WO2022214124A1 - Elektrochemisches system - Google Patents

Elektrochemisches system Download PDF

Info

Publication number
WO2022214124A1
WO2022214124A1 PCT/DE2022/100191 DE2022100191W WO2022214124A1 WO 2022214124 A1 WO2022214124 A1 WO 2022214124A1 DE 2022100191 W DE2022100191 W DE 2022100191W WO 2022214124 A1 WO2022214124 A1 WO 2022214124A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow channels
electrochemical system
bipolar plate
bipolar
channels
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100191
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Van Hau Nguyen
Andreas Nendel
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Publication of WO2022214124A1 publication Critical patent/WO2022214124A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/10—Fuel cells in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical system, in particular a fuel cell system, which is built up according to the preamble of claim 1 in stack form.
  • An electrochemical system is known, for example, from DE 20 2016 107 302 U1.
  • the known electrochemical system comprises a plurality of bipolar plates, each of which is composed of two separator plates.
  • the separator plates each include a through-opening for the passage of a medium and a distribution or collection area with a plurality of webs and channels formed between the webs, which are each in fluid communication with the through-opening.
  • the known separator plate has a flow field which is connected to the through-opening via the distribution or collection area and has conducting structures for conducting a medium.
  • separator plate which is also provided for use in an electrochemical system, is disclosed in DE 20 2015 204 300 U1.
  • the term separator plate is used for a complete bipolar plate, which is composed of so-called individual plates, ie half sheets. Contours of channels are formed by the two individual plates, with areas of intersection between different channels.
  • US Pat. No. 4,983,472 A discloses a plate of a fuel cell which carries an electric current and is arranged between a flat electrode and a further plate.
  • the current-carrying plate has a structuring in the manner of a checkerboard pattern.
  • the invention is based on the object of further developing electrochemical systems compared to the prior art mentioned, in particular from the point of view of production technology, while at the same time favorable flow conditions should be provided within the electrochemical system.
  • the electrochemical system comprises a plurality of stacked bipolar plates which are each composed of two structured half-sheets describing wave crests and wave troughs. Coolant channels are formed between the half-sheets of each bipolar plate by the crests and valleys of the waves, the bipolar plates also delimiting flow channels for operating media on their outer sides and a membrane arrangement is located between each two bipolar plates.
  • the flow channels for the media that flow through the stack of bipolar plates are arranged mirror-symmetrically to one another, the mirror symmetry relating to the plane in which the membrane arrangement lies.
  • the distributor field and the active field of each bipolar plate there is a transition area in which the flow channels, which are initially congruent, diverge in such a way that an arrangement of flow channels, which is offset in the transverse direction of the flow channels, which is on the first side of the membrane arrangement, and flow channels, which are on are the opposite side of the membrane assembly results.
  • the wave crests and wave troughs of the first half-sheet of each bipolar plate which form the coolant channels, diverge within the transition region in relation to the wave crests and wave troughs of the second half-sheet in such a way that separate, mutually parallel coolant channels in each bipolar plate in the active field converge into one continuous coolant space that extends over several wave crests and wave troughs and ensures particularly uniform cooling.
  • the membrane arrangement can lie loosely between the neighboring bipolar plates, with the deflectability of the membrane arrangement through the said bipolar plates, viewed in the transverse direction of the flow channels, alternating in only one direction, each Weil normal to said plane defined by the diaphragm assembly, is blocked.
  • the membrane arrangement is thus supported alternately, for example, on a bipolar plate, which is located on the upper side of the membrane arrangement, and on a bipolar plate located on the underside of the membrane arrangement, where the information “top” and “bottom” does not provide any information about the actual alignment of the bipolar plates in space imply.
  • a certain flexibility of the membrane arrangement is exploited, which allows a wave-shaped deflection of the membrane arrangement from the predetermined level through the membrane arrangement in the region of the active field.
  • the membrane arrangement which lies loosely between the adjacent biopolar plates, can have the corrugated shape of the half-plates in cross section, but with fewer ger pronounced wave crests and wave troughs, which gives the impression of a woven structure.
  • both the half-laminate arrangements and the diaphragm arrangements can absorb deformations in the normal direction of the plate arrangement, such deformations being thermally and/or caused by external forces.
  • the flow channels on the edge of the transition area bordering on the active field are inclined relative to the orientation which the flow channels have on the edge of the transition area bordering on the distributor field.
  • the edges mentioned are, for example, the lower and the upper edge of the transition area.
  • Variants can also be implemented in which the flow channels are aligned in the same direction on both edges of the transition area.
  • the flow channels on one side of the bipolar plate within the transition area are, for example, completely straight, while the flow channels on the opposite side of the bipolar plate on the edge of the transition area bordering on the active field are parallel to the edge of the transition area bordering on the distribution field are offset, the parallel offset can correspond in particular to the width of a flow channel.
  • the electrochemical system can be provided in the form of a fuel cell stack or fuel cell stacks for mobile or for stationary applications.
  • the membrane arrangement is a polymer electrolyte membrane (PEM), so that a polymer electrolyte fuel cell is present, which is used in particular for operation with hydrogen as the fuel gas.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the bipolar plates are made in particular from three-dimensionally embossed metal sheets, in particular from steel, titanium or a titanium alloy, and can be provided with coatings and/or with other components, in particular gas diffusion layers, which are usually arranged between a membrane arrangement and a bipolar plate, of the electrochemical system to be connected. Since two embossed metal sheets are connected to one another, for example by welding, a coolant space through which coolant can flow being formed between the metal sheets.
  • Fig. 4 shows an alternative design of an electrochemical system in a
  • FIG. 5 shows another electrochemical system in a representation analogous to FIG. Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts and contours that correspond to one another or have the same effect in principle are marked with the same reference symbols in all figures.
  • An electrochemical system identified overall by the reference numeral 1 is a fuel cell stack.
  • reference numeral 1 An electrochemical system identified overall by the reference numeral 1 is a fuel cell stack.
  • the electrochemical system comprises a multiplicity of bipolar plates 2, which are each formed from two half-sheets 3, 4 and are stacked to form a stack.
  • Membrane arrangements located between the bipolar plates 2 are denoted by 5 .
  • the membrane arrangements 5 In comparison to the bipolar plates 2, the membrane arrangements 5 have increased flexibility, at least in certain surface sections. This flexibility relates in particular to the resilience to loads which act perpendicularly to the essentially plate-shaped, stacked arrangements 2, 5. The flexibility mentioned can be expressed, among other things, in a waveform 22 described by the membrane arrangement 5, which will be discussed in more detail below.
  • the membrane arrangement 5 therefore has a structure within the distributor field 8 and the transition region 7 which differs from the structure within the active field 6 .
  • first side of the membrane arrangement 5 is also referred to as the upper side, without loss of generality, and the second side of the membrane arrangement 5 is also referred to as the underside.
  • the output sections of the flow channels 9, 10 located within the active field 6 are denoted uniformly by 11. All output sections 11 are arranged parallel to one another, with an output section 11 always being arranged on the upper side of the membrane arrangement 5 in a mirror-symmetrical manner with respect to an output section 11 on the underside of the membrane arrangement 5 . Based on the view of Figures 1, 4, 5, this means that two output sections 11 are arranged within the active field 6 exactly one above the other. In contrast to this, the input sections of the flow channels 9, 10, which are designated 12, 13, are alternately next to one another, as can also be seen from FIGS.
  • an input section 12, which can be assigned to a flow channel 9, is in any case next to an input section 13, which can be assigned to a flow channel 10, or is adjacent to two input sections 13. In the top view, this represents a fanning out of the flow channels 9, 10 within the transition area 7, which fluidically connects the active field 6 to the distributor field 8.
  • the flow channels 9 at the top in the figures have a first kink 14 within the transition region 7 in all of the exemplary embodiments.
  • a second kink 15 of the flow channel 9 is also provided. Deviating from the simplified illustrations, the so-called kinks 14, 15 can be rounded.
  • the flow channel 10 lying at the bottom in the outlined exemplary embodiments has a single kink 14, in the case of FIG. 4 a continuously straight course, and in the case of FIG. 5 two kink points 14, 15.
  • all exit sections 12, 13 of the flow channels 9, 10 are parallel aligned to each other.
  • the input sections 12, 13 in the case of FIG. 1 are inclined relative to the output sections 11, whereas in the designs according to FIGS. 4 and 5 all sections 11, 12, 13 are parallel.
  • Each half sheet 3, 4 has a corrugated structure 16, through which crests 17 and troughs 18 are described.
  • a wave crest 17 is arranged mirror-symmetrically to a wave trough 18, so that a coolant channel 19 is formed in between.
  • Coolant channels 19 running parallel to one another are separated from one another by webs 21, which are formed by sections of the half-sheets 3, 4 lying one on top of the other.
  • the half-sheets 3, 4 can be welded or soldered to one another.
  • the flow channels 9, 10 are each Weil between the membrane arrangement 5 and a web 21, wherein they also border on two coolant channels 19 each.
  • the corrugated structures 16 of the half-plates 3, 4 are shifted relative to each other in such a way that, as the section AA, which also applies to the variants according to Figures 4 and 5, shows, there is always a crest 17 above a crest 17 and a trough 18 lies above a trough 18 .
  • the coolant channels 19 are dissolved and combined into a single coolant space 20, which meanders between the half-plates 3, 4 in section (FIG. 2).
  • the flow channels 9, 10 can still be distinguished from one another, with the separation being provided by the membrane arrangement 5.
  • FIG. 3 and 2 illustrates, however, the half-plates 3, 4, which form continuous coolant spaces 20, do not rigidly fix the membrane arrangement 5.
  • a related with elastic deflections of the half-sheets 3, 4 are thus in demjeni gene section of the transition region 7, which borders on the active field 8, also shape changes of the membrane arrangement 5 are possible to a limited extent.
  • Electrochemical system Bipolar plate Half-sheet Half-sheet Membrane arrangement Active field Transition area Distributor field Flow channel on the first side of the membrane arrangement Flow channel on the second side of the membrane arrangement Output section of a flow channel Input section of a flow channel Input section of a flow channel First kink of a flow channel Second kink of a flow channel Wave structure of a half-sheet Wave crest Wave trough Coolant channel Coolant space Web Wave shape the membrane arrangement

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Ein elektrochemisches System umfasst eine Mehrzahl gestapelter Bipolarplatten (2), welche jeweils aus zwei strukturierten, Wellenberge (17) und Wellentäler (18) beschreibenden Halbblechen (3, 4) zusammengesetzt sind, wobei zwischen den Halbblechen (3, 4) einer jeden Bipolarplatte (2) durch die Wellenberge (17) und Wellentäler (18) Kühlmittelkanäle (19) gebildet sind und die Bipolarplatten (3, 4) auf ihren Außenseiten zugleich Strömungskanäle (9, 10) für Betriebsmedien begrenzen, und wobei sich jeweils zwischen zwei Bipolarplatten (2) eine Membrananordnung (5) befindet. In einem Übergangsbereich (7) zwischen einem Aktivfeld (6) und einem Verteilerfeld (8) einer jeden Bipolarplatte (2) geht eine bezüglich einer Ebene, in der die Membrananordnung (5) liegt, spiegelsymmetrische Anordnung der Strömungskanäle (9, 10) in eine in deren Querrichtung versetzte Anordnung über.

Description

Elektrochemisches System
Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches System, insbesondere Brennstoffzellen- System, welches entsprechend dem Obergriff des Anspruchs 1 in Stapelform aufge baut ist.
Ein elektrochemisches System ist beispielsweise aus der DE 20 2016 107 302 U1 be kannt. Das bekannte elektrochemische System umfasst eine Mehrzahl an Bipolarplat ten, welche jeweils aus zwei Separatorplatten zusammengesetzt sind. Die Separator platten umfassen jeweils eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Mediums und einen Verteil- oder Sammelbereich mit einer Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen ausgebildeten Kanälen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Durch gangsöffnung stehen. Ferner weist die bekannte Separatorplatte ein Strömungsfeld auf, das über den Verteil- oder Sammelbereich mit der Durchgangsöffnung verbunden ist und Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums aufweist.
Eine weitere Separatorplatte, welche ebenfalls für die Verwendung in einem elektro chemischen System vorgesehen ist, ist in der DE 20 2015 204 300 U1 offenbart. In diesem Fall wird die Bezeichnung Separatorplatte für eine komplette Bipolarplatte verwendet, wobei diese aus sogenannten Einzelplatten, das heißt Halbblechen, zu sammengesetzt ist. Durch die beiden Einzelplatten sind Konturen von Kanälen gebil det, wobei Kreuzungsbereiche zwischen verschiedenen Kanälen existieren.
Die US 4,983,472 A offenbart eine, einen elektrischen Strom führende Platte einer Brennstoffzelle, welche zwischen einer flächigen Elektrode und einer weiteren Platte angeordnet ist. Die stromführende Platte weist eine Strukturierung in der Art eines Schachbrettmusters auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrochemische Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei zugleich günstige strömungstechnische Verhältnisse inner halb des elektrochemischen Systems gegeben sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrochemisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das elektrochemische System umfasst eine Mehr zahl gestapelter Bipolarplatten, welche jeweils aus zwei strukturierten, Wellenberge und Wellentäler beschreibenden Halbblechen zusammengesetzt sind. Zwischen den Halbblechen einer jeden Bipolarplatte sind durch die Wellenberge und Wellentäler Kühlmittelkanäle gebildet, wobei die Bipolarplatten auf ihren Außenseiten zugleich Strömungskanäle für Betriebsmedien begrenzen und sich jeweils zwischen zwei Bipo larplatten eine Membrananordnung befindet.
In einem Aktivfeld der Bipolarplatte sind die Strömungskanäle für die Medien, welche den Stapel an Bipolarplatten durchströmen, spiegelsymmetrisch zueinander angeord net, wobei sich die Spiegelsymmetrie auf die Ebene, in der die Membrananordnung liegt, bezieht. Zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld jeder Bipolarplatte exis tiert ein Übergangsbereich, in dem die zunächst deckungsgleich übereinanderliegen den Strömungskanäle derart auseinanderlaufen, dass sich eine in Querrichtung der Strömungskanäle versetzte Anordnung von Strömungskanälen, welche auf der ersten Seite der Membrananordnung liegen, und Strömungskanälen, welche auf der gegen überliegenden Seite der Membrananordnung liegen, ergibt.
Durch den in Draufsicht auf die Bipolarplatte innerhalb des Übergangsbereiches ge gebenen, vom Aktivfeld zum Verteilerfeld zunehmenden Versatz zwischen Strö mungskanälen, welche sich aufeinander entgegengesetzten Seiten jeder Bipolarplatte befinden, ist die Möglichkeit gegeben, dass sich die Halbbleche der Bipolarplatte in entsprechend gegeneinander versetzten Oberflächenabschnitten an umgebenden, flächigen Bauteilen abstützen. Damit sind geometrische Ungenauigkeiten, welche bei der Serienfertigung gegeben sein können, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen unter Wahrung der erforderlichen Dichtheit besser ausgleichbar. Zugleich können selbst bei dichter Stapelung der Platten große, strömungsgünstige Querschnitte der durch die Halbbleche begrenzten Strömungskanäle bereitgestellt werden.
Gemäß einer ersten Gestaltungsmöglichkeit der Bipolarplatten laufen innerhalb des Übergangsbereichs die, die Kühlmittelkanäle bildenden Wellenberge und Wellentäler des ersten Halbblechs einer jeden Bipolarplatte derart gegenüber den Wellenbergen und Wellentälern des zweiten Halbblechs auseinander, dass im Aktivfeld gegebene getrennte, zueinander parallele Kühlmittelkanäle in jeder Bipolarplatte in einen zu sammenhängenden, sich über mehrere Wellenberge und Wellentäler erstreckenden, für eine besonders gleichmäßige Kühlung sorgenden Kühlmittelraum übergehen. Dies bedeutet, dass ein breiter, gewellter, zwischen den Halbblechen einer Bipolarplatte gebildeter offener Querschnitt, der von Kühlmittel durchströmbar ist und zum Verteiler feld der Bipolarplatte hin offen ist, sich - vom Verteilerfeld aus betrachtet - in Richtung zum Aktivfeld in einzelne Kühlmittelkanäle aufsplittet.
In demjenigen Abschnitt des Übergangsbereichs, in welchem die einzelnen Kühlmit telkanäle einer jeden Bipolarplatte zu einem Kühlmittelraum vereint sind, kann die Membrananordnung lose zwischen den benachbarten Bipolarplatten liegen, wobei die Auslenkbarkeit der Membrananordnung durch die genannten Bipolarplatten, in Quer richtung der Strömungskanäle betrachtet, alternierend in lediglich einer Richtung, je weils normal zur genannten, durch die Membrananordnung definierten Ebene, blo ckiert ist. Die Membrananordnung stützt sich somit abwechselnd beispielsweise an ei ner Bipolarplatte, welche sich auf der Oberseite der Membrananordnung befindet, und an einer auf der Unterseite der Membrananordnung befindlichen Bipolarplatte ab, wo bei die Angaben „Oberseite“ und „Unterseite“ keine Information über die tatsächliche Ausrichtung der Bipolarplatten im Raum implizieren. Dabei wird eine gewisse Flexibili tät der Membrananordnung ausgenutzt, die eine wellenförmige Auslenkung der Membrananordnung aus der, durch die Membrananordnung im Bereich des Aktivfel des vorgegebenen Ebene erlaubt.
Insbesondere kann die Membrananordnung, welche lose zwischen den benachbarten Biopolarplatten liegt, im Querschnitt die Wellenform der Halbbleche, jedoch mit weni- ger ausgeprägten Wellenbergen und Wellentälern, wiedergeben, womit sich der Ein druck einer gewebten Struktur ergibt. Damit können in dem entsprechenden, an das Verteilerfeld grenzenden Abschnitt des Übergangsbereichs sowohl die Anordnungen aus den Halbblechen als auch die Membrananordnungen Verformungen in normaler Richtung der Plattenanordnung aufnehmen, wobei derartige Verformungen thermisch und/oder durch von außen einwirkende Kräfte bedingt sein können.
Was den genauen Verlauf der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs zwischen dem Verteilerfeld und dem Aktivfeld betrifft, existieren verschiedene geomet rische Varianten:
Gemäß einer ersten Variante sind die Strömungskanäle am an das Aktivfeld grenzen den Rand des Übergangsbereiches gegenüber der Ausrichtung, welche die Strö mungskanäle am an das Verteilerfeld grenzenden Rand des Übergangsbereiches ha ben, schräg gestellt. In typischer, vertikaler Ausrichtung der Bipolarplatten handelt es sich bei den genannten Rändern beispielsweise um den unteren und den oberen Rand des Übergangsbereiches.
Ebenso sind Varianten realisierbar, in welchen die Strömungskanäle an beiden Rän dern des Übergangsbereichs in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Hierbei sind die Strömungskanäle auf der einen Seite der Bipolarplatte innerhalb des Übergangsberei ches beispielsweise komplett gerade, während die Strömungskanäle auf der entge gengesetzten Seite der Bipolarplatte am an das Aktivfeld grenzenden Rand des Über gangsbereichs gegenüber demjenigen Rand des Übergangsbereichs, welcher an das Verteilerfeld grenzt, parallel versetzt sind, wobei der Parallelversatz insbesondere der Breite eines Strömungskanals entsprechen kann.
Sofern keiner der Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbereichs eine komplett gerade Form aufweist, können die Strömungskanäle innerhalb des Übergangsbe reichs beispielsweise Y-förmig auseinanderlaufen. Damit sind gleiche Strömungsver hältnisse auf beiden Seiten der Bipolarplatte herstellbar. Das elektrochemische System kann in Form eines Brennstoffzellen-Stapels oder Brennstoffzellen-Stacks für mobile oder für stationäre Anwendungen vorgesehen sein. Insbesondere handelt es sich bei der Membrananordnung um eine Polymerelektrolyt membrane (PEM), so dass eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorliegt, die insbe sondere zum Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas eingesetzt wird.
Die Bipolarplatten sind insbesondere aus dreidimensional geprägten Metallblechen, insbesondere aus Stahl, Titan oder einer Titanlegierung, hergestellt und können mit Beschichtungen versehen und/oder mit weiteren Bestandteilen, insbesondere Gasdif fusionsschichten, die üblicherweise zwischen einer Membrananordnung und einer Bi polarplatte angeordnet werden, des elektrochemischen Systems verbunden sein. Da bei werden zwei geprägte Metallbleche miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen, wobei zwischen den Metallblechen ein von Kühlmittel durchströmbarer Kühlmittelraum gebildet wird.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 in schematischer Ansicht einen Ausschnitt eines elektrochemischen Sys tems,
Fig. 2 und 3 jeweils einen Schnitt A-A beziehungsweise B-B durch die Anordnung nach Figur 1 ,
Fig. 4 eine alternative Gestaltung eines elektrochemischen Systems in einer
Ansicht analog Figur 1 ,
Fig. 5 ein weiteres elektrochemisches System in einer Darstellung analog Fi gur 1 . Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämt liche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sowie Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.
Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen System handelt es sich um einen Brennstoffzellen-Stapel. Hinsichtlich des prinzipiel len Aufbaus sowie der Funktion von Brennstoffzellen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Das elektrochemische System umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 2, welche je weils aus zwei Halbblechen 3, 4 gebildet und zu einem Stack gestapelt sind. Zwischen den Bipolarplatten 2 befindliche Membrananordnungen sind mit 5 bezeichnet. Im Ver gleich zu den Bipolarplatten 2 weisen die Membrananordnungen 5, zumindest in be stimmten Flächenabschnitten, eine erhöhte Flexibilität auf. Diese Flexibilität betrifft insbesondere die Nachgiebigkeit bei Belastungen, welche senkrecht auf die im We sentlichen plattenförmigen, gestapelten Anordnungen 2, 5 wirken. Die genannte Flexi bilität kann sich unter anderem in einer durch die Membrananordnung 5 beschriebene Wellenform 22 ausdrücken, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
Durch das elektrochemische System 1 geleitete Medien durchströmen ein Verteiler feld 8, einen Übergangsbereich 7 und ein Aktivfeld 6, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Dagegen finden im Verteilerfeld 8 und im Übergangsbereich 7 noch keine elektrochemischen Reaktionen statt. Die Membran anordnung 5 weist daher innerhalb des Verteilerfeldes 8 und des Übergangsbereiches 7 einen Aufbau auf, welcher vom Aufbau innerhalb des Aktivfeldes 6 abweicht.
Durchgehend vom Verteilerfeld 8 bis zum Aktivfeld 6 sind durch die Membrananord nung 5 zahlreiche Strömungskanäle 9, welche sich auf der ersten Seite der Memb rananordnung 5 befinden, von Strömungskanälen 10 auf der zweiten Seite der Memb- rananordnung 5 getrennt. Die erste Seite der Membrananordnung 5 wird im vorlie genden Fall ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Oberseite, die zweite Sei te der Membrananordnung 5 auch als Unterseite bezeichnet.
Die innerhalb des Aktivfeldes 6 befindlichen Ausgangsabschnitte der Strömungskanä le 9, 10 sind einheitlich mit 11 bezeichnet. Sämtliche Ausgangsabschnitte 11 sind pa rallel zueinander angeordnet, wobei stets ein Ausgangsabschnitt 11 auf der Oberseite der Membrananordnung 5 spiegelsymmetrisch zu einem Ausgangsabschnitt 11 auf der Unterseite der Membrananordnung 5 angeordnet ist. Bezogen auf die Ansicht nach den Figuren 1 , 4, 5 bedeutet dies, dass jeweils zwei Ausgangsabschnitte 11 in nerhalb des Aktivfeldes 6 genau übereinander angeordnet sind. Im Unterschied hierzu liegen die mit 12, 13 bezeichneten Eingangsabschnitte der Strömungskanäle 9, 10, wie ebenfalls aus den Figuren 1 , 4, 5 hervorgeht, alternierend nebeneinander.
Dies bedeutet, dass ein Eingangsabschnitt 12, welcher einem Strömungskanal 9 zu zurechnen ist, in jedem Fall neben einem Eingangsabschnitt 13, weicher einem Strö mungskanal 10 zuzurechnen ist, liegt oder von zwei Eingangsabschnitten 13 benach bart ist. In der Draufsicht stellt dies eine Auffächerung der Strömungskanäle 9, 10 in nerhalb des Übergangsbereichs 7, welcher das Aktivfeld 6 strömungstechnisch mit dem Verteilerfeld 8 verbindet, dar.
Die in den Figuren oben liegenden Strömungskanäle 9 weisen in allen Ausführungs beispielen innerhalb des Übergangsbereichs 7 eine erste Knickstelle 14 auf. In den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Fällen ist zusätzlich eine zweite Knickstelle 15 ei nes Strömungskanals 9 gegeben. Abweichend von den vereinfachten Darstellungen können die sogenannten Knickstellen 14, 15 abgerundet ausgeführt sein.
Der in den skizzierten Ausführungsbeispielen unten liegende Strömungskanal 10 weist im Fall von Figur 1 eine einzige Knickstelle 14, im Fall von Figur 4 einen durch gehend geraden Verlauf, und im Fall von Figur 5 zwei Knickstellen 14, 15 auf. In allen Fällen sind sämtliche Ausgangsabschnitte 12, 13 der Strömungskanäle 9, 10 parallel zueinander ausgerichtet. Hierbei sind die Eingangsabschnitte 12, 13 im Fall von Fi gur 1 gegenüber den Ausgangsabschnitten 11 schräggestellt, wogegen in den Ausge staltungen nach den Figuren 4 und 5 eine Parallelität sämtlicher Abschnitte 11 , 12, 13 gegeben ist.
Jedes Halbblech 3, 4 weist eine Wellenstruktur 16 auf, durch die Wellenberge 17 und Wellentäler 18 beschrieben sind. Im Aktivfeld 6 ist jeweils ein Wellenberg 17 spiegel symmetrisch zu einem Wellental 18 angeordnet, sodass dazwischen ein Kühlmittelka nal 19 gebildet ist. Parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle 19 sind durch Stege 21 , welche durch aufeinander liegende Abschnitte der Halbbleche 3, 4 gebildet sind, voneinander getrennt. Im Bereich der Stege 21 können die Halbbleche 3, 4 mit einander verschweißt oder verlötet sein. Die Strömungskanäle 9, 10 befinden sich je weils zwischen der Membrananordnung 5 und einem Steg 21 , wobei sie zugleich an jeweils zwei Kühlmittelkanäle 19 grenzen.
Innerhalb des Übergangsbereichs 7 verschieben sich die Wellenstrukturen 16 der Halbbleche 3, 4 derart zueinander, dass, wie der Schnitt A-A, der auch für die Varian ten nach den Figuren 4 und 5 gilt, zeigt, stets ein Wellenberg 17 über einem Wellen berg 17 und ein Wellental 18 über einem Wellental 18 liegt. Damit sind die Kühlmittel kanäle 19 aufgelöst und zu einem einzigen Kühlmittelraum 20 vereinigt, der sich im Schnitt (Figur 2) zwischen den Halbblechen 3, 4 schlängelt. Im Unterschied zu den Kühlmittelkanälen 19 sind die Strömungskanäle 9, 10 weiterhin voneinander unter scheidbar, wobei die Trennung durch die Membrananordnung 5 gegeben ist. Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 2 veranschaulicht, ist jedoch durch die Halbbleche 3, 4, welche zusammenhängende Kühlmittelräume 20 bilden, keine starre Fixierung der Membrananordnung 5 gegeben. Vielmehr kann die Membrananordnung 5 in einer Wellenform 22 zwischen Halbblechen 4, 3 benachbarter Bipolarplatten 2 liegen. Ein hergehend mit elastischen Auslenkungen der Halbbleche 3, 4 sind somit in demjeni gen Abschnitt des Übergangsbereichs 7, der an das Aktivfeld 8 grenzt, in begrenztem Maße auch Formänderungen der Membrananordnung 5 möglich. Bezuqszeichenliste Elektrochemisches System Bipolarplatte Halbblech Halbblech Membrananordnung Aktivfeld Übergangsbereich Verteilerfeld Strömungskanal auf der ersten Seite der Membrananordnung Strömungskanal auf der zweiten Seite der Membrananordnung Ausgangsabschnitt eines Strömungskanals Eingangsabschnitt eines Strömungskanals Eingangsabschnitt eines Strömungskanals erste Knickstelle eines Strömungskanals zweite Knickstelle eines Strömungskanals Wellenstruktur eines Halbblechs Wellenberg Wellental Kühlmittelkanal Kühlmittelraum Steg Wellenform der Membrananordnung

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemisches System, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Bipolarplat ten (2), welche jeweils aus zwei strukturierten, Wellenberge (17) und Wellentä ler (18) beschreibenden Halbblechen (3, 4) zusammengesetzt sind, wobei zwi schen den Halbblechen (3, 4) einer jeden Bipolarplatte (2) durch die Wellen berge (17) und Wellentäler (18) Kühlmittelkanäle (19) gebildet sind und die Bi polarplatten (3, 4) auf ihren Außenseiten zugleich Strömungskanäle (9, 10) für Betriebsmedien begrenzen, und wobei sich jeweils zwischen zwei Bipolarplat ten (2) eine Membrananordnung (5) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (7) zwischen einem Aktivfeld (6) und einem Vertei lerfeld (8) einer jeden Bipolarplatte (2) eine bezüglich einer Ebene, in der die Membrananordnung (5) liegt, spiegelsymmetrische Anordnung der Strömungs kanäle (9, 10) in eine in deren Querrichtung versetzte Anordnung übergeht.
2. Elektrochemisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Übergangsbereichs (7) die, die Kühlmittelkanäle (19) bildenden Wellenberge (17) und Wellentäler (18) des ersten Halbblechs (3) einer jeden Bipolarplatte (2) derart gegenüber den Wellenbergen (17) und Wellentälern (18) des zweiten Halbblechs (4) auseinanderlaufen, dass im Aktivfeld (6) gege bene getrennte, zueinander parallele Kühlmittelkanäle (19) in jeder Bipolarplat te (2) in einen zusammenhängenden, sich über mehrere Wellenberge (17) und Wellentäler (18) erstreckenden Kühlmittelraum (20) übergehen.
3. Elektrochemisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in demjenigen Abschnitt des Übergangsbereichs (7), in welchem die einzelnen Kühlmittelkanäle (19) einer jeden Bipolarplatte (2) zu einem Kühlmittelraum (20) vereint sind, die Membrananordnung (5) lose zwischen den benachbarten Bipolarplatten (2) liegt, wobei die Auslenkbarkeit der Membrananordnung (5) durch diese Bipolarplatten (2) in Querrichtung der Strömungskanäle (9, 10) al ternierend in lediglich einer Richtung, jeweils normal zur genannten Ebene, blockiert ist.
4. Elektrochemisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (9, 10) am an das Verteilerfeld (8) grenzenden Rand des Übergangsbereiches (7) gegenüber der Ausrichtung, welche die Strömungskanäle (9, 10) am an das Verteilerfeld (6) grenzenden Rand des Übergangsbereiches (7) haben, schräg gestellt sind.
5. Elektrochemisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (9, 10) an beiden Rändern des Übergangsbereiches (7) identisch ausgerichtet sind.
6. Elektrochemisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (9, 10) auf der einen Seite der Bipolarplatte (2) eine durchgehend gerade Form aufweisen, wogegen die Strömungskanäle (9, 10) auf der entgegengesetzten Seite der Bipolarplatte (2) einen Parallelversatz aufweisen.
7. Elektrochemisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (9, 10) innerhalb des Übergangsbereiches (7), in Drauf sicht auf die Bipolarplatte (2), Y-förmig auseinanderlaufen.
8. Elektrochemisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Brennstoffzellen-Stack ausgebildet ist.
PCT/DE2022/100191 2021-04-09 2022-03-09 Elektrochemisches system WO2022214124A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021108876.3A DE102021108876B4 (de) 2021-04-09 2021-04-09 Elektrochemisches System
DE102021108876.3 2021-04-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022214124A1 true WO2022214124A1 (de) 2022-10-13

Family

ID=80819756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2022/100191 WO2022214124A1 (de) 2021-04-09 2022-03-09 Elektrochemisches system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021108876B4 (de)
WO (1) WO2022214124A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4983472A (en) 1989-11-24 1991-01-08 International Fuel Cells Corporation Fuel cell current collector
US20020168561A1 (en) * 2001-04-07 2002-11-14 Daimlerchrysler Ag Electrochemical cell stack
DE102014006749A1 (de) * 2013-05-19 2014-11-20 Daimler Ag Strömungsfeldplatte für einen verbesserten Kühlmittelfluss
DE102014206335A1 (de) * 2014-04-02 2015-10-08 Volkswagen Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen
US20170229714A1 (en) * 2016-02-04 2017-08-10 GM Global Technology Operations LLC Embossed metal seal design with improved contact pressure uniformity under conditions of misalignment
DE202016107302U1 (de) 2016-12-22 2018-03-27 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202015104300U1 (de) 2015-08-14 2016-08-19 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4983472A (en) 1989-11-24 1991-01-08 International Fuel Cells Corporation Fuel cell current collector
US20020168561A1 (en) * 2001-04-07 2002-11-14 Daimlerchrysler Ag Electrochemical cell stack
DE102014006749A1 (de) * 2013-05-19 2014-11-20 Daimler Ag Strömungsfeldplatte für einen verbesserten Kühlmittelfluss
DE102014206335A1 (de) * 2014-04-02 2015-10-08 Volkswagen Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen
US20170229714A1 (en) * 2016-02-04 2017-08-10 GM Global Technology Operations LLC Embossed metal seal design with improved contact pressure uniformity under conditions of misalignment
DE202016107302U1 (de) 2016-12-22 2018-03-27 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021108876B4 (de) 2023-10-19
DE102021108876A1 (de) 2022-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005057045B4 (de) Bipolarplatte und deren Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit
EP3631884B1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches system
EP2297808B1 (de) Bipolarplatte für eine brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur anordnung, zwischen zwei benachbarten membran-elektroden-anordnungen
WO2018114819A1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches system
DE202015104972U1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches System
WO2019229138A1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches system
WO2020174038A1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches system
DE102020007731A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
DE102008033210A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
DE102019000150A1 (de) Kühlmedien-Verteilfeld einer Bipolarplatte
WO2023174482A1 (de) Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte
WO2022253384A1 (de) Bipolarplatte und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
WO2022214124A1 (de) Elektrochemisches system
DE102015211930A1 (de) Separatorplatte für eine Brennstoffzelle
DE102008033209A1 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE10347229A1 (de) Brennstoffzellenstapel
DE102018200842B4 (de) Brennstoffzellenplatte, Bipolarplatten und Brennstoffzellenaufbau
DE102018114006A1 (de) Bipolarplatte und Brennstoffzelle aufweisend eine Bipolarplatte
DE102022129159B3 (de) Bipolarplatte, Zellenstapel und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
DE202022104571U1 (de) Separatorplatte mit ineinander verschachtelten Einzelplatten
DE102022112931A1 (de) Bipolarplatte und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE102022203540A1 (de) Separatorplatte mit homogenisierter sickenkraft im portbereich
DE10331406A1 (de) Vorrichtung mit Mitteln zur Führung von Fluiden und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung
DE202021104475U1 (de) Separatorplatte
DE102021115559A1 (de) Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22711467

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22711467

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1