DE102022119219A1

DE102022119219A1 - Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung und elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022119219A1
Application number: DE102022119219.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Schaich; Joachim Scherer; Leander Hess; Simon Grünenwald
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024028093A1

Abstract

Um eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte Folgendes umfasst:- mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung, welche einen Bestandteil eines Mediumkanals bildet, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt;- eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung herum erstreckt;- mehrere Mediumeinlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen; und- mehrere Mediumauslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, zu schaffen, bei welcher der bei der Strömung des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung durch die Mediumeinlässe, den Innenraum der Abdichtsicke und die Mediumauslässe auftretende Druckverlust möglichst gering ist und wobei vorzugsweise das Medium möglichst gleichmäßig über einen Medium-Einlassbereich eines Medium-Verteilbereichs verteilt aus den Mediumauslässen ausströmt, wird vorgeschlagen, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte Folgendes umfasst:

- mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung, welche einen Bestandteil eines Medium-Kanals bildet, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt;
- eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung herum erstreckt;
- mehrere Mediumeinlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen; und
- mehrere Mediumauslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen.

Die Mediumeinlässe und die Mediumauslässe, durch welche der Innenraum der Abdichtsicke mit der Medium-Durchtrittsöffnung beziehungsweise mit dem die Abdichtsicke umgebenden Außenraum in Fluidverbindung steht, werden auch als Gaspforten bezeichnet.
Diese Mediumeinlässe und Mediumauslässe oder Gaspforten sind an den Flanken der Abdichtsicke angeordnet und ermöglichen den Durchtritt des jeweiligen Mediums vom jeweiligen Medium-Kanal in einen Medium-Verteilbereich und von dort in ein Medium-Strömungsfeld der Bipolarplatte.
Bei bekannten Bipolarplatten der vorstehend genannten Art sind gleich viele Mediumeinlässe wie Mediumauslässe vorhanden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der bei der Strömung des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung durch die Mediumeinlässe, den Innenraum der Abdichtsicke und die Mediumauslässe auftretende Druckverlust möglichst gering ist, wobei vorzugsweise das Medium möglichst gleichmäßig über einen Medium-Einlassbereich eines Medium-Verteilbereichs verteilt aus den Mediumauslässen ausströmt.
Diese Aufgabe wird bei einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.
Die durchströmbaren Querschnitte der Mediumeinlässe und der Mediumauslässe werden dabei längs einer Ebene genommen, welche parallel zur Stapelrichtung und senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung des Mediums durch den betreffenden Mediumeinlass oder Mediumauslass ausgerichtet ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, den Innenraum der Abdichtsicke mit dem betreffenden Medium zu überfüllen. Da der durchströmbare Querschnitt des Innenraums der Abdichtsicke selbst deutlich größer ist als der durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe und der Mediumauslässe, trägt der Strömungswiderstand innerhalb der Abdichtsicke kaum zum Druckabfall im Medium bei dessen Strömung von der Medium-Durchtrittsöffnung auf die Außenseite der Abdichtsicke bei. Durch die Vergrößerung des gesamten durchströmbaren Querschnitts der Mediumeinlässe wird ein maximaler Mediumstrom an den Mediumauslässen an der Außenseite der Abdichtsicke erreicht.
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit beim Durchströmen der Mediumeinlässe wird geringer, was den Druckabfall im Medium an den Mediumeinlässen reduziert und auch den gesamten Druckabfall beim Durchtritt des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung bis zur Außenseite der Abdichtsicke verringert. Der gesamte Druckabfall wird dann im Wesentlichen durch den Strömungswiderstand der Mediumauslässe bestimmt.
Besonders günstig ist es, wenn der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.
Grundsätzlich kann der durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe durch die Wahl der Anzahl der Mediumeinlässe und durch die Wahl der Größe der durchströmbaren Querschnittsfläche der Mediumeinlässe beeinflusst werden.
Ebenso kann der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe durch die Wahl der Anzahl der Mediumauslässe und durch die Wahl der Größe der durchströmbaren Querschnittsfläche der Mediumauslässe beeinflusst werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Mediumeinlässe größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe, jeweils an derselben Abdichtsicke.
In diesem Fall kann der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Mediumeinlasses beispielsweise im Wesentlichen gleich groß sein wie der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Mediumauslasses.
Besonders günstig ist es, wenn die Anzahl der Mediumeinlässe um zwei oder mehr größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe.
Die Mediumeinlässe sind vorzugsweise längs des Umfangs der Abdichtsicke versetzt zu den Mediumauslässen angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte einen elektrochemisch aktiven Bereich umfasst, welcher ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld, ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld umfasst, wobei die Bipolarplatte einen Medium-Verteilbereich umfasst, über welchen die Medium-Durchtrittsöffnung in Fluidverbindung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich der Bipolarplatte steht.
Aus dem Anodengas-Strömungsfeld des elektrochemisch aktiven Bereichs gelangt Anodengas - gegebenenfalls durch eine anodenseitige Gasdiffusionslage hindurch - zu einer Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung. Aus dem Kathodengas-Strömungsfeld des elektrochemisch aktiven Bereichs gelangt Kathodengas - gegebenenfalls durch eine kathodenseitige Gasdiffusionslage hindurch - zu einer Kathode einer Membran-Elektroden-Anordnung. Der das Anodengas-Strömungsfeld und das Kathodengas-Strömungsfeld umfassende Bereich der Bipolarplatte wird daher als deren elektrochemisch aktiver Bereich bezeichnet, obwohl an der Bipolarplatte selbst keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
Vorzugsweise ist mindestens ein Mediumauslass so an der Abdichtsicke angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium auf einen Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gerichtet aus dem Mediumauslass ausströmt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mehrere Mediumauslässe an einem Verteilbereichsabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher einem Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gegenüberliegt.
Besonders günstig ist es, wenn alle Mediumauslässe einer Abdichtsicke an dem Verteilbereichsabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher dem Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gegenüberliegt.
Ferner ist vorzugsweise mindestens ein Mediumeinlass außerhalb des Verteilbereichsabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens zwei Mediumeinlässe, insbesondere mindestens drei Mediumeinlässe, besonders bevorzugt mindestens vier Mediumeinlässe, außerhalb des Verteilbereichsabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Mediumauslässe an einem Medium-Auslassabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher an einem ersten äußeren Mediumauslass beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass endet. Alle anderen Mediumauslässe liegen dann, längs des Umfangs der Abdichtsicke verteilt, zwischen dem ersten äußeren Mediumauslass und dem zweiten äußeren Mediumauslass.
In diesem Fall ist es günstig, wenn mindestens ein Mediumeinlass außerhalb des Medium-Auslassabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet ist.
Vorzugsweise sind mindestens zwei Mediumeinlässe, insbesondere mindestens drei Mediumeinlässe, besonders bevorzugt mindestens vier Mediumeinlässe, außerhalb des Medium-Auslassabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet.
Eine Längsrichtung der Bipolarplatte verläuft vorzugsweise parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld der Bipolarplatte. Dabei ist vorzugsweise mindestens ein Mediumeinlass so an der Abdichtsicke angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Bipolarplatte durch den Mediumeinlass in den Innenraum der Abdichtsicke einströmt.
Die Längsrichtung der Bipolarplatte ist vorzugsweise parallel zu den langen Seiten einer - in einer Draufsicht längs der Stapelrichtung gesehen - im Wesentlichen rechteckigen Bipolarplatte ausgerichtet.
Um die mechanische Stabilität und die Federeigenschaften der Abdichtsicke in den gekrümmten Abschnitten der Abdichtsicke nicht negativ zu beeinflussen, ist es günstig, wenn kein Mediumeinlass an einem gekrümmten Abschnitt eines Randes der Medium-Durchtrittsöffnung angeordnet ist.
Dadurch wird eine homogene Verpressung der Abdichtsicke erzielt.
Der durchströmbare Querschnitt der Abdichtsicke ist vorzugsweise größer als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals eines dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds der Bipolarplatte.
Die Medium-Durchtrittsöffnung, für deren zugeordnete Abdichtsicke gilt, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe, kann eine Anodengas-Durchtrittsöffnung, eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung oder eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung der Bipolarplatte sein.
Besonders günstig ist es, wenn für alle Abdichtsicken an der Anodengas-Durchtrittsöffnung, an der Kathodengas-Durchtrittsöffnung und an der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung gilt, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe an der jeweils zugeordneten Abdichtsicke um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass eine Anodengas-Durchtrittsöffnung, eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung der Bipolarplatte alle von jeweils einer Abdichtsicke umgeben sind, an welcher Mediumeinlässe und Mediumauslässe angeordnet sind, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe an jeder dieser Abdichtsicken um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe an der jeweiligen Abdichtsicke.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung als Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen und jeweils eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfassen, umfasst.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Vorrichtung als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen Endbereich einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen, welche jeweils einen Bestandteil eines Medium-Kanals bilden, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt, jeweils eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung herum erstreckt, jeweils mehrere MediumEinlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, und jeweils mehrere Medium-Auslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, umfasst, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der MediumEinlässe an einer Abdichtsicke um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Medium-Auslässe an derselben Abdichtsicke, mit der Blickrichtung auf die Kathodenseite der Bipolarplatte;
2 eine Draufsicht auf den Endbereich der Bipolarplatte aus 1, mit der Blickrichtung auf die Anodenseite der Bipolarplatte;
3 eine Draufsicht auf die Innenseite des Endbereichs einer anodenseitigen Bipolarplattenlage der Bipolarplatte aus den 1 und 2; und
4 eine Draufsicht auf die Innenseite des Endbereichs einer kathodenseitigen Bipolarplattenlage der Bipolarplatte aus den 1 und 2.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 bis 4 ausschnittsweise dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Bipolarplatte bildet einen Bestandteil einer (nicht als Ganzes dargestellten) elektrochemischen Einheit 102, welche außer der Bipolarplatte 100 eine Membran-Elektroden-Anordnung, Gasdiffusionslagen und eine Dichtungsanordnung umfassen kann.
Mehrere solcher elektrochemischer Einheiten 102 folgen längs einer Stapelrichtung 104 aufeinander, um einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 zu bilden, welcher ein Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung 106, beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung, ist.
Die Bipolarplatte 100 weist eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf, wobei sich lange Seiten 107 der Bipolarplatte 100 längs einer Längsrichtung 108 und kurze Seiten 109 der Bipolarplatte 100 längs einer Querrichtung 110 der Bipolarplatte 100 erstrecken.
Die Längsrichtung 108 und die Querrichtung 110 sind vorzugsweise senkrecht zueinander und senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtet.
Die Längsrichtung 108 wird auch als die x-Richtung bezeichnet, die Querrichtung 110 wird als die y-Richtung bezeichnet, und die Stapelrichtung 104 wird als die z-Richtung bezeichnet.
Die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung spannen ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf.
Die Bipolarplatte 100 weist zwei Endbereiche 112 und einen zwischen den Endbereichen 112 liegenden elektrochemisch aktiven Bereich 114 auf.
Der elektrochemisch aktive Bereich 114 der Bipolarplatte 100 umfasst ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld 116, ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld 118 und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld 120.
Die Bipolarplatte 100 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zweilagig ausgebildet und umfasst eine anodenseitige Bipolarplattenlage 122, an welcher das Anodengas-Strömungsfeld 116 ausgebildet ist, und eine kathodenseitige Bipolarplattenlage 124, an welcher das Kathodengas-Strömungsfeld 118 ausgebildet ist.
Die Bipolarplattenlagen 122 und 124 bestehen aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, vorzugsweise aus einem metallischen Material.
Die Bipolarplattenlagen 122 und 124 sind längs (zeichnerisch nicht dargestellter) Fügelinien stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, insbesondere durch Laserschweißung.
Das Anoden-Strömungsfeld 116 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine anodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer anodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Das Kathoden-Strömungsfeld 118 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine kathodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer kathodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Somit können Anodengas und Kathodengas aus dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zu den elektrochemisch aktiven Bereichen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung gelangen. Deshalb wird der mit dem Anodengas-Strömungsfeld 116 und dem Kathodengas-Strömungsfeld 118 versehene Bereich der Bipolarplatte 100 als deren elektrochemisch aktiver Bereich 114 bezeichnet, obwohl an der Bipolarplatte 100 selbst keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
Das Anodengas-Strömungsfeld 116 umfasst Anodengas-Strömungskanäle 126, deren Hauptströmungsrichtung parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet ist.
Das Kathodengas-Strömungsfeld 118 umfasst Kathodengas-Strömungskanäle 128, deren Hauptströmungsrichtung sich parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 erstreckt.
In ihren Endbereichen 112, von denen in den 1 bis 4 ein erster Endbereich 112a dargestellt ist, weist die Bipolarplatte 100 jeweils mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführendes fluides Medium (ein Anodengas (Brenngas, beispielsweise Wasserstoff), ein Kathodengas (Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft) oder ein Kühlmittel (beispielsweise Wasser)) durch die Bipolarplatte 100 hindurchtreten kann. Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 100 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 130 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 132.
Jedem der Mediumkanäle 132 in einem der Endbereiche 112 der Bipolarplatte 100, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils ein anderer Mediumkanal 132 in dem jeweils gegenüberliegenden Endbereich 112 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 abführbar ist.
Dabei gelangen die fluiden Medien durch das Anodengas-Strömungsfeld 116, das Kathodengas-Strömungsfeld 118 bzw. das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 im elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 von dem einen Endbereich 112 zu dem anderen Endbereich 112.
In dem in den 1 bis 4 dargestellten ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 sind eine Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 angeordnet.
Dabei kann jede dieser Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 grundsätzlich wahlweise der Zufuhr des betreffenden Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 oder der Abfuhr des betreffenden Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Grundsätzlich kann jedes der drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmittel den elektrochemisch aktiven Bereich 114 parallel zu den jeweils anderen Medien oder mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtungen von einem oder zwei der anderen Medien durchströmen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle im ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Zufuhr des jeweiligen Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 und die im zweiten Endbereich 112 der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Abfuhr des jeweiligen Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Um ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den jeweils zugeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 zu verhindern, ist jede dieser Durchtrittsöffnungen mit jeweils einer Abdichtsicke 140 versehen.
Die Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 ist von einer Anodengas-Abdichtsicke 142 umgeben.
Um das Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 dem Anodengas-Strömungsfeld 136 zuführen zu können, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandten Innenseite mit mehreren Anodengaseinlässen 144 versehen, durch welche Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 in den Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 einströmen kann (siehe 2).
Die Anodengaseinlässe 144 münden jeweils an einem Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodengaseinlässe 144 jeweils an einem geradlinigen Randabschnitt 148, 150 oder 152 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 münden.
Der geradlinige Randabschnitt 148 verläuft schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt.
An dem Randabschnitt 148 sind mehrere, vorzugsweise mindestens drei, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, Anodengaseinlässe, angeordnet, durch welche das Anodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 150 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandt.
An dem Randabschnitt 150 münden ein oder mehrere Anodengaseinlässe 144, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Anodengaseinlässe 144.
Der geradlinige Randabschnitt 152 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 abgewandt.
An dem Randabschnitt 152 münden vorzugsweise ein oder mehrere Anodengaseinlässe 144, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Anodengaseinlässe 144, durch welche das Anodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 einströmt.
Ferner umfasst der Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 einen geradlinigen Randabschnitt 153, welcher vorzugsweise schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet und vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandt ist.
An dem Randabschnitt 153 mündet vorzugsweise kein Anodengaseinlass 144.
Zusammen bilden die Randabschnitte 148, 150, 152 und 153 einen polygonalen Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 viereckig ausgebildet; der polygonale Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 kann aber auch mehr oder weniger als vier Ecken aufweisen.
Die Ecken der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 sind vorzugsweise gerundet ausgebildet, um ein Einreißen der Bipolarplattenlagen 122 und 124 im Bereich dieser Ecken zu vermeiden.
Um ein Austreten des Anodengases aus dem Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 zu ermöglichen, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 abgewandten Außenseite mit mehreren Anodengasauslässen 154 versehen.
Die Anodengasauslässe 154 sind vorzugsweise an einem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist.
Der Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 148 des Randes 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 157a und 157b des Randes 146, welche den geradlinigen Randabschnitt 148 mit dem Randabschnitt 150 beziehungsweise mit dem Randabschnitt 152 verbinden.
Dabei sind vorzugsweise an dem Abschnitt 156 mehrere, vorzugsweise mindestens vier, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs, Anodengasauslässe 154 angeordnet.
Die Anodengaseinlässe 144, welche an demselben Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet sind, sind vorzugsweise längs der Umfangsrichtung der Anodengas-Abdichtsicke 142 gegenüber den Anodengasauslässen 154 versetzt.
Ferner umfasst die Anodengas-Abdichtsicke 142 noch weitere Abschnitte 158a, 158b und 160, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den parallel zur Längsrichtung 108 der Bipolarplatte 100 verlaufenden geradlinigen Randabschnitten 150 und 152 beziehungsweise im Wesentlichen parallel zu dem dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 153 des Randes 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 ausgerichtet sind.
Das Anodengas strömt durch die Anodengasauslässe 154 an dem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 in einen Anodengas-Verteilbereich 170 aus, welcher dazu dient, das Anodengas möglichst gleichmäßig auf die Anodengas-Strömungskanäle 126 des Anodengas-Strömungsfelds 116 zu verteilen.
Der Anodengas-Verteilbereich 170 umfasst jeweils mehrere gerichtete Verteilerstrukturen 172 und mehrere ungerichtete Verteilerstrukturen 174, welche dazu dienen, das Anodengas aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung abzulenken.
Dabei sind die gerichteten Verteilerstrukturen 172 beispielsweise als sich im Wesentlichen linear erstreckende Verteilerstege 176 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 174 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 178 ausgebildet.
Die Verteilerstrukturen 172 und 174 sind, ebenso wie alle anderen vorstehend und nachstehend beschriebenen Strukturen der Bipolarplatte 100, vorzugsweise einstückig mit dem Material der Bipolarplattenlagen 122 oder 124 ausgebildet und in die jeweilige Bipolarplattenlage 122 bzw. 124 durch einen Umformvorgang, beispielsweise durch einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang, eingebracht.
Die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 ist von einer Kathodengas-Abdichtsicke 162 umgeben.
Die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 ist von einer Kühlmittel-Abdichtsicke 164 umgeben.
Nahe des äußeren Randes 180 der Bipolarplatte 100 läuft eine ringförmig geschlossene Randsicke 182 um.
Die Randsicke 182 umschließt den elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100, die Anodengas-Durchtrittsöffnungen 134 und die Anodengas-Abdichtsicken 142 in beiden Endbereichen 112, die Kathodengas-Durchtrittsöffnungen 136 und die Kathodengas-Abdichtsicken 162 in beiden Endbereichen 112 und die Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen 138 und die Kühlmittel-Abdichtsicken 164 in beiden Endbereichen 112 der Bipolarplatte 100.
Die Randsicke 182 dient dazu, ein Austreten der der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien, insbesondere des Anodengases, des Kathodengases und des Kühlmittels, aus den elektrochemischen Einheiten 102 in den Außenraum 184 der elektrochemischen Vorrichtung 106 zu verhindern.
Um das Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 durch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 ausströmen lassen zu können, ist die Kathodengas-Abdichtsicke 162 an ihrer der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandten Innenseite mit mehreren Kathodengaseinlässen 194 versehen (siehe insbesondere 1).
Durch die Kathodengaseinlässe 194 gelangt Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162.
Die Kathodengaseinlässe 194 münden vorzugsweise an geradlinigen Randabschnitten 196, 202 und 204 des Randes 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136.
Der geradlinige Randabschnitt 196 verläuft vorzugsweise schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt. An dem Randabschnitt 196 münden vorzugsweise mehrere, insbesondere mindestens vier, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs, Kathodengaseinlässe 194.
Der geradlinige Randabschnitt 202 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandt. An dem Randabschnitt 202 münden vorzugsweise ein oder mehrere Kathodengaseinlässe 194, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kathodengaseinlässe 194, durch welche das Kathodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 204 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Randsicke 182 zugewandt.
An dem Randabschnitt 204 münden vorzugsweise ein oder mehrere Kathodengaseinlässe 194, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kathodengaseinlässe 194, durch welche das Kathodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162 einströmt.
Ferner kann der Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 einen im Wesentlichen parallel zur Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 verlaufenden, vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 206 umfassen.
Zusammen bilden die Randabschnitte 196, 202, 204 und 206 einen polygonalen Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136.
In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform ist der Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 viereckig ausgebildet. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 198 kann aber auch kleiner oder größer als vier sein.
Mehrere, beispielsweise vier oder mehr, vorzugsweise sechs oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Kathodengasauslässe 214 sind an der Außenseite eines Abschnitts 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet, welcher im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 196 des Rands 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 201a und 201b des Randes 198, welche den geradlinigen Randabschnitt 196 mit dem Randabschnitt 202 beziehungsweise mit dem Randabschnitt 204 verbinden, verläuft.
Ferner umfasst die Kathodengas-Abdichtsicke 162 noch weitere Abschnitte 208, 210 und 212, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den parallel zur Längsrichtung 108 der Bipolarplatte 100 verlaufenden geradlinigen Randabschnitten 202 und 204 beziehungsweise im Wesentlichen parallel zu dem dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 206 des Randes 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 ausgerichtet sind.
Die Kathodengasauslässe 214 sind vorzugsweise alle an dem Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist.
Vorzugsweise sind die Kathodengaseinlässe 194, welche an demselben Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kathodengas-Abdichtsicke 162 gegenüber den Kathodengasauslässen 214 versetzt angeordnet.
Vorzugsweise sind an der Kathodengas-Abdichtsicke 162 insgesamt zwei oder mehr, insbesondere vier oder mehr, besonders bevorzugt sechs oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Kathodengasauslässe 214 vorgesehen.
Durch die Kathodengasauslässe 214 strömt das Kathodengas in einen Kathodengas-Verteilbereich 216 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kathodengas möglichst gleichmäßig auf die Kathodengas-Strömungskanäle 128 des Kathodengas-Strömungsfelds 118 zu verteilen.
Zu diesem Zweck umfasst der Kathodengas-Verteilbereich Verteilerstrukturen 218, welche als gerichtete Verteilerstrukturen 220 oder als ungerichtete Verteilerstrukturen 221 ausgebildet sind.
Die gerichteten Verteilerstrukturen 220 sind vorzugsweise als sich linear erstreckende Verteilerstege 222 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 221 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 223 ausgebildet.
Um das Kühlmittel aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 in das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 der Bipolarplatte 100 ausströmen zu lassen, ist die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 an ihrer der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandten Innenseite mit mehreren Kühlmitteleinlässen 224 versehen (siehe insbesondere 1).
Durch die Kühlmitteleinlässe 224 gelangt das Kühlmittel aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164.
Die Kühlmitteleinlässe 224 münden vorzugsweise an geradlinigen Randabschnitten 226, 232a und 232b des Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138.
Der geradlinige Randabschnitt 226 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt. An dem Randabschnitt 226 münden vorzugsweise mehrere, insbesondere mindestens drei, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, Kühlmitteleinlässe 224.
Der geradlinige Randabschnitt 232a verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandt. An dem Randabschnitt 232a münden vorzugsweise ein oder mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, Kühlmitteleinlässe 224, durch welche das Kühlmittel vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 232b verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandt. An dem Randabschnitt 232b münden vorzugsweise ein oder mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, Kühlmitteleinlässe 224, durch welche das Kühlmittel vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 einströmt.
Ferner kann der Rand 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 einen im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 verlaufenden, vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 234 umfassen. An dem Randabschnitt 234 mündet vorzugsweise kein Kühlmitteleinlass 224.
Die Randabschnitte 226, 232a, 232b und 234 bilden zusammen einen polygonalen Rand 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138, der bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform viereckig ausgebildet ist. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 kann aber auch größer oder kleiner als vier sein.
Mehrere, beispielsweise drei oder mehr, vorzugsweise fünf oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel sieben, Kühlmittelauslässe 225 sind an einem Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet, welcher im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 226 des Rands 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 231a und 231b des Randes 228, welche den geradlinigen Randabschnitt 226 mit dem Randabschnitt 232a beziehungsweise mit dem Randabschnitt 232b verbinden, verläuft. Der Abschnitt 200 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt.
Vorzugsweise sind die Kühlmitteleinlässe 224, welche an demselben Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 gegenüber den Kühlmittelauslässen 225 versetzt angeordnet.
Außer dem mit den Kühlmittelauslässen 225 versehenen Abschnitt 230 umfasst die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 vorzugsweise weitere Abschnitte 238a, 238b und 240, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den Randabschnitten 232a, 232b beziehungsweise 234 des Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 ausgerichtet sind.
Diese weiteren Abschnitte 238a, 238b und 240 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 sind vorzugsweise nicht mit Kühlmittelauslässen 225 versehen.
Durch die Kühlmittelauslässe 225 strömt das Kühlmittel in einen Kühlmittel-Verteilbereich 242 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kühlmittel möglichst gleichmäßig auf die Kühlmittel-Strömungskanäle des Kühlmittel-Strömungsfelds zu verteilen.
In diesem Kühlmittel-Verteilbereich 242 sind die anodenseitige Bipolarplattenlage 122 und die kathodenseitige Bipolarplattenlage 124 so gegenüber einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Längsmittelebene der Bipolarplatte 100 in einander entgegengesetzte Richtungen längs der Stapelrichtung 104 versetzt, dass für die Strömung des Kühlmittels durch den Kühlmittel-Verteilbereich 242 ein großer durchströmbarer Querschnitt zur Verfügung steht.
Die Bipolarplatte 100 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotation um 180° um eine durch den Mittelpunkt des elektrochemisch aktiven Bereichs 114 der Bipolarplatte 100 und parallel zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) verlaufende Drehachse ausgebildet.
Die im zweiten Endbereich 112 angeordneten Medium-Durchtrittsöffnungen 130, insbesondere die dort angeordnete Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, die dort angeordnete Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und die dort angeordnete Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138, sind daher vorzugsweise im Wesentlichen genauso aufgebaut und angeordnet wie die Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 bzw. die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 im ersten Endbereich 112a, welche vorstehend beschrieben worden sind.
Die Anodengaseinlässe 144 bilden Mediumeinlässe 272 an der Anodengas-Abdichtsicke 142. Die Anodengasauslässe 154 bilden Mediumauslässe 274 an der Anodengas-Abdichtsicke 142.
Die Kathodengaseinlässe 194 bilden Mediumeinlässe 272 an der Kathodengas-Abdichtsicke 162. Die Kathodengasauslässe 214 bilden Mediumauslässe 274 an der Kathodengas-Abdichtsicke 162.
Die Kühlmitteinlässe 224 bilden Mediumeinlässe 272 an der Kühlmittel-Abdichtsicke 164. Die Kühlmittelauslässe 225 bilden Mediumauslässe 274 an der Kühlmittel-Abdichtsicke 164.
Mit der in den 1 bis 4 dargestellten und vorstehend beschriebenen Bipolarplatte 100 wird angestrebt, den Druckabfall in den der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien beim Durchtritt durch die jeweils zugeordneten Abdichtsicken 140 zu reduzieren. Dafür ist es günstig, wenn an der betreffenden Abdichtsicke 140 der gesamte durchströmbare Querschnitt der jeweiligen Mediumeinlässe 272 um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe 274 an derselben Abdichtsicke 140.
Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der durchströmbare Querschnitt eines Mediumeinlasses 272 an einer Abdichtsicke 140 im Wesentlichen gleich groß ist wie der durchströmbare Querschnitt eines Mediumauslasses 274 an derselben Abdichtsicke 140, jedoch die Anzahl der Mediumeinlässe 272 an der Abdichtsicke 140 größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe 274. Vorzugsweise ist die Anzahl der Mediumeinlässe 272 um zwei oder mehr größer als die Anzahl der Mediumauslässe 274.
So ist im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass an der Anodengas-Abdichtsicke 142 acht Anodengaseinlässe 144 an der der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandten Innenseite der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet sind, während an der der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 abgewandten Außenseite der Anodengas-Abdichtsicke 142 sechs Anodengasauslässe 154 angeordnet sind.
Hierdurch wird der Druckabfall im Anodengas beim Strömen des Anodengases aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 durch die Anodengas-Abdichtsicke 142 in den Anodengas-Verteilbereich 170 deutlich reduziert.
Ferner ist im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte 100 vorgesehen, dass an der der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandten Innenseite der Kathodengas-Abdichtsicke 162 zehn Kathodengaseinlässe 194 angeordnet sind, während an der der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 abgewandten Außenseite der Kathodengas-Abdichtsicke 162 acht Kathodengasauslässe 214 angeordnet sind.
Hierdurch wird der Druckabfall im Kathodengas beim Strömen des Kathodengases aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 durch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 in den Kathodengas-Verteilbereich 216 deutlich reduziert.
Ferner ist bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass an der der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandten Innenseite der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 acht Kühlmitteleinlässe 224 angeordnet sind, während an der der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 abgewandten Außenseite der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 sieben Kühlmittelauslässe 225 angeordnet sind.
Hierdurch wird der Druckabfall im Kühlmittel beim Strömen des Kühlmittels aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 durch die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 in den Kühlmittel-Verteilbereich 242 deutlich reduziert.
Der Anodengas-Verteilbereich 170 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Anodengas.
Der Kathodengas-Verteilbereich 216 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Kathodengas.
Der Kühlmittel-Verteilbereich 242 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Kühlmittel.
Jeder der Medium-Verteilbereiche 276 umfasst einen Medium-Einlassbereich 278, durch welchen das jeweilige Medium in den jeweiligen Medium-Verteilbereich 276 eintritt.
Derjenige Abschnitt einer Abdichtsicke 140, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist, bildet einen Verteilbereichsabschnitt 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140.
Das Anodengas-Strömungsfeld 116 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Anodengas.
Das Kathodengas-Strömungsfeld 118 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Kathodengas.
Das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Kühlmittel.
Jedes der Medium-Strömungsfelder 282 der Bipolarplatte 100 umfasst Medium-Strömungskanäle 284, welche sich längs einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch das betreffende Medium-Strömungsfeld 282 erstrecken.
Für alle Mediumeinlässe 272 gilt, dass sie vorzugsweise längs des Umfangs der jeweiligen Abdichtsicke 140 versetzt zu den jeweiligen Mediumauslässen 274 angeordnet sind.
Jeder der Mediumauslässe 274 ist vorzugsweise so an der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet und ausgerichtet, dass das durch den Mediumauslass 274 hindurchströmende Medium auf einen Medium-Einlassbereich 278 des jeweils zugeordneten Medium-Verteilbereichs 276 gerichtet aus dem Mediumauslass 274 ausströmt.
Vorzugsweise sind alle Mediumauslässe 274 an dem Verteilbereichsabschnitt 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet, welcher dem Medium-Einlassbereich 278 des jeweils zugeordneten Medium-Verteilbereichs 276 gegenüberliegt.
Bei jeder der Medium-Durchtrittsöffnungen 130 ist vorzugsweise jeweils mindestens ein Mediumeinlass 272 außerhalb des Verteilbereichsabschnitts 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet.
Vorzugsweise sind bei jeder Medium-Durchtrittsöffnung 130 mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Mediumeinlässe 272 außerhalb des Verteilbereichsabschnitts 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet.
An jeder der Abdichtsicken 140 ist ein Medium-Auslassabschnitt 286 der jeweiligen Abdichtsicke 140 dadurch definiert, dass er an einem ersten äußeren Mediumauslass 274a beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass 274b endet.
Vorzugsweise ist bei jeder Abdichtsicke 140 vorgesehen, dass mindestens ein Mediumeinlass 272 außerhalb des Medium-Auslassabschnitts 286 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet ist.
Die Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 verläuft parallel zu einer Hauptströmungsrichtung der Medien durch die den Medien jeweils zugeordneten Medium-Strömungsfelder 282.
Vorzugsweise ist an jeder Abdichtsicke 140 mindestens ein Mediumeinlass 272 so an der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung 108, also im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110, der Bipolarplatte 100 durch den betreffenden Mediumeinlass 272 in den Innenraum der jeweiligen Abdichtsicke 140 einströmt.
Um die mechanische Stabilität und die Federeigenschaften der Abdichtsicken 140 in ihren gekrümmten Abschnitten nicht negativ zu beeinflussen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass kein Mediumeinlass 272 an einem gekrümmten Abschnitt des Randes der jeweiligen Medium-Durchtrittsöffnung 130 angeordnet ist.
Für jede der Abdichtsicken 140 gilt, dass vorzugsweise der durchströmbare Querschnitt der jeweiligen Abdichtsicke 140 größer ist als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals 284 des dem jeweiligen Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds 282 der Bipolarplatte 100.

Claims

Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit (102) einer elektrochemischen Vorrichtung (106), die mehrere elektrochemische Einheiten (102) umfasst, welche längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte (100) Folgendes umfasst: - mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung (130), welche einen Bestandteil eines Mediumkanals (132) bildet, der sich längs der Stapelrichtung (104) durch die elektrochemische Vorrichtung (106) erstreckt; - eine Abdichtsicke (140), welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung (130) herum erstreckt; - mehrere Mediumeinlässe (272), die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung (130) zugewandten Innenseite der Abdichtsicke (140) angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke (140) ermöglichen; und - mehrere Mediumauslässe (274), die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung (130) abgewandten Außenseite der Abdichtsicke (140) angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke (140) ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe (272) um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe (274).
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mediumeinlässe (272) größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe (274).
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumeinlässe (272) längs des Umfangs der Abdichtsicke (140) versetzt zu den Mediumauslässen (274) angeordnet sind.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (100) einen elektrochemisch aktiven Bereich (114) umfasst, welcher ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld (116), ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld (118) und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld (120) umfasst, wobei die Bipolarplatte (100) einen Medium-Verteilbereich (276) umfasst, über welchen die Medium-Durchtrittsöffnung (130) in Fluidverbindung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich (114) der Bipolarplatte (100) steht.
Bipolarplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumauslass (274) so an der Abdichtsicke (140) angeordnet und ausgerichtet ist, dass das Medium auf einen Medium-Einlassbereich (278) des Medium-Verteilbereichs (276) gerichtet aus dem Mediumauslass (274) ausströmt.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mediumauslässe (274) an einem Verteilbereichsabschnitt (280) der Abdichtsicke (140) angeordnet sind, welcher einem Medium-Einlassbereich (278) des Medium-Verteilbereichs (276) gegenüberliegt.
Bipolarplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumeinlass (272) außerhalb des Verteilbereichsabschnitts (280) der Abdichtsicke (140) an der Abdichtsicke (140) angeordnet ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mediumauslässe (274) an einem Medium-Auslassabschnitt (286) der Abdichtsicke (140) angeordnet sind, welcher an einem ersten äußeren Mediumauslass (274a) beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass (274b) endet.
Bipolarplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumeinlass (272) außerhalb des Medium-Auslassabschnitts (286) der Abdichtsicke (240) an der Abdichtsicke (140) angeordnet ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsrichtung (108) der Bipolarplatte (100) parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld (282) der Bipolarplatte (100) verläuft, wobei mindestens ein Mediumeinlass (272) so an der Abdichtsicke (140) angeordnet und ausgerichtet ist, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung (108) der Bipolarplatte (100) durch den Mediumeinlass (272) in den Innenraum der Abdichtsicke (140) einströmt.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass kein Mediumeinlass (272) an einem gekrümmten Abschnitt eines Randes (146, 198, 228) der Medium-Durchtrittsöffnung (130) angeordnet ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt der Abdichtsicke (140) größer ist als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals (284) eines dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds (282) der Bipolarplatte (100).
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Medium-Durchtrittsöffnung (130) eine Anodengas-Durchtrittsöffnung (134), eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung (136) oder eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung (138) ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodengas-Durchtrittsöffnung (134), eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung (136) und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung (138) der Bipolarplatte (100) alle von jeweils einer Abdichtsicke (140) umgeben sind, an welcher Mediumeinlässe (272) und Mediumauslässe (274) angeordnet sind, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe (272) an jeder dieser Abdichtsicken (140) um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe (274) an der jeweiligen Abdichtsicke (140).
Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten (102), welche längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen und jeweils eine Bipolarplatte (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfassen.