AT16332U1 - Bipolarplatte - Google Patents

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AT16332U1
AT16332U1 ATGM69/2018U AT692018U AT16332U1 AT 16332 U1 AT16332 U1 AT 16332U1 AT 692018 U AT692018 U AT 692018U AT 16332 U1 AT16332 U1 AT 16332U1
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oxidizer
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Zieger Johannes
Ing Andreas Zieger Dipl
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Zieger Johannes
Ing Andreas Zieger Dipl
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine elektrochemische Einrichtung. Die Bipolarplatte führt die Reaktanten zu und das Reaktionsprodukt ab, stellt die elektrische Verbindung benachbarter Elektroden her, leitet Wärme zur Temperierung und begrenzt die einzelnen Gasräume nach Innen und Außen. Als Bipolarplatte werden gefräste oder geprägte Matall- oder Kohlenstoffplatten eingesetzt. Zur vollflächigen Versorgung der Elektrode mit Brennstoff bzw. Oxidator wird meist ein poröses Medium zwischen Bipolarplatte und Elektrode verwendet. Erfindungsgemäß bestehen die Brennstoffführung (2), die Oxidatorführung (3) und die Medientrennung (4) der Bipolarplatte (1) aus einer oder mehreren Schichten eines porösen Mediums, wobei die Porosität der einzelnen Schichten durch deren Funktion bestimmt wird.

Description

Beschreibung
STAND DER TECHNIK
[0001] Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom sind elektrochemische Einrichtungen, die im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung (Stapel) von Bipolarplatte und Elektrodeneinheit bestehen. Die Bipolarplatte führt die Reaktanten (Brennstoff bzw. Oxidator) zu und das Reaktionsprodukt (Wasser) ab, stellt die elektrische Verbindung benachbarter Elektroden her, leitet Wärme zur Temperierung und begrenzt die einzelnen Gasräume nach Innen und Außen. Zur vollflächigen Versorgung der Elektrode mit Brennstoff bzw. Oxidator wird meist als Bestandteil der Elektrodeneinheit ein poröses Medium zwischen Bipolarplatte und Elektrode verwendet.
[0003] Derartige Bipolarplatten sind u.a. aus DE 10 2015 225 717 oder WO2016/034434 bekannt: DE 10 2015 225 717 verwendet zur Medienverteilung hochporöse Vliese als Ersatz für gefräste Gasverteilplatten. WO2016/034434 verwendet zur Medien-verteilung ein Blechum-formprodukt mit Kanalstruktur.
TECHNISCHE AUFGABE
[0004] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kostengünstigen Bipolarplatte in einfacher Bauweise zur Zuführung und Verteilung der Reaktanten mit hoher Dichtheit und Druckfestigkeit.
TECHNISCHE LÖSUNG
[0005] Die Aufgabe wird durch einen geschichteten Aufbau der Bipolarplatte aus einem porösen Medium erreicht, wobei die Porosität der einzelnen Schichten durch deren Funktion bestimmt wird.
AUSFÜHRUNGSFORM
[0006] Die Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und anhand der Figuren.
[0007] Fig. 1 zeigt die Anordnung der Einzelteile einer beispielhaften Ausführungsform der Bipolarplatte (1).
[0008] Fig. 2 zeigt die Brennstoffführung (2) einer beispielhaften Ausführungsform der Bipolarplatte (1).
[0009] Fig. 3 zeigt die Oxidatorführung (3) einer beispielhaften Ausführungsform der Bipolarplatte (1).
[0010] Fig. 4 zeigt die Brennstoffseite der Medientrennung (4) einer beispielhaften Ausführungsform der Bipolarplatte (1).
[0011] Fig. 5 zeigt die Oxidatorseite der Medientrennung (4) einer beispielhaften Ausführungsform der Bipolarplatte (1).
[0012] Fig. 6 zeigt drei Ansichten und zwei Schnitte der zusammengebauten Bipolarplatte (1).
[0013] Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Bipolarplatte (1) mit einer Brennstoffführung (2), einer Oxidatorführung (3) und einer Medientrennung (4). Die Brennstoffführung (2) gern. Fig. 2 zur Zuleitung, Verteilung und Ableitung des Brennstoffes umfasst den stegförmigen Brennstoffeinlass (2.1), den ebenen Brennstoffverteiler (2.2) und den stegförmigen Brennstoffauslass (2.3). Die Oxidatorführung (3) gern. Fig. 3 zur Zuleitung, Verteilung und Ableitung des Oxidators umfasst den stegförmigen Oxidatoreinlass (3.1), den ebenen Oxidatorverteiler (3.2) und den stegförmigen Oxidatorauslass (3.3). Die Medientrennung (4) gern. Fig. 4 und Fig. 5 zur
Trennung des Brennstoffes vom Oxidator nimmt auf einer Seite die Brennstoffführung (2) und auf der gegenüberliegenden Seite die Oxidatorführung (3) auf. Gern. Fig. 4 und Fig. 5 besteht die Medientrennung (4) aus dem ebenen Mittelteil (4.1), dem Brennstoffeinlass (4.2), dem Brennstoffauslass (4.3), dem Oxidatoreinlass (4.4), dem Oxidatorauslass (4.5), den brennstoffseitig angeordneten Stegen (4.6) und den oxidatorseitig angeordneten Stegen (4.7). Gern. Fig. 4 umfassen die brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) die gesamte Außenseite der brennstoffseitigen Medientrennung (4), den brennstoffseitigen Oxidatoreinlass (4.4) und den brennstoffseitigen Oxidatorauslass (4.5). Gern. Fig. 5 umfassen die oxidatorseitig angeordneten Stege (4.7) die gesamte Außenseite der oxidatorseitigen Medientrennung (4), den oxidatorseitigen Brennstoffeinlass (4.2) und den oxidatorseitigen Brennstoffauslass (4.3). Der ebene Brennstoffverteiler (2.2) der Brennstoffführung (2) liegt am brennstoffseitigen Mittelteil (4.1) der Medientrennung (4) auf, wobei der stegförmige Brennstoffeinlass (2.1) der Brennstoffführung (2) den Brennstoffeinlass (4.2) der Medientrennung (4) und der stegförmige Brennstoffauslass (2.3) der Brennstoffführung (2) den Brennstoffauslass (4.3) der Medientrennung (4) ganz oder teilweise ausfüllt. Der ebene Oxidatorverteiler (3.2) der Oxidatorführung (3) liegt am oxidatorseitigen Mittelteil (4.1) der Medientrennung (4) auf, wobei der stegförmige Oxidatoreinlass (3.1) der Oxidatorführung (3) den Oxidatoreinlass (4.4) der Medientrennung (4) und der stegförmige Oxidatorauslass (3.3) der Oxidatorführung (3) den Oxidatorauslass (4.5) der Medientrennung (4) ganz oder teilweise ausfüllt. Die Einzelteile bzw. - schichten der Bipolarplatte (1) sind beidseitig eben und bündig ausgeführt und bilden die Kontaktfläche zur Elektrodeneinheit. Die Medientrennung (4) stellt die äußere Begrenzung der Bipolarplatte dar und trennt den Brennstoff vom Oxidator, d.h. die Medientrennung (4) trennt den Brennstoffverteiler (2.2) vom Oxidatorverteiler (3.2), trennt den Brennstoffverteiler (2.2) vom Oxidatoreinlass (4.4), trennt den Brennstoffverteiler (2.2) vom Oxidatorauslass, trennt den Brennstoffeinlass (4.2) vom Oxidatorverteiler (3.2) , trennt den Brennstoffeinlass (4.2) vom Oxidatoreinlass (4.4), trennt den Brennstoffeinlass (4.2) vom Oxidatorauslass (3.3), trennt den Brennstoffauslass (4.3) vom Oxidatorverteiler (3.2), trennt den Brennstoffauslass (4.3) vom Oxidatoreinlass (3.1) und trennt den Brennstoffauslass (4.3) vom Oxidatorauslass (3.3).
[0014] Der Brennstoff strömt über den Brennstoffeinlass (2.1) zum Brennstoffverteiler (2.2) und wird an der Aktivfläche der Elektrodeneinheit umgesetzt, nicht verbrauchter Brennstoff strömt über den Brennstoffauslass (2.3) aus. Der Oxidator strömt über den Oxidatoreinlass (3.1) zum Oxidatorverteiler (3.2) und wird an der Aktivfläche der Elektrodeneinheit umgesetzt, nicht verbrauchter Oxidator strömt über den Oxidatorauslass (3.3) aus.
[0015] Die Medientrennung (4) ist aus einem Werkstoff mit ausreichend geringer Porosität zur Trennung von Brennstoff und Oxidator gefertigt. Die Brennstoffführung (2) oder Teile der Brennstoffführung (2) sind aus einem Werkstoff größerer Porosität gefertigt, wobei die Porosität konstant ist oder sich innerhalb der Brennstoffführung (2) ändert, wodurch ein mehrdimensionaler Schichtaufbau mit unterschiedlichen Porositäten entsteht. Die Oxidatorführung (3) oder Teile der Oxidatorführung (3) sind aus einem Werkstoff größerer Porosität gefertigt, wobei die Porosität konstant ist oder sich innerhalb der Oxidatorführung (3) ändert, wodurch ein mehrdimensionaler Schichtaufbau mit unterschiedlichen Porositäten entsteht.
[0016] Bevorzugt wird als Ausgangswerkstoff für die Bipolarplatte (1) Metall, Keramik oder Graphit in Pulverform eingesetzt und gesintert.
[0017] Bevorzugt werden alle Teile bzw. Schichten die Bipolarplatte (1) aus demselben Werkstoff hergestellt.
[0018] Wahlweise wird die Bipolarplatte (1) oder die Einzelteile der Bipolarplatte (1) aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt.
[0019] Wahlweise besteht die Medientrennung (4) oder Teile der Medientrennung (4) aus einem Blech, bevorzugt aus ein Metallblech.
[0020] Wahlweise besteht die Medientrennung (4) oder Teile der Medientrennung (4) aus einem elektrisch leitenden Kunststoff.
[0021] Bevorzugt wird die Bipolarplatte (1) (bzw. der Rohling der Bipolarplatte (1)) im Pulverspritzguss- Verfahren durch Overmoulding (Mehrkomponenten-Spritzguss-Verfahren mit scharf getrennten Komponenten) erzeugt, wobei bevorzugt die Medientrennung (4) als Vorspritzling erzeugt wird und im weiteren Fertigungsschritt die ein- oder mehrschichtige Brennstoffführung (2) und die ein- oder mehrschichtige Oxidatorführung (3) überspritzt werden.
[0022] Wahlweise werden die einzelnen Teile der Bipolarplatte (1) getrennt gefertigt und durch Pressen, Kleben, Löten, Schweissen, Umspritzen oder dgl. zusammengefügt.
[0023] Wahlweise wird die Bipolarplatte (1) oder Einzelteile der Bipolarplatte (1) in einem Pressverfahren hergestellt und wahlweise umspritzt.
[0024] Wahlweise wird die Bipolarplatte (1) oder Einzelteile der Bipolarplatte (1) in einem Gies-verfahren hergestellt und wahlweise umspritzt.
[0025] Wahlweise werden die Ein- und Auslässe der Bipolarplatte (1) nicht oder nur teilweise mit einem porösen Material ausgefüllt, d.h. wahlweise entfällt der stegförmige Brennstoffeinlass (2.1) der Brennstoffführung (2) und/oder entfällt der der stegförmige Brennstoffauslass (2.3) der Brennstoffführung (2) und/oder entfällt der stegförmige Oxidatoreinlass (3.1) der Oxidatorführung (3) und/oder entfällt der der stegförmige Oxidatorauslass (3.3) der Oxidatorführung (3) ganz oder teilweise.
[0026] Wahlweise werden der Brennstoffeinlass (4.2) und/oder der Brennstoffauslass (4.3) und/oder der Oxidatoreinlass (4.4) und/oder der Oxidatorauslass (4.5) der Medientrennung (4) durch Stege verstärkt und segmentiert.
[0027] Wahlweise werden Kanäle zur Temperierung in die Bipolarplatte (1) eingebracht.
[0028] Wahlweise wird die Bipolarplatte (1) ohne Brennstoffauslass (4.3) und/oder ohne Oxidatorauslass (4.5) ausgeführt.
[0029] Wahlweise werden Nuten zur Aufnahme eines geeigneten Dichtungswerkstoffes bzw. einer geeigneten Dichtung zur Abdichtung in die brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) und die oxidatorseitig angeordneten Stegen (4.7) der Medientrennung (4) eingebracht.
[0030] Wahlweise wird eine überstehende Kontur zur Pressung eines geeigneten Dichtungswerkstoffes, einer geeigneten Dichtung oder der Elektrodeneinheit zur Abdichtung der brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) und den oxidatorseitig angeordneten Stege (4.7) der Medientrennung (4) eingebracht.
[0031] Wahlweise ist die Biploarplatte (1) zur Aufnahme von Funktionsschichten oder zur Erzielung einer bevorzugten Flächenpressung im Zusammenbau nicht eben ausgeführt.
[0032] Wahlweise werden Kanäle zur Gasführung in die Brennstoffführung (2) und/oder in die Oxidatorführung (3) und/oder in die Medientrennung (4) eingebracht.
[0033] Wahlweise wird der stegförmige Brennstoffeinlass (2.1) der Brennstoffführung (2) und/oder der stegförmige Brennstoffauslass (2.3) der Brennstoffführung (2) und/oder der stegförmige Oxidatoreinlass (3.1) der Oxidatorführung (3) und/oder der stegförmige Oxidatorauslass (3.3) der Oxidatorführung (3) an der Stegoberkante durch die Medientrennung (4) umfasst.
[0034] Wahlweise wird bei einer Festoxid-Brennstoffzelle der keramische Elektrolyt als Vorspritzling erzeugt und die ein- oder mehrschichtige Brennstoffführung (2), die ein- oder mehrschichtige Oxidatorführung (3) und die Medientrennung (4) überspritzt. Wahlweise wird auf diese Weise die gesamte Brennstoffzelle aufgebaut bzw. einzelne Module gefertigt und zusammengebaut.
[0035] Wahlweise wird bei einer Festoxid-Brennstoffzelle der keramische Elektrolyt mit der ein-oder mehrschichtigen Brennstoffführung (2), der ein- oder mehrschichtigen Oxidatorführung (3) und der Medientrennung (4) überspritzt. Wahlweise wird auf diese Weise die gesamte Festoxid-Brennstoffzelle aufgebaut bzw. einzelne Module gefertigt und zusammengebaut.
[0036] Wahlweise wird bei einer Festoxid-Brennstoffzelle der keramische Elektrolyt auf die
Brennstoffseite der Bipolarplatte (1) und/oder auf die Oxidatorseite der Bipolarplatte durch Spritzgießen, Spritzen, Giesen oder ein anderes geeignetes Verfahren (z.B. Sputerdeposition) aufgebracht.
[0037] Wahlweise wird bei einer Festoxid-Brennstoffzelle der keramische Elektrolyt als Medientrennung (4) ausgeführt und mit der ein- oder mehrschichtigen Brennstoffführung (2), und der ein- oder mehrschichtigen Oxidatorführung (3) überspritzt. Wahlweise wird auf diese Weise die gesamte Festoxid-Brennstoffzelle aufgebaut bzw. einzelne Module gefertigt und zusammengebaut.

Claims (10)

  1. Ansprüche
    1. Bipolarplatte (1), insbesondere für eine elektrochemische Vorrichtung, aus Medientrennung (4) zur Trennung des Brennstoffes vom Oxidator, Brennstoffführung (2) zur Verteilung des Brennstoffes und Oxidatorführung (3) zur Verteilung des Oxidators, dadurch gekennzeichnet, dass die Medientrennung (4) auf einer Seite die Brennstoffführung (2) und auf der gegenüberliegenden Seite die Oxidatorführung (3) aufnimmt und der ebene Mittelteil (4.1) der Medientrennung (4) die Brennstoffführung (2) von der Oxidatorführung (3) trennt und die brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) der Medientrennung (4) die Außenseite der Brennstoffführung (2) und den Oxidatoreinlass (4.4) der Medientrennung (4) umfassen und die oxidatorseitig angeordneten Stege (4.7) die Außenseite der Oxidatorführung (3) und den Brennstoffeinlass (4.2) umfassen und der Brennstoffeinlass (4.2) der Medientrennung (4) mit der Brennstoffführung (2) verbunden ist und der Oxidatoreinlass (4.4) der Medientrennung (4) mit der Oxidatorführung (3) verbunden ist.
  2. 2. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) der Medientrennung (4) den Brennstoffauslass (4.3) umfassen und der Brennstoffauslass (4.3) der Medientrennung (4) mit der Brennstoffführung (2) verbunden ist und/oder die oxidatorseitig angeordneten Stege (4.7) der Medientrennung (4) den Oxidatorauslass (4.5) umfassen und der Oxidatorauslass (4.5) der Medientrennung (4) mit der Oxidatorführung (3) verbunden ist.
  3. 3. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeinlass (4.2) der Medientrennung (4) durch Stege verstärkt und segmentiert ist und/oder der Brennstoffauslass (4.4) der Medientrennung (4) durch Stege verstärkt und segmentiert ist und/oder der Oxidatoreinlass (4.4) der Medientrennung (4) durch Stege verstärkt und segmentiert ist und/oder der Oxidatorauslass (4.5) der Medientrennung (4) durch Stege verstärkt und segmentiert ist.
  4. 4. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffführung (2) den Brennstoffeinlass (4.2) der Medientrennung (4) nicht ausfüllt, teilweise ausfüllt oder ganz ausfüllt und/oder die Brennstoffführung (2) den Brennstoffauslass (4.3) der Medientrennung (4) nicht ausfüllt, teilweise ausfüllt oder ganz ausfüllt und/oder die Oxidatorführung (3) den Oxidatoreinlass (4.4) der Medientrennung (4) nicht ausfüllt, teilweise ausfüllt oder ganz ausfüllt und/oder die Oxidatorführung (3) den Oxidatorauslass (4.5) der Medientrennung (4) nicht ausfüllt, teilweise ausfüllt oder ganz ausfüllt.
  5. 5. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nuten zur Aufnahme einer Dichtung in die brennstoffseitig angeordneten Stege (4.6) und in die oxidatorseitig angeordneten Stege (4.7) eingebracht sind.
  6. 6. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle zur Temperierung in die Bipolarplatte (1) eingebracht sind.
  7. 7. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (1) beidseitig eben und bündig ausgeführt ist.
  8. 8. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffführung (2), die Oxidatorführung (3) und die Medientrennung (4) aus einem porösen Material gefertigt sind und die Porosität der Brennstoffführung (2) und der Oxidatorführung (3) größer als die Porosität der Medientrennung (4) ist.
  9. 9. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffführung (2) und/oder die Oxidatorführung (3) und/oder die Medientrennung (4) aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial hergestellt sind.
  10. 10. Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffführung (2) und/oder die Oxidatorführung (3) und/oder die Medientrennung (4) durch Sintern hergestellt sind. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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