DE102022106374A1 - Bipolar plate and method for producing a bipolar plate - Google Patents
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Abstract
Eine für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere einem Brennstoffzellen-Stack, vorgesehene Bipolarplatte (1) umfasst zwei aufeinanderliegende Halbbleche (2, 3), durch welche ein Aktivfeld (7), ein Verteilerfeld (8), sowie eine Anzahl an Ports (4, 5, 6) zur Durchleitung von Medien gebildet sind. Zumindest eines der beiden Halbbleche (2, 3) weist angrenzend an einen der Ports (4, 5, 6) einen gefalteten Bereich (23) auf, in welchem Strömungskanäle (15, 16) für eines der Medien, insbesondere ein Kühlmedium, ausgebildet sind.A bipolar plate (1) intended for use in a stack of electrochemical cells, in particular a fuel cell stack, comprises two half-sheets (2, 3) lying one on top of the other, through which an active field (7), a distribution field (8), and a number of ports (4, 5, 6) are formed for the passage of media. At least one of the two half-sheets (2, 3) has a folded area (23) adjacent to one of the ports (4, 5, 6), in which flow channels (15, 16) are formed for one of the media, in particular a cooling medium .
Description
Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel, vorgesehene Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.The invention relates to a bipolar plate intended for use in a stack of electrochemical cells, in particular in a fuel cell stack. The invention further relates to a method for producing a bipolar plate.
Eine Bipolarplatte trennt in einem Stapel elektrochemischer Zellen eine Halbzelle einer ersten elektrochemischen Zelle von einer Halbzelle einer benachbarten Zelle. Dies gilt für Brennstoffzellen ebenso wie für Redox-Flow-Zellen oder Elektrolysezellen zur Herstellung von Wasserstoff.A bipolar plate separates a half-cell of a first electrochemical cell from a half-cell of an adjacent cell in a stack of electrochemical cells. This applies to fuel cells as well as to redox flow cells or electrolysis cells for producing hydrogen.
Die
Eine in der
Weitere Möglichkeiten der Gestaltung strömungsleitender oder sonstiger Elemente in Brennstoffzellen sind zum Beispiel in den Dokumenten
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte gegenüber dem genannten Stand der Technik bei der Herstellung von Bipolarplatten zu erzielen, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand und geometrischer Präzision, Funktion und Stabilität des Endproduktes, das heißt Stapels elektrochemischer Zellen einschließlich Biopolarplatten, angestrebt wird.The invention is based on the object of achieving progress over the stated prior art in the production of bipolar plates, with the aim of achieving a particularly favorable relationship between manufacturing effort and geometric precision, function and stability of the end product, i.e. stack of electrochemical cells including biopolar plates.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, vorgesehene Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Bipolarplatte sowie den Zellenstapel, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a bipolar plate intended for use in a stack of electrochemical cells, in particular fuel cells, with the features of
Die Bipolarplatte ist in an sich bekannter Grundkonzeption aus zwei aufeinanderliegenden Halbblechen aufgebaut, wobei durch die Halbbleche auf jeder Seite der Bipolarplatte ein Aktivfeld gebildet ist, in welchem innerhalb des fertiggestellten, zahlreiche Bipolarplatten umfassenden Zellenstapels die gewünschten elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die Aktivfelder nehmen in typischer Ausgestaltung den Großteil der Fläche einer jeden Bipolarplatte ein. Ferner sind durch die Bipolarplatten ein Verteilerfeld sowie eine Anzahl an Ports zur Durchleitung von Medien gebildet.The bipolar plate is constructed in a known basic concept from two half-sheets lying one on top of the other, with the half-sheets forming an active field on each side of the bipolar plate, in which the desired electrochemical reactions take place within the completed cell stack comprising numerous bipolar plates. In a typical design, the active fields take up the majority of the area of each bipolar plate. Furthermore, the bipolar plates form a distribution field and a number of ports for passing media through.
Bei der anmeldungsgemäßen Bipolarplatte weist zumindest eines der beiden Halbbleche angrenzend an einen der Ports einen gefalteten Bereich auf, wobei in dem gefalteten Bereich Strömungskanäle ausgebildet sind.In the bipolar plate according to the application, at least one of the two half-sheets has a folded area adjacent to one of the ports, with flow channels being formed in the folded area.
Die Bezeichnung „gefalteter Bereich“ bedeutet, dass in dem entsprechenden Bereich das Halbblech doppellagig vorliegt, wobei die beiden Lagen einstückig miteinander verbunden sind. Der die beiden Lagen miteinander verbindende Bereich grenzt an einen der Ports, durch welchen beim Betrieb der elektrochemischen Zelle ein Medium, insbesondere Kühlmedium, strömt.The term “folded area” means that in the corresponding area the half sheet is present in two layers, with the two layers being connected to one another in one piece. The area connecting the two layers borders on one of the ports through which a medium, in particular a cooling medium, flows during operation of the electrochemical cell.
Der an einen der Ports, insbesondere den Kühlmittel-Port, grenzende gefaltete Bereich der Bipolarplatte ist gebildet durch einen umgeklappten Abschnitt, welcher ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Klappgitter bezeichnet wird, sowie durch einen nicht umgeklappten Abschnitt, welcher nahtlos in die umgebenden, zumindest teilweise geprägten Abschnitte der Bipolarplatte übergeht.The folded area of the bipolar plate bordering one of the ports, in particular the coolant port, is formed by a folded section, which is also referred to as a folding grille without limiting generality, and by a non-folded section, which fits seamlessly into the surrounding area, at least partially embossed sections of the bipolar plate.
Das sogenannte Klappgitter, welches eine zweite Lage des Halbblechs der Bipolarplatte darstellt, übernimmt die Funktion eines Einlegeteils, welches durch seine Form Kanäle bereitstellt und zugleich als abstützendes Element wirkt. Die mechanische Abstützung kann sowohl im Herstellungsprozess der Bipolarplatte, insbesondere beim Aufbringen weiterer, auch nichtmetallischer Komponenten, beispielsweise Dichtungen, als auch beim späteren Betrieb des elektrochemischen Systems, welches unter Verwendung der Bipolarplatten aufzubauen ist, eine Rolle spielen, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.The so-called folding grille, which represents a second layer of the half-sheet of the bipolar plate, takes on the function of an insert, which provides channels through its shape at the same time acts as a supporting element. The mechanical support can play a role both in the manufacturing process of the bipolar plate, in particular when applying additional, non-metallic components, such as seals, as well as in the later operation of the electrochemical system, which is to be built using the bipolar plates, which will be discussed in more detail below will be.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Bipolarplatte ist durch jedes der beiden Halbbleche ein gefalteter, Strömungskanäle bereitstellender Bereich ausgebildet, wobei die genannten Bereiche der Halbbleche aufeinander liegen. Insbesondere können die gefalteten Bereiche spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene der Bipolarplatte ausgebildet sein.According to a possible embodiment of the bipolar plate, a folded area providing flow channels is formed by each of the two half-sheets, the said areas of the half-sheets lying on top of each other. In particular, the folded areas can be designed to be mirror-symmetrical to a central plane of the bipolar plate.
Die gesamten Halbbleche weisen typischerweise jeweils eine rechteckige Grundform auf. Diejenigen Flächenabschnitte der Halbbleche, auf welchen die umgeklappten Abschnitte, das heißt Klappgitter, aufliegen, können als ebene Teilflächen der Halbbleche gestaltet sein. Die Form der freien Strömungsquerschnitte, durch welchen Betriebs- oder Kühlmedium strömt, ist hierbei durch die Geometrie der Klappgitter bestimmt. Typischerweise sind durch die Klappgitter zahlreiche parallel zueinander verlaufende Teilkanäle gebildet. In fertigungstechnisch einfach umsetzbarer Weise ist die Fläche des umgeklappten Abschnitts kleiner als die Fläche des angrenzenden Ports.The entire half sheets typically each have a rectangular basic shape. Those surface sections of the half-sheets on which the folded sections, i.e. folding grilles, rest, can be designed as flat partial surfaces of the half-sheets. The shape of the free flow cross sections through which operating or cooling medium flows is determined by the geometry of the folding grilles. Typically, numerous partial channels that run parallel to one another are formed by the folding grilles. In a manner that is easy to implement in terms of manufacturing technology, the area of the folded section is smaller than the area of the adjacent port.
Der umgeklappte Abschnitt, das heißt das Klappgitter, kann insbesondere über zwei U-förmig umgebogene Stege mit dem restlichen Halbblech verbunden sein. Die beiden U-fömigen Stege können insbesondere an den beiden Schmalseiten des insgesamt rechteckigen Klappgitters angeordnet sein. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, bei welchen das Klappgitter über eine größere Anzahl streifenförmiger, umgebogener Abschnitte mit dem restlichen Halbblech verbunden ist. Die umgebogenen Abschnitte können auch genutzt werden, um die Strömung des Mediums zu beeinflussen, beispielsweise Verwirbelungseffekte zu erzielen.The folded section, i.e. the folding grille, can be connected to the remaining half sheet in particular via two U-shaped bent webs. The two U-shaped webs can be arranged in particular on the two narrow sides of the overall rectangular folding grille. Configurations can also be realized in which the folding grille is connected to the remaining half-sheet via a larger number of strip-shaped, bent sections. The bent sections can also be used to influence the flow of the medium, for example to achieve turbulence effects.
Unabhängig von der Art der einstückigen Verbindung zwischen dem Klappgitter und dem restlichen Halbblech kann das Klappgitter im Querschnitt beispielsweise trapezförmig profiliert und damit in der Art eines Trapezbleches gestaltet sein. Alternativ kommen rechteckige oder abgerundete Profilierungen des umgeklappten Abschnitts in Betracht. Der umgeklappte Anschnitt ist nicht notwendigerweise über seine gesamte Breite einheitlich profiliert. Eine Variation der Profilierung über die Breite des Klappgitters kann beispielsweise vorgenommen werden, um gezielte Änderungen der strömungstechnischen und/oder statischen Eigenschaften quer zur Strömungsrichtung des vom Port über das Verteilerfeld zum Aktivfeld oder in umgekehrter Richtung fließenden Mediums einzustellen.Regardless of the type of one-piece connection between the folding grille and the remaining half sheet, the folding grille can, for example, have a trapezoidal profile in cross section and thus be designed in the manner of a trapezoidal sheet. Alternatively, rectangular or rounded profiles of the folded section can be considered. The folded gate does not necessarily have a uniform profile across its entire width. A variation of the profiling across the width of the folding grille can be carried out, for example, in order to set targeted changes in the fluidic and/or static properties transverse to the flow direction of the medium flowing from the port via the distribution field to the active field or in the opposite direction.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung befindet sich auf der den Strömungskanälen abgewandten Seiten der Halbbleche jeweils eine Dichtleiste. Diese Dichtleiste wird insbesondere spritzgusstechnisch hergestellt, das heißt auf die bereits fest miteinander verbundenen Halbbleche aufgespritzt. Bei diesem Vorgang spielt die abstützende Funktion des mindestens einen Klappgitters eine herausragende Rolle hinsichtlich der erzielbaren geometrischen Präzision und damit letztlich auch der geforderten abdichtenden Funktion der nichtmetallischen Dichtleiste.According to a possible further development, there is a sealing strip on the side of the half sheets facing away from the flow channels. This sealing strip is manufactured in particular by injection molding, i.e. sprayed onto the half-sheets that are already firmly connected to one another. In this process, the supporting function of the at least one folding grille plays an outstanding role in terms of the geometric precision that can be achieved and thus ultimately also the required sealing function of the non-metallic sealing strip.
Das Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte umfasst allgemein folgende Schritte:
- - Bereitstellung zweier jeweils eine Prägestruktur aufweisender Halbbleche, wobei in jedem der Halbbleche an ein Verteilerfeld angrenzende Ports zur Ein- und Ausleitung verschiedener Medien ausgebildet sind, und wobei zumindest in einem dieser Ports ein Klappgitter angeordnet ist, welches über Stege mit dem übrigen Halbblech verbunden ist, so dass in diesem Fertigungsstadium bei jedem Halbblech zwischen dem Klappgitter und dem Verteilerfeld eine schlitzförmige Öffnung gebildet ist,
- - Umklappen der Klappgitter um 180°, so dass diese auf dem Verteilerfeld des jeweiligen Halbblechs aufliegen,
- - Aufeinanderlegen der beiden Halbbleche, so dass sich die Klappgitter berühren und sowohl zwischen ebenen, den Verteilerfeldern zuzurechnenden Bereichen der Halbbleche und dem jeweils zugehörigen Klappgitter als auch zwischen den beiden Klappgittern Strömungskanäle und zugleich Stützstrukturen gebildet sind.
- - Provision of two half-sheets, each with an embossed structure, with ports adjacent to a distribution panel being formed in each of the half-sheets for the introduction and discharge of various media, and a folding grille being arranged in at least one of these ports, which is connected to the remaining half-sheet via webs , so that at this stage of production a slot-shaped opening is formed on each half sheet between the folding grille and the distribution panel,
- - Fold over the folding grilles by 180° so that they rest on the distribution panel of the respective half sheet,
- - Laying the two half-sheets on top of each other so that the folding grilles touch each other and flow channels and at the same time support structures are formed between flat areas of the half-sheets that are assigned to the distribution fields and the respective folding grille as well as between the two folding grilles.
Nach dem Aufeinanderlegen der Halbbleche werden diese endgültig, insbesondere durch Verschweißung, miteinander verbunden. Das optionale, bereits erwähnte Aufspritzen von Dichtungen stellt den abschließenden Fertigungsschritt dar.After the half sheets have been placed on top of each other, they are finally connected to one another, in particular by welding. The optional, already mentioned spraying of seals represents the final manufacturing step.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ein teilfertiges Halbblech zur Herstellung einer Bipolarplatte, -
2 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach1 , -
3 das Halbblech in fertiggestellter Form in einer Ansicht analog2 , -
4 das fertiggestellte Halbblech in einer Ansicht analog1 -
5 eine Draufsicht auf die aus zwei Halbblechen aufgebaute Bipolarplatte, -
6 ein Detail der Bipolarplatte, -
7 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach6 , -
8 ausschnittsweise die Bipolarplatte mit angespritzten Dichtungen.
-
1 a partially finished half sheet for producing a bipolar plate, -
2 an excerpt from thearrangement 1 , -
3 the half sheet in finished form in ananalogous view 2 , -
4 the finished half sheet in ananalogous view 1 -
5 a top view of the bipolar plate made up of two half sheets, -
6 a detail of the bipolar plate, -
7 an excerpt from thearrangement 6 , -
8th A section of the bipolar plate with molded seals.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte ist aus zwei aufeinanderliegenden, miteinander verschweißten Halbblechen 2, 3 aufgebaut und zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Brennstoffzellenstapel, das heißt Stapel elektrochemischer Zellen, vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Bipolarplatte 1 in einem Brennstoffzellensystem wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A bipolar plate, marked overall with the
Die Bipolarplatte 1 weist verschiedene Ports 4, 6 zu Durchleitung von Betriebsmedien sowie zwischen diesen Ports 4, 6 angeordnete Ports 5 zur Durchleitung von einem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, auf. Ein Aktivfeld der Bipolarplatte ist mit 7 bezeichnet. Zwischen dem Aktivfeld 7 und den Ports 4, 5, 6 sind Verteilerfelder 8 zur Verteilung der verschiedenen, ein- oder ausströmenden Medien ausgebildet.The
Im Folgenden wird die Verteilung von Kühlwasser näher betrachtet. Das Kühlwasser gelangt vom Port 5 aus in einen insgesamt mit 9 bezeichnete, strukturierten Strömungsraum, welcher zwischen den Halbblechen 2, 3 gebildet ist. Im Strömungsraum 9 ist einerseits ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt für das Kühlwasser bereitzustellen; andererseits sind die Halbbleche 2, 3, bei welchen es sich um geprägte Stahlbleche handelt, gegeneinander abzustützen. Die Prägestrukturen der Halbbleche 2, 3 sind allgemein mit 10 bezeichnet.The distribution of cooling water is examined in more detail below. The cooling water flows from
Bevor die Halbbleche 2, 3 in ihrer endgültigen Form zur Bipolarplatte 1 zusammengesetzt werden, liegen die Halbbleche 2, 3 mit einer in den
Die Stege 12 haben im Ausführungsbeispiel eine taillierte, das heißt zur Mitte des jeweiligen Stegs 12 hin schmaler werdende Form. Eine durch den schmalsten Bereich der Stege 12 gelegte Gerade markiert die Lage einer mit KA bezeichneten Kippachse.In the exemplary embodiment, the
Vor dem Zusammenbau der beiden Halbbleche 2, 3 wird das Klappgitter 11 auf diejenige Seite des Halbblechs 2, 3 geklappt, welche im Zuge der weiteren Montage mit dem anderen Halbblech 3, 2 in Kontakt zu bringen ist. In der Anordnung nach den
Sobald das Klappgitter 11 an die Unterseite des Halbblechs 2 angelegt ist, das heißt der gefaltete Bereich 23 geformt ist, haben die Stege 12 eine in
Hierbei sind zwei verschiedene Arten von Strömungskanälen 15, 16 ausgebildet, nämlich innere Strömungskanäle 15 und weitere Strömungskanäle 16. Die inneren Strömungskanäle 15 werden mittig durch die Mittelebene der Bipolarplatte 1 geschnitten und sind ausschließlich durch die beiden aufeinanderliegenden Klappgitter 11 begrenzt. Dagegen liegen die weiteren Strömungskanäle 16 oberhalb beziehungsweise unterhalb der genannten Mittelebene, wobei sie jeweils einerseits durch eines der Klappgitter 11 und andererseits durch eines der Halbbleche 2, 3 begrenzt werden. Sämtliche Strömungskanäle 15, 16 sind parallel zueinander ausgerichtet.Two different types of
Die nach innen geklappten Klappgitter 11 liegen an einem Übergangsbereich 17 an, welcher dem Verteilerfeld 8 zuzurechnen ist. Durch den Übergangsbereich 17 ist eine quer zur Strömungsrichtung des Mediums, das heißt Kühlmittels, verlaufende Nut 18 uneinheitlicher Höhe gebildet. In einem Mittelbereich 19 der Nut 18 weist diese eine verminderte Tiefe auf, um die Platzierung der Klappgitter 11 zwischen den Halbblechen 2, 3 zu ermöglichen. In äußeren Bereichen 20 der Nut 18, welche an den Mittelbereich 19 anschließen, ist dagegen die volle Tiefe der Nut 18 gegeben, so dass sich die Halbbleche 2, 3 in diesen Bereichen 20 flächig berühren.The
Dichtleisten 21, die in
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- BipolarplatteBipolar plate
- 22
- HalbblechHalf sheet metal
- 33
- HalbblechHalf sheet metal
- 44
- Port zur Durchleitung eines BetriebsmediumsPort for passing through an operating medium
- 55
- Port zur Durchleitung von KühlwasserPort for passing cooling water through
- 66
- Port zur Durchleitung eines BetriebsmediumsPort for passing through an operating medium
- 77
- AktivfeldActive field
- 88th
- Verteilerfelddistribution panel
- 99
- Strömungsraum für KühlwasserFlow space for cooling water
- 1010
- PrägestrukturEmbossed structure
- 1111
- Klappgitter, umgeklappter AbschnittFolding grille, folded section
- 1212
- Stegweb
- 1313
- LängsrilleLongitudinal groove
- 1414
- schlitzförmige Öffnungslot-shaped opening
- 1515
- innerer Strömungskanalinternal flow channel
- 1616
- weiterer Strömungskanalanother flow channel
- 1717
- ÜbergangsbereichTransition area
- 1818
- NutNut
- 1919
- Mittelbereich der NutMiddle area of the groove
- 2020
- äußerer Bereich der Nutouter area of the groove
- 2121
- Dichtleistesealing strip
- 2222
- DichtungsanordnungSealing arrangement
- 2323
- gefalteter Bereich folded area
- KAKA
- KippachseTilt axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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