DE102022207186A1

DE102022207186A1 - Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE102022207186A1
Application number: DE102022207186.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Weeber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Verteilerplatte (7, 8) zum Leiten von mindestens einem Fluid für eine elektrochemische Zelle (100). Die Verteilerplatte (7, 8) weist ein Kathodenflussfeld (11a) und/oder ein Anodenflussfeld (11b) für ein Fluid einer elektrochemischen Zelle (100) auf. An dem Kathodenflussfeld (11a) und/oder an dem Anodenflussfeld (11b) sind Federelemente (30) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, sowie eine Bipolarplatte und ein Verfahren zum Herstellen einer Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden; bei Elektrolysezellen läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Zellenstapel elektrochemischer Zellen sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Verteiler- bzw. Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen; üblicherweise besteht eine Bipolarplatte dabei aus zwei Verteilerplatten, kann jedoch auch nur aus einer Verteilerplatte bestehen. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind. Eine derartige Bipolarplatte ist beispielsweise aus der DE10221951A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es die Verteilerplatte weicher zu gestalten, um dadurch Toleranzen in einem Zellenstapel derart ausgleichen zu können, dass die einzelnen Zellen in dem Zellenstapel möglichst homogen verspannt sind.
Offenbarung der Erfindung
Dazu weist die Verteilerplatte ein Kathodenflussfeld und/oder ein Anodenflussfeld für ein Fluid einer elektrochemischen Zelle auf. An dem Kathodenflussfeld und/oder an dem Anodenflussfeld sind Federelemente angeordnet.
Die zuvor fixe Höhe der Verteilerplatte kann sich in dem unter Kraft verspannten Zellenstapel dadurch verändern und somit Toleranzen ausgleichen, so dass in der Zellebene eine möglichst homogene Flächenpressung erreicht wird. Es werden also starre Strukturen, die eine feste, nicht veränderbare Höhe der Verteilerplatte verursachen, durch flexible Strukturen ergänzt bzw. sogar ersetzt.
In bevorzugten Ausführungen sind die die Federelemente in ihrer Federsteifigkeit unterschiedlich ausgeführt. In der Ebene können dadurch anderweitige inhomogene Steifigkeiten der elektrochemischen Zelle ausgeglichen werden. Durch den gleichmäßigen Anpressdruck über der Fläche der Zelle wird auch eine homogene Stromverteilung erreicht, die Zellalterung wird minimiert.
In bevorzugten Ausführungen ist sowohl das Kathodenflussfeld als auch das Anodenflussfeld mit derartigen Federelementen versehen.
Die Erfindung wird bevorzugt für Verteilerplatten von elektrochemischen Zellen wie Brennstoffzellen und Elektrolysezellen verwendet. Die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle sind dabei insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle) bzw. PEM-EC (Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolysezelle).
In vorteilhaften Ausführungen sind die Federelemente als C-Federn ausgeführt. Die Verspannkraft eines Zellenstapels wirkt auf die beiden Schenkel der C-Form, so dass die Federelemente sehr weich ausgeführt sind.
Bevorzugt bilden die Federelemente selbst das Flussfeld aus. Dies bedeutet, dass die Federelemente das Flussfeld, an dem sie angeordnet sind, zu einem wesentlichen Anteil strömungsmechanisch beeinflussen. Im Falle des Kühlflussfeldes sind dazu zwei Verteilerplatten zu einer Bipolarplatte verbunden, und die Federelemente sind zwischen den beiden Verteilerplatten angeordnet und bilden dort zumindest einen Teil der Kühlkanäle aus.
Die Erfindung umfasst auch Bipolarplatten, welche eine Verteilerplatte mit Federelementen nach den obigen Ausführungen aufweist.
Die Erfindung umfasst weiterhin Verfahren zur Herstellung von derartigen Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten. Bevorzugt wird die Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte mittels eines Druckverfahrens hergestellt. Besonders bevorzugt werden die Federelemente dann mittels 3D-Druck auf das ihnen zugeordnete Flussfeld aufgebracht. Hierfür eignen sich besonders graphitische Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten, welche ohnehin in einem Druckverfahren hergestellt werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen werden mehrere Federelemente gleichzeitig parallel auf die Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte aufgedruckt, so dass die Fertigungszeiten verringert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines schematischen Zellenstapels mehrerer elektrochemischer Zellen aus dem Stand der Technik.
2 einen Schnitt durch eine schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
3 einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines Zellenstapels, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
4 einen Schnitt durch eine Bipolarplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

1 zeigt einen Zellenstapel 200 mit mehreren gestapelten elektrochemischen Zellen 100, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die elektrochemischen Zellen 100 sind mittels Spannelementen 110 zwischen zwei Endplatten 120 verspannt. Die Spannelemente 110 können beispielsweise Schrauben wie dargestellt, aber auch Spannbänder sein.
2 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin können auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein.
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Kanäle 11 im Kathodenraum 100a bilden ein Kathodenflussfeld 11a aus, und die Kanäle 11 im Anodenraum 100b bilden ein Anodenflussfeld 11b aus. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst. In der Ausführung der 2 ist die Bipolarplatte bevorzugt eine graphitische Bipolarplatte.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Zellenstapels 200 mit elektrochemischen Zellen, welche bevorzugt als Brennstoffzellen ausgeführt sind. Analog zur 2 weisen die Einzelzellen je einen Kathodenraum 100a und einen Anodenraum 100b auf. Die elektrochemische Zelle 100 umfasst weiterhin die mit den Elektrodenschichten 3, 4 beschichtete Membran 2 und die daran beidseitig angeordneten Diffusionslagen 5, 6 und Verteilerplatten 7, 8. In der Ausführung der 3 sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 zu einer Bipolarplatte 20 gefügt, bevorzugt verschweißt. Die Bipolarplatte 20 ist daher bevorzugt eine metallische Bipolarplatte. Die Bipolarplatte 20 hat drei Kanalstrukturen mit Kanälen 11 und trennt drei Medien:

- Ein Kathodenfluid im Kathodenraum 100a, welches durch Kanäle 11, die das Kathodenflussfeld 11a ausbilden, geleitet wird.
- Ein Anodenfluid im Anodenraum 100b, welches durch Kanäle 11, die das Anodenflussfeld 11b ausbilden, geleitet wird.
- Ein Kühlfluid innerhalb der Bipolarplatte 20 zwischen den beiden Verteilerplatten 7, 8, welches durch Kanäle 11, die ein Kühlflussfeld 11c ausbilden, geleitet wird.

Jede elektrochemische Zelle 100 hat mehrere, elektrische Übergangswiderstände, z.B. zwischen Bipolarplatte 20 und Diffusionslage 5, 6 in der Kontaktfläche 13. Um diese Überganswiderstände zu minimieren wird der Anpressdruck erhöht, üblicherweise mittels der Spannelemente 110. Der Anpressdruck für alle Übergangsstellen wird so durch das Verspannen des gesamten Zellenstapels 200 realisiert indem die zwei Endplatten 120 mittels der Spannelemente 110 gegeneinander gedrückt werden. In großen Zellenstapeln 200 werden so bis zu 450 Einzelzellen verspannt, wobei jedes Element lose eingelegt sein kann. Durch Maßtoleranzen der einzelnen Elemente ist die Verspannung nie homogen und kann zu Undichtigkeiten führen. Die Stromverteilung über die Fläche der elektrochemischen Zelle 100 kann ebenfalls inhomogen sein, wenn der Anpressdruck inhomogen ist. Dies führt zur Alterung der einzelnen elektrochemischen Zellen 100. Durch Temperaturveränderungen ergeben sich weitere Toleranzänderungen, welche die gleichen Auswirkungen haben können. Die MonteCarlo Simulation der Toleranzketten eines Zellenstapels 200 mit 450 Zellen 100 zeigt, dass die einzelnen Zellen 100 nur minimale Toleranzen enthalten dürfen, um die zulässige Gesamtabweichung einzuhalten.
Übliche Bipolarplatten 20 sind in sich steif und können keine Toleranzen ausgleichen. Insbesondere können sie nicht ortsaufgelöst über der Fläche (im Beispiel der 3 in xy-Ebene) einen Ausgleich durchführen. Die Höhe der Bipolarplatte 20 (in z-Richtung) ist also fest. Erfindungsgemäß wird nun eine Möglichkeit beschrieben, wie die Maßabweichungen auf Zellebene ausgeglichen werden können und damit das Verspannkonzept vereinfacht sowie die Stromverteilung über die Fläche homogenisiert wird, so dass die Lebensdauer der elektrochemischen Zelle 100 gesteigert wird. Der Aufbau und die Montagezeiten eines Zellenstapels 200 können dadurch vereinfacht werden.
Dies wird erreicht indem zumindest eine Seite der Verteilerplatte 7, 8 bzw. der Bipolarplatte 20 Federelemente 30 aufweist. Die Federelemente 30 können beispielsweise als Tellerfeder oder als C-Feder ausgeführt sein. Dazu zeigt 4 eine Bipolarplatte 20 im Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Bipolarplatte 20 weist zwei Verteilerplatten 7, 8 auf, welche mittels Fügungen 21, beispielsweise Schweißverbindungen, verbunden sind. Die Bipolarplatte 20 kann, wie in 4 dargestellt aus metallischen Verteilerplatten 7, 8 aufgebaut sein, aber auch graphitische Verteilerplatten 7, 8 aufweisen.
Beide Verteilerplatten 7, 8 weisen an ihrem Flussfeld 11a, 11b Federelemente 30 auf, in diesem Fall sind die Federelemente 30 als C-Federn bzw. Federklammern ausgeführt. Es kann jedoch auch nur eines der beiden Flussfelder (Kathodenflussfeld 11a oder Anodenflussfeld 11b) mit Federelementen 30 versehen sein. In dem Zwischenraum zwischen den beiden Verteilerplatten 7, 8 - also im Kühlflussfeld 11c - fließt das Kühlfluid, üblicherweise Kühlwasser. Das Kühlflussfeld 11c kann durch geeignete Abstandshalter in der Höhe fixiert sein; beispielsweise könnten auch die Fügungen 21 als Abstandshalter fungieren. Die Abstandshalter können verschweißt sein und damit auch der Stromdurchleitung dienen. Die Fügungen 21 bzw. Abstandshalter im Kühlflussfeld 11c könnten jedoch auch als Federelemente 30 ausgeführt sein, so dass das Kühlflussfeld 11c nicht mehr in der Höhe fixiert wäre, jedoch Toleranzen in z-Richtung ausgleichen könnte.
Die Federelemente 30 sind bevorzugt mittels 3-Druck auf die Flussfelder 11a, 11b, 11c aufgebracht. Die aufgedruckten Federelemente 30 sind bevorzugt als Einzelelemente zu verstehen, das heisst sie sind nicht über die gesamte Länge der Bipolarplatte 20 zusammenhängend, sondern sie sind wenige Millimeter lang. Wenn die einzelnen Federelemente 30 gedruckt werden, können sie in ihren Dimensionen und in ihrer Federkraft bzw. Federsteifigkeit variieren. Somit können innerhalb einer einzelnen Verteilerplatte 7, 8 je nach Ort unterschiedliche Federkräfte eingestellt werden.
Die Federelemente 30 können jedoch auch strömungsmechanische Eigenschaften aufweisen: die Federelemente 30 können beispielsweise auch zueinander verdreht angeordnet sein, oder auch deutlich länger als nur einige Millimeter ausgeführt sein, so dass sie das entsprechende Fluid des Flussfelds 11a, 11b, 11c leiten. In vorteilhaften Weiterbildungen können die Federelemente 30 sogar das Flussfeld 11a, 11b, 11c bilden; in diesen Fällen können die Federelemente 30 sogar die Kanäle 11 ersetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10221951 A1 [0002]

Claims

Verteilerplatte (7, 8) zum Leiten von mindestens einem Fluid für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Verteilerplatte (7, 8) ein Kathodenflussfeld (11a) und/oder ein Anodenflussfeld (11b) für das Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kathodenflussfeld (11a) und/oder an dem Anodenflussfeld (11b) Federelemente (30) angeordnet sind.
Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) als C-Federn ausgeführt sind.
Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) das Flussfeld (11a, 11b) ausbilden.
Verteilerplatte (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) mittels 3D-Druck aufgebracht sind.
Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7, 8) eine graphitische Verteilerplatte (7, 8) ist.
Verteilerplatte (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) in ihrer Federsteifigkeit unterschiedlich ausgeführt sind.
Bipolarplatte (20) mit einer kathodenseitigen Verteilerplatte (7) und einer anodenseitigen Verteilerplatte (8), wobei zumindest eine der Verteilerplatten (7, 8) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgeführt ist.
Bipolarplatte (20) mit einer kathodenseitigen Verteilerplatte (7) und einer anodenseitigen Verteilerplatte (8), wobei ein Kühlflussfeld (11c) zwischen den beiden Verteilerplatten (7, 8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlflussfeld (11c) Federelemente (30) angeordnet sind.
Bipolarplatte (20) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) das Kühlflussfeld (11c) ausbilden.
Verfahren zum Herstellen einer Verteilerplatte (7, 8) oder Bipolarplatte (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verteilerplatte (7, 8) oder Bipolarplatte (20) mittels eines Druckverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (30) mittels 3D-Druck auf das Flussfeld (11a, 11b, 11c) aufgebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Federelemente (30) gleichzeitig parallel gedruckt werden.