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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsplatte für ein elektrochemisches
System sowie deren Verwendung.
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Elektrochemische
Systeme wie Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzellen
(DMFC), Hochtemperaturbrennstoffzellen, Wasserstoffverdichter oder
Elektrolyseure sind prinzipiell bekannt. Üblicherweise weisen diese elektrochemischen
Systeme eine Mehrzahl von Zellen auf, welche durch Versorgungsplatten
voreinander getrennt sind. Diese Versorgungsplatten haben die Aufgabe,
Reaktionsmedien wie beispielsweise molekularen Wasserstoff oder
Sauerstoff bzw. Luft an die Reaktionsflächen der entsprechenden Membranen
zu führen.
Zur Erhöhung
der Leistungsdichte ist üblicherweise
(aber nicht zwingend) eine Mehrzahl von Versorgungsplatten vorgesehen,
zwischen denen jeweils entsprechende Membranen angeordnet sind.
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Die
Versorgungsplatten sind üblicherweise flach
ausgeführt
und weisen eine erste Flachseite sowie eine zweite Flachseite auf.
Auf der ersten Flachseite ist ein erstes Strömungsfeld (im Englischen: Flowfield)
und auf der zweiten Flachseite ein zweites Strömungsfeld zur Medienversorgung
einer entsprechend angrenzenden Membran mit Reaktionsmedium angeordnet.
Zur Versorgung der Strömungsfelder dienen
hierbei Verteilerkanäle
(auch mitunter "Interfacekanäle" genannt), welche
beispielsweise senkrecht zu einer Schichtung der Versorgungsplatten
angeordnet sind und auf diese Weise mehrere Versorgungsplatten gleichzeitig
mit Reaktionsmedien versorgen können
bzw. das Reaktionsmedium oder Reaktionsprodukte aus mehreren Strömungsfeldern
ableiten können.
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Nachteilig
bei bisherigen Systemen ist, dass hier zur Abdichtung der einzelnen
Reaktionsmedien voneinander, insbesondere im Bereich des Übergangs
der Verteilerkanäle
zu den Strömungsfeldern hin,
zusätzliche
Dichtungen eingelegt werden müssen,
um einen ordnungsgemäßen Betrieb
des Systems zu gewährleisten. Üblicherweise
werden beispielsweise bei Brennstoffzellenstacks pro Zelle zwei lose
Dichtrahmen eingelegt, um die Zellen abzudichten und die Membran
im Ein-/Ausgangsbereich
abzustützen.
Die separaten Dichtrahmen vervielfachen hierbei die Anzahl der Stackbauteile,
erzeugen jeweils eine zusätzliche
Dichtfläche
und bedingen zudem eine hohe Präzision
bei ihrer Herstellung (da nur eine geringe Dickentoleranz einzuhalten
ist). Ein Verzicht auf einen solchen Dichtrahmen ist andererseits nach
dem Stand der Technik auch nicht möglich, da die Reaktionsmembran
auf geeignete Weise im Bereich des Übergangs von den Verteilerkanälen zu dem
Strömungsfeld
hin abgestützt
werden muss. Durch eine fehlende Abstützung könnte hier die Membran im Bereich
des Verteilerkanals in den Kanal zum Strömungsfeld hin einfallen, wodurch
ein Übertritt
des einen Reaktionsmediums auf die Seite des zweiten Reaktionsmediums
erfolgen könnte.
Zudem könnte
durch die in den zwischen Verteilerkanal und Strömungsfeld verlaufenden Kanal
einfallende Membran dieser Kanal verstopft werden, wodurch die betreffende
Zelle nicht mehr ausreichend mit Reaktionsmedium versorgt würde.
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Die
deutsche Gebrauchsmusterschrift
DE 203 08 332 U1 zeigt ein elektrochemisches
Verdichtersystem. Diese zeigt auch Versorgungsplatten für ein elektrochemisches
System (elektrochemischen Verdichterstapel) mit Strömungsfeldern
auf den Flachseiten der Bipolarplatten auf. Verteilerkanäle und Übergangsbereiche
sind zwischen den Verteilerkanälen
und den Strömungsfeldern
angebracht. Diese haben die Form von Sickenanordnungen. Diese Sickenanordnungen
weisen außerdem
Durchbrüche zur
Reaktionsführung
auf. Die Sickenanordnungen haben außerdem Abschnitte zum Anpressen
einer an die jeweilige Flachseite der Bipolarplatte angrenzenden
Membran.
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In
der
DE 102 48 531
A1 wird ein dem in der
DE 203 08 332 U1 beschriebenen elektrischen
Verdichtersystem ähnliches
Brennstoffzellensystem gezeigt, welches in Bezug auf die vorliegende
Erfindung dieselben Merkmale zeigt. Schließlich ist in der
DE 103 47 229 A1 ein weiterer
Brennstoffzellenstapel gezeigt. Auch dieser weist Strömungsfelder
auf, welche auf den Flachseiten von Bipolarplatten gegeben sind.
Außerdem
sind Verteilerkanäle
gezeigt, welche Übergangsbereiche
zur Verteilung von Reaktionsmedium an die Strömungsfelder haben.
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Aufbauend
auf diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, welches einerseits
einfach und kostengünstig
herstellbar ist und andererseits keine Dichtungsprobleme, insbesondere
im Übergangsbereich
zwischen Verteilerkanal und Strömungsfeld,
zeigt.
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Diese
Aufgabe wird durch Gegenstände
der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
Versorgungsplatte für
ein elektrochemisches System, wobei
- • die Versorgungsplatte
an einer ersten Flachseite ein erstes Strömungsfeld und an einer zweiten Flachseite
ein zweites Strömungsfeld
aufweist und
- • das
erste Strömungsfeld
mit einem zugeordneten ersten Verteilerkanal fluidführend und
das zweite Strömungsfeld
mit einem zugeordneten zweiten Verteilerkanal fluidführend oder
ein einzelner Verteilerkanal mit dem ersten und dem zweiten Strömungsfeld
fluidführend
verbunden ist, wobei
- • von
mindestens einem Verteilerkanal zu dem zugeordneten Strömungsfeld
(bei Bipolarplatten) bzw. den zugeordneten Strömungsfeldern (bei Monopolarplatten)
ein Übergangsbereich
angeordnet ist, wobei dieser Übergangsbereich
auf der ersten Flachseite einen ersten Abschnitt und auf der zweiten
Flachseite einen zweiten Abschnitt zum Anpressen einer an die jeweilige
Flachseite angrenzenden Membran aufweist, wobei
- • der
erste und der zweite Abschnitt in der Plattenebene versetzt sind,
so dass ein jeweils auf der den Verpressungsseiten des ersten und
zweiten Abschnitts abgewandten Seiten strömendes Medium von dem mindestens
einen Verteilerkanal zu dem Strömungsfeld
oder den Strömungsfeldern gelangen
kann.
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Die
Erfindung ist praktisch auf alle Arten von Versorgungsplatten anwendbar.
So ist die Erfindung beispielsweise auf Monopolarstromableiterplatten anwendbar.
Hierbei versorgt in der Regel ein Verteilerkanal zwei Strömungsfelder,
von denen eines auf der ersten (beispielsweise oberen) Flachseite
und eines auf der zweiten (also unteren) Flachseite der Platte angebracht
ist. Die Strömungsfelder
auf der Ober- und Unterseite (also der ersten bzw. zweiten Flachseite)
sind also miteinander verbunden.
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Möglich ist
allerdings auch die Anwendung auf Bipolarplatten. Hierbei versorgt
ein z.B. senkrecht zur Stackrichtung verlaufender Verteilerkanal
jeweils nur eine Seite der jeweils angeschlossenen Platte, beispielsweise
immer die "Oberseite" (bzw. "erste Flachseite"). Die jeweils zweite
Flachseite bzw. "untere
Seite" wird von
einem anderen Verteilerkanal angesteuert. Zwischen erster Flachseite
und zweiter Flachseite einer Platte bzw. erstem Strömungsfeld (nämlich dem
auf der ersten Platte) und zweiten Strömungsfeld (nämlich dem
auf der zweiten Platte) ist keine fluidführende Verbindung gegeben.
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Durch
die besondere Gestaltung des erfindungsgemäßen Übergangsbereiches kann auf
zusätzliche
Dichtrahmen verzichtet werden. Dies liegt daran, dass dieser Übergangsbereich
eine "Tunnelstruktur" aufweist, welche
auf der ersten Flachseite einen ersten Abschnitt zum Anpressen einer
Membran aufweist und auf der zweiten Flachseite einen zweiten Abschnitt
zum An pressen einer weiteren Membran aufweist und somit die entsprechenden Membranen
durch diese Abschnitte jeweils in der gewünschten Weise gestützt werden,
so dass keine zusätzlichen
Inlays bzw. Dichtrahmen notwendig sind, um die Membran zu fixieren.
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So
wird es insbesondere möglich,
die Membran in ihren Randbereichen so zu halten, dass (z.B. bei
einer PEMFC) kein Reaktionsmedium auf die abgewandte Seite der Membran
gelangen kann und somit beispielsweise ein Vermischen der Reaktionsmedien
und eine Fehlfunktion der Zelle verursachen kann.
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Es
ist somit durch die neuartige Medienführung im Ein-/Ausgangsbereich
der Strömungsfeldkanäle möglich, auf
separat eingelegte Dichtrahmen zu verzichten. Durch die Integration
der Dichtrahmenfunktionalitäten
(Abdichtung, die Wegbegrenzung bei der Kompression der EME – Elektroden-Membran-Einheit –, Membranabstützung) ist
es möglich, den
Stackaufbau durch die erreichte Modulbauweise deutlich einfacher
und sicherer zu machen. Durch den Wegfall separater Dichtrahmen
wird die Anzahl der bei der Montage auszurichtenden Bauteile deutlich
reduziert und somit die Prozesssicherheit der Stackmontage signifikant
erhöht.
Zudem wird die Herstellung der Stackbauteile vereinfacht, da die Produktion
der zum Teil sehr filigranen Dichtrahmen mit großen Schwierigkeiten (hoher
Ausschuss, Präzisionsprobleme)
verbunden ist. Das Design eignet sich insbesondere für Brennstoffzellensysteme,
die auf eine Kühllage
verzichten, die sonst üblicherweise dazu
genutzt wird, die Medienführung
unter den Dichtlinien hindurch zu "tunneln". So eignet sind das System insbesondere
auch für
DMFC bzw. kathodenluftgekühlte
Stacks bzw. Systeme, welche über einen
monopolaren Stackaufbau verfügen.
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Ein
entscheidender Aspekt des "rahmenlosen
Designs" ist eine
notwendige Anpassung der jeweiligen Membran an die Struktur der
Medienführung.
So muss die Membran an der Kante der jeweiligen Oberfläche enden,
die sie gerade noch abstützt. Somit
kann ein Einfallen "freier" Membranbereiche
in den Übergangsbereich
bzw. den Verteilerkanal wirkungsvoll verhindert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Eine
Weiterbildung der Versorgungsplatte sieht vor, dass dies beispielsweise
eine Monopolarstromableiterplatte oder auch eine Bipolarplatte sein kann.
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Bei
der Verwendung eines Systems mit Monopolarstromableiterplatten ist
vorteilhaft, dass hier mit einem einzigen Verteilerkanal zwei Zellen
versorgbar sind, da hier ein durchgehend fluchtender Kanal darstellbar
ist. Durch diese Versorgungsmöglichkeit
von zwei Zellen gleichzeitig, kann außerdem eine erhebliche Dickenreduzierung
der Platte bzw. der Gesamtanordnung erreicht werden.
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Je
nachdem welches Plattenkonzept hier zur Anwendung kommt, können auch
die Materialien unterschiedlich gewählt sein. So kann zur Unterstützung der
Dichtwirkung sowie zur elektrischen Isolierung zwischen zwei gegenüber liegenden
Einzelzellen beispielsweise bei der Verwendung von Platten aus leitfähigen Kunststoffen
(z.B. graphite composites) die Mono- oder Bipolarplatte speziell
im Übergangsbereich
mit einem isolierenden Material, z.B. einem Kautschuk, beschichtet
sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass beidseitig der
Versorgungsplatte reaktive Membranen angebracht sind. Dies können beispielsweise
(wie bei PEMFC üblich)
beidseitig katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembranen (Ionenaustauschermembranen)
sein. In anderen Ausführungsformen
der Erfindung können
die Membranen jedoch auch beispielsweise einfache Separatoren sein.
Es sei angemerkt, dass es nicht zwingend notwendig ist, dass beidseitig
chemisch reaktive Membranen angebracht sind, es können auch
zumindest einseitig dichtende Folien sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Membranen
auf einer oder zwei der Flachseiten der Versorgungsplatte mit der
Außenkontur
der Versorgungsplatte bündig
oder gegenüber dieser
zurückgesetzt
sind. So ist bei der bündigen Variante
der Zusammenbau der Zellen relativ einfach, da stets von außen überprüfbar ist,
ob die Membran beispielsweise ungewollt geknickt wurde oder nicht.
In dem Falle, in welchem die Membran gegenüber den Rändern der Versorgungsplatten
nach innen zurückgesetzt
ist, ist vorteilhaft, dass hier weniger der u.U. kostenintensiven
Membran notwendig ist. Bei dieser zurückgesetzten Variante ist allerdings dann
im Randbereich vorzugsweise eine Erhöhung der Platte vorzusehen,
um beim Verpressen des Stapels das Volumen, welches durch den Entfall
der Membran entstanden ist, auszugleichen und den Kraftschluss der
Verpressung weiterhin homogen weiterzuführen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine,
in Bezug auf die Außenkontur
der Versorgungsplatte bündige,
Membran im Bereich der Verteilerkanäle herum zumindest bereichsweise
einen Ausschnitt aufweist. Dabei ist es weiter von Vorteil, dass
der o.g. Ausschnitt der Membran neben der Kontur des entsprechenden
Verteilerkanals auch die Kontur des ersten oder zweiten Abschnitts
des Übergangsbereichs
mit einschließt.
Dabei wird der Ausschnitt der Membran jedoch bis auf die Kante desjenigen
Abschnitts ausgeweitet, der, ausgehend vom Verteilerkanal, zuletzt
mit der Membran in Kontakt tritt. Dadurch ist gewährleistet,
dass die Membran im gesamten Übergangsbereich
von beiden Seiten mit den angrenzenden Versorgungsplatten in Kontakt
steht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Membran nicht in den Übergangsbereich bzw.
in den Verteilerkanal einfällt
und diese verstopft. Ferner wird verhindert, dass das im Verteilerkanal
geführte
Reaktionsmedium auf die Membranseite des jeweils anderen Mediums übertritt.
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Ein
weiteres, vorteilhaftes Merkmal ergibt sich durch die sich nach
dem oben beschriebenen Prinzip ergebende spezielle Kontur des Membranausschnitts
im Übergangsbereich
zwischen einem Verteilerkanal und dem damit verbundenen Strömungsfeld.
Durch geeignete Anordnung der jeweiligen Verteilerkanäle und den
entsprechenden Übergangsbereichen
zueinander, ergibt sich nach dem oben beschriebenen Prinzip ein
spezifisches "Lochbild" der Membran, das
es ermöglicht,
beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels die Lagerichtigkeit
der Membran zu bestimmen und zu kontrollieren. Dadurch ist es möglich sicherzustellen,
dass beispielsweise die für
die Anodenreaktion der Brennstoffzelle ausgelegte Elektrode der
EME ausschließlich
so verbaut werden kann, dass sie dem Anoden-Strömungsfeld der Versorgungsplatte
zugewandt ist. Ein Verwechseln der Anode bzw. Kathode der EME, wodurch
die Leistung der Zelle deutlich verringert werden kann, wird somit
vermieden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwei oder mehr
Verteilerkanäle
pro zugeordnetem Strömungsfeld
vorgesehen sind. So kann beispielsweise ein Verteilerkanal zum Zuführen von Reaktionsmedium
(beispielsweise molekularem Wasserstoff) und einer zum Abführen beispielsweise überflüssigen,
da nicht verbrauchten Wasserstoffes sowie von Reaktionsprodukten
genutzt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der erste und/oder
der zweite Abschnitt maximal 70%, vorzugsweise 60%, besonders vorzugsweise
maximal 40%, ganz besonders vorzugsweise 30% der Höhe der Versorgungsplatte
in Richtung der Schichtung des Systems aufweisen. Somit ist in dem verbleibenden
Restbereich immer ein ausreichender Querschnitt für den Fluss
von Reaktionsmedium vom Verteilerkanal in das Strömungsfeld
möglich.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass der erste und der zweite Abschnitt
des Übergangsbereichs
in der Plattenebene versetzt sind, so dass hierdurch ein "alternierender Tunnel" entstehen kann.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, dass der erste Abschnitt des Übergangsbereiches zum ersten
Strömungsfeld
hin randbündig
mit einer Innenkontur des Strömungsfelds
gestaltet ist. Somit kann das Strömungsfeld in der Draufsicht
auf die Platte einfach rechteckig ausgeführt werden. Es ist insbesondere keine
Einbuße
an aktiver Fläche
im Bereich der Übergangsbereich
zu den Verteilerkanälen
notwendig.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass im Bereich zwischen
erstem und zweitem Abschnitt des Übergangsbereichs eine vorzugsweise unterbrochene Stützstruktur
vorgesehen ist. Dies ist insbesondere bei breiteren Übergängen zwischen erstem
und zweitem Abschnitt des Übergangsbereiches
sinnvoll, da hierdurch die mechanische Stabilität des abstützenden Abschnitts des Übergangsbereichs
senkrecht zur Flachseite der Versorgungsplatte erhöht wird.
Hierbei sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Stützstruktur
auf der ersten und/oder zweiten Flachseite über diese Flachseite hinaus,
von der gegenüber
liegenden Flachseite abgewandt, über
die übrige
Plattenebene erhaben ist. Dies dient dem Ausgleich der fehlenden
Membran in diesem Bereich, die an die Kontur des Übergangsbereiches
angepasst ausgeschnitten ist. Die Erhebung soll der Dicke der Membran
entsprechend gewählt sein.
Diese Erhöhung
ist elektrisch isolierend auszuführen,
etwa durch eine Beschichtung bzw. die Wahl des Plattenmaterials.
Diese Variante hat außerdem den
weiteren Vorteil, dass durch den spezifischen Ausschnitt der Membran
eine Seitenverwechslung eher noch vermieden werden kann.
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Die
Versorgungsplatte in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen System
kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein. So kann diese zumindest
bereichsweise ein Kunststoffspritzgussteil sein, alternativ ist
auch eine Graphit-Kompositplatte möglich. Im Falle einer solchen
leitenden Platte sind vorzugsweise elektrisch isolierende Bereiche
(beispielsweise aus Kautschuk oder mit einem nichtleitenden Polymer
beschichtet) vorzusehen. Die Versorgungsplatte kann zusätzlich zumindest
bereichsweise mit linien- oder flächenhaften Dichtungen versehen
sein.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1a bis 1c den
prinzipiellen Aufbau eines elektrochemischen Systems;
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2a und 2b eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte sowie
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3a bis 3c eine
weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte.
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1a bis 1c zeigen
einen prinzipiellen Aufbau eines elektrochemischen Systems. Gezeigt ist
hierbei beispielhaft ein Brennstoffzellensystem, welches Versorgungsplatten 2 in
Form von Bipolarplatten aufweist. Hierbei sind jeweils zwei Versorgungsplatten 2 auf
beiden Seiten einer Membran 8 vorgesehen. Zwischen Membran
und der jeweiligen Versorgungsplatte kann hierbei optional eine
Gasdiffusionslage 10 vorgesehen sein.
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1b zeigt
hierbei schematisch eine Einzelzelle, welche zwei Bipolarplatten
mit den dazwischen liegenden oben erwähnten Elementen aufweist. Zu
beiden Seiten dieser Einzelzelle schließen sich dann in dem in 1c gezeigten
Zustand weitere Membranen 8 an. Es ergibt sich somit eine
Schichtung von Zellen (ein "Stack"), wie in 1c gezeigt ist.
Hierbei ist in 1c mit der Bezugsziffer 12 die "Richtung der Schichtung" bezeichnet, in welchem mechanischer
Druck quer zu den Flachseiten der Versorgungsplatten ausgeübt wird.
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Im
weiteren wird insbesondere auf verschiedene Arten der Versorgungsplatten
sowie auf die in Richtung der Schichtung 12 verlaufenden
Verteilerkanäle,
welche Strömungsfelder
auf beiden Seiten der Versorungsplatten 2 versorgen sollen,
eingegangen.
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Eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte
ist in 2a und 2b gezeigt.
Es handelt sich hierbei um eine "Bipolarplatte".
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2a bzw. 2b zeigen
jeweils unterschiedliche Seiten derselben Bipolarplatte. Hierbei deutet
die zwischen den Figuren angebrachte strichpunktierte Linie an,
dass die in 2a gezeigte Platte durch eine
entsprechende Rotation um diese strichpunktierte Linie in den Zustand 2b gebracht
werden kann, bei dem man dann die "Rückseite" dieser Platte sieht.
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In
den in 2a sowie 2b gezeigten Ausschnitten
lässt sich
der Aufbau der prinzipiell wie in 1a gezeigten
Versorgungsplatte gut erkennen.
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Die
Versorgungsplatte 2 weist an einer ersten Flachseite 3a ein
erstes Strömungsfeld 4a auf (siehe 2a).
An einer zweiten Flachseite (d.h. der gegenüber liegenden Flachseite der
Versorgungsplatte 2) weist diese eine zweite Flachseite 3b sowie ein
zweites Strömungsfeld 4b auf
(siehe 2b). Die "Strömungsfelder" auf beiden Seiten
stellen den elektrochemisch aktiven Bereich dar und sind (wie beispielsweise
in 1a und 1b angedeutet)
im wesentlichen rechteckig (zentrierte Rechtecke innerhalb der Platte 2).
Das erste Strömungsfeld 4a ist
mit einem zugeordneten ersten Verteilerkanal 5a verbunden
(siehe 2a). Das zweite Strömungsfeld 4b ist mit
einem zugeordneten zweiten Verteilerkanal 5b fluidführend verbunden
(siehe 2b).
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Von
dem Verteilerkanal 5a zu dem zugeordneten Strömungsfeld 4a ist
ein Übergangsbereich 6 angeordnet,
wobei dieser Übergangsbereich
auf der ersten Flachseite 3a einen ersten Abschnitt 7a und auf
der zweiten Flachseite 3b einen zweiten Abschnitt 7b zum
Anpressen einer an die jeweilige Flachseite angrenzenden Membran 8 (siehe 1a) aufweist.
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Im
folgenden soll insbesondere auf den Übergangsbereich 6 nochmals
detailliert eingegangen werden. Dieser weist einen integrierten
Steg (Abschnitt 7a) auf, welcher einen Teil der Umrandung des
rechteckigen Strömungsfeldes
in 2a bildet. Hierdurch kann die Membran 8,
welche zwischen der ersten Flachseite 3a sowie einer daran
angrenzenden Fläche,
beispielsweise einer weiteren Flachseite einer benachbarten Versorgungsplatte 2,
angeordnet ist, auch in ihrem Randbereich um die aktive Fläche (also
das Strömungsfeld
herum) gepresst werden. Die an die Flachseite 3a angrenzende
Membran 8 ist hierbei so gestaltet, dass sie randbündig mit
der Außenkontur
der Versorgungsplatte 2 gestaltet ist. Hierbei weist die
Membran 8 Ausnehmungen im Bereich des Verteilerkanals 5a auf,
und zwar auch im Bereich der Rückseite
des zweiten Abschnitts 7b. Hierdurch ist also gewährleistet,
dass die Membran 8 mit ihrer gesamten Fläche stets
an eine benachbarte Flachseite bzw. Platte angepresst wird. Hierdurch
ist es nicht möglich,
dass Reaktionsfluid, welches durch den Verteilerkanal 5b herangeführt wird,
auf die "Rückseite" der Membran fließt. Es ist
also durch die erfindungsgemäße Anpressung
ausgeschlossen, dass beidseitig der Membran von einem einzigen Verteilerkanal
aus gleichzeitig ein Betriebsmedium wie beispielsweise molekularer
Wasserstoff, Methanol oder auch Sauerstoff auf beide Seiten der
Membran gleichzeitig tritt. Hierdurch wird ein Vermi schen der Reaktionsmedien
vermieden und der Wirkungsgrad des hier vorliegenden elektrochemischen
Systems (vorliegend eine PEMFC) erhalten.
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Auf
der Rückseite
der Versorgungsplatte, also auf der in 2b gezeigten
zweiten Flachseite 3b der Versorgungsplatte 2,
ist eine weitere Membran angeordnet (ebenfalls in 2a und 2b nicht dargestellt),
welche aber auch das dortige Strömungsfeld
voll überspannt
und bereichsweise ausgeschnitten ist, unter anderem im Bereich des
Verteilerkanals 5a bzw. 5b. Hierbei ist allerdings
der dem zweiten Abschnitt 7b zugeordnete Bereich mit einer Membran überdeckt,
die Rückseite
des ersten Abschnitts 7a ist daran anschließend ebenfalls
mit einer Membran überdeckt,
die durch den beidseitigen Kontakt mit den Flachseiten der benachbarten
Versorgungsplatte im Bereich des Abschnitts 7b ausreichend
fixiert wird. Ein Einfallen der Membran in den Übergangsbereich 7a wird
zudem durch das dort strömende
Medium verhindert. Auch der Bereich der Rückseite des Übergangsbereichs 7a wird
von der Membran 8 überspannt,
um die Trennung der beiden Reaktionsmedien zu gewährleisten.
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Die
vorliegende Bipolarplatte ist also beidseitig mit einer Reaktionsmembran
versehen, dies ist allerdings nur beispielhaft zu verstehen. Statt
einer beidseitig angebrachten Polyelektrolytmembran könnten beispielsweise
bei anderen Systemen auch einfache Separatoren angebracht sein.
Es sei noch erwähnt,
dass durch den unterschiedlichen "Ausschnitt" der Membranen auf der ersten bzw. zweiten Flachseite
der Versorgungsplatte ein Verwechseln dieser Membranen verhindert
werden kann. Es sei außerdem
erwähnt,
dass die hier vorliegende außenrandbündige Anordnung
der Membranen nicht zwingend ist. Stattdessen können diese auch ge genüber der
Randkontur in Plattenebene zurückgesetzt
sein, hier ist gegebenenfalls ein Ausgleich durch eine Plattenerhöhung im
Randbereich vorzusehen. Wie in 2a und 2b gezeigt
sind hier der erste und der zweite Abschnitt in Plattenebene versetzt
zueinander angeordnet, d.h. dass durch einen "alternierenden Tunnel" ein jeweils auf
der den Verpressungsseiten des ersten bzw. zweiten Abschnittes abgewandten
Seiten strömendes
Medium von dem Verteilerkanal zu dem Strömungsfeld gelangen kann. Hierbei
sind in der ansonsten gleich bleibend dicken Plattenberandung die
Abschnitte (der erste und auch der zweite Abschnitt) nur 50% so
dick wie der die Außenkontur
der Versorgungsplatte umgebende Rand, so dass eine ausreichende
Strömung
des Mediums gewährleistet
ist.
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Die
vorliegende Anwendung wurde anhand einer PEMFC erläutert. Ähnliche
Systeme sind gemäß der Erfindung
auch als DMFC, Hochtemperaturbrennstoffzellen, Wasserstoffverdichter
oder Elektrolyseure auszuführen.
Die Versorgungsplatte kann beispielsweise als Metallteil, als metallbeschichteter Kunststoff
oder als Metallkompositplatte ausgeführt sein. Alternativ können diese
Grundkörper
zumindest bereichsweise mit Kunststoff umspritzt sein.
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Vorliegend
wurde die Versorgungsplatte als Metallgrundteil, welches mit Kunststoff
umspritzt worden ist, ausgeführt.
Alternativ ist diese Versorgungsplatte auch als Graphit-Kompositplatte
darstellbar.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 3a bis 3c erläutert.
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Es
sei betont, dass sämtliche
der obigen Erläuterun gen
vollumfänglich
auch für
diese in 3a bis 3c gezeigte
Ausführungsform
gelten, es sei denn, dass im folgenden etwas ausdrücklich anderes gesagt
wird bzw. kommentarlos ersichtlich ist. Ansonsten gilt auch in Zweifelsfällen das
oben Gesagte. Die den 2a und 2b entsprechenden
Elemente werden in 3a bis 3c mit
einem zusätzlichen
Strich gekennzeichnet, um hier die Unterscheidung zu erleichtern.
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Der
Hauptunterschied zwischen der in 2a und 2b einerseits
und der in 3a bis 3c andererseits
gezeigten Ausführungsform
ist, dass es sich bei 2a und 2b um
eine Bipolarplatte handelt und bei 3a bis 3c um
eine Monopolarstromableiterplatte.
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Die
Bipolarplatte hat eine erste Flachseite und ein erstes Strömungsfeld
und eine zweite Flachseite und ein zweites Strömungsfeld, wobei das erste Strömungsfeld
mit einem zugeordneten ersten Verteilerkanal und das zweite Strömungsfeld
mit einem zugeordneten zweiten Verteilerkanal fluidführend verbunden
ist und zwischen den Strömungsfeldern keine
Verbindung gegeben ist.
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Dahingegen
zeigt die Monopolarstromableiterplatte ebenfalls an einer ersten
Flachseite ein erstes Strömungsfeld
und an einer zweiten Flachseite ein zweites Strömungsfeld, wobei jedoch beide
Strömungsfelder
mit einem gemeinsamen Verteilerkanal verbunden sind.
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3a und 3b zeigen
eine Versorgungsplatte, welche als Monopolarstromableiterplatte 2' ausgeführt ist.
Diese weist einen Verteilerkanal 5a' auf, von welchem über zweite
Abschnitte 7b' sowie
einen ersten Abschnitt 7a' Medium
zu einem Strömungsfeld 4a' gelangen kann,
welches als durchgängiger
(beidseitig offener) Mäander
die jeweils auf den beiden Flachseiten 3a'/3b' der Versorgungsplatte 2' angrenzenden
Membranen mit dem Medium versorgt. Die dabei an die Flachseite 3a' angrenzende
Membran 8 ist ebenfalls im Bereich des Verteilerkanals 5a' ausgeschnitten
und überspannt die
Fläche
des Strömungsfeldes 4a' vollständig. Durch
den ersten Abschnitt 7a' wird
gewährleistet, dass
auch im Randbereich des Strömungsfeldes
keine "frei hängenden" Abschnitte der Membran 8 gegeben
sind und dass diese somit vollflächig
an die Flachseite 3a' angrenzende
Plattenabschnitte gepresst wird. Selbiges gilt für die auf der anderen Seite liegende
Flachseite 3b' bzw.
das entsprechende Strömungsfeld 4b'.
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Der Übergangsbereich 6' besteht vorliegend wiederum
aus einem ersten Abschnitt 7a' (welcher an das Strömungsfeld
angrenzt) sowie einem zweiten Abschnitt 7b', welcher auf der gegenüber liegenden
Flachseite im Bereich des Verteilerkanals sich anschließt. Auch
hier ist der Übergangsbereich,
welcher aus erstem und zweitem Abschnitt besteht, wiederum als "alternierender Tunnel" ausgeführt. Hierbei ist
allerdings eine deutlich größere Breite
des zweiten Abschnittes des Übergangsbereichs 6' festzustellen (diese
erstreckt sich über
die gesamte Langseite des Verteilerkanals, wie in 3a zu
sehen), so dass hier zusätzliche "Stützstrukturen" 9' vorgesehen
sind. Diese "Stützstrukturen" sind als zwei "Stützpföstchen" ausgeführt, so
dass sich im Bereich zwischen erstem Abschnitt 7a' und zweitem
Abschnitt 7b' zu den
jeweiligen Flachseiten der angrenzenden Versorgungsplatte hin eine
Stützstruktur
ergibt.
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Dies
kann auch bei aufliegenden Membranen berücksichtigt werden. Die Stützstruktur 9' auf der ersten und/oder
zweiten Flachseite 3a' bzw. 3b' kann über diese
jeweilige Flachseite hinaus, von der gegenüber liegenden Flachseite abgewandt, über die übrige Plattenebene
erhaben sein. Hierdurch wird die in diesem Bereich fehlende Membran
ausgeglichen, d.h. die Erhabenheit der Pföstchen reicht genau aus, um
die Membran in Richtung der Schichtung 12 dickenmäßig zu ersetzen.
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Ein
aus der in 3a und 3b gezeigten Versorgungsplatte
aufgebauter PEMFC-Stack ist in 3c im
Teilschritt gezeigt.
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Hierbei
ist insbesondere in dem linksseitigen Verteilerkanal gut zu erkennen,
wie die Stützstrukturen 9' nach oben hin über die
zweitoberste Platte hinaus ragen, um so den in diesem Bereich nicht
vorgesehenen Abschnitt der Membran 8 zu ersetzen.