WO2022111926A1 - Bipolarplatte für eine elektrochemische zelle, verfahren zur herstellung der bipolarplatte, anordnung elektrochemischer zellen und verfahren zum betrieb der anordnung elektrochemischer zellen - Google Patents

Bipolarplatte für eine elektrochemische zelle, verfahren zur herstellung der bipolarplatte, anordnung elektrochemischer zellen und verfahren zum betrieb der anordnung elektrochemischer zellen Download PDF

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Ulrich Berner
Christian Diessner
Jochen Wessner
Stefan Schoenbauer
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Definitions

  • Bipolar plate for an electrochemical cell method of making the
  • Bipolar plate Bipolar plate, electrochemical cell assembly and method of operating the electrochemical cell assembly
  • the invention relates to a bipolar plate for an electrochemical cell, comprising at least a first monopolar plate with a first bead and a second monopolar plate with a second bead, the first bead and the second bead being arranged opposite one another and forming a channel, the first bead and the second bead each comprise a central base and at least two inclined surfaces. Furthermore, the invention relates to a method for producing the bipolar plate and an arrangement of electrochemical cells and a method for operating the arrangement of electrochemical cells.
  • Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.
  • a fuel cell converts chemical reaction energy into electrical energy.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.
  • PEM proton exchange membranes
  • Fuel cells have an anode and a cathode.
  • the fuel is continuously fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons with the release of electrons, which then reach the cathode.
  • the electrons emitted are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
  • the oxidizing agent is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction is:
  • a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell assembly, and connected electrically in series.
  • a stack of electrochemical cells which may be referred to as an electrochemical cell array, typically has end plates that compress the individual cells together and provide stability to the stack.
  • the electrodes ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates.
  • Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode.
  • the bipolar plates ensure a planar electrical contact with the membrane.
  • a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in tiers. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.
  • a fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the cooling medium can flow.
  • electrochemical cells typically include gas diffusion layers sandwiched between a bipolar plate and an MEA.
  • an electrolyser In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.
  • Electrochemical cells in a stack are often supplied with the media, in particular hydrogen and oxygen, or these are removed, via media channels arranged perpendicularly to the membrane of the electrochemical cell.
  • the media channels are fluidically connected to the electrochemical cells, in particular to the bipolar plates, through ports, which can also be referred to as fluid connections.
  • the media channels are usually located at the edge of the stack and are often created by congruently stacked recesses that form the ports.
  • the media are routed from the ports through port bushings into what is known as the flow field, the active area of the bipolar plate or the membrane.
  • the port bushings for air or hydrogen pointing to the MEA must be designed in such a way that the port bushings provide the largest possible opening for the media flowing in and out and, on the other hand, offer the best possible mechanical support for seals arranged on the opposite side of the MEA .
  • DE 10158772 CI and DE 10248531 B4 relate to fuel cell stacks with a layering of several fuel cells, with media being supplied or removed through bipolar plates and bead arrangements being provided for sealing.
  • a bipolar plate for an electrochemical cell comprising at least a first monopolar plate with a first bead and a second monopolar plate with a second bead, the first bead and the second bead being arranged opposite one another and forming a channel, the first bead and the second bead each comprise a central base area and at least two inclined surfaces and the first bead and/or the second bead comprise at least one outer base area and wherein on the first bead and/or the second bead there is at least one opening element for the passage of at least one medium between one of the at least two inclined surfaces and the at least one outer base surface and wherein the at least one opening element has a lateral surface, a first open side surface, a second open side surface and a top surface with an opening and the first open side surface in the at least one outer Base and the second open side surface is located in one of the at least two inclined surfaces.
  • an arrangement of electrochemical cells comprising at least the bipolar plate and at least one membrane-electrode arrangement, the at least one opening element being arranged on the at least one bipolar plate in such a way that the opening faces the at least one membrane-electrode arrangement.
  • the invention relates to a method for producing the bipolar plate, the first bead and/or the second bead and the at least one opening element being produced by means of embossing from a base plate of the first monopolar plate or the second monopolar plate, and a method for operating the arrangement, wherein the at least one medium is guided from the channel through the at least one opening element to the at least one membrane electrode assembly, wherein the at least one medium flows through the second open side surface and/or through the first open side surface into the at least one orifice element enters and exits through the orifice from the at least one orifice element.
  • the electrochemical cell which is preferably a fuel cell or an electrolyzer, preferably comprises at least one bipolar plate according to the invention, at least one gas diffusion layer and at least one membrane or membrane-electrode assembly.
  • a membrane-electrode arrangement is arranged between two bipolar plates.
  • the arrangement of electrochemical cells which is preferably a fuel cell stack, preferably comprises at least one membrane electrode arrangement, at least one bipolar plate according to the invention, more preferably at least two bipolar plates according to the invention, and at least one port.
  • the at least one port can be an inlet or an outlet.
  • the bipolar plate preferably comprises carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the bipolar plate is made of carbon, the metal and/or the alloy.
  • the at least one medium preferably comprises hydrogen, air or oxygen, water and/or a cooling medium, more preferably the at least one medium comprises the cooling medium, hydrogen or a mixture containing oxygen and/or water.
  • the at least one opening element serves to conduct the at least one medium through the first monopolar plate or the second monopolar plate. Preferably, only the at least one opening element is used to conduct the at least one medium through the first monopolar plate or the second monopolar plate.
  • the opening element can also be referred to as a molding or embossing.
  • the first bead and/or the second bead can also be referred to as, in particular, metallic sealing beads.
  • the first bead and the second bead preferably form a sealing element.
  • the sealing element which preferably seals the at least one port from the outside and from other media, is overcome by the at least one medium, in particular through the at least one opening in order, if necessary, first to reach a distribution structure and then an active surface of the bipolar plate.
  • the first bead and/or the second bead are preferably arranged on the at least one port. More preferably, the first bead and/or the second bead surround the at least one port, more preferably completely.
  • the first bead and/or the second bead can only surround the at least one port and preferably only exactly one port. Furthermore, the first bead and the second bead can surround, preferably completely, the active surface of the bipolar plate or the MEA, in particular arranged adjacent, so that the first bead and the second bead together act as a sealing element of the at least one port or the active surface.
  • the opening can also be referred to as a through opening, breakthrough or passage.
  • the first bead and/or the second bead preferably have a large number of opening elements and accordingly a large number of openings.
  • the opening has a preferably round cross-sectional area.
  • the opening is preferably produced by perforating, in particular, the base plate of the first monopolar plate or the second monopolar plate.
  • the at least one opening element can be produced first and then the opening can be punched out. Machining is also possible.
  • the edge contour of the at least one opening element can be optimized in a further embossing step.
  • the central base area and the at least one outer base area preferably represent horizontal areas which are arranged essentially parallel to the base plate of the first monopolar plate or the second monopolar plate. More preferably, the central base area and the at least one outer base area of the first bead and/or the second bead are each arranged essentially parallel to one another. “Essentially parallel” means that the bases, ie the middle base and/or the at least one outer base, form an angle of less than 20°, preferably less than 10°, with one another or with the base plate.
  • the central base area of the first monopolar plate or the second monopolar plate is preferably arranged between two inclined surfaces.
  • the at least two inclined surfaces can also be referred to as legs or flanks.
  • the at least two inclined surfaces are inclined in particular with respect to the central base surface and the at least one outer base surface.
  • An inclination angle is preferably in a range from 100° to 170°, more preferably from 110° to 160°.
  • the central base area and the at least one outer base area are preferably flat areas.
  • the at least two inclined surfaces can be curved, ie have at least one curvature.
  • the at least two inclined surfaces, which in particular are each arranged adjacent to the central base surface, preferably have an angle of inclination with opposite signs.
  • the first bead and/or the second bead can have at least two opening elements, which can be arranged on opposite sides of the central base area.
  • the at least two opening elements can be arranged opposite one another or offset from one another.
  • the central base area preferably has a first height, based on the base plate of the first monopolar plate or the second monopolar plate, which in particular represents a base level.
  • the at least one outer base surface, on which in particular the at least one opening element is arranged is arranged on no more than one inclined surface.
  • the at least one outer base area is accordingly preferably arranged at a second height, which is more preferably less than 10% of the first height.
  • the at least one outer base area is arranged on the ground level.
  • the opening is arranged in the top surface and the top surface, in particular the opening of the at least one opening element, is preferably arranged at an exit height that is more than 20%, in particular more than 50%, of the first height.
  • the first bead and/or the second bead each have at least three inclined surfaces, in particular three or four inclined surfaces, wherein the at least one outer base surface is arranged in particular directly between two of the at least three inclined surfaces and forms a step, in particular between the two inclined surfaces.
  • the step preferably has a third height, the third height being less than the first height and more preferably the third height being 20% to 80%, more preferably 30% to 70%, particularly preferably 40% to 60% of the first height amounts to.
  • the two inclined surfaces, which are arranged in particular on the same side of the central base surface or border on the same step, can have the same angle of inclination.
  • the at least one opening element is arranged on the step.
  • the central base area of the first bead and/or the second bead preferably has a seal in each case. More preferably, the central base area of the first bead and the central base area of the second bead each have a seal.
  • the seal is preferably designed as a coating.
  • the seal preferably comprises a polymer such as an elastomer, more preferably the seal comprises a material selected from the group consisting of silicone, rubber, in particular fluororubber (FKM), polytetrafluoroethylene (PTFE) and mixtures thereof.
  • the at least one opening element can be designed as a scoop and/or described as half a pot. Furthermore, the at least one opening element can at least partially have a conical shape or the shape of a polyhedron, which is preferably delimited by rhombuses and/or rectangles. In particular, the at least one opening element has the shape of a rhombohedron.
  • the top surface is preferably arranged essentially parallel to the at least one outer base surface and in particular to the base plate of the first monopolar plate or the second monopolar plate.
  • the top surface preferably has a rectangular shape or is at least partially circular or round.
  • the top surface partially has the shape of a semicircle.
  • the lateral surface is preferably delimited by the top surface, the at least one outer base surface and one of the at least two inclined surfaces.
  • the opening preferably has a round cross section.
  • the opening can form a third open side surface of the opening element, so that the opening element can also be referred to as a scoop.
  • the top surface is preferably completely open.
  • the port of the bipolar plate is fluidly connected to the active surface by the at least one opening element, the port area being stiffened and supported by the opening element at the same time in order to prevent undesired deformation of the port area and to form a contact surface for sealing.
  • the flow guidance can be optimized by designing the at least one opening element, for example by a targeted design of the lateral surface.
  • the circular opening has only small manufacturing tolerances.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrochemical cell
  • FIG. 2 shows an exploded view of an arrangement of electrochemical cells
  • FIG. 3 shows a perspective view of a bead arrangement according to the prior art
  • Figure 4 is a perspective view of a first monopolar plate with opening elements
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a single step bead assembly.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical cell 1 in the form of a fuel cell.
  • the electrochemical cell 1 has a membrane 2 as the electrolyte.
  • the membrane 2 separates a cathode compartment 6 from an anode compartment 8.
  • An electrode layer 3 , a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 7 are arranged on the membrane 2 in the cathode compartment 6 and anode compartment 8 .
  • the composite of the membrane 2 and the electrode layer 3 can also be referred to as a membrane-electrode assembly 4 .
  • Oxygen 9 reaches the gas diffusion layer 5 through the bipolar plate 7 in the cathode compartment 6 and hydrogen 11 reaches the corresponding gas diffusion layer 5 through the bipolar plate 7 of the anode compartment 8.
  • FIG. 2 shows an exploded view of an arrangement 69 of electrochemical cells 1 which represents a fuel cell stack.
  • the arrangement 69 includes individual electrochemical cells 1, which are clamped between current collectors 33 and end plates 35 with clamping elements 37.
  • FIG 3 shows a perspective view of a section of a bipolar plate 7 with a bead arrangement 57.
  • the bipolar plate 7 includes a first Monopolar plate 13 with a first bead 15 and a second monopolar plate 17 with a second bead 19, each according to the prior art.
  • the first bead 15 and the second bead 19 are arranged opposite each other and form a channel 21.
  • the first bead 15 and the second bead 19 each comprise a central base surface 23 and two inclined surfaces 24, the inclined surfaces 24 having openings 27 through which a medium 29 can be guided.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a section of a first monopolar plate 13 with a first bead 15.
  • the first monopolar plate 13 has a central base area 23, two inclined surfaces 24 and an outer base area 25.
  • Two opening elements 111 for the passage of the medium 29 are arranged on the first bead 15 between one of the inclined surfaces 24 and the outer base surface 25 .
  • the opening elements 111 each have a lateral surface 121 , a first open side surface 113 , a second open side surface 115 and a top surface 140 .
  • the top surfaces 140 each have an opening 27.
  • the first open side surface 113 is in the outer base surface 25 and the second open side surface 115 is in the inclined surface 24.
  • the medium 29 enters the opening element 111 via the first open side surface 113 and the second open side surface 115 and leaves it again through the opening 27 in the top surface 140.
  • a first orifice member 141 is shown wherein the top surface 140 is partially circular. In the case of a second opening element 143, the top surface 140 has a rectangular shape.
  • the central base surface 23 of the first bead 15 is arranged at a first height 59, while the cover surfaces 140 are arranged at a second height 61, in each case in relation to a base plate 123 of the first monopolar plate 13.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a further embodiment of a bead arrangement 57 of a bipolar plate 7.
  • the first bead 15 has four inclined surfaces 24, with an outer base surface 25 being arranged between two of the four inclined surfaces 24 and forming a step 31.
  • Corresponding the opening element 111 is arranged on the step 31 .
  • the step 31 is arranged at a third height 63 with respect to the base plate 123 of the first monopolar plate 13 .
  • the central base surfaces 23 have a seal 47 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte (13) mit einer ersten Sicke (15) und eine zweite Monopolarplatte (17) mit einer zweiten Sicke (19), wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal (21) bilden, wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) jeweils eine mittlere Grundfläche (23) und mindestens zwei geneigte Flächen (24) umfassen und die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) mindestens eine äußere Grundfläche (25) umfassen, und wobei an der ersten Sicke (15) und/oder der zweiten Sicke (19) mindestens ein Öffnungselement (111) zur Durchführung mindestens eines Mediums (29) zwischen einer der mindestens zwei geneigten Flächen (24) und der mindestens einen äußeren Grundfläche (25) angeordnet ist, und wobei das mindestens eine Öffnungselement (111) eine Mantelfläche (121), eine erste offene Seitenfläche (113), eine zweite offene Seitenfläche (115) und eine Deckfläche (140) mit einer Öffnung (27) aufweist und die erste offene Seitenfläche (113) in der mindestens einen äußeren Grundfläche (25) und die zweite offene Seitenfläche (115) in der einen der mindestens zwei geneigten Flächen (24) liegt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte (7), eine Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) und ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1).

Description

Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung der
Bipolarplatte, Anordnung elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Betrieb der Anordnung elektrochemischer Zellen
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte mit einer ersten Sicke und eine zweite Monopolarplatte mit einer zweiten Sicke, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal bilden, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke jeweils eine mittlere Grundfläche und mindestens zwei geneigte Flächen umfassen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte sowie eine Anordnung elektrochemischer Zellen und ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung elektrochemischer Zellen.
Stand der Technik
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e - 2H20
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran. Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden- Monopolar- Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließen kann.
Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.
Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.
Elektrochemische Zellen in einem Stapel werden häufig über senkrecht zur Membran der elektrochemischen Zelle angeordnete Medienkanäle mit den Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt beziehungsweise werden diese abgeführt. Die Medienkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit den elektrochemischen Zellen, insbesondere mit den Bipolarplatten, fluidisch verbunden. Die Medienkanäle liegen üblicherweise am Rand des Stapels und werden häufig durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das sogenannte Flowfield, die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der Membran, geführt.
Insbesondere die zur MEA zeigenden Port-Durchführungen für Luft beziehungsweise Wasserstoff sind derart zu gestalten, dass die Port- Durchführungen einerseits eine möglichst große Öffnung für die einströmenden und ausströmenden Medien bereitstellen und andererseits eine möglichst gute mechanische Stützwirkung für auf der Gegenseite der MEA angeordnete Dichtungen bieten. DE 10158772 CI und DE 10248531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte mit einer ersten Sicke und eine zweite Monopolarplatte mit einer zweiten Sicke, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal bilden, wobei die erste Sicke und die zweite Sicke jeweils eine mittlere Grundfläche und mindestens zwei geneigte Flächen umfassen und die erste Sicke und/oder die zweite Sicke mindestens eine äußere Grundfläche umfassen und wobei an der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke mindestens ein Öffnungselement zur Durchführung mindestens eines Mediums zwischen einer der mindestens zwei geneigten Flächen und der mindestens einen äußeren Grundfläche angeordnet ist und wobei das mindestens eine Öffnungselement eine Mantelfläche, eine erste offene Seitenfläche, eine zweite offene Seitenfläche und eine Deckfläche mit einer Öffnung aufweist und die erste offene Seitenfläche in der mindestens einen äußeren Grundfläche und die zweite offene Seitenfläche in der einen der mindestens zwei geneigten Flächen liegt.
Ferner wird eine Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen, umfassend mindestens die Bipolarplatte und mindestens eine Membran- Elektroden- Anordnung, wobei das mindestens eine Öffnungselement so an der mindestens einen Bipolarplatte angeordnet ist, dass die Öffnung zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung zeigt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte, wobei die erste Sicke und/oder die zweite Sicke und das mindestens eine Öffnungselement mittels Prägen aus einer Grundplatte der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte hergestellt werden, und ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung, wobei das mindestens eine Medium von dem Kanal durch das mindestens eine Öffnungselement zur mindestens einen Membran-Elektroden- Anordnung geführt wird, wobei das mindestens eine Medium durch die zweite offene Seitenfläche und/oder durch die erste offene Seitenfläche in das mindestens eine Öffnungselement eintritt und durch die Öffnung aus dem mindestens einen Öffnungselement austritt.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Membran- Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Die Anordnung elektrochemischer Zellen, die bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel ist, umfasst bevorzugt mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung, mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, weiter bevorzugt mindestens zwei erfindungsgemäße Bipolarplatten, und mindestens einen Port. Der mindestens eine Port kann ein Einlass oder ein Auslass sein.
Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut.
Das mindestens eine Medium umfasst bevorzugt Wasserstoff, Luft beziehungsweise Sauerstoff, Wasser und/oder ein Kühlmedium, weiter bevorzugt umfasst das mindestens eine Medium das Kühlmedium, Wasserstoff oder ein Gemisch enthaltend Sauerstoff und/oder Wasser.
Das mindestens eine Öffnungselement dient zur Durchleitung des mindestens einen Mediums durch die erste Monopolarplatte beziehungsweise die zweite Monopolarplatte. Bevorzugt wird ausschließlich das mindestens eine Öffnungselement zur Durchleitung des mindestens einen Mediums durch die erste Monopolarplatte beziehungsweise die zweite Monopolarplatte genutzt. Das Öffnungselement kann auch als Ausformung oder Anprägung bezeichnet werden.
Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke können auch als insbesondere metallische Dichtungssicken bezeichnet werden. Bevorzugt bilden die erste Sicke und die zweite Sicke ein Dichtungselement. Das Dichtungselement, das den mindestens einen Port bevorzugt nach außen und zu weiteren Medien abdichtet, wird von dem mindestens einen Medium überwunden, insbesondere durch die mindestens eine Öffnung, um gegebenenfalls zunächst in eine Verteilerstruktur und dann auf eine aktive Fläche der Bipolarplatte zu gelangen. Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke sind bevorzugt an dem mindestens einen Port angeordnet. Weiter bevorzugt umgeben die erste Sicke und/oder die zweite Sicke den mindestens einen Port, mehr bevorzugt vollständig. Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke können ausschließlich den mindestens einen Port und bevorzugt ausschließlich genau einen Port umgeben. Weiterhin können die erste Sicke und die zweite Sicke die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der, insbesondere benachbart angeordneten, MEA umgeben, bevorzugt vollständig umgeben, so dass die erste Sicke und die zweite Sicke gemeinsam als Dichtungselement des mindestens einen Ports beziehungsweise der aktiven Fläche wirken.
Die Öffnung kann auch als Durchgangsöffnung, Durchbruch oder Durchlass bezeichnet werden. Bevorzugt weisen die erste Sicke und/oder die zweite Sicke eine Vielzahl von Öffnungselementen und entsprechend eine Vielzahl an Öffnungen auf. Die Öffnung weist eine, bevorzugt runde, Querschnittsfläche auf.
Die Öffnung wird bevorzugt durch Lochen insbesondere der Grundplatte der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte hergestellt. Alternativ kann zunächst das mindestens eine Öffnungselement hergestellt werden und im Anschluss die Öffnung ausgestanzt werden. Ferner ist eine spanende Bearbeitung möglich. Darüber hinaus kann in einem weiteren Prägeschritt die Kantenkontur des mindestens einen Öffnungselements optimiert werden.
Die mittlere Grundfläche und die mindestens eine äußere Grundfläche stellen bevorzugt horizontale Bereiche dar, die im Wesentlichen parallel zu der Grundplatte der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte angeordnet sind. Weiter bevorzugt sind die mittlere Grundfläche und die mindestens eine äußere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke jeweils im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Unter „im Wesentlichen parallel“ wird verstanden, dass die Grundflächen, also die mittlere Grundfläche und/oder die mindestens einen äußere Grundfläche zueinander beziehungsweise mit der Grundplatte einen Winkel von weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10° einschließen. Die mittlere Grundfläche der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte ist bevorzugt jeweils zwischen zwei geneigten Flächen angeordnet. Die mindestens zwei geneigten Flächen können auch als Schenkel oder Flanken bezeichnet werden. Ferner sind die mindestens zwei geneigten Flächen insbesondere gegenüber der mittleren Grundfläche und der mindestens einen äußeren Grundfläche geneigt. Ein Neigungswinkel liegt bevorzugt in einem Bereich von 100° bis 170°, weiter bevorzugt von 110° bis 160°.
Die mittlere Grundfläche und die mindestens eine äußere Grundfläche sind bevorzugt ebene Flächen. Die mindestens zwei geneigten Flächen können geschwungen sein, also mindestens eine Krümmung aufweisen. Die mindestens zwei geneigten Flächen, die insbesondere jeweils benachbart zur mittleren Grundfläche angeordnet sind, weisen bevorzugt einen Neigungswinkel mit entgegengesetztem Vorzeichen auf.
Die erste Sicke und/oder die zweite Sicke können mindestens zwei Öffnungselemente aufweisen, die auf gegenüberliegenden Seiten der mittleren Grundfläche angeordnet sein können. Die mindestens zwei Öffnungselemente können gegenüberliegend oder versetzt zueinander angeordnet sein.
Die mittlere Grundfläche weist bevorzugt eine erste Höhe auf, bezogen auf die Grundplatte der ersten Monopolarplatte beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte, die insbesondere ein Grundniveau darstellt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine äußere Grundfläche, auf der insbesondere das mindestens eine Öffnungselement angeordnet ist, an nicht mehr als einer geneigten Fläche angeordnet. Die mindestens eine äußere Grundfläche ist entsprechend bevorzugt auf einer zweiten Höhe angeordnet, die weiter bevorzugt weniger als 10% der ersten Höhe beträgt. Insbesondere ist die mindestens eine äußere Grundfläche auf dem Grundniveau angeordnet. Die Öffnung ist in der Deckfläche angeordnet und die Deckfläche, insbesondere die Öffnung des mindestens einen Öffnungselements ist bevorzugt auf einer Austrittshöhe angeordnet, die mehr als 20%, insbesondere mehr als 50% der ersten Höhe beträgt.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Sicke und/oder die zweite Sicke jeweils mindestens drei geneigte Flächen, insbesondere drei oder vier geneigte Flächen, auf, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche, insbesondere direkt zwischen zwei der mindestens drei geneigten Flächen angeordnet ist und eine Stufe, insbesondere zwischen den beiden geneigten Flächen, bildet. Die Stufe weist bevorzugt eine dritte Höhe auf, wobei die dritte Höhe kleiner als die erste Höhe ist und weiter bevorzugt die dritte Höhe 20% bis 80%, mehr bevorzugt 30% bis 70%, insbesondere bevorzugt 40% bis 60%, der ersten Höhe beträgt. Die zwei geneigten Flächen, die insbesondere auf der gleichen Seite der mittleren Grundfläche angeordnet sind beziehungsweise an dieselbe Stufe angrenzen, können denselben Neigungswinkel aufweisen. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Öffnungselement auf der Stufe angeordnet.
Bevorzugt weist die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und/oder der zweiten Sicke jeweils eine Dichtung auf. Weiter bevorzugt weisen die mittlere Grundfläche der ersten Sicke und die mittlere Grundfläche der zweiten Sicke jeweils eine Dichtung auf. Die Dichtung ist bevorzugt als Beschichtung ausgeführt. Weiterhin umfasst die Dichtung bevorzugt ein Polymer wie ein Elastomer, weiter bevorzugt umfasst die Dichtung ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Kautschuk, insbesondere Fluorkautschuk (FKM), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Mischungen daraus.
Das mindestens eine Öffnungselement kann als Hutze ausgeführt sein und/oder als halber Topf beschrieben werden. Ferner kann das mindestens eine Öffnungselement zumindest teilweise eine konische Form oder die Form eines Polyeders aufweisen, das bevorzugt durch Rauten und/oder Rechtecke begrenzt wird. Insbesondere weist das mindestens eine Öffnungselement die Form eines Rhomboeders auf.
Bevorzugt ist die Deckfläche im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen äußeren Grundfläche angeordnet und insbesondere zu der Grundplatte der ersten Monopolarplatte bzw. der zweiten Monopolarplatte. Die Deckfläche weist bevorzugt eine rechteckige Form auf oder ist zumindest teilweise kreisförmig beziehungsweise rund. Zum Beispiel besitzt die Deckfläche teilweise die Form eines Halbkreises.
Bevorzugt ist die Mantelfläche durch die Deckfläche, die mindestens eine äußere Grundfläche und die eine der mindestens zwei geneigten Flächen begrenzt. Die Öffnung weist bevorzugt einen runden Querschnitt auf. Alternativ kann die Öffnung eine dritte offene Seitenfläche des Öffnungselements bilden, so dass das Öffnungselement auch als Hutze bezeichnet werden kann. In diesem Fall ist die Deckfläche bevorzugt vollständig offen.
Vorteile der Erfindung
Durch das mindestens eine Öffnungselement wird der Port der Bipolarplatte fluidisch mit der aktiven Fläche verbunden, wobei der Portbereich durch das Öffnungselement gleichzeitig versteift und abgestützt wird, um eine unerwünschte Verformung des Portbereichs zu verhindern und eine Anpressfläche zum Dichten zu bilden.
Ferner kann die Strömungsführung durch Gestaltung des mindestens einen Öffnungselements, zum Beispiel durch eine gezielte Gestaltung der Mantelfläche, optimiert werden.
Insbesondere die kreisförmige Öffnung weist nur kleine Fertigungstoleranzen auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Sickenanordnung gemäß dem Stand der Technik, Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer ersten Monopolarplatte mit Öffnungselementen und
Figur 5 eine Querschnittsansicht einer Sickenanordnung mit einer Stufe.
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.
Figur 1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle. Die elektrochemische Zelle 1 weist eine Membran 2 als Elektrolyten auf. Die Membran 2 trennt einen Kathodenraum 6 von einem Anodenraum 8.
Im Kathodenraum 6 und Anodenraum 8 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Bipolarplatte 7 angeordnet. Der Verbund von Membran 2 und der Elektrodenschicht 3 kann auch als Membran-Elektroden-Anordnung 4 bezeichnet werden.
In den Bipolarplatten 7 werden Medien 29 zugeführt. Durch die Bipolarplatte 7 im Kathodenraum 6 gelangt Sauerstoff 9 zur Gasdiffusionslage 5 und durch die Bipolarplatte 7 des Anodenraums 8 gelangt Wasserstoff 11 zur entsprechenden Gasdiffusionslage 5.
Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Anordnung 69 elektrochemischer Zellen 1, die einen Brennstoffzellenstapel darstellt. Die Anordnung 69 umfasst einzelne elektrochemische Zellen 1, die zwischen Stromsammlern 33 und Endplatten 35 mit Spannelementen 37 verspannt werden.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 7 mit einer Sickenanordnung 57. Die Bipolarplatte 7 umfasst eine erste Monopolarplatte 13 mit einer ersten Sicke 15 und eine zweite Monopolarplatte 17 mit einer zweiten Sicke 19, jeweils gemäß dem Stand der Technik.
Die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 sind gegenüberliegend angeordnet und bilden einen Kanal 21. Die erste Sicke 15 und die zweite Sicke 19 umfassen jeweils eine mittlere Grundfläche 23 und zwei geneigte Flächen 24, wobei die geneigten Flächen 24 Öffnungen 27 aufweisen, durch die ein Medium 29 geführt werden kann.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer ersten Monopolarplatte 13 mit einer ersten Sicke 15. Die erste Monopolarplatte 13 weist eine mittlere Grundfläche 23, zwei geneigte Flächen 24 und eine äußere Grundfläche 25 auf. An der ersten Sicke 15 sind zwischen einer der geneigten Flächen 24 und der äußeren Grundfläche 25 zwei Öffnungselemente 111 zur Durchführung des Mediums 29 angeordnet. Die Öffnungselemente 111 weisen jeweils eine Mantelfläche 121, eine erste offene Seitenfläche 113, eine zweite offene Seitenfläche 115 und eine Deckfläche 140 auf. Die Deckflächen 140 besitzen jeweils eine Öffnung 27. Weiterhin liegt jeweils die erste offene Seitenfläche 113 in der äußeren Grundfläche 25 und die zweite offene Seitenfläche 115 in der geneigten Fläche 24.
Das Medium 29 tritt jeweils über die erste offene Seitenfläche 113 und die zweite offene Seitenfläche 115 in das Öffnungselement 111 ein und verlässt dieses wieder durch die Öffnung 27 in der Deckfläche 140.
Es ist ein erstes Öffnungselement 141 gezeigt, wobei die Deckfläche 140 teilweise kreisförmig ist. Bei einem zweiten Öffnungselement 143 weist die Deckfläche 140 eine rechteckige Form auf.
Die mittlere Grundfläche 23 der ersten Sicke 15 ist in einer ersten Höhe 59 angeordnet, während die Deckflächen 140 in einer zweiten Höhe 61, jeweils in Bezug auf eine Grundplatte 123 der ersten Monopolarplatte 13, angeordnet sind.
Figur 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sickenanordnung 57 einer Bipolarplatte 7. Hier weist die erste Sicke 15 vier geneigten Flächen 24 auf, wobei eine äußere Grundfläche 25 zwischen zwei der vier geneigten Flächen 24 angeordnet ist und eine Stufe 31 bildet. Entsprechend ist das Öffnungselement 111 auf der Stufe 31 angeordnet. Die Stufe 31 ist auf einer dritte Höhe 63 in Bezug auf die Grundplatte 123 der ersten Monopolarplatte 13 angeordnet. Ferner weisen die mittleren Grundflächen 23 eine Dichtung 47 auf.
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.

Claims

Ansprüche
1. Bipolarplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte (13) mit einer ersten Sicke (15) und eine zweite Monopolarplatte (17) mit einer zweiten Sicke (19), wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) gegenüberliegend angeordnet sind und einen Kanal (21) bilden, wobei die erste Sicke (15) und die zweite Sicke (19) jeweils eine mittlere Grundfläche (23) und mindestens zwei geneigte Flächen (24) umfassen und die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) mindestens eine äußere Grundfläche (25) umfassen und wobei an der ersten Sicke (15) und/oder der zweiten Sicke (19) mindestens ein Öffnungselement (111) zur Durchführung mindestens eines Mediums (29) zwischen einer der mindestens zwei geneigten Flächen (24) und der mindestens einen äußeren Grundfläche (25) angeordnet ist, und wobei das mindestens eine Öffnungselement (111) eine Mantelfläche (121), eine erste offene Seitenfläche (113), eine zweite offene Seitenfläche (115) und eine Deckfläche (140) mit einer Öffnung (27) aufweist und die erste offene Seitenfläche (113) in der mindestens einen äußeren Grundfläche (25) und die zweite offene Seitenfläche (115) in der einen der mindestens zwei geneigten Flächen (24) liegt.
2. Bipolarplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (140) im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen äußeren Grundfläche (25) angeordnet ist.
3. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (140) eine rechteckige Form aufweist oder zumindest teilweise kreisförmig ist.
4. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (121) durch die Deckfläche (140), die mindestens eine äußere Grundfläche (25) und die eine der mindestens zwei geneigten Flächen (24) begrenzt ist.
5. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (27) einen runden Querschnitt aufweist.
6. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (27) eine dritte offene Seitenfläche des Öffnungselements (111) bildet.
7. Bipolarplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) jeweils mindestens drei geneigte Flächen (24) aufweisen, wobei die mindestens eine äußere Grundfläche (25) zwischen zwei der mindestens drei geneigten Flächen (24) angeordnet ist und eine Stufe (31) bildet.
8. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Sicke (15) und/oder die zweite Sicke (19) und das mindestens eine Öffnungselement (111) mittels Prägen aus einer Grundplatte (123) der ersten Monopolarplatte (13) beziehungsweise der zweiten Monopolarplatte (17) hergestellt werden.
9. Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung (4), wobei das mindestens eine Öffnungselement (111) so an der mindestens einen Bipolarplatte (7) angeordnet ist, dass die Öffnung (27) zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung (4) zeigt.
10. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (69) elektrochemischer Zellen (1) nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine Medium (29) von dem Kanal (21) durch das mindestens eine Öffnungselement (111) zur mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung (4) geführt wird, wobei das mindestens eine Medium (29) durch die zweite offene Seitenfläche (115) und/oder durch die erste offene Seitenfläche (113) in das mindestens eine Öffnungselement (111) eintritt und durch die Öffnung (27) aus dem mindestens einen Öffnungselement (111) austritt.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10158772C1 (de) 2001-11-23 2003-06-26 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem
DE10248531B4 (de) 2002-10-14 2005-10-20 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Herstellung einer in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Bipolarplatte
DE102005057045A1 (de) * 2005-11-30 2007-06-06 Daimlerchrysler Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit
JP4959190B2 (ja) * 2002-10-14 2012-06-20 ラインツ−ディクトゥングス−ゲーエムベーハー 電気化学的システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10158772C1 (de) 2001-11-23 2003-06-26 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem
DE10248531B4 (de) 2002-10-14 2005-10-20 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Herstellung einer in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Bipolarplatte
JP4959190B2 (ja) * 2002-10-14 2012-06-20 ラインツ−ディクトゥングス−ゲーエムベーハー 電気化学的システム
DE102005057045A1 (de) * 2005-11-30 2007-06-06 Daimlerchrysler Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit

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