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Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrochemischer Zellen, umfassend mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran mit einem Rahmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung elektrochemischer Zellen.
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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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Zum Beispiel 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 Kühlmedium fließen kann. 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 Zellen 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-Elektroden-Anordnung, geführt. Insbesondere an den Ports müssen die verschiedenen Medien gegeneinander und gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.
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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 Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran mit einem Rahmen, wobei der Rahmen der Membran eine feste Verbindung zu der mindestens einen Bipolarplatte aufweist.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen, wobei die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens zwei Bipolarplatten umfasst und ein Anpressdruck zwischen den mindestens zwei Bipolarplatten weniger als 2 MPa, bevorzugt weniger als 1 MPa, beträgt. Weiter bevorzugt liegt der Anpressdruck in einem Bereich von 0,4 MPa bis 0,8 MPa und beträgt zum Beispiel 0,6 MPa. Der Anpressdruck bezieht sich insbesondere auf eine mittlere Flächenpressung. Die Dichtheit der Anordnung elektrochemischer Zellen wird durch die feste Verbindung erzielt, entsprechend ist bezüglich der Dichtheit kein Anpressdruck erforderlich. Ein zumindest geringer Anpressdruck kann aber die Herstellung des elektrischen Kontakts unterstützen.
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Die Anordnung elektrochemischer Zellen umfasst bevorzugt mindestens eine elektrochemische Zelle, die wiederum die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Membran umfasst. Ferner umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen, insbesondere die elektrochemische Zelle, mindestens eine Gasdiffusionslage.
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Weiter bevorzugt umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens zwei Bipolarplatten, zwischen denen die mindestens eine Membran angeordnet ist. Entsprechend ist die mindestens eine Membran bevorzugt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und einer weiteren, insbesondere der Membran benachbart angeordneten Bipolarplatte angeordnet. Der Rahmen kann auch als Gasket oder Subgasket bezeichnet werden und stellt eine Randverstärkung der Membran dar.
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Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur. Die Anordnung elektrochemischer Zellen ist bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel.
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Die mindestens eine Bipolarplatte weist bevorzugt mindestens einen Port zur Zuführung oder Abführung mindestens eines Mediums auf, wobei der mindestens eine Port ein Einlass oder ein Auslass sein kann. Der mindestens eine Port wird bevorzugt durch eine Öffnung in der mindestens einen Bipolarplatte gebildet. Bevorzugt umfasst die mindestens eine Bipolarplatte eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, wobei sich die feste Verbindung zwischen dem Rahmen und der ersten Monopolarplatte oder dem Rahmen und der zweiten Monopolarplatte befindet. Ferner weist die mindestens eine Bipolarplatte bevorzugt eine aktive Fläche auf, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet.
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Die mindestens eine Bipolarplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die mindestens eine Bipolarplatte aus Kohlenstoff, 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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Die feste Verbindung ist bevorzugt eine dichtende Verbindung und kann auch als Dichtungselement bezeichnet werden. Die feste Verbindung dichtet bevorzugt den mindestens einen Port nach außen und zu weiteren Medien ab, so dass das mindestens eine Medium in einem abgedichteten Zustand durch den mindestens einen Port, gegebenenfalls zunächst in eine Verteilerstruktur, und dann auf eine aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der Membran gelangen kann. Bevorzugt kann das mindestens eine Medium nur entlang einer Seite der Bipolarplatte strömen. Insbesondere ist die mindestens eine Membran als Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet, die den Rahmen aufweist.
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Bevorzugt umfasst die feste Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung, zum Beispiel eine Klebung, und/oder eine formschlüssige Verbindung, insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung und gegebenenfalls eine formschlüssige Verbindung. Die formschlüssige Verbindung wird bevorzugt durch eine lokale thermische Verformung des Rahmens erzeugt. Bevorzugt umfasst die stoffschlüssige Verbindung einen Klebstoff ausgewählt aus polyolefinischen Schmelzklebstoffen, die auch als Hotmelts bezeichnet werden, Epoxiden und/oder acrylatbasierten Klebebändern, die insbesondere einen druckempfindlichen Klebstoff (PSA) enthalten.
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Bevorzugt weist die mindestens eine Bipolarplatte an der festen Verbindung einen Hinterschnitt und/oder eine Einprägung auf, die auch als Vertiefung bezeichnet werden kann. Die Einprägung kann insbesondere eine Vergrößerung der, insbesondere bei der Verklebung benetzten, Oberfläche des Rahmens der mindestens einen Bipolarplatte oder der Membran, beziehungsweise der Membran-Elektroden-Anordnung, bilden.
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Bevorzugt umgibt die feste Verbindung den mindestens einen Port, weiter bevorzugt vollständig. Die feste Verbindung kann ausschließlich den mindestens einen Port und bevorzugt ausschließlich genau einen Port umgeben. Weiterhin kann die feste Verbindung die aktive Fläche, insbesondere vollständig, umgeben.
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Weiterhin kann die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens ein Stützelement umfassen, das an der festen Verbindung angeordnet ist und geeignet ist, den Rahmen an der festen Verbindung abzustützen. Bevorzugt ist das mindestens eine Stützelement zwischen der festen Verbindung und der weiteren, insbesondere benachbart angeordneten, Bipolarplatte, insbesondere zwischen dem Rahmen und der weiteren, insbesondere benachbart angeordneten, Bipolarplatte, angeordnet.
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Das Stützelement kann durch einen Teil der weiteren, insbesondere benachbart angeordneten Bipolarplatte gebildet werden oder durch ein separates Bauteil gebildet werden. Das separate Bauteil ist bevorzugt zwischen dem Rahmen und der weiteren, insbesondere benachbart angeordneten, Bipolarplatte angeordnet. Die weitere, insbesondere benachbart angeordnete, Bipolarplatte ist bevorzugt unterhalb - bezüglich der Richtung der Schwerkraft - der mindestens einen Bipolarplatte und weiter bevorzugt unterhalb des Stützelements angeordnet. Insbesondere umfasst die Anordnung elektrochemischer Zelle pro Membran ein Stützelement.
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Ferner kann die Anordnung elektrochemischer Zellen Endplatten mit einem Spannelement umfassen, wobei mit dem Spannelement die einzelnen elektrochemischen Zellen und insbesondere die mindestens eine Bipolarplatte und die weitere Bipolarplatte miteinander verspannt werden können und der Anpressdruck aufgebaut werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die feste Verbindung zwischen dem Rahmen der Membran und der mindestens einen Bipolarplatte werden Medien in der Anordnung elektrochemischer Zellen außerhalb der aktiven Fläche getrennt. Durch diese Form der Abdichtung wird das Design der Monopolarplatten der Bipolarplatten vereinfacht, da Prägestufen sowie zum Beispiel Sickenanordnungen zur Abdichtung entfallen können. Ferner wird der Materialbedarf für die Monopolarplatten reduziert, was mit einer Gewichtsreduzierung einhergeht.
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Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit der erforderlichen Dichtung erhöht werden, da keine komplexeren Geometrien wie Sickenanordnungen mehr benötigt werden, die lediglich mit hohen Fertigungstoleranzen herstellbar sind.
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Weiterhin kann der erforderliche Anpressdruck in der Anordnung elektrochemischer Zellen gegenüber einer Ausführung ohne feste Verbindung zwischen Membran-Elektroden-Anordnung und Bipolarplatte um bis zu 80% verringert werden.
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Durch die feste Verbindung zwischen dem Rahmen der Membran und der mindestens einen Bipolarplatte wird ein Medium innerhalb eines für dieses Medium definierten Strömungsbereichs geleitet sowie dieses Medium gegen eines und/oder mehrere weitere Medien abgedichtet, um die Anordnung elektrochemischer Zellen mit Medien versorgen zu können.
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Durch den Hinterschnitt und/oder die Einprägung wird die Haltbarkeit der festen Verbindung verbessert, ebenso durch das Stützelement.
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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 und
- 3 eine Querschnittsansicht einer Anordnung elektrochemischer Zellen.
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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 Bipolarplatte 7 angeordnet. Der Verbund von Membran 2 und der 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 Anodenraumes 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 Querschnittsansicht einer Anordnung 13 elektrochemischer Zellen 1. Insbesondere ist ein Ausschnitt der Anordnung 13 im Bereich von Ports 19 dargestellt. Die Anordnung 13 umfasst mehrere Bipolarplatten 7 und mehrere Membranen 2, wobei die Membranen 2 jeweils einen Rahmen 15 aufweisen. Der Rahmen 15 weist jeweils eine feste Verbindung 17 zu einer Bipolarplatte 7 auf.
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Zur Verbesserung der Haltbarkeit der festen Verbindung 17 können die Bipolarplatten 7 an der festen Verbindung 17 einen Hinterschnitt 23 aufweisen. Ferner kann zur Verbesserung der Haltbarkeit der Rahmen 15 von unten durch ein Stützelement 25 auf einer weiteren Bipolarplatte 27, die insbesondere benachbart und hier unterhalb des Rahmens 15 angeordnet ist, abgestützt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das Stützelement 25 ein separates Bauteil 31.
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Durch die feste Verbindung 17 werden zum Beispiel Sauerstoff 9 in Form von Luftsauerstoff und Wasserstoff 11 voneinander getrennt. Ein Randbereich 39 grenzt die elektrochemischen Zellen 1 jeweils nach außen ab. In der Darstellung links von der festen Verbindung 17 befindet sich jeweils eine aktive Fläche 21 der Bipolarplatten 7.
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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 [0014]
- DE 10248531 B4 [0014]
