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Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches System, insbesondere Brennstoffzellen-System, welches entsprechend dem Obergriff des Anspruchs 1 in Stapelform aufgebaut ist.
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Ein elektrochemisches System ist beispielsweise aus der
DE 20 2016 107 302 U1 bekannt. Das bekannte elektrochemische System umfasst eine Mehrzahl an Bipolarplatten, welche jeweils aus zwei Separatorplatten zusammengesetzt sind. Die Separatorplatten umfassen jeweils eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Mediums und einen Verteil- oder Sammelbereich mit einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung stehen. Ferner weist die bekannte Separatorplatte ein Strömungsfeld auf, das über den Verteil- oder Sammelbereich mit der Durchgangsöffnung verbunden ist und Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums aufweist.
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Eine weitere Separatorplatte, welche ebenfalls für die Verwendung in einem elektrochemischen System vorgesehen ist, ist in der
DE 20 2015 204 300 U1 offenbart. In diesem Fall wird die Bezeichnung Separatorplatte für eine komplette Bipolarplatte verwendet, wobei diese aus sogenannten Einzelplatten, das heißt Halbblechen, zusammengesetzt ist. Durch die beiden Einzelplatten sind Konturen von Kanälen gebildet, wobei Kreuzungsbereiche zwischen verschiedenen Kanälen existieren.
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Die
US 4,983,472 A offenbart eine, einen elektrischen Strom führende Platte einer Brennstoffzelle, welche zwischen einer flächigen Elektrode und einer weiteren Platte angeordnet ist. Die stromführende Platte weist eine Strukturierung in der Art eines Schachbrettmusters auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrochemische Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei zugleich günstige strömungstechnische Verhältnisse innerhalb des elektrochemischen Systems gegeben sein sollen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrochemisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das elektrochemische System umfasst eine Mehrzahl gestapelter Bipolarplatten, welche jeweils aus zwei strukturierten, Wellenberge und Wellentäler beschreibenden Halbblechen zusammengesetzt sind. Zwischen den Halbblechen einer jeden Bipolarplatte sind durch die Wellenberge und Wellentäler Kühlmittelkanäle gebildet, wobei die Bipolarplatten auf ihren Außenseiten zugleich Strömungskanäle für Betriebsmedien begrenzen und sich jeweils zwischen zwei Bipolarplatten eine Membrananordnung befindet.
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In einem Aktivfeld der Bipolarplatte sind die Strömungskanäle für die Medien, welche den Stapel an Bipolarplatten durchströmen, spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei sich die Spiegelsymmetrie auf die Ebene, in der die Membrananordnung liegt, bezieht. Zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld jeder Bipolarplatte existiert ein Übergangsbereich, in dem die zunächst deckungsgleich übereinanderliegenden Strömungskanäle derart auseinanderlaufen, dass sich eine in Querrichtung der Strömungskanäle versetzte Anordnung von Strömungskanälen, welche auf der ersten Seite der Membrananordnung liegen, und Strömungskanälen, welche auf der gegenüberliegenden Seite der Membrananordnung liegen, ergibt.
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Durch den in Draufsicht auf die Bipolarplatte innerhalb des Übergangsbereiches gegebenen, vom Aktivfeld zum Verteilerfeld zunehmenden Versatz zwischen Strömungskanälen, welche sich aufeinander entgegengesetzten Seiten jeder Bipolarplatte befinden, ist die Möglichkeit gegeben, dass sich die Halbbleche der Bipolarplatte in entsprechend gegeneinander versetzten Oberflächenabschnitten an umgebenden, flächigen Bauteilen abstützen. Damit sind geometrische Ungenauigkeiten, welche bei der Serienfertigung gegeben sein können, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen unter Wahrung der erforderlichen Dichtheit besser ausgleichbar. Zugleich können selbst bei dichter Stapelung der Platten große, strömungsgünstige Querschnitte der durch die Halbbleche begrenzten Strömungskanäle bereitgestellt werden.
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Gemäß einer ersten Gestaltungsmöglichkeit der Bipolarplatten laufen innerhalb des Übergangsbereichs die, die Kühlmittelkanäle bildenden Wellenberge und Wellentäler des ersten Halbblechs einer jeden Bipolarplatte derart gegenüber den Wellenbergen und Wellentälern des zweiten Halbblechs auseinander, dass im Aktivfeld gegebene getrennte, zueinander parallele Kühlmittelkanäle in jeder Bipolarplatte in einen zusammenhängenden, sich über mehrere Wellenberge und Wellentäler erstreckenden, für eine besonders gleichmäßige Kühlung sorgenden Kühlmittelraum übergehen. Dies bedeutet, dass ein breiter, gewellter, zwischen den Halbblechen einer Bipolarplatte gebildeter offener Querschnitt, der von Kühlmittel durchströmbar ist und zum Verteilerfeld der Bipolarplatte hin offen ist, sich - vom Verteilerfeld aus betrachtet - in Richtung zum Aktivfeld in einzelne Kühlmittelkanäle aufsplittet.
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In demjenigen Abschnitt des Übergangsbereichs, in welchem die einzelnen Kühlmittelkanäle einer jeden Bipolarplatte zu einem Kühlmittelraum vereint sind, kann die Membrananordnung lose zwischen den benachbarten Bipolarplatten liegen, wobei die Auslenkbarkeit der Membrananordnung durch die genannten Bipolarplatten, in Querrichtung der Strömungskanäle betrachtet, alternierend in lediglich einer Richtung, jeweils normal zur genannten, durch die Membrananordnung definierten Ebene, blockiert ist. Die Membrananordnung stützt sich somit abwechselnd beispielsweise an einer Bipolarplatte, welche sich auf der Oberseite der Membrananordnung befindet, und an einer auf der Unterseite der Membrananordnung befindlichen Bipolarplatte ab, wobei die Angaben „Oberseite“ und „Unterseite“ keine Information über die tatsächliche Ausrichtung der Bipolarplatten im Raum implizieren. Dabei wird eine gewisse Flexibilität der Membrananordnung ausgenutzt, die eine wellenförmige Auslenkung der Membrananordnung aus der, durch die Membrananordnung im Bereich des Aktivfeldes vorgegebenen Ebene erlaubt.
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Insbesondere kann die Membrananordnung, welche lose zwischen den benachbarten Biopolarplatten liegt, im Querschnitt die Wellenform der Halbbleche, jedoch mit weniger ausgeprägten Wellenbergen und Wellentälern, wiedergeben, womit sich der Eindruck einer gewebten Struktur ergibt. Damit können in dem entsprechenden, an das Verteilerfeld grenzenden Abschnitt des Übergangsbereichs sowohl die Anordnungen aus den Halbblechen als auch die Membrananordnungen Verformungen in normaler Richtung der Plattenanordnung aufnehmen, wobei derartige Verformungen thermisch und/oder durch von außen einwirkende Kräfte bedingt sein können.
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Was den genauen Verlauf der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld betrifft, existieren verschiedene geometrische Varianten:
- Gemäß einer ersten Variante sind die Strömungskanäle am an das Aktivfeld grenzenden Rand des Übergangsbereiches gegenüber der Ausrichtung, welche die Strömungskanäle am an das Verteilerfeld grenzenden Rand des Übergangsbereiches haben, schräg gestellt. In typischer, vertikaler Ausrichtung der Bipolarplatten handelt es sich bei den genannten Rändern beispielsweise um den unteren und den oberen Rand des Übergangsbereiches.
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Ebenso sind Varianten realisierbar, in welchen die Strömungskanäle an beiden Rändern des Übergangsbereichs in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Hierbei sind die Strömungskanäle auf der einen Seite der Bipolarplatte innerhalb des Übergangsbereiches beispielsweise komplett gerade, während die Strömungskanäle auf der entgegengesetzten Seite der Bipolarplatte am an das Aktivfeld grenzenden Rand des Übergangsbereichs gegenüber demjenigen Rand des Übergangsbereichs, welcher an das Verteilerfeld grenzt, parallel versetzt sind, wobei der Parallelversatz insbesondere der Breite eines Strömungskanals entsprechen kann.
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Sofern keiner der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs eine komplett gerade Form aufweist, können die Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs beispielsweise Y-förmig auseinanderlaufen. Damit sind gleiche Strömungsverhältnisse auf beiden Seiten der Bipolarplatte herstellbar.
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Das elektrochemische System kann in Form eines Brennstoffzellen-Stapels oder Brennstoffzellen-Stacks für mobile oder für stationäre Anwendungen vorgesehen sein. Insbesondere handelt es sich bei der Membrananordnung um eine Polymerelektrolytmembrane (PEM), so dass eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorliegt, die insbesondere zum Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas eingesetzt wird.
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Die Bipolarplatten sind insbesondere aus dreidimensional geprägten Metallblechen, insbesondere aus Stahl, Titan oder einer Titanlegierung, hergestellt und können mit Beschichtungen versehen und/oder mit weiteren Bestandteilen, insbesondere Gasdiffusionsschichten, die üblicherweise zwischen einer Membrananordnung und einer Bipolarplatte angeordnet werden, des elektrochemischen Systems verbunden sein. Dabei werden zwei geprägte Metallbleche miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen, wobei zwischen den Metallblechen ein von Kühlmittel durchströmbarer Kühlmittelraum gebildet wird.
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Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in schematischer Ansicht einen Ausschnitt eines elektrochemischen Systems,
- 2 und 3 jeweils einen Schnitt A-A beziehungsweise B-B durch die Anordnung nach 1,
- 4 eine alternative Gestaltung eines elektrochemischen Systems in einer Ansicht analog 1,
- 5 ein weiteres elektrochemisches System in einer Darstellung analog 1.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sowie Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen System handelt es sich um einen Brennstoffzellen-Stapel. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus sowie der Funktion von Brennstoffzellen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 2, welche jeweils aus zwei Halbblechen 3, 4 gebildet und zu einem Stack gestapelt sind. Zwischen den Bipolarplatten 2 befindliche Membrananordnungen sind mit 5 bezeichnet. Im Vergleich zu den Bipolarplatten 2 weisen die Membrananordnungen 5, zumindest in bestimmten Flächenabschnitten, eine erhöhte Flexibilität auf. Diese Flexibilität betrifft insbesondere die Nachgiebigkeit bei Belastungen, welche senkrecht auf die im Wesentlichen plattenförmigen, gestapelten Anordnungen 2, 5 wirken. Die genannte Flexibilität kann sich unter anderem in einer durch die Membrananordnung 5 beschriebene Wellenform 22 ausdrücken, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Durch das elektrochemische System 1 geleitete Medien durchströmen ein Verteilerfeld 8, einen Übergangsbereich 7 und ein Aktivfeld 6, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Dagegen finden im Verteilerfeld 8 und im Übergangsbereich 7 noch keine elektrochemischen Reaktionen statt. Die Membrananordnung 5 weist daher innerhalb des Verteilerfeldes 8 und des Übergangsbereiches 7 einen Aufbau auf, welcher vom Aufbau innerhalb des Aktivfeldes 6 abweicht.
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Durchgehend vom Verteilerfeld 8 bis zum Aktivfeld 6 sind durch die Membrananordnung 5 zahlreiche Strömungskanäle 9, welche sich auf der ersten Seite der Membrananordnung 5 befinden, von Strömungskanälen 10 auf der zweiten Seite der Membrananordnung 5 getrennt. Die erste Seite der Membrananordnung 5 wird im vorliegenden Fall ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Oberseite, die zweite Seite der Membrananordnung 5 auch als Unterseite bezeichnet.
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Die innerhalb des Aktivfeldes 6 befindlichen Ausgangsabschnitte der Strömungskanäle 9, 10 sind einheitlich mit 11 bezeichnet. Sämtliche Ausgangsabschnitte 11 sind parallel zueinander angeordnet, wobei stets ein Ausgangsabschnitt 11 auf der Oberseite der Membrananordnung 5 spiegelsymmetrisch zu einem Ausgangsabschnitt 11 auf der Unterseite der Membrananordnung 5 angeordnet ist. Bezogen auf die Ansicht nach den 1, 4, 5 bedeutet dies, dass jeweils zwei Ausgangsabschnitte 11 innerhalb des Aktivfeldes 6 genau übereinander angeordnet sind. Im Unterschied hierzu liegen die mit 12, 13 bezeichneten Eingangsabschnitte der Strömungskanäle 9, 10, wie ebenfalls aus den 1, 4, 5 hervorgeht, alternierend nebeneinander.
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Dies bedeutet, dass ein Eingangsabschnitt 12, welcher einem Strömungskanal 9 zuzurechnen ist, in jedem Fall neben einem Eingangsabschnitt 13, welcher einem Strömungskanal 10 zuzurechnen ist, liegt oder von zwei Eingangsabschnitten 13 benachbart ist. In der Draufsicht stellt dies eine Auffächerung der Strömungskanäle 9, 10 innerhalb des Übergangsbereichs 7, welcher das Aktivfeld 6 strömungstechnisch mit dem Verteilerfeld 8 verbindet, dar.
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Die in den Figuren oben liegenden Strömungskanäle 9 weisen in allen Ausführungsbeispielen innerhalb des Übergangsbereichs 7 eine erste Knickstelle 14 auf. In den in den 4 und 5 dargestellten Fällen ist zusätzlich eine zweite Knickstelle 15 eines Strömungskanals 9 gegeben. Abweichend von den vereinfachten Darstellungen können die sogenannten Knickstellen 14, 15 abgerundet ausgeführt sein.
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Der in den skizzierten Ausführungsbeispielen unten liegende Strömungskanal 10 weist im Fall von 1 eine einzige Knickstelle 14, im Fall von 4 einen durchgehend geraden Verlauf, und im Fall von 5 zwei Knickstellen 14, 15 auf. In allen Fällen sind sämtliche Ausgangsabschnitte 12, 13 der Strömungskanäle 9, 10 parallel zueinander ausgerichtet. Hierbei sind die Eingangsabschnitte 12, 13 im Fall von 1 gegenüber den Ausgangsabschnitten 11 schräggestellt, wogegen in den Ausgestaltungen nach den 4 und 5 eine Parallelität sämtlicher Abschnitte 11, 12, 13 gegeben ist.
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Jedes Halbblech 3, 4 weist eine Wellenstruktur 16 auf, durch die Wellenberge 17 und Wellentäler 18 beschrieben sind. Im Aktivfeld 6 ist jeweils ein Wellenberg 17 spiegelsymmetrisch zu einem Wellental 18 angeordnet, sodass dazwischen ein Kühlmittelkanal 19 gebildet ist. Parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle 19 sind durch Stege 21, welche durch aufeinander liegende Abschnitte der Halbbleche 3, 4 gebildet sind, voneinander getrennt. Im Bereich der Stege 21 können die Halbbleche 3, 4 miteinander verschweißt oder verlötet sein. Die Strömungskanäle 9, 10 befinden sich jeweils zwischen der Membrananordnung 5 und einem Steg 21, wobei sie zugleich an jeweils zwei Kühlmittelkanäle 19 grenzen.
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Innerhalb des Übergangsbereichs 7 verschieben sich die Wellenstrukturen 16 der Halbbleche 3, 4 derart zueinander, dass, wie der Schnitt A-A, der auch für die Varianten nach den 4 und 5 gilt, zeigt, stets ein Wellenberg 17 über einem Wellenberg 17 und ein Wellental 18 über einem Wellental 18 liegt. Damit sind die Kühlmittelkanäle 19 aufgelöst und zu einem einzigen Kühlmittelraum 20 vereinigt, der sich im Schnitt (2) zwischen den Halbblechen 3, 4 schlängelt. Im Unterschied zu den Kühlmittelkanälen 19 sind die Strömungskanäle 9, 10 weiterhin voneinander unterscheidbar, wobei die Trennung durch die Membrananordnung 5 gegeben ist. Wie ein Vergleich der 3 und 2 veranschaulicht, ist jedoch durch die Halbbleche 3, 4, welche zusammenhängende Kühlmittelräume 20 bilden, keine starre Fixierung der Membrananordnung 5 gegeben. Vielmehr kann die Membrananordnung 5 in einer Wellenform 22 zwischen Halbblechen 4, 3 benachbarter Bipolarplatten 2 liegen. Einhergehend mit elastischen Auslenkungen der Halbbleche 3, 4 sind somit in demjenigen Abschnitt des Übergangsbereichs 7, der an das Aktivfeld 8 grenzt, in begrenztem Maße auch Formänderungen der Membrananordnung 5 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrochemisches System
- 2
- Bipolarplatte
- 3
- Halbblech
- 4
- Halbblech
- 5
- Membrananordnung
- 6
- Aktivfeld
- 7
- Übergangsbereich
- 8
- Verteilerfeld
- 9
- Strömungskanal auf der ersten Seite der Membrananordnung
- 10
- Strömungskanal auf der zweiten Seite der Membrananordnung
- 11
- Ausgangsabschnitt eines Strömungskanals
- 12
- Eingangsabschnitt eines Strömungskanals
- 13
- Eingangsabschnitt eines Strömungskanals
- 14
- erste Knickstelle eines Strömungskanals
- 15
- zweite Knickstelle eines Strömungskanals
- 16
- Wellenstruktur eines Halbblechs
- 17
- Wellenberg
- 18
- Wellental
- 19
- Kühlmittelkanal
- 20
- Kühlmittelraum
- 21
- Steg
- 22
- Wellenform der Membrananordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202016107302 U1 [0002]
- DE 202015204300 U1 [0003]
- US 4983472 A [0004]
