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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Vorrichtung sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, mit einer derartigen elektrochemischen Vorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine elektrochemische Vorrichtung im Sinne der Erfindung kann etwa ein Elektrolyseur sein, mit dem Antriebsstoffe für einen Raumflugkörper oder andere Systeme erzeugt werden können. Ein Elektrolyseur könnte etwa periodisch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Hierfür kann zumindest eine Elektrolysezelle vorgesehen sein, für deren Realisierung unterschiedliche Bauformen bekannt sind.
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Besonders verbreitet sind alkalische Elektrolyseure und PEM-Elektrolyseure. Bei einem alkalischen Elektrolyseur wird eine Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt eingesetzt. Eine für OH-- Ionen durchlässige Membran dient der Trennung der entstehenden Produktgase. Ein solcher Elektrolyseur kann durch Zirkulation des Elektrolyten gekühlt werden. Bei einem Elektrolyseur auf Basis einer Protonenaustauschmembran (PEM) wird indes destilliertes Wasser eingesetzt, das der Anodenseite des Elektrolyseurs zugeführt wird. Ein solcher Elektrolyseur könnte auch in Form einer reversiblen Brennstoffzelle ausgeführt sein. Eine Kühlung wird insbesondere durch Zirkulation des Versorgungswassers durchgeführt. Eine Zirkulation des Elektrolyten oder des Versorgungswassers kann des Weiteren auch zur Phasentrennung notwendig sein.
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Ein Elektrolyseur, der auf Matrixzellen basiert, erfordert keine Phasentrennung und folglich auch keine Zirkulation. Die Kühlung eines solchen Elektrolyseurs kann in einigen Fällen weder über das Versorgungswasser noch über den Elektrolyten erfolgen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung oder Ähnliches für einen Elektrolyseur oder eine andere elektrochemische Zelle vorzuschlagen, mit der eine besonders effiziente Kühlung erfolgen kann. Zudem sollte hinsichtlich der Verwendung in einem Fahrzeug und insbesondere in einem Raumfahrzeug ein möglichst geringes Gewicht realisierbar sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird eine Bipolarplatte zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung vorgeschlagen, die Bipolarplatte aufweisend eine erste Begrenzungsfläche und eine hierzu parallel angeordnete zweite Begrenzungsfläche, wobei die Begrenzungsflächen in einem Abstand zueinander angeordnet sind und einen Zwischenraum einschließen, wobei in dem Zwischenraum mindestens ein Strömungskanal angeordnet ist, der mit einem randseitig angeordneten Fluideingang und einem randseitig angeordneten Fluidausgang verbunden ist und zumindest umlaufend in dem Zwischenraum angeordnet ist.
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Eine elektrochemische Vorrichtung kann als ein Stapel von mehreren, zumindest elektrisch miteinander verbundenen Zellen, beispielsweise Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen, realisiert sein. Die Anordnung als Stapel ist eine zuverlässige und einfache technische Lösung, um durch Wahl der Anzahl der Zellen eine wirksame Elektrodenfläche zu vergrößern und folglich bei einem Elektrolyseur die produzierbare Gasmenge zu erhöhen. Zur Erreichung dieser Anordnung sind einzelne Zellen in wechselnder Polarität aneinander angereiht. Dazwischen befinden sich Bipolarplatten, die eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Zellen verhindern, diese jedoch elektrisch miteinander verbinden. Dadurch ergibt sich eine elektrische Reihenschaltung von mehreren Zellen, die bedarfsweise durch Hinzufügen weiterer Zellen und Bipolarplatten ergänzbar ist.
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Die Bipolarplatten sind demzufolge ein wesentlicher Bestandteil einer solchen elektrochemischen Vorrichtung. Sie sind mit einer ausreichenden Stromfestigkeit und ausreichend gasdicht zu dimensionieren und können auch zur Kühlung der angrenzenden Zellen verwendet werden. Betrifft die elektrochemische Vorrichtung einen Elektrolyseur ist die durch die Bipolarplatten erreichte Kühlung insbesondere bei Matrixzellen vorteilhaft, da dort der Elektrolyt in einer porösen Struktur fixiert ist und nicht zirkulieren kann und folglich auch nicht zur Wärmeabfuhr einsetzbar ist. Auch bei Brennzstoffzellen können solche Bipolarplatten vorteilhaft einsetzbar sein, um das Temperaturniveau auch in beengten Einbausituationen und mit kapsenlndem Gehäuse zu begrenzen.
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Die vorgeschlagenen Bipolarplatten weisen zwei parallel zueinander ausgeführte Begrenzungsflächen auf, die die eigentliche Plattenform der Bipolarplatten vorgeben. Die Begrenzungsflächen sind vorzugsweise als die Flächen anzusehen, die außen an der Bipolarplatte ausgebildet sind und in Flächenkontakt mit den betreffenden Zellen gebracht werden. Je nach gewünschter Ausführung der elektrochemischen Vorrichtung und insbesondere der Zellen können die Begrenzungsflächen rund und/oder eckig ausgeführt sein. Der Abstand der beiden Begrenzungsflächen sollte möglichst gering sein, so dass der elektrische Widerstand gering ist. Weiterhin kann dadurch auch die Größe der elektrochemischen Vorrichtung kompaktiert werden. Die Begrenzungsflächen sind mit der jeweils angrenzenden Elektrolysezelle in Flächenkontakt zu bringen, sodass die dort entstehende Wärme von der Bipolarplatte aufgenommen werden kann.
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Der mindestens eine Strömungskanal, welcher mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang verbunden ist, kann die Wärme abführen. Hierfür ist der Strömungskanal mit den Begrenzungsflächen thermisch zu verbinden, sodass Wärme, die an den Begrenzungsflächen anfällt, auf den mindestens einen Strömungskanal übertragen wird. Durch entsprechenden Zu- und Abfluss eines geeigneten Kühlmittels kann die Wärme folglich an das Kühlmittel übertragen und aus der elektrochemischen Vorrichtung herausgetragen werden.
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Der Strömungskanal kann auf beliebige Weise ausgeführt sein, die sich für die angrenzenden Zellen eignet. Es ist nicht erforderlich, den gesamten zur Verfügung stehenden Zwischenraum durch den mindestens einen Strömungskanal einzunehmen. Die Länge und Erstreckung des Strömungskanals kann an den zu erwartenden Wärmefluss angepasst werden. Des Weiteren kann der Strömungskanal auf unterschiedliche Weisen gefertigt sein. Insbesondere sind ein- und mehrteilige Bipolarplatten denkbar, in die ein Strömungskanal integriert ist. Der Strömungskanal kann zumindest umlaufend in dem Zwischenraum angeordnet sein, sodass er sich im Wesentlichen ein- oder mehrfach um einen Mittelpunkt herum erstreckt. Bei einem einfachen Umlaufen des Zwischenraums muss sich der Strömungskanal nicht zwangsläufig um 360° erstrecken, sondern kann auch zwischen dem Fluideingang und dem dazu beabstandeten Fluidausgang randseitig in dem Zwischenraum verlaufen und dabei weniger als 360° zurücklegen.
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Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte auch bei Elektrolysezellen in Matrixbauweise eine hervorragende Übertragung von Wärme und damit eine effiziente Kühlung durchgeführt werden. Damit kann eine besonders kompakte Bauweise mit einem geringen Gewicht für eine Elektrolysevorrichtung oder eine andere elektrochemische Vorrichtung realisiert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der mindestens eine Strömungskanal zumindest bereichsweise spiralförmig in dem Zwischenraum. Die Spiralform führt zu einer verbesserten Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche in dem Zwischenraum und damit zu einer verbesserten Kühlwirkung, wenn der Strömungskanal durch ein Kühlmittel durchströmt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der mindestens eine Strömungskanal einen ersten Strang und einen sich daran anschließenden zweiten Strang auf, wobei der erste Strang in einer ersten Richtung gekrümmt ist und der zweite Strang in einer entgegengesetzten zweiten Richtung. Der erste Strang könnte folglich derart ausgebildet sein, dass der von dem ersten Strang gebildete Umfang kontinuierlich kleiner wird. Der erste Strang könnte sich also von einem radial außen liegenden Bereich des Zwischenraums in Richtung eines radial weiter innen liegenden Bereichs erstrecken. Hierbei könnte der erste Strang radial so weit nach innen verlaufen, wie es unter Berücksichtigung der Wärmeabfuhr und der realisierbaren Krümmung des Strömungskanals möglich ist. Der zweite Strang könnte indes derart daran anschließen, dass er sich spiralförmig von einem radial innen liegenden Bereich zu einem radial weiter außen liegenden Bereich erstreckt. Der besondere Vorteil einer solchen Anordnung liegt nicht nur in der sehr guten Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche, sondern auch darin, dass keine Überlagerung von Teilen des Strömungskanals erforderlich ist, um nach einer spiralförmigen Erstreckung zu einem Fluideingang bzw. einem Fluidausgang zu geraten. Würde ein spiralförmiger Verlauf lediglich mit einer einzigen Krümmungsrichtung durchgeführt, würde eine Verbindung von einem Mittelpunkt der Spiralform zu einem radial außen liegenden Punkt erforderlich sein, wobei dann jedoch mehrfach der Strömungskanal gekreuzt wird. Durch die Verwendung der zwei Stränge mit entgegengesetzten Krümmungsrichtungen kann dies also verhindert werden. Die erforderliche Dicke für die Bipolarplatte kann dadurch minimiert werden.
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Bevorzugt sind die erste Begrenzungsfläche an einem ersten plattenförmigen Bauteil und die zweite Begrenzungsfläche an einem zweiten plattenförmigen Bauteil ausgebildet, wobei die beiden plattenförmigen Bauteile den mindestens einen Strömungskanal einschließen und zumindest bereichsweise randseitig miteinander verbunden sind. Der mindestens eine Strömungskanal kann bei einer derartigen Bauweise sehr leicht realisiert werden. Es ist vorstellbar, ein erstes plattenförmiges Bauteil vorzusehen, in das der mindestens eine Strömungskanal in Form von Nuten eingefräst ist. Das andere plattenförmige Bauteil kann auf das erste plattenförmige Bauteil aufgelegt sein, um die Nuten und damit den Strömungskanal zu schließen. Durch das zumindest bereichsweise randseitige Verbinden der beiden plattenförmigen Bauteile kann eine zusammenhängende Bipolarplatte erzeugt werden. Eine solche Bauweise ist sehr flexibel und kann relativ kostengünstig hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Strömungskanal durch mindestens eine Vertiefung ausgeführt, die in mindestens einer der beiden plattenförmigen Bauteile angeordnet ist. Die Vertiefung kann durch ein materialabhebendes Verfahren, beispielsweise Fräsen, in Form einer Nut ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Vertiefung auch durch Einpressen oder andere Umformverfahren hergestellt werden. Es kann sich anbieten, die Vertiefung lediglich an einem der Bauteile anzuordnen. Es wäre allerdings auch denkbar, an beiden Bauteilen eine Vertiefung anzuordnen. Die Vertiefungen könnten derart ausgeführt sein, dass sie bei aufeinander gelegten Bauteilen fluchten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der mindestens eine Strömungskanal zwei oder mehr Strömungspfade, die parallel und in einem Abstand zueinander verlaufen. Die Oberfläche sowie der Querschnitt des Strömungskanals insgesamt kann dadurch vergrößert werden, wobei gleichzeitig der Strömungswiderstand reduziert wird. Ein höherer Volumenstrom und damit eine weiter verbesserte Kühlung sind dadurch möglich. Es ist denkbar, die erforderliche Dicke der Bipolarplatte im Vergleich zu einer Bipolarplatte mit einem Strömungskanal mit einem einzelnen Strömungspfad sogar etwas zu senken, sodass sowohl eine große durchströmte Fläche, als auch ein möglichst geringer Strömungswiderstand resultiert.
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Besonders bevorzugt verlaufen die Strömungspfade in einem Abstand zueinander verlaufen und sind nicht miteinander verbunden. Die Strömungspfade bilden folglich jeweils einen unabhängigen Strömungskanal aus, so dass diese auch über eine größere Fläche verteilt oder zergliedert werden könnten.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist die Bipolarplatte mit einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt und der mindestens eine Strömungskanal ist frei von Fügestellen in die Bipolarplatte integriert. Das generative Verfahren ist ein Schichtbauverfahren, bei dem das Bauteil schichtweise durch Auftragen und/oder Verfestigen von Material aufgebaut wird. Dadurch werden interne Hohlräume beliebig herstellbar und das hergestellte Bauteil weist keinerlei Fügestellen oder dergleichen auf. Es kann sich anbieten, den mindestens einen Strömungskanal durch zusätzliche Maßnahmen zu glätten, beispielsweise durch Anwendung einer Beizlösung oder ähnlichem.
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Es bietet sich insbesondere an, die Bipolarplatte aus einem metallischen Material herzustellen, sodass ein sehr guter Wärmeübergang realisierbar ist. Bei der Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens können sich auch komplexere Strömungskanäle anbieten, die mit anderen Verfahren nur kostenaufwändig herstellbar sind.
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Die Verwendung weiterer Materialien ist ebenso denkbar, um die Dichte und damit das Gewicht der Bipolarplatten zu senken. Es kommen Materialien in Betracht, die eine ausreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen. Neben keramischen Materialien könnten auch Polymere eingesetzt werden, die geeignete Zusätze zum Erreichen der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Bipolarplatte kann mindestens eine Heatpipe in dem Zwischenraum angeordnet sein, wobei der Strömungskanal mit der mindestens einen Heatpipe thermisch gekoppelt ist. Die Bipolarplatte kann dadurch einen sehr einfachen und insbesondere einlagigen Aufbau aufweisen. Zur verbesserten Wärmeübertragung von einem innen liegenden Bereich einer der Begrenzungsflächen kann die mindestens eine Heapipe eingesetzt werden, die die aufgenommene Wärme an den umlaufenden Kühlkanal abgibt. Eine Heatpipe weist üblicherweise ein Gefäß mit einem Verdampfer und einem Kondensator auf. Das Gefäß kann an die Form der Bipolarplatte angepasst werden und beispielsweise flächig oder rohrförmig ausgeführt sein. Rohrförmige Ausführungen können geradlinig oder gebogen sein. Der Verdampfer und der Kondensator könnten sich an radial voneinander beabstandeten Stellen befinden, beispielsweise der Verdampfer radial weiter innen, bzw. der Kondensator radial weiter außen. Der Kondensator ist bevorzugt mit dem mindestens einen Strömungskanal gekoppelt, so dass er die von dem Verdampfer gelieferte Wärme über den Kondensator thermisch in den mindestens einen Strömungskanal überträgt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Vorrichtung mit mehreren elektrochemischen Zellen und mehreren Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Zellen und die Bipolarplatten einer abwechselnden Reihenfolge vorgesehen sind.
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Es kann sich anbieten, mindestens eine der Bipolarplatten ohne einen Strömungskanal auszubilden. Eine Wärmeübertragung einer elektrochemischen Zelle kann folglich jeweils nur zu einer Seite zu einer dort vorhandenen Bipolarplatten erfolgen. Hieraus resultiert ein noch niedrigeres Gewicht der Vorrichtung, denn die Bipolarplatten ohne einen solchen Strömungskanal können deutlich dünner als die Bipolarplatten mit Strömungskanal realisiert werden. Es könnte besonders vorteilhaft sein, abwechselnd eine Bipolarplatte mit Strömungskanal zu verwenden und eine Bipolarplatte ohne Strömungskanal. Es ist sicherzustellen, dass jede elektrochemische Zelle zu mindestens einer Bipolarplatte mit Strömungskanal direkt benachbart ist. Dies bedeutet, dass sie mit ihr in bündigem Flächenkontakt steht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die elektrochemische Zellen als Matrixzellen ausgeführt. Dort liegt der Elektrolyt in einer porösen Struktur vor, die mit den Elektroden verbunden ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist der mindestens eine Strömungskanal zwei oder mehr Strömungspfade auf, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Strömungspfade gegenläufig von einem Kühlmittel zu durchströmen. Hierdurch wird eine noch weiter verbesserte Wärmeübertragung möglich, denn es stellen sich zwei gegenläufige Temperaturgefälle über die Bipolarplatte von einer radial außenliegenden Seite zu einer radial weiter innenliegenden Seite ein.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, in das mindestens eine vorangehend genannte elektrochemische Vorrichtung angeordnet ist.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt eine Bipolarplatte in einer Explosionsdarstellung.
- 2 zeigt einen doppelspiralförmigen Strömungskanal in einer schematischen Ansicht.
- 3a und 3b zeigen die Bipolarplatte in einer Draufsicht und einem Teilschnitt.
- 4 zeigt eine elektrochemische Vorrichtung in einer vereinfachten Seitenansicht.
- 5 zeigt eine modifizierte elektrochemische Vorrichtung in einer vereinfachten Seitenansicht.
- 6 zeigt eine weitere Ausführung einer Bipolarplatte in einer schematischen Draufsicht.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen exemplarischen Aufbau einer Bipolarplatte 2 in einer Explosionsdarstellung. Die Bipolarplatte 2 weist ein erstes plattenförmiges Bauteil 4, ein zweites plattenförmiges Bauteil 6 sowie einen Zwischenring 8 auf. Diese drei Komponenten sind insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt, um eine ausreichende Elektronenleitfähigkeit bereitstellen zu können. Bevorzugt lassen sie sich fluiddicht miteinander verschweißen, um die Bipolarplatte 2 auszubilden. Das Material kann insbesondere bei der Ausführung der elektrochemischen Vorrichtung als Elektrolysevorrichtung Nickel aufweisen. Alle Bauteile können bevorzugt aus demselben Material bestehen.
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Das erste Bauteil 4 besitzt eine erste Begrenzungsfläche 10, die als eine äußere Oberfläche nach außen gerichtet und von dem zweiten Bauteil 6 abgewandt ist. Auf der ersten Begrenzungsfläche 10 befinden sich spiralförmig angeordnete erste Gaskanäle 12 in Form nach außen geöffneter Nuten, die etwa durch ein Einfräsen oder ein Einpressen der Spiralform hergestellt sind.
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Befindet sich die erste Begrenzungsfläche 10 in einem direkten Flächenkontakt mit einer Elektrode einer Zelle einer elektrochemischen Vorrichtung, können die ersten Gaskanäle 12 zur Versorgung der Zelle mit einem Stoffstrom oder zu dessen Abfuhr fungieren. Je nach Art der Zelle können die Gaskanäle in ihrem Verlauf entsprechend angepasst sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die ersten Gaskanäle 12 unter Überstreichen von etwas weniger als dem halben Radius des ersten Bauteils 4 in einer mittig positionierten Doppelspiralanordnung, wobei ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16 an zwei einander diametral entgegengesetzt angeordneten lateralen Seiten des ersten Bauteils 4 angeordnet sind. Die beiden Enden 14 und 16 der ersten Gaskanäle 12 weisen beispielhaft etwa denselben Abstand zu einem Mittelpunkt des ersten Bauteils 4 auf. Die hier gezeigte Doppelspiralanordnung wird anhand von 2 weiter nachfolgend näher erläutert.
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Das zweite Bauteil 6 weist im Wesentlichen denselben Aufbau auf, ist jedoch zu dem ersten Bauteil 4 spiegelverkehrt ausgeführt. Eine von dem ersten Bauteil 4 abgewandte Seite des zweiten Bauteils 6 wird weiter nachfolgend als zweite Begrenzungsfläche 18 definiert.
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Ein Zwischenraum, der von den beiden Begrenzungsflächen 10 und 18 nach Verbindung der beiden Bauteile 4 und 6 eingeschlossen wird, weist einen Strömungskanal auf, der sich spiralförmig in dem Zwischenraum erstreckt. Hierzu weist beispielhaft das erste Bauteil 4 an einer ersten Innenfläche 20 sowie das zweite Bauteil 6 an einer zweiten Innenfläche 22 jeweils eine Vertiefung in Form einer spiralförmigen Nut 24 und 26 auf. Werden die Innenflächen 20 und 22 aufeinandergesetzt, sind beide Nuten 24 und 26 bündig derart aufeinander angeordnet, dass sich ein geschlossener Strömungskanal ergibt. Die erste Nut 24 und die zweite Nut 26 weisen einen ersten Einlass 34 bzw. zweiten Einlass 36 auf. Alternativ dazu kann auch lediglich eines der beiden Bauteile 4 und 6 an einer Innenfläche 20 bzw. 22 eine Vertiefung aufweisen, wobei die Innenfläche 20 bzw. 22 des jeweils anderen Bauteils 4 bzw. 6 vorzugsweise eben ist.
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Das erste Bauteil 4 weist eine erste umlaufende Vertiefung 28 und das zweite Bauteil 6 eine zweite umlaufende Vertiefung 30 auf, die jeweils mit dem Zwischenring 8 korrespondieren. Die Vertiefungen 28 und 30 fluchten bei miteinander verbundenen Bauteilen 4 und 6 und schließen den Zwischenring 8 bündig ein. In 1 ist erkennbar, dass der Zwischenring 8 an einer radial innenliegenden Position einen ersten Ausschnitt 32 besitzt, der in Fluchtung mit einem ersten Einlass 34 der ersten Nut 24 und einem zweiten Einlass 36 der zweiten Nut 26 bringbar ist.
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Radial weiter außen schließen sich jeweils eine erste Anschlussbohrung 38 und eine zweite Anschlussbohrung 40 an, die ebenso mit dem Ausschnitt 32 fluchten. Bei zusammengesetzter Bipolarplatte 2 kann ein Fluid durch die erste und zweite Anschlussbohrung 38 und 40 in den Ausschnitt 32 und von dort in den Strömungskanal gelangen. Desweiteren sind Befestigungsbohrungen 42 umfangsseitig an beiden Bauteilen 4 und 6 verteilt, mit denen die Bipolarplatten 2 jeweils in einer gewünschten Axialposition an einer elektrochemischen Vorrichtung befestigbar sind.
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Es ist vorstellbar, dass die ersten Gaskanäle 12 auf der ersten Begrenzungsfläche 10 als Negative der ersten Nuten 24 ausgeführt sind, sodass durch Einprägen oder Einpressen der ersten Nuten 24 gleichzeitig die ersten Gaskanäle 12 ausgebildet werden. Dies kann auf analoge Weise in dem ersten Bauteil 6 ausgeführt sein, bei denen die zweiten Nuten 24 eingeprägt werden, sodass auf der zweiten Begrenzungsfläche 18 entsprechende zweite Gaskanäle entstehen (hier nicht gezeigt).
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2 zeigt einen Strömungskanal 44 in einer schematischen Darstellung mit Andeutung von Strömungsrichtungspfeilen. Dieser Strömungskanal 44 kann ohne weiteres zwischen den Bauteilen 4 und 6 realisiert werden, indem die ersten und zweiten Nuten 24 und 26 entsprechend ausgestaltet werden. Beispielhaft weist der Strömungskanal 44 zwei unabhängige Strömungspfade 44a und 44b auf, die parallel zueinander verlaufen und in gleicher Richtung oder gegensinnig durchströmt werden können.
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Der Strömungskanal 44 weist einen ersten Strang 46 auf, dessen Erstreckung durch eine Endmarkierung angedeutet wird. Daran schließt sich ein zweiter Strang 48 an, der mit Hilfe einer Anfangsmarkierung angedeutet wird. In dem ersten Strang 46 verfolgt der Strömungskanal 44 eine erste Krümmungsrichtung, die in dem gezeigten Beispiel im Uhrzeigersinn verläuft. In dem anschließenden zweiten Strang 48 ist der Strömungskanal 44 in eine entgegengesetzte Richtung gekrümmt, d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Strömungskanal 44 weist einen Fluideingang 50 sowie einen Fluidausgang 52 auf. Während sich von dem Fluideingang 50 aus, der hier zwei separate Eingangsanschlüsse 50a und 50b aufweist, entlang des ersten Strangs 46 eine Spiralform mit sich verringerndem Durchmesser ergibt, erfolgt in dem zweiten Strang 48 in Richtung des Fluidausgangs 52, der zwei Ausgangsanschlüsse 52a und 52b aufweist, eine Spiralform mit sich aufweitendem Durchmesser.
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Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass trotz einer Spiralform keine Überkreuzung von Teilen des Strömungskanals 44 notwendig ist, um in einer Ebene von dem Fluideingang 50 aus den Fluidausgang 52 zu erreichen. Dadurch kann eine signifikante Reduktion der erforderlichen Dicke der Bipolarplatte 2 erreicht werden. Durch die Verwendung mehrerer, parallel zueinander angeordneter Stränge 33a und 44b kann zudem auch bei einer geringen Bauhöhe ein hoher Volumenstrom ohne Überwindung eines hohen Strömungswiderstands erreicht werden. Durch die gezeigte Form der Doppelspirale wäre überdies denkbar, weitere individuelle Stränge 44c, 44d, etc. vorzusehen und dadurch den Volumenstrom noch weiter zu erhöhen und/oder die sich über dem Strömungskanal 44 einstellende Druckdifferenz zu reduzieren.
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3a und 3b zeigen die Bipolarplatte 2 in zusammengebauter Form. 3a zeigt eine Draufsicht auf die erste Begrenzungsfläche 10, in der die ersten Gaskanäle 12 zu sehen sind. Durch die erste Anschlussbohrung 38 kann Fluid in den Fluideingang 50 geraten. Durch eine analog ausgeführte dritte Anschlussbohrung 56, welche mit einer vierten Anschlussbohrung 58 fluchtet, kann Fluid aus dem Fluidausgang 52 austreten.
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3b zeigt einen Teilschnitt durch die Bipolarplatte 2. Das erste Bauteil 4, das zweite Bauteil 6 und der Zwischenring 8 sind hier miteinander verschweißt, so dass ein zusammenhängendes, fluiddichtes Element vorliegt. Zwischen den beiden Begrenzngsflächen 10 und 18 wird ein Zwischenraum 19 eingeschlossen. Durch die erste Nut 24 und die zweite Nut 26, die bündig aufeinanderliegen, wird der Strömungskanal 44 ausgebildet. Dieser erstreckt sich dann doppelspiralförmig durch die Bipolarplatte 2, wie in 2 dargestellt.
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4 zeigt sehr schematisch eine elektrochemische Vorrichtung 60 mit mehreren elektrochemischen Zellen 62, die jeweils von zwei Bipolarplatten 2 eingeschlossen sind. Die elektrochemischen Zellen 62 können insbesondere Elektrolyseure oder Brennstoffzellen aufweisen. Die Vorrichtung 60 erstreckt sich entlang einer Achse 64 und kann nach Belieben durch weitere Zellen 62 und Bipolarplatten 2 ergänzt werden. Die Fluideingänge 50 werden beispielhaft durch eine Kühlmittelquelle 66, die hier als ein Reservoir dargestellt ist, über eine Pumpe 68 mit Kühlmittel versorgt.
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Zwischen der Kühlmittelquelle und der Pumpe 68 ist des Weiteren ein Filter 70 angeordnet. Selbstverständlich kann die Versorgung der Strömungskanäle 44 auch auf andere Art sichergestellt werden. Durch die axiale Anordnung der Zellen 62 und Bipolarplatten 2 kann eine Versorgung der einzelnen Fluideingänge 50 durch eine erste Sammelzufuhrleitung 70 und die Abfuhr aus den einzelnen Fluidausgängen 52 durch eine Sammelabfuhrleitung 72 erfolgen, die sich durch die Vorrichtung 60 erstreckt.
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Zur Einsparung von Gewicht und Bauvolumen kann eine modifizierte elektrochemische Vorrichtung 74 eingesetzt werden, wie sie in 5 gezeigt ist. Der Einfachheit halber werden in 5 die Leitungen 70 und 72 weggelassen. Hier wird jede zweite Bipolarplatte 2 durch eine Bipolarplatte 76 ersetzt, die keinen Strömungskanal 44 aufweist, sondern lediglich elektrisch leitfähig ist. Jede Zelle 62 wird daher durch lediglich eine direkt benachbarte Bipolarplatte 2 mit Strömungskanal 44 gekühlt. Damit kann jede zweite Bipolarplatte 76 eine Volumen- und Gewichtseinsparung hervorrufen, die insbesondere für die mobile Anwendung vorteilhaft ist.
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Schließlich zeigt 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte 78, die statt eines spiralförmigen Strömungskanals lediglich einen umlaufenden Strömungskanal 80 besitzt. Dieser ist mit beispielhaft drei röhrenförmigen Heatpipes 82 thermisch gekoppelt. Wärme, die von den Heatpipes 82 aufgenommen wird, gelangt dadurch mit einem hohen Wirkungsgrad in den Strömungskanal 80 und kann dort durch ein Kühlmittel aufgenommen werden, dass den Fluideingang 50 einströmt und den Strömungskanal durch den Fluidausgang 52 verlässt. Hierzu wirken beispielsweise die radial weiter innenliegenden Bereiche der Heatpipes 82 als Verdampfer, die radial weiter außenliegenden Bereiche als Kondensatoren, die mit dem Strömungskanal 80 gekoppelt sind. Es sind allerdings auch anders gestaltete Heatpipes möglich, die eine eher flächige Form aufweisen und bedarfsweise mit Strömungskanälen dieses oder des vorherigen Ausführungsbeispiels gekoppelt sind.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Bipolarplatte
- 4
- erstes plattenförmiges Bauteil
- 6
- zweites plattenförmiges Bauteil
- 8
- Zwischenring
- 10
- erste Begrenzungsfläche
- 12
- erste Gaskanäle
- 14
- erstes Ende
- 16
- zweites Ende
- 18
- zweite Begrenzungsfläche
- 19
- Zwischenraum
- 20
- erste Innenfläche
- 22
- zweite Innenfläche
- 24
- erste Nut
- 26
- zweite Nut
- 28
- erste Vertiefung
- 30
- zweite Vertiefung
- 32
- erster Ausschnitt
- 34
- erster Einlass
- 36
- zweiter Einlass
- 38
- erste Anschlussbohrung
- 40
- zweite Anschlussbohrung
- 42
- Befestigungsbohrung
- 44
- Strömungskanal
- 44a, 44b
- Strömungspfad
- 46
- erster Strang
- 48
- zweiter Strang
- 50
- Fluideingang
- 52
- Fluidausgang
- 54
- zweite Gaskanäle
- 56
- dritte Anschlussbohrung
- 58
- vierte Anschlussbohrung
- 60
- elektrochemische Vorrichtung
- 62
- elektrochemische Zelle
- 64
- Achse
- 66
- Kühlmittelquelle
- 68
- Pumpe
- 70
- Sammelzufuhrleitung
- 72
- Sammelabfuhrleitung
- 74
- elektrochemische Vorrichtung
- 76
- Bipolarplatte ohne Strömungskanal
- 78
- Bipolarplatte
- 80
- Strömungskanal
- 82
- Heatpipe
