DE102022206952A1

DE102022206952A1 - Bipolarplatte, Brennstoffzellensystem und Elektrolyseur

Info

Publication number: DE102022206952A1
Application number: DE102022206952.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Willem Lenderink; Lucas Prinsen; Markus Berger; Ulrich Sauter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2024-01-18
Also published as: WO2024008395A2

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (100) für einen chemischen Energiewandler (200, 300). Die Bipolarplatte (100) umfasst:- eine Vielzahl Kanäle (101) zum Leiten von Betriebsmedien des Energiewandlers (200, 300),- eine Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) zum Versorgen der Vielzahl Kanäle (101) mit Betriebsmedien,- eine Vielzahl Verteilerkanäle (105), zum Verteilen von Betriebsmedien auf die Vielzahl Kanäle (101),wobei jeweilige Verteilerkanäle (105) der Vielzahl Verteilerkanäle (105) sich zwischen jeweiligen Versorgungsöffnungen (103) der Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) und jeweiligen Kanälen (101) der Vielzahl Kanäle (101) erstrecken, undwobei jeweilige Versorgungsöffnungen (103) der Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) zumindest auf einer Verteilerkanalseite, die jeweiligen Verteilerkanälen (105) der Vielzahl Verteilerkanäle (105) zugewandt ist, zumindest bereichsweise einen gebogenen Randbereich aufweisen.

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, ein Brennstoffzellensystem und einen Elektrolyseur.
Stand der Technik
In Zellen eines Energiewandlers, wie bspw. einem Elektrolyseur oder einem Brennstoffzellensystem, müssen jeweilige Betriebsmedien, wie bspw. Edukte, gleichmäßig über eine reaktive Fläche jeweiliger Zellen verteilt werden, um eine bestmögliche Leistung des Energiewandlers zu erreichen. Zum Verteilen von durch Versorgungsöffnungen, d.h. sogenannte „Ports“ bereitgestellten Betriebsmedien auf eine reaktive Fläche werden Verteilerkanäle verwendet, die in der Regel in einem Verteilerfeld angeordnet sind.
Versorgungsöffnungen, die dieselbe Größe haben, wie ein Verteilerfeld führen in der Regel zu mechanisch schwachen Bipolarplatten, sodass derartige Versorgungsöffnungen mittels Stegen verstärkt werden müssen. Derartige Stege wirken jedoch abträglich für einen aus einer jeweiligen Versorgungsöffnung ausströmenden Volumenstrom.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Bipolarplatte, ein Brennstoffzellensystem und ein Elektrolyseur vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein effizientes und robustes Betreiben eines Energiewandlers zu ermöglichen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Bipolarplatte für einen chemischen Energiewandler, wie bspw. eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, vorgestellt.
Die vorgestellte Bipolarplatte umfasst eine Vielzahl Kanäle zum Leiten von Betriebsmedien des Energiewandlers, eine Vielzahl Versorgungsöffnungen zum Versorgen der Vielzahl Kanäle mit Betriebsmedien und eine Vielzahl Versorgungsöffnungen zum Verteilen von durch die Vielzahl Versorgungsöffnungen bereitgestellten Betriebsmedien auf die Vielzahl Kanäle, wobei jeweilige Verteilerkanäle der Vielzahl Verteilerkanäle sich zwischen jeweiligen Versorgungsöffnungen der Vielzahl Versorgungsöffnungen und jeweiligen Kanälen der Vielzahl Kanäle erstrecken, und wobei jeweilige Versorgungsöffnungen der Vielzahl Versorgungsöffnungen zumindest auf einer Verteilerkanalseite, die jeweiligen Verteilerkanälen der Vielzahl Verteilerkanäle zugewandt ist, einen zumindest bereichsweise gebogenen Randbereich aufweisen.
Unter einer Versorgungsöffnung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein sogenannter „port“ zu verstehen, der die Bipolarplatte im Betrieb mit Betriebsmedien, wie bspw. Brennstoff oder Wasser versorgt.
Unter einem Verteilerkanal ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Strömungsleiteinrichtung zu verstehen, die aus einer Versorgungsöffnung ausströmendes Betriebsmedium zu jeweiligen Kanälen bzw. einem reaktiven Feld der Bipolarplatte leitet. Ein Verteilerkanal kann einstückig aus einem Kanal gebildet sein oder als separate Einheit insbesondere aus einem anderen Material bestehen als ein jeweiliger Kanal der Bipolarplatte. Selbstverständlich kann ein Verteilerkanal auch aus dem gleichen Material wie ein jeweiliger Kanal der Bipolarplatte.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass jeweilige Versorgungsöffnungen der Vielzahl Versorgungsöffnungen zumindest auf einer Verteilerkanalseite, die jeweiligen Verteilerkanälen der Vielzahl Verteilerkanäle zugewandt ist, einen gebogenen Randbereich aufweisen.
Der gebogene Randbereich der Versorgungskanäle der vorgestellten Bipolarplatte ermöglicht es, die Verteilerkanäle derart anzuordnen, dass diese gleichmäßig mit Betriebsmedien versorgt werden, auch wenn die Verteilerkanäle um jeweilige Stege zur Stabilisierung der Bipolarplatte herumgeführt werden. Entsprechend wird ein sogenannter „Flußschatten“, d.h. ein negativer Einfluss auf ein Strömungsverhalten von aus einer Verteilungsöffnung ausströmendem Betriebsmedium verhindert bzw. minimiert.
Weiterhin ermöglicht der gebogene Randbereich der Versorgungskanäle eine besonders vorteilhafte Strömungsdynamik im Verteilerfeld bei einer besonders kompakten Verteilerfeldgeometrie.
Es kann vorgesehen sein, dass sämtliche Verteilerkanäle gleich lang sind. Durch gleich lange Verteilerkanäle wird eine gleichmäßige Versorgung von Kanälen der vorgestellten Bipolarplatte durch die Verteilerkanäle sichergestellt. Dabei ermöglicht der gebogene Randbereich der Versorgungsöffnungen, dass die Verteilerkanäle gleich lang und um jeweilige Stabilisierungsstege herumgeführt werden können.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweiligen Versorgungsöffnungen mit ihrer Verteilerkanalseite an die jeweiligen Verteilerkanäle angrenzen und die jeweiligen Verteilerkanäle sich von den jeweiligen Versorgungsöffnungen zu den jeweiligen Kanälen erstrecken.
Durch eine Ausrichtung der gebogenen Verteilerkanalseite jeweiliger Versorgungsöffnungen zu jeweiligen Verteilerkanälen wird aufgrund der Biegung des Randbereichs der Versorgungsöffnungen gegenüber einem geraden Randbereich zusätzlicher Raum bzw. zusätzliche Fläche bereitgestellt, in dem bzw. in der sich die Verteilerkanäle erstrecken können.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweiligen Verteilerkanäle zumindest teilweise schräg zwischen der Verteilerkanalseite und jeweiligen Kanälen verlaufen.
Durch schräg verlaufende Verteilerkanäle, d.h. Verteilerkanäle, die bspw. in einem spitzen Winkel bzw. einem Winkel kleiner 90° zu einer Vertikalachse der Bipolarplatte verlaufen, wird ermöglicht, dass jeweilige Verteilerkanäle im Randbereiche eines Stabilisierungsstegs um den Stabilisierungssteg herum bzw. an dem Stabilisierungssteg vorbei geführt werden können, sodass ein Einfluss des Stabilisierungsstegs auf ein Strömungsverhalten von durch die Verteilerkanäle strömendem Medium minimiert wird. Dabei kann sich die Vertikalachse bspw. parallel zu einer langen Seite der Bipolarplatte erstrecken.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäß vorgesehene Vielzahl Verteilerkanäle gerade, d.h. parallel zu der Vertikalachse verlaufende Verteilerkanäle und schräge Verteilerkanäle umfassen. Insbesondere können jeweilige an einen Stabilisierungssteg grenzende Verteilerkanäle schräg und jeweilige in einem mittleren Bereich eines jeweiligen Verteilerfelds angeordnete Verteilerkanäle gerade verlaufen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich ein Winkel zwischen einem jeweiligen Verteilerkanal und einer Vertikalachse der Bipolarplatte von einem Winkel zwischen einem weiteren Verteilerkanal und der Vertikalachse unterscheidet.
Durch in verschiedenen Winkeln zu der Vertikalachse der vorgestellten Bipolarplatte angeordnete Verteilerkanäle, d.h. einer verteilerkanalspezifischen Neigung bzw. Schräge, kann eine Neigung der Verteilerkanäle auf einen Krümmungsradius einer jeweiligen Verteileröffnung abgestimmt werden, sodass unabhängig von der Schräge eines jeweiligen Verteilerkanals sämtliche Verteilerkanäle einen gleichen bzw. vergleichbaren Volumenstrom an Betriebsmedium zu den Kanälen der vorgestellten Bipolarplatte leiten. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilerkanäle und die Kanäle aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilerkanäle aus einem Kunststoff und die Kanäle aus einem Metall bestehen.
Um eine präzise Ausformung der erfindungsgemäß vorgesehenen Verteilerkanäle gemäß einer vorgegebenen Anordnung sicherzustellen, können die Verteilerkanäle aus einem besonders einfach zu formenden Material, wie bspw. einem Kunststoff bestehen. Entsprechend können die Verteilerkanäle in Form eines Verteilerfelds vorkonfiguriert in einen Grundkörper der vorgestellten Bipolarplatte, der bspw. aus einem Metall besteht eingebracht werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Randbereich einer jeweiligen Versorgungsöffnung in Richtung eines Zentrums der Versorgungsöffnung gebogen ist.
Durch einen in Richtung eines Zentrums der Versorgungsöffnung gebogenen Randbereich wird eine Fläche für zwischen dem Randbereich und jeweiligen Kanälen der vorgestellten Bipolarplatte verlaufende Verteilerkanäle maximiert.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte eine Anzahl Stabilisierungsstege umfasst, die insbesondere eine Anzahl Ausgleichskanäle zum Druck- und/oder Strömungsausgleich zwischen den Versorgungsöffnungen umfassen.
Stabilisierungsstege maximieren eine mechanische Belastbarkeit der Bipolarplatte. Durch eine Integration von Ausgleichkanälen in den Stabilisierungsstegen wird eine gleichmäßige Verteilung von Druck und/oder Strömungskräften zwischen jeweiligen durch die die Stabilisierungsstege getrennten Bereichen der Bipolarplatte erreicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Elektrolyseur mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolyseurs.

In 1 ist eine Bipolarplatte 100 für einen Energiewandler, wie bspw. ein Brennstoffzellensystem oder einen Elektrolyseur dargestellt.
Die Bipolarplatte 100 umfasst eine Vielzahl Kanäle 101 zum Leiten von Betriebsmedien des Energiewandlers. Bspw. bilden die Kanäle 101 ein reaktives Feld bzw. einen reaktiven Bereich der Bipolarplatte 100.
Ferner umfasst die Bipolarplatte 100 eine Vielzahl Versorgungsöffnungen 103 zum Versorgen der Kanäle 101 mit Betriebsmedien bzw. einem Betriebsmedium und eine Vielzahl Verteilerkanäle 105, die sich zwischen den Versorgungsöffnungen 103 und den Kanälen 101 erstrecken.
Die Versorgungsöffnungen 103 sind auf einer Verteilerkanalseite, die den Verteilerkanälen 105 zugewandt ist, in einem Randbereich 107 gebogen.
Ferner ist in 1 gut erkennbar, dass die Mehrzahl der Verteilerkanäle 105 schräg zu einer Vertikalachse 109 verlaufen. Dabei sind all Verteilerkanäle 105 gleich lang und um Stabilisierungsstege 111 herumgeführt.
Optional können die Stabilisierungsstege 111 Ausgleichskanäle 117 umfassen, die einen Druck- und Strömungsausgleich zwischen den Versorgungsöffnungen 103 ermöglichen.
Während ein Verteilerfeld 113 lediglich in einem mittleren Bereich gerade, d.h. parallel zu der Vertikalachse 109 verlaufende Verteilerkanäle 105 und sonst schräge Verteilerkanäle 105 umfasst, sind in einem Verteilerfeld 115 lediglich im äußeren Randbereich schräge Verteilerkanäle 105 und sonst gerade Verteilerkanäle 105 angeordnet.
Aufgrund der Geometrie der Verteileröffnungen 103 und der Verteilerkanäle 105 werden die Kanäle 101 gleichmäßig mit Betriebsmedien versorgt.
In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 201 mit einer Vielzahl Bipolarplatten 100, wie sie bspw. in 1 dargestellt sind.
In 3 ist ein Elektrolyseur 300 dargestellt. Der Elektrolyseur 300 umfasst einen Zellstapel 301 mit einer Vielzahl Bipolarplatten 100, wie sie bspw. in 1 dargestellt sind.

Claims

Bipolarplatte (100) für einen chemischen Energiewandler (200, 300), wobei die Bipolarplatte (100) umfasst: - eine Vielzahl Kanäle (101) zum Leiten von Betriebsmedien des Energiewandlers (200, 300), - eine Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) zum Versorgen der Vielzahl Kanäle (101) mit Betriebsmedien, - eine Vielzahl Verteilerkanäle (105) zum Verteilen von Betriebsmedien auf die Vielzahl Kanäle (101), wobei jeweilige Verteilerkanäle (105) der Vielzahl Verteilerkanäle (105) sich zwischen jeweiligen Versorgungsöffnungen (103) der Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) und jeweiligen Kanälen (101) der Vielzahl Kanäle (101) erstrecken, und wobei jeweilige Versorgungsöffnungen (103) der Vielzahl Versorgungsöffnungen (103) zumindest auf einer Verteilerkanalseite, die jeweiligen Verteilerkanälen (105) der Vielzahl Verteilerkanäle (105) zugewandt ist, einen zumindest bereichsweise gebogenen Randbereich (107) aufweisen.
Bipolarplatte (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Verteilerkanäle (105) gleich lang sind.
Bipolarplatte (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Versorgungsöffnungen (103) mit ihrer Verteilerkanalseite an die jeweiligen Verteilerkanäle (105) angrenzen und die jeweiligen Verteilerkanäle (105) sich von den jeweiligen Versorgungsöffnungen (103) zu den jeweiligen Kanälen (101) erstrecken.
Bipolarplatte (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Verteilerkanäle (105) zumindest teilweise schräg zwischen der Verteilerkanalseite und jeweiligen Kanälen (101) verlaufen.
Bipolarplatte (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Winkel zwischen einem jeweiligen Verteilerkanal (/105) und einer Vertikalachse (109) der Bipolarplatte (100) von einem Winkel zwischen einem weiteren Verteilerkanal (105) und der Vertikalachse (109) unterscheidet.
Bipolarplatte (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle (105) und die Kanäle (101) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Bipolarplatte (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle (105) aus einem Kunststoff und die Kanäle (101) aus einem Metall bestehen.
Bipolarplatte (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich einer jeweiligen Versorgungsöffnung (103) in Richtung eines Zentrums der Versorgungsöffnung (103) gebogen ist.
Bipolarplatte (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte eine Anzahl Stabilisierungsstege (111) umfasst, die insbesondere eine Anzahl Ausgleichskanäle (117) zum Druck- und/oder Strömungsausgleich zwischen den Versorgungsöffnungen (103) umfassen.
Brennstoffzellensystem (200), wobei das Brennstoffzellensystem (200) eine Anzahl Bipolarplatten (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Elektrolyseur (300), wobei der Elektrolyseur (300) eine Anzahl Bipolarplatten (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.