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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte für einen PEM-Stapelreaktor, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen PEM-Stapelreaktor, der eine Mehrzahl solcher Bipolarplatten und dazwischen angeordnete, beidseitig mit Diffusionsschichten belegte Protonenaustauschmembranen aufweist.
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Der PEM-Stapelreaktor kann als Brennstoffzelle Verwendung finden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung aber einen PEM-Stapelreaktor, der besondere Eignung als Hydrolyseur, d. h. zur hydrolytischen Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Bei einem PEM-Stapelreaktor, der als Brennstoffzelle verwendet wird, sind die einzelnen, jeweils eine zentrale Protonenaustauschmembran aufweisenden Elementarzellen mit Hilfe von zwischen ihnen angeordneten Bipolarplatten elektrisch in Reihe geschaltet, um die Ausgangsspannungen der Elementarzellen zu einer höheren Ausgangsspannung der gesamten Brennstoffzelle aufzuaddieren. Bei einem Hydrolyseur in Form eines PEM-Stapelreaktors erlaubt es die Reihenschaltung seiner Elementarzellen mit Hilfe der Bipolarplatten, eine höhere Gesamtspannung anzulegen, die verteilt über die einzelnen Elementarzellen in der für die Hydrolyse ausreichenden Höhe abfällt. In jedem Fall dienen die Bipolarplatten im Inneren des eines Stapelreaktors jeweils als Anode einer Elementarzelle und als Kathode einer benachbarten Elementarzelle, die so elektrisch in Reihe geschaltet aber durch die Bipolarplatte chemisch getrennt sind.
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Es ist bekannt, Bipolarplatten für PEM-Stapelreaktoren, die die Anode einer Elementarzelle mit der Kathode der im Stapel folgenden Elementarzelle elektrisch verbinden, als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigem Kunststoffen, auszubilden. Kunststoffe können z. B. durch Zugabe von Kohlenstoffnanoröhrchen elektrisch leitend gemacht werden. (Siehe beispielsweise http://de.wikipedia.org/wiki/brennstoffzelle#aufbau.)
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Elektrisch leitfähige Kunststoffe weisen verschiedene Nachteile auf. Sie sind teuer, schwierig zu verarbeiten und weisen häufig keine ausreichende Formstabilität auf. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Stapelaufbau eines PEM-Stapelreaktors zur ausreichenden Kontaktierung der Protonenaustauschmembranen mit den Elektroden bzw. Bipolarplatten und zum Erreichen der erforderlichen Dichtigkeit zwischen den einzelnen Schichten mit hohen Kräften in Stapelrichtung beaufschlagt werden muss.
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Aus der
EP 1 043 425 A1 ist ein Hydrolyseur mit einer zentralen Protonenaustauschmembran, die Protonenaustauschmembran beidseitig bedeckenden Diffusionsschichten und die Diffusionsschichten rückwärtig abstützenden, Durchbrechungen aufweisenden Flächenelektroden bekannt. Weiterhin ist mindestens ein Wasserreservoir vorgesehen, aus dem Wasser durch eine der Diffusionsschichten an die Protonenaustauschmembran gelangt. Mit einer Spannungsquelle ist eine Spannung zwischen den beiden Flächenelektroden aufbringbar. Dadurch befindet sich die eine Flächenelektrode auf einem niedrigeren elektrischen Potential als die andere Flächenelektrode, wobei das Wasserreservoir auf derselben Seite der Protonenaustauschmembran angeordnet ist wie die Flächenelektrode mit dem niedrigeren elektrischen Potential. Dies bedeutet, dass das Wasserreservoir auf der Wasserstoffseite der Protonenaustauschmembran vorgesehen ist, d. h. dort, wo durch die Hydrolyse des Wasser aus dem Wasserreservoir Wasserstoff erzeugt wird. Dieser bekannte Hydrolyseur ist nicht als Stapelreaktor mit Bipolarplatten ausgebildet, sondern weist nur eine einzige Elementarzelle auf.
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Aus der
WO 02/34970 A2 ist ein portabler elektrochemischer Sauerstoffgenerator mit einer zentralen Protonenaustauschmembran bekannt, bei dem auf der Sauerstoffseite der Protonenaustauschmembran eine Iridium-Anode und auf der Wasserstoffseite eine Kathode aus einem Platingruppen-Metall/Kohlenstoff-Verbund vorgesehen ist. Auch dieser bekannte Sauerstoffgenerator weist nur eine einzige Elementarzelle und keine Bipolarplatten auf.
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Aus der
DE 102 54 379 A2 ist eine Weiterentwicklung des Sauerstoffgenerators der
WO 02/34970 A2 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind sowohl die Flächenelektrode auf der Anodenseite als auch die Flächenelektrode auf der Kathodenseite auf der Basis von Titanstreckmetall ausgebildet. Dabei wird die Verwendung von Flächenelektroden auf der Basis von Titanstreckmetall auch zur Verbesserung des Aufbaus von PEM-Brennstoffzellen und -Hydrolyseuren empfohlen. Die Flächenelektrode auf der Anodenseite soll aus flachgepresstem und platiniertem Titanstreckmetall bestehen. Aufgrund seiner Herstellung aus zunächst gelochten und dann gestreckten Metallblechen weist Titanstreckmetall eine dreidimensionale Struktur auf. Diese ist für die Ausbildung der Flächenelektrode auf der Anodenseite der bekannten Vorrichtung nicht bevorzugt, weil beim Eindrücken der dreidimensionalen Struktur in die Protonenaustauschmembran die Protonenaustauschmembran verletzt werden kann. Diese Verletzungsgefahr wird durch das Flachpressen des Titanstreckmetalls beseitigt. Die Platinierung der Flächenelektrode auf der Anodenseite dient dem Schutz der Flächenelektrode vor Oxidation durch den dort naszierenden Sauerstoff. Die Platinierung kann elektrolytisch nach dem Flachpressen erfolgen. Auf der Kathodenseite kann die Flächenelektrode ebenfalls aus flachgepresstem und platiniertem Streckmetall ausgebildet sein. Aus Kostengründen kann für diese Flächenelektrode aber auch unmittelbar Titanstreckmetall verwendet oder zumindest einer der Bearbeitungsschritte eingespart werden. Auf der Kathodenseite besteht in der Regel keine Gefahr der Beschädigung der Protonenaustauschmembran, weil zumindest zwischen der Flächenelektrode auf der Kathodenseite und der Protonenaustauschmembran eine Diffusionsschicht angeordnet ist. Auch diese bekannte Vorrichtung weist nur eine einzige Elementarzelle und keine Bipolarplatten auf.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte aufzuzeigen, mit der ein PEM-Stapelreaktor, insbesondere zur Verwendung als Hydrolyseur, kostengünstig aufgebaut werden kann, wobei die Bipolarplatte dennoch eine hohe, die Effizienz des PEM-Stapelreaktors steigernde Funktionalität aufweisen kann.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 12 sind auf bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gerichtet. Die Patentansprüche 13 bis 15 betreffen bevorzugte Ausführungsformen eines PEM-Stapelreaktors mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Bipolarplatten und dazwischen angeordneten, beidseitig mit Diffusionsschichten belegten Protonenaustauschmembranen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für einen PEM-Stapelreaktor, der mindestens zwei durch jeweils eine Bipolarplatte chemisch getrennte, aber elektrisch in Reihe geschaltete Elementarzellen mit zentralen Protonenaustauschmembranen aufweist, weist ihrerseits einen Randbereich und innerhalb des Randbereichs auf ihrer einen Seite einen ersten Zentralbereich und auf ihrer anderen Seite einen zweiten Zentralbereich auf. Dabei umfasst die Bipolarplatte einen Formkörper aus Kunststoff, wobei in den beiden Zentralbereichen Strömungsfelder aus offenen Querströmungskanälen in den Formkörper eingeformt sind. Weiterhin sind in dem Randbereich die Bipolarplatte durchdringende erste Versorgungskanäle ausgebildet, die innerhalb des Formkörpers mit den Querströmungskanälen in dem ersten Zentralbereich kommunizieren. Der Formkörper ist zwischen den beiden Schenkeln eines im Längsschnitt durch den PEM-Stapelreaktor U-förmig gebogenen Elektrodenblechs angeordnet, das in den Zentralbereichen Durchbrechungen aufweist. Zumindest auf der einen Seite der Bipolarplatte, auf der die Querströmungskanäle mit den ersten Versorgungskanälen kommunizieren, ist eine in dem Randbereich um den ersten Zentralbereich umlaufende Dichtung ausgebildet, die zwischen dem Elektrodenblech und dem Formkörper abdichtet.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst mehrere Elemente aus unterschiedlichen Materialien. Zumindest sind dies der Formkörper aus Kunststoff und das U-förmig gebogene Elektrodenblech. In der Regel wird auch die Dichtung nicht nur aus einem oder beiden dieser Teile, sondern einer zusätzlichen Elastomerdichtung ausgebildet. Die elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte zwischen ihrer einen und ihrer anderen Seite basiert auf der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenblechs. Die mechanische Struktur mit den chemisch getrennten Strömungsfeldern auf beiden Seiten der Bipolarplatte wird hingegen von dem Formkörper aus Kunststoff bereitgestellt. Durch diese Funktionstrennung können die einzelnen Elemente der Bipolarplatte ganz auf eine maximale Erfüllung ihrer jeweiligen Funktionen ausgerichtet werden. Insbesondere kann der Kunststoff in Bezug auf eine hohe Formfestigkeit auch unter hohem Druck und erhöhter Temperatur ausgelegt werden, ohne dass Rücksicht auf eine elektrische Leitfähigkeit genommen werden muss. Mit seinen Durchbrechungen in den Zentralbereichen ergänzt das Elektrodenblech die Strömungsfelder, die mit den offenen Querströmungskanälen in dem Formkörper ausgebildet sind. Insbesondere dienen aber diese Durchbrechungen dazu, Reaktanten, die über die Strömungsfelder in die Bipolarplatte eingebracht werden, in einem PEM-Stapelreaktor zu der jeweiligen Protonenaustauschmembran hin austreten zu lassen. Die zumindest auf der einen Seite der Bipolarplatte um den dortigen Zentralbereich umlaufende Dichtung dichtet zumindest zwischen dem Formkörper und dem Elektrodenblech ab. Vorzugsweise ist sie auch geeignet, um eine Abdichtung gegenüber der nächsten Schicht eines Stapelaufbaus bereitzustellen.
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Auf der der einen Seite mit der umlaufenden Dichtung gegenüberliegenden anderen Seite der Bipolarplatte können die Querströmungskanäle in dem Formkörper mit in dem Randbereich quer durch den Formkörper verlaufenden und am Außenumfang der Bipolarplatte endenden Belüftungskanälen kommunizieren. Eine solche Bipolarplatte kann zur Ausbildung einer Luft atmenden Brennstoffzelle oder einer Sauerstoff, der neben dem Wasserstoff bei der Hydrolyse hergestellt wird, in die Umgebung abgebenden Hydrolyseur Verwendung finden. Eine Luft atmende Brennstoffzelle oder ein Sauerstoff in die Umgebung abgebender Hydrolyseur benötigt keine Versorgungskanäle, die auf die Sauerstoffseiten der Bipolarplatten führen, sondern nur Versorgungskanäle zu den Wasserstoffseiten der Bipolarplatten.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann aber auch mit die Bipolarplatte in dem Randbereich durchdringenden zweiten Versorgungskanälen ausgebildet sein, die innerhalb des Formkörpers mit den Querströmungskanälen in dem zweiten Zentralbereich kommunizieren. Dann ist regelmäßig auch auf der anderen Seite der Bipolarplatte, auf der die Querströmungskanäle mit den zweiten Versorgungskanälen kommunizieren, eine in dem Randbereich um den zweiten Zentralbereich umlaufende Dichtung ausgebildet, die zwischen dem Elektrodenblech und dem Formkörper abdichtet. Dieser weitgehend spiegelsymmetrische Aufbau der erfindungsgemäßen Bipolarplatte – die ersten und zweiten Versorgungskanäle sind an unterschiedlichen Stellen vorzusehen – ist für Brennstoffzellen und Hydrolyseure mit geschlossenem Sauerstoffsystem geeignet.
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Jede der umlaufenden Dichtungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann durch eine Elastomerdichtung ausgebildet sein. Dabei kann die Elastomerdichtung zwischen dem Formkörper und einem im Randbereich geschlossenen Elektrodenblech angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist jedoch das Elektrodenblech durchgängig mit Durchbrechungen versehen, so dass hierfür bezüglich der Verteilungen der Durchbrechungen nicht spezifiziertes Ausgangsmaterial Verwendung finden kann. Dann erstreckt sich die Elastomerdichtung durch die auch in dem Randbereich des Elektrodenblechs vorgesehenen Durchbrechungen hindurch und schließt diese im Bereich der Dichtung. Eine derartige Elastomerdichtung kann in einem einfachen Formwerkzeug an das Elektrodenblech angespritzt werden. Es kann aber auch ein chemisch begrenzt aushärtender Elastomerwerkstoff im Bereich der gewünschten Dichtung ein- oder beidseitig manuell auf das Elektrodenblech aufgetragen werden, um die Elastomerdichtung auszubilden.
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Konkret kann das Elektrodenblech einen Kern aus Titanstreckmetall aufweisen. Das Titanstreckmetall kann dabei flachgewalzt oder flachgepresst sein, um eine möglichst glatte Oberfläche bereitzustellen. Darüber hinaus kann der Kern insgesamt mit Platin oder einem Titanmischoxid beschichtet sein. Als Titanmischoxid kommt dabei insbesondere ein Iridiumhaltiges Titanmischoxid in Frage. Hierdurch wird das Elektrodenblech vor chemischen Reaktionen geschützt, die zu Reaktionsprodukten führen können, mit denen die jeweilige PEM-Brennstoffzelle oder der jeweilige PEM-Hydrolyseur "vergiftet" werden kann. Mit einem solchen Vergiften ist eine chemische Veränderung irgendeines Bestandteils des jeweiligen PEM-Reaktors gemeint, die seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Bis auf das Zuschneiden und das U-förmige Biegen des Elektrodenblechs und das Anbringen der Dichtung bedarf es keiner besonderen Bearbeitung, die nicht an dem Ausgangsmaterial durchgeführt werden könnte. Die beim Zuschneiden des Elektrodenblechs freigelegten Schnittkanten liegen außerhalb der Elementarzellen eines mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten aufgebauten PEM-Reaktors und bedürfen keines besonderen Schutzes. Grundsätzlich ist es aber natürlich auch möglich, das Titanstreckmetall erst nach dem Zuschneiden und/oder Biegen zu platinieren oder mit dem Titanmischoxid zu beschichten.
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Wenn auf einer der beiden Seiten der erfindungsgemäßen Bipolarplatte mindestens eine elektrisch mit dem Elektrodenblech verbundene Anschlusselektrode absteht, kann diese am Ende eines Stapelaufbaus zur Ausbildung eines PEM-Stapelreaktors zum elektrischen Anschluss desselben verwendet werden. Für den Einsatz im Inneren des Stapels ist diese Bipolarplatte nicht vorgesehen. Anders gesagt findet sie innerhalb des Stapels nicht als eigentliche Bipolarplatte, sondern am Ende des Stapels nur als Kathode oder Anode Verwendung.
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Der Formkörper der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann aus irgendeinem Kunststoff ausgebildet werden, der die nötigen mechanischen Eigenschaften aufweist. Der Kunststoff kann dabei elektrisch leitend sein, muss es aber nicht. Vorzugsweise wird ein bei gleichen mechanischen Eigenschaften kostengünstigerer elektrisch nicht leitfähiger Kunststoff verwendet.
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Der Formkörper der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann durch Materialabtrag aus einem plattenförmigen Ausgangsmaterial ausgebildet werden. Es ist jedoch bevorzugt, ihn in kostengünstiger Weise formzuspritzen, d. h. durch Injektion flüssigen Kunststoffs in ein Formwerkzeug auszubilden. Bei diesem Formspritzen muss keine Rücksicht auf eine elektrische Leitfähigkeit und eine entsprechende besondere Zusammensetzung des Kunststoffs genommen werden.
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Als geeignetes Material zum Ausbilden des Formkörpers der erfindungsgemäßen Bipolarplatte insbesondere durch Formspritzen hat sich Polycarbonat herausgestellt. Von den Polycarbonaten ist Bisphenol A, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Makrolon von der Bayer AG vertrieben wird, besonders gut verwendbar. Bisphenol A zeichnet sich durch hohe Formtreue und hohe mechanische Stabilität sowie geringe chemische Reaktivität in den Umgebungen aus, wie sie in einer PEM-Brennstoffzelle oder einem PEM-Hydrolyseur herrschen.
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Die Strömungsfelder auf den beiden Seiten der Bipolarplatte können konkret dadurch ausgebildet sein, dass der Formkörper dort noppenartige Vorsprünge aufweist, zwischen denen die Querströmungskanäle der Strömungsfelder in einander kreuzenden Richtungen verlaufen. Das heißt, bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte müssen keine einzelnen, gegeneinander abgegrenzten Querströmungskanäle vorhanden sein.
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Bei einem PEM-Stapelreaktor mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten und dazwischen angeordneten, beidseitig mit Diffusionsschichten belegten Protonenaustauschmembranen sind die Protonenaustauschmembranen vorzugsweise gasdicht in Rahmen aus Heißklebefolie eingeschweißt. An den Stellen der die Bipolarplatten durchdringenden Versorgungskanäle sind in den Rahmen Löcher vorgesehen. Die Dichtungen der Bipolarplatten dichten zumindest auf einer Seite der jeweiligen Protonenaustauschmembran gegenüber diesen Rahmen ab. Es versteht sich, dass auch die Versorgungskanäle, für die Löcher in dem Rahmen vorgesehen sind, gegenüber dem Rahmen abzudichten sind, und zwar in jedem Fall auf beiden Seiten der jeweiligen Protonenaustauschmembran.
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Zur Ausbildung eines Hydrolyseurs mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten weisen die Protonenaustauschmembranen auf ihren Sauerstoffseiten Platinkatalysator und/oder auf ihren Wasserstoffseiten Iridiumkatalysator auf. Hierdurch kann die elektrische Verlustleistung des Hydrolyseurs minimiert werden.
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Insbesondere wird ein solcher Hydrolyseur so ausgebildet, dass die Sauerstoffseiten der Protonenaustauschmembranen an die anderen Seiten der Bipolarplatten mit den in dem Randbereich quer durch den Formkörper verlaufenden und am Außenumfang der Bipolarplatte endenden Belüftungskanälen angrenzen. Ein solcher Hydrolyseur gibt den erzeugten Sauerstoff in die Umgebung ab. Wasser wird nur auf den geschlossenen Wasserstoffseiten der Protonenaustauschmembranen angeboten, und der dort generierte Wasserstoff wird durch Zirkulieren des Wassers aus dem PEM-Stapelreaktor abgeführt. Außerhalb des Hydrolyseurs erfolgt dann eine Trennung von Wasserstoff und Wasser. Das Wasser kann in den PEM-Stapelreaktor zurückgeführt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte längs einer ersten Schnittebene.
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2 ist ein Schnitt durch einen Formkörper der Bipolarplatte gemäß 1 längs einer zweiten Schnittebene.
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3 ist eine Seitenansicht eines U-förmig gebogenen Elektrodenblechs der Bipolarplatte gemäß 1.
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4 ist ein Schnitt durch einen Hydrolyseur mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten und dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembranen; und
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5 ist ein Schnitt durch eine beidseitig mit Diffusionsschichten belegte Protonenaustauschmembran gemäß 4.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 dargestellte Bipolarplatte 1 weist einen Formkörper 2 aus Kunststoff auf, der separat in 2 dargestellt ist. Weiterer Bestandteil der Bipolarplatte 1 ist ein U-förmig gebogenes Elektrodenblech 3, das separat in 3 dargestellt ist. Der Formkörper 2 besteht aus nicht elektrisch leitfähigem Kunststoff und weist zwischen einer Seite 4 und einer anderen Seite 5 der Bipolarplatte 1 einen in Querrichtung verlaufenden durchgängigen Steg 6 auf. Durchsetzt wird der Steg 6 ausschließlich von Versorgungskanälen 7, die in 1 sämtlich außerhalb der Zeichenebene verlaufen, während sich in 2 einer längs der Schnittebene erstreckt. Grundsätzlich kann der Formkörper 2 aus Einzelteilen zusammengesetzt sein kann. Vorzugsweise ist er jedoch einstückig formgespritzt, insbesondere aus einem formsteifen und chemisch stabilen Polycarbonat. Dabei werden beim Formspritzen neben den Versorgungskanälen 7 auch Querströmungskanäle 8, Belüftungskanäle 9 und Kommunikationskanäle 10 in dem Formkörper 2 ausgebildet. Die offenen Querströmungskanäle 8 bilden in einem Zentralbereich 11 der Bipolarplatte 1 Strömungsfelder aus. Dabei verlaufen die Querströmungskanäle 8 in unterschiedlichen Richtungen, so dass zwischen ihnen nur noppenförmige Vorsprünge 12 verbleiben. Die Querströmungskanäle 8 enden in Querrichtung an einem Randbereich 13 der Bipolarplatte 1. In diesem Randbereich verlaufen die Versorgungskanäle 7 durch die Bipolarplatte 1 hindurch. Über die Kommunikationskanäle 10 kommunizieren die Versorgungskanäle 7 mit den Querströmungskanälen 8 auf der Seite 4 der Bipolarplatte 1. Zum Außenumfang 14 der Bipolarplatte 1 hin sind die Kommunikationskanäle 10 mit Stopfen 33 verschlossen. Die Kommunikationskanäle 10 verlaufen dabei parallel zu dem Steg 6 durch den Randbereich 13. Dies gilt auch für die Belüftungskanäle 9, die mit den Querströmungskanälen 8 auf der anderen Seite 5 der Bipolarplatte 1 kommunizieren und am Außenumfang 14 der Bipolarplatte 1 offen enden.
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Das Elektrodenblech 3 ist U-förmig gebogen. Sein einer Schenkel 15 deckt die Seite 4 der Bipolarplatte 1 ab, während sein anderer Schenkel 16 die andere Seite 5 der Bipolarplatte 1 abdeckt. Zwischen den beiden Schenkeln 15 und 16 verläuft ein Verbindungsbereich 17 über die gesamte Breite der Schenkel 15 und 16. Das Elektrodenblech 3 weist durchgängig, d. h. über seine gesamte Erstreckung, Durchbrechungen 18 auf. Es umfasst einen Kern aus Titanstreckmetall, der flachgewalzt ist und mit Platin oder einem Iridium-haltigen Titanmischoxid beschichtet ist, um ihn chemisch zu inaktivieren. In dem Randbereich 13 und etwas in den Zentralbereich 11 hinein ist zumindest an den Schenkel 15 eine um den Zentralbereich 11 umlaufende Elastomerdichtung 19 angespritzt, die auf der Seite 4 der Bipolarplatte 1 das von den Querströmungskanälen 8 gebildete Strömungsfeld – bis auf die Kommunikationskanäle 10 – in Querrichtung abdichtet. Hier ist eine solche Dichtung 19 auch auf der Seite 5, d. h. an dem Schenkel 16 vorgesehen sein. dort ist sie allerdings nicht zwingend erforderlich, weil das auf der Seite 5 aus den Querströmungskanälen 8 gebildete Strömungsfeld sowieso über die Belüftungskanäle 9 mit der Umgebung kommuniziert, auch wenn die Bipolarplatte 1 in einem Stapel angeordnet ist.
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Eine solche Anordnung der Bipolarplatte 1 in einem Stapel ist in 4 gezeigt. Hier sind auf beiden Seiten der Bipolarplatte 1 Protonenaustauschmembranen 20 angeordnet, die separat in 5 dargestellt sind. Daran schließen sich weitere Bipolarplatten 1' und 1'' an, die sich von der Bipolarplatte 1 dadurch unterscheiden, dass bei der Bipolarplatte 1' auf der Seite 4 und bei der Bipolarplatte 1'' auf der Seite 5 eine Anschlusselektrode 21 elektrisch an das Elektrodenblech 3 angeschlossen ist. Diese Anschlusselektroden 21 ragen durch Isolierkörper 22 in Endplatten 23 hindurch, die den Stapel aus den Bipolarplatten 1, 1', 1'' und den dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembranen 20 zusammendrücken. Dafür sind in den Endplatten 23 Durchgangslöcher 24 für in 4 nur angedeutete Zuganker 25 vorgesehen. Gemäß 4 sind die Zuganker 25 noch nicht mit einer Zugkraft beaufschlagt, und entsprechend liegen die Endplatten 23 noch nicht flächig an den äußeren Bipolarplatten 1' und 1'' um deren Anschlusselektroden 21 herum an. Bei dem fertigen Stapelreaktor 27, der typischerweise eine größere Anzahl von Bipolarplatten 1 und dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembranen 20 aufweist, wobei jede Protonenaustauschmembran 20 und die angrenzenden Hälften der Bipolarplatten 1 eine Elementarzelle ausbildet, sind die Zugkräfte auf die Zuganker 25 so groß, dass die Protonenaustauschmembranen 20 gegenüber den Seiten 4 der Bipolarplatten 1 in deren Randbereichen 13 abgedichtet sind. Weitere Löcher 26 in den Endplatten 23 kommunizieren mit den Versorgungskanälen 7 in den Bipolarplatten, die sich in dem Randbereich 13 auch durch die Elastomerdichtungen 19 an den Elektrodenblechen 3 hindurch erstrecken. Über die Versorgungskanäle 7 wird dem derart ausgebildeten PEM-Stapelreaktor 27 Wasser zugeführt. Durch Anlegen einer externen Spannung an die Anschlusselektroden 21 wird dieses Wasser elektrolytisch in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Dabei tritt der Sauerstoff durch die Belüftungskanäle 9 in die Umgebung aus, während der Wasserstoff durch Zirkulieren des Wassers zwischen den Versorgungskanälen 7 abgeführt und außerhalb des PEM-Reaktors 27, der derart als Hydrolyseur 28 dient, von dem Wasser abgetrennt wird. Die in 5 dargestellte Protonenaustauschmembran 20 ist in dem Zentralbereich 11 beidseitig mit Diffusionsschichten 29 belegt.
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In 5 nicht sichtbar ist, dass die Protonenaustauschmembran 20 auf ihrer der Seite 5 der Bipolarplatte 1 entsprechenden Sauerstoffseite 30 mit Platinkatalysator versehen ist, während sie auf ihrer der Seite 4 der Bipolarplatte 1 entsprechenden Wasserstoffseite 31 mit Iridiumkatalysator versehen ist. In dem Randbereich 13 ist die Protonenaustauschmembran 2 gasdicht in einen Rahmen 32 aus Heißklebefolien eingeschweißt, der auf der Wasserstoffseite 31 an der Dichtung 19 der Bipolarplatte 1 zur Anlage kommt. Es versteht sich, dass sich die Versorgungskanäle 7 der Bipolarplatte 1 auch durch diesen Rahmen 32 hindurch erstrecken und dabei in Querrichtung abgedichtet sind, auch angrenzend an die an die Sauerstoffseite 30 angrenzende Seite 5 der nächsten Bipolarplatte 1. Der gemäß 4 aufgebaute Hydrolyseur 28 zeichnet sich durch eine geringe Verlustleistung und eine hohe Langzeitstabilität aus. Zugleich ist er kostengünstig herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Formkörper
- 3
- Elektrodenblech
- 4
- Seite
- 5
- Seite
- 6
- Steg
- 7
- Versorgungskanal
- 8
- Querströmungskanal
- 9
- Belüftungskanal
- 10
- Kommunikationskanal
- 11
- Zentralbereich
- 12
- Vorsprung
- 13
- Randbereich
- 14
- Außenumfang
- 15
- Schenkel
- 16
- Schenkel
- 17
- Verbindungsbereich
- 18
- Durchbrechung
- 19
- Elastomerdichtung
- 20
- Protonenaustauschmembran
- 21
- Anschlusselektrode
- 22
- Isolierkörper
- 23
- Endplatte
- 24
- Durchgangsloch
- 25
- Zuganker
- 26
- Durchgangsloch
- 27
- PEM-Stapelreaktor
- 28
- Hydrolyseur
- 29
- Diffusionsschicht
- 30
- Sauerstoffseite
- 31
- Wasserstoffseite
- 32
- Rahmen
- 33
- Stopfen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1043425 A1 [0006]
- WO 02/34970 A2 [0007, 0008]
- DE 10254379 A2 [0008]
