DE102018203825A1

DE102018203825A1 - Verteilstruktur für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018203825A1
Application number: DE102018203825.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Wetzl; Helerson Kemmer; Philipp Scheiner; Elmar Kroner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019175013A1

Abstract

Mehrlagige Verteilstruktur (40') für eine Bipolarplatte (40) einer Brennstoffzelle (2), umfassend zumindest eine erste Schicht (4) und eine zweite unmittelbar an der ersten Schicht (4) angeordnete und elektrisch leitend mit der ersten Schicht (4) verbundene zweite Schicht (6), wobei die Verteilstruktur (40') einstückig gebildet ist und beide Schichten (4, 6) aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet sind, wobei die erste Schicht (4) als offene Schicht, mit einer weitmaschigen Verzweigung und die zweite Schicht (6) als dichte Schicht, mit einer engmaschigen Verzweigung gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Verteilstruktur für eine Bipolarplatte nach Gattung des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie einer Bipolarplatte nach Gattung des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Ein Stapel dieses Aufbaus bildet einen Brennstoffzellen-Stack. Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff (in bzw. aus der Luft) sowie die Kühlflüssigkeit werden über eine Verteilstruktur in die Zelle geleitet. Diese Verteilstruktur ist entweder als Kanal oder als elektrisch leitfähige poröse Schicht realisiert. Die Funktionen der Verteilstruktur für die Anode und Kathode sind es, das Reaktionsgas gleichmäßig über die aktive Fläche zu verteilen, Elektronen in die nächste Zelle zu leiten, während der Reaktion produziertes Wasser aus der Zelle heraus zu transportieren und die Wärme aus der Katalysatorschicht zum Kühlmittel hin abzuleiten. Für eine optimale Strömungsführung in die Reaktionsschicht bzw. für die Abführung des während der Reaktion produzierten Wassers sind komplexe und fertigungsaufwändige Strukturen bekannt. Hierbei haben sich im Rahmen von kanalartigen Strukturen insbesondere Platten mit dreidimensionalen stegartigen Verteilstrukturen etabliert, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass sich auf der Luftseite unter den Stegen flüssiges Produktwasser ansammelt. Die Ansammlung des Produktwassers blockiert die Poren innerhalb der Katalysatorschicht und behindert somit den Sauerstofftransport zur Katalysatorschicht, was wiederum die (elektrische) Leistungsfähigkeit der Zelle beeinträchtigt.
Offenporige Schäume sind zwar eine geeignete Alternative zu kanalartigen Strukturen und weisen insbesondere auch keine möglichen Ansammlungsstellen für Produktwasser auf, jedoch sind die Schäume in der Herstellung sehr teuer. Außerdem ist die Porenstruktur der Schäume willkürlich, so dass keine gerichtete Struktur vorgegeben werden kann, die eine Strömungsführung erlaubt. Daher weisen die Schäume im Vergleich zu kanalartigen Strukturen hohe Druckverluste auf, was wiederum zu erhöhten Anforderungen an den Luftkompressor führt, der die Luft in die Zellen befördert.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Verteilstruktur für eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verteilstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die erfindungsgemäße Verteilstruktur gemäß des Hauptanspruchs dient neben einer Verbesserung der Gasverteilung und Strömungsführung in Brennstoffzellen insbesondere einer verbesserten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Hierbei ist der Vorteil der vorliegenden Verteilstruktur insbesondere darin zu sehen, dass gegenüber bekannten Verteilstrukturen eine einfachere und flexiblere Anpassung an gewünschte Eigenschaften hinsichtlich der Gasverteilung, Strömungsführung sowie der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit erzielt werden kann. Des Weiteren wird mit der erfindungsgemäßen Verteilstruktur ein besonders einfach und kostengünstig herstellbares Grundelement einer Bipolarplatte vorgeschlagen.
Bei der Verteilstruktur handelt es sich vorzugsweise um eine Bipolarplatten-Verteilstruktur einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, insbesondere um eine Bipolarplatten-Verteilstruktur einer PEM-Brennstoffzelle oder PEM-Elektrolysezelle (Hinweis: PEM - Proton Exchange Membrane).
Erfindungsgemäß ist die Verteilstruktur mehrlagig gebildet und umfasst zumindest eine erste sowie eine zweite Schicht. Die zweite Schicht ist gegenständlich unmittelbar an der ersten Schicht angeordnet und elektrisch leitend mit ihr verbunden. Ferner ist es vorgesehen, dass die Verteilstruktur einstückig gebildet ist und beide Schichten der Verteilstruktur aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet sind. Diese dreidimensionale Textilie weist sowohl eine flächige Erstreckung in Breite und Länge als auch eine Höhe auf. Dabei umfasst die Höhe der Textilie zumindest ein Vielfaches der Dicke (bzw. des Querschnitts) eines Fadens der Textilie. So ist es denkbar, dass der Faktor zwischen 1 bzw. 2 und 1.250, vorzugsweise zwischen 5 und 1.000 und besonders bevorzugt zwischen 25 und 500 liegt („Faktor x Dicke eines Fadens = Höhe der Textilie“). Die gewünschte Höhe lässt sich durch eine Verformung der Textilie in Richtung der Höhe erzielen (z.B. durch Wellen, Prägen oder Falten etc.) oder direkt durch die Formgebung im Herstellungsprozess. Der Begriff „einstückig“ ist dabei makroskopisch für die Verteilstruktur zu verstehen. Mikroskopisch können sehr wohl unterschiedliche Fäden bzw. Garne angeordnet, miteinander verflochten, miteinander verlötet etc. sein.
Hierbei ist die erste Schicht erfindungsgemäß als offene Schicht, mit einer weitmaschigen Verzweigung gebildet, wohingegen die zweite Schicht als dichte Schicht gebildet ist und eine engmaschige Verzweigung aufweist.
Unter einer offenen Schicht mit einer weitmaschigen Verzweigung wird im Rahmen der Erfindung eine Schicht verstanden, die zumindest für Wasserstoff, Luft und Wasser eine hohe Permeabilität aufweist, so dass diese Substanzen folglich im Wesentlichen widerstandsfrei durch die Schicht transportiert werden können. Unter einer dichten Schicht mit einer engmaschigen Verzweigung wird dagegen im Rahmen der Erfindung eine Schicht verstanden, die zumindest für Wasserstoff, Luft und Wasser eine gegenüber der offenen Schicht geringere, vorzugsweise deutlich geringere Permeabilität aufweist, so dass die genannten Substanzen nur unter Widerstand, insbesondere unter hohem Widerstand durch die Schicht transportiert werden können. Vorzugsweise ist die Permeabilität durch die geschlossene Schicht technisch vernachlässigbar. Bzgl. der Dichte der Verzweigung weist die dichte Schicht hierbei vorzugsweise mindestens die fünffache Verzweigungsdichte, besonders bevorzugt mindestens die zehnfache Verzweigungsdichte, insbesondere mindestens die zwanzigfache Verzweigungsdichte der offenen Schicht auf. Die Verzweigungsdichte der Schichten der Verteilstruktur bemisst sich hierbei gegenständlich als Anzahl der Verzweigungen pro Längeneinheit.
Als Textilie wird im Rahmen der Erfindung eine aus einzelnen Fasern zusammengesetzte gewebeartige Struktur verstanden. Die erfindungsgemäße Verteilstruktur kann hierbei sowohl homogen gebildet sein und ausschließlich aus Fasern desselben Materials zusammengesetzt sein, als auch inhomogen gebildet sein und dann entsprechend aus Fasern unterschiedlicher Materialien zusammengesetzt sein. Hierbei kann eine inhomogen zusammengesetzte Verteilstruktur nicht nur zwei, sondern auch mehr als zwei verschiedene Materialien umfassen. Die Textilien können gegenständlich in vielfältiger Weise gebildet sein, bspw. in Form von Geweben, Gewirken, Gestricken, Gesticken, Geflechten, Nähgewirken, Vliesstoffen oder Filzen und dergleichen. Diese Strukturen können ferner aus einzelnen Fasern und/oder Garnen und/oder Zwirnen und/oder Drähten und dergleichen zusammengesetzt sein. Eine erfindungsgemäße aus einer dreidimensionalen Textilie gebildete Verteilstruktur zeichnet sich hierbei nicht nur durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus, sondern garantiert auch eine effiziente und steuerbare Gasverteilung und Strömungsführung von Gasen und Fluiden entlang der Struktur bzw. durch die Struktur hindurch.
Im Hinblick auf eine besonders flexible und effiziente Strömungsführung innerhalb der Verteilstruktur wird gegenständlich vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Verteilstruktur mehr als zwei Schichten, vorzugsweise mindestens fünf Schichten aufweist, die im Hinblick auf die Schichtdichte alternierend übereinander angeordnet sind (die somit eine gewisse Höhe bilden). Diese Schichten können eine dreidimensionale Form, insbesondere mit einer definierten Höhe (auch Schichtdicke genannt) aufweisen. Im Hinblick auf die Schichtdichte alternierend übereinander angeordnet bedeutet hierbei, dass eine offene Schicht nicht unmittelbar neben einer weiteren offenen Schicht und eine dichte Schicht nicht unmittelbar neben einer weiteren dichten Schicht angeordnet ist, sondern zwischen zwei offenen Schichten immer eine dichte Schicht angeordnet ist bzw. zwischen zwei dichten Schichten immer eine offene Schicht angeordnet ist. Alternativ können gegenständlich auch drei, vier oder mehr als fünf Schichten vorgesehen sein. Hierbei können erfindungsgemäß alle vorgesehenen Schichten aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet sein, die jeweils unmittelbar aneinander angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Bei einer Anordnung von mehr als zwei Schichten innerhalb der Verteilstruktur können die einzelnen offenen und die einzelnen dichten Schichten bzgl. der Schichtdichte auch variieren.
Gegenständlich ist erkannt worden, dass es für eine steuerbare Fluidverteilung im Rahmen der Verwendung textilartiger, zweidimensionaler Strukturen nachteilig ist, dass die Verteilstruktur in Richtung der Flächennormale der flächenmäßig größten Fläche nur eine relativ geringe Ausdehnung besitzt (in Richtung Höhe). Ferner wurde erkannt, dass dieses Problem nicht einfach durch eine mehrteilig gebildete Anordnung von übereinandergestapelten einzelnen (separaten) Schichten von textilartigen Strukturen gelöst werden kann, da sich hierdurch mehrere weitere Probleme ergeben. So erhöht sich durch ein Übereinanderstapeln mehrerer textilartiger Strukturen nicht nur die Anzahl an Dichtungen, die zur Abdichtung der Strukturen nach außen benötigt werden, sondern durch die Schichtübergänge auch der Übergangswiderstand der Verteilstruktur. Dies bedeutet einen deutlich schlechteren Elektronen- und Wärmetransport durch die Struktur hindurch. Schließlich wurde ein solcher mehrteiliger Aufbau von textilartigen Strukturen auch im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit der Verteilstruktur als nachteilig angesehen.
Gemäß einer einteiligen Anordnung sind die Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur folglich miteinander verbunden. Hierbei können die Schichten gegenständlich formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Vorteilhafterweise können die verschiedenen Verbindungsarten auch miteinander kombiniert werden. Hierbei kann die Verbindung lösbar oder auch unlösbar gebildet sein. Im Rahmen einer formschlüssigen Verbindung können die Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur bspw. über eine Nut-Feder-Verbindung, eine Schwalbenschwanzverbindung oder eine Zahnkupplung miteinander verbunden sein. Eine kraftschlüssige Verbindung kann hingegen bspw. gekeilt oder geklemmt, insbesondere geschraubt gebildet sein. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung können Schichten bspw. ferner über eine Klebeverbindung, vorzugsweise über eine Schweißverbindung, insbesondere über eine Lötverbindung miteinander verbunden sein. Im Rahmen einer Schweißverbindung können die Schichten hierbei insbesondere gasgeschweißt, lichtbogengeschweißt, widerstandsgeschweißt oder reibgeschweißt werden. Im Rahmen einer Lötverbindung können die Schichten hochtemperaturgelötet, vorzugsweise hartgelötet, insbesondere weichgelötet sein.
Alternativ oder kumulativ zu einer der genannten Verbindungsarten kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die einzelnen Schichten der Verteilstruktur über Verbindungsmittel miteinander verbunden, insbesondere verflochten sind. Hierbei können als Verbindungsmittel vorzugsweise elektrisch leitfähige Drähte oder dergleichen vorgesehen sein, so dass die Verbindungsmittel nicht nur der einstückigen Ausbildung der Verteilstruktur dienen, sondern auch eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit zwischen den einzelnen Schichten gewährleisten. Hierbei sind die Verbindungsmittel vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie durch jede Schicht der Verteilerstruktur zumindest einmal, vorzugsweise mehrfach durchgeführt werden können, so dass die einzelnen Schichten gewissermaßen miteinander verflochten werden können. Neben einer Verflechtung der Schichten mittels der Verbindungsmittel können die Schichten mittels der Verbindungsmittel gegenständlich auch zusammengewebt, zusammengesteckt, zusammengewirkt, zusammengestrickt, zusammengeklöppelt bzw. gepresst oder zusammengehäkelt werden.
An die Materialien von Verteilstrukturen von Brennstoffzellen bzw. Elektrolyseuren werden spezielle technische Anforderungen gestellt. So müssen die Strukturen nicht nur eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen, sondern auch robust gegenüber chemischen Einflüssen in der Zelle sein sowie auch den hohen mechanischen Anpressdrücken in der Zelle standhalten können. Zudem ist es insbesondere für den Einsatz in Hochtemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Elektrolyseuren notwendig, dass die Materialien hohen Temperaturen von teilweise weit über 200°C standhalten müssen. Aus diesen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur zumindest teilweise aus einem Metallwerkstoff, vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Kupferwerkstoff und/oder aus einem Nickelwerkstoff und/oder aus einem Silberwerkstoff und/oder aus einem Goldwerkstoff gebildet sind.
Alternativ oder kumulativ können die Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur zumindest teilweise aus einem Titanwerkstoff und/oder aus Stahl und/oder aus einem Aluminiumwerkstoff und/oder einem Nichtmetallwerkstoff, insbesondere einem Kunststoff und/oder einer Keramik gebildet sein. Um bei einer Ausführung aus einem Nicht-Metallwerkstoff die notwendige elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, kann ein Nicht-Metallwerkstoff hierzu mit einer entsprechenden elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sein.
Im Rahmen einer flexiblen Materialauswahl ist es erfindungsgemäß ferner möglich, gezielt unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu kombinieren, wodurch eine besonders flexible Anpassung der Schichten der Verteilstruktur an die jeweiligen gewünschten Eigenschaften vorgenommen werden kann. Daher kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten aus zumindest zwei, vorzugsweise aus mehr als zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind, wobei vorzugsweise das Material und die Form der verwendeten Materialien je nach den gewünschten Eigenschaften der Verteilstruktur miteinander kombiniert sein können. Bspw. kann eine erste Schicht der Verteilstruktur zumindest teilweise aus einem Kupferwerkstoff gebildet sein, während eine zweite Schicht zumindest teilweise aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein kann. So kann insbesondere eine i.d.R. ein größeres Gewicht aufweisende dichte Schicht in Leichtbauweise ausgeführt sein, wobei trotzdem eine hohe elektrische Leitfähigkeit beider Teile gewährleistet ist.
Um eine besonders variable Anpassung an die gewünschten Eigenschaften der Verteilstruktur zur gewährleisten, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur zumindest teilweise aus einem Nichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einem Kunststoff und/oder aus Glas und/oder aus einer Keramik und/oder aus einer Kohlenstoffverbindung gebildet sind. Eine derartige Anpassung der Verteilstruktur betreffend die Materialauswahl eröffnet einen größeren Spielraum hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften, nicht nur im Hinblick auf die Gasverteilung und Strömungsführung, sondern bspw. auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, des Gewichts, der Umweltverträglichkeit und dergleichen. Bezüglich des Materials muss eine aus einem Nicht-Metallwerkstoff gebildete Verteilstruktur aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit zumindest teilweise einen Metallwerkstoff umfassen. Hierbei kann der Metallwerkstoff auf verschiedene Arten an bzw. in die aus einem Nicht-Metallwerkstoff gebildete Schicht der Verteilstruktur eingeführt werden. So kann eine Einführung über eine Beschichtung des Nicht-Metallwerkstoffs erfolgen, oder bspw. in Form von Fäden oder Partikeln und dergleichen in den Nicht-Metallwerkstoff eingeführt werden. Bei einer Beschichtung des Nicht-Metallwerkstoffs kann jener dabei entweder vor oder nach der Fertigung der Verteilstruktur mit dem bzw. den Metallwerkstoffen beschichtet werden, wobei sich eine Beschichtung vor Anfertigung der Verteilstruktur aus fertigungstechnischer Sicht anbietet. Bei einer Zuführung von Fäden oder Partikeln und dergleichen ist es dagegen vorteilhaft, die Zuführung nach der Fertigung der Verteilstruktur vorzunehmen. Neben den genannten Materialien kann die gegenständliche Verteilstruktur zumindest teilweise auch aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polystyrol, einem Polyester, einem Polyethylen, einem Polyethylenterephtalat, einem Polyamid oder einem Polybuthylenterephtalat gebildet sein. Ferner kann die Struktur ebenso Glasfasern und/oder Keramikfasern und/oder Kohlenstofffasern und dergleichen umfassen. Auch ist es denkbar, dass zumindest einzelne Drähte oder Fasern der als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten mit einer Beschichtung versehen sind, die vorzugsweise korrosionsbeständig, insbesondere aus Kunststoff oder Lotmaterial, ausgebildet ist. Dabei können die Drähte oder Fasern wenigstens tlw. aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Metall, wie Kupfer, Aluminium oder Eisen, gebildet sein und mit der Beschichtung versehen werden. Diese Beschichtung kann auch thermisch aufschmelzbar sein.
Hinsichtlich der Struktur der Verteilstruktur ist gegenständlich ferner vorgesehen, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten der Verteilstruktur zumindest teilweise gewebt und/oder gestickt und/oder gewirkt und/oder gestrickt und/oder geflochten und/oder geklöppelt bzw. gepreßt und/oder gehäkelt oder durch ein anderes dem Fachmann als geeignet erscheinendes textiles Verfahren hergestellt sein können. Eine derart gebildete Struktur ermöglicht eine effektive, insbesondere gezielte Gasverteilung und Strömungsführung entlang der Verteilstruktur. Zudem können auch mehrere miteinander verbundene Schichten direkt im Rahmen eines textilen Herstellungsprozesses einstückig, z.B. durch die Erstellung von Abstandsgewirken o.ä. hergestellt werden, womit Fertigungsschritte reduziert werden können.
Um Kontaktkorrosionen vorzubeugen, die an den Grenzflächen von aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Flächen begünstigt sind, können die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur darüber hinaus zumindest teilweise aus einem Nichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus Kunststoff und/oder Glas und/oder Keramik und/oder Kohlenstoff gebildet sein. Hierbei können die Schichten der Verteilstruktur bspw. auch zumindest teilweise mit einer Kunststoffummantelung, insbesondere einer thermoplastischen Ummantelung oder dergleichen versehen sein, so dass auf eine nachträgliche Korrosionsbeschichtung der Verteilstruktur verzichtet werden kann.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zumindest die erste Schicht seitlich in gleicher Art und Weise wie die zweite Schicht abgedichtet ist. Damit können tlw. oder alle Schichten seitlich in gleicher Form mit den gleichen Dichtungselementen abgedichtet sein, wodurch ein vereinfachter Aufbau erreicht wird.
Um eine besonders einfache, kostengünstige und flexible Fertigung der Verteilstruktur zu gewährleisten, wird ferner vorgeschlagen, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur zumindest teilweise aus einem Lotmaterial, vorzugsweise einem Hartlot, besonders bevorzugt einem Weichlot, insbesondere einem Diffusionslot gebildet sind, wobei das Lotmaterial vorzugsweise lokal oder auch vollflächig in die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten eingearbeitet ist. Über eine Einarbeitung des Lotmaterials in die als dreidimensionale Textilie gebildeten Schichten der Verteilstruktur ist insbesondere eine besonders einfache Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Schichten möglich. Neben der Herstellung einer einfachen stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Schichten kann das Lotmaterial vorteilhafterweise auch zur Abdichtung der Verteilstruktur nach außen vorgesehen sein. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Lotmaterial vorzugsweise an den Randbereichen der Schichten der Verteilstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise dichtet das Lotmaterial bei Erwärmen der Schichten die nach außen weisenden Flächen der Verteilstruktur nach außen ab.
Im Rahmen der Verwendung eines aus Hartlot gebildeten Lotmaterials kann das Lotmaterial derweil zumindest teilweise hochsilberartig und/oder auf Neusilber- bzw. auf Messing-Basis und/oder auf Phosphor-Basis und/oder auf Aluminium-Basis und/oder auf Nickel-Basis und/oder auf Eisen-Basis gebildet sein. Im Rahmen der Verwendung eines als Weichlot gebildeten Lotmaterials kann das Lotmaterial derweil zumindest teilweise auf Zinn-Basis und/oder auf Antimon-Basis und/oder bleihaltig und/oder bleifrei gebildet sein. Hierbei kann bei einer Verwendung eines Weichlotes insbesondere ein Reflow-Lötverfahren zum Einsatz kommen, bei dem die verwendete Lötpaste vorzugsweise auf eines, insbesondere auf beide zu verbindenden Teile aufgetragen wird. Im Rahmen der Verwendung eines aus Diffusionslot gebildeten Lotmaterials kann das Lotmaterial zudem insbesondere Legierungen umfassen, die eine intermetallische Phase bilden und dadurch ihre Temperaturstabilität erhalten. Der Einsatz von Diffusionslot zeichnet sich hierbei insbesondere durch die niedrigen Temperaturen aus, die zum Fügen verwendet werden, wodurch ein besonders materialschonendes Fügen ermöglicht wird. Eine Einarbeitung des Lotmaterials kann hierbei vorzugsweise in Form von Drähten erfolgen, die vorzugsweise lokal in die Schichten der Verteilstruktur eingearbeitet sein können, so dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten der Verteilstruktur in einfacher Weise über eine thermische Behandlung stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.
Analog zur Abdichtung mittels innerhalb der Verteilstruktur eingearbeitetem Lotmaterial, kann eine Abdichtung der Verteilstruktur auch mittels der Aufschmelzung von bereits innerhalb der Schichten der Verteilstruktur eingearbeiteten Kunststoffen, bspw. in Form von thermoplastischen Ummantelungen oder dergleichen erfolgen. Die etwaig notwendige elektrische Kontaktierung an den Außenwänden der Verteilstruktur kann hierbei anschließend noch über partielle Auflösungen der thermoplastischen Beschichtung bspw. durch lokales Erhitzen oder chemische Behandlung oder dergleichen erfolgen.
Um eine besonders einfach und flexibel steuerbare Fluidverteilung und Strömungsführung der erfindungsgemäßen Verteilstruktur zu gewährleisten, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten der erfindungsgemäßen Verteilstruktur definierte Kanäle zur Fluidverteilung aufweisen. Hierbei können die Kanäle insbesondere hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung über die Schichten variieren, so dass auf diese Weise eine kontrollierte Strömungsführung ermöglicht wird. Ferner können auch lotbrückenartige Strukturen oder dergleichen als zusätzliche Richtungsgeber zur Steuerung der Durchströmung vorgesehen sein.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist schließlich eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine erfindungsgemäße Verteilstrukturen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verteilstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen Ansicht,
3 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur aus 2 entlang der Schnittlinie A-A',
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verteilstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen Ansicht,
5 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur aus 4 entlang der Schnittlinie A-A',
6a eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer dichten Schicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur aus 4 vor einer Abdichtung;
6b eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer dichten Schicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur aus 4 nach einer Abdichtung.

In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine MembranElektrodeneinheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet, die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran ist als Polymerelektrolytmembran 18 ausgebildet.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf die sich beidseitig an die Membranelektrodeneinheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils eine erste Schicht 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Schicht 1 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Katode 22 zugewandt ist. Die zweite Schicht 1 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Schicht 70, welche zwischen der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 1 angeordnet ist. Die dritte Schicht 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Die erste Schicht 50 und die dritte Schicht 70 sind durch eine erste innere Trennschicht 85 voneinander getrennt. Die zweite Schicht 1 und die dritte Schicht 70 sind durch eine zweite innere Trennschicht 86 voneinander getrennt. Die inneren Trennschichten 85,86 der Bipolarplatte 40 sind fluiddicht ausgebildet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Schicht 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite Schicht 1 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen fließen durch die Schichten 50, 70, 1 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' einer Bipolarplatte 40, die hier gegenüber der Darstellung aus 1 um 180° gedreht dargestellt ist.. Die oberste Schicht 4 gleicht der Schicht 1 aus 1, die darunter liegende Schicht 6 der Schicht 86, die darauf nach unten folgende Schicht 4 der Schicht 70, die weiter nach unten darauf folgende Schicht 6 der Schicht 85, und die unterste Schicht 4 der Schicht 50.
Die vorliegende dreidimensionale Ansicht der Verteilstruktur 40' einer Bipolarplatte 40 zeigt den Schichtaufbau der vorliegend fünf verschiedenen Schichten (4, 6, 4, 6, 4). Diese sind hierbei bzgl. der Schichtdichten alternierend übereinander angeordnet, so dass sowohl von der Oberseite 9, als auch von der Unterseite 9' der Bipolarplatte 40 eine offene Schicht 4 zwischen zwei dichten Schichten 6 angeordnet und von zwei weiteren offenen Schichten 4 umgeben ist.
Die Schichten 4 und 6 der Verteilstruktur 40' sind hierbei aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet und elektrisch leitend miteinander verbunden. Hierbei sind die offenen Schichten 4 in Form einer weitmaschigen Verzweigung gebildet, wohingegen die dichten Schichten 6 in Form einer engmaschigen Verzweigung gebildet sind.
Die offenen Schichten 4 mit einer weitmaschigen Verzweigung sind vorliegend derart gebildet, dass sie zumindest für Wasserstoff, Luft und Wasser eine deutlich höhere Permeabilität aufweisen, als die dichten Schichten 6, so dass über die Schichten 4 und mittels innerhalb der Schichten 4 angeordneten Kanälen eine definierte und steuerbare Strömungsführung durch die Verteilstruktur 40' einer Bipolarplatte 40 hindurch gewährleistet werden kann.
Bzgl. der Dichte der Verzweigung weist die dichte Schicht 6 hierbei vorzugsweise mindestens die fünffache Verzweigungsdichte, besonders bevorzugt mindestens die zehnfache Verzweigungsdichte, insbesondere mindestens die zwanzigfache Verzweigungsdichte der offenen Schicht auf. Die Verzweigungsdichte der Schichten der Verteilstruktur bemisst sich hierbei gegenständlich als Anzahl der Verzweigungen pro Längeneinheit.
Entsprechend der erfindungsgemäß einstückig gebildeten Verteilstruktur 40' einer Bipolarplatte 40 sind die Schichten 4 und 6 miteinander verbunden. Hierbei können die Schichten 4, 6 gegenständlich formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Alternativ oder kumulativ zu einer der genannten Verbindungsarten kann erfindungsgemäß - wie vorliegend dargestellt - vorgesehen sein, dass die einzelnen Schichten der Verteilstruktur 40' über Verbindungsmittel 12 miteinander verbunden, insbesondere verflochten sind. Hierbei sind die Verbindungsmittel 12 vorliegend als elektrisch leitfähige Drähte gebildet, die nicht nur der Verbindung der einzelnen Schichten 4, 6 der Verteilstruktur 40' dienen, sondern auch eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit zwischen den einzelnen Schichten 4, 6 gewährleisten.
3 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' aus 2 entlang der Schnittlinie A-A', aus der der erfindungsgemäße Schichtaufbau deutlich hervorgeht. Erkennbar sind hier neben den einzelnen Schichten 4, 6 auch die vorliegend in Form von Drähten gebildeten Verbindungsmittel 12, die die Schichten alternativ oder zusätzlich zu einer formschlüssigen, kraftschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbinden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' einer Bipolarplatte 40 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen Ansicht. Gegenüber dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist die Verteilstruktur 40' gemäß 4 zusätzlich noch innerhalb der Schichten der Verteilstruktur 40' angeordnetes, in Form von Lotdrähten gebildetes Lotmaterial 8 zur Verbindung der einzelnen Schichten 4, 6 auf. Dies erlaubt insbesondere eine besonders einfache Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Schichten 4, 6, indem die übereinander angeordneten Schichten 4, 6 durch einfaches Erwärmen und anschließendes Aushärten stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Neben der Herstellung einer einfachen stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Schichten 4 und 6 kann das Lotmaterial 8 vorteilhafterweise auch zur Abdichtung dieser Schichten untereinander vorgesehen sein, beispielsweise um die Dichtwirkung der engmaschigen Schichten 6 zu verbessern. Daher ist das Lotmaterial 8 vorliegend auch vorzugsweise nur in den Schichten 6 bzw. an den Randbereichen der Schichten 4 der Verteilstruktur 40' angeordnet, so dass auf diese Weise bei Erwärmen und anschließendem Aushärten des Lotmaterials 8, die Schichten 6 bzw. die Grenzflächen zwischen den Schichten 4 und 6 abgedichtet sind.
5 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' aus 4 entlang der Schnittlinie A-A', aus der der erfindungsgemäße Schichtaufbau deutlich hervorgeht. Erkennbar ist hier neben den einzelnen Schichten 4, 6 auch das vorliegend in Form von Lotdrähten gebildete Lotmaterial 8 zur Verbindung der Schichten 4, 6 und zur zusätzlichen Abdichtung der dichten Schichten 6 gegenüber den medienführenden offenen Schichten 4. Gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde das Lotmaterial 8 noch nicht erwärmt, so dass die Schichten 4, 6 vorliegend noch nicht miteinander verbunden sind. Ferner ist das Lotmaterial gemäß 4 und 5 nur innerhalb der dichten Schichten 6 angeordnet. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Schichtdichte der offenen Schichten 4 bspw. sehr gering ist, so dass das Lotmaterial 8 innerhalb der Schichten nicht genügend fest gehalten werden kann. Andernfalls kann das Lotmaterial aber ebenso auch innerhalb der offenen Schichten 4 angeordnet sein. Ebenso kann auch vorgesehen sein, dass das Lotmaterial vollflächig innerhalb der Schichten 4, 6 verteilt ist.
6a zeigt eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer dichten Schicht 6 der erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' aus 4 vor einer Abdichtung. Das Lotmaterial 8 ist hierbei in Form eines Lotdrahtes innerhalb der dichten Schicht 6 angeordnet und wurde noch nicht erwärmt.
6b zeigt eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer dichten Schicht 6 der erfindungsgemäßen Verteilstruktur 40' aus 4 nach einer erfolgten Abdichtung, bei der das Lotmaterial 8 infolge einer Erwärmung geschmolzen und anschließend wieder erstarrt ist und nun wie anhand 6b erkennbar die Schicht 6 nach außen und zu den offenen Schichten 4 hin abdichtet.
Analog zur Abdichtung mittels eingearbeitetem Lotmaterial 8, kann eine Abdichtung auch mittels der Aufschmelzung von bereits innerhalb der Schichten eingearbeiteten Kunststoffen, bspw. in Form von thermoplastischen Ummantelungen oder dergleichen erfolgen. Die etwaig notwendige elektrische Kontaktierung an den Außenwänden der Verteilstruktur 40' kann im Rahmen dieser Ausführung anschließend noch über partielle Auflösungen der thermoplastischen Beschichtung bspw. durch lokales Erhitzen oder chemische Behandlung oder dergleichen erfolgen.

Claims

Mehrlagige Verteilstruktur (40') für eine Bipolarplatte (40) einer Brennstoffzelle (2), umfassend zumindest eine erste Schicht (4) und eine zweite unmittelbar an der ersten Schicht (4) angeordnete und elektrisch leitend mit der ersten Schicht (4) verbundene zweite Schicht (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilstruktur (40') einstückig gebildet ist und beide Schichten (4, 6) aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet sind, wobei die erste Schicht (4) als offene Schicht, mit einer weitmaschigen Verzweigung und die zweite Schicht (6) als dichte Schicht, mit einer engmaschigen Verzweigung gebildet ist.
Verteilstruktur (40') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilstruktur (40') mehr als zwei Schichten (4, 6), vorzugsweise fünf Schichten aufweist, die im Hinblick auf die Schichtdichte alternierend übereinander angeordnet sind und/oder dass die Schichten (4, 6) der Verteilstruktur (40') stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschweißt, insbesondere miteinander verlötet sind.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Schicht (4) seitlich in gleicher Art und Weise wie die zweite Schicht (6) abgedichtet ist.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (4, 6) der Verteilstruktur (40') über Verbindungsmittel (12) miteinander verbunden, insbesondere verflochten sind.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) zumindest teilweise aus einem Kupferwerkstoff und/oder aus einem Eisenwerkstoff und/oder aus einem Nickelwerkstoff und/oder aus einem Silberwerkstoff und/oder aus einem Goldwerkstoff gebildet sind, wobei die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) zumindest teilweise gewebt und/oder gestickt und/oder gewirkt und/oder gestrickt und/oder geflochten und/oder geklöppelt und/oder gehäkelt sind.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) aus zumindest zwei, vorzugsweise aus mehr als zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind, wobei vorzugsweise das Material und die Form der verwendeten Materialien je nach den gewünschten Eigenschaften der Verteilstruktur (40') miteinander kombiniert sein können.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) zumindest teilweise aus einem Nichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus Kunststoff und/oder Glas und/oder Keramik und/oder Kohlenstoff gebildet sind, und/oder dass zumindest einzelne Drähte oder Fasern der als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) mit einer Beschichtung versehen sind, die vorzugsweise korrosionsbeständig, insbesondere aus Kunststoff, ausgebildet ist.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) zumindest teilweise aus einem Lotmaterial (8), vorzugsweise einem Hartlot, besonders bevorzugt einem Weichlot, insbesondere einem Diffusionslot gebildet ist, wobei das Lotmaterial (8) vorzugsweise lokal in die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) eingearbeitet ist.
Verteilstruktur (40') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als dreidimensionale Textilien gebildeten Schichten (4, 6) definierte Kanäle zur Fluidverteilung aufweisen.
Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2) umfassend eine Verteilstruktur (40') nach einem der Ansprüche 1 bis 9.