DE102013021577A1

DE102013021577A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102013021577A1
Application number: DE102013021577.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin; Jonas Stoll; Stephen Wade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1) und eine Kathodenplatte (1.2), wobei zwischen der Anodenplatte (1.1) und Kathodenplatte (1.2) eine Kühlzone ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass in der Kühlzone ein Unterstützungselement (1.4) angeordnet ist, welches ein zumindest annähernd wellenförmiges Profil aufweist, mittels welchem eine Mehrzahl von Kühlkanälen (K1 bis Kn) zur Durchführung eines Kühlmediums (KM) zwischen der Anodenplatte (1.1) und der Kathodenplatte (1.2) ausgebildet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte.
In der US 2003/0087142 A1 ist eine als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ausgebildete Brennstoffzelle offenbart, welche zur Versteifung von Einlassleitungen sowie einer Verringerung von Undichtigkeiten innerhalb der Einlassleitungen rippenförmige Ausformungen aufweist. In einer Ausführungsform weist die Brennstoffzelle auf ihrer Kathodenseite verstärkende, rippenförmige Ausformungen innerhalb der Kathodeneinlassleitung und auf der Anodenseite weitere rippenförmige Ausformungen in Form eines kontinuierlichen Gürtels auf. Die verstärkenden, rippenförmigen Ausformungen kreuzen sich dabei mit den weiteren rippenförmigen Ausformungen in einem rechten Winkel. Alternativ sind die weiteren rippenförmigen Ausformungen in Form miteinander verbundener Zylinder ausgeformt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und eine verbesserte Brennstoffzelle anzugeben.
Hinsichtlich der Bipolarplatte wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Brennstoffzelle durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte, wobei zwischen der Anodenplatte und Kathodenplatte eine Kühlzone ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist in der Kühlzone ein Unterstützungselement angeordnet, welches ein zumindest annähernd wellenförmiges Profil aufweist, mittels welchem eine Mehrzahl von Kühlkanälen zur Durchführung eines Kühlmediums zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte ausgebildet ist.
Die Bipolarplatte weist mittels des Unterstützungselements eine erhöhte Steifigkeit auf, so dass eine dauerhafte und zuverlässige Dichtfunktion der Brennstoffzelle ermöglicht ist. Da eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle auch maßgeblich von einer Steifigkeit der Bipolarplatte abhängt, wird eine aus Undichtigkeiten resultierende Leistungsreduzierung der Brennstoffzelle wirkungsvoll vermieden. Dadurch sind besonders leistungsfähige Brennstoffzellen herstellbar. Solche Undichtigkeiten treten beispielsweise durch eine nicht ausreichende Steifigkeit der Bipolarplatte im Bereich der Kühlkanäle für ein Spritzgussverfahren einer Dichtung für die Bipolarplatte auf, wodurch z. B. so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade in der Dichtung entstehen können.
Weiterhin ist durch das Unterstützungselement, insbesondere mittels des annähernd wellenförmigen Profils, eine optimale Strömungsführung des Kühlmediums möglich. Die Anordnung des Unterstützungselements vereinfacht zudem eine Montage der Bipolarplatte, insbesondere eine Zentrierung der Anodenplatte und Kathodenplatte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer Bipolarplatte mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte aus dem Stand der Technik,
2 schematisch einen Querschnitt des Ausschnitts gemäß 1,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte und einem dazwischen angeordneten Unterstützungselement,
4 schematisch einen Querschnitt des Ausschnitts gemäß 3,
5 schematisch eine Draufsicht auf die Anodenplatte und die Kathodenplatte,
6 schematisch ein vergrößerter Ausschnitt mit einem stirnseitigen Randbereich der Kathodenplatte gemäß 5 in Draufsicht,
7 schematisch einen Querschnitt eines vergrößerten Ausschnitt mit einem stirnseitigen Randbereich der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß 3,
8 schematisch einen Querschnitt des Unterstützungselements in einer alternativen Ausführungsform und
9 schematisch einen Querschnitt des Unterstützungselements in einer weiteren alternativen Ausführungsform.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 2 ist ein Ausschnitt aus einer Bipolarplatte 1 einer nicht gezeigten Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Darstellungen gezeigt.
Die Bipolarplatte 1 umfasst eine Anodenplatte 1.1, eine Kathodenplatte 1.2, welche jeweils metallisch ausgebildet sind und ein Dichtelement 2. Zwischen der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 ist eine Zwischenplatte 1.3 angeordnet, die einer Beabstandung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 zueinander dient.
Innerhalb der Brennstoffzelle ist dabei jeweils eine Bipolarplatte 1 zwischen zwei nicht gezeigten Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet. Der dargestellte Bereich B der Bipolarplatte 1 zeigt dabei einen Randbereich der Bipolarplatte 1, insbesondere einen Bereich mit einer Kühlzone.
Die Anodenplatte 1.1 weist in dem gezeigten Abschnitt drei annähernd u-förmige Kanalausformungen 1.1.1 auf, deren Länge in eine Querrichtung y der Anodenplatte 1.1 gerichtet und die in einer Längsrichtung x der Anodenplatte 1.1 zueinander beabstandet sind. Die Kanalausformungen 1.1.1 bilden dabei drei zwischen der Kathodenplatte 1.2 und der Anodenplatte 1.1 angeordnete Kühlkanäle K1 bis K3, die die Kühlzone bilden und der Führung eines Kühlmediums KM dienen.
Die Kühlkanäle K1 bis K3 kreuzen dabei im rechten Winkel eine Dichtungsbrücke D, die durch eine Ausformung 1.1.2 gebildet ist, deren Länge in Längsrichtung x der Anodenplatte 1.1 gerichtet ist. Die Ausformung 1.1.2 weist wie die Kanalausformungen 1.1.1 ein annäherndes u-Profil auf, wobei zwischen der Kathodenplatte 1.2 und der Anodenplatte 1.1 ein kanalförmiger Hohlraum gebildet ist, der durch die Kühlkanäle K1 bis K3 unterbrochen ist. Der Hohlraum ist beispielsweise mit Wasser, Öl oder einer anderen für eine mechanische Stabilisierung der Bipolarplatte 1 geeigneten Flüssigkeit gefüllt. Alternativ kann der Hohlraum auch mit einem Schaumstoff gefüllt sein.
Auf einer der Kathodenplatte 1.2 abgewandten Seite der Dichtungsbrücke D ist das Dichtelement 2 angeordnet, welches zu einer fluiddichten Abdichtung der Bipolarplatte 1 zu den Membran-Elektroden-Anordnungen vorgesehen ist.
Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hängt maßgeblich auch von einer Steifigkeit der Bipolarplatte 1 im Bereich der Kühlkanäle K1 bis K3 ab. Wenn beispielsweise eine Steifigkeit der Kanalausformungen 1.1.1 nicht ausreichend für ein Spritzgussverfahren zur Herstellung und Anordnung des Dichtelements 2 auf der Dichtungsbrücke D ist, können Undichtigkeiten im Bereich der Kühlkanäle K1 bis K3, beispielsweise so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade im Dichtelement 2, auftreten, die die Führung des Kühlmediums KM reduzieren oder blockieren. Daraus kann eine reduzierte Leistung der Brennstoffzelle entstehen.
Zur Realisierung einer zuverlässigen Dichtfunktion wird eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Steifigkeit vorgeschlagen, wie sie in den nachfolgenden 3 bis 9 beschrieben ist.
Die 3 bis 7 zeigen dabei eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 in verschiedenen Darstellungen.
Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten Stand der Technik ist die Kühlzone mittels nur einer Kanalausformung 1.1.1 gebildet, wobei deren in Längsrichtung x der Anodenplatte 1.1 gerichtete Breite im Vergleich zu einer der Kanalausformungen 1.1.1 aus dem Stand der Technik signifikant größer ist.
Zwischen der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 ist im Bereich der Kanalausformung 1.1.1 zur Erhöhung der Steifigkeit der Bipolarplatte 1 ein bevorzugt metallisch ausgebildetes Unterstützungselement 1.4 angeordnet, welches ein in Längsrichtung x verlaufendes, annähernd wellenförmiges Profil aufweist, mittels dessen eine Mehrzahl von Kühlkanälen K1 bis Kn für eine optimale Strömungsführung des Kühlmediums KM gebildet ist.
Die Kühlkanäle K1 bis Kn verlaufen dabei in einem ersten Abschnitt, welcher einem äußeren Randbereich der Bipolarplatte 1 zugewandt ist und damit einen Eingangsbereich für das Kühlmedium KM bildet, in Querrichtung y und weisen in einem zweiten Abschnitt eine Krümmung in Richtung der Längsrichtung x auf, so dass das Kühlmedium KM in Richtung einer Mitte der Bipolarplatte 1 geführt wird. Dies ist beispielhaft in einem in 6 gezeigten Bereich B der Bipolarplatte 1 dargestellt. Diese Ausbildung des Unterstützungselements 1.4 ist auch als ein sogenanntes Castigliano-Profil bekannt.
Das Unterstützungselement 1.4 ist vorzugsweise mittels Stoffschluss, insbesondere mittels Laserschweißung, mit der Kathodenplatte 1.2 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 4 und 7 ist dabei jeweils ein in Bezug auf die Längsrichtung x stirnseitiges Ende des Unterstützungselements 1.4 mittels eines Schweißpunkts S mit der Anodenplatte 1.1 stoffschlüssig verbunden. Alternativ kann das Unterstützungselement 1.4 auch mittels Kraft- und/oder Formschluss mit der Kathodenplatte 1.2 verbunden sein. Der Schweißpunkt S weist beispielsweise einen Durchmesser von 0,2 mm auf.
Die stirnseitigen Enden des Unterstützungselements 1.4 können dabei zusätzlich als ein Zentrierbereich Z beim Fügen der Anodenplatte 1.1 mit der Kathodenplatte 1.2 dienen, so dass eine Montage der Bipolarplatte 1 vereinfacht ist. In der 5 sind zwei Zentrierbereiche Z, insbesondere ein horizontaler und ein vertikaler Zentrierbereich Z beispielhaft dargestellt, wobei der horizontale Zentrierbereich Z durch die stirnseitigen Enden des Unterstützungselements 1.4 begrenzt wird. Die Anodenplatte 1.1 wird auf der Kathodenplatte 1.2 angeordnet und mit dieser kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
Dabei ist insbesondere in 7 zu erkennen, dass nach dem Fügen der Anodeplatte 1.1 auf die Kathodenplatte 1.2 die stirnseitigen Enden des Unterstützungselements 1.4 abschnittsweise an der Kanalausformung 1.1.1 der Anodenplatte 1.1 anliegen. In diesem Abschnitt auftretende Rückstellkräfte des Unterstützungselements 1.4 und der Kanalausformung 1.1.1 sind dabei ähnlich groß dimensioniert, so dass eine Steifigkeit der Bipolarplatte 1 in diesem Abschnitt gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist. Rückstellkräfte beschreiben hierbei eine Elastizität des Materials, welche einerseits bei einem Umformprozess zur Herstellung der Anodenplatte 1.1 und des Unterstützungselements 1.4 und andererseits bei dem oben genannten Spritzgussverfahren zur Herstellung und Anordnung des Dichtelementes 2 auftreten.
Weiterhin können die Zentrierbereiche Z bei einer im Produktionsverlauf der Anodenplatte 1.1 und/oder der Kathodenplatte 1.2 möglichen Formänderung leicht repositioniert werden.
Für den Abschnitt des wellenförmigen Profils zwischen den stirnseitigen Enden ist eine Spielpassung vorgesehen, wobei eine Form des Unterstützungselement 1.4, insbesondere in dessen Länge und Breite, an die Erfordernisse für eine optimale Strömungsführung und Aussteifung angepasst werden kann.
Die 8 und 9 zeigen das Unterstützungselement 1.4 in verschiedenen, alternativen Ausführungsformen.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1.1: Anodenplatte
1.1.1: Kanalausformung
1.1.2: Ausformung
1.2: Kathodenplatte
1.3: Zwischenplatte
1.4: Unterstützungselement
2: Dichtelement
B: Bereich
D: Dichtungsbrücke
K1 bis Kn: Kühlkanal
KM: Kühlmedium
S: Schweißnaht
Z: Zentrierbereich
x: Längsrichtung
y: Querrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2003/0087142 A1 [0002]

Claims

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1) und eine Kathodenplatte (1.2), wobei zwischen der Anodenplatte (1.1) und Kathodenplatte (1.2) eine Kühlzone ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlzone ein Unterstützungselement (1.4) angeordnet ist, welches ein zumindest annähernd wellenförmiges Profil aufweist, mittels welchem eine Mehrzahl von Kühlkanälen (K1 bis Kn) zur Durchführung eines Kühlmediums (KM) zwischen der Anodenplatte (1.1) und der Kathodenplatte (1.2) ausgebildet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (K1 bis Kn) jeweils in ihrer Längsausrichtung zumindest eine Krümmung aufweisen.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungselement (1.4) mit jeweils einem in einer Längsrichtung (x) angeordneten, stirnseitigen Endbereich stoffschlüssig mit der Kathodenplatte (1.1) verbunden ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungselement (1.4) mit der Kathodenplatte (1.1) verschweißt ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Längsrichtung (x) angeordneten, stirnseitigen Endbereiche einen Zentrierbereich (Z) zur Anordnung der Anodenplatte (1.1) auf der Kathodenplatte (1.2) begrenzen.
Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.