DE10301052A1

DE10301052A1 - Bipolarplatteneinheit mit Mittel zum Abdichten

Info

Publication number: DE10301052A1
Application number: DE10301052A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Beckmann (FH); Markus Dipl.-Ing. Schudy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: DE10301052B4

Abstract

Es wird eine Bipolarplatteneinheit mit zwei Teilplatten für elektrochemische Zellen zur Verfügung gestellt, wobei die Teilplatten so übereinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein inneres Kanalsystem gegeben ist, und wobei im Randbereich der Teilplatten Mittel zum Abdichten des inneren Kanalsystems gegenüber der äußeren Umgebung vorgesehen sind, die die Teilplatten außerdem beabstanden. Außerdem wird eine elektrochemische Zelle bzw. ein elektrochemischer Zellenstapel mit einer derartigen Bipolarplatteneinheit zur Verfügung gestellt. Die Bipolarplatteneinheit und die elektrochemische Zelle oder der Zellstapel sind vereinfacht herstellbar. Ferner wird ein Mittel zum Abdichten zur Verfügung gestellt, das die vereinfachte Herstellung der Bipolarplatteneinheit und der elektrochemischen Zelle oder des Zellstapels ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatteneinheit aus zwei Teilplatten und einem Mittel zum Abdichten, eine elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Zellstapel mit einer solchen Bipolarplatteneinheit sowie ein Mittel zum Abdichten für die Verwendung in Elektrochemischen Zellen oder Zellstapeln.
Bipolarplatten oder Bipolarplatteneinheiten, letztere sind zumindest aus zwei Teilplatten zusammengesetzt, finden in elektrochemischen Zellen wie z.B. Brennstoffzellen, Verwendung. Sie dienen v.a. der Zu- und Abführung von Reaktionsstoffen, der Zu- und Abführung von Wärme z.B. mit Hilfe von Wärmetransportmitteln, der räumlichen Trennung der Reaktionsstoffe und der Leitung von elektrischem Strom. Gute Bipolarplatten oder Bipolarplatteneinheiten sind insbesondere in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen – kurz PEM-BZ – von besonderem Interesse, da dort z.B. eine effektive Zu- und Abführung von Betriebsstoffen und Wärmetransportmitteln von besonderer Bedeutung sind.
Der prinzipielle Aufbau einer PEM-BZ ist wie folgt. Die PEM-BZ enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA -, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separator platte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z . B . 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft.
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten oder Bipolarplatteneinheiten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks.
Als Reaktionsstoffe werden Brennstoffe und Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe eingesetzt, z.B. H₂ oder ein H₂-haltiges Gas (z.B. Reformatgas) als Brennstoff, und O₂ oder ein O₂-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden, also auch Reaktionsprodukte wie z.B. H₂O.
Derartige Separatorplatten, Bipolarplatten oder Bipolarplatteneinheiten finden, wie erwähnt, nicht nur in PEM-Brennstoffzellen Verwendung, sondern auch in anderen elektrochemischen Zellen oder Zellstapeln, wie z.B. Elektrolysezellen.
Eine wichtige Aufgabe einer Bipolarplatte oder Bipolarplatteneinheit ist die effektive Zu- und Abführung von Wärme zu den elektrochemischen Zellen oder den Zellstapeln. Die effektive Zuführung von Wärme ist insbesondere beim Kaltstart wichtig, d.h. bei der Inbetriebnahme bei niedrigen Temperaturen, um die elektrochemische Zelle schnell auf Betriebstemperatur für eine gute Leistungsabgabe zu bringen. Die effektive Abführung von Wärme ist dagegen wichtig, um die elektrochemische Zelle oder den Zellstapel vor Überhitzung zu schützen. Überhitzung kann beispielsweise zur Schädigung des Elektrolyten führen, insbesondere bei PEM-BZ, bei denen der Elektrolyt in Form einer sehr dünnen, wärmeempfindlichen Polymermembran vorliegt.
Für eine effektive Zu- und Abführung von Wärme besonders geeignet sind Bipolarplatteneinheiten, die u.a. aus zwei Teilplatten bestehen, die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Wärmetransportmittel fließen kann, mit dem sowohl Wärme zu- (Wärmmittel) als auch abgeführt (Kühlmittel) werden kann.
Eine solche Bipolarplatteneinheit ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 15 360 A1 (Dornier) bekannt. Die dort offenbarte Bipolarplatteneinheit (Separatoreinheit) ist aus zwei geprägten, metallischen Teilplatten, so zusammengefügt, dass zwischen den Teilplatten ein Kanalsystem für ein Kühlmittel entsteht und dass an den Hauptoberflächen der fertigen Bipolarplatteneinheit Kanalstrukturen (Flowfields) für die Reaktionsstoffe gegeben sind. Das bipolarplatteneinheitinnere Kanalsystem für das Kühlmittel ist dabei im Randbereich der Teilplatten und im Randbereich der Ports durch Fügestellen, insbesondere Schweißstellen oder Schweißnähte, abgedichtet, wobei die Fügestellen auch zur Stromleitung dienen können. Dichtungen werden dabei nicht eingesetzt, sie kommen aber bei der Abdichtung vom Räumen zum Einsatz, die an die Bipolarplatteneinheit angrenzen (Anoden- und Kathodenräume). Die Realisierung von Fügestellen durch z.B. Laserschweißen ist jedoch bei zunehmendem äußerem Umfang der Bipolarplatteneinheiten mit einem unverhältnismäßig zunehmenden Aufwand an Zeit, Technik und Kosten verbunden. Außerdem müssen bei der Herstellung von elektrochemischen Zellen mit diesen Bipolarplatteneinheiten zusätzlich zum Verfahrensschritt, in dem geschweißt wird, in einem separaten Verfahrensschritt Mittel zur Abdichtung zwischen MEA und Bipolarplatteneinheit eingefügt werden, um Anoden- und Kathodenräume abzudichten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bipolarplatteneinheit zur Verfügung zu stellen, die die o.g. Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und vereinfacht herstellbar ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, die vereinfacht herstellbar ist.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mittel zum Abdichten zur Verfügung zu stellen, mit dem Bipolarplatteneinheiten und elektrochemische Zellen vereinfacht herstellbar sind.
Dementsprechend ist ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatteneinheit mit zwei Teilplatten für elektrochemische Zellen, wobei wenigstens eine der Hauptoberflächen der Teilplatten eine Kanalstruktur aufweist und wobei die Teilplatten entlang ihrer Hauptoberflächen so übereinander angeordnet sind, dass zwischen den einander zugewandten Hauptoberflächen ein inneres Kanalsystem gegeben ist. Erfindungsgemäß sind im Randbereich der Teilplatten Mittel zum Abdichten des inneren Kanalsystems gegenüber der äußeren Umgebung der Bipolarplatteneinheit vorgesehen, die die Teilplatten beabstanden.
Die Teilplatten und die auf ihnen angeordneten Kanalstrukturen können durch verschiedene Verfahren hergestellt sein, beispielsweise durch Prägen, Fräsen, Ätzen, Spritzguss und dergleichen. Vorzugsweise sind die Teilplatten jedoch geprägt, wobei insbesondere Teilplatten aus einem oder mehreren Metallen bzw. Mischungen oder Legierungen aus Metallen geeignet sind. Die Teilplatten können außerdem eine Beschichtung aufweisen, vorzugsweise eine elektrisch gut leitfähige und/ oder korrosionsbeständige Beschichtung.
Die Teilplatten weisen zwei Hauptoberflächen auf, wobei wenigstens eine Hauptoberfläche, vorzugsweise beide Hauptoberflächen, eine Kanalstruktur aufweisen. Die Teilplatten einer Bipolarplatteneinheit, die im Inneren eines Zellstapels angeordnet sind, haben vorzugsweise an beiden Hauptoberflächen eine Kanalstruktur, sodass im Inneren der Bipolarplatteneinheit ein Kanalsystem gegeben ist und an den äußeren Hauptoberflächen der Bipolarplatteneinheit je eine Kanalstruktur. Dagegen können Teilplatten, die eine Endplatte eines Zellstapels bilden, nur an einer Hauptoberfläche eine Kanalstruktur aufweisen, sodass im Inneren der Endplatte ein Kanalsystem gegeben ist und auf der ins Zellstapelinnere gerichteten Hauptoberfläche der Endplatte eine Kanalstruktur, auf der dem Zellstapelinneren abgewandten Hauptoberfläche der Endplatte jedoch nicht.
Dabei ist es bevorzugt, wenn eine Hauptoberfläche einer Teilplatte jeweils eine positive Kanalstruktur aufweist und die andere Hauptoberfläche jeweils eine zur positiven Kanalstruktur korrespondierende, negative Kanalstruktur, wie z.B. bei einer geprägten metallischen Platte.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Teilplatten elektrisch leitend übereinander angeordnet sind.
Unter dem inneren Kanalsystem wird das bipolarplatteneinheitinnere Kanalsystem verstanden, d.h. das Kanalsystem zwischen den Teilplatten. Dagegen wird unter einer Kanalstruktur eine bipolarplatteneinheitäußere Kanalstruktur verstanden, d.h. eine Kanalstruktur auf einer äußeren, vom inneren Kanalsystem abgewandten Hauptoberfläche der Bipolarplatteneinheit.
Unter elektrochemischen Zellen werden vor allem Elektrolysezellen, Brennstoffzellen und dergleichen verstanden, insbesondere Brennstoffzellen mit einer PEM.
Unter dem Randbereich wird der Bereich entlang der Begrenzungen der Bipolarplatteneinheit bzw. der Teilplatten verstanden, d.h. sowohl der Bereich entlang des äußeren Umfangs der Bipolarplatteneinheit bzw. der Teilplatten, als auch der Bereich entlang der Umfänge von Durchbrüchen oder Ports. Die Teilplatten berühren sich im Randbereich vorzugsweise nicht.
Unter Abdichten wird insbesondere fluiddichtes Abdichten verstanden.
Üblicherweise wird versucht, die Fläche, die mit Mitteln zum Abdichten abgedichtet wird, möglichst klein zu halten oder Mittel zum Abdichten ganz zu vermeiden, wo es möglich ist, da Mittel zum Abdichten üblicherweise als störungsanfällig gelten. Nach herrschender Meinung verlieren Mittel zum Abdichten während des Betriebs von elektrochemischen Zellen, unter den dabei herrschenden Bedingungen, ihre Dichtwirkung, indem sie z.B. verrutschen oder degradieren und dann beispielsweise ausgetauscht werden müssen, wohingegen z.B. Schweißnähte als dauerhafte Abdichtung gelten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte dieser Nachteil jedoch nicht beobachtet werden. Außerdem weist die erfindungsgemäße Bipolarplatteneinheit den Vorteil auf, dass eine aufwändige und lange Schweißnaht in ihrem Randbereich überflüssig ist und damit bei der Herstellung ein Verfahrensschritt entfällt, sodass Zeit und Kosten eingespart werden können.
Die Teilplatten sind vorzugsweise im Randbereich von den Mitteln zum Abdichten umfasst, sodass dort Umfassungsbereiche gegeben sind. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Mittel zum Abdichten in den Umfassungsbereichen Kräfte auf die Teilplatten ausüben, die die Teilplatten zumindest in den Umfassungsbereichen verbinden. Die Kräfte sind dabei ins Innere der Bipolarplatteneinheit gerichtet und können beispielsweise daraus resultieren, dass das Mittel zum Abdichten aus einem elastischen Material besteht, das die Teilplatten in den Umfassungsbereichen federnd zusammenhält. Ein Vorteil dieser Variante der erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit besteht darin, dass die Teilplatten bei der Herstellung der Bipolarplatteneinheit von den Mitteln zum Abdichten und den Kräften, die diese auf die Teilplatten ausüben, in einer vorbestimmbaren Anordnung zueinander fixiert werden und die Bipolarplatteneinheit damit, z.B. für nachfolgende Bearbeitungsschritte, präformiert sind.
Die Mittel zum Abdichten können sowohl lösbar als auch unlösbar mit einer oder beiden Teilplatten der Bipolarplatteneinheit verbunden sein. Unter einer unlösbaren Verbindung wird verstanden, dass die Verbindung nicht ohne Weiteres lösbar ist, d.h. dass sie nur gelöst werden kann, wenn die Mittel zum Abdichten und/oder die Teilplatten wesentlich verändert bzw. beschädigt werden. Lösbare Mittel zum Abdichten sind bei der Herstellung der Bipolarplatteneinheit leichter handzuhaben, da sie lediglich in den für sie vorgesehenen Aufnahmen platziert werden müssen, während für die lösbar verbundenen Mittel zum Abdichten u.U. Beschichtungen der Teilplatten teilweise entfernt werden müssen oder aufwändige Aufnahmen für die Mittel zum Abdichten vorgesehen werden müssen. Dafür ist die Gefahr, dass die Mittel zum Abdichten bei hohen Innendrücken verrutschen und die Bipolarplatteneinheit dadurch undicht wird, bei unlösbar verbundenen Mitteln zum Abdichten geringer als bei lösbaren.
Die erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit weisen ferner Ports für Fluide auf. Unter Fluiden werden die Reaktionsstoffe und Wärmetransportmittel verstanden, die sowohl gasförmig, als auch flüssig oder in flüssiger Phase gelöst sein können.
Um die Fluide räumlich voneinander zu trennen, sind daher im Bereich der Ports, bei einer ersten Variante, vorzugsweise Mittel zum Abdichten vorgesehen, die von fluiddurchlässigen Strukturen unterbrochen sind, sodass eine fluidische Verbindung zwischen einem Port für einen Reaktionsstoff oder das Wärmetransportmittel und dem dafür vorgesehenen Kanalsystem oder der dafür vorgesehenen Kanalstruktur besteht.
Dabei ist es von Vorteil, wenn es sich bei den fluiddurchlässigen Strukturen um separate Bauteile handelt, vorzugsweise um stabile, poröse Bauteile. Derartige Bauteile können den Anpressdruck, der im Allgemeinen auf die Bipolarplatteneinheiten wirkt, wenn sie in elektrochemische Zellen oder Zellstapel eingebaut sind, gut übertragen und verhindern dadurch ein Durchhängen der Ports im Bereich der fluiddurchlässigen Strukturen. Ein derartiges Durchhängen würde den Strömungsquerschnitt im Bereich des Übergangs zwischen Port und Kanalsystem verringern, dadurch die Versorgung der elektrochemischen Zelle mit Reaktionsstoffen oder Wärmetransportmittel verschlechtern und dadurch wiederum zu einer reduzierten Leistung der elektrochemischen Zelle führen. Gleichzeitig ermöglicht die Porosität die Durchfließbarkeit der Bauteile für Fluide. Die separaten Bauteile können, müssen aber nicht, mit den Mitteln zum Abdichten fluiddicht verbunden sein.
Bei den fluiddurchlässigen Strukturen im Bereich der Ports können, bei einer zweiten Variante, neben Mitteln zum Abdichten auch Fügestellen vorgesehen werden, da dort nur wenige und kurze Fügestellen notwendig sind. Die Fügestellen können dann etwaige Anpressdrücke übertragen. Dabei sind die Fügestellen so zueinander und/oder zu den Mitteln zum Abdichten angeordnet sind, dass zwischen den Fügestellen und/oder den Fügestellen und den Mittel zum Abdichten Abstände gegeben sind, zwischen denen ein Fluid fließen kann.
Bei einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit sind im Bereich der Ports für Fluide keine Mittel zum Abdichten im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen, sondern Fügestellen, wobei die Fügestellen so zueinander angeordnet sind, dass sie eine fluiddurchlässige Struktur bilden, sodass eine fluidische Verbindung zwischen einem Port für einen Reaktionsstoff oder das Wärmetransportmittel und dem dafür vorgesehenen Kanalsystemoder der dafür vorgesehenen Kanalstruktur besteht. Dabei übernehmen die Fügestellen die Abdichtung der Bipolarplatteneinheit gegenüber der äußeren Umgebung. Diese dritte Variante weist gegenüber der ersten und der zweiten Variante im Portbereich eine stabilere und einfacher zu realisierende Konstruktion auf.
Bei einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit weisen die Teilplatten im elektrochemisch aktiven Bereich eine oder mehrere Fügestellen auf, die sie miteinander verbinden, wobei kurze Schweißnähte oder Schweißstellen bevorzugt sind. Unter dem elektrochemisch aktiven Bereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich der Bipolarplatteneinheit verstanden, der bei Einbau in eine elektrochemische Zelle oder einen Zellstapel über dem elektrochemisch aktiven Bereich einer MEA angeordnet ist. Diese Fügestellen können die Leitung von elektrischem Strom wenigstens zum Teil übernehmen und verbessern damit den Stromfluß zwischen den Teilplatten.
Ferner kann durch derartige Fügestellen auf eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf den einander zugewandten Hauptoberflächen der Teilplatten verzichtet werden und es muss höchstens eine korrosionsbeständige Beschichtung vorgesehen werden. Dadurch werden die Teilplatten und die Bipolarplatteneinheit einfacher und billiger herstellbar. Bei einer vorteilhaften Variante weisen daher die Teilplatten auf ihren dem inneren Kanalsystem zugewandten Hauptoberflächen eine korrosionsbeständige Beschichtung auf und auf ihren dem inneren Kanalsystem abgewandten Hauptoberflächen eine korrosionsbeständige und elektrisch leitfähige Beschichtung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrochemische Zelle oder ein Stapel aus elektrochemischen Zellen mit einer oder mehreren MEAs und wenigstens einer Bipolarplatteneinheit wie sie vorstehend offenbart ist.
Der erfindungsgemäße Zellstapel kann eine Einrichtung zum Verspannen der Einzelzellen aufweisen, mit der eine Kraft in den Zellenstapel eingeleitet werden kann und der die Zellenstapel zusammenhält. Die eingeleitete Kraft erzeugt eine Anpressdruck im Zellstapel, der zur Abdichtung des Zellstapels beitragen kann. Geeignete Einrichtungen zum Verspannen sind z.B. Zuganker, Spannbänder und dergleichen.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle oder der Zellstapel können, insbesondere dank der erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit, auf einfache, zeit- und kostensparende Weise hergestellt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zum Abdichten im Umfassungsbereich eine Teilplatten-zugewandte Seite aufweisen und eine Teilplatten-abgewandte Seite, die einer MEA zugewandt ist, und wenn die Mittel zum Abdichten mit ihrer der MEA-zugewandten Seite an die MEA angrenzen. Dadurch können die elektrochemische Zelle oder die Einzelzellen des Zellstapels gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet werden.
Das Mittel zum Abdichten weist dadurch zwei Abdichtfunktionen: Zum Einen die Abdichtung des inneren Kanalsystems einer Bipolarplatteneinheit und zum Anderen die Abdichtung des Inneren einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels, d.h. des Raumes, der von einer Bipolarplatteneinheit einerseits und einer MEA andererseits begrenzt wird (Anoden- oder Kathodenraum). Da alle Dichtungen in der Bipolarplatteneinheit integriert sind, vereinfacht sich auch die Herstellung der MEA, da auf oder an ihr im wesentlichen kein Mittel zum Abdichten angebracht werden muss und/oder keine aufwändigen Maßnahmen für die Aufnahme eines Mittels zum Abdichten getroffen werden müssen. Die Herstellung einer elektrochemische Zelle oder eines Zellstapels vereinfacht sich auch hinsichtlich der Handhabung der Bauteile, da lediglich zwei Bauteile miteinander verbunden werden müssen, nämlich Bipolarplatteneinheit (mit integriertem Mittel zum Abdichten) und MEA, anstelle von drei Bauteilen, nämlich Bipolarplatteneinheit, Mittel zum Abdichten (z.B. Dichtring) und MEA, wie im Stand der Technik.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Mittel zum Abdichten mit ihrer der MEA zugewandten Seite an die PEM der MEA angrenzen und dadurch die Einzelzellen des elektrochemischen Zellenstapels gegenüber der äußeren Umgebung abdichten. Durch das direkte Angrenzen der Mittel zum Abdichten an die PEM kann eine besonders gute Dichtwirkung für die Elektrodenräume erzielt werden.
Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mittel zum Abdichten, das für den Einsatz in elektrochemischen Zellen oder Zellstapeln vorgesehen ist und das einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist. Erfindungsgemäß kann der erste Bereich in einer Öffnung platziert werden und dichtet dabei diese Öffnung ab und der zweite Bereich umfasst den Randbereich der Öffnung und beabstandet ihn von anderen Bauteilen der elektrochemischen Zelle oder des Zellstapels.
Ein derartiges Mittel zum Abdichten ermöglicht es, mit nur einem Mittel zwei Räume abzudichten, nämlich eine Öffnung, z.B. die Öffnung zum inneren Kanalsystem einer Bipolarplatteneinheit, und einen oder mehrere daran angrenzende Räume, z.B. Anoden- und/oder Kathodenräume. Ein derartiges Mittel zum Abdichten ermöglicht die vereinfachte Herstellung von Bipolarplatteneinheiten und elektrochemischen Zellen oder Zellstapeln.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der zweite Bereich eine in das Öffnungsinnere gerichtete Kraft auf die Öffnung ausübt und die Begrenzung der Öffnung zumindest im Randbereich verbin det. Dadurch können die Begrenzungen der Öffnung miteinander auf einfache Weise verbunden werden.
Mittel zum Abdichten können z.B. Dichtungen sein, wie z.B. ein oder mehrere Dichtungsringe und/oder Dichtungsmassen und dergleichen, wobei die Maßgabe besteht, dass es sich dabei nicht um Fügestellen wie z.B. Schweißnähte handelt.
Die Auswahl von geeigneten Materialien für die Mittel zum Abdichten ist nicht unproblematisch. Das Material sollte neben den geforderten Dichtungseigenschaften, wie z.B. Gas- und Wasserdampfbarriereeigenschaften, trockenen oder feuchten Arbeitsgasen wie z.B. Sauerstoff, Wasserstoff bei erhöhter Temperatur (ca. 120°C) in Dauerbelastung widerstehen, ohne dass eine Alterung des Materials durch Versprödung oder Degradation oder gar eine Quellung eintritt, d.h. das Material sollte zusätzlich hydrolysestabil sein. Die Verwendung von Materialien mit Zusatzstoffen wie z.B. Weichmachern kann im Laufe der Zeit dazu führen, dass sie aus dem Material herausdiffundieren und sich anderweitig ablagern oder z.B. einen Katalysator vergiften.
Geeignete Materialien sind v.a. Polymere, vorzugsweise Elastomere. Das Material ist bevorzugt thermoplastisch. Als thermoplastische Polymere sind dabei nur solche geeignet, die den spezifischen Anforderungen in einer elektrochemischen Zelle oder einem Zellstapel hinsichtlich der mechanischen und chemischen Anforderungen genügen. Weiterhin sollte das thermoplastische Material, unter Beibehaltung aller vorgenannten Eigenschaften, bis mindestens 120°C stabil bleibt. Das Polymermaterial kann als Basismaterial enthalten: Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid oder dergleichen, sowie Mischungen davon und/oder Pfropf- und/oder Copolymerisate daraus.
Es ist jedoch auch möglich, das Polymermaterial so zu modifi zieren, dass bestimmte für die Verarbeitung (z.B. Siegelfähigkeit) bzw. den Betrieb in einer elektrochemischen Zelle notwendigen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften realisiert werden können. Dies kann durch die chemische Modifikation des Basismaterials an sich geschehen und/oder durch die Zugabe von eigenschaftssteuernden Additiven oder Zusatzstoffen. Die an die Barrierematerialien gestellten Anforderungen können sehr vielfältig sein. Die Forderungen können dahingehen, dass Barrieren gegen Stoffe mit vollkommen verschiedenen Eigenschaften erstellt werden müssen. Der geforderte Eigenschaftskatalog kann häufig nicht allein durch einen Werkstoff erreicht werden, sodass verschiedenartige Werkstoffe in Form von Verbunden kombiniert werden müssen. Folienverbunde für Brennstoffzellen müssen aus einer Kombination einer Feuchte- mit einer Gasbarriere aufgebaut sein. Beispielsweise bilden Polyolefine wie Polypropylen oder Polyethylen hierbei die Feuchtebarriereschicht und polare Materialien wie beispielsweise Polyamid, Ethylenvinylalkohol oder Polyester die Gasbarriere. Zwischen den meist unverträglichen Einzelschichten kommen dem Fachmann geläufige Haftvermittler zum Einsatz, die aufgrund ihrer chemischen Struktur eine ausreichende Affinität zu beiden Partnern besitzen.
Ferner können geeignet sein: Silicone, Fluorelastomere, Fluorsilicone, Ethylen-Propylen-Copolymere und Naturgummi. Darunter sind perfluorierte oder Si-haltige Polymere bevorzugt, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) ein Silicone.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft, anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1: Draufsicht auf eine Bipolarplatteneinheit des Standes der Technik;
2: Draufsicht auf eine Bipolarplatteneinheit des Standes der Technik zur Verdeutlichung der Lage von Schweißnähten;
3: Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatteneinheit mit Schweißnähten im Portbereich;
4: (a) Schnitt durch eine Bipolarplatteneinheit (Seitenansicht);
(b) Schnitt durch eine Mittel zum Abdichten (Seitenansicht);
(c) Schnitt durch eine erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit (Seitenansicht);
5: Schnitt durch einen elektrochemischen Zellstapel (Seitenansicht) mit erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheiten.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatteneinheit (1) des Standes der Technik. Die Bipolarplatteneinheit (1) besteht u.a. aus zwei Teilplatten, von denen in 1 nur eine Teilplatte sichtbar ist, und zwar die obere, dem Betrachter zugewandte, während die untere Teilplatte vollständig von der oberen Teilplatte verdeckt ist. Die Bipolarplatteneinheit weist auf ihrer dem Betrachter zugewandten Hauptoberfläche (2) eine Kanalstruktur (3) auf sowie sechs Ports (4 – 4'''''). In diesem Fall sind beide Teilplatten aus Metall und die Kanalstruktur wurde durch Prägen erzeugt, sodass sich auf der vom Betrachter abgewandten Seite die negative Kanalstruktur zur sichtbaren, dem Betrachter zugewandten Kanalstruktur (3) befindet. Die beiden einander zugewandten Kanalstrukturen bilden in der Bipolarplatteneinheit ein inneres Kanalsystem. Die Ports (4 – 4''''') sind Durchbrüche durch die Teilplatten. Mit der Anordnung der Kanäle und der Mittel zum Abdichten (hier nicht dargestellt) kann gesteuert werden, welche Ports miteinander in fluidischer Verbindung stehen. Im abgebildeten Fall steht beispielsweise Port (4''') über die Kanalstruktur (3) mit Port (4'') in fluidischer Verbindung. Auf der vom Betrachter abgewandten, nicht sichtbaren Seite steht Port (4''''') über die korrespondierende Kanalstruktur (3) mit Port (4) in fluidischer Verbindung und zwischen den Teilplatten, ebenfalls nicht sichtbar, Port (4'''') über das innere Kanalsystem mit Port (4'). Der Bereich zwischen den Teilplatten der herkömmlichen Bipolarplatteneinheit (1) ist im Bereich des äußeren Umfangs (5) (Randbereich) mit Schweißnähten gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die Ports (4), (4'') , (4''') und (4''''') sind im Bereich der inneren Umfänge, d.h. der Grenzen der Teilplatten zu den Durchbrüchen (Randbereich), mit Schweißnähten abgedichtet. Im Bereich der Ports (4'''') und (4') sind ebenfalls Schweißnähte vorhanden, diese sind jedoch so angeordnet, dass eine fluidische Verbindung über das innere Kanalsystem zwischen den Ports (4'''') und (4') besteht. Mittel zum Abdichten, die keine Schweißnähte sind, sind nur an den Hauptoberflächen der Bipolarplatteneinheit vorgesehen.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatteneinheit (1), die jedoch, der Übersichtlichkeit halber, schematischer dargestellt ist. So bestehen zwar zwischen bestimmten Ports fluidische Verbindungen wie in 1, das entsprechende Kanalsystem (3) ist jedoch nicht dargestellt, da dessen Ausgestaltung für die vorliegende Erfindung keine wesentliche Bedeutung hat. Ebenso sind von den Ports lediglich die inneren Umfänge (6 – 6''''') dargestellt. Die Kanalstruktur (3) ist in etwa im Bereich von (7) angeordnet, wobei (7) den Bereich der Bipolarplatteneinheit (1) kennzeichnet, der in einer elektrochemischen Zelle über dem elektrochemisch aktiven Bereich einer MEA angeordnet ist. In Anlehnung daran wird der Bereich (7) kurz als aktiver Bereich bezeichnet. Die gestrichelte Linie verdeutlicht die Lage der Schweißnähte (8), die die beiden Teilplatten miteinander verbinden und das innere Kanalsystem der Bipolarplatteneinheit (1) gegenüber der äußeren Umgebung abdichten. Die Schweißnähte (8) sind eigentlich verdeckt zwischen den zwei Teilplatten der Bipolarplatteneinheit (1) angeordnet und damit in der dargestellten Draufsicht eigentlich nicht sichtbar, was mit der gestrichelten Linie (8) angedeutet ist.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit dargestellt. Im Unterschied zu 2 sind in 3 anstelle der Schweißnähte in den Randbereichen Mittel zum Abdichten (9) angeordnet. Die Mittel zum Abdichten (9) sind zwischen den Teilplatten angeordnet und damit eigentlich von diesen verdeckt, was mit der gepunktet Linie (9) angedeutet ist. Die Mittel zum Abdichten (9) sind in diesem Beispiel bei (10) durch eine fluiddurchlässige Struktur unterbrochen, die eine fluidische Verbindung zwischen den Ports (4''') und (4'') über das innere Kanalsystem (nicht dargestellt) ermöglicht. Die fluidische Verbindung ist in diesem Beispiel durch Schweißnähte realisiert (gestrichelte Linien, 10), die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Fluid fließen kann. Die Schweißnähte der fluiddurchlässigen Struktur (10) stützen außerdem die Durchgänge von den Ports (4''') bzw. (4'') zum inneren Kanalsystem stabil ab, sodass ein Durchhängen der Teilplatten und damit eine nachteilige Querschnittsverkleinerung des Durchgangs z.B. infolge eines Anpressdrucks verhindert wird. In diesem Beispiel sind an den Ports (4''') und (4'') fluiddurchlässige Strukturen angeordnet. Es ist aber auch möglich, die fluiddurchlässigen Strukturen an anderen oder allen Ports anzuordnen, je nachdem ob Ports und welche Ports miteinander fluidisch über das innere Kanalsystem verbunden werden sollen.
Die Striche (11) bezeichnen ferner Schweißnähte. Die Schweißnähte verbinden die beiden Teilplatten dieser Bipolarplatteneinheit (1) elektrisch leitend miteinander und sind beispielsweise durch Laserschweißen hergestellt. In diesem Beispiel sind achtzehn kurze Schweißnähte (11) dargestellt, die in sechs Dreiergruppen angeordnet sind. Die Anzahl der Schweißnähte, ihre Anordnung und ihre Länge ist für die Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung. Die Schweißnähte sollten lediglich im aktiven Bereich (7) angeordnet sein. Sie können dabei aber auch anders oder gar nicht gruppiert, in größerer oder kleinerer Anzahl, mit größeren oder kleineren Längen vorliegend. Dabei sind wenige, kurze Schweißnähte bevorzugt, um den Aufwand beim Schweißen möglichst gering zu halten, damit der Vorteil durch den Verzicht auf Schweißnähte in den Randbereichen nicht durch übermäßiges Schweißen im aktiven Bereich verloren geht.
In 4(a) ist die schematische Seitenansicht einer Bipolarplatteneinheit gemäß 3 gezeigt. Man erkennt die beiden Teilplatten (12) und (13), die geprägt sind und auf ihren voneinander abgewandten Hauptoberflächen jeweils Vertiefungen (14) aufweisen, die eine negative Kanalstruktur bilden, und Erhöhungen (15), die eine zur negativen Kanalstruktur korrespondierende positive Kanalstruktur bilden. In den Kanalstrukturen können Reaktionsstoffe fließen. (16) bezeichnet einen Kanal des inneren Kanalsystems der Bipolarplatteneinheit, in dem ein Wärmetransportmittel, z.B. ein Kühlmittel, fließen kann. Im Randbereich (17) berühren sich die Teilplatten (12) und (13) nicht, sondern bilden eine (abzudichtende) Öffnung (18). Der Randbereich (17) kann einem Port (4 – 4''''') zugewendet sein oder der äußeren Umgebung der Bipolarplatteneinheit.
In 4(b) ist ein schematischer Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Mittel zum Abdichten (9) dargestellt, und zwar die Seitenansicht. Das Mittel zum Abdichten (9) weist zwei Bereiche auf, ein erster Bereich (21) und ein zweiter Bereich (22), wobei die Geometrie des Mittels zum Abdichten der Geometrie der abzudichtenden Öffnung (18) angepasst ist.
In 4(c) ist schematisch dargestellt, wie mit dem Mittel zum Abdichten (9) die Öffnung (18) abgedichtet ist. (9) umfasst dabei den Randbereich (17) der Bipolarplatteneinheit (1) und kann dadurch ins Innere der Öffnung (18) gerichtete Kräfte (19) und (20) auf die Öffnung ausüben und so die Teilplatten (12) und (13) der Bipolarplatteneinheit (1) im Randbereich (17) verbinden. Der zweite Bereich (22) des Mittels zum Abdichten (9) steht etwas über die Teilplatte (12) bzw. (13) hinaus und kann dadurch die Bipolarplatteneinheit (1) von anderen Bauteilen einer elektrochemischen Zelle oder eines Zellenstapels beabstanden.
In 5 ist schematisch in Seitenansicht ein Schnitt durch einen elektrochemischen Zellstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit (1) dargestellt. Als Beispiel wurde ein Ausschnitt aus einem Stapel von PEM-BZ gewählt. 5 zeigt eine MEA (23) mit einer PEM (24), an die zwei erfindungsgemäße Bipolarplatteneinheiten (1) angrenzen. Die Bipolarplatteneinheiten sind, wie vorstehend beschrieben, mit je einem Mittel zum Abdichten (9) abgedichtet, die im zweiten Bereich (22) über die Hauptoberflächen der Bipolarplatteneinheiten (1) überstehen und anodenseitig bzw. kathodenseitig an die MEA (23) bzw. an die PEM (24) der MEA (23) angrenzen. (25) bezeichnet Kanäle der Kanalstrukturen (3), in denen ein Reaktionsstoff fließen kann, z.B anodenseitig H₂ oder ein H₂-haltiges Gas und kathodenseitig O₂ oder ein O₂-haltiges Gas. In den Kanälen des inneren Kanalsystems (16) und (16') kann ein Wärmetransportmittel fließen. Die Kanäle (16) und (16') sind durch die Kontaktflächen der Teilplatten (26) fluidisch nicht gegeneinander abgedichtet, sodass über die Kontaktfläche (26) hinweg zwischen den Kanälen (16) und (16') Fluid fließen kann, wenn auch nur in geringem Ausmaß. Im Bereich einzelner Kontaktflächen (26) können kurze Schweißnähte vorgesehen sein, um den Fluß von elektrischem Strom zwischen den Teilplatten zu verbessern (nicht dargestellt), die aber für eine fluidische Abdichtung im Bereich der Kontaktflächen (26) nicht geeignet sind.
In 5 kann man erkennen, wie die Mittel zum Abdichten zwei Abdichtfunktionen gleichzeitig ausüben: Zum Einen wird das innere Kanalsystem (16) der Bipolarplatteneinheiten (1) gegenüber der Umgebung abgedichtet, zum Anderen werden die Räume zwischen den Bipolarplatteneinheiten (1) und der MEA, Kathoden- und Anodenraum, gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Ein derart ausgebildeter elektrochemischer Zellstapel benötigt keine Schweißnähte zum Abdichten der Bipolarplatteneinheiten (1) – es können lediglich einzelne, kurze Schweißnähte im Bereich der aktiven Fläche zur Verbesserung des Stromflusses zwischen den Teilplatten vorgesehen sein – und keine zusätzlichen Mittel zum Abdichten zwischen den Bipolarplatteneinheiten (1) und MEAs (23). Dadurch können bei der Herstellung Verfahrensschritte und Zeit eingespart werden und die Herstellung, sowohl der Bipolarplatteneinheit (1) als auch einer elektrochemischen Zelle oder eines Zellstapels, vereinfachen sich.

1: Bipolarplatteneinheit
2: Hauptoberfläche
3: Kanalstruktur
4 – 4''''': Ports
5: äußerer Umfang
6 – 6''''': innere Umfänge
7: aktiver Bereich
8: Schweißnaht
9: Mittel zum Abdichten
10: fluiddurchlässige Struktur
11: Schweißnaht
12: Teilplatte 1
13: Teilplatte 2
14: Vertiefung
15: Erhöhung
16, 16': Kanal des inneren Kanalsystems
17: Randbereich
18: Öffnung
19: Kraft
20: Kraft
21: erster Bereich eines Mittels zum Abdichten
22: zweiter Bereich eines Mittels zum Abdichten
23: MEA
24: PEM
25: Kanal für einen Reaktionsstoff
26: Kontaktfläche der Teilplatten

Claims

Bipolarplatteneinheit mit zwei Teilplatten für elektrochemische Zellen, wobei wenigstens eine der Hauptoberflächen der Teilplatten eine Kanalstruktur aufweist und wobei die Teilplatten entlang ihrer Hauptoberflächen so übereinander angeordnet sind, dass zwischen den einander zugewandten Hauptoberflächen ein inneres Kanalsystem gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich der Teilplatten Mittel zum Abdichten des inneren Kanalsystems gegenüber der äußeren Umgebung vorgesehen sind, die die Teilplatten beabstanden.
Bipolarplatteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilplatten im Randbereich von den Mitteln zum Abdichten umfasst sind, sodass dort Umfassungsbereiche gegeben sind.
Bipolarplatteneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten in den Umfassungsbereichen Kräfte auf die Teilplatten ausüben, die die Teilplatten zumindest in den Umfassungsbereichen verbinden.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilplatten aus einem Metall oder einer Mischung aus Metallen gebildet sind und bevorzugt eine elektrisch leitenden und/oder korrosionsbeständige Beschichtung aufweisen.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten lösbar mit den Teilplatten verbunden sind.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten unlösbar mit wenigstens einer der Teilplatten verbunden sind, bevorzugt mit beiden Teilplatten.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatteneinheit Ports für Fluide aufweist und dass im Bereich der Ports Mittel zum Abdichten vorgesehen sind, die von fluiddurchlässigen Strukturen unterbrochen sind
Bipolarplatteneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den fluiddurchlässigen Strukturen um separate Bauteile handelt, bevorzugt um stabile, poröse Bauteile.
Bipolarplatteneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den fluiddurchlässigen Strukturen um Fügestellen handelt, wobei die Fügestellen so zueinander und/oder zu den Mitteln zum Abdichten angeordnet sind, dass zwischen den Fügestellen und/oder den Fügestellen und den Mitteln zum Abdichten Abstände gegeben sind.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatteneinheit Ports für Fluide aufweist und dass im Bereich der Ports Fügestellen vorgesehen sind, wobei die Fügestellen so zueinander angeordnet sind, dass sie eine fluiddurchlässige Struktur bilden.
Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilplatten im elektrochemisch aktiven Bereich eine oder mehrere Fügestellen aufweisen, bevorzugt kurze Schweißnähte oder Schweißstellen.
Bipolarplatteneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilplatten auf ihren dem inneren Kanalsystem zugewandten Hauptoberflächen eine korrosionsbeständige Beschichtung aufweisen und auf ihren dem inneren Kanalsystem abgewandten Hauptoberflächen eine korrosionsbeständige und elektrisch leitfähige Beschichtung.
Elektrochemische Zelle oder Stapel aus elektrochemischen Zellen mit einer oder mehreren MEAs und wenigstens einer Bipolarplatteneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Elektrochemische Zelle oder elektrochemischer Zellstapel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten im Umfassungsbereich eine Teilplatten-zugewandte Seite aufweisen und eine Teilplatten-abgewandte Seite, die einer MEA zugewandt ist, und dass die Mittel zum Abdichten mit ihrer der MEA-zugewandten Seite an die MEA angrenzen.
Elektrochemische Zelle oder elektrochemischer Zellstapel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten mit ihrer der MEA zugewand ten Seite an die PEM der MEA angrenzen.
Mittel zum Abdichten in elektrochemischen Zellen oder Zellstapeln mit einem ersten und einem zweiten Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich in einer Öffnung platziert werden kann und diese Öffnung dabei abdichtet und der zweite Bereich den Randbereich der Öffnung umfasst und von anderen Bauteilen der elektrochemischen Zelle oder des Zellstapels beabstandet.
Mittel zum Abdichten nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich eine in das Öffnungsinnere gerichtete Kraft auf die Öffnung ausübt und die Begrenzung der Öffnung zumindest im Randbereich verbindet.
Mittel zum Abdichten nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Abdichten eine Dichtung ist, vorzugsweise ein oder mehrere Dichtungsringe und/oder eine Dichtungsmasse, jedoch keine Fügestelle.
Mittel zum Abdichten nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Abdichten ein Polymer ist, bevorzugt ein Elastomer.
Mittel zum Abdichten nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zum Teil aus einem polymeren Material bestehen, bevorzugt ein perfluoriertes oder Si-haltiges Polymer, besonders bevorzugt Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein Silicon.