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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine aus Plattenelementen aufgebaute
Bipolarplatte für Brennstoffsysteme
sowie deren Verwendung in einem Brennstoffzellensystem.
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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 Abtransport 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.
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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.
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Als
Alternative ist auch bekannt, metallische Bipolarplatten aus Metallen
wie Edelstahl oder 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.
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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 Ablei tungskanal mit fluchtenden Aussparungen der einzelnen
Plattenelemente zur Kühlmittelversorgung
zu dem Hohlraum hin verbunden.
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Es
ist offensichtlich, dass die Formgebung für eine solche Bipolarplatte üblicherweise
mit hohem Aufwand verbunden ist.
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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.
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Die
JP 01-100865 A zeigt eine Bipolarplatte, welche einen inneren Hohlraum
aufweist, in welchem ein Betriebsmedium (operation medium 7) abgedichtet
gehalten ist. Es ist allerdings nicht gezeigt, dass die dortige
Bipolarplatte aus zwei Plattenelementen besteht, welche einen Hohlraum
mit fluchtenden Aussparungen einzelner Plattenelemente zur Kühlmittelversorgung
zu einem Hohlraum hin aufweist. Darüber hinaus sind auch keine
Plattenelemente mit Kanalstruktu ren gezeigt, welche im Aufbau im
wesentlichen identisch sind.
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Die
US 2002/0179230 A1 zeigt eine zweiteilige Bipolarplatte, welche
allerdings keinen Hohlraum zur Einleitung eines Kühlmediums
aufweist, wobei der Hohlraum über
mindestens einen Zuführ- und/oder
Ableitungskanal mit fluchtenden Aussparungen einzelner Plattenelemente
zur Kühlmittelversorgung
zu dem Hohlraum hin verbunden wäre.
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Die
US 2003/0003343 A1 zeigt ein Verfahren zum Aufbau von Brennstoffzellensystemen
aus verschiedenen Schichten. Hierbei sind beispielsweise auch Bipolarplatten
mit einem inneren Hohlraum zur Kühlung
aus drei Plattenebenen aufbaubar. Hierbei sind zwei plattenförmige "cooling fluid barrier
60" durch einen
dazwischen liegenden "cooling
fluid frame 62" getrennt.
Auf den Außenseiten
der aus diesen drei Lagen aufgebauten Bipolarplatte schließt sich
ein "anode cell
frame 58" bzw. auf
der anderen Seite ein "cathode
cell frame 64" an.
Die aus den drei Schichten aufgebaute Bipolarplatte weist fluchtende Aussparungen
auf, welche Teil eines "Interface-Kanals" sind. Zur Zuleitung
von Kühlflüssigkeit
von diesem Interface-Kanal
in den Hohlraum der Bipolarplatte ist im Bereich des cooling fluid
barrier ein "inlet
manifold 65" ausgeführt, welcher
zu dem Kühlraum
des cooling fluid barrier hin offen ist. Die genannte Bipolarplatte
ist nicht aus zwei Plattenelementen aufgebaut, sondern aus mindestens
drei Plattenelementen. Dies ist dort zwingend, da durch die mittlere
Platte der Kühlraum
vorgegeben wird und das Einströmen
durch das querschnittssveränderte "inlet manifold 65" bewerkstelligt wird.
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Die
US 2003/0160357 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Plattenelementen,
welche Kanalstrukturen aufweisen. Der Aufbau von aus identischen
Plattenelementen aufgebauten Bipolarplatten mit einem dazwischen
liegenden Hohlraum ist dort nicht gezeigt.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch Gegenstände nach
den unabhängigen
Ansprüchen
dieser Patentanmeldung gelöst.
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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.
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Es
wird hierbei ausgenutzt, dass die Plattenelemente, welche die Bipolarplatte
aufbauen, im wesentlichen gleich sind. Der Ausdruck "dass die Kanalstrukturen
beider Plattenelemente identisch sind" soll hierbei bezeichnen, dass die Plattenelemente
zum Beispiel in einem identischen Prägewerkzeug geprägt werden
konnten. D.h., dass die wesentlichen Merkmale der Plat tenelemente,
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.
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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.
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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 dem 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.
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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.
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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.
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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.
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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
Plat tenelementes 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.
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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 ionenleitfähige 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 Temperaturver teilung
innerhalb der Bipolarplatte, da sich wenig Totzonen 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.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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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 einzeinen 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.
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Insbesondere
ein Vorteil des oben gezeigten Konzeptes ist es, dass die Bipolarplatte
an zwei, vier oder noch mehr Kühlmitteldurchgangsöffnungen
Zuführ- und/oder Ableitungskanäle 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.
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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 Strömungsfeld
zur Verteilung von Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems darstellen.
In die Plattenelemente der Bipolarplatte sind somit zwei verschiedene Arten
von Kanalstrukturen eingebracht. Die ersten sind quasi "Adapterstücke" 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 geregelter 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 Strömungsfeld-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 Kühlmediums
mit dem Betriebsmedium stattfindet, welcher den Wirkungsgrad der
Gesamtanordnung nochmals erhöht.
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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.
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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 Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk-(EPDM)-Dichtungen)
vorgesehen sind. Es ist allerdings auch möglich, dass zum Beispiel metallische
Sickendichtungen diese Funktion übernehmen,
wie sie zum Beispiel in der Voranmeldung derselben Anmelderin unter
dem Aktenzeichen der deutschen Patentanmeldung, veröffentlicht
als
DE 101 58 772
A1 , 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, welche als
DE
102 48 531 A1 veröffentlicht
ist. 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.
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Bezüglich der
Plattenelemente selbst, welche die Bipolarplatte aufbauen, sind
auch verschiedene Ausführungsformen
möglich.
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So
ist es zum Beispiel möglich,
dass die ersten 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 Durch gangsöffnung 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" bilden).
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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.
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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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
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2 eine
Ansicht gem. B von 1 mit zusätzlich schematisch dargestellten
an die Bipolarplatte angrenzenden Brennstoffzellen sowie
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3 einen
Schnitt der Bipolarplatte nach 1 gem. A-A.
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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.
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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.
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Die
Bipolarplatte besteht aus zwei Plattenelementen, das in 1 sichtbare
obere Plattenelement ist mit 2a bezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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Die
zweiten Kanalstrukturen 4b sind bei dem Plattenelement 2a (und
natürlich
auch bei dem identischen Plattenelement 2b) voneinander
getrennt.
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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 Strömungsfeld
zur Verteilung von Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems darstellen.
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Dieses
Strömungsfeld
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 Umkehrpunktes 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.
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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 Kreuz strom geführt
sind, diese ergibt insbesondere mit der erfindungsgemäßen Kühlung im Inneren
der Bipolarplatte einen guten Wirkungsgrad eines erfindungsgemäß aufgebauten
Brennstoffzellenstacks.
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Zur
Abdichtung der Durchgangsöffnungen 5, 6 bzw. 7 sowie
des Strömungsfelds
sind 1 nicht dargestellte Dichtungen vorgesehen, welche
als aufgebrachte Elastomerdichtungen, als eingelegte Kunststoffrahmen
mit integrierter Dichtfunktion oder auch als eingeprägte Sickendichtungen
darstellbar sind.
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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 Kühlmitteldurchgangsöffnungen 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.
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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.
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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 Strömungsfeld
verteilten Betriebsmedien statt zur Erzeugung von elektrischer Spannung
in einem Brennstoffzellenstack.
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3 zeigt
einen Schnitt gemäß A-A durch die
Bipolarplatte nach 1.
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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 Kühlmitteldurchgangsöff nung 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.
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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.
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Es
ist somit besonders günstig,
dass durch eingeprägte
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.
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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.
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Beim
Herstellen der Bipolarplatte werden nach Prägung der Plattenelemente und
Herstellung der darin vorgesehenen Öffnungen diese wie oben beschrieben
so aufeinander 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.
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Mit
der erfindungsgemäßen Bipolarplatte
ist auf einfache Weise ein Brennstoffzellensystem, welches mehrere
dieser Bipolarplatten enthält,
großindustriell
herstellbar.