DE102022120512A1

DE102022120512A1 - Bipolarplatte und elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise mit wenigstens einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102022120512A1
Application number: DE102022120512.6A
Authority: DE
Inventors: Torsten Knöri; Mathias Schulze
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-08-15
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1000) zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung (2000) mit zwei Bipolarplattenhälften (100), wobei die Bipolarplattenhälften (100) mit ihren Kühlkanalseiten (110) flächig zusammengefügt sind und Kühlkanäle (158) einschließen. Die Bipolarplattenhälften (100) sind durch Medienöffnungen (310, 312, 314, 320, 322, 324) für Reaktionsmittel und Kühlmittel durchbrochen. Die Bipolarplattenhälften (100) weisen auf ihren Reaktionsmittelkanalseiten (112) jeweils ein Strömungsfeld (130) auf, in dem die Reaktionsmittelkanäle (142) parallel zueinander verlaufen. Das Strömungsfeld (130) ist auf einer Seite mit einem Einlassverteiler (120) mit Einlasskanälen (122) und auf einer gegenüberliegenden Seite mit einem Auslassverteiler (160) mit Auslasskanälen (162) fluidisch verbunden. Die Einlasskanäle (122) gehen mit einem gekrümmten Abschnitt (128) in die Reaktionsmittelkanäle (142) und die Reaktionsmittelkanäle (142) mit einem gekrümmten Abschnitt (178) in die Auslasskanäle (162) über.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung in Stapelbauweise sowie eine elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise mit wenigstens einer solchen Bipolarplatte.
Stand der Technik
Elektrochemische Vorrichtungen in Stapelbauweise, insbesondere Brennstoffzellensysteme, werden in verschiedenen Anwendungen als stationäre Energiequelle eingesetzt. Beispielsweise werden Brennstoffzellensysteme auch in portablen und mobilen Anwendungen genutzt, beispielsweise in Fahrzeugen, Werkzeugen und dergleichen. Die elektrochemischen Vorrichtungen erzeugen u.a. elektrischen Strom, der z. B. dazu verwendet werden kann, Batterien zu laden, und/oder einen Elektromotor zu betreiben oder als Elektrolysestapel eines Elektrolyseurs Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse zu erzeugen. Eine übliche Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst eine Polymerelektrolytmembran (PEM), die im Schichtaufbau zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Diese Anordnung wird auch als Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird ein Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff, an die Anode geliefert, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, wird an die Kathode geliefert. Üblicherweise wird hierzu Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet.
Die Aufspaltung des Wasserstoffs an der Anode generiert Wasserstoffionen und Elektronen. Die Membran zwischen Anode und Kathode ist protonenleitend, leitet Elektronen jedoch nur schlecht oder gar nicht. Infolgedessen werden die Protonen durch die Membran hindurch transportiert. Die Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis, der eine elektrische Last (wie beispielsweise einen Elektromotor) enthält. An der Kathode reagiert der Sauerstoff mit den durch die Membran transportierten Protonen, und Elektronen werden aufgenommen, wobei Wasser als Reaktionsprodukt gebildet wird.
Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus mehreren, einzelnen Brennstoffzellen, wobei abwechselnd Bipolarplatten und MEAs (bestehend jeweils aus Anode, Membran und Kathode) hintereinander in Stapelbauweise angeordnet sind. Bei diesem Aufbau werden die Außenseiten der Bipolarplatten von den gasförmigen Reaktionsmitteln überströmt, um die Reaktion in den Brennstoffzellen zu fördern. Die Bipolarplatten ermöglichen auch eine Kühlmittelströmung durch den Brennstoffzellenstapel, um die bei der Oxidation an der Kathode entstehende Abwärme abzuführen.
Die DE 112004002605 B4 offenbart eine Bipolarplatte mit einer ersten Bipolarplattenhälfte, die eine erste Kühlmittelseite mit ersten Kühlkanälen aufweist und mit einer zweiten Bipolarplattenhälfte, die eine zweite Kühlmittelseite mit zweiten Kühlkanälen aufweist. Die Kühlmittelseiten der beiden Bipolarplattenhälften sind benachbart zueinander angeordnet und vernetzen die Kühlkanäle der beiden Bipolarplattenhälften diskontinuierlich, wobei die ersten Kühlkanäle ein erstes Wellenmuster mit einer ersten Amplitude und einer ersten Wellenlänge aufweisen und die zweiten Kühlkanäle ein zweites Wellenmuster mit einer zweiten Amplitude und einer zweiten Wellenlänge aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Bipolarplatte anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer verbesserten elektrochemischen Vorrichtung in Stapelbauweise mit wenigstens einer derartigen Bipolarplatte.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird eine Bipolarplatte zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung in Stapelbauweise vorgeschlagen, mit einer Hochrichtung Z, einer Längsrichtung X und einer Querrichtung Y. Die Bipolarplatte umfasst zwei Bipolarplattenhälften mit jeweils einer Kühlkanalseite mit einer Kühlkanalstruktur und einer gegenüberliegenden Reaktionsmittelkanalseite mit Reaktionsmittelkanälen. Die Bipolarplattenhälften sind mit ihren Kühlkanalseiten in der Hochrichtung Z flächig zusammengefügt und schließen aus den Kühlkanalstrukturen gebildete Kühlkanäle ein. Die Bipolarplattenhälften sind durch Medienöffnungen für Reaktionsmittel und Kühlmittel durchbrochen.
Die Bipolarplattenhälften weisen auf ihren jeweiligen Reaktionsmittelkanalseiten jeweils ein Strömungsfeld auf, in dem die Reaktionsmittelkanäle in Längsrichtung X parallel zueinander verlaufen. Das Strömungsfeld ist in Längsrichtung X gesehen auf einer Seite mit einem Einlassverteiler mit Einlasskanälen, die mit Einlässen beginnen, und auf einer diesem in der Längsrichtung X gegenüberliegenden Seite mit einem Auslassverteiler mit Auslasskanälen, die mit Auslässen enden, fluidisch verbunden. Die Einlasskanäle gehen mit einem gekrümmten Abschnitt in die Reaktionsmittelkanäle über, und die Reaktionsmittelkanäle gehen mit einem gekrümmten Abschnitt in die Auslasskanäle über. Insbesondere können die gekrümmten Abschnitte parabelförmig ausgebildet sein.
Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere Brennstoffzellenstacks zur Stromerzeugung oder auch Elektrolysestacks zur Elektrolyse von Wasser umfassen, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
Mit besonderem Vorteil kann durch die gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Abschnitte ein geringer Strömungswiderstand in den Kühlkanälen und in den Reaktionsmittelkanälen bewirkt werden. Vorteilhaft können in der Ebene der Bipolarplattenhälften rechtwinklige Richtungsänderungen der Strömungskanäle vermieden werden.
Die Bipolarplatte ist aus zwei miteinander verschweißten Bipolarplattenhälften mit innenliegendem Kühlmittel-Strömungsfeld gebildet. Vorteilhaft können die beiden Bipolarplattenhälften der Bipolarplatte identisch ausgebildet sein. Beim Zusammenfügen wird die eine der Bipolarplattenhälften um 180° um ihre Längsrichtung geklappt. Dabei kommen die Kanäle übereinander so zu liegen, dass sich im Inneren zwischen den Bipolarplattenhälften eine Art von Netz von Kanälen ausbildet, die eine Verteilung des Kühlmittels vom Einlassverteiler über die ganze Bipolarplatte bis zum Auslassverteiler ergibt.
Optional ist die Verwendung unterschiedlicher Bipolarplattenhälften grundsätzlich jedoch ebenfalls möglich.
Das Strömungsfeld, auch als Flow Field bezeichnet, ist der aktive Bereich, an dem eine protonendurchlässige Membran anliegt, welche Anode und Kathode der Brennstoffzelle voneinander trennt und die zur elektrochemischen Reaktion zwischen den Reaktionsmitteln, insbesondere Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff und Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff, dient.
Die Medienöffnungen bilden bei mehreren in Hochrichtung Z gestapelten Bipolarplatten durchgehende Kanäle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels. Zweckmäßigerweise liegen die Medienöffnungen am Rand der Bipolarplattenhälften.
Vorteilhaft kann die Bipolarplatte eine metallische Bipolarplatte sein, die insbesondere für Brennstoffzellenstapel im Bereich des Einsatzes von mobilen und portablen Systemen eingesetzt sein kann, bei denen die Brennstoffzellenstapel einem höheren mechanischen Stress ausgesetzt sind. Durch die metallischen Bipolarplatten ist zudem eine kleinere Höhe je Zelle möglich als bei der Verwendung von Komposit-Materialien. Somit ist ein kompakter Aufbau möglich.
Ein weiterer Vorteil metallischer Bipolarplatten ist die einfachere Assemblierung der Stapel der elektrochemischen Vorrichtung in Stapelbauweise aufgrund höherer mechanischer Stabilität der Bipolarplatten bei der Handhabung. Die Vertiefungen und Erhebungen in den Bipolarplattenhälften wirken in der Art von Sicken und stützen sich vorteilhaft beim Zusammenfügen gegeneinander ab, so dass die Bipolarplatte mechanisch stabilisiert ist.
Ferner liegt eine höhere Toleranz in der Positionierung aufgrund der geringen Bruchanfälligkeit der metallischen Bipolarplattenhälften vor.
Günstigerweise kann die Bipolarplatte für den Bereich kleiner elektrischer Leistungen von 10 W bis 100 W, jedoch auch für deutlich höhere elektrische Leistungen bis 2 kW je Zelle einer elektrochemischen Vorrichtung in Stapelbauweise eingesetzt werden. Optional können auch höhere elektrische Leistungen vorliegen. Trotz dieser relativ kleinen Leistung kann eine Bipolarplatte mit einer innenliegenden Flüssigtemperierung geschaffen werden. Bei derartigen kleinen elektrischen Leistungen können die meisten derartigen Vorrichtungen mit Bipolarplatten zwar auch hinreichend gut mit Luft gekühlt werden. Die Flüssigtemperierung der Bipolarplatte erlaubt jedoch ein Vorheizen des Stapels über das Kühlmedium, z.B. mit einem elektrischen Heizer oder einem Metallhydrid-Vorheizer. Durch ein derartiges direktes Heizen der Bipolarplatten beim Start kann ein Erwärmen der thermisch trägen, hohen Masse von Endplatten der elektrochemischen Vorrichtung entfallen.
Der Einlassverteiler und/oder der Auslassverteiler kann fächerförmig ausgestaltet sein. Ein solcher Parallelverteiler mit kurzen, geraden oder nur leicht gekrümmten Kanälen ermöglicht vorteilhaft geringe Druckverluste.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Medienöffnungen Einlassverteiler, Einlässe, Auslassverteiler, Auslässe, Reaktionsmittelkanäle und Kühlkanäle punktsymmetrisch zum Zentrum der jeweiligen Bipolarplattenhälfte angeordnet sein. Dies erlaubt eine besonders homogene Verteilung und Führung von Kühlmittel und Reaktionsmitteln.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann das Strömungsfeld wenigstens eine Querverbindung aufweisen, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle in Querrichtung fluidisch verbindet. Insbesondere kann das Strömungsfeld (an seinem Eingang und an seinem Ausgang wenigstens eine Querverbindung aufweisen, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle in Querrichtung fluidisch verbindet. Vorteilhaft kann das Kühlmittel gleichförmig auf alle Kühlkanäle verteilt werden. Dies kann besonders günstig sein, wenn am Einlass der Reaktionsmittelkanäle weniger Kanäle vorliegen als im Strömungsfeld. Dies erlaubt günstig klein bauende Medienöffnungen, da weniger Kanäle von der jeweiligen Medienöffnung ausgehen oder in diese münden müssen als im Strömungsfeld vorliegen. Beispielsweise kann die Zahl der Kanäle an der korrespondierenden Medienöffnung halb so groß sein wie im Strömungsfeld bei einem gleichbleibenden Kanalquerschnitt an der Medienöffnung und im Strömungsfeld. Die Querverbindung kann als gerader Kanal ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann im oder an dem Einlassverteiler und/oder im oder an dem Auslassverteiler wenigstens eine Querverbindung zwischen Kühlkanälen angeordnet sein, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle fluidisch verbindet. Dies erlaubt eine günstige Verteilung des Kühlmittels auf die Kühlkanäle. Die wenigstens eine Querverbindung kann als gerader Kanal quer zu den Kühlkanälen ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann eine Gesamtkanallänge jeweils von dem jeweiligen Einlass jedes Einlasskanals durch das Strömungsfeld bis zu dem jeweiligen Auslass jedes Auslasskanals gleich lang ausgebildet sein. Dies erlaubt eine sehr homogene Medienführung in der Bipolarplatte.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann der jeweilige Einlass jedes Einlasskanals an die korrespondierende Medienöffnung anstoßen. Alternativ oder zusätzlich kann der jeweilige Auslass jedes Auslasskanals an die korrespondierende Medienöffnung anstoßen. Dies erlaubt eine sehr zuverlässige, homogene Medienzuführung und/oder Medienabführung in der Bipolarplatte.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Einlasskanäle des Einlassverteilers parallel zueinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Auslasskanäle des Auslassverteilers parallel zueinander angeordnet sein. Vorteilhaft kann der Einlassverteiler oder Auslassverteiler für die Reaktionsmittel auch als Einlassverteiler oder Auslassverteiler für das Kühlmittel dienen. Die Rückseiten der Medienkanäle bzw. der Stege der Kanäle auf der Reaktionsmittelseite können die Stege bzw. die Kanäle für das Kühlmittel auf der Kühlmittelseite bilden. Im Bereich der Einlassverteiler kann die Verteilung des Kühlmediums vorteilhaft durch das Zusammenfügen zweier Bipolarplattenhälften möglich werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Einlässe der Einlasskanäle und die Auslässe der Auslasskanäle bezogen auf das Strömungsfeld im Wesentlichen diagonal gegenüberliegend angeordnet sein. Der symmetrische Aufbau, insbesondere punktsymmetrische Aufbau der Bipolarplattenhälften erlaubt eine günstige Strömungsführung und Kühlung der Bipolarplatte.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Kühlkanäle zumindest im Strömungsfeld parallel zu den Reaktionsmittelkanälen verlaufen. Dies stellt eine vorteilhafte Kühlung jedes Reaktionsmittelkanals zur Verfügung.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann jeweils ein Einlasskanal in zwei im Strömungsfeld verlaufende Reaktionsmittelkanäle übergehen. Alternativ oder zusätzlich könne jeweils zwei im Strömungsfeld verlaufende Reaktionsmittelkanäle in einen Auslasskanal übergehen. Dies erlaubt eine vorteilhafte Verdoppelung der Strömungskanäle im Strömungsfeld. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass jeder Reaktionsmittelkanal mit mindestens einem Kühlkanal thermisch in Kontakt ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann in der Querrichtung jeweils ein Reaktionsmittelkanal mit einem Kühlkanal abwechseln. Außerhalb eines Randbereichs kann vorteilhaft jeweils ein Reaktionsmittelkanal zwischen zwei Kühlkanälen angeordnet sein. Am Rand des Strömungsfelds steht ein Reaktionsmittelkanal nur mit einem Kühlkanal in Kontakt.
Vorteilhaft kann sichergestellt werden, dass jeder Reaktionsmittelkanal mit zwei Kühlkanälen thermisch in Kontakt ist. Insbesondere im aktiven Bereich der Brennstoffzelle mit der ionenleitenden Membran kann die Kühlung verbessert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann jeweils ein Kühlkanal zumindest mit einem Teil zwischen zwei Reaktionsmittelkanälen einer Bipolarplattenhälfte verlaufen. Insbesondere im aktiven Bereich der Brennstoffzelle mit der ionenleitenden Membran kann die Kühlung verbessert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Einlasskanäle der Reaktionsmittelkanäle eine Dichtfläche an den Medienöffnungen untertunneln. Dies erlaubt eine Entzerrung von Medienzufuhr und Dichtkonzept an den betreffenden Medienöffnungen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Reaktionsmittel und das Kühlmittel auf unterschiedlichen Seiten der jeweiligen ersten und zweiten Bipolarplattenhälfte verteilt werden. Insbesondere kann ein Steg auf einer Seite der jeweiligen ersten oder zweiten Bipolarplattenhälfte ein Kanal auf der anderen Seite der jeweiligen ersten oder zweiten Bipolarplattenhälfte darstellen. Vorteilhaft kann eine im Inneren gekühlte oder temperierte Bipolarplatte gebildet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte können die Reaktionsmittel und das Kühlmittel über denselben Einlassverteiler zum Strömungsfeld geführt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Reaktionsmittel und das Kühlmittel über denselben Auslassverteiler aus dem Strömungsfeld abgeführt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann das Kühlmittel an der Medienöffnung des Kühlkanaleinlasses von der Reaktionsmittelseite auf die Kühlmittelseite jeder Bipolarplattenhälfte geführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlmittel an der Medienöffnung des Kühlkanalauslasses von der Kühlmittelseite auf die Reaktionsmittelseite jeder Bipolarplattenhälfte geführt sein. Vorteilhaft kann die Bipolarplatte ein innenliegendes Kühlmittel-Strömungsfeld aufweisen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vorgeschlagen.
Die Bipolarplatte wird aus zwei Bipolarplattenhälften gebildet und ist an ihren Außenseiten jeweils mit einer Membran-Elektrodeneinheit in Kontakt. Im Innern der Bipolarplatte sind Kühlkanäle angeordnet. Die elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise kann als Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein. Alternativ kann die elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise als Elektrolyseurstapel ausgebildet sein.
Ein Brennstoffzellenstack besteht in der Regel immer aus mindestens zwei Bipolarplatten, die zweckmäßigerweise identisch sind. Eine Integration des Strömungsfeldes in die End- oder Stromabnehmerplatten eines Brennstoffzellenstapels, so dass ein kurzer Stapel mit nur einer dazwischen liegenden Bipolarplatte entsteht, ist jedoch grundsätzlich möglich.
Vorteilhaft kann ein solcher Brennstoffzellenstapel in kommerziellen PEM-Brennstoffzellensystemen, z.B. zur mobilen oder portablen Stromerzeugung bei Outdoor-Aktivitäten, Camping, Gartenarbeit und dergleichen, bei Elektrofahrzeugen, wie leichten Elektrofahrzeugen der Klassen L1e, L2e, L3e, L6e, L7e, bei Drohnen, Booten für den Antrieb und die Stromerzeugung der Peripherie, sowie zur autonomen Stromerzeugung für Kühlcontainer genutzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung kann die Membran-Elektrodeneinheit ein Strömungsfeld abdecken und einen Einlassverteiler und/oder Auslassverteiler der Bipolarplatten wenigstens teilweise abdecken. Vorteilhaft kann die Membran-Elektrodeneinheit jeweils Einlassverteiler und Auslassverteiler zumindest teilweise abdecken, insbesondere einen großen Teil von Einlassverteiler und Auslassverteiler.
<description-of-drawings id=„desd“>Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination.
Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 einen Brennstoffzellenstapel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine Reaktionsmittelseite einer Bipolarplattenhälfte einer Bipolarplatte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Draufsicht auf eine Kühlmittelseite der Bipolarplattenhälfte aus 2; und
4 eine Draufsicht auf die Kühlmittelseiten zweier Bipolarplattenhälften aus 2 vor dem Zusammenfügen zu einer Bipolarplatte;
5 eine Draufsicht auf eine Vorderseite einer Bipolarplatte mit zwei Varianten einer Membran-Elektrodeneinheit; und
6 eine Draufsicht auf eine Rückseite der Bipolarplatte nach 5 mit zwei Varianten einer Membran-Elektrodeneinheit; und
7 ein Detail der Reaktionsmittelseite der Bipolarplattenhälfte nach 2.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 2000 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwischen zwei Spannplatten 2002, 2003 ist in Hochrichtung Z ein Stapel von Bipolarplatten 1000 angeordnet, zwischen denen jeweils eine Brennstoffzelle mit Anode, Membran, Kathode angeordnet ist. Die Spannplatten 2002, 2003 sind durch nicht näher bezeichnete Spanneinrichtungen verbunden. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels kann an Spannungsabgriffen 2004, 2006 abgegriffen werden. Einzelzellenabgriffe 114, von denen nur einige beispielhaft ausgeführt sind, erlauben eine Überprüfung der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 2000. Die Einzelzellenabgriffe 114 sind jeweils an beiden Bipolarplattenhälften einer Bipolarplatte 1000 angebracht. Sie liegen bei der fertigen Bipolarplatte 1000 direkt übereinander, sind miteinander verschweißt und bilden einen gemeinsamen Einzelzellenabgriff für die Spannungsmessung an der jeweiligen Zelle. Auf diese Weise wird eine höhere Stabilität der Einzelzellenabgriffe 114 gewährleistet. Da von den drei Anschlussmöglichkeiten eines Abgriffs letztendlich nur einer benötigt wird, können alle nicht benötigten Anschlussmöglichkeiten bei Bedarf entfernt werden.
An der oberen Spannplatte 2002 sind an einer Seite in einer Querrichtung Y aufeinander folgende Anschlüsse 2010, 2012, 2014 und in Längsrichtung X gegenüberliegend in Querrichtung Y aufeinander folgende Anschlüsse 2020, 2022, 2024 angeordnet, durch welche Kühlmittel, beispielsweise Wasser, und Reaktionsmittel, beispielsweise Luft und Wasserstoff, zugeführt werden können.
Beispielsweise können die mittleren Anschlüsse 2012 und 2022 Kühlmittelanschlüsse sein. Die in den einen diagonal gegenüberliegenden Ecken des Brennstoffzellenstapels 2000 angeordneten Anschlüsse 2010 und 2020 können Reaktionsmittelanschlüsse für das eine Reaktionsmittel sein.
Die in den anderen diagonal gegenüberliegenden Ecken des Brennstoffzellenstapels 2000 angeordneten Anschlüsse 2014 und 2024 können Reaktionsmittelanschlüsse für das andere Reaktionsmittel sein. Dabei können die Einlässe für die Reaktionsmittel auf derselben Seite des Brennstoffzellenstapels 2000 angeordnet sein und die Auslässe für die Reaktionsmittel auf der gegenüberliegenden Seite, entsprechend einer fluidischen Gleichstromversorgung. Alternativ kann eine fluidische Gegenstromversorgung vorgesehen sein, bei der der Einlass des einen Reaktionsmittels auf derselben Seite des Brennstoffzellenstapels 2000 liegt wie der Auslass des anderen Reaktionsmittels.
Die Anschlüsse 2010, 2012, 2014, 2020, 2022, 2024 auf der oberen Spannplatte 2002 korrespondieren mit Kanälen in dem Brennstoffzellenstapel 2000, welche durch Medienöffnungen 310, 312, 314, 320, 322, 324 in den Bipolarplatten 1000 gebildet sind.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Reaktionsmittelseite 112 einer Bipolarplattenhälfte 100 einer Bipolarplatte 1000 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, während 3 eine Draufsicht auf eine Kühlmittelseite 110 der Bipolarplattenhälfte 100 aus 2 zeigt. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Kühlmittelseiten zweier Bipolarplattenhälften aus 2 vor dem Zusammenfügen zu einer Bipolarplatte 1000.
Vorteilhaft kann die Bipolarplattenhälfte 100 metallisch sein und durch Prägen oder Tiefziehen hergestellt sein. Dabei bilden Erhebungen auf einer Seite der Bipolarplattenhälfte 100 Vertiefungen auf der gegenüberliegenden Seite.
Die Bipolarplattenhälfte 100 weist eine Kühlkanalseite 110 mit einer Kühlkanalstruktur und eine gegenüberliegende Reaktionsmittelkanalseite 112 mit Reaktionsmittelkanälen 142 auf. Die Kühlkanalseite 110 ist in der 2 vom Betrachter abgewandt und die Reaktionsmittelkanalseite 112 dem Betrachter zugewandt, während in 3 die Reaktionsmittelkanalseite 112 dem Betrachter abgewandt und die Kühlkanalseite 110 dem Betrachter zugewandt ist.
Die Reaktionsmittelkanäle 142 sind in der 2 zum Betrachter hin offen ausgeführt, während die Kühlkanäle 158 zum Betrachter hin geschlossen sind. Umgekehrt sind auf der Kühlkanalseite 110 der Bipolarplattenhälfte 100 in 3 die Reaktionsmittelkanäle 142 zum Betrachter hin geschlossen ausgeführt, während die Kühlkanäle 158 zum Betrachter hin geöffnet sind.
Die Bipolarplattenhälfte 100 weist auf ihrer Reaktionsmittelkanalseite 112 ein Strömungsfeld 130 auf, in dem die Reaktionsmittelkanäle 142 in Längsrichtung X parallel zueinander verlaufen. Das Strömungsfeld 130 ist in Längsrichtung X gesehen auf einer Seite mit einem Einlassverteiler 120 mit Einlasskanälen 122, die mit Einlässen 124 beginnen und auf einer diesem in der Längsrichtung X gegenüberliegenden Seite mit einem Auslassverteiler 160 mit Auslasskanälen 162, die mit Auslässen 164 enden, fluidisch verbunden.
Die Einlasskanäle 122 gehen mit einem gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Abschnitt 128 in die Reaktionsmittelkanäle 142 über. Die Reaktionsmittelkanäle 142 gehen mit einem gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Abschnitt 178 in die Auslasskanäle 162 über. Durch den weichen Übergang der Einlasskanäle 122 in die Reaktionsmittelkanäle 142 im Strömungsfeld 130 wird vorteilhaft der Druckverlust der Anordnung verringert.
Medienöffnungen 310, 312, 314, 320, 322, 324, Einlassverteiler 120, Einlässe 124, Auslassverteiler 160, Auslässe 164, Reaktionsmittelkanäle 142 und Kühlkanäle 158 sind punktsymmetrisch zum Zentrum der Bipolarplattenhälfte 100 angeordnet.
Das Strömungsfeld 130 weist an seinem Eingang 132 und an seinem Ausgang 134 eine Querverbindung 154, 168 auf, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle 158 in Querrichtung Y verbindet. Die Querverbindung 154 am Eingang 132 bzw. 168 am Ausgang 134 vereinheitlicht die Kühlmittelverteilung in den Kühlkanälen 158, so dass im Strömungsfeld jeder Reaktionsmittelkanal 142 an wenigstens einen Kühlkanal 158 angrenzt.
Vorteilhaft ist eine Gesamtkanallänge für das jeweilige Reaktionsmittel jeweils von dem jeweiligen Einlass 124 jedes Einlasskanals 122 an der Medienöffnung 310 durch das Strömungsfeld 130 bis zu dem jeweiligen Auslass 164 jedes Auslasskanals 162 an der Medienöffnung 320, 324 gleich lang ausgebildet.
Entsprechend ist auch eine Gesamtkanallänge eines jeden der Kühlmittelkanäle 138 von einem Kühlkanaleinlass 150 an der Medienöffnung 312 über Kanäle 156 im Kühlmittelverteiler 152 durch den Einlassverteiler 120 durch das Strömungsfeld 130 durch den Auslassverteiler 160 durch den Kühlmittelverteiler 192 bis zu dem Auslass 190 jedes Kanals 196 an der Medienöffnung 322 gleich lang ausgebildet.
Dabei kann vorteilhaft zur Verteilung des Kühlmittels auf der Kühlkanalseite 110 auch der Einlassverteiler 120 und der Auslassverteiler 160 der Reaktionsmittel mit genutzt werden.
Die Einlasskanäle 122 des Einlassverteilers 120 sind parallel zueinander angeordnet sind. Ebenso sind die Auslasskanäle 162 des Auslassverteilers 160 parallel zueinander angeordnet.
Wie zu erkennen ist, sind die Einlässe 124 der Einlasskanäle 122 und die Auslässe 164 der Auslasskanäle 162 bezogen auf das Strömungsfeld 130 im Wesentlichen diagonal gegenüberliegend angeordnet.
Dadurch, dass die Kühlkanäle 158 zumindest im Strömungsfeld 130 parallel zu den Reaktionsmittelkanälen 152 verlaufen, ist im Betrieb der Brennstoffzelle eine gute Kühlung dieses Bereichs sichergestellt.
Auch in dem Einlassverteiler 120 und in dem Auslassverteiler 160 ist jeweils eine Querverbindung 126; 198 zwischen den Kühlkanälen 158 angeordnet. Die Querverbindungen 126; 154; 168, 198 sind jeweils als gerader Stichkanal quer zu den Kühlkanälen 158 ausgebildet. In einer nicht dargestellten optionalen Ausgestaltung können auch mehrere Querverbindungen im Einlassverteiler 120 und Auslassverteiler 160 und/oder im Strömungsfeld 130 vorhanden sein.
Wie in 4 zu erkennen ist, werden zur Bildung einer Bipolarplatte 1000 die beiden Bipolarplattenhälften 100 mit ihren Kühlkanalseiten 110 in der Hochrichtung Z flächig zusammengefügt und schließen aus den Kühlkanalstrukturen gebildete Kühlkanäle 158 ein. Dazu werden die beiden Bipolarplattenhälften 100 zueinander geklappt, bzw. eine der Bipolarplattenhälften um 180° relativ zu der anderen der Bipolarplattenhälften 100 um ihre Längsrichtung X gedreht.
Die beiden Bipolarplattenhälften 100 sind am Rand durch Medienöffnungen 310, 312, 314, 320, 322, 324 für die Reaktionsmittel und das Kühlmittel durchbrochen.
Die beiden Reaktionsmittelseiten 112 der beiden Bipolarplattenhälften 100 bilden die beiden Außenseiten der Bipolarplatte 1000, wie sie beispielsweise in den 5, 6 dargestellt ist.
Zur Veranschaulichung zeigen die 5 und 6 eine Draufsicht auf eine Vorderseite (5) und einer Rückseite (6) einer Bipolarplatte 1000 mit zwei Varianten einer Membran-Elektrodeneinheit 200, 210.
Die eine Variante der Membran-Elektrodeneinheit 210, die mit einer unterbrochenen Umrahmung dargestellt ist, deckt lediglich das Strömungsfeld 130 ab.
Die andere Variante der Membran-Elektrodeneinheit 210 deckt nicht nur das Strömungsfeld 130 ab, sondern deckt auch Teile des in den fächerartigen Bereich des jeweiligen Einlassverteilers 120 und des jeweiligen Auslassverteilers 160 ab. Dabei kann vorteilhafterweise genau jener Bereich abgedeckt werden, der sich durch die Überlappung der Einlassverteiler 120 zweier Bipolarplatten 1000 ergibt.
Wie zu erkennen ist, fließt das eine Reaktionsmittel auf der Vorderseite der Bipolarplatte 1000 von der Medienöffnung 310 diagonal zur Medienöffnung 320 (5) und das andere Reaktionsmittel auf der Rückseite der Bipolarplatte 1000 von der Medienöffnung 314 zur Medienöffnung 324 (6). Die entgegengesetzte Strömungsrichtung ist ebenso denkbar.
Wie in der Detailansicht der Reaktionsmittelseite 112 am Beispiel der Bipolarplattenhälfte 100 in der 7 deutlich zu erkennen ist, geht jeweils ein Einlasskanal 122 in zwei im Strömungsfeld 130 verlaufende Reaktionsmittelkanäle 142 über. Jeweils zwei im Strömungsfeld 130 verlaufende Reaktionsmittelkanäle 142 gehen entsprechend in einen Auslasskanal 162 über (2).
So kann sichergestellt werden, dass jeweils ein Reaktionsmittelkanal 142 mit einem Kühlkanal 158 thermisch in Verbindung steht. Abgesehen von den beiden äußersten Reaktionsmittelkanälen 142 im Strömungsfeld 130 verläuft jeder Reaktionsmittelkanal 142 zwischen zwei Kühlkanälen 158. Jeweils ein Kühlkanal 158 versorgt zwei Reaktionsmittelkanäle 142.
Wie weiter in 7 zu erkennen ist, untertunneln die Einlasskanäle 122 der Reaktionsmittelkanäle 142 eine Dichtfläche 140 an den Medienöffnungen 310, 312, 314, 320, 322, 324. Hierdurch können die Medienöffnungen sicher abgedichtet werden.
Die Untertunnelung 144 ist in 7 noch verschlossen. Diese Bereiche werden zweckmäßigerweise erst nach dem Stanzen der Bipolarplatten 1000 aufgeschnitten.
Das Kühlmittel ist an der Medienöffnung 312 des Kühlkanaleinlasses 150 von der Reaktionsmittelseite 112 auf die Kühlmittelseite 110 jeder Bipolarplattenhälfte 100 geführt. Entsprechend ist das Kühlmittel an der Medienöffnung 322 des Kühlkanalauslasses 190 von der Kühlmittelseite 110 auf die Reaktionsmittelseite 112 jeder Bipolarplattenhälfte 100 geführt.
Bezugszeichen

100: Bipolarplattenhälfte
110: Kühlmittelseite
112: Reaktionsmittelseite
114: Abgriff
120: Einlassverteiler
122: Einlasskanal
124: Einlass
126: Querverbindung
128: gekrümmter Abschnitt
130: Strömungsfeld
132: Eingang
134: Ausgang
138: Kanal
140: Dichtfläche
142: Reaktionsmittelkanal
144: Untertunnelung
150: Kühlkanaleinlass
152: Kühlmittelverteiler
154: Querverbindung
156: Kanal
158: Kühlkanal
160: Auslassverteiler
162: Auslasskanal
164: Auslass
168: Querverbindung
178: gekrümmter Abschnitt
190: Kühlkanalauslass
192: Kühlmittelverteiler
196: Kanal
198: Querverbindung
310: Medienöffnung
312: Medienöffnung
314: Medienöffnung
320: Medienöffnung
322: Medienöffnung
324: Medienöffnung
1000: Bipolarplatte
2000: Brennstoffzellenstapel
2002: Spannplatte
2003: Spannplatte
2004: Spannungsabgriff
2006: Spannungsabgriff
2010: Anschluss
2012: Kühlmittelanschluss
2014: Anschluss
2020: Anschluss
2022: Kühlmittelanschluss
2024: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112004002605 B4 [0005]

Claims

Bipolarplatte (1000) zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung (2000) in Stapelbauweise, mit einer Hochrichtung (Z), einer Längsrichtung (X) und einer Querrichtung (Y), mit zwei Bipolarplattenhälften (100), die jeweils eine Kühlkanalseite (110) mit einer Kühlkanalstruktur und eine gegenüberliegende Reaktionsmittelkanalseite (112) mit Reaktionsmittelkanälen (142) aufweisen wobei die Bipolarplattenhälften (100,) mit ihren Kühlkanalseiten (110) in der Hochrichtung (Z) flächig zusammengefügt sind und aus den Kühlkanalstrukturen gebildete Kühlkanäle (158) einschließen, wobei die Bipolarplattenhälften (100) durch Medienöffnungen (310, 312, 314, 320, 322, 324) für Reaktionsmittel und Kühlmittel durchbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplattenhälften (100) auf ihren Reaktionsmittelkanalseiten (112) jeweils ein Strömungsfeld (130) aufweisen, in dem die Reaktionsmittelkanäle (142) in Längsrichtung (X) parallel zueinander verlaufenden, wobei das Strömungsfeld (130) in Längsrichtung (X) gesehen auf einer Seite mit einem Einlassverteiler (120) mit Einlasskanälen (122), die mit Einlässen (124) beginnen, und auf einer diesem in der Längsrichtung (X) gegenüberliegenden Seite mit einem Auslassverteiler (160) mit Auslasskanälen (162), die mit Auslässen (164) enden, fluidisch verbunden ist, wobei die Einlasskanäle (122) mit einem gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Abschnitt (128) in die Reaktionsmittelkanäle (142) übergehen und die Reaktionsmittelkanäle (142) mit einem gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Abschnitt (178) in die Auslasskanäle (162) übergehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienöffnungen (310, 312, 314, 320, 322, 324), Einlassverteiler (120), Einlässe (124), Auslassverteiler (160), Auslässe (164), Reaktionsmittelkanäle (142) und Kühlkanäle (158) punktsymmetrisch zum Zentrum der Bipolarplattenhälfte (100) angeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsfeld (130) wenigstens eine Querverbindung (154, 168) aufweist, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle (158) in Querrichtung (Y) fluidisch verbindet, insbesondere dass das Strömungsfeld (130) an seinem Eingang (132) und an seinem Ausgang (134) wenigstens eine Querverbindung (154, 168) aufweist, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle (158) in Querrichtung (Y) fluidisch verbindet.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Einlassverteiler (120) und/oder im Auslassverteiler (160) wenigstens eine Querverbindung (126, 198) zwischen Kühlkanälen (158) angeordnet ist, welche die Gesamtheit der Kühlkanäle (158) fluidisch verbindet, insbesondere wobei die Querverbindung (126, 198) als gerader Kanal quer zu den Kühlkanälen (158) ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtkanallänge jeweils von dem jeweiligen Einlass (124) jedes Einlasskanals (122) durch das Strömungsfeld (130) bis zu dem jeweiligen Auslass (164) jedes Auslasskanals (162) gleich lang ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Einlass (124) jedes Einlasskanals (122) an die korrespondierende Medienöffnung (310) anstößt und/oder dass der jeweilige Auslass (164) jedes Auslasskanals (162) an die korrespondierende Medienöffnung (320) anstößt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (122) des Einlassverteilers (120) parallel zueinander angeordnet sind und/oder dass die Auslasskanäle (162) des Auslassverteilers (160) parallel zueinander angeordnet sind.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (124) der Einlasskanäle (122) und die Auslässe (164) der Auslasskanäle (162) bezogen auf das Strömungsfeld (130) im Wesentlichen diagonal gegenüberliegend angeordnet sind.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (158) zumindest im Strömungsfeld (130) parallel zu den Reaktionsmittelkanälen (142) verlaufen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Einlasskanal (122) in zwei im Strömungsfeld (130) verlaufende Reaktionsmittelkanäle (142) übergeht und/oder jeweils zwei im Strömungsfeld (130) verlaufende Reaktionsmittelkanäle (142) in einen Auslasskanal (162) übergehen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Querrichtung (Y) jeweils ein Reaktionsmittelkanal (142) mit einem Kühlkanal (158) abwechselt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kühlkanal (158) zumindest mit einem Teil zwischen zwei Reaktionsmittelkanälen (142) der Bipolarplattenhälfte (100) verläuft.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (122) der Reaktionsmittelkanäle (142) eine Dichtfläche (140) an den Medienöffnungen (310, 312, 314, 320, 322, 324) untertunneln.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittel und das Kühlmittel auf unterschiedlichen Seiten der jeweiligen Bipolarplattenhälfte (100) verteilt werden, insbesondere wobei ein Steg auf einer Seite der jeweiligen Bipolarplattenhälfte (100) einen Kanal auf der anderen Seite der jeweiligen Bipolarplattenhälfte (100) darstellt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittel und das Kühlmittel über denselben Einlassverteiler (120) zum Strömungsfeld (130) geführt werden und/oder über denselben Auslassverteiler (160) aus dem Strömungsfeld (130) abgeführt werden.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel an der Medienöffnung (312) des Kühlkanaleinlasses (150) von der Reaktionsmittelseite (112) auf die Kühlmittelseite (110) jeder Bipolarplattenhälfte (100) geführt ist und/oder dass das Kühlmittel an der Medienöffnung (322) des Kühlkanalauslasses (190) von der Kühlmittelseite (110) auf die Reaktionsmittelseite (112) jeder Bipolarplattenhälfte (100) geführt ist.
Elektrochemische Vorrichtung in Stapelbauweise (2000), insbesondere Brennstoffzellenstapel oder Elekrolysestapel, mit wenigstens einer Bipolarplatte (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bipolarplatte (1000) aus zwei Bipolarplattenhälften (100) gebildet ist und an ihren Außenseiten jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit (200, 210) aufweist und im Innern der Bipolarplatte (1000) Kühlkanäle (158) angeordnet sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektrodeneinheit (200) ein Strömungsfeld (130) abdeckt und einen Einlassverteiler (120) und/oder Auslassverteiler (160) wenigstens einer der Bipolarplattenhälften (100) wenigstens teilweise abdeckt.