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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrolysezelle mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einen Zellstapel mit einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
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Wasserstoff stellt einen immer attraktiver werdenden Energiespeicher dar, in dem Energie nicht elektrisch, sondern chemisch gebunden ist. Wasserstoff kann durch die elektrisch angetriebene Aufspaltung (Elektrolyse) von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt werden. Ein effizientes Verfahren stellt die PEM-Elektrolyse dar, bei der die Wasserstoffionen über eine für die Wasserstoffionen durchlässige Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membran = PEM) von Sauerstoff getrennt werden.
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Ein PEM-Elektrolyseur umfasst üblicherweise eine Vielzahl von gestapelten Elektrolysezellen, die in einzelnen auch als Stack bezeichneten Zellstapeln zusammengefasst sind. Die einzelnen Elektrolysezellen sind gleichartig aufgebaut und umfassen eine erste als Anode wirkende Bipolarplatte, eine Protonenaustauschmembran (PEM) als aktive Fläche und eine zweite als Kathode wirkende Bipolarplatte. Die PEM trennt eine Wasserseite von einer Wasserstoffseite. Jede Bipolarplatte weist Fluidöffnungen zum Zu- und Abtransport von Wasser und Sauerstoff (auf der Wasserseite) und Wasserstoff (auf der Wasserstoffseite) auf. Zwischen der PEM und den Bipolarplatten sind üblicher auch Fluidverteilungs- und Fluidsammelstrukturen angeordnet, welche Wasser zur aktiven Fläche transportieren, Sauerstoff (auf der Wasserseite) und Wasserstoff (auf der Wasserstoffseite) von der aktiven Fläche weg und in die Fluidöffnungen zum Abtransport leiten.
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Ein Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle sowie eines hieraus gebildeten Zellstapels ist beispielsweise aus der
DE102017108413A1 bekannt.
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Eine besondere Herausforderung bei der PEM-Elektrolyse stellen die hohen Prozessdrücke dar, die auf der Wasserstoffseite einer Elektrolysezelle entstehen können. Diese Prozessdrücke können sich bei 10bar und mehr, insbesondere 30bar und mehr, bewegen. Derartige Prozessdrücke sind bei anderen Elektrolyse-Arten wie insbesondere der alkalischen Elektrolyse nicht unbedingt anzutreffen. Die Elektrolysezellen müssen auch bei diesen hohen Drücken fluiddicht bleiben. Zur Abdichtung der Fluidöffnungen der Bipolarplatten gegenüber den Anlagepartnern sind diese mit einer elastischen Dichtung umgeben. Um eine Dichtigkeit zu erreichen werden die Elektrolysezellen - d.h. also auch die Bipolarplatten - über hohe Kräfte verpresst. Solange diese Kräfte aufrecht erhalten werden können, kann Dichtigkeit gewährleistet werden. Die Kräfte werden z.B. über endseitig eines Zellstapels angeordnete Tellerfederpakete erzeugt.
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Aufgrund von Materialermüdungsvorgängen (wie etwa thermisch oder mechanisch bedingten Setzvorgängen, Relaxation, chemischer Versprödung und vielerlei mehr) nehmen die Materialelastizität der Dichtung ab bzw. die Kompression der Dichtung zu (analog einer nachlassenden Federkonstante bei einem Feder-Ersatzmodell). Hierdurch sinken Verpressungskräfte und es kann zu Undichtigkeiten kommen.
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Aus dem Stand der Technik ist es mitunter bekannt, selbstverstärkende Dichtungen an Polarplatten im Kraftnebenschluss im Bereich von Elektrolyseuren anzuwenden. Ein Beispiel bildet die
CN115287689B . Diese zeigt Zellstapel mit runden Polarplatten, die zweiseitig wirkende Dichtringe 2 mit je einer Dichtlippe auf jeder Seite umfasst. Die Polarplatten sind über ringförmige Abstandshalter 3 auf Abstand gehalten, so dass der Kraft(haupt)fluss über die Abstandshalter 3 geleitet werden kann.
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Die aus der
CN115287689B bekannte Lösung ist teileintensiv und daher insb. auch aufwendig in der Herstellung und Montage. Eine eindeutige Positionierung von Dichtringen als auch ringförmigen Abstandshalter ist in der
CN115287689B über separate Einlegenuten, in die die Dichtringe bzw. Abstandshalter formschlüssig eingelegt werden können, gelöst. Dies ist konstruktiv aufwendig.
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Ausgehend von der in der
DE102017108413A1 dargestellten Lehre ist es Hauptaufgabe der Erfindung, eine Bipolarplatte für eine PEM-Elektrolysezelle anzugeben, welche die Dichtigkeit dauerhaft gewährleisten kann oder zumindest weniger anfällig für die Folgen von o.g. Materialermüdungsvorgängen ist, und die günstig in der Herstellung ist. Die Hauptaufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Nebengeordnete Aufgaben betreffen die Angabe einer Elektrolysezelle und eines Zellstapels. Die nebengeordneten Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 10 und 11 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst ein Blech, vorzugsweise aus Titan oder einer Titanverbindung, mit einer Vielzahl von vorzugsweise senkrecht sich durch das Blech erstreckenden Fluidöffnungen. Die Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass die oder jede Fluidöffnung zumindest abschnittsweise von einer Dichtung umgeben ist, und die Dichtung zumindest eine asymmetrisch ausgeformte Dichtlippe mit einer druckseitigen Hinterschneidung aufweist, welche die Fluidöffnungen gegenüber dem oder den Anlagepartnern der Bipolarplatte fluidisch abdichtet.
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Bei Beaufschlagung der Dichtung mit einem Druck wirkt die Hinterschneidung als Drucktasche, in welcher sich der Druck ausbreitet und die Dichtlippe dadurch an den oder die Anlagepartner andrückt. Da die Andrückkraft proportional mit dem anliegenden Druck ist, kann die Dichtung als selbstverstärkend bezeichnet werden.
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Der Begriff Dichtung ist vorliegend weit zu verstehen als Dichtungsmaterial zur Erfüllung einer wunschgemäßen Dichtungsfunktion an der Bipolarplatte. Die Dichtung kann ein- oder mehrteilig sein.
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Das Dichtungsmaterial besteht vorzugsweise aus einem Fluorkautschuk (FPM/FKM) oder anderen geeigneten Materialien.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen.
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Die Bipolarplatte ist in der Haupterstreckungsrichtung vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig. Dies ermöglicht im Gegensatz zu runden Ausführungsformen eine höhere Raumausnutzung (Packungsdichte je verfügbarem Volumen).
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Bipolarplatte mindestens eine als Anschlag oder Anschlagsfläche wirkende Erhebung auf, welche eine Verformung der Dichtlippe effektiv begrenzt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Hinterschneidung der Dichtlippe in jedem Zustand, insbesondere auch bei hohen Verpresskräften, fluidisch wirkverbunden mit der Fluidöffnung und damit dem Fluiddruck von in der Fluidöffnung strömendem Fluid bleibt.
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In anderen Worten kann der Kraftfluss (Krafthauptfluss) im Wesentlichen über die Erhebung (oder Erhebungen) geleitet werden, während die Dichtung mit der Dichtlippe sich lediglich im Kraftnebenfluss befindet.
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Diese Erhebung ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zu der Dichtlippe angeordnet. Die Erhebung kann als konstruktiv eigenständiges Bauteil ausgeführt sein, das beispielsweise form- oder stoffschlüssig an dem Blech der Bipolarplatte lös- oder unlösbar angeordnet ist. Bevorzugt ist die Erhebung jedoch integral in der Bipolarplatte ausgebildet. Integral bedeutet, dass die Erhebung in dem Blech und durch das Blech der Bipolarplatte ausgebildet ist. Dies kann z.B. durch rein plastische Verformung des Blechs erreicht werden (etwa durch Einbringen von Wölbungen wie bspw. Sicken, Dellen oder Rillen). Erhebungen können aber auch z.B. durch Einschneiden von Laschen in das Blech der Bipolarplatte und Umbiegen der Laschen, gebildet werden. Andere Möglichkeiten der Erhebungsbildung, z.B. durch additive Verfahren (etwa Auftragsschweißen), sind möglich.
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Eine oder mehrere Erhebungen können auf der Oberseite, auf der Unterseite oder auf der Ober- und der Unterseite des Blechs angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Dichtung stoffschlüssig mit dem Blech der Bipolarplatte verbunden. Dies kann durch Anspritzen oder Umspritzen der Bipolarplatte mit Dichtungsmaterial erfolgen. Hierdurch wird die Handhabung insbesondere für nachfolgende Montagetätigkeiten reduziert.
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Möglich ist auch, die Dichtung als ein oder mehrere separate Einlegeteil(e) bzw. Anlageteil(e) auszugestalten, das bzw. die nicht stoffschlüssig mit der Bipolarplatte verbunden ist/sind.
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Zweckmäßig kann die Dichtung sich zu beiden Seiten, nämlich auf der Oberseite und auf der Unterseite des Blechs der Bipolarplatte, erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass größere Fertigungstoleranzen zulässig sind, da Fertigungstoleranzen durch Verformung des Dichtungsmaterials ausgeglichen werden können.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn Dichtungsmaterial sich zumindest teilweise durch die Fluidöffnungen hindurcherstreckt und so die Dichtung auf der Oberseite und die Dichtung auf der Unterseite einteilig stoffverbunden sind. Ebenso zweckmäßig kann es sein, wenn das Dichtungsmaterial sich alternativ oder zusätzlich auch über die Außenkanten des Blechs (Ränder) von der Oberseite auf die Unterseite des Blechs erstreckt. Die Dichtung kann hierdurch auch formschlüssig mit dem Blech der Bipolarplatte verbunden werden. Dies verbessert die Haftung.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn jede Fluidöffnung auf nur einer Seite, nämlich entweder der Oberseite oder der Unterseite des Blechs, eine (oder mehrere) Dichtlippe(n) aufweist. Dies vereinfacht beispielsweise den Zusammenbau, da Oberseite und Unterseite augenscheinlich unterschiedlich sind und daher nicht mehr miteinander verwechselt werden können.
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Eine Option stellt es dar, Dichtlippen für bestimmte Fluidöffnungen (z.B. Fluidöffnungen für Wasser) nur auf der Oberseite und Dichtlippen für anders bestimmte Fluidöffnungen (z.B. Fluidöffnungen für Wasserstoff) auf der Unterseite des Blechs anzuordnen. In einer alternativen Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann Dichtungsmaterial auch nur auf genau einer der Seiten des Blechs angeordnet sein, z.B. nur auf der Oberseite des Blechs.
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Zur Erhöhung der Dichtigkeit können mehrere Dichtlippen hintereinander angeordnet werden. Diese Dichtlippen können formidentisch oder unterschiedlich ausgebildet sein (z.B. verschieden hoch). Bevorzugt ist, wenn um jede Fluidöffnung zwei oder drei, im Wesentlichen konzentrisch angeordnete Dichtlippen angeordnet werden. Eine Mehrzahl von Dichtlippen erhöht die Redundanz und damit die Ausfallsicherheit (Undichtigkeit) z.B. im Falle eines punktuellen Material- oder Fertigungsfehlers.
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In einer Ausführungsform können die Fluidöffnungen als Langlöcher ausgeführt und randseitig an den Rändern der Bipolarplatte angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Fluidöffnungen für Wasserstofftransport und die Fluidöffnungen für den Wassertransport jeweils gegenüberliegend angeordnet.
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Die oder eine vorbeschriebene Bipolarplatte kann vorteilhaft zum Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle verwendet werden. Eine erfindungsgemäße PEM-Elektrolysezelle weist mindestens auf: eine erste Bipolarplatte, eine erste Fluidverteilstruktur , eine PEM , eine zweite Fluidverteilstruktur sowie eine zweite Bipolarplatte. Diese Bauteile sind so übereinander angeordnet, dass die Dichtlippen der Bipolarplatten sich im Kraftnebenschluss befinden. Dies bedeutet, dass Kräfte im Krafthauptfluss nicht über die Dichtung, sondern über z.B. feste Anschläge an oder in den Bipolarplatten geleitet werden.
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Die vorbeschriebene Elektrolysezelle kann vorteilhaft zum Aufbau eines PEM-Zellstapels verwendet werden. Ein erfindungsgemäßer PEM-Zellstapels weist mindestens auf: eine Vielzahl von aufeinander gestapelten und verpressten PEM-Elektrolysezellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft erläutert.
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Dabei zeigen
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- 1 einen erfindungsgemäßen Zellstapel,
- 2 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer Draufsicht, 2A die erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer Seitenansicht gemäß Ansicht A-A, 2B eine Schnittansicht gemäß Schnitt B-B,
- 3 einen Dichtungsabschnitt in einer perspektivischen Darstellung
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einem Anlagepartner, wobei sich die Dichtlippe der Dichtung im Kraftnebenfluss befindet,
- 5A/B eine schematische Darstellung der Bestandteile einer Elektrolysezelle in aufgefächertem (5A) und zusammengefügtem Zustand (5B),
- 6 eine nicht erfindungsgemäße Darstellung einer Dichtung im Krafthauptfluss, sowie
- 7 eine Variante einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte analog der Darstellung der 2B mit jeweils zwei konzentrisch angeordneten Dichtlippen.
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In 1 ist ein Zellstapel 30 mit einem Stapel von PEM-Elektrolysezellen 20 abgebildet. Die einzelnen PEM-Elektrolysezellen 20 sind zwischen zwei Endplatten 32 verspannt. An den Endplatten 32 greifen mehrere Zuganker an, die über Tellerfederpakete 31 vorverspannt und hierdurch eine gewünschte Verpresskraft auf den Stapel von PEM-Elektrolysezellen 20 aufbringen. An den Endplatten sind Zu- und Abflüsse für Wasser bzw. Wasser-Sauerstoff (Pfeile in schwarz) sowie Zu- und Abflüsse für Wasserstoff (Pfeile in weiß) angeordnet. Über die Endplatten wird auch eine elektrische Spannung angelegt, die von der einen Endplatte 32 über die einzelnen PEM-Elektrolysezellen 20 bis zu der gegenüberliegenden Endplatte 32 weitergegeben wird. Die einzelnen PEM-Elektrolysezellen 20 sind elektrisch also in Reihe geschalten. Die einzelnen PEM-Elektrolysezellen 20 sind fluidisch (in Bezug auf Wasser und Wasserstoff) jeweils parallel geschaltet. Jede PEM-Elektrolysezellen 20 besitzt eine Wasserseite und eine Wasserstoffseite, die diesseits und jenseits einer Polymeraustauschmembran (PEM) zwischen zwei Bipolarelektroden angeordnet ist.
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In 2 und 2A ist eine einzelne Bipolarelektrode 1 in einer Draufsicht und einer Seitenansicht dargestellt. Die Bipolarelektrode 1 ist aus einem dünnen, näherungsweise rechteckigen Blech 2 aufgebaut. Das Blech 2 besteht aus einem leitfähigen, korrosionsbeständigen Metall, Titan. Im Randbereich des Blechs 2 sind umlaufend Fluidöffnungen 7 in Form von Langlöchern eingebracht, die das Blech senkrecht zu dessen Haupterstreckung durchdringen. Die Fluidöffnungen 7 dienen dem Zu-, Weiter- und Abtransport der Prozessfluide. Im Beispiel der 2 sind die Fluidöffnungen an den kurzen Seiten des Blechs 2, d.h. den Rändern 18c und 18d, für Wasserstoff. Die Fluidöffnungen 7 an den langen Seiten des Blechs 2, d.h. an den Rändern 18a und 18b, sind für Wasser bzw. Wasser-Sauerstoff-Gemisch. Über die Fluidöffnungen 7 werden die einzelnen PEM-Elektrolysezellen, genauer die dazugehörige jeweilige Wasserseite bzw. Wasserstoffseite, fluidisch angebunden.
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In einem Zellstapel 30 sind eine Vielzahl von PEM-Elektrolysezellen 20 mit einer entsprechenden Vielzahl von Bipolarplatten 1 übereinander angeordnet, so dass die jeweiligen Fluidöffnungen 7 im Wesentlichen in Deckung übereinander angeordnet sind. Die einzelnen Fluidöffnungen 7 bilden damit die Hauptversorgungskanäle für den Zu, Weiter- und Abtransport der Prozessfluide (Wasser, Wasserstoff). Derartige Fluidöffnungen 7 werden zuweilen auch als ,Manifolds` (deutsch: Verteiler) bezeichnet.
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Im Betrieb strömt Wasser über die hier als Oberseite 3 bezeichnete Wasserseite von den Wasser-Zulauföffnungen 8 zu den Wasser-Ablauföffnungen 9 (in der Blattebene der 2 also von ,unten' nach ,oben', s. dünne Pfeile in 2). Ein Teil des Wassers kontaktiert dabei die aktive Fläche, d.h. die PEM 16(vgl. 5A), wodurch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird und der Wasserstoff (Wasserstoffionen) über die PEM auf die gegenüberliegende Seite der PEM wandert. Auf der gegenüberliegenden Seite, die analog der hier als Unterseite 4 bezeichneten Seite der Bipolarplatte 1 aufgebaut ist, wird der Wasserstoff über Wasserstoff- Abführöffnungen 11 gemeinsam mit dem Wasserstoff, der in den hydraulisch vorgeschalteten Elektrolysezellen 20 produziert wurde und über die Wasserstoff-Zuführöffnungen 10 eingetragen wurde, abgeführt (in der Blattebene in 2 also auf der Unterseite 4 von ,links` nach rechts').
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Natürlich müssen die einzelnen Fluidöffnungen 7 gegeneinander sowie gegenüber den darauffolgenden Anlagepartnern (z.B. einer nachfolgenden Bipolarplatte, einem Zwischenblech, oder einer sonstigen Zwischenlage) abgedichtet sein. Hierzu ist um jede Gruppe von Fluidöffnungen eine Dichtung 5 angeordnet. Die Dichtung 5 ist im Beispiel der 2 auf der Oberseite 3 der Bipolarplatte 1 jeweils umlaufend geschlossen um die Zu- und Abführöffnungen für Wasserstoff 10 bzw. 11 ausgeführt. Für die Zulauf- und Ablauföffnungen für Wasser 8 bzw. 9 ist die Dichtung auf der innen liegenden Seite durchbrochen (s. gestrichelte Linienführung der Dichtung 5). Auf der gegenüberliegenden Seite, der Unterseite 4, sind die Dichtungen gegengleich ausgeführt, d.h. also, dass die Dichtung 5 für die Zulauf- und Ablauföffnungen für Wasser 8/9 umlaufend geschlossen sind, während die Dichtung 5 für die Zu- und Abführöffnungen für Wasserstoff 10/11 innenliegend zumindest partiell unterbrochen ist (nicht dargestellt).
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Aus 2A ist ersichtlich, dass Dichtungen 5 auf beiden Seiten der Bipolarplatte 1, d.h. auf der Oberseite 3 (die Wasserseite einer Elektrolysezelle) und der Unterseite 4 (die Wasserstoffseite der vorhergehenden Elektrolysezelle) angeordnet. Der Aufbau der Dichtung ist in der Detaildarstellung der 2B näher dargestellt und auch aus 3 ersichtlich. Die bzw. jede Dichtung 5 besteht aus einer streifenförmigen Basis 5a, von der sich eine asymmetrisch ausgebildete, elastisch verformbare Dichtlippe 6 schräg wegerstreckt. Die Dichtlippe 6 ist dabei so ausgeführt, dass sie zugleich in Richtung der Fluidöffnung 7 weist. Hierdurch wir eine druckseitige Hinterschneidung 12 gebildet, d.h. eine Hinterschneidung 12, die von dem durch die Fluidöffnung 7 strömenden Fluid (z.B. Wasserstoff) druckbeaufschlagt werden und hierdurch nach außen weggelenkt werden kann (s. gebogener Pfeil in 2B). Im betriebsbereiten Zustand liegt das alleinstehende Ende der bzw. jeder Dichtlippe 6 an einem Dichtungspartner (Anlagepartner) an, so dass die Dichtlippe umso stärker an den Dichtungspartner gepresst wird, je höher der Druck ist (Prinzip der Selbstverstärkung).
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Die in den 2/A/B und 3 dargestellte Dichtung kann beispielsweise unter Vermittlung eines Haftverbinders auf das Blech 2 der Bipolarplatte aufgespritzt sein. Die Dichtung ist hier aus einem Fluorkautschuk gefertigt.
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Um das Prinzip der Selbstverstärkung in der Dichtlippe 6 zuverlässig gewährleisten zu können, muss sichergestellt sein, dass die Hinterschneidung 12 der Dichtlippe 6 jederzeit durch Fluid druckbeaufschlagt werden kann. In anderen Worten darf es nicht passieren, dass die Dichtlippe 6 derart eng an die Basis 5` gepresst wird, dass die Dichtlippe 6 nicht mehr durch den Fluiddruck ausgelenkt und an den Anlagepartner gedrückt werden kann.
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Eine Möglichkeit, dies sicherzustellen, ist die Bereitstellung von festen Anschlägen, die einen definierten (Mindest-)Abstand zwischen der Bipolarplatte 1 und dem Anlagepartner gewährleisten. Diese Anschläge können als Erhebungen 13, 13` unmittelbar und integral in der Bipolarplatte 1 ausgebildet sein, so wie es in 4 schematisch dargestellt ist. Der Kraftfluss (angedeutet durch die gestrichelten Linien) kann so im Wesentlichen über die Anschläge 13, 13` von der Bipolarplatte 1 auf den nachfolgenden Anlagepartner 17 geleitet werden. Die Dichtung 5 bzw. die Dichtlippe 6 kann nur um einen definierten, maximalen Weg komprimiert bzw. umgebogen werden. Eine weitere (unerwünschte) Kompression bzw. ein weiteres Umbiegen ist nach Erreichen des festen Anschlags nicht mehr möglich.
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Zur besseren Verständlichkeit kann der Darstellung von 4 die Darstellung der 6 gegenübergestellt werden. In 6 sind keine Anschläge vorgesehen, so dass der Kraftfluss (abermals angedeutet durch die gestrichelten Linien) unmittelbar und ausschließlich über die hier als Block ausgeführte Dichtung geleitet werden muss. Die Dichtung ist damit mit der vollen Kraft der durch die Tellerfederpakete 31 eingeleiteten Verpresskräfte (s. 1) beaufschlagt und befindet sich daher im Krafthauptfluss. Dies führt im Vergleich zu 4 zu einer schnelleren Materialalterung des Dichtungsmaterials.
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Wenngleich die Anschläge 13, 13` in 4 als Teil der Bipolarplatte 1 dargestellt sind, bleibt es für gleichwirkende Lösungen unbenommen, die Anschläge auf andere Art und Weise zu realisieren, sei es etwa als separate Abstandshalter, als in den Anlagepartner 17 integrierte Erhebungen oder als eine Mischform von mehreren (Teil)Erhebungen in der Bipolarplatte 1, dem Anlagepartner 17 oder separat ausgeführten Abstandshaltern.
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Ein möglicher Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle 20 ergibt sich nach 5A/B. Es werden eine erste Bipolarplatte 1, eine erste Fluidverteilstruktur 14, eine PEM 16, eine zweite Fluidverteilstruktur 15 und eine zweite Bipolarplatte 1` übereinandergelegt (s. 5A). Im kraftbeaufschlagten, verpressten Zustand ergibt sich die PEM-Elektrolysezelle 20 wie in 5B dargestellt. Abstandshalter oder Erhebungen sind in den 5A/5B nicht dargestellt.
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In 7 ist ein Ausschnitt einer Abwandlung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte dargestellt, die im Wesentlichen gleichlaufend zu der in den 2/A/B dargestellten Bipolarplatte ausgebildet ist, sich jedoch in folgenden zwei Punkten unterscheidet:
- Erstens sind die Dichtungen 5 auf Ober- und Unterseite der Bipolarplatte einteilig ausgebildet, nämlich dahingehend, dass die Dichtungen 5 von Ober- und Unterseite über einen Dichtungsabschnitt, der sich entlang der Kanten 19 der Fluidöffnung 7 erstreckt, verbunden sind. Zweitens weist jede Dichtung eine verbreiterte Basis 5` auf, auf der jeweils zwei Dichtlippen 6A, 6B hintereinander angeordnet sind.
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Nicht hinzuweisen ist darauf, dass es für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen nicht darauf ankommt, wie die Basis 5a der oder jeder Dichtung 5 ausgebildet ist. Die hier dargestellte Variante einer im Wesentlichen streifenförmigen Basis 5a mit daran angeordneten Dichtlippen 6 stellt lediglich eine mögliche Ausführungsform dar. Die Dichtungsbasis 5a könnte jedoch anders ausgeführt sein, z.B. auch als vollflächige Gummierung. Wesentlich ist, dass die bzw. jede Dichtung eine Dichtlippe 6 mit einer druckseitigen Hinterschneidung 12 aufweist. Ebenso können Querschnittsformen der Dichtlippe(n) sowie Querschnittsformen der Hinterschneidung unterschiedlich gewählt werden, z.B. auch als runde oder rundliche Querschnittsform mit einer z.B. rechteckigen Hinterschneidung.
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Die beispielhaft dargestellten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Bipolarplatten sowie deren Verwendung in einer PEM-Elektrolysezelle respektive einem PEM-Zellstapel erlaubt es, Elektrolysezellen mit einer hohen Dichtigkeit bereitzustellen, die insbesondere auch bei hohen Drücken zuverlässig lange Standzeiten ohne Undichtigkeit realisieren können und zugleich einfach und kostengünstig in der Fertigung und Montage sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Blech
- 3
- Oberseite
- 4
- Unterseite
- 5
- Dichtung
- 5a
- streifenförmige Basis der Dichtung
- 6
- Dichtlippe
- 7
- Fluidöffnung
- 8
- Zulauföffnung Wasser
- 9
- Ablauföffnung Wasser
- 10
- Zuführöffnung Wasserstoff
- 11
- Abführöffnung Wasserstoff
- 12
- Hinterschneidung / Drucktasche
- 13
- Anschlag
- 14
- Erste Fluidverteilstruktur
- 15
- Zweite Fluidverteilstruktur
- 16
- PEM (Polymer Exchange Membran)
- 17
- Anlagepartner
- 18
- Rand des Blechs
- 19
- Fluidöffnungskante
- 20
- PEM-Elektrolysezelle
- 30
- Zellstapel
- 31
- Tellerfederpaket
- 32
- Endplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017108413 A1 [0004, 0009]
- CN 115287689 B [0007, 0008]
