WO2020200732A1 - Separatorplatte für eine brennstoffzelle - Google Patents

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WO2020200732A1
WO2020200732A1 PCT/EP2020/057084 EP2020057084W WO2020200732A1 WO 2020200732 A1 WO2020200732 A1 WO 2020200732A1 EP 2020057084 W EP2020057084 W EP 2020057084W WO 2020200732 A1 WO2020200732 A1 WO 2020200732A1
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separator plate
opening
intermediate layer
openings
distribution area
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PCT/EP2020/057084
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French (fr)
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Philipp Hausmann
Markus Schudy
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a separator plate for guiding media in a fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • a so-called membrane electrode assembly is arranged between two separator plates that feed the anode-side and cathode-side media, which consists of a gas diffusion layer, the catalysts and the actual membrane, which contains the electrolyte of the single cell, and optionally an electrically insulating film or layer.
  • the separator plates are then often combined into so-called bipolar plates, so that one surface of the separator plate is the anode side of one cell and the other surface is the
  • the separator plates are typically constructed in such a way that they have various openings which, when the individual cells are stacked on top of one another, form continuous channels with their separator plates within the so-called fuel cell stack.
  • the openings are then responsible for the supply and discharge of the media.
  • channel structures are then arranged in the separator plate for evenly distributing the medium, here for example the hydrogen, on the anode side of the MEA. These are Connected via a distribution area and connecting channels, which are also referred to as via, to the respective opening for supplying the hydrogen.
  • a distribution area is also arranged here, which accordingly with a
  • Breakthrough is arranged to remove the residual hydrogen and the resulting product water. Other breakthroughs are used to supply and remove air,
  • the object of the present invention is now to provide an improved
  • the solution according to the invention provides that the distribution area is designed in such a way that it is directly connected to the opening assigned to it and surrounds it over its entire circumference. So the breakthrough lies within the Distribution area and is no longer, as in the prior art, connected to these via the supply channels or vias.
  • the inventors have recognized that the
  • the available installation space can be used ideally and thus a small, compact and relatively easy fuel cell system can be created that can be mounted in a given body.
  • the distribution areas have support structures in the form of fins and / or knobs.
  • these support structures help the structure so that the distribution area is not compressed even in the event of strong compressive forces with which the fuel cell stack is tensioned.
  • the support structures especially if they are designed in the form of knobs and thus form an open structure in the distribution area, have the advantage that they guide or direct the flow relatively evenly through the distribution area. the current can “look for” your preferred route. If individual areas are blocked by water or ice, these areas are simply flowed around, so that overall a very good flow distribution can be achieved even in difficult operating situations. This is a very decisive advantage, especially of the knobs or fins, compared to self-contained individual channels.
  • the distribution areas also have these support structures, in particular knobs, in the part of the distribution area arranged around the opening.
  • an intermediate layer arranged around the opening provides a covering of this part of the distribution area with the advantage of having a planar structure on its side facing away from the distribution area, which then serves as a contact surface for a sealing material that surrounds the openings and on the outer edge of the separator plate is arranged running along to offer ideal conditions. Only the area around the opening can be covered, for example with a
  • annular intermediate layer which follows the corresponding contour of the distribution area around the opening with its outer contour, and which with a
  • Breakthrough can also flow to the next adjacent plate.
  • it can also be provided that the entire distribution area is covered with the corresponding intermediate layer. This can be advantageous depending on the structural design and with regard to the tolerances of the components and creates a correspondingly large area in the distribution area, which typically does not correspond to an electrochemically active area of the MEA, for simple and reliable sealing of the stack of individual fuel cells with such separator plates .
  • the support structures can be arranged in the distribution area in such a way that they are formed on the separator plate itself, for example by embossed knobs or also embossed knobs and corresponding depressions, which then form the knobs of a distribution area on the opposite side, for example for the cooling medium.
  • embossed knobs or also embossed knobs and corresponding depressions, which then form the knobs of a distribution area on the opposite side, for example for the cooling medium.
  • the support structures in the Intermediate layer are formed.
  • the support structures are then implemented in the intermediate layer so that the actual distribution plate only has the channel structure, for example, and has a smooth surface in the area of the distribution area. This can be particularly advantageous if further components are arranged on the opposite side or if corresponding structures are required there, so that the material thickness and stability of the distribution area are reduced by the displacement of the
  • Support structures in the intermediate layer can be optimized.
  • the separator plate can be made of metal.
  • Such separator plates made of metal for example as partial plates of a so-called metallic bipolar plate, have the advantage that they can be made very thin and yet very stable.
  • Intermediate layer is produced by reshaping from the material which was previously arranged in the openings.
  • the breakthroughs can be metallic
  • Separator plate can be realized in particular by punching or cutting out, for example with a laser.
  • punching or cutting out for example with a laser.
  • the structure is particularly suitable for realizing an intermediate layer which only covers the parts around the opening.
  • the material can be cut accordingly and bent or pulled upwards in order to then bead it in the area around the opening, whereby of course corresponding openings or holes must be present so that the connection of the distribution area realized around the entire circumference continues the breakthrough is given.
  • phrase “around the entire circumference” in the context of the invention also includes a structure which in this area has a grid, a perforated sheet structure or the like creates a connection between the distribution area and the opening as long as this structure surrounds the entire circumference of the opening with a largely uniform structural design.
  • Plastic intermediate layer Such an intermediate layer made of plastic can be implemented both in the case of a metallic separator plate and in the case of a separator plate made of a different type of electrically conductive material, for example graphite or the like.
  • the structure is correspondingly simple and efficient and can, for. B. be inserted into the structure of the separator plate.
  • the intermediate layer is designed to be connected to an MEA.
  • the intermediate layer can therefore be correspondingly connected to the MEA, i.e. the top layer of the MEA which faces the respective separator plate, for example a film or a frame or the like surrounding it, which comes to lie in the area of the openings and the distribution area, for example glue or weld.
  • the intermediate layer is precisely positioned in the position specified for it, so that production is relieved of one step during assembly.
  • the openings in the separator plate can be used for supplying and removing any form of media, in particular for supplying oxygen or air, hydrogen or hydrogen-containing gas and / or cooling medium. According to a very advantageous development of the idea, it is the case that the
  • Breakthroughs which are surrounded by the distribution area around the entire circumference, are designed for supplying and removing starting materials and products.
  • the structure is so in the manner described on the anode and on the
  • the separator plate can be designed as any separator plate.
  • the invention can, as already mentioned several times by way of example, be shaped as part of a bipolar plate, so that two such separator plates, which are placed with their backs against each other, form a bipolar plate, which on one side with the anode of the one cell and on the other side with the cathode of the other neighboring cell, and which in particular has a structure for cooling media between the two separator plates serving as parts of the bipolar plate.
  • the cooling media do not necessarily have to be supplied and removed via openings.
  • cooling medium-carrying channels between the two separator plates are also sufficient to leave the cooling medium-carrying channels between the two separator plates as parts of the bipolar plate open at the sides and to connect them to a supply and discharge of a cooling medium, be it liquid or gaseous.
  • a cooling medium be it liquid or gaseous.
  • Fuel cell stack is arranged.
  • FIG. 1 shows the plan view of a separator plate in an embodiment according to the prior art
  • FIG. 3 shows the detail analogous to FIG. 2 with a first variant of an intermediate layer
  • FIG. 4 shows the detail analogous to FIG. 2 with a second variant of an intermediate layer; 5 shows a sectional view along the line V-V in FIG. 3;
  • FIG. 6 shows a sectional view along the line VI-VI in FIG. 4;
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the structure in an exploded view analogous to the sectional view in FIG. 6; FIG. and
  • FIG. 8 shows a further embodiment, essentially analogous to that in FIG. 5.
  • FIG. 1 is the plan view of a separator plate designated 1,
  • the separator plate 1 has several openings 2 to 7 on both of its sides, which are used to supply and discharge media.
  • the top view of the surface of the separator plate 1, which is the anode side of an adjacent individual cell, not shown, is also not shown
  • Fuel cell stack is facing to recognize. For example, it has the breakthrough labeled 2 at the top right, which together with comparable
  • Breakthroughs in adjacent separator plates forms a feed channel for hydrogen.
  • the hydrogen then flows through this opening 2, which forms part of the supply channel, to each of the separator plates 1 and via connecting channels, so-called vias, designated by 8, into a distribution area 9 in its own
  • the distribution area 9 has an open structure, e.g. with the knobs 11 indicated here in order to achieve a transverse distribution of the
  • the gases are transferred to the anode side of the individual cell on its active surface, in particular a gas diffusion layer of a so-called membrane electrode assembly (MEA). 13 distributed.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the distribution area 9 helps that all channels of the channel structure 12 are flowed through as evenly as possible.
  • the residual gas mixed with the product water created in the fuel cell, reaches a further distribution area 9 as a collection area, in which the gas / liquid mixture collects accordingly. It then flows through further connecting channels 10 of the
  • the bipolar plates consist of two partial plates in the form of the
  • FIG. 2 a section from the separator plate 1 relevant to the separator plate 1 according to the invention is now shown.
  • the invention is illustrated using the example of the opening 2, through which the hydrogen is to flow in. It can be used just as well for each of the other openings 3 to 7, both for supplying and for removing an educt or product or also the cooling medium
  • opening 2 can also be applied analogously to all other openings 3 to 7.
  • the core idea is that the distribution area 9 extends around the entire circumference of the opening 2.
  • the breakthrough 2 is therefore different from the prior art not only via the connecting channels or vias 8 with the
  • Distribution area 9 but is directly connected to it or is located within the surface of the distribution area 9. This has the knobs 11 in its entire area, i.e. also around the opening 2, so as to provide sufficient stability against pressure forces when stacking of the individual cells and at the same time to provide an open structure around the entire circumference of the opening 2.
  • an intermediate layer which is sometimes also referred to as a shim, covers the connecting channels 8 in order to ensure that an MEA 13 or a plastic frame 15, typically made of polyethylene naphthalate (PEN)
  • Such an intermediate layer which is denoted here by 14, is indicated purely by way of example in the illustration in FIG. In the associated The structure can then be seen again in the sectional illustration of FIG. 5 along the line VV in FIG. 3.
  • the knobs 11 are designed slightly lower in height in the area around the opening 2, so that the intermediate layer 14 finds space there and then forms a flat support surface for the MEA 13 shown here or in the distribution area 9 for its PEN frame 15.
  • the PEN frame thus comes to rest neatly and reliably around the opening 2 and can form the opposing surface for seals between the individual parts of the fuel cell stack.
  • the PEN frame 15 and the intermediate layer 14 also have a corresponding opening analogous to the opening 2, around the
  • the intermediate layer 14 is made somewhat larger here. It covers not only the parts of the distribution area 9 directly around the opening 2, but also the entire distribution area 9 or, in an alternative embodiment not shown here, only parts thereof.
  • the structure otherwise corresponds to the structure described in FIGS. 3 and 5, the knobs 11 here being designed at the same height throughout.
  • knobs 11 were always formed as part of the separator plate 1 itself, for example by being embossed into the separator plate from below in the representations of FIGS. 5 and 6.
  • embossing both from below and from above are also conceivable, so that in this case, for example, further knobs are created on the lower surfaces just drawn in here, which could then, for example, form the distribution area for the cooling medium.
  • FIG. 7 an alternative embodiment is now shown in an exploded illustration.
  • the representation essentially corresponds to that in FIGS. 5 and 6.
  • the knobs 11 are not on the actual one here
  • Separator plate 1 formed, but on the intermediate layer 14, so that the
  • Separator plate 1 can be designed flat, which is particularly advantageous in the case of a sealing connection on the underside shown in FIG. 7, since this can then be reliably designed flat.
  • the intermediate layer 14 can for example, made of a metallic material or plastic, for example by embossing, injection molding, sintering or 3D printing.
  • embossing injection molding, sintering or 3D printing.
  • the intermediate layer 14 could, for example, be welded to the knobs 11 located on the separator plate 1 in order to fix them in their position.
  • the knobs 11 it is of course conceivable to integrate the knobs 11 into the intermediate layer 14. These can then also be correspondingly welded to the separator plate 1 without changing the functional principle described.
  • FIG. 8 a further embodiment of the intermediate layer 14 can be seen, which makes a metallic embodiment of the separator plate 1 necessary.
  • the material which is arranged in the area of the opening 2 is cut laterally in this embodiment variant, for example by laser cutting, and with individual openings or holes 16 around the entire circumference of the later
  • Breakthrough 2 provided around.
  • the material originally cut in this way in the region of the opening 2 is then reshaped, for example bent over and / or crimped or drawn.
  • the intermediate layer 14 can thus be made in one piece with the separator plate 1 in that the corresponding material is bent over and then, where necessary, comes to rest on the knobs 11, as is indicated accordingly in FIG. Like the intermediate layer described above, it can be welded to the knobs 11 when it is positioned at the desired location.
  • This structure has the advantage that only a single material is used and the otherwise wasted cut-out material of the opening can be used directly for the intermediate layer.
  • numerous openings 16 arranged over the circumference of the opening 2 are provided in the material, which can run around the circumference of the opening 2 in the manner of a perforation, for example to facilitate the deformation of the material in this area accordingly and to ensure the required flat surface for supporting the PEN frame 15 of the MEA 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (1) zur Separatorplatte (1) zur Medienführung in einer Brennstoffzelle mit wenigstens einem Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) zur Zufuhr und wenigstens einem Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) zur Abfuhr eines Mediums, mit einer Kanalstruktur (12) zur gleichmäßigen Führung des Mediums, sowie mit Verteilbereichen (9), welche die Durchbrüche (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit der Kanalstruktur (12) verbinden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verteilbereiche (9) wenigstens einen der ihm zugeordneten Durchbrüche (2, 3, 4, 5, 6, 7) um dessen gesamten Umfang umgibt.

Description

Separatorplatte für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte zur Medienführung in einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus einer Vielzahl von Einzelzellen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einer Brennstoffzelle in PEM-Technologie ist es beispielsweise so, dass zwischen zwei Separatorplatten, welche die anodenseitigen und die kathodenseitigen Medien zuführen, eine sogenannte Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet ist, welche aus einer Gasdiffusionsschicht, den Katalysatoren und der eigentlichen Membran, welche das Elektrolyt der Einzelzelle bildet, sowie ggf. einer elektrisch isolierenden Folie oder Schicht aufgebaut sind. Die Separatorplatten sind dann häufig zu sogenannten Bipolarplatten zusammengefasst, sodass die eine Oberfläche der Separatorplatte die Anodenseite der einen Zelle und die andere Oberfläche die
Kathodenseite der benachbarten Zelle ausbildet. Häufig ist es so, dass zwischen den Oberflächen der Separatorplatten oder auch zwischen zwei Teilplatten der Bipolarplatte außerdem Kanäle für ein Kühlmedium zur Abfuhr von Abwärme aus der Brennstoffzelle vorgesehen sind. All dies ist dem Fachmann soweit aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Separatorplatten sind dabei typischerweise so aufgebaut, dass sie verschiedene Durchbrüche aufweisen, welche bei aufeinandergestapelten Einzelzellen mit ihren Separatorplatten innerhalb des sogenannten Brennstoffzellenstapels durchgehende Kanäle ausbilden. Die Durchbrüche sind dann für die Zu- und Abfuhr der Medien zuständig. Je nach Oberfläche der Separatorplatte und ihrer Funktion, beispielsweise zur Verteilung des Wasserstoffs auf die Anodenseite, sind dann in der Separatorplatte angeordnete Kanalstrukturen zur gleichmäßigen Verteilung des Mediums, hier also beispielsweise des Wasserstoffs, auf die Anodenseite der MEA angeordnet. Diese sind über einen Verteilbereich und Verbindungskanäle, welche auch als Via bezeichnet werden, mit dem jeweiligen Durchbruch zur Zufuhr des Wasserstoffs verbunden.
Vergleichbares gilt auf der in Strömungsrichtung anderen Seite der Separatorplatte. Hier ist ebenfalls ein Verteilbereich angeordnet, welcher dementsprechend mit einem
Durchbruch zur Abfuhr des Restwasserstoffs und des entstandenen Produktwassers angeordnet ist. Andere Durchbrüche dienen zur Zufuhr und Abfuhr von Luft,
beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite der Platte und/oder zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium, beispielsweise zwischen zwei Teilplatten einer Bipolarplatte mit einer jeweils der Anode und der Kathode zugewandten Oberfläche. Auch dies ist dem Fachmann soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Problematisch ist es bei diesem Aufbau, dass die Brennstoffzellenstapel abhängig von ihrer Einbaulage unterschiedlich stark dazu neigen, durch gefrorenes Wasser im Bereich der Verteilplatten blockiert zu werden, sodass in der Praxis typischerweise sehr genau auf eine geeignete Einbaulage geachtet werden muss. Darüber hinaus ist es so, dass die Separatorplatten einen relativ hohen Druckverlust aufweisen und damit den über ihre Strukturen zur Medienführung strömenden Medien einen hohen Widerstand entgegensetzen.
Zum weiteren Stand der Technik kann rein beispielhaft bezüglich derartiger Aufbauten auf die DE 10 2009 003 946 A1 sowie die US 2011/0177423 A1 hingewiesen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte
Separatorplatte mit einem Aufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und insbesondere die oben genannten Nachteile bezüglich der Einbaulage und des Druckverlustes vermeidet bzw. minimiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Separatorplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Separatorplatte finden sich in den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass der Verteilbereich so gestaltet wird, dass er direkt mit dem ihm zugeordneten Durchbruch in Verbindung steht und diesen über dessen gesamten Umfang umgibt. Der Durchbruch liegt also innerhalb des Verteilbereichs und ist nicht mehr, wie im Stand der Technik, über die Zufuhrkanäle bzw. Vias mit diesen verbunden. Die Erfinder haben erkannt, dass sich hierdurch die
Druckverluste deutlich reduzieren lassen, da nun ein entsprechend größerer
Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, um die Gase aus dem Bereich des
Durchbruchs in den Verteilbereich und damit letztlich in die Kanalstrukturen zur
Verteilung der Medien beispielsweise zu Kühlzwecken oder zur Umsetzung der Medien auf die Gesamtfläche der Einzelzelle zu optimieren.
Ein weiterer ganz entscheidender Vorteil liegt auch darin, dass die Anordnung, bei welcher der Verteilbereich den ihm zugeordneten Durchbruch um dessen gesamten Umfang umgibt, den Vorteil bietet, dass Gase aus dem Bereich des Durchbruchs kommend oder in den Durchbruch strömend aus allen Richtungen Zugang zu dem Durchbruch haben. Sollte aufgrund der Einbaulage eine Seite durch Feuchtigkeit benetzt sein und bei einem Abfall der Temperatur unter den Gefrierpunkt durch Eis blockiert werden, dann stehen immer noch andere Abschnitte um den Umfang des Durchbruchs herum zur Verfügung, um eine Zuströmung des jeweiligen Mediums in die
Kanalstrukturen über den um den gesamten Umfang des Durchbruchs herum
gezogenen Verteilbereich zu gewährleisten. Damit ist eine zwingend vorgegebene Einbaulage, um den Brennstoffzellenstapel auch unter Gefrierbedingungen sicher starten zu können, nicht mehr notwendig. Vielmehr lässt sich der Stapel in der hinsichtlich des Packagings günstigsten Art und Weise verbauen, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen des Brennstoffzellenstapels, und insbesondere bei diesen tritt die Problematik eines Gefrierstarts häufig auf, ein ganz entscheidender Vorteil ist.
Hierdurch lässt sich vorhandener Bauraum ideal nutzen und damit ein kleines, kompaktes und verhältnismäßig leicht in eine vorgegebene Karosserie montierbares Brennstoffzellensystem schaffen.
Die Verteilbereiche weisen dabei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Idee Stützstrukturen in Form von Finnen und/oder Noppen auf. Diese Stützstrukturen helfen dem Aufbau einerseits, dass der Verteilbereich auch bei starken Druckkräften, mit welchen der Brennstoffzellenstapel verspannt wird, nicht zusammengedrückt werden. Außerdem haben die Stützstrukturen, insbesondere, wenn sie in Form von Noppen ausgebildet sind und damit eine offene Struktur in dem Verteilbereich ausbilden, den Vorteil, dass sie die Strömung relativ gleichmäßig durch den Verteilbereich leiten bzw. die Strömung sich Ihren bevorzugten Weg„suchen“ kann. Sollten einzelne Bereiche von Wasser oder Eis blockiert sein, werden diese Bereiche einfach umströmt, sodass insgesamt eine sehr gute Strömungsverteilung auch in schwierigen Betriebssituationen erzielt werden kann. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil insbesondere der Noppen oder Finnen gegenüber in sich geschlossenen Einzelkanälen.
Die Verteilbereiche weisen dabei auch in dem um den Durchbruch herum angeordneten Teil des Verteilbereichs diese Stützstrukturen, insbesondere Noppen auf. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte kann es nun vorgesehen sein, dass zumindest der um den Durchbruch herum angeordnete Teil des Verteilbereichs mit einer Zwischenlage abgedeckt ist. Eine solche Zwischenlage um den Durchbruch herum angeordneten Teilbereich bietet eine Abdeckung dieses Teils des Verteilbereichs mit dem Vorteil, auf ihrer dem Verteilbereich abgewandten Seite eine ebene Struktur aufzuweisen, welche dann als Anlagefläche für ein Dichtmaterial, welches um die Durchbrüche herum und am äußeren Rand der Separatorplatte entlanglaufend angeordnet ist, ideale Bedingungen zu bieten. Dabei kann nur der Bereich um den Durchbruch herum abgedeckt sein, beispielsweise mit einer
ringförmigen Zwischenlage, welche mit ihrer Außenkontur der entsprechenden Kontur des Verteilbereichs um den Durchbruch herum folgt, und welche mit einer
entsprechenden Innenkontur den Durchbruch freigibt, sodass Medien durch den
Durchbruch auch zu nächsten benachbarten Platte strömen können. Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass der gesamte Verteilbereich mit der entsprechenden Zwischenlage abgedeckt ist. Dies kann je nach konstruktivem Aufbau und hinsichtlich der Toleranzen der Bauteile von Vorteil sein und schafft im Verteilbereich, welcher typischerweise nicht mit einem elektrochemisch aktiven Bereich der MEA korrespondiert, eine entsprechend große Fläche für eine einfache und zuverlässige Abdichtung des Stapels aus einzelnen Brennstoffzellen mit derartigen Separatorplatten.
Die Stützstrukturen können dabei so in dem Verteilbereich angeordnet sein, dass sie auf der Separatorplatte selbst ausgebildet sind, beispielsweise durch eingeprägte Noppen oder auch eingeprägte Noppen und entsprechende Vertiefungen, welche dann auf der gegenüberliegenden Seite die Noppen eines Verteilbereichs beispielsweise für das Kühlmedium ausbilden. Alternativ dazu kann es gemäß einer sehr vorteilhaften
Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass die Stützstrukturen in der Zwischenlage ausgebildet sind. Die Stützstrukturen sind dann in der Zwischenlage realisiert, sodass die eigentliche Verteilplatte beispielsweise nur die Kanalstruktur aufweist und im Bereich des Verteilbereichs eine glatte Oberfläche hat. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn auf der gegenüberliegenden Seite weitere Bauteile angeordnet sind oder dort entsprechende Strukturen benötigt werden, sodass die Materialdicke und Stabilität des Verteilbereichs durch die Verlagerung der
Stützstrukturen in die Zwischenlage optimiert werden kann.
Die Separatorplatte kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee dabei aus Metall ausgebildet sein. Solche Separatorplatten aus Metall, beispielsweise als Teilplatten einer sogenannten metallischen Bipolarplatte haben dabei den Vorteil, dass sie sich sehr dünn und dennoch sehr stabil realisieren lassen. Alternative
Ausgestaltungen, beispielsweise aus Graphit, Carbon oder einem elektrisch leitenden Kunststoff sind jedoch ebenso denkbar.
Insbesondere bei der Ausgestaltung der Separatorplatte aus Metall kann es nun gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Separatorplatte vorgesehen sein, dass die
Zwischenlage durch Umformen aus dem Material, welches zuvor in den Durchbrüchen angeordnet war, hergestellt ist. Die Durchbrüche können bei einer metallischen
Separatorplatte insbesondere durch Ausstanzen oder Ausschneiden, beispielsweise mit einem Laser, realisiert werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist es nun denkbar, das Material im Bereich der späteren Durchbrüche lediglich in der gewünschten Art einzuschneiden und dann umzuformen, beispielsweise zu ziehen, zu biegen oder dergleichen, um so die Zwischenlage einteilig aus dem Material der Separatorplatte zu formen und diese entsprechend auszugestalten. Der Aufbau eignet sich insbesondere zur Realisierung einer Zwischenlage, welche lediglich die Teile um den Durchbruch herum abdeckt. Dafür kann das Material entsprechend eingeschnitten und nach oben gebogen oder gezogen werden, um es dann in den Bereich um den Durchbruch herum umzubördeln, wobei natürlich entsprechende Öffnungen bzw. Löcher vorhanden sein müssen, sodass weiterhin die um den gesamten Umfang herum realisierte Anbindung des Verteilbereichs an den Durchbruch gegeben ist.
Unter die Formulierung„um den gesamten Umfang herum“ im Sinne der Erfindung fällt auch ein Aufbau, welcher in diesem Bereich über ein Gitternetz, eine Lochblechstruktur oder dergleichen eine Verbindung zwischen dem Verteilbereich und dem Durchbruch schafft, solange diese Struktur den gesamten Umfang des Durchbruchs mit weitgehend gleichmäßiger struktureller Ausgestaltung umgibt.
Eine alternative Ausführungsform, bei welcher der zuletzt beschriebene
Herstellungsschritt jedoch nicht realisiert werden kann, ist die Herstellung der
Zwischenlage aus Kunststoff. Eine solche Zwischenlage aus Kunststoff kann sowohl bei einer metallischen Separatorplatte als auch bei einer Separatorplatte aus einem andersartigen elektrisch leitenden Material, beispielsweise Graphit oder dergleichen, realisiert werden. Der Aufbau ist entsprechend einfach und effizient und kann z. B. in den Aufbau der Separatorplatte eingelegt werden.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Zwischenlage mit einer MEA verbunden ausgeführt ist. Die Zwischenlage lässt sich also mit der MEA, also der obersten Schicht der MEA, welcher der jeweiligen Separatorplatte zugewandt ist, beispielsweise einer Folie oder auch einem sie umgebenden Rahmen oder dergleichen, welche im Bereich der Durchbrüche und des Verteilbereichs zu liegen kommt, entsprechend verbinden, beispielsweise verkleben oder verschweißen. Damit ist bei der Positionierung der MEA eine exakte Positionierung der Zwischenlage in der für sie vorgegebenen Position realisiert, sodass die Fertigung um einen Schritt bei der Montage entlastet wird.
Wie bereits angesprochen, können die Durchbrüche in der Separatorplatte zur Zufuhr und Abfuhr jeder Form von Medien, insbesondere also zur Zufuhr von Sauerstoff bzw. Luft, Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas und/oder Kühlmedium genutzt werden. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass die
Durchbrüche, welche um den gesamten Umfang von dem Verteilbereich umgeben werden, zur Zufuhr und Abfuhr von Edukten und Produkten ausgebildet sind. Der Aufbau wird also in der beschriebenen Art und Weise auf der Anoden- und auf der
Kathodenseite realisiert und bei dieser Ausführungsvariante nicht im Bereich des Kühlmediums. Die oben genannten Vorteile, welche primär im Bereich der Kathodenseite und der Anodenseite auftreten, sind damit dennoch zu erzielen, weil für die Seite, auf welcher das Kühlmedium geführt wird, die eingangs genannten Probleme nicht oder zumindest nicht in dem Maße auftreten. Die Separatorplatte kann dabei als beliebige Separatorplatte ausgebildet sein. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung in der Erfindung kann sie, wie bereits mehrfach beispielhaft erwähnt, als Teil einer Bipolarplatte ausgeprägt sein, sodass zwei derartige Separatorplatten, welche mit ihren Rückseiten gegeneinander gelegt werden, eine Bipolarplatte bilden, welche auf der einen Seite mit der Anode der einen Zelle und auf der anderen Seite mit der Kathode der anderen benachbarten Zelle in Verbindung steht, und welche insbesondere zwischen den beiden als Teile der Bipolarplatte dienenden Separatorplatten eine Struktur für Kühlmedien aufweist. Die Kühlmedien müssen dabei nicht zwingend über Durchbrüche zu- und abgeführt werden.
Gegebenenfalls reicht es auch aus, kühlmedienführenden Kanäle zwischen den beiden Separatorplatten als Teile der Bipolarplatte seitlich offen zu lassen und an eine Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmediums, sei es nun flüssig oder gasförmig, anzuschließen. Beispielsweise in den ein von Kühlmedium durchströmtes Gehäuse um den
Brennstoffzellenstapel angeordnet wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Separatorplatte ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht auf eine Separatorplatte in einer Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 3 den Ausschnitt analog zu Fig. 2 mit einer ersten Variante einer Zwischenlage;
Fig. 4 den Ausschnitt analog zu Fig. 2 mit einer zweiten Variante einer Zwischenlage; Fig. 5 Schnittdarstellung gemäß der Linie V-V in Fig. 3;
Fig. 6 Schnittdarstellung gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 4;
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform des Aufbaus in einer Explosionsdarstellung analog zu der Schnittdarstellung in Fig. 6; und
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform, im Wesentlichen analog zu der in Fig. 5. In der Figur 1 ist die Draufsicht auf eine mit 1 bezeichnete Separatorplatte,
beispielsweise die Anodenseite einer Bipolarplatte, gezeigt. Der Aufbau entspricht dabei im Wesentlichen dem Stand der Technik, ist jedoch nicht maßstäblich dargestellt. Die Separatorplatte 1 weist an ihren beiden Seiten mehrere Durchbrüche 2 bis 7 auf, welche zur Zufuhr und Abfuhr von Medien dienen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Draufsicht auf die Oberfläche der Separatorplatte 1 , welche der Anodenseite einer benachbarten nicht dargestellten Einzelzelle eines ebenfalls nicht dargestellten
Brennstoffzellenstapels zugewandt ist, zu erkennen. Sie hat beispielsweise rechts oben den mit 2 bezeichneten Durchbruch, welcher zusammen mit vergleichbaren
Durchbrüchen benachbarter Separatorplatten einen Zufuhrkanal für Wasserstoff ausbildet. Der Wasserstoff strömt dann durch diesen einen Teil des Zufuhrkanals ausbildenden Durchbruch 2 zu jeder der Separatorplatten 1 und über mit 8 bezeichnete Verbindungskanäle, sogenannte Vias, in einen Verteilbereich 9 eines in seiner
Gesamtheit mit 10 bezeichneten Strömungsfeldes. Der Verteilbereich 9 hat eine offene Struktur, z.B. mit den hier angedeuteten Noppen 11 , um eine Querverteilung des
Wasserstoffs zu ermöglichen. In dem in Strömungsrichtung weitergehenden Verlauf des Strömungsfeldes 10 befindet sich eine Kanalstruktur 12. Über diese Kanalstruktur 12 mit zueinander geschlossenen parallelen Kanälen werden die Gase auf die Anodenseite der Einzelzelle auf deren aktive Fläche, insbesondere eine Gasdiffusionslage einer sogenannten Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 13 verteilt. Der Verteilbereich 9 hilft dabei, dass alle Kanäle der Kanalstruktur 12 möglichst gleichmäßig durchströmt werden. Nach dem Durchströmen der Kanäle der Kanalstruktur 12 gelangt das Restgas vermischt mit in der Brennstoffzelle entstandenem Produktwasser in einen weiteren Verteilbereich 9 als Sammelbereich, in welchem sich das Gas-/Flüssigkeitsgemisch entsprechend sammelt. Es strömt dann über weitere Verbindungskanäle 10 der
Abströmseite in den mit 5 bezeichneten Durchbruch, welcher zusammen mit weiteren analogen Durchbrüchen der benachbarten Separatorplatten 1 einen Abfuhrkanal ausbildet.
Häufig ist es so, dass die Bipolarplatten aus zwei Teilplatten in Form der
Separatorplatten 1 ausgebildet sind, welche mit ihren Rückseiten miteinander
verbunden, bei metallischen Bipolarplatten beispielsweise verschweißt, sind. Sie bilden dann zwischen ihren Rückseiten weitere Kanäle aus, welche über die Durchbrüche 3 und 6 mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden können. All dies ist dem Fachmann soweit bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun ein für die erfindungsgemäße Separatorplatte 1 relevanter Ausschnitt aus der Separatorplatte 1 gezeigt. Die Erfindung ist dabei am Beispiel des Durchbruchs 2, über welchen der Wasserstoff Zuströmen soll, dargestellt. Sie lässt sich genauso gut für jeden anderen der Durchbrüche 3 bis 7 sowohl zur Zufuhr als auch zur Abfuhr eines Edukts bzw. Produkts oder auch des Kühlmediums
entsprechend nutzen, sodass sich das nachfolgend zum Durchbruch 2 Gesagte analog auch auf alle anderen Durchbrüche 3 bis 7 entsprechend übertragen lässt.
Die Kernidee besteht nun darin, dass der Verteilbereich 9 sich um den gesamten Umfang des Durchbruchs 2 herum erstreckt. Der Durchbruch 2 ist also anders als im Stand der Technik nicht nur über die Verbindungskanäle bzw. Vias 8 mit dem
Verteilbereich 9 verbunden, sondern ist an diesen direkt angeschlossen bzw. befindet sich innerhalb der Fläche des Verteilbereichs 9. Dieser weist die Noppen 11 in seinem gesamten Bereich, also auch rund um den Durchbruch 2 herum auf, um so eine ausreichende Stabilität gegen Druckkräfte beim Aufstapeln der Einzelzellen zu erreichen und gleichzeitig um den gesamten Umfang des Durchbruchs 2 herum eine offene Struktur zur Verfügung zu stellen. Dies stellt sicher, dass Gas auch im Falle einer Blockade von Teilen des Verteilbereichs 9 mit Eis bis zur Kanalstruktur 12 Vordringen kann, sodass eine weitgehend beliebige Einbaulage einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels mit derartigen Separatorplatten 1 realisiert werden kann, welcher auch bei widrigen Bedingungen gefrierstartfähig ist, da eine Blockade des Übergangs vom Durchbruch 2 in den Verteilbereich 9 und damit letztlich in die Kanalstruktur 12, welche die Gase auf die aktive Fläche der Einzelzelle verteilt, in jedem Fall sichergestellt ist.
Auch bei den bisherigen Aufbauten ist es so, dass eine Zwischenlage, welche gelegentlich auch als Shim bezeichnet wird, die Verbindungskanäle 8 abdeckt, um eine saubere Anlage einer MEA 13 bzw. eines um die aktive Fläche der MEA ausgebildeten Kunststoffrahmens 15, typischerweise aus Polyethylennaphthalat (PEN) zu
gewährleisten. Eine solche Zwischenlage, welcher hier mit 14 bezeichnet ist, ist in der Darstellung der Figur 3 rein exemplarisch angedeutet. In der zugehörigen Schnittdarstellung der Figur 5 gemäß der Linie V-V in Fig. 3 ist dann der Aufbau nochmals zu erkennen. Die Noppen 11 sind dabei im Bereich um den Durchbruch 2 herum etwas niedriger in der Höhe ausgestaltet, sodass die Zwischenlage 14 hierauf Platz findet und dann für die hier eingezeichnete MEA 13 bzw. im Verteilbereich 9 für deren PEN-Rahmen 15 eine ebene Auflagefläche ausbildet. Der PEN-Rahmen kommt damit sauber und zuverlässig um den Durchbruch 2 herum zu liegen und kann die Gegenfläche für Abdichtungen zwischen den Einzelteilen des Brennstoffzellenstapels bilden. Dabei hat selbstverständlich der PEN-Rahmen 15 und die Zwischenlage 14 ebenfalls einen entsprechenden Durchbruch analog zum Durchbruch 2, um die
Weiterleitung der Gase zu den benachbarten Zellen sicherzustellen.
In der Darstellung der Figur 4 und auch hier wieder in der Schnittdarstellung der Figur 6 analog zur Darstellung in Figur 4 ist zu erkennen, dass die Zwischenlage 14 hier etwas größer ausgeführt ist. Sie überdeckt nicht nur die Teile des Verteilbereichs 9 unmittelbar um den Durchbruch 2, sondern den gesamten Verteilbereich 9 oder in einer alternativen hier nicht dargestellten Ausführungsform auch nur Teile desselben. Der Aufbau entspricht ansonsten insoweit dem in den Figuren 3 und 5 beschriebenen Aufbau, wobei die Noppen 11 hier durchgehend in der gleichen Höhe ausgeführt sind.
Bei den bisherigen Ausführungsformen waren die Noppen 11 dabei immer als Teil der Separatorplatte 1 selbst ausgebildet, beispielsweise indem diese in den Darstellungen der Figuren 5 und 6 von unten in die Separatorplatte eingeprägt sind. Selbstverständlich sind auch Prägungen sowohl von unten als auch von oben denkbar, sodass in diesem Fall beispielsweise an den unteren hier eben eingezeichneten Flächen weitere Noppen entstehen, welche dann beispielsweise den Verteilbereich für das Kühlmedium ausbilden könnten.
In der Darstellung der Figur 7 ist nun in einer Explosionsdarstellung eine alternative Ausführungsform gezeigt. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der in den Figuren 5 und 6. Die Noppen 11 sind hier jedoch nicht an der eigentlichen
Separatorplatte 1 ausgebildet, sondern an der Zwischenlage 14, sodass die
Separatorplatte 1 eben gestaltet werden kann, was insbesondere bei einer dichtenden Anbindung auf der in Figur 7 dargestellten Unterseite von Vorteil ist, da diese dann zuverlässig eben ausgeführt werden kann. Die Zwischenlage 14 kann dabei beispielsweise aus einem metallischen Material oder auch aus Kunststoff ausgeführt werden, beispielsweise durch Prägen, Spritzen, Sintern oder einen 3D-Druck. Im Falle der Ausgestaltung aus Kunststoff wäre es nun insbesondere möglich, und dies ist in der Figur 7 rein bespielhaft angedeutet, die Zwischenlage 14 mit der MEA 13 bzw. ihren PEN-Rahmen 15 entsprechend zu verbinden, beispielsweise zu verkleben. Damit entsteht die Möglichkeit, die MEA 13 mit ihrem PEN-Rahmen 15 einfach auf die
Separatorplatte 1 aufzulegen und zusammen mit der exakten Positionierung der MEA 13 bzw. ihrer aktiven Fläche über den Kanalstrukturen 12 auch die Zwischenlage 14 sicher und zuverlässig mit zu positionieren. Dies ist dabei sowohl bei der Anordnung der Noppen 11 an der Zwischenlage 14, wie in Figur 7 dargestellt denkbar, jedoch auch bei einer umgekehrten Anordnung der Noppen 11 , wie sie beispielsweise in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist, möglich.
Eine Alternative wäre beispielsweise die Ausgestaltung der Zwischenlage 14 aus Metall, wie oben erwähnt. In diesem Fall könnte die Zwischenlage beispielsweise mit den auf der Separatorplatte 1 befindlichen Noppen 11 verschweißt werden, um sie in ihrer Position zu fixieren. Auch hier ist es selbstverständlich denkbar, die Noppen 11 in die Zwischenlage 14 zu integrieren. Auch diese lassen sich dann entsprechend mit der Separatorplatte 1 verschweißen, ohne das beschriebene Funktionsprinzip zu verändern.
In der Darstellung der Figur 8 ist eine weitere Ausgestaltung der Zwischenlage 14 zu erkennen, welche eine metallische Ausführung der Separatorplatte 1 erforderlich macht. Das Material, welches im Bereich des Durchbruchs 2 angeordnet ist, wird bei dieser Ausführungsvariante beispielsweise über Laserschneiden seitlich eingeschnitten und mit einzelnen Öffnungen bzw. Löchern 16 um den gesamten Umfang des späteren
Durchbruchs 2 herum versehen. Das so eingeschnittene ursprünglich im Bereich des Durchbruchs 2 befindliche Material wird dann umgeformt, beispielsweise umgebogen und/oder gebördelt bzw. gezogen. Damit lässt sich die Zwischenlage 14 einteilig mit der Separatorplatte 1 ausführen, indem das entsprechende Material umgebogen wird, und dann, wo nötig, auf den Noppen 11 zu liegen kommt, wie es in der Figur 8 entsprechend angedeutet ist. Es kann, ebenso wie die zuvor beschriebene Zwischenlage mit den Noppen 11 verschweißt werden, wenn es an der gewünschten Stelle positioniert ist. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass lediglich ein einziges Material zum Einsatz kommt und das ansonsten verschwendete ausgeschnittene Material des Durchbruchs unmittelbar für die Zwischenlage zum Einsatz kommen kann. Um die gleichmäßige Abströmung des Mediums vom Durchbruch in den Verteilbereich 9 sicherzustellen, sind dabei zahlreiche über den Umfang des Durchbruchs 2 angeordnete Öffnungen 16 in dem Material vorgesehen, welche beispielsweise in der Art einer Perforation um den Umfang des Durchbruchs 2 herumlaufen können, um so auch die Umformung des Materials in diesem Bereich entsprechend zu erleichtern und die geforderte ebene Oberfläche zur Auflage des PEN-Rahmens 15 der MEA 13 zu gewährleisten.

Claims

Patentansprüche
1. Separatorplatte (1) zur Medienführung in einer Brennstoffzelle mit wenigstens einem Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) zur Zufuhr und wenigstens einem Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) zur Abfuhr eines Mediums, mit einer Kanalstruktur (12) zur gleichmäßigen Führung des Mediums, sowie mit Verteilbereichen (9), welche die Durchbrüche (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit der Kanalstruktur (12) verbinden,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens einer der Verteilbereiche (9) wenigstens einen der ihm zugeordneten Durchbrüche (2, 3, 4, 5, 6, 7) um dessen gesamten Umfang umgibt.
2. Separatorplatte (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilbereiche (9) Stützstrukturen in Form von Finnen und/oder Noppen (11) aufweisen.
3. Separatorplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der um den Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) herum angeordnete Teil des Verteilbereichs (9) mit einer Zwischenlage (14) abgedeckt ist.
4. Separatorplatte (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stützstrukturen in der Zwischenlage (14) ausgebildet sind.
5. Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch ihre Ausbildung aus Metall.
6. Separatorplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4 und Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenlage (14) durch Umformen aus dem Material, welches zuvor in dem Durchbruch (2, 3, 4, 5, 6, 7) angeordnet war, hergestellt ist.
7. Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenlage (14) aus Kunststoff hergestellt ist.
8. Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenlage (14) mit einer MEA (13) oder einem sie tragenden Rahmen (15) verbunden ausgeführt ist.
9. Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchbrüche (2, 4, 5, 7) zur Zufuhr und Abfuhr von Edukten und Produkten ausgebildet sind.
10. Separatorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
ihre Ausprägung als Teil einer Bipolarplatte.
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