DE102007048184B3

DE102007048184B3 - Elektrochemisches System und Biopolarplatte

Info

Publication number: DE102007048184B3
Application number: DE102007048184A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gaugler; Christian Schleier; Rainer Glück; Claudia Kunz; Joachim Scherer
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: CN101816089A; JP2010540776A; JP5239091B2; WO2009043600A1; CN101816089B; CA2701366C; CA2701366A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein elektrochemisches System sowie eine Bipolarplatte zur Verwendung in einem elektrochemischen System. Das elektrochemische System (1) besteht aus einer Schichtung mehrerer Zellen (2), die jeweils durch Bipolarplatten (3) voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung (4) oder zur Zu- und Abfuhr (5) von Betriebsmedien zu den Zellen hin aufweisen und die Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei zumindest eine Zelle einen von einer Begrenzungswand (7) der Bipolarplatte umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich (6) aufweist und innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs eine Kanalstruktur (8) der Bipolarplatte zur gleichmäßigen Medienverteilung vorgesehen ist, wobei mindestens eine Gasdiffusionslage (9) zur Mikroverteilung von Medium vorgesehen ist. Im Grenzbereich zwischen der Kanalstruktur sowie der Begrenzungswand sind Begrenzungselemente (10) zur Vermeidung des Vorbeiströmens von Fluid zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand vorgesehen, wobei die Gasdiffusionslage die Kanalstruktur und/oder zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt. Durch die Verhinderung des "Vorbeiströmens" im Grenzbereich des elektrochemisch aktiven Feldes wird die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad von elektrochemischen Systemen entscheidend erhöht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches System sowie eine Bipolarplatte zur Verwendung in einem solchen System.
Das elektrochemische System kann beispielsweise ein Brennstoffzellensystem oder ein elektrochemisches Verdichtersystem, insbesondere ein Elektrolyseur sein, bei dem durch Anlegen eines Potentials neben der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser diese Gase gleichzeitig unter Druck komprimiert werden. Daneben sind auch elektrochemische Verdichtersysteme wie z. B. elektrochemische Wasserstoffkompressoren bekannt, welchen gasförmiger molekularer Wasserstoff zugeführt wird und in denen dieser durch das Anlegen eines Potentials elektrochemisch verdichtet wird. Diese elektrochemische Verdichtung bietet sich insbesondere für geringe Mengen zu verdichtenden Wasserstoffs an, da eine mechanische Kompression des Wasserstoffs hier deutlich aufwändiger wäre.
Es sind elektrochemische Systeme bekannt, bei denen ein elektrochemischer Zellstapel mit einer Schichtung von mehreren elektrochemischen Zellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, aufgebaut sind. Die Bipolarplatten haben hierbei mehrere Aufgaben:

– Elektrische Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
– Versorgung der Zellen mit Medien, z. B. Reaktionsgasen, und Abtransport von Reaktionsprodukten über eine Kanalstruktur, die in einem elektrochemischen aktiven Bereich angeordnet ist (Gasverteilerstruktur/Flowfield),
– Weiterleiten der bei der Erzeugung in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme, sowie
– Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und nach außen.

Für die Medienzu- bzw. -abfuhr von den Bipolarplatten zu den eigentlichen elektrochemischen Zellen, diese sind z. B. MEA (Membrane Electrode Assembly, d. h. Membran-Elektrodeneinheit) mit einer jeweils zu den Bipolarplatten hin orientierten Gasdiffusionslage (z. B. aus einem Metall- oder Kohlenstoffvlies), können die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung bzw. Medienzu- und -abfuhr aufweisen.
Bei bekannten Bipolarplatten erfolgt die Gasverteilung entlang der MEA bzw. der Gasdiffusionslage mittels Kanal- und Mäanderstrukturen auf beiden Seiten der Bipolarplatte.
Es ist bekannt, vor allem bei metallischen Bipolarplatten, Kanalstrukturen in diese einzuprägen und hierbei auch eine Begrenzungswand, die den elektrochemisch aktiven Bereich umgibt, gleich mit einzuprägen. Die Begrenzungswand hat hierbei oftmals sickenförmige Gestalt. Nun wurde in Testreihen ermittelt, dass solche Bipolarplatten starke Leistungsschwankungen zeigen können, die auf eine ungenügende flächige Verteilung von Medien zurückzuführen zu sein scheinen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrochemisches System bzw. eine Bipolarplatte zu schaffen, die nicht aufgrund ungenügender Verteilungen von Medien im elektrochemisch aktiven Bereich Leistungsschwankungen zeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dies ist zunächst einmal ein elektrochemisches System, bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung oder zur Ab- und Zufuhr zu den Zellen hin aufweisen und die Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei zumindest eine Zelle ein von einer Begrenzungswand der Bipolarplatte umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich aufweist und innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs eine Kanalstruktur der Bipolarplatte zur gleichmäßigen Medienverteilung vorgesehen ist, wobei mindestens eine Gasdiffusionslage zur Mikroverteilung von Medium vorgesehen ist. Im Grenzbereich zwischen der Kanalstruktur sowie der Begrenzungswand sind Begrenzungselemente vorgesehen zur Vermeidung des Vorbeiströmens von Fluid zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand. Hierbei überdeckt die Gasdiffusionslage die Kanalstruktur und/oder zumindest Teile der Begrenzungselemente.
Die Bipolarplatte zur Verwendung in einem erfindungsgemäß elektrochemischen System ist dadurch gekennzeichnet, dass diese Bipolarplatte eine Grundebene aufweist und aus dieser Grundebene herausragend eine Kanalstruktur sowie Öffnungen zur Medienzu- und -abfuhr vorgesehen sind und die Kanalstruktur sowie die Öffnungen von einer (unter Umständen mit Öffnungen zur Mediendurchführung versehenen) Begrenzungswand umgeben sind und dass im Bereich zwischen Begrenzungswand und dem äußeren Rand der Kanalstruktur mindestens ein Begrenzungselement zur Verhinderung des Vorbeiströmens von Medium im Grenzbereich zwischen Begrenzungswand und Kanalstruktur vorgesehen ist.
Mit den erfindungsgemäßen "Begrenzungselementen" wird somit also ein Vorbeiströmen (Bypass) von Medium an der Kanalstruktur weitgehend verhindert. Hierdurch wird eine gleichmäßige Medienverteilung über die Kanalstruktur erreicht und auf diese Weise die unerwünschten Leistungsschwankungen ausgeschlossen.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Gasdiffusionslage nicht nur die Kanalstruktur, sondern auch noch zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt. Hierdurch kommt es zu einer zusätzlichen Verpressung der Gasdiffusionslage in diesem Bereich, die stärker ist als die Verpressung im Bereich der "normalen" Kanalstruktur. Somit wird ein Vorbeifließen von Medium im fraglichen Bereich zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand also nochmals stärker verhin dert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Höhe der Begrenzungselemente derart gewählt ist, dass die Verpressung der Gasdiffusionslage im Berührbereich zu den Begrenzungselementen stärker ist als im Berührbereich zu der Kanalstruktur. Hierdurch wird eine besonders gute Abdichtung in diesem Grenzbereich erzielt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Begrenzungselemente als Ausläufer der Kanalstruktur ausgeführt sind, die in die Begrenzungswände übergehen. Insbesondere bei metallischen Bipolarplatten ist dies sehr vorteilhaft, da somit eine gemeinsame Prägung mit den Begrenzungselementen bzw. Elementen der Kanalstruktur möglich ist. Prinzipiell ist es möglich, ein oder mehrere Begrenzungselemente vorzusehen. Bei mehreren Begrenzungselementen sind diese vorzugsweise voneinander beabstandet, und besonders vorzugsweise bilden hier zwei benachbarte Begrenzungswände zusammen mit den Begrenzungselementen jeweils Kammern zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand, so dass (wie bei einem Frachtschiff) Schotten gebildet werden, um den Bypass möglichst sicher zu verhindern.
Der Wiederholabstand einzelner Begrenzungselemente ist hierbei vorzugsweise größer als 2 mm, besonders vorzugsweise größer als 5–10 mm (bei geringeren Abständen würde die Sicke mechanisch zu sehr geschwächt). Als alternatives Unterscheidungsmerkmal könnte auch gesagt werden, dass auf 100 mm Länge der Begrenzungswand hier mindestens ein Begrenzungselement vorzusehen ist, vorzugsweise aber fünf bis fünf undzwanzig Begrenzungselemente. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Begrenzungswand schlangenförmig verläuft. Bei schlangenförmigem Verlauf der Begrenzungswand kann jeweils der zur Kanalstruktur hin nahe liegende Abschnitt der Begrenzungswand mit der Kanalstruktur über ein Begrenzungselement verbunden sein.
Für die Begrenzungselemente, die den "Bypass" zwischen Begrenzungswand und Kanalstruktur verhindern sollen, ist es vorteilhaft, dass diese sowohl im Wesentlichen quer zur Begrenzungswand als auch im Wesentlichen quer zu den äußersten Elementen der Kanalstruktur verlaufen.
Die Bauform der Begrenzungselemente ist außerdem auch abhängig von der jeweiligen Ausführung der Kanalstrukturen. Sind die Kanalstrukturen beispielsweise als Einzelelemente vorgesehen, so können die Begrenzungselemente auch linienförmig vorgesehen sein, um also hier einen "Bypass" zu verhindern. Anderenfalls sind diese Begrenzungselemente auch als Einzelelemente vorzusehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Begrenzungswand gegenüber einer Grundebene der Bipolarplatte eine größere Höhe aufweist als die überwiegende Erhöhung der Kanalstruktur im Nahbereich der Begrenzungswand gegenüber dieser Grundebene. Mit "Nahbereich" ist hierbei eine Entfernung von der Begrenzungswand von maximal 1 cm zu verstehen.
Die Begrenzungselemente sollten von der Grundebene der Bipolarplatte mindestens die Höhe der überwiegenden Erhebung der Kanalstruktur aufweisen. Dies bedeutet, dass sie also vorzugsweise in der Höhe gleich bzw. zwischen der Höhe der Kanalstruktur und der Höhe der Begrenzungswand liegen sollten.
Die Begrenzungselemente sind vorzugsweise als Einprägungen in einer (vorzugsweise metallischen) Bipolarplatte vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Bipolarplatte aus zwei Platten aufgebaut ist, wobei das mindestens eine Begrenzungselement auf der der elektrochemisch aktiven Seite abgewandten Seite hohl ist und dieser Hohlraum als komplementärer Raum zum Einstecken der zweiten Platte der Bipolarplatte vorgesehen ist.
Die Begrenzungswände haben vorzugsweise die Form einer Sicke, insbesondere einer Vollsicke oder einer Halbsicke und sind somit integraler Bestandteil der Bipolarplatte, allerdings sind auch hier Aufsatzteile möglich.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Öffnungen der Bipolarplatte zur Kühlung oder Ab- und Zufuhr von Medien mit elastischen Sickenanordnungen versehen sind, wobei diese Sickenanordnungen Durchbrüche zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einen Hohlraum der Bipolarplatte oder dem elektrochemisch aktiven Bereich hin aufweisen.
Vorzugsweise erfolgt die Leitung von Medien durch den elektrochemisch aktiven Bereich derart, dass die Stelle der Einleitung des Mediums und die Stelle der Ausleitung des Mediums an jeweils maximal entfernten Punkten des elektrochemisch aktiven Bereichs erfolgen. Hierdurch ist die Grundvoraussetzung geschaffen, um eine möglichst flächige Verteilung zu erreichen, hierbei ist auch eine mäanderförmige Führung sinnvoll, auch wenn Dead-End-Ausführungen auch möglich sind. Bei solchen ist jedoch immer ein Strömungswiderstand innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereiches zu überwinden, so dass sich das Medium immer "Abkürzungen" bzw. "Bypässe" sucht. Daher ist die vorliegende Erfindung mit den Begrenzungselementen hier besonders sinnvoll.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1c den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels,
2a und 2b Draufsichten auf unterschiedlich ausgestaltete Bipolarplatten,
3a und 3b Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Bipolarplattenanordnung (3a) bzw. eine Bipolarplattenanordnung nach dem Stand der Technik (3b),
4 den kathodenseitigen Verlauf von Volumenstrom über Staudruck mit bzw. ohne Begrenzungselementen,
5 eine Draufsicht bezüglich einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte mit Begrenzungselementen,
6 eine Darstellung einer Zentrierung gemäß B-B aus 5,
7 Strömungswiderstandsverläufe erfindungsgemäßer elektrochemischer Systeme bei verschiedenen Pressungen.
1a bis 1c zeigen den grundsätzlichen Aufbau eines elektrochemischen Systems in Form eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellenstacks) 1. Dieser weist eine Schichtung mehrerer Brennstoffzellenanordnungen 12 auf (siehe 1b). Die Schichtung dieser Brennstoffzellenanordnungen 12 wird von Endplatten zusammengehalten, welche z. B. über Spannbolzen, wie in 1c gezeigt, eine Druckspannung auf die Schichtung der Brennstoffzellenanordnungen aufbringen.
Im Folgenden wird auf den Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung 12 näher eingegangen.
1a zeigt den inneren Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung 12 in Form einer Explosionszeichnung. Dies ist zunächst eine Zelle (beispielsweise Brennstoffzelle) 2, welche eine ionenleitfähige Polymermebran aufweist, die zumindest in einem elektrochemisch aktiven Bereich 6 mit einer Katalysatorschicht beidseitig versehen ist. In der Brennstoffzellenanordnung 12 sind außerdem zwei Bipolarplatten 3 vorgesehen, zwischen denen die Brennstoffzelle 2 angeordnet wird. Im Bereich zwischen jeder Bipolarplatte und der nächstliegenden Brennstoffzelle 2 ist außerdem eine Gasdiffusionslage 9 angeordnet. Eine nicht dargestellte, im Wesentlichen im Randbereich der Bipolarplatten umlaufende Sicke bildet eine Begrenzungswand und sorgt so für eine Abdichtung des elektroche misch aktiven Bereiches 6, so dass keine Kühlflüssigkeit bzw. Medien aus diesem Bereich nach außen treten können bzw. umgekehrt.
Außerdem enthalten die Bipolarplatten 3 fluchtende Öffnungen ("Interface-Kanäle"). Dies ist zum einen eine Öffnung 4 zum Durchleiten von Kühlflüssigkeit, diese Öffnung 4 ist von einer weiteren Sickenanordnung umgeben. Außerdem ist eine Öffnung 5 zur Medienzu- bzw. -abfuhr in den elektrochemisch aktiven Bereich 6 vorgesehen, welcher von einer weiteren Sickenanordnung begrenzt wird. Außerdem sind Durchfuhröffnungen für in 1a nicht dargestellte Verspannbolzen vorgesehen.
2a zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Zu sehen ist hier eine Öffnung für Medienzu- bzw. -abfuhr 5, die von einer kreisringförmigen Vollsicke umgeben ist. Diese Vollsicke bzw. Sickenanordnung weist Durchbrüche zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einen Hohlraum der Bipolarplatte bzw. zum elektrochemisch aktiven Bereich hin auf. Die gezeigte Bipolarplatte 3 ist aus Metall, wobei die Kanalstruktur 8 bzw. die Begrenzungswand 7 als Einprägungen ausgeführt sind.
In 2a ist hier lediglich zur Verdeutlichung die obere linke Ecke der Bipolarplatte gezeigt. Die Leitung von Medien durch den elektrochemisch aktiven Bereich 6 erfolgt jedoch derart, dass die Stelle der Einleitung des Mediums und die Stelle der Ausleitung der Mediums an jeweils maximal entfernten Punkten des elektrochemisch aktiven Bereichs erfolgen, vorzugsweise an den Flächendiagonalen der Flächenebene, wie sie in 2a gezeigt ist.
Der Verlauf der Begrenzungswand 7 ist in 2a schlangenförmig gezeigt, zumindest in dem in 2a oben rechts gezeigten Abschnitt.
Außerdem ist gezeigt, dass bei schlangenförmigem Verlauf der Begrenzungswand 7 ein zur Kanalstruktur 8 hin nahe liegender Abschnitt der Begrenzungswand mit der Kanalstruktur über ein Begrenzungselement 10 verbunden ist.
Hier ist auch entnehmbar, dass das Begrenzungselement 10 im Wesentlichen zur Begrenzungswand 7 quer verläuft bzw. auch im Wesentlichen quer zu den der Begrenzungswand 7 nächsten (äußersten) Elementen der Kanalstruktur 8.
Außerdem ist aus 2a entnehmbar, dass das Begrenzungselement 10 als Ausläufer der Kanalstruktur 8 ausgeführt ist, welches in die Begrenzungswand 7 übergeht.
2b zeigt eine alternative Ausführungsform der in 2a gezeigten Bipolarplatte.
Im Unterschied zu der in 2a gezeigten Bipolarplatte sind hier jedoch mehrere Begrenzungselemente 10 vorgesehen. Diese sind voneinander beabstandet, so dass zwei benachbarte Begrenzungselemente 10 jeweils Kammern zwischen der Kanalstruktur 8 (also dem äußersten Element der Kanalstruktur) und der Begrenzungswand 7 bilden.
Der Wiederholabstand einzelner Begrenzungselemente ist hierbei vorzugsweise größer als 2 mm, besonders vorzugsweise größer als 5–10 mm.
Es ist also ersichtlich, dass in den in 2a bzw. 2b gezeigten Ausführungsformen Begrenzungselemente 10 vorgesehen sind, welche einen "Bypass" (also ein "Vorbeifließen") von Medium zwischen der Begrenzungswand 7 sowie den äußersten Elementen der Kanalstruktur 8 verhindern. Dies ist in 2a als einzelner Quersteg ausgeführt, in 2b als eine Vielzahl von Querstegen, die dann entsprechende Kammern bilden. Wichtig ist, dass diese Begrenzungselemente 10 diese Funktion wahrnehmen, also nicht als Zuleitungssicken bzw. Zuführungen zu Kühl- bzw. Medienkanälen ausgeführt sind.
Auf diese Weise wird der Fluss von Medium, der beispielsweise von der Medienzuführöffnung 5 ausgeht, durch die mäanderförmig ausgeführte Kanalstruktur 8 erzwungen, dies macht sich in einem erhöhten Staudruck bemerkbar, der somit auch einen Indikator für höhere Reaktionsraten von Medien in den Brennstoffzellen darstellt.
3a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Aufbaus, der zwei Bipolarplatten 3 (beispielsweise gemäß 2a bzw. 2b) zeigt. Hierbei ist eine Brennstoffzelle bzw. eine Pol merelektrolytmembran (PEM) 2 zwischen zwei Bipolarplatten 3 angeordnet. Im elektrochemisch aktiven Bereich ist außerdem auf jeder Seite der PEM 2 eine Gasdiffusionslage 9 angeordnet. Diese Gasdiffusionslage kann vorgefertigt und als unmittelbarer Bestandteil einer Membran-Elektroden-Einheit gestaltet sein, auch können die Gasdiffusionslagen als separate Lagen vorgesehen werden.
Wesentlich ist, dass die Höhe der Begrenzungselemente 10 derart gewählt ist, dass die Verpressung der Gas diffusionslage 9 im Berührbereich zu den Begrenzungselementen 10 stärker ist als im Berührbereich zu der Kanalstruktur 8. Dies wird in 3a durch die engere Schraffur auch zeichnerisch angedeutet.
Auch ist zu sehen, dass die Begrenzungswand 7 gegenüber einer Grundebene 11 der Bipolarplatte 3 eine größere Höhe aufweist als die überwiegende Erhöhung der Kanalstruktur gegenüber dieser Grundebene (dies wird durch die Doppelpfeile in 3a angezeigt). Ebenfalls ersichtlich ist, dass die Begrenzungselemente 10 ausgehend von dieser Grundebene 11 der Bipolarplatte 3 mindestens die Höhe der höchsten Erhebung der Kanalstruktur 8 aufweisen, allerdings höchstens die Höhe der Begrenzungswand 7 gegenüber der Grundebene (auch dies ist an den Doppelpfeilen in 3a ersichtlich).
3b zeigt im Gegensatz hierzu eine Anordnung, die keine Begrenzungselemente aufweist und bei der auch eine zusätzliche Verpressung der Gasdiffusionslage im äußeren Randbereich nicht gegeben ist.
Die bisher in Bezug genommenen Figuren, insbesondere die 1a bis 1c, 2a, 2b sowie 3a, zeigen also eine Bipolarplatte 3, wobei diese eine Grundebene 11 aufweist und aus dieser Grundebene herausragend eine Kanalstruktur 8 sowie Öffnungen 5 zur Medienzu- und -abfuhr vorgesehen sind und die Kanalstruktur sowie die Öffnungen von einer Begrenzungswand 7 umgeben sind und im Bereich zwischen Begrenzungswand und dem äußeren Rand der Kanalstruktur mindestens ein Begrenzungselement 10 zur Verhinderung des Vorbeiströmens von Medium im Grenzbereich zwischen Begrenzungswand 7 und Kanalstruktur 8 vorsehen ist.
Gezeigt ist also in den vorgenannten Figuren auch ein elektrochemisches System 1, bestehend aus einer Schichtung mehrere Zellen 2, die jeweils durch Bipolarplatten 3 voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung 4 oder zur Ab- und Zufuhr 5 von Betriebsmedien zu den Zellen hin aufweisen und die Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei zumindest eine Zelle einen von einer Begrenzungswand 7 der Bipolarplatte umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich 6 aufweist und innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs eine Kanalstruktur 8 der Bipolarplatte zur gleichmäßigen Medienverteilung vorgesehen ist, wobei mindestens eine Gasdiffusionslage 9 vorgesehen ist zur Mikroverteilung von Medium und im Grenzbereich zwischen der Kanalstruktur sowie der Begrenzungswand Begrenzungselemente 10 vorgesehen sind zur Vermeidung des Vorbeiströmens von Fluid zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand im elektrochemisch aktiven Bereich (also nicht im Kühlbereich) und die Gasdiffusionslage die Kanalstruktur und/oder zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt. Aufgrund dieses Überdeckens wird also ein "Verklemmen" bzw. verstärktes Verpressen der Gasdiffusionslage im Randbereich erzielt, und es kommt hierdurch zu einer noch besseren Abdichtung, da nicht nur die Höhe der Begrenzungswand, sondern auch die Verdichtung der Gasdiffusionslage in diesem Bereich für ein Verhindern des Bypasses (Vorbeiströmens) sorgt.
4 zeigt den Verlauf eines Volumenstroms in Litern pro Minute über dem Staudruck in Millibar, wie er sich für ein elektrochemisches System darstellt.
Die linke Kurve zeigt hierbei kathodenseitig eine herkömmliche Ausführung (beispielsweise mit einem Querschnitt gemäß 3b), bei dem ein Vorbeiströmen von Medium an der Gasdiffusionslage möglich ist. Die rechte Kurve zeigt hierbei eine Verpressung mit Begrenzungselementen, so dass ein Bypass hierdurch verhindert bzw. begrenzt wird. Es zeigt sich hier, dass bei demselben Volumenstrom ein sehr viel höherer Staudruck vorliegt, dies ist ein Indiz dafür, dass das Medium nicht, ohne durch das elektrochemisch aktive Feld geführt zu werden, einfach nur "vorbeifließt". Hierdurch wird also eine gleichbleibende Reaktion erzwungen, da das Reaktionsmedium nicht mehr ungenutzt "vorbeiströmt".
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Hier sind im von einer Begrenzungswand 7 umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich 6 Kanalstrukturen 8 vorgesehen, die jedoch hauptsächlich als disjunkte, also einzelne Erhebungen ausgestaltet sind. Hier handelt es sich auch wieder um eine Bipolarplatte mit einem Flowfield (elektrochemisch aktiven Bereich), bei dem von links oben flächendiagonal das Reaktionsmedium nach unten rechts (dortiger Ausgang 5) geleitet wird. An zwei Stellen (unten links und oben rechts) sind Begrenzungselemente 10 vorgesehen, welche einen ungewünschten "Bypass" verhindern.
6 zeigt einen Querschnitt gemäß B-B der Plattenanordnung aus 5 im vergrößerten Maßstab. Hierbei ist zu sehen, dass dort eine Bipolarplatte aus zwei Platten aufgebaut ist, wobei das mindestens eine Begrenzungselement 10 auf der der elektrochemisch aktiven Seite abgewandten Seite hohl ist und dieser Hohlraum als komplementärer Raum zum Einstecken der zweiten Platte der Bipolarplatte vorgesehen ist. Auf diese Weise wird außerdem eine Zentrierung beider Plat ten vorgenommen, so dass die Maßgenauigkeit der Gesamtplatte hierdurch erhöht wird.
7 zeigt (ähnlich wie dies oben bereits in 4 gezeigt wurde) den Volumenstrom von (trockener) Luft in Litern pro Minute über dem Staudruck (in Millibar). Hierbei ist auch zu sehen, dass bei größer werdenden Pressungswerten in dem Gesamtverbund (siehe 1c) bei einem jeweils gleichen Volumenstrom von Luft ein deutlich höherer Staudruck entsteht und dass auf diese Weise gleichmäßig reproduzierbare Werte eingestellt werden können.

Claims

Elektrochemisches System (1), bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen (2), die jeweils durch Bipolarplatten (3) voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung (4) oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien (5) zu den Zellen hin aufweisen und die Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei zumindest eine Zelle einen von einer Begrenzungswand (7) der Bipolarplatte umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich (6) aufweist und innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs eine Kanalstruktur (8) der Bipolarplatte zur gleichmäßigen Medienverteilung vorgesehen ist, wobei mindestens eine Gasdiffusionslage (9) zur Mikroverteilung von Medium vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Grenzbereich zwischen der Kanalstruktur sowie der Begrenzungswand Begrenzungselemente (10) vorgesehen sind zur Vermeidung des Vorbeiströmens von Fluid zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand und die Gasdiffusionslage die Kanalstruktur und/oder zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Begrenzungselemente (10) derart gewählt ist, dass die Verpressung der Gasdiffusionslage (9) im Berührbereich zu den Begrenzungselementen (10) stärker ist als im Berührbereich zu der Kanalstruktur (8).
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (10) als Ausläufer der Kanalstruktur ausgeführt sind, die in die Begrenzungswände übergehen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Begrenzungselemente (10) vorgesehen sind.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Begrenzungselemente (10) voneinander beabstandet sind, so dass zwei benachbarte Begrenzungselemente (10) jeweils Kammern bilden zwischen der Kanalstruktur und der Begrenzungswand (7).
System nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederholabstand einzelner Begrenzungselemente (10) größer als 2 mm, vorzugsweise größer als 5 bis 10 mm beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand (7) schlangenförmig verläuft.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei schlangenförmigem Verlauf der Begrenzungswand (7) jeweils der zur Kanalstruktur (8) hin nahe liegende Abschnitt der Begrenzungswand mit der Kanalstruktur über ein Begrenzungselement (10) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (10) im Wesentlichen quer zur Begrenzungswand verlaufen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (10) im Wesentlichen quer zu den äußersten Elementen der Kanalstruktur (8) verlaufen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausführung der Kanalstrukturen (8) als Einzelelemente die Begrenzungselemente (10) linienförmig oder ebenfalls in Form von Einzelelementen vorliegen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand (7) gegenüber einer Grundebene (11) der Bipolarplatte (3) eine größere Höhe aufweist als die höchste Erhöhung der Kanalstruktur im angrenzenden Nahbereich der Begrenzungswand gegenüber dieser Grundebene.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (10) ausgehend von einer Grundebene (11) der Bipolarplatte mindestens die Höhe der überwiegenden Erhebung der Kanalstruktur (8) aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (10) als Einprägungen in einer Bipolarplatte (3) ausgeführt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bipolarplatte (3) aus zwei Platten aufgebaut ist, wobei das mindestens eine Begrenzungselement (10) auf der der elektrochemisch aktiven Seite abgewandten Seite hohl ist und dieser Hohlraum als komple mentärer Raum zum Einstecken der zweiten Platte der Bipolarplatte vorgesehen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand (7) die Form einer Sicke, insbesondere einer Vollsicke oder einer Halbsicke aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (3) aus Metall besteht.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Bipolarplatte zur Kühlung (4) oder Ab- und Zufuhr (5) von Medien mit elastischen Sickenanordnungen versehen sind, wobei diese Sickenanordnungen Durchbrüche zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien in einen Hohlraum der Bipolarplatte oder dem elektrochemisch aktiven Bereich hin aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung von Medien durch den elektrochemisch aktiven Bereich (6) derart erfolgt, dass die Stelle der Einleitung des Mediums und die Stelle der Ausleitung des Mediums an jeweils maximal entfernten Punkten des elektrochemisch aktiven Bereichs erfolgen.
Bipolarplatte zur Verwendung in einem elektrochemischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Grundebene (11) aufweist und aus dieser Grundebene herausragend eine Kanalstruktur (8) vorgesehen ist sowie Öffnungen (5) zur Medienzu- und -abfuhr und die Kanalstruktur sowie die Öff nungen von einer Begrenzungswand (7) umgeben sind und dass im Bereich zwischen Begrenzungswand und dem äußeren Rand der Kanalstruktur mindestens ein Begrenzungselement (10) vorgesehen ist zur Verhinderung des Vorbeiströmens von Medium im Grenzbereich zwischen Begrenzungswand (7) und Kanalstruktur.