DE102020114460A1

DE102020114460A1 - Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102020114460A1
Application number: DE102020114460.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Keitsch; Raimund Theo Ströbel; Daniela Könnicke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (3) mit einem Plattenkörper (12), in dem mindestens zwei durch mindestens einen Strömungskanal (9) verbundene Hauptkanäle (4) ausgebildet sind, und mit auf der Oberfläche des Plattenkörpers (12) angeordneten, die Hauptkanäle (4) umgebenden Dichtungen (8). Den Bereichen des Plattenkörpers (12), in denen durch die Dichtungen (8) eine Presskraft eingeleitet werden kann, sind Versteifungselemente (13) zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einem Plattenkörper in dem mindestens zwei durch mindestens einen Strömungskanal verbundene Hauptkanäle ausgebildet sind, und mit auf der Oberfläche des Plattenkörpers angeordneten, die Hauptkanäle umgebenden Dichtungen, wobei in den Bereichen des Plattenkörpers, in denen durch die Dichtungen eine Presskraft eingeleitet werden kann, Versteifungselemente zugeordnet sind.
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden, die häufig durch zwei metallische, miteinander verschweißte Umformteile gebildet sind.
Bei der Versorgung der Brennstoffzellen mit den Reaktanten werden diese über Hauptkanäle (Ports) in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten in einen aktiven Bereich bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen. Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Bipolarplatten mit den Membran-Elektroden-Einheiten gestapelt sind, werden Dichtungen eingesetzt, die die Hauptkanäle längs durch den Brennstoffzellenstapel abdichten. Der Brennstoffzellenstapel muss verspannt werden, wobei Strömungen der Reaktanten von den Hauptkanälen in die Flussfelder mittels einer Untertunnelung unter den Dichtungen möglich sein müssen.
Eine gleichmäßige Verteilung der Presskraft und eine gute Stabilität der Dichtung ist schwierig zu erreichen, wobei infolge der dünnen Materialstärken der Umformteile die Durchführung wichtiger Verfahren zur Applizierung der Dichtung wie z.B. der Spritzguss entfallen.
In der CN 110 571 447 A ist der Aufbau einer Brennstoffzelle mit einer metallenen Bipolarplatte bestehend aus einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte und zugeordneter MEA gezeigt. Die WO 2016 142 619 A1 offenbart die Versteifung der Bipolarplatte durch eine Versteifungsleiste, die in einen am Umfang verlaufenden Versteifungskanal eingelegt ist. Die DE 10 2015 211 930 A1 schlägt vor, in dem Verteilerkanal zwischen den Ports Versteifungserhebungen vorzusehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserter Abdichtung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die eingangs genannte Bipolarplatte zeichnet dadurch aus, dass durch die Versteifungselemente und der durch deren Präsenz erfolgenden Versteifung Bipolarplatten aus einem dünnwandigen Grundmaterial für die Bildung des Plattenkörper verwendet werden können, da die herrschenden Kräften bei der Aufbringung der Dichtung aufgefangen werden können. Dies gilt z.B. für den Spritzdruck beim Aufbringen einer Spritzdruck-Dichtung. Vorteilhaft ist weiterhin, dass genau diese Bereiche auch beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels belastet werden und so eine höhere Belastung aushalten.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Versteifungselemente zumindest teilweise separat von dem Plattenkörper gebildet sind, insbesondere dass die Versteifungselemente durch Einlegeteile gebildet sind, die vor dem Fügen von Umformteilen zu dem Plattenkörper stoffschlüssig und/oder formschlüssig aufgebracht werden können.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Versteifungselemente zumindest teilweise einstückig mit dem Plattenkörper ausgebildet sind. Dabei können beispielsweise durch Tiefziehen die Versteifungselemente als dreidimensionale Stützstruktur in dem Plattenkörper ausgeformt werden.
Dies eröffnet die Möglichkeit, dass die Dichtungen von der Oberfläche des Plattenkörpers in die dreidimensionale Stützstruktur ragen und diese mindestens teilweise ausfüllen.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Versteifungselemente die Hauptkanäle in Umfangsrichtung vollständig umgeben, so dass die Versteifungselemente mit gegenseitigem Abstand in einer Reihe angeordnet sein können, wobei die Reihe mittig unterhalb der Dichtung oder mittig unterhalb einer Dichtspur verläuft.
Die Reihe kann dabei mehrfach vorgesehen sein, wobei die Versteifungselemente relativ zu der Dichtung in einer der Reihen versetzt zu den Versteifungselementen in einer anderen der Reihen angeordnet sein können.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapels mit den die Hauptkanälen zeigenden Bipolarplatten,
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch den Bereich eines Hauptkanals zweier dem Stand der Technik entsprechender Bipolarplatten mit den Strömungskanälen für das Reaktantengas zur Veranschaulichung der Untertunnelung,
3 eine schematische Darstellung eines einer Bipolarplatte zugeordneten Versteifungselementes,
4 eine der 3 entsprechende Darstellung eines einstückig mit der Bipolarplatte gebildeten Versteifungselementes,
5 eine Zusammenstellung möglicher Grundstrukturen verschiedener Versteifungselemente,
6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Bipolarplatte zur Veranschaulichung der Anordnung des Versteifungselementes relativ zur Dichtung,
7 eine schematische Darstellung zur Positionierung der Versteifungselemente, links unterhalb einer Dichtlippe und rechts unterhalb einer Dichtspur gezeigt,
8 eine der 7 entsprechende Darstellung der Nutzung einer Mehrzahl von Reihen von mehreren Versteifungselementen, und
9 eine der 8 entsprechende Darstellung mit einem Versatz der Versteifungselementen in unterschiedlichen Reihen.

Ein Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2. Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran 18. Die Membran 18 ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran 18 als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran 18 lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ →4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran 18 zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Dem Brennstoffzellenstapel 1 wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 1 in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle 2 erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 3 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran 18 und der Ausleitung Hauptkanäle 4 (Ports) aufweisen. Zusätzlich weisen die Bipolarplatten Hauptkanäle 5 für die Durchleitung eines Kühlmediums in einem Kühlmediumkanal auf, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden.
Die 1 zeigt die jeweils zu Paaren zusammengefassten Hauptkanäle 4, 5 einer Mehrzahl den Brennstoffzellenstapel 1 bildende Brennstoffzellen 2 mit Bipolarplatten 3.
Aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 3 mit dazwischen positionierter Membran-Elektroden-Einheit sind in der 2 gezeigt, wobei der Gasstrom durch den Stapel in einem Hauptkanal 4 durch den senkrechten Pfeil 6 und die Untertunnelung 7 der Dichtungen 8 beim Einstrom des Gases in die Strömungskanäle 9 eines Flussfeldes durch die waagerechten Pfeile 10 gezeigt ist.
In 2 ist auch ersichtlich, dass die Bipolarplatten 3 aus zwei dünnwandigen Platten 11 bestehen, in der Regel aus metallischen Umformblechen, die einen Plattenkörper 12 mit einem Strömungsfeld bilden. In dem Plattenkörper 12 sind mindestens zwei Hauptkanäle 4, 5 ausgebildet, die durch mindestens einen Strömungskanal 9 des Strömungsfelds verbunden sind. Auf der Oberfläche des Plattenkörpers 12 sind die die Hauptkanäle 4, 5 umgebenden Dichtungen 8 angeordnet (2).
Die 6 zeigt anhand eines Beispiels, dass in den Bereichen des Plattenkörpers 12, in denen durch die Dichtungen 8 eine Presskraft eingeleitet werden kann, Versteifungselemente 13 angeordnet sind.
Dabei können entsprechend 3 die Versteifungselemente 13 zumindest teilweise separat von dem Plattenkörper 12 gebildet sein. Dies ermöglicht, dass die Versteifungselemente 13 durch Einlegeteile gebildet sind, die vor dem Fügen von den Umformteilen zu dem Plattenkörper 12 stoffschlüssig und/oder formschlüssig aufgebracht werden können. Die Einlegeteile können aus Kunststoff oder aus einem Metall gebildet sein.
Alternativ besteht entsprechend 4 auch die Möglichkeit, dass die Versteifungselemente 13 zumindest teilweise einstückig mit dem Plattenkörper 12 ausgebildet sind.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Versteifungselemente 13 als dreidimensionale Stützstruktur in dem Plattenkörper 12 ausgeformt sind. Insbesondere durch Tiefziehen lassen sich so die erforderlichen Strukturen kostengünstig bilden.
Eine Kombination beider Ausführungsformen aus den 3 und 4 ist gleichfalls möglich.
Die Versteifungselemente 13 weisen bei diesen Ausführungsformen freie Volumina auf, so dass die Dichtungen 8 von der Oberfläche des Plattenkörpers 12 in die dreidimensionale Stützstruktur ragen und diese mindestens teilweise ausfüllen können (6).
Die 7 zeigt, dass die Versteifungselemente 13 mit gegenseitigem Abstand in einer Reihe 14 angeordnet sind, wobei dies in der Figur links gezeigt ist für eine einzelne Dichtlippe 15 und rechts für eine Dichtspur 16, wobei die Reihe 14 mittig unterhalb der Dichtung 8 oder mittig unterhalb der Dichtspur 16 mit zwei Dichtlippen 15 verläuft.
Die 8 und 9 verweisen darauf, dass die Reihe 14 mehrfach vorgesehen sein, wobei Ausführungsbeispiele gezeigt sind mit zwei Reihen 14; es können aber auch mehr als zwei Reihen 14 verwendet werden.
In der 9 sind die Versteifungselemente 13 relativ zu der Dichtung 8 in einer der Reihen 14 mit einem Versatz zu den Versteifungselementen 13 in einer anderen der Reihen 14 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Brennstoffzelle
3: Bipolarplatte
4: Hauptkanal für Reaktanten
5: Hauptkanal für Kühlmedium
6: senkrechter Pfeil
7: Untertunnelung
8: Dichtung
9: Strömungskanal
10: waagerechter Pfeil
11: dünnwandige Platte
12: Plattenkörper
13: Versteifungselement
14: Reihe
15: Dichtlippe
16: Dichtspur
17: Versatz
18: Membran
19: Stützstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 110571447 A [0006]
WO 2016142619 A1 [0006]
DE 102015211930 A1 [0006]

Claims

Bipolarplatte (3) mit einem Plattenkörper (12), in dem mindestens zwei durch mindestens einen Strömungskanal (9) verbundene Hauptkanäle (4) ausgebildet sind, und mit auf der Oberfläche des Plattenkörpers (12) angeordneten, die Hauptkanäle (4) umgebenden Dichtungen (8), dadurch gekennzeichnet, dass den Bereichen des Plattenkörpers (12), in denen durch die Dichtungen (8) eine Presskraft eingeleitet werden kann, Versteifungselemente (13) zugeordnet sind.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) zumindest teilweise separat von dem Plattenkörper (12) gebildet sind.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) durch Einlegeteile gebildet sind, die vor dem Fügen von Umformteilen zu dem Plattenkörper (12) stoffschlüssig und/oder formschlüssig aufgebracht werden können.
Bipolarplatte (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) zumindest teilweise einstückig mit dem Plattenkörper (12) ausgebildet sind.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) als dreidimensionale Stützstruktur (19) in dem Plattenkörper (12) ausgeformt sind.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (8) von der Oberfläche des Plattenkörpers (12) in die dreidimensionale Stützstruktur (19) ragen und diese mindestens teilweise ausfüllen.
Bipolarplatte (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) mit gegenseitigem Abstand in einer Reihe (14) angeordnet sind.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe (14) mittig unterhalb der Dichtung (8) oder mittig unterhalb einer Dichtspur (16) verläuft.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe (14) mehrfach vorgesehen ist.
Bipolarplatte (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (13) relativ zu der Dichtung (8) in einer der Reihen (14) versetzt zu den Versteifungselementen (13) in einer anderen der Reihen (14) angeordnet sind.