DE102022116193B3

DE102022116193B3 - Bipolarplatte und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102022116193B3
Application number: DE102022116193.5A
Authority: DE
Inventors: Hanna Winter; Sebastian Zwahr; Nico Alexander Mattes
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: WO2024002407A1

Abstract

Eine für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen vorgesehene, aus zwei aufeinander liegenden Halbblechen (2, 3) aufgebaute Bipolarplatte (1) weist drei nebeneinander angeordnete Ports (5, 6, 7), ein Aktivfeld (9), sowie ein die Ports (5, 6, 7) mit dem Aktivfeld (9) verbindendes Verteilerfeld (8) auf, welches zur Leitung drei verschiedener Fluide zwischen den Ports (5, 6, 7) und dem Aktivfeld (9) ausgebildet ist, wobei ein Strömungsraum für eines der Fluide zwischen den Halbblechen (2, 3) und Strömungsräume für die beiden anderen Fluide auf den Außenseiten der Halbbleche (2, 3) gebildet sind. Das Verteilerfeld (8) umfasst vier flächig ausgebildete Strömungsfelder (10, 12, 14, 16), insbesondere mit jeweils dreieckiger Grundform:- ein zum mittleren Port (6) hin offenes Kühlmittelströmungsfeld (10),- zwei jeweils einerseits an das Kühlmittelströmungsfeld (10) grenzende und andererseits zu einem der beiden äußeren Ports (5, 7) hin offene Zwei-Medien-Strömungsfelder (12, 14), welche jeweils zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit einem Betriebsmedium als weiterem Fluid in zueinander parallelen Schichten ausgebildet sind,- ein an die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder (10) grenzendes, zum Aktivfeld (9) hin offenes Drei-Medien-Strömungsfeld (16), welche zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit den Betriebsmedien als weiteren Fluiden in drei zueinander parallelen Schichten ausgebildet ist.Hierbei sind in jedem der vier Strömungsfelder (10, 12, 14, 16) die Halbbleche (2, 3) durch punktuell, das heißt inselförmig, ausgebildete Prägestrukturen (4) derart strukturiert, dass die Halbbleche (2, 3) sowohl gegeneinander als auch gegen außerhalb der Halbbleche (2, 3) angeordnete flächige Komponenten abgestützt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen vorgesehene Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bipolarplatte.
Eine gattungsgemäße Bipolarplatte und eine damit aufgebaute Brennstoffzelleneinheit ist beispielsweise aus der DE 10 2005 057 045 A1 bekannt. Die bekannte Bipolarplatte ist aus einer kathodenseitigen und einer anodenseitigen Teilplatte, das heißt aus zwei Halbblechen, aufgebaut. Zwischen den Halbblechen ist ein durchströmbarer Innenraum gebildet. Weitere Fluide, nämlich Betriebsmedien der Brennstoffzelleneinheit, umströmen die Außenseiten der Bipolarplatte. In einem Verteilerbereich der Bipolarplatte sind die beiden Halbbleche durch erhabene und negative Stützstellen gegeneinander abgestützt.
Ebenso wie bei der Bipolarplatte nach der DE 10 2005 057 045 A1 sind bei zahlreichen weiteren möglichen Gestaltungen von Bipolarplatten drei Ports, nämlich ein Port für Kühlmittel und zwei Ports für Betriebsmedien, nebeneinander angeordnet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente US 10,381,675 B2 und DE 10 2014 206 333 A1 hingewiesen. In beiden Fällen sind Überschneidungen von verschiedenen Kanälen, die zwischen Zu- oder Abführungen, das heißt Ports, und einem Aktivfeld einer Brennstoffzelle gebildet sind, gegeben. Weitere mögliche Bauformen von Bipolarplatten einschließlich Strömungskanälen sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 10 2013 210 542 A1 , US 9,685,664 B2 und US 9,337,498 B2 beschrieben.
In den Dokumenten EP 3 577 708 B1 und EP 3 167 505 B1 offenbarten Gestaltungen von Bipolarplatten und ganzen Brennstoffzellen sollen verbesserte Strömungsverteilungen und Reaktionsmittelflüsse erreicht werden. Beide Dokumente haben Brennstoffzellen mit Gasdiffusionslagen und katalytischen Substanzen zum Gegenstand.
Eine weitere Brennstoffzelle mit Strömungsverteiler ist zum Beispiel in der EP 2 926 399 B1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Verwendung in Brennstoffzellenstapeln geeignete Bipolarplatten gegenüber dem genannten Stand der Technik unter strömungs- und fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Bipolarplatte ist in einem Verfahren gemäß Anspruch 10 herstellbar.
Die Bipolarplatte, welche zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, geeignet ist, ist in an sich bekannter Grundkonzeption aus zwei aufeinander liegenden, miteinander verbundenen Halbblechen aufgebaut. Die Bipolarplatte weist drei nebeneinander angeordnete Ports zur Zu- oder Ableitung von Fluiden auf. Beispielsweise ist eine erste solche Dreier-Anordnung an Ports zur Zuleitung und eine zweite derartige Dreier-Anordnung an Ports zur Ableitung von Fluiden vorgesehen. Ebenso ist es möglich, dass Fluide im Gegenstrom fließen, so dass von drei nebeneinander angeordneten Ports ein einzelner Port zur Führung eines Fluids vorgesehen ist, welches die Bipolarplatte in der entgegengesetzten Richtung durchströmt oder umströmt wie die Fluide, die durch die beiden anderen Ports in derselben Reihe an Ports geleitet werden. Die Ports werden gleichbedeutend auch als Manifold-Öffnungen oder kurz als Manifolds bezeichnet.
Ein in der Regel zentraler, ausgedehnter Abschnitt der Biolarplatte ist dem Aktivfeld der betreffenden elektrochemischen Zelle, das heißt dem Bereich, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden, zuzurechnen, wobei der Begriff „Aktivfeld“ auch für den entsprechenden Abschnitt der Bipolarplatte verwendet wird. In zahlreichen Bauformen hat das Aktivfeld der Bipolarplatte eine rechteckige Grundform. Weiter existiert ein Verteilerfeld der Bipolarplatte, welches die Ports mit dem Aktivfeld verbindet, das heißt zur Leitung der drei verschiedenen Fluide zwischen den Ports und dem Aktivfeld ausgebildet ist. Hierbei ist ein Strömungsraum für eines der drei Fluide zwischen den Halbblechen gebildet. In der Regel handelt es sich dabei um einen Strömungsraum für Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser. Für die beiden anderen Fluide, das heißt typischerweise für die Betriebsmedien der elektrochemischen Zellen, sind zugleich Strömungsräume auf den Außenseiten der Halbbleche gebildet.
Anspruchsgemäß umfasst das Verteilerfeld in Draufsicht auf die Halbbleche vier flächig ausgebildete Strömungsfelder, insbesondere mit jeweils dreieckiger Grundform:

- Ein zum mittleren der drei Ports hin offenes Kühlmittelströmungsfeld,
- zwei jeweils einerseits an das Kühlmittelströmungsfeld grenzende und andererseits zu einem der beiden äußeren Ports hin offene Zwei-Medien-Strömungsfelder, welche jeweils zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit einem Betriebsmedium als weiterem Fluid in zueinander parallelen, übereinanderliegenden Schichten ausgebildet sind,
- ein an die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder grenzendes, zum Aktivfeld hin offenes Drei-Medien-Strömungsfeld, welche zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit den Betriebsmedien als weiteren Fluiden in drei zueinander parallelen, übereinanderliegenden Schichten ausgebildet ist.

Hierbei sind in jedem der vier Strömungsfelder die Halbbleche durch punktuell, das heißt inselförmig, insbesondere kreisrund, ausgebildete Prägestrukturen derart strukturiert, dass die Halbbleche sowohl gegeneinander als auch gegen außerhalb der Halbbleche angeordnete flächige Komponenten abgestützt sind. Abweichend von einer dreieckigen Grundform der Strömungsfelder können auch Strömungsfelder mit sonstiger, beispielsweise vier- oder fünfeckiger Form existieren. Dies gilt insbesondere für das Kühlmittelströmungsfeld sowie für die beiden seitlichen Strömungsfelder, das heißt die Zwei-Medien-Strömungsfelder. Alle vier Strömungsfelder fungieren beim Betrieb des Stapels elektrochemischer Zellen in typischer Verfahrensführung als druckverlustgesteuerte Strömungsfelder. Soweit von parallelen Schichten die Rede ist, in welchen jeweils ein Medium strömt, ist dies dahingehend zu verstehen, dass die Schichten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, das heißt übereinander liegen, wobei auch Strömungskomponenten senkrecht zu den Ebenen, die durch die einzelnen Schichten gegeben sind, auftreten können.
In Draufsicht auf die Bipolarplatte kann ein Punkt existieren, an dem alle vier Strömungsfelder zusammentreffen. Dies gilt insbesondere für Ausgestaltungen mit dreieckigen Strömungsfeldern. Das erste, an den mittleren Port angeschlossene Strömungsfeld kann hierbei ebenso wie das vierte, von allen drei Medien durchströmte, am nächsten am Aktivfeld angeordnete Strömungsfeld ein gleichschenkliges Dreieck beschreiben. Die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder, welche typischerweise keine gleichschenkligen Dreiecke beschreiben, können gleichartig ausgebildet sein.
In jedem der insgesamt vier Strömungsfelder, welche dem Verteilerfeld zuzurechnen sind, breitet sich das in diesem Strömungsfeld befindliche Fluid beziehungsweise breiten sich die zwei oder drei verschiedenen Fluide, welche in voneinander getrennten, übereinander liegenden Schichten fließen, flächig aus. Hierbei ist die Stapelung der Schichten stets gleichbleibend. Dies bedeutet beispielsweise, dass dasjenige Medium, das heißt Fluid, welches sich in der obersten Schicht befindet, ausschließlich in dieser Schicht geleitet wird. Die fehlende Umleitung eines Mediums von einer Schicht in eine andere Schicht, etwa von der Oberseite der Bipolarplatte auf deren Unterseite, ist insbesondere hinsichtlich des beim Betrieb des Zellenstapels, insbesondere Brennstoffzellenstapels, auftretenden Strömungswiderstandes von Vorteil.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung sind die Halbbleche im Bereich des Kühlmittelströmungsfeldes zur flächigen Anlage an jeweils einer umgebenden, ebenfalls flächigen Komponente des Zellenstapels vorgesehen. Im Vergleich zu dem an der genannten Komponente flächig anliegenden Bereich existiert ein relativ kleiner Flächenanteil des Kühlmittelströmungsfeldes, in welchem runde, insbesondere kreisrunde, die Halbbleche gegeneinander auf Abstand haltende Stützen ausgebildet sind. Die Höhe dieser Stützen entspricht, sofern die Prägetiefe beider Halbbleche identisch ist, jeweils dem halben maximalen Abstand zwischen den beiden Halbblechen. Innerhalb des Strömungsraumes, durch welchen das Kühlmittel fließt, stellen die Stützen stiftförmige Barrieren dar, die einerseits den freien Strömungsquerschnitt nicht gravierend verengen und andererseits für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels sorgen. Dies gilt auch für Varianten, bei welchen Kühlmittel durch eine Mehrzahl an Ports zugeleitet oder abgeleitet wird.
Was die Zwei-Medien-Strömungsfelder betrifft, sind die Halbbleche im Bereich dieser Strömungsfelder gemäß einer möglichen Ausgestaltung an genau einer Außenseite zur flächigen Anlage an einer umgebenden, ebenfalls flächigen Komponente vorgesehen, wogegen das die gegenüberliegende Außenseite bildende Halbblech zur von einer ebenfalls flächigen Umgebungskomponente größtenteils beabstandeten Anordnung vorgesehen ist. Somit existieren drei voneinander unterscheidbare Ebenen, nämlich eine Mittelebene, in der sich beide Halbbleche tangieren, eine Ebene, in der eines der beiden Halbbleche eine Umgebungskomponente flächig berührt, und eine weitere, durch das andere Halbblech beschriebene Ebene, welche in definierter Weise von einer flächigen Umgebungskomponente abgehoben ist, um einen freien, flächigen Strömungsquerschnitt für ein Betriebsmedium bereitzustellen. Der Abstand der letztgenannten Ebene ist hierbei höchstens so groß ist wie der halbe maximale Abstand zwischen den beiden Halbblechen. Zugleich sind durch dasselbe, den genannten Strömungsquerschnitt begrenzende Halbblech Stützen gebildet, die über die genannte, zur Mittelebene parallele Ebene hinausragen und zur Abstützung der Bipolarplatte gegenüber der größtenteils von dem genannten Halbblech abgehobenen flächigen Komponente vorgesehen sind.
Als Mittelebene wird generell diejenige Ebene bezeichnet, in der sich die beiden Halbbleche flächig berühren. Dies gilt auch für Ausgestaltungen, bei welchen die verschiedenen Halbbleche unterschiedliche Ziehtiefen aufweisen. In solchen Fällen ragen die beiden Halbbleche unterschiedlich weit aus der Mittelebene heraus.
Im Drei-Medien-Strömungsfeld kann jedes der beiden Halbbleche eine Profilierung aufweisen, die hinsichtlich der Existenz flächig von der Mittelebene abgehobener Bereiche sowie nach außen gerichteter Stützen mit der beschriebenen Profilierung des größtenteils von der Umgebungskomponente abgehobenen Halbblechs des Zwei-Medien-Strömungsfelds grundsätzlich übereinstimmt, wobei die Abstände flächig von der Mittelebene sowie von jeweils einer Umgebungskomponente abgehobener Bereiche der Halbbleche im Drei-Medien-Strömungsfeld geringer sind als der im Zwei-Medien-Strömungsfeld gegebene Abstand zwischen der Mittelebene und einer durch eines der Halbbleche definierten, von einer Umgebungskomponente parallel beabstandeten Ebene. Auch im Drei-Medien-Strömungsfeld ist die Summe der Flächen sämtlicher Stützen - in Draufsicht auf die Bipolarplatte - in typischer Ausgestaltung geringer als die Hälfte der Gesamtfläche des entsprechenden Strömungsfeldes.
In den beiden Zwei-Medien-Strömungsfeldern sowie im Drei-Medien-Strömungsfeld gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Stützen zu gestalten und anzuordnen: Beispielsweise kann der Grundriss der Bipolarplatte derart gestaltet sein, dass die nach innen und die nach außen gerichteten Stützen der Halbbleche gegeneinander versetzt angeordnet sind. Alternativ ist eine zueinander konzentrische Anordnung der nach innen und der nach außen gerichteten Stützen der Halbbleche möglich.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung ist zwischen das Drei-Medien-Strömungsfeld und das Aktivfeld der Bipolarplatte und damit der gesamten elektrochemischen Zelle ein kanalgeführter Bereich des Verteilerfeldes geschaltet, wobei dessen Breite mit der Breite des Aktivfeldes sowie der Breite des Drei-Medien-Strömungsfeldes übereinstimmen kann. Die verschiedenen, kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Medienströme sowie der Kühlmittelstrom können sich in dieser Ausgestaltung in guter Näherung gleichmäßig über die gesamte Breite des Aktivfeldes verteilen. Insbesondere ist der kanalgeführte Bereich durch uneinheitlich breite Kanäle derart gestaltbar, dass sich eine über die gesamte Breite gleichmäßige Strömungsverteilung ergibt.
Die erfindungsgemäße metallische Bipolarplatte ist allgemein herstellbar, indem zwei Halbbleche, insbesondere aus Stahlblech, alternativ beispielsweise aus einer Titanlegierung, mittels umformender Verfahren gemäß Anspruch 10 dreidimensional strukturiert und anschließend miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben hergestellt werden. Zur Profilierung der Halbbleche können kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Verfahren zum Einsatz kommen.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise grob vereinfacht:

1 ausschnittsweise eine Bipolarplatte für einen Stapel elektrochemischer Zellen in symbolisierter Draufsicht,
2 Strukturen eines Kühlmittelströmungsfeldes in einem Verteilerfeldbereich der Bipolarplatte nach 1,
3 Strukturen eines Zwei-Medien-Strömungsfeldes sowie eines Drei-Medien-Strömungsfeldes der Bipolarplatte nach 1,
4 einen Schnitt durch ein einem Verteilerfeld zuzurechnenden Strömungsfeld, nämlich Kühlmittelströmungsfeld, der Bipolarplatte nach 1,
5 einen Schnitt durch eines von zwei gleichartig gestalteten Zwei-Medien-Strömungsfeldern der Bipolarplatte nach 1,
6 einen Schnitt durch das Drei-Medien-Strömungsfeld der Bipolarplatte nach 1,
7 ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform einer Bipolarplatte für einen Stapel elektrochemischer Zellen in vereinfachter Draufsicht,
8 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach 7,
9 einen Schnitt durch das Kühlmittelströmungsfeld der Bipolarplatte nach 7,
10 einen Schnitt durch ein zur Durchleitung eines Kühlmittels sowie eines von zwei Betriebsmedien vorgesehenes Zwei-Medien-Strömungsfeld der Bipolarplatte nach 7,
11 einen Schnitt durch das Drei-Medien-Strömungsfeld der Bipolarplatte nach 7.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte ist Teil eines nicht weiter dargestellten PEM-Brennstoffzellenstapels. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion solcher Brennstoffzellensysteme wird auf den eingangs zitierten Stan der Technik verwiesen. Die Bipolarplatte 1 kann zur stationären oder mobilen Anwendung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen sein. Sofern im Folgenden Begriffe wie „Oberseite“ oder „Unterseite“ verwendet werden, impliziert dies keine Aussage über die tatsächliche Einbaulage der Bipolarplatte 1 in einer Umgebungskonstruktion. Insbesondere können die Bipolarplatten 1, anders als in den Figuren dargestellt, vertikal ausgerichtet sein.
Die Bipolarplatte 1 ist aus zwei profilierten Halbblechen 2, 3 zusammengesetzt. Prägestrukturen der Halbbleche 2, 3 sind allgemein mit 4 bezeichnet. Die Bipolarplatte 1 hat in den vorliegenden Fällen insgesamt eine rechteckige, nicht quadratische Grundform, wobei in den 1 und 7 jeweils eine der Schmalseiten und nur Abschnitte der Längsseiten sichtbar sind. Abweichend hiervon sind auch sonstige, beispielsweise quadratische oder knochenförmige Gestaltungen von Bipolarplatten 1 möglich.
An den Schmalseiten der skizzierten Bipolarplatten 1 befinden sich jeweils mehrere Ports 5, 6, 7. Hierbei handelt es sich um einen Port 5 für die Kathodenkavität der Brennstoffzelle, einen Port 6 für Kühlmittel, sowie einen Port 7 für die Anodenkavität. Die Ports 5, 6, 7 sind in einer Reihe nebeneinander angeordnet, wobei sich der Port 6 für das Kühlmittel zwischen den Ports 5, 7 für die Betriebsmedien befindet. In den Ausführungsbeispielen sind die Ports 5, 7 viereckig, nämlich als Trapeze geformt, während der Port 6 in der Draufsicht eine längliche, sich entlang der Schmalseite der Halbbleche 2, 3 erstreckende Rechteckform beschreibt.
Die Anordnung der drei Ports 5, 6, 7 grenzt an ein insgesamt mit 8 bezeichnetes Verteilerfeld, welches fluidtechnisch zwischen die Ports 5, 6, 7 und ein Aktivfeld 9 der Bipolarplatte 1 geschaltet ist. Die Breite der einzelnen Ports 5, 6, 7, jeweils gemessen am Übergang zum Verteilerfeld 8, ist mit b5, b6, b7 angegeben. Dem Verteilerfeld 8 ist ein mit 18 bezeichneter kanalgeführter Bereich zuzurechnen, das an das Aktivfeld 9 grenzt. Im Übrigen ist das Verteilerfeld 8, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, ohne jegliche Kanalführung gestaltet.
An den Port 6 grenzt ein Kühlmittelströmungsfeld 10, welches eines von vier voneinander unterscheidbaren Strömungsfeldern 10, 12, 14, 16 darstellt, aus welchen das Verteilerfeld 8, abgesehen vom kanalgeführten Bereich 18, aufgebaut ist. Jedes der Strömungsfelder 10, 12, 14, 16 hat eine dreieckige Grundform.
Mögliche Querschnittsgestaltungen des Kühlmittelströmungsfelds 10 gehen aus den 4 und 9 hervor. Die beiden Halbbleche 2, 3 sind größtenteils von der Mittelebene ME, in der sich die Halbbleche 2, 3 berühren, abgehoben, so dass ein größtmöglicher Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel freigegeben ist. Der Abstand der Ebenen, in welchen die Halbbleche 2, 3 jeweils größtenteils liegen, von der Mittelebene ME ist mit h_amax (anodenseitig) beziehungsweise h_kmax (kathodenseitig) angegeben. Auf den um den Betrag h_amax beziehungsweise h_kmax von der Mittelebene ME beabstandeten, durchgehend flächigen Bereichen der Halbbleche 2, 3 liegen weitere, nicht dargestellte, ebenfalls flächige Komponenten des Brennstoffzellenstapels auf. Unmittelbar durch die Halbbleche 2, 3 sind stiftförmige, in der Draufsicht kreisrunde Stützen 11 gebildet, welche die Halbbleche 2, 3 auf Abstand zueinander halten.
Im Strömungsfeld 12 fließt neben dem Kühlmittel eines von zwei Betriebsmedien der Brennstoffzellen. Das Strömungsfeld 12 stellt somit ein Zwei-Medien-Strömungsfeld dar. Analoges gilt für das Strömungsfeld 14. Im Vergleich zum Kühlmittelströmungsfeld 10 ist in den Zwei-Medien-Strömungsfeldern 12, 14 signifikant weniger freier Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel vorhanden. In den in den Figuren skizzierten Fällen sind die beiden Zwei-Medien-Strömungsfeldern 12, 14 identisch aufgebaut und punktsymmetrisch zueinander angeordnet. Abweichend hiervon kann zum Beispiel der Anodenport kleiner als der Kathodenport sein, so dass keine Symmetrie vorliegt.
Eines der beiden Halbbleche 2, 3 ist im Zwei-Medien-Strömungsfeld 12, 14 genauso wie im Kühlmittelströmungsfeld 10 strukturiert. Im Fall von 5 gilt dies für das obere Halbblech 2, im Fall von 10 für das untere Halbblech 3. Die genannte, nicht zwingend vorhandene, in den 1 und 7 erkennbare, Punktsymmetrie bezieht sich auf einen Punkt, an dem sämtliche Strömungsfelder 10, 12, 14, 16 zusammenstoßen.
Das zweite Halbblech 3, 2 liegt im Zwei-Medien-Strömungsfeld 12, 14 größtenteils in einer Ebene, welche um einen Betrag h_k1, h_a1 von der Mittelebene ME abgehoben ist, wobei h_k1 beziehungsweise h_a1 kleiner als h_kmax beziehungsweise h_amax ist. In der Bauform nach 5 sind durch das Halbblech 3, welches in diesem Fall größtenteils um den Betrag h_k1 von der Mittelebene ME entfernt ist, Stützen 13 ausgebildet, die das Halbblech 3 sowohl nach innen, das heißt zum anderen Halbblech 2, als auch nach außen, das heißt zu einer flächigen Umgebungskomponente hin, abstützen. Durch das Strömungsfeld 12 wird das Kathodengas geleitet. Die Stützen 13 erscheinen in der Draufsicht ringförmig. Entsprechendes gilt für Stützen 15, die sich im Strömungsfeld 14 befinden, durch welches das Anodengas geleitet wird.
Im Unterschied zur Ausgestaltung nach 1 existieren in der Bauform nach 7 in den zur Durchleitung des Kathoden- beziehungsweise Anodengases vorgesehenen Zwei-Medien-Strömungsfeldern 12, 14 sowie in einem Drei-Medien-Strömungsfeld 16 unterschiedliche Teilstützen 19, 20, 21, 22, welche die Abstützung der Halbbleche 2, 3 in verschiedenen Richtungen übernehmen und in der Draufsicht nebeneinander angeordnet sind.
Das Drei-Medien-Strömungsfeld 16, welches ebenso wie die Strömungsfelder 10, 12, 14 als offenes Strömungsfeld gestaltet ist, grenzt, auch in der Ausgestaltung nach 1, sowohl an die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder 12, 14 als auch an den kanalgeführten Bereich 18 des Verteilerfeldes 8. Die mit b16 angegebene Breite des Drei-Medien-Strömungsfeldes 16 stimmt in den Ausführungsbeispielen mit der Breite b9 des Aktivfeldes 9 und auch mit der Breite des Bereichs 18 überein. Im Fall von 1 sind im Drei-Medien-Strömungsfeld 16 zahlreiche Stützen 17 ausgebildet, welche ebenso wie die Stützen 13, 15 in der Draufsicht ringförmig sind.
Im Drei-Medien-Strömungsfeld 16 ist eine Strömung der Betriebsmedien und des Kühlmediums in drei Schichten projiziert übereinander gegeben, wobei die Kühlmittelströmung die mittlere Schicht darstellt. Der dem Kühlmittel zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt wird nach oben und unten durch Ebenen begrenzt, die durch die Halbbleche 2, 3 gegeben und um den Betrag h_a2 beziehungsweise h_k2 von der Mittelebene ME beabstandet sind. Hierbei ist h_a2 kleiner als h_a1 und h_k2 kleiner als h_k1. In den Ausführungsbeispielen ist h_a1 mit h_k1 und h_a2 mit h_k2 identisch.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
2: Halbblech
3: Halbblech
4: Prägestruktur
5: Port Kathodenkavität
6: Port Kühlmittel
7: Port Anodenkavität
8: Verteilerfeld
9: Aktivfeld
10: Kühlmittelströmungsfeld
11: Stütze im Kühlmittelströmungsfeld
12: Kühlmittel- und kathodenseitiges Strömungsfeld
13: Stütze im Strömungsfeld 12
14: Kühlmittel- und anodenseitiges Strömungsfeld
15: Stütze im Strömungsfeld 14
16: Strömungsfeld für drei Fluide
17: Stütze im Strömungsfeld 16
18: kanalgeführter Bereich des Verteilerfeldes
19: Teilstütze im Strömungsfeld 12
20: Teilstütze im Strömungsfeld 12
21: Teilstütze im Strömungsfeld 16
22: Teilstütze im Strömungsfeld 16
b5: Breite des Ports 5
b6: Breite des Ports 6
b7: Breite des Ports 7
b9: Breite des Aktivfelds
b16: Breite des Strömungsfelds 16
hamax: maximale Prägetiefe Anodenseite
ha1, ha2: Prägetiefe anodenseitig
hk1, hk2: Prägetiefe kathodenseitig
hkmax: maximale Prägetiefe Kathodenseite
ME: Mittelebene

Claims

Bipolarplatte (1) für elektrochemische Zellen, aufgebaut aus zwei aufeinander liegenden Halbblechen (2, 3) mit drei nebeneinander angeordneten Ports (5, 6, 7), einem Aktivfeld (9), sowie einem die Ports (5, 6, 7) mit dem Aktivfeld (9) verbindenden Verteilerfeld (8), welches zur Leitung drei verschiedener Fluide zwischen den Ports (5, 6, 7) und dem Aktivfeld (9) ausgebildet ist, wobei ein Strömungsraum für eines der Fluide zwischen den Halbblechen (2, 3) und Strömungsräume für die beiden anderen Fluide auf den Außenseiten der Halbbleche (2, 3) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerfeld (8) vier flächig ausgebildete Strömungsfelder (10, 12, 14, 16) umfasst, nämlich - ein zum mittleren Port (6) hin offenes Kühlmittelströmungsfeld (10), - zwei jeweils einerseits an das Kühlmittelströmungsfeld (10) grenzende und andererseits zu einem der beiden äußeren Ports (5, 7) hin offene Zwei-Medien-Strömungsfelder (12, 14), welche jeweils zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit einem Betriebsmedium als weiterem Fluid in zueinander parallelen Schichten ausgebildet sind, - ein an die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder (10) grenzendes, zum Aktivfeld (9) hin offenes Drei-Medien-Strömungsfeld (16), welche zur Durchströmung mit Kühlmittel sowie mit den Betriebsmedien als weiteren Fluiden in drei zueinander parallelen Schichten ausgebildet ist, wobei in jedem der vier Strömungsfelder (10, 12, 14, 16) die Halbbleche (2, 3) durch punktuell, das heißt inselförmig, ausgebildete Prägestrukturen (4) derart strukturiert sind, dass die Halbbleche (2, 3) sowohl gegeneinander als auch gegen außerhalb der Halbbleche (2, 3) angeordnete flächige Komponenten abgestützt sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Strömungsfelder (10, 12, 14, 16) des Verteilerfeldes (8) jeweils eine dreieckige Grundform - in Draufsicht auf die Halbbleche (2, 3) - haben, wobei ein Punkt existiert, an dem alle vier Strömungsfelder (10, 12, 14, 16) zusammentreffen.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zwei-Medien-Strömungsfelder (12, 14) gleichartig ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbleche (2, 3) im Bereich des Kühlmittelströmungsfeldes (10) zur flächigen Anlage an jeweils einer umgebenden, ebenfalls flächigen Komponente vorgesehen sind, wobei in einem hierzu vergleichsweise kleinen Flächenanteil des Kühlmittelströmungsfeldes (10) runde, insbesondere kreisrunde, die Halbbleche (2, 3) gegeneinander auf Abstand haltende Stützen (11) ausgebildet sind, deren Höhe (h_amax, h_kmax) jeweils dem halben maximalen Abstand zwischen den Halbblechen (2, 3) entspricht.
Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbleche (2, 3) im Bereich der Zwei-Medien-Strömungsfelder (12, 14) an genau einer Außenseite zur flächigen Anlage an einer umgebenden, ebenfalls flächigen Komponente vorgesehen sind, wogegen das die jeweils gegenüberliegende Außenseite bildende Halbblech (3, 2) zur von einer ebenfalls flächigen Umgebungskomponente größtenteils beabstandeten Anordnung vorgesehen ist, wobei, gemessen von einer Mittelebene (ME), in welcher sich beide Halbbleche (2, 3) tangieren, der Großteil desjenigen Halbblechs (3, 2), welches von der Umgebungskomponente größtenteils abgehoben ist, in einer Ebene liegt, welche von der Mittelebene (ME) um einen Betrag (h_k1, h_a1) abgehoben ist, der höchstens so groß ist wie der halbe maximale Abstand zwischen den beiden Halbblechen ist, und wobei durch dasselbe Halbblech (3, 2) zugleich Stützen (13, 15) gebildet sind, die über die genannte, zur Mittelebene (ME) parallele Ebene hinausragen und zur Abstützung gegenüber der größtenteils von dem genannten Halbblech (3, 2) abgehobenen flächigen Komponente vorgesehen sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Drei-Medien-Strömungsfeld (16) jedes der beiden Halbbleche (2, 3) eine Profilierung (4) aufweist, die hinsichtlich der Existenz flächig von der Mittelebene (ME) abgehobener Bereiche sowie nach außen gerichteter Stützen (17, 22) mit der Profilierung (4) des größtenteils von der Umgebungskomponente abgehobenen Halbblechs (3, 2) des Zwei-Medien-Strömungsfelds (12, 14) übereistimmt, wobei die Abstände (h_k2, h_a2) flächig von der Mittelebene (ME) sowie von jeweils einer Umgebungskomponente abgehobener Bereiche der Halbbleche (3, 2) im Drei-Medien-Strömungsfeld (16) geringer sind als der im Zwei-Medien-Strömungsfeld (12, 14) gegebene Abstand (h_k1, h_a1) zwischen der Mittelebene (ME) und einer durch eines der Halbbleche (3, 2) definierten, von einer Umgebungskomponente parallel beabstandeten Ebene.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen und die nach außen gerichteten Stützen (19, 20, 21, 22) der Halbbleche (2, 3) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen und die nach außen gerichteten Stützen (11, 13, 15, 17) der Halbbleche (2, 3) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Drei-Medien-Strömungsfeld (16) und das Aktivfeld (9) ein kanalgeführter Bereich (18) des Verteilerfeldes (8) geschaltet ist, wobei dessen Breite mit der Breite (b9) des Aktivfeldes (9) sowie der Breite (b16) des Drei-Medien-Strömungsfeldes (16) übereinstimmt.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für elektrochemische Zellen, wobei zwei Halbbleche (2, 3) mittels umformender Verfahren gemäß Anspruch 1 dreidimensional strukturiert und anschließend dauerhaft miteinander verbunden werden.