JP2015211036A - Bipolar plate for electrolysis cell or fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a bipolar plate for an electrolysis cell or fuel cell; a cooling device for an electrolysis cell or fuel cell; and an electrolysis cell and/or fuel cell.SOLUTION: A bipolar plate comprises at least one heat transporting pipe formed in contact with the bipolar plate and/or in the bipolar plate. A cooling device comprises: at least one bipolar plate, which is identical to the above bipolar plate; and a heat exchanger connected to the at least one heat transporting pipe of the at least one bipolar plate. One of an electrolysis cell and a fuel cell or a combination thereof comprises: at least one bipolar plate identical to the above one, or a cooling device identical to the above one; and/or at least one heat transporting pipe disposed in the vicinity of the only one bipolar plate of the electrolysis cell or fuel cell, or at least one of the bipolar plates.

Description

本発明は、電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレートに関する。本発明は、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置にも関する。さらに本発明は、電解セルおよび／または燃料電池に関する。   The present invention relates to a bipolar plate for an electrolytic cell or a fuel cell. The invention also relates to a cooling device for electrolysis cells or fuel cells. The invention further relates to an electrolysis cell and / or a fuel cell.

従来技術から、電解セルまたは燃料電池内で使用されるバイポーラプレートが公知である。ここでこのバイポーラプレートは、しばしば、フローフィールドプレート（flow-field plates）とも称される。通常、バイポーラプレートには、少なくとも一つのメアンダ状のチャネル／メアンダ状の溝が形成されている。バイポーラプレートが備え付けられている電解セルまたは燃料電池の動作時に、このチャネル／溝を通って、気体または液体の媒体が案内される。気体または液体の媒体は、しばしば、電解セルまたは燃料電池によって行われる反応の反応物（Edukt）である。この反応物は同時に、冷媒として使用される。このようにして、動作時に生じる廃熱による、電解セルまたは燃料電池の過熱を阻止することが可能である。   From the prior art, bipolar plates used in electrolysis cells or fuel cells are known. Here, this bipolar plate is often also referred to as flow-field plates. Usually, the bipolar plate is formed with at least one meander channel / meander groove. During operation of an electrolysis cell or fuel cell equipped with a bipolar plate, a gas or liquid medium is guided through this channel / groove. Gaseous or liquid media are often reactants (Edukt) of reactions performed by electrolysis cells or fuel cells. This reactant is simultaneously used as a refrigerant. In this way, it is possible to prevent overheating of the electrolysis cell or the fuel cell due to waste heat generated during operation.

独国特許出願公開公報第ＤＥ１０２０１２０１９６７８Ａ１号（特許文献１）には、バイポーラプレートユニット用のフローフィールドプレートが記載されている。このバイポーラプレートユニットには、反応物／反応剤を案内するためのチャネルも、付加的に使用される冷媒を案内するためのチャネルも形成されている。さらに、フローフィールドプレートの支持壁内には、負荷軽減チャネルが形成されている。この負荷軽減チャネルを用いて、氷形成時のフローフィールドプレートの破れが阻止可能である。   German Patent Application Publication No. DE 10 201 19 678 A1 (Patent Document 1) describes a flow field plate for a bipolar plate unit. The bipolar plate unit is formed with a channel for guiding the reactant / reactant and a channel for guiding the additional coolant. Furthermore, a load reducing channel is formed in the support wall of the flow field plate. This load reducing channel can be used to prevent tearing of the flow field plate during ice formation.

独国特許出願公開公報第ＤＥ１０２０１２０１９６７８Ａ１号German Patent Application Publication No. DE1020119678A1

本発明は、電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレート、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置および電解セルおよび／または燃料電池を提供することを、目的とする。   An object of the present invention is to provide a bipolar plate for an electrolytic cell or a fuel cell, a cooling device for the electrolytic cell or a fuel cell, and an electrolytic cell and / or a fuel cell.

上記の課題は、電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレートであって、バイポーラプレートに接して、および／または、バイポーラプレート内に、少なくとも一つの熱輸送管が形成されている、ことを特徴とする、電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレートによって解決される。また、上記の課題は、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置であって、上記の少なくとも一つのバイポーラプレートと、少なくとも一つのバイポーラプレートの少なくとも一つの熱輸送管に結合されている熱交換器とを有している、ことを特徴とする、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置によって解決される。また、上記の課題は、上記の少なくとも一つのバイポーラプレートまたは上記の冷却装置を有している、ことを特徴とする電解セルおよび／または燃料電池によって解決される。また、上記の課題は、少なくとも一つのバイポーラプレートを有している電解セルおよび／または燃料電池であって、電解セルまたは燃料電池の唯一のバイポーラプレートの近傍または電解セルまたは燃料電池の複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍に、少なくとも一つの熱輸送管が配置されている、ことを特徴とする電解セルおよび／または燃料電池によって解決される。   The above object is a bipolar plate for an electrolytic cell or a fuel cell, wherein at least one heat transport pipe is formed in contact with and / or in the bipolar plate. Solved by bipolar plates for electrolytic cells or fuel cells. In addition, the above-described problem is a cooling device for an electrolytic cell or a fuel cell, wherein the at least one bipolar plate, and a heat exchanger coupled to at least one heat transport pipe of the at least one bipolar plate, It is solved by a cooling device for electrolytic cells or fuel cells, characterized in that Moreover, said subject is solved by the electrolytic cell and / or fuel cell characterized by having said at least 1 bipolar plate or said cooling device. Another object of the present invention is to provide an electrolytic cell and / or fuel cell having at least one bipolar plate, in the vicinity of the only bipolar plate of the electrolytic cell or fuel cell or a plurality of bipolar cells of the electrolytic cell or fuel cell. This is solved by an electrolysis cell and / or a fuel cell, characterized in that at least one heat transport tube is arranged in the vicinity of at least one bipolar plate of the plates.

バイポーラプレートの一つの実施形態の概略図Schematic of one embodiment of a bipolar plate 電解セルまたは燃料電池の概略図Schematic diagram of electrolysis cell or fuel cell

発明の利点
少なくとも一つの熱輸送管（Waermerohr）が、接しておよび／または内部に形成されている本発明のバイポーラプレートの装備によって、バイポーラプレートを含んでいる電解セルまたは燃料電池を、従来技術と比べて、むらなく冷却することが可能になる。これに相応して、唯一のバイポーラプレートまたは複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍に少なくとも一つの熱輸送管が配置されている本発明の電解セルまたは燃料電池の場合にも、電解セルまたは燃料電池のむらのない冷却が保証される。 Advantages of the Invention By virtue of the bipolar plate of the present invention in which at least one heat transport tube (Waermerohr) is formed in contact and / or within, an electrolytic cell or fuel cell comprising a bipolar plate is Compared to this, cooling can be performed evenly. Correspondingly, in the case of an electrolysis cell or fuel cell according to the invention in which at least one heat transport pipe is arranged in the vicinity of at least one bipolar plate or a single bipolar plate. Uniform cooling of the electrolysis cell or fuel cell is ensured.

両方のケースにおいて、電解セルまたは燃料電池の体積全体、殊にバイポーラプレートの面積全体にわたって、むらのない冷却が実現される。これによって、それぞれのバイポーラプレートのフローフィールド（flow fields）の入力端と出力端との間に温度差も生じない。このようにして、それぞれの電解セルまたは燃料電池の体積全体にわたって、（近似的に）同じ温度が存在することが保証可能である。これによって、それぞれの電解セルまたは燃料電池にわたってむらのない電流密度も実現される。この結果、それぞれの電解セルまたは燃料電池の、より低い劣化速度とより長い寿命が得られる。   In both cases, uniform cooling is achieved over the entire volume of the electrolysis cell or fuel cell, in particular over the area of the bipolar plate. As a result, there is no temperature difference between the input and output ends of the flow fields of each bipolar plate. In this way it can be ensured that the same temperature exists (approximately) over the entire volume of the respective electrolysis cell or fuel cell. This also achieves a uniform current density across each electrolysis cell or fuel cell. This results in a lower degradation rate and longer life for each electrolytic cell or fuel cell.

上の段落に記載した利点は、バイポーラプレートに接しておよび／またはバイポーラプレート内に形成された少なくとも一つの熱輸送管に加えて、または、唯一のバイポーラプレート／複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍に配置された熱輸送管に加えて、さらに、他の冷却部材／冷媒を用いることなく、実現可能である。さらに、本発明のバイポーラプレートを使用する場合には、電解セルまたは燃料電池によって行われる／行われるべき化学反応の少なくとも一種類の反応物を、バイポーラプレート／電解セルまたは燃料電池を冷却するために使用する必要がない。反応物の流れが冷却のために必要ではなくなったので、バイポーラプレートを通る、少なくとも一種類の反応物の体積流量は比較的少なくてよい。これによって、本発明のバイポーラプレートの構造様式はコンパクトになる。なぜなら、少なくとも一種類の反応物の流れが案内される少なくとも一つのチャネル／少なくとも一つの溝がより小さく／より幅狭くなるからである、ないしは、流れを最適化可能だからである。殊に、従来は、脱イオン水による冷却を必要としていた電気分解システム／燃料電池システムの場合には、システム全体の構造様式も簡易になる。なぜなら、調達すべき水が格段に少なくなり、ひいては、それほど多くのコンポーネントが脱イオン水と接触しないからである。このような場合には、脱イオン水はしばしば攻撃的であり、時として成分がその中に溶けるので、本発明を用いることで、点食の危険性も確実に除去することができる。   The advantages described in the above paragraphs are in addition to at least one heat transport tube formed on and / or in the bipolar plate, or at least one of the bipolar plate / bipolar plates. In addition to the heat transport pipes arranged in the vicinity of one bipolar plate, this is possible without using other cooling members / refrigerants. Furthermore, when using the bipolar plate of the present invention, at least one reactant of a chemical reaction performed / to be performed by the electrolytic cell or fuel cell is used to cool the bipolar plate / electrolytic cell or fuel cell. There is no need to use it. Since the reactant flow is no longer needed for cooling, the volumetric flow rate of at least one reactant through the bipolar plate may be relatively low. This makes the structure of the bipolar plate of the present invention compact. This is because at least one channel / at least one groove through which at least one reactant flow is guided is smaller / narrower, or the flow can be optimized. In particular, in the case of an electrolysis system / fuel cell system that conventionally requires cooling with deionized water, the structure of the entire system is simplified. This is because much less water has to be procured, and so many components do not come into contact with deionized water. In such cases, deionized water is often aggressive and sometimes the ingredients dissolve in it, so the present invention can also reliably remove the risk of pitting.

従来では、冷媒として使用される、バイポーラプレートを流れる少なくとも一種類の反応物の流量の低減は、（少なくとも一種類の反応物を案内するために組み込まれているチャネルの入力端と出力端との間での）温度の拡がりを大きくしてしまうが、本発明ではこのような問題は無い。従って本発明のバイポーラプレートでは、少なくとも一種類の反応物の流れの流量を１／１００まで低減することができる。   Conventionally, a reduction in the flow rate of at least one reactant flowing through a bipolar plate, used as a refrigerant, has been achieved (with the input and output ends of a channel built in to guide at least one reactant). However, the present invention does not have such a problem. Therefore, in the bipolar plate of the present invention, the flow rate of the flow of at least one kind of reactant can be reduced to 1/100.

例えば、少なくとも一つの熱輸送管は、少なくとも一つのヒートパイプおよび／または少なくとも一つの二相熱サイフォンを含んでいる。これによって、少なくとも一つの熱輸送管に対して低コストの実施例が使用可能である。これは比較的容易に、バイポーラプレートに接しておよび／またはバイポーラプレート内に構成可能である（本発明の電解セルおよび／または燃料電池の唯一のバイポーラプレートまたは複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍にも、少なくとも一つの熱輸送管である、少なくとも一つのヒートパイプおよび／または少なくとも一つの二相熱サイフォンを配置することが可能である）。   For example, the at least one heat transport tube includes at least one heat pipe and / or at least one two-phase thermosyphon. This allows a low cost embodiment to be used for at least one heat transport tube. This is relatively easily configurable in contact with and / or within the bipolar plate (at least one of the sole bipolar plate or the plurality of bipolar plates of the electrolysis cell and / or fuel cell of the invention). It is also possible to arrange at least one heat pipe, at least one heat pipe and / or at least one two-phase thermosyphon, in the vicinity of the bipolar plate).

有利な実施形態では、バイポーラプレートに付加的に、少なくとも一つのメアンダ状のチャネルが形成されている。このチャネルを通って、少なくとも一種類の気体または液体の媒体が案内可能である。少なくとも一種類の気体または液体の媒体は、電解セルまたは燃料電池によって実行される／実行されるべき化学反応の少なくとも一種類の反応物および／またはこの化学反応の少なくとも一種類の生成物であり得る。従って、この少なくとも一種類の反応物および／またはこの少なくとも一種類の生成物は、容易におよび確実に、電解セルまたは燃料電池内に導入される、および／または、電解セルまたは燃料電池から導出される（本発明の電解セルおよび／または燃料電池の唯一のバイポーラプレートまたは複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍にも、少なくとも一つの、このようなメアンダ状のチャネルを配置することができる）。   In an advantageous embodiment, at least one meander channel is additionally formed in the bipolar plate. Through this channel, at least one gaseous or liquid medium can be guided. The at least one gaseous or liquid medium may be at least one reactant of a chemical reaction carried out / to be carried out by an electrolysis cell or a fuel cell and / or at least one product of this chemical reaction. . Thus, the at least one reactant and / or the at least one product is easily and reliably introduced into and / or derived from the electrolysis cell or fuel cell. (At least one such meandering channel is also arranged in the vicinity of at least one bipolar plate of the electrolysis cell and / or the fuel cell of the present invention. Can do).

有利には、（本発明のバイポーラプレートまたは本発明の電解セルまたは燃料電池の）少なくとも一つの熱輸送管は、少なくとも一種類の冷媒によって充填されている。（本発明のバイポーラプレートまたは本発明の電解セルまたは燃料電池の）少なくとも一つの熱輸送管に、例えば、少なくとも一種類の冷媒として二酸化炭素、Ｒ４１０ａ（ＡＳＨＲＡＥ（米国冷凍空調学会）分類）、水および／アルコールを充填することができる。従って、多数の有利な冷媒を、本発明のバイポーラプレートおよび本発明の電解セルまたは燃料電池の冷却に用いることができる。   Advantageously, at least one heat transport tube (of the bipolar plate of the invention or of the electrolysis cell or fuel cell of the invention) is filled with at least one kind of refrigerant. At least one heat transport tube (of the bipolar plate of the present invention or the electrolytic cell or fuel cell of the present invention), for example, carbon dioxide, R410a (ASHRAE (American Society of Refrigeration and Air Conditioning) classification), water, and at least one refrigerant / Alcohol can be filled. Accordingly, a number of advantageous refrigerants can be used to cool the bipolar plate of the present invention and the electrolytic cell or fuel cell of the present invention.

有利な実施形態では、バイポーラプレートは能動側面を有している。この能動側面は、電解セルまたは燃料電池内にバイポーラプレートを配置した後に、他方のバイポーラプレートの方へ向かって配向されており、かつ、少なくとも一つの熱輸送管は、能動側面に対して垂直に、バイポーラプレートを通って延在する。これは、バイポーラプレート、ないしは、バイポーラプレートが備えられている電解セルまたは燃料電池のむらのない冷却を可能にする。   In an advantageous embodiment, the bipolar plate has an active side. This active side is oriented towards the other bipolar plate after the bipolar plate is placed in the electrolysis cell or fuel cell, and at least one heat transport tube is perpendicular to the active side , Extending through the bipolar plate. This allows for uniform cooling of the bipolar plate or the electrolytic cell or fuel cell in which the bipolar plate is provided.

別の有利な実施形態では、少なくとも一つの熱輸送管は、この能動側面に対して平行に、バイポーラプレートを通って延在している。この場合にも、少なくとも一つの熱輸送管を用いて、バイポーラプレートの／電解セルまたは燃料電池の有利なむらのない冷却が保証される。   In another advantageous embodiment, the at least one heat transport tube extends through the bipolar plate parallel to the active side. Again, at least one heat transport tube is used to ensure advantageous uniform cooling of the bipolar plate / electrolysis cell or fuel cell.

上で挙げた利点は、少なくとも一つの相応するバイポーラプレートと、少なくとも一つのバイポーラプレートの少なくとも一つの熱輸送管に結合されている熱交換器とを含んでいる、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置の場合にも実現される。   The advantages listed above include cooling for an electrolysis cell or fuel cell comprising at least one corresponding bipolar plate and a heat exchanger coupled to at least one heat transport tube of the at least one bipolar plate. It is also realized in the case of a device.

相応に、これらの利点は、少なくとも一つのこのようなバイポーラプレートまたは対応する冷却装置を有している電解セルおよび／または燃料電池の場合にも保証されている。   Correspondingly, these advantages are also guaranteed in the case of electrolysis cells and / or fuel cells having at least one such bipolar plate or corresponding cooling device.

さらに、少なくとも一つのバイポーラプレートと、電解セルまたは燃料電池の唯一のバイポーラプレートの近傍または複数のバイポーラプレートのうちの少なくとも一つのバイポーラプレートの近傍に配置されている少なくとも一つの熱輸送管とを有している電解セルおよび／または燃料電池も、上述した利点を実現する。電解セルおよび／または燃料電池も、本発明のバイポーラプレートの上述した特徴のうちの幾つかの特徴を有し得る。   In addition, it has at least one bipolar plate and at least one heat transport pipe arranged in the vicinity of the sole bipolar plate of the electrolysis cell or fuel cell or in the vicinity of at least one of the bipolar plates. The electrolytic cell and / or the fuel cell that is provided also realize the advantages described above. Electrolytic cells and / or fuel cells may also have some of the above-described features of the bipolar plate of the present invention.

本発明の他の特徴および利点を以降で、図面に基づいて説明する。   Other features and advantages of the present invention are described below with reference to the drawings.

図１は、バイポーラプレートの１つの実施形態の概略図を示している。   FIG. 1 shows a schematic diagram of one embodiment of a bipolar plate.

図１に概略的に示されているバイポーラプレート１０は、フローフィールドプレート（flow-field plate）とも称される。バイポーラプレート１０は、電解セル内にも、燃料電池内にも組み込み可能である。殊に、バイポーラプレート１０は、しばしばＰＥＭスタック（プロトン交換膜スタック）とも称されるＰＥＭ（プロトン交換膜）電池内に組み込まれる。化学反応の実行および／または電流生成のための、セルと称される他の電気化学的構成部材内へ組み込みにも、バイポーラプレート１０は適している。   The bipolar plate 10 schematically shown in FIG. 1 is also referred to as a flow-field plate. The bipolar plate 10 can be incorporated in an electrolytic cell or a fuel cell. In particular, the bipolar plate 10 is incorporated in a PEM (proton exchange membrane) cell, often referred to as a PEM stack (proton exchange membrane stack). The bipolar plate 10 is also suitable for incorporation into other electrochemical components called cells for performing chemical reactions and / or generating current.

バイポーラプレート１０に接して、および／または、バイポーラプレート１０内に、少なくとも一つの熱輸送管１２が形成されている（少なくとも一つの熱輸送管１２を有するバイポーラプレート１０は、これによって、コンパクトなユニットを形成する）。少なくとも一つの熱輸送管１２とは、媒体／冷媒の気化熱を利用して高い熱流量密度を可能にする熱輸送体のことである。従って、少なくとも一つの熱輸送管１２の比較的小さい横断面に、大きい熱量を搬送することができる。例えば、少なくとも一つの熱輸送管１２は、少なくとも一つのヒートパイプおよび／または少なくとも一つの二相熱サイフォンを含み得る。殊に、ここに挙げられた、少なくとも一つの熱輸送管１２の実施例では、媒体／冷媒の搬送は全体的に、付加的な機械的補助手段、例えばポンプ（循環ポンプ）を用いずに、行うことが可能である。従って、少なくとも一つの熱輸送管１２を用いたバイポーラプレート１０の確実な冷却によって、エネルギーがより節約される。さらに、少なくとも一つの熱輸送管１２をバイポーラプレート１０に装備する場合には、これによって省かれるポンプ、例えば循環ポンプのためのコストを省くことができる。   At least one heat transport pipe 12 is formed in contact with and / or within the bipolar plate 10 (the bipolar plate 10 having at least one heat transport pipe 12 is thereby a compact unit. Form). The at least one heat transport pipe 12 is a heat transport body that uses a heat of vaporization of the medium / refrigerant to enable a high heat flow density. Accordingly, a large amount of heat can be conveyed to a relatively small cross section of at least one heat transport pipe 12. For example, the at least one heat transport tube 12 may include at least one heat pipe and / or at least one two-phase thermosiphon. In particular, in the embodiment of the at least one heat transport pipe 12 mentioned here, the transport of the medium / refrigerant is totally without the use of additional mechanical auxiliary means such as pumps (circulation pumps). Is possible. Thus, more energy is saved by positive cooling of the bipolar plate 10 using at least one heat transport tube 12. Further, when the bipolar plate 10 is equipped with at least one heat transport pipe 12, the cost for a pump that is omitted, for example, a circulation pump, can be saved.

通常、各バイポーラプレート１０に対して、一つの能動側面１４が定められる。この能動側面は、このバイポーラプレート１０を電解セルまたは燃料電池内に配置した後に、他方のバイポーラプレートおよび／または半透膜の方へ向いているように配向されている。能動側面１４を、反応相手側面とも書き換えることができる（バイポーラプレート１０を電解セルまたは燃料電池内に配置した後に、この他方のバイポーラプレートおよび／または半透膜とは反対の側に配向される側は、しばしば、受動側面１６と称される）。図１の実施形態では、バイポーラプレート１０は、複数の熱輸送管１２を有している。これらの熱輸送管は、能動側面１４に対して平行に（かつ、受動側面１６に対して平行に）、バイポーラプレート１０を通って延在している。少なくとも一つの熱輸送管１２が、能動側面１４に対して垂直に（かつ、受動側面１６に対して垂直に）、バイポーラプレート１０を通って延在している場合にも、バイポーラプレート１０の所望の、むらのない冷却が可能である。   Usually, for each bipolar plate 10, one active side 14 is defined. This active side is oriented so that it is directed towards the other bipolar plate and / or semipermeable membrane after the bipolar plate 10 is placed in the electrolysis cell or fuel cell. The active side surface 14 can also be rewritten as the reaction partner side surface (the side that is oriented opposite to the other bipolar plate and / or semipermeable membrane after the bipolar plate 10 is placed in the electrolytic cell or fuel cell) Is often referred to as the passive side 16). In the embodiment of FIG. 1, the bipolar plate 10 has a plurality of heat transport tubes 12. These heat transport tubes extend through the bipolar plate 10 parallel to the active side 14 (and parallel to the passive side 16). Even if the at least one heat transport tube 12 extends through the bipolar plate 10 perpendicularly to the active side 14 (and perpendicular to the passive side 16), the desired of the bipolar plate 10 Even cooling is possible.

図１に示されている熱輸送管の数、５は、解釈のための単なる例である。バイポーラプレート１０の熱輸送管１２の数は、単に、バイポーラプレート１０のむらのない冷却が少なくとも一つの熱輸送管１２を用いて実現されているように選択される。   The number of heat transport tubes, 5 shown in FIG. 1, is merely an example for interpretation. The number of heat transport tubes 12 of the bipolar plate 10 is selected so that even cooling of the bipolar plate 10 is achieved using at least one heat transport tube 12.

有利には、バイポーラプレート１０には（少なくとも一つの熱輸送管１２に対して付加的に）、少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８が形成されている。このメアンダ状のチャネル１８を通って、少なくとも一種類の気体または液体の媒体が導かれる。少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８は、少なくとも一つのメアンダ状の溝とも称される。この少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８（ないしは少なくとも一つのメアンダ状の溝）を通って、電解セルまたは燃料電池によって実行可能な／実行されるべき化学反応の反応物および／またはこの化学反応の少なくとも一種類の生成物が、少なくとも一種類の気体または液体の媒体として搬送可能であるまたは排出可能である。例えば、少なくとも一種類の気体の媒体または液体の媒体である酸素および／または水をこの少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８を通じて導くことが可能である。この少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８は、少なくとも一つのチャネル入力端（反応物入力端／生成物入力端）２０および／または少なくとも一つのチャネル出力端（反応物出力端／生成物出力端）２２を有し得る。   Advantageously, at least one meander channel 18 is formed in the bipolar plate 10 (in addition to the at least one heat transport tube 12). Through this meander channel 18 at least one gaseous or liquid medium is directed. The at least one meander channel 18 is also referred to as at least one meander groove. Through this at least one meandering channel 18 (or at least one meandering groove), the reactants of the chemical reaction that can / can be carried out by the electrolytic cell or the fuel cell and / or at least of this chemical reaction One type of product can be transported or discharged as at least one gaseous or liquid medium. For example, oxygen and / or water, which are at least one gaseous or liquid medium, can be directed through the at least one meander channel 18. The at least one meandering channel 18 includes at least one channel input end (reactant input end / product input end) 20 and / or at least one channel output end (reactant output end / product output end) 22. Can have.

このように有利に、バイポーラプレート１０に少なくとも一つの熱輸送管１２を設けることによって、少なくとも一種類の気体または液体の媒体（これは、少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８を通って案内可能である）を、バイポーラプレート１０の冷却のために用いる必要がなくなる。従って既に、冷媒の必要な最低流速を下回る、少なくとも一種類の媒体の流速で十分である。相応に、少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８の幅を、より狭くすることもできる。   Thus, advantageously, by providing the bipolar plate 10 with at least one heat transport tube 12, it can be guided through at least one gas or liquid medium (which can be guided through at least one meander channel 18. ) Need not be used for cooling the bipolar plate 10. Thus, already, a flow rate of at least one medium below the minimum required flow rate of the refrigerant is sufficient. Correspondingly, the width of the at least one meander channel 18 can be made narrower.

少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８を通って導かれる媒体を用いてバイポーラプレート１０を冷却する必要がないことの利点は、（ほぼ）同じ温度がチャネル入力端２０とチャネル出力端２２とに存在する、ということである。従って、電解セルまたは燃料電池（例えばＰＥＭスタック）の劣化を場所によって異ならせてしまうことがある、チャネル入力端２０とチャネル出力端２２との間で頻繁に生じる従来の温度の拡がり（１０ケルビンまで）を甘んじて受け入れる必要はない。さらに、チャネル入力端２０とチャネル出力端２２とで温度が等しいので、イオンに対する等しい拡散レートが得られる。ここから、各箇所に存在する電流の均一性も得られる。従って、局部的に高い電流が同様に、バイポーラプレート１０のより強い局部的な加熱を生じさせてしまうリスクがなくなる。これに相応して、局部的に高い電流が、電解セルまたは燃料電池（例えばＰＥＭスタック）の局部的に進んだ劣化を引き起こすこともない。   The advantage of not having to cool bipolar plate 10 with a medium guided through at least one meander channel 18 is that (almost) the same temperature exists at channel input end 20 and channel output end 22. ,That's what it means. Therefore, the conventional temperature spread that frequently occurs between the channel input end 20 and the channel output end 22 (up to 10 Kelvin), which can cause degradation of electrolytic cells or fuel cells (eg, PEM stacks) from place to place. ) Need not be accepted. Furthermore, since the temperatures at the channel input end 20 and the channel output end 22 are equal, an equal diffusion rate for ions is obtained. From this, the uniformity of the current present at each location is also obtained. Thus, there is no risk that a locally high current will cause stronger local heating of the bipolar plate 10 as well. Correspondingly, locally high currents do not cause localized degradation of the electrolytic cell or fuel cell (eg PEM stack).

従来では、電解セルまたは燃料電池の動作時には、その中で最も高温の箇所が電解セルまたは燃料電池の寿命を決め、電解セルまたは燃料電池の実行可能な動作モードに影響を与えるのに対し、少なくとも一つの熱輸送管１２によるバイポーラプレート１０の冷却を用いる場合には、各電解セルまたは燃料電池に対して、有利に長い寿命および比較的遅い劣化速度が得られる。さらに、電解セルまたは燃料電池の比較的低温の箇所が、それらの能力を下回って使用されることを甘んじて受け入れる必要がない。従って、少なくとも一つの熱輸送管１２によるバイポーラプレート１０のむらのない冷却を用いて、電解セルまたは燃料電池の効率が改善される。これは、必要なセル面積／電解セルまたは燃料電池の必要な構築スペースの低減に寄与し得る。従って、少なくとも一つの熱輸送管１２によるバイポーラプレートの有利な冷却を用いて、電解セルまたは燃料電池をむらなく、十分に利用することによって、電解セルシステムまたは燃料電池システムをより小さくかつより軽量にすることができる。このようなシステムは殊に、モバイルの用途に有利に使用可能である。   Conventionally, when an electrolysis cell or fuel cell is operating, the hottest point in it determines the life of the electrolysis cell or fuel cell and affects the viable mode of operation of the electrolysis cell or fuel cell, whereas at least When using cooling of the bipolar plate 10 by a single heat transport tube 12, an advantageously long life and a relatively slow degradation rate are obtained for each electrolysis cell or fuel cell. Furthermore, it is not necessary to accept that the relatively cold spots of the electrolysis cell or fuel cell are used below their capacity. Thus, the uniform cooling of the bipolar plate 10 by at least one heat transport tube 12 is used to improve the efficiency of the electrolysis cell or fuel cell. This can contribute to a reduction in the required cell area / electrolysis cell or the required building space for the fuel cell. Therefore, by using the advantageous cooling of the bipolar plate by the at least one heat transport tube 12 to make full use of the electrolysis cell or fuel cell, the electrolysis cell system or fuel cell system can be made smaller and lighter. can do. Such a system can be used particularly advantageously for mobile applications.

有利には、少なくとも一つの熱輸送管１２は少なくとも一種類の冷媒によって充填されている。例えば、少なくとも一つの熱輸送管１２は、少なくとも一種類の冷媒である二酸化炭素、Ｒ４１０ａ、水および／またはアルコールで充填され得る。ここに挙げた全ての冷媒は、バイポーラプレート１０のむらのない、確実な冷却を保証する。バイポーラプレート１０の確実な冷却のために、他の冷媒も、少なくとも一つの熱輸送管１２内で使用可能である、ということに留意されたい。冷媒として水を用いることは容易に実行可能であり、完全に安全である。さらに、少なくとも一つの熱輸送管１２（ないしは、熱輸送管１２に接続されている二相冷却循環）内の数ミリバールの低圧は容易に調整可能である。従って、水の沸点を数℃まで低減させることが可能である。しかし多くの用途の場合、例えば、（２００℃までの温度を有する）高温ＰＥＭセル／高温ＰＥＭスタック内でバイポーラプレート１０を使用する場合、水である冷媒に負圧をかける必要はない。   Advantageously, at least one heat transport tube 12 is filled with at least one kind of refrigerant. For example, at least one heat transport tube 12 may be filled with at least one refrigerant, carbon dioxide, R410a, water and / or alcohol. All the refrigerants listed here ensure uniform and reliable cooling of the bipolar plate 10. It should be noted that other refrigerants can also be used in the at least one heat transport tube 12 for reliable cooling of the bipolar plate 10. Using water as a refrigerant is easily feasible and completely safe. Furthermore, a low pressure of several millibars in at least one heat transport pipe 12 (or a two-phase cooling circuit connected to the heat transport pipe 12) can be easily adjusted. Therefore, it is possible to reduce the boiling point of water to several degrees Celsius. However, for many applications, for example, when using bipolar plate 10 in a high temperature PEM cell / high temperature PEM stack (having a temperature up to 200 ° C.), it is not necessary to apply a negative pressure to the coolant, which is water.

図１の実施形態では、熱交換器２４が、図示のバイポーラプレート１０の少なくとも一つの熱輸送管１２に結合されている。この少なくとも一つの熱輸送管１２の各一方の終端は第１の集合部分２６を介して熱交換器２４に接続され、各他方の終端は第２の集合部分２８を介して熱交換器２４に接続される。従ってバイポーラプレート１０と熱交換器２４と（場合によっては、集合部分２６、２８と）によって、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置が形成される。   In the embodiment of FIG. 1, a heat exchanger 24 is coupled to at least one heat transport tube 12 of the illustrated bipolar plate 10. One end of each of the at least one heat transport pipe 12 is connected to the heat exchanger 24 via the first collective portion 26, and the other end of the at least one heat transport pipe 12 is connected to the heat exchanger 24 via the second collective portion 28. Connected. Thus, the bipolar plate 10 and the heat exchanger 24 (and in some cases the collective portions 26, 28) form a cooling device for the electrolysis cell or fuel cell.

殊に集合部分２６および２８を用いて、冷却装置は、圧力が等しい、閉じられたシステムとして実現可能であり、従って、全ての熱輸送管１２内で等しい圧力が保たれている。冷媒は、この閉じられたシステム内で二相混合物として存在し得る。例えば、冷媒は、第１の集合部分２６と少なくとも一つの熱輸送管１２内では液体であり、第２の集合部分２８と熱交換器２４内では気体で存在している。   In particular, with the collecting parts 26 and 28, the cooling device can be realized as a closed system with equal pressure, so that equal pressure is maintained in all the heat transport tubes 12. The refrigerant can exist as a two-phase mixture in this closed system. For example, the refrigerant is liquid in the first collective portion 26 and at least one heat transport pipe 12, and is present in gas in the second collective portion 28 and heat exchanger 24.

圧力が等しい、閉じられたこのシステムにおいて、熱交換器２４内の熱が放出可能であり、これによって、熱交換器内の冷媒の凝縮が起こる。冷媒のこの凝縮によって熱交換器２４内で局部的な圧力低下が生じ、これによって気体の冷媒が少なくとも一つの第１の集合部分２６および／または少なくとも一つの熱輸送管１２から流れ込む。少なくとも一つの熱輸送管１２では、これに続いて、熱交換器２４内で凝縮されたのと同じ量の冷媒が蒸発する。圧力が等しい、閉じられたシステム内では、冷媒は常に、最も高温の箇所で蒸発する、ということが特に強調されるべきである。従ってこのような機構によって、バイポーラプレート１０の全面にわたって、自動的に同じ温度が生じる。   In this closed system of equal pressure, the heat in the heat exchanger 24 can be released, which causes condensation of the refrigerant in the heat exchanger. This condensation of refrigerant causes a local pressure drop in the heat exchanger 24, whereby gaseous refrigerant flows from the at least one first collecting portion 26 and / or at least one heat transport tube 12. In the at least one heat transport pipe 12, this is followed by evaporation of the same amount of refrigerant that has been condensed in the heat exchanger 24. It should be particularly emphasized that in a closed system of equal pressure, the refrigerant always evaporates at the hottest point. Therefore, the same temperature is automatically generated over the entire surface of the bipolar plate 10 by such a mechanism.

圧力が等しい、閉じられたこのシステムでは、熱輸送のために電気的な駆動エネルギーも必要とされない。その代わりに、熱輸送は、上述した機構を用いて自動的に行われる。さらに、自動的に生じるこの熱輸送は、従来の冷却循環における熱輸送より約１００倍速い。なぜなら、蒸発点と凝縮点との間の決定的な圧力差が、選択された冷媒の音速で、等しくなるように補償されるからである。   In a closed system with equal pressure, no electrical drive energy is required for heat transport. Instead, heat transport is performed automatically using the mechanism described above. Moreover, this heat transfer that occurs automatically is about 100 times faster than heat transfer in conventional cooling circulation. This is because the critical pressure difference between the evaporation point and the condensation point is compensated to be equal at the sound speed of the selected refrigerant.

図２は、電解セルまたは燃料電池の概略図を示している。   FIG. 2 shows a schematic diagram of an electrolysis cell or a fuel cell.

図２に示された電解セルまたは燃料電池は、ＰＥＭセル／ＰＥＭスタック（プロトン交換膜スタック）と称される。この電解セルまたは燃料電池は、少なくとも一つの膜５０を含んでいる。この膜は水素イオンを通す。水素イオンを通すこの膜５０は、２つの電極５２の間に配置されている。さらに、電解セルまたは燃料電池は２つのバイポーラプレート１０を有している。各バイポーラプレート１０は、電極５２の、水素イオンを通す膜５０の側とは反対側にある面に配置されている。   The electrolysis cell or fuel cell shown in FIG. 2 is referred to as a PEM cell / PEM stack (proton exchange membrane stack). The electrolytic cell or fuel cell includes at least one membrane 50. This membrane allows hydrogen ions to pass through. This membrane 50 for passing hydrogen ions is arranged between two electrodes 52. Furthermore, the electrolytic cell or fuel cell has two bipolar plates 10. Each bipolar plate 10 is disposed on the surface of the electrode 52 on the side opposite to the side of the membrane 50 through which hydrogen ions pass.

少なくとも一つのバイポーラプレート１０に、少なくとも一つの、集積された（図示されていない）熱輸送管１２を設けることができる。ここでこの熱輸送管１２は、バイポーラプレート１０に接して、および／または、バイポーラプレート１０内に、形成されている。例えば、バイポーラプレート１０としての図１の実施形態を、電解セルまたは燃料電池内に組み込むことができる。しかし択一的に、電解セルまたは燃料電池の複数のバイポーラプレート１０のうちの少なくとも一つのバイポーラプレート１０の近傍に、少なくとも一つの（図示されていない）熱輸送管１２を配置することもできる。殊に、この少なくとも一つの熱輸送管１２は、バイポーラプレート１０と少なくとも一つの熱輸送管１２とが電解セルまたは燃料電池内で本質的にコンパクトなサブユニットを形成することなく、各バイポーラプレート１０を接触接続させることができる。従って、少なくとも一つの熱輸送管１２を、バイポーラトランジスタ１０に接して／バイポーラトランジスタ１０内に、集積しなくても、上述の利点を実現することが可能である。   At least one bipolar plate 10 can be provided with at least one integrated (not shown) heat transport tube 12. Here, the heat transport pipe 12 is formed in contact with the bipolar plate 10 and / or in the bipolar plate 10. For example, the embodiment of FIG. 1 as a bipolar plate 10 can be incorporated into an electrolytic cell or fuel cell. Alternatively, however, at least one (not shown) heat transport pipe 12 may be disposed in the vicinity of at least one of the bipolar plates 10 of the electrolytic cell or the fuel cell. In particular, the at least one heat transport tube 12 is provided for each bipolar plate 10 without the bipolar plate 10 and the at least one heat transport tube 12 forming an essentially compact subunit in the electrolysis cell or fuel cell. Can be contact-connected. Therefore, the above-described advantages can be realized without integrating at least one heat transport pipe 12 in contact with / in the bipolar transistor 10.

水素イオンに対する膜５０の透過を、電気分解を実行するため、または、燃料電池機能を実行するために、利用することができる。電気分解を実行するために、電極５２には通常、電圧が印加される。印加された電圧は、例えば分子（例えば水分子）の単原子への分解に利用される。この場合には、カソードにカチオン（例えば、水素イオン／水素原子）が集まり、アニオン（例えば酸素イオン／酸素原子）がアノードに付着する（反応物として脱イオン水を少なくとも一つのメアンダ状のチャネル１８を介してバイポーラプレート１０に供給することができる）。   The permeation of membrane 50 for hydrogen ions can be utilized to perform electrolysis or to perform a fuel cell function. In order to perform electrolysis, a voltage is usually applied to the electrode 52. The applied voltage is used for, for example, decomposition of a molecule (for example, water molecule) into a single atom. In this case, cations (eg, hydrogen ions / hydrogen atoms) gather at the cathode, and anions (eg, oxygen ions / oxygen atoms) adhere to the anode (deionized water as a reactant is at least one meander channel 18). To the bipolar plate 10).

燃料電池機能を実行するために、種々の反応物が電極５２に供給される。例えば、アノードには水素が注入され、カソードには酸素が供給される。この場合には、水素イオンは膜５０を通って移動し、反応して、カソードで水となる。アノードで自由になった電子は電流を生成する。この電流は、電気機器の動作に利用可能である。   Various reactants are supplied to the electrode 52 to perform the fuel cell function. For example, hydrogen is injected into the anode and oxygen is supplied to the cathode. In this case, hydrogen ions move through the membrane 50 and react to become water at the cathode. The electrons released at the anode generate a current. This current can be used for the operation of the electrical device.

図２に概略的に示されたセルによる電気分解の実行時にも、燃料電池機能の実行時にも、電極５２と膜５０との間に廃熱が生じる。この廃熱は２つのプロセスにおいて、膜５０、電極５２およびこの電極５２に結合されている接触接続部の電気抵抗を克服しなければならない電流が原因で生じる（下降する熱出力は、電流強度の２乗と電気抵抗の積から生じる）。さらに、燃料電池動作時に、行われている発熱反応のエネルギーが付加的な熱として放出される。しかし、少なくとも一つのバイポーラプレート１０の近傍に配置されているか、または、複数のバイポーラプレート１０のうちの一つのバイポーラプレート１０の中に集積されている少なくとも一つの熱輸送管１２を用いて、両方のケースにおいて、電解セルまたは燃料電池のむらのない冷却を保証することができる。従って、自身の温度が上昇することによって生じる電解セルまたは燃料電池の損傷を懸念する必要はない。   Waste heat is generated between the electrode 52 and the membrane 50 both when performing electrolysis with the cell schematically shown in FIG. 2 and when performing the fuel cell function. This waste heat occurs in two processes due to the current that must overcome the electrical resistance of the membrane 50, electrode 52, and contact connection coupled to this electrode 52 (decreasing heat output is a measure of current intensity. Resulting from the product of squared and electrical resistance). Furthermore, during the operation of the fuel cell, the energy of the exothermic reaction being performed is released as additional heat. However, both using at least one heat transport tube 12 disposed in the vicinity of at least one bipolar plate 10 or integrated in one of the plurality of bipolar plates 10. In this case, uniform cooling of the electrolytic cell or the fuel cell can be ensured. Therefore, there is no need to worry about the damage of the electrolysis cell or the fuel cell caused by its own temperature rise.

１０ バイポーラプレート、 １２ 熱輸送管、 １４ 能動側面、 １６ 受動側面、 １８ メアンダ状のチャネル、 ２０ チャネル入力端、 ２２ チャネル出力端、 ２４ 熱交換器、 ２６ 第１の集合部分、 ２８ 第２の集合部分、 ５０ 膜、 ５２ 電極   10 Bipolar Plate, 12 Heat Transport Tube, 14 Active Side, 16 Passive Side, 18 Meander-shaped Channel, 20 Channel Input End, 22 Channel Output End, 24 Heat Exchanger, 26 First Assembly Portion, 28 Second Assembly Part, 50 membranes, 52 electrodes

Claims (10)

電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレート（１０）であって、
前記バイポーラプレート（１０）に接して、および／または、前記バイポーラプレート（１０）内に、少なくとも一つの熱輸送管（１２）が形成されている、
ことを特徴とする、電解セルまたは燃料電池用のバイポーラプレート（１０）。 A bipolar plate (10) for an electrolysis cell or a fuel cell,
At least one heat transport pipe (12) is formed in contact with and / or within the bipolar plate (10),
A bipolar plate (10) for an electrolytic cell or a fuel cell, characterized in that 前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）は、少なくとも一つのヒートパイプおよび／または少なくとも一つの二相熱サイフォンを含んでいる、請求項１記載のバイポーラプレート（１０）。   The bipolar plate (10) according to claim 1, wherein the at least one heat transport tube (12) comprises at least one heat pipe and / or at least one two-phase thermosyphon. 前記バイポーラプレート（１０）に、付加的に、少なくとも一つのメアンダ状のチャネル（１８）が形成されており、当該メアンダ状のチャネル（１８）を通って少なくとも一種類の気体または液体の媒体が案内される、請求項１または２記載のバイポーラプレート（１０）。   In addition, at least one meander channel (18) is formed in the bipolar plate (10), through which at least one gas or liquid medium is guided through the meander channel (18). The bipolar plate (10) according to claim 1 or 2, wherein: 前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）に、少なくとも一種類の冷媒が充填されている、請求項１から３までのいずれか一項記載のバイポーラプレート（１０）。   The bipolar plate (10) according to any one of claims 1 to 3, wherein the at least one heat transport pipe (12) is filled with at least one kind of refrigerant. 前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）に、前記少なくとも一種類の冷媒として、二酸化炭素、Ｒ４１０ａ、水および／またはアルコールが充填されている、請求項４記載のバイポーラプレート（１０）。   The bipolar plate (10) according to claim 4, wherein the at least one heat transport pipe (12) is filled with carbon dioxide, R410a, water and / or alcohol as the at least one refrigerant. 前記バイポーラプレート（１０）は能動側面（１４）を有しており、当該能動側面（１４）は、当該バイポーラプレート（１０）を前記電解セルまたは燃料電池内に配置した後に、他方のバイポーラプレート（１０）の方を向いているように配向されており、
前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）は、前記能動側面（１４）に対して垂直に、前記バイポーラプレート（１０）を通って延在している、請求項１から５までのいずれか一項記載のバイポーラプレート（１０）。 The bipolar plate (10) has an active side surface (14), and the active side surface (14) is disposed on the other bipolar plate (10) after the bipolar plate (10) is disposed in the electrolytic cell or the fuel cell. 10) oriented so as to face towards
The at least one heat transport tube (12) extends through the bipolar plate (10) perpendicular to the active side (14). The bipolar plate (10) as described. 前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）は、前記能動側面（１４）に対して平行に、前記バイポーラプレート（１０）を通って延在している、請求項１から５までのいずれか一項記載のバイポーラプレート（１０）。   The at least one heat transport tube (12) extends through the bipolar plate (10) parallel to the active side (14). The bipolar plate (10) as described. 電解セルまたは燃料電池用の冷却装置であって、
請求項１から７までのいずれか一項記載のバイポーラプレート（１０）を少なくとも１つ有しており、
さらに、前記少なくとも一つのバイポーラプレート（１０）の前記少なくとも一つの熱輸送管（１２）に結合されている熱交換器（２４）を有している、
ことを特徴とする、電解セルまたは燃料電池用の冷却装置。 A cooling device for an electrolysis cell or a fuel cell,
Having at least one bipolar plate (10) according to any one of claims 1 to 7,
And a heat exchanger (24) coupled to the at least one heat transport tube (12) of the at least one bipolar plate (10).
A cooling device for an electrolysis cell or a fuel cell. 請求項１から７までのいずれか一項記載の、少なくとも一つのバイポーラプレート（１０）または請求項８記載の冷却装置を有している、
ことを特徴とする電解セルおよび／または燃料電池。 Having at least one bipolar plate (10) according to any one of claims 1 to 7 or a cooling device according to claim 8;
An electrolytic cell and / or a fuel cell. 少なくとも一つのバイポーラプレート（１０）を有している電解セルおよび／または燃料電池であって、
前記電解セルまたは燃料電池の唯一のバイポーラプレート（１０）の近傍または前記電解セルまたは燃料電池の複数のバイポーラプレート（１０）のうちの少なくとも一つのバイポーラプレート（１０）の近傍に、少なくとも一つの熱輸送管（１２）が配置されている、
ことを特徴とする電解セルおよび／または燃料電池。 An electrolytic cell and / or a fuel cell having at least one bipolar plate (10),
At least one heat in the vicinity of the only bipolar plate (10) of the electrolysis cell or fuel cell or in the vicinity of at least one bipolar plate (10) of the plurality of bipolar plates (10) of the electrolysis cell or fuel cell. A transport pipe (12) is arranged,
An electrolytic cell and / or a fuel cell.
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