DE102022000325A1

DE102022000325A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102022000325A1
Application number: DE102022000325.2A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schleicher; Konstantin Schönknecht
Original assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Es wird eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle beschrieben, wobei die Bipolarplatte (10) einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper (12) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen (14) senkrecht wegstehende, dünnwandige, gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane (16) aufweist, die als Längsrippen (18) ausgebildet sind, die durch Längstäler (20) voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane (16) der einen Hauptfläche (14) und die Membrane-Anlageorgane (16) der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche (14) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatten (10) zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane-Anlageorganen (16) der einen Hauptfläche (14) der einen Brennstoffzelle und den Membrane-Anlageorganen (16) der anderen Hauptfläche (14) der benachbarten Brennstoffzelle ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane (21) definiert ist, und dass der Zentralkörper (12) aus einem dünnwandigen ersten und einem dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement (22, 24) besteht, die im Zentralkörper (12) Kühlkanälen (26, 28) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
Aus der DE 11 2006 000 345 B4 ist eine Brennstoffzelle mit Bipolarplatten bekannt, die eine Vielzahl von Reaktanten-Anströmungskanälen aufweisen. Die jeweilige Bipolarplatte weist eine Beschichtung auf, die die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend macht. Die Beschichtung ist eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung, wobei durch die Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung Nanoporen entstehen. Das Material für die Bipolarplatte kann rostfreier Stahl, Titan, Aluminium oder ein Polymer-Graphit-Composit basiertes Material sein.
Die DE 10 2018 220 825 A1 offenbart eine Einzelzelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einzelzelle einen Einsatz aus einer Membrane-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Gas-Diffusionsschicht (GDL) aufweist. Die Einzelzelle weist außerdem einen geschäumten Körper auf, der an einer Außenseite des Einsatzes angeordnet ist.
Die DE 10 2019 209 766 A1 beschreibt eine Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktanten auf eine Membrane der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist zu diesem Zwecke mindestens einen Kanal zur Erzeugung eines Flussfeldes auf. Sie kann aus einem Compositwerkstoff bestehen, der wenigstens ein hygroskopisches und wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Aus der DE 10 2020 204 292 A1 ist eine Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie bekannt.
Die DE 10 2020 118 597 A1 beschreibt Brennstoff-Einheitszellen, die in einem Stapel angeordnet sind. Jede Einheitszelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf.
Bei bekannten Bipolarplatten sind sowohl diese als auch die Membranen ebenflächig ausgebildet. Die Membranen mit Katalysator- und Diffusionsschichten sind zwischen den ebenflächigen Bipolarplatten angeordnet, so dass die Grundfläche der Brennstoffzelleneinheiten entsprechend groß sein muss, um eine gewünschte Stromdichte (A/cm²) und folglich eine gewünschte elektrische Leistung zu generieren. Daraus resultieren große Gesamtabmessungen eines Stapels aus den Bennstoffzelleneinheiten.
Die DE 10 2020 205 877 A1 offenbart einen Brennstoffzellen-Stapel zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie. Die Brennstoffzellen umfassen schichtförmige Komponenten, bei welchen es sich jeweils um eine Protonenaustauschermembrane, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht handelt. Wenigstens in eine der schichtförmigen Komponenten ist wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert, um die Brennstoffzelleneinheit zu erwärmen.
Aus der DE 10 2021 202 214 A1 ist eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System bekannt, die zumindest bereichsweise eine periodische Oberflächenstruktur mit einer mittleren räumlichen Periode von < 10 µm aufweist. Die Herstellung dieser Separatorplatte erfolgt durch Bestrahlung der Separatorplatte mittels eines gepulsten Lasers, wobei die Pulsdauer der Laserpulse < 1 nsec, vorzugsweise < 0,1 nsec, ist, um durch die Laserstrahlung periodische Oberflächenstrukturen der Separatorplatte zu erzeugen.
Die ältere Patentanmeldung 10 2021 005 570 beschreibt eine Bipolarplatte, die einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen senkrecht wegstehende, dünnwandigen gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane aufweist, die als Längsrippen ausgebildet sind, die durch Längstäler voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der anderen Hauptfläche sich derartig gegenüber liegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane- Anlageorganen der einen Bipolarplatte und den Membrane-Anlageorganen der benachbarten anderen Bipolarplatte ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist. Bei dieser Bipolarplatte ist der Zentralkörper an jeder seiner beiden Hauptflächen mit einer Gaseinlass-Vertiefung ausgebildet, die mit dem an der jeweiligen Hauptfläche vorgesehenen Membrane-Anlageorgan fluidisch verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zu schaffen, mit der eine Brennstoffzelleneinheit mit vergleichsweise kleiner Grundfläche und folglich einen Brennstoffzellenstapel mit einem relativ kleinen Gesamtvolumen zu realisieren, wobei die in der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit erzeugte Wärme konstruktiv einfach optimal abgeführt wird, um eine Überhitzung zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d.h. dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen senkrecht wegstehende, dünnwandige, gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane aufweist, die als Längsrippen ausgebildet sind, die durch Längstäler voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatten zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane-Anlageorganen der einen Hauptfläche einer Bipolarplatte und den Membrane-Anlageorganen der anderen Hauptfläche der benachbarten Bipolarplatte ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist, und dass der Zentralkörper aus einem dünnwandigen ersten und einem dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement besteht, die im Zentralkörper Kühlkanälen bilden.
Dadurch, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den benachbarten Membrane-Anlageorganen im mäanderförmigen Spaltraum eine vergleichsweise großflächige Brennstoffzellen-Membrane anordenbar ist, ist ein großer elektrischer Strom und folglich eine hohe elektrische Leistung erzeugbar. Die hohe elektrische Leistung geht mit einer entsprechend großen Temperaturbelastung der Brennstoffzelle einher, die durch die konstruktiv einfache Ausbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte, bei der der Zentralkörper aus einem dünnwandigen ersten und einem dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement besteht, die im Zentralkörper Kühlkanäle bilden, realisierbar ist. Mittels eines die Kühlkanäle durchströmenden Kühlmediums kann eine Überhitzung der Brennstoffzelle zuverlässig Vermieden werden.
Erfindungsgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Längsrippen und die Längstäler der Membrane-Anlageorgane sich wellenartig abwechseln. Die im jeweiligen Spaltraum benachbarter Brennstoffzellen mäanderförmig vorgesehene Brennstoffzellen-Membrane besteht aus einem flexiblen Material geringer Wanddicke, so dass Beschädigungen der Brennstoffzellen-Membrane ausgeschlossen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist das erste Flächenelement des Zentralkörpers vorzugsweise mit Längsrinnen ausgebildet, die den Längsrippen des ersten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans zugeordnet sind, und ist das zweite Flächenelement des Zentralkörpers vorzugsweise mit Längsrippen ausgebildet, die den Längstälern des zweiten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans zugeordnet sind. Dabei sind benachbarte Längsrinnen des ersten Flächenelementes vorzugsweise durch Verbindungsbereiche miteinander integral verbunden, die mit den Längstälern des ersten Membrane-Anlageorgans elektrisch leitend und dicht verbunden sind, und sind die Längsrippen des zweiten Flächenelementes des Zentralkörpers vorzugsweise mit den Verbindungsbereichen des ersten Flächenelementes elektrisch leitend und dicht verbunden.
Jeder Längsrippe des ersten Membrane-Anlageorgans ist zweckmäßigerweise eine Längsrinne des ersten Flächenelementes des Zentralkörpers zugeordnet, und sind zweckmäßigerweise jedem Längstal des zweiten Membrane-Anlageorgans ein Paar voneinander beabstandete Längsrippen des zweiten Flächenelementes zugeordnet. Bevorzugt ist es hierbei, wenn das jeweilige Paar Längsrippen des zweiten Flächenelementes des Zentralkörpers mit dem zugehörigen Verbindungsbereich des ersten Flächenelementes des Zentralkörpers dicht verbunden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können die Membrane-Anlageorgane aus einem dünnwandigen Blechmaterial bestehen, das mit Perforationslöchern ausgebildet ist. Bevorzugt kann es sein, wenn die Membrane-Anlageorgane (18) aus einem formstabilen Gitter- oder Netzmaterial bestehen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
Es zeigen:

1 in einer Expolsionsdarstellung voneinander beabstandet vergrößert und nicht maßstabgetreu einen Abschnitt von drei Bipolarplatten für zwei Brennstoffzellen, und
2 eine der 1 prinzipiell ähnliche schematische Darstellung, wobei zwischen benachbarten Bipolarplatten jeweils eine Brennstoffzellen-Membrane gezeichnet ist.

1 zeigt abschnittweise Bipolarplatten 10, die einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper 12 aufweisen, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten Hauptflächen 14 senkrecht wegstehende, dünnwandige gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane 16 aufweist. Die Membrane-Anlageorgane 16 sind als Längsrippen 18 ausgebildet, die durch Längstäler 20 voneinander beabstandet sind. Die Längsrippen 18 und die Längstäler 20 verlaufen zueinander parallel.
Die Membrane-Anlageorgane 16 der einen Hauptfläche 14 und die Membrane-Anlageorgane 16 der anderen Hauptfläche 14 liegen sich derartig gegenüber, dass im zusammengebauten Zustand benachbarter Brennstoffzellen die Membrane-Anlageorgane 16 der benachbarten Bipolarplatten einen mäanderförmig verlaufenden Spaltraum für eine zugehörige Brennstoffzellen-Membrane 21 (siehe 2) bestimmen.
Die Längsrippen 18 und die sich mit diesen abwechselnden Längstäler 20 der Membrane-Anlageorgane 16 wechseln sich vorzugsweise wellenförmig ab.
Der Zentralkörper 12 der Bipolarplatte 10 besteht vorzugsweise aus einem dünnwandigen ersten gasundurchlässigen Flächenelement 22 und einem damit elektrisch leitend und dicht verbundenen, dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement 24, die im Zentralkörper 12 Kühlkanäle 26 und 28 ausbilden. Zu diesem Zwecke ist das erste Flächenelement 22 des Zentralkörpers 12 mit Längsrinnen 30 ausgebildet, die den Längsrippen 18 des ersten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans 16 zugeordnet sind, und ist das zweite Flächenelement 24 des Zentralkörpers 12 mit Längsrippen 32 ausgebildet, die den Längstälern 20 des zweiten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans 16 zugeordnet sind. Benachbarte Längsrinnen 30 des ersten Flächenelementes 22 sind durch Verbindungsbereiche 34 miteinander verbunden, die mit den Längstälern des ersten Membrane-Anlageorgans 16 elektrisch leitend und dicht verbunden sind. Hierbei kann es sich um eine Laserschweißverbindung 36 handeln. Außerdem sind die Längsrippen 32 des zweiten Flächenelementes 24 mit den Verbindungsbereichen 34 des ersten Flächenelementes 22 elektrisch leitend und dicht verbunden. Das kann ebenfalls durch eine Laserschweißverbindung 38 realisiert sein.
Um optimale lichte Querschnitte der Kühlkanäle zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn jeder Längsrippe 18 des ersten Membrane-Anlageorgans 16 eine Längsrinne 30 im ersten Flächenelement 22 des Zentralkörpers 12 zugeordnet ist, und wenn jedem Längstal 20 des zweiten Membrane-Anlageorgans 16 ein Paar voneinander passend beabstandete Längsrippen 32 des zweiten Flächenelementes 24 des Zentralkörpers 12 zugeordnet sind. Das jeweilige Paar Längsrippen 32 ist mit dem zugehörigen Verbindungsbereich 34 des ersten Flächenelementes 22 elektrisch leitend und dicht verbunden. Bei dieser Verbindung 40 kann es sich ebenfalls um eine Laserschweißverbindung handeln.
Gleiche Einzelheiten sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit den Figuren alle Einzelheiten jeweils detailliert zu beschreiben.
Bezugszeichenliste

10: Bipolarplatte
12: Zentralkörper (von 10)
14: Hauptflächen (von 12)
16: Membrane-Anlageorgane (an 14)
18: Längsrippen (an 16 für 21)
20: Längstäler (an 16 zwischen 18 für 21)
21: Brennstoffzellen-Membrane
22: erstes gasundurchlässiges Flächenelement (von 12)
24: zweites gasundurchlässiges Flächenelement (von 12)
26: Kühlkanäle (von 10 in 12)
28: Kühlkanäle (von 10 in 12)
30: Längsrinnen (in 22)
32: Längsrippen (von 24)
34: Verbindungsbereiche (von 22)
36: Kontaktverbindungen (von 16 mit 34)
38: Kontaktverbindungen (von 24 mit 34)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112006000345 B4 [0002]
DE 102018220825 A1 [0003]
DE 102019209766 A1 [0004]
DE 102020204292 A1 [0005]
DE 102020118597 A1 [0006]
DE 102020205877 A1 [0008]
DE 102021202214 A1 [0009]

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper (12) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen (14) senkrecht wegstehende, dünnwandige, gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane (16) aufweist, die als Längsrippen (18) ausgebildet sind, die durch Längstäler (20) voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane (16) der einen Hauptfläche (14) und die Membrane-Anlageorgane (16) der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche (14) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatten (10) 16) zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane-Anlageorganen (16) der einen Hauptfläche (14) der einen Brennstoffzelle und den Membrane-Anlageorganen (16) der anderen Hauptfläche (14) der benachbarten Brennstoffzelle ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane (21) definiert ist, und dass der Zentralkörper (12) aus einem dünnwandigen ersten und einem dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement (22, 24) besteht, die im Zentralkörper (12) Kühlkanälen (26, 28) bilden.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (18) und die Längstäler (20) der Membrane-Anlageorgane (16) sich mäanderförmig, wellenartig abwechseln.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Flächenelement (22) des Zentralkörpers (12) mit Längsrinnen (30) ausgebildet ist, die den Längsrippen (18) des ersten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans (16) zugeordnet sind, und dass das zweite Flächenelement (24) des Zentralkörpers (12) mit Längsrippen (24) ausgebildet ist, die den Längstälern (24) des zweiten gasdurchlässigen Membrane-Anlageorgans (16) zugeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Längsrinnen (30) des ersten Flächenelementes (22) durch Verbindungsbereiche (34) miteinander integral verbunden sind, die mit den Längstälern (20) des ersten Membrane-Anlageorgans (16) elektrisch leitend kontaktiert sind, und dass die Längsrippen (32) des zweiten Flächenelementes (24) des Zentralkörpers (12) mit den Verbindungsbereichen (34) des ersten Flächenelementes (22) elektrisch leitend und dicht verbunden sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Längsrippe (32) des ersten Membrane-Anlageorgans (16) einer Längsrinne (30) des ersten Flächenelementes (22) des Zentralkörpers (12) zugeordnet ist, und dass jedem Längstal (2) des zweiten Membrane-Anlageorgans (16) ein Paar voneinander beabstandete Längsrippen (32) des zweiten Flächenelementes (24) zugeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Paar Längsrippen (32) des zweiten Flächenelementes (24) des Zentralkörpers (12) mit dem zugehörigen Verbindungsbereich (34) des ersten Flächenelementes (22) des Zentralkörpers (12) elektrisch leitend und dicht verbunden ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Membrane-Anlageorgane (22) aus einem dünnwandigen Blechmaterial bestehen, das mit Perforationslöchern ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (22) formstabilen Gitter- oder Netzmaterial bestehen.