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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, der nicht aus der Metallfolie geformt werden kann, wird durch angepasste zusätzliche Ausgleichselemente wie z. B. Elastomerdichtungen gebildet. 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. Als Stand der Technik zu geprägten, beidseitig gefrästen wie auch von zusammengesetzten zweiteiligen Bipolarplatten sind die Bauarten nach
EP 1 511 102 A2 ,
US 2004/0166393 A1 und
EP 0 355 420 A1 bekannt. Andere Entwicklungen setzen durch formgebende Verfahren wie z. B. Prägen, Tiefziehen oder durch wirkmedienbasierte Umformverfahren (Hydroforming) hergestellte 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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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausführungsform einer Bipolarplatte aus nur einer einzigen umgeformten Metallfolie anzugeben, die dennoch beiderseitig eine durchströmbare Kanalstruktur ausbildet, wodurch die Herstellung der Bipolarplatte vereinfacht und deren Gewicht reduziert wird. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst:
Werden aus einer Metallfolie heraus wechselseitig zu beiden Seiten der Folie in komplementärer Weise 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 dem eben verbliebenen Metallfolienbereich beidseitig aufgesetzten Höhenausgleichselementen. Diese stellen für die Trennschichten zumindest am Rand der Bipolarplatte eine ebene Dichtungsfläche für das Anpressen der Membran zur Verfügung. Die aus Gewichtsgründen sehr schmal gehaltenen Höhenausgleichselemente ergänzen damit die metallischen Bauteile und bilden die notwendigen Distanzstücke zwischen der nicht mit Kanälen ausgeformten, eben verbliebenen Metallfolie 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 (Symmetrieachse) angeordnet sein. Diese dem Schachbrettmuster folgend, wechselnd nach vorne und hinten aus der Metallfolie ausgeformten Kanaleinläufe (Einlauflaschen) sind symmetrisch zur Symmetrieachse angeordnet. Die Einläufe eines jeden Kanalendes werden in gleicher Richtung wie der Kanal selber 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. Der von vorne gebildete nach hinten geprägte Kanal hat Einlauftaschen die ebenso nach hinten geformt wurden. Der auf der Rückseite des gleichen Bleches gebildete, in komplementärer Weise nach vorne geprägte Kanal, 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 der gleichen Metallfolie 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 her 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 hegen 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 Bipolarplatte aus einer Metallfolie (8). Der Übersicht halber sind die Kanäle eckig eingezeichnet. Die kreuzschraffierten Bereiche (1) kennzeichnen die nicht mit Kanälen ausgeformten Bereiche der Metallfolie. Der nach vorne ausgeformte Kanal (2) ist einfach schraffiert dargestellt. Der nach hinten aus der Metallfolie 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 in der Metallfolie (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 die eben verbliebenden Metallfolie (1), der 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 der Metallfolie und der 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 Bipolarplatte aus einer umgeformten Metallfolie, 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 in der Bipolarplatte (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 Metallfolie (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 nicht verformten Metallfolie (1) aus 1 entsprechen. Diese Ausgleichselemente werden beiderseitig auf die umgeformte Metallfolie (8) aufgesetzt, und bilden damit den Höhenausgleich zwischen den eben verbliebenen Metallfolienbereichen (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 der Bipolarplatte aufgenommen werden können. Zum anderen bilden die Ausgleichselemente (7, 7') aber auch die in der Metallfolie (8) fehlenden Seitenflächen der inneren wie der äußeren Kanalstruktur, die nicht durch die Metallfolie (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 die umgeformte Metallfolie (8) angespritzt werden, so dass direkt einbaufertige Bipolarplatten entstehen.
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5 zeigt eine räumliche Ansicht der umgeformten Metallfolie (8) aus 1. Die Bezeichnungen stimmen dabei mit denen aus 1 überein. Grob punktiert sind die unverformten, eben verbliebenen Metallfolienbereiche (1). Etwas feiner punktiert ist die nach vorne (oben) ausgeprägte Kanalstruktur (2) der Rückseite dieser Metallfolie (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 Bipolarplatte aus einer umgeformten Metallfolie (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 einer weiteren gedrehten Metallfolie (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. Der äußere umschließende unverformte, eben verbliebene Metallfolienbereich (1) ist hier zur besseren Anschauung ohne Schraffur gekennzeichnet worden.
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6_2 zeigt die um 180° Grad gedrehte umgeformte Metallfolie (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, eben verbliebenen Metallfolienbereiche (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 Bipolarplatte aus einer umgeformten Metallfolie 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 Bipolarplatte (8) nach Patentanspruch, die für jedes zugeführte Gas je 3 Versorgungsbohrungen und damit 3 Kanäle pro Metallfolienseite bereitstellt. Die Klappachse ist wieder mit (6) gekennzeichnet. Durch diese Anordnung kann eine hohe Überdeckung der Kanäle in den geraden Bereichen erzielt werden. Die nicht verformte, eben verbliebene Metallfolie 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 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 der verwendeten Metallfolie angepasst werden, damit die Folie 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 Bipolarplatte (8) aus einer umgeformten Metallfolie mit den schachbrettartig angeordneten Versorgungsbohrungen (4', 5') in den nach vorne und hinten aus der hier eben verbliebenen Metallfolie (1) ausgeformten Einlauftaschen im Zentrum der Zelle (8). Analoges gilt ebenso für die im Außenbereich angeordneten Einlauftaschen (4, 5), die ebenso schachbrettartig nach vom 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 den eben verbliebenen Metallfolienbereichen (1) aufgesetzten Höhenausgleichselemente bereitgestellt, die mit diesen Flächenbereichen (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.
