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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bipolarplatte.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler und werden in mobilen sowie stationären Anwendungen genutzt. Mit Hilfe von Brennstoffzellen wird die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, in der Regel Sauerstoff, in elektrische Energie gewandelt. Üblicherweise werden zur Leistungssteigerung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. „Stack“ übereinanderliegend angeordnet. Da während der in den Zellen stattfindenden Reaktion neben elektrischer Energie auch Wärme erzeugt wird, müssen die Brennstoffzellen gekühlt werden. Dabei ferner anfallendes Wasser muss abtransportiert werden, da es ansonsten die Reaktion behindern könnte.
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In einem Brennstoffzellenstapel sind demnach verschiedene Medienkreisläufe vorgesehen, die der Versorgung der Brennstoffzellen mit Brennstoff und Oxidationsmittel sowie der Zirkulation eines Kühlmediums dienen. Diese werden in der Regel über Platten realisiert, den sogenannten Bipolarplatten (BPP). Hierbei handelt es sich um zwei dünne Metallplatten, die miteinander zu einer Art Hohlkörper verbunden werden. Die Metallplatten werden üblicherweise gestanzt und in einem Prägeprozess mit funktionsrelevanten feingranularen Strukturen versehen. Das heißt, dass bei der Herstellung von Bipolarplatten zwei extrem filigrane Einzelplatten, die sogenannten Monopolarplatten, gehandhabt werden müssen. Beide Einzelplatten müssen zudem vor der Montage zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit beschichtet und/oder mit Dichtungen versehen werden. Während der Montage müssen dann beide Einzelplatten exakt übereinander positioniert und miteinander verbunden werden, so dass der Hohlkörper nach außen dicht ist. Diese Prozesse sind vergleichsweise zeit- und damit kostenintensiv.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bipolarplatten zu vereinfachen, um eine wirtschaftliche Massenproduktion von Bipolarplatten zu ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagene Bipolarplatte ist erfindungsgemäß als flaches Rohr ausgeführt, das zwei über Falten verbundene plattenförmige Rohrabschnitte umfasst, die einen Hohlraum umschließen.
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Die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte des flachen Rohrs ersetzen zwei einzelne Monopolarplatten. Im Unterschied zu den Monopolarplatten müssen die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte nicht mehr gefügt werden, da sie bereits über Falten verbunden sind. Die Falten reduzieren somit die Anzahl der Fügestellen. Im Ergebnis ist demnach die vorgeschlagene Bipolarplatte einfacher herzustellen. Zugleich wird eine höhere Dichtheit des durch die Bipolarplatte ausgebildeten Hohlraums erreicht.
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Durch die Ausführung als flaches Rohr weist die Bipolarplatte im Querschnitt nicht eine Fügestelle auf. Der Hohlraum ist somit im Querschnitt der Bipolarplatte umlaufend mediendicht geschlossen. Damit verringert sich die Gefahr eine Undichtigkeit, die zum Austritt eines Mediums führen könnte, mit dem der Hohlraum im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels beaufschlagt wird.
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Bevorzugt ist die Bipolarplatte im Querschnitt als nahtloses flaches Rohr ausgeführt. Das heißt, dass die Bipolarplatte im Querschnitt weder eine Schweiß- noch Klebenaht aufweist. Das Rohr kann demnach insbesondere ein Strangpressprofil oder ein Spritzgussteil sein. Die nahtlose Ausführung erhöht die Dichtheit und damit Sicherheit der Bipolarplatte.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte des flachen Rohrs an zwei sich gegenüberliegenden Enden miteinander verschweißt oder verklebt sind. Die Verschweißung bzw. Verklebung dient dem allseitigen Schließen des durch das flache Rohr ausgebildeten Hohlraums. Bei den sich gegenüberliegenden Enden handelt es sich demnach um die beiden Endabschnitte des flachen Rohrs.
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Vorteilhafterweise sind die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte des flachen Rohrs zumindest bereichsweise geprägt. Durch die zumindest bereichsweise Prägung der beiden plattenförmigen Rohrabschnitte kann der Hohlraum unterteilt werden, so dass vorzugsweise mäanderförmige Strömungskanäle ausgebildet werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte einander überdeckende Ausnehmungen, insbesondere Ausstanzungen, zur Ausbildung von Versorgungskanälen aufweisen. Die Ausnehmungen bzw. Ausstanzungen erstrecken sich demnach durch beide plattenförmigen Rohrabschnitte. Die Lage der Ausnehmungen bzw. Ausstanzungen entspricht der Lage gleichartiger Ausnehmungen, die sich im Wesentlichen durch die gesamte Brennstoffzelle bzw. durch den gesamten Brennstoffzellenstapel erstrecken. Über die derart ausgebildeten Versorgungskanäle können dann mehrere gestapelte Brennstoffzellen mit den erforderlichen Medien versorgt werden.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren unter Verwendung einer Press- oder Spritzgussform ein flaches Rohr hergestellt, das zwei über Falten verbundene plattenförmige Rohrabschnitte umfasst, die einen Hohlraum umschließen.
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Das flache Rohr ersetzt zwei Monopolarplatten, die zur Herstellung einer Bipolarplatte erst noch gefügt werden müssen. Dieser Schritt kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren entfallen, da die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte des flachen Rohrs bereits über Falten verbunden sind. Die Herstellung der Bipolarplatte wird somit vereinfacht. Zugleich ist durch Wegfall der Fügestellen eine höhere Dichtheit der Bipolarplatte gewährleistet.
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Das flache Rohr kann auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt werden. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird zur Herstellung eine Pressform verwendet. Mit Hilfe der Pressform kann aus einem herkömmlichen Rohr ein flaches Rohr hergestellt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zur Herstellung des flachen Rohrs eine Spritzgussform verwendet. Beide Methoden ermöglichen die Ausbildung eines nahtlosen flachen Rohrs, das weder eine Schweißnaht noch eine Klebenaht aufweist. Bei Verwendung einer Spritzgussform kann zeitgleich eine Dichtung ausgebildet werden.
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Wird zur Herstellung des flachen Rohrs eine Pressform verwendet, wird vorzugsweise ein Metallrohr in die Pressform eingelegt und gepresst. Dabei verformt sich das Metallrohr, so dass zwei plattenförmige Rohrabschnitte ausgebildet werden, die randseitig jeweils über eine Falte verbunden sind. Dieses Verfahren ist besonders einfach umsetzbar.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte unter Verwendung einer strukturierten Platte, die in das Metallrohr oder in das flache Rohr eingesetzt wird, geprägt werden. Wird die strukturierte Platte bereits in das Metallrohr eingesetzt, kann die Prägung zeitgleich mit dem Pressen des Metallrohrs in der Pressform erzielt werden. Durch Einlegen der strukturierten Platte in das flache Rohr können die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte nachträglich geprägt werden. Die Prägung kann insbesondere zur Unterteilung des Hohlraums eingesetzt werden, so dass vorzugsweise mäandernde Strömungskanäle ausgebildet werden.
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Um den Hohlraum der Bipolarplatte auch an den beiden Stirnseiten des flachen Rohrs mediendicht zu schließen, wird vorgeschlagen, dass die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte an zwei sich gegenüberliegenden Enden miteinander verschweißt oder verklebt werden. Die Verschweißung oder Verklebung kann mediendicht ausgeführt werden.
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Bipolarplatten weisen in der Regel Ausnehmungen zur Ausbildung von Versorgungskanälen auf, insbesondere wenn mehrere Brennstoffzellen mit zwischenliegender Bipolarplatte übereinandergestapelt werden, so dass sich die Ausnehmungen einander überdecken und durch den gesamten Stapel erstrecken. Daher wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass derartige Ausnehmungen im Metallrohr und/oder im flachen Rohr ausgebildet werden. Sofern die Ausnehmungen im Metallrohr ausgebildet werden, erfolgt dieser Verfahrensschritt vor dem Pressen des Metallrohrs zur Herstellung des flachen Rohrs. Die Ausnehmungen sind in diesem Fall derart zu platzieren, dass sie sich nach dem Pressen des Metallrohrs einander überdecken. Alternativ oder ergänzend können Ausnehmungen, insbesondere Ausstanzungen, im flachen Rohr ausgebildet werden. Einander überdeckende Ausnehmungen lassen sich auf diese Weise besonders einfach herstellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 a) -h) den Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplatte,
- 2 a) -g) den Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplatte und
- 3 Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte und
- 4 a) und 4 b) Ablauf eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplatte.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Mit Verweis auf die 1a) bis 1h) wird ein erstes bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte 1 erläutert. Benötigt wird hierfür ein Metallrohr 10, das einen Hohlraum 6 umschließt (siehe 1a)). Das Metallrohr 10 wird in eine Pressform 12 eingelegt, welche vorliegend zwei relativ zueinander bewegliche Pressplatten 12.1, 12.2 umfasst (siehe 1b)). Anschließend wird zumindest eine Pressplatte 12.1 relativ zur anderen Pressplatte 12.2 bewegt, so dass das Metallrohr 10 zwischen den beiden Pressplatten 12.1, 12.2 eingeklemmt (siehe 1c)) und im weiteren Verlauf zu einem flachen Rohr 11 verformt wird (siehe 1d)). Bei diesem Vorgang ändert auch der Hohlraum 6 seine Form. Das flache Rohr 11 weist zwei plattenförmige Rohrabschnitte 4, 5 auf, die über seitliche Falten 2, 3 verbunden sind (siehe 1e)).
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird in den Hohlraum 6 des flachen Rohrs 11 eine strukturierte Platte 13 eingeführt (siehe 1f) und 1g)). Anschließend wird das flache Rohr erneut einem Pressvorgang unterzogen (siehe 1h), wobei die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte 4, 5 über die strukturierte Platte 13 mit einer Prägung versehen werden.
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Anstelle eines Metallrohrs 10 kann auch gleich ein flaches Rohr 11 zur Herstellung einer Bipolarplatte 1 verwendet werden. Dieses Verfahren ist beispielhaft in den 2a) bis 2g) dargestellt. Das flache Rohr 11 kann analog dem zuvor beschriebenen Verfahren aus einem Metallrohr 10 hergestellt worden sein. Alternativ kann das flache Rohr 11 ein Spritzgussteil sein, das in einer Spritzgussform (nicht dargestellt) hergestellt worden ist.
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Um die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte 4, 5 des flachen Rohrs 11 zu prägen, wird in den Hohlraum 6 eine strukturierte Platte 13 eingeführt (siehe 2a)). Anschließend wird das flache Rohr 11 in einer Pressform 12 gepresst (siehe 2b)). Die Struktur der zwischenliegenden strukturierten Platte 13 führt dabei zu einer entsprechenden Prägung der beiden plattenförmigen Rohrabschnitte 4, 5. Anschließend wird ausgeformt (siehe 2c) und 3d)) und die strukturierte Platte 13 aus dem Hohlraum 6 entfernt. Nach dem Entfernen der strukturierten Platte 13 bildet das flache Rohr 11 an seinen beiden Enden 7, 8 einen beidseits offenen Hohlraum 6 aus (siehe 2e)). Der Hohlraum 6 muss daher im Bereich der beiden Enden 7, 8 noch verschlossen werden. Dies kann beispielsweise durch Verschweißen der beiden plattenförmigen Rohrabschnitte 4, 5 im Bereich der Enden 7, 8 erfolgen (siehe 2f)). Das Ergebnis dieses Verfahrens ist eine Bipolarplatte 1 mit einem allseitig umschlossenen Hohlraum 6 (siehe 2g)).
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In einem weiteren Verfahrensschritt, der nicht in den 1a) bis 1h) bzw. in den 2a) bis 2g) dargestellt ist, kann zur Ausbildung von Versorgungskanälen das Metallrohr 10 und/oder das flache Rohr 11 mit Ausnehmungen 9 versehen werden. Diese können beispielsweise mittels Stanzen hergestellt werden. Der 3 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 mit entsprechenden Ausnehmungen 9 zu entnehmen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Herstellung einer Bipolarplatte 1 deutlich vereinfacht werden. Denn anstelle von zwei einzelnen Monopolarplatten 14, 15, die zu einer Bipolarplatte 1 gefügt werden (siehe 4), wird ein Rohr verwendet. Das Fügen kann somit auf das Verschweißen oder Verkleben der beiden Enden 7, 8 des Rohrs 11 beschränkt werden. Durch die reduzierte Anzahl an Fügestellen reduziert sich nicht nur der Herstellungsaufwand, sondern es kann auch eine höhere Dichtigkeit erzielt werden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik müssen auch nicht mehr zwei einzelne Monopolarplatten 14, 15 geprägt werden (siehe schematisch dargestellte Querschnitte der Monopolarplatten 14, 15 in der 4). Stattdessen kann mit Hilfe der vorgeschlagenen strukturierten Platte 13 in einem einzigen Prägevorgang die gewünschte Struktur in die beiden plattenförmigen Rohrabschnitte 4, 5 des Rohrs 11 eingebracht werden.
