WO2024256512A1 - Separator plate for an electrochemical system - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a separator plate for an electrochemical system.
- the electrochemical system can in particular be a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery.
- An electrochemical system with a plurality of such separator plates is also disclosed.
- Known electrochemical systems of the type mentioned normally comprise a stack of electrochemical cells, each of which is separated from one another by separator plates.
- the separator plates are also referred to as bipolar plates.
- the separator plates can serve, for example, to electrically contact the electrodes of the individual electrochemical cells (e.g. fuel cells) and/or to electrically connect adjacent cells (series connection of the cells).
- the separator plates are typically formed from two individual plates, in particular joined together.
- the individual plates can be joined together in a materially bonded manner, e.g. by one or more welded joints, in particular by one or more laser welded joints.
- the separator plates or the individual plates can each have or form structures which are designed, for example, to supply the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates with one or more media and/or to transport away reaction products.
- these structures can be used to guide a cooling fluid through a gap between the individual plates of a separator plate.
- the structures can, for example, comprise sequences of webs and channels.
- the media can therefore be fuels (e.g. hydrogen or methanol), reaction gases (e.g. air or oxygen) or coolants.
- the terms medium and fluid can be used synonymously.
- the separator plates usually each have at least one through-opening through which the media and/or the reaction products are guided to the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates of the stack or are led away from them.
- the media supply and removal in the space between the individual plates also takes place via through openings.
- a respective fluid is guided by means of the structures described above into a respective first distribution area and from there into an active area of the cell. After flowing through the active area, the fluid is fed back to an outlet through-opening via a second distribution area (also called a collection area).
- a second distribution area also called a collection area.
- first fluid e.g. a fuel
- second fluid e.g. a reaction gas
- a cooling fluid is usually guided in an interior space delimited by the inner sides of the individual plates.
- the media are usually guided through the system using external pumping services.
- the fluid-conducting structures on the respective outer sides of the individual plates form complementary structures on their inner sides, which guide the cooling fluid.
- the cooling fluid guidance is sometimes only possible under increased flow resistance. This places higher demands on the external pumping power. This reduces the cooling capacity of the separator plate accordingly and can consequently lead to limitations in the overall performance of the electrochemical system.
- An object of the present invention is therefore to improve the cooling capacity of a separator plate and thus a total performance of an electrochemical system with a plurality of such separator plates and to reduce the flow resistance of the cooling fluid guide.
- separator plate for an electrochemical system, wherein the separator plate comprises: - a first single plate and a second single plate defining an interior of the separator plate with a cooling fluid distribution structure,
- the separator plate further has a third overlap region in which a third section of the cooling fluid distribution structure and a further section of the second fluid distribution region overlap one another, wherein a volume flow flowing through the first section of the cooling fluid distribution structure can be generated which is at least three times as high, in particular at least five times or at least ten times as high, as a volume flow flowing through the third section of the cooling fluid distribution structure.
- the first single plate may form a cathode plate and/or may carry oxygen or air as the first fluid.
- the second single plate can form an anode plate and/or can carry hydrogen or other fuel gas as a second fluid.
- the second fluid is preferably not guided.
- the first fluid is preferably not guided.
- the first to third fluids are preferably guided in flow spaces separate from one another.
- the first overlap region preferably does not include any portion of the second fluid distribution region.
- the first overlap region preferably only the first portion of the cooling fluid distribution structure and the first section of the first fluid distribution region.
- the overlapping areas can also define overlaps that also exist in an orthogonal projection of the respective sections, structures and features into a plane of the separator plate.
- An overlap can mean that the corresponding sections, structures and features are cut by a common axis that runs perpendicular to the plane of the separator plate.
- cooling fluid throughput according to the invention with lower flow resistance is that with a previous symmetrical (i.e. comparably strong) cooling fluid introduction from several sides into the second overlap area, opposing cooling fluid flows of similar strength are generated in the second overlap area. This increases friction losses when these cooling fluid flows meet.
- the first section of the cooling fluid distribution structure is limited proportionately by a step in the second individual plate, which extends in the direction of the first individual plate.
- This step can extend along a boundary line between the first and second overlapping areas and in particular along a predominant length portion or also along the entire length of this boundary line.
- the step can promote a change of level of the cooling fluid guide as explained below and/or delimit associated flow spaces.
- the step preferably leads to the second individual plate running immediately adjacent to the step in the second overlapping area in the plane of the second individual plate, while immediately adjacent to the step in the first overlapping area it is spaced from this plane.
- a change in the plane of the cooling fluid guide can occur when the first to the second overlap region passes over.
- a change in flow planes of the cooling fluid distribution structure can take place in such a way that in the first overlap region, a flow cross-section of the cooling fluid distribution structure extends significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the second individual plate.
- a section of the first individual plate within the first overlap region can lie to a greater extent in the plane of the first individual plate and thus, in comparison, provide no significant flow space for the cooling fluid.
- the flow space can also be spanned at least partially by the first individual plate.
- a plane surface of a respective individual plate can be defined, for example, by an edge of the individual plate or by those flat areas or sections of the individual plate that are not deformed as a result of an embossing or deep-drawing process to form, in particular, the web-channel structures or beads described here.
- the plane surface planes can run in the neutral fibers of the corresponding sections of the individual plates, on the other hand, it is also possible to consider the surfaces of the relevant sections of the individual plates as plane surface planes. With the latter approach, however, it must be ensured that when considering distances or the like, the material thickness of only one of two individual plates considered is taken into account.
- a change in the level of the cooling fluid guidance can also occur when the third overlap area passes into the second overlap area.
- a change in flow levels of the cooling fluid distribution structure can take place in such a way that in the third overlap area a flow cross section of the cooling fluid distribution structure is located significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the first individual plate. extends.
- a section of the second individual plate within the third overlap region can, however, lie predominantly in the plane of the second individual plate and thus, in comparison, provide no significant flow space for the cooling fluid.
- a flow space for the cooling fluid can again be provided at least partially by or in the second individual plate.
- any of the above-mentioned flow spaces can be included in the cooling fluid distribution structure and, for example, form fluid-conducting cavities within the cooling fluid distribution structure.
- the third section of the cooling fluid distribution structure is proportionately limited by a step in the first individual plate, which extends in the direction of the second individual plate.
- This step can cause the above-explained change in level of the cooling fluid guide when passing from the third to the second overlap area. It can limit a cooling fluid flow space formed within the third section primarily in the first individual plate and/or guide the cooling fluid to the differently located flow level within the second overlap area.
- the step can extend along a boundary line between the third and second overlap areas and in particular along a predominant length portion or also along the entire length of this boundary line.
- a further aspect comprising the above option b) provides that a flow cross-section of a transition between the first and second sections of the cooling fluid distribution structure is larger than a (e.g. cumulative) flow cross-section of a transition between the third and second sections of the cooling fluid distribution structure. This promotes a higher fluid throughput through the first section and thus the desired asymmetry of the cooling fluid guide.
- the first section of the cooling fluid distribution structure for example on an inner side of the second individual plate, has a first cooling fluid-distributing web-channel structure and the third section of the cooling fluid distribution structure has a further cooling fluid-distributing web-channel structure, for example on an inner side of the first individual plate, wherein the first and the further cooling fluid-distributing web-channel structure each have a plurality and/or a multiple repeating sequence of webs and of channels formed between each two webs.
- Any webs and channels disclosed herein can be based on different heights relative to a flat surface plane of an individual plate in which they are formed.
- a flow cross-section of the first section defined by the first fluid-distributing web-channel structure is larger than a flow cross-section of the third section defined by the further fluid-distributing web-channel structure. This can advantageously result in the enlarged, e.g. cumulative, flow cross-section of a transition between the first and second sections of the cooling fluid distribution structure explained above.
- the webs and channels of the further fluid-distributing web-channel structure in the second section can extend along a respective longitudinal axis and at least some of the webs and/or channels, in particular channels or webs, running from the step delimiting the third and second sections in the direction of the end of the second section facing away from the step delimiting the first and second sections, can be interrupted in at least one section of their respective longitudinal axes. This reduces the spaces provided by the webs and/or channels for the cooling fluid, so that the cooling fluid throughput in the second section of the cooling fluid distribution structure in the flow space spanned by the second individual plate is reduced and the asymmetry of the fluid guidance is increased.
- One embodiment provides that a fluid distributed by the first fluid distribution region is oxygen or air and a fluid distributed by the second fluid distribution region is hydrogen.
- first fluid distribution region is fluidly connected to a first flow field of the separator plate and the second fluid distribution region is fluidly connected to a second flow field of the separator plate.
- the first flow field is connected in a fluid-conducting manner to a first through-opening formed in the separator plate via the first fluid distribution region
- the second flow field is connected in a fluid-conducting manner to a second through-opening formed in the separator plate via the second fluid distribution region
- the cooling fluid distribution structure is connected in a fluid-conducting manner to a third through-opening formed in the separator plate.
- the cooling distribution structures can have a smaller depth in a short section before the main region of the flow field is reached. This compensates for the greater thickness of the adjacent components.
- any flow field disclosed here on one of the outer sides of the individual plates can be characterized, for example, in that all of the webs and channels included here are straight and run parallel to one another and parallel to a main flow direction of the flow field.
- the webs and channels of the flow field could also be wave-shaped and run with a similar wave shape next to one another and along a main flow direction of the flow field.
- the wave shape can oscillate evenly around the main flow axis and/or the main flow axis can define a central axis of the wave shape around which wave-like oscillation occurs.
- a flow field on one of the outer sides of the individual plates can be characterized by the fact that it lies within an MEA reinforcement edge and in particular is surrounded and/or framed by it at least in sections.
- the MEA reinforcement edge is not opposite the flow field itself, but rather the actually active area of the MEA, in particular in the form of its electrolyte membrane.
- the situation can be different with regard to the less deeply formed area assigned to the flow field, in which the MEA reinforcement edge and the GDL overlap one another.
- the cooling fluid guided by the first section of the cooling fluid distribution structure enters the second overlap region via a web-channel structure on an inner side of the second individual plate, which forms a complementarily shaped web-channel structure of the first fluid distribution region.
- This takes place in particular exclusively via the inner web-channel structure from the inner side of the second individual plate into the second overlap region. This can be accompanied by the above-explained change in level of the cooling fluid guidance when moving from the first to the second overlap region.
- the cooling fluid guided by the third section of the cooling fluid distribution structure enters the second Overlap area, and in particular enters the second overlap area exclusively via the inner web-channel structure from the inside of the first individual plate.
- the cooling fluid from the first and/or the third overlap region can enter the second overlap region with a change in flow direction, wherein the change in flow direction comprises an angle of more than 90°, preferably more than 110° and in particular more than 135°.
- a further variant provides that within the first section of the cooling fluid distribution structure, an inner side of the second individual plate is designed differently from the web-channel structure of the inner side of the first individual plate.
- an inner side of the second individual plate is designed differently from the web-channel structure of the inner side of the first individual plate.
- the distances and channel widths can be measured in or parallel to the plane of the second single plate. Any webs and channels disclosed here can be elongated so that a respective width dimension runs transversely to their longitudinal extent.
- the above variants each promote a fluid throughput with low flow resistance through the first section, e.g. because there are fewer flow obstacles on the inside of the second single plate.
- electrochemical system having a plurality of separator plates according to any aspect disclosed herein and electrochemical cells disposed between these separator plates.
- Figure 1 shows a perspective view of an electrochemical system according to an embodiment of this disclosure with a plurality of stacked separator plates with membrane electrode units arranged therebetween.
- Figure 2 shows a perspective view of two separator plates of a system similar to Figure 1 with a membrane electrode assembly (MEA) arranged between the separator plates, wherein the separator plates are designed according to an example of the prior art.
- MEA membrane electrode assembly
- Figure 3 shows a schematically highly simplified representation of a coolant guide within a section of a separator plate, which is designed according to a first embodiment of this disclosure.
- Figure 4 shows a perspective partial view of the separator plate of the first embodiment with a view of a fluid distribution region of a second individual plate, in particular anode plate, of the separator plate.
- Figure 5 shows a schematic, simplified view of the fluid guide in a fluid distribution region of the separator plate according to the invention.
- Figure 6 shows a perspective partial view of a separator plate according to a further embodiment with a view of a fluid distribution region of a first individual plate, in particular cathode plate, of the separator plate.
- Figure 7 shows a schematic, simplified view of the fluid guide in a fluid distribution region of the separator plate according to the invention.
- FIG 1 shows an electrochemical system 1 of the type proposed here with a plurality of identical metallic separator plates 2 (or bipolar plates). These are arranged in a stack 6 and stacked along a z-direction 7. The separator plates 2 of the stack 6 are clamped between two end plates 3, 4. The z-direction 7 is also called the stack direction.
- the system 1 is a fuel cell stack. Two adjacent separator plates 2 of the stack 6 enclose an electrochemical cell between them, which serves, for example, to convert chemical energy into electrical energy.
- a membrane electrode unit (MEA) 10 is arranged between adjacent separator plates 2 of the stack 6. (see Figure 2 below).
- the MEAs typically each contain at least one membrane, e.g. an electrolyte membrane.
- a gas diffusion layer (GDL) can be arranged on one or both surfaces of the MEA.
- GDL gas diffusion layer
- the system 1 can also be designed as an electrolyzer, compressor or redox flow battery.
- Separator plates can also be used in these electrochemical systems.
- the structure of these separator plates can correspond to the structure of the separator plates 2 explained in more detail here, even if the media guided on or through the separator plates in an electrolyzer, an electrochemical compressor or a redox flow battery can differ from the media used for a fuel cell system.
- the separator plates 2 each define a plate plane, wherein the plate planes of the separator plates 2 are each aligned parallel to the x-y plane and thus perpendicular to the stacking direction (z-axis 7).
- the end plate 4 has a plurality of media connections 5 via which media can be fed to the system 1 and via which media can be removed from the system 1.
- These media that can be fed to the system 1 and removed from the system 1 can include, for example, fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or depleted fuels or a cooling fluid such as water and/or glycol.
- fuels such as molecular hydrogen or methanol
- reaction gases such as air or oxygen
- reaction products such as water vapor or depleted fuels
- a cooling fluid such as water and/or glycol.
- Figure 2 shows in perspective two adjacent separator plates 2 or bipolar plates, which can be included in an electrochemical system of the type of system 1 from Figure 1.
- the separator plates 2 correspond to an example from the prior art. However, the properties and features explained below in relation to this can also apply to the separator plates 2 according to the invention disclosed here or can be provided for them, unless otherwise mentioned or apparent.
- Fig. 2 also shows a known membrane electrode assembly (MEA) 10 arranged between these adjacent separator plates 2, wherein the MEA 10 in Figure 2 is largely concealed by the separator plate 2 facing the viewer.
- the separator plate 2 is formed from two materially joined individual plates 2a, 2b, of which only the individual plate 2a facing the viewer is visible in Figure 2, which forms the further Individual plate 2b is covered.
- the individual plates 2a, 2b can each be made from a metal sheet, e.g. from a stainless steel sheet.
- the individual plates 2a, 2b can be welded to one another, e.g. by laser welding or only connected when the stack is stacked.
- the design of fluid-conducting structures on the outside of the individual plate 2a facing the viewer can deviate from the structures according to the invention in the following figures 3 to 7.
- the individual plates 2a, 2b have through-openings which are aligned with one another and which form through-openings 11a-c of the separator plate 2.
- the through-openings 11a-c form lines which extend through the stack 6 in the stacking direction 7 (see Figure 1).
- each of the lines formed by the through-openings 11a-c is in fluid communication with one of the ports 5 in the end plate 4 of the system 1.
- a cooling fluid can be introduced into the stack 6 or drained from the stack 6 via the lines formed by the through-openings 11a, for example.
- the lines formed by the through-openings 11b, 11c can be designed to supply the electrochemical cells of the fuel cell stack of the system 1 with fuel and with reaction gas and to drain the reaction products from the stack 6.
- the individual plate 2a facing the viewer has sealing arrangements in the form of sealing beads 12a-c. These are arranged around the through openings 11a-c and completely enclose the through openings 11a-c.
- the second individual plate 2b also has corresponding sealing beads 12a-c on the rear side of the separator plate 2 facing away from the viewer in Figure 2 for sealing the through openings 11a-c (not shown).
- Alternative sealing systems such as elastomer seals, can also be used.
- the individual plate 2a facing the viewer Adjacent to the electrochemically active region 18 of the MEA, the individual plate 2a facing the viewer has a flow field 17a with structures for guiding a reaction medium along the outside of the individual plate 2a on its outside facing the viewer in Figure 2. These structures are designed in Figure 2 in the form of a plurality of webs and channels running between the webs and delimited by the webs.
- the individual plate 2a facing the viewer also has two distribution areas 20.
- the distribution areas 20 each comprise structures that are designed to distribute a medium introduced from a first of the two through openings 11b into one of the distribution areas 20 via the active area 18 by means of the flow field 17 or to collect or bundle a medium flowing from the active area 18 to the second of the through openings 11b. In the latter case, the collecting distribution area 20 can also be referred to as a collection area.
- the fluid-conducting structures of the distribution areas 20 in Figure 2 are also provided by webs and channels running between the webs and delimited by the webs.
- a cooling fluid distribution structure 19 formed and/or enclosed between the individual plates 2a, 2b also has distribution areas which overlap with the distribution areas 20 of the individual plates 2a, 2b.
- This cooling fluid distribution structure 19 is fluidically connected to a flow field or comprises this, wherein this flow field overlaps with the flow fields 17a, 17b of the outer sides of the individual plates 2a, 2b or is enclosed between them.
- the web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b form complementarily shaped web-channel structures on the corresponding inner sides and thus complementarily shaped web-channel structures of the cooling fluid distribution structure 19.
- the two through-openings 11b or the lines formed by the through-openings 11b through the plate stack of the system 1 are each in fluid communication with one another via passages 13b in sealing beads 12b, via the distribution structures of the distribution areas 20 and via the flow field 17a of the individual plate 2a facing the viewer of Figure 2.
- This individual plate 2a is a second individual plate 2a in the sense of this disclosure.
- a fluid guided along the outside of this individual plate 2a is preferably hydrogen, so that the through-openings 11b are preferably hydrogen through-openings 11b. This results in particular from the smallest cross-section of the hydrogen through-openings 11b compared to the other through-openings 11a, 11c.
- the two through holes 11c or the lines formed by the through holes 11c are formed through the plate stack of the System 1 are in fluid communication with one another via corresponding bead feedthroughs 13c, via corresponding distribution structures and via a corresponding flow field on an outer side of the individual plate 2b facing away from the viewer of Figure 2.
- This individual plate 2b is a first individual plate 2b in the sense of this disclosure.
- a fluid guided along the outer side of this individual plate 2b is preferably air or oxygen, so that the through openings 11c are preferably air or oxygen through openings 11c. This results in particular from the largest cross section of the air or oxygen through openings 11c compared to the other through openings 11a, 11b.
- the through-openings 11a are each in fluid communication with one another via a cavity enclosed or surrounded by the individual plates 2a, 2b, which forms the cooling fluid distribution structure 19. This is again done, for example, by means of feedthroughs 13a.
- This cavity or this cooling fluid distribution structure 19 serves to guide a cooling fluid through the separator plate 2, in particular to cool the electrochemically active region 18 of the MEA.
- the through-openings 11a are therefore cooling fluid through-openings, which is particularly obvious from their average cross-sectional size in comparison to the other through-openings 11b, 11c.
- FIG. 2 fluid guides in a separator plate 2 according to an embodiment of the invention are explained using Figures 3 to 7.
- the separator plate 2 is basically designed analogously to Figures 1 and 2 and additionally has the features and special features explained below with regard to the fluid guides.
- an area of a separator plate 2 outlined in dashed lines in Fig. 2 is considered, although reference is also made in part to the outside of the first individual plate 2b facing away from the viewer or to the internal cooling fluid structure.
- distribution areas 20 of the individual plates 2a, 2b and the cooling fluid distribution structure 19 are considered, each of which leads a fluid from one of the through openings 11a-c to a flow field 17, 17a-b.
- the statements also apply to the collecting distribution areas 20 (or collection areas) of the separator plate 2 at the corresponding other end of the flow fields 17, 17a-b.
- the fluid-distributing distribution regions 20 considered below can also function as collection regions.
- FIG 3 shows a schematically highly simplified representation of a coolant guide within a separator plate 2 according to the invention. More precisely, an extension of the cooling fluid distribution structure 19 is shown schematically in an area analogous to the dashed area in Fig. 2. The area shown corresponds to a distribution area of the cooling fluid distribution structure 19. It is understood that the cooling fluid distribution structure 19 cannot be seen in the manner shown due to its position between the individual plates 2a, 2b when the separator plate 2 is joined together.
- FIG. 3 The perspective of Figure 3 is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the schematically illustrated positions of the through-openings 11a-c.
- the arrangement of these through-openings 11a-c makes it clear that the cooling fluid distribution structure 19 is oriented in a manner as if an outside of the first individual plate 2b from Figure 2 (not shown) were facing the viewer.
- the through-openings 11a-c again have the size ratios explained above.
- the cooling fluid distribution structure 19 is delimited by the inner sides of the individual plates 2a, 2b facing each other. More precisely, opposing regions of these inner sides are spaced apart from each other to varying degrees, so that fluid-absorbing free spaces (i.e. flow spaces) are formed in the cooling fluid distribution structure 19.
- the cooling fluid distribution structure 19 also has web-channel structures (not shown), which form complementary shaped web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b, as explained above with reference to Figure 2.
- the cooling fluid distribution structure 19 has three sections A, B, C, which are each essentially triangular in shape.
- the first section A and the third section C are each connected to the cooling fluid passage opening 11a in a fluid-conducting manner.
- the fluid-connecting passages through the sealing elements surrounding the cooling fluid passage opening 11a, as explained above, are not shown separately in Figure 3, but are nevertheless present.
- Two arrows 1A, 1C show a fluid inflow from the cooling fluid passage opening 11a into the first and third sections A, C. The size of the arrows illustrates the size ratios of these flows.
- the fluid inflow 1A in the first th section A is significantly larger (for example at least three times, at least five times or at least ten times as large) than the fluid inflow 1C into the third section C. It is understood that a reverse flow direction is also possible.
- the first section A of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a first overlap region 15 of the separator plate 2.
- the first section A overlaps with a first section of a distribution region 20 of the first individual plate 2b, which is also referred to below as the first fluid distribution region 21 (not shown in Fig. 3). Consequently, the section A is delimited by a section of the inside of the first individual plate 2b, which faces away from this fluid distribution region 21 or forms its inside, and by an opposite inside of the second individual plate 2a.
- the correspondingly delimiting section of the first individual plate 2b runs in sections in the plane of the flat surface of this individual plate 2b.
- the correspondingly delimiting section 30 of the second individual plate 2a (see Figure 4 discussed below), on the other hand, is predominantly formed opposite the plane of the flat surface of this individual plate 2a and in a direction pointing away from the first individual plate 2b. As a result, it essentially forms a flow space of the first section A of the cooling fluid distribution structure 19.
- the second section B of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a second overlap region 22 in which the first fluid distribution region 21 and a second fluid distribution region 23 (not shown in Fig. 3) overlap, which is a distribution region 20 of the second individual plate 2a.
- the fluid distribution regions 21, 23 are formed on the outer sides of the respective individual plates 2a, 2b (see Figs. 4 and 6).
- sections of the inner sides of the individual plates 2a, 2b are therefore opposite one another, which have web-channel structures that are complementary to the web-channel structures of the respective fluid distribution regions 21, 23.
- the web-channel structures of these opposing inner sides run in mutually crossing directions, which means an increased flow resistance for the cooling fluid.
- the third section C of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a third overlap region 24 in which a section of the second fluid distribution region 23 and a section 48 (see Figure 6 discussed below) of an inner side of the first individual plate 2b overlap each other. It should be pointed out again that this third overlap region 24 and consequently also the third section C of the cooling fluid distribution structure 19 is merely optional.
- the structural designs of the first to third sections AC or the first to third overlap areas 15, 22, 24 are explained in more detail below with reference to Figures 4-7.
- Figure 4 shows a section of the bipolar plate 2 with a view of the outside of the second individual plate 2a, in particular the anode plate, in the area outlined in dashed lines in Figure 2.
- the viewing angle is rotated compared to Figure 3, as can be seen from the indicated position of the through-opening 11b in Figure 4. Only a cut-off part of the flow field 17a is shown.
- a fluid is guided from the through-opening 11b via the second fluid distribution area 23 and through a web-channel structure 40 on the outside of the second individual plate 2a.
- the web-channel structure 40 has several outwardly projecting webs 27 and channels 29 enclosed between them, selected ones of which are each provided with a corresponding reference symbol.
- the webs 27 are, as shown, optionally interrupted in sections along their longitudinal extent, but can also extend continuously in the direction of the flow field 17.
- the second fluid distribution region 23, with the exception of the webs 27, extends in a flat surface plane Ea of the second individual plate 2a.
- the second fluid distribution area 23 is delimited by an elongated step 32, which is directed away from the opposite first individual plate 2b and extends in the direction of a side of the flow field 17b remote from the through-opening 11b.
- the step 32 is followed in the direction away from the flow field 17b by a section 42 of the second individual plate 2a which is raised relative to the plane surface Ea of the second individual plate 2a and which significantly delimits or, in other words, spans a flow space of the first section A of the cooling fluid distribution structure 19.
- the raised section 42 forms the above-mentioned section 30 of the second individual plate 2a, which proportionately delimits the first section A of the cooling fluid distribution structure 19.
- stiffening or supporting beads 44 in this section 42 can also be omitted.
- the stiffening or supporting beads 44 form fewer and also further spaced webs or wider channels than those present on the opposite inner side of the first individual plate 2b.
- the stiffening or supporting beads 44 also do not open into the second overlap region 22 or into the second through opening 11a. In the first overlap region 15 The second fluid is therefore not guided here.
- the step 32 forms a complementarily shaped inner step 33 within the first section A of the cooling fluid distribution structure 19, which extends in the direction of the first individual plate 2b.
- This inner step 33 consequently promotes the change of level described above when the cooling fluid passes from the first overlap region 15 into the second overlap region 22. In the first overlap region 15, the second fluid is not guided here.
- the webs 27 of the second fluid distribution area 23 do not necessarily have to form significant flow paths for the cooling fluid. They can therefore, for example, be kept correspondingly narrow, whereby the second fluid distribution area 23 can be kept small overall.
- Figure 5 shows a fluid flow in a schematically highly simplified representation, in particular the guidance of the hydrogen within a separator plate 2 according to the invention.
- the viewing angle as can be seen from the position of the through-opening 11b, is rotated compared to the second individual plate 2a shown in Figure 4 and corresponds essentially to that of Figure 3.
- Figure 5 reflects the extension of the second fluid distribution region 23 on the outside of the second individual plate 2a, with a direction of the fluid flows within the second fluid distribution region 23 being indicated by means of arrows.
- a position of the flow field 17a on the outside of the second individual plate 2a is also shown.
- the section 48 shown at the top right in Figure 5 is part of a third section C of the separator plate 2.
- Figure 6 shows a section of the outside of the bipolar plate 2 with a view of the first individual plate 2b, in particular the cathode plate, in the dashed area from Figure 2 according to an embodiment. This can be combined with the embodiment of Figure 4.
- a viewing angle is rotated in particular compared to Figure 3, as can be seen from the displayed position of the through-opening 11c in Figure 6. Only a cut-off part of the flow field 17b is shown.
- a fluid is fed from the through-opening 11c via the first fluid distribution area 21 and guided through a web-channel structure 46 on the outside of the first Single plate 2b.
- the web-channel structure 46 has several outwardly projecting webs 27 and channels 29 enclosed between them, selected ones of which are provided with a corresponding reference symbol.
- the webs 27 have, as shown, an optional curved central region, but can also extend essentially without curvature in the direction of the flow field 17b.
- the first fluid distribution region 21 runs, with the exception of the webs 27, in a flat surface plane Eb of the first single plate 2b.
- Figure 6 shows an embodiment in which the first individual plate 2b is designed such that the third overlap region 24 and thus the third section C of the cooling fluid distribution structure 19 are omitted.
- a section 48 raised relative to the flat surface plane of the first individual plate 2a can be provided in the area indicated by dashed lines in Figure 6, analogous to the raised section 42 of the second individual plate 2b from Figure 4.
- a flow space for the cooling fluid can be provided in the third section C shown in Figure 3.
- Figure 5 shows a possible extension of this optional raised section 48, which is opposite an inner side of the second individual plate 2a.
- the raised section 48 is delimited by an inner step 50. This extends in the direction of the opposite second individual plate 2a and promotes the level change described above when the cooling fluid passes from the optional third overlap region 24 into the second overlap region 22.
- Figure 7 shows a schematically simplified representation of a fluid flow, in particular the guidance of the oxygen, within a separator plate 2 according to the invention.
- Figure 7 is a schematic simplified view, wherein the viewing angle, as can be seen from the position of the through-opening 11c, is rotated compared to Figure 6 and essentially corresponds to that of Figure 3.
- Figure 7 reflects the extension of the first fluid distribution region 21 on the outside of the first individual plate 2b, wherein a direction of the fluid flows within the first fluid distribution region 21 is indicated by arrows. Furthermore, an extension of the raised section 42 and the step 33 delimiting this section 42 is shown.
- the comparatively largest fluid inflow 1A occurs in the first section A.
- a smaller fluid inflow 1C occurs in the third section C, if present.
- the cooling fluid flows along the step 32 and crosses it into the second overlap region 22, as indicated by curved arrows. In the process, it undergoes the change of level described above.
- the cooling fluid flow undergoes a change of direction, with an indicated angle W of the change of direction being more than 90°.
- Such an angle size advantageously reduces the increase in flow resistance for the cooling fluid associated with the change of direction.
- This change of direction is predetermined by the orientation of the web-channel structure 46 of the first fluid distribution region 21 (or by the complementary web-channel structure on the inner side of the first individual plate 2b facing away from the first fluid distribution region 21).
- the cooling fluid flows along the step 50 and crosses it into the second overlap region 22, as also indicated by curved arrows. In doing so, it undergoes the change of level described above and an analogous change in the direction of the flow of more than 90°.
- the fluid flows 2A, 2C flow through the second overlap region 22 in the direction of an (internal) flow field 17 of the cooling fluid distribution structure 19, crossing and mixing several times.
- a cumulative flow cross-section is preferably larger when passing from the first to the second overlap region 15, 22 than a cumulative flow cross-section when passing from the third to the second overlap region 24, 22.
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Abstract
Description
für ein elektrochemisches m for an electrochemical m
Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System. Das elektrochemische System kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein elektrochemischer Kompressor, ein Elektrolyseur oder eine Redox-Flow- Batterie sein. Ebenso offenbart wird ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl derartiger Separatorplatten. The invention relates to a separator plate for an electrochemical system. The electrochemical system can in particular be a fuel cell system, an electrochemical compressor, an electrolyzer or a redox flow battery. An electrochemical system with a plurality of such separator plates is also disclosed.
Bekannte elektrochemische Systeme der genannten Art umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten voneinander getrennt sind. Im Kontext derartiger Stapel werden die Separatorplatten auch als Bipolarplatten bezeichnet. Die Separatorplatten 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 Separatorplatten aus zwei, insbesondere zusammengefügten, Einzelplatten gebildet. Die Einzelplatten können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen. Known electrochemical systems of the type mentioned normally comprise a stack of electrochemical cells, each of which is separated from one another by separator plates. In the context of such stacks, the separator plates are also referred to as bipolar plates. The separator plates can serve, for example, to electrically contact the electrodes of the individual electrochemical cells (e.g. fuel cells) and/or to electrically connect adjacent cells (series connection of the cells). The separator plates are typically formed from two individual plates, in particular joined together. The individual plates can be joined together in a materially bonded manner, e.g. by one or more welded joints, in particular by one or more laser welded joints.
Die Separatorplatten bzw. die Einzelplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der zwischen benachbarten Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet sind. Insbesondere kann mittels dieser Strukturen ein Kühlfluid durch einen Zwischenraum zwischen den Einzelplatten einer Separatorplatte geführt werden. Die Strukturen können z. B. Abfolgen von Stegen und Kanälen umfassen. Bei den Medien kann es sich folglich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Im Rahmen dieser Offenbarung können die Begriffe Medium und Fluid gleichbedeutend verwendet werden. The separator plates or the individual plates can each have or form structures which are designed, for example, to supply the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates with one or more media and/or to transport away reaction products. In particular, these structures can be used to guide a cooling fluid through a gap between the individual plates of a separator plate. The structures can, for example, comprise sequences of webs and channels. The media can therefore be fuels (e.g. hydrogen or methanol), reaction gases (e.g. air or oxygen) or coolants. In the context of this disclosure, the terms medium and fluid can be used synonymously.
Ferner weisen die Separatorplatten üblicherweise jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, durch die hindurch die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Separatorplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen geleitet oder von diesen weggeführt werden können. Ebenso erfolgt die Medienzu- und abfuhr in den Zwischenraum zwischen den Einzelplatten über Durchgangsöffnungen. Furthermore, the separator plates usually each have at least one through-opening through which the media and/or the reaction products are guided to the electrochemical cells arranged between adjacent separator plates of the stack or are led away from them. The media supply and removal in the space between the individual plates also takes place via through openings.
Aus einer solchen Durchgangsöffnung wird ein jeweiliges Fluid mittels der vorstehend geschilderten Strukturen in einen jeweiligen ersten Verteilbereich geführt und von dort in einen aktiven Bereich der Zelle. Nach dem Durchströmen des aktiven Bereichs wird das Fluid über einen zweiten Verteilbereich (auch Sammelbereich genannt) wieder einer Austritts- Durchgangsöffnung zugeführt. Ein Beispiel hierfür findet sich in der DE 20 2016 107 302 Ul. From such a through-opening, a respective fluid is guided by means of the structures described above into a respective first distribution area and from there into an active area of the cell. After flowing through the active area, the fluid is fed back to an outlet through-opening via a second distribution area (also called a collection area). An example of this can be found in DE 20 2016 107 302 Ul.
Es ist bekannt, an einer ersten Außenseite der Separatorplatte (d.h. einer Außenseite einer ersten Einzelpatte) ein erstes Fluid zu führen (z.B. einen Brennstoff) und an einer davon abgewandten zweiten Außenseite der Separatorplatte (d.h. einer Außenseite einer zweiten Einzelpatte) ein zweites Fluid zu führen (z.B. ein Reaktionsgas). In einem von den Innenseiten der Einzelplatten begrenzten Innenraum wird hingegen üblicherweise ein Kühlfluid geführt. Die Medien werden dabei üblicherweise mittels externer Pumpleistungen durch das System geführt. It is known to guide a first fluid (e.g. a fuel) on a first outer side of the separator plate (i.e. an outer side of a first individual plate) and to guide a second fluid (e.g. a reaction gas) on a second outer side of the separator plate facing away from it (i.e. an outer side of a second individual plate). In contrast, a cooling fluid is usually guided in an interior space delimited by the inner sides of the individual plates. The media are usually guided through the system using external pumping services.
Die fluidführenden Strukturen an den jeweiligen Außenseiten der Einzelplatten bilden an deren Innenseiten komplementär geformte Strukturen aus, welche das Kühlfluid führen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei bisherigen Lösungen die Kühlfluidführung teilweise nur unter erhöhten Strömungswiderständen möglich ist. Dies stellt höhere Anforderungen an die externe Pumpleistung. Dies senkt das Kühlvermögen der Separatorplatte entsprechend und kann folglich zu Beschränkungen des summarischen Leistungsvermögens des elektrochemischen Systems führen. The fluid-conducting structures on the respective outer sides of the individual plates form complementary structures on their inner sides, which guide the cooling fluid. However, it has been shown that with previous solutions, the cooling fluid guidance is sometimes only possible under increased flow resistance. This places higher demands on the external pumping power. This reduces the cooling capacity of the separator plate accordingly and can consequently lead to limitations in the overall performance of the electrochemical system.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, das Kühlvermögen einer Separatorplatte und somit ein summarisches Leistungsvermögen eines elektrochemischen Systems mit einer Mehrzahl derartiger Separatorplatten zu verbessern und den Strömungswiderstand der Kühlfluidführung zu senken. An object of the present invention is therefore to improve the cooling capacity of a separator plate and thus a total performance of an electrochemical system with a plurality of such separator plates and to reduce the flow resistance of the cooling fluid guide.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in dieser Beschreibung und in den Figuren angegeben. This object is solved by the subject matter of claim 1. Advantageous further developments are specified in the dependent claims as well as in this description and in the figures.
Entsprechend wird eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, wobei die Separatorplatte aufweist: - eine erste Einzelplatte und eine zweite Einzelplatte, die einen Innenraum der Separatorplatte mit einer Kühlfluidverteilstruktur begrenzen,Accordingly, a separator plate for an electrochemical system is proposed, wherein the separator plate comprises: - a first single plate and a second single plate defining an interior of the separator plate with a cooling fluid distribution structure,
- einen ersten Überlappungsbereich, in dem ein erster Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur und ein erster Abschnitt eines ersten Fluidverteilbereichs einander überlappen, wobei der erste Fluidverteilbereich an einer Außenseite der ersten Einzelplatte ausgebildet ist, - a first overlap region in which a first portion of the cooling fluid distribution structure and a first portion of a first fluid distribution region overlap each other, wherein the first fluid distribution region is formed on an outer side of the first single plate,
- einen zweiten Überlappungsbereich, in dem ein zweiter Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur, ein zweiter Abschnitt des ersten Fluidverteilbereichs und ein Abschnitt eines zweiten Fluidverteilbereichs einander überlappen, wobei der zweite Fluidverteilbereich an einer Außenseite der zweiten Einzelplatte ausgebildet ist, und wobei: a) der in dem ersten Überlappungsbereich angeordnete erste Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur die einzige fluidische Verbindung zum Führen des Kühlfluids in den zweiten Überlappungsbereich ist; oder b) die Separatorplatte ferner einen dritten Überlappungsbereich aufweist, in dem ein dritter Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur und ein weiterer Abschnitt des zweiten Fluidverteilbereichs einander überlappen, wobei ein durch den ersten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur strömender Volumenstrom erzeugbar ist, der wenigstens dreimal so hoch ist, insbesondere wenigstens fünfmal oder wenigstens zehnmal so hoch ist wie ein durch den dritten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur strömender Volumenstrom. - a second overlap region in which a second section of the cooling fluid distribution structure, a second section of the first fluid distribution region and a section of a second fluid distribution region overlap one another, wherein the second fluid distribution region is formed on an outer side of the second individual plate, and wherein: a) the first section of the cooling fluid distribution structure arranged in the first overlap region is the only fluidic connection for guiding the cooling fluid into the second overlap region; or b) the separator plate further has a third overlap region in which a third section of the cooling fluid distribution structure and a further section of the second fluid distribution region overlap one another, wherein a volume flow flowing through the first section of the cooling fluid distribution structure can be generated which is at least three times as high, in particular at least five times or at least ten times as high, as a volume flow flowing through the third section of the cooling fluid distribution structure.
Die erste Einzelplatte kann eine Kathodenplatte bilden und/oder kann als erstes Fluid Sauerstoff oder Luft führen. The first single plate may form a cathode plate and/or may carry oxygen or air as the first fluid.
Die zweite Einzelplatte kann eine Anodenplatte bilden und/oder kann als zweites Fluid Wasserstoff oder sonstiges Brenngas führen. The second single plate can form an anode plate and/or can carry hydrogen or other fuel gas as a second fluid.
In dem ersten Überlappungsbereich wird vorzugsweise das zweite Fluid nicht geführt. In dem dritten Überlappungsbereich wird vorzugsweise das erste Fluid nicht geführt. In dem zweiten Überlappungsbereich werden vorzugsweise das erste bis dritte Fluid in voneinander getrennten Strömungsräumen geführt. In the first overlap region, the second fluid is preferably not guided. In the third overlap region, the first fluid is preferably not guided. In the second overlap region, the first to third fluids are preferably guided in flow spaces separate from one another.
Der erste Überlappungsbereich umfasst vorzugsweise keinen Abschnitt des zweiten Fluidverteilbereichs. Mit anderen Worten: In dem ersten Überlappungsbereich überlappen vorzugsweise nur der erste Abschnitt der Kühlfluid- verteilstruktur und der erste Abschnitt des ersten Fluidverteilbereichs einander. Vorzugsweise liegt dort aber nicht auch eine Überlappung des ersten Abschnitts der Kühlfluidverteilstruktur mit dem zweiten Fluidverteilbereich vor. The first overlap region preferably does not include any portion of the second fluid distribution region. In other words: in the first overlap region, preferably only the first portion of the cooling fluid distribution structure and the first section of the first fluid distribution region. Preferably, however, there is also no overlap between the first section of the cooling fluid distribution structure and the second fluid distribution region.
Ebenso können die Überlappungsbereiche Überlappungen definieren, die auch bei einer Orthogonalprojektion der jeweiligen Abschnitte, Strukturen und Merkmale in eine Planflächenebene der Separatorplatte vorliegen. Eine Überlappung kann gleichbedeutend damit sein, dass die entsprechenden Abschnitte, Strukturen und Merkmale von einer gemeinsamen Achse geschnitten werden, die senkrecht zu der Planflächenebene der Separatorplatte verläuft. The overlapping areas can also define overlaps that also exist in an orthogonal projection of the respective sections, structures and features into a plane of the separator plate. An overlap can mean that the corresponding sections, structures and features are cut by a common axis that runs perpendicular to the plane of the separator plate.
Beiden vorstehenden Varianten a) oder b) ist gemein, dass eine bewusst stärker ausgeprägte (oder auch ausschließliche) Fluideinleitung in den zweiten Überlappungsbereich durch einen ausgewählten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur erfolgt. Dies wird hierin auch als eine asymmetrische Fluideinleitung in den zweiten Überlappungsbereich bezeichnet. Erfindungsgemäß wurde beobachtet, dass dies im Vergleich zu bisherigen symmetrischeren Fluideinleitungen einen Kühlfluiddurchsatz mit geringerem Strömungswiderstand ermöglicht, da für das Kühlmittel im zweiten Überlappungsbereich Reibungsverluste reduziert werden (sh. unten). Both variants a) or b) above have in common that a deliberately more pronounced (or even exclusive) fluid introduction into the second overlap region takes place through a selected section of the cooling fluid distribution structure. This is also referred to herein as an asymmetrical fluid introduction into the second overlap region. According to the invention, it was observed that this enables a cooling fluid throughput with lower flow resistance compared to previous more symmetrical fluid introductions, since friction losses for the coolant in the second overlap region are reduced (see below).
Eine mögliche Ursache für den erfindungsgemäßen Kühlfluiddurchsatz mit geringerem Strömungswiderstand ist, dass bei einer bisherigen symmetrischen (d. h. vergleichbar stark ausgeprägten) Kühlfluideinleitung von mehreren Seiten in den zweiten Überlappungsbereich gegenläufige Kühlfluidströmung ähnlicher Stärke in dem zweiten Überlappungsbereich erzeugt werden. Dies erhöht Reibungsverluste, wenn diese Kühlfluidströmungen aufeinandertreffen. One possible reason for the cooling fluid throughput according to the invention with lower flow resistance is that with a previous symmetrical (i.e. comparably strong) cooling fluid introduction from several sides into the second overlap area, opposing cooling fluid flows of similar strength are generated in the second overlap area. This increases friction losses when these cooling fluid flows meet.
Weitere Vorteile ergeben sich dahingehend, dass aufgrund der bewussten Reduzierung oder auch des Wegfalls des dritten Abschnitts der Kühlfluidverteilstruktur strukturelle Vereinfachungen möglich sind. Bisher verwendete Strukturmerkmale zur Unterstützung des reduzierten oder auch wegfallenden weiteren Kühlfluideinleitungspfades entlang dieses dritten Abschnitts der Kühlfluidverteilstruktur können entsprechend kleiner dimensioniert werden oder ebenfalls wegfallen. Dadurch wird Bauraum innerhalb der Separatorplatte frei, der für andere Zwecke nutzbar ist. Further advantages arise in that structural simplifications are possible due to the deliberate reduction or elimination of the third section of the cooling fluid distribution structure. Structural features previously used to support the reduced or eliminated additional cooling fluid introduction path along this third section of the cooling fluid distribution structure can be made smaller or can also be eliminated. This frees up installation space within the separator plate, which can be used for other purposes.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der erste Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur anteilig begrenzt wird durch eine Stufe in der zweiten Einzelplatte, die sich in Richtung der ersten Einzelplatte erstreckt. Diese Stufe kann sich entlang einer Grenzlinie zwischen erstem und zweiten Überlappungsbereich erstrecken und insbesondere entlang eines überwiegenden Längenanteils cider auch entlang der gesamten Länge dieser Grenzlinie. Die Stufe kann einen nachstehend erläuterten Ebenenwechsel der Kühlfluidführung begünstigen und/oder damit zusammenhängende Strömungsräume begrenzen. Die Stufe führt bevorzugt dazu, dass die zweite Einzelplatte unmittelbar benachbart zur Stufe im zweiten Überlappungsbereich in der Planflächenebene der zweiten Einzelplatte verläuft, während sie unmittelbar benachbart zur Stufe im ersten Überlappungsbereich von dieser Planflächenebene beabstandet ist. A further development provides that the first section of the cooling fluid distribution structure is limited proportionately by a step in the second individual plate, which extends in the direction of the first individual plate. This step can extend along a boundary line between the first and second overlapping areas and in particular along a predominant length portion or also along the entire length of this boundary line. The step can promote a change of level of the cooling fluid guide as explained below and/or delimit associated flow spaces. The step preferably leads to the second individual plate running immediately adjacent to the step in the second overlapping area in the plane of the second individual plate, while immediately adjacent to the step in the first overlapping area it is spaced from this plane.
Genauer gesagt kann bei einem Übertritt von dem ersten zu dem zweiten Überlappungsbereich ein Ebenenwechsel der Kühlfluidführung erfolgen. Insbesondere kann ein Wechsel von Strömungsebenen der Kühlfluidverteilstruktur in der Weise stattfinden, dass sich im ersten Überlappungsbereich ein Strömungsquerschnitt der Kühlfluidverteilstruktur maßgeblich in einem von der zweiten Einzelplatte aufgespannten Strömungsraum für das Kühlfluid erstreckt. Ein Abschnitt der ersten Einzelplatte innerhalb des ersten Überlappungsbereich kann hingegen zu einem größeren Anteil in der Planflächenebene der ersten Einzelplatte liegen und somit im Vergleich keinen signifikanten Strömungsraum für das Kühlfluid bereitstellen. In dem zweiten Überlappungsbereich kann der Strömungsraum hingegen zumindest anteilig auch von der ersten Einzelplatte aufgespannt werden. More precisely, a change in the plane of the cooling fluid guide can occur when the first to the second overlap region passes over. In particular, a change in flow planes of the cooling fluid distribution structure can take place in such a way that in the first overlap region, a flow cross-section of the cooling fluid distribution structure extends significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the second individual plate. A section of the first individual plate within the first overlap region, on the other hand, can lie to a greater extent in the plane of the first individual plate and thus, in comparison, provide no significant flow space for the cooling fluid. In the second overlap region, on the other hand, the flow space can also be spanned at least partially by the first individual plate.
In an sich bekannter Weise kann eine Planflächenebene einer jeweiligen Einzelplatte z. B. durch einen Rand der Einzelplatte oder durch diejenigen ebenen Bereiche oder Abschnitte der Einzelplatte festgelegt sein, die nicht infolge eines Präge- oder Tiefziehprozesses zum Ausbilden insbesondere der hierin geschilderten Steg-Kanal-Strukturen oder Sicken verformt sind. Einerseits können die Planflächenebenen in den neutralen Fasern der entsprechenden Abschnitte der Einzelplatten verlaufen, andererseits ist es auch möglich, die Oberflächen der betreffenden Abschnitte der Einzelplatten als Planflächenebenen zu betrachten. Bei letzterer Betrachtungsweise ist allerdings darauf zu achten, dass bei Distanzen o. dgl. die Materia Istärke nur einer von zwei betrachteten Einzelplatten berücksichtigt wird. In a manner known per se, a plane surface of a respective individual plate can be defined, for example, by an edge of the individual plate or by those flat areas or sections of the individual plate that are not deformed as a result of an embossing or deep-drawing process to form, in particular, the web-channel structures or beads described here. On the one hand, the plane surface planes can run in the neutral fibers of the corresponding sections of the individual plates, on the other hand, it is also possible to consider the surfaces of the relevant sections of the individual plates as plane surface planes. With the latter approach, however, it must be ensured that when considering distances or the like, the material thickness of only one of two individual plates considered is taken into account.
Auch bei einem Übertritt von dem dritten Überlappungsbereich in den zweiten Überlappungsbereich kann ein Ebenenwechsel der Kühlfluidführung erfolgen. Insbesondere kann ein Wechsel von Strömungsebenen der Kühlfluidverteilstruktur in der Weise stattfinden, dass im dritten Überlappungsbereich ein Strömungsquerschnitt der Kühlfluidverteilstruktur sich maßgeblich in einem von der ersten Einzelplatte aufgespannten Strömungsraum für das Kühlfluid erstreckt. Ein Abschnitt der zweiten Einzelplatte innerhalb des dritten Überlappungsbereich kann hingegen überwiegend in der Planflächenebene der zweiten Einzelplatte liegen und somit im Vergleich keinen signifikanten Strömungsraum für das Kühlfluid bereitstellen. In dem zweiten Überlappungsbereich kann hingegen ein Strömungsraum für das Kühlfluid wiederum zumindest anteilig auch von bzw. in der zweiten Einzelplatte bereitgestellt werden. A change in the level of the cooling fluid guidance can also occur when the third overlap area passes into the second overlap area. In particular, a change in flow levels of the cooling fluid distribution structure can take place in such a way that in the third overlap area a flow cross section of the cooling fluid distribution structure is located significantly in a flow space for the cooling fluid spanned by the first individual plate. extends. A section of the second individual plate within the third overlap region can, however, lie predominantly in the plane of the second individual plate and thus, in comparison, provide no significant flow space for the cooling fluid. In the second overlap region, however, a flow space for the cooling fluid can again be provided at least partially by or in the second individual plate.
Es versteht sich, dass jegliche der vorstehend erwähnten Strömungsräume von der Kühlfluidverteilstruktur umfasst sein können und beispielsweise fluidführende Hohlräume innerhalb der Kühlfluidverteilstruktur ausbilden. It is understood that any of the above-mentioned flow spaces can be included in the cooling fluid distribution structure and, for example, form fluid-conducting cavities within the cooling fluid distribution structure.
Bei einer weiteren Variante, die auf die vorstehende Option b) aufbaut, wird der dritte Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur anteilig begrenzt durch eine Stufe in der ersten Einzelplatte, die sich in Richtung der zweiten Einzelplatte erstreckt. Diese Stufe kann den vorstehend erläuterten Ebenenwechsel der Kühlfluidführung beim Übertritt von dem dritten in den zweiten Überlappungsbereich verursachen. Sie kann einen innerhalb des dritten Abschnitts maßgeblich in der ersten Einzelplatte ausgebildeten Kühlfluid-Strömungsraum begrenzen und/oder das Kühlfluid auf die anders gelegene Strömungsebene innerhalb des zweiten Überlappungsbereichs führen. Die Stufe kann sich entlang einer Grenzlinie zwischen drittem und zweiten Überlappungsbereich erstrecken und insbesondere entlang eines überwiegenden Längenanteils oder auch entlang der gesamten Länge dieser Grenzlinie. In a further variant, which builds on the above option b), the third section of the cooling fluid distribution structure is proportionately limited by a step in the first individual plate, which extends in the direction of the second individual plate. This step can cause the above-explained change in level of the cooling fluid guide when passing from the third to the second overlap area. It can limit a cooling fluid flow space formed within the third section primarily in the first individual plate and/or guide the cooling fluid to the differently located flow level within the second overlap area. The step can extend along a boundary line between the third and second overlap areas and in particular along a predominant length portion or also along the entire length of this boundary line.
Ein weiterer Aspekt umfassend die vorstehende Option b) sieht vor, dass ein Strömungsquerschnitt eines Übergangs zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur größer ist als ein (z. B. kumulierter) Strömungsquerschnitt eines Übergangs zwischen dem dritten und zweiten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur. Dies begünstigt einen höheren Fluiddurchsatz durch den ersten Abschnitt und somit die angestrebte Asymmetrie der Kühlfluidführung. A further aspect comprising the above option b) provides that a flow cross-section of a transition between the first and second sections of the cooling fluid distribution structure is larger than a (e.g. cumulative) flow cross-section of a transition between the third and second sections of the cooling fluid distribution structure. This promotes a higher fluid throughput through the first section and thus the desired asymmetry of the cooling fluid guide.
Bei einer weiteren Variante umfassend die vorstehende Option b) weist der erste Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur, beispielsweise an einer Innenseite der zweiten Einzelplatte, eine erste kühlfluidverteilende Steg-Kanal-Struktur auf und der dritte Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur eine weitere kühlfluidverteilende Steg-Kanal-Struktur, beispielsweise an einer Innenseite der ersten Einzelplatte, wobei die erste und die weitere kühlfluidverteilende Steg-Ka- nal-Struktur jeweils eine Vielzahl und/oder eine sich mehrfach wiederholende Abfolge von Stegen und von zwischen jeweils zwei Stegen ausgebildeten Kanälen aufweisen. Jegliche hierin offenbarten Stege und Kanäle können auf voneinander verschiedenen Höhen relativ zu einer Planflächenebene einer Einzelplatte liegen, in der sie ausgebildet sind. In a further variant comprising the above option b), the first section of the cooling fluid distribution structure, for example on an inner side of the second individual plate, has a first cooling fluid-distributing web-channel structure and the third section of the cooling fluid distribution structure has a further cooling fluid-distributing web-channel structure, for example on an inner side of the first individual plate, wherein the first and the further cooling fluid-distributing web-channel structure each have a plurality and/or a multiple repeating sequence of webs and of channels formed between each two webs. Any webs and channels disclosed herein can be based on different heights relative to a flat surface plane of an individual plate in which they are formed.
In dem vorstehenden Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass ein durch die erste fluidverteilende Steg-Kanal-Struktur definierter Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts größer ist als ein durch die weitere fluidverteilende Steg-Kanal-Struktur definierter Strömungsquerschnitt des dritten Abschnitts. Dies kann vorteilhafterweise in dem vorstehend erläuterten vergrößerten, z. B. kumulierten, Strömungsquerschnitt eines Übergangs zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur resultieren. In the above context, it can also be provided that a flow cross-section of the first section defined by the first fluid-distributing web-channel structure is larger than a flow cross-section of the third section defined by the further fluid-distributing web-channel structure. This can advantageously result in the enlarged, e.g. cumulative, flow cross-section of a transition between the first and second sections of the cooling fluid distribution structure explained above.
Zusätzlich oder alternativ können sich die Stege und Kanäle der weiteren fluidverteilenden Steg-Kanal-Struktur in dem zweiten Abschnitt entlang einer jeweiligen Längsachse erstrecken und können zumindest einige der Stege und/oder Kanäle, insbesondere von Kanälen bzw. Stegen, von der den dritten und zweiten Abschnitt begrenzenden Stufe in Richtung des von der den ersten und zweiten Abschnitt begrenzenden Stufe abgewandten Endes des zweiten Abschnitts verlaufen, in wenigstens einem Abschnitt ihrer jeweiligen Längsachsen unterbrochen sein. Dies reduziert die durch die Stege und/oder Kanäle bereitgestellten Räume für das Kühlfluid, sodass der Kühlfluiddurchsatz in dem zweiten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur im von der zweiten Einzelplatte aufgespannten Strömungsraum reduziert und die Asymmetrie der Fluidführung verstärkt wird. Additionally or alternatively, the webs and channels of the further fluid-distributing web-channel structure in the second section can extend along a respective longitudinal axis and at least some of the webs and/or channels, in particular channels or webs, running from the step delimiting the third and second sections in the direction of the end of the second section facing away from the step delimiting the first and second sections, can be interrupted in at least one section of their respective longitudinal axes. This reduces the spaces provided by the webs and/or channels for the cooling fluid, so that the cooling fluid throughput in the second section of the cooling fluid distribution structure in the flow space spanned by the second individual plate is reduced and the asymmetry of the fluid guidance is increased.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass ein von dem ersten Fluidverteilbereich verteiltes Fluid Sauerstoff oder Luft ist und ein von dem zweiten Fluidverteilbereich verteiltes Fluid Wasserstoff ist. One embodiment provides that a fluid distributed by the first fluid distribution region is oxygen or air and a fluid distributed by the second fluid distribution region is hydrogen.
Bei einer Weiterbildung ist der erste Fluidverteilbereich mit einem ersten Strömungsfeld der Separatorplatte und der zweite Fluidverteilbereich mit einem zweiten Strömungsfeld der Separatorplatte fluidleitend verbunden. In a further development, the first fluid distribution region is fluidly connected to a first flow field of the separator plate and the second fluid distribution region is fluidly connected to a second flow field of the separator plate.
Insbesondere ist das erste Strömungsfeld über den ersten Fluidverteilbereich fluidleitend mit einer in der Separatorplatte ausgebildeten ersten Durchgangsöffnung verbunden, das zweite Strömungsfeld über den zweiten Fluidverteilbereich fluidleitend mit einer in der Separatorplatte ausgebildeten zweiten Durchgangsöffnung verbunden und die Kühlfluidverteilstruktur ist fluidleitend mit einer in der Separatorplatte ausgebildeten dritten Durchgangsöffnung verbunden. Am Übergang von den Überlappungsbereichen in die Strömungsfelder können die Kühlverteilstrukturen in einem kurzen Abschnitt eine geringere Tiefe aufweisen, bevor der Hauptbereich des Strömungsfelds erreicht wird. Hierdurch wird die größere Dicke der angrenzenden Bauteile kompensiert. In particular, the first flow field is connected in a fluid-conducting manner to a first through-opening formed in the separator plate via the first fluid distribution region, the second flow field is connected in a fluid-conducting manner to a second through-opening formed in the separator plate via the second fluid distribution region, and the cooling fluid distribution structure is connected in a fluid-conducting manner to a third through-opening formed in the separator plate. At the transition from the overlapping regions to the flow fields, the cooling distribution structures can have a smaller depth in a short section before the main region of the flow field is reached. This compensates for the greater thickness of the adjacent components.
Jegliches hier offenbarte Strömungsfeld an einer der Außenseiten der Einzelplatten kann sich zum Beispiel dadurch auszeichnen, dass sämtliche hiervon umfassten Stege und Kanäle geradlinig sind und parallel zueinander sowie parallel zu eines Hauptströmungsrichtung des Strömungsfelds verlaufen. Alternativ könnten die Stege und Kanäle des Strömungsfelds aber auch wellenförmig sein und mit gleichartiger Wellenform nebeneinander sowie entlang einer Hauptströmungsrichtung des Strömungsfeldes verlaufen. Die Wellenform kann gleichmäßig um die Hauptströmungsachse oszillieren und/oder die Hauptströmungsachse kann eine Mittelachse der Wellenform definieren, um die wellenartig oszilliert wird. Any flow field disclosed here on one of the outer sides of the individual plates can be characterized, for example, in that all of the webs and channels included here are straight and run parallel to one another and parallel to a main flow direction of the flow field. Alternatively, the webs and channels of the flow field could also be wave-shaped and run with a similar wave shape next to one another and along a main flow direction of the flow field. The wave shape can oscillate evenly around the main flow axis and/or the main flow axis can define a central axis of the wave shape around which wave-like oscillation occurs.
Zusätzlich oder alternativ kann sich ein Strömungsfeld an einer der Außenseiten der Einzelplatten dadurch auszeichnen, dass es innerhalb eines MEA-Ver- stärkungsrands liegt und insbesondere von diesem zumindest abschnittsweise umgeben und/oder eingerahmt wird. Jedoch liegt dem Strömungsfeld selbst der MEA-Verstärkungsrand nicht gegenüber, sondern der eigentlich aktive Bereich der MEA, insbesondere in Form von deren Elektrolytmembran. Es wird beispielhaft auf die DE 20 2020 106 459 Ul verwiesen und dort insbesondere auf die Figur 3B, die eine MEA mit Verstärkungsrand zeigt, der einen aktiven Bereich der MEA einrahmt. Anders kann es sich jedoch bezüglich dem Strömungsfeld zugeordneten weniger tief ausgeformten Bereichs verhalten, in dem der MEA-Verstärkungsrand und die GDL einander überlappen. Additionally or alternatively, a flow field on one of the outer sides of the individual plates can be characterized by the fact that it lies within an MEA reinforcement edge and in particular is surrounded and/or framed by it at least in sections. However, the MEA reinforcement edge is not opposite the flow field itself, but rather the actually active area of the MEA, in particular in the form of its electrolyte membrane. Reference is made by way of example to DE 20 2020 106 459 Ul and in particular to Figure 3B, which shows an MEA with a reinforcement edge that frames an active area of the MEA. However, the situation can be different with regard to the less deeply formed area assigned to the flow field, in which the MEA reinforcement edge and the GDL overlap one another.
Gemäß einem optionalen Aspekt tritt das von dem ersten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur geführte Kühlfluid über eine Steg-Kanal-Struktur an einer Innenseite der zweiten Einzelplatte, die eine komplementär geformte Steg-Ka- nal-Struktur des ersten Fluidverteilbereichs ausbildet, in den zweiten Überlappungsbereich ein. Dies erfolgt insbesondere ausschließlich über die innenseitige Steg-Kanal-Struktur von der Innenseite der zweiten Einzelplatte in den zweiten Überlappungsbereich. Damit einhergehen kann der vorstehend erläuterte Ebenenwechsel der Kühlfluidführung bei einem Übertritt von dem ersten in den zweiten Überlappungsbereich. According to an optional aspect, the cooling fluid guided by the first section of the cooling fluid distribution structure enters the second overlap region via a web-channel structure on an inner side of the second individual plate, which forms a complementarily shaped web-channel structure of the first fluid distribution region. This takes place in particular exclusively via the inner web-channel structure from the inner side of the second individual plate into the second overlap region. This can be accompanied by the above-explained change in level of the cooling fluid guidance when moving from the first to the second overlap region.
Bei einer weiteren Ausführungsform tritt das von dem dritten Abschnitt der Kühlfluidverteilstruktur geführte Kühlfluid über eine Steg-Kanal-Struktur an einer Innenseite der ersten Einzelplatte, die eine komplementär geformte Steg- Kanal-Struktur des zweiten Fluidverteilbereichs ausbildet, in den zweiten Überlappungsbereich ein, und tritt insbesondere ausschließlich über die innenseitige Steg-Kanal-Struktur von der Innenseite der ersten Einzelplatte in den zweiten Überlappungsbereich ein. In a further embodiment, the cooling fluid guided by the third section of the cooling fluid distribution structure enters the second Overlap area, and in particular enters the second overlap area exclusively via the inner web-channel structure from the inside of the first individual plate.
Insbesondere kann das Kühlfluid aus dem ersten und/oder dem dritten Überlappungsbereich unter einer Änderung einer Strömungsrichtung in den zweiten Überlappungsbereich eintreten, wobei die Änderung der Strömungsrichtung einen Winkel von mehr als 90°, vorzugsweise mehr als 110° und insbesondere mehr als 135° umfasst. In particular, the cooling fluid from the first and/or the third overlap region can enter the second overlap region with a change in flow direction, wherein the change in flow direction comprises an angle of more than 90°, preferably more than 110° and in particular more than 135°.
Eine weitere Variante sieht vor, dass innerhalb des ersten Abschnitts der Kühlfluidverteilstruktur eine Innenseite der zweiten Einzelplatte abweichend von der Steg-Kanal-Struktur der Innenseite der ersten Einzelplatte ausgebildet ist. Insbesondere können innerhalb des ersten Abschnitts an der Innenseite der zweiten Einzelplatte: A further variant provides that within the first section of the cooling fluid distribution structure, an inner side of the second individual plate is designed differently from the web-channel structure of the inner side of the first individual plate. In particular, within the first section on the inner side of the second individual plate:
- weniger Stege und Kanäle als innerhalb der Steg-Kanal-Struktur der Innenseite der ersten Einzelplatte vorhanden sein; und/oder - fewer webs and channels than within the web-channel structure of the inside of the first single plate; and/or
- keine oder zumindest weniger Stege oder Kanäle vorhanden sein, die in den zweiten Überlappungsbereich münden und/oder die in eine etwaige dritte Durchgangsöffnung der vorstehend erläuterten Art münden; und/oder - there are no or at least fewer webs or channels that open into the second overlap area and/or that open into a possible third through-opening of the type described above; and/or
- Abstände zwischen Stegen und Kanalbreiten größer sein als innerhalb der Steg-Kanalstruktur der Innenseite der ersten Einzelplatte. - Distances between webs and channel widths must be larger than within the web-channel structure of the inside of the first single plate.
Die Abstände und Kanalbreiten können in oder parallel zur Planflächenebene der zweiten Einzelplatte gemessen werden. Jegliche hier offenbarten Stege und Kanäle können langgestreckt sein, sodass eine jeweilige Breitenabmessung quer zu deren Längserstreckung verläuft. The distances and channel widths can be measured in or parallel to the plane of the second single plate. Any webs and channels disclosed here can be elongated so that a respective width dimension runs transversely to their longitudinal extent.
Die vorstehenden Varianten begünstigen jeweils einen Fluiddurchsatz mit geringem Strömungswiderstand durch den ersten Abschnitt, bspw. da an der Innenseite der zweiten Einzelplatte weniger Strömungshindernisse vorliegen. The above variants each promote a fluid throughput with low flow resistance through the first section, e.g. because there are fewer flow obstacles on the inside of the second single plate.
Offenbart wird ebenfalls ein elektrochemisches System mit einer Mehrzahl von Separatorplatten gemäß jeglichem hier offenbarten Aspekt und zwischen diesen Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zellen. Also disclosed is an electrochemical system having a plurality of separator plates according to any aspect disclosed herein and electrochemical cells disposed between these separator plates.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Figurenübergreifend können für gleichartige oder gleichwirkende Merkmale die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein elektrochemisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Offenbarung mit einer Vielzahl von gestapelten Separatorplatten samt dazwischen angeordneter Membranelektrodeneinheiten. The invention is explained below with reference to the attached schematic figures. The same reference numerals can be used across the figures for similar or equivalent features. Figure 1 shows a perspective view of an electrochemical system according to an embodiment of this disclosure with a plurality of stacked separator plates with membrane electrode units arranged therebetween.
Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung zwei Separatorplatten eines Systems ähnlich Figur 1 mit einer zwischen den Separatorplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA), wobei die Separatorplatten gemäß einem Beispiel des Standes der Technik ausgebildet sind. Figure 2 shows a perspective view of two separator plates of a system similar to Figure 1 with a membrane electrode assembly (MEA) arranged between the separator plates, wherein the separator plates are designed according to an example of the prior art.
Figur 3 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Kühlmittelführung innerhalb eines Abschnitts einer Separatorplatte, die gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung ausgebildet ist. Figure 3 shows a schematically highly simplified representation of a coolant guide within a section of a separator plate, which is designed according to a first embodiment of this disclosure.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht der Separatorplatte der ersten Ausführungsform mit Blick auf einen Fluidverteilbereich einer zweiten Einzelplatte, insbesondere Anodenplatte, der Separatorplatte. Figure 4 shows a perspective partial view of the separator plate of the first embodiment with a view of a fluid distribution region of a second individual plate, in particular anode plate, of the separator plate.
Figur 5 zeigt eine schematische, vereinfachte Ansicht der Fluidführung in einem Fluidverteilbereich der erfindungsgemäßen Separatorplatte. Figure 5 shows a schematic, simplified view of the fluid guide in a fluid distribution region of the separator plate according to the invention.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Separatorplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Blick auf einen Fluidverteilbereich einer ersten Einzelplatte, insbesondere Kathodenplatte, der Separatorplatte. Figure 6 shows a perspective partial view of a separator plate according to a further embodiment with a view of a fluid distribution region of a first individual plate, in particular cathode plate, of the separator plate.
Figur 7 zeigt eine schematische, vereinfachte Ansicht der Fluidführung in einem Fluidverteilbereich der erfindungsgemäßen Separatorplatte. Figure 7 shows a schematic, simplified view of the fluid guide in a fluid distribution region of the separator plate according to the invention.
Figur 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 der hier vorgeschlagenen Art mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Separatorplatten 2 (bzw. Bipolarplatten). Diese sind in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Rich- tung 7 gestapelt. Die Separatorplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Separatorplatten 2 des Stapels 6 schließen zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Separatorplatten 2 des Stapels 6 jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 ange- ordnet (siehe nachstehende Figur 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Figure 1 shows an electrochemical system 1 of the type proposed here with a plurality of identical metallic separator plates 2 (or bipolar plates). These are arranged in a stack 6 and stacked along a z-direction 7. The separator plates 2 of the stack 6 are clamped between two end plates 3, 4. The z-direction 7 is also called the stack direction. In the present example, the system 1 is a fuel cell stack. Two adjacent separator plates 2 of the stack 6 enclose an electrochemical cell between them, which serves, for example, to convert chemical energy into electrical energy. To form the electrochemical cells of the system 1, a membrane electrode unit (MEA) 10 is arranged between adjacent separator plates 2 of the stack 6. (see Figure 2 below). The MEAs typically each contain at least one membrane, e.g. an electrolyte membrane. Furthermore, a gas diffusion layer (GDL) can be arranged on one or both surfaces of the MEA.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, Kompressor oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Separatorplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Separatorplatten kann dem Aufbau der hier näher erläuterten Separatorplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Separatorplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Kompressor oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können. In alternative embodiments, the system 1 can also be designed as an electrolyzer, compressor or redox flow battery. Separator plates can also be used in these electrochemical systems. The structure of these separator plates can correspond to the structure of the separator plates 2 explained in more detail here, even if the media guided on or through the separator plates in an electrolyzer, an electrochemical compressor or a redox flow battery can differ from the media used for a fuel cell system.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Separatorplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten 2 jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung (z-Achse 7) ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder ein Kühlfluid wie Wasser und/oder Glykol umfassen. The z-axis 7, together with an x-axis 8 and a y-axis 9, spans a right-handed Cartesian coordinate system. The separator plates 2 each define a plate plane, wherein the plate planes of the separator plates 2 are each aligned parallel to the x-y plane and thus perpendicular to the stacking direction (z-axis 7). The end plate 4 has a plurality of media connections 5 via which media can be fed to the system 1 and via which media can be removed from the system 1. These media that can be fed to the system 1 and removed from the system 1 can include, for example, fuels such as molecular hydrogen or methanol, reaction gases such as air or oxygen, reaction products such as water vapor or depleted fuels or a cooling fluid such as water and/or glycol.
Figur 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Separatorplatten 2 oder Bipolarplatten, die von einem elektrochemischen System von der Art des Systems 1 aus Figur 1 umfasst sein können. Die Separatorplatten 2 entsprechen einem Beispiel aus dem Stand der Technik. Die nachstehend in Bezug hierauf erläuterten Eigenschaften und Merkmale können aber ebenso auf die hier offenbarten erfindungsgemäßen Separatorplatten 2 zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein, sofern nicht anders erwähnt oder ersichtlich. Figure 2 shows in perspective two adjacent separator plates 2 or bipolar plates, which can be included in an electrochemical system of the type of system 1 from Figure 1. The separator plates 2 correspond to an example from the prior art. However, the properties and features explained below in relation to this can also apply to the separator plates 2 according to the invention disclosed here or can be provided for them, unless otherwise mentioned or apparent.
Fig. 2 zeigt auch eine zwischen diesen benachbarten Separatorplatten 2 angeordnete bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in Figur 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Separatorplatte 2 verdeckt ist. Die Separatorplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Einzelplatten 2a, 2b gebildet, von denen in Figur 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a sichtbar ist, die die weitere Einzelplatte 2b verdeckt. Die Einzelplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Einzelplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen oder erst beim Aufstapeln des Stacks verbunden werden. Insbesondere die Gestaltung von fluidführenden Strukturen an der dem Betrachter zugewandten Außenseite der Einzelplatte 2a kann von den erfindungsgemäßen Strukturen der nachstehenden weiteren Figuren 3 bis 7 abweichen. Fig. 2 also shows a known membrane electrode assembly (MEA) 10 arranged between these adjacent separator plates 2, wherein the MEA 10 in Figure 2 is largely concealed by the separator plate 2 facing the viewer. The separator plate 2 is formed from two materially joined individual plates 2a, 2b, of which only the individual plate 2a facing the viewer is visible in Figure 2, which forms the further Individual plate 2b is covered. The individual plates 2a, 2b can each be made from a metal sheet, e.g. from a stainless steel sheet. The individual plates 2a, 2b can be welded to one another, e.g. by laser welding or only connected when the stack is stacked. In particular, the design of fluid-conducting structures on the outside of the individual plate 2a facing the viewer can deviate from the structures according to the invention in the following figures 3 to 7.
Die Einzelplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, welche Durchgangsöffnungen lla-c der Separatorplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Separatorplatten 2 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe Figur 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. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. ein Kühlfluid in den Stapel 6 eingeleitet oder aus dem Stapel 6 abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen können dagegen zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel 6 ausgebildet sein. The individual plates 2a, 2b have through-openings which are aligned with one another and which form through-openings 11a-c of the separator plate 2. When a plurality of separator plates 2 are stacked, the through-openings 11a-c form lines which extend through the stack 6 in the stacking direction 7 (see Figure 1). Typically, each of the lines formed by the through-openings 11a-c is in fluid communication with one of the ports 5 in the end plate 4 of the system 1. A cooling fluid can be introduced into the stack 6 or drained from the stack 6 via the lines formed by the through-openings 11a, for example. The lines formed by the through-openings 11b, 11c, on the other hand, can be designed to supply the electrochemical cells of the fuel cell stack of the system 1 with fuel and with reaction gas and to drain the reaction products from the stack 6.
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf. Diese sind jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet und umschließen die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig. Die zweite Einzelplatte 2b weist an der vom Betrachter der Figur 2 abgewandten Rückseite der Separatorplatte 2 ebenfalls entsprechende Dichtsicken 12a- c zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c auf (nicht gezeigt). Alternative Dichtsysteme, wie etwa Elastomerdichtungen können ebenfalls zum Einsatz kommen. To seal the through openings 11a-c from the interior of the stack 6 and from the environment, the individual plate 2a facing the viewer has sealing arrangements in the form of sealing beads 12a-c. These are arranged around the through openings 11a-c and completely enclose the through openings 11a-c. The second individual plate 2b also has corresponding sealing beads 12a-c on the rear side of the separator plate 2 facing away from the viewer in Figure 2 for sealing the through openings 11a-c (not shown). Alternative sealing systems, such as elastomer seals, can also be used.
Angrenzend an den elektrochemisch aktiven Bereich 18 der MEA weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a an ihrer dem Betrachter der Figur 2 zugewandten Außenseite ein Strömungsfeld 17a mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Außenseite der Einzelplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in Figur 2 in Form einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen ausgebildet. An der dem Betrachter der Figur 2 zugewandten Außenseite der Separatorplatte 2 weist die dem Betrachter zugewandte Einzelplatte 2a zudem zwei Verteilbereiche 20 auf. Die Verteilbereiche 20 umfassen jeweils Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in einen der Verteilbereiche 20 eingeleitetes Medium mittels des Strömungsfelds 17 über den aktiven Bereich 18 zu verteilen bzw. ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hinströmendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. In letzterem Fall kann der sammelnden Verteilbereich 20 auch als ein Sammelbereich bezeichnet werden. Adjacent to the electrochemically active region 18 of the MEA, the individual plate 2a facing the viewer has a flow field 17a with structures for guiding a reaction medium along the outside of the individual plate 2a on its outside facing the viewer in Figure 2. These structures are designed in Figure 2 in the form of a plurality of webs and channels running between the webs and delimited by the webs. On the outside of the Separator plate 2, the individual plate 2a facing the viewer also has two distribution areas 20. The distribution areas 20 each comprise structures that are designed to distribute a medium introduced from a first of the two through openings 11b into one of the distribution areas 20 via the active area 18 by means of the flow field 17 or to collect or bundle a medium flowing from the active area 18 to the second of the through openings 11b. In the latter case, the collecting distribution area 20 can also be referred to as a collection area.
Die fluidführenden Strukturen der Verteilbereiche 20 sind in Figur 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. The fluid-conducting structures of the distribution areas 20 in Figure 2 are also provided by webs and channels running between the webs and delimited by the webs.
Ohne dass dies in Figur 2 gesondert dargestellt ist, weist eine zwischen den Einzelplatten 2a, 2b ausgebildete und/oder eingeschlossene Kühlfluidverteilstruktur 19 ebenfalls Verteilbereiche auf, welche sich mit den Verteilbereichen 20 der Einzelplatten 2a, 2b überlappen. Diese Kühlfluidverteilstruktur 19 ist fluidisch mit einem Strömungsfeld verbunden oder umfasst dieses, wobei dieses Strömungsfeld mit den Strömungsfeldern 17a, 17b der Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b überlappt bzw. zwischen diesen eingeschlossen ist. Die Steg-Kanal-Strukturen an den Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b bilden dabei komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen an den entsprechenden Innenseiten aus und somit komplementär geformte Steg-Kanal-Strukturen der Kühlfluidverteilstruktur 19. Without this being shown separately in Figure 2, a cooling fluid distribution structure 19 formed and/or enclosed between the individual plates 2a, 2b also has distribution areas which overlap with the distribution areas 20 of the individual plates 2a, 2b. This cooling fluid distribution structure 19 is fluidically connected to a flow field or comprises this, wherein this flow field overlaps with the flow fields 17a, 17b of the outer sides of the individual plates 2a, 2b or is enclosed between them. The web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b form complementarily shaped web-channel structures on the corresponding inner sides and thus complementarily shaped web-channel structures of the cooling fluid distribution structure 19.
Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen der Verteilbereiche 20 und über das Strömungsfeld 17a der dem Betrachter der Figur 2 zugewandten Einzelplatte 2a miteinander in Fluidverbindung. Diese Einzelplatte 2a ist eine zweite Einzelplatte 2a im Sinne dieser Offenbarung. Ein entlang der Außenseite dieser Einzelplatte 2a geführtes Fluid ist vorzugsweise Wasserstoff, sodass die Durchgangsöffnungen 11b vorzugsweise Wasserstoff- Durchgangsöffnungen 11b sind. Dies ergibt sich insbesondere aus dem im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11a, 11c geringsten Querschnitt der Wasserstoff-Durchgangsöffnungen 11b. The two through-openings 11b or the lines formed by the through-openings 11b through the plate stack of the system 1 are each in fluid communication with one another via passages 13b in sealing beads 12b, via the distribution structures of the distribution areas 20 and via the flow field 17a of the individual plate 2a facing the viewer of Figure 2. This individual plate 2a is a second individual plate 2a in the sense of this disclosure. A fluid guided along the outside of this individual plate 2a is preferably hydrogen, so that the through-openings 11b are preferably hydrogen through-openings 11b. This results in particular from the smallest cross-section of the hydrogen through-openings 11b compared to the other through-openings 11a, 11c.
In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungenl3c, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der Figur 2 abgewandten Einzelplatte 2b miteinander in Fluidverbindung. Diese Einzelplatte 2b ist eine erste Einzelplatte 2b im Sinne dieser Offenbarung. Ein entlang der Außenseite dieser Einzelplatte 2b geführtes Fluid ist vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, sodass die Durchgangsöffnungen 11c vorzugsweise Luft- oder Sauerstoff-Durchgangsöffnungen 11c sind. Dies ergibt sich insbesondere aus dem im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11a, 11b größten Querschnitt der Luft- oder Sauerstoff-Durchgangsöffnungen 11c. In an analogous manner, the two through holes 11c or the lines formed by the through holes 11c are formed through the plate stack of the System 1 are in fluid communication with one another via corresponding bead feedthroughs 13c, via corresponding distribution structures and via a corresponding flow field on an outer side of the individual plate 2b facing away from the viewer of Figure 2. This individual plate 2b is a first individual plate 2b in the sense of this disclosure. A fluid guided along the outer side of this individual plate 2b is preferably air or oxygen, so that the through openings 11c are preferably air or oxygen through openings 11c. This results in particular from the largest cross section of the air or oxygen through openings 11c compared to the other through openings 11a, 11b.
Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Einzelplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum, der die Kühlfluidverteilstruktur 19 bildet, miteinander in Fluidverbindung. Dies erfolgt beispielsweise wiederum durch Durchführungen 13a. Dieser Hohlraum bzw. diese Kühlfluidverteilstruktur 19 dient zum Führen eines Kühlfluids durch die Separatorplatte 2, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der MEA. Die Durchgangsöffnungen 11a sind daher Kühlfluid-Durchgangsöffnungen, was insbesondere auch aus deren mittlerer Querschnittsgröße im Vergleich zu den anderen Durchgangsöffnungen 11b, 11c naheliegt. The through-openings 11a, however, or the lines formed by the through-openings 11a through the plate stack of the system 1, are each in fluid communication with one another via a cavity enclosed or surrounded by the individual plates 2a, 2b, which forms the cooling fluid distribution structure 19. This is again done, for example, by means of feedthroughs 13a. This cavity or this cooling fluid distribution structure 19 serves to guide a cooling fluid through the separator plate 2, in particular to cool the electrochemically active region 18 of the MEA. The through-openings 11a are therefore cooling fluid through-openings, which is particularly obvious from their average cross-sectional size in comparison to the other through-openings 11b, 11c.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 3 bis 7 Fluidführungen bei einer Separatorplatte 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die Separatorplatte 2 ist prinzipiell analog zu den Figuren 1 und 2 ausgebildet und weist zusätzlich die nachstehend erläuterten Merkmale und Besonderheiten hinsichtlich der Fluidführungen auf. Dabei wird in den Figuren 3 bis 7 jeweils in etwa ein in Fig. 2 gestrichelt umrissener Bereich einer Separatorplatte 2 betrachtet, wobei jedoch teilweise auch auf die vom Betrachter abgewandte Außenseite der ersten Einzelplatte 2b oder auf die innere Kühlfluidstruktur Bezug genommen wird. In the following, fluid guides in a separator plate 2 according to an embodiment of the invention are explained using Figures 3 to 7. The separator plate 2 is basically designed analogously to Figures 1 and 2 and additionally has the features and special features explained below with regard to the fluid guides. In Figures 3 to 7, an area of a separator plate 2 outlined in dashed lines in Fig. 2 is considered, although reference is also made in part to the outside of the first individual plate 2b facing away from the viewer or to the internal cooling fluid structure.
Des Weiteren werden in den nachstehend erläuterten Figuren 3 bis 7 Verteilbereiche 20 der Einzelplatten 2a, 2b sowie die Kühlfluidverteilstruktur 19 betrachtet, welche jeweils ein Fluid von einer der Durchgangsöffnungen lla-c zu einem Strömungsfeld 17, 17a-b führen. Jedoch gelten die Ausführungen ebenso für die sammelnden Verteilbereiche 20 (bzw. Sammelbereiche) der Separatorplatte 2 an dem entsprechend anderen Ende der Strömungsfelder 17, 17a-b. Insbesondere können im Falle einer umgekehrten Fluidströmungsrichtung die im Folgenden betrachteten fluidverteilende Verteilbereiche 20 ebenso als Sammelbereiche fungieren. Furthermore, in Figures 3 to 7 explained below, distribution areas 20 of the individual plates 2a, 2b and the cooling fluid distribution structure 19 are considered, each of which leads a fluid from one of the through openings 11a-c to a flow field 17, 17a-b. However, the statements also apply to the collecting distribution areas 20 (or collection areas) of the separator plate 2 at the corresponding other end of the flow fields 17, 17a-b. In particular, in the case of a reversed fluid flow direction, the fluid-distributing distribution regions 20 considered below can also function as collection regions.
Figur 3 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Kühlmittelführung innerhalb einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2. Genauer gesagt ist eine Erstreckung der Kühlfluidverteilstruktur 19 in einem zu dem gestrichelt umrissenen Bereich aus Fig. 2 analogen Bereich schematisch dargestellt. Der dargestellte Bereich entspricht einem Verteilbereich der Kühlfluidverteilstruktur 19. Es versteht sich, dass die Kühlfluidverteilstruktur 19 aufgrund ihrer Lage zwischen den Einzelplatten 2a, 2b bei zusammengefügter Separatorplatte 2 nicht in der dargestellten Weise einsehbar ist. Figure 3 shows a schematically highly simplified representation of a coolant guide within a separator plate 2 according to the invention. More precisely, an extension of the cooling fluid distribution structure 19 is shown schematically in an area analogous to the dashed area in Fig. 2. The area shown corresponds to a distribution area of the cooling fluid distribution structure 19. It is understood that the cooling fluid distribution structure 19 cannot be seen in the manner shown due to its position between the individual plates 2a, 2b when the separator plate 2 is joined together.
Die Perspektive von Figur 3 ist gegenüber Figur 2 gedreht, wie aus den schematisch dargestellten Positionen der Durchgangsöffnungen lla-c ersichtlich. Zudem verdeutlicht die Anordnung dieser Durchgangsöffnungen lla-c, dass die Kühlfluidverteilstruktur 19 in einer Weise orientiert ist, wie wenn eine nicht dargestellte Außenseite der ersten Einzelplatte 2b aus Figur 2 dem Betrachter zugewandt wäre. Die Durchgangsöffnungen lla-c weisen wiederum die vorstehend erläuterten Größenverhältnisse auf. The perspective of Figure 3 is rotated compared to Figure 2, as can be seen from the schematically illustrated positions of the through-openings 11a-c. In addition, the arrangement of these through-openings 11a-c makes it clear that the cooling fluid distribution structure 19 is oriented in a manner as if an outside of the first individual plate 2b from Figure 2 (not shown) were facing the viewer. The through-openings 11a-c again have the size ratios explained above.
Die Kühlfluidverteilstruktur 19 wird durch die einander zugewandten Innenseiten der Einzelplatten 2a, 2b begrenzt. Genauer gesagt sind einander gegenüberliegende Bereiche dieser Innenseiten in unterschiedlichem Ausmaß voneinander beanstandet, sodass fluidaufnehmende Freiräume (d. h. Strömungsräume) der Kühlfluidverteilstruktur 19 gebildet werden. Die Kühlfluidverteilstruktur 19 weist zudem nicht dargestellte Steg-Kanal-Strukturen auf, welche an den Außenseiten der Einzelplatten 2a, 2b komplementär geformte Steg-Ka- nal-Strukturen ausbilden, wie vorstehend anhand von Figur 2 erläutert. The cooling fluid distribution structure 19 is delimited by the inner sides of the individual plates 2a, 2b facing each other. More precisely, opposing regions of these inner sides are spaced apart from each other to varying degrees, so that fluid-absorbing free spaces (i.e. flow spaces) are formed in the cooling fluid distribution structure 19. The cooling fluid distribution structure 19 also has web-channel structures (not shown), which form complementary shaped web-channel structures on the outer sides of the individual plates 2a, 2b, as explained above with reference to Figure 2.
Die Kühlfluidverteilstruktur 19 weist drei Abschnitte A, B, C auf, die hier jeweils im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet sind. Der erste Abschnitt A und der dritte Abschnitt C sind jeweils fluidleitend mit der Kühlfluid-Durchgangsöffnung 11a verbunden. Vorstehend erläuterte fluidverbindende Durchleitungen durch die die Kühlfluid-Durchgangsöffnung 11a umgebenden Dichtelemente sind in Figur 3 nicht gesondert dargestellt, aber dennoch vorhanden. Mittels zwei Pfeilen 1A, 1C ist jeweils eine Fluideinströmung aus der Kühlfluid-Durchgangsöffnung 11a in den ersten und in den dritten Abschnitt A, C dargestellt. Die Größe der Pfeile verdeutlicht die Größenverhältnisse dieser Strömungen. Somit ist ersichtlich, dass die Fluideinströmung 1A in den ers- ten Abschnitt A deutlich größer ist (zum Beispiel wenigstens dreimal, wenigstens fünfmal oder wenigstens zehnmal so groß) als die Fluideinströmung 1C in den dritten Abschnitt C. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Strömungsrichtung möglich ist. The cooling fluid distribution structure 19 has three sections A, B, C, which are each essentially triangular in shape. The first section A and the third section C are each connected to the cooling fluid passage opening 11a in a fluid-conducting manner. The fluid-connecting passages through the sealing elements surrounding the cooling fluid passage opening 11a, as explained above, are not shown separately in Figure 3, but are nevertheless present. Two arrows 1A, 1C show a fluid inflow from the cooling fluid passage opening 11a into the first and third sections A, C. The size of the arrows illustrates the size ratios of these flows. It is thus clear that the fluid inflow 1A in the first th section A is significantly larger (for example at least three times, at least five times or at least ten times as large) than the fluid inflow 1C into the third section C. It is understood that a reverse flow direction is also possible.
Der erste Abschnitt A der Kühlfluidverteilstruktur 19 verläuft in einem ersten Überlappungsbereich 15 der Separatorplatte 2. In diesem überlappt der erste Abschnitt A mit einem ersten Abschnitt eines Verteilbereichs 20 der ersten Einzelplatte 2b, der im Folgenden auch als erster Fluidverteilbereich 21 bezeichnet wird (in Fig. 3 nicht dargestellt). Folglich wird der Abschnitt A von einem Abschnitt der Innenseite der ersten Einzelplatte 2b, der von diesem Fluidverteilbereich 21 abgewandt ist bzw. dessen Innenseite bildet, sowie von einer gegenüberliegenden Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a begrenzt. Der entsprechend begrenzende Abschnitt der ersten Einzelplatte 2b verläuft abschnittsweise in der Planflächenebene dieser Einzelplatte 2b. Der entsprechend begrenzende Abschnitt 30 der zweiten Einzelplatte 2a (siehe nachstehend diskutierte Figur 4) ist hingegen überwiegend gegenüber der Planflächenebene dieser Einzelplatte 2a sowie in einer von der ersten Einzelplatte 2b weg weisenden Richtung ausgeformt. Hierdurch bildet er maßgeblich einen Strömungsraum des ersten Abschnitts A der Kühlfluidverteilstruktur 19 aus. The first section A of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a first overlap region 15 of the separator plate 2. In this, the first section A overlaps with a first section of a distribution region 20 of the first individual plate 2b, which is also referred to below as the first fluid distribution region 21 (not shown in Fig. 3). Consequently, the section A is delimited by a section of the inside of the first individual plate 2b, which faces away from this fluid distribution region 21 or forms its inside, and by an opposite inside of the second individual plate 2a. The correspondingly delimiting section of the first individual plate 2b runs in sections in the plane of the flat surface of this individual plate 2b. The correspondingly delimiting section 30 of the second individual plate 2a (see Figure 4 discussed below), on the other hand, is predominantly formed opposite the plane of the flat surface of this individual plate 2a and in a direction pointing away from the first individual plate 2b. As a result, it essentially forms a flow space of the first section A of the cooling fluid distribution structure 19.
Der zweite Abschnitt B der Kühlfluidverteilstruktur 19 verläuft in einem zweiten Überlappungsbereich 22, in dem sich der erste Fluidverteilbereich 21 und ein zweiter Fluidverteilbereich 23 (in Fig. 3 nicht dargestellt) überlappen, der ein Verteilbereich 20 der zweiten Einzelplatte 2a ist. Die Fluidverteilbereiche 21, 23 sind an den Außenseiten der jeweiligen Einzelplatten 2a, 2b ausgebildet (sh. Fig. 4 und 6). In diesem zweiten Überlappungsbereich 22 liegen sich demnach Abschnitte der Innenseiten der Einzelplatten 2a, 2b gegenüber, die Steg- Kanal-Strukturen aufweisen, die komplementär zu den Steg-Kanal-Strukturen der jeweiligen Fluidverteilbereiche 21, 23 ausgebildet sind. Die Steg-Kanal- Strukturen dieser einander gegenüberliegenden Innenseiten verlaufen in einander kreuzenden Richtungen, was einen erhöhten Durchströmungswiderstand für das Kühlfluid bedeutet. The second section B of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a second overlap region 22 in which the first fluid distribution region 21 and a second fluid distribution region 23 (not shown in Fig. 3) overlap, which is a distribution region 20 of the second individual plate 2a. The fluid distribution regions 21, 23 are formed on the outer sides of the respective individual plates 2a, 2b (see Figs. 4 and 6). In this second overlap region 22, sections of the inner sides of the individual plates 2a, 2b are therefore opposite one another, which have web-channel structures that are complementary to the web-channel structures of the respective fluid distribution regions 21, 23. The web-channel structures of these opposing inner sides run in mutually crossing directions, which means an increased flow resistance for the cooling fluid.
Der dritte Abschnitt C der Kühlfluidverteilstruktur 19 verläuft in einem dritten Überlappungsbereich 24, in dem ein Abschnitt des zweiten Fluidverteilbereichs 23 und ein Abschnitt 48 (siehe nachstehend diskutierte Figur 6) einer Innenseite der ersten Einzelplatte 2b einander überlappen. Erneut ist darauf hinzuweisen, dass dieser dritte Überlappungsbereich 24 und folglich auch der dritte Abschnitt C der Kühlfluidverteilstruktur 19 lediglich optional ist. Die strukturellen Ausgestaltungen des ersten bis dritten Abschnitts A-C bzw. des ersten bis dritten Überlappungsbereichs 15, 22, 24 werden nachstehend anhand der Figuren 4-7 näher erläutert. The third section C of the cooling fluid distribution structure 19 runs in a third overlap region 24 in which a section of the second fluid distribution region 23 and a section 48 (see Figure 6 discussed below) of an inner side of the first individual plate 2b overlap each other. It should be pointed out again that this third overlap region 24 and consequently also the third section C of the cooling fluid distribution structure 19 is merely optional. The structural designs of the first to third sections AC or the first to third overlap areas 15, 22, 24 are explained in more detail below with reference to Figures 4-7.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Bipolarplatte 2 mit Blick auf die Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a, insbesondere der Anodenplatte, in dem gestrichelt umrissenen Bereich aus Figur 2. Der Blickwinkel ist gegenüber Figur 3 gedreht, wie anhand der angedeuteten Position der Durchgangsöffnung 11b in Figur 4 erkennbar. Nur ein abgeschnittener Teil des Strömungsfelds 17a ist dargestellt. In diesen wird ein Fluid aus der Durchgangsöffnung 11b über den zweiten Fluidverteilbereich 23 und unter Führung durch eine Steg-Kanal- Struktur 40 an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a geführt. Lediglich beispielhaft weist die Steg-Kanal-Struktur 40 mehrere nach außen hervorstehenden Stege 27 sowie dazwischen eingeschlossene Kanäle 29 auf, von denen jeweils ausgewählte mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die Stege 27 sind, wie dargestellt, entlang ihrer Längserstreckung optional abschnittsweise unterbrochen, können sich aber auch durchgängig in Richtung des Strömungsfeldes 17 erstrecken. Der zweite Fluidverteilbereich 23 verläuft mit Ausnahme der Stege 27 in einer Planflächenebene Ea der zweiten Einzelplatte 2a. Figure 4 shows a section of the bipolar plate 2 with a view of the outside of the second individual plate 2a, in particular the anode plate, in the area outlined in dashed lines in Figure 2. The viewing angle is rotated compared to Figure 3, as can be seen from the indicated position of the through-opening 11b in Figure 4. Only a cut-off part of the flow field 17a is shown. In this, a fluid is guided from the through-opening 11b via the second fluid distribution area 23 and through a web-channel structure 40 on the outside of the second individual plate 2a. Merely as an example, the web-channel structure 40 has several outwardly projecting webs 27 and channels 29 enclosed between them, selected ones of which are each provided with a corresponding reference symbol. The webs 27 are, as shown, optionally interrupted in sections along their longitudinal extent, but can also extend continuously in the direction of the flow field 17. The second fluid distribution region 23, with the exception of the webs 27, extends in a flat surface plane Ea of the second individual plate 2a.
Der zweite Fluidverteilbereich 23 wird durch eine langgestreckte Stufe 32 begrenzt, die von der gegenüberliegenden ersten Einzelplatte 2b weggerichtet ist und sich in Richtung einer von der Durchgangsöffnung 11b entfernten Seite des Strömungsfeldes 17b erstreckt. An die Stufe 32 schließt sich in vom Strömungsfeld 17b wegweisender Richtung ein gegenüber der Planflächenebene Ea der zweiten Einzelplatte 2a erhöhter Abschnitt 42 der zweiten Einzelplatte 2a an, welcher einen Strömungsraum des ersten Abschnitts A der Kühlfluidverteilstruktur 19 maßgeblich begrenzt oder, anders ausgedrückt, aufspannt. Der erhöhte Abschnitt 42 bildet den vorstehend erwähnten Abschnitt 30 der zweiten Einzelplatte 2a, der den ersten Abschnitt A der Kühlfluidverteilstruktur 19 anteilig begrenzt. The second fluid distribution area 23 is delimited by an elongated step 32, which is directed away from the opposite first individual plate 2b and extends in the direction of a side of the flow field 17b remote from the through-opening 11b. The step 32 is followed in the direction away from the flow field 17b by a section 42 of the second individual plate 2a which is raised relative to the plane surface Ea of the second individual plate 2a and which significantly delimits or, in other words, spans a flow space of the first section A of the cooling fluid distribution structure 19. The raised section 42 forms the above-mentioned section 30 of the second individual plate 2a, which proportionately delimits the first section A of the cooling fluid distribution structure 19.
Eine optional gezeigte Mehrzahl von Versteifungs- oder Abstützsicken 44 in diesem Abschnitt 42 kann auch weggelassen werden. In jedem Fall bilden die Versteifungs- oder Abstützsicken 44 weniger und zudem weiter beabstandete Stege bzw. breitere Kanäle aus, als an der gegenüberliegenden Innenseite der ersten Einzelplatte 2b vorhanden. Die Versteifungs- oder Abstützsicken 44 münden zudem nicht in den zweiten Überlappungsbereich 22 und auch nicht in die zweite Durchgangsöffnung 11a. In dem ersten Überlappungsbereich 15 wird hier das zweite Fluid somit nicht geführt. An optionally shown plurality of stiffening or supporting beads 44 in this section 42 can also be omitted. In any case, the stiffening or supporting beads 44 form fewer and also further spaced webs or wider channels than those present on the opposite inner side of the first individual plate 2b. The stiffening or supporting beads 44 also do not open into the second overlap region 22 or into the second through opening 11a. In the first overlap region 15 The second fluid is therefore not guided here.
Die Stufe 32 bildet innerhalb des ersten Abschnitts A der Kühlfluidverteilstruktur 19 eine komplementär geformte innere Stufe 33 aus, die sich in Richtung der ersten Einzelplatte 2b erstreckt. Diese innere Stufe 33 fördert folglich den vorstehend geschilderten Ebenenwechsel beim Übertritt des Kühlfluids von dem ersten Überlappungsbereich 15 in den zweiten Überlappungsbereich 22. In dem ersten Überlappungsbereich 15 wird hier das zweite Fluid nicht geführt. The step 32 forms a complementarily shaped inner step 33 within the first section A of the cooling fluid distribution structure 19, which extends in the direction of the first individual plate 2b. This inner step 33 consequently promotes the change of level described above when the cooling fluid passes from the first overlap region 15 into the second overlap region 22. In the first overlap region 15, the second fluid is not guided here.
Da die Kühlfluidführung maßgeblich im aufgespannten Strömungsraum des erhöhten Abschnitts 42 erfolgt, müssen die Stege 27 des zweiten Fluidverteilbereichs 23 nicht zwingend ebenfalls signifikante Strömungswege für das Kühlfluid ausbilden. Sie können daher zum Beispiel entsprechend schmal gehalten werden, wodurch der zweiten Fluidverteilbereich 23 insgesamt klein gehalten werden kann. Since the cooling fluid is guided primarily in the spanned flow space of the raised section 42, the webs 27 of the second fluid distribution area 23 do not necessarily have to form significant flow paths for the cooling fluid. They can therefore, for example, be kept correspondingly narrow, whereby the second fluid distribution area 23 can be kept small overall.
Figur 5 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Fluidströmung, insbesondere die Führung des Wasserstoffs innerhalb einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2. In Fig. 5 ist der Blickwinkel, wie durch die Position der Durchgangsöffnung 11b ersichtlich, gegenüber der in Figur 4 dargestellten zweiten Einzelplatte 2a gedreht und entspricht im Wesentlichen demjenigen von Figur 3. Figur 5 spiegelt die Erstreckung des zweiten Fluidverteilbereichs 23 an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a wieder, wobei eine Richtung der Fluidströmungen innerhalb des zweiten Fluidverteilbereichs 23 mittels Pfeilen angedeutet ist. Eine Position des Strömungsfeldes 17a an der Außenseite der zweiten Einzelplatte 2a ist ebenfalls gezeigt. Der rechts oben in Figur 5 dargestellte Abschnitt 48 ist Teil eines dritten Abschnitts C der Separatorplatte 2. Figure 5 shows a fluid flow in a schematically highly simplified representation, in particular the guidance of the hydrogen within a separator plate 2 according to the invention. In Figure 5, the viewing angle, as can be seen from the position of the through-opening 11b, is rotated compared to the second individual plate 2a shown in Figure 4 and corresponds essentially to that of Figure 3. Figure 5 reflects the extension of the second fluid distribution region 23 on the outside of the second individual plate 2a, with a direction of the fluid flows within the second fluid distribution region 23 being indicated by means of arrows. A position of the flow field 17a on the outside of the second individual plate 2a is also shown. The section 48 shown at the top right in Figure 5 is part of a third section C of the separator plate 2.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt der Außenseite der Bipolarplatte 2 mit Blick auf die erste Einzelplatte 2b, insbesondere Kathodenplatte, in dem gestrichelt umrissenen Bereich aus Figur 2 gemäß einer Ausführungsform. Diese ist mit der Ausführungsform der Figur 4 kombinierbar. Ein Blickwinkel ist insbesondere gegenüber Figur 3 gedreht, wie anhand der angezeigten Position der Durchgangsöffnung 11c in Figur 6 erkennbar. Nur ein abgeschnittener Teil des Strömungsfelds 17b ist dargestellt. Im dargestellten Ausschnitt wird ein Fluid aus der Durchgangsöffnung 11c über den ersten Fluidverteilbereich 21 und unter Führung durch eine Steg-Kanal-Struktur 46 an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2b geführt. Lediglich beispielhaft weist die Steg-Kanal-Struktur 46 mehrere nach außen hervorstehenden Stege 27 sowie dazwischen eingeschlossene Kanäle 29 auf, von denen jeweils ausgewählte mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die Stege 27 weisen, wie dargestellt, einen optionalen gekrümmten Mittelbereich auf, können sich aber auch im Wesentlichen krümmungsfrei in Richtung des Strömungsfeldes 17b erstrecken. Der erste Fluidverteilbereich 21 verläuft mit Ausnahme der Stege 27 in einer Planflächenebene Eb der ersten Einzelplatte 2b. Figure 6 shows a section of the outside of the bipolar plate 2 with a view of the first individual plate 2b, in particular the cathode plate, in the dashed area from Figure 2 according to an embodiment. This can be combined with the embodiment of Figure 4. A viewing angle is rotated in particular compared to Figure 3, as can be seen from the displayed position of the through-opening 11c in Figure 6. Only a cut-off part of the flow field 17b is shown. In the section shown, a fluid is fed from the through-opening 11c via the first fluid distribution area 21 and guided through a web-channel structure 46 on the outside of the first Single plate 2b. For example only, the web-channel structure 46 has several outwardly projecting webs 27 and channels 29 enclosed between them, selected ones of which are provided with a corresponding reference symbol. The webs 27 have, as shown, an optional curved central region, but can also extend essentially without curvature in the direction of the flow field 17b. The first fluid distribution region 21 runs, with the exception of the webs 27, in a flat surface plane Eb of the first single plate 2b.
In Figur 6 erkennt man zudem den erhöhten Abschnitt 42 der zweiten Einzelplatte 2a sowie den hiervon ausgebildeten ersten Abschnitt A der Kühlfluidverteilstruktur 19 (vgl. Fig. 4). Auch ein Teil des zweiten Fluidverteilbereichs 23 ist erkennbar. In Figure 6, one can also see the raised section 42 of the second individual plate 2a and the first section A of the cooling fluid distribution structure 19 formed thereby (see Figure 4). A part of the second fluid distribution region 23 can also be seen.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Einzelplatte 2b derart ausgebildet ist, dass der dritte Überlappungsbereich 24 und somit der dritte Abschnitt C der Kühlfluidverteilstruktur 19 wegfällt. Soll jedoch, wie in Figur 3 gezeigt, dieser Überlappungsbereich 24 bzw. dieser dritte Abschnitt C bereitgestellt werden, kann analog zu dem erhöhten Abschnitt 42 der zweiten Einzelplatte 2b aus Figur 4 ein gegenüber der Planflächenebene der ersten Einzelplatte 2a erhöhter Abschnitt 48 in dem in Figur 6 gestrichelt angedeuteten Bereich bereitgestellt sein. Mittels diesem erhöhten Abschnitt 48 kann ein Strömungsraum für das Kühlfluid in dem in Figur 3 gezeigten dritten Abschnitt C maßgeblich bereitgestellt werden. Figure 6 shows an embodiment in which the first individual plate 2b is designed such that the third overlap region 24 and thus the third section C of the cooling fluid distribution structure 19 are omitted. However, if, as shown in Figure 3, this overlap region 24 or this third section C is to be provided, a section 48 raised relative to the flat surface plane of the first individual plate 2a can be provided in the area indicated by dashed lines in Figure 6, analogous to the raised section 42 of the second individual plate 2b from Figure 4. By means of this raised section 48, a flow space for the cooling fluid can be provided in the third section C shown in Figure 3.
In Figur 5 ist eine mögliche Erstreckung dieses optionalen erhöhten Abschnitts 48, der einer Innenseite der zweiten Einzelplatte 2a gegenüberliegt, angedeutet. Auch in diesem Fall wird der erhöhte Abschnitt 48 durch eine innere Stufe 50 begrenzt. Diese erstreckt sich in Richtung der gegenüberliegenden zweiten Einzelplatte 2a und fördert den vorstehend geschilderten Ebenenwechsel bei einem Übertritt des Kühlfluids von dem optionalen dritten Überlappungsbereich 24 in den zweiten Überlappungsbereich 22. Figure 5 shows a possible extension of this optional raised section 48, which is opposite an inner side of the second individual plate 2a. In this case too, the raised section 48 is delimited by an inner step 50. This extends in the direction of the opposite second individual plate 2a and promotes the level change described above when the cooling fluid passes from the optional third overlap region 24 into the second overlap region 22.
Figur 7 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Fluidströmung, insbesondere die Führung des Sauerstoffs, innerhalb einer erfindungsgemäßen Separatorplatte 2. Fig. 7 ist eine schematische vereinfachte Ansicht, wobei der Blickwinkel, wie durch die Position der Durchgangsöffnung 11c ersichtlich, gegenüber Figur 6 gedreht ist und im Wesentlichen demjenigen von Figur 3 entspricht. Figur 7 spiegelt die Erstreckung des ersten Fluidverteilbereichs 21 an der Außenseite der ersten Einzelplatte 2b wieder, wobei eine Richtung der Fluidströmungen innerhalb des ersten Fluidverteilbereichs 21 mittels Pfeilen angedeutet ist. Weiter ist eine Erstreckung des erhöhten Abschnitt 42 sowie der diesen Abschnitt 42 begrenzenden Stufe 33 gezeigt. Figure 7 shows a schematically simplified representation of a fluid flow, in particular the guidance of the oxygen, within a separator plate 2 according to the invention. Figure 7 is a schematic simplified view, wherein the viewing angle, as can be seen from the position of the through-opening 11c, is rotated compared to Figure 6 and essentially corresponds to that of Figure 3. Figure 7 reflects the extension of the first fluid distribution region 21 on the outside of the first individual plate 2b, wherein a direction of the fluid flows within the first fluid distribution region 21 is indicated by arrows. Furthermore, an extension of the raised section 42 and the step 33 delimiting this section 42 is shown.
Zurückkommend auf Figur 3 wird eine Fluidführung innerhalb der Kühlfluidverteilstruktur 19 erläutert, die aus den vorstehend erläuterten Strukturmerkmalen der Figuren 4-7 resultiert. In Figur 3 sind die Stufen 33 und 50 ebenfalls eingetragen. Returning to Figure 3, a fluid guide within the cooling fluid distribution structure 19 is explained, which results from the structural features of Figures 4-7 explained above. The stages 33 and 50 are also shown in Figure 3.
In den ersten Abschnitt A erfolgt, wie erläutert, die vergleichsweise größte Fluideinströmung 1A. In den dritten Abschnitt C, sofern vorhanden, erfolgt hingegen eine kleinere Fluideinströmung 1C. Aus dem ersten Abschnitt A tritt das Kühlfluid entlang der Stufe 32 und diese kreuzend in den zweiten Überlappungsbereich 22 über, wie durch gekrümmte Pfeile angedeutet. Dabei vollzieht es den vorstehend geschilderten Ebenenwechsel. Zudem vollzieht die Kühlfluidströmung einen Richtungswechsel, wobei ein angedeuteter Winkel W der Richtungsänderung mehr als 90° beträgt. Eine derartige Winkelgröße reduziert vorteilhafterweise die mit der Richtungsänderung verbundene Erhöhung des Strömungswiderstands für das Kühlfluid. As explained, the comparatively largest fluid inflow 1A occurs in the first section A. In contrast, a smaller fluid inflow 1C occurs in the third section C, if present. From the first section A, the cooling fluid flows along the step 32 and crosses it into the second overlap region 22, as indicated by curved arrows. In the process, it undergoes the change of level described above. In addition, the cooling fluid flow undergoes a change of direction, with an indicated angle W of the change of direction being more than 90°. Such an angle size advantageously reduces the increase in flow resistance for the cooling fluid associated with the change of direction.
Dieser Richtungswechsel wird durch die Ausrichtung der Steg- Kanal Struktur 46 des ersten Fluidverteilbereichs 21 vorgegeben (bzw. durch die komplementär ausgebildete Steg-Kanal-Struktur an der von dem ersten Fluidverteilbereich 21 abgewandten Innenseite der ersten Einzelplatte 2b). This change of direction is predetermined by the orientation of the web-channel structure 46 of the first fluid distribution region 21 (or by the complementary web-channel structure on the inner side of the first individual plate 2b facing away from the first fluid distribution region 21).
Aus dem optionalen dritten Abschnitt C tritt das Kühlfluid entlang der Stufe 50 und diese kreuzend in den zweiten Überlappungsbereich 22 über, wie ebenfalls durch gekrümmte Pfeile angedeutet. Dabei vollzieht es den vorstehend geschilderten Ebenenwechsel und einen analogen Richtungswechsel der Strömung von mehr als 90°. Die Fluidströmungen 2A, 2C durchströmen den zweiten Überlappungsbereich 22 in Richtung eines (innenliegenden) Strömungsfeldes 17 der Kühlfluidverteilstruktur 19, wobei sie sich mehrfach kreuzen und vermischen. From the optional third section C, the cooling fluid flows along the step 50 and crosses it into the second overlap region 22, as also indicated by curved arrows. In doing so, it undergoes the change of level described above and an analogous change in the direction of the flow of more than 90°. The fluid flows 2A, 2C flow through the second overlap region 22 in the direction of an (internal) flow field 17 of the cooling fluid distribution structure 19, crossing and mixing several times.
Es ist darauf hinzuweisen, dass ein kumulierter Strömungsquerschnitt, wie durch die Steg-Kanal-Strukturen an den Innenseiten der beiden Einzelplatten 2a, 2b bereitgestellt, beim Übertritt von dem ersten in den zweiten Überlappungsbereich 15, 22 vorzugsweise größer ist, als ein kumulierter Strömungsquerschnitt beim Übertritt von dem dritten in den zweiten Überlappungsbereich 24, 22. Aus dem Vorstehenden verdeutlicht sich, dass die Kühlfluidführung innerhalb der Kühlfluidverteilstruktur 19 bewusst asymmetrisch erfolgt, und zwar in der Weise, dass das Kühlfluid überwiegend oder optional ausschließlich über den ersten Überlappungsbereich 15 in den zweiten Überlappungsbereich 22 ein- strömt. Dies geht mit dem vorstehend erläuterten Vorteil einher, wonach Reibungsverluste der sich in dem zweiten Überlappungsbereich kreuzenden Fluidströmungen 2A, 2C reduziert werden, und zwar zugunsten der übergewichteten Fluidströmung 2A. Folglich kann der Strömungswiderstand der Kühlfl u- idversteilstruktur 19 insgesamt reduziert werden, was einen Betrieb des elekt- rochemischen Systems mit einer höheren Leistung ermöglicht. It should be noted that a cumulative flow cross-section, as provided by the web-channel structures on the inner sides of the two individual plates 2a, 2b, is preferably larger when passing from the first to the second overlap region 15, 22 than a cumulative flow cross-section when passing from the third to the second overlap region 24, 22. From the above, it is clear that the cooling fluid is guided deliberately asymmetrically within the cooling fluid distribution structure 19, in such a way that the cooling fluid flows predominantly or optionally exclusively via the first overlap region 15 into the second overlap region 22. This is accompanied by the advantage explained above, according to which friction losses of the fluid flows 2A, 2C crossing in the second overlap region are reduced, in favor of the overweighted fluid flow 2A. Consequently, the flow resistance of the cooling fluid distribution structure 19 can be reduced overall, which enables the electrochemical system to operate at a higher performance.
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