DE102020215022A1

DE102020215022A1 - Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, Anordnung elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Betrieb einer Anordnung elektrochemischer Zellen

Info

Publication number: DE102020215022A1
Application number: DE102020215022.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Ulrich Berner; Christian Diessner; Harald Schmeisser; Stefan Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02
Also published as: US20240097150A1; CN116568863A; WO2022111924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte (13) mit einer ersten Sicke (15) und eine zweite Monopolarplatte (17) mit einer zweiten Sicke (19), wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal (21) bilden, wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) jeweils eine mittlere Grundfläche (23) und mindestens zwei geneigte Flächen (24) umfassen und die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) mindestens eine äußere Grundfläche (25) umfassen und wobei die mindestens eine äußere Grundfläche (25) und/oder die mittlere Grundfläche (23) mindestens eine Öffnung (27) zur Durchführung von mindestens einem Medium (29) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung elektrochemischer Zellen (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung elektrochemischer Zellen (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte mit einer ersten Sicke und eine zweite Monopolarplatte mit einer zweiten Sicke, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal bilden, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke jeweils eine mittlere Grundfläche und mindestens zwei geneigte Flächen umfassen. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung elektrochemischer Zellen und ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung elektrochemischer Zellen.
Stand der Technik
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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 das Kühlmedium fließen kann.
Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.
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.
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.
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.
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.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte mit einer ersten Sicke und eine zweite Monopolarplatte mit einer zweiten Sicke, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal bilden, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke jeweils eine mittlere Grundfläche und mindestens zwei geneigte Flächen umfassen und die erste Sicke und/oder die zweite Sicke mindestens eine äußere Grundfläche umfassen und wobei die mindestens eine äußere Grundfläche und/oder die mittlere Grundfläche mindestens eine Öffnung zur Durchführung von mindestens einem Medium aufweist. Ferner wird eine Anordnung elektrochemischer Zellen umfassend die Bipolarplatte vorgeschlagen sowie ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung elektrochemischer Zellen, wobei das mindestens eine Medium von dem Kanal und/oder in den Kanal in einer Strömungsrichtung durch die mindestens eine Öffnung der ersten Monopolarplatte und/oder der zweiten Monopolarplatte geführt wird, wobei die Strömungsrichtung in der mindestens einen Öffnung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Monopolarplatte und/oder der zweiten Monopolarplatte ist.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise eine Membran-Elektrodenanordnung. Insbesondere ist jeweils eine Membran-Elektrodenanordnung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Die Anordnung elektrochemischer Zellen, die bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel ist, umfasst bevorzugt mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, weiter bevorzugt mindestens zwei erfindungsgemäße Bipolarplatten.
Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut. Ferner umfasst die Bipolarplatte bevorzugt mindestens einen Port. Der mindestens eine Port kann ein Einlass oder ein Auslass sein. Die erste Sicke und die zweite Sicke sind bevorzugt an dem mindestens einen Port angeordnet, weiter bevorzugt umgeben die erste Sicke und die zweite Sicke den mindestens einen Port, insbesondere vollständig. Weiterhin umgeben die erste Sicke und die zweite Sicke bevorzugt ausschließlich den mindestens einen Port und weiter bevorzugt ausschließlich genau einen Port.
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.
Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke können auch als, insbesondere metallische, Dichtungssicken bezeichnet werden. Insbesondere wird die erste Sicke durch einen Teil der ersten Bipolarplatte gebildet und die zweite Sicke durch einen Teil der zweiten Bipolarplatte. Entsprechend ist die erste Bipolarplatte mit der ersten Sicke bevorzugt einstückig ausführt und die zweite Bipolarplatte ist bevorzugt mit der zweiten Sicke einstückig ausführt.
Bevorzugt bilden die erste Sicke und die zweite Sicke ein Dichtungselement. Das Dichtungselement, das den mindestens einen Port bevorzugt nach außen und zu weiteren Medien abdichtet, wird von dem mindestens einen Medium überwunden, insbesondere durch die mindestens eine Öffnung, um gegebenenfalls zunächst in eine Verteilerstruktur und dann auf die aktive Fläche zu gelangen.
Die mindestens eine Öffnung kann auch als Durchgangsöffnung, Durchbruch oder Unterbrechung der ersten Sicke bzw. der zweiten Sicke bezeichnet werden. Bevorzugt weisen die erste Sicke und/oder die zweite Sicke eine Vielzahl von Öffnungen auf. Die mindestens eine Öffnung weist eine, bevorzugt runde, Querschnittsfläche auf. Insbesondere sind die mindestens zwei geneigten Flächen, insbesondere alle der mindestens zwei geneigten Flächen, frei von Öffnungen zur Durchführung des mindestens einen Mediums.
Die Grundflächen können auch als Grundplatten bezeichnet werden und stellen, bevorzugt horizontale, Bereiche da, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche und/oder die mittlere Grundfläche zur Durchleitung des mindestens einen Mediums durch die erste Monopolarplatte beziehungsweise die zweite Monopolarplatte genutzt wird. Weiter bevorzugt wird ausschließlich die mindestens eine äußere Grundfläche und/oder die mittlere Grundfläche zur Durchleitung des mindestens einen Mediums durch die erste Monopolarplatte beziehungweise die zweite Monopolarplatte genutzt.
Bevorzugt sind die mittlere Grundfläche und die mindestens eine äußere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke jeweils im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass die mittlere Grundfläche mit der mindestens einen äußeren Grundfläche einen Winkel von nicht mehr als 30°, weiter bevorzugt nicht mehr als 20° und insbesondere nicht mehr als 10° einschließt. Die erste Sicke und/ oder die zweite Sicke können jeweils mehr als eine äußere Grundfläche, zum Beispiel zwei äußere Grundflächen aufweisen.
Die mittlere Grundfläche ist bevorzugt jeweils zwischen zwei geneigten Flächen angeordnet. Die mindestens zwei geneigten Flächen können auch als Schenkel oder Flanken bezeichnet werden. Ferner sind die mindestens zwei geneigten Flächen insbesondere gegenüber der mittleren Grundfläche und der mindestens einen äußeren Grundfläche geneigt. Ein Neigungswinkel zwischen einer der mindestens zwei geneigten Flächen und der mittleren Grundfläche beziehungsweise der mindestens einen äußeren Grundfläche liegt bevorzugt in einem Bereich von 90° bis 150°, weiter bevorzugt von 90° bis 120°.
Die mittlere Grundfläche und die mindestens eine äußere Grundfläche sind bevorzugt ebene Flächen. Die mindestens zwei geneigten Flächen können geschwungen sein, also mindestens eine Krümmung aufweisen. Die mindestens zwei geneigten Flächen, die insbesondere jeweils benachbart zur mittleren Grundfläche angeordnet sind, weisen bevorzugt einen Neigungswinkel mit entgegengesetztem Vorzeichen auf.
Bevorzugt weisen mindestens zwei äußere Grundflächen jeweils mindestens eine Öffnung auf und weiter bevorzugt sind mindestens zwei Öffnungen, die jeweils auf verschiedenen äußeren Grundflächen angeordnet sind, zueinander gegenüberliegend oder versetzt angeordnet, insbesondere bezogen auf eine Mittelebene des Kanals. Weiter bevorzugt ist die mittlere Grundfläche zwischen einer ersten äußeren Grundfläche und einer zweiten äußeren Grundfläche angeordnet, wobei die erste äußere Grundfläche mindestens eine erste Öffnung aufweist und die zweite äußere Grundfläche mindestens eine zweite Öffnung aufweist und die erste Öffnung und die zweite Öffnung gegenüberliegend oder versetzt zueinander angeordnet sein können, bezogen auf die Mittelebene.
Insbesondere zusätzlich kann die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke mindestens eine Öffnung aufweisen. Auch kann die Membran-Elektroden-Anordnung mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei die mindestens eine Öffnung bevorzugt an einem Rahmen der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, der auch als Verstärkung oder Gasket bezeichnet werden kann. Der Rahmen ist insbesondere aus einem Kunststoff ausgeführt.
Der Kanal besitzt die fiktive Mittelebene, die bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu der mittleren Grundfläche und/oder der mindestens einen äußeren Grundfläche angeordnet ist und weiter bevorzugt die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und der zweiten Sicke schneidet. Die Mittelebene kann die Symmetrieebene des Kanals sein.
Bevorzugt ist auf mindestens einer Seite der Mittelebene die mindestens eine Öffnung auf der ersten Sicke in einem ersten Abstand von der Mittelebene angeordnet und ein zweiter Abstand von einer äußeren Kante der mittleren Grundfläche der zweiten Sicke von der Mittelebene ist mindestens so groß wie, weiter bevorzugt größer als der erste Abstand. Auch kann auf einer Seite der Mittelebene die mindestens eine Öffnung auf der zweiten Sicke in dem ersten Abstand von der Mittelebene angeordnet sein und der zweite Abstand von der äußeren Kante der mittleren Grundfläche der ersten Sicke bemessen sein. Unter dem ersten Abstand wird insbesondere ein maximaler Abstand des Umfangs der mindestens einen Öffnung von der Mittelebene verstanden.
Bevorzugt weist die mittlere Grundfläche an der mindestens einen Öffnung jeweils eine Einbuchtung auf. Weiterhin weist die mindestens eine äußere Grundfläche an der mindestens einen Öffnung jeweils eine Ausbuchtung auf oder stellt eine Ausbuchtung dar. Entsprechend kann der zweite Abstand, bezogen auf die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke, und/oder eine Breite der mindestens einen äußeren Grundfläche über eine Länge der ersten Sicke beziehungsweise der zweiten Sicke variieren, jeweils auf einer oder beiden Seiten der Mittelebene. Weiter bevorzugt können der zweite Abstand und die Breite der mindestens einen äußeren Grundfläche gegenläufig variieren, so dass die mittlere Grundfläche an einer Öffnung schmaler wird, zumindest auf einer Seite der Mittelebene, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche, auf der sich die Öffnung befindet, an der Öffnung breiter wird. Der zweite Abstand der mittleren Grundfläche in der zweiten Sicke ist bevorzugt konstant, insbesondere wenn die zweite Sicke keine Öffnung aufweist. Der zweite Abstand und/oder die Breite der mittleren Grundfläche können wellenförmig variieren.
Die mittlere Grundfläche weist bevorzugt eine erste Höhe, bezogen auf ein Grundniveau der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte, auf.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine äußere Grundfläche, auf der insbesondere die mindestens eine Öffnung angeordnet ist, an nicht mehr als einer geneigten Fläche angeordnet, also durch nicht mehr als eine geneigte Fläche begrenzt. Die mindestens eine äußere Grundfläche ist entsprechend bevorzugt auf einer zweiten Höhe angeordnet, die weiter bevorzugt weniger als 10% der ersten Höhe beträgt. Insbesondere ist die mindestens eine äußere Grundfläche auf dem Grundniveau angeordnet.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Sicke und/oder die zweite Sicke jeweils mindestens drei geneigte Flächen, insbesondere drei oder vier geneigte Flächen, auf, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche, insbesondere direkt zwischen zwei geneigten Flächen angeordnet ist und eine Stufe, insbesondere zwischen den beiden geneigten Flächen, bildet. Die Stufe weist bevorzugt eine dritte Höhe auf, wobei die dritte Höhe kleiner als die erste Höhe ist und weiter bevorzugt die dritte Höhe 20% bis 80%, mehr bevorzugt 30% bis 70%, insbesondere 40% bis 60%, der ersten Höhe beträgt. Weiter bevorzugt weisen die geneigten Flächen, die auf der gleichen Seite der mittleren Grundfläche angeordnet sind beziehungsweise an dieselbe Stufe angrenzen, denselben Neigungswinkel auf. Die Stufe weist insbesondere die mindestens eine Öffnung auf. Weiter bevorzugt können die erste Sicke und/oder die zweite Sicke mindestens zwei, weiter bevorzugt genau zwei, Stufen aufweisen, wobei mehr bevorzugt die mittlere Grundfläche, insbesondere die Mittelebene, zwischen den zwei Stufen angeordnet ist.
Bevorzugt weisen die erste Sicke und die zweite Sicke insgesamt zwei äußere Grundflächen, insbesondere Stufen, auf und die mittlere Grundfläche, insbesondere der ersten Sicke und der zweiten Sicke, ist bevorzugt jeweils zwischen, bezogen auf eine Querschnittsansicht, den zwei äußeren Grundflächen, insbesondere Stufen, angeordnet, wobei die zwei äußeren Grundflächen, insbesondere Stufen, an der ersten Sicke oder an der zweiten Sicke angeordnet sind oder eine erste äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, an der ersten Sicke und eine zweite äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, an der zweiten Sicke angeordnet ist. Entsprechend sind die erste äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, und die zweite äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, bevorzugt an verschiedenen Seiten von den mittleren Grundflächen und insbesondere von der Mittelebene angeordnet. Bevorzugt ist auf der ersten äußeren Grundfläche, insbesondere Stufe, mindestens eine Öffnung und auf der zweiten äußeren Grundfläche, insbesondere Stufe, mindestens eine Öffnung angeordnet. Ist die erste äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, an der ersten Sicke und die zweite äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, an der zweiten Sicke angeordnet und sind die erste äußere Grundfläche, insbesondere Stufe, und die zweite äußere Grundfläche, insbesondere, Stufe an verschiedenen Seiten der Mittelebene angeordnet, so befinden sich ein Einlass und ein Auslass für das mindestens eine Medium auf unterschiedlichen Seiten der Bipolarplatte.
Weiterhin kann zum Beispiel die erste Sicke zwei äußere Grundflächen, insbesondere Stufen, aufweisen, die insbesondere jeweils mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei die mittlere Grundfläche zwischen den zwei äußeren Grundflächen, insbesondere Stufen, angeordnet ist und wobei die zweite Sicke keine Öffnung aufweisen kann.
Weist die erste Sicke mindestens zwei Öffnungen, insbesondere auf mindestens zwei unterschiedlichen äußeren Grundflächen, insbesondere Stufen, auf, so sind ein Einlass und ein Auslass für das mindestens eine Medium auf derselben Seite der Bipolarplatte beziehungsweise auf der ersten Monopolarplatte angeordnet.
Die erste Sicke und die zweite Sicke können zueinander symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke, insbesondere der Kanal, können in einer Querschnittsansicht symmetrisch sein, insbesondere zur Mittelebene. Die erste Sicke kann auch als obere Sicke und die zweite Sicke kann auch als untere Sicke bezeichnet werden oder vice versa.
Ferner können die erste Sicke und die zweite Sicke versetzt zueinander angeordnet sein, wobei insbesondere in einer Draufsicht zum Beispiel die mittlere Grundfläche der ersten Sicke mit der äußeren Grundfläche der zweiten Sicke überlappt oder vice versa. In dieser Ausführungsform weisen die erste Sicke und die zweite Sicke bevorzugt jeweils mindestens eine Öffnung an gegenüberliegenden äußeren Grundflächen auf.
In einer Ausführungsform der Anordnung elektrochemischer Zellen umfasst die Anordnung mindestens eine erste Bipolarplatte, eine zweite Bipolarplatte und eine Membran-Elektroden-Anordnung, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist und die Membran-Elektroden-Anordnung mindestens eine Öffnung aufweist. Bevorzugt weisen die mittlere Grundfläche der zweiten Sicke der ersten Bipolarplatte, die mittlere Grundfläche der ersten Sicke der zweiten Bipolarplatte und die Membran-Elektroden-Anordnung jeweils eine Öffnung auf, wobei weiter bevorzugt diese Öffnungen fluchtend angeordnet sind.
Bevorzugt weist die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke jeweils eine Dichtung auf. Weiter bevorzugt weisen die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und die mittlere Grundfläche der zweiten Sicke jeweils eine Dichtung auf. Die Dichtung besitzt eine Dichtungsbreite, die maximal so groß ist wie das Doppelte des zweiten Abstands der mittleren Grundfläche der ersten Sicke beziehungsweise der zweiten Sicke. Weiter bevorzugt ist die Dichtungsbreite kleiner als das Doppelte des zweiten Abstands. Mehr bevorzugt ist die Dichtungsbreite über die Länge der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke konstant.
Die Dichtung ist bevorzugt als Beschichtung ausgeführt. Weiterhin umfasst die Dichtung bevorzugt ein Polymer wie ein Elastomer, mehr bevorzugt umfasst die Dichtung ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Kautschuk, insbesondere Fluorkautschuk (FKM), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Mischungen daraus.
Es sind Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen möglich.
Vorteile der Erfindung
Durch die Anordnung der mindestens einen Öffnung auf der mindestens einen äußeren Grundfläche liegt die mindestens eine Öffnung in einem nicht umgeformten Bereich der Bipolarplatte, was die Herstellung erleichtert. Durch die Anordnung der mindestens einen Öffnung auf einer horizontalen Fläche der Bipolarplatte liegt die Schneidlinie für die Öffnung in einem ebenen Bereich des Blechs, aus dem die Bipolarplatte üblicherweise hergestellt wird. So können zylindrische Standard-Lochstempel verwendet werden oder zumindest zweidimensionale, d.h. in einer Ebene liegende Werkzeugkonturen gewählt werden, so dass die Werkzeuge insbesondere einfach nachgeschliffen werden können.
Weiterhin wird die Sickenstruktur nicht an den geneigten Flächen durch die mindestens eine Öffnung geschwächt, so dass eine gleichmäßige Kräfteverteilung in der Sicke gewährleistet werden kann.
Durch die Stufen werden darüber hinaus zusätzliche horizontale Bereiche geschaffen, die zur Anordnung der mindestens einen Öffnung genutzt werden können.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle,
2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
3 eine Querschnittsansicht, eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte mit einer Sickenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
4 eine perspektivische Ansicht einer Sickenanordnung mit gegenüberliegenden Öffnungen in äußeren Grundflächen,
5 eine erste Querschnittsansicht der Sickenanordnung gemäß 4,
6 eine zweite Querschnittsansicht der Sickenanordnung gemäß 4,
7 eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung mit Öffnungen auf einer Stufe jeweils auf einer ersten Sicke und einer zweiten Sicke,
8 eine perspektivische Ansicht der Sickenanordnung gemäß 7,
9 eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung mit Öffnungen auf zwei Stufen einer ersten Sicke,
10 eine perspektivische Ansicht einer Sickenanordnung mit Öffnungen auf zwei Stufen einer ersten Sicke,
11 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sickenanordnung mit Öffnungen auf zwei Stufen einer ersten Sicke,
12 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Anordnung elektrochemischer Zellen mit einer ersten und einer zweiten Bipolarplatte,
13 eine Draufsicht auf die zweite Bipolarplatte der Anordnung gemäß 12 und
14 eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung mit versetzt zueinander angeordneten Sicken.

Ausführungsformen der Erfindung
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.
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.
Im Kathodenraum 6 und 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.
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.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 7, die eine aktive Fläche 53 und mehrere Ports 55 aufweist. Zwei Ports 55 sind jeweils von einer Sickenanordnung 57 umgeben und werden durch diese abgedichtet, wobei die Sickenanordnung 57 jeweils durch eine erste Sicke 15 und eine zweite Sicke 19 gebildet wird.
3 zeigt eine Querschnittsansicht, eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 7 mit einer Sickenanordnung 57 gemäß dem Stand der Technik. Die Bipolarplatte 7 umfasst eine erste Monopolarplatte 13 mit einer ersten Sicke 15 und eine zweite Monopolarplatte 17 mit einer zweiten Sicke 19. Die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 sind gegenüberliegend angeordnet und bilden einen Kanal 21. Die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 umfassen jeweils eine mittlere Grundfläche 23 und zwei geneigte Flächen 24. Die geneigten Flächen 24 weisen Öffnungen 27 auf, durch die ein Medium 29 geführt werden kann. Weiterhin weisen die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 jeweils auf der mittleren Grundfläche 23 eine Dichtung 47 auf.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7 mit einer Sickenanordnung 57. Im Unterschied zur in 3 dargestellten Sickenanordnung 57 weist die erste Sicke 15 äußere Grundflächen 25 auf, auf denen jeweils mindestens eine Öffnung 27 zur Durchführung des Mediums 29 angeordnet ist. Die dargestellten Öffnungen 27 sind gegenüberliegend angeordnet und die mittlere Grundfläche 23 weist an den Öffnungen 27 jeweils eine Einbuchtung 37 auf. Ferner weist die äußere Grundfläche 25 eine Breite 65 auf und die Dichtung 47 eine Dichtungsbreite 67 und es sind eine erste Schnittebene 74 und eine zweite Schnittebene 75 dargestellt.
5 zeigt eine Querschnittsansicht der Sickenanordnung 57 gemäß 4 entlang der ersten Schnittebene 74. Die mittlere Grundfläche 23 weist eine erste Höhe 59 auf, bezogen auf ein Grundniveau 60. Ferner ist eine Strömungsrichtung 49 in einer der Öffnungen 27 markiert, die mit einem Strömungswinkel 50 im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Monopolarplatte 13 ausgerichtet ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht der Sickenanordnung 57 gemäß 4 entlang der zweiten Schnittebene 75. Es ist erkennbar, dass die mittlere Grundfläche 23 der ersten Sicke 15 an den Öffnungen 27 durch die Einbuchtungen 37, also in der ersten Schnittebene 74, schmaler ist als in der zweiten Schnittebene 75, in der sich keine Öffnung 27 befindet.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7, die eine weitere Sickenanordnung 57 aufweist. Die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 weisen jeweils eine Stufe 31 auf, die durch eine äußere Grundfläche 25 gebildet wird, und auf der jeweils Öffnungen 27 angeordnet sind. Beide mittleren Grundflächen 23 sind zwischen einer ersten Stufe 33 der ersten Sicke 15 und einer zweiten Stufe 35 der zweiten Sicke 19 angeordnet. Entsprechend befinden sich die erste Stufe 33 und die zweite Stufe 35 auf verschiedenen Seiten, bezogen auf die Querschnittsansicht, einer Mittelebene 39 des gebildeten Kanals 21. Die Öffnungen 27 auf der ersten Sicke 15 sind in einem ersten Abstand 41 von der Mittelebene 39 angeordnet und ein zweiter Abstand 43 von einer äußeren Kante 45 der mittleren Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19 ist größer als der erste Abstand 41. Entsprechend ragt die mittlere Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19 über die Öffnungen 27 der ersten Sicke 15 hinaus.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7 mit einer Sickenanordnung 57, die im Wesentlichen der Sickenanordnung 57 gemäß 7 entspricht, mit dem Unterschied, dass die Öffnungen 27 der ersten Sicke 15 jeweils versetzt und nicht gegenüberliegend zu den Öffnungen 27 der zweiten Sicke 19 angeordnet sind.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7 mit noch einer weiteren Sickenanordnung 57. Die erste Sicke 15 weist zwei Stufen 31 auf, wobei die mittlere Grundfläche 23 zwischen einer ersten Stufe 33 und einer zweiten Stufe 35 angeordnet ist. Die mittlere Grundfläche 23 weist eine erste Höhe 59 auf und die Stufe 31 weist eine zweite Höhe 61 auf, die kleiner ist als die erste Höhe 59. Die mittlere Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19 ragt auf beiden Seiten der Mittelebene 39 über die Öffnungen 27 der ersten Sicke 15 hinaus.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7 mit einer Sickenanordnung 57, die im Wesentlichen der Sickenanordnung 57 gemäß 9 entspricht, mit dem Unterschied, dass die Öffnungen 27 der ersten Stufe 33 und der zweiten Stufe 35 versetzt zueinander und nicht gegenüberliegend angeordnet sind.
11 zeigt eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung 57, die im Wesentlichen der Sickenanordnung 57 gemäß 9 entspricht, mit dem Unterschied, dass die mittlere Grundfläche 23 der ersten Sicke 15 und die mittlere Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19 gleich breit sind und somit ein erster Abstand 41 von den Öffnungen 27 zur Mittelebene 39 größer ist als ein zweiter Abstand 43 von der äußeren Kante 45 der mittleren Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19.
12 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Anordnung 69 elektrochemischer Zellen 1 mit einer ersten Bipolarplatte 71 und einer zweiten Bipolarplatte 73. Eine Membran-Elektroden-Anordnung 4, die ein Gasket aufweisen kann, ist zwischen der ersten Bipolarplatte 71 und der zweiten Bipolarplatte 73 angeordnet. Die mittlere Grundfläche 23 der zweiten Sicke 19 der ersten Bipolarplatte 71, die mittlere Grundfläche 23 der ersten Sicke 15 der zweiten Bipolarplatte 73 und die Membran-Elektroden-Anordnung 4 weisen jeweils eine Öffnung 27 auf und diese Öffnungen 27 sind fluchtend angeordnet, so dass das mindestens eine Medium 29 von der ersten Sicke 15 der zweiten Bipolarplatte 73 durch die Membran-Elektroden-Anordnung 4 in die zweite Sicke 19 der ersten Bipolarplatte 71 strömt.
13 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Bipolarplatte 73 der Anordnung 69 gemäß 12. Die Öffnung 27 auf der mittleren Grundfläche 23 ist erkennbar, ebenso wie Öffnungen 27 auf äußeren Grundflächen 25 der darunterliegenden Ebenen.
14 zeigt eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung 57, in der eine erste Sicke 15 und eine zweite Sicke 19 versetzt zueinander angeordnet sind. Das mindestens eine Medium 29 strömt durch eine Öffnung 27 in einer äußeren Grundfläche 25 der ersten Sicke 15 in die Sickenanordnung 57 ein und verlässt diese über eine Öffnung 27 in einer äußeren Grundfläche 25 der zweiten Sicke 19.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10158772 C1 [0015]
DE 10248531 B4 [0015]

Claims

Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte (13) mit einer ersten Sicke (15) und eine zweite Monopolarplatte (17) mit einer zweiten Sicke (19), wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal (21) bilden, wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) jeweils eine mittlere Grundfläche (23) und mindestens zwei geneigte Flächen (24) umfassen und die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) mindestens eine äußere Grundfläche (25) umfassen und wobei die mindestens eine äußere Grundfläche (25) und/oder die mittlere Grundfläche (23) mindestens eine Öffnung (27) zur Durchführung von mindestens einem Medium (29) aufweist.
Bipolarplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine äußere Grundfläche (25) durch nicht mehr als eine geneigte Fläche (24) begrenzt ist.
Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) jeweils mindestens drei geneigte Flächen (24) aufweisen, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche (25) zwischen zwei der mindestens drei geneigten Flächen (24) angeordnet ist und eine Stufe (31) bildet.
Bipolarplatte (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) insgesamt zwei äußere Grundflächen (25), insbesondere Stufen (31), aufweisen und die mittlere Grundfläche (23) jeweils zwischen den zwei äußeren Grundflächen (25), insbesondere Stufen (31), angeordnet ist, wobei die zwei äußeren Grundflächen (25), insbesondere Stufen (31), an der ersten Sicke (15) oder an der zweiten Sicke (19) angeordnet sind oder eine äußere Grundfläche (25), insbesondere eine erste Stufe (31, 33), an der ersten Sicke (15) und eine äußere Grundfläche (25), insbesondere eine zweite Stufe (31, 35), an der zweiten Sicke (19) angeordnet ist.
Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei äußere Grundflächen (25) jeweils mindestens eine Öffnung (27) aufweisen und mindestens zwei Öffnungen (27), die jeweils auf verschiedenen äußeren Grundflächen (25) angeordnet sind, zueinander gegenüberliegend oder versetzt angeordnet sind.
Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Grundfläche (23) an der mindestens einen Öffnung (27) jeweils eine Einbuchtung (37) aufweist.
Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (21) eine Mittelebene (39) besitzt und auf mindestens einer Seite der Mittelebene (39) die mindestens eine Öffnung (27) auf der ersten Sicke (15) in einem ersten Abstand (41) von der Mittelebene (39) angeordnet ist und ein zweiter Abstand (43) von einer äußeren Kante (45) der mittleren Grundfläche (23) der zweiten Sicke (19) zu der Mittelebene (39) mindestens so groß ist wie der erste Abstand (41).
Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) versetzt zueinander angeordnet sind.
Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Grundfläche (23) der ersten Sicke (15) und/oder der zweiten Sicke (19) jeweils eine Dichtung (47) aufweist.
Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) nach Anspruch 10, dadurch gegenkennzeichnet, dass die Anordnung (69) mindestens eine erste Bipolarplatten (7, 71), eine zweite Bipolarplatte (7, 73) und eine Membran-Elektroden-Anordnung (4) umfasst, die Membran-Elektroden-Anordnung (4) zwischen der ersten Bipolarplatte (7, 71) und der zweiten Bipolarplatte (7, 73) angeordnet ist und insbesondere die mittlere Grundfläche (23) der zweiten Sicke (19) der ersten Bipolarplatte (7, 71), die mittlere Grundfläche (23) der ersten Sicke (15) der zweiten Bipolarplatte (7, 73) und die Membran-Elektroden-Anordnung (4) jeweils eine Öffnung (27) aufweisen und diese Öffnungen (27) fluchtend angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das mindestens eine Medium (29) von dem Kanal (21) und/oder in den Kanal (21) in einer Strömungsrichtung (49) durch die mindestens eine Öffnung (27) der ersten Monopolarplatte (13) und/oder der zweiten Monopolarplatte (17) geführt wird, wobei die Strömungsrichtung (49) in der mindestens einen Öffnung (27) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Monopolarplatte (13) und/oder der zweiten Monopolarplatte (17) ist.