the webs 15a of the flow field 17. D. h., The webs 15a of the flow field 17 go into the webs 15b of the distribution or collection area 20 over.
  • the channels 18 of the distribution or collection region 20 of the first separator plate 10a are connected via feedthroughs 13a through the bead 12a in fluid communication with the passage opening IIa or with the conduit formed by the passage opening IIa through the stack 2. Again in FIG Fig.
  • Collection area 20 are guided in the channels 16 of the flow field 17 in the active region 13 of the bipolar plate 10.
  • the passage opening IIb or the conduit formed by the passage opening IIb through the stack 2 is correspondingly in fluid communication with a distribution or collection area 20 and via this with a flow field at the backside of the bipolar plate 10 facing away from the observer of FIG.
  • the through hole 11c and the pipe formed by the through hole 11c through the stack 2 are in fluid communication with a space 22 enclosed or enclosed by the separator plates 10a, 10b, which is formed to guide a coolant through the bipolar plate 10.
  • the first separator plate 10a also has another bead 12d which orbits the flow field 17, the distribution or collection region 20 and the through-holes IIa, IIb, and these, i. the gas spaces, opposite the passage opening 11c, d. H. relative to the coolant circuit, and seals against the environment of the system 1.
  • the webs 14, 15a, 15b and the beads 12a-d are formed integrally with the separator plate 10a and molded into the separator plate 10a, e.g. In an embossing or deep-drawing process.
  • FIG. 2 also shows a rectangular edge region 19 of the flow field 17, which is arranged on an end of the flow field 17 facing the distribution or collection region 20 and extends in the longitudinal direction. extends across the entire flow field 17, here transversely to the course of the channels 16 of the flow field 17.
  • this edge region 19 serves in each case to receive a reinforced region of
  • MEA Membrane electrode units
  • the MEA are not visible here. For this reason, the edge region 19 of the flow field is highlighted and marked with a boundary line. In the known bipolar plates 10, therefore, in this edge region 19 of the flow field 17, there is usually an increased compression of the MEA not visible here, the webs 15a and a reduction in the flow cross section of the channels 16. This can be achieved, for example. B. have an undesirably high pressure drop between the channels 18 of the distribution or collection area 20 and the channels 16 of the flow field 17 result.
  • the present invention primarily relates to an improvement with which the
  • FIG. 3 shows two partial images of a detail of a correspondingly improved separator plate 100a according to the invention in a top view.
  • the separator plate 100a is in each case one of two individual plates of a bipolar plate 100 according to the invention.
  • the separator plate 100a is also formed from a sheet metal, for example a metal plate. B. from a
  • This metal sheet can, for. B. a thickness of at most 150 ⁇ , preferably of at most 100 ⁇ , preferably of at most 90 ⁇ , more preferably of at most 80 ⁇ have.
  • FIG. 3A shows a flow field 17 and a distribution or collection area 20 of the separator plate 100a.
  • the flow field 17 has a multiplicity of webs 14a ', 14b, 15a and channels 16 arranged between these webs and bounded by these webs.
  • the distribution or Collection area 20 comprises webs 15b and channels 18 arranged between webs 15b and bounded by webs 15b. Webs 15b of the distribution or collection area 20 are continuations of webs 15a of flow field 17 (or vice versa).
  • D. h. The webs 15 a of the flow field 17 go continuously into the webs 15 b of the distribution or collection area
  • the channels 18 of the distribution or collection region 20 of the separator plate 100a are z. B. in fluid communication with a passage opening IIa of the separator plate 100a and the bipolar plate 100 (not shown in Fig. 3A), and the channels 16 of the flow field 17 of
  • Separator plate 100a are in fluid communication with the channels 18 of the distribution or collection area 18 of the separator plate 100a.
  • the webs 14a ', 14b, 15a are aligned parallel to one another in the region of the flow field 17.
  • the webs 15b are aligned parallel to one another in the region of the distribution or collection region 20.
  • Fig. 3A includes a direction of the
  • the separator plate 100a according to the invention as shown in FIG. 3A has a contiguous transition region 21 between the distribution or collection region 20 and the flow field 17.
  • the channels 16 of the flow field 17 are in fluid communication with the channels 18 of the distribution or collection region 20 via the contiguous transition region 21.
  • the continuous transition region 21 is characterized in that its maximum height h max relative to a mean height hi of the webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17 is lowered.
  • the maximum height h max of the transition region 21 in addition to a mean height h 2 of the webs 15b of the distribution or
  • the mean height hi denotes the mean maximum height of the webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17, which is determined in each case along a roof or apex of the webs 14a', 14b, 15a.
  • the middle Height h 2 the average maximum height of the webs 15 b of the distribution or collection area 20, which is determined in each case along a roof or apex of the webs 15 b.
  • the heights h max , hi and h 2 respectively denote the distance to the plane plane of the separator plate 100a which is determined perpendicular to the plane plane of the separator plate 100a.
  • the plane plane of the separator plate 100a is z. B.
  • the contiguous and lowered transition region 21 of the separator plate 100a according to the invention as shown in FIG. 3A serves not only for abutment but also for receiving a reinforced region of an MEA in the stack 2 between adjacent ones
  • Separator plates of the type of the separator plate 100a or between adjacent bipolar plates of the type of the bipolar plate 100 is arranged.
  • the separator plate 100a and the bipolar plate 100 as well as the MEA compared to the known separator plate 10a and against the known bipolar plate 10 in the stack 2 then undergoes a lower compression.
  • the webs 15b of the distribution or collection region 20 in each case transition continuously into their continuations 15a in the flow field 17.
  • the continuous transition of the webs 15b of the distribution or collection region 20 in the webs 15a of the flow field 17 is given by web sections 15c in the transition region 21, wherein the maximum height h max of the web sections 15c in the transition region 21 with respect to the maximum height hi of the webs 15a of the flow field 17 and with respect to the maximum height h 2 of the webs 15b of the distribution or collection area is lowered in each case as described above. Since the web portions 15c make a connection between webs 15a and 15b, whose progressively tions are angled relative to each other, the web portions 15c in the transition region 21 have a curved course.
  • every fourth of the webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17 is one of the webs 15a which, coming from the flow field 17, pass into the transition region 21 in the form of the web sections 15c extend the transition region 21 therethrough. Between the webs 15a 17 further webs 14a ', 14b are arranged in the flow field. Each of the second webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17 is one of the webs 14a' which do not extend into the transition region 21 over a length in the region of their width.
  • the webs 14b of the flow field 17 are one of the webs 14b, which merge continuously into lowered web portions 14c of the transition region 21.
  • the webs 14b of the flow field 17 thus at least partially extend into the lowered transition region 21 in the form of the lowered web sections 14c.
  • the web portions 14c of the transition region 21 do not go over into webs of the distribution or collection region 20, but end at the transition between the transition region 21 and the distribution or collection region 20.
  • the web sections 14c, 15c are arranged alternately in the transition region 21, so that between two web sections 15c which extend through the transition region 21 and which are continuous on both sides of the transition region 21 into the webs 15a of the flow field 17 and into the webs 15b of the distributor - Pass or collecting area 20, each one of the web portions 14c is arranged.
  • the web portions 14c, 15c of the transition region 21 each have the same maximum height h max . This ensures during pressing in the stack 2 z.
  • a uniform force input into the web portions 14c, 15c of the transition region 21, when the reinforced region of the membrane electrode unit, for receiving the lowered transition region 21 serves, along its course has a substantially constant thickness.
  • channels 23 are formed in the transition region 21, which are bounded by the web portions 14c, 15c.
  • the webs 15a of the flow field 17, which in the form of the web sections 15c in the transition region 21 merge into the webs 15b of the distribution or collection region 20 three further webs are arranged in the region of the flow field 17, namely two of the webs 14a ', which hardly extend into the transition region 21, and one of the webs 14 b, which extend in the form of the web portions 14 c in the transition region 21.
  • In the transition region 21 is between see two adjacent land portions 15 c only ever a further web portion 14 c arranged.
  • no further webs are arranged between two adjacent webs 15b.
  • the total number of lands 14 a ', 14 b, 15 a in the flow field 17 is greater than the total number of webs or land portions 14 c, 15 c in the transition region 21, and the total number the webs or web portions 14c, 15c in the transition region 21 is greater than the total number of webs 15b in the distribution or collection region 20.
  • each two of the channels 16 of the flow field 17 go into one of the channels 23 of the transition region 21, and two of each Channels 23 of the transition region 21 merge into one of the channels 18 of the distribution or collection area 20.
  • the distances of immediately adjacent webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17 and the distances of immediately adjacent webs or web sections 14c, 15c of the transitional region 21 in the region in which the webs 14a' terminate are different in each case. Accordingly, the widths of the channels 16 of the flow field 17 and the widths of the channels
  • the widths of the channels 23 of the transition region 21 are greater than the widths of the channels 16 of the flow field 17.
  • the total flow area of all channels 23 of the transition region 21 is greater than the total flow area of all channels 16 of Flow field 17.
  • the width of the channels 23 in the transition region 21 changes from the distribution or collection region 20 to the flow field 17.
  • the extension direction of the channels 23 and webs 14c, 15c changes. This allows a targeted steering of the gas flows from
  • the transition region 21 of the separator plate 100a according to FIG. B a rectangular shape and extends in its longitudinal direction, d. H. transverse to the running direction of the webs 14a ', 14b, 15a of the flow field 17, along the entire extent of the flow field 17.
  • a parallel to the direction of the webs 14a', 14b, 15a of the flow field 17 certain width of the
  • Transition area 21 corresponds to z. B. at least twice or at least three times the distance between two immediately adjacent webs of the flow field 17th
  • FIG. 3B shows, for an alternative separator plate 100a according to the invention, a detail in plan view, namely a section of the flow field 17, a section of the transition region 21 and a section of the distribution or collection region 20.
  • the embodiment differs from the preceding of FIG. 3A, on the one hand, in that the Webs 14a differently than the webs 14a 'at the dividing line between flow field 17 and transition region 21 end.
  • one of six adjacent webs 14a, 14b, 15a is formed here as a web 15a continuing into the distribution or collecting region, two of six webs 14a, 14b, 15a terminate in the transition region 21.
  • the group of webs comprises webs of different lengths, namely webs 14c ', which only a short distance in the Transition region protrude, and webs 14 c, which have a slightly larger Clearre- ckung in the transition region 21.
  • every second of the webs 14a, 14b, 15a, namely the web 14a extends only in the flow field 17.
  • the angle ⁇ between the webs 15a of the flow field 17 and the webs 15b of the distribution or collection region 20 within the section shown changes.
  • the angle oti is greater than the angle a 2 .
  • the width of the channels 18 changes in the section shown. All channels 18 widen from top right to bottom left, ie in the direction of flow field 17
  • Channels 18 have a greater width than the channels 18 extending further down. Both the change in angle and the change in width of the channels make it possible to disperse medium from a passage opening, not shown here, on the right above the section shown, to a flow field 17 as efficiently as possible.
  • FIG. 4A shows a section of a separator plate 200a according to the invention, which is a single plate of a bipolar plate 200 according to the invention. Another separator plate 200 b of the bipolar plate 200, which with the
  • the separator plate 200a according to FIG. 4A is a modified embodiment of the separator plate 100a according to FIG. 3, the cutout being functionally comparable to the cutout C of the separator plate 10a according to FIG. 2, marked with a dashed line.
  • the separator plate 200a according to FIG. 4A also has a
  • Transition region 21 which is arranged between the flow field 17 and the distribution or collection area 20 and the maximum height h max compared to the average height hi of the webs of the flow field 17 and with respect to the average height h 2 of the webs of the distribution or collection area 20 as previously in relation lowered to the separator plate 100a.
  • the separator plate 200a can therefore also be: 0.75-hi ⁇ h max ⁇ 0.95-hi and 0.5-h 2 ⁇ h max ⁇ 0.75-h 2 ,
  • the separator plate 200a of FIG. 4A is different from that of FIG.
  • Separator plate 100a of FIG. 3 characterized in that in the transition region 21st between two adjacent webs or web portions 15c, which extend completely through the transition region 21, two webs or web portions 14c are arranged which extend only partially into the transition region 21 or at the transition between the transition region 21 and the distribution or Expire collection area 20.
  • FIG. 4B shows a sectional view of the separator plate 200a of FIG. 4A following a straight cut line 24 (B-B) shown in FIG. 4A.
  • the cutting line 24 extends partially through the distribution or collection area 20 and closes with the straight webs 15b and channels 18 of the distribution or
  • Collection area 20 an angle of about 60 degrees.
  • the cutting plane is aligned perpendicular to the planar surface plane of the separator plate 200a.
  • FIG. 4B shows that at least one of the channels 18 of the distribution or collection region 20 has a varying depth for influencing the flow direction of the medium through this channel 18 in an area designated 24, the depth of the channel 18 being perpendicular to the plane of the plane the separator plate 200a is determined. It thus corresponds to the distance from the touch level E, in which the shown
  • the varying depth of the channel 18 in the region 24 thus also influences a flow direction of a coolant into or through the intermediate space 22 at the rear side of the separator plate 200a facing away from the observer of FIG. 4A.
  • the depth of the channel 18 may in the region 24 along the course of the channel 18 and / or across the
  • Course of the channel 18 vary.
  • the depth of at least one of the channels 23 of the transition region 21 along a flow direction of a medium through the transition region 21 and / or transversely to the flow direction of the medium through the transition region 21 vary.
  • Fig. 5 illustrates a section similar to the section shown in Fig. 4B, but showing a portion with four webs 15b.
  • the depths of the channels are further varied, so that the channel depth of the channels 18 'and in particular 18 "is substantially smaller than that of the channel 18. is created on the back, ie the plane E facing side of the separator 200a more space for the there running in the installed state coolant-carrying gap 22.
  • the bottoms of the channels 18 ', 18 "obliquely relative to the plane E, which allows a targeted guidance of coolant but also in the channels 18', 18" guided media, so that the lowest possible pressure drop results.
  • Also parallel to the plane E offset channel bottoms are possible in principle.
  • Fig. 4A further a section line 25 (AA) is highlighted, each extending in part through the flow field 17, the lowered transition region 21 and the distribution or collection area 20, wherein the section line 25 each at least in sections transverse to the webs and channels of Flow field 17, the transition region 21 and the distribution or collection area 20 extends.
  • Fig. 6 shows a sectional view of a portion of the stack 2 of an electrochemical system 1 according to the invention, for.
  • the stack 2 comprises a plurality of identically constructed bipolar plates 200 in the manner of the bipolar plate 200 according to FIG. 4.
  • the sectional plane is aligned perpendicular to the plane planes of the bipolar plates 200 and the separator plates 200a, 200b and follows the cut line 25 highlighted in FIG. 4A, ie the line A-A.
  • the flow fields 17, the transition regions 21 and the distribution or collection regions 20 of the separator plates 200a are highlighted.
  • a membrane composite 29 is arranged, each having an ionomer and at least one catalyst layer comprising membrane electrode 26, disposed on both sides of the membrane electrode 26 gas diffusion layers 27 and on both sides of the membrane electrode 26 arranged reinforcing layers 28.
  • the membrane electrode 26, the gas diffusion layer (s) 27 and the reinforcing layers 28 together form the membrane electrode assembly (MEA) 39.
  • Fig. 6 shows the stack 2 in a state in which the bipolar plates 200 and the membrane composites 29 along the z Direction 7, d. H. perpendicular to the planar surfaces of the bipolar plates 200 and the separator plates 200a, 200b, are not completely compressed.
  • the membrane composites 29 comprise in the region of the flow field 17, d. H. in the electrochemically active region of the bipolar plates 200, in each case only the membrane electrode 26 and the gas diffusion layers 27 arranged on both sides of the membrane electrode.
  • the membrane electrode 26 has, as already mentioned at the beginning, a catalyst coating on both sides.
  • the membrane composites 29 each comprise only the membrane electrode 26 and the reinforcing layers 28 arranged on both sides of the membrane electrode.
  • the membrane composites 29 each have a reinforced region 30, each comprising the membrane electrode 26 Reinforcement layers 28 arranged on both sides of the membrane electrode 26 and the gas diffusion layers 27 arranged on both sides of the membrane electrode 26 and on both sides of the reinforcement layers 28.
  • the reinforced area of the membrane composite 29 forms an edge of the membrane
  • Membrane composites 29 an increased thickness, which is determined along the stacking direction and along the z-direction 7.
  • the thickness of the membrane composites 29 in the reinforced region 30 can be increased in each case by at least 10 percent or by at least 25 percent compared to the active region.
  • the first separator plate 200a of the bipolar plates 200 has a continuous transition region 21 whose maximum height h max is opposite the mean height hi of the webs of the flow field and with respect to the mean height h 2 of the webs of the distribution field. or collection area 20 is lowered as previously described.
  • the corresponding area of the second separator plates 200b is not lowered in the embodiment of the bipolar plates 200 shown in FIG. 6, at least with respect to the flow field 17.
  • the reinforced area 30 of the membrane composites is in each case at least to one side (in FIG. 6 respectively at the bottom) in the lowered Transition region 21 of each adjacent separator plate 200 a recorded.
  • the separator plates 200 according to the invention according to FIG. 6 therefore result in a substantially lower compression of the membrane electrode unit and a smaller deformation of the webs of the transitional region 21 than in the known separator plates 100 according to FIG 2 in area 19 is the case.
  • the increase in thickness of the membrane composites 29 in the reinforced area 30 may possibly be slightly larger than the height reduction in the transition areas 21 of the separator plates 200a.
  • FIG. 7 shows a modified embodiment of the inventive electrochemical system 1 according to FIG. 6, again in the sectional illustration already shown in FIG. 6 along the section line 25 in FIG. 5.
  • the system 1 according to FIG. 7 again comprises a plurality of stacked ones
  • Bipolar plates 200 and disposed between the bipolar plates 200
  • Membrane composites 29 each in the lowered transition region 21 of an adjacent to the respective membrane composite 29 separator plate 200a, 200b is added.
  • FIG. 7 differs from the embodiment of the system 1 according to FIG. 7 only in that, in FIG. 7, the second separator plate 200b of the bipolar plates 200 is likewise formed corresponding to the first separator plate 200a and one as described above Having compared to the flow field 17 and / or compared to the distribution or collection area 20 lowered transition region 21 has.
  • FIG. 8 shows a modified embodiment of the inventive electrochemical system 1 according to FIG. 7, again in the sectional illustration already shown in FIG. 6 along the section line 25 in FIG. 5.
  • the system 1 according to FIG. 8 again comprises a plurality of stacked ones
  • Bipolar plates 200 and disposed between the bipolar plates 200
  • Membrane composites 29 each in the lowered transition region 21 of an adjacent to the respective membrane composite 29 separator plate 200a, 200b is added.
  • the embodiment of the system 1 according to FIG. 8 differs from the embodiment of the system 1 according to FIG. 8 only in that the gas diffusion layers 27 are parallel to the planar surface plane of the bipolar plates 200 or the separator plates 200a, 200b of the webs 15b of FIG Distributor or collecting area 20 are spaced and do not reach to the ridges 15b.
  • the distance of the gas diffusion layers 27 from the webs 15b substantially correspond to a channel width 18. In this way arises between the gas diffusion layers 27 and the webs 15b of the distribution or collection area 20 each have a volume 31 for receiving and removing condensate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (100a) für ein elektrochemisches System (1), umfassend: wenigstens eine erste Durchgangsöffnung (11a) in der Platte zum Durchleiten eines Mediums durch die Platte; einen Verteil‐ oder Sammelbereich (20) mit einer Vielzahl von Stegen (15b) und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen (18), die jeweils in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (11a) sind; ein Strömungsfeld (17), das über den Verteil‐ oder Sammelbereich (20) in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (11a) ist und das Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums durch das Strömungsfeld (17) aufweist, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte mittlere Höhe h1 haben; und einen zusammenhängenden, abgesenkten Übergangsbereich (21), der derart zwischen dem Verteil‐ oder Sammelbereich (20) und dem Strömungs‐ feld (17) angeordnet ist, dass für jeden der Kanäle (18) des Verteil‐ oder Sammelbereichs (20) gilt, dass von dem Kanal (18) in das Strömungsfeld (17) oder von dem Strömungsfeld (17) in den Kanal (18) strömendes Medium den Übergangsbereich (21) durchströmt, wobei der Übergangsbereich (21) eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte maximale Höhe hmax hat; wobei gilt: hmax ≤ 0,95∙h1. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte mit wenigstens einer Separatorplatte der zuvor genannten Art sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von Bipolarplatten.

Description

Separatorplatte für ein elektrochemisches System
Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System, die eine solche
Separatorplatte enthält, sowie ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten oder Bipolarplatten. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow-Batterie sein. Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die
Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet, die im Rahmen dieses Dokuments auch als Separatorplatten bezeichnet werden. Die Einzelplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
Die Bipolarplatten bzw. die Einzelplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten
Bipolarplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder meh- reren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zel- le entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medienbzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
Ferner weisen die Bipolarplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, durch die hindurch die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Bipolarplatten des Stapels ange- ordneten elektrochemischen Zellen geleitet oder von diesen weggeführt werden können. Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdif- fusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
Insbesondere in verstärkten Randbereichen der MEA kann es beim
Verpressen der Bipolarplatten und der zwischen den Bipolarplatten angeord- neten MEA zu verstärkten Verformungen der Bipolarplatten zur Überpressung der Gasdiffusionslage bzw. MEA und/oder zu einer Behinderung des Medienflusses kommen. Dies kann die Lebensdauer und die Effizienz des Systems verringern. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Separatorplatte für ein elektrochemisches System zu schaffen, die die oben genannten Nachteile möglichst vollständig überwindet und im Betrieb eine möglichst lange Lebensdauer und eine möglichst gute Effizienz gewährleistet. Ferner soll eine Bipolarplatte geschaffen werden, die eine derartige
Separatorplatte enthält, sowie ein elektrochemisches System mit einer Mehrzahl entsprechender Separatorplatten oder Bipolarplatten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorplatte gemäß Anspruch 1, durch eine Bipolarplatte, die eine solche Separatorplatte enthält, sowie durch ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten oder Bipolarplatten. Spezielle Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Separatorplatte für ein elektrochemisches Sys- tem, umfassend:
wenigstens eine erste Durchgangsöffnung in der Platte zum Durchleiten eines Mediums durch die Platte;
einen Verteil- oder Sammelbereich mit einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung sind; ein Strömungsfeld, das über den Verteil- oder Sammelbereich in Fluid- verbindung mit der Durchgangsöffnung ist und das Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums durch das Strömungsfeld aufweist, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte mittlere Höhe hi haben; und
einen zusammenhängenden, abgesenkten Übergangsbereich, der derart zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich und dem Strömungsfeld angeordnet ist, dass für jeden der Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs gilt, dass von dem Kanal in das Strömungsfeld oder von dem Strömungsfeld in den Kanal strömendes Medium den Übergangsbereich durchströmt, wobei der Übergangsbereich eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte maximale Höhe hmax hat, wobei gilt: hmax < 0,95-hi.
Die mittlere Höhe hi kann dabei die mittlere maximale Höhe der Leitstruktu- ren des Strömungsfeldes bezeichnen. Sind die Leitstrukturen des Strömungsfeldes z. B. als Stege ausgebildet, so kann die maximale Höhe dieser Stege jeweils entlang eines Daches oder eines Scheitels dieser Stege bestimmt werden. Die Höhen hmax und hi bezeichnen dabei vorzugsweise jeweils den senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte bestimmten Abstand zur Plan- flächenebene der Separatorplatte. Die Planflächenebene der Separatorplatte ist z. B. durch einen Rand der Separatorplatte oder durch diejenigen ebenen Bereiche eines Metallbleches, aus dem die Separatorplatte gebildet ist, gegeben, die nicht infolge eines Präge- oder Tiefziehprozesses zur Bildung der Leitstrukturen des Strömungsfeldes und/oder zur Bildung der Stege des Verteil- oder Sammelbereichs verformt sind.
Wenn die Separatorplatte in einem elektrochemischen System angeordnet ist, das eine Vielzahl von Separatorplatten der vorgeschlagenen Art und zwischen den Separatorplatten angeordnete MEA umfasst, so können sich am das Strömungsfeld umlaufenden Rand des Strömungsfeldes ein katalysatorbeschichtetes lonomer, eine rahmenförmige Verstärkungslage und Gasdiffusi- onslage(n) überlappen, wodurch dieser Bereich der MEA eine größere Dicke aufweist als der übrige Bereich der MEA. Der abgesenkte Übergangsbereich kann dann zur Aufnahme dieses verstärkten Bereichs der an die
Separatorplatte angrenzenden MEA dienen. So kann eine beim Verpressen der Platte und der MEA auftretende Verpressung der MEA reduziert und deren Lebensdauer auf diese Weise verlängert werden. Ferner kann durch eine Aufnahme des verstärkten Randbereichs der MEA außerhalb des Strömungsfeldes und damit außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs der Separatorplatte eine negative Beeinflussung des Medienflusses im Bereich des Strömungsfeldes reduziert oder unterbunden werden.
Die Stege des Verteil- oder Sammelbereichs können eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte mittlere Höhe h2 haben. Dabei kann gelten: hmax < 0,9-h2. Die mittlere Höhe h2 kann die mittlere maximale Höhe der Stege des Verteil- oder Sammelbereiches bezeichnen, die z. B. jeweils entlang eines Daches oder Scheitels dieser Stege bestimmt wird. Die Höhe h2 bezeichnet vorzugsweise wiederum den senkrecht zur Planflächenebene der
Separatorplatte bestimmten Abstand zur Planflächenebene der
Separatorplatte.
Der abgesenkte Übergangsbereich kann quer zur Strömungsrichtung des Mediums durch den Übergangsbereich oder im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Mediums durch den Übergangsbereich einen geraden Verlauf haben. Mit anderen Worten weist der abgesenkte Übergangsbereich vorzugsweise eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, wobei er sieh in einer Richtung quer zur Richtung der Leitstrukturen des Strömungsfeldes wesentlich weiter erstrecken kann als in Richtung der Leitstrukturen des Strömungsfeldes.
Die Leitstrukturen des Strömungsfeldes können eine Vielzahl von Stegen und ggf. zwischen den Stegen ausgebildete Kanäle umfassen. Die Stege des Strömungsfeldes können sich wenigstens teilweise in den Übergangsbereich hinein erstrecken.
Die Stege des Verteil- oder Sammelbereichs können sich durch den Übergangsbereich hindurch erstrecken und in Stege des Strömungsfeldes übergehen. Diese sich durch den Übergangsbereich hindurch erstreckenden Stege sind dann gewöhnlich im Übergangsbereich abgesenkt. Zwischen den Stegen des Strömungsfeldes, die in Stege des Verteil- oder Sammelbereichs übergehen, können im Bereich des Strömungsfeldes weitere Stege angeordnet sein. Diese weiteren Stege des Strömungsfeldes können sich in den abgesenkten Übergangsbereich hinein erstrecken. Z. B. kann sich wenigstens jeder zwölfte oder wenigstens jeder sechste dieser weiteren Stege des Strömungsfeldes in den abgesenkten Übergangsbereich hinein erstrecken.
Die Stege, die sich durch den Übergangsbereich hindurch erstrecken und/ode die sich in den Übergangsbereich hinein erstrecken, können im Übergangsgereich dieselbe maximale Höhe hmax haben.
Das Strömungsfeld kann eine Anzahl ni von Kanälen aufweisen, und der Verteil- oder Sammelbereich kann eine Anzahl n2 von Kanälen aufweisen. Dabei kann gelten: ni > 2·η2, vorzugsweise ni > 3·η2.
Eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte Tiefe mindestens eines der Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs kann zur Beeinflussung der Strömungsrichtung des Mediums variieren. Wie im Verteil- oder Sammelbereich so können aber auch zwischen den Stegen, die im Übergangsbereich angeordnet sind oder die sich durch den Verteil- oder Sammelbereich hindurch erstrecken, Kanäle zur Medienführung ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu den Kanälen des Verteil- oder Sammelbereichs können auch die Kanäle im Übergangsbereich oder wenigstens einer der Kanäle im Übergangsbereich eine Tiefe haben, die zur Beeinflussung der Strömungsrichtung des Mediums variiert, wobei die Tiefe der Kanäle im Übergangsbereich wiederum senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmt wird.
Beispielsweise kann die Tiefe mindestens eines Kanals des Übergangsbereichs und/oder des Verteil- oder Sammelbereichs entlang seines Verlaufs variieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Tiefe mindestens eines Kanals des Übergangsbereichs und/oder des Verteil- oder Sammelbereichs auch quer zur Strömungsrichtung des Mediums im Kanal oder durch den Kanal variieren.
Die Separatorplatte kann ferner eine Sicke aufweisen, die die Durchgangsöffnung in der Separatorplatte zum Abdichten der Durchgangsöffnung vollstän- dig umschließt. Diese Sicke kann Durchführungen zum Durchleiten eines Mediums durch die Sicke aufweisen. Die Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs können dann über diese Durchführungen in der Sicke in Fluidverbin- dung mit der Durchgangsöffnung sein.
Ferner wird eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, die eine erste Separatorplatte der zuvor beschriebenen Art und eine zweiten Separatorplatte umfasst. Üblicherweise sind die erste und die zweite Separatorplatte zusammengefügt, vorzugsweise mittels einer oder mehrerer stoffschlüssiger Verbindungen. Die stoffschlüssigen Verbindungen können z.
B. als Schweißverbindungen ausgebildet sein, insbesondere als Laserschweißverbindungen. Die zweite Separatorplatte weist wie die erste Separatorplatte ebenfalls wenigstens eine Durchgangsöffnung auf. Zur Ausbildung wenigstens einer Durchgangsöffnung in der Bipolarplatte sind die Durchgangsöffnungen der ersten und der zweiten Separatorplatte fluchtend angeordnet. Vorteilhafterweise weist die Bipolarplatte allerdings eine solche Anzahl Durchgangsöffnungen auf, dass für jedes Medium mindestens eine Zuführ- und eine Abführöffnung vorhanden ist, beispielsweise also je zwei Durchgangsöffnungen für Brennstoff, Reaktionsgas und Kühlmittel.
Es kann vorgesehen sein, dass nur die erste Separatorplatte wie zuvor beschrieben ausgebildet ist und zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich und dem Strömungsfeld einen abgesenkten Übergangsbereich aufweist. Für die maximale Höhe hmax des Übergangsbereichs der ersten Separatorplatte und für die maximale Höhe hi der Leitstrukturen des Strömungsfeldes der ersten
Separatorplatte gilt dann vorzugsweise: hmax < 0,9-hi.
Ebenso ist es denkbar, dass zusätzlich zur ersten Separatorplatte der
Bipolarplatte auch die zweite Separatorplatte der Bipolarplatte wie zuvor be- schrieben ausgebildet ist. In diesem Fall umfasst dann also auch die zweite
Separatorplatte der Bipolarplatte:
einen Verteil- oder Sammelbereich mit einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung der Bipolarplatte sind; ein Strömungsfeld, das über den Verteil- oder Sammelbereich der zweiten Separatorplatte in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung der Bipolarplatte ist und das Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums durch das Strömungsfeld aufweist, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes der zweiten Separatorplatte eine senkrecht zur Planflächenebene der zweiten Separatorplatte bestimmte mittlere Höhe h12 haben; und
einen zusammenhängenden, abgesenkten Übergangsbereich, der derart zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich der zweiten Separatorplatte und dem Strömungsfeld der zweiten Separatorplatte angeordnet ist, dass für jeden der Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs der zweiten
Separatorplatte gilt, dass von dem Kanal in das Strömungsfeld der zweiten Separatorplatte oder von dem Strömungsfeld der zweiten Separatorplatte in den Kanal strömendes Medium den Übergangsbereich der zweiten
Separatorplatte durchströmt, wobei der Übergangsbereich der zweiten Separatorplatte eine senkrecht zur Planflächenebene der zweiten
Separatorplatte oder der Bipolarplatte bestimmte maximale Höhe hmax,2 hat, wobei gilt: hmax,2 < 0,95-hi2.
Für die maximale Höhe hmax,i des Übergangsbereichs der ersten
Separatorplatte und für die maximale Höhe h der Leitstrukturen des Strömungsfeldes der ersten Separatorplatte kann insbesondere auch gelten: 0,85 hn< hmax,i < 0,95-hn. Gleichzeitig kann dann für die maximale Höhe hmax<2 des Übergangsbereichs der zweiten Separatorplatte und für die maximale Höhe hi2 der Leitstrukturen des Strömungsfeldes der zweiten Separatorplatte gelten: 0,85 hiz < hmax,2 < 0,95-h12.
Die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte der Bipolarplatte können derart ausgebildet und zusammengefügt sein, dass sie einen Zwischenraum zur Kühlmittelführung einschließen. Die oben genannte Variation der Tiefe mindestens eines Kanals des Übergangsbereichs und/oder des Verteil- oder Sammelbereichs entlang oder quer zum Kanalverlauf kann insbesondere die Verteilung des Kühlmittels positiv beeinflussen. Prinzipiell kann eine solche Variation stetig oder stufenförmig erfolgen. Insbesondere kann der Boden eines Kanals quer zu seiner Erstreckungsrichtung schräg verlaufen. Eine Verringerung der Tiefe eines Kanals resultiert in einer Vergrößerung des für die Kühlmittelführung zur Verfügung stehenden Raums.
Vorgeschlagen wird ferner ein elektrochemisches System, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Vielzahl von gestapelten
Bipolarplatten der zuvor beschriebenen Art und mit einer Vielzahl von zwischen den gestapelten Bipolarplatten angeordneten MEA. Die MEA weisen jeweils einen aktiven Bereich mit einer ersten Dicke und einen verstärkten Bereich mit einer gegenüber der ersten Dicke vergrößerten zweiten Dicke auf.
Die MEA und die Bipolarplatten sind derart angeordnet, dass der verstärkte Bereich der MEA jeweils im abgesenkten Übergangsbereich einer an die jeweilige MEA angrenzenden Bipolarplatte aufgenommen ist. Typischerweise weisen die Membranelektrodeneinheiten im aktiven Bereich jeweils eine aus ein lonomer und mindestens eine Katalysatorschicht umfassende Membranelektrode auf, vorzugsweise eine Membranelektrode und wenigstens eine Gasdiffusionslage (GDL). Im verstärkten Bereich können die Membranelektroden bzw. Kombinationen aus Membranelektroden und GDL(s) zusätzlich mindestens eine insbesondere rahmenförmige Verstärkungslage aufweisen, vorzugsweise mindestens eine Verstärkungslage und mindestens eine Klebeschicht. Die Klebeschicht kann dabei auch in die anderen Lagen eindringen. Üblicherweise bilden die Membranelektrode, die Gas- diffusionslage(n) und die Verstärkungslagen zusammen die
Membranelektrodeneinheit (MEA).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten und zwischen den Bipolarplatten angeordneten
Membranelektrodeneinheiten; eine aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatte in einer Draufsicht; in zwei Teilbildern jeweils ein Detail einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Draufsicht, wobei die Bipolarplatte einen Verteil- oder Sammelbereich mit Stegen und Kanälen, ein Strömungsfeld mit Stegen und Kanälen und einen zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich und dem Strömungsfeld angeordneten Übergangsbereich aufweist und wobei eine maximale Höhe des Übergangsbereiches gegenüber einer mittleren Höhe der Stege des Verteil- oder Sammelbereichs und gegenüber einer mittleren Höhe der Stege des Strömungsfeldes abgesenkt ist; ein Detail einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einem abgesenkten Übergangsbereich in einer Draufsicht; eine Schnittdarstellung einer Einzelplatte der Bipolarplatte aus Fig. 4A entlang einer in Fig. 4A dargestellten Schnittlinie B-B; eine weitere Schnittdarstellung eines Abschnittes der
Bipolarplatte; eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System entlang einer in Fig. 4A dargestellten Schnittlinie A-A; eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System gemäß einer weiteren Ausführungsform; sowie eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes elektrochemisches System gemäß einer weiteren Ausführungsform. Fig. 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einem Stapel 2 mit einer Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten, die entlang einer z-Richtung 7 gestapelt und zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt sind. Die
Bipolarplatten umfassen jeweils zwei miteinander verbundene Einzelplatten, in diesem Dokument auch Separatorplatten genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten des Stapels 2 schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Die elektrochemischen Zellen weisen z. B. jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) und Gasdiffusionslagen (GDL) auf. Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten entspricht dem Aufbau der hier näher erläu- terten Bipolarplatten, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien unterscheiden können.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Ports 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte 10, die z. B. in einem elektrochemischen System nach der Art des Systems 1 aus Fig. 1 verwendbar ist. Hier und im Folgenden sind wieder- kehrende Merkmale mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die
Bipolarplatte 10 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten oder Separatorplatten 10a, 10b gebildet, von denen in Fig. 2 nur die erste Separatorplatte 10a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 10b verdeckt. Die Separatorplatten 10a, 10b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 10a, 10b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen IIa, IIb, 11c der Bipolarplatte 10 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 10 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 2 er- strecken (siehe Fig. 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen lla-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Beispielsweise dienen die von den Durchgangsöffnungen IIa, IIb gebildeten Leitungen der Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 2 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas. Über die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung dagegen kann Kühlmittel in den Stapel 2 eingeleitet oder aus dem Stapel 2 abgeleitet werden.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des Stapels 2 und gegenüber der Umgebung weist die erste Separatorplatte 10a
Sicken 12a, 12b, 12c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig umschließen. Die zweite Separatorplatte 10b weist an der vom Betrachter der Fig. 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatte 10 entsprechende Sicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c auf (nicht gezeigt).
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 13 der Bipolarplatte 10 weist die erste Separatorplatte 10a an ihrer dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit einer Vielzahl von Stegen 14, 15a und zwischen den Stegen 14, 15a verlaufenden und durch die Stege 14, 15a begrenzten Kanälen 16 auf. In Fig. 2 ist nur ein Ausschnitt des aktiven Bereichs 13 an der Vorderseite der Bipolarplatte 10 gezeigt. An der dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatte 10 weist die erste
Separatorplatte 10a zudem einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf, der Stege 15b und zwischen den Stegen 15b verlaufende und durch die Stege 15b begrenzte Kanäle 18 umfasst. Die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind dabei Fortführungen der Stege 15a des Strömungsfeldes 17. D. h., die Stege 15a des Strömungsfeldes 17 gehen in die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 über. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 nur einige der Stege 14, 15a, 15b und der Kanäle 16, 18 mit Bezugszeichen bezeichnet. Die Kanäle 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 der ersten Separatorplatte 10a sind über Durchführungen 13a durch die Sicke 12a in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung IIa bzw. mit der von der Durchgangsöffnung IIa ge- bildeten Leitung durch den Stapel 2. Wiederum der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 nur einige der Durchführungen 13a durch die Sicke 12a mit Bezugszeichen bezeichnet. Ebenso sind die Kanäle 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 in Fluidverbindung mit den Kanälen 16 des Strömungsfeldes 17. So kann ein durch die Durchgangsöffnung IIa geführtes Medium über die Durchführungen 13a in der Sicke 12a und über die Kanäle 18 des Verteil- oder
Sammelbereichs 20 in die Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17 im aktiven Bereich 13 der Bipolarplatte 10 geführt werden.
Die Durchgangsöffnung IIb bzw. die die von der Durchgangsöffnung IIb gebildete Leitung durch den Stapel 2 ist in entsprechender Weise in Fluidverbindung mit einem Verteil- oder Sammelbereich 20 und über diesen mit einem Strömungsfeld an der vom Betrachter der Fig. 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatte 10. Die Durchgangsöffnung 11c dagegen bzw. die von der Durchgangsöffnung 11c gebildete Leitung durch den Stapel 2 ist in Fluidverbindung mit einem von den Separatorplatten 10a, 10b eingeschlossenen oder umschlossenen Zwischenraum 22, der zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 10 ausgebildet ist.
Schließlich weist die erste Separatorplatte 10a noch eine weitere Sicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen IIa, IIb umläuft und diese, d.h. die Gasräume, gegenüber der Durchgangsöffnung 11c, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die Stege 14, 15a, 15b und die Sicken 12a-d sind einteilig mit der Separatorplatte 10a ausgebildet und in die Separatorplatte 10a eingeformt, z. B. in einem Präge- oder Tief- ziehprozess.
In Fig. 2 ist ferner ein rechteckiger Randbereich 19 des Strömungsfeldes 17 hervorgehoben, der an einem dem Verteil- oder Sammelbereich 20 zuge- wandten Ende des Strömungsfeldes 17 angeordnet ist und sich in Längsrich- tung über das gesamte Strömungsfeld 17 erstreckt, hier quer zum Verlauf der Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17. Im Stapel 2 des Systems 1 dient dieser Randbereich 19 jeweils der Aufnahme eines verstärkten Bereichs der
Membranelektrodeneinheiten (MEA), die jeweils zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 10 des Stapels 2 angeordnet sind. Die MEA sind hier nicht sichtbar. Aus diesem Grund ist der Randbereich 19 des Strömungsfelds mit einer Begrenzungslinie hervorgehoben und gekennzeichnet. Bei den bekannten Bipolarplatten 10 kommt es in diesem Randbereich 19 des Strömungsfeldes 17 daher gewöhnlich zu einer verstärkten Verpressung der hier nicht sichtbaren MEA, der Stege 15a und zu einer Verkleinerung des Strömungsquerschnitts der Kanäle 16. Dies kann z. B. einen unerwünscht starken Druckabfall zwischen den Kanälen 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und den Kanälen 16 des Strömungsfeldes 17 zur Folge haben. Die vorliegende Erfindung betrifft vorrangig eine Verbesserung, mit der die
Nachteile, die mit der oben beschriebenen verstärkten Verpressung der bekannten Separatorplatte 10a oder Bipolarplatte 10 oder der MEA im Randbereich 19 des Strömungsfeldes 17 verbunden sein können, verringert oder beseitigt werden sollen.
Fig. 3 zeigt in zwei Teilbildern je einen Ausschnitt einer entsprechend verbesserten erfindungsgemäßen Separatorplatte 100a in einer Draufsicht. Die Separatorplatte 100a ist hier jeweils eine von zwei Einzelplatten einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 100. Wie die bekannte Separatorplatte 10a ist auch die Separatorplatte 100a aus einem Metallblech gebildet, z. B. aus einem
Edelstahlblech geprägt oder tiefgezogen. Dieses Metallblech kann z. B. eine Dicke von höchstens 150 μιη, vorzugsweise von höchstens 100 μιη, vorzugsweise von höchstens 90 μιη, besonders vorzugsweise von höchstens 80 μιη haben.
Fig. 3A zeigt insbesondere ein Strömungsfeld 17 und einen Verteil- oder Sammelbereich 20 der Separatorplatte 100a. Wie zuvor sind wiederkehrende Merkmale mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Strömungsfeld 17 weist eine Vielzahl von Stegen 14a', 14b, 15a und zwischen diesen Stegen an- geordnete und durch diese Stege begrenzte Kanäle 16 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Stege 15b und zwischen den Stegen 15b angeordnete und durch diese Stege 15b begrenzte Kanäle 18. Die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind Fortführungen der Stege 15a des Strömungsfeldes 17 (oder umgekehrt). D. h., die Stege 15a des Strömungsfeldes 17 gehen kontinuierlich in die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereiches
20 über. Wie bei der in Fig. 2 gezeigten und aus dem Stand der Technik bekannten Separatorplatte 10a sind die Kanäle 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 der Separatorplatte 100a z. B. in Fluidverbindung mit einer Durchgangsöffnung IIa der Separatorplatte 100a bzw. der Bipolarplatte 100 (in Fig. 3A nicht gezeigt), und die Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17 der
Separatorplatte 100a sind in Fluidverbindung mit den Kanälen 18 des Verteiloder Sammelbereichs 18 der Separatorplatte 100a. Die Stege 14a', 14b, 15a sind im Bereich des Strömungsfeldes 17 parallel zueinander ausgerichtet. Ebenso sind die Stege 15b im Bereich des Verteil- oder Sammelbereichs 20 parallel zueinander ausgerichtet. In Fig. 3A schließt eine Verlaufsrichtung der
Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 mit einer Verlaufsrichtung der Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 einen Winkel α von ca. 70 Grad ein. Gegenüber der bekannten Separatorplatte 10a gemäß Fig. 2 weist die erfindungsgemäße Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3A zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich 20 und dem Strömungsfeld 17 einen zusammenhängenden Übergangsbereich 21 auf. Die Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17 sind über den zusammenhängenden Übergangsbereich 21 in Fluidverbindung mit den Kanälen 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20. Wie insbesondere anhand der Figuren 4 und 6-8 näher erläutert wird, zeichnet sich der zusammenhängende Übergangsbereich 21 dadurch aus, dass seine maximale Höhe hmax gegenüber einer mittleren Höhe hi der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 abgesenkt ist. Hier ist die maximale Höhe hmax des Übergangsbereichs 21 zusätzlich gegenüber einer mittleren Höhe h2 der Stege 15b des Verteil- oder
Sammelbereichs 20 abgesenkt.
Die mittlere Höhe hi bezeichnet dabei die mittlere maximale Höhe der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17, die jeweils entlang eines Daches oder Scheitels der Stege 14a', 14b, 15a bestimmt wird. Ebenso bezeichnet die mitt- lere Höhe h2 die mittlere maximale Höhe der Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereiches 20, die jeweils entlang eines Daches oder Scheitels der Stege 15b bestimmt wird. Die Höhen hmax, hi und h2 bezeichnen jeweils den senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte 100a bestimmten Ab- stand zur Planflächenebene der Separatorplatte 100a. Die Planflächenebene der Separatorplatte 100a ist z. B. durch einen Rand der Separatorplatte 100a oder durch diejenigen ebenen Bereiche des Metallbleches, aus dem die Separatorplatte 100a gebildet ist, gegeben, die nicht infolge des oben beschriebenen Präge- oder Tiefziehprozesses zur Bildung der Stege 14a', 14b, 15a, 15b und der Sicken 12a-d verformt sind. Für die Höhen hmax und hi gilt typischerweise: 0,75-hi < hmax < 0,95-hi. Und für die Höhen hmax und h2 gilt typischerweise: 0,5-h2 < hmax < 0,75-h2.
Abweichend vom Randbereich 19 des Strömungsfeldes 17 der bekannten Separatorplatte 10a gemäß Fig. 2 dient der zusammenhängende und abgesenkte Übergangsbereich 21 der erfindungsgemäßen Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3A nicht nur zur Anlage sondern auch zur Aufnahme eines verstärkten Bereichs einer MEA, die im Stapel 2 zwischen benachbarten
Separatorplatten von der Art der Separatorplatte 100a oder zwischen be- nachbarten Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 100 angeordnet ist.
Durch die Absenkung im Übergangsbereich 21 erfährt die Separatorplatte 100a bzw. die Bipolarplatte 100 ebenso wie die MEA gegenüber der bekannten Separatorplatte 10a bzw. gegenüber der bekannten Bipolarplatte 10 im Stapel 2 dann eine geringere Verpressung.
In Fig. 3A ist deutlich zu erkennen, dass die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 jeweils kontinuierlich in ihre Fortführungen 15a im Strömungsfeld 17 übergehen. Dabei ist der kontinuierliche Übergang der Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 in die Stege 15a des Strömungsfel- des 17 durch Stegabschnitte 15c im Übergangsbereich 21 gegeben, wobei die maximale Höhe hmax der Stegabschnitte 15c im Übergangsbereich 21 gegenüber der maximalen Höhe hi der Stege 15a des Strömungsfeldes 17 und gegenüber der maximalen Höhe h2 der Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs jeweils wie zuvor beschrieben abgesenkt ist. Da die Stegabschnitte 15c eine Verbindung zwischen Stegen 15a und 15b herstellen, deren Verlaufsrich- tungen relativ zueinander angewinkelt sind, haben die Stegabschnitte 15c im Übergangsbereich 21 einen bogenförmigen Verlauf.
Fig. 3A ist weiter entnehmbar, dass es sich bei jedem vierten der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 um einen der Stege 15a handelt, die sich vom Strömungsfeld 17 kommend in Gestalt der Stegabschnitte 15c in den Übergangsbereich 21 hinein und vollständig durch den Übergangsbereich 21 hindurch erstrecken. Zwischen den Stegen 15a sind im Strömungsfeld 17 weitere Stege 14a', 14b angeordnet. Bei jedem zweiten der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 handelt es sich dabei um einen der Stege 14a', die sich nicht bzw. nur über eine Länge im Bereich ihrer Breite in den Übergangsbereich 21 hinein erstrecken. Und wiederum bei jedem vierten der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 handelt es sich um einen der Stege 14b, die kontinuierlich in abgesenkte Stegabschnitte 14c des Übergangsbereichs 21 übergehen. Die Stege 14b des Strömungsfeldes 17 reichen also in Gestalt der abgesenkten Stegabschnitte 14c wenigstens teilweise in den abgesenkten Übergangsbereich 21 hinein. Im Gegensatz zu den Stegabschnitten 15c des Übergangsbereichs 21 gehen die Stegabschnitte 14c des Übergangsbereichs 21 jedoch nicht in Stege des Verteil- oder Sammelbereichs 20 über, sondern enden am Übergang zwischen dem Übergangsbereich 21 und dem Verteiloder Sammelbereich 20.
Die Stegabschnitte 14c, 15c sind im Übergangsbereich 21 abwechselnd angeordnet, so dass zwischen zwei Stegabschnitten 15c, die sich durch den Über- gangsbereich 21 hindurch erstrecken und die beiderseits des Übergangsbereichs 21 kontinuierlich in die Stege 15a des Strömungsfeldes 17 und in die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 übergehen, jeweils einer der Stegabschnitte 14c angeordnet ist. Die Stegabschnitte 14c, 15c des Übergangsbereichs 21 haben dabei jeweils dieselbe maximale Höhe hmax. Dies ge- währleistet beim Verpressen im Stapel 2 z. B. einen gleichmäßigen Krafteintrag in die Stegabschnitte 14c, 15c des Übergangsbereichs 21, wenn der verstärkte Bereich der Membranelektrodeneinheit, zu deren Aufnahme der abgesenkte Übergangsbereich 21 dient, entlang seines Verlaufs eine im Wesentlichen konstante Dicke hat. Zwischen den abgesenkten Stegabschnitten 14c, 15c des Übergangsbereichs 21 sind im Übergangsbereich 21 Kanäle 23 ausgebildet, die durch die Stegabschnitte 14c, 15c begrenzt werden. Zwischen zwei benachbarten Stegen 15a des Strömungsfeldes 17, die in Gestalt der Stegabschnitte 15c im Übergangs- bereich 21 in die Stege 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 übergehen, sind im Bereich des Strömungsfeldes 17 je drei weitere Stege angeordnet, nämlich jeweils zwei der Stege 14a', die kaum in den Übergangsbereich 21 hineinreichen, und einer der Stege 14b, die in Gestalt der Stegabschnitte 14c in den Übergangsbereich 21 hineinreichen. Im Übergangsbereich 21 ist zwi- sehen zwei benachbarten Stegabschnitten 15c nur noch je ein weiterer Stegabschnitt 14c angeordnet. Und im Verteil- oder Sammelbereich 20 sind zwischen zwei benachbarten Stegen 15b keine weiteren Stege angeordnet.
Mit anderen Worten gilt bei der Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3A für die Anzahl ns der Stege im Strömungsfeld 17, für die Anzahl nu der Stege im Übergangsbereich 21 und für die Anzahl nVs der Stege im Verteil- oder Sammelbereich 21: ns = 2-nu und nu = 2-nVs- D. h., die Gesamtzahl der Stege 14a', 14b, 15a im Strömungsfeld 17 ist größer als die Gesamtzahl der Stege oder Stegabschnitte 14c, 15c im Übergangsbereich 21, und die Gesamtzahl der Stege oder Stegabschnitte 14c, 15c im Übergangsbereich 21 ist größer als die Gesamtzahl der Stege 15b im Verteil- oder Sammelbereich 20. Insbesondere gehen damit je zwei der Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17 in einen der Kanäle 23 des Übergangsbereichs 21 über, und je zwei der Kanäle 23 des Übergangsbereichs 21 gehen in einen der Kanäle 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 über.
Entsprechend sind die Abstände unmittelbar benachbarter Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 und die Abstände unmittelbar benachbarter Stege oder Stegabschnitte 14c, 15c des Übergangsbereichs 21 in dem Bereich, in dem die Stege 14a' enden, jeweils unterschiedlich. Entsprechend sind auch die Breiten der Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17 und die Breiten der Kanäle
23 des Übergangsbereichs 21 in dem Bereich, in dem die Stege 14a' enden, jeweils unterschiedlich. So sind die Breiten der Kanäle 23 des Übergangsbereichs 21 größer als die Breiten der Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17. Insbesondere ist der Gesamtströmungsquerschnitt aller Kanäle 23 des Übergangs- bereichs 21 größer als der Gesamtströmungsquerschnitt aller Kanäle 16 des Strömungsfeldes 17. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass bei der
Separatorplatte 100a zwischen den Kanälen 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und den Kanälen 16 des Strömungsfeldes 17 kein signifikanter Druckabfall erfolgt oder dass ein solcher Druckabfall jedenfalls wesentlich geringer ist als bei der bekannten Separatorplatte 10a gemäß Fig. 2.
Weiter wird aus Fig. 3A deutlich, dass sich die Breite der Kanäle 23 im Übergangsbereich 21 vom Verteil- oder Sammelbereich 20 bis zum Strömungsfeld 17 ändert. Ebenso ändert sich die Erstreckungsrichtung der Kanäle 23 und Stege 14c, 15c. Hierdurch lässt sich eine gezielte Lenkung der Gasströme vom
Verteil- oder Sammelbereich 20 zum Strömungsfeld 17 erzielen, so dass die Gase möglichst gleichmäßig auf die Kanäle 16 des Strömungsfelds 17 verteilt werden können. Wie der Randbereich 19 der bekannten Separatorplatte 10a gemäß Fig. 2 hat der Übergangsbereich 21 der Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3A z. B. eine rechteckige Form und erstreckt sich in seiner Längsrichtung, d. h. quer zur Verlaufsrichtung der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17, entlang der gesamten Ausdehnung des Strömungsfeldes 17. Eine parallel zur Verlaufsrich- tung der Stege 14a', 14b, 15a des Strömungsfeldes 17 bestimmte Breite des
Übergangsbereichs 21 entspricht z. B. wenigstens dem Doppelten oder wenigstens dem Dreifachen des Abstandes zweier unmittelbar benachbarter Stege des Strömungsfeldes 17.
Fig. 3B zeigt für eine alternative erfindungsgemäße Separatorplatte 100a einen Ausschnitt in Draufsicht, nämlich einen Abschnitt des Strömungsfeldes 17, einen Abschnitt des Übergangsbereichs 21 sowie einen Abschnitt des Verteiloder Sammelbereichs 20. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorhergehenden der Fig. 3A einerseits dadurch, dass die Stege 14a anders als die Stege 14a' an der Trennlinie zwischen Strömungsfeld 17 und Übergangsbereich 21 enden. Anders als in Fig. 3A ist hier einer von sechs einander benachbarten Stegen 14a, 14b, 15a als in den Verteil- oder Sammelbereich sich fortsetzender Steg 15a ausgebildet, zwei von sechs Stegen 14a, 14b, 15a enden im Übergangsbereich 21. Die Gruppe dieser Stege umfasst Stege unterschiedlicher Länge, nämlich Stege 14c', die nur über ein kurzes Stück in den Übergangsbereich hineinragen, und Stege 14c, die eine etwas größere Erstre- ckung im Übergangsbereich 21 aufweisen. Wiederum jeder zweite der Stege 14a, 14b, 15a, nämlich der Steg 14a, verläuft nur im Strömungsfeld 17. Andererseits ändert sich der Winkel α zwischen den Stegen 15a des Strömungsfeldes 17 und den Stegen 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 innerhalb des gezeigten Ausschnitts. Der Winkel oti ist größer als der Winkel a2. Auch ändert sich die Breite der Kanäle 18 im gezeigten Ausschnitt. Sämtliche Kanäle 18 verbreitern sich von rechts oben nach links unten, d.h. in Rich- tung des Strömungsfeldes 17. Zudem weisen die weiter oben verlaufenden
Kanäle 18 eine größere Breite auf als die weiter unten verlaufenden Kanäle 18. Sowohl die Winkeländerung als auch die Breitenänderung der Kanäle ermöglicht es, von einer hier nicht dargestellten, rechts oberhalb des dargestellten Ausschnitts liegenden Durchgangsöffnung Medium möglichst effizient auf ein Strömungsfeld 17 zu verteilen.
Fig. 4A zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 200a, die eine Einzelplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 200 ist. Eine weitere Separatorplatte 200b der Bipolarplatte 200, die mit der
Separatorplatte 200a stoffschlüssig verbunden ist, ist in Fig. 4A durch die
Separatorplatte 200a verdeckt. Bei der Separatorplatte 200a gemäß Fig. 4A handelt es sich um eine abgewandelte Ausführungsform der Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3, der Ausschnitt ist funktionell etwa dem mit einer gestrichelten Linie gekennzeichneten Ausschnitt C der Separatorplatte 10a gemäß Fig. 2 vergleichbar. Auch die Separatorplatte 200a gemäß Fig. 4A hat einen
Übergangsbereich 21, der zwischen dem Strömungsfeld 17 und dem Verteiloder Sammelbereich 20 angeordnet ist und dessen maximale Höhe hmax gegenüber der mittleren Höhe hi der Stege des Strömungsfeldes 17 und gegenüber der mittleren Höhe h2 der Stege des Verteil- oder Sammelbereichs 20 wie zuvor in Bezug auf die Separatorplatte 100a beschrieben abgesenkt ist.
Für die Höhen hmax, hi und h2 kann also auch bei der Separatorplatte 200a gelten: 0,75-hi < hmax < 0,95-hi und 0,5-h2 < hmax < 0,75-h2.
Die Separatorplatte 200a gemäß Fig. 4A unterscheidet sich von der
Separatorplatte 100a gemäß Fig. 3 dadurch, dass im Übergangsbereich 21 zwischen zwei benachbarten Stegen oder Stegabschnitten 15c, die sich vollständig durch den Übergangsbereich 21 hindurch erstrecken, je zwei Stege oder Stegabschnitte 14c angeordnet sind, die nur teilweise in den Übergangsbereich 21 hineinreichen oder die am Übergang zwischen dem Übergangsbe- reich 21 und dem Verteil- oder Sammelbereich 20 auslaufen.
Fig. 4B zeigt eine Schnittdarstellung der Separatorplatte 200a aus Fig. 4A, die einer in Fig. 4A eingezeichneten, geraden Schnittlinie 24 (B-B) folgt. Die Schnittlinie 24 erstreckt sich teilweise durch den Verteil- oder Sammelbereich 20 und schließt mit den geraden Stegen 15b und Kanälen 18 des Verteil- oder
Sammelbereichs 20 einen Winkel von ca. 60 Grad ein. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte 200a ausgerichtet.
Die Schnittdarstellung der Fig. 4B zeigt, dass wenigstens einer der Kanäle 18 des Verteil- oder Sammelbereichs 20 zur Beeinflussung der Strömungsrichtung des Mediums durch diesen Kanal 18 in einem mit 24 bezeichneten Bereich eine variierende Tiefe hat, wobei die Tiefe des Kanals 18 senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte 200a bestimmt wird. Sie entspricht damit dem Abstand von der Berührebene E, in der die gezeigte
Separatorplatte im verbauten Zustand auf einer benachbarten
Separatorplatte zu liegen kommt. Gleichzeitig beeinflusst die variierende Tiefe des Kanals 18 im Bereich 24 damit auch eine Strömungsrichtung eines Kühlmittels in oder durch den Zwischenraum 22 an der vom Betrachter der Fig. 4A abgewandten Rückseite der Separatorplatte 200a. Die Tiefe des Kanals 18 kann im Bereich 24 entlang des Verlaufs des Kanals 18 und/oder quer zum
Verlauf des Kanals 18 variieren. In ganz analoger Weise kann auch die Tiefe wenigstens eines der Kanäle 23 des Übergangsbereichs 21 entlang einer Strömungsrichtung eines Mediums durch den Übergangsbereichs 21 und/oder quer zur Strömungsrichtung des Mediums durch den Übergangsbereich 21 variieren.
Fig. 5 illustriert einen Schnitt, der dem in Fig. 4B dargestellten Schnitt ähnlich ist, wobei jedoch ein Abschnitt mit vier Stegen 15b dargestellt ist. Hier sind die Tiefen der Kanäle weiter variiert, so dass die Kanaltiefe der Kanäle 18' und insbesondere 18" wesentlich geringer ist als diejenige des Kanals 18. Hier- durch wird auf der Rückseite, d.h. der der Ebene E zugewandten Seite der Separatorplatte 200a mehr Platz für den dort im verbauten Zustand verlaufenden kühlmittelführenden Zwischenraum 22 geschaffen. Zudem verlaufen die Böden der Kanäle 18', 18" schräg relativ zur Ebene E, was eine gezielte Führung von Kühlmittel aber auch von in den Kanälen 18', 18" geführten Medien erlaubt, so dass ein möglichst geringer Druckabfall resultiert. Auch parallel zur Ebene E versetzte Kanalböden sind grundsätzlich möglich.
In Fig. 4A ist weiterhin eine Schnittlinie 25 (A-A) hervorgehoben, die sich jeweils teilweise durch das Strömungsfeld 17, den abgesenkten Übergangsbereich 21 und den Verteil- oder Sammelbereich 20 erstreckt, wobei die Schnittlinie 25 jeweils wenigstens abschnittweise quer zu den Stegen und Kanälen des Strömungsfeldes 17, des Übergangsbereichs 21 und des Verteil- oder Sammelbereichs 20 verläuft.
Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Abschnitts des Stapels 2 eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems 1, z. B. des Systems 1 aus Fig. 1. Der Stapel 2 umfasst eine Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten 200 nach der Art der Bipolarplatte 200 gemäß der Fig. 4. Die Schnittebene ist senkrecht zu den Planflächenebenen der Bipolarplatten 200 bzw. der Separatorplatten 200a, 200b ausgerichtet und folgt der in Fig. 4A hervorgehobenen Schnittlinie 25, d.h. der Linie A-A. Hervorgehoben sind insbesondere die Strömungsfelder 17, die Übergangsbereiche 21 und die Verteil- oder Sammelbereiche 20 der Separatorplatten 200a.
Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 200 des Stapels 2 ist jeweils ein Membranverbund 29 angeordnet, der jeweils eine ein lonomer und mindestens eine Katalysatorschicht umfassende Membranelektrode 26, beiderseits der Membranelektrode 26 angeordnete Gasdiffusionslagen 27 sowie beiderseits der Membranelektrode 26 angeordnete Verstärkungslagen 28 aufweist. Die Membranelektrode 26, die Gasdiffusionslage(n) 27 und die Verstärkungslagen 28 bilden zusammen die Membranelektrodeneinheit (MEA) 39. Nur der Übersichtlichkeit halber zeigt Fig. 6 den Stapel 2 in einem Zustand, in dem die Bipolarplatten 200 und die Membranverbünde 29 entlang der z-Richtung 7, d. h. senkrecht zu den Planflächenebenen der Bipolarplatten 200 bzw. der Separatorplatten 200a, 200b, nicht vollständig verpresst sind.
Die Membranverbünde 29 umfassen im Bereich des Strömungsfeldes 17, d. h. im elektrochemisch aktiven Bereich der Bipolarplatten 200, jeweils nur die Membranelektrode 26 und die beiderseits der Membranelektrode angeordneten Gasdiffusionslagen 27. Das Membranelektrode 26 weist dabei, wie bereits eingangs genannt beidseitig eine Katalysatorbeschichtung auf. Im Bereich des Verteil- oder Sammelbereichs 20 umfassen die Membranverbünde 29 jeweils nur die Membranelektrode 26 und die beiderseits der Membranelektrode angeordneten Verstärkungsschichten 28. Nur im Übergangsbereich 21 der Separatorplatten 200a haben die Membranverbünde 29 jeweils einen verstärkten Bereich 30, der jeweils die Membranelektrode 26, die beiderseits der Membranelektrode 26 angeordneten Verstärkungsschichten 28 und die beiderseits der Membranelektrode 26 und beiderseits der Verstärkungsschichten 28 angeordneten Gasdiffusionslagen 27 umfasst. Typischerweise bildet der verstärkte Bereich des Membranverbundes 29 einen Rand des
Membranverbundes 29. In diesem verstärkten Bereich 30 haben die
Membranverbünde 29 eine vergrößerte Dicke, die entlang der Stapelrichtung bzw. entlang der z-Richtung 7 bestimmt wird. Beispielsweise kann die Dicke der Membranverbünde 29 im verstärkten Bereich 30 gegenüber dem aktiven Bereich jeweils um wenigstens 10 Prozent oder um wenigstens 25 Prozent vergrößert sein.
In Fig. 6 ist zu erkennen, dass jeweils nur die erste Separatorplatte 200a der Bipolarplatten 200 einen zusammenhängenden Übergangsbereich 21 aufweist, dessen maximale Höhe hmax gegenüber der mittleren Höhe hi der Stege des Strömungsfeldes und gegenüber der mittleren Höhe h2 der Stege des Verteil- oder Sammelbereichs 20 wie zuvor beschrieben abgesenkt ist. Der entsprechende Bereich der zweiten Separatorplatten 200b ist bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform der Bipolarplatten 200 wenigstens gegenüber dem Strömungsfeld 17 nicht abgesenkt.
Der verstärkte Bereich 30 der Membranverbünde ist jedoch jeweils wenigstens zu einer Seite hin (in Fig. 6 jeweils an der Unterseite) in dem abgesenkten Übergangsbereich 21 der jeweils angrenzenden Separatorplatte 200a aufgenommen. Bei der Verpressung des Stapels 2 entlang der z-Richtung 7 kommt es bei den erfindungsgemäßen Separatorplatten 200 gemäß Fig. 6 daher zu einer wesentlich geringeren Verpressung der Membranelektrodeneinheit und einer geringeren Verformung der Stege des Übergangsbereichs 21, als dies bei den bekannten Separatorplatten 100 gemäß Fig. 2 im Bereich 19 der Fall ist. Wie oben beschrieben hat das erfindungsgemäße System 1 mit den
Bipolarplatten 200 gemäß Fig. 6 im Übergangsbereich 21, wo jeweils der verstärkte Bereich 30 der Membranverbünde 29 aufgenommen ist, selbst im verpressten Zustand einen Strömungsquerschnitt, der gegenüber dem Strömungsquerschnitt bekannter Systeme im Bereich 19 (siehe Fig. 2) deutlich vergrößert ist, so dass ein unerwünschter Druckabfall in diesem Bereich bei dem erfindungsgemäßen System stark verringert oder vollständig unterbunden werden kann. Auch bei dem erfindungsgemäßen System 1 gemäß Fig. 6 kann die Dickenzunahme der Membranverbünde 29 im verstärkten Bereich 30 jedoch ggf. geringfügig größer ausfallen als die Höhenreduktion in den Übergangsbereichen 21 der Separatorplatten 200a.
Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems 1 gemäß Fig. 6, und zwar wiederum in der bereits in Fig. 6 gezeigten Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 25 in Fig. 5. Das System 1 gemäß Fig. 7 umfasst wiederum eine Mehrzahl gestapelter
Bipolarplatten 200 und zwischen den Bipolarplatten 200 angeordnete
Membranverbünde 29, wobei ein verstärkter Bereich 30 der
Membranverbünde 29 jeweils im abgesenkten Übergangsbereich 21 einer an den jeweiligen Membranverbund 29 angrenzenden Separatorplatte 200a, 200b aufgenommen ist.
Von der Ausführungsform des Systems 1 gemäß Fig. 6 unterscheidet sich die Ausführungsform des Systems 1 gemäß Fig. 7 lediglich dadurch, dass in Fig. 7 auch die zweite Separatorplatte 200b der Bipolarplatten 200 jeweils entsprechend der ersten Separatorplatte 200a ausgebildet ist und einen wie oben beschrieben gegenüber dem Strömungsfeld 17 und/oder gegenüber dem Verteil- oder Sammelbereich 20 abgesenkten Übergangsbereich 21 aufweist. Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Systems 1 gemäß Fig. 7, und zwar wiederum in der bereits in Fig. 6 gezeigten Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 25 in Fig. 5. Das System 1 gemäß Fig. 8 umfasst wiederum eine Mehrzahl gestapelter
Bipolarplatten 200 und zwischen den Bipolarplatten 200 angeordnete
Membranverbünde 29, wobei ein verstärkter Bereich 30 der
Membranverbünde 29 jeweils im abgesenkten Übergangsbereich 21 einer an den jeweiligen Membranverbund 29 angrenzenden Separatorplatte 200a, 200b aufgenommen ist.
Von der Ausführungsform des Systems 1 gemäß Fig. 7 unterscheidet sich die Ausführungsform des Systems 1 gemäß Fig. 8 lediglich dadurch, dass in Fig. 8 die Gasdiffusionslagen 27 parallel zur Planflächenebene der Bipolarplatten 200 bzw. der Separatorplatten 200a, 200b von den Stegen 15b des Verteiloder Sammelbereichs 20 beabstandet sind und nicht an die Stege 15b heranreichen. Beispielsweise kann der Abstand der Gasdiffusionslagen 27 von den Stegen 15b im Wesentlichen einer Kanalbreite 18 entsprechen. Auf diese Weise entsteht zwischen den Gasdiffusionslagen 27 und den Stegen 15b des Verteil- oder Sammelbereichs 20 jeweils ein Volumen 31 zur Aufnahme und zum Abtransport von Kondenswasser.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (100a) für ein elektrochemisches System (1), umfassend:
wenigstens eine erste Durchgangsöffnung (IIa) in der Platte zum Durchleiten eines Mediums durch die Platte;
einen Verteil- oder Sammelbereich (20) mit einer Vielzahl von Stegen (15b) und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen (18), die jeweils in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (IIa) sind;
ein Strömungsfeld (17), das über den Verteil- oder Sammelbereich (20) in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (IIa) ist und das Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums durch das Strömungsfeld (17) aufweist, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte mittlere Höhe hi haben; und
einen zusammenhängenden, abgesenkten Übergangsbereich (21), der derart zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich (20) und dem Strömungsfeld (17) angeordnet ist, dass für jeden der Kanäle (18) des Verteil- oder Sammelbereichs (20) gilt, dass von dem Kanal (18) in das Strömungsfeld (17) oder von dem Strömungsfeld (17) in den Kanal (18) strömendes Medium den Übergangsbereich (21) durchströmt, wobei der Übergangsbereich (21) eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte maximale Höhe hmax hat; wobei gilt: hmax < 0,95-hi.
2. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 1, wobei die Stege (15b) des Verteil- oder Sammelbereichs (20) eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte mittlere Höhe h2 haben, wobei gilt: hmax < 0,9-h2.
3. Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der abgesenkte Übergangsbereich (21) quer zur Strömungsrichtung des Mediums durch den Übergangsbereich (21) oder im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Mediums durch den Übergangsbereich (21) einen geraden Verlauf hat.
4. Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) Stege (14b, 15a) umfassen, die sich wenigstens teilweise in den Übergangsbereich (21) hinein erstrecken.
5. Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) eine Vielzahl von Stegen (14a', 14b, 15a) und zwischen den Stegen ausgebildete Kanäle (16) umfassen.
6. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Stege (15b) des Verteil- oder Sammelbereichs (20) in Stege (15a) des Strömungsfeldes (17) übergehen, sich als Stege (15c) durch den Übergangsbereich (21) hindurch erstrecken und im Übergangsbereich (21) abgesenkt sind.
7. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 6, wobei zwischen den aus dem Strömungsfeld (17) in den Verteil- oder Sammelbereich (20) übergehenden Stegen (15a) im Bereich des Strömungsfeldes (17) weitere Stege (14a', 14b) angeordnet sind, von denen sich zumindest ein Teil in den abgesenkten Übergangsbereich (21) hinein erstreckt.
8. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 7, wobei sich wenigstens jeder zwölfte der weiteren Stege (14b) des Strömungsfeldes (17) in den abgesenkten Übergangsbereich (21) hinein erstreckt.
9. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 7 oder 8, wobei sich wenigstens jeder sechste der weiteren Stege (14b) des Strömungsfeldes (17) in den Verteilbereich hinein erstreckt.
10. Separatorplatte (100a) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die sich durch den Übergangsbereich (21) hindurch erstreckenden Stege (15a) und/oder die sich in den Übergangsbereich (21) hinein erstreckenden Stege (14b) im Übergangsgereich dieselbe maximale Höhe haben.
11. Separatorplatte (100a) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das Strömungsfeld (17) eine Anzahl ni von Kanälen (16) umfasst und wobei der Verteil- oder Sammelbereich (20) eine Anzahl n2 von Kanälen (18) umfasst, wobei gilt: ni > 2·η2, vorzugsweise ni > 3·η2.
12. Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine senkrecht zur Planflächenebene der Platte bestimmte Tiefe mindestens eines Kanals zur Beeinflussung der Strömungsrichtung des Mediums im Übergangsbereich (21) und/oder Verteil- oder Sammelbereich (20) variiert.
13. Separatorplatte (100a) nach Anspruch 12, wobei die Tiefe mindestens eines Kanals entlang seines Verlaufs im Übergangsbereich (21) und/oder Verteil- oder Sammelbereich (20) variiert.
14. Separatorplatte (100a) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Tiefe mindestens eines Kanals im Übergangsbereich (21) und/oder Verteiloder Sammelbereich (20) quer zur Strömungsrichtung des Mediums variiert.
15. Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer die Durchgangsöffnung (IIa) vollständig umschließenden Sicke (12a) zum Abdichten der Durchgangsöffnung (IIa), wobei die Sicke (12a) Durchführungen (13a) zum Durchleiten eines Mediums durch die Sicke (12a) aufweist und wobei die Kanäle (18) des Verteil- oder Sammelbereichs (20) über die Durchführungen (13a) in der Sicke (12a) in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung (IIa) sind.
16. Bipolarplatte (100; 200) für ein elektrochemisches System (1), mit einer ersten Separatorplatte (100a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer zweiten Separatorplatte (100b), die wenigstens eine zweite
Durchgangsöffnung aufweist, wobei die erste Separatorplatte (100a) und die zweite Separatorplatte (100b) zusammengefügt sind und wobei die wenigstens eine erste Durchgangsöffnung (IIa) der ersten Separatorplatte (100a) und die wenigstens eine zweite Durchgangsöffnung der zweiten
Separatorplatte (100b) zur Ausbildung wenigstens einer Durchgangsöffnung
(IIa) in der Bipolarplatte (100; 200) fluchtend angeordnet sind.
17. Bipolarplatte (100; 200) nach Anspruch 16, wobei nur die erste
Separatorplatte (100a) einen abgesenkten Übergangsbereich (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist und wobei für die maximale Höhe hmax des
Übergangsbereichs (21) der ersten Separatorplatte (100a) und für die maxi- male Höhe hi der Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) der ersten
Separatorplatte (100a) vorzugsweise gilt: hmax < 0,9-hi.
18. Bipolarplatte (100; 200) nach Anspruch 16, wobei auch die zweite Separatorplatte (100b) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
19. Bipolarplatte (100; 200) nach Anspruch 18, wobei für die maximale Höhe hmax,i des Übergangsbereichs (21) der ersten Separatorplatte (100a) und für die maximale Höhe h der Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) der ersten Separatorplatte (100a) gilt: 0,85 hn< hmax,i < 0,95-hn; und wobei für die maximale Höhe hmax,2 des Übergangsbereichs (21) der zweiten
Separatorplatte (100b) und für die maximale Höhe h12 der Leitstrukturen des Strömungsfeldes (17) der zweiten Separatorplatte (100b) gilt: 0,85 h12 ^ hmax<2
20. Bipolarplatte (100; 200) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die erste Separatorplatte (100a) und die zweite Separatorplatte (100b) einen Zwischenraum (22) zur Kühlmittelführung einschließen.
21. Elektrochemisches System (1), insbesondere Brennstoffzellen-System (1), elektrochemischer Kompressor, Elektrolyseur oder eine Redox-Flow- Batterie, mit einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten (100; 200) nach einem der Ansprüche 16 bis 20 und mit einer Vielzahl von zwischen den gestapelten Bipolarplatten (100; 200) angeordneten
Membranelektrodeneinheiten (39), wobei die Membranelektrodeneinheiten (39) jeweils einen aktiven Bereich mit einer ersten Dicke und einen verstärkten Bereich (30) mit einer gegenüber der ersten Dicke vergrößerten zweiten Dicke aufweisen und wobei die Membranelektrodeneinheiten (39) und die Bipolarplatten (100; 200) derart angeordnet sind, dass der verstärkte Bereich (30) der Membranelektrodeneinheiten (39) jeweils im abgesenkten Übergangsbereich (21) einer an die jeweilige Membranelektrodeneinheit (39) angrenzenden Bipolarplatte (100; 200) aufgenommen ist.
22. Elektrochemisches System (1) nach Anspruch 21, wobei die
Membranelektrodeneinheiten (39) im aktiven Bereich jeweils eine
Membranelektrode (26) aufweisen, vorzugsweise eine Membranelektrode (26) und wenigstens eine Gasdiffusionslage (27), und wobei die
Membranelektrodeneinheiten (39) im verstärkten Bereich zusätzlich mindestens eine Verstärkungslage (28) aufweisen, vorzugsweise mindestens eine Verstärkungslage (28) und mindestens eine Klebeschicht.
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