DE102020215024A1 - Bipolar plate for an electrochemical cell, arrangement of electrochemical cells and method of manufacturing the bipolar plate - Google Patents

Bipolar plate for an electrochemical cell, arrangement of electrochemical cells and method of manufacturing the bipolar plate Download PDF

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Jochen Wessner
Ulrich Berner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens einen Port (55), eine aktive Fläche (53), eine Grundplatte (123) und ein Dichtungselement (69), wobei das Dichtungselement (69) ein Elastomer umfasst, zumindest teilweise zwischen dem mindestens einen Port (55) und der aktiven Fläche (53) angeordnet ist und einen Durchlass (27) zur Durchführung mindestens eines Mediums (29) von dem mindestens einen Port (55) zu der aktiven Fläche (53) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung (13) elektrochemischer Zellen (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (7).The invention relates to a bipolar plate (7) for an electrochemical cell (1), comprising at least one port (55), an active surface (53), a base plate (123) and a sealing element (69), wherein the sealing element (69) a elastomer, is arranged at least partially between the at least one port (55) and the active surface (53) and has a passage (27) for the passage of at least one medium (29) from the at least one port (55) to the active surface (53 ) having. The invention also relates to an arrangement (13) of electrochemical cells (1) and a method for producing a bipolar plate (7).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Port, eine aktive Fläche, eine Grundplatte und ein Dichtungselement. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung elektrochemischer Zellen umfassend die Bipolarplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte.The invention relates to a bipolar plate for an electrochemical cell, comprising at least one port, an active area, a base plate and a sealing element. Furthermore, the invention relates to an arrangement of electrochemical cells comprising the bipolar plate and a method for producing the bipolar plate.

Stand der TechnikState of the art

Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.

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.A fuel cell converts chemical reaction energy into electrical energy. In known fuel cells, in particular hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.

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.Among other things, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thus spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

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 Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed continuously to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons, with the release of electrons, which then reach the cathode. The electrons emitted are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit. The oxidizing agent is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

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.There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell structure, and connected electrically in series.

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.A stack of electrochemical cells, which may be referred to as an electrochemical cell array, typically has end plates that compress the individual cells together and provide stability to the stack.

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.The electrodes, ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.

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.Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates. Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode. In addition to guiding the media with regard to oxygen, hydrogen, water and, if necessary, a coolant, the bipolar plates ensure a planar electrical contact with the membrane.

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. For example, a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in tiers. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which cooling medium can flow.

Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.Furthermore, electrochemical cells typically include gas diffusion layers sandwiched between a bipolar plate and an MEA.

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.In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.

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.Electrochemical cells in a stack are often supplied with the media, in particular hydrogen and oxygen, or these are removed, via media channels arranged perpendicularly to the membrane of the electrochemical cells. The media channels are fluidically connected to the electrochemical cells, in particular to the bipolar plates, through ports, which can also be referred to as fluid connections. The media channels are usually located at the edge of the stack and are often created by congruently stacked recesses that form the ports. The media are fed from the ports through port bushings into the so-called flow field, the active area of the bipolar plate or the membrane electrode assembly. The various media must be sealed off from one another and from the environment, particularly at the ports.

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.In particular, the port bushings for air or hydrogen pointing towards the MEA are to be designed in such a way that the port bushings provide the largest possible opening for the media flowing in and out and, on the other hand, offer the best possible mechanical support for seals arranged on the opposite side of the MEA .

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. DE10158772C1 and DE 10248531 B4 relate to fuel cell stacks with a layering of several fuel cells, media being supplied or discharged through bipolar plates and bead arrangements being provided for sealing.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend mindestens einen Port, eine aktive Fläche, eine Grundplatte und ein, insbesondere elastisches, Dichtungselement, wobei das Dichtungselement ein Elastomer umfasst, zumindest teilweise zwischen dem mindestens einen Port und der aktiven Fläche angeordnet ist und einen Durchlass zur Durchführung mindestens eines Mediums von dem mindestens einen Port zu der aktiven Fläche aufweist. An der aktiven Fläche findet bevorzugt die elektrochemische Reaktion statt.A bipolar plate for an electrochemical cell is proposed, comprising at least one port, an active area, a base plate and an, in particular elastic, sealing element, wherein the sealing element comprises an elastomer, is arranged at least partially between the at least one port and the active area and has a passage for leading through at least one medium from the at least one port to the active surface. The electrochemical reaction preferably takes place at the active surface.

Ferner wird eine Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen, umfassend die Bipolarplatte und mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung, wobei das Dichtungselement an der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung anliegt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte vorgeschlagen, wobei das Dichtungselement durch Anspritzen an die Bipolarplatte hergestellt wird.Furthermore, an arrangement of electrochemical cells is proposed, comprising the bipolar plate and at least one membrane-electrode arrangement, the sealing element lying against the at least one membrane-electrode arrangement. Furthermore, a method for producing the bipolar plate is proposed, with the sealing element being produced by injection molding onto the bipolar plate.

Die Anordnung elektrochemischer Zellen umfasst bevorzugt mindestens eine elektrochemische Zelle, die wiederum die Bipolarplatte und die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst. Ferner umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen bevorzugt mindestens eine Gasdiffusionslage. Weiter bevorzugt umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens zwei Bipolarplatten, zwischen denen die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Entsprechend ist die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung bevorzugt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und einer weiteren, insbesondere der Membran-Elektroden-Anordnung benachbart angeordneten, Bipolarplatte angeordnet. Die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung umfasst bevorzugt einen Rahmen, der auch als Gasket bezeichnet werden kann und eine Randverstärkung der Membran-Elektroden-Anordnung darstellt.The assembly of electrochemical cells preferably includes at least one electrochemical cell, which in turn includes the bipolar plate and the membrane-electrode assembly. Furthermore, the arrangement of electrochemical cells preferably comprises at least one gas diffusion layer. More preferably, the arrangement of electrochemical cells comprises at least two bipolar plates between which the at least one membrane electrode arrangement is arranged. Correspondingly, the at least one membrane-electrode assembly is preferably arranged between the at least one bipolar plate and another bipolar plate, in particular one arranged adjacent to the membrane-electrode assembly. The at least one membrane-electrode assembly preferably includes a frame, which can also be referred to as a gasket and represents an edge reinforcement of the membrane-electrode assembly.

Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur. Die Anordnung elektrochemischer Zellen ist bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel.The electrochemical cell is preferably a fuel cell or an electrolyzer. The array of electrochemical cells is preferably a fuel cell stack.

Die Bipolarplatte weist den mindestens einen Port zur Zuführung oder Abführung des mindestens einen Mediums auf, wobei der mindestens eine Port ein Einlass oder ein Auslass sein kann. Der mindestens eine Port wird bevorzugt durch ein Loch in der mindestens einen Bipolarplatte gebildet.The bipolar plate has the at least one port for supplying or removing the at least one medium, it being possible for the at least one port to be an inlet or an outlet. The at least one port is preferably formed by a hole in the at least one bipolar plate.

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.The bipolar plate preferably comprises carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the bipolar plate is made of carbon, the metal and/or the alloy.

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.The at least one medium preferably comprises hydrogen, air or oxygen, water and/or a cooling medium, more preferably the at least one medium comprises the cooling medium, hydrogen or a mixture containing oxygen and/or water.

Der mindestens eine Port und das Dichtungselement sind bevorzugt in einem Endbereich der Bipolarplatte angeordnet.The at least one port and the sealing element are preferably arranged in an end area of the bipolar plate.

Das Dichtungselement besteht bevorzugt zu mehr als 80 Gew.-% aus dem Elastomer und besteht weiter bevorzugt vollständig aus dem Elastomer. Bevorzugt ist das Elastomer ausgewählt aus Fluorkautschuken (FKM) und/oder Silikonen, die insbesondere für Brennstoffzellen-Anwendungen geeignet sind. Bei dem Dichtungselement handelt es sich insbesondere um ein an die Grundplatte der Bipolarplatte angespritztes Elastomer. Bevorzugt umgibt das Dichtungselement den mindestens einen Port und dichtet den Port insbesondere ab. Weiter bevorzugt umgibt das Dichtungselement ausschließlich den mindestens einen Port und mehr bevorzugt ausschließlich genau einen Port.The sealing element preferably consists of more than 80% by weight of the elastomer and more preferably consists entirely of the elastomer. The elastomer is preferably selected from fluororubbers (FKM) and/or silicones, which are particularly suitable for fuel cell applications. The sealing element is in particular an elastomer molded onto the base plate of the bipolar plate. The sealing element preferably surrounds the at least one port and, in particular, seals the port. More preferably, the sealing element exclusively surrounds the at least one port and more preferably exclusively exactly one port.

Bevorzugt ist der Durchlass als Kanal, insbesondere als Nut, entlang der Grundplatte ausgestaltet, so dass das mindestens eine Medium das Dichtungselement durch den Durchlass, der auch als Durchführung oder Durchbruch bezeichnet werden kann, überwinden kann. Eine Länge des Durchlasses beziehungsweise des Kanals oder der Nut entspricht bevorzugt im Wesentlichen einer Breite des Dichtungselements. Entlang der Grundplatte ist dahingehend zu verstehen, dass der Durchlass im Wesentlichen an jedem Punkt einen im Wesentlichen gleichen Abstand von der Grundplatte aufweist und im Wesentlichen parallel zu der Grundplatte und im Wesentlichen senkrecht zu einer Höhe des Dichtungselements verläuft.The passage is preferably designed as a channel, in particular as a groove, along the base plate, so that the at least one medium can overcome the sealing element through the passage, which can also be referred to as a passage or opening. A length of the opening or of the channel or of the groove preferably essentially corresponds to a width of the sealing element. Along the ground plane it is to be understood that the passage has essentially at each point a substantially chen equidistant from the base plate and is substantially parallel to the base plate and substantially perpendicular to a height of the sealing member.

Bevorzugt weist der Durchlass eine Durchlasshöhe, insbesondere die Nut eine Nuthöhe, auf, die in einem Bereich von 20 % bis 100 %, weiter bevorzugt von 50 % bis 100 %, einer Höhe des Dichtungselements liegt. Die Höhe des Dichtungselements liegt zum Beispiel in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, wobei eine Dicke der Bipolarplatte zum Beispiel in einem Bereich von 0,5 mm bis 3 mm liegt.The passage preferably has a passage height, in particular the groove a groove height, which is in a range from 20% to 100%, more preferably from 50% to 100%, of a height of the sealing element. The height of the sealing element is in a range from 0.5 mm to 1.5 mm, for example, with a thickness of the bipolar plate being in a range from 0.5 mm to 3 mm, for example.

Insbesondere kann der Durchlass als Aussparung des Dichtungselements ausgeführt sein, wobei bevorzugt im Bereich des Durchlasses lediglich teilweise das Elastomer oder kein Elastomer zwischen der Bipolarplatte und der insbesondere angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung vorliegt.In particular, the passage can be designed as a cutout of the sealing element, with the elastomer or no elastomer preferably being present only partially in the area of the passage between the bipolar plate and the in particular adjoining membrane-electrode assembly.

Ferner kann die Grundplatte mindestens eine, insbesondere durchgehende, Öffnung aufweisen, wobei ein Teil des Dichtungselements in der mindestens einen Öffnung angeordnet ist. Die mindestens eine Öffnung ist bevorzugt im Wesentlichen senkrecht in der Grundplatte angeordnet. Weiter bevorzugt erstreckt sich das Dichtungselement kontinuierlich von einer ersten Seite der Bipolarplatte durch die mindestens eine Öffnung auf eine zweite Seite der Bipolarplatte. Mehr bevorzugt weist die Bipolarplatte mindestens zwei Öffnungen auf, wobei jeweils ein Teil des Dichtungselements in einer der mindestens zwei Öffnungen angeordnet ist. Ferner kann sich das Dichtungselement entlang einer Innenwand des mindestens einen Ports kontinuierlich von der ersten Seite der Bipolarplatte auf die zweite Seite der Bipolarplatte erstrecken.Furthermore, the base plate can have at least one, in particular continuous, opening, with part of the sealing element being arranged in the at least one opening. The at least one opening is preferably arranged essentially vertically in the base plate. More preferably, the sealing element extends continuously from a first side of the bipolar plate through the at least one opening to a second side of the bipolar plate. More preferably, the bipolar plate has at least two openings, with part of the sealing element being arranged in one of the at least two openings. Furthermore, the sealing element can extend continuously along an inner wall of the at least one port from the first side of the bipolar plate to the second side of the bipolar plate.

Die Grundplatte weist bevorzugt mindestens einen Anschlag auf, wobei der mindestens eine Anschlag eine Anschlagshöhe besitzt, die maximal so groß ist wie die Höhe des Dichtungselements, insbesondere in einem unkomprimierten Zustand des Dichtungselements. Weiter bevorzugt beträgt die Anschlagshöhe mehr als 50 % und weniger als 100 %, insbesondere weniger als 90% der Höhe des Dichtungselements. Weiter bevorzugt weist die Bipolarplatte mindestens zwei Anschläge auf, wobei ein erster Anschlag auf der ersten Seite und ein zweiter Anschlag auf der zweiten Seite der Bipolarplatte angeordnet ist. The base plate preferably has at least one stop, the at least one stop having a stop height that is at most as great as the height of the sealing element, in particular when the sealing element is in an uncompressed state. More preferably, the stop height is more than 50% and less than 100%, in particular less than 90% of the height of the sealing element. More preferably, the bipolar plate has at least two stops, a first stop being located on the first side and a second stop being located on the second side of the bipolar plate.

Insbesondere erstreckt sich der mindestens eine Anschlag im Wesentlichen senkrecht von der Grundplatte. Der mindestens eine Anschlag kann durch einen Teil der Grundplatte gebildet sein oder als Einlegeteil ausgeführt sein. Der mindestens eine Anschlag kann zum Beispiel durch Umformung aus der Grundplatte hergestellt werden.In particular, the at least one stop extends essentially perpendicularly from the base plate. The at least one stop can be formed by a part of the base plate or can be designed as an insert. The at least one stop can be produced from the base plate, for example by forming.

Bevorzugt weist die Grundplatte, insbesondere in einer Querschnittsansicht, eine Wellenform auf und ist insbesondere als Wellblech ausgeführt. Der Durchlass ist insbesondere auf einer Außenseite eines Berges der Wellenform angeordnet. Weiterhin kann eine Berghöhe des Berges, an dessen Außenseite sich der Durchlass befindet, reduziert sein im Verhältnis zu benachbarten Bergen der Wellenform, so dass der Durchlass zwischen der Bipolarplatte 7 und einer an die Bipolarplatte angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung gebildet wird.The base plate preferably has a corrugated shape, in particular in a cross-sectional view, and is in particular in the form of corrugated sheet metal. In particular, the passage is arranged on an outside of a crest of the waveform. Furthermore, a peak height of the peak on the outside of which the passage is located can be reduced in relation to neighboring peaks of the waveform, so that the passage is formed between the bipolar plate 7 and a membrane electrode assembly adjacent to the bipolar plate.

Weist die Grundplatte eine Wellenform auf, so kann ein Teil der Grundplatte selbst den mindestens einen Anschlag bilden. Ferner kann die Wellenform zur Medienführung verwendet werden.If the base plate has a wave shape, part of the base plate itself can form the at least one stop. Furthermore, the waveform can be used for media guidance.

In der Anordnung elektrochemischer Zellen liegt insbesondere in dem Dichtungselement ein Abstand Δs zwischen der Bipolarplatte und der benachbart angeordneten, beziehungsweise angrenzenden, Membran-Elektroden-Anordnung vor, der insbesondere den Durchlass definiert.In the arrangement of electrochemical cells, in particular in the sealing element, there is a distance Δs between the bipolar plate and the adjacently arranged or adjoining membrane electrode arrangement, which in particular defines the passage.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Durch den Durchlass des Dichtungselements wird der mindestens eine Port mit der aktiven Fläche der Bipolarplatte fluidisch verbunden, wobei das Dichtungselement gleichzeitig den Port gegenüber der Umgebung abdichtet. Das Dichtungselement ist durch das enthaltene Elastomer verformbar. Auch nach einer potentiellen Verformung des Dichtungselements bleibt der Durchlass beziehungsweise ein Abstand zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung bestehen, so dass das mindestens eine Medium in diesem Bereich entlang des Dichtungselements geführt werden kann.The at least one port is fluidically connected to the active surface of the bipolar plate through the passage of the sealing element, with the sealing element simultaneously sealing the port from the environment. The sealing element can be deformed by the elastomer it contains. Even after a potential deformation of the sealing element, the passage or a distance between the bipolar plate and the membrane electrode assembly remains, so that the at least one medium can be guided along the sealing element in this area.

Die Verformung kann ferner zum Beispiel durch die Grundplatte in Wellenform oder durch den Anschlag begrenzt werden, so dass eine unerwünschte Verformung des Portbereichs und insbesondere des Durchlasses verhindert wird. Weiterhin kann die Wellenform der Grundplatte dazu dienen, den Portbereich zu versteifen und gleichzeitig die Medienführung zu optimieren.The deformation can also be limited, for example, by the wave-shaped base plate or by the stop, so that an undesired deformation of the port area and in particular of the passage is prevented. Furthermore, the corrugated shape of the base plate can be used to stiffen the port area and at the same time optimize media routing.

Darüber hinaus wird durch den optionalen Anschlag und/oder die Wellenform der Grundplatte eine übermäßige Belastung des Dichtungselements verhindert.In addition, the optional stop and/or the corrugated shape of the base plate prevents excessive stress on the sealing element.

Die mindestens eine Öffnung in der Bipolarplatte kann das Dichtungselement sicher in seiner Position halten. Gleiches kann auch durch die Wellenform der Grundplatte erzielt werden.The at least one opening in the bipolar plate can securely hold the sealing element in position. The same can also be achieved by the wave shape of the base plate.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle,
  • 2 eine Explosionsdarstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen,
  • 3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
  • 4 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte,
  • 5 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte und
  • 6 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts noch einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte.
Show it:
  • 1 a schematic representation of an electrochemical cell,
  • 2 an exploded view of an arrangement of electrochemical cells,
  • 3 a top view of a bipolar plate,
  • 4 a cross-sectional view of a section of a bipolar plate,
  • 5 a cross-sectional view of a detail of a further embodiment of a bipolar plate and
  • 6 a cross-sectional view of a detail of yet another embodiment of a bipolar plate.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

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. 1 shows schematically an electrochemical cell 1 in the form of a fuel cell. The electrochemical cell 1 has a membrane 2 as the electrolyte. The membrane 2 separates a cathode compartment 6 from an anode compartment 8.

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.An electrode layer 3 , a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 7 are arranged on the membrane 2 in the cathode compartment 6 and in the anode compartment 8 . The composite of the membrane 2 and the electrode layer 3 can also be referred to as a membrane-electrode assembly 4 .

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.Media 29 are fed into the bipolar plates 7 . Oxygen 9 passes through the bipolar plate 7 in the cathode compartment 6 to the gas diffusion layer 5 and hydrogen 11 passes through the bipolar plate 7 of the anode compartment 8 to the corresponding gas diffusion layer 5.

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. 2 FIG. 13 shows an exploded view of an assembly 13 of electrochemical cells 1 which constitutes a fuel cell stack. The arrangement 13 comprises individual electrochemical cells 1 which are clamped between current collectors 33 and end plates 35 using clamping elements 37 .

3 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 7, die eine aktive Fläche 53 und mehrere Ports 55 aufweist. 3 shows a plan view of a bipolar plate 7, which has an active surface 53 and a plurality of ports 55.

4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7. Es ist ein Endbereich 149 der Bipolarplatte 7 gezeigt, der einen Port 55 aufweist. Die Bipolarplatte 7 besitzt eine Grundplatte 123 und eine aktive Fläche 53. Die Grundplatte 123 weist zwei Öffnungen 157 auf. 4 shows a cross-sectional view of a section of a bipolar plate 7. An end region 149 of the bipolar plate 7 is shown, which has a port 55. The bipolar plate 7 has a base plate 123 and an active surface 53. The base plate 123 has two openings 157. FIG.

Weiterhin umfasst die Bipolarplatte 7 ein Dichtungselement 69, das teilweise zwischen dem Port 55 und der aktiven Fläche 53 angeordnet ist. Das Dichtungselement 69 besitzt einen Durchlass 27, durch den ein Medium 29 von dem Port 55 zur aktiven Fläche 53 geführt werden kann. Das Dichtungselement 69 besitzt im Verhältnis zu der Grundplatte 123 eine Höhe 155, wovon ein Teil von der Durchlasshöhe 153 des Durchlasses 27 eingenommen ist. Der Durchlass 27 verläuft in dem Dichtungselement 69 entlang der Grundplatte 123.Furthermore, the bipolar plate 7 includes a sealing element 69 which is partially arranged between the port 55 and the active surface 53 . The sealing element 69 has a passage 27 through which a medium 29 can be guided from the port 55 to the active surface 53 . The sealing element 69 has a height 155 in relation to the base plate 123 , a part of which is occupied by the passage height 153 of the passage 27 . The passage 27 runs in the sealing element 69 along the base plate 123.

Weiterhin weist die Grundplatte 123 einen Anschlag 151 mit einer Anschlagshöhe 159 auf, der eine Kompression des Dichtungselements 69, umfassend ein Elastomer, begrenzt.Furthermore, the base plate 123 has a stop 151 with a stop height 159, which limits a compression of the sealing element 69, comprising an elastomer.

5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte 7. Auch hier ist ein Endbereich 149 der Bipolarplatte 7 dargestellt, der einen Port 55 aufweist. Um den Port 55 herum befindet sich ein Dichtungselement 69 mit einem Durchlass 27 zur Durchführung des Mediums 29 in Richtung einer aktiven Fläche 53 der Bipolarplatte 7. Im Gegensatz zu 4 weist die Grundplatte 123 hier eine Wellenform auf und ist als Wellblech ausgeführt. Entsprechend weist die Grundplatte 123 einen Berg 161 auf, an dessen Außenseite 163 der Durchlass 27 des Dichtungselements 69 angeordnet ist. 5 shows a cross-sectional view of a detail of a further embodiment of a bipolar plate 7. An end area 149 of the bipolar plate 7, which has a port 55, is also shown here. A sealing element 69 with a passage 27 for carrying out the medium 29 in the direction of an active surface 53 of the bipolar plate 7 is located around the port 55. In contrast to FIG 4 the base plate 123 here has a wave shape and is designed as corrugated sheet metal. Correspondingly, the base plate 123 has a peak 161 on the outside 163 of which the passage 27 of the sealing element 69 is arranged.

6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts noch einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte 7. Im Vergleich zu 5 ist eine Berghöhe 162 des Bergs 161, an dessen Außenseite 163 sich der Durchlass 27 befindet, reduziert im Verhältnis zu benachbarten Bergen 161 der Wellenform, so dass der Durchlass 27 zwischen der Bipolarplatte 7 und einer an die Bipolarplatte 7 angepressten, also angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung 4 gebildet wird. 6 shows a cross-sectional view of a detail of yet another embodiment of a bipolar plate 7. Compared to FIG 5 is a peak height 162 of the peak 161, on the outside 163 of which the passage 27 is located, reduced in relation to neighboring peaks 161 of the waveform, so that the passage 27 between the bipolar plate 7 and a membrane electrode pressed against the bipolar plate 7, i.e. adjacent -Arrangement 4 is formed.

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.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • DE 10248531 B4 [0015]DE 10248531 B4 [0015]

Claims (10)

Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens einen Port (55), eine aktive Fläche (53), eine Grundplatte (123) und ein Dichtungselement (69), wobei das Dichtungselement (69) ein Elastomer umfasst, zumindest teilweise zwischen dem mindestens einen Port (55) und der aktiven Fläche (53) angeordnet ist und einen Durchlass (27) zur Durchführung mindestens eines Mediums (29) von dem mindestens einen Port (55) zu der aktiven Fläche (53) aufweist.Bipolar plate (7) for an electrochemical cell (1), comprising at least one port (55), an active surface (53), a base plate (123) and a sealing element (69), wherein the sealing element (69) comprises an elastomer, at least is partially arranged between the at least one port (55) and the active surface (53) and has a passage (27) for the passage of at least one medium (29) from the at least one port (55) to the active surface (53). Bipolarplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (69) aus dem Elastomer besteht.bipolar plate (7) after claim 1 , characterized in that the sealing element (69) consists of the elastomer. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (27) als Kanal, insbesondere als Nut, entlang der Grundplatte (123) ausgestaltet ist.Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the passage (27) is designed as a channel, in particular as a groove, along the base plate (123). Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (27) eine Durchlasshöhe (153) aufweist, die in einem Bereich von 20% bis 100% einer Höhe (155) des Dichtungselements (69) liegt.Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the passage (27) has a passage height (153) which is in a range from 20% to 100% of a height (155) of the sealing element (69). Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (123) mindestens eine, insbesondere durchgehende Öffnung (157) aufweist und ein Teil des Dichtungselements (69) in der mindestens einen Öffnung (157) angeordnet ist.Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the base plate (123) has at least one, in particular continuous, opening (157) and part of the sealing element (69) is arranged in the at least one opening (157). Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (123) mindestens einen Anschlag (151) aufweist, wobei der mindestens eine Anschlag (151) eine Anschlagshöhe (159) besitzt, die maximal so groß ist wie die Höhe (155) des Dichtungselements (69).Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the base plate (123) has at least one stop (151), the at least one stop (151) having a stop height (159) which is at most as great as the height (155) of the sealing element (69). Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (123) eine Wellenform aufweist.Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the base plate (123) has a corrugated shape. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (69) den mindestens einen Port (55) umgibt.Bipolar plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing element (69) surrounds the at least one port (55). Anordnung (13) elektrochemischer Zellen (1), umfassend mindestens eine Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung (4), wobei das Dichtungselement (69) an der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung (4) anliegt.Arrangement (13) of electrochemical cells (1), comprising at least one bipolar plate (7) according to one of Claims 1 until 8th and at least one membrane electrode assembly (4), wherein the sealing element (69) rests against the at least one membrane electrode assembly (4). Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Dichtungselement (69) durch Anspritzen an die Bipolarplatte (7) hergestellt wird.Method for producing a bipolar plate (7) according to one of Claims 1 until 8th , wherein the sealing element (69) is produced by injection molding onto the bipolar plate (7).
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