DE102018204602A1

DE102018204602A1 - Gas distributor structure for a fuel cell

Info

Publication number: DE102018204602A1
Application number: DE102018204602.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Schoepf; Michael Walther; Arne Stephen Fischer; Marius Winter; Dieter Holz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-10-02
Also published as: WO2019185416A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient, aufweisend einen ersten Bereich (11) in Form einer ebenen Lage (L) zum Trennen eines Kathodenbereiches (K) von einem Anodenbereich (A) der Brennstoffzelle (100), und einen zweiten Bereich (12) zum Bereitstellen einer Verteilerstruktur (S) zum Verteilen des Reaktanten über einer Elektrodeneinheit (GDL), wobei der zweite Bereich (12) an der Elektrodeneinheit (GDL) zur Auflage bringbar ist, und wobei der zweite Bereich (12) mehrere Strukturelemente (Si) aufweist, die an dem ersten Bereich (11) stoffschlüssig angebunden sind.The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell (100), which serves for providing a reactant to the fuel cell (100), comprising a first region (11) in the form of a planar layer (L) for separating a cathode region (K). from an anode region (A) of the fuel cell (100), and a second region (12) for providing a manifold structure (S) for distributing the reactant over an electrode unit (GDL), the second region (12) being attached to the electrode assembly (GDL). can be brought to rest, and wherein the second region (12) has a plurality of structural elements (Si), which are bonded to the first region (11) cohesively.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Bipolarplatte nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Bipolarplatte nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or for an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, according to the independent device claim. Furthermore, the invention relates to a fuel cell with at least one corresponding bipolar plate according to the independent device claim. In addition, the invention relates to a method for producing a corresponding bipolar plate according to the independent method claim.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Brennstoffzellen wird Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zur Energiegewinnung in Wasser H2O, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. In der 1a ist schematisch der Aufbau einer bekannten Brennstoffzelle 100*, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle gezeigt. Die Brennstoffzelle 100* umfasst fünf Komponenten. In der Mitte befindet sich eine protonenleitfähige Membran 30, bspw. eine Polymermembran. Die Membran 30 ist zwischen zwei Gasdiffusionslagen GDL aus mikroporösem Graphitpapier bzw. Graphitgewebe eingebettet, wobei entweder die Membran 30 oder die Gasdiffusionslagen GDL an den Kontaktflächen mit einem Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion beschichtet sind. Die Gasdiffusionslagen GDL sind wiederum zwischen zwei Bipolarplatten 10*, 20* angeordnet. Ein Stapel bzw. eine Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen (Brennstoffzellen-)Stack.Fuel cells are electrochemical energy converters. In fuel cells becomes hydrogen H2 and oxygen O2 converted into water H2O, electrical energy and heat for energy production. In the 1a schematically is the structure of a known fuel cell 100 * , For example, a PEM fuel cell shown. The fuel cell 100 * includes five components. In the middle is a proton-conductive membrane 30 , for example, a polymer membrane. The membrane 30 is embedded between two gas diffusion layers GDL of microporous graphite paper or graphite fabric, either the membrane 30 or the gas diffusion layers GDL are coated at the contact surfaces with a catalyst material for the electrochemical reaction. The gas diffusion layers GDL are again between two bipolar plates 10 * . 20 * arranged. A stack or repeating unit of this construction forms a (fuel cell) stack.

Die Bipolarplatten 10*, 20* dienen zum groben Verteilen der Reaktionsgase bzw. der Reaktanten in der Brennstoffzelle 100*. Die mikroporösen Gasdiffusionslagen GDL übernehmen letztlich die feine Verteilung der Reaktionsgase über der Membran 30 sowie die Abführung von Produktwasser H2O von der Membran 30 in die Struktur der Bipolarplatten 10*, 20*.The bipolar plates 10 *, 20 * serve to coarsely distribute the reaction gases or the reactants in the fuel cell 100 *. Ultimately, the microporous gas diffusion layers GDL take over the fine distribution of the reaction gases over the membrane 30 and the removal of product water H2O from the membrane 30 into the structure of the bipolar plates 10 * . 20 * ,

Um die Verteilung der Betriebsmedien mit einem geringen Druckverlust und ohne größere Kosten zu gewährleisten, werden die Bipolarplatten 10*, 20* typischerweise durch Prägen einer Kanalstruktur in ein ca. 0,1 mm dickes Blech hergestellt (vgl. 1). Problematisch ist dabei die Wasseransammlung in den Gasdiffusionslagen GDL unter den Stegen der Bipolarplatte 10* auf der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 100* (s. 1b).In order to ensure the distribution of the operating media with a low pressure loss and without major costs, the bipolar plates 10 *, 20 * are typically produced by embossing a channel structure in a sheet about 0.1 mm thick (see. 1 ). The problem here is the accumulation of water in the gas diffusion layers GDL under the webs of the bipolar plate 10 * on the cathode side K of the fuel cell 100 * (s. 1b) ,

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung sieht eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Bipolarplatte mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte oder mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The invention provides a bipolar plate for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or for an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, having the features of the independent device claim and a fuel cell with at least one corresponding bipolar plate having the characteristics of the independent independent Device claim before. Furthermore, the invention provides a method for producing a corresponding bipolar plate with the features of the independent method claim. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the bipolar plate according to the invention or with the fuel cell according to the invention apply, of course, also in connection with the method according to the invention and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention is always reciprocal reference or can be ,

Die vorliegende Erfindung sieht eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder einen Elektrolyseur vor, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, aufweisend einen ersten Bereich in Form einer ebenen Lage zum Trennen eines Kathodenbereiches von einem Anodenbereich der Brennstoffzelle, und einen zweiten Bereich zum Bereitstellen einer Verteilerstruktur zum Verteilen des Reaktanten über einer Elektrodeneinheit, wobei der zweite Bereich an der Elektrodeneinheit zur Auflage bringbar ist, und wobei der zweite Bereich mehrere, insbesondere massive, Strukturelemente aufweist, die an dem ersten Bereich stoffschlüssig angebunden sind.The present invention provides a bipolar plate for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer, which serves for providing a reactant to the fuel cell, comprising a first region in the form of a planar layer for separating a cathode region from an anode region of the fuel cell, and a second region for providing a distributor structure for distributing the reactant over an electrode unit, wherein the second region can be brought to rest on the electrode unit, and wherein the second region has a plurality of, in particular solid, structural elements, which are connected to the first region by a material fit.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle vorteilhaft sein, um Wasseransammlungen an der Membran zu vermeiden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Bipolarplatte auf beiden Seiten, der Kathodenseite und der Anodenseite, der Brennstoffzelle vorteilhaft sein, um den Gasfluss an beiden Seiten der Brennstoffzelle zu begünstigen. Als Elektrodeneinheit kann im Rahmen der Erfindung eine Gasdiffusionslage verstanden werden, die als ein offen poröses, feines gewebe- oder vliesartiges Kohlenstoffgebilde ausgebildet sein kann. An der Kontaktfläche untereinander kann entweder die Membran oder die Elektrodeneinheit mit einem Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, beschichtet werden.The bipolar plate according to the invention may be advantageous on the cathode side of the fuel cell in order to avoid accumulation of water on the membrane. Furthermore, the bipolar plate according to the invention may be advantageous on both sides, the cathode side and the anode side, of the fuel cell in order to favor the gas flow on both sides of the fuel cell. Within the scope of the invention, the term "electrode unit" can be understood to mean a gas diffusion layer which can be designed as an openly porous, fine fabric or fleece-like carbon structure. At the contact surface with one another, either the membrane or the electrode unit can be coated with a catalyst material for the electrochemical reaction, for example platinum.

Ein Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Bipolarplatte in Form einer Lage (Platte oder Folie) ausgebildet ist, auf der mehrere (periodisch oder stochastisch verteilte) Strukturelemente (bspw. massive (nicht hohle) Kügelchen) stoffschlüssig angebunden sind, die den Abstand zwischen der Lage und der Elektrodeneinheit definieren. Die Lage begrenzt dabei einen Bereich (bspw. einen Kathodenbereich) von dem chemisch gegenpoligen Bereich (bspw. vom Anodenbereich) der Brennstoffzelle. Sowohl die Lage als auch die Strukturelemente können vorzugsweise aus einem leitenden Material ausgebildet sein. Zudem können die Lage und die Strukturelemente mit einer Beschichtung versehen werden, bspw. einer Korrosionsbeschichtung. Durch die Ausbildung (Form und Größe) der Strukturelemente, durch die Anzahl der Strukturelemente auf einem Flächensegment der Lage sind beinahe keine Grenzen mehr gesetzt für die Auslegung der Verteilerstruktur. So können die Strukturelemente, bspw. die Kügelchen, mit einem Durchmesser von bspw. 0,1 bis 1 mm eine relativ flache Verteilerstruktur bereitstellen, die gleichzeitig die Lage zuverlässig auf Abstand zur Elektrodeneinheit hält. Dabei entfallen die sich aus dem konventionellen Prägeprozess ergebenden geometrischen Einschränkungen bei der Auslegung der Bipolarplatte. Die Dicke der Lage kann dabei zwischen 0,01 bis 0,5 mm ausgewählt werden. Durch eine entsprechende Anzahl der Strukturelemente kann zugleich der freie Raum zum Durchfluss des Reaktanten auf eine vorteilhafte Weise vergrößert werden. Der freie Raum kann somit weit über 50%, vorzugsweise über 75%, bevorzugt über 85% des gesamten Volumens im zweiten Bereich liegen. Durch Strukturelemente anstatt Stege werden außerdem die Hindernisse beim Durchfluss des Reaktanten in der Verteilerebene der Verteilerstruktur auf eine vorteilhafte Weise minimiert. Somit kann durch die erfindungsgemäße Verteilerstruktur der Druckabfall beim Fluss des Reaktionsgases bzw. des Reaktanten vermindert werden und die Kosten, bspw. bei der Auslegung und bei dem Betrieb eines Verdichters, erheblich reduziert werden. Die einzelnen Strukturelemente bieten außerdem Auflagepunkte auf der Elektrodeneinheit mit einem reduzierten Querschnitt, wodurch die Gefahr der Wasseransammlungen auf eine vorteilhafte Weise reduziert und vorzugsweise gar eliminiert wird. Gleichzeitig bieten stoffschlüssig angebundene Strukturelemente eine verbesserte elektrische Kontaktierung an die Lage und somit an den angrenzenden Bereich der Brennstoffzelle.A concept of the invention resides in the fact that the bipolar plate is designed in the form of a layer (plate or foil) on which a plurality of (periodically or stochastically distributed) structural elements (for example solid (non-hollow) beads) are firmly bonded, which measures the distance between the Define location and electrode unit. The situation limits an area (eg Cathode region) from the chemically opposite pole region (eg, from the anode region) of the fuel cell. Both the layer and the structural elements may preferably be formed of a conductive material. In addition, the layer and the structural elements can be provided with a coating, for example a corrosion coating. Due to the design (shape and size) of the structural elements, by the number of structural elements on a surface segment of the layer almost no limits are set for the design of the manifold structure. Thus, the structural elements, for example the beads, with a diameter of, for example, 0.1 to 1 mm can provide a relatively flat distribution structure which at the same time reliably holds the layer at a distance from the electrode unit. This eliminates the resulting from the conventional embossing process geometric limitations in the design of the bipolar plate. The thickness of the layer can be selected between 0.01 to 0.5 mm. By an appropriate number of structural elements can be increased at the same time the free space for flow of the reactant in an advantageous manner. The free space can thus be well over 50%, preferably over 75%, preferably over 85% of the total volume in the second region. By means of structural elements instead of webs, the obstacles in the flow of the reactant in the distributor level of the distributor structure are also minimized in an advantageous manner. Thus, by the distribution structure according to the invention, the pressure drop in the flow of the reaction gas or the reactant can be reduced and the costs, for example. In the design and operation of a compressor, significantly reduced. The individual structural elements also provide support points on the electrode unit with a reduced cross-section, whereby the risk of water accumulation is reduced in an advantageous manner and preferably even eliminated. At the same time cohesively connected structural elements provide improved electrical contact with the layer and thus with the adjacent region of the fuel cell.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Elektrodeneinheit in Form einer Gasdiffusionslage aus einem gewebeartigen oder vliesartigen Kohlenstoffmaterial ausgebildet ist. Somit kann durch die innere Zusammensetzung der Gasdiffusionslage eine feine Verteilung der Reaktanten über der aktiven Fläche der Membran ermöglicht werden.Furthermore, provision may be made for the electrode unit to be formed in the form of a gas diffusion layer from a fabric-like or fleece-like carbon material. Thus, the inner composition of the gas diffusion layer allows for a fine distribution of the reactants over the active area of the membrane.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Verteilerstruktur in der Verteilerebene des Reaktanten mehrere periodisch oder stochastisch verteilte Strukturelemente aufweist. Durch die periodisch verteilten Strukturelemente kann der Gasfluss auf eine einfache Weise eingestellt und prognostiziert werden. Durch die stochastisch verteilten Strukturelemente kann jedoch die Herstellung der Bipolarplatte erheblich vereinfacht werden.Furthermore, it is advantageous that the distributor structure has a plurality of periodically or stochastically distributed structural elements in the distributor plane of the reactant. Due to the periodically distributed structural elements, the gas flow can be set and predicted in a simple manner. Due to the stochastically distributed structural elements, however, the production of the bipolar plate can be considerably simplified.

Des Weiteren ist es denkbar, dass die Lage in Form einer Platte oder Folie ausgebildet ist. Beide Varianten sind einfach in der Herstellung. Eine Platte ist formstabil und leicht in der Handhabung bei Zusammenbau der Brennstoffzelle. Eine Folie ist flexibel und kann zur Kosten- und Gewichtsreduktion führen. Furthermore, it is conceivable that the layer is in the form of a plate or foil. Both variants are easy to manufacture. A plate is dimensionally stable and easy to handle when assembling the fuel cell. A film is flexible and can lead to cost and weight reduction.

Zudem kann es vorgesehen sein, dass die Lage und/oder die Strukturelemente aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus einem nicht rostenden Metall, bevorzugt aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl, ausgebildet sind. Solche Materialien helfen, um eine zuverlässige elektrische Kontaktierung herzustellen. Außerdem lassen sich solche Materialien leicht verarbeiten, formen und stoffschlüssig anbinden (bspw. durch Schweißen, Sintern, Schmelzen oder dergleichen). Die Herstellung der Verteilerstruktur kann dadurch erleichtert werden. Grundsätzlich kommt jedoch als Material für die Lage und/oder die Strukturelemente jedes leitfähige, sinterbare und/oder stoffschlüssig anbindbare Material in Frage.In addition, provision may be made for the layer and / or the structural elements to be formed of a conductive material, in particular of metal, preferably of a non-rusting metal, preferably of titanium, copper, aluminum or stainless steel. Such materials help to make a reliable electrical contact. In addition, such materials can be easily processed, shape and materially bond (for example, by welding, sintering, melting or the like). The production of the distributor structure can be facilitated thereby. In principle, however, comes as a material for the position and / or the structural elements of each conductive, sinterable and / or cohesively bondable material in question.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Strukturelemente im Querschnitt eine Kugelform, eine Mehreckform, eine Dreiecksform, eine Trapezform, eine Kegelform oder einen Kegelstumpf aufweisen. Eine Kugelform weist die kleinste Oberfläche bei gegebenem Volumen eines Strukturelementes und lässt somit einen optimierten Freiraum zum Durchfluss des Reaktanten bereitstellen. Die ein oder die andere Form kann den Auflagedruck auf der Elektrodeneinheit reduzieren. Verschiedene Formen der Strukturelemente können je nach Verwendung oder Herstellung der Bipolarplatte oder je nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle von Fall zu Fall von Vorteil sein.In addition, it is advantageous that the structural elements in cross section have a spherical shape, a polygonal shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, a conical shape or a truncated cone. A spherical shape has the smallest surface area for a given volume of a structural element and thus provides an optimized clearance for the flow of the reactant. One or the other form can reduce the contact pressure on the electrode unit. Different shapes of the structural elements may be advantageous from case to case, depending on the use or fabrication of the bipolar plate or the assembly of the fuel cell.

Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Strukturelemente mithilfe einer verbrennbaren, einer verätzbaren oder auswaschbaren Matrix oder Paste am zweiten Bereich aufgetragen und/oder mittels Versintern am zweiten Bereich angebunden sind. Eine solche Herstellung der Verteilerstruktur ist einfach, kostengünstig und schnell. Außerdem bietet eine solche Herstellung der Verteilerstruktur flexible Rahmen bei der Auslegung der Verteilerstruktur, wie z. B. Höhe der Strukturelemente, Abstand zwischen den Strukturelementen, Anzahl der Strukturelemente, deren Form usw..Furthermore, it is possible within the scope of the invention for the structural elements to be applied to the second area by means of a combustible, an etchable or washable matrix or paste and / or to be connected to the second area by means of sintering. Such manufacture of the manifold structure is simple, inexpensive, and fast. In addition, such a production of the manifold structure provides flexible framework in the design of the manifold structure, such as. B. height of the structural elements, distance between the structural elements, number of structural elements, their shape, etc ..

Weiterhin stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle und/oder Brennstoffzellenstack, insbesondere eine PEM-Brennstoffzellen, bereit, die auf einer Kathodenseite und/oder auf einer Anodenseite mindestens eine Bipolarplatte aufweist, die, wie oben beschrieben ist, ausgeführt sein kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.Furthermore, the invention provides a fuel cell and / or fuel cell stack, in particular a PEM fuel cell, which has at least one bipolar plate on a cathode side and / or on an anode side, which, as above is described, can be executed. By means of the fuel cell according to the invention, the same advantages can be achieved that have been described above in connection with the bipolar plate according to the invention. In the present case, full reference is made to these advantages.

Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bereit, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, aufweisend einen ersten Bereich in Form einer ebenen Lage zum Trennen eines Kathodenbereiches von einem Anodenbereich der Brennstoffzelle, und einen zweiten Bereich zum Bereitstellen einer Verteilerstruktur zum Verteilen des Reaktanten über einer Elektrodeneinheit, wobei der zweite Bereich an die Elektrodeneinheit angrenzt, und wobei der zweite Bereich mehrere, insbesondere massive, Strukturelemente aufweist, die an dem ersten Bereich stoffschlüssig angebunden werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.The invention further provides a method of manufacturing a bipolar plate for a fuel cell, which serves to provide a reactant to the fuel cell, comprising a first region in the form of a planar layer for separating a cathode region from an anode region of the fuel cell, and a second region for Providing a distributor structure for distributing the reactant over an electrode unit, wherein the second region adjoins the electrode unit, and wherein the second region has a plurality of, in particular solid, structural elements, which are materially bonded to the first region. By means of the method according to the invention, the same advantages are achieved as have been described above in connection with the bipolar plate according to the invention. In the present case, full reference is made to these advantages.

Zudem kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:

a) Vermischen der Strukturelemente mit einer verbrennbaren, einer verätzbaren oder auswaschbaren Matrix oder Paste,
b) Auftragen der Matrix oder Paste mit den untergemischten Strukturelementen am ersten Bereich der Bipolarplatte,
c) Versintern der Strukturelemente am ersten Bereich, und/oder
d) Beseitigen der Matrix oder Paste von der Verteilerstruktur, bspw. durch Verbrennen oder Abtragen.

In addition, the invention may provide that the method has at least one of the following steps:

a) mixing the structural elements with a combustible, an etchable or washable matrix or paste,
b) applying the matrix or paste with the mixed-in structural elements on the first region of the bipolar plate,
c) sintering of the structural elements on the first region, and / or
d) removal of the matrix or paste from the distribution structure, for example by burning or ablation.

Durch die Schritte a) und b) können die Strukturelemente leicht über der Oberfläche der Lage verteilt werden. Durch den Schritt c) können die Strukturelemente zuverlässig stoffschlüssig am ersten Bereich angebunden werden. Die Schritte A9 bis d) können in der genannten Reihenfolge auch zeitlich hintereinander erfolgen. Auch ist es denkbar, dass die Schritte zumindest teilweise simultan oder sogar vollständig simultan ausgeführt werden, um eine Serienfertigung zu ermöglichen. Die Schritte a) bis d) ermöglichen eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung einer Bipolarplatte im Sinne der Erfindung, bei der beinahe keine Grenzen an die Auslegung der geometrischen und funktionalen Eigenschaften der Bipolarplatte gesetzt sind.Through the steps a) and b), the structural elements can be easily distributed over the surface of the layer. Through the step c), the structural elements can be reliably bonded cohesively to the first area. The steps A9 to d) can also take place one behind the other in the order mentioned. It is also conceivable that the steps are carried out at least partially simultaneously or even completely simultaneously in order to enable series production. The steps a) to d) enable a simple, fast and cost-effective production of a bipolar plate according to the invention, in which there are almost no limits to the design of the geometric and functional properties of the bipolar plate.

Außerdem kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte dient, die, wie oben beschrieben ist, ausgebildet sein kann.In addition, the invention may provide that the method is for producing a bipolar plate, which may be formed as described above.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:Preferred embodiments:

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1a eine beispielhafte Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
1b Problematiken bei der Brennstoffzelle nach der 1a,
2a eine schematische Darstellung einer bekannten Bipolarplatte in Form eines geprägten Bleches,
2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in Form einer Lage mit den darauf verteilten Strukturelementen,
3a die Auflagestege der bekannten Bipolarplatte gemäß der 2a zur Auflage auf einer Elektrodeneinheit,
3b vereinzelte, verkleinerte und reduzierte Auflagepunkte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß der 2b zur Auflage auf einer Elektrodeneinheit,
4a eine schematische Darstellung einer Matrix mit den darin verteilten Strukturelementen bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
4b eine schematische Darstellung einer fertigen erfindungsgemäßen Verteilerstruktur nach dem Entfernen der Matrix, und
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

The bipolar plate according to the invention and the fuel cell according to the invention and their developments and their advantages will be explained in more detail with reference to drawings. Each show schematically:

1a an exemplary fuel cell according to the prior art,
1b Problems with the fuel cell after the 1a .
2a a schematic representation of a known bipolar plate in the form of an embossed sheet,
2 B a schematic representation of a bipolar plate according to the invention in the form of a layer with the structural elements distributed thereon,
3a the support webs of the known bipolar plate according to the 2a for resting on an electrode unit,
3b isolated, reduced and reduced contact points of the bipolar plate according to the invention according to the 2 B for resting on an electrode unit,
4a a schematic representation of a matrix with the structural elements distributed therein in the manufacture of a bipolar plate according to the invention,
4b a schematic representation of a finished inventive distribution structure after removal of the matrix, and
5 a schematic representation of a fuel cell according to the invention.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.In the different figures, identical parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why they are usually described only once.

Die 1a zeigt ein klassisches Beispiel einer bekannten Brennstoffzelle 100*, die, wie oben beschrieben ist, ausgeführt sein kann. Bei der Brennstoffzelle 100* gemäß der 1a entsteht jedoch auf der Kathodenseite K der Brennstoffzelle* (s. 1b) die Gefahr der Wasseransammlungen unter den Stegen Zi der kathodenseitigen Bipolarplatte 10*, wie es in der 1b angedeutet ist. Die Bereiche der aktiven Fläche der Membran 30 können dadurch blockieren. Somit kann die Diffusion der Wasserstoffionen H⁺ durch die Membran 30 behindert und der Betrieb der Brennstoffzelle 100* gestört werden. Zudem wird der Gasfluss der Reaktanten unter den Stegen der Bipolarplatte 10* durch die Wasseransammlungen behindert.The 1a shows a classic example of a known fuel cell 100 * which may be implemented as described above. At the fuel cell 100 * according to the 1a but arises on the cathode side K the fuel cell * (s. 1b) the risk of water accumulation under the webs Zi of the cathode-side bipolar plate 10 * as it is in the 1b is indicated. The areas of the active area of the membrane 30 can block it. Thus, the diffusion of hydrogen ions H ⁺ through the membrane 30 hampered and the operation the fuel cell 100 * be disturbed. In addition, the gas flow of the reactants under the webs of the bipolar plate 10 * is hindered by the accumulation of water.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 2b, 3b, 4a und 4b sowie 5 erläutert, insbesondere im Vergleich zu einer bekannten Bipolarplatte 10* gemäß den 1a, 1b sowie 2a und 3a.The invention will be described below with reference to 2 B . 3b . 4a and 4b and FIG. 5 explains, in particular in comparison to a known bipolar plate 10 * according to FIGS 1a . 1b and 2a and 3a.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Bipolarplatte 10 für eine Brennstoffzelle 100, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder einen Elektrolyseur bereit, die zum Bereitstellen eines Reaktanten, bspw. eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, an die Brennstoffzelle 100 dient, aufweisend einen ersten Bereich 11 in Form einer ebenen Lage L zum Trennen eines Kathodenbereiches K von einem Anodenbereich A der Brennstoffzelle 100, und einen zweiten Bereich 12 zum Bereitstellen einer Verteilerstruktur S zum Verteilen des Reaktanten über einer Elektrodeneinheit GDL, wobei der zweite Bereich 12 an der Elektrodeneinheit GDL zur Auflage bringbar ist, und wobei der zweite Bereich 12 bzw. die Verteilerstruktur S mehrere, insbesondere massive, Strukturelemente Si aufweist, die an dem ersten Bereich 11 stoffschlüssig angebunden sind.The present invention provides a bipolar plate 10 for a fuel cell 100 , in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer ready for providing a reactant, for example an oxygen-containing gas mixture, to the fuel cell 100 serves having a first area 11 in the form of a level position L for separating a cathode region K from an anode area A the fuel cell 100 , and a second area 12 for providing a distribution structure S for distributing the reactant over an electrode unit GDL , where the second area 12 at the electrode unit GDL can be brought to bear, and wherein the second area 12 or the distribution structure S has a plurality, in particular massive, structural elements Si, which at the first region 11 are bonded cohesively.

Als Elektrodeneinheit GDL kann im Rahmen der Erfindung eine Gasdiffusionslage verstanden werden, die als ein offen poröses, feines gewebe- oder vliesartiges Kohlenstoffgebilde ausgebildet sein kann. An der Kontaktfläche zwischen der Elektrodeneinheit GDL und der Membran 30 kann entweder die Membran 30 oder die Elektrodeneinheit GDL mit einem Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, beschichtet werden.As electrode unit GDL can be understood within the scope of the invention, a gas diffusion layer, which may be formed as an open-porous, fine fabric or fleece-like carbon structure. At the contact surface between the electrode unit GDL and the membrane 30 can either the membrane 30 or the electrode unit GDL can be coated with a catalyst material for the electrochemical reaction, for example platinum.

Die 2a zeigt eine konventionelle Bipolarplatte 10* zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle 100*, die in den 1a und 1b gezeigt ist. Die konventionelle Bipolarplatte 10* ist in Form eines geprägten Bleches mit mehreren Stegen Zi ausgeführt, wobei die Stege Zi die Kanäle zum Verbreiten des Reaktanten bilden.The 2a shows a conventional bipolar plate 10 * for distributing a reactant in a fuel cell 100 * that in the 1a and 1b is shown. The conventional bipolar plate 10 * is in the form of an embossed sheet with several webs Zi executed, wherein the webs Zi form the channels for spreading the reactant.

Daneben ist in der 2b die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, die als Abstandshalter zwischen der ebenen Lage L der Bipolarplatte 10 und der Elektrodeneinheit GDL vereinzelte Strukturelemente S1, hier in Form von Kügelchen, aufweist. Die Kügelchen können dabei massiv ausgebildet sein. Aber auch hohle Kügelchen sind im Rahmen der Erfindung grundsätzlich denkbar. Die Strukturelemente S1 können bspw. stochastisch verteilt auf der ebenen Lage L der Bipolarplatte 10 aufgebracht werden. Aber auch eine periodische Verteilung der Strukturelemente S1 ist im Rahmen der Erfindung denkbar. Die Lage L der Bipolarplatte 10 kann dabei in Form einer (stabilen) Platte oder einer (flexiblen) Folie ausgebildet sein.Besides that is in the 2 B the bipolar plate according to the invention 10 according to an embodiment of the invention, as a spacer between the flat layer L of the bipolar plate 10 and the electrode unit GDL isolated structural elements S1 , here in the form of beads. The beads can be solid. But also hollow beads are conceivable in principle within the scope of the invention. The structural elements S1 can, for example, stochastically distributed on the flat layer L the bipolar plate 10 be applied. But also a periodic distribution of the structural elements S1 is conceivable within the scope of the invention. The location L the bipolar plate 10 can be designed in the form of a (stable) plate or a (flexible) film.

Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 gemäß der 2b ergeben sich im Vergleich zum konventionellen Design der Bipolarplatte 10* gemäß der 2a völlig andere Auflagepunkte auf der Elektrodeneinheit GDL.In the bipolar plate according to the invention 10 according to the 2 B result in comparison to the conventional design of the bipolar plate 10 * according to the 2a completely different points of support on the electrode unit GDL ,

Die Auflagepunkte im Sinne der Erfindung sind beispielhaft in der 3b gezeigt. Zum Vergleich dazu sind die Auflagestege Zi der bekannten Bipolarplatte 10* in der 3a gezeigt.The support points in the context of the invention are exemplary in the 3b shown. For comparison, the support webs Zi of the known bipolar plate 10 * in the 3a shown.

Die in der 3b mit inneren Kreislinien dargestellten tatsächlichen Auflagepunkte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 auf der Elektrodeneinheit GDL sind wesentlich kleiner als die Querschnittsflächen der Strukturelemente Si und deutlich feiner als die Auflageflächen der Stege Zi der konventionellen Bipolarplatte 10* gemäß der 3a.The in the 3b shown with inner circles actual support points of the bipolar plate according to the invention 10 on the electrode unit GDL are substantially smaller than the cross-sectional areas of the structural elements Si and much finer than the bearing surfaces of the webs Zi of the conventional bipolar plate 10 * according to the 3a ,

Durch eine geeignete Wahl der Größe und der Form der Strukturelemente Si sowie deren mittleren Abstände bzw. deren Anzahl können sowohl die Kontaktpunkte zur Elektrodeneinheit GDL als auch der Abstand zwischen der Lage L und der Elektrodeneinheit GDL relativ frei eingestellt und hinsichtlich der verschiedenen Anforderungen an die Brennstoffzelle 100 optimiert werden. Mithilfe der Erfindung können somit die sich aus dem konventionellen Prägeprozess ergebenden geometrischen Einschränkungen überwunden werden.By a suitable choice of the size and shape of the structural elements Si and their mean distances or their number, both the contact points to the electrode unit GDL as well as the distance between the location L and the electrode unit GDL relatively freely adjusted and with regard to the different requirements of the fuel cell 100 be optimized. By means of the invention, the geometric restrictions resulting from the conventional embossing process can thus be overcome.

Zudem kann mithilfe der Erfindung die Problematik der Wasseransammlungen in der Elektrodeneinheit GDL unter den Stegen der konventionellen, geprägten Bipolarplatte 10* behoben werden. Außerdem kann durch die erfindungsgemäße Verteilerstruktur S der Druckabfall beim Durchfluss des Reaktanten entlang der Verteilerebene x, y vermindert werden. Somit können die Kosten bei der Auslegung und bei dem Betrieb eines Verdichters zum Bereitstellen des Reaktanten erheblich reduziert werden.In addition, by means of the invention, the problem of water accumulation in the electrode unit GDL under the bars of the conventional embossed bipolar plate 10 * be resolved. In addition, by the distributor structure according to the invention S the pressure drop as the reactant flows along the manifold level x, y be reduced. Thus, the cost of designing and operating a compressor to provide the reactant can be significantly reduced.

Ferner bieten stoffschlüssig an der Lage L angebundene Strukturelemente Si eine verbesserte elektrische Kontaktierung an den angrenzenden Bereich, bspw. an den Anodenbereich A, der Brennstoffzelle 100.Furthermore provide cohesive to the location L Tailored structural elements Si an improved electrical contact with the adjacent area, for example, to the anode area A , the fuel cell 100 ,

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass die Strukturelemente Si im Querschnitt unterschiedliche Formen aufweisen können, wie z. B. eine Kugelform, eine Mehreckform, eine Dreiecksform, eine Trapezform, eine Kegelform oder ein Kegelstumpf. Eine Kugelform kann Vorteile beim Optimieren des Gasdurchflusses mit sich bringen. Die eine oder die andere Form kann den Auflagedruck der Bipolarplatte 10 auf der Elektrodeneinheit GDL reduzieren. Entscheidend ist dabei lediglich, dass die Größe bzw. Größenverteilung der Strukturelemente Si in einem relativ engen Bereich liegt, bspw. zwischen 0,1 bis 1 mm. Sie sind aber prinzipiell nicht auf diesen Bereich beschränkt.In the context of the invention, it is also conceivable that the structural elements Si may have different shapes in cross section, such. B. a spherical shape, a polygonal shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, a conical shape or a truncated cone. A spherical shape can bring advantages in optimizing the gas flow. One or the other form may be the contact pressure of the bipolar plate 10 on the electrode unit GDL to reduce. The decisive factor is merely that the size or size distribution of the structural elements Si is in a relatively narrow range, for example. Between 0.1 to 1 mm. However, they are not limited to this area in principle.

Wie es die 4a zeigt, können die Strukturelemente Si, bspw. in Form von Kügelchen, mit einem Binder- bzw. Matrixmaterial vermischt werden und in Form einer Paste auf die Lage L, bspw. in Form einer Basisfolie bzw. -Platte, aufgebracht werden. Als Matrixmaterial kommen dabei verschiedene Materialien in Frage. Denkbar sind hier verschiedene Polymere, Salze oder Anderes. Entscheidend ist dabei, dass die Möglichkeit besteht, die Matrix nach dem Anbinden der Strukturelemente Si an die Lage L wieder zu entfernen, um eine offene Verteilerstruktur S zu erhalten. Als Mechanismen kommen hierzu je nach verwendeten Materialien Auflösen, Wegätzen, Wegbrennen oder Ähnliches in Frage. Der Füllgrad der Strukturelemente Si in der Matrix ist variabel und kann unter Umständen gezielt variiert werden, um die Strömungseigenschaften der entstehenden Verteilerstruktur S zu optimieren.Like the 4a shows, the structural elements Si, for example. In the form of beads, with a binder or matrix material can be mixed and in the form of a paste on the situation L , For example, in the form of a base sheet or plate, are applied. As matrix material different materials come into question. Conceivable here are various polymers, salts or other. It is crucial that there is the possibility of the matrix after the attachment of the structural elements Si to the position L again to remove an open distribution structure S to obtain. Depending on the materials used, the mechanisms that can be used are dissolution, etching away, burning away or the like. The degree of filling of the structural elements Si in the matrix is variable and may, under certain circumstances, be selectively varied in order to determine the flow properties of the resulting distributor structure S to optimize.

Wie es die 4b zeigt, können die Strukturelemente Si im Nachfolgenden an der Lage angebunden werden, bspw. durch Versintern oder Verschmelzen. Danach kann die Matrix bzw. die Paste entfernt werden, bspw. durch Ausbrennen. Beide Schritte können miteinander kombiniert werden. Sowohl die Lage L als auch die Strukturelemente Si können vorzugsweise aus einem leitenden Material ausgebildet sein. In Frage kommen hierbei verschiedene Metalle sowie andere Materialien, die ein späteres Anbinden (z. B. Sintern oder Schmelzen) der Strukturelemente Si an der Lage L erlauben. Die Dicke der Lage L soll bspw. im Bereich von 0,01 bis 0,5 mm liegen, ist aber prinzipiell nicht auf diesen Bereich beschränkt. Zudem können die Lage L und die Strukturelemente Si mit einer Beschichtung versehen werden, bspw. einer Korrosionsbeschichtung.Like the 4b shows, the structural elements Si can be subsequently connected to the location, for example by sintering or fusing. Thereafter, the matrix or the paste can be removed, for example by burning out. Both steps can be combined with each other. Both the layer L and the structural elements Si can preferably be formed from a conductive material. In this case, different metals and other materials come into consideration, which is a subsequent bonding (eg sintering or melting) of the structural elements Si to the layer L allow. The thickness of the situation L should be, for example, in the range of 0.01 to 0.5 mm, but is not limited in principle to this area. In addition, the location can L and the structural elements Si are provided with a coating, for example a corrosion coating.

Wie es die 5 zeigt, kann die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 auf der Kathodenseite K einer Brennstoffzelle 100 vorteilhaft sein, um Wasseransammlungen an der Membran 30 zu vermeiden. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 auf beiden Seiten A, K, der Kathodenseite K und der Anodenseite A, der Brennstoffzelle 100 vorteilhaft sein kann, um den Gasfluss an beiden Seiten A, K der Brennstoffzelle 100 zu begünstigen.Like the 5 shows, the bipolar plate according to the invention 10 on the cathode side K a fuel cell 100 be beneficial to water retention on the membrane 30 to avoid. In principle, however, it is also conceivable that the bipolar plate according to the invention 10 on both sides A . K , the cathode side K and the anode side A , the fuel cell 100 may be beneficial to the gas flow on both sides A . K the fuel cell 100 to favor.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention solely in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments, insofar as it is technically feasible, can be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.

Claims

A bipolar plate (10) for a fuel cell (100) for providing a reactant to the fuel cell (100), comprising: a first region (11) in the form of a planar layer (L) for separating a cathode region (K) from an anode region (A) of the fuel cell (100), and a second region (12) for providing a manifold structure (S) for distributing the reactant over an electrode unit (GDL), wherein the second region (12) can be brought to rest on the electrode unit (GDL), and wherein the second region (12) comprises a plurality of structural elements (Si), which are bonded to the first region (11) by a material fit.

Bipolar plate (10) after Claim 1 , characterized in that the electrode unit (GDL) is formed in the form of a gas diffusion layer of a fabric-like or fleece-like carbon material.

Bipolar plate (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor structure (S) in the distributor plane (x, y) of the reactant has a plurality of periodically or stochastically distributed structural elements (Si), and / or that the layer (L) in Form of a plate or foil is formed.

Bipolar plate (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the layer (L) and / or the structural elements (Si) of a conductive material, in particular of metal, preferably of a non-rusting metal, preferably of titanium, copper, aluminum or stainless steel, are formed.

Bipolar plate (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (Si) in cross-section a spherical shape, a polygonal shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, a conical shape or a truncated cone.

Bipolar plate (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (Si) are applied to the first region (11) by means of a combustible, an etchable or washable matrix or paste and / or by means of sintering on the first region (11) ,

Fuel cell (100) having on a cathode side (K) and / or on an anode side (A) at least one bipolar plate (10) according to one of the preceding claims.

A method of manufacturing a bipolar plate (10) for a fuel cell (100) for providing a reactant to the fuel cell (100), comprising: a first region (11) in the form of a planar layer (L) for separating a cathode region (K) from an anode region (A) of the fuel cell (100), and a second region (12) for providing a manifold structure (S) for distributing the reactant over an electrode unit (GDL), wherein the second region (12) adjoins the electrode unit (GDL), and wherein the second region (12) comprises a plurality of structural elements (Si), which are materially bonded to the first region (11).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises at least one of the following steps: a) mixing the structural elements (Si) with a combustible, an etchable or washable matrix or paste, b) applying the matrix or paste with the mixed under Structural elements (Si) on the first region (11) of the bipolar plate (10), c) sintering of the structural elements (Si) on the first region (11), and / or d) removal of the matrix or paste from the manifold structure (S).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method for producing a bipolar plate (10) according to one of the preceding claims is used.