WO2017102357A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine brennstoffzelle Download PDF

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WO2017102357A1
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fluid distributor
separator
distributor
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Ulrich Sauter
Jan Hendrik OHS
Peter Lindner
Stefan Schoenbauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a
  • Bipolar plate for a fuel cell according to the preamble of the independent method claim and a polar plate according to the independent
  • Fuel cells are electrochemical energy converters in which, for example.
  • Generic fuel cells or fuel cell stacks are constructed of alternating membrane electrode units and bipolar plates arranged one above the other. Here are the serve
  • Bipolar plates for supplying the electrodes with educts and for cooling the fuel cell stack.
  • the bipolar plates have a distributor structure which carries educt-containing fluids along the electrodes.
  • the distribution structures serve a cooling fluid along the other
  • Distribution structures are designed as channels, whereby the different fluids are conductive.
  • the method is used for producing a bipolar plate for a fuel cell, the bipolar plate having at least one fluid distributor, along which at least one fluid can flow on both sides, at least a first reaction fluid on the first side and at least one cooling fluid separated on the second side is.
  • the bipolar plate includes a separator element spaced apart from the fluid distributor and at least one structural element, wherein the separator element is arranged between the fluid distributor and the structural element and at least one second reaction fluid can be flowed along the structural element.
  • a cell consists of a membrane electrode assembly (MEA plate) and a bipolar plate.
  • MEA plate membrane electrode assembly
  • bipolar plate bipolar plate
  • a stack formed therefrom (stack) has a multiplicity of bipolar plates and MEAs, ie a plurality of cells which are sandwiched together.
  • the bipolar plate according to the invention thus consists of a fluid distributor, a separator at least partially spaced apart therefrom and at least one structural element.
  • the fluid distributor serves to guide at least a first reaction fluid and a cooling fluid separated therefrom into the cell.
  • the structural element Separated by the separator element, the structural element is arranged, which serves to guide an at least second reaction fluid into the cell.
  • the resulting stack is called a bipolar plate and is sandwiched by the membrane electrode units. Parallel to the membrane electrode units, the fluids are conducted through the bipolar plate, so that electrical current can be conducted into an external circuit perpendicular to the bipolar plate or membrane electrode units.
  • the fluid distributor, the separator element and / or the structural element are thermally joined together in an electrically conductive manner.
  • Forming interfaces between the fluid distributor, the separator and / or the structural element can be reduced.
  • the structural element has the largest possible surface area and at the same time optimum flow distribution, whereby an optimal distribution of the second reaction fluid over the surface and an optimized liquid water discharge and thus very high current or power densities are achieved.
  • the fluid distributor and / or the separator element are designed such that tubular, channel-like, wave-shaped and / or serpentine passages form along the fluid distributor and / or the separator element, through which the cooling fluid and / or the at least first reaction fluid can be conducted.
  • the channel structures or tube structures are formed according to the invention with a lower height than the structural element. Accordingly, the sandwich structure of the fuel cell and in particular the height of the bipolar plate within the sandwich structure can be achieved by means of the separator elements and fluid distributors designed according to the invention.
  • the first reaction fluid is hydrogen (H2) and the cooling fluid is water (H2O), with hydrogen along the first reaction fluid
  • the channel formed by the fluid manifold is bounded on one side by the membrane electrode assembly (MEA plate) and on the other side by the fluid manifold. Water flows as cooling fluid on the second side of the fluid distributor and is separated from the second reaction fluid to the other side by the separator element. On the second
  • the structural element is arranged, through which the second reaction fluid, preferably air, flows, wherein the
  • the fluid distributor, the separator element and / or the structural element are connected to one another in a material-locking manner, so that the ohmic resistances are connected to the
  • connection partners achieved a seal, in particular for fluids and / or dirt, whereby the use of additional seals can be substantially saved. Accordingly, will prevents a fluid or hydrogen from escaping from the cell, therefore, the joints act as a seal.
  • the fluid distributor, the separator element and / or the structural element can be sintered, soldered and / or welded, in particular laser-welded, at least in sections.
  • fine-grained ceramic or metallic substances are often heated under elevated pressure, but the temperatures remain below the melting temperature of the main components, so that the shape of the joining partners is maintained.
  • Soldering is a thermal process for cohesive joining of the two joining partners, wherein a liquid phase is formed by melting a solder or by diffusion at the interfaces of the joining partners. Soldering is at comparatively low temperatures compared to others
  • thermal joining method feasible, so that damage to other components by soldering can be reduced.
  • the thermal energy is introduced by means of a soldering iron, the flame of a soldering torch, hot air, hot steam, heat radiation, laser, induction, ultrasound, electron beam or arc.
  • Further advantages in soldering result from the cleanliness of the solder joints, so that optimum through-connection of the two joining partners can be achieved. It is conceivable that between the joining partners a solder foil is arranged, which melts by introducing thermal energy and thus creates a material connection. As a result, a sealing function is achieved, so that a seal against the environment is achieved.
  • Welding, and in particular laser welding enables joining partners to be joined with a high welding speed, a narrow and slender weld shape and low thermal distortion.
  • laser welding can be dispensed with additional materials for joining the two connection partners.
  • Advantages of laser-welded components result due to the low, concentrated energy input by the laser welding process in the workpiece. This allows a low thermally induced distortion of the components.
  • the laser welding a joining process with a comparatively large working distance and the free choice of the ambient atmosphere.
  • the fluid distributor and / or the separator element may be at least partially topographical
  • This topographic profile can, for. B. by impressions in the fluid distributor and / or the Separatorelement be achieved.
  • the fluid distributor and / or the separator element can be designed in the form of a sheet, so that in a stamping process step, the topographic profile can be introduced into the sheet of the fluid distributor or the separator. This is in a simple and inexpensive way one or more
  • Flow properties of the cooling fluid or the first reaction fluid can be positively influenced by the formation of the fluid channels.
  • the fluid channels have directional changes in their course (for example serpentine).
  • Separator element and / or the structural element according to the invention can be carried out sequentially or simultaneously.
  • the permeable and in particular foam structure of the structural element allows in the PEM fuel cell on the side of the second reaction fluid, which is preferably air or oxygen, an optimal air distribution over the active surface and an optimized liquid water discharge and thus very high power or To achieve power densities. Due to the plurality of cavities and / or pores which are generated by the foam structure, the second reaction fluid in a be distributed optimally along the active surface. Accordingly, the structural element is formed as a porous three-dimensional structure.
  • the structural element may comprise a metallic material and / or a carbon, which may, for example, be a
  • Metal wire mesh in particular an expanded metal or a porous
  • Metal foam can act.
  • the structural element may have a carbon and thus a carbonaceous, porous
  • the second reaction fluid in the form of the oxidizing agent can be distributed over such a large area by such structural elements.
  • Separator element and / or the structural element have at least one seal, whereby the fluid distributor, the separator element and / or the structural element are arranged fluid-tight to each other.
  • the seal is preferably arranged at least partially circumferentially around the bipolar plate, in particular the fluid distributor, the separator element and / or the structural element.
  • the seal may, for example, be injection-molded and preferably comprise a polymer. In this way, on the one hand, the fluid distributor, the
  • Separator element and / or the structural element to be formed fluid-tight to each other and at the same time is thus achieved that the different channel sections are protected from contamination, so that no dirt can penetrate into the bipolar plate from the outside.
  • the seal achieved by the seal that no hydrogen can escape.
  • the sealing material for example, a polymer can be used. The seal can be used as the sealing material.
  • the seal may be made substantially plastic, wherein preferably a thermoplastic is used as the sealing material.
  • the fluid distributor, the separator element and / or the structural element has at least one end element, wherein the seal can be arranged on the end element.
  • the closure element can be formed integrally with the separator, the fluid distributor and / or the structural element.
  • the terminating element in formed an embossing process, wherein preferably the closing element can be formed in the same embossing process step as the topographic profile of the fluid distributor.
  • the closing element is shaped such that a seal can be arranged, in particular be sprayed or clamped on the end element.
  • the closing element can have a receptacle in which the seal can be arranged (for example, clamped).
  • the sealing material in the receptacle, for. B. be injected in the form of a polymer or it can be inserted or clamped a solid thermoplastic.
  • the fluid distributor may be substantially V-shaped or substantially trapezoidal.
  • the fluid distributor is formed in a stamping process V-shaped or substantially trapezoidal.
  • the fluid distributor has a multiplicity of V-shaped sections which, when lined up, give a serrated profile, so that the first reaction fluid, in particular hydrogen, or the cooling fluid, in particular water, can be conducted through the V-shaped or serrated profile.
  • the first reaction fluid in particular hydrogen
  • the cooling fluid in particular water
  • Fluid distributor is trapezoidal, so that at least partially trapezoidal channels has by the embossing process of the configured in particular as a sheet metal fluid distributor at least partially.
  • the fluid distributor can have rectangular channels by an embossing process.
  • the fluid distributor is wave-shaped, so that it is, for example, conceivable that the fluid distributor as a kind of corrugated metal sheet within the
  • Bipolar plate is formed.
  • a polar plate in particular monopolar plate, bipolar plate or end plate
  • a fuel cell for a fuel cell.
  • the polar plate according to the invention in particular monopolar plate, bipolar plate or end plate, is produced by a method according to the invention, so that the polar plate according to the invention brings with it all advantages, as have been described in detail with reference to the method according to the invention. Preferred embodiments
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows another embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • Bipolar plate 10 is shown, wherein the bipolar plate has a fluid distributor 11 along which both sides of at least one fluid is flowable.
  • the bipolar plate 10 has a structural element 13 and a separator element 12 arranged between the structural element 13 and the fluid distributor 11.
  • This sandwich-type fuel cell stack is delimited at the top and bottom by the two MEA plates 20.
  • the fluid distributor 11 is formed in the figure 1 as an embossed sheet with V-shaped sections.
  • the fluid channels 14 are formed by the V-shaped sections.
  • the first reaction fluid (hydrogen) flows through the fluid channels 14 formed.
  • Below the fluid element 11 flows through the formed fluid channels 14 the cooling fluid (water), which flows from the
  • Separator element 12 is separate from the structural element 13. By the Structural element 13 flows the second reaction fluid (oxygen). Of the
  • Fluid distributor 11, the separator 12 and the structural element 13 have a plurality of contact points K with each other.
  • contact points form between the fluid distributor 11 and the separator element 12 and between the separator element 12 and the structural element 13.
  • the structural element 13, the separator element 12 and / or the fluid distributor 11 are joined together, in particular
  • Joining partners 11, 12, 13 are joined together by laser welding in a welding process in a welding process step. It is furthermore conceivable that the fluid distributor 12 and at least the upper MEA plate 20 have at least one contact point at which they are joined. Between the MEA plates 20 and the separator 12 seals 16 are arranged, which seal the fluid channels 14 and the different fluid channels of the bipolar plate 10 from each other. It is conceivable that first the structural element 13 with the separator element 12 and then the separator element 12 with the fluid distributor 11 in particular is welded. According to the invention it is also conceivable that the fluid distributor 11, the separator 12 and the structural element 13 in a single
  • Joining process step are joined together.
  • the outer MEA plates 20 can be placed on the thus formed sandwiched bipolar plate 10.
  • at least one seal 16 can be arranged on the bipolar plate 10 after the joining process.
  • the structural element 13 is foamed and has a plurality of pores 15 and / or cavities 15, as a result of which the at least second reaction fluid can be flowed.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention
  • Bipolar plate 10 wherein the bipolar plate 10 in this case has two MEA plates 20, between which the fluid distributor 11, the separator 12 and the structural element 13 are arranged.
  • the fluid distributor 11 has a trapezoidal shape in FIG. 2 and thus forms trapezoidal fluid channels 14, through which the first process fluid, the first reaction fluid and the cooling fluid can be conducted.
  • the structural element 13 Separated by the separator element 12, the structural element 13 is arranged, which in FIG. 2 is designed as a metal wire mesh 13.
  • the metal wire mesh 13 has a plurality of pores 15 or
  • the bipolar plate 10 has a sandwich-type construction, wherein at least the fluid distributor 11 and the separator element 12 as well as the
  • Structural element 13 have a plurality of contact points K, to which the joining partners 11, 12, 13 joined together, in particular laser welded, are. Accordingly, in accordance with FIG. 2, in a first step the structural element 13 with the separator element 12 and subsequently or simultaneously the separator element 12 with the fluid distributor 11 are joined together. In addition, it is conceivable that all join partners 11, 12, 13, provided that they have a metallic material, are joined in one step and, after the fact, the seals 16 are put in afterwards.
  • the closing element 17 is formed in one piece with the fluid distributor 11 or the separator element 12 in FIG. By an embossing process, both the trapezoidal configuration of the fluid distributor 11 and the geometry of the closing element 17 is formed. At the end element 17 seals 16 are arranged. These can be injected or inserted according to the invention either to the end element 17. For this purpose, the closing element 17 recordings, which are formed by the embossing, so that a positive connection by inserting or
  • Injection of the seal 16 can be achieved. It is furthermore conceivable that the fluid distributor 12 and at least the upper MEA plate 20 have at least one contact point at which they are joined.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend zumindest einen Fluidverteiler (11) entlang dessen beidseitig zumindest ein Fluid strömbar ist, wobei an der ersten Seite zumindest ein erstes Reaktionsfluid und an der zweiten Seite zumindest ein davon getrenntes Kühlfluid strömbar ist, zumindest ein von dem Fluidverteiler (11) abschnittsweise beabstandetes Separatorelement (12) und zumindest ein Strukturelement (13), wobei das Separatorelement (12) zwischen dem Fluidverteiler (11) und dem Strukturelement (13) angeordnet ist und wobei entlang des Strukturelementes (13) zumindest ein zweites Reaktionsfluid strömbar ist und der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das Strukturelement (13) miteinander thermisch zusammengefügt werden.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruch und einer Polarplatte gemäß dem unabhängigen
Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw.
Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Gattungsgemäße Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufgebaut. 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. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren
Verteilerstrukturen zu führen. Diese Verteilerstrukturen sind dabei als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß dient das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Fluidverteiler, entlang dessen beidseitig zumindest ein Fluid strömbar ist, aufweist, wobei an der ersten Seite zumindest ein erstes Reaktionsfluid und an der zweiten Seite zumindest ein davon getrenntes Kühlfluid strömbar ist. Darüber hinaus umfasst die Bipolarplatte ein von dem Fluidverteiler abschnittsweise beabstandetes Separatorelement und zumindest ein Strukturelement, wobei das Separatorelement zwischen dem Fluidverteiler und dem Strukturelement angeordnet ist und wobei entlang des Strukturelementes zumindest ein zweites Reaktionsfluid strömbar ist. Erfindungs- gemäß ist es vorgesehen, dass der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement miteinander thermisch zusammengefügt werden.
Eine Zelle besteht aus einer Membranelektrodeneinheit (MEA- Platte) und einer Bipolarplatte. Ein daraus gebildetes Stack (Stapel) weist dabei ein Vielzahl an Bipolarplatten und MEAs, also mehrere Zellen auf, welche sandwichartig zusammengesetzt sind.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahre beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte besteht somit aus einem Fluidverteiler, einem dazu zumindest abschnittsweise beabstandeten Separatorelement sowie zumindest einem Strukturelement. Der Fluidverteiler dient dazu, zumindest ein erstes Reaktionsfluid und ein davon getrenntes Kühlfluid in die Zelle zu leiten. Getrennt durch das Separatorelement ist das Strukturelement angeordnet, welches dazu dient ein zumindest zweites Reaktionsfluid in die Zelle zu leiten. Der somit entstandene Stapel wird als Bipolarplatte bezeichnet und wird von den Membranelektrodeneinheiten sandwichartig eingeschlossen. Parallel zu den Membranelektrodeneinheiten werden die Fluide durch die Bipolarplatte geleitet, sodass senkrecht zu der Bipolarplatte bzw. den Membranelektrodeneinheiten elektrischer Strom in einen externen Stromkreis geleitet werden kann. Hierfür werden erfindungsgemäß der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement elektrisch leitfähig miteinander thermisch zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass die elektrische Leistung im externen Stromkreis maximiert wird und die ohmschen Verluste innerhalb der Bipolarplatte, welche sich aus dem Bulk-Widerstand sowie dem Kontaktwiderstand an den
Grenzflächen zwischen dem Fluidverteiler, dem Separatorelement und/oder dem Strukturelement bilden, reduziert werden. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wird dieser Kontaktwiderstand minimiert, sodass die elektrische Leistung im externen Stromkreis maximiert wird. Das Strukturelement weist dabei eine möglichst große Oberfläche bei gleichzeitig optimaler Strömungsverteilung auf, wodurch eine optimale Verteilung des zweiten Reaktionsfluides über die Fläche sowie einen optimierten Flüssigwasser-Austrag und damit sehr hohe Strom- bzw. Leistungsdichten erzielt werden. Der Fluidverteiler und/oder das Separatorelement sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sich entlang des Fluidverteiler und/oder des Separatorelements röhren-, kanalartige, wellenförmige und/oder schlangenförmige Durchlässe bilden, durch die das Kühlfluid und/oder das zumindest erste Reaktionsfluid geleitet werden können. Die Kanalstrukturen bzw. Röhrenstrukturen werden dabei erfindungsgemäß mit einer geringeren Höhe als das Strukturelement ausgebildet. Dementsprechend kann die Sandwichstruktur der Brennstoffzelle und insbesondere die Höhe der Bipolarplatte innerhalb der Sandwichstruktur mithilfe der erfindungsgemäß ausgestalteten Separatorelemente und Fluidverteiler erzielt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Reaktionsfluid um Wasserstoff (H2) und bei dem Kühlfluid um Wasser (H2O), wobei Wasserstoff entlang der ersten
Seite des Fluidverteilers strömt. Der durch den Fluidverteiler gebildete Kanal wird zur einen Seite durch die Membranelektrodeneinheit (MEA- Platte) und zur anderen Seite durch den Fluidverteiler begrenzt. Auf der zweiten Seite des Fluidverteilers strömt Wasser als Kühlfluid und wird zur anderen Seite hin durch das Separatorelement von dem zweiten Reaktionsfluid getrennt. Auf der zweiten
Seite des Separatorelements ist das Strukturelement angeordnet, durch welches sich das zweite Reaktionsfluid, vorzugsweise Luft, strömt, wobei das
Strukturelement, auf der zweiten Seite durch die zweite MEA-Platte
abgeschlossen wird. Durch das erfindungsgemäße Fügeverfahren werden der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement stoffschlüssig miteinander verbunden, sodass die ohmschen Widerstände an den
Kontaktstellen reduziert werden können. Des Weiteren wird durch ein
stoffschlüssiges Fügen der Verbindungspartner eine Abdichtung, insbesondere für Fluide und/oder Schmutz erzielt, wodurch der Einsatz von zusätzlichen Dichtungen im Wesentlichen eingespart werden kann. Dementsprechend wird verhindert, dass ein Fluid bzw. Wasserstoff aus der Zelle austreten kann, daher die Fügestellen als eine Dichtung fungieren.
Vorteilhafterweise kann der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement zumindest abschnittsweise miteinander gesintert, gelötet und/oder geschweißt, insbesondere lasergeschweißt, werden. Beim Sintern werden feinkörnige keramische oder metallische Stoffe oft unter erhöhtem Druck erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, sodass die Gestalt der Fügepartner erhalten bleibt. Durch das Sintern entsteht der Vorteil, dass das Zusammenbringen von den beiden Fügepartnern ermöglicht wird, wobei Werkstoffe zum Einsatz kommen können, welche sich üblicherweise schwer oder gar nicht verbinden lassen. Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von den beiden Fügepartnern, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes oder durch Diffusion an den Grenzflächen der Fügepartner entsteht. Löten ist dabei mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen im Vergleich zu anderen
thermischen Fügeverfahren durchführbar, sodass eine Beschädigung anderer Bauteile durch das Löten reduziert werden kann. Beim Löten wird die thermische Energie mittels eines Lötkolbens, der Flamme eines Lötbrenners, Heißluft, heißem Dampf, Wärmestrahlung, Laser, Induktion, Ultraschall, Elektronenstrahl oder Lichtbogen eingebracht. Weitere Vorteile beim Löten ergeben sich durch die Sauberkeit der Lötstellen, sodass eine optimale Durchkontaktierung der beiden Fügepartner erzielbar ist. Dabei ist es denkbar, dass zwischen den Fügepartnern eine Lötfolie angeordnet wird, welche durch Einbringen von thermischer Energie schmilzt und somit eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Dadurch wird auch eine Dichtfunktion erzielt, sodass eine Abdichtung gegenüber der Umgebung erzielt wird. Schweißen, und insbesondere Laserschweißen, ermöglichen eine Verbindung der Fügepartner mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug.
Insbesondere beim Laserschweißen kann auf Zusatzwerkstoffe zum Fügen der beiden Verbindungspartner verzichtet werden. Vorteile durch lasergeschweißte Bauteile ergeben sich aufgrund der geringen, konzentrierten Energieeinbringung durch das Laserschweißverfahren in das Werkstück. Dadurch wird ein geringer thermisch bedingter Verzug der Bauteile ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht das Laserschweißen ein Fügeverfahren mit einer vergleichsweise großen Arbeitsentfernung sowie der freien Wahl der Umgebungsatmosphäre.
Im Rahmen der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Fluidverteiler und/oder das Separatorelement ein zumindest abschnittsweise topographisches
Profil aufweist, wodurch beim Zusammenfügen des Fluidverteilers und des Separatorelementes Fluidkanäle gebildet werden, wodurch das zumindest erste Reaktionsfluid und/oder das zumindest eine Kühlfluid leitbar ist. Dieses topographische Profil kann z. B. durch Einprägungen in dem Fluidverteiler und/oder dem Separatorelement erzielt werden. Dabei können der Fluidverteiler und/oder das Separatorelement in Form eines Bleches ausgestaltet sein, sodass in einem Prägeverfahrensschritt das topographische Profil in das Blech des Fluidverteilers bzw. des Separatorelements eingebracht werden kann. Dadurch wird auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein- bzw. mehrere
Fluidkanäle entlang des Fluidverteilers bzw. des Separatorelements gebildet, wodurch das zumindest erste Reaktionsfluid und/oder das zumindest eine Kühlfluid leitbar ist. Diese Fluidkanäle können unterschiedlich dimensioniert und in ihrem Verlauf sich verengen oder verbreitern, sodass die
Strömungseigenschaften des Kühlfluids bzw. des ersten Reaktionsfluid durch die Ausbildung der Fluidkanäle positiv beeinflusst werden können. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Fluidkanäle Richtungsänderungen in ihrem Verlauf aufweisen (bspw. schlangenförmig). Das Fügen des Fluidverteilers, des
Separatorelementes und/oder des Strukturelementes kann erfindungsgemäß nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Es ist des Weiteren denkbar, dass das Strukturelement zumindest
abschnittsweise permeabel, insbesondere geschäumt, ausgestaltet ist und eine Vielzahl an Poren und/oder Hohlräumen aufweist, wodurch das zumindest zweite Reaktionsfluid strömbar ist. Die permeabel und insbesondere Schaumstruktur des Strukturelementes ermöglicht es in der PEM-Brennstoffzelle auf der Seite des zweiten Reaktionsfluides, welches vorzugsweise Luft bzw. Sauerstoff ist, eine optimale Luftverteilung über die aktive Fläche sowie einen optimierten Flüssigwasser-Austrag und damit sehr hohe Strom- bzw. Leistungsdichten zu erzielen. Aufgrund der Vielzahl von Hohlräumen und/oder Poren, welche durch die Schaumstruktur erzeugt werden, kann das zweite Reaktionsfluid in einer optimalen Weise entlang der aktiven Fläche verteilt werden. Dementsprechend ist das Strukturelement als eine poröse dreidimensionale Struktur ausgebildet.
Erfindungsgemäß kann das Strukturelement einen metallischen Werkstoff und/oder einen Kohlstoff aufweisen, wobei es sich bspw. um ein
Metalldrahtgewebe, insbesondere ein Streckmetall oder einen porösen
Metallschaum, handeln kann. Darüber hinaus kann das Strukturelement einen Kohlenstoff aufweisen und somit eine kohlenstoffhaltige, poröse
dreidimensionale Struktur aufweisen. Das zweite Reaktionsfluid in Form von dem Oxidationsmittel kann durch derartige Strukturelemente über eine große Fläche verteilt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der Fluidverteiler, das
Separatorelement und/oder das Strukturelement zumindest eine Dichtung aufweisen, wodurch der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement fluiddicht zueinander angeordnet sind. Die Dichtung ist dabei vorzugsweise zumindest tlw. umlaufend um die Bipolarplatte, insbesondere dem Fluidverteiler, dem Separatorelement und/oder dem Strukturelement angeordnet. Erfindungsgemäß kann die Dichtung bspw. angespritzt sein und vorzugsweise ein Polymer aufweisen. Hierdurch kann zum einen der Fluidverteiler, das
Separatorelement und/oder das Strukturelement fluiddicht zueinander ausgebildet sein und gleichzeitig wird somit erzielt, dass die unterschiedlichen Kanalabschnitte vor Verschmutzungen geschützt werden, sodass von außen kein Schmutz in die Bipolarplatte eindringen kann. Darüber hinaus wird durch die Dichtung erzielt, dass kein Wasserstoff ausweichen kann. Als Dichtungsmaterial kann bspw. ein Polymer verwendet werden. Die Dichtung kann
dementsprechend angespritzt und somit elastisch ausgestaltet sein. Alternativ kann die Dichtung im Wesentlichen plastisch ausgestaltet sein, wobei vorzugsweise ein Thermoplast als Dichtungsmaterial verwendet wird.
Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass der Fluidverteiler, das Separatorelement und/oder das Strukturelement zumindest ein Abschlusselement aufweist, wobei an dem Abschlusselement die Dichtung anordbar ist. Das Abschlusselement kann dabei einteilig mit dem Separatorelement, dem Fluidverteiler und/oder dem Strukturelement ausgebildet sein. Insbesondere wird das Abschlusselement in einem Prägeverfahren ausgebildet, wobei vorzugsweise das Abschlusselement in dem gleichen Prägeverfahrensschritt ausgebildet sein kann wie das topographische Profil des Fluidverteilers. Dabei wird das Abschlusselement derart geformt, dass an dem Abschlusselement eine Dichtung anordbar, insbesondere anspritzbar oder geklemmt werden kann. Je nach verwendetem Dichtungsmaterial und benötigtem Bauraum, kann das Abschlusselement eine Aufnahme aufweisen, in welche die Dichtung angeordnet (bspw. geklemmt) werden kann. Dabei kann das Dichtungsmaterial in die Aufnahme, z. B. in Form eines Polymers eingespritzt werden oder es kann ein fester Thermoplast eingelegt oder geklemmt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Fluidverteiler im Wesentlichen V-förmig oder im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Dabei wird der Fluidverteiler in einem Prägeprozess V-förmig oder im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Vorzugsweise weist der Fluidverteiler eine Vielzahl an V-förmigen Abschnitten auf, welche aneinandergereiht ein zackenförmiges Profil ergeben, sodass durch das V-förmige bzw. zackenförmige Profil das erste Reaktionsfluid, insbesondere Wasserstoff, oder das Kühlfluid, insbesondere Wasser, geleitet werden kann. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der
Fluidverteiler trapezförmig ausgebildet ist, sodass sich durch den Prägeprozess der insbesondere als ein Blech ausgestaltete Fluidverteiler zumindest abschnittsweise trapezförmige Kanäle aufweist. Ebenfalls kann der Fluidverteiler durch einen Prägeprozess rechteckige Kanäle aufweisen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Fluidverteiler wellenförmig ausgebildet ist, sodass es bspw. denkbar ist, dass der Fluidverteiler als eine Art Wellblech innerhalb der
Bipolarplatte ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Polarplatte, insbesondere Monopolarplatte, Bipolarplatte oder Endplatte, für eine Brennstoffzelle beansprucht. Die erfindungsgemäße Polarplatte, insbesondere Monopolarplatte, Bipolarplatte oder Endplatte, wird dabei nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, sodass die erfindungsgemäße Polarplatte sämtliche Vorteile mit sich bringt, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den
Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausgangsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bipolarplatte und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bipolarplatte.
In der Figur 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bipolarplatte 10 dargestellt, wobei die Bipolarplatte einen Fluidverteiler 11 aufweist, entlang dessen beidseitig zumindest ein Fluid strömbar ist. Darüber hinaus verfügt die Bipolarplatte 10 über ein Strukturelement 13 und ein zwischen dem Strukturelement 13 und dem Fluidverteiler 11 angeordnetes Separatorelement 12. Dieses sandwichartige Brennstoffzellenstack wird oben und unten von den zwei MEA -Platten 20 eingegrenzt. Der Fluidverteiler 11 ist in der Figur 1 als ein geprägtes Blech mit V-förmigen Abschnitten ausgebildet. Durch die V- förmigen Abschnitte werden die Fluidkanäle 14 gebildet. Auf der Oberseite des Fluidverteilers 11 strömt das erste Reaktionsfluid (Wasserstoff) durch die gebildeten Fluidkanäle 14. Unterhalb des Fluidelementes 11 strömt die durch die gebildeten Fluidkanäle 14 das Kühlfluid (Wasser), welches von dem
Separatorelement 12 getrennt vom Strukturelement 13 ist. Durch das Strukturelement 13 strömt das zweite Reaktionsfluid (Sauerstoff). Der
Fluidverteiler 11, das Separatorelement 12 und das Strukturelement 13 weisen eine Vielzahl an Kontaktpunkten K untereinander auf. Dabei bilden sich zum einen Kontaktpunkte zwischen dem Fluidverteiler 11 und dem Separatorelement 12 sowie zwischen dem Separatorelement 12 und dem Strukturelement 13. An diesen Kontaktpunkten K werden das Strukturelement 13, das Separatorelement 12 und/oder der Fluidverteiler 11 miteinander gefügt, insbesondere
lasergeschweißt. Dabei ist es erfindungsgemäß denkbar, dass alle drei
Fügepartner 11, 12, 13 durch Laserschweißen in einem Schweißverfahren in einem Schweißverfahrensschritt miteinander gefügt werden. Es ist des Weiteren denkbar, dass der Fluidverteiler 12 und zumindest die obere MEA-Platte 20 zumindest einen Kontaktpunkt aufweisen, an welchem diese gefügt werden. Zwischen den MEA-Platten 20 und dem Separatorelement 12 sind Dichtungen 16 angeordnet, welche die Fluidkanäle 14 bzw. die unterschiedlichen Fluidkanäle der Bipolarplatte 10 für sich voneinander abdichten. Es ist denkbar, dass zuerst das Strukturelement 13 mit dem Separatorelement 12 und anschließend das Separatorelement 12 mit dem Fluidverteiler 11 insbesondere verschweißt wird. Erfindungsgemäß ist es ebenfalls denkbar, dass der Fluidverteiler 11 das Separatorelement 12 und das Strukturelement 13 in einem einzigen
Fügeprozessschritt miteinander gefügt werden. Im Anschluss daran können die äußeren MEA-Platten 20 auf die somit entstandene sandwichartige Bipolarplatte 10 aufgesetzt werden. Ebenfalls kann nach dem Fügevorgang zumindest eine Dichtung 16 an der Bipolarplatte 10 angeordnet werden. In Figur 1 ist das Strukturelement 13 geschäumt ausgestaltet und weist eine Vielzahl an Poren 15 und/oder Hohlräumen 15 aufweist, wodurch das zumindest zweite Reaktionsfluid strömbar ist.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bipolarplatte 10, wobei die Bipolarplatte 10 hierbei zwei MEA -Platten 20 aufweist, zwischen welchen der Fluidverteiler 11, das Separatorelement 12 und das Strukturelement 13 angeordnet sind. Der Fluidverteiler 11 weist in der Figur 2 eine trapezförmige Form auf und bildet somit trapezförmige Fluidkanäle 14, durch welches das erste Prozessfluid, das erste Reaktionsfluid und das Kühlfluid leitbar sind. Getrennt durch das Separatorelement 12 ist das Strukturelement 13 angeordnet, welches in Figur 2 als ein Metalldrahtgewebe 13 ausgebildet ist. Dabei weist das Metalldrahtgewebe 13 eine Vielzahl an Poren 15 bzw.
Hohlräumen 15 auf, durch welche das zweite Reaktionsfluid leitbar ist. Darüber hinaus weist die Bipolarplatte 10 in Figur 2 Abschlusselemente 17 auf, an welchen Dichtungen 16 angeordnet sind. Die Dichtungen 16 dienen dazu, den Fluidstrom innerhalb der Bipolarplatte 10 gegenüber der Umgebung abzudichten. Dementsprechend kann kein Fluid aus den Fluidkanälen 14 bzw. dem
Strukturelement 13 aus der Bipolarplatte 10 austreten. Wie bereits zu Figur 1 beschrieben, weist die Bipolarplatte 10 eine sandwichartige Bauweise auf, wobei zumindest der Fluidverteiler 11 und das Separatorelement 12 sowie das
Strukturelement 13 eine Vielzahl an Kontaktpunkten K aufweisen, an welchen die Fügepartner 11, 12, 13 miteinander gefügt, insbesondere lasergeschweißt, werden. Dementsprechend wird gemäß Figur 2 in einem ersten Schritt das Strukturelement 13 mit dem Separatorelement 12 und im Anschluss oder gleichzeitig das Separatorelement 12 mit dem Fluidverteiler 11 miteinander gefügt. Darüber hinaus ist es denkbar, dass sämtliche Fügepartner 11, 12, 13, sofern sie einen metallischen Werkstoff aufweisen, in einem Schritt gefügt werden und leidglich im Anschluss daran, die Dichtungen 16 eingebracht werden. Das Abschlusselement 17 ist in Figur 2 einteilig mit dem Fluidverteiler 11 bzw. dem Separatorelement 12 ausgebildet. Durch ein Prägeprozess wird sowohl die trapezförmige Ausgestaltung des Fluidverteilers 11 als auch die Geometrie des Abschlusselementes 17 ausgebildet. An dem Abschlusselement 17 sind Dichtungen 16 angeordnet. Diese können erfindungsgemäß entweder an das Abschlusselement 17 gespritzt oder eingelegt werden. Dazu weist das Abschlusselement 17 Aufnahmen auf, welche durch das Prägen ausgebildet werden, sodass eine formschlüssige Verbindung durch das Einlegen bzw.
Einspritzen der Dichtung 16 erzielt werden kann. Es ist des Weiteren denkbar, dass der Fluidverteiler 12 und zumindest die obere MEA-Platte 20 zumindest einen Kontaktpunkt aufweisen, an welchem diese gefügt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend zumindest einen Fluidverteiler (11) entlang dessen beidseitig zumindest ein Fluid strömbar ist, wobei an der ersten Seite zumindest ein erstes Reaktionsfluid und an der zweiten Seite zumindest ein davon getrenntes Kühlfluid strömbar ist,
zumindest ein von dem Fluidverteiler (11) abschnittsweise beabstandetes Separatorelement (12) und zumindest ein Strukturelement (13), wobei das Separatorelement (12) zwischen dem Fluidverteiler (11) und dem
Strukturelement (13) angeordnet ist und wobei entlang des
Strukturelementes (13) zumindest ein zweites Reaktionsfluid strömbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das Strukturelement (13) miteinander thermisch zusammengefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das Strukturelement (13) zumindest abschnittsweise miteinander gesintert, gelötet und/oder geschweißt, insbesondere lasergeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11) und/oder das Separatorelement (12) ein zumindest abschnittsweise topografisches Profil aufweist, wodurch bei Zusammenfügen des Fluidverteilers (11) und des Separatorelementes (12) Fluidkanäle (14) gebildet werden, wodurch das zumindest erste
Reaktionsfluid und/oder das zumindest eine Kühlfluid leitbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturelement (13) zumindest abschnittsweise permeabel, insbesondere geschäumt ausgestaltet ist und eine Vielzahl an Poren (15) und/oder Hohlräumen (15) aufweist, wodurch das zumindest zweite Reaktionsfluid strömbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturelement (13) einen metallischen Werkstoff und/oder Kohlenstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das Strukturelement (13) zumindest eine Dichtung (16) aufweisen, wodurch der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das
Strukturelement (13) fluiddicht zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11), das Separatorelement (12) und/oder das Strukturelement (13) zumindest ein Abschlusselement (17) aufweist, wobei an dem Abschlusselement die Dichtung (16) anordbar ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidverteiler (11) im Wesentlichen V-förmig oder im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.
Polarplatte (10), insbesondere Monopolarplatte (10), Bipolarplatte (10) oder Endplatte (10) für eine Brennstoffzelle hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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