DE102008009377A1 - Bipolar plate for use in fuel cell i.e. hydrogen fuel cell, has channel structure for channelizing reaction reactants and/or reaction products of fuel cell, and channel of channel structure in bipolar plate burned - Google Patents

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Abstract

The plate (6) has a channel structure (13) for channelizing reaction reactants and/or reaction products of a fuel cell (2). A channel (14) of the channel structure in the bipolar plate is burned. The channel of the channel structure has an undercut, and/or a diaphragm is arranged in the channel, where the channel is radially formed broader at a channel base in a longitudinal extension than in an area of a channel surface opening. A channel height includes a value between 0.1 millimeter and 2 millimeter. An independent claim is also included for a method for manufacturing a bipolar plate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer Kanalstruktur, mittels welcher Reaktionsedukte und/oder Reaktionsprodukte einer Brennstoffzelle kanalisiert werden können. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, bei welchem eine Oberfläche eines Bipolarplattenmaterials mittels Kanalstrukturen strukturiert wird.The The invention relates to a bipolar plate with a channel structure, by means of which channeled Reaktionsedukte and / or reaction products of a fuel cell can be. The invention also relates to a method for producing a bipolar plate, wherein a surface a bipolar plate material structured by means of channel structures becomes.

Bipolarplatten werden insbesondere im Bereich der Brennstoffzellen eingesetzt und sind aus dem Stand der Technik bereits gut bekannt. Eine solche Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, in welcher ein wasserstoffhaltiges Gas einer Anode der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt wird. Sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, wird einer Kathode der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt. Hierdurch kann eine lokal nach Oxidation und Reduktion getrennte elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle stattfinden.bipolar plates are used in particular in the field of fuel cells and are already well known in the art. Such Fuel cell is an electrochemical cell in which a hydrogen-containing gas of an anode of the fuel cell as fuel is supplied. Oxygenated gas, such as Air, a cathode of the fuel cell is used as the oxidant fed. This allows a local oxidation and Reduction of separate electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell take place.

An der Anode der Brennstoffzelle wird dabei der Wasserstoff dissoziiert und oxidiert infolge dessen gemäß H2 ⇒ 2H+ + 2e–.At the anode of the fuel cell, the hydrogen is dissociated and oxidized as a result of H2 ⇒ 2H + + 2e - .

Die an der Anode frei werdenden Elektroden 2e– können über einen äußeren Leiterkreis eines elektrischen Verbrauchers der Kathode zugeleitet werden, während die Protonen 2H+ des Wasserstoffs H2 von der Anode beispielsweise durch eine Polymerelektrolytmembran hindurch zu der Kathode diffundieren können. An der Kathode werden der Wasserstoff und der Sauerstoff mit den Elektroden zu Wasser kombiniert, gemäß 2H+ + 2e– + ½ O2 ⇒ H2O.The electrodes 2e - which become free at the anode - can be fed to the cathode via an outer conductor circuit of an electrical consumer, while the protons 2H + of the hydrogen H 2 can diffuse from the anode, for example through a polymer electrolyte membrane, to the cathode. At the cathode, the hydrogen and the oxygen are combined with the electrodes to form water, according to 2H + + 2e - + ½ O 2 ⇒ H 2 O.

Die bei diesem Prozess frei werdende Reaktionsenthalpie kann in Form einer elektrischen Spannung zwischen Anode und Kathode an dem elektrischen Verbraucher in dem äußeren Leiterkreis genutzt werden.The in this process liberated enthalpy of reaction can in the form an electrical voltage between the anode and cathode at the electrical Consumers used in the outer conductor circuit become.

Sowohl die Anode als auch die Kathode sind an einer Brennstoffzelle gewöhnlich als Gasdiffusions-Elektroden ausgebildet bzw. in entsprechende Diffusionszonen integriert. Dabei ist die Anode mit einer ersten Oberflächenseite einer Elektrolyt-Membran verbunden, während die Kathode mit einer der ersten Oberflächenseite gegenüber liegenden, weiteren Oberflächenseite der Elektrolyt-Membran verbunden ist, so dass hierdurch eine baulich einfache Anordnung zwischen zwei Gasdiffusions-Elektroden und einer Elektrolyt-Membran realisiert ist, wobei eine solche Anordnung auch unter der Bezeichnung MEA, Membran-Elektroden-Anordnung oder Membrane Electrode Assembly, bekannt ist.Either the anode as well as the cathode are common to a fuel cell designed as gas diffusion electrodes or in corresponding diffusion zones integrated. Here, the anode is with a first surface side connected to an electrolyte membrane, while the cathode with one of the first surface side opposite lying, further surface side of the electrolyte membrane is connected, so that thereby a structurally simple arrangement between two gas diffusion electrodes and an electrolyte membrane realized, whereby such an arrangement also under the name MEA, Membrane electrode assembly or membrane Electrode Assembly, known is.

Solche Gasdiffusions-Elektroden bestehen in der Regel aus einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht. Sowohl eine Katalysatorschicht der Anode als auch der Kathode ist meist mit katalytisch wirkenden Metallteilchen, insbesondere mit Platinteilchen, versehen, welche beispielsweise auf Kohlenstoffteilchen geträgert sind. Für die Gasdiffusionsschicht kann ein poröses Kohlefaserpapier oder ein Kohlefaserfilz verwendet werden.Such Gas diffusion electrodes are usually made of a gas diffusion layer and a catalyst layer. Both a catalyst layer of Anode as well as the cathode is mostly with catalytically active metal particles, especially with platinum particles, provided, for example, on carbon particles are supported. For the gas diffusion layer can a porous carbon fiber paper or a carbon fiber felt used become.

Ein Beispiel für einen Aufbau einer derartigen MEA ist etwa in der Offenlegungsschrift DE 100 01 170 A1 beschrieben, wobei der Gegenstand der Offenlegungsschrift hier jedoch nicht weiter erläutert wird, um Wiederholungen zu vermeiden.An example of a structure of such an MEA is approximately in the published patent application DE 100 01 170 A1 However, the subject of the disclosure will not be further explained here in order to avoid repetition.

Derartige Gasdiffusions-Elektroden grenzen an Bipolarplatten an. Die Bipolarplatten können dabei sowohl der Zu- und/oder Abführung von Reaktionsedukten bzw. Reaktionsprodukten an den Elektroden einer Brennstoffzelle als auch zur elektrischen Kontaktierung und Ableitung eines von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms hinsichtlich eines zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle angeschlossenen Verbrauchers dienen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn in einer Brennstoffzelle die Bipolarplatten großflächig mit anderen Komponenten, wie etwa einer Anode, der MEA in Verbindung treten können, um zwischen ihnen einen möglichst guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten.such Gas diffusion electrodes are adjacent to bipolar plates. The bipolar plates can both the supply and / or discharge of Reaktionsedukten or reaction products at the electrodes of a Fuel cell as well as electrical contact and discharge an electric current generated by the fuel cell in terms one between an anode and a cathode of the fuel cell connected consumer serve. In particular, it is advantageous if in a fuel cell, the bipolar plates over a large area with other components, such as an anode, the MEA in conjunction You can step between them as much as possible to ensure good electrical contact.

Zum Zu- bzw. Abführen insbesondere von Fluiden weist eine solche Bipolarplatte eine Kanalstruktur oder mehrere Kanalstrukturen auf, die vorzugsweise an der Oberfläche der Bipolarplatte angeordnet ist bzw. sind. Die diesbezüglichen Kanäle der Bipolarplatte werden dabei mittels spanabhebender Werkzeuge, wie beispielsweise mittels eines Fräsers, oder mittels eines Umformwerkzeuges, beispielsweise im Heißpressverfahren, in die Bipolarplatte eingearbeitet. Solche Herstellverfahren erfordern jedoch immer noch einen hohen Aufwand hinsichtlich der Arbeitsplatzsicherheit, um auftretende Staubemissionen während des Bearbeitungsprozesses entgegen wirken bzw. kontrollieren zu können, wodurch die Herstellverfahren relativ kostenintensiv sind. Darüber hinaus sind feinere Kanalstrukturen nur sehr eingeschränkt darstellbar, da auf Grund der baulichen Gegebenheiten hinsich tlich zu verwendender bekannter Herstellwerkzeuge für einen Fräß- bzw. Umformprozess enge Grenzen bei den erzielbaren Kanalgeometrien gesetzt sind.To the Inlet or discharge, in particular of fluids has such Bipolar plate on a channel structure or multiple channel structures, which is preferably arranged on the surface of the bipolar plate is or are. The relevant channels of the bipolar plate are doing by means of cutting tools, such as by means of a milling cutter, or by means of a forming tool, for example, in the hot pressing process, in the bipolar plate incorporated. However, such manufacturing processes still require a lot of work safety in order to occurring dust emissions during the machining process counteract or control, whereby the manufacturing process relatively expensive. In addition, finer ones Channel structures only very limited representable because to be used due to the structural conditions known production tools for a milling or forming process narrow limits in the achievable channel geometries are set.

Es ist Aufgabe der Erfindung herkömmliche Bipolarplatten weiterzuentwickeln.It It is an object of the invention to further develop conventional bipolar plates.

Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Bipolarplatte mit einer Kanalstruktur, mittels welcher Reaktionsedukte und/oder Reaktionsprodukte einer Brennstoffzelle kanalisiert werden können, gelöst, bei welcher zumindest ein Kanalbereich der Kanalstruktur in die Bipolarplatte eingebrannt ist.The object of the invention is achieved by a bipolar plate having a channel structure, by means of which reaction educts and / or reaction products of a fuel cell can be channeled, in which at least one channel region of the channel structure is burned into the bipolar plate.

Mittels des erfindungsgemäßen Einbrennens zumindest eines Kanalbereiches der Kanalstruktur können vorteilhafter Weise weit mehr Kanalquerschnittvarianten realisiert werden als mittels bekannter Herstellverfahren, wie etwa mittels eines Fräswerkzeuges.through the baking according to the invention at least one Channel region of the channel structure can advantageously far more channel cross-section variants can be realized than by means of known manufacturing method, such as by means of a milling tool.

Beispielsweise lassen sich mittels des Einbrennens Hinterschneidungen in einem Kanal der Kanalstruktur erzielten, wodurch der Kanal ein größeres Volumen aufweisen kann, ohne hierbei eine Kanallängsöffnung an der Oberfläche der Bipolarplatte vergrößern zu müssen. Somit kann bei einem größeren Kanalvolumen eine elektrische Kontaktfläche der Bipolarplatte zumindest beibehalten oder ebenfalls vergrößert werden.For example can be by means of baking undercuts in one Channel of the channel structure achieved, making the channel a larger Volume may have, without this a channel longitudinal opening on the surface of the bipolar plate to have to. Thus, at a larger Channel volume an electrical contact surface of the bipolar plate at least maintained or also enlarged become.

Vorteilhafter Weise gelingt es hierdurch insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, mittels welcher einerseits eine verbesserte Zu- bzw. Abführung insbesondere von Reaktionsedukten bzw. Reaktionsprodukten in einer Brennstoffzelle und andererseits gleichzeitig ein besonders guter elektrischer Kontakt mit einer möglichst großen Kontaktfläche an der Bipolarplatte gewährleistet werden kann.Favorable In this way, in particular a bipolar plate for this succeeds to provide a fuel cell, by means of which on the one hand an improved supply or removal, in particular of Reaktionsedukten or reaction products in a fuel cell and on the other hand at the same time a particularly good electrical contact with a the largest possible contact surface at the Bipolar plate can be guaranteed.

Beispielsweise wird hinsichtlich einer Direktmethanol-Brennstoffzelle eine Kontaktflächenvergrößerung zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA bei einem gleichen oder vergrößerten Kanalvolumen erzielt.For example becomes a contact area increase with respect to a direct methanol fuel cell between a bipolar plate and an MEA at a same or achieved increased channel volume.

Mit dem Begriff „Kanalstruktur" ist insbesondere eine Fluidverteilerstruktur einer Bipolarplatte bezeichnet, welche aus einer Vielzahl an einzelnen, auch zusammenhängenden, also untereinander verbundenen, Kanälen bestehen kann. Die Kanäle verlaufen hierbei bevorzugt an einer Oberfläche der Bipolarplatte. Sie können jedoch auch zumindest teilweise im Inneren der Bipolarplatte angeordnet sein.With The term "channel structure" is in particular a fluid distributor structure a bipolar plate, which consists of a large number of individual, also contiguous, ie interconnected, channels can exist. The channels are preferred here a surface of the bipolar plate. You can However, at least partially disposed inside the bipolar plate be.

Der Begriff „eingebrannt" bezeichnet ein Herstellverfahren, bei welchem ein Kanal einer Kanalstruktur nicht durch einen mechanischen Abtrag eines mechanischen Werkzeuges erzielt wird, sondern mittels Einleiten einer thermischen Energie in ein Bipolarplattenmaterial, infolge dessen das Material der Bipolarplatte gezielt verbrennt bzw. verdampft, wodurch vorteilhafter Weise besonders feine Kanäle in der Bipolarplatte erzeugt werden können.Of the Term "baked" refers to a manufacturing process, in which a channel of a channel structure not by a mechanical Removal of a mechanical tool is achieved, but by means of Introducing a thermal energy into a bipolar plate material, As a result, the material of the bipolar plate burns targeted or evaporated, which advantageously particularly fine channels can be generated in the bipolar plate.

Es versteht sich, dass zum Realisieren einer Bipolarplatte unterschiedliche Materialien eingesetzt werden können, solange sie elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen. Vorzugsweise werden Bipolarplatte aus Graphit oder einem anderen Material auf Kohlenstoffbasis hergestellt.It is understood that to realize a bipolar plate different Materials can be used as long as they are electric have conductive properties. Preferably, bipolar plate made of graphite or other carbon-based material.

Insbesondere Materialien auf Kohlenstoffbasis können durch Einleiten von thermischer Energie präzise verbrannt bzw. verdampft werden, wodurch sich sehr feine Kanalstrukturen schnell und einfach erzeugen lassen.Especially Carbon-based materials can be initiated by initiating of thermal energy precisely burned or evaporated which produces very fine channel structures quickly and easily to let.

In diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte gelöst, bei welchem eine Oberfläche eines Bipolarplattenmaterials mittels Kanalstrukturen strukturiert wird, wobei die Kanalstrukturen in das Bipolarplattenmaterial eingebrannt werden.In In this context, the object of the invention of a A method for producing a bipolar plate solved at which a surface of a bipolar plate material means Channel structures is structured, the channel structures in the bipolar plate material is baked.

Durch ein gezieltes Verbrennen des Bipolarplattenmaterials an den erforderlichen Stellen der Bipolarplatte kann der Strukturierungsprozess hinsichtlich der gewünschten Kanalstrukturen wesentlich beschleunigt und verbilligt werden. Insbesondere auf Grund der hohen erzielbaren Präzision bei einem Verbrennungsvorgang können wesentlich schmalere Kanalbreiten und tiefere Kanalgeometrien bei geringeren Toleranzen erzeugt werden. Insbesondere sind die erreichbaren Toleranzen nicht mehr von einem Fräs- oder Umformprozess anhängig.By a targeted burning of the bipolar plate material to the required Placing the bipolar plate can be the structuring process the desired channel structures significantly accelerated and be cheapened. Especially due to the high achievable Precision in a combustion process can much narrower channel widths and deeper channel geometries lower tolerances are generated. In particular, the achievable Tolerances no longer from a milling or forming process pending.

Es versteht sich, dass das Bipolarplattenmaterial einer Bipolarplatte vielfältig verbrannt werden kann.It is understood that the bipolar plate material of a bipolar plate can be burned manifold.

Besonders vorteilhaft können feine Kanalstrukturen an der Bipolarplatte erzeugt werden, wenn die Kanalstrukturen im Bipolarplattenmaterial mittels eines Laserstrahls erzeugt werden. Es versteht sich, dass hierbei unterschiedliche Laser eingesetzt werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines CO2-Lasers mit einer Leistung von ca. 1 kW erwiesen, da hiermit besonders kostengünstig und schnell eine präzise Kanalstruktur an einer Bipolarplattenoberfläche realisiert werden kann.Particularly advantageous fine channel structures can be produced on the bipolar plate when the channel structures are produced in the bipolar plate material by means of a laser beam. It is understood that different lasers can be used here. The use of a CO 2 laser with a power of about 1 kW has proven to be particularly advantageous, since it allows particularly cost-effective and rapid realization of a precise channel structure on a bipolar plate surface.

Alternativ zu einem Laser können die Kanalstrukturen im Bipolarplattenmaterial mittels eines Plasmastrahls erzeugt werden. Auch mittels eines Plasmastrahls lassen sich besonders kostengünstig und schnell Kanalstrukturen realisieren. Somit ist auch die Verwendung eines Plasmastrahls sehr vorteilhaft, um erforderliche Kanäle in einer Bipolarplatte zu erzeugen.alternative to a laser, the channel structures in the bipolar plate material be generated by means of a plasma jet. Also by means of a plasma jet can be particularly cost-effective and fast channel structures realize. Thus, the use of a plasma jet is very advantageous to access required channels in a bipolar plate produce.

Durch ein derartiges Verbrennen können Kanalquerschnitte nahezu beliebig gestaltet werden, da die Kanalgeometrie nicht mehr abhängig von einem Werkzeug eines Fräs- und/oder Umformprozesses ist.By such burning can almost channel cross sections be designed arbitrarily, since the channel geometry is no longer dependent from a tool of a milling and / or forming process.

Je nach Bipolarplattenmaterial und Größe der Kanalstrukturen ist es vorteilhaft, wenn die Kanalstrukturen mit einer Leistung eines Laser- bzw. Plasmastrahls zwischen 10 W und 10 kW erzeugt werden.Depending on the bipolar plate material and the size of the channel structures, it is advantageous if the channel structures are generated with a power of a laser or plasma beam between 10 W and 10 kW the.

Besonders präzise lassen sich vorliegend Kanäle einer Kanalstruktur in einer Bipolarplatte erzeugen, wenn während eines Erzeugens der Kanalstrukturen ein Prozessgas mit einem Oxidator zugeführt wird. Beispielsweise wird als Oxidator Sauerstoff als Prozessgas bei einer Verbrennung eines Bipolarplattenmaterials verwendet, so dass ein Kohlenstoff des Bipolarplattenmaterials zu Kohlendioxid CO2 oxidieren kann.In the present case, channels of a channel structure in a bipolar plate can be produced particularly precisely if a process gas with an oxidizer is supplied during generation of the channel structures. For example, as the oxidizer, oxygen is used as a process gas in a combustion of a bipolar plate material, so that a carbon of the bipolar plate material can oxidize CO 2 into carbon dioxide.

Im Allgemeinen verhält es sich so, dass mittels einer geeigneten Auswahl eines Prozessgases hinsichtlich eines Verbrennungsvorganges insbesondere eine Materialabtragsgeschwindigkeit und eine Kanalform vorteilhaft beeinflusst werden können.in the In general, it behaves that by means of a suitable Selection of a process gas with regard to a combustion process in particular a material removal rate and a channel shape can be favorably influenced.

Wird zudem während eines Erzeugens der Kanalstrukturen ein Prozessgas mit einem Bearbeitungsdruck zwischen 10 mbar und 100 mbar, vorzugsweise mit einem Bearbeitungsdruck von 50 mbar, über einem Umgebungsdruck zugeführt, kann die Verbrennung besonders betriebssicher unter einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen werden, wodurch immer eine besonders hohe Qualität der Kanalstrukturen gewährleistet werden kann.Becomes In addition, during a generation of the channel structures, a process gas with an operating pressure between 10 mbar and 100 mbar, preferably with an operating pressure of 50 mbar, above ambient pressure supplied, the combustion can be particularly reliable be made under a protective gas atmosphere, whereby always a particularly high quality of the channel structures can be guaranteed.

Als Umgebungsdruck kann hierbei in der Regel der atmosphärische Umgebungsdruck angenommen werden.When Ambient pressure here can usually be the atmospheric Ambient pressure to be assumed.

Sehr gute Ergebnisse hinsichtlich einer sehr präzis ausgebrannten Kanalstruktur haben sich ergeben, wenn die Kanalstrukturen mit einer Bahngeschwindigkeit zwischen 0,1 m/s und 100 m/s erzeugt werden. Die gewählte Bahngeschwindigkeit hängt beispielsweise von dem zu bearbeitenden Bipolarplattenmaterial und im Besonderen von der gewählten Kanalgeometrie ab.Very good results in terms of a very precisely burnt out Channel structure have resulted when the channel structures with a Web speed between 0.1 m / s and 100 m / s are generated. The selected path speed depends, for example from the bipolar plate material to be processed and in particular from the selected channel geometry.

Es versteht sich, dass je nach dem, welche Anforderungen an die Bipolarplatte gestellt werden, auch hiervon abweichende vorteilhafte Bahngeschwindigkeiten gewählt werden können.It It is understood that, depending on what requirements for the bipolar plate also deviating advantageous web speeds can be chosen.

Vorteilhafter Weise kann zum Erzeugen der Kanalstrukturen eine Laserstrahlbahngeschwindigkeit mittels eines Laser-Scanners beschleunigt werden, wodurch im Bedarfsfall die Bahngeschwindigkeit weiter erhöht werden kann.Favorable For example, to generate the channel structures, a laser beam path velocity be accelerated by means of a laser scanner, whereby, if necessary the web speed can be further increased.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Bipolarplatte sieht vor, dass zumindest ein Kanal der Kanalstruktur eine Hinterschneidung aufweist und/oder zumindest in einem Kanal eine Blende angeordnet ist.A see preferred embodiment of a bipolar plate in that at least one channel of the channel structure has an undercut and / or arranged at least in a channel an aperture is.

Um ein Volumen eines Kanals vorteilhaft zu erhöhen, ohne hierbei eine Kanalöffnung an einer Bipolarplattenoberfläche vergrößern zu müssen, kann der Kanal mit einer Hinterschneidung versehen werden.Around to advantageously increase a volume of a channel without doing so a channel opening on a bipolar plate surface To enlarge, the channel can be provided with an undercut.

Eine Volumenerhöhung kann sich vorteilhaft auf ein Kanalisiervermögen bzw. auf eine Kanalisiergeschwindigkeit von Reaktionsedukte und/oder Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle auswirken.A Volume increase can be beneficial to a Kanalisiervermögen or on a Kanalisiergeschwindigkeit of Reaktionsedukte and / or Reaction products of the fuel cell impact.

Besonders vorteilhaft ist es, dass mit den Hinterschneidungen in der Kanalgeometrie im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Kanälen ohne solche Hinterschneidungen eine wesentlich größere Kontaktfläche zu weiteren Komponenten einer MEA bei einem identischen Gasdurchflussvolumen pro Kanal erreicht werden kann.Especially It is advantageous that with the undercuts in the channel geometry compared to conventionally made channels without such undercuts a much larger contact area to other components of an MEA with an identical gas flow volume can be achieved per channel.

Der Begriff „Hinterschneidung" beschreibt im Zusammenhang mit einem Kanal einer Bipolarplatte einen Bereich des Kanals, der im Inneren des Kanals hinter einem Bipolarplattenmaterialvorsprung liegt.Of the Term "undercut" describes in connection with a channel of a bipolar plate, an area of the channel which is in Interior of the channel behind a bipolar plate material projection lies.

Kumulativ oder alternativ zu einer solchen Hinterschneidung kann in dem Kanal eine Blende angeordnet sein. Eine Blende ist in vorliegendem Zusammenhang ein Gebilde im Kanal, mittels welchem ein Kanalquerschnitt verjüngt werden kann. Hierdurch kann vorteilhafter Weise im Kanal eine Druckregulierung vorgenommen werden. Dies kann besonders hinsichtlich sehr lang ausgebildeter Kanäle vorteilhaft sein.Cumulative or alternatively to such an undercut may be in the channel be arranged a diaphragm. An aperture is in the present context a structure in the channel, by means of which a channel cross-section tapers can be. This can advantageously be in the channel pressure regulation be made. This can be especially very long-term Channels be advantageous.

Mit dem Begriff „Kanalöffnung" ist ein Zugangsbereich des Kanals an der Oberfläche bzw. der Kontaktfläche der Bipolarplatte gemeint, der an derjenigen Seite der Bipolarplatte angeordnet ist, mit welcher die Bipolarplattenoberfläche großflächig mit einer Anode und/oder einer Kathode einer Brennstoffzelle in elektrischem Kontakt steht.With The term "channel opening" is an access area of the channel at the surface or the contact surface the bipolar plate meant on the side of the bipolar plate is arranged, with which the bipolar plate surface large area with an anode and / or a cathode a fuel cell is in electrical contact.

Ist der Kanal radial zu seiner Längserstreckung an seinem Kanalboden breiter ausgebildet als im Bereich seiner Kanaloberflächenöffnung, lassen sich Hinterschneidungen konstruktiv besonders einfach realisieren.is the channel radially to its longitudinal extent at its channel bottom wider than in the area of its channel surface opening, undercuts can be realized structurally particularly easily.

Es versteht sich, dass die Kanaloberflächenöffnung beliebig breit ausgebildet sein kann. Eine besonders vorteilhafte Kontaktfläche etwa gegenüber Elektroden einer Brennstoffzelle lassen sich jedoch hinsichtlich der Bipolarplatte erzielen, wenn die Bipolarplatte an einer Bipolaroberfläche eine Kanalbreite mit einem Wert kleiner als 1,5 mm aufweist, wobei die Kanalbreite vorzugsweise einen Wert zwischen 0,2 mm und 1 mm aufweist.It is understood that the channel surface opening can be made arbitrarily wide. A particularly advantageous Contact surface approximately opposite electrodes of a Fuel cell, however, can be with regard to the bipolar plate when the bipolar plate is attached to a bipolar surface a channel width having a value smaller than 1.5 mm, wherein the channel width is preferably between 0.2 mm and 1 mm having.

Vorteilhafter Weise ist der Kanal an seinem Kanalboden hinsichtlich seiner Kanallängserstreckung radial breiter ausgebildet als im Bereich seiner Kanaloberflächenöffnung.Favorable Way is the channel at its channel bottom in terms of its channel length extension radially wider than in the region of its channel surface opening.

Ein besonders guter Volumenfluss innerhalb eines Kanals der Kanalstruktur kann bereits erzielt werden, wenn die Bipolarplatte eine Kanalhöhe mit einem Wert zwischen 0,05 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, aufweist.One particularly good volume flow within a channel of the channel structure can already be achieved when the bipolar plate has a channel height with a value between 0.05 mm and 3 mm, preferably between 0.1 mm and 2 mm.

Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall auch hiervon abweichende Kanalbreiten und Kanaltiefen vorteilhaft verwendet werden können.It It is understood that, depending on the application of this deviating Channel widths and channel depths can be used advantageously.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die Erfindung auch von einer Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Energie gelöst wird, welche eine Bipolarplatte nach einem der vorstehend erläuterten Merkmalskombination aufweist.At This point should be mentioned that the invention also detached from a fuel cell for generating electrical energy which is a bipolar plate according to one of the above-described feature combination having.

Es versteht sich, dass eine derartige Brennstoffzelle nahezu einen beliebigen Aufbau haben kann, solange sie eine Bipolarplatte nach einer der vorliegenden Merkmalskombinationen aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle oder eine Direktmethanol-Brennstoffzelle ist, da hierbei die Kanalgeometrie einen besonders großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen nehmen kann.It is understood that such a fuel cell almost a Any structure may have, as long as they are a bipolar plate having one of the present feature combinations. Especially It is advantageous if the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, since this is the channel geometry a particularly big influence on the performance can take the fuel cells.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft eine Membran-Elektroden-Anordnung bzw. MEA einer Brennstoffzelle und eine Bipolarplatte mit einer hinterschnittenen Kanalgeometrie dargestellt sind.Further Advantages, objects and characteristics of the present invention explained on the basis of the following description of the appended drawing, in which by way of example a membrane electrode assembly or MEA a fuel cell and a bipolar plate with an undercut Channel geometry are shown.

Es zeigtIt shows

1 schematisch eine Ansicht einer MEA mit einer Bipolarplatte zwischen einer Anode und einer Katode einer Brennstoffzelle, und 1 3 schematically shows a view of an MEA with a bipolar plate between an anode and a cathode of a fuel cell, and FIG

2 schematisch eine Seitensicht einer anderen Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mit einer Kanalstruktur, welche Kanäle mit Hinterschneidungen aufweisen. 2 schematically a side view of another bipolar plate of a fuel cell with a channel structure having channels with undercuts.

Bei der in der 1 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer Brennstoffzelle 2 sind insgesamt drei identischen Elektrodenanordnungen 3, 4 und 5 dargestellt, zwischen denen jeweils eine Bipolarplatte 6 bzw. 7 angeordnet ist. Bei der vorliegenden Brennstoffzelle 2 handelt es sich um eine Wasserstoffbrennstoffzelle.When in the 1 shown membrane electrode assembly 1 a fuel cell 2 are a total of three identical electrode arrangements 3 . 4 and 5 shown, between each of which a bipolar plate 6 respectively. 7 is arranged. In the present fuel cell 2 it is a hydrogen fuel cell.

Jede der drei Elektrodenanordnungen 3, 4 und 5 besteht jeweils aus einer Anode 8 und einer Kathode 9 und einer zwischen diesen angeordneten Polymerelektrolytmembran 10 (der Übersichtigkeit halber nur hinsichtlich der ersten Elektrodenanordnung 3 eingezeichnet und erläutert).Each of the three electrode arrangements 3 . 4 and 5 each consists of an anode 8th and a cathode 9 and a polymer electrolyte membrane interposed therebetween 10 (For the sake of clarity, only with regard to the first electrode arrangement 3 drawn in and explained).

Die Bipolarplatte 6 ist einerseits mittels einer ersten Kontaktoberfläche 11 an der Kathode 9 der ersten Elektrodenanordnung 3 und andererseits mittels einer zweiten Kontaktoberfläche 12 an einer Anode 8 der zweiten Elektrodenanordnung 4 möglichst großflächig elektrisch angeschlossen.The bipolar plate 6 is on the one hand by means of a first contact surface 11 at the cathode 9 the first electrode arrangement 3 and on the other hand by means of a second contact surface 12 at an anode 8th the second electrode arrangement 4 as large as possible electrically connected.

Gleiches gilt hinsichtlich der Bipolarplatte 7 gegenüber der Elektrodenanordnung 4 bzw. 5.The same applies with regard to the bipolar plate 7 opposite to the electrode assembly 4 respectively. 5 ,

Damit zwischen den Anoden 8 bzw. Kathoden 9 und der jeweiligen Bipolarplatte 6 bzw. 7 Reaktionsedukte bzw. Reaktionsprodukte den Elektroden 8, 9 gut zugeleitet bzw. gut von diesen abgeleitet werden können, sind an den Kontaktflächen 11 bzw. 12 offene Kanalstrukturen 13 mit einer Vielzahl an Kanälen 14 (hier nur exemplarisch beziffert) vorgesehen. Die Kanalstrukturen 13 sind mittels eines Laserstrahls (hier nicht gezeigt) aus der jeweiligen Bipolarplatte 6 bzw. 7 heraus gebrannt worden, so dass die einzelnen Kanäle 14 besonders filigran und präzise in die Bipolarplatten 6 und 7 eingearbeitet sind.So between the anodes 8th or cathodes 9 and the respective bipolar plate 6 respectively. 7 Reaction educts or reaction products to the electrodes 8th . 9 Well supplied or can be derived well from these are at the contact surfaces 11 respectively. 12 open channel structures 13 with a variety of channels 14 (numbered here only as an example). The channel structures 13 are by means of a laser beam (not shown here) from the respective bipolar plate 6 respectively. 7 burned out, leaving the individual channels 14 particularly delicate and precise in the bipolar plates 6 and 7 are incorporated.

Auf Einzelheiten, inwiefern die einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle 2 miteinander zusammen gefügt sind, wird vorliegend nicht näher eingegangen, da dies aus dem Stand der Technik bereits gut bekannt ist.For details on how the individual components of the fuel cell 2 are joined together, will not be discussed in detail, since this is already well known from the prior art.

Bei der in der 2 gezeigten Bipolarplatte 20 ist eine Kanalstruktur 21 mit insgesamt fünf Kanälen 22 (hier nur exemplarisch beziffert) vorgesehen. Die Bipolarplatte 20 ist aus einer 4 mm dicken Hartgraphitplatte 23 hergestellt, so dass die Kanalstruktur 21 mittels eines CO2-Lasers mit einer Leistung von 1 kW und unter Zugabe eines Schutzgases mit der Zusammensetzung 50% Argon und 50% Sauerstoff besonders präzise in die Hartgraphitplatte 23 eingebrannt worden konnte. Das Schutzgas wurde mit einem Überdruck von 50 mbar über dem atmosphärischen Druck eingestellt. Während des Einbrennens wurde der Laserstrahl mit einer Bahngeschwindigkeit von 4 m/s über die Kontaktoberfläche 24 der Bipolarplatte 20 bewegt. Mit einer derartigen Bahngeschwindigkeit kann die Bipolarplatte 20 wesentlich schneller hergestellt werden als mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.When in the 2 shown bipolar plate 20 is a channel structure 21 with a total of five channels 22 (numbered here only as an example). The bipolar plate 20 is made of a 4 mm thick hard graphite plate 23 made, so that the channel structure 21 By means of a CO 2 laser with a power of 1 kW and with the addition of a shielding gas with the composition 50% argon and 50% oxygen very precisely in the hard graphite plate 23 could be burned. The protective gas was set at an overpressure of 50 mbar above atmospheric pressure. During burn-in, the laser beam passed over the contact surface at a line speed of 4 m / s 24 the bipolar plate 20 emotional. With such a web speed, the bipolar plate can 20 be made much faster than known from the prior art method.

Jeder der Kanäle 22 weist eine Hinterschneidung 25 auf, indem jeder Kanal 22 an seinem jeweiligen Kanalboden 26 breiter ausgebildet ist als im Bereich 27 seiner Kanaloberflächenöffnung 28. Realisiert werden die Hinterschnei dungen 25 baulich einfach, indem jeder Kanal 22 einen kegelstumpfförmigen Kanalquerschnitt 29 aufweist.Each of the channels 22 has an undercut 25 on by each channel 22 at its respective channel bottom 26 is more widely formed than in the area 27 its channel surface opening 28 , The undercuts are realized 25 structurally simple by each channel 22 a frustoconical channel cross-section 29 having.

In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kanäle 22 jeweils eine Kanalbreite 30 von 0,5 mm auf, wobei sich die Kanäle 22 zu den Kanalböden 26 hin vorteilhafter Weise verbreitern, so dass jeder Kanal 22 trotz schmaler Kanaloberflächenöffnung 28 ein größeres Kanalvolumen 31 aufweisen kann als dies bei herkömmlichen Kanälen mit in etwa gleich breiten Kanaloberflächenöffnungen und Kanalböden realisiert werden kann, ohne Nachteile hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Kontaktoberfläche 24 in Kauf nehmen zu müssen.In this embodiment, the channels 22 one channel width each 30 of 0.5 mm, leaving the channels 22 to the canal floors 26 widen advantageously way, so that each Ka nal 22 despite narrow channel surface opening 28 a larger channel volume 31 can be realized as in conventional channels with approximately equal width channel surface openings and channel bottoms can be realized without disadvantages in terms of the available contact surface 24 to have to accept.

Die Kanäle 22 haben darüber hinaus eine Kanalhöhe 32 von 1,5 mm. Sowohl die Kanalbreite 30 als auch die Kanalhöhe 32 können mittels des Laserbrennens vorliegend mit einer Toleranz von 0,05 mm hergestellt werden.The channels 22 also have a channel height 32 of 1.5 mm. Both the channel width 30 as well as the channel height 32 can be made by laser burning in the present case with a tolerance of 0.05 mm.

Sowohl die Kanalbreite 30 als auch die Kanalhöhe sind hierbei radial zu einer Längserstreckung 33 der Kanäle 22 gemessen, wobei sich die Kanäle 22 in nach der vorliegenden Darstellung in die Papierebene hinein erstrecken und die Kanalbreite 30 und -höhe 32 in der Papierebene liegen.Both the channel width 30 as well as the channel height are in this case radially to a longitudinal extent 33 of the channels 22 measured, with the channels 22 in the present illustration extend into the plane of the paper and the channel width 30 and height 32 lie in the paper plane.

Es versteht sich, dass die hier gezeigten Ausführungsbeispiele nur exemplarisch die Erfindung wiedergeben und erläutern und deshalb auch nicht einschränkend hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten vorliegender Erfindung zu verstehen sind. Insbesondere kann die hinsichtlich der Bipolarplatte 20 gezeigte Kanalstruktur 21 auch beidseitig an der Bipolarplatte 20 vorgesehen sein.It is understood that the exemplary embodiments shown here represent and explain the invention by way of example only and are therefore not to be understood as limiting the scope of the present invention. In particular, with respect to the bipolar plate 20 shown channel structure 21 also on both sides of the bipolar plate 20 be provided.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10001170 A1 [0008] - DE 10001170 A1 [0008]

Claims (12)

Bipolarplatte (6, 7; 20) mit einer Kanalstruktur (13; 21), mittels welcher Reaktionsedukte und/oder Reaktionsprodukte einer Brennstoffzelle (2) kanalisiert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kanalbereich (14; 22) der Kanalstruktur (13; 21) in die Bipolarplatte (6, 7; 20) eingebrannt ist.Bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) with a channel structure ( 13 ; 21 ), by means of which reaction educts and / or reaction products of a fuel cell ( 2 ), characterized in that at least one channel region ( 14 ; 22 ) of the channel structure ( 13 ; 21 ) into the bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) is baked. Bipolarplatte (6, 7; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kanal (14; 22) der Kanalstruktur (13; 21) eine Hinterschneidung (25) aufweist und/oder zumindest in einem Kanal (14; 22) eine Blende angeordnet ist.Bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) according to claim 1, characterized in that at least one channel ( 14 ; 22 ) of the channel structure ( 13 ; 21 ) an undercut ( 25 ) and / or at least in one channel ( 14 ; 22 ) An aperture is arranged. Bipolarplatte (6, 7; 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (14; 22) radial zu seiner Längserstreckung (33) an seinem Kanalboden (26) breiter ausgebildet ist als im Bereich (27) seiner Kanaloberflächenöffnung (28).Bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the channel ( 14 ; 22 ) radially to its longitudinal extent ( 33 ) at its channel bottom ( 26 ) is wider than in the area ( 27 ) of its channel surface opening ( 28 ). Bipolarplatte (6, 7; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (6, 7; 20) an einer Bipolaroberfläche (11, 12; 24) eine Kanalbreite (30) mit einem Wert kleiner als 1,5 mm aufweist, wobei die Kanalbreite (30) vorzugsweise einen Wert zwischen 0,2 mm und 1 mm aufweist.Bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) on a bipolar surface ( 11 . 12 ; 24 ) a channel width ( 30 ) having a value smaller than 1.5 mm, the channel width ( 30 ) preferably has a value between 0.2 mm and 1 mm. Bipolarplatte (6, 7; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (6, 7; 20) eine Kanalhöhe (32) mit einem Wert zwischen 0,05 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, aufweist.Bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ) a channel height ( 32 ) having a value between 0.05 mm and 3 mm, preferably between 0.1 mm and 2 mm. Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (6, 7; 20), bei welchem eine Oberfläche (11, 12; 24) eines Bipolarplattenmaterials mittels Kanalstrukturen (13; 21) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen (13; 21) in das Bipolarplattenmaterial eingebrannt werden.Method for producing a bipolar plate ( 6 . 7 ; 20 ), in which a surface ( 11 . 12 ; 24 ) of a bipolar plate material by means of channel structures ( 13 ; 21 ), characterized in that the channel structures ( 13 ; 21 ) are burned into the bipolar plate material. Herstellverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen (13; 21) im Bipolarplattenmaterial mittels eines Laserstrahls erzeugt werden.Manufacturing method according to claim 6, characterized in that the channel structures ( 13 ; 21 ) are generated in the bipolar plate material by means of a laser beam. Herstellverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen (13; 21) im Bipolarplattenmaterial mittels eines Plasmastrahls erzeugt werden.Manufacturing method according to claim 6, characterized in that the channel structures ( 13 ; 21 ) are generated in the bipolar plate material by means of a plasma jet. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Erzeugens der Kanalstrukturen (13; 21) ein Prozessgas mit einem Oxidator zugeführt wird.Manufacturing method according to one of claims 6 to 8, characterized in that during a generation of the channel structures ( 13 ; 21 ) a process gas is supplied with an oxidizer. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Erzeugens der Kanalstrukturen (13; 21) ein Prozessgas mit einem Bearbeitungsdruck zwischen 10 mbar und 100 mbar, vorzugsweise mit einem Bearbeitungsdruck von 50 mbar, über einem Umgebungsdruck zugeführt wird.Manufacturing method according to one of claims 6 to 9, characterized in that during a generation of the channel structures ( 13 ; 21 ), a process gas with an operating pressure between 10 mbar and 100 mbar, preferably with an operating pressure of 50 mbar, is supplied above an ambient pressure. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen (13; 21) mit einer Bahngeschwindigkeit zwischen 0,1 m/s und 100 m/s erzeugt werden.Manufacturing method according to one of claims 6 to 10, characterized in that the channel structures ( 13 ; 21 ) are produced at a web speed between 0.1 m / s and 100 m / s. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Kanalstrukturen (13; 21) eine Laserstrahlbahngeschwindigkeit mittels eines Laser-Scanners beschleunigt wird.Manufacturing method according to one of claims 6 to 11, characterized in that for generating the channel structures ( 13 ; 21 ) a laser beam path velocity is accelerated by means of a laser scanner.
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