DE102014207594A1 - Bipolar plate for an electrolysis or fuel cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle mit mindestens einem an und/oder in der Bipolarplatte (10) ausgebildeten Wärmerohr (12). Ebenso betrifft die Erfindung eine Kühleinrichtung für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle mit mindestens einer derartigen Bipolarplatte (10) und einem Wärmetauscher (24), welcher an dem mindestens einen Wärmerohr (12) der mindestens einen Bipolarplatte (10) angebunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Bipolarplatte (10) oder einer damit ausgestatteten Kühleinrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte (10), wobei die Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle zusätzlich mindestens ein Wärmerohr (12) umfasst, welches nahe an der einzigen Bipolarplatte (10) oder mindestens einer der Bipolarplatten (10) der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle angeordnet ist.The invention relates to a bipolar plate (10) for an electrolysis or fuel cell with at least one heat pipe (12) formed on and / or in the bipolar plate (10). Likewise, the invention relates to a cooling device for an electrolysis or fuel cell with at least one such bipolar plate (10) and a heat exchanger (24) which is connected to the at least one heat pipe (12) of the at least one bipolar plate (10). Moreover, the invention relates to an electrolysis and / or fuel cell with at least one corresponding bipolar plate (10) or a cooling device equipped therewith. Furthermore, the invention relates to an electrolysis and / or fuel cell with at least one bipolar plate (10), wherein the electrolysis and / or fuel cell additionally comprises at least one heat pipe (12) which is close to the single bipolar plate (10) or at least one of Bipolar plates (10) of the electrolysis or fuel cell is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Elektrolyse- oder eine Brennstoffzelle. Ebenso betrifft die Erfindung eine Kühleinrichtung für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung Elektrolyse- und/oder Brennstoffzellen.The invention relates to a bipolar plate for an electrolysis or a fuel cell. Likewise, the invention relates to a cooling device for an electrolysis or fuel cell. Furthermore, the invention relates to electrolysis and / or fuel cells.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Bipolarplatten, welche häufig auch als Strömungsfeldplatten oder Flow-Field-Platten (flow-field plates) bezeichnet werden, zum Einsetzen in einer Elektrolyse- oder Brennstoffzelle bekannt. In der Regel weist eine derartige Bipolarplatte mindestens einen daran ausgebildeten mäanderförmigen Kanal/eine mäanderförmige Nut auf, durch welchen ein gasförmiges oder flüssiges Medium während eines Betriebs der mit der Bipolarplatte ausgestatteten Elektrolyse- oder Brennstoffzelle geleitet wird. Das gasförmige oder flüssige Medium ist oft ein Edukt einer mittels der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle ausgeführten Reaktion, welches gleichzeitig als Kühlmittelmedium eingesetzt wird. Auf diese Weise soll eine Überhitzung der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle aufgrund der bei ihrem Betrieb entstehenden Abwärme verhinderbar sein.Bipolar plates, often referred to as flow field plates or flow-field plates, for use in an electrolysis or fuel cell are known in the art. As a rule, such a bipolar plate has at least one meandering channel formed thereon / a meandering groove through which a gaseous or liquid medium is passed during operation of the electrolysis or fuel cell equipped with the bipolar plate. The gaseous or liquid medium is often an educt of a reaction carried out by means of the electrolysis or fuel cell, which is simultaneously used as the coolant medium. In this way, overheating of the electrolysis or fuel cell should be preventable due to the heat generated during their operation waste heat.
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schafft eine Bipolarplatte für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle, eine Kühleinrichtung für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle und eine Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle.The invention provides a bipolar plate for an electrolysis or fuel cell, a cooling device for an electrolysis or fuel cell and an electrolysis and / or fuel cell.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Ausstattung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit dem mindestens einen daran und/oder darin ausgebildeten Wärmerohr ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik gleichmäßigere Kühlung einer die Bipolarplatte umfassenden Elektrolyse- oder Brennstoffzelle. Entsprechend ist auch bei der erfindungsgemäßen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle mit mindestens einem nahe an der einzigen Bipolarplatte oder mindestens einer der Bipolarplatten angeordneten Wärmerohr die gleichmäßigere Kühlung der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle gewährleistet.The equipment of the bipolar plate according to the invention with the at least one heat pipe formed on it and / or it allows a more uniform cooling of an electrolysis or fuel cell comprising the bipolar plate than in the prior art. Accordingly, even in the case of the electrolysis or fuel cell according to the invention with at least one heat pipe arranged close to the single bipolar plate or at least one of the bipolar plates, the more uniform cooling of the electrolysis or fuel cell is ensured.
In beiden Fällen ist über ein gesamtes Volumen der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle, insbesondere eine gesamte Fläche der Bipolarplatte, die gleichmäßige Kühlung realisiert. Damit gibt es auch keine Temperaturunterschiede zwischen einem Ein- und einem Ausgang eines Strömungsfelds (flow fields) der jeweiligen Bipolarplatte. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass über das gesamte Volumen der jeweiligen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle (annähernd) die gleiche Temperatur vorliegt. Dies ermöglicht auch eine gleichmäßige Stromdichte über die jeweilige Elektrolyse- oder Brennstoffzelle. Daraus resultieren geringere Degradationsraten und längere Lebensdauern der jeweiligen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle.In both cases, the uniform cooling is realized over a total volume of the electrolysis or fuel cell, in particular an entire surface of the bipolar plate. Thus, there are no temperature differences between an input and an output of a flow field of the respective bipolar plate. In this way it can be ensured that the (approximately) the same temperature is present over the entire volume of the respective electrolysis or fuel cell. This also allows a uniform current density over the respective electrolysis or fuel cell. This results in lower degradation rates and longer lifetimes of the respective electrolysis or fuel cell.
Die in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Vorteile sind realisierbar, ohne dass zusätzlich zu dem mindestens an und/oder in der Bipolarplatte ausgebildeten Wärmerohr oder zusätzlich zu dem nahe an der einzigen Bipolarplatte/mindestens einer der Bipolarplatten angeordneten Wärmerohr noch ein weiteres Kühlelement/Kühlmittel einzusetzen ist. Außerdem ist es bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nicht notwendig, das mindestens eine Edukt einer mittels der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle ausgeführten/auszuführenden chemischen Reaktion zur Kühlung der Bipolarplatte/Elektrolyse- oder Brennstoffzelle einzusetzen. Da ein Eduktstrom somit nicht mehr zur Kühlung benötigt wird, sind vergleichsweise geringe Volumenströme des mindestens einen Edukts durch die Bipolarplatte ausreichend. Dies ermöglicht eine kompaktere Bauweise der erfindungsgemäßen Bipolarplatte, da mindestens ein Kanal/mindestens eine Nut, durch welche der mindestens eine Eduktstrom geleitet wird, kleiner/schmaler ausfallen kann, bzw. strömungsoptimierbar ist. Insbesondere bei Elektrolysesystemen/Brennstoffzellensystemen, welche herkömmlicherweise eine Kühlung mittels deionisiertem Wasser benötigt haben, vereinfacht sich auch die Bauweise des Gesamtsystems, da wesentlich weniger Wasser aufzubereiten ist und somit nicht mehr so viele Komponenten mit dem deionisierten Wasser in Kontakt kommen. Da in diesem Fall das deionisierte Wasser oft aggressiv ist und sich Bestandteile darin manchmal auflösen, kann mittels der vorliegenden Erfindung somit auch die Gefahr eines Lochfrases verlässlich behoben werden.The advantages described in the preceding paragraph can be realized without a further cooling element / coolant being used in addition to the heat pipe formed at least on and / or in the bipolar plate or in addition to the heat pipe arranged close to the single bipolar plate / at least one of the bipolar plates. Moreover, when using the bipolar plate according to the invention, it is not necessary to use the at least one educt of a chemical reaction carried out / carried out by means of the electrolysis or fuel cell for cooling the bipolar plate / electrolysis or fuel cell. Since a reactant stream is thus no longer required for cooling, comparatively low volume flows of the at least one educt through the bipolar plate are sufficient. This allows a more compact construction of the bipolar plate according to the invention, since at least one channel / at least one groove, through which the at least one educt current is passed, can be smaller / narrower, or is flow-optimizable. Particularly in the case of electrolysis systems / fuel cell systems which have conventionally required cooling by means of deionized water, the construction of the overall system is also simplified, since substantially less water has to be processed and thus not as many components come into contact with the deionized water. In this case, since the deionized water is often aggressive and constituents sometimes dissolve therein, the danger of a pitting can thus be reliably remedied by means of the present invention.
Während herkömmlicherweise eine Reduzierung des Durchflusses des mindestens einen als Kühlmittel eingesetzten Edukts durch die Bipolarplatte eine Temperaturspreizung (zwischen einem Ein- und einem Ausgang eines zum Leiten des mindestens einen Edukts eingesetzten Kanals) erhöht, entfällt dieses Problem bei der vorliegenden Erfindung. Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann somit der Durchsatz des mindestens einen Eduktstroms um einen Faktor von bis zu hundert reduziert werden.While conventionally a reduction of the flow rate of the at least one educt used as coolant through the bipolar plate increases a temperature spread (between an input and an output of a channel used to conduct the at least one reactant), this problem is eliminated in the present invention. In the case of the bipolar plate according to the invention, the throughput of the at least one educt current can thus be reduced by a factor of up to one hundred.
Beispielsweise umfasst das mindestens eine Wärmerohr mindestens eine Heatpipe und/oder mindestens ein Zwei-Phasen-Thermosiphon. Somit können kostengünstige Ausführungsbeispiele für das mindestens eine Wärmerohr verwendet werden, welche auf vergleichsweise einfache Weise an und/oder in der Bipolarplatte ausbildbar sind. (Auch nahe an der einzigen Bipolarplatte oder mindestens einer der Bipolarplatten der erfindungsgemäßen Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle kann mindestens eine Heatpipe und/oder mindestens ein Zwei-Phasen-Thermosiphon als das mindestens eine Wärmerohr angeordnet sein.) For example, the at least one heat pipe comprises at least one heat pipe and / or at least one two-phase thermosyphon. Thus, cost-effective embodiments of the at least one heat pipe can be used, which can be formed in a comparatively simple manner and / or in the bipolar plate. (Also close to the single bipolar plate or at least one of the bipolar plates of the electrolysis and / or fuel cell according to the invention at least one heat pipe and / or at least a two-phase thermosyphon can be arranged as the at least one heat pipe.)
In einer bevorzugten Ausführungsform ist an der Bipolarplatte zusätzlich mindestens ein mäanderförmiger Kanal ausgebildet ist, durch welchen mindestens ein gasförmiges oder flüssiges Medium leitbar ist. Das mindestens eine gasförmige oder flüssige Medium kann mindestens ein Edukt einer mittels der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle ausführbaren/auszuführenden chemischen Reaktion und/oder mindestens ein Produkt der chemischen Reaktion sein. Das mindestens eine Edukt und/oder das mindestens eine Produkt kann somit auf einfache Weise und verlässlich in die Elektrolyse- oder Brennstoffzelle eingeleitet und/oder herausgeleitet werden. (Auch an der einzigen Bipolarplatte oder mindestens einer der Bipolarplatten der erfindungsgemäßen Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle kann mindestens ein derartiger mäanderförmiger Kanal ausgebildet sein.)In a preferred embodiment, at least one meander-shaped channel is additionally formed on the bipolar plate, through which at least one gaseous or liquid medium can be conducted. The at least one gaseous or liquid medium may be at least one starting material of a chemical reaction which can be carried out / carried out by means of the electrolysis or fuel cell and / or at least one product of the chemical reaction. The at least one educt and / or the at least one product can thus be easily and reliably introduced and / or led out into the electrolysis or fuel cell. (At least one such meandering channel can also be formed on the single bipolar plate or at least one of the bipolar plates of the electrolysis and / or fuel cell according to the invention.)
Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Wärmerohr (der erfindungsgemäßen Bipolarplatte oder der erfindungsgemäßen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle) mit mindestens einem Kältemittel gefüllt. Das mindestens eine Wärmerohr (der erfindungsgemäßen Bipolarplatte oder der erfindungsgemäßen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle) kann beispielsweise mit Kohlendioxid, R410a (ASHRAE-Klassifizierung), Wasser und/oder Alkohol als dem mindestens einen Kältemittel gefüllt sein. Somit können eine Vielzahl vorteilhafter Kältemittel zum Kühlen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der erfindungsgemäßen Elektrolyse- oder Brennstoffzelle eingesetzt werden.Advantageously, the at least one heat pipe (the bipolar plate according to the invention or the electrolysis or fuel cell according to the invention) is filled with at least one refrigerant. The at least one heat pipe (the bipolar plate according to the invention or the electrolysis or fuel cell according to the invention) can be filled, for example, with carbon dioxide, R410a (ASHRAE classification), water and / or alcohol as the at least one refrigerant. Thus, a variety of advantageous refrigerant for cooling the bipolar plate according to the invention and the electrolysis or fuel cell according to the invention can be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Bipolarplatte eine aktive Seite auf, welche nach einem Anordnen der Bipolarplatte in der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle zu einer weiteren Bipolarplatte ausgerichtet ist, und das mindestens eine Wärmerohr erstreckt sich senkrecht zu der aktiven Seite durchgehend durch die Bipolarplatte. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung der Bipolarplatte, bzw. einer damit ausgestatteten Elektrolyse- oder Brennstoffzelle. In an advantageous embodiment, the bipolar plate has an active side, which is aligned after arranging the bipolar plate in the electrolysis or fuel cell to another bipolar plate, and the at least one heat pipe extends perpendicular to the active side through the bipolar plate. This allows a uniform cooling of the bipolar plate, or a so-equipped electrolysis or fuel cell.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich das mindestens eine Wärmerohr parallel zu der aktiven Seite durchgehend durch die Bipolarplatte. Auch in diesem Fall ist mittels des mindestens einen Wärmerohrs die vorteilhafte gleichmäßige Kühlung der Bipolarplatte/der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle gewährleistet.In a further advantageous embodiment, the at least one heat pipe extends continuously through the bipolar plate parallel to the active side. Also in this case, the advantageous uniform cooling of the bipolar plate / the electrolysis or fuel cell is ensured by means of at least one heat pipe.
Die oben aufgezählten Vorteile sind auch bei einer Kühleinrichtung für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle realisiert, welche mindestens eine entsprechende Bipolarplatte und einen Wärmetauscher, welcher an dem mindestens einen Wärmerohr der mindestens einen Bipolarplatte angebunden ist, umfasst. The above listed advantages are also realized in a cooling device for an electrolysis or fuel cell, which comprises at least one corresponding bipolar plate and a heat exchanger, which is connected to the at least one heat pipe of the at least one bipolar plate.
Entsprechend sind die Vorteile auch bei einer Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle mit mindestens einer derartigen Bipolarplatte oder einer korrespondierenden Kühleinrichtung gewährleistet.Accordingly, the advantages are also ensured in an electrolysis and / or fuel cell with at least one such bipolar plate or a corresponding cooling device.
Des Weiteren realisiert auch die Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte und mindestens einem Wärmerohr, welches nahe an der einzigen Bipolarplatte oder mindestens einer der Bipolarplatten der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle angeordnet ist, die oben beschriebenen Vorteile. Auch die Elektrolyse- und/oder Brennstoffzelle kann einige der oben beschriebenen Merkmale der erfindungsgemäßen Bipolarplatte aufweisen.Furthermore, the electrolysis and / or fuel cell with at least one bipolar plate and at least one heat pipe, which is arranged close to the single bipolar plate or at least one of the bipolar plates of the electrolysis or fuel cell, also realizes the advantages described above. The electrolysis and / or fuel cell may also have some of the above-described features of the bipolar plate according to the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die in
An und/oder in der Bipolarplatte
In der Regel ist für jede Bipolarplatte
Die in
Vorzugsweise ist an der Bipolarplatte
Aufgrund der vorteilhaften Ausstattung der Bipolarplatte
Ein weiterer Vorteil der entfallenden Notwendigkeit einer Kühlung der Bipolarplatte
Während herkömmlicherweise bei einem Betrieb einer Elektrolyse- oder Brennstoffzelle die wärmste Stelle darin eine Lebensdauer der Elektrolyse- oder Brennstoffzelle bestimmt und deren mögliche Betriebsmodi beeinflusst, kann mittels der Kühlung der Bipolarplatte
Vorzugsweise ist das mindestens eine Wärmerohr
In der Ausführungsform der
Insbesondere mittels der Sammlerabschnitte
In dem druckgleichen, geschlossenen System kann Wärme im Wärmetauscher
In dem druckgleichen, geschlossenen System ist auch keine elektrische Antriebsenergie für den Wärmetransport notwendig. Stattdessen erfolgt der Wärmetransport automatisch mittels des in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Mechanismus. Der sich automatisch einstellende Wärmetransport ist außerdem um einen Faktor von ca. 100 schneller als ein Wassertransport in einem herkömmlichen Kühlkreislauf, da die maßgeblichen Druckdifferenzen zwischen einem Verdampfungs- und einem Kondensationspunkt mit der Schallgeschwindigkeit des gewählten Kältemittels ausgeglichen werden.In the same pressure, closed system and no electrical drive energy for heat transfer is necessary. Instead, the heat transfer is carried out automatically by means of the mechanism described in the preceding paragraph. The automatically adjusting heat transfer is also a factor of about 100 faster than a water transport in a conventional cooling circuit, since the significant pressure differences between a vaporization and a condensation point with the speed of sound of the selected refrigerant are compensated.
Die in
Mindestens eine der Bipolarplatten
Die Durchlässigkeit der Membran
Zum Ausführen einer Brennstoffzellenfunktion werden unterschiedliche Edukte den Elektroden
Sowohl beim Ausführen einer Elektrolyse als auch beim Ausführen einer Brennstoffzellenfunktion mittels der in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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