DE102010020178A1

DE102010020178A1 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Biopolarplatte, Bipolarplatte sowie Brennstoffzellenstapel und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010020178A1
Application number: DE102010020178A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reissberger; Dr. Meyer-Pittroff Frank; Manfred Götz; Christian Brommer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-17
Also published as: WO2011141340A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte (01) für einen Brennstoffzellenstapel, eine solche Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Bipolarplatte weist jeweils eine Gasverteilerstruktur (05) auf ihren beiden flachen Seiten auf. Erfindungsgemäß werden die Gasverteilerstrukturen (05) beidseitig gleichzeitig durch partielles Scherschneiden hergestellt werden, wobei komplementär geformte Rillen (02) und Stege (03) gebildet werden. Die Bipolarplatte ist zur sehr einfachen Herstellung eines Brennstoffzellenstapels geeignet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere für einen Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellenstapel. Daneben betrifft die Erfindung eine metallische Bipolarplatte, die vorzugsweise nach diesem Verfahren herstellbar ist. Schließlich betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer planaren Festoxidbrennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) erläutert, kann aber durchaus auch auf andere Brennstoffzellen Anwendung finden.
Die Festoxidbrennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur von 650 bis 1000°C betrieben wird. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt, der für Ionen und Elektronen leitfähig ist. Die Anode ist ebenfalls ionen- und elektrodenleitend.
Durch die hohe Betriebstemperatur der Feststoffbrennzellen ist es möglich, unedlere, d. h. kostengünstigere Materialien für die Brennstoffzelle zu nutzen, als bei PEM-Brennstoffzellen (polymer electrolyte membran fuel cell). Allerdings ist die hohe Betriebstemperatur auch der Grund für fast alle technischen Herausforderungen. Die Dichtungstechnik der Gasräume zueinander ist sehr aufwändig, da eine Hochtemperaturdichtung erforderlich ist. Konventionelle Flachdichtungen versagen schlichtweg. Stoffschlüssige Verbindungen können unter Umständen die Elektroden kurzschließen. Daher werden spezielle Dichtungsmaterialien wie z. B. Glaslote derzeit für SOFC-Anwendungen entwickelt. Die Alterung der Materialien (z. B. aufgrund von Kriech- oder Oxidationsprozessen) spielt wegen der hohen Temperaturen bei Betrieb der Brennstoffzelle eine bedeutende Rolle. Diese Materialalterung führt zu einer schnellen Abnahme des Leistungsvermögens der Brennstoffzelle. Hochtemperatur-Korrosion führt zu einer Versprödung metallischer Bauteile. Weiterhin nimmt die Festigkeit der Bauteile bei hoher Temperatur ab. All dies kann bei Beanspruchung der Materialien zu Versagen führen. Spannungen im Betrieb haben ihren Ursprung vor allem in thermischen Gradienten und durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien. Eine Anwendung der SOFC-Brennstoffzelle muss diesen Herausforderungen Rechnung tragen.
Eine Innovation einer SOFC-Brennstoffzelle steckt in dem Keramikmaterial. Einige der Randbedingungen sind: Kathode und Anode müssen gasdurchlässig sein und den Strom gut leiten. Die Schichtdicke der sauerstoffleitenden Membran muss möglichst dünn sein, um die Sauerstoffionen energiearm durch die Membran transportieren zu können. Dabei dürfen keine Fehlstellen (Löcher) bestehen, durch die andere Gasmoleküle durchgeleitet werden können. Die hohe Betriebstemperatur macht die Entwicklung dieser Systeme sehr aufwändig.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil von Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapeln sind die bipolaren Platten, die auch als Interkonnektoren bezeichnet werden. Die Aufgaben der Bipolarplatten sind wie bei allen Brennstoffzellen die elektrische Kontaktierung der Brennstoffzelle sowie die Zuführung der Brenngase. Eine wichtige Anforderung bei der Kontaktierung ist der möglichst geringe Übergangswiderstand zu den Elektroden der SOFC-Brennstoffzelle.
Zur Führung der Brenngase sind in den Bipolarplatten Gasverteilerstrukturen angeordnet, über die die Anode mit Brenngasen und die Kathode mit Luft versorgt wird. Wichtig hierbei ist die zuverlässige Trennung der beiden Gasräume durch ein wirksames Dichtungskonzept. Als Werkstoffe für die Bipolarplatten können hoch legierte ferritische Stähle eingesetzt werden, sofern die Betriebstemperatur der SOFC nicht oberhalb von 800°C liegt. Diese Voraussetzung wird beim anodengestützten Substratkonzept erfüllt. Der Einsatz von Stahl als Werkstoff für Bipolarplatten bietet den wesentlichen Vorteil, dass seine Herstellung zur Massenfertigung geeignet ist und so eine Kostenminimierung gegenüber keramischen Interkonnektorwerkstoffen möglich ist.
Um die langzeitstabile Kontaktierung der Zellen im Brennstoffzellenstapel weiter zu verbessern, wurde am Forschungszentrum Jülich ein neuer Stahl entwickelt. Dieser bildet bei SOFC-Betriebstemperatur auf der Oberfläche eine zweiphasige Schicht aus, die aus einem Cr-Mn-Spinell auf einer Cr₂O₃-Zwischenschicht besteht und für die Hochtemperaturkorrosionbeständigkeit des Stahls verantwortlich ist. Eine wichtige Aufgabe dieser äußeren Schicht ist auch die Reduzierung der Chromabdampfung, die regelmäßig zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Kathode führt.
Aus der DE 10 2004 056 422 A1 ist eine Gasverteilerplatte für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt. Die beschriebene Gasverteilerplatte ist als Einlegeteil einfach herzustellen, mechanisch stabil und hat eine Wandstärke, die sie für den Einsatz in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausreichend korrosionsstabil macht. Die Gasverteilerplatte kann vorteilhaft aus einem planaren Blech mit einer Wandstärke bis 2 mm hergestellt werden, indem eine Kanalstruktur beliebiger Steg- bzw. Kanalbreite z. B. durch Stanzen-, Laser- oder Wasserstrahlschneiden realisiert wird. Geeignete Materialien sind die üblichen Interkonnektorwerkstoffe wie beispielsweise ferritische Chromstähle. Als minimale Wandstärke ist 0,5 mm angegeben, um die Stabilität und die Korrosionsbeständigkeit sicher zu stellen. Die Herstellung der Kanalstruktur ist aufwändig und teuer.
Aus der DE 101 26 723 A1 ist neben einem Interkonnektor auch eine kompakte und für eine Parallelströmung vorgesehene Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt. Der Interkonnektor hat wenigstens zwei Gaseinlässe in einen Gasverteilerraum und einen Gasauslass in einen Gassammelraum. Dazwischen sind parallele Kanäle angeordnet. Der Interkonnektor weist auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite Gasverteilerstrukturen auf. Durch Übereinanderstapeln mehrer Interkonnektoren, die durch dünne Bleche und Elektroden-Elektrolyt-Einheiten getrennt werden, ergeben sich die entsprechenden Gasverteiler- und Gassammelräume. Die Aussparungen sind auf der Platte derart angeordnet, dass eine Aussparung zur Ausbildung eines Gasverteilerraumes auf einer Seite des Interkonnektors einer Aussparung zur Ausbildung eines Gassammelraumes auf der anderen Seite entspricht. Auf diese Weise können identische Interkonnektoren zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Zur Herstellung der Platten müssen diese auf beiden Seiten beispielsweise durch Fräsen mechanisch bearbeitet werden. Das Fräsen ist sehr zeitaufwändig, die Materialausnutzung wird durch den Abtrag reduziert. Weiterhin ist die Interkonnektorplatte relativ dick.
Die DE 101 26 723 A1 zeigt weiterhin einen zweizelligen Brennstoffzellenstapel für eine Parallelstromführung. Auf einer unteren Abschlussplatte ist ein rahmenförmiges Blech angeordnet, in welchem sich eine Elektrodenelektrolyteinheit befindet. Darüber ist der Interkonnektor angeordnet. Als Abschluss folgt wieder ein rahmenförmiges Blech mit einer weiteren Elektroden-Elektrolyteinheit sowie einer obere Abschlussplatte. Die Herstellung ist relativ aufwändig.
Aus der WO 2009/007729 A1 ist eine metallische Bipolarplatte bekannt, die durch Umform- und Fügoperationen beschichteter Bleche hergestellt werden. Die Bipolarplatten haben beidseitig ausgebildete Rippen und Kanäle mit einem trapezförmigen Querschnitt. Die Kanäle sind dabei wechselweise von der einen und der anderen Seite her eingeformt.
Aus der DE 10 2007 053 879 A1 ist ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel bekannt, der durch das Stapeln von einer Reihe von Kassetten entsteht. Eine Brennstoffzelle ist dabei in einem Rahmen mit einem Abstandshalter angeordnet. Der Verbund dieser Kassette wird durch Schweißen hergestellt. Die Interkonnektor- bzw. Bipolarplatten sind wellenförmig gestaltet, um an deren Oberseite und Unterseite Kanäle für den Transport der Prozessgase auszubilden. Die entstehenden Kanäle haben dabei einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt. Die einzelnen Kassetten werden jeweils durch Glaslot miteinander gefügt, sodass jeweils der Interkonnektor mit der Kathode einer benachbart angeordneten Kassette elektrisch in Kontakt kommt und der Kathodenraum abgedichtet wird. Für die Herstellung dieses Brennstoffzellenstapels werden drei Fügeverfahren benötigt. Dies ist extrem zeit- und kostenaufwändig. Außerdem werden viele verschiedene Teile und weiterhin Abstandshalter benötigt.
Um die Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellentechnologie am Markt etablieren zu können, werden enorme Bestrebungen unternommen, um die Herstellungskosten für solche Brennstoffzellenstapel zu senken. Ein weiterer wichtiger Aspekt sind Masse und Volumen der fertigen Brennstoffzellenstapel.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Reduzierung der Kosten bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln, insbesondere von Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen, zu erreichen. Dabei sollen die hohen Anforderungen an den Verschleiß und die Lebensdauer sowie gute Strömungseigenschaften der Bipolarplatten erreicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte gemäß Anspruch 1, durch eine metallische Bipolarplatte gemäß Anspruch 4 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß Anspruch 9 und durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 10 gelöst.
Eine metallische Bipolarplatte für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle weist eine rippenförmige Gasverteilerstruktur auf, die auf beiden Seiten der Bipolarplatte gebildet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Gasverteilerstruktur durch partielles Scherschneiden, wobei gleichzeitig komplementär geformte Rillen und Stege auf beiden Seiten der Bipolarplatte gebildet werden. Das partielle Scherschneiden führt zu einem Materialversatz im Querschnitt der Bipolarplatte, ohne eine im Querschnitt vollständige Trennung des Materials zu bewirken.
Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass zunächst die Bearbeitung bzw. Herstellung der Bipolarplatten enorm vereinfacht wird. Es entsteht kein Materialabtrag, der Werkstoff kann so nahezu vollständig ausgenutzt werden. Durch die preiswerte Herstellung hinreichend dünner und trotzdem hochtemperatur-korrosionsbeständiger Bipolarplatten werden die Möglichkeiten auch für Brennstoffzellenstapel enorm erweitert. Zum Einen wird bei gleicher Leistung eine Materialeinsparung und gleichzeitig Gewichts- und Volumenreduktion erreicht, so dass der Brennstoffzellenstapel auch für transportable Systeme geeignet ist. Anderseits kann die Leistung eines Stapels erhöht werden, indem mehr Zellen zu einem Stapel geschichtet werden, die die Bipolarplatten leichter und dünner ausgeführt werden können.
Die Bipolarplatte umfasst weiterhin Dichtelemente, Löcher für die Durchleitung von Prozessgasen sowie Einström- und Auslassbereiche zwischen den Löchern und der Gasverteilerstruktur auf. Als Dichtelemente werden Erhebungen bezeichnet, welche sich beim Stapeln der Bipolarplatten berühren und den Gasraum abdichten. Dies kann ein umlaufender Rand sein oder andere Erhebungen, die zum Abdichten der Gasräume dienen. Die Gasverteilerstruktur, sowie die Einström- und Auslassbereiche sind beidseitig der Bipolarplatte ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist ein besonders effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht worden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass lediglich ein einziges Fügeverfahren erforderlich ist, um einen Brennstoffzellenstapel herzustellen. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist dabei außerdem so ausgeführt, dass nur eine Form von Bipolarplatten für einen Stapel benötigt wird. Die Keramikplatten werden dazu so ausgeführt, dass sie im Wesentlichen die gleiche Größe wie die Bipolarplatten haben und bereits die Löcher für die Durchführung von Gasen vorgesehen sind. Durch abwechselndes Schichten von Bipolarplatten und Keramikplatten, wobei immer zwei Bipolarplatten einander gegenüberliegend angeordnet sind, sodass genau einer Keramikplatte jeweils zwei Oberseiten oder zwei Unterseiten der Bipolarplatte zugewandt sind, wird der Brennstoffzellenstapel gebildet. Anschließend werden die Keramikplatten mit den Bipolarplatten mittels Glaslot gefügt. Weiterhin ist ein Abdichten der außen liegenden Kanten der Keramikplatten erforderlich.
Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel umfasst abwechselnd gegenüberliegend geschichtete erfindungsgemäße Bipolarplatten und jeweils dazwischen liegende Keramikplatten als Elektrolyt, wobei sowohl die Bipolarplatten als auch die Keramikplatten randseitig Löcher für die Durchleitung von Prozessgasen aufweisen. Die Keramikplatten und die Bipolarplatten werden im Bereich der Löcher und des Randes mittels Glaslot gasdicht gefügt. Die Keramikplatten sind an deren außen liegenden Kanten abgedichtet. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der ganze Stapel vergossen wird. Es ist zu beachten, dass auch die Öffnungen in der Keramik mittels Hülsen oder einem gießbaren und hitzebeständigen Material abgedichtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung für eine besonders bevorzugte Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1: eine makroskopische Querschnittsaufnahme einer erfindungsgemäß hergestellten Gasverteilerstruktur einer Bipolarplatte;
2: eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen metallischen Bipolarplatte;
3: einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in einer teilweisen Explosionsdarstellung;
4: eine Querschnittsdarstellung des in 3 dargestellten Brennstoffzellenstapels;
5: eine Schnittdarstellung des Details A in 4;
6: eine Längsschnittdarstellung des in 3 dargestellten Brennstoffzellenstapels;
7: eine Schnittdarstellung des Details X in 6.
In 1 ist eine makroskopische Abbildung des Querschnitts einer erfindungsgemäß hergestellten Gasverteilerstruktur einer metallischen Bipolarplatte 01 gezeigt. Die Gasverteilerstruktur wird gebildet durch komplementär geformte Rillen 02 und Stege 03, welche auf beiden Seiten der Bipolarplatte 01 gebildet sind. Die Umformung der Bipolarplatte 01 erfolgt zumindest im Bereich der Gasverteilerstruktur erfindungsgemäß durch eine Unterart des Feinschneidens, welche auch als Durchsetzen bezeichnet wird. Das Durchsetzen wird auch partielles Feinschneiden genannt. Da beim „echten” Feinschneiden zumeist eine Ringzacke erforderlich ist, die hier nicht verwendet wird, wird das hier angewandte Verfahren als partielles Scherschneiden bezeichnet. Der Beginn dieses Verfahrens ist identisch mit dem Scherschneiden. Das Blech wird derart bearbeitet, als ob an den Rillen 02 abgeschert wird. Allerdings wird das Abscheren kurz vor dem Schnittschlag angehalten, sodass man eine gleichmäßige Rillenstruktur ohne Risse oder ähnliche Defekte erhält.
Der erhaltene rechteckige Querschnitt der Rillen 02 und Stege 03 mit einer Rillenbreite von 1,5 mm und einer ausreichenden Kanaltiefe hat sich in Versuchen als besonders zweckmäßig herausgestellt.
Eine Dicke D der Bipolarplatte 01 vor ihrer Bearbeitung beträgt zwischen 0,5 und 5 mm. Die Breite B der erzeugbaren Rillen 02 liegt zwischen 0,5 und 5 mm, vorzugsweise sind die Rillen 02 1,5 mm breit. Mit dem partiellen Scherschneiden kann eine Kanaltiefe T vorzugsweise zwischen 0,25 und 2,5 mm aber auch bis zu 4 mm erreicht werden. Um die Ebenheit und Größe der Auflagefläche zu optimieren, kann die Bipolarplatte nach diesem Prozess auch noch weiter behandelt, beispielsweise plan geschliffen werden. Dabei sollen lediglich die Flächen der überstehenden Stege geglättet werden, jedoch nicht ein derart starker Materialabtrag erfolgen, dass die herausgehobenen Stege wieder eingeebnet sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch der Linienverlauf des Materials nicht in der Weise unterbrochen, wie es beim Fräsen oder anderen spanenden Verfahren der Fall ist. Dies ist in 1 gut zu erkennen. Dieser ungestörte Materialfluss innerhalb der Bipolarplatte resultiert nachfolgend in einer verbesserten Brauchbarkeit in Brennstoffzellenstapeln. Falls dennoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Mikrorisse entstehen, ist es möglich, dass sich diese durch die hohe Einsatz- bzw. Betriebstemperatur selbsttätig heilen.
Aufgrund des gegenüber herkömmlichen Verarbeitungsverfahren insgesamt geringeren Materialeinsatzes fallen die Kosten für eine Bipolarplatte 01. Ebenso verringert sich im Betrieb der in einen Brennstoffzellenstapel eingesetzten Platte die Aufwärmzeit auf die Betriebstemperatur. Im Vergleich zur Verwendung von gefrästen Bipolarplatten können durch das beschriebene Verfahren leichtere und kompaktere Brennstoffzellen durch die Verwendung der dünneren Bleche hergestellt werden.
2 zeigt eine räumliche Darstellung der Bipolarplatte 01, wie sie vorzugsweise für eine Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzelle Verwendung findet. Die Bipolarplatte 01 umfasst eine Gasverteilerstruktur 05 mit den Rillen 02 und den Stegen 03. Weiterhin umfasst die Bipolarplatte 01 Löcher 04 zur Durchleitung von Prozessgasen, die in beiden Endbereichen der Bipolarplatte vorgesehen sind. Zwischen den Löchern 04 und der Gasverteilerstruktur ist ein Einströmbereich 06 und ein Auslassbereich 07 vorgesehen, durch welche die Prozessgase über die Löcher 04 in die Gasverteilerstruktur eingeleitet werden. Auf der Seite des Einströmbereiches 06 sind zwei der Löcher 04 mit randseitigen Vertiefungen 08 versehen, durch die das Prozessgas in den Einströmbereich 06 und von dort in die Gasverteilerstruktur strömen kann. Der Auslass erfolgt über den Auslassbereich 07 und das dort mittig angeordnete Loch 04.
Die soeben nicht beschriebenen weiteren Löcher 04 im Einlassbereich 07 tragen jeweils an ihrem Rand eine Erhebung 09 als Dichtmittel, um eine Abdichtung zu diesem Gasraum beim Stapeln zu ermöglichen. Diese Löcher dienen der Belieferung der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte 01 mit dem jeweils anderen Prozessgas. Die Vertiefungen 08 sind auf der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte 01 komplementär als Erhebung 09 (Dichtmittel gegenüber der anderen Gasverteilerstruktur) ausgeführt, während die Erhebungen 09 auf der gegenüberliegenden Seite Vertiefungen darstellen.
Als weiteres Dichtmittel ist auf der als Oberseite dargestellten Seite der Bipolarplatte ein umlaufender Rand 10 zur Abdichtung des Gasraumes ausgebildet. Der umlaufende Rand 10 ist auf der Unterseite der Bipolarplatte eine umlaufende Rille. Auf dieser Plattenseite müssen andere Dichtungsmaßnahmen ergriffen werden.
Die Dichtmittel (Erhebungen 09, umlaufender Rand 10) werden vorzugsweise durch Hochdruckpressen auf der Bipolarplatte erzeugt, bevor die Gasverteilerstruktur hergestellt wird. Es ist aber ebenso denkbar, diese Strukturen ebenfalls durch Durchsetzen (oder partielles Scherschneiden) herzustellen.
Durch das beschriebene erfindungsgemäße Layout der Bipolarplatte 01 ist nur noch eine Art von Platten zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels erforderlich.
Ein solcher Brennstoffzellenstapel ist in 3 dargestellt. Dabei sind abwechselnd Bipolarplatten 01 und Keramikplatten 11 übereinander geschichtet. Die Keramikplatten 11 weisen in ihren Randbereichen ebenfalls Löcher 12 auf, die die Löcher 04 der Bipolarplatten 01 beim Übereinanderstapeln überdecken. Dadurch kann ein erleichtertes Montage- und Dichtungskonzept erreicht werden.
4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels mit drei in Reihe angeordneten Brennstoffzellen. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass die Bipolarplatten 01 jeweils derart einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass genau einer Keramikplatte 11 jeweils zwei Oberseiten oder zwei Unterseiten der Bipolarplatten 01 zugewandt sind.
Dies ist im Detail in 5 besser erkennbar, die das Detail A aus 4 darstellt. Durch die jeweils gegenüberliegende Anordnung der Bipolarplatten 01 kommen die Rillen 02 bzw. die Stege 03 jeweils gegenüberliegend an einer Keramikplatte 11 zum Anschlag. Eine Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen untereinander erfolgt gasdicht bei der Montage durch die Verwendung von Glaslot an den Verbindungsstellen 13, 14. Dabei sind die Verbindungsstellen 13 durch den einseitig vorhandenen umlaufenden Rand 10 definiert, welcher an der Unterseite der Bipolarplatte wegen der Prägung nicht als Dichtelement fungieren kann. Aus diesem Grund ist hier die Verbindungsstelle 14 im Randbereich der Keramikplatte 11 erforderlich.
6 zeigt einen Längsschnitt des in 3 dargestellten Stapels. in 7 ist das Detail X gemäß 6 dargestellt.
Die Platten sind in ihrer Ebene um 180° gedreht, um die Versorgung der Anoden und Kathoden mit den Prozessgasen zu ermöglichen. So sind die Vertiefungen 08 im Randbereich der dargestellten Löcher jeweils nach oben gerichtet, um das Ein- bzw. Ausströmen der Prozessgase in die bzw. aus der Brennstoffzelle zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

01: Bipolarplatte
02: Rille
03: Steg
04: Loch
05: Gasverteilerstruktur
06: Einströmbereich
07: Auslassbereich
08: Vertiefung
09: Erhebung
10: umlaufender Rand
11: Keramikplatte
12: Loch
13: Verbindungsstelle
14: Verbindungsstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004056422 A1 [0009]
DE 10126723 A [0010]
DE 10126723 A1 [0011]
WO 2009/007729 A1 [0012]
DE 102007053879 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte (01) für einen Brennstoffzellenstapel, welche jeweils eine Gasverteilerstruktur (05) auf ihren beiden flachen Seiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilerstrukturen (05) beidseitig gleichzeitig durch partielles Scherschneiden hergestellt werden, welches zu einem Materialversatz im Querschnitt der Bipolarplatte führt, ohne eine im Querschnitt vollständige Trennung des Materials zu bewirken, wobei komplementär geformte Rillen (02) und Stege (03) auf beiden Seiten der Bipolarplatte (01) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (01) anschließend auf einer oder beiden flachen Seiten plan geschliffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Dichtungsmittel (09, 10) auf der Oberfläche der Bipolarplatte durch Durchsetzen gebildet werden.
Metallische Bipolarplatte (01) für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, vorzugsweise hergestellt unter Anwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüche 1 bis 3, mit einer rippenförmigen Gasverteilerstruktur (05), Dichtungsmitteln (09, 10), Löchern (04) für die Durchleitung von Prozessgasen, sowie Einström- und Auslassbereichen (06, 07) zwischen den Löchern (04) und der Gasverteilerstruktur (05), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilerstruktur (05), sowie die Einström- und Auslassbereiche (06, 07) beidseitig ausgebildet sind, wobei die Gasverteilerstruktur komplementär geformte Rillen (02) und Stege (03) auf beiden Seiten der Bipolarplatte (01) aufweist.
Bipolarplatte (01) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (02) und Stege (03) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und parallel verlaufen.
Bipolarplatte (01) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dicke D zwischen 0,5 und 5 mm aufweist, die Rillen (02) der Gasverteilerstruktur eine Breite B von 0,5 bis 5 mm und eine Tiefe T zwischen 0,25 und 4 mm aufweisen.
Bipolarplatte (01) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B der Rippen 1,5 mm und die Tiefe T der Rippen 0,25 bis 2,5 mm beträgt.
Bipolarplatte (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin zumindest einseitig erhabene Dichtungsmittel (09, 10) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Bipolarplatte (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, durch folgende Schritte gekennzeichnet: – abwechselndes Schichten von Bipolarplatten (01) und Keramikplatten (11), wobei immer zwei Bipolarplatten einander gegenüberliegend angeordnet sind, sodass genau einer Keramikplatte jeweils zwei Oberseiten oder zwei Unterseiten der Bipolarplatten (01) zugewandt sind, und wobei jede zweite Bipolarplatte (01) um 180° in der Plattenebene gedreht ist; – Fügen der Keramikplatten (11) mit den Bipolarplatten (01) an Fügestellen (13, 14) mittels Glaslot; – Abdichten der außen liegenden Kanten der Keramikplatten (11).
Brennstoffzellenstapel mit abwechselnd gegenüberliegend geschichteten Bipolarplatten (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 und Keramikplatten (11) als Elektrolyt, wobei sowohl die Bipolarplatten (01), als auch die Keramikplatten (11) randseitig Löcher (04, 12) für die Durchleitung von Prozessgasen aufweisen und wobei die Keramikplatten (11) und Bipolarplatten (01) im Bereich der Löcher (04, 12) und des Randes mittels Glaslot an Fügestellen (13, 14) gasdicht gefügt sind und die Keramikplatten (11) an deren außen liegenden Kanten abgedichtet sind.