DE10250991A1

DE10250991A1 - Bipolarplatte

Info

Publication number: DE10250991A1
Application number: DE10250991A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gaugler; Claudia Kunz; Raimund STRÖBEL; Dominique Tasch; Joachim Scherer; Jürgen Dr. Schneider
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: DE10250991B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für Brennstoffzellensysteme, welche zwischen zwei Plattenelementen (2a; 2b) der Bipolarplatte einen Hohlraum (3) zur Einleitung eines Kühlmediums aufweist. Die Plattenelemente weisen Aussparungen (5'; 5'') zur Bildung von Kühlmitteldurchgangsöffnungen auf. In die Plattenelemente sind außerdem Kanalstrukturen (4a; 4b) eingeprägt. Es sind zu ersten Aussparungen (5') hin offene und zweiten Aussparungen (5'') hin geschlossene erste Kanalstrukturen zur Bildung von Zuleit- und Abführkanälen vorgesehen. Außerdem sind zweite Kanalstrukturen (4b) im Zentralbereich der Plattenelemente zur Leitung von Fluiden in der Plattenebene gegeben, wobei die ersten und zweiten Kanalstrukturen der Plattenelemente voneinander getrennt sind. DOLLAR A Mit der Erfindung werden die Herstellkosten, insbesondere metallischer Bipolarplatten, bei Sicherstellung einer hohen Qualität trotzdem niedrig gehalten, aus diesen Bipolarplatten aufgebaute Brennstoffzellensysteme zeichnen sich aufgrund der homogenen Medienführung durch einen guten Wirkungsgrad aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aus Plattenelementen aufgebaute Bipolarplatte für Brennstoffsysteme sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Bipolarplatte.

Bei üblichen Brennstoffzellensystemen, zum Beispiel bei PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen) werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen aufeinander geschichtet zu einem Brennstoffzellensystem bzw. -stack. Die Abtrennung zwischen den einzelnen Zellen erfolgt durch Bipolarplatten, die folgende Funktionen übernehmen:

– Elektrische Kontaktierung der Elektroden der Brennstoffzellen und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
– Versorgung der Zellen mit Reaktionsgasen und Ab transport des erzeugten Wassers über eine entsprechende Kanalstruktur,
– Weiterleiten der bei der Reaktion in den Brennstoffzellen entstehenden Abwärme, sowie
– Abdichten der verschiedenen Gas- bzw. Kühlkammern gegeneinander und nach außen.

Es ist bekannt, Bipolarplatten aus graphitischen Werkstoffen herzustellen. Der Vorteil graphitischer Werkstoffe liegt in ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und im Hinblick auf mobile Anwendungen auch auf ihrer geringen Materialdichte. Die Anfälligkeit auf Zugspannungen und die damit verbundene Sprödigkeit von graphitischen Werkstoffen (insbesondere bei Bipolarplatten geringer Dicke) engen jedoch die Wahl des Formgebungsverfahrens für die Strukturierung stark ein. Die spanende Formgebung stellt dabei keine Option für eine kostengünstige Massenproduktion dar.

Als Alternative ist auch bekannt, metallische Bipolarplatten aus Metallen wie Edelstahl, Titan herzustellen. Hierbei ergeben sich Nachteile in bezug auf Korrosion sowie bezüglich der Kosten. Die Herstellung komplizierter Kanalstrukturen mit metallischen Platten erfordert sehr aufwendige Formgebungsverfahren, welche den Bau von Bipolarplatten stark verteuern.

So sind zum Beispiel Bipolarplatten für Brennstoffzellensysteme bekannt, wobei zwischen zwei Plattenelementen der Bipolarplatte ein Hohlraum zur Einleitung eines Kühlmediums vorgesehen ist, wobei die Plattenelemente jeweils Kanalstrukturen aufweisen zur Führung von in der oder um die Bipolarplatte geführter Medien. Der Hohlraum innerhalb der Bipolarplatte ist über mindestens einen Zuführ- und/oder Ableitungskanal mit fluchtenden Aussparungen der einzelnen Plattenelemente zur Kühlmittelversorgung zu dem Hohlraum hin verbunden.

Es ist offensichtlich, dass die Formgebung für eine solche Bipolarplatte üblicherweise mit hohem Aufwand verbunden ist.

Dies liegt daran, dass recht enge Toleranzen eingehalten werden sollten, um zum Beispiel eine Medienverteilung auf den Außenflächen der Bipolarplatte gleichmäßig durchzuführen und außerdem im inneren Hohlraum der Bipolarplatte einen Kühlkreislauf sicherzustellen. Insbesondere in bezug auf die Abdichtung der unterschiedlichen Fluide voneinander ist die Einhaltung der oben bezeichneten Toleranzen wichtig. Im übrigen wird die Formgebung dadurch weiter verteuert, dass die beiden Plattenelemente der Bipolarplatte üblicherweise eine unterschiedliche Struktur aufweisen und daher unabhängig voneinander hergestellt werden müssen, die Anpassung beider Plattenelemente zur Sicherstellung der Dichtigkeit erfordert nochmals engere Toleranzen, unabhängig davon, ob die Formgebung der einzelnen Plattenelemente in einem Prägeverfahren oder zum Beispiel in einem Ätzverfahren erzeugt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aus Plattenelementen hergestellte Bipolarplatte für Brennstoffzellensysteme herzustellen, welche kostengünstig ist und trotzdem höchsten Herstelltoleranzen gerecht wird, wobei weiterhin ein guter Wirkungsgrad des Gesamtbrennstoffzellensystems angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen dieser Patentanmeldung gelöst.

Dadurch, dass bei einer gattungsgemäßen Bipolarplatte die Kanalstrukturen beider Plattenelemente im wesentlichen identisch sind und die Plattenelemente mindestens eine erste Aussparung, welche zu dem Hohlraum hin offen ist und mindestens eine zweite Aussparung, welche zu dem Hohlraum hin geschlossen ist, aufweisen, wobei mindestens eine erste Aussparung des einen Plattenelementes mit einer zweiten Aussparung des anderen Plattenelementes zur Bildung einer Kühlmitteldurchgangsöffnung durch die Bipolarplatte hindurch fluchtend angeordnet ist, wird diese Aufgabe gelöst.

Es wird hierbei ausgenutzt, dass die Plattenelemente, welche die Bipolarplatte aufbauen, im wesentlichen gleich sind. Der Ausdruck "dass die Kanalstrukturen beider Plattenelemente im wesentlichen identisch sind" soll hierbei bezeichnen, dass die Plattenelemente zum Beispiel in einem identischen Prägewerkzeug geprägt werden konnten. D.h., dass die wesentlichen Merkmale der Plattenelemente, etwa deren Topographie, identisch ist. Vorzugsweise ist es sogar so, dass die Plattenelemente vollkommen identisch sind, es ist allerdings auch möglich, dass die Plattenelemente lediglich in ihrem geprägten Zentralbereich völlig identisch sind und zum Beispiel in Abweichung voneinander an dem äußersten Rand gefalzt bzw. nicht gefalzt sind bzw. im Randbereich ein anderer Zuschnitt gegeben ist, z.B. eine Lasche für elektrische Spannungsabnehmer etc.

Wesentlich ist, dass die Plattenelemente jeweils Aussparungen aufweisen, welche später zur Bildung der Bipolarplatte aufeinander gelegt werden und dass diese Aussparungen, wenn sie fluchtend angeordnet sind, Kühlmitteldurchgangsöffnungen durch die Bipolarplatte hindurch (sog. Versorgungs- bzw. "Interface"-Kanäle) bilden.

Hierzu ist auf jedem Plattenelement vorgesehen, dass zwei verschiedene "Arten" von Aussparungen vorgesehen sind. Dies sind zum einen eine erste Ausführungsform von Aussparungen, welche im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatte zu den inneren Hohlraum hin offen sind, d.h., dass zum Beispiel senkrecht zur Hauptflussrichtung des Interface-Kanals eine Einprägung des Plattenelements zu der Aussparung hin angeordnet ist, so dass hierdurch Zuführ- und/oder Ableitungskanäle von der späteren Durchgangsöffnung der Bipolarplatte hin zu dem inneren Hohlraum der Bipolarplatte hin möglich sind.

Bei einer zweiten Ausführungsform von Aussparungen, welche auf dem selben Plattenelement angeordnet sind, handelt es sich um Durchgangsöffnungen, welche nicht unmittelbar zu dem inneren Hohlraum der späteren Bipolarplatte hin offen sind, d.h., dass zum Beispiel die Randfläche dieser Durchgangsöffnungen nicht eingeprägt ist zur Bildung eines Zuführ- und/oder Ableitungskanals.

Entscheidend ist nun, dass eine solche erste Aussparung des einen Plattenelementes mit einer zweiten Aussparung des anderen Plattenelementes fluchtend angeordnet wird (d.h. in Deckung gebracht wird), so dass mit zwei identischen Plattenelementen, welche zueinander verdreht aufeinandergebracht werden, eine Bipolarplatte hergestellt werden kann, welche somit einen geregelten Zu- bzw. Abfluss für Kühlmittel aufweist; hierbei ist besonders wesentlich, dass quasi aufgrund der "Punktsymmetrie" der Plattenelemente und der entsprechenden Orientierung der Plattenelemente zueinander im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatte keine unterschiedliche Formgebung der beiden Plattenelemente notwendig ist.

Dies bedeutet für das noch nicht zusammengebaute Plattenelement, das zu den ersten Aussparungen hin offene und zu den zweiten Aussparungen hin geschlossene erste Kanalstrukturen zur Bildung von Zuleit- und/oder Abführkanälen vorgesehen sind und außerdem zweite Kanalstrukturen im Zentralbereich der Plattenelemente zur Leitung von Fluiden in der Plattenebene gegeben sind, wobei die ersten und zweiten Kanalstrukturen der Plattenelemente voneinander getrennt sind.

Dies bedeutet zum Beispiel für ein einzelnes Plattenelement, bei welchem sämtliche Kanalstrukturen bezüglich der Flachebene des Plattenelements in die selbe Richtung ragen, dass einerseits erste Kanalstrukturen hin zu ersten Aussparungen hin gegeben sind. Zweite Kanalstrukturen, welche im Zentralbereich des Plattenelementes angeordnet sind, sind weder mit diesen ersten Kanalstrukturen noch mit den Durchgangsöffnungen selbst verbunden. D.h., dass erste Kanalstrukturen der ersten Aussparungen quasi als "Anschlussstücke" an die im Zentralbereich angeordneten zweiten Kanalstrukturen genutzt werden. Daher sind die Plattenelemente beim Zusammenbau zu einer Bipolarplatte entsprechend so zu orientieren, dass ein flüssigkeitsleitender Anschluss der ersten Kanalstrukturen eines ersten Plattenelementes zu den zweiten Kanalstrukturen des zweiten Plattenelementes gegeben sind, damit von "Interface"-Kanälen ein Kühlmedium in den inneren Hohlraum der Bipolarplatte zu Kühlungszwecken gelangen kann.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in erster Linie darin, dass das zum Beispiel punktsymmetrische Design der Plattenelemente ermöglicht, die entsprechende Bipolarplatte aus identischen Anoden- und Kathodenplatten aufzubauen. Für die Herstellung der Bipolarplatte wird deshalb zum Beispiel nur ein einziges Prägewerkzeug (bisher mindestens zwei) benötigt. Durch das Design kann auch eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle erzielt werden. Insbesondere wird die Herstellung der metallischen Bipolarplatte vereinfacht, die Kühlung der Platte wird ebenfalls homogener und variabler gestaltet. Die Abstützung für eine innenleitfähige Membran sowie eine Dichtung wird außerdem begleitend im Bereich um die Kühlmitteldurchgangsöffnungen herum optimiert. Die Zuführung des Kühlmediums wird über eingeprägte Strukturen erreicht, die gleichzeitig eine Abstützfunktion übernehmen. Die Zufuhr des Kühlmediums in die Bipolarplatte erfolgt an regelmäßig mindestens zwei Stellen, anstatt wie gewöhnlich nur an einer Stelle. Dies bewirkt eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Bipolarplatte, da wenig Totzonen sich ergeben. Außerdem können die Kanäle für das Kühlmedium beliebig als Zu- oder Abfluss belegt werden, um abhängig von dem Fluss der anderen Medien eine optimale Kühlwirkung zu erzielen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Bipolarplatte zusätzlich zu den Kühlmitteldurchgangsöffnungen hiervon getrennte Durchgangsöffnungen ("Interface"-Kanäle) für Betriebsmedien, wie zum Beispiel molekularen Wasserstoff bzw. Luft oder reines O₂ aufweist. Insbesondere durch die oben beschriebene Art der Kühlmittelführung wird hierbei eine gute Abgrenzung zwischen den einzelnen Fluidströmen ermöglicht. Es können hierbei praktisch beliebig viele Durchgangsöffnungen um den Zentralbereich der Bipolarplatte herum angeordnet werden, um eine gleichmäßige Einleitung der Betriebsmedien bzw. des Kühlmediums zu erreichen. Außerdem können in diesem Randbereich auch Durchgangsbohrungen für zum Beispiel Spannbolzen vorgesehen werden.

Insbesondere ein Vorteil des oben gezeigten Konzeptes ist es, dass die Bipolarplatte an zwei, vier oder noch mehr Kühlmitteldurchgangsöffnungen Zuführ- und/oder Anleitungskanäle zum Hohlraum innerhalb der Bipolarplatte aufweist, um somit einen geregelten Fluss von Kühlmittel zu erzeugen, welcher eine möglichst homogene Kühlung der anliegenden Brennstoffzellen und somit einen erhöhten Wirkungsgrad ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Plattenelemente eingeprägte erste und zweite Kanalstrukturen aufweisen, wobei die ersten Kanalstrukturen dergestalt sind, dass sie Begrenzungswände der Zuführ- und/oder Ableitungskanäle und die zweiten Kanalstrukturen dergestalt sind, dass die Außenflächen der Bipolarplatte ein Flowfield zur Verteilung von Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems darstellen. In die Plattenelemente der Bipolarplatte sind somit zwei verschiedene Arten von Kanalstrukturen eingebracht. Die ersten sind quasi "Adapterstükke" von den Durchgangsöffnungen zum inneren Hohlraum der Bipolarplatte hin. Die üblicherweise im Zentralbereich angeordneten zweiten Kanalstrukturen weisen mit ihren Erhöhungen auf den Außenflächen der Bipolarplatte voneinander weg, hierdurch wird ein gere gelter Fluss von zum Beispiel H₂ und O₂ auf den Außenflächen der Kathoden- bzw. Anodenplattenelemente ermöglicht. Insbesondere bei geprägten Metallplatten ist es vorteilhaft, dass diese "positive" Außenstruktur, welche Flowfield-Funktion übernimmt, im inneren Hohlraum der Bipolarplatte ein "Negativabbild" erzeugt, durch welche im Inneren der Bipolarplatte ein ebenfalls geregelter Kühlmittelfluss möglich wird, bei dieser Ausbildung ist es auch besonders vorteilhaft, dass ein sehr direkter Kontakt des Kühl- mit dem Betriebsmedium stattfindet, welcher den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung nochmals erhöht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform hierzu sieht vor, dass die zweiten Kanalstrukturen auf den sich gegenüberliegenden Flachseiten der Bipolarplatte so gestaltet sind, dass die Medien auf diesen gegenüberliegenden Flachseiten im Kreuzstrom zueinander geführt sind, hierdurch gibt sich eine noch weitere Erhöhung des Wirkungsgrades.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Dichtungen zur fluiddichten Abgrenzung des inneren Hohlraums sowie der Durchgangsöffnungen vorgesehen sind. Diese können auf verschiedene Weisen verwirklicht sein. Zum einen ist es möglich, dass hier Elastomer-Dichtungen (zum Beispiel EPDM-Dichtungen) vorgesehen sind. Es ist allerdings auch möglich, dass zum Beispiel metallische Sickendichtungen dies Funktion übernehmen, wie sie zum Beispiel in der Voranmeldung der selben Anmelderin unter dem Aktenzeichen der deutschen Patentanmeldung DE 101 58 772 gezeigt sind oder in der am 14. Oktober 2002 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Brennstoffzellensystem" mit dem internen Aktenzeichen RZ 17/02. Bezüglich sämtlicher dort gezeigten Einzelheiten der Dichtungen bzw. der Fluidführung um diese Dichtungen herum sowie Werkstoffen der dort gezeigten Bipolarplatten und Führung von Kühlmedien bzw. Betriebsmedien wird auf diese beiden Anmeldungen verwiesen, so dass deren Gesamtinhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung sein soll.

Bezüglich der Plattenelemente selbst, welche die Bipolarplatte aufbauen, sind auch verschiedene Ausführungsformen möglich.

So ist es zum Beispiel möglich, dass die erste Kanalstrukturen, also diese, welche sich an die ersten Aussparungen hin anschließen, als laschenförmige Einprägungen ausgeführt sind. Diese quasi "U"-förmigen Einprägungen sind zu der Öffnung hingewandt, so dass zum Beispiel in diese Einprägungen geschüttetes Wasser nicht darin stehen bleibt, sondern zu der Durchgangsöffnung hin ablaufen würde. Es ist hierbei vorteilhaft, dass mehrere dieser laschenförmigen Einprägungen nebeneinander vorgesehen sind, welche mit ein und derselben ersten Aussparung verbunden sind. Diese laschenförmigen Einprägungen sind dann vorteilhafterweise mit entsprechenden Abzweigungen der zweiten Kanalstrukturen des anderen die Bipolarplatte aufbauenden Plattenelementes verbunden, so dass ein Flüssigkeitsstrom von der Durchgangsöffnung zum Hohlraum der Bipolarplatte hin wirklich wird. Dieser Anschluss der ersten Kanalstrukturen an die zweiten Kanalstrukturen ist notwendig, da die zweiten Kanalstrukturen regelmäßig lediglich im Zentralbereich eines Plattenelementes angeordnet sind und ein in sich geschlossenes System darstellen (d.h., dass zum Beispiel in die hohlraumseitige Flachseite der ersten Kanalstruktur geschüttetes Wasser würde nicht zu den Durchgangslöchern hin ablaufen, sondern eine Art "Binnensee" bil den).

Besonders vorteilhaft ist, dass die Plattenelemente in ihrer Flachebene bzw. Plattenebene eine im wesentlichen punktsymmetrische Struktur aufweisen. Hierdurch wird es möglich, dass, wie oben beschrieben, erste und zweite Aussparungen der jeweils anderen Plattenelemente fluchtend in Deckung zueinander gebracht werden können und zum Beispiel eine Kreuzstromführung von Betriebsmedien um die Bipolarplatte herum möglich wird, ohne dass die Plattenelemente voneinander unterschiedlich sein müssen.

Die vorliegende Geometrie bietet sich insbesondere für metallische Bipolarplatten aus Edelstahl, Titan, Nickel oder Aluminium an. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, diesen Gedanken für graphitische Bipolarplatten bzw. Bipolarplatten aus Kunststoffen, welche zum Beispiel im Spritzgussverfahren hergestellt wurden, anzuwenden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte ist hervorzuheben, dass es besonders kostengünstig ist, dass zwei im wesentlichen identische Plattenelemente mit eingeprägten Kanalstrukturen zunächst hergestellt werden (etwa durch Einprägen von vorher flachen/gelochten Metallplatten) und anschließend so aufeinander angeordnet werden, dass ein Hohlraum zur Aufnahme von Kühlmedium entsteht und dass sich Zu- und/oder Ableitkanäle von mindestens einer Kühlmitteldurchgangsöffnung zu dem Hohlraum hin bilden. Das Fügen der Plattenelemente aufeinander kann hierbei zum Beispiel durch Verklebung, Löten oder auch Laserstrahlschweißen etc. erfolgen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
2 eine Ansicht gem. B von 1 mit zusätzlich schematisch dargestellten an die Bipolarplatte angrenzenden Brennstoffzellen sowie
3 einen Schnitt der Bipolarplatte nach 1 gem. A-A.
1 zeigt eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Diese ist Bestandteil eines Brennstoffzellenstacks, also einer Schichtung mehrerer Brennstoffzellen und trennt hierbei zwei Brennstoffzellen voneinander, wobei eine Flachseite der Bipolarplatte als Kathodenplatte und die andere als Anodenplatte gilt. Bezüglich allgemeiner Informationen zum Aufbau von Brennstoffzellensystemen wird auf die Voranmeldung der selben Anmelderin vom 14. Oktober 2002 (Titel "Brennstoffzellensystem", internes Aktenzeichen RZ 17/02) verwiesen, der dortige Offenbarungsgehalt soll vollständig Teil der vorliegenden Anmeldung sein.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1. Diese ist im wesentlichen in der Draufsicht quadratisch und weist in ihrem Randbereich umlaufend eine Abfolge mehrerer Öffnungen auf. Diese Öffnungen sind Kühlmitteldurchgangsöffnungen 5, welche Bestandteil eines Versorgungs- bzw. "Interface"-Kanals sind sowie weitere Durchgangsöffnungen 6 bzw. 7, welche zum Beispiel zur Zu- oder Abführung von Betriebsmedien wie O₂ oder H₂ dienen. Optional sind außerdem Öffnungen zum Durchführen von Verspannungsbolzen zum mechanischen Verspannen des Brennstoffzellenstacks.
Die Bipolarplatte besteht aus zwei Plattenelementen, das in 1 sichtbare obere Plattenelement ist mit 2a bezeichnet.
In diesem Plattenelement 2a sind Kanalstrukturen eingearbeitet. Diese Kanalstrukturen sind eingeprägt, dass sie aus der Blattebene herausragen. Dies sind zum einen erste Kanalstrukturen 4a, welche sich laschenförmig an einer erste Aussparung 5' des oberen Plattenelementes 2a anschließen. Diese laschen- bzw. "U"-förmigen Einprägungen haben in ihrer Mitte eine weiße Fläche, welche andeutet, dass die entsprechend eingerandete Fläche erhaben ist und aus der Blattebene herausragt. Es sind mehrere der laschenförmigen Einprägungen nebeneinander angeordnet, welche mit ein und der selben ersten Aussparung 5' verbunden sind.
Außerdem sind zweite Aussparungen 5'' in dem oberen Plattenelement (welches identisch zu dem unteren Plattenelement 2b geformt ist) vorgesehen. Diese Aussparungen 5'' sind nicht direkt an Kanalstrukturen angrenzend bzw. zu diesen hin offen.
In Nachbarschaft zu der zweiten Aussparung 5'' sind allerdings Ausläufer 9 einer zweiten Kanalstruktur 4b gegeben. Es sind mehrere dieser Ausläufer 9 (in ihrer Zahl entsprechen sie der Anzahl der Laschen der ersten Kanalstruktur 4a) gegeben. In Anordnung und Abmessungen sind diese Ausläufer 9 sowie die Laschen der ersten Kanalstruktur 4a so bemessen, dass bei Aufeinanderlegung des oberen Plattenelementes 2a und des unteren Plattenelementes 2b (jeweils mit den Ausprägungen nach außen hin aufgelegt) sich ein seitlich geschlossener Zu- oder Abführungskanal bildet, wie dies in 3 gezeigt ist.
Die zweiten Kanalstrukturen 4b sind bei dem Plattenelement 2a (und natürlich auch bei dem identischen Plattenelement 2b) voneinander getrennt.
Es kann also gesagt werden, dass die Plattenelemente 2a, 2b eingeprägte erste (4a) und zweite (4b) Kanalstrukturen aufweisen, wobei die ersten Kanalstrukturen dergestalt sind, dass die Begrenzungswände der Zuführ- und/oder Ableitungskanäle bilden und die zweiten Kanalstrukturen dergestalt sind, dass die Außenflächen der Bipolarplatte ein Flowfield zur Verteilung von Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems darstellen.
Dieses Flowfield ist zum Beispiel mit Bezug auf 1 so realisiert, dass aus der unten links angeordneten Durchgangsöffnung 7 zum Beispiel Wasserstoff herangeführt wird und dieser dann zu den senkrecht auf die Durchgangsöffnung hinweisenden Kanälen geleitet wird. Diese Kanäle sind nach oben hin von einer Brennstoffzelle abgedeckt (s. 2), so dass der Wasserstoff in 1 zunächst in der Blattebene senkrecht nach oben wandert, anschließend eine Wendung nach rechts vollzieht, dort eine gewisse Strecke lang geführt wird bis zum rechten Umkehrpunkt der mäanderförmig geführten Kanäle, nach dem Umkehrpunkt wieder in der Blattebene nach links geführt wird bis zum linken Umkehrpunkt, schließlich wieder nach rechts geführt wird und bei Erreichung des Umkehr punktes dann in der Blattebene senkrecht nach oben geführt wird, bis schließlich der verbliebene (nicht reagierte) Wasserstoff durch die korrespondierende Durchgangsöffnung 7 (in 1 oben rechts) wieder zu dem Versorgungskanal abgeführt wird. Der Vorteil dieser "Mäanderführung" besteht darin, dass das Betriebsmedium Wasserstoff überall die gleichen Wege zurücklegt und dass durch die Diagonalführung bzw. Mehrfachführung im Zentralbereich ausreichende Kontaktzeiten zu der darüber angeordneten Brennstoffzelle hin gegeben sind.
Auf dem unteren Plattenelement 2b der Bipolarplatte 1 ergibt sich für die Führung von Sauerstoff das selbe Verhältnis, wobei hier der Sauerstofffluss zwischen den Durchgangsöffnungen 6 oben bzw. unten links erfolgt. Insgesamt ist also festzustellen, dass die beiden Betriebsmedien H₂ bzw. O₂ zueinander im Kreuzstrom geführt sind, diese ergibt insbesondere mit der erfindungsgemäßen Kühlung im Inneren der Bipolarplatte einen guten Wirkungsgrad eines erfindungsgemäß aufgebauten Brennstoffzellenstacks.
Zur Abdichtung der Durchgangsöffnungen 5, 6 bzw. 7 sowie des Flowfields sind 1 nicht dargestellte Dichtungen vorgesehen, welche als aufgebrachte Elastomerdichtungen, als eingelegte Kunststoffrahmen mit integrierter Dichtfunktion oder auch als eingeprägte Sickendichtungen darstellbar sind.
Eine Besonderheit der in 1 gezeigten Bipolarplatte 1 ist, dass hier ein oberes Plattenelement 2a auf ein unteres Plattenelement 2b aufgelegt, ist, wobei beide Plattenelemente eine identische Struktur haben. Die erfindungsgemäße Ergänzung von erster und zweiter Kanalstruktur, wenn die Kühlmitteldurch gangsöffnungen 5 fluchtend aufeinander liegen, ist dadurch gegeben, dass die Plattenelemente 2a bzw. 2b bezüglich ihrer Plattenebene eine punktsymmetrische Struktur aufweisen. Dies ist durch Einprägung in entsprechenden Formwerkzeugen leicht für Plattenelemente aus Metallen, etwa Edelstahl, Titan, Nickel oder Aluminium zu erreichen:
Es ist also oben ausführlich ein Plattenelement 2a bzw. 2b zum Aufbau einer aus zwei Plattenelementen aufgebauten Bipolarplatte beschrieben, wobei zwischen den Plattenelementen ein Hohlraum zur Kühlmittelführung angeordnet ist und die Plattenelementeaussparungen 5', 5'' zur Ausbildung von Kühlmitteldurchgangsöffnungen (jeweils zwei fluchtende übereinanderliegende Aussparungen bilden eine Kühlmitteldurchgangsöffnung) und in den Plattenelementenkanalstrukturen 4a, 4b eingeprägt sind. Zu den ersten Aussparungen 5' hin offene und zu den zweiten Aussparungen 5'' hin geschlossene erste Kanalstrukturen 4a sind zur Bildung von Zuleit- und Abführkanälen vorgesehen (s. 3). Zweite Kanalstrukturen 4b im Zentralbereich der Plattenelemente 2a, 2b sind zur Leitung von Fluiden in der Plattenebene vorgesehen, wobei die ersten und zweiten Kanalstrukturen der Plattenelemente voneinander getrennt sind.
2 zeigt eine Ansicht B der Bipolarplatte 1 aus 1. Hier sind das obere Plattenelement 2a sowie das damit im Randbereich flüssigkeitsdicht verbundene untere Plattenelement 2b gezeigt. Es sind außerdem oben links die Kanaleingänge angedeutet, in welche das aus der in 1 unten links angeordneten Durchgangsöffnung strömende Wasserstoffgas einläuft. Entsprechend sind in 2 unten rechts Kanäle für die Leitung von Sauerstoff angezeigt. Auf den Flachseiten oben bzw. unten der Bipolarplatte sind Brennstoffzellen 10 bzw. 11 schematisch gezeigt, hier finden chemische Reaktionen der durch das Flowfield verteilten Betriebsmedien statt zur Erzeugung von elektrischer Spannung in einem Brennstoffzellenstack.
3 zeigt einen Schnitt gemäß A-A durch die Bipolarplatte nach 1.
Hier ist nochmals gezeigt, wie das obere Plattenelement 2a auf dem unteren Plattenelement 2b zur Bildung der Bipolarplatte aufliegt. Gezeigt ist in diesem Ausschnitt eine erste Aussparung 5' des unteren Plattenelementes, welche fluchtend zur Hauptebene der Bipolarplatte mit der zweiten Aussparung 5'' angeordnet ist. Zusammen bildet die fluchtende Anordnung der Aussparung 5' sowie 5'' eine Kühlmitteldurchgangsöffnung 5. Die erste Aussparung 5' ist zu einer ersten Kanalstruktur 4a hin offen, die zweite Aussparung 5'' ist zu der in Entfernung hiervon angeordneten Kanalstruktur 4b hin nicht direkt (d.h. "innerhalb des selben Plattenelements") offen.
Der Pfeil in 3 deutet an, wie ein Kühlmedium, zum Beispiel Wasser, in eine erste Kanalstruktur 4a (etwa eine Lasche, wie in 1 gezeigt) eindringt, welche somit einen Zuführungs- bzw. Ableitungskanal 8 bildet. Durch diesen "Adapter" gelangt die Flüssigkeit in das Innere der Bipolarplatte 1 (in 3 ist gut zu sehen, dass der Kanal 8 mit dem Hohlraum 3 verbunden ist, dies liegt daran, dass der Kanal 8 zu den zweiten Kanalstrukturen 4b hin offen ist und somit eine Kühlmittelzuleitung in den Hohlraum 3 der Bipolarplatte 1 möglich macht.
Es ist somit besonders günstig, dass durch eingepräg te Kanalstrukturen der Plattenelemente, welche auf der Außenseite zur Medienführung von H₂ bzw. O₂ dienen, durch die "Negativprägung" im inneren Hohlraum 3 eine gezielte Kühlmittelfluidführung stattfindet. Durch die insgesamt vier Durchgangsöffnungen 5, welche Zu- bzw. Ableitungskanäle 8 aufweisen, ist hier eine gezielte Kühlmittelführung und somit eine homogene Temperaturverteilung über die Fläche der Bipolarplatte hinweg möglich.
Es ist hier somit eine Bipolarplatte 1 für Brennstoffzellensysteme gezeigt, welche zwischen zwei Plattenelementen 2a, 2b der Bipolarplatte einen Hohlraum zur Einleitung eines Kühlmediums aufweist, wobei die Plattenelemente jeweils Kanalstrukturen 4a, 4b aufweisen zur Führung von in der oder um die Bipolarplatte geführter Medien und der Hohlraum 3 über mindestens einen Zuführ- und/oder Ableitungskanal 8 mit fluchtenden Aussparungen 5', 5'' der einzelnen Plattenelemente zur Kühlmittelversorgung zu dem Hohlraum hin verbunden ist. Die Kanalstrukturen 4a, 4b beider Plattenelemente sind im wesentlichen identisch. Die Plattenelemente weisen mindestens eine erste Aussparung 5' auf, welche zu dem Hohlraum 3 hin offen ist und außerdem mindestens eine zweite Aussparung 5'', welche zu dem Hohlraum 3 hin geschlossen ist. Mindestens eine erste Aussparung 5' des einen Plattenelementes 2b ist mit einer zweiten Aussparung 5" des anderen Plattenelements 2a zur Bildung einer Kühlmitteldurchgangsöffnung 5 durch die Bipolarplatte hindurch fluchtend angeordnet, wie in 3 gut zu sehen ist.
Beim Herstellen der Bipolarplatte werden nach Prägung der Plattenelemente und Herstellung der darin vorgesehenen Öffnungen diese wie oben beschrieben so auf einander angeordnet, dass ein Hohlraum 3 zur Aufnahme von Kühlmedien entsteht und dass sich Zu- bzw. Ableitkanäle 8 von mindestens einer Kühlmitteldurchgangsöffnung 5 zu dem Hohlraum 3 hin bilden, die Fügung der Plattenelemente findet zum Beispiel im Falle dünner Metallplatten vorzugsweise durch Kleben, Löten oder Laserstrahlschweißen statt.
Mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist auf einfache Weise ein Brennstoffzellensystem, welches mehrere dieser Bipolarplatten enthält, großindustriell herstellbar.

Claims

Bipolarplatte (1) für Brennstoffzellensysteme welche zwischen zwei Plattenelementen (2a; 2b) der Bipolarplatte einen Hohlraum (3) zur Einleitung eines Kühlmediums aufweist, wobei die Plattenelemente jeweils Kanalstrukturen (4a, 4b) aufweisen zur Führung von in der oder um die Bipolarplatte geführter Medien, und der Hohlraum (3) über mindestens einen Zuführ- und/oder Ableitungskanal (8) mit fluchtenden Aussparungen (5'; 5'') der einzelnen Plattenelemente zur Kühlmittelversorgung zu dem Hohlraum hin verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen (4a, 4b) beider Plattenelemente im wesentlichen identisch sind und die Plattenelemente mindestens eine erste Aussparung (5'), welche zu dem Hohlraum (3) hin offen ist und mindestens eine zweite Aussparung (5''), welche zu dem Hohlraum (3) hin geschlossen ist, aufweisen, wobei mindestens eine erste Aussparung (5') des einen Plattenelements (2b) mit einer zweiten Aussparung (5'') des anderen Plattenelements (2a) zur Bildung einer Kühlmitteldurchgangsöffnung (5) durch die Bipolarplatte hindurch fluchtend angeordnet ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (1) zusätzlich zu den Kühlmitteldurchgangsöffnungen (5) hiervon getrennte Durchgangsöffnungen (6; 7) für Betriebsmedien aufweist.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente (2a; 2b) jeweils zwei, vier oder acht Durchgangsöffnungen (5; 6; 7) aufweisen.
Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte an zwei oder vier Kühlmitteldurchgangsöffnungen (5) Zuführ- und/oder Ableitungskanäle aufweist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente (2a; 2b) eingeprägte erste (4a) und zweite (4b) Kanalstrukturen aufweisen, wobei die ersten Kanalstrukturen (4a) dergestalt sind, dass sie Begrenzungswände der Zuführ- (8) und/oder Ableitungskanäle bilden und die zweiten Kanalstrukturen (4b) dergestalt sind, dass die Außenflächen der Bipolarplatte ein Flowfield zur Verteilung von Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems darstellen.
Bipolarplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanalstrukturen (4b) auf den sich gegenüberliegenden Flachseiten der Bipolarplatte so gestaltet sind, dass die Medien auf den gegenüberliegenden Flachseiten im Kreuzstrom zueinander geführt sind.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen zur fluiddichten Abgrenzung des inneren Hohlraums sowie der Durchgangsöffnungen (5; 6; 7) vorgesehen sind.
Plattenelement (2a, 2b) zum Aufbau einer aus zwei Plattenelementen aufgebauten Bipolarplatte, wobei zwischen den Plattenelementen ein Hohlraum (3) angeordnet ist und die Plattenelemente Aussparungen (5'; 5'') zur Bildung von Kühlmitteldurchgangsöffnungen aufweisen und in den Plattenelementen Kanalstrukturen (4a; 4b) eingeprägt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zu ersten Aussparungen (5') hin offene und zu zweiten Aussparungen (5'') hin geschlossene erste Kanalstrukturen zur Bildung von Zuleit- und Abführkanälen vorgesehen (4a) sind und zweite Kanalstrukturen (4b) im Zentralbereich der Plattenelemente zur Leitung von Fluiden in der Plattenebene gegeben sind, wobei die ersten und zweiten Kanalstrukturen der Plattenelemente voneinander getrennt sind.
Plattenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kanalstrukturen als laschenförmige Einprägungen (4a) ausgeführt sind.
Plattenelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der laschenförmigen Einprägungen nebeneinander vorgesehen sind, welche mit ein und derselben ersten Aussparung verbunden sind.
Plattenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Plattenebene eine im Wesentlichen punktsymmetrische Struktur aufweist.
Plattenelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus Edelstahl, Titan, Nickel oder Aluminium besteht.
Brennstoffzellensystem, enthaltend eine Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus zwei Plattenelementen nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im wesentlichen identische Plattenelemente (2a, 2b) mit eingeprägten Kanalstrukturen hergestellt werden und anschließend so aufeinander angeordnet werden, dass ein Hohlraum (3) zur Aufnahme von Kühlmedium entsteht und dass sich Zu- und/oder Ableitkanäle (8) von mindestens einer Kühlmittel-Durchgangsöffnung (5) zu dem Hohlraum (3) hin bilden.