DE102005057045A1

DE102005057045A1 - Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102005057045A1
Application number: DE102005057045A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. Blank (FH); Thomas Dipl.-Ing. Kunick (FH); Markus Dipl.-Ing. Schudy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: US20090325036A1; DE102005057045B4; WO2007062639A2; WO2007062639A3; US8158299B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte (11, 12) sowie einem durch die Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13), mit einem randseitig angeordneten Fluidportbereich (55) mit wenigstens einem Fluidport (14, 14', 14''), über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten (30, 31) angeordneten Fluidkanälen (34, 34'') leitbar ist, sowie einem Verteilerbereich (29, 29''), über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen verteilbar ist, und einem Sammelbereich (50), über den das Fluid aus den Fluidkanälen (34) zu einem weiteren Fluidportbereich (56) wegleitbar ist. Erfindungsgemäß ist im Verteilerbereich (29, 29'') und/oder im Sammelbereich (50) wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen Stützstellen (41, 43) vorgesehen, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen (41, 43), innerhalb des Verteilerbereichs (29, 29'') und/oder des Sammelbereichs (50) neben jeder erhabenen Stützstelle (41, 43) eine gleichartige, negative Stützstelle (42, 44) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelleneinheit nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Für mobile Anwendungen von Brennstoffzellen ist eine Reduktion des Volumens notwendig, um die Größe der zu Brennstoffzellenstapeln zusammengefassten Brennstoffzellen den engen Bauraumverhältnissen in Fahrzeugen anzupassen und die Leistungsdichten zu optimieren. Das Volumen des Brennstoffzellenstapels wird im Wesentlichen durch die Höhe bzw. die Dicke der im Brennstoffzellenstapel verbauten Bipolarplatten bestimmt. Typischerweise sind diese für mobile Anwendungen zwischen 0,9 und 1,2 mm dick. Für nichtmobile Anwendungen sind auch größere Dicken möglich, da hier die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels weniger relevant ist. Eine typische Dicke einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) der Brennstoffzelle liegt bei etwa 0,5 mm. Somit sind etwa 65% der Zellblockhöhe des Brennstoffzellenstapels durch die Höhe der Bipolarplatten bestimmt. Es gibt daher Ansätze, die Höhe der Bipolarplatten weiter zu reduzieren, besonders im Bereich der so genannten Flowfieldkanäle, durch welche beispielsweise die Reaktionsfluide flächig an die Membran in der MEA herangeführt werden und Kühlfluid Reaktionswärme aus dem Membranbereich abführt.
Aus der Reduktion der Höhe der Bipolarplatten ergibt sich die Problematik, dass auch in Einströmbereichen der Fluide von den randseitig angeordneten Ports zu den eigentlichen Fluidkanälen, die Bauhöhe reduziert werden muss, um die Höhe der gesamten Bipolarplatte reduzieren zu können. Der Einströmbereich sollte einerseits einen möglichst kleinen Bauraum einnehmen, andererseits groß sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Fluide zu gewährleisten. Gleichzeitig muss der Einströmbereich eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen und eine Abstützung der MEA gewährleisten. Dies ist insbesondere für hohlgeprägte Bipolarplatten, etwa aus dünnen Metallplatten, problematisch, weil die Fluide sich in dem Einströmbereich kreuzen. Dies bedeutet, dass die Höhe des Einströmbereichs noch weiter reduziert werden muss.

Aus der Offenlegungsschrift DE 100 150360 A1 ist eine Bipolarplatte bekannt, bei der eine Kreuzung von Fluiden in dünnen Bipolarplatten realisiert ist, wobei ein Kühlfluid quer über eine rechtwinklig angeordnete Struktur der Gasführungskanäle geführt ist. Dabei kann die Kanaltiefe auf der Anoden- und Kathodenseite in den Bereichen reduziert werden, in denen sich das Kühlfluid kreuzt.

In der Offenlegungsschrift US 2002/0081477 A1 sind weitere Möglichkeiten aufgezeigt, wie Fluide quer, beispielsweise in einem Flussgeld mit parallel geführten Fluidkanälen verteilt werden können. Es wird dabei jeweils die Höhe des gegenüberliegenden Fluidkanals beschnitten, damit eine Querverbindung realisiert werden kann. Eine besondere Problematik stellt jedoch eine zusätzlich notwendige Kühlfluidverteilung neben der Gasverteilung in den Fluidkanälen dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte anzugeben, die eine geringe Bauhöhe ausweist und dabei besonders steif ausgebildet ist und zur Verteilung von drei Fluiden besonders geeignet ist. Ebenso soll ein Brennstoffzellenstapel mit einer geringen Bauhöhe angegeben werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Bipolarplatte zwei Teilplatten umfasst, ist in deren Verteilerbereich und/oder Sammelbereich wenigstens einer der Teilplatten eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen vorgesehen, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen, innerhalb des Verteilerbereichs und/oder des Sammelbereichs neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle eine gleichartige, negative Stützstelle ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen bildet. Es zeigt sich, dass die regelmäßige Anordnung der Stützstellen und Freiräume für eine Gleichverteilung eines durchströmenden Fluids in die Fluidkanäle der Bipolarplatte besonders günstig ist. Weiterhin ist die Abstützwirkung der Teilplatten untereinander verbessert bei gleichzeitiger Optimierung der Freiräume für das strömende Fluid. Besonders bei dünnen, hohlgeprägten metallischen Bipolarplatten bzw. Teilplatten tritt eine hervorragende Steifigkeit und Abstützung auf.

Ein Druckverlust kann minimiert werden, wenn die Stützstellen gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet sind. Durch die gerundete Form kann eine sanfte Umlenkung der Strömung erfolgen. Die Noppenform stellt strömungstechnisch eine günstige Formgebung dar. Die Form ist ferner günstig für eine Prägetechnik, die bei der Herstellung dünnster und stabiler Bipolarplatten vorteilhaft ist. Durch die verbesserte Festigkeit bzw. Steifigkeit der geprägten Bipolarplatte ist kein zusätzliches Bauteil zum Abstützen der Brennstoffzellenmembran bzw. der Membran-Elektrodeneinheit notwendig.

Eine vereinfachte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Stützstellen einen länglichen, ungefähr elliptischen Querschnitt aufweisen. Durch die daraus resultierende längliche Ausprägung der Stützstellen und Freiräume ergibt sich vorteilhaft eine Strömung mit Vorzugsrichtung. Bevorzugt sind benachbarte Stützstellen unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsrichtung erfährt. Diese Ausgestaltung ist besonders für Fluidports an den Ecken der Bipolarplatten geeignet, da eine bessere Verteilung besonders der entferntesten Fluidkanäle erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise sind die ellipsoiden Stützstellen eckennahen Fluidports zugeordnet.

Weisen direkt benachbarte positive und negative Stützstellen wenigstens eine durchgehende Flanke auf bilden und eine wabenartige Struktur, ergibt sich eine besonders steife, leicht zu prägende Bipolarplatte. Bei einer wabenartigen Struktur gehen die positiven und negativen Noppen direkt ineinander über. Im Extremfall, wenn kein Radius der Kanten notwendig wäre, würden die Noppen in dieser Ausgestaltung einen achteckigen Querschnitt annehmen. Vier Seiten würden in eine Schräge übergehen, die dann am anderen Ende in die jeweils benachbarte Noppe mit entgegengesetzter (negativer) Ausrichtung überginge. Die anderen vier Seiten würden an eine Schräge grenzen, die an der einen Seite in eine Ebene auf tiefem Niveau überginge und zur nächsten Noppe wieder ansteigen würde.

Eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung ergibt sich, wenn die Stützstellen und Freiräume fluidportnah zu einem zugeordneten Fluidport einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als fluidportfern. So können die Stützstellen in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah mit einem größeren Durchmesser ausgebildet sein als fluidportfern. Alternativ oder zusätzlich können die Stützstellen in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah dichter angeordnet sein als fluidportfern.

Eine Verbesserung der Gleichverteilung der Fluide kann erreicht werden, wenn die Strömung des Fluids im Verteilerbereich und/oder im Sammelbereich im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen bildet. Vorteilhaft verjüngen sich der Verteilerbereich und/oder der Sammelbereich in Strömungsrichtung.

Sind der Verteilerbereich und der Sammelbereich zueinander asymmetrisch ausgebildet, ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des jeweiligen Fluids auf die Fluidkanäle. Es sind weniger Stützstellen im verteilerbereich bzw. Sammelbereich notwenige, beispielsweise Noppen zwischen den Teilplatten und zwischen der Brennstoffzellenmembran bzw. MEA und der Bipolarplatte. Die mechanische Festigkeit ist erhöht. Weiterhin ist ein besserer Wasseraustrag aus dem Brennstoffzellenstapel möglich, beispielsweise bei Kaltstart des zugeordneten Brennstoffzellensystems. Der verteilerbereich und der Sammelbereich sollten sowenig Fläche einnehme wie möglich, da diese meist nicht zur elektrochemisch aktiven Fläche des Brennstoffzellenstapels gehören und somit die Leistungsdichte verschlechtern.

Besonders vorteilhaft weisen der Verteilerbereich und der Sammelbereich eine unterschiedliche Größe auf.

Vorteilhaft ist dafür auch, wenn der Verteilerbereich eine geringere Fläche auf der Teilplatte einnimmt als der Sammelbereich.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf wenigstens einer der Teilplatten eine Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, die einen Durchtritt des Fluids zwischen dem von den Teilplatten eingeschlossenen Innenraum und der jeweiligen Flachseite ermöglichen. Teilweise geschlossene Fluidführung erlaubt kompakte Bauweise und maximale Ausnutzung der Bauhöhe. Die Einleitung der Fluide vom Fluidport zum Verteilerbereich bzw. die Ableitung der Fluide aus den Fluidkanälen des Flow Field Bereichs zum Sammelbereich kann ohne Beeinflussung des Kanalquerschnitts sowie ohne Beeinträchtigung der Fluidseparation erfolgen.

Günstigerweise ist die Durchtrittsöffnung zwischen dem Fluidportbereich und dem Verteilerbereich und/oder zwischen dem Sammelbereich und dem ausgangsseitigen Fluidportbereich vorgesehen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine Fluidport von einer umlaufenden Dichtungsnut umgeben. Dadurch ist eine Realisierung durch Gestaltung umlaufender Dichtungsnuten an allen vorhandenen Fluidports mit Versatz der Nuten im Bereich der gewünschten Fluidzuleitung zwischen den beiden Teilplatten möglich. Der Versatz wird zweckmäßigerweise entsprechend den Kanaltiefen zur Gewährleistung eines minimal erforderlichen Kanalquerschnitts gewählt.

Verläuft die Dichtungsnut des Fluidports auf der einen Teilplatte wenigstens bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut des betreffenden Fluidports auf der anderen Teilplatte, kann beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet werden, da die Dichtungsnuten auf der einen Teilplatte von der benachbarten Teilplatte abgestützt werden können und umgekehrt.

Vorteilhafterweise ist die Dichtungsnut der einen Teilplatte durch eine Stützstruktur der anderen Teilplatte abgestützt. Die mechanische Abstützung der Dichtungsnuten erfolgt günstigerweise durch eine Strukturierung der angrenzenden Teilplatte. Besonders günstig kann dies durch hohlgeprägte Strukturen erfolgen. Es kann ein günstiger Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und minimal erforderlichem Kanalquerschnitt gefunden werden.

Eine zuverlässige Trennung der Fluide kann in einer Weiterbildung erreicht werden, wenn eine Schweißverbindung zum Verbinden der beiden Teilplatten sich außerhalb eines von Fluidport und Durchtrittsöffnung eingeschlossenen Bereichs befindet. Weiterhin wird eine umlaufende Dichtungsnut nicht beeinträchtigt.

Zweckmäßigerweise ist die Schweißverbindung angrenzend an die Durchtrittsöffnung zum Inneren der Teilplatten hin angeordnet.

Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten getrennt sind, weist wenigstens eine Bipolarplatte mit einem oder mehreren der vorstehen beschriebenen Merkmale auf.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf darauf beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
1a, b; in Draufsicht Ausschnitte aus einer ersten Teilplatte einer bevorzugten Bipolarplatte (a) und aus einer zweiten, der ersten Teilplatte zugeordneten Teilplatte (b),
2a, b; in transparenter Darstellung in Draufsicht einen Ausschnitt aus eine bevorzugte Bipolarplatte mit einer ersten und zweiten Teilplatte (a) und ein Detail einer Fluidzuführung eines mittleren Fluidports,
3 eine bevorzugte alternative Ausbildung von Stützstellen in einem Verteilerbereich,
4 schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung von Verteilerbereich und Sammelbereich,
5 einen seitlichen Schnitt durch eine bevorzugte Bipolarplatte im Bereich zwischen Fluidportbereich und Verteilerbereich, und
6 eine perspektivische Ansicht eines Teilschnitts des Bereichs aus 5.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Bei einer größeren Mehrzahl von gleichartigen Elementen sind der Übersichtlichkeit wegen nur einzelne der gleichartigen Elemente bezeichnet.
Aus den 1a und 1b sind ausschnittsweise zwei Teilplatten 11 und 12 ersichtlich, die zusammengesetzt eine bevorzugte Bipolarplatte 10 für einen Brennstoffzellenstapel bilden. Die Bipolarplatte 10 dient in bekannter Weise als Separatorplatte zwischen einzelnen Brennstoffzellen. Sie trennt dabei Fluidräume der benachbarten Brennstoffzellen und dient der mechanischen Abstützung der ionenleitenden Brennstoffzellenmembran, die vorzugsweise aus einem Polymer gebildet ist. Nach einer üblichen Ausgestaltung ist die Brennstoffzellenmembran in eine so genannte Membran-Elektrodeneinheit (MEA) integriert.
Die bevorzugte Bipolarplatte 10 mit der ersten, anodenseitigen Teilplatte 11 und der zweiten, kathodenseitigen Teilplatte 12, weist an der Teilplatte 11 eine obere Flachseite 30 und an der Teilplatte 12 eine untere außen liegenden Flachseite 31 auf. Die Teilplatten 11, 12 schließen einen Innenraum 13 ein (5). Randseitig ist ein eingangseitiger Fluidportbereich 55 der Bipolarplatte 10. mit drei Fluidports 14, 14', 14'' angeordnet, über den über jeden Fluidport 14, 14', 14'' ein Fluid zuleitbar ist, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff und ein Kühlmittel. Zu auf der Flachseite 30 der anodenseitigen Teilplatte 11 und auf der Flachseite 31 der kathodenseitigen Teilplatte 12 angeordneten Fluidkanälen 34, 34'', dem jeweiligen so genannten Flow Field Bereich, sind die entsprechenden anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Fluide zuleitbar, während das Kühlfluid vorzugsweise zwischen den Teilplatten 11, 12 strömt. Ein ausgangsseitiger Fluidportbereich 56 der Bipolarplatte (4) leitet die Fluide aus bzw. von der Bipolarplatte 10 weg, die dann beispielsweise auch Produktwasser aus der Brennstoffzellenreaktion mit sich führen können.
Seitlich sind Kontakte 37, 37'' angeordnet, an denen beispielsweise elektrische Spannung an der Bipolarplatte 10 abgegriffen werden kann.
Zwischen dem Fluidportbereich 55 und den Fluidkanälen 34, 34'' ist ein Verteilerbereich 29 vorgesehen, über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen 34, 34'' verteilbar ist. Zwischen dem ausgangsseitigen Fluidportbereich 56 und den Fluidkanälen 34 ist ein entsprechender Sammelbereich 50 angeordnet (4), welcher das aus dem Fluidkanälen austretende Fluid sammelt und dem entsprechenden ausgangsseitigen Fluidport zuleitet. Die Strömung des Fluids im Verteilerbereich 29 und/oder im Sammelbereich 50 bildet vorzugsweise im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen 34.
Vom eckseitigen Fluidport 14 wird das entsprechende Fluid zunächst zwischen den Teilplatten 11, 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16 geleitet, durch die das Fluid auf die Flachseite 30 gelangt und über den Verteilerbereich 29 gleichmäßig in die zugeordneten Fluidkanäle 34 verteilt wird. Die Durchtrittsöffnung 16 ist entlang ihrer Breite mit Stegen 27 stabilisiert und in einer Flanke einer Erhebung 23 angeordnet. Stromauf der Fluidkanäle liegt vor der Durchtrittsöffnung 16 eine Erhebung 36. In der Teilplatte 12 ist stromab der Durchtrittsöffnung 16 eine Brücke 23'' vorgesehen, die in der Flachseite 31 der Teilplatte 12 eine Erhebung bildet. Stromab der Durchtrittsöffnung 16 vor dem Verteilerbereich 29 ist eine Schweißverbindung 15 vorgesehen, welche die beiden Teilplatten 11, 12 miteinander verbindet. Stützstellen 20, die bevorzugt noppenartig ausgebildet und im zusammengesetzten Zustand der Bipolarplatte 10 nach innen gerichtet sind, die in der Teilplatte 11 Vertiefungen bilden, stützen die Erhebung 23 auf der unteren Teilplatte 12 ab. Die Fluidports 14, 14', 14'' sind von einer umlaufenden Dichtungsnut 25 (Teilplatte 11) und einer teilweise versetzt dazu verlaufende Dichtungsnut 26 (Teilplatte 12) umgeben. Weitere Details hierzu sind in den 5 und 6 ausführlicher beschrieben.
Vom mittleren Fluidport 14' aus gesehen vor den Fluidkanälen 34 ist eine Erhebung 35 auf der Teilplatte 11 und eine brückenartige Erhebung 35'' auf der Teilplatte 12 ausgebildet. Auf der Teilplatte 12 ist am Port 14' direkt angrenzend ein erhabener Rand 38 ausgebildet. Auch hier sind Stützstellen 20'' zum Abstützen der Erhebung 35 an der Teilplatte 11 vorgesehen. Vom Fluidport 14' aus gesehen wird das Fluid, vorzugsweise Kühlmittel, zwischen den Teilplatten 11 und 12 der Bipolarplatte 10 verteilt.
Vom eckseitigen Fluidport 14'' wird das entsprechende Fluid zunächst zwischen den Teilplatten 11, 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16'' geleitet, durch die das Fluid auf die Flachseite 31 der Teilplatte 12 gelangt und über den Verteilerbereich 29'' gleichmäßig in die zugeordneten Fluidkanäle 34'' verteilt wird. Die Durchtrittsöffnung 16'' ist entlang ihrer Breite mit Stegen 27'' stabilisiert und in einer Flanke einer Erhebung 36'' angeordnet. In der Teilplatte 11 ist stromauf der Durchtrittsöffnung 16'' eine Brücke 36, die eine Erhebung in der Flachseite 30 bildet, vorgesehen. Am Fluidport 14'' ist auf der Teilplatte 11 eine Erhebung 40 mit nach innen gerichteten Stützstellen 20 angeordnet. Weitere Stützstellen 20'', die in der Teilplatte 12 nach innen gerichtete Vertiefungen bilden, stützen die Erhebung 36'' auf der oberen Teilplatte 11 ab.
Im Verteilerbereich 29 der Teilplatte 11 ist eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen 41 vorgesehen, wobei, natürlich abgesehen von randseitigen Stützstellen 41, innerhalb des Verteilerbereichs 29 neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle 41 eine gleichartige, negative Stützstelle 42 ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen 41 bildet. Eine vergleichbare Anordnung ist zweckmäßigerweise im Sammelbereich 50 vorgesehen. Die Teilplatte 12 weist eine entsprechende Struktur im Verteilerbereich 29'' mit erhabenen, positiven Stützstellen 43 und negativen Stützstellen 44 auf.
Die Stützstellen 41, 43 und 42, 44 sind als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet. Durch die gleichmäßige Verteilung von positiven und negativen Stützstellen 41, 43 und 42, 44, die einerseits zur mechanischen Abstützung und andererseits als Freiraum für das strömende Fluid dienen, kann die Fluidverteilung optimiert werden, so dass die Fluidkanäle 34 bzw. 34'' gleichmäßig mit Fluid versorgt werden. Weiterhin wird der Druckverlust durch die sanften Umlenkungen der strömungstechnisch günstigen Rundungen vermindert. Die Stützstellen 41, 43 und 42, 44 sind auch fertigungsfreundliche Strukturen für ein bevorzugtes Prägen der Teilplatten 11, 12.
Die 2a und 2b zeigen eine transparente Ansicht der Bipolarplatte 10, bei der Strukturen auf und zwischen den Teilplatten 11, 12 in Durchsicht erkennbar sind. Zur Veranschaulichung der Fluidführung des Kühlmittels zwischen den Teilplatten 11, 12 ist als Detail der Fluidport 14' hervorgehoben (2b) mit einer zwischen dem erhabenen Rand 38 und der Erhebung 35 angeordneten Mediendurchführung 45 im Innern der Bipolarplatte 10. Die räumliche Zuordnung der verschiedenen Strukturen zwischen Fluidports 14, 14', 14'' und Fluidkanälen 34 ist hier deutlicher zu erkennen. Deren Beschreibung im Einzelnen ist den vorangehenden Figurenbeschreibungen zu entnehmen.
3 zeigt eine vereinfachte Ausgestaltung von Strukturen zur Fluidverteilung zwischen einem Fluidport 14 und Fluidkanälen 34 beispielhaft für den Verteilerbereich 29 der Teilplatte 11. Die Stützstellen 46 bzw. 47 weisen einen länglichen, etwa elliptischen Querschnitt auf, wobei zwischen zwei quer zu den Fluidkanälen 34 ausgerichteten, erhabenen Stützstellen 47 die längliche, eine Vertiefung bildende Stützstelle 46 senkrecht zu diesen verläuft und die beiden Stützstellen 47 miteinander verbindet. Die Stützstellen 46 bilden Leitstege für das Fluid. Die paarweise angeordneten Stützstellen 47 mit den verbindenden Stützstellen 46 sind auf gleicher Höhe bezogen auf die Fluidkanäle 34 der Bipolarplatte 10 in gleichmäßigem Abstand nebeneinander von einer Kante der Bipolarplatte 10 zur gegenüberliegenden Kante angeordnet.
An die den Fluidkanälen 34 zugewandte Stützstelle 47 schließt sich noch eine runde, als Vertiefung ausgebildete Stützstelle 46'' an.
Zusätzlich ist eine Variante der Anordnung der Leitstege 46' durch Balken angedeutet. Die Leitstege 46' von aufeinander folgenden Stützstellenpaare 47 sind unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet sind, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsrichtung erfährt. Die ellipsoiden Stützstellen 46, 47 sind bevorzugt eckennahen Fluidports 14, 14'' zugeordnet.
4 zeigt in Draufsicht auf eine bevorzugte Bipolarplatte 10 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Verteilerbereich 29 und der Sammelbereich 50 der Bipolarplatte 10 zueinander asymmetrisch ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise sind beide Teilplatten 11, 12 so ausgestaltet.
Die Bipolarplatte 10 weist randseitig an zwei sich gegenüberliegenden Rändern je einen mit durchbrochenen Linien angedeuteten Fluidportbereich 55 bzw. 56 auf. Ein Fluidport 14 ist im Fluidportbereich 55 mit durchbrochener Linie angedeutet. Zwischen den Fluidportbereichen 55, 56 erstreckt sich auf einer Flachseite 30 der Teilplatte 11 der Bipolarplatte 10 ein so genanntes Flow Field mit parallelen Fluidkanälen 34, die parallel zu Kanten 59, 60 der Bipolarplatte 10 ausgerichtet sind, und durch die homogen verteilt ein Fluid strömt. Zwischen den Fluidportbereichen 55, 56 und den Fluidkanälen 34 ist jeweils ein sich zwischen den zwei Kanten 59, 60 der Bipolarplatte 10 erstreckendes Segment 57 bzw. 58 angeordnet, in dem der Verteilerbereich 29 im Segment 57 und der Sammelbereich 50 im Segment 58 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile im Fluidportbereich 55, 56 angedeutet.
Der Verteilerbereich 29 ist unsymmetrisch zu dem Sammelbereich 50 ausgebildet. Der Verteilerbereich 29 nimmt eine kleinere Fläche auf der Flachseite 30 ein als der Sammelbereich 50, der sich in Strömungsrichtung verjüngt. Beide sind innerhalb ihrer Segmente 57, 58 mit einer Kante 51 bzw. 52 scharf umgrenzt. Dazu sind in dem Verteilerbereich 29 und dem Sammelbereich 50 strömungsleitende Strukturen angeordnet, welche die Strömung des Fluids in diesen Bereichen entsprechend führen. Der Verteilerbereich 29 und der Sammelbereich 50 weisen an ihrer jeweiligen Kante 51, 52 einen Verlauf auf. Dabei hat der Verteilerbereich 29 annähernd eine Dreieckfläche, während der Sammelbereich 50 das Segment 58 fast ausfüllt und nur an einer Seite, die an dieselbe Kante 60 grenzt wie der Fluidport 14, durch den das Fluid zur Bipolarplatte 10 gelangt, eine leichte Verrundung zeigt. Wird das Fluid im entsprechenden Verteilerbereich 29 mit einer Querströmung zu den Fluidkanälen 34 geleitet, ist die Verjüngung des Querschnitts des Verteilerbereichs deutlich zu erkennen. Weiterhin ist eine Breite 53 des Verteilerbereichs 29 entlang der Kanten 59, 60 geringer als eine Breite 54 des Sammelbereichs 50. Generell wird angestrebt, die Breite 53, 54 von Verteilerbereich 29 und Sammelbereich 50 möglichst zu minimieren.
Zur Veranschaulichung einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zeigt 5 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10. Jeweils eine einer Mehrzahl solcher Bipolarplatten 10 trennt in einem zeichnerisch nicht ausgeführten bevorzugten Brennstoffzellenstapel jeweils zwei Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) voneinander und bilden gleichzeitig eine mechanische Stabilisierung der MEAs und des Brennstoffzellenstapels insgesamt. Die Bipolarplatte 10 besteht aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen Teilplatte 11 und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte 12, die mit ihren Flachseiten 30, 31 parallel zueinander angeordnet sind. In die Teilplatten 11, 12, die jeweils – vorzugsweise aus einer dünnen Metallplatte bestehen, sind verschiedene Strukturen eingeprägt. Bevorzugt sind die Teilplatten 11, 12 dünne, hohlgeprägte Metallplatten. Es sind Erhebungen und Vertiefungen in der Teilplatte 11 und Erhebungen und Vertiefungen in der Teilplatte 12 eingeprägt.
Die Teilplatte 11 weist die obere, außen liegende Flachseite 30 und die Teilplatte 12 die untere, außen liegende Flachseite 31 auf. Die Teilplatten 11, 12 schließen einen Innenraum 13 ein. Weiterhin ist randseitig wenigstens ein Fluidport 14 angeordnet, über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten 30, 31 angeordneten Fluidkanälen leitbar ist. Zur jeweiligen Teilplatte 11, 12 hin weist der Fluidport 14 einen Wulst 21 bzw. 23' auf.
Ein erster Fluidpfadabschnitt 17 des Fluids verläuft von dem Fluidport 14 zwischen den Teilplatten 11 und 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16 der Teilplatte 11, durch welche das Fluid auf die außen liegende Flachseite 30 der Teilplatte 11 austritt und über einen angrenzenden zweiten Fluidpfadabschnitt 18 auf der Flachseite 30 der betreffenden Teilplatte 11 verläuft. Das durch Pfeile angedeutete Fluid strömt von dort in an der Flachseite 30 in Strömungsrichtung befindliche, zeichnerisch nicht ausgeführte Fluidkanäle des Flow Field Bereichs. Auf der Teilplatte 12 ist eine entsprechende Anordnung mit Durchtrittsöffnung zweckmäßigerweise versetzt zur Anordnung der Teilplatte 11 angeordnet.
Die Durchtrittsöffnung 16 ist beispielhaft stromauf eines Verteilerbereichs 29 angeordnet, über den das Fluid den Fluidkanälen zuführbar ist und so verteilt wird, dass die Fluidkanäle homogen mit dem Fluid beaufschlagt werden und eine gleichmäßige Verteilung des Fluids in den Fluidkanälen auf der Flachseite 30 der Teilplatte 11 erfolgen kann. Zweckmäßigerweise kann der Durchtrittsbereich 16 auch in einem Sammelbereich angeordnet sein, aus dem das Fluid aus den Fluidkanälen abführbar ist. Der Sammelbereich ist zweckmäßigerweise entsprechend ausgebildet, um eine homogene Verteilung des Fluids in den Fluidkanälen zu gewährleisten.
Der Fluidport 14 ist auf der oberen Teilplatte 11 von einer umlaufenden Dichtungsnut 25 und auf der unteren Teilplatte 12 von einer umlaufenden Dichtungsnut 26 umgeben. Die Dichtungsnut 25 des Fluidports 14 auf der einen Teilplatte 11 umschließt eine kleinere Fläche und verläuft bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut 26 des betreffenden Fluidports 14 auf der anderen Teilplatte 12, so dass ein Versatz der beiden Dichtungsnuten 25, 26 gegeneinander besteht, der sich zweckmäßigerweise nach einer Kanaltiefe 33 zwischen den Teilplatten 11, 12 richtet, um einen minimal erforderlichen Kanalquerschnitt zu gewährleisten.
Die Dichtungsnut 25 der einen Teilplatte 11 ist durch eine Stützstelle 20'' der anderen Teilplatte 12 abgestützt, während die Dichtungsnut 26 der anderen Teilplatte 12 durch eine Stützstelle 20 der Teilplatte 11 abgestützt ist. Die Stützstrukturen 20, 20'' sind in die jeweilige Teilplatte 12, 11 eingeprägt und ragen ins Innere 13 der Bipolarplatte 10.
Eine Schweißverbindung 15, mittels derer die beiden Teilplatten 11, 12 fest miteinander verbunden sind und mittels derer verschiedene Fluide in oder auf der Bipolarplatte 10 strömungsmäßig voneinander sicher getrennt werden können, befindet sich außerhalb eines von Fluidport 14 und Durchtrittsöffnung 16 eingeschlossenen Bereichs 32 und grenzt an die Durchtrittsöffnung 16 zum Innenraum 13 der Teilplatten 11, 12 hin an.
6 illustriert eine Draufsicht auf ein Detail der Bipolarplatte 10 aus 5. Zur Beschreibung gleicher, nicht erläuterter Elemente wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die Beschreibung der 1a, 1b verwiesen. Erkennbar ist der Fluidport 14, der von einer eine Vertiefung bildenden Dichtungsnut 25 in der Teilplatte 11 umgeben ist. Die Durchtrittsöffnung 16 ist in einer Flanke einer Erhebung 23 angeordnet und weist zur Stabilisierung Stege 27 auf. Erkennbart sind auch Stützstrukturen 20, die als in den Innenraum 13 ragende Vertiefungen in die Teilplatte 11 eingeprägt sind und die untere Teilplatte 12 im Bereich ihrer hier nicht erkennbaren Dichtungsnut 26 (1a, 1b) abstützen. Weiterhin ist ein Verteilerbereich 29 zu erkennen mit positiven und negativen Noppen 41, 42 die für eine gezielte Verteilung des Fluids in die nicht dargestellten, an den Verteilerbereich 29 anschließenden Fluidkanäle des Flow Fields sorgen.

Claims

Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte (11, 12), die parallel zueinander angeordneten sind, mit einer oberen und unteren außen liegenden Flachseite (30, 31), sowie einem durch die Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13), mit einem randseitig angeordneten Fluidportbereich (55) mit wenigstens einem Fluidport (14, 14', 14''), über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten (30, 31) angeordneten Fluidkanälen (34, 34'') leitbar ist, und wobei zwischen dem Fluidportbereich (55) und den Fluidkanälen (34) ein Verteilerbereich (29, 29'') vorgesehen ist, über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen verteilbar ist sowie einem Sammelbereich (50) über den das Fluid aus den Fluidkanälen (34, 34'') zu einem weiteren Fluidportbereich (56) wegleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Verteilerbereich (29, 29'') und/oder im Sammelbereich (50) wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen (41, 43) vorgesehen ist, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen (41, 43), innerhalb des Verteilerbereichs (29, 29'') und/oder des Sammelbereichs (50) neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle (41, 43) eine gleichartige, negative Stützstelle (42, 44) ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen (41, 43) bildet.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) einen ellipsoiden Querschnitt aufweisen.
Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Stützstellen (41, 43; 42, 44) unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet sind, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsrichtung erfährt.
Bipolarplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsoiden Stützstellen (41, 43; 42, 44) eckennahen Fluidports (14, 14'') zugeordnet sind.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt benachbarte positive und negative Stützstellen (41, 43; 42, 44) wenigstens eine durchgehende Flanke aufweisen und eine wabenartige Struktur bilden.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) und Freiräume fluidportnah zu einem zugeordneten Fluidport (14, 14', 14'') einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als fluidportfern.
Bipolarplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah mit einem größeren Durchmesser ausgebildet sind als fluidportfern.
Bipolarplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah dichter angeordnet sind als fluidportfern.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Fluids im Verteilerbereich (29, 29'') und/oder im Sammelbereich (50) im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen (34, 34'') bildet.
Bipolarplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und/oder der Sammelbereich (50) sich in Strömungsrichtung verjüngen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und der Sammelbereich (50) zueinander asymmetrisch ausgebildet sind.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und der Sammelbereich (50) eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Bipolarplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') eine geringere Fläche auf der Teilplatte (11, 12) einnimmt als der Sammelbereich (50).
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine Durchtrittsöffnung (16, 16'') vorgesehen ist, die einen Durchtritt des Fluids zwischen dem von den Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13) und der jeweiligen Flachseite (30, 31) ermöglichen.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (16, 16'') zwischen dem Fluidportbereich (55) und dem Verteilerbereich (29, 29'') und/oder zwischen dem Sammelbereich (50) und dem ausgangsseitigen Fluidportbereich (56) vorgesehen ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fluidport (14, 14', 14'') von einer umlaufenden Dichtungsnut (25, 26) umgeben ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsnut (25) des Fluidports (14, 14', 14'') auf der einen Teilplatte (11) wenigstens bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut (26) des betreffenden Fluidports (14, 14', 14'') auf der anderen Teilplatte (12) verläuft.
Bipolarplatte nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsnut (25; 26) der einen Teilplatte (11) durch eine Stützstruktur (20; 20'') der anderen Teilplatte (12) abgestützt ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißverbindung (15) zum Verbinden der beiden Teilplatten (11, 12) sich außerhalb eines von Fluidport (14, 14', 14'') und Durchtrittsöffnung (16, 16'') eingeschlossenen Bereichs (32) befindet.
Bipolarplatte nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (15) angrenzend an die Durchtrittsöffnung (16, 16'') zu den Fluidkanälen (34, 34'') der Teilplatten (11, 12) hin angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten (10) getrennt sind, die nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.