DE102020007731A1

DE102020007731A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102020007731A1
Application number: DE102020007731.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hausmann; Linda Kinlechner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (2) für eine Brennstoffzelle mit einem metallischen Substrat (1), welches eine kathodenseitige Hälfte (4) und eine anodenseitige Hälfte (5) ausbildet, wobei die Hälften (4, 5) übereinander gefaltet sind. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengefalteten Zustand Anodenkanäle (8) eines Anodenströmungsfelds in Richtung der Kathodenseite vertieft ausgebildet sind und teilweise in zwischen Kathodenkanälen (6) des Kathodenströmungsfelds (18) ausgebildete Kühlmedienkanäle (9) ragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem metallischen Substrat nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen, insbesondere für PEM-Brennstoffzellen, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden diese aus zwei übereinander gelegten Hälften hergestellt, welche dann meist miteinander verschweißt sind.
Die DE 10 2014 205 551 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte mit einer Dichtung. Bei dem dortigen Verfahren ist es so, dass die Bipolarplatte aus zwei Hälften besteht, welche miteinander verbunden sind, und welche bei der Herstellung der Bipolarplatte übereinander gefaltet werden. Den Kern der Idee bildet dabei der Einsatz von Dichtmasse zwischen den Hälften, sodass diese nicht verschweißt werden müssen.
Der in diesem Stand der Technik beschriebene Aufbau ist dabei prinzipiell funktional, ist jedoch hinsichtlich der benötigten Abmessungen in Stapelrichtung noch größer als bei nicht gefalteten verschweißten Platten und benötigt damit entsprechend viel Bauraum. Dies reduziert letztlich das Leistungsvolumen eines mit derartigen Bipolarplatten aufgebauten Brennstoffzellenstapels bzw. Brennstoffzellenstacks.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Bipolarplatte mit metallischem Substrat anzugeben, welche einen einfachen und effizienten Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit einem hohen Leistungsvolumen unterstützt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte besteht dabei aus einem metallischen Substrat, welches eine kathodenseitige und eine anodenseitige Hälfte ausbildet, wobei die Hälften vergleichbar wie im Stand der Technik übereinander gefaltet sind. Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist es dann ferner so, dass im zusammengefalteten Zustand die Anodenkanäle eines Anodenströmungsfeldes der Bipolarplatte in Richtung der Kathodenseite vertieft ausgebildet sind und zumindest teilweise in zwischen Kathodenkanälen eines Kathodenströmungsfeldes ausgebildete Kühlmittelkanäle ragen.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist also in der Art gefaltet ausgeführt, dass die in Richtung der Kathodenseite vertieften Kanäle des Anodenströmungsfelds teilweise in die Kühlmedienkanäle hineinragen. Dies verringert zwar das für die Kühlmedienkanäle zur Verfügung stehende Volumen, dies ist aber für die praktische Verwendung nicht entscheidet. Vielmehr kann durch diese verschachtelte Anordnung der Kanäle zueinander ein in Stapelrichtung extrem kompakter Aufbau einer solchen gefalteten Bipolarplatte erreicht werden. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik. Metallische Bipolarplatten gelten dabei an sich schon als relativ kompakt, insbesondere im Vergleich zu Graphitplatten. Durch die zusätzliche Verschachtelung der Kanäle ineinander, was durch das Falten auch bei den hier sehr kleinen Abmessungen der einzelnen Kanalstrukturen von deutlich unter 1 mm noch möglich ist, entsteht nun die Möglichkeit, diesen an sich schon kompakten Aufbau noch kompakter in Stapelrichtung zu realisieren. Hierdurch lässt sich ein hervorragendes Leistungsvolumen eines Brennstoffzellenstapels mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten erreichen.
Eine außerordentliche günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht es dabei vor, dass die Anodenkanäle gegenüber den Kühlmedienkanälen mit einem Hinterschnitt in der Art ausgebildet sind, dass diese beim Zusammenfalten miteinander verrasten. Ein solches Verrasten durch eine entsprechende Anpassung der Radien am Übergang der Kanäle in das ebene Substrat der jeweiligen Hälfte erlaubt es, eine mechanische Verklammerung zu erreichen. Diese stellt einerseits eine zusätzlich zum Falzbereich vorhandene gute elektrische Anbindung zwischen den Hälften sicher und kann die Hälften andererseits mechanisch zumindest so weit miteinander verbinden, dass diese während des weiteren Fertigungsprozesses einfacher gehandhabt werden können, ohne dass sich die Hälften gegeneinander verschieben können.
Wie üblich können dabei die Kanäle geradlinig ausgeführt sein. Eine weitere besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht es allerdings vor, dass die Anodenkanäle und die Kathodenkanäle des jeweiligen Strömungsfeldes mäanderförmig verlaufen. Solche mäanderförmig oder wellenförmig verlaufenden Kanäle dienen insbesondere dazu, zwischen benachbarten Bipolarplatten relativ breite Überlappungsbereiche zu schaffen. Eine zwischengelegte katalytisch beschichtete Membran mit den entsprechenden Gasdiffusionsschichten kann dann zuverlässig eingeklemmt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass bei einem entsprechenden Druck auf benachbarte Bipolarplatten eine Beschädigung der Membran auftritt, indem parallel verlaufende Kanäle ineinander eintauchen. Die Bipolarplatten werden typischerweise ohnehin so gefertigt, dass abwechselnd beim Stapeln verschiedene Maße vorhanden sind. Bei den sehr kleinen Abmessungen der Kanäle sind dann beim Stapeln von Bipolarplatten mit geraden Kanälen jedoch außerordentlich enge Toleranzen einzuhalten, um eine solche Beschädigung der Membran sicher auszuschließen. Bei einer mäanderförmigen Anordnung der Kanäle besteht diese Gefahr nicht, sodass hierdurch ein erheblicher Vorteil bezüglich der Montage erzielt wird. Ein Brennstoffzellenstapel mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten in der beschriebenen Ausgestaltung lässt sich also sehr einfach und effizient aufstapeln, wobei es zur Variation der Einzelplatten ausreicht, das Muster des Strömungsfeldes der einen Platte gegenüber dem der benachbarten Platte zum Beispiel zu spiegeln.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht es vor, dass zumindest die Zuströmöffnungen für Brennstoff und sauerstoffhaltiges Medium mit jeweils einem Damm umgeben sind, welcher aus zwei ineinander liegenden Ausprägungen bzw. Vertiefungen der Hälften besteht, zwischen welchen ein Freiraum verbleibt.
Über einen solchen Damm, welcher jede der Zuströmöffnungen umgibt, kann der Zustrom dann gezielt in den jeweiligen Bereich bzw. die jeweilige Schicht zwischen den Membranelektrodenanordnungen (MEA) und der Bipolarplatte oder den Hälften der Bipolarplatte geleitet werden. Hierfür können in den Damm gezielt Durchbrüche eingebracht werden, welche beispielsweise das Medium in der einen Ebene zuerst in das Innere des Damms hinein und dann in eine andere Ebene weiterleiten.
Neben dieser besonders günstigen Ausgestaltung mit Durchbrüchen kann es ergänzend vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Seiten bzw. Hälften im Bereich der Dämme wellenförmig entlang des Umfangs ausgebildet ist. Eine solche zumindest abschnittsweise wellenförmige Ausgestaltung entlang des Umfangs ermöglicht beispielsweise eine gezielte Leitung der Strömung in entsprechende Bereiche, um so in der Art von Leitrippen bereits im Inneren des Damms die Strömung auf verschiedene Öffnungen zu verteilen und somit möglichst gleichmäßig in einen Einström- oder Mischbereich vor dem eigentlichen Strömungsfeld aufzuteilen. Auf diese Art kann beispielsweise eine fächerförmige Aufteilung des strömenden Mediums durch die geeigneten Öffnungen erreicht werden,
Insbesondere kann nun auf der Seite mit der wellenförmigen Ausgestaltung gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Bipolarplatte ein Dichtmittel eingebracht sein. Um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten müssen die unterschiedlichen Querschnitte bei einer solchen wellenförmigen Ausgestaltung entsprechend abgedichtet werden. Bei einem beispielsweise auf dem Rahmen oder der MEA angeordneten Dichtmittel wäre dies außerordentlich schwierig und würde hohe Drücke erfordern. Durch das Anbringen des Dichtmittels auf der Bipolarplatte lassen sich bereits beim Auftragen des Dichtmittels die Höhenunterschiede entsprechend ausgleichen, sodass beispielsweise eine ebene Dichtmitteloberfläche in Richtung des Rahmens oder der MEA erzielt wird, um so eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann dabei wenigstens einer der Dämme auf seiner der einen Fläche zugewandten Seite eine Vertiefung zur Aufnahme von Dichtmittel aufweisen. Dies kann nun insbesondere der Teil des Damms sein, welcher nicht gewellt ausgebildet ist. Er kann insbesondere der Damm mit der oberhalb des gewählten Damms liegenden Ausprägung sein und über eine kleine Vertiefung oder Sicke entlang der Laufrichtung des Damms so ausgestaltet sein, dass auch hier ein Dichtmittel einfach aufgenommen und zuverlässig in Position gehalten werden kann. Das Dichtmittel kann dabei vorzugsweise über Siebdruck, Rakeln oder dergleichen aufgetragen werden.
Wie bereits erwähnt ist es dabei so, dass die Zuströmöffnungen zumindest für den Brennstoff und das sauerstoffhaltige Medium in der beschriebenen Art ausgestaltet sind. Ist eine weitere Zuströmöffnung für ein Kühlmedium vorhanden, kann auch diese mit einem Damm in der beschriebenen Art und Weise umgeben sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Wird der Brennstoffzellenstapel beispielsweise in einem von Kühlmittel durchströmten Gehäuse angeordnet, dann kann auf eine solche dritte Zuströmöffnung innerhalb der Bipolarplatte verzichtet werden. Das Kühlmedium würde dann quer zur Durchströmung mit dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Medium in die entsprechenden Verteilbereiche der Kühlmedienströmungsfelder einströmen und diese entsprechend durchströmen, bevor es an der gegenüberliegenden Seite im dortigen Verteil- bzw. Sammelbereich wieder gesammelt und quer zur Durchströmungsrichtung mit den anderen Medien aus der Bipolarplatte abgeführt wird. Ein solcher in einem Mantel aus Kühlmedium innerhalb eines Gehäuse angeordneter Brennstoffzellenstapel hat darüber hinaus Vorteile hinsichtlich der Abdichtung, da eventuelle Leckagen von Sauerstoff und insbesondere Wasserstoff in die Umgebung zuerst in das Kühlmedium gelangen und somit eine höhere Dichtheit des Gesamtaufbaus sichergestellt werden kann, da die entsprechenden Medien mit dem Kühlmittel sehr gezielt abgeführt und beispielsweise an einem Katalysator abreagiert werden können. Damit kann im Falle potenzieller Leckagen zumindest kein Sicherheitsproblem auftreten.
Eine außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht es nun vor, dass die Abdichtung von Bereichen der Hälften und/oder die Verbindung der Hälften über Laserschweißnähte und/oder Laserschweißpunkte erfolgt. Ein solches Laserschweißen der entsprechenden Hälften zur Abdichtung ist relativ einfach und effizient. Eventuelle Beschichtungen der Oberflächen, beispielsweise hydrophobe oder hydrophile Beschichtungen im Bereich der Verteilstrukturen und/oder Strömungsfelder, werden durch ein solches Laserschweißen nicht oder kaum beeinträchtigt, da diese sehr punktuell nur in dem entsprechenden Bereich Hitze erzeugt. Da in diesen zur Abdichtung genutzten Bereich typischerweise keine anderen Funktionalitäten ermöglicht werden müssen, spielt dies eine untergeordnete Rolle, sodass auch mit den entsprechenden Oberflächen vorbeschichtetes Substrat eingesetzt werden kann.
Das Substrat kann darüber hinaus so ausgestaltet sein, dass es im Bereich der Anodenhälfte eine geringere Wandstärke bzw. Dicke aufweist als im Bereich der späteren Kathodenseite, wodurch die im Bereich der späteren Anodenseite in ihren Abmessungen kleineren bzw. weniger tiefen Strukturen leichter eingebracht werden können. Zum Einbringen der Strukturen lassen sich dabei verschiedene Methoden verwenden, beispielsweise materialabtragende Methoden wie (Laser-)Gravieren, Ätzen, Erodieren oder dergleichen. Darüber hinaus lassen sich umformende Verfahren wie beispielsweise Prägen oder insbesondere Hydroforming einsetzen, um die entsprechenden Strukturen zu schaffen.
Neben der reinen Berührung der Hälften durch Aneinanderpressen und gemäß der oben beschriebenen sehr günstigen Ausgestaltung durch ein gewisses Verrasten der Kanäle zueinander kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Hälften auch dadurch verbessert werden, dass diese punktuell oder gemäß den Linien zur Abdichtung miteinander verschweißt sind. In Berührungsbereichen der Hälften können außerdem zusätzliche Schweißpunkte oder Schweißnähte zur Verbesserung der elektrischen Verbindung zwischen den Hälften gesetzt werden.
Gemäß einer weiteren außerordentlich günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann es ferner vorgesehen sein, dass diese in der Art einer Hybrid-Bipolarplatte ausgebildet ist. Diese weist dann ein metallisches Trägersubstrat in der oben beschriebenen Art und Weise auf. Dieses Substrat kann zusätzlich mit einer kohlenstoff- bzw. graphithaltigen Oberflächenbeschichtung versehen sein. Eine solche Oberflächenbeschichtung kann verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Leitung und Führung der Medien aufweisen, beispielsweise eine entsprechende Porosität, um die Befeuchtung der Membranen zu erleichtern und/oder flüssige Medien gezielt abzuleiten und/oder ein Verstopfen von Kanälen durch Kapillarkräften entgegenzuwirken. Dabei kann es vorgesehen sein, dass zur besseren elektrischen Kontaktierung dieser elektrisch leitfähigen Graphit oder anderen Kohlenstoff aufweisenden Beschichtungen diese miteinander verbunden werden. In Bereichen, in denen die Hälften sich flächig berühren, können dafür Durchbrüche vorgesehen sein, welche eine direkte Verbindung zwischen den Beschichtungen durch ein in dem Durchbruch befindliches Material der Beschichtung gewährleisten. Um die Durchbrüche abzudichten, können um die Umfänge der Durchbrüche herum die Hälften miteinander verschweißt werden. Auch dies kann durch Laserschweißnähte erfolgen oder insbesondere auch durch ein Gesenkschweißen, beispielsweise beim Schaffen von den entsprechenden Durchbrüchen durch Stanzen oder dergleichen. Auch eine mechanisch dichte Verbindung beispielsweise durch Clinchen oder ähnliches wäre denkbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte im nicht gefalteten Zustand;
2 die Bipolarplatte gemäß 1 im gefalteten Zustand im Wesentlichen entlang der Linie A-A in 1;
3 eine Draufsicht auf eine mögliche Ausgestaltung der Bipolarplatte mit schematisch angedeuteten Schweißnähten und Dämmen;
4 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung der Zuleitung von Wasserstoff;
5 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung der Zuleitung von Sauerstoff;
6 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung der Zuleitung von Kühlmedium;
7 eine Draufsicht auf eine weitere mögliche Ausgestaltung einer derartigen Bipolarplatte im Gehäuse eines Brennstoffzellenstapels; und
8 eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Anoden- und Kathodenströmungsfelds in einer alternativen Ausgestaltung der Bipolarplatte.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Ausschnitt aus einem metallischen Substrat 1 zur Ausgestaltung einer Bipolarplatte 2 dargestellt. In der Darstellung ist in etwa mittig ein Falzkanal 3 zu erkennen, entlang dem eine kathodenseitige Hälfte 4 und eine anodenseitige Hälfte 5 übereinander gefaltet werden können, wie es in der Darstellung der 2 ersichtlich ist. Innerhalb der kathodenseitigen Hälfte sind dabei eingeprägte Vertiefungen 6 zu erkennen, welche später Kathodenkanäle 6 ausbilden, welche zwischen der gefalteten Bipolarplatte 2 und einer in 2 unterhalb derselben angeordneten und mit 7 bezeichneten Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet sind. Auf der bezüglich der Materialdicke des Substrats etwas dünneren Anodenseite 5 befinden sich vergleichbare jedoch etwas kleinere Vertiefungen 8, welche später die Anodenkanäle ausbilden. Auch diese sind benachbart zu einer weiteren Membranelektrodenanordnung 7 in der Darstellung der 2 schematisch angedeutet. Sie sind dabei so eingeprägt, dass sie in dem in 1 dargestellten Zustand des metallischen Substrats 1 entgegen der Prägerichtung der Kathodenkanäle 6 in das Material eingebracht sind. Nach dem Zusammenfalten der Hälften 4, 5 der Bipolarplatte 2, wie es in der Darstellung der 2 dargestellt ist, ragen die so geschaffenen Anodenkanäle 8 dann zwischen zwischen den Kathodenkanälen 6 ausgebildete Kühlkanäle 9 hinein. Vorzugsweise ist das Material im Bereich der Kühlkanäle 9 und der Anodenkanäle 8 dabei so ausgeformt, dass es zu einem gewissen Verrasten der Anodenkanäle 8 in den Kühlkanälen 9 kommt.
Durch das Hineinragen der die Anodenkanäle 8 schaffenden Vertiefungen in die Kühlmedienkanäle 9 und damit zwischen die Kathodenkanäle 6 kommt es zu einer außerordentlich kompakten metallischen Bipolarplatte 2, welche in der Stapelrichtung s, also zwischen den jeweils benachbarten Membranelektrodenanordnungen 7, für die einzelne Bipolarplatte bei vorgegebenem Volumen der Anodenkanäle 8 und der Kathodenkanäle 6 ein außerordentlich kompaktes Maß erreicht. Gegenüber herkömmlichen Aufbauten werden dabei die Kühlmedienkanäle 9 bezüglich ihres Volumens etwas kleiner, dies bleibt für die Funktionalität des Aufbaus jedoch ohne Bedeutung.
In der Darstellung der 3 ist nun eine Draufsicht beispielsweise auf die Kathodenseite einer solchen Bipolarplatte 2 gezeigt. In an sich bekannter Art und Weise besteht sie aus zwei sogenannten Headern, in deren Bereich Zu- und Abströmöffnungen für die Medien angeordnet sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll über die mit 10 bezeichnete Öffnung Luft zuströmen. Über die mit 11 bezeichnete Öffnung strömt die Luft wieder ab. Benachbart dazu findet sich jeweils eine mit 12 bzw. 13 bezeichnete Öffnung, über welche Kühlmedium zu- und wieder abströmt. Über eine mit 14 bezeichnete Öffnung strömt der Wasserstoff zu und über die mit 15 bezeichnete Öffnung Restwasserstoff wieder ab.
Die Durchströmung ist dem Fachmann dabei an sich bekannt, sodass diese nachfolgend nur anhand der Luft als sauerstoffhaltiges Medium kurz und exemplarisch erläutert wird. Die Zuströmung der Luft erfolgt wie gesagt über die Öffnung 10. Über später noch erläuterte Verbindungen, welche in der Darstellung der 3 durch dünne aufgefächerte Striche angedeutet und mit dem Bezugszeichen 16 versehen sind, gelangt die Luft in einen Misch- und Verteilbereich 17 und strömt dann möglichst gleichmäßig über die Breite der Bipolarplatte 2 verteilt durch ein Kathodenströmungsfeld 18 und die darin angeordneten Kathodenkanäle 6 entlang der aktiven Fläche der Membranelektrodenanordnung 7. Danach sammelt sich das Restmedium wieder in einem Misch- und Verteilbereich 19 und strömt dann in einem analog zur Einströmseite gestalteten Aufbau über die Abströmöffnung 11, welche hier diagonal versetzt zur Einströmöffnung 10 angeordnet ist, ab. Dies gilt für die Anodenseite vergleichbar. Auch das Kühlmedium strömt, allerdings ohne diagonalen Versatz der Einströmöffnung 12 und der Abströmöffnung 13, über solche Verteil- und Mischbereiche und ein Kühlmedienströmungsfeld von der einen Öffnung 12 zur anderen Öffnung 13. All dies ist dem Fachmann soweit bekannt.
Um nun bei dem komplexen Aufbau der gefalteten und mit ineinander liegenden Kanälen 6, 8, 9 ausgestalteten Struktur die Medien entsprechend zu verteilen, sind in den nachfolgenden 4, 5 und 6 schematische Schnitte dargestellt. Obwohl das Substrat 1 einteilig ausgebildet ist und lediglich gefaltet wurde, sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zur Unterscheidung der Hälften diese mit unterschiedlichen Schraffuren versehen. Die einzelnen Schnitte sind dabei jeweils in Radialrichtung zwischen dem Zentrum der Öffnung und dem entsprechenden Misch- und Verteilbereich 17, 19 zu verstehen.
In der Darstellung der 3 sind außerdem Schweißnähte zur Abdichtung des Aufbaus eingezeichnet. Relevant sind dabei Schweißnähte, welche die einzelnen Öffnungen 10 bis 15 unmittelbar umgeben. Diese sind mit 20 bezeichnet. Auf diese Schweißnähte 20, welche auch in den Darstellungen der 4 bis 6 entsprechend dargestellt sind, folgen dann bei allen Öffnungen 10 bis 15 hier mit dicker Linie in der Darstellung der 3 eingezeichnete Dämme 21. Diese Dämme 21 sind in der jeweiligen Schnittdarstellung der 4 bis 6 nochmals zu erkennen. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei ineinander liegenden Vertiefungen bzw. Ausprägungen der beiden Hälften 4, 5 der Bipolarplatte 2. Die Vertiefungen ragen dabei, ähnlich wie die Anodenkanäle 8 in die Kühlkanäle 9 ragen, ineinander und lassen einen hier mit 22 bezeichneten Freiraum innerhalb jedes Damms 21, welcher eine Durchströmung mit Medium ermöglicht. Im Falle der Öffnung 10 bzw. des ihr zugeordneten Damms 21 und im Falle der Öffnung 14 bzw. des ihr zugeordneten Damms 21 ist ebenso wie bei den den Öffnungen 11 und 15 zugeordneten Dämmen 21 eine weitere mit 23 bezeichnete Schweißnaht vorhanden, welche den inneren Freiraum 22 des jeweiligen Damms 21 gegenüber den weiteren Bereichen zwischen den Hälften 4, 5 abdichtet. Damit ist also über die Schweißnähte 20, 23 für den Fall von Luft und Wasserstoff und über die Schweißnähte 20 für den Fall des Kühlmediums der Aufbau zwischen den Platten abgedichtet. Neben den angesprochenen Schweißnähten 20, 23 ist eine einzige weitere Schweißnaht umlaufend um die Bipolarplatte und hier mit 40 bezeichnet notwendig, um den gesamten Aufbau der Bipolarplatte 2 zuverlässig abzudichten.
Der Damm 21 im Anschluss an die Zuströmöffnung 14 für den Wasserstoff weist nun einen Durchbruch 24 in der kathodenseitigen Hälfte 4 auf, über welchen der Wasserstoff, welcher durch die Öffnung 14 entlang eines Stapels der Bipolarplatten 2 strömt, in den Freiraum 22 des Damms 21 eindringen kann. Über einen weiteren Durchbruch 25, diesmal in der anodenseitigen Hälfte 5, gelangt der Wasserstoff dann in den Bereich zwischen der Membranelektrodenanordnung 7 oder ihres Rahmens auf der Anodenseite der Bipolarplatte 2. Hier sind dabei einzelne Erhöhungen, wie sie beispielsweise im Verteilbereich angeordnet sein können, in der Schnittdarstellung angedeutet. Der Wasserstoff strömt von dort in die in den 4 ff. nicht explizit gezeigten aber aus 2 bekannten Anodenkanäle 8. Der Durchströmungspfad des Wasserstoffs ist über einen entsprechenden Pfeil, welcher hier mit 26 bezeichnet ist, angedeutet.
Für den Sauerstoff, welcher durch die Zuströmöffnung 10 zuströmt, gilt im Wesentlichen vergleichbares. Der Sauerstoff gelangt ebenfalls über einen hier mit 27 bezeichneten Durchbruch in der kathodenseitigen Hälfte 4 der Bipolarplatte 2 in den hier ebenfalls mit 22 bezeichneten Freiraum innerhalb des Damms 21. Über einen weiteren mit 28 bezeichneten Durchbruch, welcher in diesem Fall ebenfalls im Bereich der kathodenseitigen Hälfte 4 der Bipolarplatte 2 angeordnet ist, gelangt er dann, wie es durch den mit 29 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, in den hier über einen nur beispielhaft angedeuteten Verteilbereich und von dort in an sich bekannter Art und Weise in die Kathodenkanäle 6.
In der Darstellung der 6 ist der gleichen Systematik folgend die Zuströmöffnung 12 für das Kühlmedium dargestellt. Dieses gelangt über eine ebenfalls in der kathodenseitigen Hälfte 4 angeordnete Öffnung 30 in den Freiraum 22 des der Öffnung 12 zugeordneten Damms 21. Es befindet sich dann zwischen den beiden Hälften 4, 5 der Bipolarplatte 2 und kann sich durch die senkrecht zur Zeichnungsebene offenen Strukturen dort in den jeweiligen Verteilbereich verteilen und die Kühlkanäle 9 entsprechend durchströmen. Die Strömung des Kühlmediums ist durch den Pfeil 31 entsprechend angedeutet.
Für die gegenüberliegenden Seiten zum Sammeln des Mediums und Abführen des Mediums durch die Öffnungen 11, 13 und 15 gilt im Wesentlichen dasselbe.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat nun der Damm 21 in seiner höchsten Erhebung in der kathodenseitigen Hälfte 4 der Bipolarplatte 2 eine leichte Sicke oder Vertiefung 32, in deren Bereich ein Dichtmaterial 33 angeordnet ist, welches den Damm 21 kathodenseitig gegenüber der Membranelektrodenanordnung 7 oder typischerweise einem in diesem Bereich angeordneten Rahmen dieser Membranelektrodenanordnung 7 abdichtet. Vergleichbares gilt für die anodenseitige Ausgestaltung. Auch hier ist in die anodenseitige Vertiefung ein mit 34 bezeichnetes Dichtmaterial eingebracht. Auch über dieses Dichtmaterial 34 wird nun, hier jedoch anodenseitig, eine Abdichtung gegenüber der Membranelektrodenanordnung 7 bzw. ihrem Rahmen erreicht. Um eine möglichst effiziente Verteilung der Medien auf ihren Verteilbereich 17 zu realisieren, sind in der Darstellung der 3 die bereits angesprochenen Striche 16 angedeutet. Sie sollen nun die Durchströmung des Damms 21 entsprechend andeuten. Dies wird einerseits durch die Position der Durchbrüche, hier der Durchbrüche 27 und 28, erreicht. Andererseits kann außerdem die Vertiefung in der Anodenhälfte 5 nun bezüglich ihrer Tiefe wellenförmig ausgebildet sein. Hierdurch ergeben sich abwechselnd größere und kleinere Freiräume 22, welche nun so angeordnet sein können, dass eine möglichst gute Verteilung des Mediums erfolgt. Die Anordnung kann insbesondere so gewählt sein, dass das Medium, wie es durch die Striche 16 in der Darstellung der 3 angedeutet ist, entsprechend aufgefächert wird und damit bereits möglichst gleichmäßig und großflächig in den Verteilbereich 17 einströmt. Beim Abströmen aus dem Verteilbereich 19 gilt hier dasselbe.
Um solche Unterschiede in der Tiefe bzw. Höhe der Vertiefung, welche in der anodenseitigen Hälfte den Damm 21 ausbildet und lokal die Größe des Freiraums 22 bestimmt, ausgleichen zu können, ist das Dichtmaterial 34 nun insbesondere auf die Bipolarplatte 2 aufgetragen. Dadurch lässt es sich beispielsweise durch Aufrakeln in die wechselnden Tiefen der Vertiefung sorgfältig einarbeiten und bildet dennoch eine ebene Schicht zur Abdichtung mit dem Rahmen der Membranelektrodenanordnung 7, ohne dass hier zu viel Druck aufgebaut werden muss, um sämtliche Räume sicher mit Dichtmaterial zu verfüllen und damit eine sichere, zuverlässige und dauerhafte Abdichtung zu gewährleisten.
In der Darstellung der 7 ist eine Alternative der Bipolarplatte 2 gezeigt, wiederum durch einen Blick auf die Kathodenseite der Bipolarplatte 2, welche gleichzeitig Teil eines Brennstoffzellenstapels sein soll, welcher in einem mit 35 bezeichneten Gehäuse angeordnet ist. Der Aufbau der Bipolarplatte 2 in der Darstellung der 7 lässt sich dabei außerordentlich kompakt realisieren. Der sogenannte Header lässt sich relativ klein ausbilden, da er lediglich eine Zuströmöffnung 10 und eine Abströmöffnung 11 für Luft aufweist und daneben entsprechende Zuströmöffnungen 14 und Abströmöffnungen 15 für Wasserstoff, welcher hier jedoch nicht mit den entsprechenden Verteilbereichen 17, 19 und dem Strömungsfeld 18 verbunden sind, sondern in der oben beschriebenen Art und Weise über Durchbrüche 24, 25 zur Gegenseite durchverbunden sind. Auf die Öffnungen 12 und 13 zur Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums wird hier insofern verzichtet, als dass das Gehäuse 35 in dem mit 36 bezeichneten Freiraum zwischen dem Gehäuse 35 und dem hier durch eine einzige Bipolarplatte 2 angedeuteten Brennstoffzellenstapel von dem Kühlmedium durchströmt wird. Dies verbessert einerseits die Dichtheit des Aufbaus und erlaubt es andererseits, dass das Kühlmedium gemäß des mit 37 bezeichneten Pfeils in den Verteilbereich vor den Kühlkanälen 9 einströmt, hier also zwischen die Hälften 4, 5 der Bipolarplatte 2 und dementsprechend gemäß dem mit 38 bezeichneten Pfeil wieder abströmt. Die Kühlung wird hier also ohne durchlaufende Öffnungen im Header durch eine parallele Durchströmung aller einzelnen Bipolarplatten mit dem in dem Gehäuse 35 bzw. seinem Freiraum 36 befindlichen Kühlmedium erreicht. Über Labyrinthdichtungen 39 oder vergleichbare den Strömungswiderstand erhöhende Elemente kann verhindert werden, dass das Kühlmedium ausschließlich in dem Freiraum 36 umströmt und die Kühlkanäle 9 der einzelnen Bipolarplatten 2 nicht durchströmt.
Eine weitere Besonderheit zeigt das Strömungsfeld 18 der Bipolarplatte 2 in der Darstellung der 7. Anders als das Strömungsfeld 18 in der Darstellung der 3 verlaufen die einzelnen Kanäle, hier die Kathodenkanäle 6, aber durch den speziellen Aufbau der Bipolarplatte 2 dementsprechend auch die Kühlkanäle 9 und Anodenkanäle 8, mäanderförmig bzw. wellenförmig. In einem normalen Aufbau der Bipolarplatte 2 sind die Kanäle 6, 8, 9 relativ klein und liegen mit einer Kanalbreite von deutlich weniger als einem Millimeter innerhalb der Strömungsfelder 18 vor. Wenn nun benachbarte Bipolarplatten 2, welche die Membranelektrodenanordnung 7 mit der relativ empfindlichen Membran zwischen sich aufnehmen, identisch ausgebildet wären, dann könnten die Kanäle ineinander gedrückt werden, wodurch die Membran beschädigt wird. Deshalb wird typischerweise jede zweite Bipolarplatte 2 mit einem leicht versetzten Strömungsfeld 18 ausgebildet. Aufgrund der sehr kleinen Abmessungen sind dann beim Stapeln der Bipolarplatten 2 jedoch extrem geringe Toleranzen einzuhalten, um das oben beschriebene Problem einer Beschädigung der Membranelektrodenanordnung 7 zu vermeiden. Durch die in der Darstellung der 7 gezeigten mäanderförmigen Kanäle 6, 8, 9, welche so auch bei der Ausgestaltung gemäß der anderen Figur eingesetzt werden können, wird dieses Problem vermieden. Beispielsweise durch ein Spiegeln der Strukturen der Strömungsfelder 18 benachbarter Bipolarplatten 2 wird nun ein sehr großer Überlapp zwischen den Stegen zwischen den einzelnen Kanälen 6, 8, 9 beim Aufstapeln erreicht. Die Gefahr einer Beschädigung der Membranen wird minimiert, sodass mit relativ großzügigen Montagetoleranzen eine deutliche Vereinfachung des Stapelns erzielt werden kann, welche dementsprechend eine sehr effiziente und kostengünstige Montage eines Brennstoffzellenstapels mit Bipolarplatten 2, welche derartige mäanderförmige Kanäle 9 aufweisen, realisiert werden kann.
Die Darstellung der 8 greift nochmals eine der 2 vergleichbare Darstellung auf und zeigt ohne die Membranelektrodenanordnungen 7 zwei Anodenkanäle 8, zwei Kühlkanäle 9 und einen Kathodenkanal 6. Das metallische Substrat 1 der Bipolarplatte 2, und zwar sowohl das der Anodenhälfte 5 als auch das der Kathodenhälfte 4, sind dabei mit einer hier durch eine dicke Linie angedeuteten Beschichtung 41 versehen. Diese Beschichtung 41 ist eine kohlenstoffhaltige Beschichtung, beispielsweise aus einem mit Graphit gefüllten Kunststoff. Sie wird auf das metallische Substrat 1 aufgebracht, und zwar auf eine der Seiten, vorzugsweise vor dem Falten der anodenseitigen Hälfte 5 und der kathodenseitige Hälfte 4 übereinander. Nach dem Falten liegt die kohlenstoffhaltige Beschichtung 41 dann auf der Anodenseite und der Kathodenseite und erlaubt so eine Kontaktierung der Membranelektrodenanordnungen 7, welche in der Darstellung der 8 nicht nochmals dargestellt sind, über eben diese kohlenstoffhaltige Beschichtung 41.
Um eine elektrische Verbindung nicht nur über das Material des metallischen Substrats 1 zu erreichen, sondern auch direkt zwischen den kohlenstoffhaltigen Beschichtungen 41 der beiden gegenüberliegenden Seiten, um so die Überganswiderstände zwischen der kohlenstoffhaltigen Beschichtung 41 und dem Metall des Substrats 1 der Hälften 4, 5 zu umgehen, ist ein Durchbruch 42 beispielsweise in jedem Bereich, in dem die Kathodenkanäle 6 angeordnet sind und mit dem ebenen Material der anodenseitigen Hälfte zusammenwirken, angeordnet. Diese Öffnung 42 ist dann mit der Beschichtung bzw. dem Material der Beschichtung verfüllt, um so die Beschichtungen 41 an den beiden Oberflächen zu kontaktieren.
Ergänzend kann außerdem eine um die Öffnung 42 umlaufende Schweißnaht 43 vorgesehen sein, um die Hälften 4, 5 der Bipolarplatte 2 gegeneinander abzudichten. Diese kann beispielsweise durch Gesenkschmieden -oder wie bei den anderen Schweißnähten- durch Laserschweißen realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014205551 A1 [0003]

Claims

Bipolarplatte (2) für eine Brennstoffzelle mit einem metallischen Substrat (1), welches eine kathodenseitige Hälfte (4) und eine anodenseitige Hälfte (5) ausbildet, wobei die Hälften (4, 5) übereinander gefaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengefalteten Zustand Anodenkanäle (8) eines Anodenströmungsfelds in Richtung der Kathodenseite vertieft ausgebildet sind und teilweise in zwischen Kathodenkanälen (6) des Kathodenströmungsfelds (18) ausgebildete Kühlmedienkanäle (9) ragen.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenkanäle (8) gegenüber den Kühlmittelkanälen (9) mit einem Hinterschnitt in der Art ausgebildet sind, dass diese beim Zusammenfalten der Hälften (4, 5) miteinander verrasten.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenkanäle (8) und Kathodenkanäle (6) in dem jeweiligen Strömungsfeld (18) mäanderförmig verlaufen.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zu- und Abströmöffnungen (10, 11, 12, 13, 14, 15) für Brennstoff und sauerstoffhaltiges Medium mit jeweils einem Damm (21) umgeben sind, welcher aus zwei im zusammengefalteten Zustand ineinander ragende Vertiefungen der Hälften (4, 5) besteht, zwischen welchen ein Freiraum (22) verbleibt.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Dämme (21) wenigstens einen Durchbruch (24, 25, 27, 28, 30) in einer oder beiden der Hälften (4, 5) aufweist, um die Zu- und Abströmöffnungen (10, 11, 12, 13, 14, 15) mit den der Öffnung (10, 11, 12, 13, 14, 15) zugeordneten Kanälen (8, 9) zu verbinden.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Hälften (4, 5) im Bereich der ineinander liegenden Vertiefungen entlang des Umfangs zumindest abschnittsweise bezüglich ihrer Tiefenausdehnung einen wellenförmigen Verlauf der Vertiefung aufweist.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vertiefung mit dem wellenförmigen Verlauf auf der der anderen Hälfte (4, 5) abgewandten Seite ein Dichtmittel (34) eingebracht ist.
Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Dämme (21) auf seiner der anderen Hälfte (4, 5) abgewandten Fläche eine in Längsrichtung des Damms (21) verlaufende Vertiefung (32) aufweist.
Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung von Bereichen der Hälften (4, 5) und/oder die Verbindung der Hälften (4, 5) über Laserschweißnähte (20, 23, 40) und/oder -punkte ausgebildet ist.
Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften (4, 5) auf ihrer der jeweils anderen Hälfte (5, 4) abgewandten Seite zumindest abschnittsweise mit einem kohlenstoffhaltigen Material (41) beschichtet sind.
Bipolarplatte (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften (4, 5) im Bereich von Flächen, in deren Bereich sie sich berühren, Durchgangsöffnungen (42) zwischen der kathodenseitigen und der anodenseitigen Oberfläche aufweisen, welche mit dem Material der kohlenstoffhaltigen Beschichtung (41) verfüllt sind.
Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat (1) im Bereich der anodenseitigen Hälfte (5) eine geringere Materialdicke als im Bereich der kathodenseitigen Hälfte (4) aufweist.