DE102010020178A1 - Method for producing a metallic biopolar plate, bipolar plate and fuel cell stack and method for its production - Google Patents

Method for producing a metallic biopolar plate, bipolar plate and fuel cell stack and method for its production Download PDF

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Manfred Götz
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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.The invention relates to a method for producing a metallic bipolar plate (01) for a fuel cell stack, such a bipolar plate, a fuel cell stack and a method for producing it. The bipolar plate has a gas distribution structure (05) on its two flat sides. According to the invention, the gas distributor structures (05) are produced on both sides at the same time by partial shear cutting, with complementarily shaped grooves (02) and webs (03) being formed. The bipolar plate is suitable for the very simple production of a fuel cell stack.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

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.The invention relates to a method for producing a metallic bipolar plate for a fuel cell stack, in particular for a high-temperature solid oxide fuel cell stack. In addition, the invention relates to a metallic bipolar plate, which is preferably produced by this method. Finally, the invention relates to a fuel cell stack with bipolar plates and a method for its production.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer planaren Festoxidbrennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) erläutert, kann aber durchaus auch auf andere Brennstoffzellen Anwendung finden.The present invention will be explained below with reference to a planar solid oxide fuel cell (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell), but may well be applied to other fuel cells.

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.The solid oxide fuel cell is a high temperature fuel cell operated at an operating temperature of 650 to 1000 ° C. The electrolyte of this cell type consists of a solid ceramic material capable of conducting oxygen ions but insulating them for electrons. The cathode is also made of a ceramic material that is conductive to ions and electrons. The anode is also ion and electrode conductive.

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.Due to the high operating temperature of the solid fuel cells, it is possible, less noble, d. H. to use less expensive materials for the fuel cell, as in PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane fuel cell). However, the high operating temperature is the reason for almost all technical challenges. The sealing technique of the gas chambers to each other is very expensive, since a high-temperature seal is required. Conventional gaskets simply fail. Cohesive connections may short circuit the electrodes. Therefore, special sealing materials such. B. Glass solders currently being developed for SOFC applications. The aging of the materials (eg due to creeping or oxidation processes) plays an important role due to the high temperatures during operation of the fuel cell. This material aging leads to a rapid decrease in the performance of the fuel cell. High-temperature corrosion leads to embrittlement of metallic components. Furthermore, the strength of the components at high temperature decreases. All this can lead to failure when the materials are stressed. Stress in operation has its origins primarily in thermal gradients and by different thermal expansion coefficients of the materials. An application of the SOFC fuel cell must take these challenges into account.

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.An innovation of a SOFC fuel cell is in the ceramic material. Some of the constraints are: Cathode and anode must be gas permeable and conduct the current well. The layer thickness of the oxygen-conducting membrane must be as thin as possible in order to be able to transport the oxygen ions through the membrane with low energy. There must be no imperfections (holes) through which other gas molecules can pass. The high operating temperature makes the development of these systems very expensive.

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.Another important component of high-temperature fuel cell stacks are the bipolar plates, which are also referred to as interconnectors. The tasks of the bipolar plates are, as with all fuel cells, the electrical contacting of the fuel cell and the supply of fuel gases. An important requirement in the contacting is the lowest possible contact resistance to the electrodes of the SOFC fuel cell.

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.To guide the fuel gases gas distributor structures are arranged in the bipolar plates, via which the anode is supplied with fuel gases and the cathode with air. Important here is the reliable separation of the two gas chambers by an effective sealing concept. Highly alloyed ferritic steels can be used as materials for the bipolar plates, provided that the operating temperature of the SOFC is not above 800 ° C. This requirement is met in the anode-supported substrate concept. The use of steel as a material for bipolar plates offers the significant advantage that its production is suitable for mass production and thus a cost minimization compared to ceramic interconnector materials is possible.

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.To further improve the long-term stable contact of the cells in the fuel cell stack, a new steel was developed at Forschungszentrum Jülich. This forms a biphasic layer at the SOFC operating temperature on the surface, which consists of a Cr-Mn spinel on a Cr 2 O 3 intermediate layer and is responsible for the high-temperature corrosion resistance of the steel. An important task of this outer layer is also the reduction of the chromium evaporation, which regularly leads to a deterioration of the performance of the cathode.

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.From the DE 10 2004 056 422 A1 For example, a gas distribution plate for a high-temperature fuel cell is known. The gas distribution plate described is easy to produce as an insert, mechanically stable and has a wall thickness that makes them sufficiently corrosion resistant for use in a high-temperature fuel cell. The gas distribution plate can be advantageously prepared from a planar sheet with a wall thickness up to 2 mm, by a channel structure of any bridge or channel width z. B. is realized by punching, laser or water jet cutting. Suitable materials are the usual interconnector materials such as ferritic chrome steels. The minimum wall thickness is 0.5 mm to ensure stability and corrosion resistance. The production of the channel structure is complicated and expensive.

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.From the DE 101 26 723 A1 In addition to an interconnector, a compact and intended for a parallel flow high-temperature fuel cell is known. The interconnector has at least two gas inlets into a gas distribution space and a gas outlet into a gas collection space. In between, parallel channels are arranged. The interconnector has gas distributor structures on its top side and on its bottom side. By stacking several interconnectors, which are separated by thin sheets and electrode-electrolyte units, resulting in the corresponding gas distribution and gas collection chambers. The recesses are arranged on the plate such that a recess for forming a gas distribution chamber on one side of the interconnector corresponds to a recess for forming a gas collecting space on the other side. In this way, identical interconnectors can be used to construct a fuel cell stack. For the production of the plates, these must be mechanically processed on both sides, for example by milling. The milling is very time consuming, the material utilization is reduced by the removal. Furthermore, the interconnector plate is relatively thick.

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.The DE 101 26 723 A1 further shows a two-cell fuel cell stack for a parallel flow guide. On a lower end plate, a frame-shaped plate is arranged, in which an electrode electrolyte unit is located. Above this the interconnector is arranged. The conclusion is again a frame-shaped plate with another electrode electrolyte unit and an upper end plate. The production is relatively expensive.

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.From the WO 2009/007729 A1 is a metallic bipolar plate known, which are produced by forming and joining operations of coated sheets. The bipolar plates have ribs and channels formed on both sides with a trapezoidal cross-section. The channels are formed alternately from one side to the other.

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.From the DE 10 2007 053 879 A1 For example, a high temperature fuel cell stack is known that results from stacking a series of cassettes. A fuel cell is arranged in a frame with a spacer. The composite of this cassette is made by welding. The interconnector or bipolar plates are wave-shaped in order to form channels for the transport of the process gases at their top and bottom sides. The resulting channels have a substantially triangular cross-section. The individual cassettes are each joined together by glass solder, so that in each case the interconnector comes into electrical contact with the cathode of an adjacently arranged cassette and the cathode space is sealed. For the production of this fuel cell stack three joining processes are needed. This is extremely time consuming and costly. In addition, many different parts and spacers are still needed.

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.In order to establish the high-temperature solid oxide fuel cell technology on the market, enormous efforts are being made to reduce the production costs for such fuel cell stacks. Another important aspect is the mass and volume of the finished fuel cell stacks.

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.The object of the invention is seen in achieving a reduction in the cost of producing fuel cell stacks, in particular high-temperature solid oxide fuel cells. The high demands on the wear and the life as well as good flow properties of the bipolar plates should be achieved.

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.The object is achieved by a method for producing a metallic bipolar plate according to claim 1, by a metallic bipolar plate according to claim 4 and by a method for producing a fuel cell stack according to claim 9 and by a fuel cell stack according to claim 10.

Eine metallische Bipolarplatte für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle weist eine rippenförmige Gasverteilerstruktur auf, die auf beiden Seiten der Bipolarplatte gebildet ist.A metallic bipolar plate for a high-temperature fuel cell has a rib-shaped gas distribution structure formed on both sides of the bipolar plate.

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.According to the invention, the gas distributor structure is produced by partial shear cutting, wherein at the same time complementarily shaped grooves and webs are formed on both sides of the bipolar plate. The partial shear cutting leads to a material offset in the cross section of the bipolar plate, without causing a cross-sectional complete separation of the material.

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.The advantages of the invention can be seen in the fact that initially the processing or production of the bipolar plates is enormously simplified. There is no material removal, so the material can be almost completely utilized. Due to the inexpensive production sufficiently thin and despite high-temperature corrosion-resistant bipolar plates, the possibilities for fuel cell stacks are enormously expanded. On the one hand, material savings and at the same time weight and volume reduction are achieved with the same performance, so that the fuel cell stack is also suitable for transportable systems. On the other hand, the performance of a stack can be increased by stacking more cells into a stack that makes the bipolar plates lighter and thinner.

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.The bipolar plate further comprises sealing elements, holes for the passage of process gases and inflow and outlet areas between the holes and the gas distributor structure. As sealing elements surveys are referred to, which touch when stacking the bipolar plates and seal the gas space. This may be a peripheral edge or other elevations that serve to seal the gas spaces. The gas distributor structure, as well as the inflow and outlet areas are formed on both sides of the bipolar plate.

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.The bipolar plate according to the invention has made possible a particularly efficient and cost-effective method for producing a fuel cell stack. The method is characterized in that only a single joining process is required to produce a fuel cell stack. The bipolar plate according to the invention is also designed so that only one form of bipolar plates is needed for a stack. The ceramic plates are designed to be substantially the same size as the bipolar plates and the holes are already provided for the passage of gases. By alternating layers of bipolar plates and ceramic plates, wherein always two bipolar plates are arranged opposite to each other so that exactly one ceramic plate faces two top sides or two bottom sides of the bipolar plate, the fuel cell stack is formed. Subsequently, the ceramic plates are joined to the bipolar plates by means of glass solder. Furthermore, a sealing of the outer edges of the ceramic plates is required.

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.A fuel cell stack according to the invention comprises alternately oppositely layered bipolar plates according to the invention and ceramic plates in each case in between as electrolyte, wherein both the bipolar plates and the ceramic plates have holes on the edge for the passage of process gases. The ceramic plates and the bipolar plates are gas-tight in the area of the holes and the edge by means of glass solder. The ceramic plates are sealed at their outer edges. This can be z. B. be achieved in that the whole stack is shed. It should be noted that the openings in the ceramic are also sealed by means of sleeves or a castable and heat-resistant material.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung für eine besonders bevorzugte Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawing for a particularly preferred embodiment. Show it:

1: eine makroskopische Querschnittsaufnahme einer erfindungsgemäß hergestellten Gasverteilerstruktur einer Bipolarplatte; 1 : A macroscopic cross-sectional image of a gas distributor structure of a bipolar plate produced according to the invention;

2: eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen metallischen Bipolarplatte; 2 a spatial representation of a metallic bipolar plate according to the invention;

3: einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in einer teilweisen Explosionsdarstellung; 3 a fuel cell stack according to the invention in a partial exploded view;

4: eine Querschnittsdarstellung des in 3 dargestellten Brennstoffzellenstapels; 4 : a cross-sectional view of the in 3 illustrated fuel cell stack;

5: eine Schnittdarstellung des Details A in 4; 5 : a sectional view of the detail A in 4 ;

6: eine Längsschnittdarstellung des in 3 dargestellten Brennstoffzellenstapels; 6 : a longitudinal section of the in 3 illustrated fuel cell stack;

7: eine Schnittdarstellung des Details X in 6. 7 : a sectional view of the detail 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.In 1 is a macroscopic image of the cross section of a gas distributor structure of a metallic bipolar plate according to the invention 01 shown. The gas distributor structure is formed by complementary shaped grooves 02 and footbridges 03 which are on both sides of the bipolar plate 01 are formed. The reshaping of the bipolar plate 01 takes place according to the invention at least in the region of the gas distributor structure by a subspecies of fineblanking, which is also referred to as enforcing. Enforcement is also called partial fineblanking. Since the "real" fine cutting usually a ring point is required, which is not used here, the method used here is referred to as partial shear cutting. The beginning of this process is identical to shearing. The sheet is processed as if at the grooves 02 is sheared off. However, the shearing is stopped shortly before the cutting stroke, so that a uniform groove structure without cracks or similar defects is obtained.

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.The obtained rectangular cross section of the grooves 02 and footbridges 03 with a groove width of 1.5 mm and a sufficient channel depth has been found in experiments to be particularly useful.

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. A thickness D of the bipolar plate 01 before processing is between 0.5 and 5 mm. The width B of the producible grooves 02 is between 0.5 and 5 mm, preferably the grooves 02 1.5 mm wide. With the partial shear cutting a channel depth T preferably between 0.25 and 2.5 mm but also up to 4 mm can be achieved. In order to optimize the flatness and size of the support surface, the bipolar plate can also be further treated after this process, for example ground flat. In this case, only the surfaces of the protruding webs should be smoothed, but not such a strong material removal done that the lifted webs are leveled again.

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.By the method according to the invention, the line course of the material is not interrupted in the way it is the case during milling or other machining process. This is in 1 clearly visible. This undisturbed flow of material within the bipolar plate subsequently results in improved utility in fuel cell stacks. If microcracks nevertheless occur in the method according to the invention, it is possible for them to heal themselves automatically due to the high use or operating temperature.

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.Due to the overall lower material usage compared to conventional processing methods, the costs for a bipolar plate fall 01 , Likewise, during operation of the plate inserted in a fuel cell stack, the warm-up time to the operating temperature is reduced. Compared with the use of milled bipolar plates, lighter and more compact fuel cells can be produced by the use of the thinner sheets by the described method.

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. 2 shows a spatial representation of the bipolar plate 01 , as it is preferably used for a high-temperature solid oxide fuel cell use. The bipolar plate 01 includes a gas distributor structure 05 with the grooves 02 and the jetties 03 , Furthermore, the bipolar plate comprises 01 holes 04 for the passage of process gases, which are provided in both end regions of the bipolar plate. Between the holes 04 and the gas distribution structure is an inflow region 06 and an outlet area 07 provided through which the process gases through the holes 04 be introduced into the gas distribution structure. On the side of the inflow area 06 are two of the holes 04 with peripheral recesses 08 provided by the process gas in the inflow area 06 and from there into the gas distribution structure can flow. The outlet is via the outlet area 07 and the hole arranged there in the middle 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.The just not described further holes 04 in the inlet area 07 each carry on their edge a survey 09 as a sealant to allow a seal to this gas space when stacking. These holes serve to supply the opposite side of the bipolar plate 01 with the other process gas. The wells 08 are on the opposite side of the bipolar plate 01 complementary as a survey 09 (Sealant against the other gas distributor structure) executed while the surveys 09 on the opposite side represent depressions.

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.As a further sealing means is on the side of the bipolar plate shown as the top, a peripheral edge 10 designed to seal the gas space. The surrounding edge 10 is a circumferential groove on the underside of the bipolar plate. On this side of the plate other sealing measures must be taken.

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.The sealants (surveys 09 , surrounding border 10 ) are preferably produced by high-pressure pressing on the bipolar plate before the gas distributor structure is produced. However, it is also conceivable to also produce these structures by penetration (or partial shear cutting).

Durch das beschriebene erfindungsgemäße Layout der Bipolarplatte 01 ist nur noch eine Art von Platten zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels erforderlich.Due to the inventive layout of the bipolar plate described 01 Only one type of plates is required to produce a fuel cell stack.

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.Such a fuel cell stack is in 3 shown. There are alternately bipolar plates 01 and ceramic plates 11 layered on top of each other. The ceramic plates 11 also have holes in their peripheral areas 12 on that the holes 04 the bipolar plates 01 when stacking overlap. As a result, a simplified assembly and sealing concept can be achieved.

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. 4 shows a cross-sectional view of a fuel cell stack with three fuel cells arranged in series. In this illustration, it can be seen that the bipolar plates 01 are each arranged opposite one another in such a way that exactly one ceramic plate 11 two top sides or two bottom sides of the bipolar plates 01 are facing.

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.This is in detail in 5 better recognizable, the detail A from 4 represents. By the respective opposite arrangement of the bipolar plates 01 come the grooves 02 or the webs 03 each opposite to a ceramic plate 11 to the stop. A sealing of the individual fuel cells with each other is gas-tight during assembly through the use of glass solder at the joints 13 . 14 , Here are the connection points 13 through the one-sided peripheral edge 10 defined, which on the underside of the bipolar plate because of the embossing not as a sealing element can act. For this reason, here is the connection point 14 in the edge area of the ceramic plate 11 required.

6 zeigt einen Längsschnitt des in 3 dargestellten Stapels. in 7 ist das Detail X gemäß 6 dargestellt. 6 shows a longitudinal section of the in 3 illustrated stack. in 7 is the detail X according to 6 shown.

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.The plates are rotated in their plane by 180 ° to allow the supply of the anodes and cathodes with the process gases. So are the pits 08 in the edge region of the holes shown each directed upward to allow the inflow or outflow of the process gases into and out of the fuel cell.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Bipolarplattebipolar
0202
Rillegroove
0303
Stegweb
0404
Lochhole
0505
GasverteilerstrukturGas distribution structure
0606
Einströmbereichinflow
0707
Auslassbereichoutlet
0808
Vertiefungdeepening
0909
Erhebungsurvey
1010
umlaufender Randsurrounding border
1111
Keramikplatteceramic plate
1212
Lochhole
1313
Verbindungsstellejunction
1414
Verbindungsstellejunction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

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.Method for producing a metallic bipolar plate ( 01 ) for a fuel cell stack, each having a gas distributor structure ( 05 ) on its two flat sides, characterized in that the gas distributor structures ( 05 ) are produced on both sides simultaneously by partial shear cutting, which leads to a material offset in the cross section of the bipolar plate, without causing a cross-sectional complete separation of the material, wherein complementarily shaped grooves ( 02 ) and bridges ( 03 ) on both sides of the bipolar plate ( 01 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (01) anschließend auf einer oder beiden flachen Seiten plan geschliffen wird.Method according to claim 1, characterized in that the bipolar plate ( 01 ) is then ground flat on one or both flat sides. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Dichtungsmittel (09, 10) auf der Oberfläche der Bipolarplatte durch Durchsetzen gebildet werden.Method according to claim 1 or 2, characterized in that further sealing means ( 09 . 10 ) are formed on the surface of the bipolar plate by permeation. 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.Metallic bipolar plate ( 01 ) for a high-temperature fuel cell, preferably produced using the method according to claims 1 to 3, with a rib-shaped gas distributor structure ( 05 ), Sealants ( 09 . 10 ), Holes ( 04 ) for the passage of process gases, as well as inflow and outlet areas ( 06 . 07 ) between the holes ( 04 ) and the gas distribution structure ( 05 ), characterized in that the gas distributor structure ( 05 ), and the inflow and outflow areas ( 06 . 07 ) are formed on both sides, wherein the gas distributor structure complementarily shaped grooves ( 02 ) and bridges ( 03 ) on both sides of the bipolar plate ( 01 ) having. Bipolarplatte (01) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (02) und Stege (03) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und parallel verlaufen.Bipolar plate ( 01 ) according to claim 3, characterized in that the grooves ( 02 ) and bridges ( 03 ) have a rectangular cross-section and run parallel. 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.Bipolar plate ( 01 ) according to claim 5, characterized in that it has a thickness D between 0.5 and 5 mm, the grooves ( 02 ) of the gas distributor structure have a width B of 0.5 to 5 mm and a depth T between 0.25 and 4 mm. 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.Bipolar plate ( 01 ) according to claim 6, characterized in that the width B of the ribs is 1.5 mm and the depth T of the ribs is 0.25 to 2.5 mm. Bipolarplatte (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin zumindest einseitig erhabene Dichtungsmittel (09, 10) aufweist.Bipolar plate ( 01 ) according to any one of claims 4 to 7, characterized in that it further comprises at least one side raised sealing means ( 09 . 10 ) having. 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).Method for producing a fuel cell stack with a bipolar plate ( 01 ) according to one of claims 4 to 8, characterized by the following steps: alternating layers of bipolar plates ( 01 ) and ceramic plates ( 11 ), wherein always two bipolar plates are arranged opposite to each other, so that exactly one ceramic plate in each case two upper sides or two lower sides of the bipolar plates ( 01 ), and wherein each second bipolar plate ( 01 ) is rotated 180 ° in the plane of the plate; - joining the ceramic plates ( 11 ) with the bipolar plates ( 01 ) at joints ( 13 . 14 ) by means of glass solder; - sealing the outer edges of the ceramic plates ( 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.Fuel cell stack with alternately oppositely layered bipolar plates ( 01 ) according to one of claims 4 to 8 and ceramic plates ( 11 ) as an electrolyte, whereby both the bipolar plates ( 01 ), as well as the ceramic plates ( 11 ) at the edge holes ( 04 . 12 ) for the passage of process gases and wherein the ceramic plates ( 11 ) and bipolar plates ( 01 ) in the area of the holes ( 04 . 12 ) and the edge by means of glass solder at joints ( 13 . 14 ) are gas-tight and the ceramic plates ( 11 ) are sealed at the outer edges.
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