DE102014208445A1 - Bipolar plate, fuel cell and method for producing the bipolar plate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), wobei die Bipolarplatte (10) einen Grundkörper (12) und auf dem Grundkörper (12) ein Dichtungsmaterial (16) aufweist. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass der Grundkörper (12) in einem äußeren Randbereich (18) wenigstens eine Randerhöhung (20) ausbildet, und die Bipolarplatte (10) auf dem Maximum (15) der wenigstens einen Randerhöhung (20) ein elektrisch isolierendes Material (24) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (100) mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte (10) und ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte (10).The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell (100), wherein the bipolar plate (10) has a base body (12) and a sealing material (16) on the base body (12). It is characteristically provided that the base body (12) forms at least one edge elevation (20) in an outer edge area (18), and the bipolar plate (10) at the maximum (15) of the at least one edge elevation (20) forms an electrically insulating material (24 ) having. Furthermore, the invention relates to a fuel cell (100) with a bipolar plate (10) according to the invention and to a method for producing the bipolar plate (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte einen Grundkörper und auf dem Grundkörper ein Dichtungsmaterial aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, wherein the bipolar plate has a base body and a sealing material on the base body. Furthermore, the invention relates to a fuel cell with a bipolar plate according to the invention and a method for producing the bipolar plate.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and one, both sides of the membrane disposed electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of MEAs arranged in the stack, the electrical powers of which accumulate. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of O 2 to O 2- taking place of the electrons takes place. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.Currently the most advanced fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEMs), where the membrane itself consists of a polymer electrolyte. In this case, acid-modified polymers, in particular perfluorinated polymers, are often used. The most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of water is a prerequisite for the proton conductivity and moistening of the operating gases is required during operation of the PEM fuel cell. Due to the necessity of the water, the maximum operating temperature of these fuel cells is limited to below 100 ° C at standard pressure. In contrast to high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEM fuel cells) whose electrolytic conductivity is based on an electrostatic complex bound to a polymer backbone of the polymer electrolyte membrane electrolyte (for example, phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes) and at temperatures of 160 ° C, this type of fuel cell is also referred to as a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).
Die Membran-Elektroden-Einheiten sind alternierend mit elektrisch leitfähigen Bipolarplatten der Brennstoffzelle gestapelt und somit in Reihe geschaltet. Es muss im Betrieb der Brennstoffzelle sichergestellt werden, dass benachbarte Bipolarplatten nicht in elektrisch leitfähigen Kontakt geraten.The membrane-electrode assemblies are stacked alternately with electrically conductive bipolar plates of the fuel cell and thus connected in series. During operation of the fuel cell, it must be ensured that neighboring bipolar plates do not come into electrically conductive contact.
Die
Ferner sind Bipolarplatten bekannt, deren äußerer Rand innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einen Luftspalt zu benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten und/oder benachbarten Bipolarplatten aufweist. Durch den Luftspalt werden ansonsten mögliche Kriechströme verhindert oder zumindest vermindert. Dabei resultiert ein größerer Luftspalt in einer größeren Kriechstrecke. Ist es angebracht, die Kriechstrecke und somit den Luftspalt zu vergrößern, wird dabei auch ein Zellabstand von Einzelzellen der Brennstoffzelle vergrößert, was in der Regel zu einer verringerten volumetrischen Leistungsdichte führt. Kommt es beim Zusammenbau oder dem Betrieb der Brennstoffzelle zu Verformungen der Bipolarplatten, so kann sich der Luftspalt reduzieren.Furthermore, bipolar plates are known, whose outer edge within a fuel cell stack has an air gap to adjacent membrane electrode assemblies and / or adjacent bipolar plates. Otherwise, possible creepage currents are prevented or at least reduced by the air gap. This results in a larger air gap in a larger creepage distance. If it is appropriate to increase the creepage distance and thus the air gap, thereby also a cell distance of single cells of the fuel cell is increased, which usually leads to a reduced volumetric power density. If deformations of the bipolar plates occur during assembly or operation of the fuel cell, the air gap can be reduced.
Ferner ist bekannt, einen großen Überstand von zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membran-Anordnungen vorzusehen. Allerdings ist dabei eine Ausrichtung der Bipolarplatten und der Membran-Anordnungen über ihren äußeren Rand nicht mehr ohne Weiteres möglich.Furthermore, it is known to provide a large projection of arranged between the bipolar plates membrane assemblies. However, an orientation of the bipolar plates and the membrane assemblies over their outer edge is no longer readily possible.
Eine Alternative stellen Isolationsringe als Teil einer Bipolarplattenbaugruppe dar. Zu ihrer Herstellung wird jedoch ein zusätzlicher Herstellungsschritt nötig. Zudem sind die Isolationsringe nicht starr angebracht.An alternative is insulation rings as part of a Bipolarplattenbaugruppe. However, for their preparation, an additional Manufacturing step needed. In addition, the insulation rings are not rigidly attached.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche sich durch eine erhöhte Betriebs- und Ausfallsicherheit bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung auszeichnet. Ferner soll ein Herstellungsverfahren zur kostengünstigen Herstellung der Bipolarplatte zur Verfügung gestellt werden.The invention is an object of the invention to provide a bipolar plate and a fuel cell available, which is characterized by increased reliability and reliability while cost-effective production. Furthermore, a manufacturing method for cost-effective production of the bipolar plate is to be made available.
Erfindungsgemäß wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Bipolarplatte weist einen Grundkörper und auf dem Grundkörper ein Dichtungsmaterial auf. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass der Grundkörper in einem äußeren Randbereich wenigstens eine Randerhöhung ausbildet, und die Bipolarplatte auf einem Maximum der wenigstens einen Randerhöhung ein elektrisch isolierendes Material aufweist.According to the invention, a bipolar plate is provided for a fuel cell. The bipolar plate has a base body and a sealing material on the base body. Characteristically, it is provided that the base body forms at least one edge elevation in an outer edge region, and the bipolar plate has an electrically insulating material at a maximum of the at least one edge elevation.
Durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte wird im Betrieb der Brennstoffzelle eine erhöhte Kurzschlusssicherheit sichergestellt, da Ränder der Bipolarplatten (mit elektrisch leitfähigen Grundkörpern) zueinander durch das auf den Randerhöhungen angeordnete, elektrisch isolierende Material isoliert sind. Ferner kann die erfindungsgemäße Bipolarplatte besonders kostengünstig hergestellt werden, da ein aus dem Stand der Technik bekanntes, materialaufwändiges Umspritzen des Randbereichs der Bipolarplatte nicht mehr nötig ist, um dennoch innerhalb der Brennstoffzelle einen Kontakt des elektrisch isolierenden Materials mit angrenzenden Bauteilen, z. B. einer Membran-Elektroden-Einheit herzustellen. Durch den Kontakt wird unter anderem die Stabilität der Brennstoffzelle verbessert. Vielmehr kann ein Aufbringen des elektrisch isolierenden Materials bevorzugt durch ein Aufrollen oder Aufdrucken erfolgen. Dies ist möglich, da im äußeren Randbereich eine Oberfläche des Grundkörpers mittels der wenigstens einen Randerhöhung angehoben wird, und somit nunmehr ein weniger großer Abstand zu angrenzenden Bauteilen mittels des elektrisch isolierenden Materials überbrückt werden muss.By the bipolar plate according to the invention an increased short-circuit safety is ensured during operation of the fuel cell, since edges of the bipolar plates (with electrically conductive bodies) to each other by the arranged on the edge elevations, electrically insulating material are isolated. Furthermore, the bipolar plate according to the invention can be produced particularly inexpensively, since a known from the prior art, material-consuming encapsulation of the edge region of the bipolar plate is no longer necessary, yet within the fuel cell, a contact of the electrically insulating material with adjacent components, for. B. produce a membrane electrode assembly. Among other things, the contact improves the stability of the fuel cell. Rather, application of the electrically insulating material can preferably take place by rolling up or printing. This is possible because in the outer edge region, a surface of the base body is raised by means of at least one Randerhöhung, and thus now a less large distance to adjacent components by means of the electrically insulating material must be bridged.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper wenigstens eine Dichtungserhöhung ausbildet und die Bipolarplatte das Dichtungsmaterial auf einem Maximum der wenigstens einen Dichtungserhöhung aufweist, wobei das Maximum der Dichtungserhöhung und das Maximum der Randerhöhung komplanar (also in ein und derselben Ebene) angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung der Bipolarplatte kann diese besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden, da mittels eines Werkzeugs mit winkeltreuer Oberfläche in ein und demselben Herstellungsschritt sowohl das elektrisch isolierende Material als auch das Dichtungsmaterial aufgetragen werden können.It is preferably provided that the base body forms at least one seal increase and the bipolar plate has the sealing material at a maximum of at least one seal elevation, the maximum of the seal elevation and the maximum of the elevation are komplanar (ie in the same plane) are arranged. This embodiment of the bipolar plate makes it particularly easy and inexpensive to manufacture, since both the electrically insulating material and the sealing material can be applied by means of a tool with an angle-conforming surface in one and the same manufacturing step.
Die Bezeichnung „Maximum” (mit der Mehrzahl „Maxima”) bezeichnet im Kontext der Erfindung die höchste Stelle, also das Kopfende, den Gipfel oder die Spitze der Dichtungserhöhung und der Randerhöhung. Die Dichtungserhöhung und die Randerhöhung bildet der Grundkörper mit einem Material des Grundkörpers, z. B. einem Metall aus.In the context of the invention, the term "maximum" (with the plurality of "maxima") designates the highest point, that is to say the head end, the summit or the top of the seal elevation and the elevation of the rim. The seal increase and the Randerhöhung forms the body with a material of the body, z. As a metal.
Die Erhöhungen, insbesondere die wenigstens eine Dichtungserhöhung, können entlang einer Hauptfläche der Bipolarplatte verlaufende Erhöhungen sein. Insbesondere sind die Maxima der Erhöhungen über ihren (gesamten) Verlauf komplanar. Eine Bipolarplatte weist dabei typischerweise zwei Hauptflächen auf, welche jene Flächen größter Ausdehnung, also die Planflächen der Bipolarplatte sind. Die Erhöhungen können auch als Erhebungen bezeichnet werden.The elevations, in particular the at least one seal elevation, may be elevations extending along a major surface of the bipolar plate. In particular, the maxima of the elevations over their (entire) course are coplanar. In this case, a bipolar plate typically has two main surfaces, which are those surfaces of greatest extent, that is to say the planar surfaces of the bipolar plate. The elevations can also be called elevations.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Randerhöhung das Maximum an einem äußeren Rand des Randbereichs aufweist. Somit bildet der äußere Rand der Randerhöhung nicht nur den äußeren Rand der Bipolarplatte, sondern weist dort auch die maximale Höhe der Randerhöhung auf. Damit ist sichergestellt, dass innerhalb einer Brennstoffzelle der äußere Rand der Randerhöhung an einem benachbarten Bauteil (mit dem dazwischenliegenden elektrisch isolierenden Material) anliegt. Somit werden im Betrieb Vibrationen der Ränder der Bipolarplatten verhindert und die Kurzschlusssicherheit weiter erhöht.It is preferably provided that the at least one edge elevation has the maximum at an outer edge of the edge region. Thus, the outer edge of the ridge elevation not only forms the outer edge of the bipolar plate but also has the maximum height of the ridge elevation there. This ensures that within a fuel cell, the outer edge of the edge enhancement rests against an adjacent component (with the intermediate electrically insulating material). Thus, vibrations of the edges of the bipolar plates are prevented during operation and the short circuit safety further increased.
Bevorzugt sind das Dichtungsmaterial und das elektrisch isolierende Material das gleiche Material. Es sind das Dichtungsmaterial und das elektrisch isolierende Material also das gleiche, elektrisch isolierende Dichtungsmaterial. Durch diese Ausgestaltung müssen bei der Herstellung nicht zwei verschiedene Materialen gehandhabt werden, sondern lediglich ein einziges Material, welches die Eigenschaften beider Materialien aufweist. Das elektrisch isolierende Dichtungsmaterial ist vorzugsweise ein Elastomer, insbesondere ein Fluorkautschuk (FKM).Preferably, the sealing material and the electrically insulating material are the same material. It is the sealing material and the electrically insulating material that is the same, electrically insulating sealing material. By this configuration, not two different materials must be handled in the production, but only a single material having the properties of both materials. The electrically insulating sealing material is preferably an elastomer, in particular a fluororubber (FKM).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper in einem Querschnitt gegenüberliegend angeordnete Randerhöhungen ausbildet. Somit erfolgt innerhalb der Brennstoffzelle eine beidseitige Abstützung durch die Bipolarplatte, wodurch eine besonders robuste Brennstoffzelle erzielt wird. Der Querschnitt ist typischerweise ein rechtwinklig zu einer Hauptfläche der Bipolarplatte verlaufender Querschnitt.It is preferably provided that the base body forms edge margins arranged opposite one another in a cross section. Thus, within the fuel cell, a bilateral support by the bipolar plate, whereby a particularly robust fuel cell is achieved. The cross-section is typically a cross-section perpendicular to a major surface of the bipolar plate.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper in dem Querschnitt an seinem äußeren Rand offen ausgebildet ist. Der Grundkörper weist zu seinem äußeren Rand hin also einen divergenten (expandierenden) Querschnitt auf. Der offene Querschnitt erstreckt sich typischerweise innerhalb des Randbereichs. Somit bildet der Grundkörper in seinem Querschnitt eine Auffächerung zu seinem äußeren Rand hin aus. Dadurch sind die beiden Randerhöhungen mittels der Auffächerung des Grundkörpers realisiert. Damit können die Randerhöhungen ohne zusätzlichen Materialaufwand realisiert werden.It is preferably provided that the base body is open in the cross section at its outer edge. The main body therefore has a divergent (expanding) cross-section towards its outer edge. The open one Cross section typically extends within the edge region. Thus, the main body forms a fanning out in its cross section to its outer edge out. As a result, the two edge enhancements are realized by means of the fanning of the base body. Thus, the edge enhancements can be realized without additional material costs.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei der Dichtungserhöhungen und/oder wenigstens zwei der Randerhöhungen zu einer Mittenebene der Bipolarplatte symmetrisch ausgeführt sind. Somit erfolgt innerhalb der Brennstoffzelle eine geradlinige Kraftweiterleitung senkrecht zur Mittenebene, wodurch die Stabilität der Brennstoffzelle weiter erhöht wird.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that at least two of the seal elevations and / or at least two of the edge elevations are symmetrical to a center plane of the bipolar plate. Thus, within the fuel cell, a rectilinear force transmission perpendicular to the center plane, whereby the stability of the fuel cell is further increased.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Grundkörper in einem Querschnitt eine Stufenform zu seinem äußeren Rand hin aufweist, wobei die Stufenform die wenigstens eine Randerhöhung ausbildet. Somit ist die wenigstens eine Randerhöhung mittels einer Stufe des Grundkörpers realisiert. Dadurch weist der Grundkörper innerhalb des Randbereichs geschlossenen, stufenförmigen Querschnitt auf. Daraus ergibt sich, dass der Grundkörper im Randbereich typischerweise nur einseitig die wenigstens eine Randerhöhung aufweist. Die andere Seite des Grundkörpers ist innerhalb der Brennstoffzelle im Randbereich durch die Stufenform so weit von einem angrenzenden Bauteil entfernt, dass auf dieser Seite auf eine zusätzliche Isolierung im Randbereich verzichtet werden kann. Die Stufenform kann als eine Form beschrieben werden, welche in dem Querschnitt zu seinem äußeren Rand hin zunächst einen Verlauf in Richtung einer Hauptfläche der Bipolarplatte, anschließend in eine von der Bipolarplatte weg weisende Richtung und anschließend im Maximum der Randerhöhung wieder in Richtung parallel zur Hauptfläche verläuft.It is preferably provided that the base body in a cross section has a step shape towards its outer edge, wherein the step shape forms the at least one edge elevation. Thus, the at least one edge enhancement is realized by means of a step of the base body. As a result, the base body has a closed, stepped cross section within the edge region. It follows that the base body in the edge region typically only on one side has at least one edge elevation. The other side of the main body is within the fuel cell in the edge region by the step shape so far away from an adjacent component that can be dispensed with an additional insulation in the edge region on this page. The step shape can be described as a shape which, in the cross section towards its outer edge, initially follows a course in the direction of a major surface of the bipolar plate, then in a direction away from the bipolar plate and then in the direction of the edge enhancement in the direction parallel to the main surface ,
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtungserhöhungen eine höhere Drucksteifigkeit (also senkrecht zur Hauptfläche) aufweisen als die Randerhöhungen. Werden innerhalb einer Brennstoffzelle die beiden Erhöhungen um einen gleichen Betrag komprimiert, so wirken dadurch auf die Dichtungserhöhungen größere Druckkräfte als auf die Randerhöhungen, wodurch ein übermäßiger Verlust an Dichtkraft (durch die Randerhöhungen) verhindert wird.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the seal increases a higher compressive stiffness (ie perpendicular to the main surface) than the edge elevations. If the two elevations are compressed by the same amount within a fuel cell, this will have greater pressure forces on the seal elevations than on the edge elevations, thereby preventing an excessive loss of sealing force (due to the edge elevations).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Dichtungserhöhung geschlossen rundumlaufend ausgeführt ist. Somit wird innerhalb einer Brennstoffzelle mittels des Dichtungsmaterials ein geschlossener Bereich abgedichtet. Der geschlossene Bereich kann beispielsweise ein chemisch aktiver Bereich oder eine Betriebsmittelöffnung innerhalb der Brennstoffzelle sein. Auch die wenigstens eine Randerhöhung (und auf ihr das elektrisch isolierende Material) kann geschlossen rundumlaufend ausgebildet sein, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung der Brennstoffzelle, also innerhalb eines Brennstoffzellenstapels erfolgt. Es können aber auch mehrere einzelne oder unterbrochen rundumlaufende Randerhöhungen je Grundkörper vorgesehen sein.It is preferably provided that the at least one seal increase is executed closed around the circumference. Thus, within a fuel cell, a closed area is sealed by means of the sealing material. The closed area may be, for example, a chemically active area or a resource opening within the fuel cell. The at least one edge elevation (and on it the electrically insulating material) may be designed to be closed around the circumference, whereby a uniform load distribution of the fuel cell, ie within a fuel cell stack. However, it is also possible to provide a plurality of individual or discontinuously circumferential edge elevations per base body.
Vorzugsweise ist die Randerhöhung und/oder das elektrisch isolierende Material derart ausgebildet (geformt), dass das elektrisch isolierende Material auf der Randerhöhung keine Dichtfunktion übernimmt. Dadurch ergibt sich eine klare funktionelle Trennung des Dichtungsmaterials (und der bevorzugten Dichtungserhöhung) sowie des auf dem Grundköper außerhalb des Dichtungsmaterials angeordneten, elektrisch isolierenden Materials und der Randerhöhung. Bei einem Dichtkraftverlust des auf der Dichtungserhöhung angeordneten Dichtmaterials ist dies von außerhalb der Brennstoffzelle leichter erkennbar, da austretende Reaktanten oder Reaktionsprodukte nicht von dem elektrisch isolierenden Material zurückgehalten und ein Defekt somit nicht verschleiert wird.Preferably, the edge elevation and / or the electrically insulating material is formed (shaped) such that the electrically insulating material does not assume a sealing function on the edge elevation. This results in a clear functional separation of the sealing material (and the preferred seal increase) as well as the arranged on the base body outside the sealing material, electrically insulating material and the edge elevation. With a loss of sealing force of the arranged on the seal increase sealing material from the outside of the fuel cell, this is easier to see because leaving reactants or reaction products are not retained by the electrically insulating material and a defect is thus not obscured.
Vorzugsweise ist wenigstens eines der Maxima als ein insbesondere komplanares Plateau ausgebildet. Somit weist die wenigstens eine Dichtungserhöhung und/oder die wenigstens eine Randerhöhung ein Plateau mit der Höhe des jeweiligen Maximums auf, welches komplanar zu dem wenigstens einen weiteren Maximum ist. Dadurch ergibt sich eine größere Auflagefläche für das elektrisch isolierende Material und/oder das Dichtungsmaterial.Preferably, at least one of the maxima is designed as a particular coplanar plateau. Thus, the at least one seal elevation and / or the at least one edge elevation has a plateau with the height of the respective maximum, which is coplanar with the at least one further maximum. This results in a larger contact surface for the electrically insulating material and / or the sealing material.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper wenigstens ein metallisches Blech umfasst, wobei die wenigstens eine Dichtungserhöhung und/oder die wenigstens eine Randerhöhung Biegungen des Blechs sind. Dadurch können der Grundkörper und auch dessen Dichtungserhöhung und/oder Randerhöhung besonders kostengünstig hergestellt werden. Bevorzugt weist der Grundkörper zwei metallische Bleche auf, wodurch der Grundkörper als gesamter, inklusive innerhalb des Grundkörpers verlaufender Kanäle, mittels der zwei Bleche realisiert werden kann. Insbesondere die Dichtungserhöhungen können dabei nach außen weisende Sicken im Blech sein. Ein Hohlraum innerhalb der Dichtungserhöhung, also innerhalb des Grundkörpers, ist vorzugsweise als ein Betriebsmittelkanal ausgebildet. Dadurch kann die Dichtungserhöhung als ein Kanal für ein Betriebsmittel (z. B. eine Kühlflüssigkeit) genutzt werden.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the base body comprises at least one metallic sheet, wherein the at least one seal elevation and / or the at least one edge elevation are bends of the sheet. As a result, the base body and also its seal increase and / or edge increase can be produced particularly inexpensively. Preferably, the base body has two metallic sheets, whereby the main body as a whole, including extending within the body channels, can be realized by means of the two sheets. In particular, the seal increases can be outwardly facing beads in the sheet. A cavity within the seal elevation, that is to say within the main body, is preferably designed as a resource channel. As a result, the seal elevation can be used as a channel for a resource (eg, a coolant).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Schmalseite der Bipolarplatte (also deren Stirnseite) von dem elektrisch isolierenden Material bedeckt ist. Somit kann Kriechströmen noch besser vorgebeugt werden.It is preferably provided that a narrow side of the bipolar plate (ie the end face) is covered by the electrically insulating material. Thus, leakage currents can be prevented even better.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elektrisch isolierende Material und das Dichtungsmaterial komplanare Außenflächen aufweisen. Somit sind die Außenflächen winkeltreu zueinander. Derartige Außenflächen können bevorzugt mittels eines Werkzeugs mit einer winkeltreuen Oberfläche hergestellt werden.It is preferably provided that the electrically insulating material and the sealing material have coplanar outer surfaces. Thus, the outer surfaces are angled to each other. Such outer surfaces can preferably be produced by means of a tool with an angle-conforming surface.
Ferner wird eine Brennstoffzelle mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine erhöhte Betriebssicherheit und einen vereinfachten Zusammenbau aus. Bisher musste beim Zusammenbau besonders darauf geachtet werden, Randbereiche der Bipolarplatten nicht zu verbiegen, um nicht einen erforderlichen Luftspalt zu verringern. Durch die wenigstens eine mit dem elektrisch isolierenden Material versehene Randerhöhung wird somit der Zusammenbau vereinfacht.Furthermore, a fuel cell with at least one bipolar plate according to the invention is provided. The fuel cell is characterized by increased reliability and simplified assembly. Until now, special care had to be taken during assembly not to bend edge regions of the bipolar plates, in order not to reduce a required air gap. As a result of the at least one edge increase provided with the electrically insulating material, the assembly is thus simplified.
Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Bereitstellen des Grundkörpers der Bipolarplatte;
- – Gleichzeitiges Aufbringen des Dichtungsmaterials auf den Grundkörper und des elektrisch isolierenden Materials auf das Maximum der wenigstens einen Randerhöhung mittels eines Werkzeugs.
- - Providing the body of the bipolar plate;
- - Simultaneous application of the sealing material to the base body and the electrically insulating material to the maximum of at least one Randerhöhung means of a tool.
Durch das gleichzeitige Aufbringen der Materialien werden bei der Herstellung Zeit und Kosten gespart. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das Dichtungsmaterial und das elektrisch isolierende Material das gleiche elektrisch isolierende Dichtungsmaterial sind. Insbesondere wird zudem ein und dasselbe Werkzeug zum Aufbringen beider Materialien, insbesondere des elektrisch isolierenden Dichtungsmaterials, verwendet.The simultaneous application of the materials saves time and money during production. This is especially true when the sealing material and the electrically insulating material are the same electrically insulating sealing material. In particular, one and the same tool is used for applying both materials, in particular the electrically insulating sealing material.
Ferner wird die Herstellung vereinfacht, wenn das Dichtungsmaterial auf einem Maximum der wenigstens einen Dichtungserhöhung aufgetragen wird und die Maxima der Erhöhungen komplanar sind, da dadurch ein Werkzeug zum Aufbringen der Materialen eine winkeltreue Oberfläche aufweisen kann.Furthermore, the production is simplified if the sealing material is applied to a maximum of the at least one seal increase and the maxima of the elevations are coplanar, since thereby a tool for applying the materials can have an angle-faithful surface.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Aufbringen ein Aufrollen oder ein Aufdrucken umfasst. Mittels dieser Verfahren kann das Dichtungsmaterial besonders effektiv aufgebracht werden.It is preferably provided that the application comprises a rolling up or an imprinting. By means of these methods, the sealing material can be applied particularly effectively.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Die Bipolarplatten
Zur Isolation der Bipolarplatten
Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß
Die Erhöhungen
Auf den Maxima
Die Maxima
Die Randerhöhungen
Im gezeigten Querschnitt ist zudem eine Auffächerung
Die Grundkörper der Bipolarplatten
Beim Betrieb der Brennstoffzelle
Innerhalb der Brennstoffzelle
Die Ränder
Innerhalb der Brennstoffzelle
Dadurch, dass der Rand
Die Dichtungserhöhungen
Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten
Beispielsweise können die Materialien
Durch die komplanaren Maxima kann ein Werkzeug zum Aufbringen des Dichtungsmaterials
Somit ist für das Aufbringen der Materialien
Die Erfindung kann sowohl zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs als auch innerhalb von Elektrolyseuren zum Einsatz kommen. Zudem eignet sie sich sowohl für Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-Brennstoffzellen) entsprechend der in den Figuren dargestellten Brennstoffzelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Bipolarplattebipolar
- 1111
- Membran-AnordnungMembrane assembly
- 1212
- Grundkörperbody
- 1313
- Blechsheet
- 1414
- Dichtungserhöhungseal increase
- 1515
- Maximummaximum
- 1616
- Dichtungsmaterialsealing material
- 1717
- Randedge
- 1818
- Randbereichborder area
- 1919
- Luftspaltair gap
- 2020
- Randerhöhungmarginal increase
- 2121
- Hauptflächemain area
- 2222
- Höheheight
- 2323
- Ebenelevel
- 2424
- elektrisch isolierendes Materialelectrically insulating material
- 2525
- Mittenebenemidplane
- 2626
- Auffächerungfanning
- 2727
- Schmalseitenarrow side
- 2828
- Stufenformstep shape
- 100100
- Brennstoffzellefuel cell
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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