DE202013003969U1

DE202013003969U1 - Bipolarhalbschale einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen oder Elektrolyseurstacks

Info

Publication number: DE202013003969U1
Application number: DE202013003969.8U
Authority: DE
Original assignee: Theodor Graebener GmbH and Co KG
Current assignee: Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik De GmbH; Theodor Graebener GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-29
Filing date: 2013-04-29
Publication date: 2014-08-04
Anticipated expiration: 2023-04-30

Abstract

Bipolarhalbschale (1) einer Bipolarplatte von Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstacks, die jeweils aus einer Vielzahl im Stapel angeordneter Bipolarplatten bestehen, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten mindestens eine Elektrolytmembran vorgesehen ist, die beidseitig mit einer Diffusionslage belegt ist, wobei jeweils zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmebran mit Diffusionslage mindestens innerhalb eines Strömungsfeldes (2) Medienführungskanäle (3) gebildet sind, und wobei jede Bipolarplatte aus zwei Bipolarhalbschalen (1) gebildet wird, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind und zwischen denen mindestens innerhalb des Strömungsfeldes (2) Temperier- und/oder Stützkanäle (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle (3, 4) innerhalb des im Wesentlichen rechteckigen Strömungsfeldes (2) von dessen Randbereich (5) auf der Einlassseite (6) bis zu dem gegenüberliegenden Randbereich (7) auf der Auslassseite (8) des Strömungsfeldes (2) wellenartig erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarhalbschale einer Bipolarplatte von Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstacks, die jeweils aus einer Vielzahl im Stapel angeordneter Bipolarplatten bestehen, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten mindestens eine Elektrolytmembran vorgesehen ist, die beidseitig mit einer Diffusionslage belegt ist, wobei jeweils zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmembran mit Diffusionslage mindestens innerhalb eines Strömungsfeldes Medienführungskanäle gebildet sind, und wobei jede Bipolarplatte aus zwei Bipolarhalbschalen gebildet wird, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind und zwischen denen mindestens innerhalb des Strömungsfeldes Temperier- und/oder Stützkanäle vorgesehen sind.
Bei Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstacks aus einer Vielzahl von Bipolarplatten aus insbesondere metallischen Bipolarhalbschalen werden die Betriebsmedien über eine Einlassseite den einzelnen Lagen von Bipolarplatten zugeführt, über Medienführungskanäle durch die Bipolarplatten geführt und über eine Auslassseite aus den einzelnen Lagen wieder abgeführt. Dies gilt auch für das Temperiermedium, das über Temperierkanäle zwischen den Medienführungskanälen von einer Einlassseite zu einer Auslassseite geleitet wird.
Bei einem geradlinigen Verlauf der Kanäle entsteht zum einen das Problem, dass in den meisten Fällen der Weg zwischen Einlassseite und Auslassseite aus funktionaler Sicht zu gering ist. Zudem weisen derartige Bipolarhalbschalen nach deren Fertigung in der Regel einen Bauch auf, der auf die Eigenspannungen innerhalb der jeweiligen Bipolarhalbschale zurückzuführen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarhalbschale der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der der Weg unter Berücksichtigung von Druckverlustobergrenzen zwischen Einlassseite und Auslassseite verlängert wird und bei der die Eigenspannungen durch Verbesserung des Rückfederungsverhaltens wesentlich reduziert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bipolarhalbschale mit den Kennzeichnungsmerkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarhalbschale erstrecken sich die Kanäle innerhalb des im Wesentlichen rechteckigen Strömungsfeldes von dessen Randbereich auf der Einlassseite bis zu dem gegenüberliegenden Randbereich auf der Auslassseite des Strömungsfeldes wellenartig. Durch den wellenartigen Verlauf der Kanäle bei sich gegenüberliegender Einlass- und Auslassseiten wird gegenüber einem geradlinigen Verlauf der Kanäle eine Wegverlängerung derselben in einem rechteckigen Strömungsfeld von über 30% erreicht. Diese besondere Ausgestaltung stellt einen optimalen Kompromiss zwischen der Verlängerung des Weges und der Einhaltung von Druckverlustobergrenzen dar.
Ferner entsteht durch den wellenartigen Verlauf der Kanäle ein ausgewogeneres Verhältnis zwischen den Umformungen in die eine Richtung und den Umformungen in die andere Richtung, wodurch eine wesentliche geringere Bauchigkeit der Bipolarhalbschale nach deren Herstellung festzustellen ist.
Zudem ergeben sich durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kanäle beim Fügen zweier benachbarter Bipolarhalbschalen zu einer Bipolarplatte im Vergleich zu einem geradlinigen Verlauf der Kanäle optimierte Überdeckungslinien, die zur Reduzierung des elektrischen Übergangswiderstandes eingebracht werden können.
Um am Rand des Strömungsfeldes keinen ungenutzten Bereich zu erhalten, ist zur Angleichung des Massenstromes die Auslenkung der wellenartigen Kanäle jeweils in den seitlichen Randbereichen des Strömungsfeldes zu den seitlichen Rändern des Strömungsfeldes hin sukzessive auslaufend bzw. flacher bis zu einem an den beiden seitlichen Rändern des Strömungsfeldes dasselbe abschließenden, beispielsweise geraden Kanal ausgebildet. Dadurch wird die rechteckige Fläche reaktionstechnisch optimal ausgenutzt.
Die Querschnitte der Kanäle in den seitlichen Randbereichen des Strömungsfeldes sind vorzugsweise zur Reduktion des ungenutzten Bereiches durch Veränderung der Querschnittsform an die Kanäle im mittleren Bereich des Strömungsfeldes angepasst, was zur weiteren Optimierung beiträgt.
Das rechteckige Strömungsfeld kann quadratisch ausgebildet sein.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung eine Ausführungsform der Bipolarhalbschale näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarhalbschale und
2 einen vergrößerten Ausschnitt II aus 1.
In 1 ist eine Bipolarhalbschale 1 einer nicht dargestellten Bipolarplatte von Brennstoffzellen- oder Elekrolyseurstacks dargestellt, die aus einer Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen bestehen. Jede Einzelzelle weist dabei eine als Anode ausgebildete erste Elektrode, eine als Kathode ausgebildete zweite Elektrode sowie mindestens eine zwischen Anode und Kathode angeordnete Elektrolytmembran auf, die beidseitig mit einer Diffusionslage belegt sind, wobei jeweils zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmembran mit Diffussionslage mindestens innerhalb eines Strömungsfeldes 2 Medienführungskanäle 3 gebildet sind.
In dem jeweiligen Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstack werden Anode und Kathode zu einer Bipolarplatte zusammengefasst. Dabei ist zwischen zwei Einzelzellen eine anodische Bipolarhalbschale 1 und eine kathodische Bipolarhalbschale 1 aus Metall angeordnet, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind und zwischen denen Temperier- und/oder Stützkanäle 4 vorgesehen sind.
Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Bipolarhalbschale 1 erstrecken sich zur Verlängerung des Weges unter Einhaltung der Druckverlustobergrenze die Kanäle 3, 4 innerhalb des im Wesentlichen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Strömungsfeldes 2 von dessen Randbereich 5 auf der Einlassseite 6 bis zu dem gegenüberliegenden Randbereich 7 auf der Auslassseite 8 des Strömungsfeldes 2 wellenartig.
Der wellenartige Verlauf der Kanäle 3, 4 sorgt ferner für eine wesentliche Verbesserung des Rückfederverhaltens der Bipolarhalbschale 1, da die Differenz der Summen der Umformungen in den beiden Achsen nicht so stark voneinander abweichen.
Um die rechteckige bzw. quadratische Fläche des Strömungsfeldes 2 reaktionstechnisch optimal ausnutzen zu können, ist die Auslenkung der wellenartigen Kanäle 3, 4 jeweils in den seitlichen Randbereichen 9 des Strömungsfeldes 2 zu den seitlichen Rändern 10 des Strömungsfeldes 2 hin sukzessive auslaufend bzw. flacher bis zu einem an den beiden seitlichen Rändern 10 des Strömungsfeldes 2 dasselbe abschließenden, beispielsweise geraden Kanal 3, 4 ausgebildet (siehe insbesondere vergrößert dargestellten Bereich in 2).
Zur weiteren Optimierung der Kanäle 3, 4 in den beiden seitlichen Randbereichen 9 sind die Querschnitte der Kanäle 3, 4 in den vorgenannten Randbereichen 9 des Strömungsfeldes 2 durch Veränderung der Querschnittsform an die Kanäle 3, 4 im mittleren Bereich 11 des Strömungsfeldes 2 angepasst.
Durch die Gestaltung der Bipolarhalbschale 1, von denen zwei wechselseitig zu einer Bipolarplatte durch Verschweißung miteinander verbunden werden, bzw. deren Kanäle 3, 4 ergeben sich im Vergleich zu geradlinig verlaufenden Kanälen optimierte Überdeckungslinien.

Claims

Bipolarhalbschale (1) einer Bipolarplatte von Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstacks, die jeweils aus einer Vielzahl im Stapel angeordneter Bipolarplatten bestehen, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten mindestens eine Elektrolytmembran vorgesehen ist, die beidseitig mit einer Diffusionslage belegt ist, wobei jeweils zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmebran mit Diffusionslage mindestens innerhalb eines Strömungsfeldes (2) Medienführungskanäle (3) gebildet sind, und wobei jede Bipolarplatte aus zwei Bipolarhalbschalen (1) gebildet wird, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind und zwischen denen mindestens innerhalb des Strömungsfeldes (2) Temperier- und/oder Stützkanäle (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle (3, 4) innerhalb des im Wesentlichen rechteckigen Strömungsfeldes (2) von dessen Randbereich (5) auf der Einlassseite (6) bis zu dem gegenüberliegenden Randbereich (7) auf der Auslassseite (8) des Strömungsfeldes (2) wellenartig erstrecken.
Bipolarhalbschale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Angleichung des Massenstromes die Auslenkung der wellenartigen Kanäle (3, 4) jeweils in den seitlichen Randbereichen (9) des Strömungsfeldes (2) zu den seitlichen Rändern (10) des Strömungsfeldes (2) hin sukzessive auslaufend bzw. flacher bis zu einem an den beiden seitlichen Rändern (10) des Strömungsfeldes (2) dasselbe abschließenden, beispielsweise geraden Kanal (3, 4) ausgebildet ist.
Bipolarhalbschale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des ungenutzten Bereiches die Querschnitte der Kanäle (3, 4) in den seitlichen Randbereichen (9) des Strömungsfeldes (2) durch Veränderung der Querschnittsform an die Kanäle (3, 4) im mittleren Bereich (11) des Strömungsfeldes (2) angepasst sind.
Bipolarhalbschale nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rechteckige Strömungsfeld (2) quadratisch ausgebildet ist.