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Die
Erfindung beschreibt die Bauart von metallischen Bipolarplatten
für die
Verwendung in PEM-Brennstoffzellen-Stacks, deren Kanäle überwiegend
durch die Formgebung einer metallischen Folie entstehen. Der fehlende
Teil der notwendigen Kanalführung
wird durch entsprechend angepasste zusätzliche Ausgleichselemente
wie z.B. Elastomerdichtungen erzeugt. Durch diese Ausführungsart kann
eine metallisch, sehr einfach hergestellte und sehr leichte Bipolarplatte
erstellt werden.
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Bisherig
werden Bipolarplatten häufig
aus Graphit gefräst
oder aus einem Graphit – Compound durch
Spritzgießen
hergestellt. Bei diesen Verfahren können beiderseitig beliebige
Kanalformen eingebracht werden, da die Kanalstruktur der einen Seite die
andere Seite nicht beeinflusst. Andere Entwicklungen setzen durch
formgebende Verfahren wie z.B. Prägen, Tiefziehen oder durch
wirkmedienbasierte Umformverfahren (Hydroforming) metallische Bipolarplatten
in der Brennstoffzelle ein. Die hier notwenigen Kanäle zur Führung des
Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs werden dazu bisher einseitig in zwei
metallische Folien eingebracht. Da die Rückseite einer derart umgeformten
Folie keine brauchbare Kanalführung
aufweist, bedingt diese Bauart die Verwendung von zwei dieser gegenseitig
zusammengesetzten Einzelplatten, so dass nun beiderseitig der einen
Bipolarplatte die notwendigen Kanalstrukturen vorhanden sind. Soll
nur ein umgeformtes Blech verwendet werden, bedingt die von der
einen Seite eingebrachte Form direkt auch die Form der Gegenseite.
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Dieses
Problem wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst:
Werden
aus einer mittleren Blechebene heraus wechselnd nach vorne und nach
hinten ausgeformte Kanäle
ausgebildet, die spiralförmig
das Zentrum der Bipolarplatte umschlingen, wird eine zu beiden Seiten
dieses einen Bleches gleiche Kanalstruktur erzeugt. Die Kanäle, die
nicht durch die umschlingende, aneinanderliegende Anordnung aus
dem Blech selbst eine beidseitige Kanalwand erhalten haben, erhalten
die fehlende Seitenwand durch die auf der mittleren Blechebene beidseitig
aufgesetzten Höhenausgleichselemente.
Diese stellt für
die Trennschichten zumindest am Rand der Bipolarplatte eine ebene Dichtungsfläche für das Anpressen
der Membran zur Verfügung.
Die aus Gewichtsgründen
so klein wie möglich
gehaltenen Höhenausgleichselemente
ergänzen
damit die metallischen Bauteile und bilden die notwendigen Distanzstücke zwischen
unverformter metallischer Mittelebene und in der Regel der Gasdiffusionsschicht,
die auf den Kanälen
zur Querverteilung der Gase aufgesetzt wird.
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Die
vertieften Einlauftaschen und die hier eingebrachten Bohrungen für die Einströmung der Gase
müssen
spiegelsymmetrisch zu einer frei definierten Klappachse angeordnet
sein. Diese dem Schachbrettmuster folgend, wechselnd nach vorne und
hinten ausgeformten Kanaleinläufe
finden durch die Spiegelsymmetrie dieser Vertiefungsanordnung ihren
gegensinnig geformten Einlauf auf der gegenüberliegenden Seite der Klappachse.
Die Einläufe
eines jeden Kanalendes werden in gleicher Richtung ausgeformt, müssen aber
nicht unbedingt die gleiche Tiefe wie der davon abgehende Kanal
aufweisen. Die Einläufe
können
gegenüber
den restlichen Kanälen auch
weiter vertieft ausgeführt
werden, so dass eine Gasdiffusionsschicht in der Bipolarplatte auf
den Kanälen
integriert werden kann. Die von vorne gebildete nach hinten geprägte Kanalnut
hat Einlauftaschen die ebenso nach hinten geformt wurden. Die auf
der Rückseite
des gleichen Bleches gebildete, nach vorne geprägte Nut, weist nach vorne geformte
Einlauftaschen auf. Die Zuführung
bzw. Abführung
der beiden Reaktionsgase, erfolgt durch die jeweils dafür vorgesehenen
Einlass- und Auslasstaschen, die durch den gesamten Brennstoffzellen-Stack
(Summe aller Membran-Elektroden-Einheiten
(MEA) und Bipolarplatten) durchgehenden Versorgungsbohrungen bilden.
In diesen Taschen werden Dichtungsringe eingesetzt, die einseitig
mit Unterführungen
versehen sind, um die Gase aus der Bohrung über die vertieften Einlauftaschen
in die Kanäle
zu führen
und das betreffende Gas über
eine ebene Andruckfläche am
Dichtungsring an der Trennschicht (Membran) abzudichten. Das durchströmende Gas
hat damit bis auf die Tunneldurchführung die volle Querschnittsfläche des
Kanals zur Verfügung,
so dass kaum Druckverluste durch die Strömungsführung entstehen. Diese in den
vertieft liegenden Ein- und Auslauftaschen angeordneten Dichtungsringe
können
auch direkt in den Höhenausgleichselementen,
die in der Regel ebenso aus Kunststoff hergestellt werden, integriert werden.
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Die
beidseitig des gleichen Bleches ausgeformten Kanäle, können dabei so gegeneinander ausgerichtet
werden, dass sich Nuten und Stege an der Membran gegenüber liegen.
Damit kann auf der einen Seite des Kanals der Wasserstoff und auf
der anderen Seite der Sauerstoff (Luft) direkt bis an die Membran
geführt
werden, was durch den hier stattfindenden verbesserten Gasaustausch
zu einer stärkeren
Reaktion an der Membran führt.
Nur in den Eckbereichen überkreuzen
sich die Kanäle,
wenn die Grundstruktur der Kanäle
eine eckige Spiral- oder Mäanderformen
beschreibt. Für
kreisförmige
Spiralen kann diese Kanalüberdeckung
nicht erreicht werden. Hier liegen die beiderseitigen durch die
Membran getrennten Kanalnuten immer verschneidend gegenüber.
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Mit
dieser Bauweise entfallen für
die metallische Bipolarplatte die sonst zusätzlichen Fügemaßnahmen, die Herstellung wird
vereinfacht und das Gewicht des metallischen Teils der Bipolarplatte
wird auf die Hälfte
reduziert.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren
näher erläutert, die
folgendes zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Ausbildung der metallischen Bipolarplatte aus
einer Folie (8). Der Übersicht
halber sind die Kanäle
eckig eingezeichnet. Die kreuzschraffierten Bereiche (1)
kennzeichnen die mittlere Blechebene. Der nach vorne ausgeformte
Kanal (2) ist einfach schraffiert dargestellt. Der noch
hinten ausgeformte Kanal (3) ist ohne Schraffur eingezeichnet.
Die beiden wechselseitig ausgeformten Kanäle beginnen im Kernbereich
der Bipolarplatte und werden spiralförmig umschlingend nach außen geführt. Der
Kanalanfang und das Kanalende mit den zugehörigen Bohrungen (5, 5') bzw. der Anfang und
das Ende (4, 4')
des rückseitig
im Blech (8) ausgeprägten
Kanals münden
in Einlauftaschen die ebenso wie die Kanäle in gleicher Richtung wechselseitig
hier für
eine vereinfachte Darstellung auf gleiche Tiefe nach vorne bzw.
nach hinten ausgeprägt sind.
Diese Einlauftaschen grenzen dabei hier an eine mittlere Blechebene
(1), die ebenso die gesamte Kanalstruktur umschließt.
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2 zeigt
einen skizzenhaften Querschnitt durch die Bohrungen aus 1.
Die dicke Linie stellt die Ausformung des Bleches und die Lage der
Bohrungen im Ein- und Auslauf (4, 4', 5, 5') dar. Linksseitig
auf der umgeformten Kanalstruktur (8) ist die höhenausgleichenden
Dichtung (7) kreuzschraffiert dargestellt. Rechtsseitig
ist die zweite aufgesetzte Dichtung mit (7') bezeichnet. In den Einlauftaschen mit
den Bohrungen (4, 4', 5, 5') sind hier
vorteilhafte Ringstücke
(9) eingesetzt, die eine tunnelartige Unterführung aufweisen,
so dass ein durch die Versorgungsbohrungen strömendes Gas (G) zwischen Blech
und Tunneldecke in den Kanal strömen
kann. Mit diesen Einsatzstücken
(9) können
zum einen die Gase (G1, G2) gezielt in die Kanäle geführt werden – zum anderen bilden diese
Bauteile aber auch eine ebene Ringfläche, die zur Abdichtung an
der Membran (10) benötigt
wird.
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3 zeigt
eine weitere metallische Bipolarplatte aus einer umgeformten Folie,
die um die Achse (6) aus 1 um 180° Grad gedreht
wurde und von hinten getrennt durch die Membran sowie weitere Zwischenschichten
(10) auf die erste Bipolarplatte aus 2 aufgesetzt
wird. Die obere Bohrung (4) aus 1 und 2 liegt
nun in 3 unten. Analog kommt die untere Bohrung (5)
jetzt in 3 oben zu liegen. Die Kanalstruktur
im Blech (8')
ist damit ebenso um 180° geklappt.
Die Bohrungen (4, 4', 5, 5') aus 2 und 3 liegen
exakt aufeinander, so dass sich durchgehende Versorgungskanäle für die Gase G1
und G2 bilden. Die Gase G1 und G2 bleiben dennoch sauber durch die
Zwischenschichten (10) (Membran sowie weitere eingesetzte
Gasdiffusionsschichten) voneinander getrennt. Betrachtet man 3 und 2 von
rechts her, so durchströmt
vor der metallischen Bipolarplatte immer das Gas G2 und hinter der
gleichen metallischen Platte (8') immer das Gas G1 die beiderseitigen
Kanäle
in der einen umgeformten Folie. Durch die jeweilige Drehung einer
jeden zweiten Bipolarplatte (8) kann diese Gasanordnung
immer beibehalten werden, so dass damit ein beliebig vielschichtiger
Brennstoffzellenstack aufgebaut werden kann.
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4 zeigt
die zu 1 bis 3 passenden vorteilhaften beiderseitigen
Dichtungen (7, 7'), die
in der Regel der Grundrissform der Mittelebene (1) aus 1 entsprechen.
Diese Ausgleichselemente werden beiderseitig auf das umgeformte Blech
(8) aufgesetzt, und bilden damit den Höhenausgleich zwischen Mittelebene
(1) und der durch die ausgeformten Kanäle gebildeten beidseitigen
Außenflächen der
Bipolarplatte. Auch am Rand dieser beidseitigen Höhenausgleichselemente
wird damit ein ebener Dichtkragen erzeugt, auf der die Trennschichten
(10) bzw. die Membran für
eine ebene Randabdichtung angepresst werden können. Dieser ebene umschließende Randkragen
kann, hier nicht eingezeichnet, auch beidseitig weiter vorstehen,
so dass weitere Einsätze
wie die Gasdiffusionsschichten in er Bipolarplatte aufgenommen werden
können. Zum
anderen bilden die Ausgleichselemente (7, 7') aber auch
die im Blech (8) fehlenden Seitenflächen der inneren wie der äußeren Kanalstruktur,
die nicht durch das Blech (8) selber gebildet werden können. Mit
dem schematisch dargestellten und nicht zwingend so beschaffenen
Einlaufeinsätzen
(9) deren Bauhöhe
sich aus dem Abstand zu den abzudichtenden Trennschichten (10)
ergibt, können
die Dichtungen (7, 7') immer gleich aufgebaut werden.
Es ist jedoch auch möglich,
diese Einsätze
(9) direkt in die Dichtungen (7, 7') zu integrieren.
Auch können
diese Dichtungen (7, 7', 9) direkt bei der Herstellung
an das umgeformte Blech (8) angespritzt werden, so dass
direkt einbaufertige Bipolarplatten entstehen.
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5 zeigt
eine räumliche
Ansicht des umgeformten Bleches (8) aus 1.
Die Bezeichnungen stimmen dabei mit denen aus 1 überein. Grob
punktiert sind die mittleren Ebenen (1). Etwas feiner punktiert
ist die nach vorne (oben) ausgeprägte Kanalstruktur (2)
der Rückseite
dieses Bleches (8). Die nach hinten (unten) ausgebildete
Kanalnut (3) ist wieder ohne Punktierung dargestellt. Die
angedeutete Linie (6) zeigt die Lage der Drehachse für die weitere
anzusetzende gleich ausgebildete Bipolarplatte. Die Vertiefungen
an den Bohrungen (5, 5') legen sich nach Drehung um 180° Grad auf
die vorstehenden Einlauftaschen der Bohrung (4, 4'), so dass je
Bohrung (5, 5', 4, 4') immer alle
vertieften Einlauftaschen die gleiche Ausrichtung aufweisen.
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6.1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer
metallischen Bipolarplatte aus einerumgeformten Folie (8),
in der ein Doppelmäander
ausgebildet ist. Jeder Kanal weist auch hier mindestens eine eigene
Versorgungsbohrung auf. Die spiegelsymmetrische Anordnung der Bohrungen
(5 mit 4 bzw. 5' mit 4') mit den jeweiligen Abständen A und
B bezogen auf die Drehachse (6), erlaubt die passgenaue
Anordnung eines weiteren gedrehten Bleches (8'), so dass die
Versorgungsbohrungen weiterer angesetzter Bipolarplatten aufeinander
liegen. Die Anzahl der Windungen und die relative Lage der Außenbohrungen
zu den betreffenden Innenbohrungen spielt für die Passgenauigkeit keine
Rolle. Wichtig sind nur die Abstände
A und B sowie die schachbrettähnliche, spiegelbildliche
Anordnung der wechselnd nach vorne und hinten ausgeformten Versorgungsbohrungen (5 mit 4 und 5' mit 4') bezogen auf
die Drehachse (6). Die sehr eng angeordneten Kanaleinläufe im Zentrum
der Bipolarplatte bilden hier nahezu keine Mittelebene mehr aus,
womit die stromerzeugende Fläche optimal
ausgenutzt ist. Die äußere umschließende Mittelebene
(1) ist hier zur besseren Anschauung ohne Schraffur gekennzeichnet
worden.
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6_2 zeigt die um 180° Grad gedrehte umgeformte Folie
(8) aus 1, die hier mit (8') bezeichnet
wurde. Die beiden in 6_1 nach vorne ausgeformten
Kanäle
der Rückseite
(2) wurden in 2 ebenso schraffiert eingezeichnet,
obwohl sie nach der Drehung nun nicht mehr nach vorne sondern jetzt
nach hinten ausgeformt sind.
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6_3 zeigt nun die Art der Überdeckung der über die
Zwischenlagen im Kontakt stehenden Kanäle, wenn 6_2 auf 6_1 gelegt wird. Bis auf die Eckbereiche
liegen sich die Kanalnuten nur durch die Zwischenlagen getrennt
gegenüber,
wodurch die Aktivität
zwischen Sauerstoff und Wasserstoff an der Membran in diesen Bereichen
erhöht wird.
Die einfach schraffierten Bereiche der hinteren nach vorne ausgeprägten Kanalstruktur
(2) aus 6_1 liegen mit der
vorderen geklappten Bipolarplatte (8') aus 6_2 mit
den nach hinten ausgeprägten
Kanälen
an den kreuzschraffierten Bereichen gegenüber.
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6_4 zeigt die hier sehr kleinen Dichtungen
(7, 7')
die beidseitig zur Randabdichtung sowie zum Höhenausgleich der mittleren
Ebene (1) aus 6_1 benötigt werden.
Der räumlich
und nicht maßstäblich dargestellte
Einlaufeinsatz (9) ist der Form der Ein- bzw. Auslauflauftasche
angepasst und zeigt wieder die tunnelartige Durchführung für die Reaktionsgase.
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7 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
metallische Bipolarplatte aus einer umgeformten Folie nach Patentanspruch,
deren Kanalstruktur kreisförmig
ohne gerade Abschnitte erstellt wurde. Die in 6_3 dargestellte
streckenweise Überdeckung
der Kanäle,
kann hier aufgrund der Kreisform nicht erzielt werden. Vielmehr
schneiden sich die Kanäle
aus mehreren dieser jeweils gedrehten Bipolarplatten in einem stetigen
zu- und abnehmenden Verhältnis.
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8 zeigt
eine vorteilhafte metallische Bipolarplatte (8) nach Patentanspruch,
die für
jedes zugeführte
Gas je 3 Versorgungsbohrungen und damit 3 Kanäle pro Blechseite bereitstellt.
Die Klappachse ist wieder mit (6) gekennzeichnet. Durch
diese Anordnung kann eine hohe Überdeckung
der Kanäle
in der geraden Bereichen erzielt werden. Die mittlere Ebene im Innenbereich
(1) ist hier für
eine verbesserte Übersicht
sehr groß gehalten.
Diese Fläche
müsste
für eine
verbessere Stromerzeugung weiter verkleinert werden.
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9 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung einer metallischen Bipolarplatte,
deren Kanäle
auch in den Kurvenbereichen immer gleich breit sind. Gerade für die Herstellbarkeit
mittels Präge-,
bzw. allgemeiner Umformverfahren wie z.B. das Hydroforming, dürfen die
Kanäle
keine scharfen Kanten aufweisen. Auch muss die Neigung der Kanalwände sowie
die Kanalbreite an das Umformvermögen des verwendeten Blechmaterials
(Metallfolie) angepasst werden, damit das Blech während der
Herstellung an keiner Stelle reißt und die Bipolarplatte für den Betrieb
eine dichte Trennung der Gase erzeugt.
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10 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der nach Patentanspruch
ausgeführten
metallischen Bipolarplatte (8) aus einer umgeformten Folie
mit den schachbrettartig angeordneten Versorgungsbohrungen (4', 5') in den nach
vorne und hinten aus der mittleren Ebene (1) ausgeformten
Einlauftaschen im Zentrum der Zelle (8). Analoges gilt
ebenso für
die im Außenbereich
angeordneten Einlauftaschen (4, 5), die ebenso
schachbrettartig nach vorn und hinten vertieft sind und in gleicher
Weise spiegelsymmetrisch zur Klappachse angeordnet sind. Die hier
dargestellte Kanalform umschlingt die vom Zentrum abgehenden, wechselnd
nach vorne und hinten ausgeformten Kanäle nicht nur in der gleichen
Drehrichtung, sondern bilden hier ebenso eine Mäanderform mit Richtungswechsel.
Die dabei innen wie außen
liegenden, nicht vollständig
aus der metallischen Folie gebildeten Kanalwände, werden durch die auf der
mittleren Blechebene aufgesetzten Höhenausgleichselemente bereitgestellt,
die mit der mittleren Ebene (1) einen nahezu identischen
Grundriss aufweisen. Dieser beidseitige Höhenausgleich übernimmt
dabei am Außenrand
und an den Bohrungen (wenn im Höhenausgleich
direkt integrierte Bauteile (9) aus 6 verwendet
werden) der Bipolarplatte durch die Bildung einer ebenen Dichtungsfläche das Abdichten
der im inneren der Zelle geführten
Gase. Die Dicke des Höhenausgleichs
im Inneren der Bipolarplatte kann an die tatsächlich zu überbrückende Dicke angepasst werden,
was auch von der Dicke der Zwischenlagen, der Dichtungslippen, zusätzlicher
Abstandhalter, wie der Gasdiffusionsschicht, abhängt. Zum Aufbau eines mehrschichtigen
Stacks (hintereinander gesetzte durch die Zwischenlagen getrennte
Bipolarplatten) können
mit der 180° Drehung
um die Klappachse immer die gleichen Bipolarplatten verwendet werden,
wenn jede Zweite derart gedreht angesetzt wird. Durch die Spiegelsymmetrie mit
den Maßen
A und B liegen alle Versorgungsbohrungen genau aufeinander. Da durch
die Anordnung aller Bohrungsvertiefungen im Schachbrettmuster immer
eine vertiefte Einlauftasche auf eine erhöhte Einlauftasche geklappt
wird, sind nach 180° Drehung alle
Vertiefungen im Stack pro Einlauftasche in die gleich Richtung nach
vorne bzw. nach hinten ausgeprägt,
was eine Grundbedingung für
die Funktion dieser Bipolarplatten nach Patentanspruch darstellt.