WO2022223495A1 - Bipolarplatte für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell stack with two layers, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Bipolar plates for fuel cells are known in principle from the general prior art. They are used in the fuel cells on the one hand for making electrical contact with the electrodes of the fuel cells and on the other hand for supplying and removing media to the fuel cells. They also typically include a cooling media flow field to co-cool the fuel cell stack.
  • a generic bipolar plate is known for example from WO 2008/061094 A1.
  • the media are supplied to the plate via media inlet openings and media outlet openings. Channels are formed between the two layers in order to guide the media into the interior of the bipolar plate. From there, the media pass through openings, which are also referred to as backfeed slots or backfeed channels, from inside the bipolar plate into the corresponding flow areas for the media on the cathode side and the anode side of the bipolar plate.
  • the flow of the cooling medium typically continues to take place in the interior of the bipolar plate, so that the openings are formed only in one half toward the anode-side flow area and in the other half toward the cathode-side flow area.
  • this structure has now proven itself in principle. In some situations, however, it has also turned out to be very prone to failure. For example, if ice forms in the area of the breach, the neighboring bipolar plate can be impaired or even destroyed, because the freezing water increases its volume accordingly and thus has a very strong impact on the material of the half or layer of the adjacent breach bipolar plate squeezes. In the worst case, a crack can form here, which destroys the bipolar plate. It is also the case that the material of the bipolar plate in these areas can tear, even if there are particularly large pressure differences, if the pressure propagates through the openings and the opposite sides of the adjacent layers of the bipolar plate at extreme pressure events are affected.
  • the object of the present invention is therefore to specify an improved bipolar plate.
  • the bipolar plate according to the invention is constructed of two layers, comparable to the bipolar plates described in the prior art mentioned at the outset, with a connection of the flow areas to the inside of the bipolar plate via suitable openings.
  • the material of the respective layer of the bipolar plate is reinforced in the sections opposite the openings in the other layer.
  • a reinforcement of the material of the bipolar plate, in which the layer of the bipolar plate opposite the opening is correspondingly reinforced in the area opposite the opening can therefore be an efficient remedy here Create without the entire structure of the bipolar plate would have to be changed or other adjustments would have to be made.
  • the corresponding sections of the bipolar plate can be reinforced in various ways.
  • a particularly simple and efficient solution provides for the reinforcement to be implemented using a greater material thickness.
  • the preferred embodiment of reinforcement by means of a greater material thickness provides for the reinforcement to be implemented by means of a greater material thickness.
  • This material thickness is greater than the material thickness between the lowest point of the flow area, which is typically formed by a depression in the surface of the respective layer. Flow distribution structures and/or flow guide structures that project beyond the base of the depression are then arranged in this depression.
  • the remaining residual thickness of the respective layer of the bipolar plate between the deepest point of the flow area and the opposite surface of the same layer represents the minimum material thickness of the respective layer achieve an increase in the lifespan of the bipolar plate. Since the area of the openings is relatively small in relation to the total area of the bipolar plate or its flow areas, it is already sufficient if small surface sections are correspondingly reinforced in order to achieve the advantages mentioned.
  • this can be achieved, for example, in that the greater material thickness is achieved by a section of the flow area with a reduced depth.
  • the remaining wall thickness of the flow area is therefore somewhat larger in the reinforced section, so that the depth and thus the flow cross section within the flow area is reduced in this small section.
  • the reinforced section is typically very small and is located in the edge area of the flow area, this has virtually no or at least not a very large effect on the flow itself.
  • the reinforced section with the smaller depth of the flow area can in principle be realized independently within the flow area, for example by creating a kind of base around the flow distribution structures or flow guide structures in this area.
  • the reinforced section is correspondingly connected to the edge of the flow area, since then a connection of the reinforced area to the edge areas of the flow area that is present at least on one side or, in the case of an arrangement in the corner, also on two sides, provides even better reinforcement can be achieved with an even more suitable derivation of the forces.
  • An alternative to this can also provide that the greater material thickness is realized by shifting the flow area out of the reinforced section.
  • the entire flow area in the reinforced section is dispensed with, so that this is made somewhat smaller, and the full thickness of the layer opposite the breakthrough of the adjacent layer remains in the reinforced section.
  • a further configuration can also provide that the greater material thickness results from a smaller depth of the channel or by dispensing with the channel in the layer with the reinforced section.
  • the channel lying inside between the two layers of the bipolar plate is thus shifted in the direction of the layer that has the opening, which automatically creates the reinforced section with greater material thickness in the area of the adjacent layer opposite the respective opening.
  • the greater material thickness in the reinforced section can be 1.5 to 2.5 times, preferably 2 to 2.5 times the material thickness between the lowest point of the flow area in the layer and the opposite surface of the same layer.
  • the residual material thickness of the respective layer is therefore multiplied by a factor of 1.75, for example, in order to create the correspondingly reinforced area.
  • the depth of the flow area is reduced by half or a little more than half, which in principle impairs the flow due to the arrangement of the flow areas in relation to the surface area very small, reinforced sections typically at the edge of the Flow areas, but not too great an impact on the even distribution of flow and the flow of media through the flow area of the bipolar plate.
  • reinforcement materials for example fibers, fabrics, knitted fabrics or the like are introduced into the reinforced sections. This is relatively easy to implement in production, in particular when the individual layers are produced from a plastic matrix filled with graphite or another carbon-containing material.
  • the flow area itself can preferably have a flow field and two distribution areas comprising the openings.
  • the flow field has flow channels and the distribution areas have open flow distribution structures, in particular in the form of nubs.
  • the openings typically lie opposite the distribution areas of the adjacent layer.
  • These can be reinforced relatively easily by slightly increasing the material thickness here, so that, for example, the nubs of the distribution areas are no longer arranged on the bottom of the flow area but on a kind of base in the reinforced section.
  • the flow is only minimally influenced as a result, the installation of the bipolar plate can be implemented efficiently and achieves high mechanical reliability and durability.
  • the two layers are each formed from a carbon-containing material in a plastic matrix.
  • the structure in which, for example, graphite as a filler is hardened in a suitable matrix is often also referred to as a graphite bipolar plate or carbon bipolar plate.
  • FIG. 1 shows a prior art bipolar plate with its two opposite surfaces before the assembly of its layers
  • FIG. 2 shows a schematic sectional representation according to line II-II after the layers according to FIG. 3 have been assembled
  • Figure 3 shows a bipolar plate with its two opposing surfaces before the assembly of its layers
  • FIG. 4 shows a schematic sectional representation according to the line IV-IV after the assembling of the layers according to FIG. 1;
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the bipolar plate according to the invention in a representation analogous to that in FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a further alternative embodiment of the bipolar plate according to the invention in a representation analogous to that in FIG. 4;
  • FIG. 7 shows yet another alternative embodiment of the bipolar plate according to the invention in a representation analogous to that in FIG.
  • the top view of two layers 2, 3, which are still separate here, can be seen, which are then combined to form the bipolar plate 1 according to the curved arrows.
  • the upper layer 2 shows the cathode side
  • the lower layer 3 the anode side of the future bipolar plate 1.
  • a flow field for a cooling medium is arranged on the respective rear sides of the two layers 2, 3 of the bipolar plate 1, which is not shown in detail here, but in principle is known.
  • the anode-side layer 2 now has a media inlet opening 4 and a media outlet opening 5. These are aligned in the two layers 2, 3 and aligned with other bipolar plates 1 stacked later to form the fuel cell stack, which is not shown here. Between the two layers 2, 3, ie here on the back according to the representation in FIG. This opening 7 connects the channels 6 lying on the back of the layer 2 in the illustration in FIG. In the distribution area 8, the flow is distributed as evenly as possible over the cross section of a flow area denoted in its entirety by 9 and adjacent to the Media outlet 5 collects accordingly.
  • open structures 10 that do not block the flow and are not conductive, which are designed here, for example, in the form of knobs, are arranged in the respective distribution areas 8 .
  • flow field 11 as the largest part of the flow area 9 in terms of area, in which flow guide structures, such as ribs 12, uniformly guide the flow along the gas diffusion layer of a membrane electrode arrangement later placed on the cathode-side layer 2 of the bipolar plate 1.
  • the structure of the anode-side layer 3 is essentially analogous, with the difference that the media inlet opening 13 for the hydrogen is located at an angle opposite the corresponding media outlet opening 14 for the anode waste gas. Otherwise, the constructions with regard to the respective flow area 9 for the cathode side on the one hand and the anode side on the other hand are comparable and are each provided with the same reference symbols.
  • a cooling medium is fed in and removed again via the media inlet and outlet openings 15 and 16 in both layers 2, 3, as is known in principle from the prior art.
  • the routing of the cooling medium is irrelevant for the invention shown here, so that it does not have to be discussed further.
  • the principle of the inner channels 6 and the opening 7 is shown again in the representation of FIG.
  • the layers 2, 3 are marked with different hatching and are connected to each other.
  • the media inlet opening 4 is arranged in alignment through both layers. It opens laterally into the channel 6, which is typically formed in each of the two layers for a part of its cross section.
  • the opening 7 then connects the flow area 9 or its distribution area 8 with its nubs 10 on the cathode side to that of the media inlet opening 4, so that the air or oxygen can flow in this way into the distribution area 8 and from there in a manner known per se into the Flow field 11 can reach.
  • the local anode-side distribution area 8 with its knobs 10 is arranged on the other layer 3 in the opposite area.
  • the improved design of the bipolar plate 1 is now shown in FIG.
  • FIG. 1 In order to prevent mechanical impairment of the layers 2, 3 in their respective sections opposite the openings 7 of the other layer, in these areas, which in the representation of Figure 3, which is otherwise to be understood analogously to the representation in Figure 1, with 17 Marked are.
  • These reinforced sections 17 are therefore opposite the respective opening 7 of the other layer 3, 2, so that the reinforced sections 17 are arranged at the diagonally opposite corners in the cathode-side layer 2, here at the bottom left and at the top right, and accordingly on the cathode-side layer 3 adjacent to the respective media inlet openings 4 and media outlet openings 5 for the cathode-side medium.
  • the reinforced areas 17 are preferably connected to the edge of the flow area 9, in this case the respective distribution areas 8, in order to ensure a structure that is as stable as possible.
  • FIG. 2 Analogous to the representation in FIG. 2, with the structure of the bipolar plate 1 according to the prior art, a corresponding schematic sectional representation according to the line IV-IV in FIG. 3 is also shown in FIG.
  • the structure corresponds to the structure described in connection with FIG.
  • only the reinforced area 17 is additionally present here.
  • the material of the cathode-side layer 3 opposite the opening 7 of the anode-side layer 2 is reinforced so that the free depth of the flow area next to the knobs 10 opposite the opening 7 is correspondingly reduced.
  • This achieves sufficient reinforcement of the bipolar plate 1 in the reinforced section 17 by using a greater material thickness.
  • this can be planned directly during the production of the layer 3 , ie in particular in a mold in which a carbon-containing material is formed in a plastic matrix and cured to form the layer 3 .
  • Reinforcement fibers 18 are also indicated purely by way of example in the depiction in FIG.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Schichten (2, 3), welche auf ihren einander abgewandten Oberflächen jeweils einen anodenseitigen oder kathodenseitigen Strömungsbereich (9) aufweisen, wobei in den zwei Schichten (2, 3) fluchtende Medieneinlassöffnungen (4, 13, 15) und Medienauslassöffnungen (5, 14, 16) vorgesehen sind, wobei jede der Medienein- und - auslassöffnungen (4, 5, 13, 14, 15, 16) mit Kanälen (6) zwischen den einander zugewandten inneren Oberflächen der zwei Schichten (2, 3) verbunden sind, und wobei die der Anodenseite und der Kathodenseite zugeordneten Kanäle (6) jeweils über Durchbrüche (7) in der jeweiligen Schicht (2, 3) mit den anodenseitigen oder kathodenseitigen Strömungsbereichen verbunden sind. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material der jeweiligen Schicht (2, 3) in dem jeweils den Durchbrüchen (7) der anderen Schicht (3, 2) gegenüberliegenden Abschnitten (17) verstärkt ist.

Description

Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Schichten, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Bipolarplatten für Brennstoffzellen sind prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie dienen in den Brennstoffzellen einerseits zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Brennstoffzellen und andererseits zur Zufuhr und Abfuhr von Medien zu den Brennstoffzellen. Typischerweise umfassen sie außerdem ein Kühlmedienströmungsfeld, um die Kühlung des Brennstoffzellenstapels mit zu übernehmen.
Eine gattungsgemäße Bipolarplatte ist beispielsweise aus der WO 2008/061094 A1 bekannt. Dabei ist es dort so, dass zwei Schichten bzw. Hälften zu der eigentlichen Bipolarplatte zusammengefügt sind. Über Medieneinlassöffnungen und Medienauslassöffnungen werden die Medien der Platte zugeführt. Zwischen den beiden Schichten sind dabei Kanäle ausgebildet, um die Medien quasi in das Innere der Bipolarplatte zu leiten. Von dort gelangen die Medien über Durchbrüche, welche auch als backfeed slots oder backfeed Channels bezeichnet werden, vom Inneren der Bipolarplatte in die entsprechenden Strömungsbereiche für die Medien auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Bipolarplatte. Die Strömung des Kühlmediums findet typischerweise weiterhin im Inneren der Bipolarplatte statt, sodass die Durchbrüche lediglich in der einen Hälfte hin zum anodenseitigen Strömungsbereich und in der anderen Hälfte hin zum kathodenseitigen Strömungsbereich ausgebildet sind.
Vergleichbare Aufbauten, welche diese Technik ebenfalls einsetzen, sind auch aus der WO 03/083979 A2, der WO 2015/145233 A1 , der US 9, 105,883 B2 sowie der US 2007/0117001 A1 bekannt. Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem noch auf die US 8,927,170 B2 hingewiesen werden.
In der Praxis hat sich dieser Aufbau nun prinzipiell bewährt. In einigen Situationen hat er sich jedoch auch als sehr störanfällig herausgestellt. So kann es beispielsweise bei einer Eisbildung im Bereich des Durchbruchs zu einer Beeinträchtigung der benachbarten Bipolarplatte kommen, bis hin zu einer Zerstörung derselben, weil das einfrierende Wasser sein Volumen entsprechend vergrößert und dadurch sehr stark auf das Material der dem Durchbruch benachbarten Hälfte bzw. Schicht der Bipolarplatte drückt. Im schlimmsten Fall kommt es hier zur Ausbildung eines Risses, was die Bipolarplatte zerstört. Außerdem ist es so, dass es in diesen Bereichen auch bei besonders starken Druckunterschieden zu einem Einreißen des dortigen Materials der Bipolarplatte in den genannten Bereichen kommen kann, wenn sich der Druck durch die Durchbrüche hindurch fortpflanzt und die gegenüberliegenden Seiten der benachbarten Schichten der Bipolarplatte bei extrem Druckereignissen beeinträchtigt werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Bipolarplatte anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist vergleichbar wie die im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Bipolarplatten aus zwei Schichten mit einer Verbindung der Strömungsbereiche mit dem Inneren der Bipolarplatte über geeignete Durchbrüche aufgebaut. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass das Material der jeweiligen Schicht der Bipolarplatte in dem jeweils den Durchbrüchen der anderen Schicht gegenüberliegen Abschnitten verstärkt ist. Dem Erfinder hat sich in der Praxis gezeigt, dass eine Beeinträchtigung der Bipolarplatten durch Risse oder gar Durchbrüche in der Praxis fast immer in den Bereichen auftritt, in denen gegenüber die Durchbrüche liegen. Durch eine Verstärkung des Materials der Bipolarplatte, in dem die dem Durchbruch gegenüberliegende Schicht der Bipolarplatte in dem dem Durchbruch gegenüberliegenden Bereich entsprechend verstärkt wird, kann hier also effizient Abhilfe schaffen, ohne dass der gesamte Aufbau der Bipolarplatte verändert werden müsste oder sonstige Anpassungen erfolgen müssten.
Eine Verstärkung der entsprechenden Abschnitte der Bipolarplatte kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Eine besonders einfache und effiziente Lösung sieht es vor, dass die Verstärkung durch eine größere Materialstärke realisiert wird. Auch andere Möglichkeiten, beispielsweise das Einbringen von Verstärkungsmaterialien, von den Schichtaufbau verstärkenden Lacken, Harzen oder dergleichen, wäre prinzipiell denkbar und möglich.
Die bevorzugte Ausgestaltung über eine Verstärkung durch eine größere Materialstärke sieht es dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte vor, dass die Verstärkung durch eine größere Materialstärke realisiert wird. Diese Materialstärke ist dabei größer als die Materialstärke zwischen der tiefsten Stelle des Strömungsbereichs, welcher typischerweise durch eine Vertiefung in der Oberfläche der jeweiligen Schicht ausgebildet ist. In dieser Vertiefung sind dann über den Grund der Vertiefung ragende Strömungsverteilstrukturen und/oder Strömungsleitstrukturen angeordnet. Die verbleibende Restdicke der jeweiligen Schicht der Bipolarplatte stellt zwischen der tiefsten Stelle des Strömungsbereichs und der gegenüberliegenden Oberfläche derselben Schicht die minimale Materialstärke der jeweiligen Schicht dar. Wird diese in dem den Durchbrüchen der benachbarten Schicht gegenüberliegenden Bereichen nun entsprechend verstärkt, lässt sich einfach und sehr effizient eine Vergrößerung der Lebensdauer der Bipolarplatte erzielen. Da die Fläche der Durchbrüche bezogen auf die Gesamtfläche der Bipolarplatte bzw. ihrer Strömungsbereiche relativ klein ist, reicht es also bereits aus, wenn kleine Flächenabschnitte entsprechend verstärkt sind, um die genannten Vorteile zu erzielen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die größere Materialstärke durch einen Abschnitt des Strömungsbereichs mit verringerter Tiefe erreicht wird. In dem verstärkten Abschnitt ist die Restwandstärke des Strömungsbereichs also etwas größer, sodass die Tiefe und damit der Strömungsquerschnitt innerhalb des Strömungsbereichs in diesem kleinen Abschnitt verringert wird. Da der verstärkte Abschnitt jedoch typischerweise sehr klein ist und im Randbereich des Strömungsbereichs liegt, hat dies auf die Strömung selbst quasi keine oder zumindest keine sehr große Auswirkung. Der verstärkte Abschnitt mit der geringeren Tiefe des Strömungsbereichs kann dabei prinzipiell innerhalb des Strömungsbereichs eigenständig realisiert werden, indem beispielsweise um die Strömungsverteilstrukturen oder Strömungsleitstrukturen in diesem Bereich eine Art Sockel entsteht. Von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn der verstärkte Abschnitt mit dem Rand des Strömungsbereichs entsprechend verbunden ist, da dann eine zumindest auf einer oder bei einer Anordnung im Eck auch auf zwei Seiten vorhandenen Anbindung des verstärkten Bereichs an die Randbereiche des Strömungsbereichs eine noch bessere Verstärkung mit einer noch geeigneteren Ableitung der Kräfte erreicht werden kann.
Eine Alternative dazu kann es auch vorsehen, dass die größere Material stärke durch ein Verschieben des Strömungsbereichs aus dem verstärkten Abschnitt realisiert wird. Bei dieser Variante wird also auf den kompletten Strömungsbereich in dem verstärkten Abschnitt verzichtet, sodass dieser etwas kleiner gestaltet wird, und in dem verstärkten Abschnitt die volle Dicke der dem Durchbruch der benachbarten Schicht gegenüberliegenden Schicht verbleibt.
Eine weitere Ausgestaltung kann es auch vorsehen, dass die größere Materialstärke durch eine geringere Tiefe des Kanals oder einen Verzicht auf den Kanal in der Schicht mit dem verstärkten Abschnitt erfolgt. Der im Inneren zwischen den beiden Schichten der Bipolarplatte liegende Kanal wird also quasi in Richtung der Schicht, welche den Durchbruch aufweist, verschoben, wodurch automatisch im Bereich der benachbarten Schicht der verstärkte Abschnitt mit größerer Materialstärke gegenüberliegend zu dem jeweiligen Durchbruch entsteht.
Die größere Materialstärke in dem verstärkten Abschnitt kann dabei das 1,5- bis 2,5- fache, bevorzugt das 2- bis 2,5-fache der Materialstärke zwischen der tiefsten Stelle des Strömungsbereichs in der Schicht und der gegenüberliegenden Oberfläche derselben Schicht aufweisen. Die Restmaterialstärke der jeweiligen Schicht wird also mit einem Faktor von beispielsweise 1,75 multipliziert, um den entsprechend verstärkten Bereich zu schaffen. Bei den üblichen Abmessungen von Bipolarplatten und der Tiefe der Strömungsbereiche kommt es so zu einer Verringerung der Tiefe des Strömungsbereichs um die Hälfte oder etwas mehr als die Hälfte, was die Strömung zwar prinzipiell beeinträchtigt, durch die Anordnung der, bezogen auf die Fläche der Strömungsbereiche flächenmäßig sehr kleinen, verstärkten Abschnitte typischerweise am Rand der Strömungsbereiche, jedoch keinen allzu großen Einfluss auf die gleichmäßige Verteilung der Strömung und das Strömen der Medien durch den Strömungsbereich der Bipolarplatte verursacht.
Alternativ zu einer solchen Verstärkung durch eine größere Materialstärke oder prinzipiell auch ergänzend hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass Verstärkungsmaterialien, beispielsweise Fasern, Gewebe, Gestricke oder dergleichen in die verstärkten Abschnitte eingebracht werden. Dies ist insbesondere bei der Herstellung der einzelnen Schichten aus einer mit Graphit oder einem anderen kohlenstoffhaltigen Material gefüllten Kunststoffmatrix in der Herstellung relativ einfach zu realisieren.
Der Strömungsbereich selbst kann dabei vorzugsweise ein Strömungsfeld und zwei die Durchbrüche umfassende Verteilbereiche aufweisen. Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Strömungsfeld Strömungskanäle und die Verteilbereiche offene Strömungsverteilstrukturen, insbesondere in der Art von Noppen, aufweisen. Vor allem bei einer solchen Gestaltung der Strömungsbereiche ist es so, dass die Durchbrüche typischerweise gegenüber der Verteilbereiche der benachbarten Schicht liegen. Diese lassen sich relativ einfach verstärken, indem die Materialstärke hier etwas erhöht wird, sodass beispielsweise die Noppen der Verteilbereiche nicht mehr auf dem Grund des Strömungsbereichs sondern auf einer Art Sockel in dem verstärkten Abschnitt angeordnet sind. Die Strömung wird dadurch nur minimal beeinflusst, der Einbau der Bipolarplatte lässt sich effizient realisieren und erreicht eine hohe mechanische Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
Prinzipiell gilt dies für alle Arten von Bipolarplatten. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist es jedoch vorgesehen, dass die zwei Schichten jeweils aus einem kohlenstoffhaltigen Material in einer Kunststoffmatrix ausgebildet sind. Der Aufbau, bei welchem beispielsweise Graphit als Füllstoff in einer geeigneten Matrix ausgehärtet wird, wird häufig auch als Graphit-Bipolarplatte oder Kohlenstoff-Bipolarplatte bezeichnet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik mit ihren zwei gegenüberliegenden Oberflächen vor dem Zusammensetzen ihrer Schichten; Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung gemäß der Linie ll-ll nach dem Zusammensetzen der Schichten gemäß Fig. 3;
Fig. 3 eine Bipolarplatte mit ihren zwei gegenüberliegenden Oberflächen vor dem Zusammensetzen ihrer Schichten;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung gemäß der Linie IV-IV nach dem Zusammensetzen der Schichten gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Darstellung analog zu der in Fig. 4;
Fig. 6 eine weitere alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Darstellung analog zu der in Fig. 4;
Fig. 7 eine noch weitere alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Darstellung analog zu der in Fig. 4.
In der Darstellung der Figur 1 ist die Draufsicht auf zwei hier noch getrennte Schichten 2,3, welche gemäß der gebogenen Pfeile dann zu der Bipolarplatte 1 zusammengesetzt werden, zu erkennen. Die obere Schicht 2 zeigt dabei die Kathodenseite, die untere Schicht 3 die Anodenseite der späteren Bipolarplatte 1. Auf den jeweiligen Rückseiten der beiden Schichten 2, 3 der Bipolarplatte 1 ist dabei ein Strömungsfeld für ein Kühlmedium angeordnet, welches hier nicht näher dargestellt, aber prinzipiell bekannt ist.
Die anodenseitige Schicht 2 verfügt nun über eine Medieneinlassöffnung 4 und eine Medienauslassöffnung 5. Diese sind fluchtend in den die beiden Schichten 2, 3 und fluchtend zu weiteren später zu dem Brennstoffzellenstapel, welcher hier nicht dargestellt ist, aufgestapelten Bipolarplatten 1 ausgebildet. Zwischen den beiden Schichten 2, 3, hier also auf der Rückseite gemäß der Darstellung in Figur 1, sind diese Medieneinlassöffnung 4 ebenso wie die Medienauslassöffnung 5 über mit 6 bezeichnete Kanäle mit einem jeweils mit 7 bezeichneten Durchbruch verbunden. Dieser Durchbruch 7 verbindet die in der Darstellung der Figur 1 auf der Rückseite der Schicht 2 liegenden Kanäle 6 und damit die Medieneinlassöffnung 4 bzw. die Medienauslassöffnung 5 mit einem Verteilbereich 8 für die Strömung, welcher benachbart zur Medieneinlassöffnung 4 angeordnet ist. Im Verteilbereich 8 wird die Strömung möglichst gleichmäßig über den Querschnitt eines in seiner Gesamtheit mit 9 bezeichneten Strömungsbereichs verteilt und benachbart zu der Medienauslassöffnung 5 entsprechend sammelt. Dafür sind offene die Strömung nicht blockierende und nicht leitende Strukturen 10, welche hier beispielsweise in Form von Noppen ausgebildet sind, in den jeweiligen Verteilbereichen 8 angeordnet. Zwischen den Verteilbereichen 8 befindet sich als flächenmäßig größter Teil des Strömungsbereichs 9 ein sogenanntes Strömungsfeld 11, in welchem über Strömungsleitstrukturen, wie beispielsweise Rippen 12, eine gleichmäßige Führung der Strömung entlang der später auf die kathodenseitige Schicht 2 der Bipolarplatte 1 aufgelegten Gasdiffusionslage einer Membranelektrodenanordnung erfolgt.
Der Aufbau der anodenseitigen Schicht 3 ist dabei im Wesentlichen analog mit dem Unterschied, dass hier die Medieneinlassöffnung13 für den Wasserstoff schräg gegenüber der korrespondierenden Medienauslassöffnung 14 für das Anodenabgas liegt. Ansonsten sind die Aufbauten bezüglich des jeweiligen Strömungsbereichs 9 für die Kathodenseite einerseits und die Anodenseite andererseits vergleichbar und mit dem jeweils selbven Bezugszeichen versehen.
Über die in beiden Schichten 2, 3 jeweils mit 15 und 16 bezeichneten Medieneinlass- und -auslassöffnungen 15, 16 wird ein Kühlmedium zu- und wieder abgeführt, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist. Für die hier dargestellte Erfindung spielt die Führung des Kühlmediums keine Rolle, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
Das Prinzip der innenliegenden Kanäle 6 und des Durchbruchs 7 wird anhand der prinzipmäßigen Schnittdarstellung gemäß der Linie ll-ll in den beiden Schichten 2, 3 der Figur 1 in der Darstellung der Figur 2 nochmals dargestellt. Die Schichten 2, 3 sind mit unterschiedlichen Schraffuren gekennzeichnet und sind miteinander verbunden. Die Medieneinlassöffnung 4 ist fluchtend durch beide Schichten angeordnet. Sie mündet seitlich in den Kanal 6, welcher typischerweise in beiden Schichten zu jeweils einem Teil seines Querschnitts ausgebildet ist. Der Durchbruch 7 verbindet dann den Strömungsbereich 9 bzw. dessen Verteilbereich 8 mit seinen Noppen 10 auf der Kathodenseite mit dem der Medieneinlassöffnung 4, sodass die Luft bzw. der Sauerstoff auf diesem Weg in den Verteilbereich 8 und von dort in an sich bekannter Weise in das Strömungsfeld 11 gelangen kann. Auf der anderen Schicht 3 ist im gegenüberliegenden Bereich, wie es aus der Darstellung der Figur 1 ersichtlich ist, der dortige anodenseitige Verteilbereich 8 mit seinen Noppen 10 angeordnet. In der Darstellung der Figur 3 ist nun die verbesserte Ausgestaltung der Bipolarplatte 1 gezeigt. Um eine mechanische Beeinträchtigung der Schichten 2, 3 in ihren jeweils den Durchbrüchen 7 der anderen Schicht gegenüberliegenden Abschnitten zu verhindern, ist in diesen Bereichen, welche in der Darstellung der Figur 3, die ansonsten analog zur Darstellung in Figur 1 zu verstehen ist, mit 17 gekennzeichnet sind. Diese verstärkten Abschnitte 17 liegen also gegenüber dem jeweiligen Durchbruch 7 der jeweils anderen Schicht 3,2, sodass also in der kathodenseitigen Schicht 2 die verstärkten Abschnitte 17 an den schräg gegenüberliegenden Ecken, hier links unten und rechts oben, angeordnet sind, und dementsprechend auf der kathodenseitigen Schicht 3 benachbart zu den jeweiligen Medieneinlassöffnungen 4 bzw. Medienauslassöffnungen 5 für das kathodenseitige Medium. Die verstärkten Bereiche 17 sind dabei vorzugsweise mit dem Rand des Strömungsbereichs 9, hier also der jeweiligen Verteilbereiche 8, verbunden, um so einen möglichst stabilen Aufbau zu gewährleisten.
Analog zur Darstellung in Figur 2, bei dem Aufbau der Bipolarplatte 1 gemäß dem Stand der Technik, ist eine entsprechende schematische Schnittdarstellung gemäß der Linie IV- IV in Figur 3 auch in Figur 4 dargestellt. Der Aufbau entspricht soweit dem im Rahmen der Figur 2 beschriebenen Aufbau. Lediglich der verstärkte Bereich 17 ist hier im Gegensatz zur Darstellung in Figur 2 zusätzlich vorhanden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dafür das Material der dem Durchbruch 7 der anodenseitigen Schicht 2 gegenüberliegenden kathodenseitigen Schicht 3 so verstärkt, dass die freie Tiefe des Strömungsbereichs neben den Noppen 10 gegenüberliegend zu dem Durchbruch 7 entsprechend verringert wird. Hierdurch wird eine ausreichende Verstärkung der Bipolarplatte 1 im verstärkten Abschnitt 17 durch eine größere Materialdicke erreicht. Dies kann insbesondere direkt bei der Herstellung der Schicht 3 mit eingeplant sein, insbesondere also in einer Form, in welcher ein kohlenstoffhaltiges Material in einer Kunststoffmatrix geformt und zu der Schicht 3 ausgehärtet wird.
In den nachfolgenden Figuren sind jeweils ebenfalls analog zur Darstellung in Figur 4 weitere Möglichkeiten beschrieben. Auch dort wird die Materialstärke durch den konstruktiven Aufbau entsprechend erhöht. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, durch das Einbringen von Lacken, Harzen, Zwischenschichten, das Einlegen von Fasermaterialien bei der Herstellung der entsprechenden Schicht 2, 3 der Bipolarplatte 1 diese Verstärkung entsprechend vorzunehmen. In der Darstellung der Figur 5 ist es so, dass im verstärkten Abschnitt 17 der anodenseitige Strömungsbereich 9 quasi verkleinert wird, sodass die Materialstärke bis auf die Materialstärke der benachbarten Bereiche der Schicht 3 angehoben wird.
Alternativ dazu ließe sich auch, und dies kann prinzipiell auch ergänzend zu den beiden beschriebenen Ausführungsvarianten erfolgen, die Materialstärke im Bereich des Kanals 6 entsprechend reduzieren, was in der Darstellung der Figur 6 schematisch angedeutet ist, um den verstärkten Bereich 17 zu schaffen.
In der Darstellung der Figur 6 sind außerdem rein beispielhaft Verstärkungsfasern 18 angedeutet, welche beispielsweise als Kohlenstofffasern, Kevlarfasern, Glasfasern oder dergleichen in den verstärkten Abschnitt 17 eingebracht werden könnten.
Eine weitere in Figur 7 erkennbare Möglichkeit, um den Abschnitt 17 zu verstärken könnte es auch vorsehen, dass der gesamte Kanal 6 nur in der einen, bei der hier dargestellten Stelle der Bipolarplatte 1 also in der kathodenseitigen Schicht 2 angeordnet ist, sodass anders als im Stand der Technik die komplette Materialstärke im Bodenbereich des Strömungsbereichs 9 der dem Durchbruch 7 in der Schicht 2 gegenüberliegenden Schicht 3 erhalten bleibt.

Claims

Patentansprüche
1. Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Schichten (2, 3), welche auf ihren einander abgewandten Oberflächen jeweils einen anodenseitigen oder kathodenseitigen Strömungsbereich (9) aufweisen, wobei in den zwei Schichten (2, 3) fluchtende Medieneinlassöffnungen (4, 13, 15) und Medienauslassöffnungen (5, 14, 16) vorgesehen sind, wobei jede der Medienein- und -auslassöffnungen (4, 5,
13, 14, 15, 16) mit Kanälen (6) in zumindest einer der inneren Oberflächen der zwei Schichten (2, 3) verbunden sind, und wobei die der Anodenseite und der Kathodenseite zugeordneten Kanäle (6) jeweils über Durchbrüche (7) in der jeweiligen Schicht (2, 3) mit den anodenseitigen oder kathodenseitigen Strömungsbereichen verbunden sind, wobei das Material der jeweiligen Schicht (2, 3) in dem jeweils den Durchbrüchen (7) der anderen Schicht (3, 2) gegenüberliegenden Abschnitten (17) verstärkt ist, wobei der Strömungsbereich (9) durch eine Vertiefung in der Oberfläche der jeweiligen Schicht (2, 3) ausgebildet ist, welche über den Grund der Vertiefung ragende Strömungsverteil- und/oder Strömungsleitstrukturen (10, 12) aufweist, wobei die verstärkten Abschnitte (17) eine größere Materialstärke aufweisen als die Materialstärke zwischen der tiefsten Stelle des Strömungsbereichs (9) in der jeweiligen Schicht (2, 3) und der gegenüberliegenden Oberfläche derselben Schicht (2, 3), wobei die größere Materialstärke durch einen Abschnitt (17) des Strömungsbereichs (9) mit verringerter Tiefe erreicht wird.
2. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verstärkte Abschnitt (17) mit verringerter Tiefe mit dem Rand des Strömungsbereichs (9) verbunden ist.
3. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Materialstärke des verstärkten Abschnitts (17) durch ein Verschieben des Strömungsbereichs (9) aus dem Bereich des verstärkten Abschnitts (17) realisiert ist.
4. Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Materialstärke des verstärkten Abschnitts (17) durch eine geringere Tiefe des Kanals (6) oder dem Verzicht auf den Kanal (6) in der Schicht (2, 3) mit dem verstärkten Abschnitt (17) realisiert ist.
5. Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Materialstärke im verstärkten Abschnitt (17) das 1,5 bis 2,5-fache, bevorzugt das 2 bis 2,5-fache der Materialstärke zwischen der tiefsten Stelle des Strömungsbereichs (9) in der jeweiligen Schicht (2, 3) und der gegenüberliegenden Oberfläche derselben Schicht (2, 3) aufweist.
6. Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Materials in dem verstärkten Abschnitt (17) durch das Aufträgen oder Einbringen eines weiteren Materials (18) realisiert ist.
7. Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (9) jeweils ein Strömungsfeld (11) und zwei die Durchbrüche (7) umfassende Verteilbereiche (8) aufweist, wobei das Strömungsfeld (11) Strömungsleitstrukturen, insbesondere in der Form von Rippen (12), und die Verteilbereiche (8) offene Strömungsverteilstrukturen, insbesondere in der Form von Noppen (10), aufweisen.
8. Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schichten (2, 3) jeweils aus einer mit einem kohlenstoffhaltigen Material gefüllten Kunststoffmatrix ausgebildet sind.
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