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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Port, eine aktive Fläche und ein Dichtungselement. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
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Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen.
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Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
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Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
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Beispielsweise umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließen kann.
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Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.
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Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.
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Elektrochemische Zellen in einem Stapel werden häufig über senkrecht zur Membran der elektrochemischen Zelle angeordnete Medienkanäle mit den Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt, beziehungsweise werden diese abgeführt. Die Medienkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit den elektrochemischen Zellen, insbesondere mit den Bipolarplatten, fluidisch verbunden. Die Medienkanäle liegen üblicherweise am Rand des Stapels und werden häufig durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das sogenannte Flowfield, die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der Membran, geführt.
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Insbesondere die zur MEA zeigenden Port-Durchführungen für Luft beziehungsweise Wasserstoff sind derart zu gestalten, dass die Port-Durchführungen einerseits eine möglichst große Öffnung für die einströmenden und ausströmenden Medien bereitstellen und andererseits eine möglichst gute mechanische Stützwirkung für auf der Gegenseite der MEA angeordnete Dichtungen bieten.
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DE 10158772 C1 und
DE 10248531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend mindestens einen Port, eine aktive Fläche und ein Dichtungselement mit genau einer Öffnung zur Durchführung von mindestens einem Medium, wobei das Dichtungselement den mindestens einen Port umgibt.
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Ferner wird eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens die Bipolarplatte und eine Membran-Elektroden-Anordnung, vorgeschlagen, wobei das Dichtungselement auf einer Seite der Bipolarplatte angeordnet ist, die zu der Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der elektrochemischen Zelle, wobei das mindestens eine Medium von dem mindestens einen Port durch die Öffnung des Dichtungselements zu der aktiven Fläche geleitet wird.
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Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur und umfasst mehr bevorzugt mindestens die erfindungsgemäße Bipolarplatte, die Membran-Elektroden-Anordnung und eine Gasdiffusionslage, wobei weiter bevorzugt jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist. Der mindestens eine Port kann ein Einlass oder ein Auslass sein.
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Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, einen Kohlenstoffmodifikationen aufweisenden Kunststoff, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte aus Kohlenstoff, dem Kohlenstoffmodifikationen aufweisenden Kunststoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut.
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Das mindestens eine Medium umfasst bevorzugt Wasserstoff, Luft beziehungsweise Sauerstoff, Wasser und/oder ein Kühlmedium, weiter bevorzugt umfasst das mindestens eine Medium das Kühlmedium, Wasserstoff oder ein Gemisch enthaltend Sauerstoff und/oder Wasser.
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Das Dichtungselement, umfassend die genau eine Öffnung, umgibt den mindestens einen Port bevorzugt vollständig. Bevorzugt ist das Dichtungselement eine Sickendichtung, die weiter bevorzugt aus zwei gegenüberliegenden Sicken, die durch einen Teil der Bipolarplatte gebildet werden, aufgebaut ist. Das Dichtungselement kann zum Beispiel durch Prägen der Bipolarplatte hergestellt werden. Ferner kann das Dichtungselement, insbesondere zusätzlich, eine weitere Dichtung, umfassend ein Elastomer, aufweisen, wobei die weitere Dichtung insbesondere als Beschichtung vorliegt.
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Die genau eine Öffnung ist bevorzugt zwischen dem Port und der aktiven Fläche angeordnet und kann auch als Durchführung, Durchlass, Unterbrechung, Durchgangsöffnung oder Durchbruch bezeichnet werden. Weiter bevorzugt stellt die Öffnung die einzige fluidische Verbindung zwischen dem Port und der aktiven Fläche dar. Die genau eine Öffnung stellt bevorzugt ein einziges Geometrieelement dar.
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Der mindestens eine Port besitzt bevorzugt eine Portlänge, und eine Länge der Öffnung beträgt weiter bevorzugt 15% bis 90%, insbesondere 50% bis 80%, der Portlänge, die insbesondere dem größten Durchmesser des Ports entspricht. Ferner weist das Dichtungselement bevorzugt eine Dichtungshöhe auf und weiter bevorzugt beträgt eine Höhe der Öffnung mehr als 20%, mehr bevorzugt 50% bis 95%, insbesondere 50% bis 90% der Dichtungshöhe. Sowohl die Dichtungshöhe als auch die Portlänge werden bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des mindestens einen Mediums in der Öffnung, insbesondere von dem Port zu der aktiven Fläche, gemessen.
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Bevorzugt weist die Bipolarplatte ein Einlegeteil auf. Das Einlegeteil ist weiter bevorzugt zumindest teilweise in der Öffnung angeordnet. Unter einer Anordnung in der Öffnung ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine Medium das Einlegeteil durchströmen muss, um durch die Öffnung zu gelangen. Ferner ist das Einlegeteil insbesondere ein von der Bipolarplatte separates Bauteil, das an der Bipolarplatte befestigt sein kann, zum Beispiel mittels Klemmen, Schweißen wie Reib- oder Widerstandsschweißen, Prägen, Umspritzen, Bördeln, Kleben und/oder einer weiteren formschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung. Die Befestigung kann zum Beispiel an einer Grundplatte der Bipolarplatte angeordnet sein.
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Das Einlegeteil kann zum Beispiel durch Umformen wie Prägen und/oder Stanzen hergestellt werden. Weiterhin kann das Einlegeteil aus demselben Rohling gefertigt sein wie die Bipolarplatte und dann von der Bipolarplatte separiert werden oder partiell an ihr verbleiben.
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Dimensionen des Einlegeteils können Dimensionen der genau einen Öffnung entsprechen. Weiter bevorzugt liegt das Einlegeteil an einem inneren Umfang der Öffnung insbesondere vollständig an.
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Das Einlegeteil umfasst bevorzugt eine Stützstruktur. Die Stützstruktur kann in das Einlegteil eingeformt sein und sich insbesondere auf die Bipolarplatte abstützen. Ferner ist die Stützstruktur bevorzugt ausgewählt aus einem Schaum, einem Wellblech, einem Gitter, mehreren Erhebungen, einem Drahtgewebe oder Kombinationen daraus. Weiter bevorzugt weist die Stützstruktur eine Wellenform in Strömungsrichtung des mindestens einen Mediums auf.
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In der elektrochemischen Zelle ist das Einlegeteil bevorzugt zumindest teilweise zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet und kann entsprechend über die Öffnung hinausragen. Weiterhin durchströmt das mindestens eine Medium bevorzugt das Einlegteil, insbesondere die Stützstruktur.
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Die Stützstruktur ist bevorzugt einstückig mit dem Einlegeteil ausgeführt oder bildet das Einlegeteil und dient insbesondere als Abstandshalter zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit.
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Vorteile der Erfindung
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Die genau eine Öffnung stellt ein großes Durchflussgebiet durch das Dichtungselement dar, um den Portbereich mit dem aktiven Bereich der Bipolarplatte zu verbinden. Das Design der Bipolarplatte wird dadurch vereinfacht, da mehrere Öffnungen und Regelstufen entfallen.
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Ferner kann die Bipolarplatte mit erhöhter Zuverlässigkeit hergestellt werden, da die Herstellung von Geometrien mit hohen Fertigungstoleranzen, wie beispielsweise mehreren kleinen Öffnungen in Sickenanordnungen, entfallen.
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Darüber hinaus wird durch das optionale Einlegeteil die Abstützung der Öffnung gegenüber einem Druck, insbesondere in einer Anordnung elektrochemischer Zellen, verbessert, um eine unzulässige Verformung des Bereichs der Öffnung zu verhindern.
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Weiterhin dient das Einlegeteil zur optimierten Strömungsführung des mindestens einen Mediums und ersetzt eine spezifische Prägung der Bipolarplatte selbst.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle,
- 2 eine Explosionsdarstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen,
- 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Ports mit Dichtungselement,
- 5 einen Ausschnitt eines Dichtungselements und
- 6 einen Ausschnitt eines Ports mit einer weiteren Ausführungsform eines Dichtungselements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle. Die elektrochemische Zelle 1 weist eine Membran 2 als Elektrolyten auf. Die Membran 2 trennt einen Kathodenraum 6 von einem Anodenraum 8.
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Im Kathodenraum 6 und im Anodenraum 8 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Hälfte einer Bipolarplatte 7 angeordnet. Der Verbund von Membran 2 und Elektrodenschicht 3 kann auch als Membran-Elektroden-Anordnung 4 bezeichnet werden.
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In den Bipolarplatten 7 werden Medien 29 zugeführt. Durch die Bipolarplatte 7 im Kathodenraum 6 gelangt Sauerstoff 9 zur Gasdiffusionslage 5 und durch die Bipolarplatte 7 des Anodenraums 8 gelangt Wasserstoff 11 zur entsprechenden Gasdiffusionslage 5.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Anordnung 13 elektrochemischer Zellen 1, die einen Brennstoffzellenstapel darstellt. Die Anordnung 13 umfasst einzelne elektrochemische Zellen 1, die zwischen Stromsammlern 33 und Endplatten 35 mit Spannelementen 37 verspannt werden.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 7, die unter anderem einen Port 55 und eine aktive Fläche 53 aufweist. Der Port 55 ist von einem Dichtungselement 69 umgeben, wobei das Dichtungselement 69 genau eine Öffnung 71 aufweist. In der Öffnung 71 ist ein Einlegeteil 99 angeordnet. Die Öffnung 71 stellt ein großes Durchflussgebiet für ein Medium 29 dar, das von dem Port 55 durch die Öffnung 71 zur aktiven Fläche 53 strömt. Der Port 55 weist eine Portlänge 91 auf und eine Länge 93 der Öffnung 71 beträgt in der dargestellten Ausführungsform mehr als 50% der Portlänge 91. Entsprechend kann das Dichtungselement 69 auf einem großen Teil der Portlänge 91 von dem Medium 29 durchströmt werden. Es liegt die Öffnung 71 in dem Dichtungselement 69 vor, wobei im Wesentlichen ein Steg 107 des Dichtungselements 69 verbleibt, unter dem sich die Öffnung 71 befindet, so dass eine Oberseite des Dichtungselements 69 nicht durchbrochen ist.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ports 55, der von einem Dichtungselement 69 umgeben ist. In einer Öffnung 71 ist ein Einlegeteil 99 mit einer Stützstruktur 101 angeordnet, wobei die Stützstruktur 101 als Wellblech 103 ausgeführt ist und den Steg 107 des Dichtungselements 69 stützt.
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5 zeigt einen Ausschnitt des Dichtungselements 69 gemäß 4, wobei eine Dichtungshöhe 95 und eine Höhe 97 der Öffnung 71 gekennzeichnet sind. Der Steg 107 weist eine nur geringe Dicke auf, so dass die Dichtungshöhe 95 und die Höhe 97 der Öffnung 71 in der dargestellten Ausführungsform nicht wesentlich voneinander abweichen.
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6 zeigt einen Ausschnitt eines Ports 55 mit einer weiteren Ausführungsform eines Dichtungselements 69. Hier sind in der Öffnung 71 des Dichtungselements 69 Erhebungen 105 angeordnet, die eine Stützstruktur 101 eines Einlegeteils 99 darstellen und die von dem Medium 29 umströmt werden, während dieses von dem Port 55 zur aktiven Fläche 53 der Bipolarplatte 7 gelangt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10158772 C1 [0015]
- DE 10248531 B4 [0015]
