DE102023200079A1

DE102023200079A1 - Bipolarplatte für einen Elektrolyseur

Info

Publication number: DE102023200079A1
Application number: DE102023200079.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brunner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2024-07-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte (34) für einen Elektrolyseur (44), wobei die Bipolarplatte (34) mehrere Medienkanäle (36), d. h. zumindest einen H₂O-Einlassport (38), einen H₂O-/O₂-Auslassport (40) sowie einen H₂-Auslassport (42) umfasst. Im Elektrolysezellenstapel (46) des Elektrolyseurs (44) sind als Wiederholbauteile (48) ausgeführte Bipolarplatten (34) übereinanderliegend angeordnet, jeweils einen Port (38, 40, 42) abdichtend, derart, dass eine Einlegedichtung (56) zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten (34) durch diese in einer X-/Y-Ebene (86) fixiert ist. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Bipolarplatte (34) in einem Elektrolysezellenstapel (46) eines Elektrolyseurs (44).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte für einen Elektrolyseur, wobei die Bipolarplatte mehrere Medienkanäle, zumindest einen H₂O-Einlassport, einen H₂O-/O₂-Auslassport und einen H₂-Auslassport umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel eines Elektrolyseurs.
Stand der Technik
DE 2020 215 012 A1 bezieht sich auf eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Port, eine aktive Fläche und ein Dichtungselement mit genau einer Öffnung zur Durchführung von mindestens einem Medium. Das Dichtungselement umgibt den mindestens einen Port. Darüber hinaus werden eine elektrochemische Zelle sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle offenbart.
DE 101 58 772 C1 sowie DE 102 48 531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung mehrerer Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind.
Bipolarplatten für Elektrolyseure können im Gegensatz zu Bipolarplatten, die an Brennstoffzellen eingesetzt werden, auch nur ein einzelnes Blech aufweisen, wenn nur zwei Medien, nämlich ein Anodenmedium und ein Kathodenmedium voneinander getrennt werden müssen. Bei Elektrolyseuren entfällt in der Regel das Kühlmedium. Die Kühlfunktion wird bei Elektrolyseuren von Wasser, d. h. dem Anodenmedium, welches bei der Wasserelektrolyse entsteht, übernommen.
Darstellung der Erfindung
Es wird eine Bipolarplatte für einen Elektrolyseur vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte mehrere Medienkanäle, zumindest einen H₂O-Einlassport, einen H₂O-/O₂-Auslassport sowie einen H₂-Auslassport umfasst. Innerhalb des Zellenstapels des Elektrolyseurs sind die Bipolarplatten als Wiederholbauteile übereinanderliegend, einen Port abdichtend aufgenommen und eine Einlegedichtung zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten wird durch diese innerhalb einer X-/Y-Ebene fixiert.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Bipolarplatte bereitgestellt werden, die als Wiederholbauteil innerhalb eines Zellenstapels mehrfach Verwendung finden kann und durch ihre Formgebung gleichzeitig die Kontur der Bipolarplatte auf der Anodenseite sowie die dazugehörige Kontur auf der Kathodenseite der Bipolarplatte erzeugt.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist eine Membran beziehungsweise ein Subgasket in Z-Richtung derart zwischen der Einlegedichtung und der Bipolarplatte fixiert, dass im Bereich der Ports Öffnungen der Einlegedichtung offenstehen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist die Membran innerhalb eines Verteilungsbereichs der Bipolarplatte innerhalb des Zellenstapels im Wesentlichen in einer mittigen Anordnung positioniert. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise etwa gleich große Kathoden- beziehungsweise Anodenräume schaffen.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte können in einem Anodenraum und/oder in einem Kathodenraum zwischen aus übereinanderliegenden Bipolarplatten gebildeten Elektrolysezellen Gas- beziehungsweise Fluiddiffusionslagen angeordnet sein.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist diese als Wiederholbauteil, insbesondere als geprägtes oder gestanztes metallisches Bauteil, insbesondere als Blechbauteil gefertigt. Dadurch lässt sich eine Großserienfertigung realisieren, insbesondere dann, wenn die Bipolarplatte als geprägtes Blechbauteil in einer geringen Dicke gefertigt werden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte weist diese auf ihrer Oberseite zumindest eine erste X-/Y-Tragerhöhung und mindestens eine Z-Tragerhöhung auf. Weiterhin umfasst die Bipolarplatte an ihrer Unterseite mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung sowie mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung.
Wenn durch eine derartige Ausgestaltung der Bipolarplatte ein Bauteil mehrfach innerhalb eines Brennstoffzellenstapels eines Elektrolyseurs angeordnet wird, können Stapelhilfen bereitgestellt werden, so dass der Zellenstapel einfacher und präziser auch auf automatisiertem Weg aufgebaut werden kann. Über die ersten und zweiten X-/Y-Tragerhöhungen sowie die ersten und zweiten Z-Tragerhöhungen werden nach Einlegen der Einlegedichtung und Anordnen der Membran beziehungsweise des Subgaskets Anoden- und Kathodenräume definiert, ohne dass hierzu beim Aufbau des Zellenstapels weitere Ausrichte- oder Fügeelemente benötigt würden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte sind die mindestens eine X-/Y-Tragerhöhung, die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung, die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung sowie die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung als Blechsicken im Material der Bipolarplatte ausgeführt.
In einer Ausführungsvariante der Bipolarplatte können die mindestens eine erste X-/Y-Tragerhöhung, die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung an der Oberseite sowie die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung und die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung an der Unterseite der Bipolarplatte im Bereich der Ports ununterbrochen kontinuierlich in Umfangsrichtung verlaufend ausgeführt sein, oder es können in einer weiteren Ausführungsvariante die genannten Tragerhöhungen auch segmentweise in Umfangsrichtung unterbrochen ausgeführt werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte sind die Öffnungen im Material der Einlegedichtung im Wesentlichen in horizontaler Richtung orientiert und können sowohl als Bohrungen oder auch als Querschlitze ausgeführt werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist die Membran beziehungsweise das die Membran umgebende Subgasket zwischen der Einlegedichtung einerseits und einer Oberseite der Bipolarplatte andererseits eingeklemmt. Zum Fixieren der Membran beziehungsweise des die Membran umgebenden Subgaskets sind mithin keine separaten Fügeelemente erforderlich.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist die Membran beziehungsweise das die Membran umschließende Subgasket durch die mindestens eine X-/Y-Tragerhöhung in mittiger Anordnung zwischen zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten angeordnet. Durch diese Anordnung werden innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle innerhalb des Elektrolyseurs im Wesentlichen übereinstimmende Geometrien im Anoden- und im Kathodenraum der Brennstoffzelle erreicht.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte ist die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung zur ersten X-/Y-Tragerhöhung versetzt angeordnet, wobei sich die erste X-/Y-Tragerhöhung in entgegengesetzte Z-Richtung erstreckt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte stellt die mindestens eine X-/Y-Tragerhöhung einen definierten kathodenseitigen Abstand der Membran beziehungsweise des Subgaskets zur Bipolarplatte her, während die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung einen definierten anodenseitigen Abstand der Membran beziehungsweise des Subgaskets zur Bipolarplatte herstellt.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Bipolarplatte in einem Zellenstapel, insbesondere eines Elektrolyseurs.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in Gestalt der Bipolarplatte wird eine einzige Wiederholeinheit bereitgestellt, so dass für einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere eines Elektrolyseurs, nur eine Art von Bipolarplatten als einziges Wiederholbauteil erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene, als Wiederholeinheit ausgestaltete Bipolarplatte wird durch ein Bauteil sowohl die Kontur der Bipolarplatte auf der Anodenseite als auch die dazugehörige negative Kontur der Bipolarplatte auf der Kathodenseite erzeugt. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bipolarplatte wird beispielsweise ein H₂O-Einlass von der Einlegedichtung abgedichtet. Diese dient hier auch zur Kraftübertragung der zum Verspannen der einzelnen den Zellenstapel bildenden Bipolarplatten mittels einer Klemmeinrichtung. Die Einlegedichtung ist hier mittels einer ersten X-/Y-Tragerhöhung, beispielsweise ausgebildet als eine Blechsicke, gelagert. Die erste X-/Y-Tragerhöhung ist nicht zwingend erforderlich über den gesamten Umfang des abzudichtenden H₂O-Einlassports auszubilden, sondern kann beispielsweise auch aus einzelnen Segmenten mit Unterbrechungen zwischen diesen gefertigt werden. Die erste X-/Y-Tragerhöhung, beispielsweise ausgebildet als Blechsicke, dient des Weiteren der Ausrichtung der Bipolarplatte beim Vorstapeln der einzelnen Bipolarplatten, die schlussendlich den Brennstoffzellenstapel bilden.
Darüber hinaus kann die Bipolarplatte eine zweite Tragerhöhung aufweisen, die in entgegengesetzte Z-Richtung in Bezug auf die erste X-/Y-Tragerhöhung der Bipolarplatte ausgebildet wird. Durch die genannten ersten und zweiten X-/Y-Tragerhöhungen kann die Einlegedichtung eingeklemmt werden. Ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte mit der zweiten X-/Y-Tragerhöhung, ausgebildet als Blechsicke, versehen, wird bevorzugt der Brennstoffzellenstapel mittels der ersten X-/Y-Tragerhöhung und der zweiten X-/Y-Tragerhöhung als Ausrichtungsmerkmale beim Vorstapeln aufgebaut.
Die Einlegedichtung ist, je nachdem, welcher der Ports der Bipolarplatte abzudichten ist, mit Öffnungen versehen, die in horizontaler Richtung zur Anode oder zur Kathode der zu versorgenden Brennstoffzelle verlaufen. Diese Öffnungen können beispielsweise als Bohrungen oder auch als Querschlitzungen ausgebildet sein.
Darüber hinaus ist in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäß vorgeschlagene, als Wiederholbauteil ausgebildete Bipolarplatte mit mindestens einer ersten Z-Tragerhöhung und mindestens einer zweiten Z-Tragerhöhung versehen. Durch die genannten Tragerhöhungen, die sich in Z-Richtung sowie in zu dieser entgegengesetzte Z-Richtung erstrecken, lässt sich eine mittige Anordnung der Bipolarplatte erreichen. In diesem Fall sind in vorteilhafter Weise die entstehenden Anoden- und Kathodenräume von übereinstimmender Gestalt. Über die erste Z-Tragerhöhung kann ein definierter kathodenseitiger Abstand zwischen der Membran beziehungsweise dem die Membran umgebenden Subgasket zur Bipolarplatte hergestellt werden, während über die zweite Z-Tragerhöhung in Gestalt einer Auflagesicke ein definierter anodenseitiger Abstand der Membran beziehungsweise des die Membran umgebenden Subgaskets zur Bipolarplatte hergestellt werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte wird ein Bauteil dargestellt, welches in einen Brennstoffzellenstapel unter Vorsehen der Membran beziehungsweise des die Membran aufnehmenden Subgaskets und die Einlegedichtung verbaut wird. Die Bipolarplatten sind wiederholbar angeordnet, unter entsprechender Berücksichtigung der Positiv- beziehungsweise Negativgeometrien auf Anoden- beziehungsweise Kathodenseite bei im Wesentlichen konstanter Blechdicke. Insbesondere ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte aus metallischem Material gefertigt und umfasst bevorzugt ein dünnwandiges Blech. Da aus diesem Material die Medienkanäle als Ausstanzungen in eckigem oder kreisrundem Querschnitt gefertigt werden können, können die besagten Tragerhöhungen als Sicken, insbesondere als Blechsicken, im Material der Bipolarplatte ausgebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine bekannte Einlegedichtung, wie sie für einen Zellenstapel in Elektrolysezellen Verwendung findet,
2 eine Bipolarplatte in der Draufsicht mit drei Ports, einem H₂O-Einlassport, einem H₂O-Auslassport sowie einem H₂-Auslassport,
3 einen Ausschnitt aus einem Elektrolysezellenstapel eines Elektrolyseurs mit Wiederholbauteilen und als Wiederholbauteilen ausgebildeter Bipolarplatte und
4 eine Ausführungsvariante der Bipolarplatte mit einer umlaufend ausgebildeten Perimetersicke.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Ports 12, der von einem Dichtungselement 10 umgeben ist. In einer Öffnung 14 ist ein Einlegeteil 16 mit einer Stützstruktur 18 angeordnet, wobei die Stützstruktur 18 beispielsweise als Wellblech 20 ausgebildet ist und einen Steg 22 des Dichtungselements 10 abstützt. Mit Bezugszeichen 24 ist ein Medium bezeichnet, welches den in 1 perspektivisch dargestellten Port 12 passiert.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
2 zeigt in der Draufsicht in schematischer Weise eine für einen Elektrolyseur vorgesehene erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Bipolarplatte 34 mit einem H₂O-Einlassport 38, einem H₂O/O₂-Auslassport 40, sowie einem H₂-Auslassport 42. Aus der Draufsicht gemäß 2 geht hervor, dass eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 eine Anzahl von Medienkanälen 36 aufweist. Die Medienkanäle 36 sind beispielsweise als ein H₂O-Einlassport 38, ein H₂O/O₂-Auslassport 40 sowie ein H₂-Auslassport 42 gestaltet. Wenngleich in der Darstellung gemäß 2 sämtliche Medienkanäle 36 einen im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, können die Querschnitte der Medienkanäle 36 abweichend von der Darstellung gemäß 2 beispielsweise auch in kreisrunder Geometrie gefertigt sein. Bei der in der Draufsicht gemäß 2 dargestellten Bipolarplatte 34 handelt es sich um ein dünnwandiges Blechbauteil, welches durch Präge- und Stanzverfahren einfach umformbar ist und welches erfindungsgemäß als Wiederholbauteil 48 zum Übereinanderstapeln und zum Aufbau eines Elektrolysezellenstapels 46 für einen Elektrolyseur 44 dient.
3 zeigt einen Ausschnitt eines Elektrolysezellenstapels 46 eines Elektrolyseurs 44 mit als Wiederholbauteilen 48 ausgebildeten, aus metallischem Material gefertigten Bipolarplatten 34, welche eine Membran-Elektroden-Einheit in Gestalt einer von einem Subgasket umgebenen Membran 70 aufweisen.
Gemäß der Darstellung in 3 ist im Schnitt ein H₂O-Einlassport 38 dargestellt. Um diesen herum sind innerhalb des Elektrolysezellenstapels 46 übereinanderliegend eine Anzahl von als Wiederholbauteile 48 ausgebildeter erfindungsgemäßer Bipolarplatten 34 angeordnet. Zwischen den einzelnen Bipolarplatten 34 des Elektrolysezellenstapels 46 gemäß der Darstellung in 3 befinden sich Einlegedichtungen 56. Die Einlegedichtungen 56 sind auf ihrer, einem Verteilungsbereich 62 zugewandten Seite mit einer im Wesentlichen in horizontaler Richtung orientierten Öffnung 60 versehen. Die Öffnung 60 kann entweder als Bohrung oder auch als Querschlitz oder dergleichen ausgebildet sein.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht des Weiteren hervor, dass der hier im Schnitt dargestellte H₂O-Einlassport 38 symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 50 ausgebildet ist. Eine Strömungsrichtung von H₂O durch den H₂O-Einlassport 38 ist in 3 durch Bezugszeichen 52 identifiziert. Der Elektrolysezellenstapel 46, von dem in der Darstellung gemäß 3 nur ein Teil dargestellt ist, wird durch das Aufbringen einer Klemmkraft 54 komprimiert. Die Klemmkraft 54 wird zum Teil durch die Einlegedichtungen 56 übertragen. Die Einlegedichtung 56 ist in der Darstellung gemäß 3 im Wesentlichen in Ringform 58 ausgebildet und dient als Übertragungsort der Klemmkraft 54, mit der die den Elektrolysezellenstapel 46 bildenden Bipolarplatten 34 gegeneinander verspannt sind.
Die in der Wand der Einlegedichtung 56, bevorzugt in Ringform 58 ausgebildeten Öffnungen 60 münden in einen Verteilungsbereich 62, an den sich ein Aktivbereich 64 der Bipolarplatten 34 anschließt, die von einem hier nicht näher dargestellten Subgasket umschlossen sein können.
Die einzelnen, als Wiederholbauteile 48 ausgebildeten Bipolarplatten 34 werden im Elektrolysezellenstapel 46 im Wesentlichen übereinanderliegend angeordnet. Dabei bilden Oberseiten 80 und Unterseiten 82 der Bipolarplatten 34 jeweils Anodenräume 66 beziehungsweise Kathodenräume 68. Diese wiederum sind durch die von einem Subgasket umschlossene Membran 70 der Membran-Elektroden-Einheit voneinander getrennt.
Bevorzugt werden die Bipolarplatten 34 als Blechbauteile gestanzt oder geprägt und sind als Wiederholbauteile 48 ausgeführt. Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass an der Oberseite 80 der Bipolarplatten 34 mindestens eine erste X-/Y-Tragerhöhung 72 sowie mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76 ausgebildet sind. Die Tragerhöhungen 72, 76 können beispielsweise als Blechsicken in das Material der Bipolarplatten 34 eingeprägt oder eingestanzt werden. An der Unterseite 82 der Bipolarplatten 34 gemäß der Darstellung in 3 befindet sich mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung 74 sowie mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung 78. Die Membran 70 der Membran-Elektroden-Einheit inklusive Subgasket ist gemäß der Darstellung in 3 derart zwischen der Einlegedichtung 56 und der Bipolarplatte 34 in Z-Richtung 84 fixiert, dass sie im Bereich des hier dargestellten H₂O-Einlassports 38 die Öffnungen 60 in der Einlegedichtung 56 freigibt und innerhalb des Verteilbereichs 62 in mittiger Anordnung 90 zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten 34 verläuft. Bei den Bipolarplatten 34, wie in 3 dargestellt, wird die Einlegedichtung 56 zwischen zwei übereinandergestapelten Bipolarplatten 34 innerhalb des Elektrolysezellenstapels 46 derart angeordnet, dass diese den H₂O-Einlassport 38 umgeben und die Einlegedichtung 56 von einer oder beiden Bipolarplatten 34 innerhalb einer X-/Y-Ebene 86 fixiert wird. Zur Fixierung der Einlegedichtung 56 sind keine weiteren Fügebeziehungsweise Halteelemente erforderlich. Das Fügen der Einlegedichtung 56 zwischen den beiden Bipolarplatten 34 erfolgt mit Hilfe der auf die Bipolarplatten 34 innerhalb des Elektrolysezellenstapels 46 einwirkenden Klemmkraft 54.
Die Einlegedichtung 56 zwischen zwei jeweils übereinanderliegenden Bipolarplatten 34 dient des Weiteren zur Kraftübertragung, insbesondere zur Übertragung der Klemmkraft 54 zum Verspannen des Elektrolysezellenstapels 46. Die Einlegedichtung 56 ist mittels der mindestens einen ersten X-/Y-Tragerhöhung 72 in der X-/Y-Ebene 86 gelagert. Die genannte, mindestens eine erste X-/Y-Tragerhöhung 72 muss sich nicht notwendigerweise um den gesamten Umfang des hier beispielhaft dargestellten H₂O-Einlassports 38 erstrecken, sondern kann beispielsweise auch segmentweise aufgebaut sein und Unterbrechungen aufweisen. Bevorzugt dient die mindestens eine erste X-/Y-Tragerhöhung 72 der Ausrichtung der Bipolarplatte 34 beim Aufstapeln der einzelnen Komponenten des Elektrolysezellenstapels 46.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 weist des Weiteren eine zweite X-/Y-Tragerhöhung 74 auf. Durch die beiden genannten Tragerhöhungen 72, 74 wird die Einlegedichtung 56, ohne dass Befestigungselemente erforderlich sind, zwischen den beiden Bipolarplatten 34 eingeklemmt. Auch die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung 74, die sich in entgegengesetzter Z-Richtung 92 erstreckt, muss nicht über den gesamten Umfang des hier beispielhaft dargestellten H₂O-Einlassports 38 verlaufen, sondern kann segmentweise, d. h. mit Unterbrechungen in Umfangsrichtung ausgeführt sein. Weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 besagte mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung 74 auf, wird der Elektrolysezellenstapel 46 mittels der mindestens einen ersten X-/Y-Tragerhöhung 72 sowie der mindestens einen zweiten X-/Y-Tragerhöhung 74 als Ausrichtungsorientierung vor- und fertiggestapelt.
Wie des Weiteren aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht wird zwischen den einzelnen übereinandergestapelten Bipolarplatten 34 jeweils eine Membran 70 oder eine Membran-Elektroden-Einheit (beziehungsweise innerhalb des Verteilungsbereichs 62 deren Subgasket) angeordnet. Bevorzugt wird das die Membran 70 umschließende Subgasket zwischen der Einlegedichtung 56 und den Bipolarplatten 34 eingeklemmt. Für diesen Fall weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76 auf, die sich in Z-Richtung 84 erstreckt. An dieser wird die Membran 70 in mittiger Anordnung 90 zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten 34 ausgerichtet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 mit mindestens einer weiteren zweiten, in X-/Y-Richtung 86 zur ersten versetzten Z-Tragerhöhung 78 versehen. Diese mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung 78 weist in entgegengesetzte Z-Richtung 92 in Bezug auf die erstgenannte, mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76.
In der Schnittdarstellung gemäß 3, die einen Ausschnitt des Elektrolysezellenstapels 46 des Elektrolyseurs 44 darstellt, stellt die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76 einen definierten kathodenseitigen Abstand der Membran 70 zur Bipolarplatte 34 her, während die zweite, sich in entgegengesetzte Z-Richtung 92 erstreckende, mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung 78 einen definierten anodenseitigen Abstand der Membran 70 beziehungsweise von deren Subgaskets zur Bipolarplatte 34 herstellt.
Um eine Medienversorgung des Aktivbereichs 64 der einzelnen Elektrolysezellen 30 innerhalb des Elektrolysezellenstapels 46 des Elektrolyseurs 44 sicherzustellen, kann die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76 um den hier dargestellten H₂O-Einlassport 38 umlaufend ausgebildet sein, wohingegen die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung 78 nicht umlaufend auszubilden ist, um besagte Medienversorgung zu gewährleisten.
Die in 3 übereinandergestapelt dargestellten Bipolarplatten 34 sind allesamt wiederholbar angeordnet, mit einer entsprechenden Berücksichtigung der Positiv- und Negativgeometrien auf der Anoden- beziehungsweise Kathodenseite bei einer konstanten vorgegebenen Blechdicke der Bipolarplatten 34. Die vorstehend beschriebenen Ausführungen sind daher insbesondere für aus metallischem Material ausgebildete Bipolarplatten 34 vorteilhaft, welche aus nur einem Blech gefertigt sind. Besagte Medienkanäle 36 sowie die erwähnten Tragerhöhungen 72, 74, 76, 78 lassen sich auf Oberseite und Unterseite 80, 82 der Bipolarplatten 34 in bevorzugter Ausführungsform mittels eines Präge- oder Stanzverfahrens im Rahmen einer Blechbearbeitung im Großserienmaßstab herstellen.
Die vorstehend beschriebene Bipolarplatte 34 dient zum Einsatz als Wiederholbauteil 48 innerhalb eines Elektrolyseurs 44 und bildet einerseits eine Kontur auf Anodenseite und auf der gegenüberliegenden Seite unmittelbar die dazugehörige negative Kontur auf Kathodenseite. Durch die im Elektrolysezellenstapel 46 jeweils angeordneten Membranen 70 als Teil einer Membran-Elektroden-Einheit werden die jeweiligen Anodenräume 66 sowie die Kathodenräume 68 der einzelnen Elektrolysezellen 30 in der Stapelanordnung voneinander getrennt.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte 34 zu entnehmen, die drei Medienkanäle 36 aufweist, nämlich den H₂O-Einlassport 38, den H₂O-/O₂-Auslassport 40 sowie den H₂-Auslassport 42. Des Weiteren weist die Bipolarplatte 34 gemäß der Darstellung in 4 eine Perimetersicke 94 auf, die sich um den Aktivbereich 64 herum erstreckt und diesen abdichtet. Die Perimetersicke 94 kann auch einen Teil der Abdichtung der jeweiligen Medienkanäle 36 beziehungsweise des H₂O-Einlassports 38, des H₂O/O₂-Auslassports 40 sowie des H₂-Auslassports 42 übernehmen. Die Einlegedichtung 56 gemäß der Darstellung in 3 kann somit auch als Perimetersicke 94 Verwendung finden. Des Weiteren kann die in der Darstellung gemäß 4 dargestellte Bipolarplatte 34, analog zur Darstellung gemäß 3, mittels der mindestens einen ersten X-/Y-Tragerhöhung 72 sowie der mindestens einen zweiten X-/Y-Tragerhöhung 74 innerhalb der X-/Y-Ebene 86 gelagert werden. Zur Lagerung der Membran 70 beziehungsweise der Membran-Elektroden-Einheit können auch besagte, im Zusammenhang mit 3 bereits beschriebene mindestens eine erste Z-Tragerhöhung 76 und die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung 78 an Ober- beziehungsweise Unterseite 80, 82 der Bipolarplatte 34 ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte 34 kann in vorteilhafter Weise im Elektrolysezellenstapel 46 für einen Elektrolyseur 44 Verwendung finden. In vorteilhafter Weise werden lediglich Bipolarplatten 34 und Membranen 70 beziehungsweise Membran-Elektroden-Einheiten, gegebenenfalls umgeben von Subgaskets, sowie Einlegedichtungen 56 oder optional Perimetersicken 94, als Bauteile eingesetzt. Der erhaltene Elektrolysezellenstapel 46 wird durch die Klemmkraft 54 komprimiert, so dass die Bipolarplatten 34 jeweils mittels der Einlegedichtung 56 beziehungsweise der Perimetersicke 94 mediendicht gegeneinander abgedichtet sind.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2020215012 A1 [0002]
DE 10158772 C1 [0003]
DE 10248531 B4 [0003]

Claims

Bipolarplatte (34) für einen Elektrolyseur (44), wobei die Bipolarplatte (34) mehrere Medienkanäle (36), zumindest einen H₂O-Einlassport (38), einen H₂O-/O₂-Auslassport (40) und einen H₂-Auslassport (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrolysezellenstapel (46) des Elektrolyseurs (44) als Wiederholteile (48) ausgeführte Bipolarplatten (34) übereinanderliegend Ports (38, 40, 42) abdichtend aufgenommen sind und eine Einlegedichtung (56) zwischen jeweils zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten (34) durch diese in einer X-/Y-Ebene (86) fixiert ist.
Bipolarplatte (34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran (70) in Z-Richtung (84) derart zwischen der Einlegedichtung (56) und der Bipolarplatte (34) fixiert ist, dass im Bereich der Ports (38, 40, 42) Öffnungen (60) der Einlegedichtung (56) offenstehen.
Bipolarplatte (34) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (70) innerhalb eines Verteilungsbereichs (62) der Bipolarplatte (34) im Elektrolysezellenstapel (46) in einer mittigen Anordnung (90) positioniert ist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anodenraum (66) und/oder einem Kathodenraum (68) in der durch zwei übereinanderliegende Bipolarplatten (34) gebildeten Elektrolysezelle (30), insbesondere PEM- oder AEM-Elektrolysezelle, Fluiddiffusionslagen angeordnet sind.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (34) als Wiederholbauteile (48) und als geprägte oder gestanzte metallische Bauteile, insbesondere Blechbauteile gefertigt sind.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (34) auf ihrer Oberseite (80) zumindest eine erste X-/Y-Tragerhöhung (72) und mindestens eine erste Z-Tragerhöhung (76) aufweist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (34) an ihrer Unterseite (82) mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung (74) und mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung (78) aufweist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste X/Y-Tragerhöhung (72), die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung (76), die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung (74) und die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung (78) als Blechsicken im Material der Bipolarplatte (34) ausgeführt sind.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste X-/Y-Tragerhöhung (72), die mindestens eine erste Z-Tragerhöhung (76), die mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung (74) und die mindestens eine zweite Z-Tragerhöhung (78) im Bereich der Ports (38, 40, 42) ununterbrochen kontinuierlich in Umfangsrichtung umlaufend oder segmentweise in Umfangsrichtung unterbrochen ausgeführt sind.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (60) im Material der Einlegedichtung (56) horizontal verlaufen und als Bohrungen oder Querschlitze ausgeführt sind.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (70) zwischen der Einlegedichtung (56) und einer Oberseite (80) der Bipolarplatte (34) eingeklemmt ist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (70) durch die mindestens eine erste X-/Y-Tragerhöhung (72) in mittiger Anordnung (90) zwischen zwei übereinanderliegenden Bipolarplatten (34) angeordnet ist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (34) mindestens eine zweite X-/Y-Tragerhöhung (74) aufweist, die zur ersten X-/Y-Tragerhöhung (72) versetzt angeordnet ist und in der zur ersten X-/Y-Tragerhöhung (72) entgegengesetzten Z-Richtung (92) weist.
Bipolarplatte (34) gemäß den Ansprüchen 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste X-/Y-Tragerhöhung (72) eine einen definierten bodenseitigen Abstand der Membran (70) zur Bipolarplatte (34) herstellt und die zweite X-/Y-Tragerhöhung (74) einen definierten bodenseitigen Abstand der Membran (70) zur Bipolarplatte (34) herstellt.
Verwendung der Bipolarplatte (34) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Elektrolysezellenstapel (46) eines Elektrolyseurs (44).