WO2024028093A1 - Bipolarplatte für eine elektrochemische einheit einer elektrochemischen vorrichtung und elektrochemische vorrichtung - Google Patents

Bipolarplatte für eine elektrochemische einheit einer elektrochemischen vorrichtung und elektrochemische vorrichtung Download PDF

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WO2024028093A1
WO2024028093A1 PCT/EP2023/069814 EP2023069814W WO2024028093A1 WO 2024028093 A1 WO2024028093 A1 WO 2024028093A1 EP 2023069814 W EP2023069814 W EP 2023069814W WO 2024028093 A1 WO2024028093 A1 WO 2024028093A1
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WO
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medium
bipolar plate
sealing bead
passage opening
flow
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/069814
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schaich
Joachim Scherer
Leander Hess
Simon Grünenwald
Original Assignee
Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh
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.)
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Publication date
Application filed by Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh filed Critical Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh
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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
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant

Definitions

  • Bipolar plate for an electrochemical unit of an electrochemical device and electrochemical device
  • the present invention relates to a bipolar plate for an electrochemical unit of an electrochemical device, which comprises a plurality of electrochemical units which follow one another along a stacking direction, the bipolar plate comprising the following: at least one medium passage opening, which forms part of a medium channel extends along the stacking direction through the electrochemical device; a sealing bead which extends around the medium passage opening; a plurality of medium inlets which are arranged on an inside of the sealing bead facing the medium passage opening and enable medium to flow into the interior of the sealing bead; and a plurality of medium outlets, which are arranged on an outside of the sealing bead facing away from the medium passage opening and enable medium to flow out of the interior of the sealing bead.
  • the medium inlets and the medium outlets, through which the interior of the sealing bead is in fluid communication with the medium passage opening or with the external space surrounding the sealing bead, are also referred to as gas ports.
  • medium inlets and medium outlets or gas ports are arranged on the flanks of the sealing bead and enable the respective medium to pass from the respective medium channel into a medium distribution area and from there into a medium flow field of the bipolar plate.
  • medium inlets and medium outlets or gas ports are arranged on the flanks of the sealing bead and enable the respective medium to pass from the respective medium channel into a medium distribution area and from there into a medium flow field of the bipolar plate.
  • the present invention is based on the object of creating a bipolar plate of the type mentioned at the outset, in which the pressure loss that occurs during the flow of the medium from the medium passage opening through the medium inlets, the interior of the sealing bead and the medium outlets is as possible as possible is low, with the medium preferably flowing out of the medium outlets as evenly as possible over a medium inlet area of a medium distribution area.
  • the flow-through cross sections of the medium inlets and the medium outlets are taken along a plane which is aligned parallel to the stacking direction and perpendicular to the average flow direction of the medium through the relevant medium inlet or medium outlet.
  • the solution according to the invention is based on the concept of overfilling the interior of the sealing bead with the relevant medium. Since the flow-through cross-section of the interior of the sealing bead itself is significantly larger than the flow-through cross-section of the medium inlets and medium outlets, the flow resistance within the sealing bead hardly contributes to the pressure drop in the medium as it flows from the medium passage opening to the outside of the sealing bead. By increasing the total cross-section of the medium inlets that can flow through, a maximum medium flow is achieved at the medium outlets on the outside of the sealing bead.
  • the average flow velocity when flowing through the medium inlets becomes lower, which reduces the pressure drop in the medium at the medium inlets and also reduces the overall pressure drop when the medium passes through from the medium passage opening to the outside of the sealing bead.
  • the total pressure drop is then essentially determined by the flow resistance of the medium outlets.
  • the total cross section of the medium inlets through which flow is at least 15%, particularly preferably at least 20%, larger than the entire cross section of the medium outlets through which flow can flow.
  • the flow-through cross-section of the medium inlets can be influenced by the choice of the number of medium inlets and by the choice of the size of the flow-through cross-sectional area of the medium inlets.
  • the entire cross-section of the medium outlets that can be flowed through can be influenced by the choice of the number of medium outlets and by the choice of the size of the cross-sectional area of the medium outlets that can be flowed through.
  • the number of medium inlets is greater than the number of medium outlets, each on the same sealing bead.
  • the average flow-through cross section of a medium inlet can, for example, be essentially the same size as the average flow-through cross section of a medium outlet.
  • the number of medium inlets is two or more larger than the number of medium outlets.
  • the medium inlets are preferably arranged offset from the medium outlets along the circumference of the sealing bead.
  • the bipolar plate comprises an electrochemically active region, which comprises an anode gas flow field through which an anode gas can flow, a cathode gas flow field through which a cathode gas can flow, and a coolant flow field through which a coolant can flow, wherein the bipolar plate comprises a medium distribution area, via which the medium passage opening is in fluid communication with the electrochemically active area of the bipolar plate.
  • Anode gas travels from the anode gas flow field of the electrochemically active region - possibly through a gas diffusion layer on the anode side - to an anode of a membrane-electrode arrangement. From the cathode gas flow field of the electrochemically active region, cathode gas passes - possibly through a gas diffusion layer on the cathode side - to a cathode of a membrane-electrode arrangement.
  • the area of the bipolar plate comprising the anode gas flow field and the cathode gas flow field is therefore referred to as its electrochemically active area, although no electrochemical reactions take place on the bipolar plate itself.
  • At least one medium outlet is arranged and aligned on the sealing bead in such a way that the medium flows out of the medium outlet directed towards a medium inlet area of the medium distribution area.
  • a plurality of medium outlets are arranged on a distribution area section of the sealing bead, which lies opposite a medium inlet area of the medium distribution area. It is particularly advantageous if all medium outlets of a sealing bead are arranged on the distribution area section of the sealing bead, which lies opposite the medium inlet area of the medium distribution area.
  • At least one medium inlet is preferably arranged outside the distribution area section of the sealing bead on the sealing bead.
  • At least two medium inlets in particular at least three medium inlets, particularly preferably at least four medium inlets, are arranged outside the distribution area section of the sealing bead on the sealing bead.
  • all medium outlets are arranged on a medium outlet section of the sealing bead, which begins at a first outer medium outlet and ends at a second outer medium outlet. All other medium outlets are then distributed along the circumference of the sealing bead between the first outer medium outlet and the second outer medium outlet.
  • At least two medium inlets are arranged outside the medium outlet section of the sealing bead on the sealing bead.
  • a longitudinal direction of the bipolar plate preferably runs parallel to a main flow direction of the medium through a medium flow field of the bipolar plate assigned to the medium. It is preferably at least a medium inlet is arranged and aligned on the sealing bead in such a way that the medium flows through the medium inlet into the interior of the sealing bead essentially perpendicular to the longitudinal direction of the bipolar plate.
  • the longitudinal direction of the bipolar plate is preferably aligned parallel to the long sides of a substantially rectangular bipolar plate - seen in a top view along the stacking direction.
  • the flow-through cross section of the sealing bead is preferably larger than the average flow-through cross section of a medium flow channel of a medium flow field of the bipolar plate assigned to the medium.
  • the medium passage opening for whose assigned sealing bead it applies that the total flow-through cross-section of the medium inlets is at least 10% larger than the total flow-through cross-section of the medium outlets, can be an anode gas passage opening, a cathode gas passage opening or a coolant passage opening Be bipolar plate.
  • the total flow-through cross-section of the medium inlets at the respective assigned sealing bead is at least 10% larger than the total flow-through area Cross section of the medium outlets.
  • an anode gas passage opening, a cathode gas passage opening and a coolant passage opening of the bipolar plate are all surrounded by a sealing bead on which medium inlets and medium outlets are arranged, the entire flow-through cross section of the medium inlets at each of these sealing beads is larger by at least 10%, in particular by at least 15%, particularly preferably by at least 20%, than the entire flow-through cross section of the medium outlets at the respective sealing bead.
  • the bipolar plate according to the invention is particularly suitable for use as a component of an electrochemical device which comprises several electrochemical units which follow one another along a stacking direction and each comprise a bipolar plate according to the invention.
  • Such an electrochemical device can be, for example, a fuel cell device or an electrolyzer.
  • the electrochemical device is designed as a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell device.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • Fig. 1 is a plan view of an end region of a bipolar plate for an electrochemical unit of an electrochemical device, which comprises a plurality of electrochemical units, which are longitudinal follow one another in a stacking direction, wherein the bipolar plate has a plurality of medium passage openings, each of which forms part of a medium channel which extends along the stacking direction through the electrochemical device, a sealing bead in each case, which extends around the medium passage opening, several in each case Medium inlets, which are arranged on an inside of the sealing bead facing the medium passage opening and enable medium to flow into the interior of the sealing bead, and each a plurality of medium outlets, which are arranged on an outside of the sealing bead facing away from the medium passage opening and enable medium to flow out of the interior of the sealing bead, wherein the total flow-through cross-section of the medium inlets on a sealing bead is at least 10% larger than the total flow-through cross-section of the medium outlets on the same sealing bead, with the viewing direction towards
  • Fig. 2 is a top view of the end region of the bipolar plate from Fig. 1, looking towards the anode side of the bipolar plate;
  • FIGS. 1 and 2 shows a plan view of the inside of the end region of an anode-side bipolar plate layer of the bipolar plate from FIGS. 1 and 2;
  • Identical or functionally equivalent elements are designated with the same reference numerals in all figures. 1 to 4, designated as a whole by 100, forms a component of an electrochemical unit 102 (not shown as a whole), which, in addition to the bipolar plate 100, can include a membrane-electrode arrangement, gas diffusion layers and a sealing arrangement.
  • a plurality of such electrochemical units 102 follow one another along a stacking direction 104 to form a stack of electrochemical units 102, which is a component of an electrochemical device 106, for example a fuel cell device.
  • the bipolar plate 100 has a substantially rectangular shape, with long sides 107 of the bipolar plate 100 extending along a longitudinal direction 108 and short sides 109 of the bipolar plate 100 extending along a transverse direction 110 of the bipolar plate 100.
  • the longitudinal direction 108 and the transverse direction 110 are preferably aligned perpendicular to each other and perpendicular to the stacking direction 104.
  • the longitudinal direction 108 is also referred to as the x direction
  • the transverse direction 110 is referred to as the y direction
  • the stacking direction 104 is referred to as the z direction.
  • the x-direction, the y-direction and the z-direction form a rectangular coordinate system.
  • the bipolar plate 100 has two end regions 112 and an electrochemically active region 114 located between the end regions 112.
  • the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100 comprises an anode gas flow field 116 through which an anode gas can flow, a cathode gas flow field 118 through which a cathode gas can flow, and a coolant flow field 120 through which a coolant can flow.
  • the bipolar plate 100 is designed in two layers and comprises an anode-side bipolar plate layer 122, on which the anode gas flow field 116 is formed, and a cathode-side bipolar plate layer 124, on which the cathode gas flow field 118 is formed.
  • the bipolar plate layers 122 and 124 consist of a material that has good electrical conductivity, preferably a metallic material.
  • the bipolar plate layers 122 and 124 are materially connected to one another along joining lines (not shown in the drawing), preferably welded, in particular by laser welding.
  • the anode flow field 116 of the bipolar plate 100 is in fluid communication with an anode-side electrode of a membrane-electrode arrangement - possibly via an anode-side gas diffusion layer.
  • the cathode flow field 118 of the bipolar plate 100 is in fluid communication with a cathode-side electrode of a membrane-electrode arrangement - possibly via a cathode-side gas diffusion layer.
  • Anode gas and cathode gas can thus reach the electrochemically active areas of a membrane-electrode arrangement from the electrochemically active area 114 of the bipolar plate 100. Therefore, with the anode gas flow field 116 and the cathode gas flow field 118 provided area of the bipolar plate 100 is referred to as its electrochemically active area 114, although no electrochemical reactions take place on the bipolar plate 100 itself.
  • the anode gas flow field 116 includes anode gas flow channels 126, the main flow direction of which is aligned parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • the cathode gas flow field 118 includes cathode gas flow channels 128, the main flow direction of which extends parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • the bipolar plate 100 has a plurality of medium passage openings 130, through which a fluid medium (an anode gas (fuel gas, for example hydrogen), a cathode gas (oxidizing agent, for example oxygen or air) or a coolant (for example water)) can pass through the bipolar plate 100.
  • a fluid medium an anode gas (fuel gas, for example hydrogen), a cathode gas (oxidizing agent, for example oxygen or air) or a coolant (for example water)
  • the medium passage openings 130 of the bipolar plates 100 successive in the stack of electrochemical units 102 and the spaces between the medium passage openings 130 in the stacking direction 104 together each form a medium channel 132.
  • the fluid media pass through the anode gas flow field 116, the cathode gas flow field 118 and the coolant flow field 120 in the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100 from one end region 112 to the other end region 112.
  • An anode gas passage opening 134, a cathode gas passage opening 136 and a coolant passage opening 138 are arranged in the first end region 112a of the bipolar plate 100 shown in FIGS. 1 to 4.
  • each of these passage openings 134, 136 and 138 can serve either to supply the relevant medium to the electrochemical device 106 or to remove the relevant medium from the electrochemical device 106.
  • each of the three media anode gas, cathode gas and coolant can flow through the electrochemically active region 114 parallel to the other media or with the opposite main flow direction with respect to the main flow directions of one or two of the other media.
  • all passage openings 134, 136 and 138 arranged in the first end region 112a of the bipolar plate 100 supply the respective medium to the electrochemical device 106 and the passage openings 134, 136 and arranged in the second end region 112 of the bipolar plate 100 138 serve to remove the respective medium from the electrochemical device 106.
  • each of these passage openings is provided with a sealing bead 140.
  • the anode gas passage opening 134 is surrounded by an anode gas sealing bead 142.
  • the anode gas sealing bead 142 is provided on its inside facing the anode gas passage opening 134 with several anode gas inlets 144, through which anode gas from the anode gas passage opening 134 into the Interior of the anode gas sealing bead 142 can flow in (see Fig. 2).
  • the anode gas inlets 144 each open at an edge 146 of the anode gas passage opening 134.
  • the anode gas inlets 144 each open at a rectilinear edge section 148, 150 or 152 of the anode gas passage opening 134.
  • the rectilinear edge section 148 runs obliquely to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and obliquely to the transverse direction 110 (y direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • anode gas inlets through which the anode gas flows into the interior of the anode gas sealing bead 142, preferably perpendicular to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • the rectilinear edge section 150 preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the coolant passage opening 138.
  • One or more anode gas inlets 144 open at the edge section 150, in the exemplary embodiment shown two anode gas inlets 144.
  • the rectilinear edge section 152 preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and is preferably facing away from the coolant passage opening 138.
  • One or more anode gas inlets 144 in the exemplary embodiment shown, preferably open at the edge section 152, two anode gas inlets 144, through which the anode gas preferably flows into the interior of the anode gas sealing bead 142 perpendicular to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • edge 146 of the anode gas passage opening 134 comprises a rectilinear edge section 153, which is preferably aligned obliquely to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and obliquely to the transverse direction 110 (y direction) of the bipolar plate 100 and preferably to the electrochemically active Area 114 of the bipolar plate 100 faces away.
  • no anode gas inlet 144 opens at the edge section 153.
  • edge sections 148, 150, 152 and 153 form a polygonal edge 146 of the anode gas passage opening 134.
  • the edge 146 of the anode gas passage opening 134 is square; However, the polygonal edge 146 of the anode gas passage opening 134 can also have more or fewer than four corners.
  • the corners of the anode gas passage opening 134 are preferably rounded in order to avoid tearing of the bipolar plate layers 122 and 124 in the area of these corners.
  • the anode gas sealing bead 142 is provided with several anode gas outlets 154 on its outside facing away from the anode gas passage opening 134.
  • the anode gas outlets 154 are preferably arranged on a section 156 of the anode gas sealing bead 142, which faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the section 156 of the anode gas sealing bead 142 preferably runs essentially parallel to the rectilinear edge section 148 of the edge 146 of the anode gas passage opening 134 and essentially parallel to the rounded corner regions 157a and 157b of the edge 146, which connect the rectilinear edge section 148 with the edge section 150 or connect to the edge section 152.
  • anode gas outlets 154 are preferably arranged on section 156.
  • the anode gas inlets 144 which are arranged on the same section 156 of the anode gas sealing bead 142, are preferably offset along the circumferential direction of the anode gas sealing bead 142 relative to the anode gas outlets 154.
  • the anode gas sealing bead 142 includes further sections 158a, 158b and 160, which are each essentially parallel to the straight-line edge sections 150 and 152 running parallel to the longitudinal direction 108 of the bipolar plate 100 or substantially parallel to the straight-line edge section facing away from the electrochemically active region 114 153 of the edge 146 of the anode gas passage opening 134 are aligned.
  • the anode gas flows out through the anode gas outlets 154 on the section 156 of the anode gas sealing bead 142 into an anode gas distribution area 170, which serves to distribute the anode gas as evenly as possible to the anode gas flow channels 126 of the anode gas flow field 116.
  • the anode gas distribution area 170 each comprises a plurality of directional distribution structures 172 and a plurality of non-directional distribution structures 174, which serve to deflect the anode gas from its original flow direction.
  • the directed distributor structures 172 are designed, for example, as essentially linearly extending distributor webs 176.
  • the non-directional distributor structures 174 are designed, for example, as essentially cup-shaped distributor knobs 178.
  • the distributor structures 172 and 174 are preferably formed in one piece with the material of the bipolar plate layers 122 or 124 and are inserted into the respective bipolar plate layer 122 or 124 by a forming process, for example by an embossing process or a Deep drawing process introduced.
  • the cathode gas passage opening 136 is surrounded by a cathode gas sealing bead 162.
  • the coolant passage opening 138 is surrounded by a coolant sealing bead 164.
  • a ring-shaped closed edge bead 182 runs around near the outer edge 180 of the bipolar plate 100.
  • the edge bead 182 encloses the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100, the anode gas passage openings 134 and the anode gas sealing beads 142 in both end regions 112, the cathode gas passage openings 136 and the cathode gas sealing beads 162 in both end regions 112 and the coolant Passage openings 138 and the coolant sealing beads 164 in both end regions 112 of the bipolar plate 100.
  • the edge bead 182 serves to prevent the media to be supplied to the electrochemical device 106, in particular the anode gas, the cathode gas and the coolant, from escaping from the electrochemical units 102 into the outer space 184 of the electrochemical device 106.
  • the cathode gas sealing bead 162 is provided with a plurality of cathode gas inlets 194 on its inside facing the cathode gas passage opening 136 (see in particular FIG. 1).
  • Cathode gas passes through the cathode gas inlets 194 from the cathode gas passage opening 136 into the interior of the cathode gas sealing bead 162.
  • the cathode gas inlets 194 preferably open at straight edge sections 196, 202 and 204 of the edge 198 of the cathode gas passage opening 136.
  • the rectilinear edge section 196 preferably runs obliquely to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and obliquely to the transverse direction 110 (y direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the rectilinear edge section 202 preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the coolant passage opening 138.
  • One or more cathode gas inlets 194 in the exemplary embodiment shown, preferably open at the edge section 202, two cathode gas inlets 194, through which the cathode gas preferably flows into the interior of the cathode gas sealing bead 162 perpendicular to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • the rectilinear edge section 204 preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the edge bead 182.
  • One or more cathode gas inlets 194 in the exemplary embodiment shown, preferably open at the edge section 204, two cathode gas inlets 194, through which the cathode gas preferably flows into the interior of the cathode gas sealing bead 162 perpendicular to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100.
  • the edge 198 of the cathode gas passage opening 136 can comprise a rectilinear edge section 206 which runs essentially parallel to the transverse direction 110 (y direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces away from the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the edge sections 196, 202, 204 and 206 form a polygonal edge 198 of the cathode gas passage opening 136.
  • the edge 198 of the cathode gas passage opening 136 is square.
  • the number of corners of the polygonal edge 198 can also be smaller or larger than four.
  • cathode gas outlets 214 are arranged on the outside of a section 200 of the cathode gas sealing bead 162, which is essentially parallel to the rectilinear edge section 196 of the edge 198 of the cathode gas passage opening 136 and runs substantially parallel to the rounded corner regions 201a and 201b of the edge 198, which connect the rectilinear edge section 196 with the edge section 202 and with the edge section 204, respectively.
  • the cathode gas sealing bead 162 includes further sections 208, 210 and 212, which are each essentially parallel to the straight edge sections 202 and 204 that run parallel to the longitudinal direction 108 of the bipolar plate 100 or substantially parallel to the straight edge section facing away from the electrochemically active region 114 206 of the edge 198 of the cathode gas passage opening 136 are aligned.
  • the cathode gas outlets 214 are preferably all arranged on the section 200 of the cathode gas sealing bead 162, which faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the cathode gas inlets 194, which are arranged on the same section 200 of the cathode gas sealing bead 162, are arranged offset along the circumferential direction of the cathode gas sealing bead 162 relative to the cathode gas outlets 214.
  • cathode gas outlets 214 are provided on the cathode gas sealing bead 162.
  • the cathode gas flows through the cathode gas outlets 214 into a cathode gas distribution region 216 of the bipolar plate 100, which serves to distribute the cathode gas as evenly as possible to the cathode gas flow channels 128 of the cathode gas flow field 118.
  • the cathode gas distribution area includes distribution structures 218, which are designed as directional distribution structures 220 or as non-directional distribution structures 221.
  • the directed distributor structures 220 are preferably designed as linearly extending distributor webs 222.
  • the non-directional distributor structures 221 are designed, for example, as essentially cup-shaped distributor knobs 223.
  • the coolant sealing bead 164 is provided with a plurality of coolant inlets 224 on its inside facing the coolant passage opening 138 (see in particular FIG. 1).
  • the coolant passes through the coolant inlets 224 from the coolant passage opening 138 into the interior of the coolant sealing bead 164.
  • the coolant inlets 224 preferably open at straight edge sections 226, 232a and 232b of the edge 228 of the coolant passage opening 138.
  • the rectilinear edge section 226 preferably runs essentially parallel to the transverse direction 110 (y-direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the rectilinear edge section 232a preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the anode gas passage opening 134.
  • the rectilinear edge section 232b preferably runs essentially parallel to the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces the cathode gas passage opening 136.
  • the edge 228 of the coolant passage opening 138 can comprise a rectilinear edge section 234 which runs essentially parallel to the transverse direction 110 (y-direction) of the bipolar plate 100 and preferably faces away from the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • no coolant inlet 224 opens at the edge section 234.
  • the edge sections 226, 232a, 232b and 234 together form a polygonal edge 228 of the coolant passage opening 138, which is square in the embodiment shown in the drawing.
  • the number of corners of the polygonal edge 228 of the coolant passage opening 138 can also be larger or smaller than four.
  • coolant outlets 225 are arranged on a section 230 of the coolant sealing bead 164, which is essentially parallel to the rectilinear edge section 226 of the edge 228 of the coolant passage opening 138 and in Essentially parallel to the rounded corner regions 231a and 231b of the edge 228, which connect the straight edge section 226 with the edge section 232a and with the edge section 232b, respectively.
  • the section 200 of the coolant sealing bead 164 preferably faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100.
  • the coolant inlets 224 which are arranged on the same section 230 of the coolant sealing bead 164, are arranged offset along the circumferential direction of the coolant sealing bead 164 relative to the coolant outlets 225.
  • the coolant sealing bead 164 preferably includes further sections 238a, 238b and 240, which are each aligned essentially parallel to the edge sections 232a, 232b and 234 of the edge 228 of the coolant passage opening 138.
  • the coolant flows through the coolant outlets 225 into a coolant distribution area 242 of the bipolar plate 100, which serves to distribute the coolant as evenly as possible across the coolant flow channels of the coolant flow field.
  • the anode-side bipolar plate layer 122 and the cathode-side bipolar plate layer 124 are offset in opposite directions along the stacking direction 104 relative to a longitudinal center plane of the bipolar plate 100 that is oriented perpendicular to the stacking direction 104, so that the flow of the coolant through the coolant distribution area 242 a large flow-through cross-section is available.
  • the bipolar plate 100 is preferably designed to be rotationally symmetrical with respect to a rotation of 180° about an axis of rotation running through the center of the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100 and parallel to the stacking direction 104 (z direction).
  • the medium passage openings 130 arranged in the second end region 112, in particular the anode gas passage opening 134 arranged there, the cathode gas passage opening 136 arranged there and the coolant passage opening 138 arranged there, are therefore preferably in Essentially constructed and arranged in the same way as the anode gas passage opening 134, the cathode gas passage opening 136 and the coolant passage opening 138 in the first end region 112a, which have been described above.
  • the anode gas inlets 144 form medium inlets 272 on the anode gas sealing bead 142.
  • the anode gas outlets 154 form medium outlets 274 on the anode gas sealing bead 142.
  • the cathode gas inlets 194 form medium inlets 272 on the cathode gas sealing bead 162.
  • the cathode gas outlets 214 form medium outlets 274 on the cathode gas sealing bead 162.
  • the coolant inlets 224 form medium inlets 272 on the coolant sealing bead 164.
  • the coolant outlets 225 form medium outlets 274 on the coolant sealing bead 164.
  • the aim of the bipolar plate 100 shown in FIGS. 1 to 4 and described above is to reduce the pressure drop in the media to be supplied to the electrochemical device 106 as it passes through the respectively assigned sealing beads 140.
  • the entire flow-through cross section of the respective medium inlets 272 at the relevant sealing bead 140 is at least 10%, in particular at least 15%, particularly preferably at least 20%, larger than the entire flow-through cross section of the medium outlets 274 at the same sealing bead 140.
  • the flow-through cross section of a medium inlet 272 on a sealing bead 140 is essentially the same size as the flow-through cross section of a medium outlet 274 on the same sealing bead 140, but the number of Medium inlets 272 on the sealing bead 140 is larger than the number of medium outlets 274.
  • the number of medium inlets 272 is two or more larger than the number of medium outlets 274.
  • anode gas inlets 144 on which the anode gas intake 134 faces are arranged on the anode gas in the anode gas.
  • six anode gas outlets 154 are arranged.
  • cathode gas inlets 194 are arranged on the inside of the cathode gas sealing bead 162 facing the cathode gas passage opening 136, while eight are arranged on the outside of the cathode gas sealing bead 162 facing away from the cathode gas passage opening 136
  • Cathode gas outlets 214 are arranged.
  • coolant inlets 224 are arranged on the inside of the coolant sealing bead 164 facing the coolant passage opening 138, while seven coolant outlets 225 are arranged on the outside of the coolant sealing bead 164 facing away from the coolant passage opening 138 . This significantly reduces the pressure drop in the coolant when the coolant flows from the coolant passage opening 138 through the coolant sealing bead 164 into the coolant distribution area 242.
  • the anode gas distribution area 170 forms a medium distribution area 276 for the anode gas.
  • the cathode gas distribution area 216 forms a medium distribution area 276 for the cathode gas.
  • the coolant distribution area 242 forms a medium distribution area 276 for the coolant.
  • Each of the medium distribution areas 276 includes a medium inlet area 278 through which the respective medium enters the respective medium distribution area 276.
  • That section of a sealing bead 140 which faces the electrochemically active region 114 of the bipolar plate 100 forms a distribution area section 280 of the respective sealing bead 140.
  • the anode gas flow field 116 forms a medium flow field 282 for the anode gas.
  • the cathode gas flow field 118 forms a medium flow field 282 for the cathode gas.
  • the coolant flow field 120 forms a medium flow field 282 for the coolant.
  • Each of the medium flow fields 282 of the bipolar plate 100 includes medium flow channels 284 which extend along a main flow direction of the medium through the relevant medium flow field 282.
  • Each of the medium outlets 274 is preferably arranged and aligned on the respective sealing bead 140 in such a way that the medium flowing through the medium outlet 274 flows out of the medium outlet 274 directed towards a medium inlet area 278 of the respectively assigned medium distribution area 276.
  • All medium outlets 274 are preferably arranged on the distribution area section 280 of the respective sealing bead 140, which lies opposite the medium inlet area 278 of the respectively assigned medium distribution area 276.
  • At least one medium inlet 272 is preferably arranged outside the distribution area section 280 of the respective sealing bead 140 on the relevant sealing bead 140.
  • At least two, in particular at least three, particularly preferably at least four, medium inlets 272 are arranged outside the distribution area section 280 of the respective sealing bead 140 on the relevant sealing bead 140.
  • a medium outlet section 286 of the respective sealing bead 140 is defined in that it begins at a first outer medium outlet 274a and ends at a second outer medium outlet 274b.
  • each sealing bead 140 It is preferably provided for each sealing bead 140 that at least one medium inlet 272 is arranged outside the medium outlet section 286 of the respective sealing bead 140 on the relevant sealing bead 140.
  • the longitudinal direction 108 (x direction) of the bipolar plate 100 runs parallel to a main flow direction of the media through the medium flow fields 282 assigned to the media.
  • each sealing bead 140 at least one medium inlet 272 is arranged and aligned on the respective sealing bead 140 in such a way that the medium is essentially perpendicular to the longitudinal direction 108, i.e. essentially parallel to the transverse direction 110, of the bipolar plate 100 through the relevant medium inlet 272 into the Interior of the respective sealing bead 140 flows in.
  • no medium inlet 272 is arranged on a curved section of the edge of the respective medium passage opening 130.
  • the flow-through cross section of the respective sealing bead 140 is preferably larger than the average flow-through cross section of a medium flow channel 284 of the medium flow field 282 of the bipolar plate 100 assigned to the respective medium.

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Abstract

Um eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte Folgendes umfasst: - mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung, welche einen Bestandteil eines Mediumkanals bildet, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt; - eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung herum erstreckt; - mehrere Mediumeinlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen; und - mehrere Mediumauslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, zu schaffen, bei welcher der bei der Strömung des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung durch die Mediumeinlässe, den Innenraum der Abdichtsicke und die Mediumauslässe auftretende Druckverlust möglichst gering ist und wobei vorzugsweise das Medium möglichst gleichmäßig über einen Medium-Einlassbereich eines Medium-Verteilbereichs verteilt aus den Mediumauslässen ausströmt, wird vorgeschlagen, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.

Description

Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung und elektrochemische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte Folgendes umfasst: mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung, welche einen Bestandteil eines Medium-Kanals bildet, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt; eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung herum erstreckt; mehrere Mediumeinlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen; und mehrere Mediumauslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen.
Die Mediumeinlässe und die Mediumauslässe, durch welche der Innenraum der Abdichtsicke mit der Medium-Durchtrittsöffnung beziehungsweise mit dem die Abdichtsicke umgebenden Außenraum in Fluidverbindung steht, werden auch als Gaspforten bezeichnet.
Diese Mediumeinlässe und Mediumauslässe oder Gaspforten sind an den Flanken der Abdichtsicke angeordnet und ermöglichen den Durchtritt des jeweiligen Mediums vom jeweiligen Medium-Kanal in einen Medium-Verteilbereich und von dort in ein Medium-Strömungsfeld der Bipolarplatte. Bei bekannten Bipolarplatten der vorstehend genannten Art sind gleich viele Mediumeinlässe wie Mediumauslässe vorhanden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der bei der Strömung des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung durch die Mediumeinlässe, den Innenraum der Abdichtsicke und die Mediumauslässe auftretende Druckverlust möglichst gering ist, wobei vorzugsweise das Medium möglichst gleichmäßig über einen Medium-Einlassbereich eines Medium-Verteilbereichs verteilt aus den Mediumauslässen ausströmt.
Diese Aufgabe wird bei einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.
Die durchströmbaren Querschnitte der Mediumeinlässe und der Mediumauslässe werden dabei längs einer Ebene genommen, welche parallel zur Stapelrichtung und senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung des Mediums durch den betreffenden Mediumeinlass oder Mediumauslass ausgerichtet ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, den Innenraum der Abdichtsicke mit dem betreffenden Medium zu überfüllen. Da der durchströmbare Querschnitt des Innenraums der Abdichtsicke selbst deutlich größer ist als der durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe und der Mediumauslässe, trägt der Strömungswiderstand innerhalb der Abdichtsicke kaum zum Druckabfall im Medium bei dessen Strömung von der Medium- Durchtrittsöffnung auf die Außenseite der Abdichtsicke bei. Durch die Vergrößerung des gesamten durchströmbaren Querschnitts der Mediumeinlässe wird ein maximaler Mediumstrom an den Mediumauslässen an der Außenseite der Abdichtsicke erreicht. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit beim Durchströmen der Mediumeinlässe wird geringer, was den Druckabfall im Medium an den Mediumeinlässen reduziert und auch den gesamten Druckabfall beim Durchtritt des Mediums von der Medium-Durchtrittsöffnung bis zur Außenseite der Abdichtsicke verringert. Der gesamte Druckabfall wird dann im Wesentlichen durch den Strömungswiderstand der Mediumauslässe bestimmt.
Besonders günstig ist es, wenn der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe.
Grundsätzlich kann der durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe durch die Wahl der Anzahl der Mediumeinlässe und durch die Wahl der Größe der durchströmbaren Querschnittsfläche der Mediumeinlässe beeinflusst werden.
Ebenso kann der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe durch die Wahl der Anzahl der Mediumauslässe und durch die Wahl der Größe der durchströmbaren Querschnittsfläche der Mediumauslässe beeinflusst werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Mediumeinlässe größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe, jeweils an derselben Abdichtsicke.
In diesem Fall kann der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Mediumeinlasses beispielsweise im Wesentlichen gleich groß sein wie der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Mediumauslasses.
Besonders günstig ist es, wenn die Anzahl der Mediumeinlässe um zwei oder mehr größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe. Die Mediumeinlässe sind vorzugsweise längs des Umfangs der Abdichtsicke versetzt zu den Mediumauslässen angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte einen elektrochemisch aktiven Bereich umfasst, weicher ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld, ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld umfasst, wobei die Bipolarplatte einen Medium-Verteilbereich umfasst, über weichen die Medium- Durchtrittsöffnung in Fluidverbindung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich der Bipolarplatte steht.
Aus dem Anodengas-Strömungsfeld des elektrochemisch aktiven Bereichs gelangt Anodengas - gegebenenfalls durch eine anodenseitige Gasdiffusionslage hindurch - zu einer Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung. Aus dem Kathodengas-Strömungsfeld des elektrochemisch aktiven Bereichs gelangt Kathodengas - gegebenenfalls durch eine kathodenseitige Gasdiffusionslage hindurch - zu einer Kathode einer Membran-Elektroden-Anordnung. Der das Anodengas-Strömungsfeld und das Kathodengas-Strömungsfeld umfassende Bereich der Bipolarplatte wird daher als deren elektrochemisch aktiver Bereich bezeichnet, obwohl an der Bipolarplatte selbst keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
Vorzugsweise ist mindestens ein Mediumauslass so an der Abdichtsicke angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium auf einen Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gerichtet aus dem Mediumauslass ausströmt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mehrere Mediumauslässe an einem Verteilbereichsabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher einem Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gegenüberliegt. Besonders günstig ist es, wenn alle Mediumauslässe einer Abdichtsicke an dem Verteilbereichsabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher dem Medium-Einlassbereich des Medium-Verteilbereichs gegenüberliegt.
Ferner ist vorzugsweise mindestens ein Mediumeinlass außerhalb des Verteilbereichsabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens zwei Mediumeinlässe, insbesondere mindestens drei Mediumeinlässe, besonders bevorzugt mindestens vier Mediumeinlässe, außerhalb des Verteilbereichsabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Mediumauslässe an einem Medium-Auslassabschnitt der Abdichtsicke angeordnet sind, welcher an einem ersten äußeren Mediumauslass beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass endet. Alle anderen Mediumauslässe liegen dann, längs des Umfangs der Abdichtsicke verteilt, zwischen dem ersten äußeren Mediumauslass und dem zweiten äußeren Mediumauslass.
In diesem Fall ist es günstig, wenn mindestens ein Mediumeinlass außerhalb des Medium-Auslassabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet ist.
Vorzugsweise sind mindestens zwei Mediumeinlässe, insbesondere mindestens drei Mediumeinlässe, besonders bevorzugt mindestens vier Mediumeinlässe, außerhalb des Medium-Auslassabschnitts der Abdichtsicke an der Abdichtsicke angeordnet.
Eine Längsrichtung der Bipolarplatte verläuft vorzugsweise parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld der Bipolarplatte. Dabei ist vorzugsweise mindestens ein Mediumeinlass so an der Abdichtsicke angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Bipolarplatte durch den Mediumeinlass in den Innenraum der Abdichtsicke einströmt.
Die Längsrichtung der Bipolarplatte ist vorzugsweise parallel zu den langen Seiten einer - in einer Draufsicht längs der Stapelrichtung gesehen - im Wesentlichen rechteckigen Bipolarplatte ausgerichtet.
Um die mechanische Stabilität und die Federeigenschaften der Abdichtsicke in den gekrümmten Abschnitten der Abdichtsicke nicht negativ zu beeinflussen, ist es günstig, wenn kein Mediumeinlass an einem gekrümmten Abschnitt eines Randes der Medium-Durchtrittsöffnung angeordnet ist.
Dadurch wird eine homogene Verpressung der Abdichtsicke erzielt.
Der durchströmbare Querschnitt der Abdichtsicke ist vorzugsweise größer als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals eines dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds der Bipolarplatte.
Die Medium-Durchtrittsöffnung, für deren zugeordnete Abdichtsicke gilt, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe, kann eine Anodengas-Durchtrittsöffnung, eine Kathodengas-Durchtritts- öffnung oder eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung der Bipolarplatte sein.
Besonders günstig ist es, wenn für alle Abdichtsicken an der Anodengas- Durchtrittsöffnung, an der Kathodengas-Durchtrittsöffnung und an der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung gilt, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe an der jeweils zugeordneten Abdichtsicke um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass eine Anodengas-Durchtrittsöffnung, eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung der Bipolarplatte alle von jeweils einer Abdichtsicke umgeben sind, an welcher Mediumeinlässe und Mediumauslässe angeordnet sind, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe an jeder dieser Abdichtsicken um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe an der jeweiligen Abdichtsicke.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung als Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen und jeweils eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfassen, umfasst.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Vorrichtung als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)- Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Endbereich einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen, welche jeweils einen Bestandteil eines Medium-Kanals bilden, der sich längs der Stapelrichtung durch die elektrochemische Vorrichtung erstreckt, jeweils eine Abdichtsicke, welche sich um die Medium- Durchtrittsöffnung herum erstreckt, jeweils mehrere Medium- Einlässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung zugewandten Innenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, und jeweils mehrere Medium-Auslässe, die an einer der Medium-Durchtrittsöffnung abgewandten Außenseite der Abdichtsicke angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke ermöglichen, umfasst, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der Medium- Einlässe an einer Abdichtsicke um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Medium-Auslässe an derselben Abdichtsicke, mit der Blickrichtung auf die Kathodenseite der Bipolarplatte;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Endbereich der Bipolarplatte aus Fig. 1, mit der Blickrichtung auf die Anodenseite der Bipolarplatte;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Innenseite des Endbereichs einer anodenseitigen Bipolarplattenlage der Bipolarplatte aus den Fig. 1 und 2; und
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Innenseite des Endbereichs einer kathodenseitigen Bipolarplattenlage der Bipolarplatte aus den Fig. 1 und 2.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine in den Fig. 1 bis 4 ausschnittsweise dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Bipolarplatte bildet einen Bestandteil einer (nicht als Ganzes dargestellten) elektrochemischen Einheit 102, welche außer der Bipolarplatte 100 eine Membran-Elektroden-Anordnung, Gasdiffusionslagen und eine Dichtungsanordnung umfassen kann.
Mehrere solcher elektrochemischer Einheiten 102 folgen längs einer Stapelrichtung 104 aufeinander, um einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 zu bilden, welcher ein Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung 106, beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung, ist.
Die Bipolarplatte 100 weist eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf, wobei sich lange Seiten 107 der Bipolarplatte 100 längs einer Längsrichtung 108 und kurze Seiten 109 der Bipolarplatte 100 längs einer Querrichtung 110 der Bipolarplatte 100 erstrecken.
Die Längsrichtung 108 und die Querrichtung 110 sind vorzugsweise senkrecht zueinander und senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtet.
Die Längsrichtung 108 wird auch als die x-Richtung bezeichnet, die Querrichtung 110 wird als die y-Richtung bezeichnet, und die Stapelrichtung 104 wird als die z-Richtung bezeichnet.
Die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung spannen ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf.
Die Bipolarplatte 100 weist zwei Endbereiche 112 und einen zwischen den Endbereichen 112 liegenden elektrochemisch aktiven Bereich 114 auf. Der elektrochemisch aktive Bereich 114 der Bipolarplatte 100 umfasst ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld 116, ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld 118 und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld 120.
Die Bipolarplatte 100 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zweilagig ausgebildet und umfasst eine anodenseitige Bipolarplattenlage 122, an welcher das Anodengas-Strömungsfeld 116 ausgebildet ist, und eine kathodenseitige Bipolarplattenlage 124, an welcher das Kathodengas-Strömungsfeld 118 ausgebildet ist.
Die Bipolarplattenlagen 122 und 124 bestehen aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, vorzugsweise aus einem metallischen Material.
Die Bipolarplattenlagen 122 und 124 sind längs (zeichnerisch nicht dargestellter) Fügelinien stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, insbesondere durch Laserschweißung.
Das Anoden-Strömungsfeld 116 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine anodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer anodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Das Kathoden-Strömungsfeld 118 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine kathodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer kathodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Somit können Anodengas und Kathodengas aus dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zu den elektrochemisch aktiven Bereichen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung gelangen. Deshalb wird der mit dem Anodengas-Strömungsfeld 116 und dem Kathodengas-Strömungsfeld 118 versehene Bereich der Bipolarplatte 100 als deren elektrochemisch aktiver Bereich 114 bezeichnet, obwohl an der Bipolarplatte 100 selbst keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
Das Anodengas-Strömungsfeld 116 umfasst Anodengas-Strömungskanäle 126, deren Hauptströmungsrichtung parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet ist.
Das Kathodengas-Strömungsfeld 118 umfasst Kathodengas-Strömungskanäle 128, deren Hauptströmungsrichtung sich parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 erstreckt.
In ihren Endbereichen 112, von denen in den Fig. 1 bis 4 ein erster Endbereich 112a dargestellt ist, weist die Bipolarplatte 100 jeweils mehrere Medium- Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführendes fluides Medium (ein Anodengas (Brenngas, beispielsweise Wasserstoff), ein Kathodengas (Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft) oder ein Kühlmittel (beispielsweise Wasser)) durch die Bipolarplatte 100 hindurchtreten kann. Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 100 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium- Durchtrittsöffnungen 130 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 132.
Jedem der Mediumkanäle 132 in einem der Endbereiche 112 der Bipolarplatte 100, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils ein anderer Mediumkanal 132 in dem jeweils gegenüberliegenden Endbereich 112 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 abführbar ist. Dabei gelangen die fluiden Medien durch das Anodengas-Strömungsfeld 116, das Kathodengas-Strömungsfeld 118 bzw. das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 im elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 von dem einen Endbereich 112 zu dem anderen Endbereich 112.
In dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 sind eine Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, eine Kathodengas- Durchtrittsöffnung 136 und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 angeordnet.
Dabei kann jede dieser Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 grundsätzlich wahlweise der Zufuhr des betreffenden Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 oder der Abfuhr des betreffenden Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Grundsätzlich kann jedes der drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmittel den elektrochemisch aktiven Bereich 114 parallel zu den jeweils anderen Medien oder mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtungen von einem oder zwei der anderen Medien durchströmen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle im ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Zufuhr des jeweiligen Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 und die im zweiten Endbereich 112 der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Abfuhr des jeweiligen Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Um ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den jeweils zugeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 zu verhindern, ist jede dieser Durchtrittsöffnungen mit jeweils einer Abdichtsicke 140 versehen. Die Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 ist von einer Anodengas-Abdichtsicke 142 umgeben.
Um das Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 dem Anodengas-Strömungsfeld 136 zuführen zu können, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandten Innenseite mit mehreren Anodengaseinlässen 144 versehen, durch welche Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 in den Innenraum der Anodengas- Abdichtsicke 142 einströmen kann (siehe Fig. 2).
Die Anodengaseinlässe 144 münden jeweils an einem Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodengaseinlässe 144 jeweils an einem geradlinigen Randabschnitt 148, 150 oder 152 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 münden.
Der geradlinige Randabschnitt 148 verläuft schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y- Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt.
An dem Randabschnitt 148 sind mehrere, vorzugsweise mindestens drei, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, Anodengaseinlässe, angeordnet, durch welche das Anodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x- Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 150 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandt. An dem Randabschnitt 150 münden ein oder mehrere Anodengaseinlässe 144, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Anodengaseinlässe 144.
Der geradlinige Randabschnitt 152 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 abgewandt.
An dem Randabschnitt 152 münden vorzugsweise ein oder mehrere Anodengaseinlässe 144, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Anodengaseinlässe 144, durch welche das Anodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Anodengas- Abdichtsicke 142 einströmt.
Ferner umfasst der Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 einen geradlinigen Randabschnitt 153, welcher vorzugsweise schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet und vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandt ist.
An dem Randabschnitt 153 mündet vorzugsweise kein Anodengaseinlass 144.
Zusammen bilden die Randabschnitte 148, 150, 152 und 153 einen polygonalen Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 viereckig ausgebildet; der polygonale Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 kann aber auch mehr oder weniger als vier Ecken aufweisen.
Die Ecken der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 sind vorzugsweise gerundet ausgebildet, um ein Einreißen der Bipolarplattenlagen 122 und 124 im Bereich dieser Ecken zu vermeiden. Um ein Austreten des Anodengases aus dem Innenraum der Anodengas-Ab- dichtsicke 142 zu ermöglichen, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 abgewandten Außenseite mit mehreren Anodengasauslässen 154 versehen.
Die Anodengasauslässe 154 sind vorzugsweise an einem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist.
Der Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 148 des Randes 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 157a und 157b des Randes 146, welche den geradlinigen Randabschnitt 148 mit dem Randabschnitt 150 beziehungsweise mit dem Randabschnitt 152 verbinden.
Dabei sind vorzugsweise an dem Abschnitt 156 mehrere, vorzugsweise mindestens vier, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs, Anodengasauslässe 154 angeordnet.
Die Anodengaseinlässe 144, welche an demselben Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet sind, sind vorzugsweise längs der Umfangsrichtung der Anodengas-Abdichtsicke 142 gegenüber den Anodengasauslässen 154 versetzt.
Ferner umfasst die Anodengas-Abdichtsicke 142 noch weitere Abschnitte 158a, 158b und 160, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den parallel zur Längsrichtung 108 der Bipolarplatte 100 verlaufenden geradlinigen Randabschnitten 150 und 152 beziehungsweise im Wesentlichen parallel zu dem dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 153 des Randes 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 ausgerichtet sind. Das Anodengas strömt durch die Anodengasauslässe 154 an dem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 in einen Anodengas-Verteilbereich 170 aus, welcher dazu dient, das Anodengas möglichst gleichmäßig auf die Anodengas-Strömungskanäle 126 des Anodengas-Strömungsfelds 116 zu verteilen.
Der Anodengas-Verteilbereich 170 umfasst jeweils mehrere gerichtete Verteilerstrukturen 172 und mehrere ungerichtete Verteilerstrukturen 174, welche dazu dienen, das Anodengas aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung abzulenken.
Dabei sind die gerichteten Verteilerstrukturen 172 beispielsweise als sich im Wesentlichen linear erstreckende Verteilerstege 176 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 174 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 178 ausgebildet.
Die Verteilerstrukturen 172 und 174 sind, ebenso wie alle anderen vorstehend und nachstehend beschriebenen Strukturen der Bipolarplatte 100, vorzugsweise einstückig mit dem Material der Bipolarplattenlagen 122 oder 124 ausgebildet und in die jeweilige Bipolarplattenlage 122 bzw. 124 durch einen Umformvorgang, beispielsweise durch einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang, eingebracht.
Die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 ist von einer Kathodengas-Abdicht- sicke 162 umgeben.
Die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 ist von einer Kühlmittel-Abdichtsicke 164 umgeben. Nahe des äußeren Randes 180 der Bipolarplatte 100 läuft eine ringförmig geschlossene Randsicke 182 um.
Die Randsicke 182 umschließt den elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100, die Anodengas-Durchtrittsöffnungen 134 und die Anodengas-Abdichtsicken 142 in beiden Endbereichen 112, die Kathodengas-Durch- trittsöffnungen 136 und die Kathodengas-Abdichtsicken 162 in beiden Endbereichen 112 und die Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen 138 und die Kühlmittel- Abdichtsicken 164 in beiden Endbereichen 112 der Bipolarplatte 100.
Die Randsicke 182 dient dazu, ein Austreten der der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien, insbesondere des Anodengases, des Kathodengases und des Kühlmittels, aus den elektrochemischen Einheiten 102 in den Außenraum 184 der elektrochemischen Vorrichtung 106 zu verhindern.
Um das Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 durch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 ausströmen lassen zu können, ist die Katho- dengas-Abdichtsicke 162 an ihrer der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandten Innenseite mit mehreren Kathodengaseinlässen 194 versehen (siehe insbesondere Fig. 1).
Durch die Kathodengaseinlässe 194 gelangt Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162.
Die Kathodengaseinlässe 194 münden vorzugsweise an geradlinigen Randabschnitten 196, 202 und 204 des Randes 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136. Der geradlinige Randabschnitt 196 verläuft vorzugsweise schräg zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und schräg zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt. An dem Randabschnitt 196 münden vorzugsweise mehrere, insbesondere mindestens vier, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs, Kathodengaseinlässe 194.
Der geradlinige Randabschnitt 202 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandt. An dem Randabschnitt 202 münden vorzugsweise ein oder mehrere Kathodengaseinlässe 194, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kathodengaseinlässe 194, durch welche das Kathodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kathodengas- Abdichtsicke 162 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 204 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Randsicke 182 zugewandt.
An dem Randabschnitt 204 münden vorzugsweise ein oder mehrere Kathodengaseinlässe 194, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kathodengaseinlässe 194, durch welche das Kathodengas vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162 einströmt.
Ferner kann der Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 einen im Wesentlichen parallel zur Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 verlaufenden, vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 206 umfassen. Zusammen bilden die Randabschnitte 196, 202, 204 und 206 einen polygonalen Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136.
In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform ist der Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 viereckig ausgebildet. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 198 kann aber auch kleiner oder größer als vier sein.
Mehrere, beispielsweise vier oder mehr, vorzugsweise sechs oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Kathodengasauslässe 214 sind an der Außenseite eines Abschnitts 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet, welcher im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 196 des Rands 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 201a und 201b des Randes 198, welche den geradlinigen Randabschnitt 196 mit dem Randabschnitt 202 beziehungsweise mit dem Randabschnitt 204 verbinden, verläuft.
Ferner umfasst die Kathodengas-Abdichtsicke 162 noch weitere Abschnitte 208, 210 und 212, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den parallel zur Längsrichtung 108 der Bipolarplatte 100 verlaufenden geradlinigen Randabschnitten 202 und 204 beziehungsweise im Wesentlichen parallel zu dem dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 206 des Randes 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 ausgerichtet sind.
Die Kathodengasauslässe 214 sind vorzugsweise alle an dem Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist. Vorzugsweise sind die Kathodengaseinlässe 194, welche an demselben Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kathodengas-Abdichtsicke 162 gegenüber den Kathodengas- auslässen 214 versetzt angeordnet.
Vorzugsweise sind an der Kathodengas-Abdichtsicke 162 insgesamt zwei oder mehr, insbesondere vier oder mehr, besonders bevorzugt sechs oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Kathodengasauslässe 214 vorgesehen.
Durch die Kathodengasauslässe 214 strömt das Kathodengas in einen Katho- dengas-Verteilbereich 216 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kathodengas möglichst gleichmäßig auf die Kathodengas-Strömungskanäle 128 des Kathodengas-Strömungsfelds 118 zu verteilen.
Zu diesem Zweck umfasst der Kathodengas-Verteilbereich Verteilerstrukturen 218, welche als gerichtete Verteilerstrukturen 220 oder als ungerichtete Verteilerstrukturen 221 ausgebildet sind.
Die gerichteten Verteilerstrukturen 220 sind vorzugsweise als sich linear erstreckende Verteilerstege 222 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 221 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 223 ausgebildet.
Um das Kühlmittel aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 in das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 der Bipolarplatte 100 ausströmen zu lassen, ist die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 an ihrer der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandten Innenseite mit mehreren Kühlmitteleinlässen 224 versehen (siehe insbesondere Fig. 1).
Durch die Kühlmitteleinlässe 224 gelangt das Kühlmittel aus der Kühlmittel- Durchtrittsöffnung 138 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164. Die Kühlmitteleinlässe 224 münden vorzugsweise an geradlinigen Randab- schnitten 226, 232a und 232b des Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138.
Der geradlinige Randabschnitt 226 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt. An dem Randabschnitt 226 münden vorzugsweise mehrere, insbesondere mindestens drei, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, Kühlmitteleinlässe 224.
Der geradlinige Randabschnitt 232a verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandt. An dem Randabschnitt 232a münden vorzugsweise ein oder mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, Kühlmitteleinlässe 224, durch welche das Kühlmittel vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 einströmt.
Der geradlinige Randabschnitt 232b verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 und ist vorzugsweise der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandt. An dem Randabschnitt 232b münden vorzugsweise ein oder mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, Kühlmitteleinlässe 224, durch welche das Kühlmittel vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 einströmt. Ferner kann der Rand 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 einen im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110 (y-Richtung) der Bipolarplatte 100 verlaufenden, vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 abgewandten geradlinigen Randabschnitt 234 umfassen. An dem Randabschnitt 234 mündet vorzugsweise kein Kühlmitteleinlass 224.
Die Randabschnitte 226, 232a, 232b und 234 bilden zusammen einen polygonalen Rand 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138, der bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform viereckig ausgebildet ist. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 kann aber auch größer oder kleiner als vier sein.
Mehrere, beispielsweise drei oder mehr, vorzugsweise fünf oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel sieben, Kühlmittelauslässe 225 sind an einem Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet, welcher im Wesentlichen parallel zu dem geradlinigen Randabschnitt 226 des Rands 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 und im Wesentlichen parallel zu den gerundeten Eckbereichen 231a und 231b des Randes 228, welche den geradlinigen Randabschnitt 226 mit dem Randabschnitt 232a beziehungsweise mit dem Randabschnitt 232b verbinden, verläuft. Der Abschnitt 200 der Kühlmittel-Ab- dichtsicke 164 ist vorzugsweise dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt.
Vorzugsweise sind die Kühlmitteleinlässe 224, welche an demselben Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 gegenüber den Kühlmittelauslässen 225 versetzt angeordnet. Außer dem mit den Kühlmittelauslässen 225 versehenen Abschnitt 230 umfasst die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 vorzugsweise weitere Abschnitte 238a, 238b und 240, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den Randab- schnitten 232a, 232b beziehungsweise 234 des Randes 228 der Kühlmittel- Durchtrittsöffnung 138 ausgerichtet sind.
Diese weiteren Abschnitte 238a, 238b und 240 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 sind vorzugsweise nicht mit Kühlmittelauslässen 225 versehen.
Durch die Kühlmittelauslässe 225 strömt das Kühlmittel in einen Kühlmittel- Verteilbereich 242 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kühlmittel möglichst gleichmäßig auf die Kühlmittel-Strömungskanäle des Kühlmittel-Strömungsfelds zu verteilen.
In diesem Kühlmittel-Verteilbereich 242 sind die anodenseitige Bipolarplattenlage 122 und die kathodenseitige Bipolarplattenlage 124 so gegenüber einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Längsmittelebene der Bipolarplatte 100 in einander entgegengesetzte Richtungen längs der Stapelrichtung 104 versetzt, dass für die Strömung des Kühlmittels durch den Kühlmittel-Verteilbereich 242 ein großer durchströmbarer Querschnitt zur Verfügung steht.
Die Bipolarplatte 100 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotation um 180° um eine durch den Mittelpunkt des elektrochemisch aktiven Bereichs 114 der Bipolarplatte 100 und parallel zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) verlaufende Drehachse ausgebildet.
Die im zweiten Endbereich 112 angeordneten Medium-Durchtrittsöffnungen 130, insbesondere die dort angeordnete Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, die dort angeordnete Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und die dort angeordnete Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138, sind daher vorzugsweise im Wesentlichen genauso aufgebaut und angeordnet wie die Anodengas- Durchtrittsöffnung 134, die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 bzw. die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 im ersten Endbereich 112a, welche vorstehend beschrieben worden sind.
Die Anodengaseinlässe 144 bilden Mediumeinlässe 272 an der Anodengas- Abdichtsicke 142. Die Anodengasauslässe 154 bilden Mediumauslässe 274 an der Anodengas-Abdichtsicke 142.
Die Kathodengaseinlässe 194 bilden Mediumeinlässe 272 an der Kathodengas- Abdichtsicke 162. Die Kathodengasauslässe 214 bilden Mediumauslässe 274 an der Kathodengas-Abdichtsicke 162.
Die Kühlmitteinlässe 224 bilden Mediumeinlässe 272 an der Kühlmittel- Abdichtsicke 164. Die Kühlmittelauslässe 225 bilden Mediumauslässe 274 an der Kühlmittel-Abdichtsicke 164.
Mit der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten und vorstehend beschriebenen Bipolarplatte 100 wird angestrebt, den Druckabfall in den der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien beim Durchtritt durch die jeweils zugeordneten Abdichtsicken 140 zu reduzieren. Dafür ist es günstig, wenn an der betreffenden Abdichtsicke 140 der gesamte durchströmbare Querschnitt der jeweiligen Mediumeinlässe 272 um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe 274 an derselben Abdichtsicke 140.
Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der durchströmbare Querschnitt eines Mediumeinlasses 272 an einer Abdichtsicke 140 im Wesentlichen gleich groß ist wie der durchströmbare Querschnitt eines Mediumauslasses 274 an derselben Abdichtsicke 140, jedoch die Anzahl der Mediumeinlässe 272 an der Abdichtsicke 140 größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe 274. Vorzugsweise ist die Anzahl der Mediumeinlässe 272 um zwei oder mehr größer als die Anzahl der Mediumauslässe 274.
So ist im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass an der Anodengas-Abdichtsicke 142 acht Anodengaseinlässe 144 an der der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandten Innenseite der Anodengas- Abdichtsicke 142 angeordnet sind, während an der der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 abgewandten Außenseite der Anodengas-Abdichtsicke 142 sechs Anodengasauslässe 154 angeordnet sind.
Hierdurch wird der Druckabfall im Anodengas beim Strömen des Anodengases aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 durch die Anodengas-Abdichtsicke 142 in den Anodengas-Verteilbereich 170 deutlich reduziert.
Ferner ist im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte 100 vorgesehen, dass an der der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandten Innenseite der Kathodengas-Abdichtsicke 162 zehn Kathodengasein- lässe 194 angeordnet sind, während an der der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 abgewandten Außenseite der Kathodengas-Abdichtsicke 162 acht Kathodengasauslässe 214 angeordnet sind.
Hierdurch wird der Druckabfall im Kathodengas beim Strömen des Kathoden- gases aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 durch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 in den Kathodengas-Verteilbereich 216 deutlich reduziert.
Ferner ist bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass an der der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandten Innenseite der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 acht Kühlmitteleinlässe 224 angeordnet sind, während an der der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 abgewandten Außenseite der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 sieben Kühlmittelauslässe 225 angeordnet sind. Hierdurch wird der Druckabfall im Kühlmittel beim Strömen des Kühlmittels aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 durch die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 in den Kühlmittel-Verteilbereich 242 deutlich reduziert.
Der Anodengas-Verteilbereich 170 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Anodengas.
Der Kathodengas-Verteilbereich 216 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Kathodengas.
Der Kühlmittel-Verteilbereich 242 bildet einen Medium-Verteilbereich 276 für das Kühlmittel.
Jeder der Medium-Verteilbereiche 276 umfasst einen Medium-Einlassbereich 278, durch welchen das jeweilige Medium in den jeweiligen Medium-Verteilbereich 276 eintritt.
Derjenige Abschnitt einer Abdichtsicke 140, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist, bildet einen Verteilbereichsabschnitt 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140.
Das Anodengas-Strömungsfeld 116 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Anodengas.
Das Kathodengas-Strömungsfeld 118 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Kathodengas.
Das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 bildet ein Medium-Strömungsfeld 282 für das Kühlmittel. Jedes der Medium-Strömungsfelder 282 der Bipolarplatte 100 umfasst Medium-Strömungskanäle 284, welche sich längs einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch das betreffende Medium-Strömungsfeld 282 erstrecken.
Für alle Mediumeinlässe 272 gilt, dass sie vorzugsweise längs des Umfangs der jeweiligen Abdichtsicke 140 versetzt zu den jeweiligen Mediumauslässen 274 angeordnet sind.
Jeder der Mediumauslässe 274 ist vorzugsweise so an der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet und ausgerichtet, dass das durch den Mediumauslass 274 hindurchströmende Medium auf einen Medium-Einlassbereich 278 des jeweils zugeordneten Medium-Verteilbereichs 276 gerichtet aus dem Mediumauslass 274 ausströmt.
Vorzugsweise sind alle Mediumauslässe 274 an dem Verteilbereichsabschnitt 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet, welcher dem Medium-Ein- lassbereich 278 des jeweils zugeordneten Medium-Verteilbereichs 276 gegenüberliegt.
Bei jeder der Medium-Durchtrittsöffnungen 130 ist vorzugsweise jeweils mindestens ein Mediumeinlass 272 außerhalb des Verteilbereichsabschnitts 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet.
Vorzugsweise sind bei jeder Medium-Durchtrittsöffnung 130 mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Mediumeinlässe 272 außerhalb des Verteilbereichsabschnitts 280 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet. An jeder der Abdichtsicken 140 ist ein Medium-Auslassabschnitt 286 der jeweiligen Abdichtsicke 140 dadurch definiert, dass er an einem ersten äußeren Mediumauslass 274a beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass 274b endet.
Vorzugsweise ist bei jeder Abdichtsicke 140 vorgesehen, dass mindestens ein Mediumeinlass 272 außerhalb des Medium-Auslassabschnitts 286 der jeweiligen Abdichtsicke 140 an der betreffenden Abdichtsicke 140 angeordnet ist.
Die Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 verläuft parallel zu einer Hauptströmungsrichtung der Medien durch die den Medien jeweils zugeordneten Medium-Strömungsfelder 282.
Vorzugsweise ist an jeder Abdichtsicke 140 mindestens ein Mediumeinlass 272 so an der jeweiligen Abdichtsicke 140 angeordnet und ausgerichtet, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung 108, also im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung 110, der Bipolarplatte 100 durch den betreffenden Mediumeinlass 272 in den Innenraum der jeweiligen Abdichtsicke 140 einströmt.
Um die mechanische Stabilität und die Federeigenschaften der Abdichtsicken 140 in ihren gekrümmten Abschnitten nicht negativ zu beeinflussen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass kein Mediumeinlass 272 an einem gekrümmten Abschnitt des Randes der jeweiligen Medium-Durchtrittsöffnung 130 angeordnet ist.
Für jede der Abdichtsicken 140 gilt, dass vorzugsweise der durchströmbare Querschnitt der jeweiligen Abdichtsicke 140 größer ist als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals 284 des dem jeweiligen Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds 282 der Bipolarplatte 100.

Claims

Patentansprüche Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit (102) einer elektrochemischen Vorrichtung (106), die mehrere elektrochemische Einheiten (102) umfasst, welche längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte (100) Folgendes umfasst: mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung (130), welche einen Bestandteil eines Mediumkanals (132) bildet, der sich längs der Stapelrichtung (104) durch die elektrochemische Vorrichtung (106) erstreckt; eine Abdichtsicke (140), welche sich um die Medium-Durchtrittsöffnung (130) herum erstreckt; mehrere Mediumeinlässe (272), die an einer der Medium-Durch- trittsöffnung (130) zugewandten Innenseite der Abdichtsicke (140) angeordnet sind und ein Einströmen von Medium in den Innenraum der Abdichtsicke (140) ermöglichen; und mehrere Mediumauslässe (274), die an einer der Medium-Durch- trittsöffnung (130) abgewandten Außenseite der Abdichtsicke (140) angeordnet sind und ein Ausströmen von Medium aus dem Innenraum der Abdichtsicke (140) ermöglichen; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe (272) um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe (274). Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mediumeinlässe (272) größer ist als die Anzahl der Mediumauslässe (274). Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumeinlässe (272) längs des Umfangs der Abdichtsicke (140) versetzt zu den Mediumauslässen (274) angeordnet sind. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (100) einen elektrochemisch aktiven Bereich (114) umfasst, welcher ein von einem Anodengas durchström bares Anodengas-Strömungsfeld (116), ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld (118) und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld (120) umfasst, wobei die Bipolarplatte (100) einen Medium-Verteilbereich (276) umfasst, über weichen die Medium-Durchtrittsöffnung (130) in Fluidverbindung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich (114) der Bipolarplatte (100) steht. Bipolarplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumauslass (274) so an der Abdichtsicke (140) angeordnet und ausgerichtet ist, dass das Medium auf einen Medium-Einlassbereich (278) des Medium-Verteilbereichs (276) gerichtet aus dem Mediumauslass (274) ausströmt. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mediumauslässe (274) an einem Verteilbereichsabschnitt (280) der Abdichtsicke (140) angeordnet sind, welcher einem Medium-Einlassbereich (278) des Medium-Verteilbereichs (276) gegenüberliegt. Bipolarplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumeinlass (272) außerhalb des Verteilbereichsabschnitts (280) der Abdichtsicke (140) an der Abdichtsicke (140) angeordnet ist. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mediumauslässe (274) an einem Medium-Auslassabschnitt (286) der Abdichtsicke (140) angeordnet sind, welcher an einem ersten äußeren Mediumauslass (274a) beginnt und an einem zweiten äußeren Mediumauslass (274b) endet. Bipolarplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mediumeinlass (272) außerhalb des Medium-Auslassabschnitts (286) der Abdichtsicke (240) an der Abdichtsicke (140) angeordnet ist. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsrichtung (108) der Bipolarplatte (100) parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Mediums durch ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld (282) der Bipolarplatte (100) verläuft, wobei mindestens ein Mediumeinlass (272) so an der Abdichtsicke (140) angeordnet und ausgerichtet ist, dass das Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung (108) der Bipolarplatte (100) durch den Mediumeinlass (272) in den Innenraum der Abdichtsicke (140) einströmt. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass kein Mediumeinlass (272) an einem gekrümmten Abschnitt eines Randes (146, 198, 228) der Medium-Durchtrittsöffnung (130) angeordnet ist. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt der Abdichtsicke (140) größer ist als der mittlere durchströmbare Querschnitt eines Medium-Strömungskanals (284) eines dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfelds (282) der Bipolarplatte (100). Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Medium-Durchtrittsöffnung (130) eine Anodengas-Durchtrittsöffnung (134), eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung (136) oder eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung (138) ist. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodengas-Durchtrittsöffnung (134), eine Kathodengas- Durchtrittsöffnung (136) und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung (138) der Bipolarplatte (100) alle von jeweils einer Abdichtsicke (140) umgeben sind, an welcher Mediumeinlässe (272) und Mediumauslässe (274) angeordnet sind, wobei der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumeinlässe (272) an jeder dieser Abdichtsicken (140) um mindestens 10 % größer ist als der gesamte durchströmbare Querschnitt der Mediumauslässe (274) an der jeweiligen Abdichtsicke (140). Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten (102), welche längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen und jeweils eine Bipolarplatte (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfassen.
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