DE102018218573A1

DE102018218573A1 - Bipolar plate for a half cell of an electrochemical device

Info

Publication number: DE102018218573A1
Application number: DE102018218573.5A
Authority: DE
Inventors: Dieter Holz; Arne Stephen Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30
Also published as: WO2020089042A1

Abstract

Bipolarplatte (1) für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung, aufweisend:
eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (2) zum Transport eines ersten Fluidstroms (5a), die einseitig offene Kanalstrukturen mit zumindest abschnittsweise freien Querschnitten aufweist, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (7) zum Transport eines zweiten Fluidstroms (5b), die Leitelemente (3a, 3b) aufweist, wobei die offenen Seiten der Kanalstrukturen an einer ersten Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angeordnet ist; die Leitelemente (3a, 3b) dergestalt innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angeordnet sind, dass ein Fluidaustausch (6a, 6b) der beiden Fluidströmen (5a, 5b) mit einer Gasdiffusionslage (4), die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angrenzt, gefördert wird; und wobei Querschnitte der Leitelemente (3a, 3b) in Richtung des ersten Fluidstroms (5a), zumindest abschnittsweise über die Länge der Kanalstrukturen hinweg, größer werden.

Bipolar plate (1) for a half cell of an electrochemical device, comprising:
a first electrically conductive fluid distribution layer (2) for transporting a first fluid flow (5a), which has channel structures open on one side with at least sections of free cross sections, and a second electrically conductive fluid distribution layer (7) for transporting a second fluid flow (5b), the guide elements (3a , 3b), the open sides of the channel structures being arranged on a first side of the second fluid distribution layer (7); the guide elements (3a, 3b) are arranged within the second fluid distribution layer (7) such that fluid exchange (6a, 6b) of the two fluid streams (5a, 5b) with a gas diffusion layer (4) connected to a second side of the second fluid distribution layer ( 7) is bordered, promoted; and wherein cross sections of the guide elements (3a, 3b) in the direction of the first fluid flow (5a) become larger, at least in sections over the length of the channel structures.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung wie z. B. einer PEM-, SOFC-, Hochtemperatur- oder Niedertemperatur - Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur oder einer Redox-Flow-Batterie.The present invention relates to a bipolar plate for a half cell of an electrochemical device such. B. a PEM, SOFC, high temperature or low temperature fuel cell, an electrolyser or a redox flow battery.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Weiterentwicklung insbesondere von PEM-Brennstoffzellen, d. h. einer Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle (PEM; für Englisch „protonexchange-membran“), zur höheren Leistungsabgabe kommt dem Wassermanagement in der Kathodenhalbzelle eine besondere Bedeutung zu. Üblicherweise gewährleistet eine Gasdiffusionslage, GDL, eine Verteilung von Reaktionsgasen unter die Stegbereiche von kanalförmigen Fluidverteilern und unterstützt auch dort das notwendige Wassermanagement zwischen der Membran und dem Fluidstrom.In the further development of PEM fuel cells, in particular. H. a proton exchange membrane fuel cell (PEM; for English "protonexchange membrane"), water management in the cathode half cell is of particular importance for higher power output. A gas diffusion layer, GDL, usually ensures a distribution of reaction gases under the land areas of channel-shaped fluid distributors and also supports the necessary water management between the membrane and the fluid flow there.

Die DE 10 2012 218 590 A1 beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur, die auf einer Separatorplatte angeordnet ist, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Zuführungskanal und zumindest einen Ableitungskanal aufweist, wobei in die Gasverteilerstruktur Strömungsleitelemente zur Ausbildung von Strömungskanälen, die vom Zuführungskanal zum Ableitungskanal gerichtet sind, eingebracht sind.The DE 10 2012 218 590 A1 describes a bipolar plate for a fuel cell with an open gas distributor structure, which is arranged on a separator plate, the bipolar plate having at least one feed channel and at least one discharge channel, flow guide elements for forming flow channels which are directed from the feed channel to the discharge channel being introduced into the gas distributor structure .

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte der gattungsgemäßen Art anzugeben, die den Aufbaue einer Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung optimiert, deren Wassermanagement verbessert und kostengünstig herstellbar ist.It is the object of the present invention to provide a bipolar plate of the generic type which optimizes the structure of a half cell of an electrochemical device, the water management of which is improved and can be produced cost-effectively.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Bipolarplatte gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Aufgaben löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a bipolar plate is specified according to the features of independent claim 1, which at least partially solves the stated problems. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims and the following description.

Eine Halbzelle einer Brennstoffzelle wird definiert als aus zwei oder mehreren in Serie geschalteten, elektrisch leitenden Phasen, zwischen denen Ladungsträger ausgetauscht werden können. Eine der Endphasen ist ein Elektronenleiter, d. h. eine Elektrode, die andere ein Elektrolyt. Bei einer PEM-Brennstoffzelle entspricht die Protonen-Austausch-Membran dem Elektrolyt, und eine Bipolarplatte, die mit einer elektrisch leitfähigen Fluidverteilerschicht elektrisch kontaktierbar ist, stellt die elektrisch leitende Phase dar.A half cell of a fuel cell is defined as two or more series-connected, electrically conductive phases between which charge carriers can be exchanged. One of the final phases is an electron conductor, i.e. H. one electrode, the other an electrolyte. In a PEM fuel cell, the proton exchange membrane corresponds to the electrolyte, and a bipolar plate that can be electrically contacted with an electrically conductive fluid distribution layer represents the electrically conductive phase.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Bipolarplatte für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, die eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht zum Transport eines ersten Fluidstroms, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht zum Transport eines zweiten Fluidstroms aufweist. Dabei weist die erste Fluidverteilungsschicht einseitig offene Kanalstrukturen mit zumindest abschnittsweise freien Querschnitten auf. Unter einem freien Querschnitt wird verstanden, dass die Kanäle der Kanalstrukturen zumindest abschnittsweise glatt und ohne weitere Hindernisse für den Fluidstrom aufgebaut sind. Weiterhin ist die erste Fluidverteilungsschicht mit den offenen Seiten der Kanalstrukturen an einer ersten Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angeordnet. Wobei die zweite Fluidverteilungsschicht der Bipolarplatte Leitelemente aufweist, die dergestalt innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht angeordnet sind, dass der Fluidstromaustausch der beiden Fluidströme mit einer Gasdiffusionslage, die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angrenzt, gefördert wird. The present invention makes it possible to provide a bipolar plate for a half cell of an electrochemical device, which has a first electrically conductive fluid distribution layer for transporting a first fluid flow and a second electrically conductive fluid distribution layer for transporting a second fluid flow. The first fluid distribution layer has channel structures that are open on one side and that have free cross sections at least in sections. A free cross section is understood to mean that the channels of the channel structures are at least partially smooth and constructed without further obstacles to the fluid flow. Furthermore, the first fluid distribution layer with the open sides of the channel structures is arranged on a first side of the second fluid distribution layer. The second fluid distribution layer of the bipolar plate has guide elements which are arranged within the second fluid distribution layer in such a way that the fluid flow exchange of the two fluid flows is promoted with a gas diffusion layer which adjoins a second side of the second fluid distribution layer.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind diese Leitelemente so eingerichtet, dass der Querschnitt der Leitelemente in Richtung des ersten Fluidstroms größer wird.According to one embodiment of the invention, these guide elements are set up in such a way that the cross section of the guide elements increases in the direction of the first fluid flow.

Der Querschnitt der Leitstruktur bestimmt die Fläche, die die Leitelemente senkrecht zur Richtung eines Fluidstroms einnehmen. Das heißt, der Querschnitt kann sowohl durch die Vergrößerung der Fläche der Leitelemente erreicht werden als auch durch eine Verdrehung oder Verkippung der Leitelemente. Mit solchen Leitelementen wird erreicht, dass der Fluidstrom, der bei konventionellen Halbzellen für elektrochemische Vorrichtungen nur parallel zur Schichtoberfläche der Gasdiffusionslage geführt wird, vorteilhaft auf die Gasdiffusionslage ausgerichtet wird. Somit wird der Fluidaustausch des ersten und des zweiten Fluidstroms mit der Gasdiffusionslage gefördert. Außerdem können, durch geeignete Wahl der Breite, des Anstellwinkels und der Ausrichtung der Leitelemente relativ zu den anliegenden Kanalstrukturen, verschiedene Anströmungen der Gasdiffusionslage mit dem Fluidstrom der Reaktionsgase realisiert und damit den spezifischen Betriebsbedingungen z.B. einer Brennstoffzelle angepasst werden. Dabei ist der Anstellwinkel entsprechend dem Anstellwinkel eines Flugzeuges definiert. Die Ausrichtung der Leitstrukturen ist die Verdrehung der Leitstrukturen aus der Fluidströmung heraus.The cross section of the guide structure determines the area that the guide elements occupy perpendicular to the direction of a fluid flow. This means that the cross-section can be achieved both by increasing the area of the guide elements and by twisting or tilting the guide elements. With such guide elements it is achieved that the fluid flow, which in conventional half cells for electrochemical devices is only guided parallel to the layer surface of the gas diffusion layer, is advantageously aligned with the gas diffusion layer. The fluid exchange of the first and the second fluid flow with the gas diffusion layer is thus promoted. In addition, by suitable selection of the width, the angle of attack and the orientation of the guide elements relative to the adjacent channel structures, various inflows of the gas diffusion layer can be realized with the fluid flow of the reaction gases and thus the specific operating conditions e.g. be adapted to a fuel cell. The angle of attack is defined according to the angle of attack of an aircraft. The orientation of the guide structures is the twisting of the guide structures out of the fluid flow.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die freien Querschnitte der Kanalstrukturen zumindest abschnittsweise in Richtung des ersten Fluidstroms kleiner werden. Damit kann ein konstanter Druckabfall über die Länge der Kanalstrukturen eingestellt werden.According to one embodiment of the invention, it is proposed that the free cross sections of the channel structures become smaller, at least in sections, in the direction of the first fluid flow. This allows a constant pressure drop to be set over the length of the channel structures.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Fluidverteilungsschicht Stege aufweist und die Leitelemente mittels der Stege miteinander verbunden sind. Die Stege sind so angeordnet bzw. mit den Leitelementen verbunden, dass zumindest Teile des ersten Fluidstroms oder Teile des zweiten Fluidstroms oder auch beide Fluidströme in ihrer Richtung umgelenkt werden. Dies kann zumindest für flächige Leitelemente dadurch erreicht werden, dass sie einen Winkel gegenüber zumindest einem der Fluidströme einnehmen. Diese Umlenkung der Fluidströme ermöglicht den Fluidaustausch an der Grenzfläche zwischen der zweiten Fluidverteilerschicht und der Gasdiffusionslage so zu fördern, wie die Betriebsbedingungen z. B. der Brennstoffzelle es erfordern, um den Wasserhaushalt und die Versorgung mit dem Reaktionsgas zu gewährleisten. According to another embodiment of the invention, it is proposed that the second fluid distribution layer have webs and the guide elements are connected to one another by means of the webs. The webs are arranged or connected to the guide elements in such a way that at least parts of the first fluid flow or parts of the second fluid flow or also both fluid flows are deflected in their direction. This can be achieved, at least for flat guide elements, by taking an angle with respect to at least one of the fluid flows. This deflection of the fluid streams enables the fluid exchange at the interface between the second fluid distribution layer and the gas diffusion layer to be promoted in such a way as the operating conditions, for. B. the fuel cell require it to ensure the water balance and the supply of the reaction gas.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in die Richtung auf die Gasdiffusionslage hingelenkt werden. Hierdurch wird der Austausch der Fluidströme in Richtung der der Gasdiffusionslage erreicht und somit die Versorgung mit Reaktionsgasen gefördert, das dann weiter in Richtung auf die Katalysatorschicht diffundieren kann.According to another embodiment of the invention, it is proposed that the guide elements are arranged in such a way that at least parts of the first or the second fluid flow are directed in the direction of the gas diffusion layer. As a result, the exchange of the fluid flows in the direction of the gas diffusion layer is achieved and thus the supply of reaction gases is promoted, which can then diffuse further in the direction of the catalyst layer.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms von der Gasdiffusionslage weg gelenkt werden. Damit wird der Austausch der Fluidströme aus der Gasdiffusionslage heraus gefördert, was besonders für das Wassermanagement relevant ist, da es den Wassertransport von der Gasdiffusionslage in die Fluidströme hinein fördert.According to a further embodiment of the invention, it is proposed that the guide elements are arranged in such a way that at least parts of the first or second fluid flow are directed away from the gas diffusion layer. This promotes the exchange of fluid flows out of the gas diffusion layer, which is particularly relevant for water management, since it promotes water transport from the gas diffusion layer into the fluid flows.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente eingerichtet sind, in unterschiedlichen Teilbereichen der Bipolarplatte zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass die Förderung des Austausches des Fluidstroms mit der Gasdiffusionslage den unterschiedlichen Bedingungen über die Halbzellenfläche angepasst werden kann. Im Betrieb z. B. einer Brennstoffzelle wird das Prozessgas von einem Einlass in die Fluidverteilungsschichten bis zu einem Auslass aus den Fluidverteilungsschichten immer weiter mit Wasser oder Wasserdampf angereichert, so dass in unterschiedlichen Bereichen der Gasdiffusionslage unterschiedliche Prozessbedingungen herrschen, die mit dieser Ausgestaltung berücksichtigt werden können.In a further embodiment of the invention, it is proposed that the guide elements be set up to direct at least parts of the first or the second fluid flow in different directions in different partial areas of the bipolar plate. This has the advantage that the promotion of the exchange of the fluid flow with the gas diffusion layer can be adapted to the different conditions over the half-cell area. In operation z. B. a fuel cell, the process gas from an inlet into the fluid distribution layers to an outlet from the fluid distribution layers is always enriched with water or steam, so that different process conditions prevail in different areas of the gas diffusion layer, which can be taken into account with this embodiment.

Die Geometrie der Leitelemete kann vielfältige Formen aufweisen, wie z. B. rautenförmige, rechteckige oder dreieckige Formen. Die Fläche der Stege kann neben einer ebenen Fläche auch Krümmungen zur Intensivierung und Anpassung des Fluidaustausches mit der Gasdiffusionslage aufweisen.The geometry of the key elements can have a variety of shapes, such as. B. diamond-shaped, rectangular or triangular shapes. In addition to a flat surface, the surface of the webs can also have curvatures for intensifying and adapting the fluid exchange with the gas diffusion layer.

Typischerweise liegt die Höhe der ersten Fluidverteilungsschicht zusammen mit der angrenzenden zweiten Fluidverteilungsschicht im Bereich von einschließlich 0,2 mm bis einschließlich 1 mm. Das Verhältnis Höhe der Leitelemente der zweiten Fluidverteilungsschicht zu der lichten Weite der Kanalstruktur kann variieren. Typische Werte für dieses Verhältnis sind der Bereich von 5:1 bis 1:5.Typically, the height of the first fluid distribution layer together with the adjacent second fluid distribution layer is in the range from 0.2 mm to 1 mm inclusive. The ratio of the height of the guide elements of the second fluid distribution layer to the clear width of the channel structure can vary. Typical values for this ratio are in the range from 5: 1 to 1: 5.

Die Leitelemente können entlang der Ausrichtung der Kanalstrukturen angeordnet sein und somit seitlich von zumindest einem Teil der Fluidströme angeströmt werden. Die sehr fein strukturierte Kontaktfläche der so ausgerichteten Leitelemente ist vorteilhaft für das Wassermanagement mit der Gasdiffusionslage. Außerdem resultiert ein geringer Druckverlust in den darunter liegenden Kanälen, da die Gasdiffusionslage nicht in den Kanalquerschnitt rein ragt. Die Summe aus Kanalbreite und Stegbreite, die sogenannte „Wellenlänge“ der ersten Fluidverteilungsschicht, kann dabei 0,8 mm bis 3 mm betragen. Die Kanalhöhe inklusive der Plattendicke kann typischerweise ca. 0,1 mm bis 1 mm betragen. Die erste Fluidverteilungsschicht kann in Form eines geprägten oder mit einem anderen Verfahren umgeformten Bleches realisiert sein.The guide elements can be arranged along the alignment of the channel structures and can thus be flown laterally by at least some of the fluid streams. The very finely structured contact surface of the guide elements aligned in this way is advantageous for water management with the gas diffusion layer. In addition, there is a small pressure loss in the channels below, since the gas diffusion layer does not protrude into the channel cross section. The sum of the channel width and web width, the so-called “wavelength” of the first fluid distribution layer, can be 0.8 mm to 3 mm. The channel height including the plate thickness can typically be approx. 0.1 mm to 1 mm. The first fluid distribution layer can be realized in the form of an embossed sheet or a sheet formed by another method.

Entsprechend einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Bipolarplatte ein Streckmetall aufweist, und die Leitelemente durch die aufgestellten Kanten des Streckmetalls gebildet werden. Aus wirtschaftlicher Sicht ist eine solche Ausgestaltung der Erfindung wegen der leichten Verfügbarkeit und der geringen Kosten sehr vorteilhaft.According to another embodiment of the invention, it is proposed that the
Bipolar plate has an expanded metal, and the guide elements are formed by the erected edges of the expanded metal. From an economic point of view, such an embodiment of the invention is very advantageous because of its easy availability and low costs.

Der zweite Fluidstrom der zweiten Fluidverteilungsschicht wird zu einem Teil von den Leitelementen abgelenkt, zu einem anderen Teil erfolgt ein Fluidstrom um die Leitelemente , wie die aufgestellten Kanten z. B. eines Streckmetalls, herum und somit parallel zur Gasdiffusionslage.The second fluid flow of the second fluid distribution layer is deflected in part by the guide elements, in another part there is a fluid flow around the guide elements, such as the raised edges. B. an expanded metal, around and thus parallel to the gas diffusion layer.

Sofern die Leitstruktur ein Streckmetall aufweist, kann sowohl die Aufteilung der Höhe zwischen Streckmetall und Kanalstruktur als auch die genaue Ausprägung, wie die Maschengröße, Stegbreite, Anstellwinkel, Ausrichtung der Maschen zueinander bzw. Maschenversatz oder Ausrichtung des Streckmetalls über den Bereich der Fluidverteilungsschichten variieren. Damit können Anpassungen an die Erfordernisse des Wassermanagements erfolgen.If the guide structure has an expanded metal, the distribution of the height between expanded metal and the channel structure as well as the exact characteristics, such as the mesh size, web width, angle of attack, alignment of the meshes to one another or mesh offset or alignment of the expanded metal, can vary over the area of the fluid distribution layers. This allows adjustments to be made to the requirements of water management.

Daneben können die Stegbreite des Streckmetalls und/oder die Anordnung der Maschen des Streckmetalls relativ zueinander über die Ausdehnung der Bipolarplatte variieren. In addition, the web width of the expanded metal and / or the arrangement of the meshes of the expanded metal relative to one another can vary over the extent of the bipolar plate.

Um eine möglichst homogene und offene Auflage auf der Gasdiffusionslage zu realisieren, soll das Streckmetall einerseits möglichst fein sein und andererseits ist beispielsweise für die genannte, durch Leitelemente bedingte Anströmung der Gasdiffusionslage eine gewisse Strukturgröße erforderlich. Daher muss je nach Auslegung der Halbzelle ein Optimum gefunden werden. Typische Maschenweiten für das Streckmetall liegen im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm. Die Dicke des Streckmetalls muss einerseits groß genug sein, um die auftretenden Kräfte auffangen zu können, und andererseits möglichst klein sein, um möglichst wenig freien Querschnitt zu verbauen. Typische Stegdicken, d. h. Dicken des Ausgangsblechs vor der Streckmetallherstellung, liegen somit im Bereich von 0,03 mm und 0,3 mm, wobei die Endwerte selbst vom Bereich umfasst sind. Weiterhin kann das Streckmetall eine unregelmäßige Struktur aufweisen.In order to achieve the most homogeneous and open support possible on the gas diffusion layer, the expanded metal should on the one hand be as fine as possible and on the other hand a certain structure size is required, for example, for the above-mentioned flow caused by guide elements to the gas diffusion layer. Therefore, depending on the design of the half cell, an optimum must be found. Typical mesh sizes for the expanded metal are in the range from 0.2 mm to 4 mm. The thickness of the expanded metal must be large enough on the one hand to be able to absorb the forces that occur, and on the other hand it must be as small as possible in order to block as little free cross-section as possible. Typical web thicknesses, i.e. H. Thicknesses of the starting sheet before the expanded metal production are therefore in the range of 0.03 mm and 0.3 mm, the final values themselves being included in the range. Furthermore, the expanded metal can have an irregular structure.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vergrößerung der Querschnitte der Leitelemente so eingerichtet ist, dass die mit der Verkleinerung der Querschnitte der Kanalstrukturen verbundene Abnahme der Dicke der ersten Fluidverteilungsschicht kompensiert wird. Das heißt die Vergrößerung der Querschnitte der Leitelemente wird so eingerichtet, dass sie über die gesamte Bipolarplatte in dem Maße größer wird, wie die Querschnitte der Kanalstrukturen abnehmen, um beim Anordnen der ersten Fluidverteilerschicht an die zweite Fluidverteilerschicht eine konstante Gesamtschichtdicke zu erhalten.According to an alternative embodiment of the invention, it is proposed that the enlargement of the cross sections of the guide elements be set up in such a way that the decrease in the thickness of the first fluid distribution layer associated with the reduction in the cross sections of the channel structures is compensated for. That is to say the enlargement of the cross sections of the guide elements is set up in such a way that it increases over the entire bipolar plate to the extent that the cross sections of the channel structures decrease in order to obtain a constant overall layer thickness when the first fluid distribution layer is arranged on the second fluid distribution layer.

Bei der Verwendung von Streckmetall beispielsweise könnten am Anfang der ersten Fluidverteilungsschicht die Kanäle relativ zum Streckmetall größer sein als am Ende der ersten Fluidverteilungsschicht, um das Wassermanagement den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Zusätzlich kann die Stegbreite des Streckmetalls und/oder die Anordnung der Maschen des Streckmetalls relativ zueinander könnten über die Fläche der zweiten Fluidverteilungsschicht hinweg variieren.When using expanded metal, for example, the channels at the beginning of the first fluid distribution layer could be larger relative to the expanded metal than at the end of the first fluid distribution layer in order to adapt the water management to the respective requirements. In addition, the web width of the expanded metal and / or the arrangement of the meshes of the expanded metal relative to one another could vary over the area of the second fluid distribution layer.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Fluidverteilungsschicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Damit erreicht man einen geringen Kontaktwiderstand, was die Zellleistung erhöht bzw. die Verluste in der Zelle verringert.According to one embodiment of the invention, it is proposed that the first and second fluid distribution layers are connected to one another in an electrically conductive manner. This results in a low contact resistance, which increases the cell performance or reduces the losses in the cell.

Es wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Fluidverteilungsschicht mittels einer Schweißverbindung, einer Lotverbindung, einer Sinterverbindung, einer leitfähigen Klebstoffverbindung oder einer anderen Methode stoffschlüssig miteinander verbunden sind.It is proposed in a further embodiment of the invention that the first and the second fluid distribution layer are integrally connected to one another by means of a welded connection, a soldered connection, a sintered connection, a conductive adhesive connection or another method.

Es wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die zweite Fluidverteilungsschicht aus einem Werkstoff einstückig gefertigt ist. Dabei kann als Werkstoff für die zweite Fluidverteilungsschicht Edelstahl, Titan, nitridiertes Titan, mit Metallpartikeln und/oder Kohlenstoff hochgefüllter Kunststoff und Mischungen daraus verwendet werden.It is proposed in a further embodiment of the invention that the second fluid distribution layer is made in one piece from a material. Stainless steel, titanium, nitrided titanium, plastic highly filled with metal particles and / or carbon and mixtures thereof can be used as the material for the second fluid distribution layer.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1) bis 3) dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:

1a eine Prinzipskizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Fluidverteilungsschicht;
1b eine Prinzipskizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer weiteren zweiten Fluidverteilungsschicht;
2 eine Skizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Fluidverteilungsschicht mit veränderlichen Leitelementen;
3a eine Skizze einer konventionellen Kontaktflächen einer Kanalstruktur direkt mit einer Gasdiffusionslage; und
3b eine Skizze der Kontaktflächen der zweiten Fluidverteilungsschicht mit einer Gasdiffusionslage.

Embodiments of the invention are in the 1 ) to 3) and are explained in more detail below. It shows:

1a a schematic diagram of a bipolar plate with a first and a second fluid distribution layer;
1b a schematic diagram of a bipolar plate with a first and a further second fluid distribution layer;
2nd a sketch of a bipolar plate with a first and a second fluid distribution layer with variable guide elements;
3a a sketch of a conventional contact surfaces of a channel structure directly with a gas diffusion layer; and
3b a sketch of the contact surfaces of the second fluid distribution layer with a gas diffusion layer.

Die 1a) zeigt eine Bipolarplatte 1 für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 2 mit einseitig offenen Kanalstrukturen, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 7, wobei die erste Fluidverteilungsschicht 2 mit der offenen Seite der Kanalstrukturen eine Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 direkt kontaktiert. Dabei haben die Kanalstrukturen der ersten Fluidverteilungsschicht 2 zumindest abschnittsweise durchgängig freie Querschnitte.The 1a) shows a bipolar plate 1 for a half cell of an electrochemical device, comprising a first electrically conductive fluid distribution layer 2nd with channel structures open on one side, and a second electrically conductive fluid distribution layer 7 , wherein the first fluid distribution layer 2nd with the open side of the channel structures one side of the second fluid distribution layer 7 contacted directly. The channel structures have the first fluid distribution layer 2nd free cross-sections at least in sections.

Die erste Fluidverteilungsschicht 2 ist vorgesehen, um einen ersten Fluidstrom 5a zu transportieren, und die zweite Fluidverteilungsschicht 7 ist vorgesehen, um einen zweiten Fluidstrom 5b zu transportieren. Innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht sind Leitstrukturen dergestalt angeordnet, dass ein Fluidaustausch zwischen den beiden Fluidströmen und einer Gasdiffusionslage, die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angrenzt, gefördert wird. Das heißt, durch die Leitelemente wird entweder der erste Fluidstrom 5a oder der zweite Fluidstrom 5b oder beide Fluidströme 5a und 5b so abgelenkt, dass ein Fluidaustausch 6a, 6b mit der Gasdiffusionslage 4 erfolgt. Die in der 1a) und 1b) skizzierten Pfeile stellen diesen Fluidaustausch 6a, 6b dar.The first fluid distribution layer 2nd is provided to a first fluid flow 5a to transport, and the second fluid distribution layer 7 is provided to a second fluid flow 5b to transport. Guiding structures are arranged within the second fluid distribution layer in such a way that fluid exchange between the two fluid streams and a gas diffusion layer, which adjoins a second side of the second fluid distribution layer, is promoted. That is, through the guide elements either the first fluid flow 5a or the second fluid stream 5b or both fluid flows 5a and 5b so distracted that fluid exchange 6a , 6b with the gas diffusion layer 4th he follows. The in the 1a) and 1b) outlined arrows represent this fluid exchange 6a , 6b represents.

Die Leitelemente 3a lenken den ersten Fluidstrom 5a und/oder den zweiten Fluidstrom 5b derart in Richtung der Gasdiffusionslage 4, dass der Fluidaustausch zwischen den Fluidströmen 5a und 5b und Gasdiffusionslage 4, die an eine der ersten Fluidverteilerstruktur 2 gegenüberliegende Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 angrenzt, gefördert wird, um die Versorgung der Gasdiffusionslage mit Prozessgasen zu fördern. Dazu ist das Leitelement 3a mit einer Kante, die der ersten Fluidverteilerschicht 2 näher ist, dem ersten Fluidstrom 5a entgegen gerichtet und mit einer gegenüberliegenden Kante, die mit der Gasdiffusionsschicht 4 in Kontakt steht, von dem ersten Fluidstrom 5a weggerichtet. Dadurch wird der erste oder/und der zweite Fluidstrom 5a, 5b auf die Gasdiffusionsschicht hingelenkt.The guiding elements 3a direct the first fluid flow 5a and / or the second fluid flow 5b such in the direction of the gas diffusion layer 4th that fluid exchange between the fluid flows 5a and 5b and gas diffusion layer 4th that to one of the first fluid distribution structure 2nd opposite side of the second fluid distribution layer 7 adjacent, is promoted to promote the supply of the gas diffusion layer with process gases. This is the guiding element 3a with an edge that the first fluid distribution layer 2nd is closer to the first fluid flow 5a opposed and with an opposite edge that matches the gas diffusion layer 4th is in contact from the first fluid stream 5a directed away. As a result, the first and / or the second fluid flow 5a , 5b directed towards the gas diffusion layer.

Das in der 1b) skizzierte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht in weiten Teilen dem Ausführungsbeispiel der 1a). Nur in der Anordnung der Leitelemente 3b unterscheiden sich diese Ausführungsbeispiele, denn das Ausführungsbeispiel der 1b) weist eine solche Anordnung der Leitelemente mit dem Fluidstrom 5a und 5b auf, dass hier der Fluidaustausch 6b vornehmlich von der Gasdiffusionslage 4 weggerichtet wird. Damit kann z. B. der Wassertransport aus der Gasdiffusionslage heraus gefördert werden. Dazu ist das Leitelement 3b mit einer Kante, die der ersten Fluidverteilerschicht 2 näher ist, von dem ersten Fluidstrom 5a weg gerichtet und mit einer gegenüberliegenden Kante, die mit der Gasdiffusionsschicht 4 in Kontakt steht, dem ersten Fluidstrom 5a entgegen gerichtet. Dadurch wird der erste oder/und der zweite Fluidstrom 5a, 5b von der Gasdiffusionsschicht 4 weggelenkt.That in the 1b) The sketched embodiment of the invention largely corresponds to the embodiment of FIG 1a) . Only in the arrangement of the guide elements 3b these embodiments differ because the embodiment of 1b) has such an arrangement of the guide elements with the fluid flow 5a and 5b on that here the fluid exchange 6b primarily from the gas diffusion layer 4th is directed away. So z. B. the water transport from the gas diffusion layer are promoted. This is the guiding element 3b with an edge that the first fluid distribution layer 2nd is closer to the first fluid flow 5a directed away and with an opposite edge that matches the gas diffusion layer 4th is in contact, the first fluid flow 5a directed against. As a result, the first and / or the second fluid flow 5a , 5b from the gas diffusion layer 4th steered away.

In Erweiterung des Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung der 1a) zeigt das in der 2 skizzierte Ausführungsbeispiel, wie der Fluidaustausch 6a durch die Leitelemente 3a in Richtung auf die Gasdiffusionslage 4 gefördert wird, wenn der Querschnitt der Leitelemente 3a in Richtung des zweiten Fluidstroms 5b größer wird. Die 1a) und 1b) deuten an, dass die zumindest abschnittsweise durchgängig freie Querschnitte in Richtung des ersten Fluidstroms 5a über die gesamte Länge der Kanalstrukturen hinweg kleiner werden. Der Aufbau der Bipolarplatte 1 aus der 2 entspricht dem Aufbau der 1a), jedoch mit dem Unterschied, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der Querschnitt der Leitelemente 3a in der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 in Richtung des zweiten Fluidstromes 5b zunimmt. In der Seitenansicht auf die Bipolarplatte 1 bedeutet in diesem Beispiel eine Zunahme des Querschnittes der Leitelemente 3a, dass die Länge der Leitelemente 3a zunimmt. Dabei wird der Querschnitt der Leitelemente 3a in Richtung des ersten Fluidstroms 5b in dem gleichen Maß größer, wie der Querschnitt der Kanalstruktur 2 in Richtung des ersten Fluidstroms 5a abnimmt. Mittels dieser angepassten Veränderungen der Abmessungen von Kanalquerschnitt und Querschnitt der Leitelemente wird erreicht, dass die aneinandergefügten ersten und zweiten Fluidverteilerschichten 2 und 7, trotz des veränderlichen Kanalquerschnittes eine konstante Gesamtschichtdicke aufweisen und somit für die ebene Aneinanderreihung von Halbzellen geeignet sind. Durch diese Veränderung des Querschnittes der Leitelemente 3a über die Länge der Fluidverteilungsschicht 7 wird erreicht, dass der Fluidaustausch 6a entsprechend dem Verbrauch der Prozessgase über die Brennstoffzellenfläche angepasst werden kann. Dabei kann das Verhältnis der Querschnitte der offenen Kanalstrukturen 2 zu den Querschnitten der Leitelemente 3a, 3b, bzw. die Längen der Leitelemente zu den Tiefen der Kanäle, entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst werden.In extension of the embodiment of the bipolar plate 1 for a half cell of an electrochemical device 1a) shows that in the 2nd Outlined embodiment, such as fluid exchange 6a through the guide elements 3a towards the gas diffusion layer 4th is promoted when the cross-section of the guide elements 3a in the direction of the second fluid flow 5b gets bigger. The 1a) and 1b) indicate that the free cross-sections at least in sections in the direction of the first fluid flow 5a become smaller over the entire length of the channel structures. The structure of the bipolar plate 1 from the 2nd corresponds to the structure of the 1a) , but with the difference that in this embodiment, the cross section of the guide elements 3a in the second fluid distribution layer 7 in the direction of the second fluid flow 5b increases. Side view of the bipolar plate 1 in this example means an increase in the cross section of the guide elements 3a that the length of the guide elements 3a increases. The cross section of the guide elements 3a in the direction of the first fluid flow 5b to the same extent larger than the cross-section of the channel structure 2nd in the direction of the first fluid flow 5a decreases. By means of these adapted changes in the dimensions of the channel cross section and the cross section of the guide elements, it is achieved that the joined together first and second fluid distribution layers 2nd and 7 , despite the variable channel cross-section, have a constant total layer thickness and are therefore suitable for arranging half-cells in a row. By changing the cross-section of the guide elements 3a over the length of the fluid distribution layer 7 is achieved that the fluid exchange 6a can be adjusted according to the consumption of the process gases over the fuel cell area. The ratio of the cross sections of the open channel structures 2nd to the cross sections of the guide elements 3a , 3b , or the lengths of the guide elements to the depths of the channels can be adjusted according to the operating conditions of the fuel cell.

Bei Ausrichtung der Leitelemente 3a, 3b mit der in Richtung der ersten Fluidverteilungsschicht gerichteten Kante von den Fluidströmen 5a, 5b weg, wird der Wasseraustrag aus der Gasdiffusionslage 4 gefördert. Damit lässt sich kompensieren, dass die Wassermenge im Fluidstrom über die Brennstoffzellenfläche im Betrieb zunimmt. In der 2 ist ein Steg 8 skizziert, der die Leitelemente 3a miteinander verbindet.When aligning the guide elements 3a , 3b with the edge of the fluid streams directed in the direction of the first fluid distribution layer 5a , 5b away, the water discharge from the gas diffusion layer 4th promoted. This can compensate for the fact that the amount of water in the fluid flow increases over the fuel cell area during operation. In the 2nd is a footbridge 8th outlines the guiding elements 3a connects with each other.

Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird auf der Kathodenseite aus den durch die Membran diffundierenden H⁺-Ionen und O₂ Wasser gebildet. Das gebildete Wasser muss die Gasdiffusionslage in Richtung der Luftkanäle in der Bipolarplatte verlassen und wird dort mit dem Luftstrom abtransportiert. Durch die auf der Gasdiffusionslage aufliegenden Stegen der Bipolarplatte wir dieser Prozess allerdings behindert und es kann zu Wasseransammlungen kommen, die die Gasdiffusion in der Gasdiffusionslage sowie die H⁺-Diffusion durch die Membran behindern und somit den Betrieb der Brennstoffzelle stören. Dieser Effekt wird bei konventioneller Auslegung der Brennstoffzelle durch die Breite der auf die Gasdiffusionslage aufliegenden Stege der Kanalstruktur der Bipolarplatte bestimmt und kann unter anderem durch Verringerung der Stegbreite reduziert oder aufgehoben werden.When operating a fuel cell, water is formed on the cathode side from the H ⁺ ions and O ₂ diffusing through the membrane. The water formed has to leave the gas diffusion layer in the direction of the air channels in the bipolar plate and is removed there by the air flow. However, the webs of the bipolar plate resting on the gas diffusion layer hinder this process and water can accumulate, which impedes gas diffusion in the gas diffusion layer and H ⁺ diffusion through the membrane and thus disrupt the operation of the fuel cell. With conventional design of the fuel cell, this effect is determined by the width of the webs of the channel structure of the bipolar plate resting on the gas diffusion layer and can be reduced or eliminated, inter alia, by reducing the web width.

Die 3a) zeigt für eine konventionell ausgelegte Brennstoffzelle die relativ großen Kontaktflächen 9 zwischen einer einseitig offenen Kanalstruktur von einer konventionellen Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionslage 11. Diese Kontaktfläche 9 resultiert aus der Stegfläche einer einseitig offenen Kanalstruktur. Diese Kontaktfläche führt zu einer Verformung der Gasdiffusionslage und einem Eindringen der einzelnen Kohlenstofffasern der Gasdiffusionslage in die Kanalstruktur der Bipolarplatte. Folglich verringert sich der effektive, für die Medienverteilung zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt. Dieser Effekt ist insbesondere auf der Kathodenseite kritisch, da in der verwendeten Luft nur ca. 20 % Sauerstoff vorhanden sind und somit ein deutlich höherer Gesamtgasstrom als auf der Anoden- bzw. Wasserstoffseite benötigt wird, wo nahezu reiner Wasserstoff eingeleitet wird.The 3a) shows the relatively large contact areas for a conventionally designed fuel cell 9 between a channel structure open on one side from a conventional bipolar plate with a gas diffusion layer 11 . This contact area 9 results from the web surface of an open on one side Channel structure. This contact surface leads to deformation of the gas diffusion layer and penetration of the individual carbon fibers of the gas diffusion layer into the channel structure of the bipolar plate. As a result, the effective channel cross-section available for media distribution is reduced. This effect is particularly critical on the cathode side, since only approx. 20% oxygen is present in the air used and therefore a significantly higher total gas flow is required than on the anode or hydrogen side, where almost pure hydrogen is introduced.

Die 3b) zeigt einen Schnitt durch die Kontaktfläche zwischen einer erfindungsgemäßen Leitstruktur 3a, 3b der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 mit den Leitelementen 3a, 3b und einer angrenzenden Gasdiffusionslage 12. Man erkennt, dass durch die Leitstrukturen 3a, 3b wesentlich kleinere Einzelkontaktflächen mit der Gasdiffusionslage 12 entstehen, wodurch mögliche Wasseransammlungen, die unterhalb von solchen Kontaktflächen auftreten können, eine viel kleinere Einzelfläche betreffen und daher viel einfacher von der Fluidströmung 5a, 5b aufgelöst werden können, und somit die Brennstoffzelle nicht so stark in ihrer Funktion stören können. Mit den gepunkteten Umrisslinien ist auch skizziert, dass ein Teil der Leitelemente in der offenen Kanalstruktur enden kann.The 3b) shows a section through the contact surface between a lead structure according to the invention 3a , 3b the second fluid distribution layer 7 with the guiding elements 3a , 3b and an adjacent gas diffusion layer 12th . You can see that through the lead structures 3a , 3b much smaller individual contact areas with the gas diffusion layer 12th arise, as a result of which possible water accumulations, which can occur below such contact surfaces, affect a much smaller individual surface and therefore much more easily from the fluid flow 5a , 5b can be resolved, and thus not so badly disrupt the function of the fuel cell. The dotted outline also shows that some of the guide elements can end in the open channel structure.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Bipolarplatte 1 ist zum Einsatz in der Kathodenseite einer Brennstoffzelle oder einer anderen elektrochemischen Vorrichtung gedacht, sie kann aber auch zusätzlich auf der Anodenseite zum Einsatz kommen. Hier ist der Wasseraustrag aus der Gasdiffusionslage 4 nicht so kritisch wie auf der Kathodenseite, aber eine gute Anströmung der Gasdiffusionslage 4 kann auch hier vorteilhaft für die Prozessgasversorgung sein.The construction of the bipolar plate according to the invention 1 is intended for use on the cathode side of a fuel cell or another electrochemical device, but can also be used on the anode side. Here is the water discharge from the gas diffusion layer 4th not as critical as on the cathode side, but a good flow against the gas diffusion layer 4th can also be advantageous for the process gas supply.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102012218590 A1 [0003]

Claims

Bipolar plate (1) for a half cell of an electrochemical device, comprising: a first electrically conductive fluid distribution layer (2) for transporting a first fluid flow (5a), which has channel structures open on one side with at least partially free cross sections, and a second electrically conductive fluid distribution layer (7) for transporting a second fluid flow (5b) which has guide elements (3a, 3b), characterized in that the open sides of the channel structures are arranged on a first side of the second fluid distribution layer (7); the guide elements (3a, 3b) are arranged within the second fluid distribution layer (7) such that fluid exchange (6a, 6b) of the two fluid streams (5a, 5b) with a gas diffusion layer (4) connected to a second side of the second fluid distribution layer ( 7) is bordered, promoted; and wherein cross sections of the guide elements (3a, 3b) in the direction of the first fluid flow (5a) become larger, at least in sections over the length of the channel structures.

Bipolar plate (1) after Claim 1 , characterized in that the cross sections of the channel structures in the direction of the first fluid flow (5a), at least in sections over the length of the channel structures, become smaller;

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second fluid distribution layer has webs (8), and the guide elements (3a, 3b) are connected to one another via the webs (8), and are arranged such that at least parts of the first or the second fluid flow can be deflected.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (3a, 3b) are arranged such that at least parts of the first or the second fluid flow are directed in the direction of the gas diffusion layer (4).

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (3a, 3b) are arranged such that at least parts of the first or the second fluid flow are deflected away from the gas diffusion layer (4).

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (3a, 3b) are set up to direct at least parts of the first or the second fluid flow in different directions in different partial areas of the bipolar plate (1).

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate has an expanded metal, and the guide elements (3a, 3b) are formed by the erected edges of the expanded metal.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the enlargement of the cross sections of the guide elements (3a, 3b) is set up in such a way that they become larger to the extent that the first fluid distribution layer (2) is arranged on the second fluid distribution layer ( 7) has a constant total layer thickness.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first fluid distribution layer (2) and the second fluid distribution layer (7) are connected by means of a welded connection, a solder connection, a sintered connection, a conductive adhesive connection or integrally with another connection technology.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second fluid distribution layer (7) is made in one piece from one material.